CN114166320A - 质量流量控制器的标定系统及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种质量流量控制器的标定方法，包括：控制质量流量控制器上游的流体压力依次达到多个检测点，并获取质量流量控制器上游的流体压力达到各检测点时质量流量控制器的上游流体压力值及其对应的压力传感器的压力检测值；根据每相邻两个检测点对应的两个上游流体压力值和两个压力检测值，得到与各检测点区间对应的上游理论流体压力值与压力检测值之间对应关系的计算式；将各检测点区间对应的计算式写入质量流量控制器中。本发明提供的标定方法能够自动确定压力传感器的压力检测值与质量流量控制器的上游理论流体压力值之间的计算式，完成压力传感器的标定，提高传感器标定结果的一致性和可靠性。本发明还提供一种质量流量控制器的标定系统。

Description

质量流量控制器的标定系统及其标定方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种质量流量控制器的标定方法和一种质量流量控制器的标定系统。

背景技术

质量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)是一种实时监测流量对气体质量流量进行精密测量及控制的流体流量控制装置，广泛应用于半导体、燃料电池、太阳能、真空镀膜、分析仪器等行业，质量流量控制器的精度及可靠性成为这些领域中影响工艺准确性及稳定性的关键因素。

压力式质量流量控制器(压力式MFC)利用一定条件下气体通过限流孔(喉口)的速度达到音速来工作，具体地，压力式质量流量控制器的喉口上下游分别设置有第一压力传感器和第二压力传感器，在压力式质量流量控制器的进气口和出气口的压力满足一定的条件前提下，气体通过限流孔的速度达到音速并且不会再增大，这种流动状态也称为阻塞流动。此时，第一压力传感器和第二压力传感器分别检测喉口前端流道的进口流体压力P1和其后端出口流体压力P2，进而确定限流孔(喉口)中的流体流量。

由于压力式质量流量控制器的特殊特性，在流量检测过程中需要根据两个压力传感器得到的压力值的关系综合进行判断，当第一压力传感器的测量值P1与第二压力传感器的测量值P2的比值大于等于2时，MFC的流量与第一压力传感器的测量值P1之间为线性关系，当比值小于2时，MFC的流量值与P1之间为函数关系。因此，在质量流量控制器的标定过程中，需要针对两个压力传感器分别进行压力标定，以确保两个传感器的性能良好。

然而，现有的质量流量控制器标定方法主要由操作人员通过手动操作的方式对压力传感器进行压力标定，具有不可靠性与耗时的缺点。且标定过程依靠人工记录某一时刻的数据，具有偶然性与不准确性，无法保证标定的每一个传感器都是合格品，容易对后续质量流量控制器的生产工序造成影响。并且，质量流量控制器的生产流程复杂、耗时长，传感器的问题尤其会降低造成后续工序的收益，并影响生产效率以及产品的合格率。

发明内容

本发明旨在提供一种质量流量控制器的标定方法及标定系统，该标定方法能够自动标定质量流量控制器中的压力传感器，减少传感器标定过程的人力输出，提高传感器标定结果的一致性和可靠性。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种质量流量控制器的标定方法，所述质量流量控制器的流体通路上设置有至少一个压力传感器，所述方法包括：

控制所述质量流量控制器上游的流体压力依次达到多个检测点，并获取所述质量流量控制器上游的流体压力达到各所述检测点时，所述质量流量控制器的上游流体压力值及其对应的所述压力传感器的压力检测值；

根据每相邻两个所述检测点对应的两个所述上游流体压力值和两个所述压力检测值，得到与各检测点区间对应的上游理论流体压力值与所述压力检测值之间对应关系的计算式；

将各检测点区间对应的所述计算式写入所述质量流量控制器中。

可选地，所述控制所述质量流量控制器上游的流体压力依次达到多个检测点，包括：

根据设定的循环次数，对同一所述检测点进行相对应次数的检测，其中，单次循环为控制所述质量流量控制器上游的所述流体压力由压力值最小的检测点递增变化至压力值最大的检测点，再控制所述流体压力由压力值最大的检测点递减变化至压力值最小的检测点；

所述压力检测值为对应的压力传感器在所述质量流量控制器上游的流体压力递增变化过程中对应检测点的检测值与在所述流体压力递减变化过程中对应检测点的检测值的平均值。

可选地，所述标定方法还包括：

根据目标压力范围由数据库获取所述目标压力范围对应的多个所述检测点和所述循环次数。

可选地，所述标定方法还包括：

当存在压力传感器在所述流体压力递增变化过程中对应检测点的检测值与在所述流体压力递减变化过程中对应检测点的检测值之间的差值大于第一预设差值阈值时，停止标定，并判定质量流量控制器不合格。

