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　　一、 MFC组成

　　质量流量控制器（Mass Flow Controller）是一种流量计与控制阀组的精密机电组合，与一般流量计最大的差别在于它是利用热感温差、非接触的方式测量气体的质量流速，不同于一般测量体积流速的方法，所以能够避免环境压力与气体体积的影响，非常适合用在动态的气体流量控制上。MFC结构如下图所示：

　　图2-2 MFC组成原理

　　MFC由本体、等流器（Bypass）、传感器（Sensor）、控制电路板（Electronics）以及控制阀（Control Valve）等组成。

　　当气体进入MFC后，由传感器测出实际的流量，再与先前输入的设定值（Setpoint）比较，假若低于设定值，MFC内部的控制阀将适当的开启以增加流量；反之，控制阀则略为关闭减少流量。这样，MFC便可以自动调节制程所需气体流量。

　　1．本体

　　由于制程中有许多工艺气体都具有腐蚀性，因此MFC中凡是与气体接触的部位都以抗腐蚀性强的SS316L，Hasteloy C-22等为材质，作为MFC的本体。由于半导体工艺对反应气体的纯度，洁净度都有很高的要求，因此Semi对MFC内表面的光洁度有很高的要求（小于10uin Ra）。所以一般的MFC内表面都作电解抛光等处理。

　　2．等流器

　　分流器位于本体主要流道内，当气体进入MFC内，大约90％以上的气体将流经等流器后汇集进入控制阀入口，而其余小部分气体则将进入流量计的感测器管路内。

　　等流器的设计要满足三个要求：一是，必须使感测管路的进出口所产生的压力差、与气体的流量成正比，二是为了确保在不同温度、不同压力、流量以及不同气体使用下，必须能使感测管路内的气体流量与总流量的比值呈稳定状态；三是进入MFC的气体由0到全流量都要保持在层流状态。

　　3．传感器

　　由于MFC本身的准确度要求很高，所以传感器元件的准确性相对非常重要，传感器感测原理后面详细介绍。

　　4．控制电路板

　　由于MFC是根据感测管内流动气体的热移量，侦检流量质量，然后传回信号，以精密控制气体流量。MFC的控制电路是采用具有比例、积分、微分作用的PID控制，包括：流量感测电路、放大电路、比较电路、修正用的规零电路、线性化电路以及用来调整控制阀的驱动电路等。

　　5．控制阀

　　控制阀必须反应灵敏，闭锁能力良好。依制程用途需求，每一种机型都有正常关和正常开两种。

　　二、 MFC量测原理

　　MFC的核心是传感器，包括两个绕在传感器细管上的自加热热敏电阻。如下图所示，热敏电阻在给定温度下的阻值已知，并且这两个电阻连接在控制电路上的一个桥电路上。

　　图2-3 传感器检测原理示意图

　　当没有气体流动时，感测管路的温度分布如下图粉色线所示，当气体进入MFC开始流动时，由于气体的流动造成温度分布如绿线所示。因此两处的温度不等，造成电桥不平衡，电桥有电压输出。

　　图2-4 感测原理示意图

　　由图2-4可知，H＝m1Cp(T2-T1)+H0 →m1=(H-H0)/Cp(T2-T1)

　　整个流过MFC的气体质量m＝Km1

　　注：Cp为常压下的一个热值，它对温度或压力不敏感，只和分子质量以及分子物理结构有关，这个值可以通过实验得到。

　　三、 Bypass原理

　　Bypass的基本功能有以下几种：

　　在传感器两端建立固定的压差

　　整流-使通过传感器的气流为平流

　　调整通过传感器的气体分流设置质量流量控制器的流量范围

　　维持通过传感器的气体流量与总流量的固定分流比例（与温度及压力无关）

　　Bypass的原理利用层流气体的特点，即流量和输入输出的压差成正比，满足如下公式：

　　其中： ：气体密度

　　：气体的粘度

　　：管的长度

　　：管的直径

　　因此传感器管道（Rs，Ls）和bypass管道（Rb，Lb）的气体流量成正比。

　　上式当气体在层流态以及管的直径足够小的时候才成立。这就是为什么Bypass由好多细管组成的原因。

　　四、 MFC的一些关键指标

　　MFC的性能参数参照SEMASPEC document B－STD。

　　1．Accuracy(精确度)

　　●观测值与真值的接近性或一致性，包括精确性及偏差在内的观测值总不确定性。

　　●其典型值：±1％ of FS

　　2．Linearity（线性度）

　　●特定范围内的三点或多点观测值与理想直线的接近程度。通常通过测量非线性度并以线性度偏差值表示。

　　●其典型值：±0.5％ of FS

　　3．Repeatability（重复性）

　　●在所有相同条件下同一设置值与多次观测值的接近性或一致性。通常通过测量非重复性并以重复性偏差值表示。

　　●其典型值：±0.2％ of FS

　　4．Reproducibility（一致性）

　　●在特定条件下及特定操作时间区间多次观测在同一设置点上从高端及低端到达设置点的接近性或一致性。通常通过测量非一致性并以一致性偏差值表示。

　　●一致性包括hyseresis，deadband，long term drift

　　●其典型值：±0.3％ of FS over 10 weeks

　　5．Transient Characteristics（转移特性）参见Semi E17－91

　　●0－100％，0－25％，0－10％，25－75％设置转移

　　●Step Response Time（响应时间，典型500ms）；和Valvewww.baijiafa.com、Electronics、Sensor有关

　　●Dead Time（死区时间）

　　●Settling Time（设置时间）

　　●Transient Overshoot（正向过冲）

　　●Transient Undershoot（反向过冲）

　　图2-5 MFC的响应时间

　　6．Leak Integrity (密闭性能)

　　典型值：5 times 10 to the minus 11 atm cc/sec （He）Inboard