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CN111103020B - 流量检测装置、流量控制系统及流量检测方法 - Google Patents

流量检测装置、流量控制系统及流量检测方法 Download PDF

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CN111103020B
CN111103020B CN201811267566.5A CN201811267566A CN111103020B CN 111103020 B CN111103020 B CN 111103020B CN 201811267566 A CN201811267566 A CN 201811267566A CN 111103020 B CN111103020 B CN 111103020B
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Abstract

本发明提供一种流量检测装置、流量控制系统及流量检测方法，属于半导体工艺制造技术领域，其可至少部分解决现有的流量检测装置对气体流量检测不准确以及响应慢的问题。本发明的一种流量检测装置，用于检测气体通道内的流量，气体通道包括相连接的上游通道和下游通道，所述上游通道和下游通道的连接处形成喉口，喉口的横截面积小于上游通道和下游通道二者中任意一个的横截面积，流量检测装置包括：第一压力测试单元，用于测定上游通道的第一压力值；第二压力测试单元，用于测定下游通道的第二压力值；流量计算单元，分别与第一压力测试单元、第二压力测试单元连接，以根据第一压力值和第二压力值得出矫正流量值。

Description

流量检测装置、流量控制系统及流量检测方法
技术领域
本发明属于半导体工艺制造技术领域，具体涉及一种流量检测装置、流量控制系统及流量检测方法。
背景技术
气体质量流量控制系统(Mass Flow Controller，MFC)用于对气体质量流量进行精密测量及控制，主要应用于半导体集成电路工艺、特种材料、化学工业、石油工业、医药以及环保等多种领域的科研和生产中。
现有技术中的一种气体质量流量控制系统主要包括热敏元件、差分放大器、滤波器以及控制器等，该气体质量流量控制系统主要是通过检测气体的温度来控制气体的流量，但是由于温度传导需要一定时间，因此采用热敏元件控制气体的流量时存在预热时间长，控制精度和重复性差等问题。
现有技术中的另一种气体质量流量控制系统主要包括压力传感器、控制器以及具有节流孔的气体通道，通过测定节流孔处的压力值来确定其气体流量。然而，如果气体通道的出气口由于外界影响或者故障突然关断，此时的气体的质量流量应该为零，但是由于位于气体通道中的气体本身具有一定气压，因此通过气体压力测得的流量不会显示为零，即虽然在气体通道中实际的气体流量为零，但是气体质量流量控制系统并不能测出流量为零，这样使得气体质量流量控制系统的对气体流量控制不准确，从而对实际的科研或者生产造成不利影响。
发明内容
本发明至少部分解决现有的流量检测装置对气体流量检测不准确以及响应慢的问题，提供一种检测效率高以及准确性好的流量检测装置。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是
一种流量检测装置，用于检测气体通道内的流量，所述气体通道包括相连接的上游通道和下游通道，所述上游通道和下游通道的连接处形成喉口，且所述喉口的横截面积小于所述上游通道和下游通道二者中任意一个的横截面积，所述流量检测装置包括：
第一压力测试单元，用于测定所述上游通道的第一压力值；
第二压力测试单元，用于测定所述下游通道的第二压力值；
流量计算单元，分别与所述第一压力测试单元、所述第二压力测试单元连接，以根据所述第一压力值和所述第二压力值得出矫正流量值。
进一步优选的是，根据所述第一压力值Pi和所述第二压力值Pj的下述关系式得出所述矫正流量值QV：
Figure BDA0001845248120000021
其中，QV表示所述矫正流量值，k表示比例常数，Pi表示所述第一压力值，Pj表示所述第二压力值。
进一步优选的是，所述第一压力测试单元包括：第一传感器，用于与所述上游通道连接，以测定所述上游通道的第一压力值；第一传感器驱动电路，与所述第一传感器连接，用于驱动所述第一传感器；第一A/D转换电路，分别与所述第一传感器和所述流量计算单元连接，用于将所述第一压力值由模拟信号转换为数字信号，以及用于将数字信号的所述第一压力值传输至所述流量计算单元。