可选地，所述第一预设差值阈值在0.4kPa至0.6kPa之间。

可选地，所述控制所述质量流量控制器上游的流体压力依次达到多个检测点，包括；

控制所述质量流量控制器上游的流体压力，使所述上游流体压力值依次与每个检测点之间的差值不大于第二预设差值阈值。

可选地，所述第二预设差值阈值小于0.02kPa。

可选地，所述标定方法还包括：

控制所述质量流量控制器上游的流体压力达到测试压力，获取所述质量流量控制器的上游流体压力值及所述压力传感器的压力检测值；

根据已得到的所述计算式，基于所述压力传感器的压力检测值计算上游理论流体压力值；

比较所述上游理论流体压力值与所述上游流体压力值，当存在所述上游理论流体压力值与所述上游流体压力值之间的差值大于第三预设差值阈值时，判定所述质量流量控制器不合格。

可选地，所述计算式为Y＝a(X+b)，其中，Y为所述质量流量控制器上游理论流体压力值，X为压力传感器的流量检测值，a、b为常数。

作为本发明的第二个方面，提供一种质量流量控制器的标定系统，所述标定系统包括上位机、标定流体通路和压力控制器，所述标定流体通路上具有用于接入待测质量流量控制器的标定位，所述上位机能够控制所述压力控制器改变所述标定位上游的流体压力，且所述上位机能够实现前面所述的质量流量控制器的标定方法。

本发明提供的质量流量控制器的标定方法及标定系统能够自动确定压力传感器的压力检测值与质量流量控制器上游理论流体压力值之间的计算式，并将得到的计算式写入质量流量控制器中，完成质量流量控制器中压力传感器的标定，减少了压力传感器标定过程的人力输出，降低了因人力操作的不可避免的错误或者误差造成的产品不合格率，在节省大量人力资源的同时，保证了传感器标定结果的一致性和可靠性，进而保证了质量流量控制器的产品质量，提高了生产车间的工作效率。

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。在附图中：

图1是本发明实施例提供的质量流量控制器的标定系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的质量流量控制器的标定方法的流程示意图；

图3是本发明另一实施例提供的质量流量控制器的标定方法的流程示意图；

图4是本发明另一实施例提供的质量流量控制器的标定方法的流程示意图。

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。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种质量流量控制器的标定方法，该质量流量控制器的流体通路上设置有至少一个压力传感器，如图2所示，该标定方法包括：

步骤S1、控制质量流量控制器上游的流体压力依次达到多个检测点，并获取质量流量控制器上游的流体压力达到各检测点时，质量流量控制器的上游流体压力值及其对应的压力传感器的压力检测值；

步骤S2、根据每相邻两个检测点对应的两个上游流体压力值和两个压力检测值，得到与各检测点区间(即以相邻两个检测点为端点的压力区间)对应的，上游理论流体压力值Y与所述压力检测值之间对应关系的计算式(多个检测点区间对应的多个计算式可共同用于根据压力检测值计算上游理论流体压力Y的值)；

步骤S3、将各检测点区间对应的计算式写入质量流量控制器中。

作为本发明的一种可选实施方式，如图1所示，该待标定的质量流量控制器为压力式质量流量控制器，即，流体通路包括喉口段，在流体通路上，喉口段的上游和下游分别设有第一压力传感器和第二压力传感器，质量流量控制器用于通过控制流体通过喉口段的流速的方式控制流体(如，气体)流量，并通过第一压力传感器和第二压力传感器的压力检测值(进口压力P1、出口压力P2)以及通过本发明实施例提供的标定方法确定的计算式确定流体流量。

可选地，该计算式可以为一元一次方程，例如，可表示为Y＝a(X+b)，其中，Y为上游理论流体压力值，X为压力传感器(第一压力传感器、第二压力传感器)的流量检测值，a、b为常数(其中a为斜率，b为截距)。

例如，以第一压力传感器的压力检测值(进口压力P1)为例，在质量流量控制器上游的流体压力达到某相邻两个检测点时，质量流量控制器的上游流体压力值分别为Y1、Y2，其对应的第一压力传感器的压力检测值分别为X1、X2，则可根据点(X1,Y1)和点(X2,Y2)确定该检测点区间对应的上游理论流体压力值Y与压力检测值X之间对应关系的计算式Y＝a1(X+b1)；同样地，再根据下一组相邻两个检测点对应的游流体压力值Y2、Y3以及第一压力传感器的压力检测值X2、X3，确定该检测点区间对应的计算式Y＝a2(X+b2)，以此类推，分别求出每相邻两个检测点(每个检测点区间)对应的计算式中常数a、b的值，直至得到全部计算式，并将计算式存入质量流量控制器中(对第二压力传感器执行同样的算法，此处不再赘述)。

