La technologie MEMS vient renforcer les équipements compacts de chromatographie gazeuse

La régulation du débit et de la pression de gaz en chromatographie gazeuse : des équipements d'analyse plus compacts avec la miniaturisation par la technologie des puces MEMS

Dion OUDEJANS
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La technologie des puces électroniques améliore notre quotidien de bien des façons. Venue de la technologie des semiconducteurs, la technologie de puces MEMS est également présente dans de nombreux appareils tout autour de vous, sous la forme de capteurs. Pensez à votre smartphone qui capture votre voix et détecte la position, l'orientation et le mouvement de l’appareil par des systèmes microélectromécaniques (Micro Electro Mechanical Systems-MEMS). Le cumul de ces fonctionnalités a peu d'impact sur les dimensions physiques d'un smartphone, il tient toujours dans votre main et dans votre poche.

Cet article de blog traite de la miniaturisation des instruments par la technologie de puce MEMS et des avantages des instruments de débit gazeux miniaturisés pour les applications dans le domaine de la chromatographie gazeuse. En tant que responsable produits MEMS au sein de Bronkhorst High-Tech, je vois les avantages de la miniaturisation par la technologie MEMS dans de telles applications.

Solution IQ+

Miniaturisation

Dans un environnement de laboratoire, il est avantageux de travailler avec un équipement de la taille d'un ordinateur de bureau. Les avantages des équipements compacts sont les suivants : faible encombrement, plus grande facilité de fonctionnement et coût global de possession réduit.

Les équipements de chromatographie gazeuse sont un bon exemple de concentration de fonctionnalités dans un très faible encombrement. De nombreux types de composition gazeuse et de composition de vapeurs peuvent être analysés avec une précision élevée et pour des niveaux de concentration très bas. En outre, cela comporte un certain degré d'automatisation. Tout cela est à la portée de main d'un technicien de laboratoire.

Chromatographie gazeuse

Le but de l'analyse par chromatographie gazeuse est d'identifier et de mesurer la concentration de composants gazeux dans un échantillon de gaz. Dans la chromatographie gazeuse (voir photo 3), on a souvent besoin de réguler la pression ou le débit du gaz. La photo montre un régulateur de débit gazeux pour le flux de gaz porteur (en rouge) et un régulateur de pression pour maintenir la pression sur l’entrée de l’injecteur (en jaune).

Chromatographie gazeuse

Principe de la chromatographie gazeuse

Le principe de la chromatographie gazeuse comprend un flux de gaz porteur régulé qui passe devant un injecteur, une colonne et un détecteur. Un gaz échantillon est injecté pendant un temps court, créant une fraction d'échantillon gazeux. La fraction d'échantillon gazeux est séparée en composants gazeux à travers la colonne , ils deviennent visibles en tant que pics durant la détection. La photo 4 montre un exemple d'un signal de sortie de chromatographie gazeuse.

Diagramme de sortie de Chromatographie gazeuse

Diagramme de sortie de chromatographie gazeuse

Échantillonnage d'espace de tête

Je vous propose un zoom sur l’échantillonnage dynamique d'espace de tête utilisé en combinaison avec la chromatographie gazeuse. L'échantillonnage d'espace de tête renvoie à l'espace gazeux dans un flacon de chromatographie contenant un échantillon liquide. L'échantillon liquide est un solvant contenant un matériau à analyser : par ex. composés organiques volatiles dans des échantillons environnementaux, alcool dans le sang, solvants résiduels dans des produits pharmaceutiques, plastiques, composés aromatiques dans des boissons et des aliments, café, fragrances dans des parfums et cosmétiques.

Ceci est expliqué sur la photo 5. L'échantillonnage dynamique d'espace de tête est effectué en purgeant l'espace de gaz et l'adsorbant. L'adsorbant collecte le gaz échantillon. Après le transfert, l'adsorbant est de nouveau désorbé pour libérer le gaz échantillon dans un chromatographe gazeux.

Echantillonnage dynamique d'espace de tête

Échantillonnage dynamique d'espace de tête

Un régulateur de débit gazeux entre en scène à la purge de l'espace de tête et de l'adsorbant avec un flux constant d'hélium ou d'azote. Le débit gazeux, contenant le gaz échantillon d'espace de tête, passe devant un adsorbant qui collecte le gaz échantillon d'espace de tête.