进一步优选的是，所述第二压力测试单元包括：第二传感器，用于与所述下游通道连接，以测定所述下游通道的第二压力值；第二传感器驱动电路，与所述第二传感器连接，用于驱动所述第二传感器；第二A/D转换电路，分别与所述第二传感器和所述流量计算单元连接，用于将所述第二压力值由模拟信号转换为数字信号，以及用于将数字信号的所述第二压力值传输至所述流量计算单元。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是另一种流量控制系统，包括：
上述的流量检测装置；
气体通道，包括相连接的上游通道和下游通道，气体由所述上游通道流入后经所述下游通道流出，其中，所述上游通道和下游通道的连接处还形成喉口，且所述喉口的横截面积小于所述上游通道和下游通道二者中任意一个的横截面积；
阀装置，设于所述上游通道的进气口，用于根据所述流量检测装置得出的矫正流量值控制所述气体通道的气体流量。
进一步优选的是，所述阀装置包括：压电阀，设于所述上游通道的进气口，用于控制所述上游通道的进气口的大小；压电驱动电路，与所述压电阀连接，用于驱动所述压电阀；第三A/D转换电路，分别与所述压电驱动电路和所述流量计算单元连接，用于将所述矫正流量值由数字信号转换为模拟信号，并利用所述模拟信号的矫正流量值控制所述压电驱动电路。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是另一种流量检测装置的检测方法，所述流量检测方法包括：
当气体通过气体通道的喉口时，分别测定所述上游通道的第一压力值以及所述下游通道的第二压力值；
通过分析所述第一压力值和所述第二压力值，得出矫正流量值。
进一步优选的是，根据所述第一压力值Pi和所述第二压力值Pj的下述关系式得出所述矫正流量值QV：
Figure BDA0001845248120000031
其中，QV表示所述矫正流量值，k表示比例常数，Pi表示所述第一压力值，Pj表示所述第二压力值。
进一步优选的是，所述得出矫正流量值之后还包括：根据所述矫正流量值控制所述气体通道内的气体流量。
进一步优选的是，所述根据所述矫正流量值控制所述气体通道内的气体流量包括：通过压电阀控制所述气体通道内的气体流量。
本发明的流量检测装置可以是气体质量流量控制系统的一部分，主要用于检测气体通道内的流量，根据所述第一压力值和所述第二压力值得出矫正流量值，可以避免出现当气体通道的出气口由于外界影响或者故障突然关断时对气体流量检测不准确的问题，从而改善该流量检测装置的检测性能，进而提高气体质量流量控制系统的对气体流量的控制精度。
此外，本发明的流量检测装置主要是运用压力传感器对流量进行检测，与现有技术的通过检测气体的温度来控制气体的流量的流量控制装置相比，本发明的流量检测装置的响应速度快，从而可提高检测效率。
附图说明
图1为本发明的实施例的一种流量控制系统的结构示意图；
图2为本发明的实施例的流量控制系统中的第一压力值与流量值的关系的曲线图；
图3为本发明的实施例的一种流量检测装置的检测方法的示意图；
其中，附图标记为：10流量检测装置；11第一压力测试单元；12第二压力测试单元；13流量计算单元；20气体通道；21喉口；22进气口；23出气口；30阀装置。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本发明提供一种流量检测装置10，该流量检测装置10可以是气体质量流量检测装置、气体体积流量检测装置，或者是其他适合的气体流量检测装置，在本实施例中以气体质量流量检测装置为例来描述。
如图1所示，本实施的流量检测装置10用于检测气体通道20内的流量，气体通道20包括相连接的上游通道和下游通道，所述上游通道和下游通道的连接处形成喉口21，且喉口21的横截面积小于上游通道和下游通道二者中任意一个的横截面积，流量检测装置10包括：
第一压力测试单元11，用于测定上游通道的第一压力值；
第二压力测试单元12，用于测定下游通道的第二压力值；
流量计算单元13，分别与第一压力测试单元11、第二压力测试单元12连接，用于根据第一压力值和所第二压力值得出矫正流量值。
