A novel measurement method for the thermal properties of liquids by utilizing a bridge-based micromachined sensor

Abstract

In recent decades, the demands for online monitoring of liquids in various applications have increased significantly. In this context, the sensing of the thermal transport parameters of liquids (i.e. thermal conductivity and diffusivity) may be an interesting alternative to well-established monitoring parameters like permittivity, mass density or shear viscosity. We developed a micromachined thermal property sensor, applicable to non-flowing liquids, featuring three in parallel microbridges, which carry either a heater or one of in total two thermistors. Its active sensing region was designed to achieve almost negligible spurious thermal shunts between heater and thermistors. This enables the adoption of a simple two-dimensional model to describe the heat transfer from the heater to the thermistors, which is mainly governed by the thermal properties of the sample liquid. Founded on this theoretical model, a novel measurement method for the thermal parameters was devised that relies solely on the frequency response of the measured peak temperature and allows simultaneous extraction of the thermal conductivity and diffusivity of liquids. In this contribution, we describe the device prototype, the model, the deduced measurement method and the experimental verification by means of test measurements carried out on five sample liquids.

Miniaturisierte thermische Fluidsensoren – Strömungs- und thermische Leitfähigkeitssensoren

“…Durch simultane Messung an beiden Thermistoren kann qualitativ überprüft werden, ob sich eine für die Sensorfunktion störende freie Konvektion ausbildet [20].…”

“…Über (5) lässt sich dann direkt die Fluiddiffusivität κ berechnen. Durch Umformen von (4) und Anwenden auf einen anderen Messpunkt im Frequenzgang kann abschließend λ bestimmt werden [20]. …”

“…Ist dies nicht der Fall, so tritt störende Konvektion auf, und die Messergebnisse sind zu hinterfragen. Im Vergleich zum Membransensor werden diese Brücken durch einen zusätzlichen mikrotechnologischen Fertigungsschritt hergestellt, bei dem ein Lochraster auf der Vorderseite der Membran mittels Fotolithografie strukturiert wird und anschließend mit einem RIE (Reactive Ion Etching) Prozess die Löcher geätzt werden[20]. Durch diese Löcher wird der direkte Wärmepfad über die Membran minimiert, und der Wärmetransport zwischen H und BT 1 über das Messfluid lässt sich über ein einfaches analytisches Modell beschreiben, bestehend aus einer thermischen Linienquelle (mit einem eingeprägten Wärmestrom P 0 ), die in einem unendlich ausgedehnten Flüssigkeitsmedium eingebettet ist.…”

Sensing viscosity and density of glycerol–water mixtures utilizing a suspended plate MEMS resonator

“…During the past two decades several efforts have been made to evaluate viscosity, mass density, permittivity, and thermal conductivity regarding their suitability as monitoring parameters (Jakoby and Vellekoop 2004;Kuntner et al 2006;Kuntner 2008;Beigelbeck et al 2011). While thermal conductivity measurements are traditionally utilized for gas sensing (e.g., gas chromatographs (Grob and Barry 2004)) and permittivity monitoring is commonly used in combination with capacitive-based readout mechanisms (e.g., fuel level indicators (Toth et al 1997;Shi et al 1991)), the focus of interest has clearly shifted to viscosity and mass density detection.…”

Measurement technique for the thermal properties of thin-film diaphragms embedded in calorimetric flow sensors

“…For example, they enable fabrication of thin-film diaphragms featuring extremely low thermal masses (Beigelbeck et al 2011). This allows thermal separation between active sensing region and bulk chip resulting in high sensitivities and fast response times at once.…”