Maintenant, l'adsorbant est transféré vers l'entrée d'un chromatographe gazeux. De nouveau, un flux gazeux d'hélium ou d'azote régulé passe devant l'adsorbant pour libérer le gaz échantillon d'espace de tête dans l'entrée du chromatographe gazeux. Le chromatographe gazeux fait son travail d'analyse de l'échantillon et différents pics montrent les différents composants et leur concentration.

Débitmètres gazeux et régulateurs de pression IQ+FLOW

Pour les débitmètres, certaines spécifications sont importantes dans l'échantillonnage d'espace de tête et la chromatographie gazeuse. La ligne de produit IQ+FLOW basée sur la technologie de puce MEMS tient compte de ces spécifications avec une petite taille d'instrument, une réponse rapide, une bonne répétabilité, une faible consommation d'énergie, un faible coût global de possession et l'excellent support que vous apporte Bronkhorst.

Pour en savoir plus sur la ligne de produits à puce IQ+FLOW

Pour en savoir plus sur la chromatographie gazeuse combinée aux débitmètres, manomètres et régulateurs, consultez notre note d'application "Chromatographie gazeuse".

Débitmètre IQ+ Flow

Le futur de la technologie MEMS

Bronkhorst s'engage à aller de l'avant et à rechercher des applications qui peuvent être améliorées avec la technologie de puce MEMS. N'hésitez pas à nous poser vos questions contactez-nous. Nous vous tiendrons informé(e)s !

Le Top 5 des meilleurs articles de notre blog pour démarrer l’année au bon débit

Le début d’année semble être le bon moment pour jeter un œil sur les nombreuses histoires intéressantes et à succès de l'an passé du blog Bronkhorst.

Kevin van Dijk
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Le début de l’année constitue toujours le moment idéal pour revenir sur les nombreux articles intéressants publiés sur le blog de Bronkhorst au cours de l’année écoulée. Partant de là, je me suis attelé à sélectionner les articles qui ont été les plus populaires en 2018.

1. Compensation en temps réel de la pression et de la température pour optimiser la régulation du débit de gaz

Pour lancer les festivités, je vous propose la publication sur les régulateurs de débit massique pour gaz haute pression pour les faibles débits. Ces nouveaux régulateurs de débit massique sont équipés d’une fonctionnalité intégrée de compensation de la pression qui leur permet de compenser automatiquement les fluctuations de la pression d’alimentation. Vincent Hengeveld, notre chef de produits pour les technologies de gaz, vous dévoile la théorie qui sous-tend cette fonctionnalité.

2. L’effet de turbulence dans la mesure du débit de gaz

L’effet de turbulence est un sujet fréquemment abordé. En effet, on pose souvent la question à notre service clientèle comment réduire les effets des débits turbulents car nos instruments de mesure du débit thermique fonctionnent mieux avec un débit laminaire. [Lisez l'article de blog de notre ingénieur Allard Overmeen](Lisez le blog de notre ingénieur Allard Overmeen).

3. Miniaturisation à l’extrême : microcapteur de débit massique Coriolis

Dans cet article de blog, Wouter Sparreboom explique le développement d’un instrument Coriolis basé sur MEMS – un capteur de débit massique Coriolis permettant de mesurer des débits extrêmement faibles indétectables pour tout autre capteur Coriolis. MEMS signifie microsystème électromécanique. Pour en savoir plus sur le fonctionnement et les avantages liés à l’utilisation d’un capteur de débit MEMS, poursuivez votre lecture.

Technologie MEMS

4. Que faire en cas de vibrations lors de l’utilisation de débitmètres massiques Coriolis ?

Il s’agit d’une question régulièrement soulevée dans l’industrie des débitmètres. Le débitmètre massique Coriolis est un instrument connu pour sa grande précision, qui présente de nombreux avantages par rapport aux autres appareils de mesure. Cependant, l’utilisation d’instruments Coriolis peut se révéler un défi considérable pour les applications à faible débit de l’industrie lourde, où l’on peut avoir affaire à toutes sortes de vibrations. Ferdinand Luimes, notre chef de produits pour les technologies liées aux liquides, vous en dit plus.