其中，这里所说的气体通道20的喉口21的横截面积(指实际可通过气体的空间的面积)可以是由上游通道和下游通道的横截面积向喉口21的横截面积逐渐过度，以形成两个位于喉口21两侧的锥型通道。当气体由气体通道20经过喉口21时，气体通道20的容纳空间大于喉口21处的容纳空间，气体在上游通道处和喉口21处产生一定的压力差。在该压力差的作用下，气体流过喉口21时的速度提升(如达到音速)，从而可以实现气体流量与上游通道的气压力的线性关系，如图2所示。基于上述的喉口21，通过分别测试该上游通道和下游通道的压力值得出矫正流量值，以实现对流过气体通道20的气体质量流量的检测。
本发明的流量检测装置10可以是气体质量流量控制系统的一部分，该流量检测装置10可以避免出现当气体通道20的出气口23由于外界影响或者故障突然关断时，对气体流量检测不准确的问题，从而改善该流量检测装置10的检测性能，进而提高气体质量流量控制系统的对气体流量的控制精度。
此外，本发明的流量检测装置10主要是运用压力传感器对流量进行检测，与现有技术的通过检测气体的温度来控制气体的流量的流量控制装置相比，本发明的流量检测装置10的响应速度快，从而可提高检测效率。
具体的，根据第一压力值Pi和所述第二压力值Pj的下述关系式得出矫正流量值QV：
Figure BDA0001845248120000061
其中，QV表示矫正流量值，k表示比例常数，Pi表示第一压力值，Pj表示第二压力值。
其中，在本发明中，当气体在气体通道20中流动出现异常，例如由于气体通道20的出气口23出现故障而堵塞，此时气体对上游通道的压力与气体对下游通道的压力近似相等，即当气体通过气体通道20出现异常，第一压力值近似等于第二压力值(Pi≈Pj)；而当气体正常通过气体通道20时，气体对上游通道的压力与气体对下游通道的压力相差较大(例如Pi≈2Pj)，即当气体正常通过气体通道20时，第一压力值与第二压力值不会近似相等，故此时通过第一压力值乘以系数k可以得到此时的流量值。
基于上述理论，通过公式中的β参数的设置可以利用上述公式准确的判断气体在气体通道20是否正常流动，即可以准确的检测出该气体通道20的气体质量流量，例如，当气体正常通过气体通道20时，β取值为1，实际流量值与第一压力值成正比(QV＝kPi)；当气体在气体通道20中流动出现异常，β取值为0，实际流量值也为0。
优选的，第一压力测试单元11包括：第一传感器，用于与上游通道连接，以测定上游通道的第一压力值；第一传感器驱动电路，与第一传感器连接，用于驱动第一传感器；第一A/D转换电路，分别与第一传感器和流量计算单元13连接，用于将第一压力值由模拟信号转换为数字信号，以及用于将数字信号的第一压力值传输至流量计算单元13。
其中，这里所说的第一传感器可以为压力传感器，其一端可以与气体通道20的上游通道直接连接，其另一端可以通过第一A/D转换电路与流量计算单元13连接，这样第一传感器测得的第一压力值可以由第一A/D转换电路转换为数字信号并传给流量计算单元13，以顺利得出矫正流量值。
优选的，第二压力测试单元12包括：第二传感器，用于与下游通道连接，以测定下游通道的第二压力值；第二传感器驱动电路，与第二传感器连接，用于驱动第二传感器；第二A/D转换电路，分别与第二传感器和流量计算单元13连接，用于将第二压力值由模拟信号转换为数字信号，以及用于将数字信号的第二压力值传输至流量计算单元13。
其中，这里所说的第二传感器可以为压力传感器，其一端可以与气体通道20的下游通道直接连接，其另一端可以通过第二A/D转换电路与流量计算单元13连接，这样第二传感器测得的第二压力值可以由第二A/D转换电路转换为数字信号并传给流量计算单元13，以顺利得出矫正流量值。
进一步的，流量计算单元13可以包括控制模块，该控制模块可以是闭环控制系统，闭环控制系统可以接收反馈数据，使得数据传输更加稳定，提高该流量检测装置10的性能。
实施例2：
如图1所示，本实施例提供一种流量控制系统，包括：
实施例1中的流量检测装置10；
气体通道20，包括相连接的上游通道和下游通道，气体由上游通道流入后经下游通道流出，其中，上游通道和下游通道的连接处形成喉口21，喉口21的横截面积小于上游通道和下游通道二者中任意一个的横截面积；
阀装置30，设于上游通道的进气口22，用于根据流量检测装置10得出的矫正流量值控制气体通道20的气体流量。
其中，这里所说的气体通道20的喉口21的横截面积可以是上游通道和下游通道的横截面积向喉口21的横截面积逐渐过度，以形成两个位于喉口21两侧的锥型通道。当气体由气体通道20经过喉口21时，气体通道20的容纳空间大于喉口21处的容纳空间，气体在上游通道处和喉口21处产生一定的压力差。在该压力差的作用下，气体流过喉口21时的速度提升(如达到音速)，从而可以实现气体流量与上游通道的气压力的线性关系，如图2所示。
