CN113721673B - 气体质量流量控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种气体质量流量控制方法及装置，包括：设定目标流量值；控制进气流量控制单元接通进气管路，同时控制出气流量控制单元断开出气管路，以使进气管路能够向流量控制腔室内输送气体，直至流量控制腔室的内部气体压力达到第一预设压力值；控制进气流量控制单元断开进气管路，同时控制出气流量控制单元接通出气管路；实时检测流量控制腔室的内部气体压力，并根据流量控制腔室的内部气体压力变化，实时计算流量控制腔室的当前出气流量值；控制出气流量控制单元调节流量控制腔室的当前内部气体压力，以使当前出气流量值等于目标流量值。本发明提出的气体质量流量控制方法及装置具有对信号响应快和调节速度快等优点。

Description

气体质量流量控制方法及装置
技术领域
本发明涉及气体质量流量控制技术领域，特别涉及一种气体质量流量控制方法及装置。
背景技术
气体质量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)用于对气体质量流量进行精密测量及控制。它们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。其典型的应用场合包括:微电子工艺设备的工艺过程,如扩散、氧化、外延、CVD、等离子刻蚀、溅射、离子注入等。相关应用设备还包括镀膜设备、光纤熔炼、微反应装置、混气配气系统、气体取样、毛细管测量、气相色谱仪及其它分析仪器等。
在常规的工业应用、半导体设备中常采用热式气体质量流量控制器来对制备的半导体元器件的气体进行流量质量的控制，由于热式气体质量流量控制器的流量检测原理为热式的，即通过检测流过温度传感器的气体热量变化来检测气体的流量，但是流过温度传感器的气体温度变化比较缓慢，从而导致热式传感器检测信号变化也比较缓慢，最终导致热式气体质量流量控制器响应时间长，不能够及时控制气体流量的输入输出。此外热式气体质量流量控制器还存在温度漂移大、压力敏感等一系列问题，从而导致不能在一些控制要求比较严格微电子工艺设备中使用，进而一些半导体元器件只能够通过增加工艺过程来实现半导体元器件的制备，造成了工艺成本以及工艺时间的增加。
发明内容
本发明实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种气体质量流量控制方法及装置，其具有对信号响应快和调节速度快等优点。
为解决上述问题之一，本发明实施例提供了一种气体质量流量控制方法，应用于气体质量流量控制装置，其特征在于，所述气体质量流量控制装置包括流量控制腔室、分别与所述流量控制腔室的进气口和出气口连接的进气管路和出气管路，以及分别设置在所述进气管路和出气管路上的进气流量控制单元和出气流量控制单元；
所述气体质量流量控制方法包括以下步骤：
设定目标流量值；
控制所述进气流量控制单元接通所述进气管路，同时控制所述出气流量控制单元断开所述出气管路，以使所述进气管路能够向所述流量控制腔室内输送气体，直至所述流量控制腔室的内部气体压力达到第一预设压力值；
控制所述进气流量控制单元断开所述进气管路，同时控制所述出气流量控制单元接通所述出气管路；
实时检测所述流量控制腔室的内部气体压力，并根据所述流量控制腔室的内部气体压力变化，实时计算所述流量控制腔室的当前出气流量值；控制所述出气流量控制单元调节所述流量控制腔室的当前内部气体压力，以使所述当前出气流量值等于所述目标流量值。
可选的，根据第一公式计算获得所述当前出气流量值，所述第一公式为：
其中，Q为所述当前出气流量值；Δt为所述流量控制腔室的内部气体压力达到所述第一预设压力值时刻到当前时刻的时长；Δm为所述流量控制腔室内的在Δt中的气体的质量变化值；V为所述流量控制腔室的体积；R为通用气体常数；P1为所述第一预设压力值；P2为所述当前内部气体压力值；T1为所述流量控制腔室的压力达到所述第一预设压力值时，所述流量控制腔室气体的温度；T2为所述当前压力时所述流量控制腔室气体的温度；M为所述流量控制腔室中气体的摩尔质量。