5. Des applications de camping rendues possibles grâce à la régulation du débit massique

En plein cœur de l’hiver, on ne pense pas très souvent aux campings. Pourtant, ce sujet reste un thème dont on parle beaucoup pendant les jours de froid. L’été dernier, nous vous avons expliqué toute une série d’applications que vous pouvez être susceptible de rencontrer en camping, de même que l’implication des régulateurs de débit massique. Faites l’expérience de l’air estival pendant un bref moment et lisez tout ce qu’il y a à savoir sur les applications de camping rendues possibles grâce à la régulation du débit massique..

Camping

Par ailleurs, je souhaite témoigner toute ma reconnaissance à nos blogueurs invités, qui ont fait preuve d’une grande générosité en prenant le temps de contribuer de manière intéressante à notre blog.

Blogueurs invités Dr.Christian Monse (IPA), John S. Bulmer (Université de Cambridge), Laure Pillier (Laboratoire PC2A), Armand Bergsma (Pressure Control Solutions), Hans-Georg Frenzel (Hansa Industriemixer) et Lotte Pleging (Team FAST).

Vous prendrez à coup sûr beaucoup de plaisir à lire ces posts, si ce n’est déjà fait. Je vous souhaite, en mon nom et au nom de toute notre équipe, tous nos vœux de santé, de bonheur et de succès pour 2019.

Fabrication contrôlée de nanotubes de carbone : un matériau de l'avenir

L’université de Cambridge, en collaboration avec Bronkhorst, travaille sur un réacteur pour contrôler la fabrication des nanotubes de carbone. Découvrez ce fascinant projet.

John S. Bulmer (Université de Cambridge)
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En tant que scientifique à l'Université de Cambridge, je suis impliqué de très près dans un projet fascinant sur les nanotubes de carbone. En coopération avec Bronkhorst, nous travaillons sur un réacteur permettant de contrôler la fabrication de ce matériau exceptionnellement résistant et conducteur. Je vais vous en dire plus sur ce sujet et pourquoi je pense que les nanotubes de carbone sont un matériau de l'avenir.

Histoire et avenir des nanotubes de carbone (CNT)

Au départ, le carbone se présentait sous trois formes moléculaires :

  • diamant
  • graphite
  • carbone amorphe

Soudain, au milieu des années 80, une nouvelle forme moléculaire a fait surface dans la recherche et a enflammé le champ pluridisciplinaire de la nanotechnologie. Cette molécule tout carbone, le fullerène de Buckminster, est une cage d'atomes de carbone de taille nanométrique avec une structure moléculaire qui ressemble à un ballon de football.

Quelques années plus tard, un autre cousin du carbone moléculaire faisait son apparition : les nanotubes de carbone (CNT). Similaire au fullerène de Buckminster, la structure de ballon de foot est fortement allongée en un tube d'une largeur nanométrique et d'une longueur qui est des millions de fois plus grande que son diamètre. Fait scientifique captivant, les liaisons carbone puissantes du CNT avec sa structure moléculaire ordonnée en font le matériau le plus solide jamais construit. Les électrons, en tant que conducteurs unidimensionnels stables, glissent le long du CNT sans aucun effort, ce qui fait que la conductivité électrique du CNT est quatre fois plus grande que celle du cuivre avec une capacité de transport du courant maximale qui est 1000 fois supérieure à celle du cuivre.

Modèle 3D de fullerène de buckminster Photo : modèle 3D de fullerène de Buckminster

Au début des années 2000, les chercheurs ont créé des procédés pour fabriquer des textiles composés de CNT dotés d'une microstructure regroupée et alignée avec densité. Au départ, les propriétés générales des textiles en CNT étaient bien en-deçà des formidables propriétés de leurs molécules individuelles. Après une amélioration sans relâche, la fibre de CNT de pointe est tout aussi solide que la fibre de carbone conventionnelle et sa conductivité est multipliée par quatre environ. Grâce au développement continu, nous comptons obtenir des fibres de CNT qui soient significativement plus résistantes que la fibre de carbone conventionnelle avec une conductivité électrique et thermique supérieures aux métaux traditionnels comme le cuivre et l'aluminium.