本发明提供的质量流量控制器的标定方法能够自动确定压力传感器的压力检测值X与质量流量控制器上游理论流体压力值Y之间的计算式，并将得到的计算式写入质量流量控制器中，完成质量流量控制器中压力传感器(第一压力传感器、第二压力传感器)的标定，减少了压力传感器标定过程的人力输出，降低了因人力操作的不可避免的错误或者误差造成的产品不合格率，在节省大量人力资源的同时，保证了传感器标定结果的一致性和可靠性，进而保证了质量流量控制器的产品质量，提高了生产车间的工作效率。

需要说明的是，压力传感器(第一压力传感器及第二压力传感器)直接检测流体压力得到的是模拟(analog)信号，需通过AD转换模块(图未示)转换为数字(digital)信号，才能够用于进行比较及运算。本发明实施例提供的质量流量控制器的标定方法能够由标定系统自动实现，尤其适于在小压力范围(流体压力低于20kPa)下对压力传感器进行标定，例如，当用户选择的目标压力范围为5-15kPa时，可由数据库查询得到预先存储好的常用检测点值：5kPa，7kPa，8kPa，9kPa，10kPa，11kPa，12kPa，13kPa，14kPa，15kPa。

在现有的通过人工对质量流量控制器的压力传感器进行标定的方案中，在保证精确性的情况下，其检测点的压力范围一般在20kPa到200kPa之间，很难对20kPa以下的小压力范围进行精确标定。而本发明实施例提供的质量流量控制器的标定方法能够由标定系统自动实现，提高了压力传感器在小压力范围内的适用性与准确性。

为提高压力检测值的准确性，作为本发明的一种优选实施方式，控制质量流量控制器上游的流体压力依次达到多个检测点的步骤包括：

根据设定的循环次数，对同一检测点进行相对应次数的检测，其中，单次循环为控制质量流量控制器上游的流体压力由压力值最小的检测点递增变化至压力值最大的检测点，再控制流体压力由压力值最大的检测点递减变化至压力值最小的检测点；

压力检测值为对应的压力传感器在质量流量控制器上游的流体压力递增变化过程中对应检测点的检测值与在上游流体压力递减变化过程中对应检测点的检测值的平均值。

仍以目标压力范围为5-15kPa的情况为例，在完成对5kPa压力的检测以后，依次将质量流量控制器上游的流体压力由5kPa调节至7kPa、8kPa、9kPa、10kPa、11kPa、12kPa、13kPa、14kPa、15kPa并获取相应压力传感器的检测值，再反向将质量流量控制器上游的流体压力由15kPa依次调节至14kPa、13kPa、12kPa、11kPa、10kPa、9kPa、8kPa、7kPa、5kPa并获取相应压力传感器的检测值，最后对同一检测点对应的压力传感器(第一压力传感器或第二压力传感器)的检测值进行平均值计算，得到该压力传感器对应于各检测点的压力检测值。

或者，在本发明的其他实施方式中，也可以先基于各循环中压力传感器对应于相邻两检测点的检测值，得到各循环的计算式，再对多个循环对应的计算式进行平均值计算，得到最终的计算式。

具体地，当计算式为一元一次方程Y＝a(X+b)时，可以先求出各循环对应的上游理论流体压力值Y与压力检测值X之间的计算式Y＝a(X+b)中的斜率a和截距b，再对多个循环对应的斜率a和截距b分别进行平均值计算，得到平均斜率和平均截距，进而得到最终的计算式。

例如，在某两相邻检测点多个循环后得到的多个计算式为Y＝3.4(X+2)、Y＝3.35(X+2.1)、Y＝3.4(X+1.9)与Y＝3.4(X+2.1)时，分别对斜率a和截距b进行平均值计算后，得到平均斜率是3.39，平均截距是2.25。则将该压力传感器对应于该对检测点的计算式确定为Y＝3.39(X+2.25)。

为提高标定效率，作为本发明的一种优选实施方式，常用的各流体压力范围下的各检测点数值可预先存储在标定系统的数据库中，如图3所示，该标定方法还包括：

步骤S0、根据目标压力范围由数据库获取目标压力范围对应的多个检测点和循环次数。

为提高质量流量控制器的产品良率，作为本发明的一种优选实施方式，该标定方法还包括：

在控制质量流量控制器上游的流体压力至少进行一次递增变化、递减变化的循环后，当存在压力传感器在流体压力递增变化过程中对应检测点的检测值与在流体压力递减变化过程中对应检测点的检测值之间的差值大于第一预设差值阈值时，停止标定，并判定质量流量控制器不合格。

