基于压力检测的质量流量控制方法及装置
阅读说明：本技术 基于压力检测的质量流量控制方法及装置 (mass flow control method and device based on pressure detection ) 是由 何漫丽 牟昌华 王瑞 于 2018-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于压力检测的质量流量控制方法及装置。该方法包括：检测气体通道中的喉口前端流道的压力和喉口后端流道的压力；计算所述喉口后端流道的压力和所述喉口前端流道的压力的比值；判断所述比值是否小于设定临界值,如是,则计算气体通道输出的气体流量值,根据所计算的气体流量值与预期流量值的偏差值调整气体通道的气体入口处的控制阀的开度,使气体通道输出的流量值达到所述预期流量值；如否,则气体通道不输出流量。本发明基于喉口两端流道的压力判断气体的流动状态,以准确计算在不同压力状态下的气体流量；并针对不同的流动状态设置相应的控制方式,实现了对气体质量流量的精确控制。(the invention discloses a mass flow control method and device based on pressure detection. The method comprises the following steps: detecting the pressure of a flow passage at the front end of the throat opening and the pressure of a flow passage at the rear end of the throat opening in the gas passage; calculating the ratio of the pressure of the flow passage at the rear end of the throat to the pressure of the flow passage at the front end of the throat; judging whether the ratio is smaller than a set critical value or not, if so, calculating a gas flow value output by the gas channel, and adjusting the opening of a control valve at a gas inlet of the gas channel according to the deviation value of the calculated gas flow value and an expected flow value to enable the flow value output by the gas channel to reach the expected flow value; if not, the gas channel does not output flow. The invention judges the flowing state of the gas based on the pressure of the flow channels at the two ends of the throat so as to accurately calculate the gas flow under different pressure states; and corresponding control modes are set for different flow states, so that the accurate control of the gas mass flow is realized.)
技术领域
本发明涉及气体流量控制领域，具体地，涉及一种基于压力检测的质量流量控制方法及装置。
背景技术
质量流量控制器(Mass flow controller，MFC)是一种用于提供高精度、快速响应的气体流量控制装置，在半导体和集成电路工艺、特种材料学科、化学工业、石油工业、医药、环保和真空等多种领域的科研和生产中有着重要的应用。
在半导体领域，尤其在半导体制程的关键工序，如刻蚀等，对气体质量流量控制器在精度、零点漂移、响应时间和气体洁净度等方面具有很高的要求。
质量流量控制器的主要性能指标包括控制精度、响应速度、稳定性、重复性和一致性等。
世界范围内，广泛使用的气体质量流量控制器产品的工作原理主要有热式(thermal type)和压差式。
热式MFC是最早的质量流量控制器，使用最广泛。这种原理的MFC受温度的影响较明显，主要体现在以下两方面等：(1)使用前需要通电预热几分钟甚至几十分钟，以使其零点达到稳定状态；零点不稳定导致控制器精度和重复性降低；(2)由于气体温度变化相对较慢,热式MFC响应时间较长。压差式MFC基于低雷诺数层流流动来获得通过流量控制器的流量，流量与压差成正比。这种原理的MFC控制精度高，响应速度快，层流结构相对复杂，但加工制造困难，一致性受加工精度影响明显。因此，期待开发一种高精度、快速响应且结构简单可靠的气体质量流量控制方法及装置。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明提出了一种基于压力检测的质量流量控制方法及装置，通过对气体流动状态进行判断，保证了各压力状态下的流量精度。