可选的，所述第一公式中参数满足T1＝T2；所述第一公式简化为第二公式，所述第二公式为：
其中，T为所述流量控制腔室中气体的温度，ΔP为所述流量控制腔室的内部气体压力变化值，且T＝T1＝T2，Q2＝Q。
可选的，气体质量流量控制方法还包括：
实时检测所述流量控制腔室的内部气体压力，并判断所述流量控制腔室的内部气体压力是否低于第二预设压力值，其中，所述第二预设压力值小于所述第一预设压力值；若是，则控制所述进气流量控制单元接通所述进气管路，直至所述流量控制腔室的内部气体压力达到第一预设压力值，控制所述进气流量控制单元断开所述进气管路。
可选的，所述控制所述出气流量控制单元调节所述流量控制腔室的当前内部气体压力，以使所述当前出气流量值等于所述目标流量值，包括：
基于所述目标流量值和经计算获得的所述当前出气流量值，通过PID控制方法对所述出气流量控制单元进行控制，以使所述当前出气流量值等于所述目标流量值。
作为另一种技术方案，本发明实施例还提供一种气体质量流量控制装置，其包括：温度传感器、压力传感器、流量控制腔室、分别与所述流量控制腔室的进气口和出气口连接的进气管路和出气管路、分别设置在所述进气管路和出气管路上的进气流量控制单元和出气流量控制单元以及控制单元；
所述温度传感器和所述压力传感器用于分别实时检测所述流量控制腔室中的温度和压力，并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于根据所述温度传感器和所述压力传感器实时检测到的所述流量控制腔室中气体的温度和压力，采用上述任意一个实施例所述的气体质量流量控制方法，对所述进气流量控制单元和出气流量控制单元进行控制。
可选的，所述进气流量控制单元包括第一流量控制阀，所述第一流量控制阀设置在所述进气管路上，用于接通或断开所述进气管路，以及调节所述进气管路中的气体流量；和/或，
所述出气流量控制单元包括第二流量控制阀，所述第二流量控制阀设置在所述出气管路上，用于接通或断开所述出气管路，以及调节所述出气管路中的气体流量。
可选的，所述进气流量控制单元包括第一通断阀和第一流量调节阀，所述第一通断阀和所述第一流量调节阀均设置在所述进气管路上，其中，所述第一通断阀用于接通或断开所述进气管路；所述第一流量调节阀用于调节所述进气管路中的气体流量；和/或，
所述出气流量控制单元包括第二通断阀和第二流量调节阀，所述第二通断阀和所述第二流量调节阀均设置在所述出气管路上，其中，所述第二通断阀用于接通或断开所述出气管路；所述第二流量调节阀用于调节所述出气管路中的气体流量。
可选的，所述控制单元还用于控制所述进气流量控制单元和所述出气流量控制单元的功能互换，以使一者用于进气，另一者用于排气。
可选的，所述流量控制腔室内部具有一个或多个相互连通的流量控制子空腔，所述流量控制子空腔为圆柱体和/或立方体。
本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例提供的气体质量流量控制方法，通过实时监测流量控制腔室内的压力变化，并根据该压力变化，实时计算流量控制腔室的当前出气流量值，并利用出气流量控制单元调节流量控制腔室内部的当前压力，直至流量控制腔室的当前出气流量值达到目标流量值；而由于压力检测元件普遍对压力信号响应速度较快，因此本发明实施例提供的气体质量流量控制方法及装置能够在出气管路中的质量流量值发生变化时作出快速响应，从而能够及时调节出气管路中的气体质量流量值，以减少零点漂移，进而够提高气体质量流量控制的调节精度，以能够提高应用其的工艺的精度。
