一种质量流量控制器和系统的制作方法

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种用于高精度流量测量与控制的气体质量流量控制器和系统。

背景技术：

1、气体质量流量控制器(mass flow controller，简称mfc)，是一种精确控制气体流量的设备，广泛应用于半导体、石油化工、制药等领域。其中压差式质量流量控制器(压差式mfc)是一种常用的气体流量控制装置，由压差式流量传感器、控制阀、控制反馈电路、进出气管道接头和分流器管道、通讯接口等部件组成。压差式流量传感器是mfc的核心部件，用于实时测量气体流经流过节流元件时产生的压差，计算气体的体积流量；控制阀根据流量传感器的测量与反馈，精确调整开度，以确保通过mfc的气体流量与预设值相匹配，通常为能够实现精细调节的比例阀；控制反馈电路负责处理流量传感器的信号，并据此控制控制阀的开度。

2、在半导体领域中，一般分为热式质量流量计和压差流量计；

3、压差流量计基于压差器件的不同，又可以分为孔板流量计、文丘里流量计、层流流量计等；

4、从特点来说，孔板流量计由于其过大的压损，导致在半导体领域中应用的并不多。

5、层流流量计具有精度高、响应快，在半导体领域中的应用越来越被重视。

6、但是，在半导体领域中，在很多情况下存在流体流量波动大的情况，这种情况下，就必须采用大量程的压力传感器来检测压差；

7、所以压力传感器的检测精度是决定流量检测的一个非常重要的因素；

8、一般而言，压力传感器的误差可以分为系统误差(systematic errors)和随机误差(random errors)两类。系统误差如非线性(nonlinearity)和温度效应等引起的误差等，这类误差通常来源于仪器的物理特性、环境条件变化(如温度)或者是测量过程中的固有限制，具有可预测性和方向一致性，可以通过校准、补偿和控制测量温度等减少其影响理论上，如果校准和控制得当，系统误差可以被大幅度减少甚至完全消除。随机误差包括迟滞(hysteresis)、重复性(repeatability)等，来源于传感器内部机械或电子组件的随机波动等，具有随机性，误差大小和方向不确定。虽然通过增加测量次数和应用统计分析方法(如计算多次测量的平均值和标准差)等，一定程度上减轻随机误差对测量结果的影响，但由于其本质上的不可预测性，随机误差无法被完全消除，一般的压力传感器随机误差的绝对大小，通常在0.1％ fs以上；如100kpa的压力传感器，其误差率在0.1％，那么不管在何种测压值时，其误差值都是0.1kpa；即使实际压力只有10kpa，其误差值依然是0.1kpa，误差率为1％；这些不能补偿或校准的随机误差从根本上限制了mfc的最高读数精度，特别是在半导体制造等高精度要求的应用中。

9、本案解决的技术问题是：如何提高质量流量控制器的计量精度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种质量流量控制器，该质量流量控制器采用2种不同量程的压力测量组件，通过数据采集和判断模块，根据当前流量范围选择合适的传感器进行测量，以实现不同流量情况下的压力测试，提高压差测试精度。

2、同时，本发明还提供采用该控制器的控制系统。

3、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

4、一种质量流量控制器，包括依次连接的流体输入端、比例阀、流体计量单元、流体输出端；

5、所述流体计量单元包括并联的第一限流组件和第二限流组件以及用于切换第一限流组件和第二限流组件的切换阀；所述第一限流组件为层流限制器；所述第二限流组件包括文丘里管和设置在文丘里管的收缩段和喉管上的压差传感器；所述第一限流组件的额定计量范围的上限小于第二限流组件的额定计量范围的上限；

6、所述第一限流组件之前设有第一压力传感器、第二压力传感器，所述第一限流组件之后设有第三压力传感器；所述第一压力传感器的最大计量值大于第二压力传感器的最大计量值。