Les fibres de nanotubes de carbone trouvent leur application dans les textiles résistants aux déformations (vêtements de protection, gilets pare-balles), les composites, les matériaux composés de construction (céramiques, carcasses de voiture plus légères) et les câbles du fait de leur résistance. L'utilisation des nanotubes de carbone pourrait avoir un impact énorme sur la vie quotidienne, similaire à la façon dont les plastiques ont changé le monde au milieu du 20ième siècle.

Nanotubes de carbone (CNT) à l'Université de Cambridge

Notre laboratoire a inventé un procédé de production qui crée non seulement des nanotubes de carbone dans des volumes compétitifs sur le plan industriel mais qui le fait avec une perfection graphitique inégalée pour obtenir un textile macroscopique à microstructure alignée, et ce en une seule étape de production. Ce procédé de production est intrinsèquement plus simple que les autres procédés de production de fibres comme la fibre de carbone conventionnelle et le Kevlar.

Le réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant (F-CVD) employé dans ce procédé nécessite uniquement une source de carbone (toluène), une source de catalyseur (ferrocène) et un promoteur à base de soufre (thiophène) qui sont mélangés ensemble et alimentés dans un réacteur à tubes à 1300°C par un gaz porteur (hydrogène). Un nuage de CNT flottant est formé. L'extraction mécanique du nuage de CNT hors du réacteur à tubes condense le nuage en une fibre dense à microstructure alignée. C'est ce que l'on appelle le "CNT spinning" ou le "filage de CNT". Du personnel spécialement protégé, appelé également "fileur", extrait mécaniquement le nuage de CNT en formant une fibre.

La régulation constante du réacteur reste cependant un défi. Les propriétés du CNT varient considérablement entre les passes et le lien entre les paramètres d'entrée contrôlés et non contrôlés du réacteur n'est pas encore complètement élucidé à ce jour.

Contrôle du réacteur de nanotubes de carbone

Notre programme vise à mettre en œuvre une boucle de commande solide pour contrôler les propriétés de matériau du CNT du réacteur. Chaque variable d'entrée et de sortie du réacteur qui sont des propriétés de matériau de CNT spécifiquement sélectionnées, sont mesurées et enregistrées automatiquement dans une base de données ; cela va des conditions météorologiques extérieures, aux opérateurs, à l'âge du tube, aux concentrations de précurseur, aux flux gazeux, etc... La base de données est constamment explorée pour les corrélations, l’interaction des paramètres et les modèles de régression linéaire multidimensionnels qui fournissent des prédictions statistiques sur le comportement du réacteur à l'aide du logiciel exploratoire de données JMP™.

Par exemple, la figure 1 montre un modèle statistique pour le rapport G:D du matériau, soit le rapport entre le graphite (G) et les défauts graphitiques (D) par spectroscopie Raman, indiquant le degré de perfection graphitique. Le modèle est une fonction de différents paramètres d'entrée du réacteur que l'on a considéré comme étant les plus significatifs sur le plan statistique quant au rapport G:D. Sur l'axe horizontal du tracé ci-dessous, on peut voir les valeurs de prédiction de G:D du modèle et sur la verticale, les valeurs réelles mesurées. Dans un modèle parfait avec un contrôle parfait, on aurait une ligne droite à 45 degrés. On voit nettement que les points de données sont largement répandus le long de la ligne rouge, ce qui indique un bas niveau de régulation du réacteur.

GD ratio

Figure 1

Le paramétrage a consisté ici à simplement mélanger les précurseurs ensemble (toluène, ferrocène et thiophène) et à injecter la solution dans un gaz porteur hydrogène par le biais d'une simple pompe à engrenages. Il est apparu évident qu'un système plus sophistiqué était nécessaire pour une meilleure régulation du réacteur.

Solution de Bronkhorst pour la régulation du réacteur de nanotubes de carbone

La Figure 2 montre notre système amélioré. Les précurseurs liquides séparés sont désormais régulés indépendamment avec des instruments à effet Coriolis de Bronkhorst (gamme mini CORI-FLOW). Les débitmètres massiques à effet Coriolis fournissent des débits massiques précis sans devoir ré-étalonner entre des précurseurs différents, ce qui facilite grandement les essais de différentes recettes de CNT. Bronkhorst est le seul qui soit parvenu à appliquer le principe de l'effet Coriolis haute précision bien connu à une échelle extrêmement réduite en appliquant la technologie MEMS.