本发明实施例提供的气体质量流量控制装置，用于执行上述实施例所述的气体质量流量控制方法，所以其也能够在出气管路中的质量流量值发生变化时作出快速响应，以能够及时调节出气管路中的气体质量流量值，从而够提高气体质量流量控制的调节精度。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制，其中：
图1为现有的热式气体质量流量控制器的结构简图；
图2为本发明实施例1提供的气体质量流量控制方法的流程图；
图3为本发明实施例2提供的气体质量流量控制装置的结构简图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1为现有的热式气体质量流量控制器的结构简图，其包括分流器01、热式传感器02、流量调节阀03以及中央处理器04；其中，热式传感器02用于检测分流器01的进气侧的气体温度和出气侧的气体温度，并将检测到的气体温度值发送至中央处理器04，以能够根据气体的温度变化量推算出气体当前的质量流量，从而可以根据气体当前的质量流量控制流量调节阀03的开度，以将气体输出的质量流量调节至工艺期望值。但在实际生产中，由于热式传感器01的检测到的温度信号变化较慢，所以采用热式气体质量流量控制器对气体的质量流量进行控制时，容易造成对气体的质量流量值进行检测的响应时间较长，从而导致其不能及时检测到气体的质量流量值的变化，进而导致对气体的质量流量值调节不及时，造成应用其的工艺精度降低。
实施例1
为了解决现有的技术问题之一，本实施例提供一种气体质量流量控制方法，其应用于气体质量流量控制装置，用于控制单位时间里气体通过管路截面的质量。具体的，气体质量流量控制装置包括：流量控制腔室、分别与流量控制腔室的进气口和出气口连接的进气管路和出气管路、以及分别设置在进气管路和出气管路上的进气流量控制单元和出气流量控制单元。
如图2所示，本实施例提供的气体质量流量控制方法包括以下步骤：
步骤S1：设定目标流量值；具体的，目标流量值为气体的质量流量值，即，单位时间里流体通过管路截面的气体质量，其可以根据实际生产所需进行设定；
步骤S2：控制进气流量控制单元接通进气管路，同时控制出气流量控制单元断开出气管路，以使进气管路能够向流量控制腔室内输送气体，直至流量控制腔室的压力达到第一预设压力值；
步骤S3：在流量控制腔室的压力达到第一预设压力值之后，控制进气流量控制单元断开进气管路；
步骤S4：根据流量控制腔室内的压力变化，实时计算流量控制腔室的当前出气流量值；控制出气流量控制单元调节流量控制腔室内的当前压力，以使当前出气流量值等于目标流量值。
具体的，步骤S4中的“控制出气流量控制单元调节流量控制腔室内的当前压力”是指，通过调节出气流量控制单元的开度，来调节当前出气流量，其中，开度越大则当前出气流量值就越大，开度越小则当前出气流量值就越小，相应的，当前出气流量值就越大则流量控制腔室内的当前压力的下降速度就越快，当前出气流量值就越小则流量控制腔室内的当前压力的下降速度就越慢，由此可见，通过调节出气流量控制单元的开度，即可调节流量控制腔室内的当前压力；而换言之，通过检测流量控制腔室内的当前压力的变化，即可求得当前出气流量值。
本实施例提供的气体质量流量控制方法，提出了在实时检测流量控制腔室内部气体压力的同时，根据检测结果调节出气流量控制单元的开度，利用了压力检测元件普遍对压力信号响应速度较快的特点，尤其是相较于现有的热式气体质量流量控制器对温度信号变化的响应速度更快，从而能够及时检测到流量控制腔室内部压力的变化；而且，通过仅根据流量控制腔室内的压力变化计算流量控制腔室的当前出气流量值，即，仅根据流量控制腔室的一个变量进行计算，可以进一步提高控制单元的运算速度；另外，由于上述气体质量流量控制方法通过直接调节流量控制腔室的压力来对气体质量流量进行调节，因此可以避免压力波动对气体质量流量的影响。
