CAUDALÍMETRO CON TUBO DE FLUJO DE SILICIO.

Un caudalímetro con un sensor de flujo que comprende un chip (17) de sistema que comprende un sustrato (1) de silicio dispuesto en un portador (5),

en una abertura (4) en la cual se sitúa un tubo (3) de flujo de nitruro de silicio para transportar un medio cuyo caudal de flujo debe medirse, donde dicho tubo (3) tiene dos extremos que se fusionan a través de una pared (27) de la abertura (4) en un canal revestido de nitruro de silicio en el sustrato (1) de silicio

El invento se refiere a un caudalímetro para medir el flujo de un medio.

Un caudalímetro de Coriolis es un instrumento efectivo para medir flujos.

Otra categoría está formada por caudalímetros de tipo térmico. El invento tiene como propósito crear un caudalímetro y una tecnología para su fabricación que haga posible la medida de caudales de flujo muy pequeños, por debajo de 1 g/h, en combinación con una tecnología de fabricación universal que haga posible la fabricación de diferentes tipos de dispositivos de medida y su integración con los equipos de sensores adicionales referidos más arriba.

El caudalímetro de acuerdo con el invento está caracterizado para este propósito por que dispone de un sensor de flujo que comprende un chip de sistema con un sustrato de silicio dispuesto en un portador, que tiene una abertura en la que se dispone un tubo de flujo de nitruro de silicio para transportar un medio cuyo caudal de flujo debe medirse, donde el tubo tiene dos extremos que se fusionan a través de una pared de la abertura en un canal revestido de nitruro de silicio en el sustrato de silicio.

El documento EP-A-1 291 621 describe un sensor de flujo sensible al calor que comprende un sustrato fabricado a partir de, por ejemplo, una oblea de silicio en la que se forma un orificio. La oblea tiene conductos tubulares que se comunican con el orificio. Se forma una sección de comparación de resistencia para detectar temperaturas de fluido en una película que se dispone sobre el orificio. No existe tubo construido en el seno del orificio. Además, los conductos tubulares no tienen paredes de nitruro de silicio.

El documento de patente de EE. UU. US-B1-6 477 901 describe un sensor de flujo de Coriolis que incluye un sustrato a cuya superficie superior se adhiere una porción de un sistema de tubos, mientras que el resto del sistema de tubos se suspende por encima del sustrato, creando de esta forma una sección de tubos independiente. Por consiguiente, la porción de tubos independiente no está dispuesta en el seno de un orificio en el sustrato. Además, el tubo no está fabricado de nitruro de silicio, sino de silicio.

El invento se refiere también a un método para fabricar un chip de sistema para un caudalímetro tal como se describe más arriba. Este método está caracterizado por los siguientes pasos:

crear un sustrato de silicio monocristalino en el que se materializa un tubo de nitruro de silicio por

medio de pasos de deposición de nitruro de silicio y decapado parcial y exposición parcial a

través del decapado con el fin de materializar una estructura tubular que esté fija en al menos

una cara y que está por lo demás libre, valiéndose de tecnología de microcanal de superficie.

Se explicará a continuación el invento con más detalle, por medio de ejemplos, con referencia a los dibujos en los que:

La Figura 1a es un diagrama en vista elevada de una realización de un caudalímetro de acuerdo

con el invento con un chip de sistema y un sensor de flujo de Coriolis;

La Figura 1b es una vista elevada frontal del caudalímetro de la Figura 1a;

La Figura 1c es una vista en sección transversal del caudalímetro de la Figura 1a;

La Figura 2a presenta una clarificación del funcionamiento de un sensor de flujo de Coriolis en un

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montaje con un tubo de Coriolis en forma de U (con una indicación en el diagrama del accionamiento y detección de la vibración del tubo de Coriolis); La Figura 2b muestra un accionamiento de Lorentz (torsión) y una detección capacitiva (aleteo) del tubo; La Figura 2c muestra un accionamiento térmico (torsión) y una detección capacitiva (aleteo) del tubo; La Figura 2d muestra un accionamiento térmico (aleteo, sin imanes) y una detección capacitiva (torsión); La Figura 3a muestra un detalle del chip de sistema de la Figura 1 con un sensor de presión de Pirani claramente visible; La Figura 3b es una vista en sección transversal del chip de sistema con acoplamiento fluídico de tubos de conexión; Las Figuras 4a-j son vistas en secciones transversales que atraviesan un chip de sistema durante la fabricación; La Figura 5a muestra detalles de la fabricación de un codo redondeado en un perfil de tubo; La Figura 5b muestra conexiones paralelas a un tubo; Las Figuras 6a y b muestran detalles de los medios de detección capacitiva de un chip de sistema; La Figura 7a es una vista elevada de un chip de sistema con tubo de Coriolis con medios de excitación térmica; La Figura 7b muestra en forma de diagrama un chip de sistema con tubo de Coriolis con medios de detección capacitiva alternativos; La Figura 8 muestra un chip de sistema con tubo de Coriolis y medios de detección óptica; La Figura 9a muestra una primera realización de un chip de sistema con un sensor de flujo de tipo térmico; La Figura 9b muestra una segunda realización de un chip de sistema con un sensor de flujo de tipo térmico; y La Figura 10 muestra un chip de sistema con tubo de Coriolis con una brida magnética para excitación mediante fuerza de Lorentz. Se han asignado los números de referencia a componentes correspondientes en las Figuras

tanto como ha sido posible.

