5.10　質(zhì)量流量計(jì)

5.10.1　MFC用途和特點(diǎn)

質(zhì)量流量計(jì)（Mass Flow Meter，MFM）用于對(duì)氣體的質(zhì)量流量進(jìn)行精密測(cè)量；質(zhì)量流量控制器（Mass Flow Controller， MFC）用于對(duì)氣體的質(zhì)量流量進(jìn)行精密測(cè)量和控制。它們?cè)诎雽?dǎo)體和集成電路工業(yè)、特種材料學(xué)科、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保和真空等多種領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用。其典型的應(yīng)用場(chǎng)合包括：電子工藝設(shè)備，如擴(kuò)散、氧化、外延、CVD、等離子刻蝕、濺射、離子注入；以及鍍膜設(shè)備、光纖熔煉、微反應(yīng)裝置、混氣配氣系統(tǒng)、毛細(xì)管測(cè)量、氣相色譜儀及其他分析儀器。通常情況下，MFC采用熱式傳感器作為測(cè)量方式獲取氣體的流量信號(hào)。

5.10.2　熱式MFC工作原理

流量傳感器采用毛細(xì)管傳熱溫差量熱法原理測(cè)量氣體的質(zhì)量流量（無(wú)需溫度壓力補(bǔ)償）。如圖5-31所示，氣體流過(guò)傳感器會(huì)導(dǎo)致傳感器加熱繞組的電壓發(fā)生變化，電壓變化通過(guò)電橋送入放大器放大，放大后的流量檢測(cè)電壓與設(shè)定電壓進(jìn)行比較，再將差值信號(hào)放大后去控制調(diào)節(jié)閥門，閉環(huán)控制流過(guò)MFC的流量使之與設(shè)定的流量相等。分流器決定主通道的流量。一般與MFC配套的流量顯示儀上有穩(wěn)壓電源，3位半數(shù)字電壓表，設(shè)定電位器，外設(shè)、內(nèi)設(shè)轉(zhuǎn)換和三位閥控開關(guān)等。

通常情況下，MFC的滿量程（F.S）流量檢測(cè)輸出電壓為+5V。質(zhì)量流量控制器的流量控制范圍是（2～100）%F.S（量程比為50∶1），流量分辨率是0.1%F.S。

5.10.3　MFC使用

一般來(lái)講，MFC使用可以利用READOUT BOX流量顯示儀，這種設(shè)備可以給MFC提供電源、0～5V設(shè)定信號(hào)，監(jiān)測(cè)0～5V流量輸出信號(hào)并進(jìn)行顯示，使用便捷。另外也可以只購(gòu)買MFC，利用自己的設(shè)備或者實(shí)驗(yàn)室的電源給MFC供電。一般MFC供電分單電源（0～24V）和雙電源（±15V），若需要進(jìn)行（0～+5V）設(shè)定信號(hào)，可以直接將“流量設(shè)定”引腳接上（0～+5V）電壓，代表MFC的零到滿量程流量，呈線性關(guān)系；若用戶要檢測(cè)流量輸出信號(hào)（0～+5V）時(shí)，將線引至顯示儀外控信號(hào)插座的“流量檢測(cè)”和“信號(hào)地”（0 電平）引腳上即可；也可直接與計(jì)算機(jī)的模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器連接，+5.00V 輸出電壓對(duì)應(yīng)MFC 滿量程額定流量值。

調(diào)零和外調(diào)零在熱式的MFC使用上非常重要，因?yàn)闊崾絺鞲衅髟谑褂弥靶枰A(yù)熱，調(diào)零工作必須在MFC開機(jī)預(yù)熱15min以上，待流量計(jì)零點(diǎn)穩(wěn)定以后進(jìn)行。首次使用或工作一段時(shí)間后，若發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)偏移，可以調(diào)整。一般MFC能通過(guò)外罩上進(jìn)氣口側(cè)面或頂端的調(diào)零孔調(diào)整，也可揭開外罩調(diào)整。注意：調(diào)零時(shí)流量管路不能通氣（或?qū)㈤y門關(guān)閉）。

工作壓差也是MFC使用上需要注意的，每一款MFC根據(jù)流量的不同工作壓差也不同，使用時(shí)需要閱讀使用手冊(cè)。

5.10.4　國(guó)內(nèi)外MFC發(fā)展?fàn)顩r介紹

MFC是一個(gè)機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，隨著工業(yè)控制自動(dòng)化的需要，MFC總體來(lái)講是向著數(shù)字化、程序化的趨勢(shì)發(fā)展。