在一些实施例中，上述步骤S4例如包括：基于目标流量值和经计算获得的当前出气流量值，通过PID控制方法对出气流量控制单元进行控制，以使当前出气流量值等于目标流量值；其中，PID控制方法是指结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，其具有响应速度高、振荡小等优点，以能够进一步提高气体质量流量控制装置对气体质量流量变化的相应速度，并快速做出相应的调节动作。
在一些实施例中，上述当前出气流量值可以根据第一公式计算获得，具体的，第一公式为：
其中，Q为当前出气流量值；Δt为流量控制腔室的内部气体压力达到第一预设压力值时刻到当前时刻的时长；Δm为流量控制腔室内的在Δt中的气体的质量变化值；V为流量控制腔室的体积，具体的，由于流量控制腔室通常为刚体，所以V值为定值；R为通用气体常数，其又名“理想气体常数”，具体的，R值与气体种类无关，其通常约等于8.314J·mol-1·K-1；P1为第一预设压力值；P2为当前内部气体压力值；T1为第一预设压力值时流量控制腔室气体的温度；T2为当前压力时流量控制腔室气体的温度；M为流量控制腔室中气体的摩尔质量，具体的，摩尔质量为单位物质的量的物质所具有的质量，其由气体的种类决定。由上可知，在第一公式中，V、R、P1以及M的值都是已知的，所以只需要检测T1、T2和P2的值，即可根据第一公式求得预设流量值Q。换言之，由第一公式可以推知，通过调节当前时刻的压力值P1，即可调节输出气体的流量值(Q)。
具体的，上述第一公式中参数Δm满足以下关系：
Δm＝m1-m2，
其中，m1为流量控制腔室压力为第一预设压力值时流量控制腔室中气体的质量；m2为流量控制腔室压力为当前时刻流量控制腔室中气体的质量。而根据理想气体状态方程可以推知：
由此，通过化简运算可以得出以下关系：
在一些实施例中，若气体流出的时间(Δt)很短，则流量控制腔室内部气体温度几乎没有变化，即，上述第一公式中的参数T1＝T2，那么第一公式则可以化简为第二公式，具体的，第二公式为：
其中，T为流量控制腔室中气体的温度，ΔP为流量控制腔室内部气体压力变化值，且T＝T1＝T2，所以由第三公式可以求得，Q2＝Q。由此可见，当气体流出的时间(Δt)很短时，采用本实施例提供的气体质量流量控制方法得到的实际输出气体流量值(Q2)能够无限接近预设流量值。而且，由上可知，第二公式中的多个参数：流量控制腔室的体积(V)、气体的摩尔质量(M)、通用气体常数(R)都是已知的，而且流量控制腔室中气体的温度(T)在实际生产中通常会预先测量好且几乎没有变化，因此，可以进一步将第二公式化简为：
其中，K＝VM/RT，即K是仅与V、M、R、T有关的系数，其可以在气体质量流量控制流程开始之前，被测算出来，这样可以进一步降低控制单元的运算量，从而进一步提高控制单元的响应速度。
在一些实施例中，气体质量流量控制方法还包括以下步骤：
实时检测流量控制腔室的内部气体压力，并判断流量控制腔室的内部气体压力是否低于第二预设压力值，其中，第二预设压力值小于第一预设压力值；
若是，则控制进气流量控制单元接通进气管路，直至流量控制腔室的内部气体压力达到第一预设压力值，控制进气流量控制单元断开进气管路；即，当流量控制腔室的内部气体压力下降至第二预设压力时，重新接通进气管路，以使其上升至第一预设压力，从而避免流量控制腔室的内部气体压力值过低，而造成无论出气流量控制单元开度有多大都无法使当前出气流量值达到目标流量值；
而需要注意的是，为了保证气体的持续输出，在进行这一步骤进行的同时，出气管路保持接通，且出气流量控制单元持续调节流量控制腔室内的当前压力，以使当前出气流量值保持在目标流量值；
若否，则继续执行上述步骤S4。
本实施例提供的气体质量流量控制方法，通过实时监测流量控制腔室内的压力变化，并根据该压力变化，实时计算流量控制腔室的当前出气流量值，并利用出气流量控制单元调节流量控制腔室内部的当前压力，直至流量控制腔室的当前出气流量值达到目标流量值；而由于压力检测元件普遍对压力信号响应速度较快，因此本发明实施例提供的气体质量流量控制方法及装置能够在出气管路中的质量流量值发生变化时作出快速响应，从而能够及时调节出气管路中的气体质量流量值，以减少零点漂移，进而够提高气体质量流量控制的调节精度，以能够提高应用其的工艺的精度。
