Ολοκληρωμένες υβριδικές διατάξεις μίκρο-ρευστομηχανικών πολυαισθητήρων στη μεσοκλίμακα

Abstract

Within the context of this PhD Thesis a novel fabrication technology was developed. Various types of of thermal sensors based on the specific technology were constructed, capable of measuring a variety of physical quantities. The specific technology combines typical printed circuit board manufacturing techniques with micromachining methods, this way addressing fundamental microsystem problems, the most significant of which being their electrical communication to the macroworld. Furthermore, as the fabricated devices consist of polymer materials, the thermal isolation of the sensing elements is highly effective, offering the potential of multiple quantities measurement with a highly satisfying performance observed in all circumstances. Regarding the dissertation structure, in Chapter 1 an introduction to the concept of measurement and sensing is made. Chapter 2 contains an overview of the technological background regarding the fabricated devices. The introductory chapters conclude with Chapter 3, which constitutes the theoretical background regarding the operation of thermal sensors by providing an analysis of the heat transfer mechanisms. The following chapters concern the presentation of the Thesis results. The detailed description of the developed fabrication technology is carried out in Chapter 4, with an in-depth analysis of each procedure step. The advantages of the specific fabrication technology are then discussed, along with an extended description of the structural and operational characteristics of the produced devices. The initial applications of the fabricated structures are presented in Chapter 5, in the first part of which the operation of a vacuum sensor is described, while in the second part a position sensor is presented. Chapter 6 illustrates the simulation procedure and the developed models that refer to the operation of the liquid flow sensor. Based on the simulation results a liquid flow sensor was designed, the characterization of which is presented in Chapter 7, alongside the operational results of a gas flow sensor. An extension of the basic fabrication technology which allows the integration of microchannels on the sensor surface enables for the construction of a microfluidic flow sensor as presented in Chapter 8. Finally, in a differently orientated evolution of the fabrication technology, a flexible gas flow sensor was developed, as shown in Chapter 9

Στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε μια καινοτόμος τεχνολογία κατασκευής με βάση την οποία παρασκευάστηκαν θερμικοί αισθητήρες μέτρησης διαφόρων μεγεθών. Η συγκεκριμένη τεχνολογία συγκεράζει τυπικές τεχνικές διαμόρφωσης τυπωμένων κυκλωμάτων και τυπικές μεθόδους μικρομηχανικής, αντιμετωπίζοντας ουσιαστικά ορισμένα κρίσιμα στάδια κατασκευής των μικροσυστημάτων, με κυριότερο αυτό της ηλεκτρικής επικοινωνίας τους με το μακρόκοσμο. Επιπλέον, καθώς η δομή των παραγόμενων συσκευών αποτελείται από πολυμερή υλικά, επιτυγχάνεται υψηλός βαθμός θερμικής μόνωσης των αισθητήριων στοιχείων, με συνέπεια την δυνατότητα χρήσης τους στην ανίχνευση πολλών μεγεθών. Αρχικά, στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στην έννοια της μέτρησης και στους αισθητήρες, καθώς και στα βασικότερα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους. Το Κεφάλαιο 2 περιέχει την περιγραφή του τεχνολογικού υποβάθρου των συσκευών που αναπτύχθηκαν. Στο Κεφάλαιο 3, περιέχεται το θεωρητικό υπόβαθρο λειτουργίας των θερμικών αισθητήρων με την ανάλυση των μηχανισμών διάδοσης της θερμότητας. Στα επόμενα κεφάλαια γίνεται η παρουσίαση των αποτελεσμάτων της ερευνητικής δραστηριότητας. Η πλήρης περιγραφή της τεχνολογίας κατασκευής πραγματοποιείται στο Κεφάλαιο 4, όπου αναλύονται τα επί μέρους στάδια της διαδικασίας. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης κατασκευαστικής τεχνολογίας, ενώ περιγράφονται εκτενώς τα δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά των διατάξεων που προκύπτουν. Οι πρώτες εφαρμογές των διατάξεων αναφέρονται στο Κεφάλαιο 5, στο πρώτο τμήμα του οποίου παρουσιάζεται η λειτουργία του αισθητήρα κενού, ενώ στο δεύτερο τμήμα του η λειτουργία του αισθητήρα θέσης. Στο Κεφάλαιο 6, περιγράφεται η ανάπτυξη μοντέλων προσομοίωσης της λειτουργίας του αισθητήρα μέτρησης ροής υγρών. Με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης σχεδιάστηκε ο αισθητήρας ροής υγρού, ο χαρακτηρισμός του οποίου παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 7 μαζί με τα αποτελέσματα λειτουργίας του αισθητήρα ροής αερίων. Στο Κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται ο μικρορευστομηχανικός αισθητήρας μέτρησης ροής, ο οποίος κατασκευάζεται με βάση μια επέκταση της δεδομένης τεχνολογίας κατασκευής προς ολοκλήρωση πολυμερικών μικροκαναλιών στην επιφάνεια του αισθητήρα. Τέλος στο Κεφάλαιο 9, παρουσιάζεται μια διαφορετικού προσανατολισμού εξέλιξη της τεχνολογίας κατασκευής, η οποία οδηγεί στην ανάπτυξη ενός εύκαμπτου αισθητήρα μέτρησης της ροής αερίων