一种质量流量控制器的切换方法和控制系统与流程

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种质量流量控制器的切换方法和控制系统。

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、采用层流限制器和文丘里流量计的结合，可以有效的提高检测精度。

9、但是众所周知的，层流限流器和文丘里流量计的流量均与流体的粘度等参数相关，而流体的粘度在确定的流体压力的情况下又和温度密切相关。

10、如果采用层流限流器测定小流量的流体，采用文丘里流量计测定大流量的流体，何时进行限流组件的切换，是一个难题。

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的切换方法，该方法采用层流限流器和文丘里流量计进行结合，通过预先绘制不同温度下，两种限流组件的流量测试随流量波动的变化曲线，计算两曲线是否交汇，可以确定不同温度下的限流组件的切换原则，一方面可以提高测量精度，另外一方面可以避免数据在切换前后的剧烈波动。

2、同时，本发明还公开了一种用于实现上述切换方法的控制系统。

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的切换方法，所述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；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v1小于第二限流组件的额定计量范围的上限v2；

5、所述方法具体为：

6、步骤1：获取流体输入端输入的气体的温度值t，通过比例阀调整进入到流体计量单元的理论气体流量为v3；v3＝x*v1；0.7≤x≤1.0；

7、步骤2：分别采用第一限流组件和第二限流组件对步骤1的气体进行流量测量，得到第一限流组件的实际测量值v4和第二限流组件实际测量值v5；

8、步骤3：改变比例阀的开度，调整x的大小，重复步骤1和2；

9、步骤4：完成温度值t的情况下，第一限流组件的实际测量值v4、理论气体流量v3的关联曲线l1和第二限流组件的实际测量值v5、理论气体流量v3的关联曲线l2的绘制；

10、步骤5：调整温度，重复步骤1-4，完成不同温度下的，关联曲线l1、关联曲线l2的绘制；

11、步骤6：判断各温度条件下，关联曲线l1、关联曲线l2是否交汇点，如果存在交汇点，则以该交汇点对应的比例阀的开度作为第一限流组件和第二限流组件的切换时机；如果不存在交汇点，则理论气体流量v3达到第一限流组件的额定计量范围的上限v1时比例阀的开度作为第一限流组件和第二限流组件的切换时机；

12、所述质量流量控制器在投入正常使用后，采用步骤6所确定的切换时机进行第一限流组件和第二限流组件的切换。

13、在理想状态下，关联曲线l1和l2是一条斜率为1的直线，但是温度会影响第一限流组件在靠近测量上限时的误差，使第一限流组件在靠近测量上限时误差会出现一定的放大；比如温度偏低时，流体的粘度会增大，特别是在以层流限流器为代表的细通道限流的情况下，由温度、接近测量上限的情景会导致人们无法判断其是否足够精确。

14、因此本发明采用了在靠近第一限流组件的测量上限时，测定不同温度情况下的曲线变化趋势，可以准确的进行第一限流组件和第二限流组件的切换时机的选择，可以避免在传统的切换过程中出现的剧烈数据波动。

15、当然本发明并不能杜绝数据波动的情况，切换速度、切换过程中产生的流体稳定性变化都会导致数据波动。本发明的方法可以降低这种波动幅度。

16、在上述的质量流量控制器的切换方法中，所述流体输入端、流体计量单元之间设有温度传感器。

17、在上述的质量流量控制器的切换方法中，所述流体输入端、流体计量单元之间设有第五压力传感器。

18、在上述的质量流量控制器的切换方法中，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。

19、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：

20、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；

21、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；

22、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。

23、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。

24、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。

25、在上述的质量流量控制器的切换方法中，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，优选地，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。

26、在上述的质量流量控制器的切换方法中，还包括位于比例阀、流体计量单元之间的气体腔室。

27、在上述的质量流量控制器的切换方法中，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。

28、在上述的质量流量控制器的切换方法中，所述第一限流组件之后还设有第四压力传感器；

29、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。

30、在上述的质量流量控制器的切换方法中，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。

31、同时，本发明还公开了一种用于实现如上任一所述的切换方法的控制系统，包括测试单元、存储模块、切换控制模块；

32、测试单元用于执行步骤1至步骤6得到关联曲线l1、关联曲线l2以及不同温度下的切换时机；

33、所述存储模块用于存储依据步骤1至步骤6得到的不同温度下的关联曲线l1、关联曲线l2以及不同温度下的切换时机；

34、切换控制模块用于根据流体输入端输入的气体的温度值从存储模块中选择对应的切换时机控制切换阀动作。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、本发明的方法采用层流限流器和文丘里流量计进行结合，通过预先绘制不同温度下，两种限流组件的流量测试随流量波动的变化曲线，计算两曲线是否交汇，可以确定不同温度下的限流组件的切换原则，一方面可以提高测量精度，另外一方面可以避免数据在切换前后的剧烈波动。