阀装置30可以直接获取流量检测装置10检测得出的矫正流量值，从而可以精确地控制气体通道20的进气口22的大小，以控制气体通道20内的气体流量。
优选的，该阀装置30包括：压电阀，设于上游通道的进气口22，用于控制上游通道的进气口22的大小；压电驱动电路，与压电阀连接，用于驱动压电阀；第三A/D转换电路，分别与压电阀和流量计算单元连接，用于将矫正流量值由数字信号转换为模拟信号，并利用模拟信号的矫正流量值控制压电驱动电路。
其中，这里所说的压电阀可以直接控制气体通道20进气口22的大小，其可以通过压电驱动电路和第三A/D转换电路与流量计算单元13连接，这样流量计算单元13得出的矫正流量值可以由第三A/D转换电路转换为模拟信号并控制压电阀，以调整气体的流量。
本发明的流量控制系统可以避免出现当气体通道20的出气口23由于外界影响或者故障突然关断时气体在气体通道20中流动异常的现象，从而提高该流量控制系统的控制的准确度，进而改善流量控制系统的性能。
此外，本发明的流量控制系统主要是运用压力传感器对流量进行检测和控制，与现有技术的通过检测气体的温度来控制气体的流量的流量控制装置相比，本发明的流量控制系统的响应速度快，从而可提高控制效率。
实施例3：
如图3所示，本实施例提供一种流量检测装置的检测方法，可以是用于气体质量流量检测装置的方法、气体体积流量检测装置的方法，或者是其他适合的气体流量检测方法，在本实施例中以用于气体质量流量检测装置的检测装置为例来描述
该流量检测装置的检测方法包括：
S10，当气体通过气体通道20的喉口21时，分别测定气体通道20的上游通道的第一压力值以及下游通道的第二压力值。
其中，气体通道20包括相连接的上游通道和下游通道，所述上游通道和下游通道的连接处形成喉口21，喉口21的横截面积小于上游通道和下游通道二者中任意一个的横截面积。
这里所说的气体通道20的喉口21的横截面积可以是由上游通道和下游通道的横截面积向喉口21的横截面积逐渐过度，以形成两个位于喉口21两侧的锥型通道。当气体由气体通道20经过喉口21时，气体通道20的容纳空间大于喉口21处的容纳空间，气体在上游通道处和喉口21处产生一定的压力差。在该压力差的作用下，气体流过喉口21时的速度提升(如达到音速)，从而可以实现气体流量与上游通道的气压力的线性关系，如图2所示。基于上述的喉口21，通过分别测试该上游通道和下游通道的压力值得出矫正流量值，以实现对流过气体通道20的气体质量流量的检测。
S20，通过分析第一压力值和第二压力值，得出矫正流量值。
具体的，根据所述第一压力值Pi和所述第二压力值Pj的下述关系式得出所述矫正流量值QV：
Figure BDA0001845248120000091
其中，QV表示矫正流量值，k表示比例常数，Pi表示第一压力值，Pj表示第二压力值。
其中，在本发明中，当气体在气体通道20中流动出现异常，例如由于气体通道20的出气口23出现故障而堵塞，此时气体对上游通道的压力与气体对下游通道的压力近似相等，即当气体通过气体通道20出现异常时，第一压力值近似等于第二压力值(Pi≈Pj)；而当气体正常通过气体通道20时，气体对上游通道的压力与气体对下游通道的压力相差较大(例如Pi≈2Pj)，即当气体正常通过气体通道20时，第一压力值与第二压力值不会近似相等，故此时通过第一压力值乘以系数k可以得到此时的流量值。
基于上述理论，通过公式中的β参数的设置可以利用上述公式准确的判断气体在气体通道20时都正常流动，即可以准确的检测出该气体通道20的气体质量流量，例如，当气体正常通过气体通道20时，β取值为1，实际流量值与第一压力值成正比(QV＝kPi)；当气体在气体通道20中流动出现异常，β取值为0，实际流量值也为0。
S30，根据矫正流量值控制通过气体通道20的气体流量。
其中，这里可以是通过压电阀控制气体通道20的进气口22的大小，以控制气体通道20内的气体流量。
本实施例的流量检测的检测方法可以解决当气体通道20的出气口23突然关断时气体在气体通道20中流动异常的问题。
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)