Schéma réacteur nanotubes de carbone

Figure 2

Les débits sont situés dans une plage allant jusqu'à 200 g/h pour le toluène et même en-dessous de 100 mg/h pour le thiophène. Les gaz porteurs hydrogène sont régulés par les régulateurs de débit massique robustes et prêts à l'utilisation de Bronkhorst. Enfin, les précurseurs dosés avec précision sont vaporisés et combinés aux gaz porteurs hydrogène régulés, par technologie de vaporisateur.

GD ratio

Figure 3

Avec cette nouvelle instrumentation plus sophistiquée, la modélisation statistique du réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant est bien plus efficace. Ici, les valeurs réelles opposées à celles prévues pour la perfection graphitique sont beaucoup plus satisfaisantes, comme le montre la figure 3. Ce modèle a essentiellement moins de bruit, ce qui signifie que la réponse du réacteur est prévisible et reproductible. Jusqu'à présent, avec ce système de réacteur contrôlable et bien modélisé, nous avons plus que doublé les vitesses types de production de CNT et triplé le degré de cristallinité graphitique.

Contactez Bronkhorst

Si vous travaillez dans le domaine de la technologie des réacteurs, n'hésitez pas à nous contacter pour des solutions pour vos procédés. Contactez-nous pour de plus amples informations.

Continuez à suivre nos actualités ! Avec Bronkhorst et d'autres partenaires commerciaux, universitaires et gouvernementaux importants, nous espérons surpasser bientôt la fibre de carbone conventionnelle !

Nouvelles technologies de flux avec fonctionnalité sensorielle intégrée

Partout dans le monde, les clients aspirent à simplifier et à intégrer toujours davantage leurs procédés de débit de gaz, de liquide ou de vapeur.

Egbert van der Wouden
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Partout dans le monde, les clients aspirent à simplifier et à intégrer toujours davantage leurs procédés de débit de gaz, de liquide ou de vapeur. Ils privilégient par ailleurs des supports compacts, robustes et fiables, capables même d’intégrer plusieurs types de capteurs.

Dans ce post, je vais vous présenter en avant-première la « boîte à outils » actuellement en développement chez Bronkhorst High-Tech B.V. À cet égard, vous avez déjà pu découvrir l’un de ses composants, à savoir le microcapteur de débit massique Coriolis, dans un article précédent de notre blog, intitulé « Miniaturisation à l'extrême : micro-capteur de débit massique Coriolis ».

Pourquoi développer une boîte à outils de prochaine génération ?

Nos clients nous font part au quotidien de leurs exigences en matière de miniaturisation et de la nécessité de pouvoir contrôler un ensemble de différents paramètres pour répondre aux besoins exigeants de leurs clients. Parmi ces clients, on retrouve l’industrie des sciences de la vie, les fabricants de dispositifs analytiques, mais également les activités qui nécessitent de mesurer les niveaux de concentration de gaz en ligne.

Technologie fondée sur les MEMS

Ce type de demandes nous ont amenés à explorer un niveau supérieur en matière de développement de capteurs, de sorte que ceux-ci puissent in fine répondre aux futurs besoins de nos clients. Ce développement d’un nouveau genre intègre une technologie fondée sur les microsystèmes électromécaniques (Micro-electromechanical Systems – MEMS), qui offrent la possibilité de mesurer bien plus que le débit d’un système personnalisé pouvant être doté d’un ou d’une combinaison de capteurs.

Paramètres

exemple de paramètres susceptibles d’être déterminés par la combinaison de plusieurs paramètres

Par exemple, une propriété physique mesurée peut être utilisée pour identifier le type de fluide, si cette propriété est unique pour ledit fluide. Autre possibilité, si le fluide en question est constitué du mélange de 2 gaz, une propriété peut être utilisée pour analyser la fraction de ce mélange binaire.

D’autres paramètres auxquels on pourrait songer sont la teneur en sucre d’un fluide, communément appelée le degré Brix, ou encore la capacité thermique pour mesurer des mélanges huile/eau.