在電路控制方面，目前國(guó)內(nèi)的MFC發(fā)展趨勢(shì)正從模擬電路向著數(shù)字電路發(fā)展。數(shù)字電路相對(duì)模擬電路的優(yōu)點(diǎn)有：精度高，可控性強(qiáng)，易于通信，易于工業(yè)自動(dòng)控制。由于模擬電路中分立元件在體積上的限制，在功能上也會(huì)受到很大限制，高度集成的數(shù)字芯片可以讓MFC在功能上得到很大程度的擴(kuò)展，比如數(shù)字電路應(yīng)運(yùn)而生的一些功能：多氣體多量程、延遲、軟啟動(dòng)、自我診斷等。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，目前國(guó)內(nèi)外眾多廠商的MFC采用的分流技術(shù)各有不同，并且分流器都向著更加穩(wěn)定的層流關(guān)系方向發(fā)展。在閥結(jié)構(gòu)方面，MFC以電磁閥的應(yīng)用為主，各個(gè)廠商在結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新。在通道的金屬材質(zhì)使用上，根據(jù)不同的工藝，不同的使用場(chǎng)合區(qū)別比較明顯，比如在真空設(shè)備中，采用316LVV材料做MFC的通道加上表面經(jīng)過(guò)EP處理，在抽真空的效果上都要比普通的金屬材質(zhì)好得多，因?yàn)楸砻嫣幚磔^好的金屬材質(zhì)表面缺陷更少，可存留的分子少，使得在抽真空的時(shí)候更容易達(dá)到理想真空度。

計(jì)算機(jī)控制方面，由于工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)化控制的趨勢(shì)，需要系統(tǒng)的各個(gè)零部件都能集中控制，這也帶動(dòng)了MFC的通信能力的提高。作為數(shù)字化的MFC，通常都會(huì)采用RS232/RS485串口通信，比較高端的一些應(yīng)用，例如在半導(dǎo)體領(lǐng)域的MFC會(huì)用到DEVICENET通信協(xié)議。

5.10.5　MFC在真空設(shè)備中的典型應(yīng)用和注意事項(xiàng)

真空鍍膜機(jī)是MFC在真空設(shè)備中典型應(yīng)用的例子。一般的控制過(guò)程為：

①利用真空泵將真空抽到極限（本底真空一般為10-3Pa量級(jí)）；

②開啟MFC控制通氣量，根據(jù)工藝需要調(diào)節(jié)MFC的流量，調(diào)節(jié)到工藝需要的真空度（一般為10-1Pa量級(jí)）。

使用MFC需要注意的問題：

①根據(jù)工藝的不同，MFC的量程選定要遵照公式：S=Q/p[S為真空泵在穩(wěn)定后的最高抽速，單位為L(zhǎng)/s；Q為需要通過(guò)的流量，單位為SCCM（mL/min，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）或SLM（L/min，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；p為穩(wěn)定工作后的真空度，單位為Pa]。需要注意的是，這個(gè)公式是在理想狀態(tài)下的公式，計(jì)算Q的結(jié)果應(yīng)該盡量接近并小于MFC的滿量程。

②各個(gè)廠商的MFC的漏率有所不同，漏率越小對(duì)真空度的影響越小，一般市場(chǎng)中較好的MFC漏率為1×10-9atm·mL/s （He），個(gè)別產(chǎn)品可以達(dá)到1×10-10atm·mL/s（ He）。

③MFC內(nèi)部本身控制流量的電磁調(diào)節(jié)閥，當(dāng)設(shè)定到零點(diǎn)的時(shí)候總會(huì)有一定的泄漏，不能夠當(dāng)做截止閥使用，因此最好在MFC和真空腔體中間使用截止閥隔離。

④安裝系統(tǒng)時(shí)要注意MFC連接處和氣路的檢漏，如果有條件最好用氦質(zhì)譜檢漏儀。

由于MFC內(nèi)部是閉環(huán)反饋，正常工作情況下流量會(huì)有很小范圍的波動(dòng)，但是不會(huì)造成真空度的波動(dòng)。如果真空計(jì)度數(shù)波動(dòng)很大，首先應(yīng)該確定是否是真空泵的問題，因?yàn)檎婵毡脤?duì)真空度的影響比MFC要大得多。

5.10.6　北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司質(zhì)量流量計(jì)

北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司生產(chǎn)的質(zhì)量流量計(jì)的主要性能參數(shù)見表5-9。