根据本发明的一方面，提出一种基于压力检测的质量流量控制方法。该方法包括：
检测气体通道中的喉口前端流道的压力和喉口后端流道的压力；
计算所述喉口后端流道的压力和所述喉口前端流道的压力的比值；
判断所述比值是否小于设定临界值，如是，则计算气体通道输出的气体流量值，根据所计算的气体流量值与预期流量值的偏差值调整气体通道的气体入口处的控制阀的开度，使气体通道输出的流量值达到所述预期流量值；如否，则气体通道不输出流量。
优选地，根据公式(1)计算所述设定临界值R：
R＝(2/(r+1))r/(r-1) (1)
其中，r为气体的比热比。
优选地，当所述比值小于所述设定临界值时，根据公式(2)计算气体流量值Qc：
其中，p1为喉口前端流道的压力，r为气体的比热比，Mw为气体的摩尔质量，T1为喉口前端流道进口处温度，A为喉口横截面积，C为常数。
优选地，所述喉口前端流道的进气处横截面积与喉口横截面积满足关系式(3)：
(A1/A)2＝1/Mal2·(2/(r+1)·(1+r-1)/2·Mal2))(r-1)/(r-1) (3)
其中，A1为喉口前端流道的进气处横截面积，A为喉口横截面积，Ma1为该位置处的马赫数，r为气体的比热比。
优选地，该方法还包括，关闭气体通道的气体入口处的所述控制阀，计算零点泄露量，具体包括：
当所述比值不小于所述设定临界值，根据公式(4)计算气体流量值Qc：
其中，p2为喉口后端流道的压力，Ma为马赫数，Ma根据公式(5)计算获得：
根据本发明的另一方面，提出一种于压力检测的质量流量控制装置。该装置包括：
气体通道，所述气体通道包括喉口、喉口前端流道和喉口后端流道；
第一压力传感器和第二压力传感器，分别检测所述喉口前端流道的压力和所述喉口后端流道的压力；
控制单元，基于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的检测结果输出控制信号；
控制阀，设置在所述气体通道的气体入口处，所述控制阀的开度受所述控制单元的控制信号控制；
其中，所述控制单元计算所述喉口后端流道的压力和所述喉口前端流道的压力的比值，并判断所述比值是否小于设定临界值；如是，则所述控制单元计算气体流量值，根据所计算的气体流量值与预期流量值的偏差值输出控制信号以调整所述控制阀的开度，控制进入所述气体通道的气体流量，使所述气体通道出口处的输出值达到预期流量值；如否，则所述气体通道不输出流量。
优选地，所述控制单元根据公式(1)计算所述设定临界值R：
R＝(2/(r+1))r/(r-1) (1)
其中，r为气体的比热比。
优选地，当所述比值小于所述设定临界值时，所述控制单元根据公式(2)计算气体流量值Qc：
其中，p1为喉口前端流道的压力，r为气体的比热比，Mw为气体的摩尔质量，T1为喉口前端流道进口处温度，A为喉口横截面积，C为常数。
优选地，所述喉口前端流道的进气处横截面积与喉口横截面积满足关系式(3)：
(A1/A)2＝1/Mal2·(2/(r+1)·(1+r-1)/2·Mal2))(r-1)/(r-1) (3)
其中，A1为喉口前端流道的进气处横截面积，A为喉口横截面积，Ma1为该位置处的马赫数，r为气体的比热比。
优选地，所述控制阀处于关闭状态时，所述控制单元还计算零点泄露量，具体通过以下方式计算零点泄露量：
当所述比值不小于所述设定临界值，所述控制单元根据公式(4)计算气体流量值Qc：
其中，p2为喉口后端流道的压力，Ma为马赫数，Ma根据公式(5)计算获得：
优选地，所述第一压力传感器和第二压力传感器均包括热敏电阻，用于检测气体的温度。
本发明基于喉口两端流道的压力判断气体的流动状态，以准确计算在不同压力状态下的气体流量；并针对不同的流动状态设置相应的控制方式，实现了对气体质量流量的精确控制。
进一步地，运用音速流动的临界条件来判断气体的流动状态，保证了各压力状态下的流量精度。
本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出根据本发明的示例性实施方案的基于压力检测的质量流量控制方法的流程图；
图2示出根据本发明的示例性实施方案的基于压力检测的质量流量控制装置的示意图；
图3示出图2所示装置的结构图。
附图标记说明：
10 气体通道
11 喉口
12 喉口前端流道
13 喉口后端流道
14 气体入口
15 气体出口
20 第一压力传感器
30 第二压力传感器
40 控制单元
50 控制阀
51 阀本体
52 控制阀驱动单元
60 外罩。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出根据本发明的示例性实施方案的基于压力检测的质量流量控制方法，该方法主要包括步骤S1～S5；图2示出相应的质量流量控制装置的示意图。
在步骤S1中，检测气体通道中的喉口前端流道的压力p1和喉口后端流道的压力p2。
气体通道中的喉口如图2所示，其形成气体通道中最狭窄的部分。喉口前端流道为气体通道过渡到喉口的部分，喉口后端流道为喉口过渡到气体通道的部分。
在步骤S2中，计算喉口后端流道的压力p2和喉口前端流道的压力p1的比值p2/p1。
在步骤S3中，判断比值p2/p1是否小于设定临界值。
对于图2所示的质量流量控制装置，其流量量程由气体通道中的喉口决定。气体通过喉口的流动按其马赫数可分为非阻塞流和阻塞流。马赫数Ma是判断气体处于何种状态的参数，其是该状态下气体流速与声音通过该气体的速度的比值。马赫数的计算公式如下：