La Figura 1a muestra un chip 17 de sistema que comprende un sustrato 1 de silicio monocristalino en el que se ha decapado una abertura 4. El chip 17 de sistema dispone en este ejemplo de un sensor de flujo de Coriolis con un tubo 3 de Coriolis de nitruro de silicio que está suspendido libremente en la abertura 4. En otro ejemplo el sensor de flujo puede ser un sensor térmico de flujo. En cualquier caso puede integrarse un sensor 2 de presión absoluta, tal como un sensor de presión de Pirani, dentro de o sobre el sustrato 1. El tubo de Coriolis tiene forma de espira, en este caso forma de espira rectangular. Otras formas de espira, tales como triangular, trapezoidal, o con forma de U, son también posibles.

El chip 17 de sistema está montado (de manera monolítica) con dos imanes 9, 9' permanentes mutuamente opuestos que están dispuestos en un portador 5, por ejemplo una PCB (placa de circuito impreso) de un material cerámico o una resina sintética con pistas de cobre dispuesta sobre él. El sustrato está fabricado a partir de una oblea de silicio <1,0,0> montada sobre el portador 5. Las conexiones eléctricas entre el chip 17 de sistema y el portador 5 se consiguen mediante los así llamados hilos de soldadura dispuestos en los grupos 6, 7 y 8. Los hilos 6 de soldadura (desde y hacia el chip del sensor) sirven para condicionar la temperatura del chip / c.q. control de temperatura. Un sensor de temperatura local y un sensor 2 de presión (ambiente) pueden estar presentes, si así se desea.

El sensor 2 de presión, si está presente, mide la presión absoluta. Esto es importante ya que el factor de calidad de la vibración del tubo depende entre otros factores de la presión del aire.

Los hilos 7 de soldadura sirven para llevar el tubo 3 suspendido libremente a un estado de vibración. Los hilos 8 de soldadura sirven para controlar los elementos de lectura para el tubo suspendido libremente.

El tubo 3 suspendido libremente junto con los imanes 9, 9' con forma de vástago, un conductor 10 de corriente (hilo) en el tubo 3, y los elementos sensores capacitivos 11 en el tubo y 12 en el chip 17 de sistema, forma un así denominado caudalímetro de Coriolis, que se clarifica adicionalmente en las Figuras 2a a 2c. Puede disponerse opcionalmente un cuerpo de material magnético débil entre los imanes 9 y 9' con forma de vástago en un lugar determinado en el seno de la espira con el fin de mejorar la eficiencia del montaje magnético.

El acoplamiento hidráulico del chip 17 de sistema al mundo exterior se consigue de mediante bloques 13 y 14 de presión (Figura 1b). Las conexiones 16 y 16' del fluido están presentes en el bloque 14 de presión. La aplicación de una fuerza de presión entre el bloque 13 de presión, el sustrato 1, y el bloque 14 de presión crea un cierre estanco a gases de la conexión de fluido entre los tubos 15, 15' y el sustrato 1 (consúltese la Figura 3b para más detalles).

La Figura 1b muestra el mismo dispositivo que la Figura 1a, pero visto desde el frente. La “cara superior” del chip 17 de sistema se sitúa en la línea central 18 de los imanes 9 y 9' con forma de vástago.

La Figura 1c muestra el mismo dispositivo que la Figura 1a, pero esta vez... [Seguir leyendo]

1. Un caudalímetro con un sensor de flujo que comprende un chip (17) de sistema que comprende un sustrato (1) de silicio dispuesto en un portador (5), en una abertura (4) en la cual se sitúa un tubo (3) de flujo de nitruro de silicio para transportar un medio cuyo caudal de flujo debe medirse, donde dicho tubo (3) tiene dos extremos que se fusionan a través de una pared (27) de la abertura (4) en un canal revestido de nitruro de silicio en el sustrato (1) de silicio.

2. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que los canales están conectados a través del portador (5) a líneas (16, 16') de conexión al mundo exterior.

3. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el tubo (3) de flujo tiene forma de espira y está suspendido libremente de las paredes de la abertura (4) en tres lados.

4. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 1, que comprende medios (A) para hacer vibrar el tubo y medios (B) para detectar el movimiento del tubo.

5. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 4, en el que los medios (A) comprenden una red (10) conductora en el tubo (3) de flujo, medios para hacer pasar una corriente alterna a través de la red conductora, y medios (9, 9') para generar un campo magnético permanente en el área del tubo (3) de flujo.

6. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 4, en el que los medios (A) excitan térmicamente el tubo de flujo.

7. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 4, en el que los medios (A) funcionan mediante el calentamiento y el enfriamiento del dimorfo constituido por el tubo (3) y la red conductora creada sobre él.

8. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 5, en el que los medios (B) funcionan de manera capacitiva, donde la red conductora actúa como una armadura de un condensador.

9. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 5, en el que los medios (B) funcionan de manera óptica, donde un haz (81) de luz es dirigido a la red conductora y se detecta la luz

(84) reflejada.

10. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el tubo (3) de flujo tiene forma de U, está suspendido libremente de la pared de la abertura (4) en tres lados, y está asociado con una termopila (90) que está dispuesta con el fin de medir una diferencia de temperatura entre las ramas de la U.

11. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que el tubo

(3) de flujo de nitruro de silicio forma parte de un sensor de flujo de Coriolis o de un sensor térmico de flujo.

12. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por un primer tubo de flujo de nitruro de silicio para un sensor de flujo de Coriolis y un segundo tubo de flujo de nitruro de silicio para un sensor térmico de flujo.

13. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que el tubo de flujo forma parte de un sensor de flujo de Coriolis, y por que están presentes medios para excitación de 13

Lorentz para excitar el tubo de Coriolis así como medios de excitación adicionales.

14. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 5, caracterizado por que los medios para generar un campo magnético permanente comprenden dos imanes permanentes mutuamente opuestos.

15. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 5, caracterizado por que el tubo

(101) de flujo tiene forma de U y por que los medios para generar un campo magnético permanente comprenden una brida (100) magnética que acomoda un imán (104) permanente, donde la mencionada brida (100) magnética proporciona una espira de material magnético débil que tiene una porción con forma de C o con forma de U en el lado exterior del tubo (101) de flujo con entrehierros en aquellas localizaciones en las que el tubo (101) de flujo cruza el camino de la espira.

16. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 15, caracterizado por que la brida (100) magnética tiene una parte (103) de tipo haz que se extiende en el seno de la espira del tubo

(101) con forma de U.

17. Un caudalímetro tal como se reivindica en la reivindicación 15, caracterizado por que la porción con forma de C o con forma de U está construida a partir de dos mitades simétricas entre las cuales se sitúa el imán (104) permanente.

18. Un método para fabricar un chip de sistema para un caudalímetro, en el que se crea un sustrato de silicio monocristalino en el que se materializa un tubo de nitruro de silicio por medio de pasos de deposición de nitruro de silicio y decapado parcial y exposición parcial a través del decapado, de manera tal que se materializa una estructura tubular que esté fija en al menos una cara y que esté por lo demás libre, valiéndose de tecnología de microcanal de superficie.

19. Un método tal como se reivindica en la reivindicación 18, en el que el sustrato tiene dos superficies principales mutuamente opuestas, donde la estructura tubular suspendida libremente se adhiere a una de las superficies principales, y donde una o más conexiones entre los tubos y el mundo exterior es o son creadas en la otra superficie principal.

0. Un método tal como se reivindica la reivindicación 18, caracterizado por los siguientes pasos:

A)

A1. Creación de un sustrato de silicio (oblea).

A2. Creación de una primera capa de nitruro de silicio en ambas caras de la oblea de silicio.

La estructura tubular se traza en la cara superior (estructura de orificios alargados), los

orificios de conexión que serán decapados se trazan en la cara inferior.

B) Decapado de un orificio en el lado inferior de la oblea para cada conexión de tubo con una

profundidad mayor que el grosor de la oblea menos el grosor deseado del tubo.

C) Decapado isótropo a través de los orificios libres de la cara superior con el fin de definir el tubo

durante un periodo de tiempo necesario para materializar un determinado diámetro de tubo.

D) Deposición de una segunda capa de nitruro de silicio.

E) Deposición y trazado de una primera capa de metal (red conductora).

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F) Exposición del tubo en dos o tres caras en la cara superior. G) (Opcional) Aplicación de una capa gruesa foto-resistente que servirá como espaciador. H) Creación y trazado de una segunda capa de metal. I) Creación de una máscara de decapado para la exposición del tubo a través de decapado, por

5 ejemplo en un proceso de decapado isótropo o anisótropo. J) Separación del chip de la oblea. 21. Un método tal como se reivindica en la reivindicación 18, en el que se materializa un tubo (3) de flujo con forma de espira con codos (23) redondeados. 22. Un método tal como se reivindica en la reivindicación 18, en el que en uno y en el mismo 10 proceso se integra también una estructura de sensores electrónicos en/sobre el sustrato. 23. Un método tal como se reivindica en la reivindicación 18, en el que la estructura de sensores electrónicos comprende un sensor (2) de presión. 24. Un método tal como se reivindica en la reivindicación 18, en el que el sensor de presión es un sensor de presión de Pirani. 15