7、本发明创造性的采用了层流限制器和文丘里流量计的组合检测手段，结合多量程压力传感器，能够显著提高检测精度，具体来说，其优势如下：

8、1.可实现高低量程的切换，采用文丘里流量计测试大流量气体，采用层流限制器测试小流量气体，并灵活切换，可以实现不同流量的气体的测量；

9、大小流量的限定可以根据用户的应用场景确定，比如在本发明的实际应用场景中，限定2000sccm为大小流量的分隔点；在流量低于2000sccm(标准立方厘米每分钟)时采用层流限制器进行测量，在流量等于或高于2000sccm时采用文丘里流量计进行测量；或，限定1000sccm为大小流量的分隔点；在流量低于1000sccm(标准立方厘米每分钟)时采用层流限制器进行测量，在流量等于或高于1000sccm时采用文丘里流量计进行测量；或，限定500sccm为大小流量的分隔点；在流量低于500sccm(标准立方厘米每分钟)时采用层流限制器进行测量，在流量等于或高于500sccm时采用文丘里流量计进行测量；

10、2.采用层流限制器测定小流量气体，充分利用了其流阻是粘性驱动的特性，层流限制器两端的压差和流量流速遵循哈根-泊肃叶定律，因此压差通常与流速(流量)成线性关系；通过不同量程的第一压力传感器、第二压力传感器，可以精确测量在小流量时的流量波动；

11、采用文丘里流量计测定大流量气体，充分利用文丘里流量计中理想流体的流量和压差的开平方成正比的特性，实现大流量气体大量程的测量，进而保证在较宽的流体流量波动范围内得到较为精准的结果，避免大流量气体波动时需要多个层流限制器进行组合测定的尴尬局面。

12、3.不同量程的压力传感器的投入使用可以提高层流限制器的检测精度，通过和文丘里流量计的配合，可以形成大流量(高精度)-中等流量(高精度)-小流量(高精度)的检测结果。

13、综上所述，本案可以提高不同流量流体的检测精度，且结构简单、工作可靠。

14、在上述的质量流量控制器中，所述第一压力传感器的最大计量值相当于第二压力传感器的最大计量值的2～20倍。

15、在上述的质量流量控制器中，所述第一压力传感器的最大计量值相当于第二压力传感器的最大计量值的3～6倍。

16、在上述的质量流量控制器中，还包括位于比例阀、流体计量单元之间的气体腔室。

17、在上述的质量流量控制器中，所述第二限流组件的额定计量范围为第一限流组件的额定计量范围的10-30倍。

18、在上述的质量流量控制器中，所述第一限流组件之后还设有第四压力传感器；

19、所述第四压力传感器的最大计量值小于第三压力传感器的最大计量值。

20、在上述的质量流量控制器中，所述第一压力传感器的最大计量值为第四压力传感器的最大计量值的1.5～2.5倍。

21、在上述的质量流量控制器中，在切换阀之前还设有温度传感器和第五压力传感器。

22、同时，本发明还公开了一种质量流量控制系统，其包括服务器、流体管道、串联连接在流体管道上的如上任一所述的质量流量控制器；所述切换阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器与服务器电连接。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、本发明创造性的采用了层流限制器和文丘里流量计的组合检测手段，结合多量程压力传感器，能够显著提高检测精度，具体来说，其优势如下：

25、1.可实现高低量程的切换，采用层流限制器测试小流量气体，采用文丘里流量计测试大流量气体，并灵活切换，可以实现不同流量的气体的测量；

26、2.采用层流限制器测定小流量气体，充分利用了其流阻是粘性驱动的特性，层流限制器两端的压差和流量流速遵循哈根-泊肃叶定律，因此压差通常与流速(流量)成线性关系；通过不同量程的第一压力传感器、第二压力传感器，可以精确测量在小流量时的流量波动；

27、采用文丘里流量计测定大流量气体，充分利用文丘里流量计中理想流体的流量和压差的开平方成正比的特性，实现大流量气体大量程的测量，进而保证在较宽的流体流量波动范围内得到较为精准的结果，避免大流量气体波动时需要多个层流限制器进行组合测定的尴尬局面。

28、3.不同量程的压力传感器的投入使用可以提高层流限制器的检测精度，通过和文丘里流量计的配合，可以形成大流量(高精度)-中等流量(高精度)-小流量(高精度)的检测结果。

29、综上所述，本案可以提高不同流量流体的检测精度，且结构简单、工作可靠。