Design of a thin-film microheater for high-temperature crystal microbalances

This work focuses on the optimization of a deposited microfilm heater for high temperature microbalances to be used in space. The system under consideration is the development of VISTA (Volatile In Situ Thermogravimetric Analyzer), a quartz crystal microbalance selected within the HERA (ESA) mission framework to perform thermo gravimetric analyses up to 150 °C. The microbalance is equipped with an embedded deposited heater (Ti-Au film) that can provide localized heating on the sensing element. The research aims to optimize the heater layout to provide the lowest thermal gradient possible on the crystal, minimizing the thermo-elastic stress introduced by the heater itself and enhancing the working temperature range up to 400°C. A thermal model of the crystal assembly has been developed by thermal testing in a vacuum chamber aimed to identify equivalent thermal resistance at different temperatures. Thus, the experimental activity required the monitoring of the temperature of the crystal in low-pressure conditions and verification of the mechanical resistance at different inputs of power levels delivered to the crystal. In the context of the validation tests, the thermal gradient is also analyzed, measuring the temperature gradient in low-pressure conditions by contactless measurement methods using an infrared camera. Furthermore, the optimization of the heater design has been carried out, supported by numerical evaluation of the achievable thermal uniformity and mechanical resistance of the crystal in the high-temperature range. Different geometries were preliminary compared for the achieved temperature uniformity, complexity, and power budget. The geometry that was providing the best performances was optimized by developing a parametric model of the new deposited heater. The final design was assessed by static thermal finite element analysis of the microbalance assembly to evaluate the thermo-elastic behavior (temperature distribution and thermo-elastic stresses) within the expected working environment.

Il lavoro di ricerca ha l’obiettivo di progettare ed ottimizzare un riscaldatore di microbilance per applicazioni aerospaziali ad alte temperature operative. Lo strumento considerato come oggetto di studio e ottimizzazione è la microbilancia in quarzo VISTA (Volatile In Situ Thermogravimetric Analyzer), selezionata nell’ambito della missione spaziale HERA (ESA) per eseguire analisi termogravimetriche fino a 150 °C. La microbilancia è dotata di un riscaldatore incorporato in lega Ti-Au in grado di fornire un riscaldamento localizzato sul sensore. La ricerca mira a ottimizzare la disposizione del riscaldatore per fornire il minor gradiente termico possibile sul cristallo, riducendo al minimo lo stress termoelastico introdotto dal riscaldatore stesso e aumentando l'intervallo di temperatura di lavoro fino a 400°C. Un modello termico è stato sviluppato a partire dal risultato di test termici in camera a vuoto su un mockup del sistema di montaggio della microbilancia. L'attività sperimentale ha richiesto il monitoraggio della temperatura del cristallo in condizioni di bassa pressione, la verifica della resistenza meccanica a diversi ingressi di potenza e la misura della temperatura media del cristallo grazie al sensore di temperatura depositato sul cristallo stesso. Nell'ambito dei test di caratterizzazione della resistenza termica del sistema è stato analizzato anche il gradiente termico, attraverso metodi di misura senza contatto sfruttando una termocamera bolometrica. A valle dell’attività sperimentale, è stata effettuata l'ottimizzazione della geometria del riscaldatore, progettazione supportata dalla valutazione numerica dell'uniformità termica ottenibile e della resistenza meccanica del cristallo in condizioni di alta temperatura. Diverse geometrie sono state confrontate in via preliminare per l'uniformità della temperatura, la complessità e il budget di potenza raggiunti. Il layout che forniva le migliori prestazioni è stato successivamente ottimizzato sviluppando un modello parametrico della geometria del riscaldatore. La validità della soluzione proposta è stata verificata attraverso analisi ad elementi finiti con l’obiettivo di valutare il comportamento termoelastico (distribuzione della temperatura e sollecitazioni termoelastiche) della microbilancia nelle condizioni di lavoro.