5.10 质量流量计
5.10.1 MFC用途和特点
质量流量计(Mass Flow Meter,MFM)用于对气体的质量流量进行精密测量;质量流量控制器(Mass Flow Controller, MFC)用于对气体的质量流量进行精密测量和控制。它们在半导体和集成电路工业、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。其典型的应用场合包括:电子工艺设备,如扩散、氧化、外延、CVD、等离子刻蚀、溅射、离子注入;以及镀膜设备、光纤熔炼、微反应装置、混气配气系统、毛细管测量、气相色谱仪及其他分析仪器。通常情况下,MFC采用热式传感器作为测量方式获取气体的流量信号。
5.10.2 热式MFC工作原理
流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理测量气体的质量流量(无需温度压力补偿)。如图5-31所示,气体流过传感器会导致传感器加热绕组的电压发生变化,电压变化通过电桥送入放大器放大,放大后的流量检测电压与设定电压进行比较,再将差值信号放大后去控制调节阀门,闭环控制流过MFC的流量使之与设定的流量相等。分流器决定主通道的流量。一般与MFC配套的流量显示仪上有稳压电源,3位半数字电压表,设定电位器,外设、内设转换和三位阀控开关等。
图5-31 热式MFC工作原理
通常情况下,MFC的满量程(F.S)流量检测输出电压为+5V。质量流量控制器的流量控制范围是(2~100)%F.S(量程比为50∶1),流量分辨率是0.1%F.S。
5.10.3 MFC使用
一般来讲,MFC使用可以利用READOUT BOX流量显示仪,这种设备可以给MFC提供电源、0~5V设定信号,监测0~5V流量输出信号并进行显示,使用便捷。另外也可以只购买MFC,利用自己的设备或者实验室的电源给MFC供电。一般MFC供电分单电源(0~24V)和双电源(±15V),若需要进行(0~+5V)设定信号,可以直接将“流量设定”引脚接上(0~+5V)电压,代表MFC的零到满量程流量,呈线性关系;若用户要检测流量输出信号(0~+5V)时,将线引至显示仪外控信号插座的“流量检测”和“信号地”(0 电平)引脚上即可;也可直接与计算机的模/数(A/D)转换器连接,+5.00V 输出电压对应MFC 满量程额定流量值。
调零和外调零在热式的MFC使用上非常重要,因为热式传感器在使用之前需要预热,调零工作必须在MFC开机预热15min以上,待流量计零点稳定以后进行。首次使用或工作一段时间后,若发现零点偏移,可以调整。一般MFC能通过外罩上进气口侧面或顶端的调零孔调整,也可揭开外罩调整。注意:调零时流量管路不能通气(或将阀门关闭)。
工作压差也是MFC使用上需要注意的,每一款MFC根据流量的不同工作压差也不同,使用时需要阅读使用手册。
5.10.4 国内外MFC发展状况介绍
MFC是一个机电一体化的典型产品,随着工业控制自动化的需要,MFC总体来讲是向着数字化、程序化的趋势发展。
在电路控制方面,目前国内的MFC发展趋势正从模拟电路向着数字电路发展。数字电路相对模拟电路的优点有:精度高,可控性强,易于通信,易于工业自动控制。由于模拟电路中分立元件在体积上的限制,在功能上也会受到很大限制,高度集成的数字芯片可以让MFC在功能上得到很大程度的扩展,比如数字电路应运而生的一些功能:多气体多量程、延迟、软启动、自我诊断等。
在机械结构方面,目前国内外众多厂商的MFC采用的分流技术各有不同,并且分流器都向着更加稳定的层流关系方向发展。在阀结构方面,MFC以电磁阀的应用为主,各个厂商在结构上有所创新。在通道的金属材质使用上,根据不同的工艺,不同的使用场合区别比较明显,比如在真空设备中,采用316LVV材料做MFC的通道加上表面经过EP处理,在抽真空的效果上都要比普通的金属材质好得多,因为表面处理较好的金属材质表面缺陷更少,可存留的分子少,使得在抽真空的时候更容易达到理想真空度。
计算机控制方面,由于工业产品自动化控制的趋势,需要系统的各个零部件都能集中控制,这也带动了MFC的通信能力的提高。作为数字化的MFC,通常都会采用RS232/RS485串口通信,比较高端的一些应用,例如在半导体领域的MFC会用到DEVICENET通信协议。
5.10.5 MFC在真空设备中的典型应用和注意事项
真空镀膜机是MFC在真空设备中典型应用的例子。一般的控制过程为:
①利用真空泵将真空抽到极限(本底真空一般为10-3Pa量级);
②开启MFC控制通气量,根据工艺需要调节MFC的流量,调节到工艺需要的真空度(一般为10-1Pa量级)。
使用MFC需要注意的问题:
①根据工艺的不同,MFC的量程选定要遵照公式:S=Q/p[S为真空泵在稳定后的最高抽速,单位为L/s;Q为需要通过的流量,单位为SCCM(mL/min,标准状态)或SLM(L/min,标准状态);p为稳定工作后的真空度,单位为Pa]。需要注意的是,这个公式是在理想状态下的公式,计算Q的结果应该尽量接近并小于MFC的满量程。
②各个厂商的MFC的漏率有所不同,漏率越小对真空度的影响越小,一般市场中较好的MFC漏率为1×10-9atm·mL/s (He),个别产品可以达到1×10-10atm·mL/s( He)。
③MFC内部本身控制流量的电磁调节阀,当设定到零点的时候总会有一定的泄漏,不能够当做截止阀使用,因此最好在MFC和真空腔体中间使用截止阀隔离。
④安装系统时要注意MFC连接处和气路的检漏,如果有条件最好用氦质谱检漏仪。
由于MFC内部是闭环反馈,正常工作情况下流量会有很小范围的波动,但是不会造成真空度的波动。如果真空计度数波动很大,首先应该确定是否是真空泵的问题,因为真空泵对真空度的影响比MFC要大得多。
5.10.6 北京七星华创电子股份有限公司质量流量计
北京七星华创电子股份有限公司生产的质量流量计的主要性能参数见表5-9。