当喉口后端流道的压力p2和喉口后端流道的压力的比值
p2/p1＞(2/(r+1))r/(r-1)时，Ma<1，气体处于亚音速流动即非阻塞流状态，通过喉口的流量与流道前端压力p1和后端压力p2呈非线性关系；当p2/p1≤(2/(r+1))r/(r-1)时，气体在喉口处为音速流动即阻塞流状态，通过喉口的流量不受其后端出口压力p2的影响。
因此，可以基于比值p2/p1与设定临界值R的关系，作为判断气体是否阻塞流动的条件。该设定临界值R通过公式(1)计算：
R＝(2/(r+1))r/(r-1) (1)
其中，r为气体的比热比，其是气体的定压比热容和定容比热容的比值。
如该比值p2/p1小于设定临界值R，也即气体在喉口处为阻塞流状态，则执行步骤S4；如该比值p2/p1不小于设定临界值R，也即气体在喉口处为非阻塞流状态，则执行步骤S5。
在步骤S4中，首先计算阻塞流状态下气体通道数输出的气体流量值Qc。
具体地，可以根据公式(2)计算气体流量值Qc：
其中，p1为喉口前端流道的压力，r为气体的比热比，Mw为气体的摩尔质量，T1为喉口前端流道进口处温度，A为喉口横截面积(即水力面积)，C为常数。由于加工制造限制等因素影响，实际流量和理论计算值有一定误差，可以通过标定，设置常数C来修正。
例如，半导体行业常用的气体三氟化磷(PF3)，在101325Pa及250℃下，其比热比r＝1.165，则设定临界值R＝0.575。即如果检测得到的喉口后端流道与喉口前端流道的压力比小于该R值，则应按照阻塞流状态计算气体流量值。
对于给定的气体通道输出的预期流量值Qs，获取在阻塞流状态下计算的气体流量值Qc与预期流量值Qs的偏差值ΔQ＝Qs-Qc，并根据该偏差值调整气体通道的气体入口处的控制阀的开度，通过改变进入气体通道的气体流量，使气体通道输出的流量值达到给定的预期流量值Qs。该控制阀可以但不限于为压电阀。
在步骤S5中，由于气体在喉口处为非阻塞流状态，此时的压力工况不满足流量控制的使用条件，因此气体通道不输出流量。
在该状态下，根据公式(4)计算气体流量值Qc：
在本实施例中，可利用在阻塞流状态和非阻塞流状态下计算的气体流量值计算零点泄露值，有助于提高安全性。
在控制阀关闭时，气体通道输出的流量应该为零。但有时由于某些原因，可能流量不为零，存在零点流量，即零点泄漏量。此时，首先通过喉口前端流道和喉口后端流道的压力来确定气体在喉口处为阻塞流状态还是非阻塞流状态，然后根据不同的状态选择计算气体流量值的公式，计算得到的气体流量值则为零点泄漏量。
在本实施例中，还对喉口前端流道的进气处横截面积A1和喉口横截面积A进行了设计，以获得流体在喉口处的音速流动，从而获得流量与喉口前端压力的线性关系，同时获得较小的流道体积，使喉口前端通道的压力能够被快速检测到，以缩短响应时间。
具体地，喉口前端流道的进气处横截面积A1与喉口横截面积A满足关系式(3)：
(A1/A)2＝1/Ma12·(2/(r+1)·(1+(r-1)/2·Ma12))(r+1)/(r-1) (3)
其中，Ma1为喉口位置处的马赫数，r为气体的比热比。
本发明还提出了一种基于压力检测的质量流量控制装置。如图2所示，该装置包括气体通道10、第一压力传感器20、第二压力传感器、控制单元40以及控制阀50。
气体通道10包括喉口11、喉口前端流道12、喉口后端流道13、气体入口14以及气体出口15。喉口11形成气体通道中最狭窄的部分，喉口前端流道12为气体通道过渡到喉口11的部分，喉口后端流道13为喉口11过渡到气体通道的部分。
第一压力传感器20和第二压力传感器30分别检测喉口前端流道12的压力和所述喉口后端流道13的压力。
在一个示例中，第一压力传感器20和第二压力传感器30为可提取温度信号的压力传感器。
具体地，第一压力传感器20和第二压力传感器30均包含热敏电阻，压力传感器检测的压力信号通过热敏电阻输出，气体温度的变化会引起电阻值的变化，因此可通过热敏电阻的阻值变化来获得气体温度。本领域技术人员应当理解，也可以通过设置独立的温度传感器来获取气体通道中气体的温度。
控制阀50包括阀本体51和控制阀驱动单元52，阀本体51设置在气体通道10的气体入口14处，其开度控制流入气体通道10的流量；控制阀驱动单元52连接在阀本体51与控制单元40之间，控制阀驱动单元52根据控制单元40输出的控制信号控制阀本体51的开度。
该基于压力检测的质量流量控制装置的具体结构如图3所示，其中还示出了外罩60。
该基于压力检测的质量流量控制装置基于上述方法对气体的输出流量进行控制。
在本实施例中，还对喉口前端流道12的进气处横截面积A1和喉口11的横截面积A进行了设计，以获得流体在喉口11处的音速流动，从而获得流量与喉口前端压力的线性关系，同时获得较小的流道体积，使第一压力传感器20能够快速检测到喉口前端流道12的气体压力，以缩短响应时间。
具体地，喉口前端流道的进气处横截面积A1与喉口横截面积A满足关系式(3)：
(A1/A)2＝1/Ma12·(2/(r+1)·(1+(r-1)/2·Ma12))(r+1)/(r-1) (3)
其中，Ma1为喉口位置处的马赫数，r为气体的比热比。
在本实施例中，可以设计较小流量和较大流量的两种喉口结构，使该装置具有较宽的量程范围；通过使用具有快速响应特性的控制阀、控制阀高压驱动系统，配合较小的流体通道面积，能够缩短整个控制装置的响应时间。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。