Bref, ces nouveaux concepts sont en cours de développement et se destinent à apporter un support à nos clients pour leur permettre de résoudre les prochains défis technologiques.

Puce à paramètres multiples

À titre d’exemple, dans le cadre d’un programme de recherche sur la réduction de l’empreinte carbone, mis sur pied avec plusieurs partenaires, Bronkhorst a reçu une demande de projet pour mesurer des propriétés physiques du gaz. Les propriétés en question étaient les suivantes :

  • capacité thermique (cp)
  • densité (ρ)
  • conductivité thermique (λ)
  • viscosité (η)

Pour analyser ces propriétés, il a fallu utiliser plusieurs capteurs individuels comme un capteur Coriolis, un capteur thermique, un capteur de pression et un capteur de densité. Ensuite, afin de prouver que combiner plusieurs capteurs en association avec l’électronique pouvait répondre aux besoins des clients, nous avons développé un modèle de démonstration. Ce modèle contenait des produits disponibles dans le commerce, et nous les avons intégrés sur un seul système.

modèle de démonstration

modèle de démonstration

Les enseignements tirés du modèle de démonstration ont permis à l’équipe du projet de voir les perspectives de développement avec les puces à paramètres multiples.

S’agissant des performances d’un capteur, la stabilité constitue un aspect important, surtout lorsque plusieurs capteurs sont utilisés en association pour dégager des informations sur le fluide au sein du système. La puce développée et réalisée par Bronkhorst montre qu’il est possible de mesurer la viscosité en combinaison avec le débit massique, la densité et la pression différentielle.

À partir du modèle de démonstration ci-dessus, nous avons tenté de déterminer si la viscosité d’un fluide pouvait être mesurée de façon précise sur de longues périodes, indépendamment des variations de température de la pièce. Mesurer la viscosité peut s’avérer d’un intérêt particulier pour certaines applications, notamment dans le cas du gaz naturel qui présente une forte corrélation entre la viscosité et le pouvoir calorifique. Vous trouverez ci-après les résultats pour une période d’essai de 84 heures. On peut lire sur l’histogramme que toutes les valeurs mesurées pour la viscosité oscillent dans une fourchette de 0,5 %.

résultats des tests

les résultats pour une période d’essai de 84 heures

La prochaine étape consistera à combiner les mêmes fonctionnalités sur une empreinte beaucoup plus petite. Le concept ci-dessous présente les possibilités de combiner la mesure des paramètres requis au niveau de la puce.

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Solutions de débit Bronkhorst®

Bronkhorst est déjà capable aujourd’hui de contribuer à développer et à fournir des solutions de débit 100 % personnalisables et capables de répondre aux besoins des clients pour tous les constructeurs de machines du monde en quête d’une simplification et d’une intégration accrue de leurs procédés de débit de gaz, de liquides ou de vapeurs.

Pour obtenir de plus amples informations sur nos futurs concepts de boîtes à outils, n’hésitez pas à contacter notre agence sales@bronkhorst.fr

Les résultats de ce processus de co-création ont déjà été abordés dans des articles antérieurs :

Miniaturisation à l'extrême : micro-capteur de débit massique Coriolis

Les instruments Coriolis basés sur la technologie MEMS sont actuellement les capteurs de débit Coriolis qui mesurent les plus petits débits au monde.

Wouter SPARREBOOM
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Dans cet article, je souhaite parler du développement d’un instrument Coriolis basé sur MEMS - un capteur de débit massique Coriolis permettant de mesurer des débits extrêmement faibles indétectables pour tout autre capteur Coriolis. « MEMS » signifie : microsystème électromécanique. Cet instrument Coriolis, unique sur le marché, est désormais disponible pour être testé en situation réelle.

Technologie MEMS (microsystème électromécanique)

La technologie MEMS est similaire à la technologie utilisée dans les semi-conducteurs si ce n’est qu’elle s’applique aux capteurs et aux composants mécaniques miniatures plutôt qu’aux puces électroniques. La technologie MEMS est notamment utilisée dans les capteurs pour airbags, les têtes d’impression, les capteurs de pression, les microphones, les boussoles, les accéléromètres, les gyroscopes et les oscillateurs. Par exemple, les smartphones contiennent beaucoup de composants MEMS et l’utilisation de capteurs de débit thermiques est très répandue dans les systèmes de climatisation.