实施例2
请参考图3，本实施例提供一种气体质量流量控制装置，其包括：温度传感器2、压力传感器3、流量控制腔室1、分别与流量控制腔室1的进气口和出气口连接的进气管路11和出气管路12、分别设置在进气管路11和出气管路12上的进气流量控制单元4和出气流量控制单元5以及控制单元6。
温度传感器2和压力传感器3用于分别实时检测流量控制腔室1中的温度和压力，并发送至控制单元6。
控制单元6用于根据温度传感器2和压力传感器3实时检测到的流量控制腔室1中气体的温度和压力，采用上述实施例1中所述的气体质量流量控制方法，以进对进气流量控制单元4和出气流量控制单元5进行控制。
本实施例提供的气体质量流量控制装置是用于执行实施例1中所述的气体质量流量控制方法。具体的，气体会由与流量控制腔室1的进气口连接的进气管路11，流入流量控制腔室1，再由与流量控制腔室1的出气口连接的出气管路12，流出流量控制腔室1。但本实施例并不限于此，气体还可由与流量控制腔室1的出气口连接的出气管路12，流入流量控制腔室1，再由与流量控制腔室1的进气口连接的进气管路11，流出流量控制腔室1，即，本实施例提供的气体质量流量控制装置既可以正向进气，又可以反向进气，这样能够便于在实际生产中对气体质量流量控制装置的进行安装。而且，在一些实施例中，控制单元还用于控制进气流量控制单元和出气流量控制单元的功能互换，以使一者用于进气，另一者用于排气，从而在气体质量流量控制装置已安装好的情况下，改变气流方向。
在一些实施例中，温度传感器2和压力传感器3还可以集成为一体，并设置在流量控制腔室1中。
在一些实施例中，进气流量控制单元4包括第一流量控制阀，第一流量控制阀设置在进气管路11上，用于接通或断开进气管路11，以及调节进气管路11中的气体流量。或者，在一另些实施方式中，进气流量控制单元4包括第一通断阀和第一流量调节阀，第一通断阀和第一流量调节阀均设置在进气管路11上，其中，第一通断阀用于接通或断开进气管路11；第一流量调节阀用于调节进气管路11中的气体流量。
在一些实施例中，出气流量控制单元5包括第二流量控制阀，第二流量控制阀设置在出气管路12上，用于接通或断开出气管路12，以及调节出气管路12中的气体流量。或者，在一另些实施方式中，出气流量控制单元5包括第二通断阀和第二流量调节阀，第二通断阀和第二流量调节阀均设置在出气管路12上，其中，第二通断阀用于接通或断开出气管路12；第二流量调节阀用于调节出气管路12中的气体流量。
在一些实施例中，前述设置在进气管路11和出气管路12上的多个阀门可以采用电磁阀或者压电阀等阀门。
在一些实施例中，流量控制腔室1内部具有一个或多个相互连通的流量控制子空腔，其中，流量控制子空腔为圆柱体和/或立方体。
本实施例提供的气体质量流量控制装置，用于执行上述实施例所述的气体质量流量控制方法，所以其也能够在出气管路中的质量流量值发生变化时作出快速响应，以能够及时调节出气管路中的气体质量流量值，从而够提高气体质量流量控制的调节精度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种气体质量流量控制装置，其特征在于，包括：温度传感器、压力传感器、流量控制腔室、分别与所述流量控制腔室的进气口和出气口连接的进气管路和出气管路、分别设置在所述进气管路和出气管路上的进气流量控制单元和出气流量控制单元以及控制单元；
所述温度传感器和所述压力传感器用于分别实时检测所述流量控制腔室中的温度和压力，并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于控制所述进气流量控制单元和所述出气流量控制单元的功能互换，以使一者用于进气，另一者用于排气；