在本发明实施例中，对流体压力递增变化中以及流体压力递减变化过程中两次经过同一检测点时同一压力传感器先后检测得到的两个检测值进行比较，当两检测结果之间的差值过大(大于第一预设差值阈值)时，则说明该压力控制器稳定性差，直接判定质量流量控制器不合格，提高了质量流量控制器的产品良率。

作为本发明的一种可选实施方式，第一预设差值阈值为0.5kPa(0.5千帕斯卡，即500Pa(帕斯卡))，即，当存在压力传感器在流体压力递增变化中以及流体压力递减变化过程中两次检测得到的两检测值之间的差值大于0.5kPa时，则认为该压力传感器稳定性差，难以满足质量流量控制器的使用要求。

本发明实施例对质量流量控制器上游的流体压力达到检测点的判定标准不做具体限定，例如，为缩短调节上游流体压力的调节时间，提高质量流量控制器的校准效率，作为本发明的一种优选实施方式，可事先给定一差值范围，当上游流体压力与检测点相差较小时则认为上游流体压力已达到检测点，避免反复对上游流体压力进行过于精确的调节，影响标定效率。控制质量流量控制器上游的流体压力依次达到多个检测点的步骤具体可以包括；

控制质量流量控制器上游的流体压力，使上游流体压力值依次与每个检测点之间的差值不大于第二预设差值阈值。

作为本发明的一种可选实施方式，第二预设差值阈值小于0.02kPa。例如，在本发明的一些实施例中，第二预设差值阈值可以为0.01kPa，即，当上游流体压力值与当前检测点之间的差值不大于0.01kPa时，则认为流体压力已达到检测点，可读取两压力传感器的检测结果。例如，在对检测点5kPa进行标定时，调节质量流量控制器上游的流体压力，使流体压力读到5±0.01kPa的范围内，即可读取两压力传感器的检测结果以及上游流体压力值。

作为本发明的一种优选实施方式，该标定方法还可以包括对已完成标定的质量流量控制器进行检验的步骤，即，控制质量流量控制器上游的流体压力达到一不同于测试点的压力值，并比较标定后的控制质量流量控制器得到的上游理论流体压力值大小是否与上游流体压力值一致。具体地，如图4所示，该标定方法还包括：

步骤S4、控制质量流量控制器上游的流体压力达到测试压力，获取质量流量控制器的上游流体压力值及压力传感器的压力检测值；

步骤S5、根据已得到的计算式，基于压力传感器的压力检测值计算上游理论流体压力值；

步骤S6、比较上游理论流体压力值与上游流体压力值，当存在上游理论流体压力值与上游流体压力值之间的差值大于第三预设差值阈值时，判定质量流量控制器不合格。

在本发明实施例中，第三预设差值阈值的大小可根据质量流量控制器的正常误差大小确定，例如，当质量流量控制器的误差为0.01kPa时，则第三预设差值阈值可取0.01kPa。即，当所有上游理论流体压力值与上游流体压力值之间的差值均小于等于0.01kPa时，则认为该差值为正常误差，标定后的质量流量控制器可准确检测上游的流体压力进而准确检测流量；当存在上游理论流体压力值与上游流体压力值之间的差值大于0.01kPa时，则认为标定后的质量流量控制器检测得到的压力值与上游的实际压力值之间偏差过大，质量流量控制器不合格。

作为本发明的第二个方面，提供一种质量流量控制器的标定系统，如图1所示，该标定系统包括上位机(计算机)、标定流体通路和压力控制器(压力控制器对流体压力的控制精度为±0.001kPa)，标定流体通路上具有用于接入待测质量流量控制器的标定位，上位机能够控制压力控制器改变标定位上游的流体压力(使流体压力达到各检测点，并检测上游流体压力值)，且能够实现本发明实施例提供的标定方法。

本发明提供的质量流量控制器的标定系统能够自动确定压力传感器的压力检测值X与质量流量控制器上游理论流体压力值Y之间的计算式，并将得到的计算式写入质量流量控制器中，完成质量流量控制器中压力传感器(第一压力传感器、第二压力传感器)的标定，减少了压力传感器标定过程的人力输出，降低了因人力操作的不可避免的错误或者误差造成的产品不合格率，在节省大量人力资源的同时，保证了传感器标定结果的一致性和可靠性，进而保证了质量流量控制器的产品质量，提高了生产车间的工作效率。