Disques plats Wafers Wafers, des disques extrêmement plats

Les puces MEMS se composent de wafers. Les wafers sont des disques extrêmement plats fabriqués en silicium ou en verre. Un wafer standard affiche une épaisseur de 0,5 mm et un diamètre de 6 pouces (15 cm). La technologie MEMS consiste à accumuler des couches puis à les éliminer dans certaines zones. Les couches appliquées peuvent être composées de matériaux robustes et de haute qualité. Le nitrure de silicium fait partie de ces matériaux. Il peut être appliqué par dépôt chimique en phase vapeur basse pression (LPCVD) laquelle est réalisée à environ 800˚C.

La photolithographie est utilisée pour définir les zones à éliminer. Elle consiste à déposer une couche de résine photosensible sur la surface du wafer. La résine photosensible voit sa composition chimique altérée lorsqu’on soumet sa surface à un rayonnement de lumière avant de la plonger dans une solution de développement pour éliminer des zones précises.

Avantages d’un capteur Coriolis

La plupart des capteurs de débit MEMS reposent sur un principe de mesure thermique. Des études ont démontré que ces capteurs sont capables de mesurer des débits liquides aussi faibles que quelques nanolitres par minute. Principaux avantages : ils sont rapides et très fiables. Principal inconvénient : il faut les calibrer pour chaque fluide.

Un capteur de débit Coriolis, c’est-à-dire un capteur de débit contenant un tube vibrant dans lequel le débit massique est soumis aux forces Coriolis, ne présente pas ce type de problème. Les forces Coriolis sont directement proportionnelles au débit massique et indépendantes de la température, de la pression, du type de débit et des propriétés du fluide car les capteurs de débit Coriolis mesurent le véritable débit massique.

Capteur de débit Coriolis Capteur de débit Coriolis

Les débitmètres Coriolis sont généralement utilisés pour mesurer des débits importants (>1 kilogramme par heure) car les forces Coriolis relativement faibles sont plus difficiles à détecter pour les faibles débits. Pour accroître la sensibilité en vue de mesurer les débits ultra faibles (2 grammes par heure), la taille du capteur et l’épaisseur de la paroi du tube doivent être minimisées à l’extrême, ce qui n’est pas possible avec les méthodes d’usinage traditionnelles de l’acier inoxydable.

C’est là que la technologie MEMS entre en jeu. Le processus « surface channel technology » (technologie de gravure profonde) que nous avons développé en étroite collaboration avec l’université de Twente permet de fabriquer des tubes avec une paroi en nitrure de silicium d’1 micromètre d’épaisseur. Ce matériau confère une stabilité mécanique à ces tubes en dépit de l’extrême finesse de la paroi.

Principe opérationnel du capteur Coriolis MEMS

Le principe opérationnel du capteur Coriolis MEMS est illustré dans la photo 3. Le capteur intégré dans le modèle de démonstration est basé sur cette technologie. Le modèle de démonstration peut mesurer et contrôler des débits de gaz et de liquide de 0,01 à 2 grammes par heure.

Tube du capteur de débit Coriolis

Tube du capteur de débit Coriolis. La résonance du tube est induite par la force de Lorentz. La force Coriolis Fc résulte du débit massique Φm qui traverse le tube.

Autre avantage de la technologie MEMS, le tube Coriolis qui se trouve à l’intérieur de l’instrument affiche des dimensions si petites que la fréquence de résonance du tube se trouve dans la gamme des kHz. Cela se traduit par une plus faible sensibilité aux vibrations externes que celle des instruments Coriolis conventionnels en acier inoxydable.

Avant première du prochain article du blog sur le MEMS : surface channel technology

La « surface channel technology » (technologie de gravure profonde) utilisée pour créer la puce du capteur micro-Coriolis peut également être utilisée sur d’autres types de capteur, tels que le capteur de pression, le capteur de densité,le capteur de viscosité et le capteur de débit massique thermiques.

Lisez notre article "L’essor de la miniaturisation en matière de solutions de débit" et continuez à suivre notre blog pour en savoir plus sur la technologie MEMS!