Sviluppo di un flussometro massico a effetto Coriolis basato su innovative tecnologie MEMS

The need to measure the flow rate of a fluid has very remote origins. In order to satisfy this demand, various types of flow meters have been developed since the 19th century. In recent years, in particular, there has been a growing need to measure increasingly smaller fluid flow rates. At the same time, MEMS technology has experienced an enormous diffusion, allowing to combine the mechanical and electrical properties of silicon and to implement devices on micrometric scale. This technology has given space to the realization of miniaturized flow meters, capable of measuring mass flow rates in the order of mg h^-1, permitting their use in industries where the accurate dosage of quantities of substances and fluids is essential. Flow meters, in fact, find application in the chemical, pharmaceutical, food and beverages, medical, gas and semiconductor industries. This Thesis focuses on the design of Coriolis force-based flow meters and proposes their implementation in two innovative MEMS technologies, presented for the first time in this work, which allow the realization of 3D sensors. Then, this Thesis deals with the design of the device and the electronics suitable for its operation, supported by an analytical model here specifically developed. Finally, the design of an electronic board, with discrete components, for the characterization of the Coriolis mass flowmeter designed, modeled and built entirely during this Thesis work, is presented.

La necessità di misurare la portata di un fluido ha origini molto remote. Al fine di soddisfare tale esigenza, dal XIX secolo ad oggi sono stati sviluppati flussometri di svariate tipologie. Negli ultimi anni, in particolare, si è assistito ad un crescente bisogno di misurare portate di fluidi via via sempre più piccole. Contemporaneamente la tecnologia MEMS ha conosciuto un’enorme diffusione, permettendo di coniugare le proprietà meccaniche ed elettriche del silicio e di implementare dispositivi su scala micrometrica. Essa ha dato spazio alla realizzazione di flussometri miniaturizzati, in grado di misurare portate massiche nell’ordine dei mg h^-1, consentendone l’impiego in industrie dove il dosaggio accurato di quantità di sostanze e fluidi è di fondamentale importanza. I misuratori di portata, infatti, trovano applicazione nell’industria chimica, farmaceutica, alimentare, medica, dei gas e dei semiconduttori. La presente Tesi si concentra sulla progettazione di flussometri basati sulla forza di Coriolis e ne propone l’implementazione in due innovative tecnologie MEMS, presentate per la prima volta in questo lavoro, che consentono la realizzazione di sensori in 3D. In seguito, viene trattata la progettazione del dispositivo e dell’elettronica atta al suo funzionamento, con l’ausilio di un modello analitico appositamente sviluppato in questa Tesi. Infine, viene presentato il design di una scheda elettronica, a componenti discreti, per la caratterizzazione del flussometro massico a effetto Coriolis progettato, modellizzato e realizzato integralmente nel corso di questo lavoro di Tesi.