所述控制单元还用于根据所述温度传感器和所述压力传感器实时检测到的所述流量控制腔室中气体的温度和压力，采用以下气体质量流量控制方法，对所述进气流量控制单元和出气流量控制单元进行控制；
所述气体质量流量控制方法包括以下步骤：
设定目标流量值；
控制所述进气流量控制单元接通所述进气管路，同时控制所述出气流量控制单元断开所述出气管路，以使所述进气管路能够向所述流量控制腔室内输送气体，直至所述流量控制腔室的内部气体压力达到第一预设压力值；
控制所述进气流量控制单元断开所述进气管路，同时控制所述出气流量控制单元接通所述出气管路；
实时检测所述流量控制腔室的内部气体压力，并根据所述流量控制腔室的内部气体压力变化，实时计算所述流量控制腔室的当前出气流量值；控制所述出气流量控制单元调节所述流量控制腔室的当前内部气体压力，以使所述当前出气流量值等于所述目标流量值。
2.根据权利要求1所述的气体质量流量控制装置，其特征在于，根据第一公式计算获得所述当前出气流量值，所述第一公式为：
其中，Q为所述当前出气流量值；Δt为所述流量控制腔室的内部气体压力达到所述第一预设压力值时刻到当前时刻的时长；Δm为所述流量控制腔室内的在Δt中的气体的质量变化值；V为所述流量控制腔室的体积；R为通用气体常数；P1为所述第一预设压力值；P2为所述当前内部气体压力值；T1为所述流量控制腔室的压力达到所述第一预设压力值时，所述流量控制腔室气体的温度；T2为所述当前压力时所述流量控制腔室气体的温度；M为所述流量控制腔室中气体的摩尔质量。
3.根据权利要求2所述的气体质量流量控制装置，其特征在于，所述第一公式中参数满足T1＝T2；所述第一公式简化为第二公式，所述第二公式为：
其中，T为所述流量控制腔室中气体的温度，ΔP为所述流量控制腔室的内部气体压力变化值，且T＝T1＝T2，Q2＝Q。
4.根据权利要求1所述的气体质量流量控制装置，其特征在于，还包括：
实时检测所述流量控制腔室的内部气体压力，并判断所述流量控制腔室的内部气体压力是否低于第二预设压力值，其中，所述第二预设压力值小于所述第一预设压力值；若是，则控制所述进气流量控制单元接通所述进气管路，直至所述流量控制腔室的内部气体压力达到第一预设压力值，控制所述进气流量控制单元断开所述进气管路。
5.根据权利要求1所述的气体质量流量控制装置，其特征在于，所述控制所述出气流量控制单元调节所述流量控制腔室的当前内部气体压力，以使所述当前出气流量值等于所述目标流量值，包括：
基于所述目标流量值和经计算获得的所述当前出气流量值，通过PID控制方法对所述出气流量控制单元进行控制，以使所述当前出气流量值等于所述目标流量值。
6.根据权利要求1所述的气体质量流量控制装置，其特征在于，所述进气流量控制单元包括第一流量控制阀，所述第一流量控制阀设置在所述进气管路上，用于接通或断开所述进气管路，以及调节所述进气管路中的气体流量；和/或，
所述出气流量控制单元包括第二流量控制阀，所述第二流量控制阀设置在所述出气管路上，用于接通或断开所述出气管路，以及调节所述出气管路中的气体流量。
7.根据权利要求1所述的气体质量流量控制装置，其特征在于，所述进气流量控制单元包括第一通断阀和第一流量调节阀，所述第一通断阀和所述第一流量调节阀均设置在所述进气管路上，其中，所述第一通断阀用于接通或断开所述进气管路；所述第一流量调节阀用于调节所述进气管路中的气体流量；和/或，
所述出气流量控制单元包括第二通断阀和第二流量调节阀，所述第二通断阀和所述第二流量调节阀均设置在所述出气管路上，其中，所述第二通断阀用于接通或断开所述出气管路；所述第二流量调节阀用于调节所述出气管路中的气体流量。
8.根据权利要求1所述的气体质量流量控制装置，其特征在于，所述流量控制腔室内部具有一个或多个相互连通的流量控制子空腔，所述流量控制子空腔为圆柱体和/或立方体。
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