1.一种流量检测装置，用于检测气体通道内的流量，所述气体通道包括相连接的上游通道和下游通道，所述上游通道和下游通道的连接处形成喉口，且所述喉口的横截面积小于所述上游通道和下游通道二者中任意一个的横截面积，其特征在于，所述流量检测装置用于提高气体质量流量控制系统的对气体流量的控制精度；所述流量检测装置包括：
第一压力测试单元，用于测定所述上游通道的第一压力值；
第二压力测试单元，用于测定所述下游通道的第二压力值；
流量计算单元，分别与所述第一压力测试单元、所述第二压力测试单元连接，以根据所述第一压力值和所述第二压力值得出矫正流量值；其中，
根据所述第一压力值Pi和所述第二压力值Pj的下述关系式得出所述矫正流量值QV：
Figure 731899DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 586723DEST_PATH_IMAGE002
，
其中，QV表示所述矫正流量值，k表示比例常数，Pi表示所述第一压力值，Pj表示所述第二压力值。
2.根据权利要求1所述的流量检测装置，其特征在于，所述第一压力测试单元包括：
第一传感器，用于与所述上游通道连接，以测定所述上游通道的第一压力值；
第一传感器驱动电路，与所述第一传感器连接，用于驱动所述第一传感器；
第一A/D转换电路，分别与所述第一传感器和所述流量计算单元连接，用于将所述第一压力值由模拟信号转换为数字信号，以及用于将数字信号的所述第一压力值传输至所述流量计算单元。
3.根据权利要求1所述的流量检测装置，其特征在于，所述第二压力测试单元包括：
第二传感器，用于与所述下游通道连接，以测定所述下游通道的第二压力值；
第二传感器驱动电路，与所述第二传感器连接，用于驱动所述第二传感器；
第二A/D转换电路，分别与所述第二传感器和所述流量计算单元连接，用于将所述第二压力值由模拟信号转换为数字信号，以及用于将数字信号的所述第二压力值传输至所述流量计算单元。
4.一种流量控制系统，其特征在于，包括：
权利要求1-3任意一项所述的流量检测装置；
气体通道，包括相连接的上游通道和下游通道，气体由所述上游通道流入后经所述下游通道流出，其中，所述上游通道和下游通道的连接处还形成喉口，且所述喉口的横截面积小于所述上游通道和下游通道二者中任意一个的横截面积；
阀装置，设于所述上游通道的进气口，用于根据所述流量检测装置得出的矫正流量值控制所述气体通道的气体流量。
5.根据权利要求4所述的流量控制系统，其特征在于，所述阀装置包括：
压电阀，设于所述上游通道的进气口，用于控制所述上游通道的进气口的大小；
压电驱动电路，与所述压电阀连接，用于驱动所述压电阀；
第三D/A转换电路，分别与所述压电驱动电路和所述流量计算单元连接，用于将所述矫正流量值由数字信号转换为模拟信号，并利用所述模拟信号的矫正流量值控制所述压电驱动电路。
6.一种流量检测方法，应用于权利要求1-3任意一项所述的流量检测装置，其特征在于，所述流量检测方法包括：
当气体通过气体通道的喉口时，分别测定上游通道的第一压力值以及下游通道的第二压力值；
通过分析所述第一压力值和所述第二压力值，得出矫正流量值；其中，
根据所述第一压力值Pi和所述第二压力值Pj的下述关系式得出所述矫正流量值QV：
Figure 304143DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 637036DEST_PATH_IMAGE002
，
其中，QV表示所述矫正流量值，k表示比例常数，Pi表示所述第一压力值，Pj表示所述第二压力值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述得出矫正流量值之后还包括：
根据所述矫正流量值控制所述气体通道内的气体流量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述矫正流量值控制所述气体通道内的气体流量包括：通过压电阀控制所述气体通道内的气体流量。
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CN1682235A (zh) * 2002-07-19 2005-10-12 米克罗利斯公司 流体流量测量和比例流体流量控制装置
CN103765168A (zh) * 2011-05-23 2014-04-30 微动公司 用于防止振动计量仪中错误流量测量结果的系统和方法
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