作为本发明的一种优选实施方式，如图1所示，该标定系统还包括系统控制模块和数据库，上位机通过该系统控制模块控制截止阀的开与关、以及控制压力控制器改变标定位上游的流体压力，且上位机能够通过系统控制模块与该数据库进行通信连接，并由该数据库中获取各目标压力范围对应的常用检测点等信息。

作为本发明的一种可选实施方式，上位机可以为计算机，其内部存储有自动标定传感器的软件，且能够通过运行该软件的方式实现本发明实施例提供的质量流量控制器的标定方法。为便于用户实时控制标定工艺，作为本发明的一种优选实施方式，上位机软件中还包括向用户显示人机交互界面的相关程序，用户可以通过上位机与标定系统进行交互，并根据数据文件的名字在数据库中进行选择。例如，可根据目标压力范围搜索5-15kPa，查看是否有符合自己需求的压力范围，并在上位机软件的界面中进行选择，将数据库中相应的数据文件导入到上位机软件中。同时用户还可以在上位机软件中选择步骤S1的循环次数、以及在上游流体压力稳定在每一个检测点时，采集压力传感器的压力检测值的持续时间，等等。

作为本发明的一种可选实施方式，如图1所示，该标定系统还包括截止阀，截止阀连接在气源与压力控制器之间，用于控制标定流体通路的通断，上位机还用于在标定过程开始前，控制截止阀打开，使标定流体通路导通；以及，在标定结束后，控制截止阀关闭，使标定流体通路断开。

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 (10)

1.一种质量流量控制器的标定方法，所述质量流量控制器的流体通路上设置有至少一个压力传感器，其特征在于，所述方法包括：

控制所述质量流量控制器上游的流体压力依次达到多个检测点，并获取所述质量流量控制器上游的流体压力达到各所述检测点时，所述质量流量控制器的上游流体压力值及其对应的所述压力传感器的压力检测值；

根据每相邻两个所述检测点对应的两个所述上游流体压力值和两个所述压力检测值，得到与各检测点区间对应的上游理论流体压力值与所述压力检测值之间对应关系的计算式；

将各检测点区间对应的所述计算式写入所述质量流量控制器中。

2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述控制所述质量流量控制器上游的流体压力依次达到多个检测点，包括：

根据设定的循环次数，对同一所述检测点进行相对应次数的检测，其中，单次循环为控制所述质量流量控制器上游的所述流体压力由压力值最小的检测点递增变化至压力值最大的检测点，再控制所述流体压力由压力值最大的检测点递减变化至压力值最小的检测点；

所述压力检测值为对应的压力传感器在所述质量流量控制器上游的流体压力递增变化过程中对应检测点的检测值与在所述流体压力递减变化过程中对应检测点的检测值的平均值。

3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述标定方法还包括：

根据目标压力范围由数据库获取所述目标压力范围对应的多个所述检测点和所述循环次数。

4.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述标定方法还包括：

当存在压力传感器在所述流体压力递增变化过程中对应检测点的检测值与在所述流体压力递减变化过程中对应检测点的检测值之间的差值大于第一预设差值阈值时，停止标定，并判定质量流量控制器不合格。

5.根据权利要求4所述的标定方法，其特征在于，所述第一预设差值阈值在0.4kPa至0.6kPa之间。

6.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述控制所述质量流量控制器上游的流体压力依次达到多个检测点，包括；

控制所述质量流量控制器上游的流体压力，使所述上游流体压力值依次与每个检测点之间的差值不大于第二预设差值阈值。

7.根据权利要求6所述的标定方法，其特征在于，所述第二预设差值阈值小于0.02kPa。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的标定方法，其特征在于，所述标定方法还包括：

控制所述质量流量控制器上游的流体压力达到测试压力，获取所述质量流量控制器的上游流体压力值及所述压力传感器的压力检测值；

根据已得到的所述计算式，基于所述压力传感器的压力检测值计算上游理论流体压力值；

比较所述上游理论流体压力值与所述上游流体压力值，当存在所述上游理论流体压力值与所述上游流体压力值之间的差值大于第三预设差值阈值时，判定所述质量流量控制器不合格。

9.根据权利要求1至7中任意一项所述的标定方法，其特征在于，所述计算式为Y＝a(X+b)，其中，Y为所述质量流量控制器上游理论流体压力值，X为压力传感器的流量检测值，a、b为常数。

10.一种质量流量控制器的标定系统，其特征在于，所述标定系统包括上位机、标定流体通路和压力控制器，所述标定流体通路上具有用于接入待测质量流量控制器的标定位，所述上位机能够控制所述压力控制器改变所述标定位上游的流体压力，且所述上位机能够实现权利要求1至9中任意一项所述的质量流量控制器的标定方法。

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