Дозирование газов по расходу

Самым простым и экономически эффективным прибором для измерения расхода газа является ротаметр.

Этот прибор состоит из конической трубки с поплавком, который поднимается протекающей через него жидкостью. Высота поплавка в трубке линейно изменяется в зависимости от расхода газа или жидкости, движущихся через трубку.

Ротаметры повсеместно используются в промышленных условиях благодаря своей простоте, повторяемости и надежным свойствам. Они обеспечивают быструю визуальную возможность настройки и контроля расхода газа, совместимы как с газами, так и с жидкостями и не требуют внешнего питания для работы.

Низкий перепад давления на ротаметре гарантирует, что измерение оказывает незначительное влияние на характеристики процесса.

Основные ограничения по их использованию заключаются в том, что они должны быть установлены вертикально, и они не могут генерировать электрический сигнал, который может использоваться в электронных системах управления.

В отличие от ротаметров, тепловые массовые расходомеры (MFM) и контроллеры (MFC) генерируют электронный сигнал, который может использоваться в схемах автоматизации процессов. По этой причине их можно найти во многих промышленных и самых высокотехнологичных средах, где требуется точное управление процессами.

MFM и MFC используют термодинамические принципы для получения массового расхода. Датчик установлен на боковом потоке, который принимает известное отношение потока газа, проходящего через MFM.

В трехпроводной конфигурации датчика MFM использует высокий температурный коэффициент проводов сопротивления в качестве датчиков для измерения перепада температур через нагреватель, установленный на боковом потоке. Этот перепад температур прямо пропорционален массовому расходу.

Двухпроводной датчик MFM, который является более распространенной конфигурацией, использует высокий температурный коэффициент сопротивления проводов, как в качестве датчика, так и нагревателя. В этой конфигурации схема регулирует мощность нагревательных катушек для поддержания постоянной разницы температур между двумя катушками.

Контроллер массового расхода (MFC) — это единый прибор, который сочетает в себе как измерение массового расхода, так и управление потоком газа.

Он состоит из измерителя массового расхода (MFM), контроллера обратной связи и регулирующего клапана. Обычно MFC встречаются чаще, чем MFM в технологических решениях.

Тепловые MFC используются для промышленного управления потоком в очень широком диапазоне, с контроллерами, доступными для потоков от 0,01 sccm до 1000 slpm.

Тепловые MFC являются как точными, так и воспроизводимыми, точно контролируя потоки газа от 2 до 100% от их полной шкалы показаний с разрешением 0,1%. Они откалиброваны на заводе для обеспечения точного и воспроизводимого управления указанным диапазоном.

Важно понимать различные характеристики и чувствительность тепловых MFC, чтобы обеспечить их точность и воспроизводимость во время работы.

Тип газа является очевидной характеристикой данной калибровки MFC, поскольку измерение расхода газа зависит от теплофизических свойств измеряемого газа.

Заводская калибровка MFC обычно выполняется с использованием азота высокой чистоты, после чего применяется газовый поправочный коэффициент (GCF) или функция многогазовой коррекции, которая корректирует калибровку для различных типов газа.

Температура окружающей среды будет влиять как на смещение нуля, так и на точность измерения массового расхода в диапазоне измерений при использовании тепловых MFC.

С изменениями измерений из-за температуры окружающей среды связаны два поправочных коэффициента.

Коэффициент смещения нуля, Tc, связан с указанным нулем в MFC. Величина сдвига обычно составляет порядка ppm полной шкалы на °C.

Изменения температуры окружающей среды также смещают наклон калибровочной кривой в диапазоне измерений тепловых MFC.

В то время как тепловые MFC обычно не подвержены влиянию давления ниже по потоку (если только датчик не расположен ниже по потоку от регулирующего клапана), изменения давления выше по потоку могут привести к изменениям между фактическим и указанным расходом.

Интегрируя датчик давления в тепловой MFC, можно значительно снизить влияние возмущения давления выше по потоку на точность MFC.

Вероятно, наиболее важным и иногда игнорируемым эффектом для тепловых MFC является влияние положения установки на измерение и управление потоком газа.

Положение установки может влиять на выход датчиков в MFC через эффекты, которые возникают либо снаружи, либо внутри пути потока газа.

Электроника внутри корпуса MFC генерирует тепло и тепловые конвекционные потоки, которые могут передавать тепло датчику, вызывая ошибки в показаниях расхода газа.

В пределах пути потока газа некоторые конструкции датчика/байпаса могут приводить к конвективному потоку через датчик, когда MFC неправильно расположен. На это влияют как тип газа, так и давление в линии, и этот эффект может влиять как на ноль, так и на диапазон MFC.

Контроллеры массового расхода на основе давления (PMFC) изначально были разработаны для подачи газа в широком диапазоне давлений ниже атмосферного, тем самым максимизируя количество газа, извлекаемого из газовых баллонов в системах безопасной доставки (SDS), используемых в полупроводниковой промышленности.

Таким образом, PMFC улучшают использование источника и повышают безопасность за счет снижения частоты смены баллонов источника для опасных токсичных и едких газов.

В PMFC измеренное давление сравнивается в управляющей электронике с заданным значением расхода, и генерируется управляющий сигнал для приведения пропорционального регулирующего клапана в состояние проводимости, необходимое для приведения фактического управляющего давления (расхода) в соответствие с заданным значением расхода.

PMFC используются в сочетании с датчиками абсолютного давления (баратронами) для применений с низким давлением в линии, таких как ионная имплантация, где тепловые контроллеры массового расхода ограничены в своей способности точно измерять расход.

Блоки SDS обычно представляют собой системы с низким расходом (1–20 sccm), которые имеют входное давление ниже атмосферного в диапазоне от 5 до 15 Торр.

Перепад давления на PMFC невелик, обычно для приложений SDS предпочтительнее перепад менее 10 Торр. Отверстие с известной проводимостью размещается ниже по потоку от датчика давления и регулирующего клапана.

Давление на стороне входа отверстия контролируется с помощью баратрона и регулируется пропорциональным регулирующим клапаном.

Поскольку давление процесса представляет собой динамическое равновесие между потоком газа в технологическую камеру и потоком газа из камеры, поток газа в камеру можно использовать для контроля давления.

Давление и состав газа являются критическими параметрами, которые определяют зажигание плазмы и управление осаждением в оборудовании для физического осаждения, таком как инструмент для напыления.

В типичном процессе напыления расход инертного газа, такого как аргон, должен точно и воспроизводимо контролироваться на протяжении всего процесса и от процесса к процессу.

Поток аргона в камеру процесса напыления может точно и воспроизводимо контролироваться с помощью замкнутой схемы управления давлением.

В процессах химического осаждения из паровой фазы (CVD) скорости потока нескольких исходных газов в технологическую камеру должны точно и воспроизводимо контролироваться.

Концентрация и соотношение этих исходных газов в технологической камере определяют как характеристики процесса (например, скорость осаждения и производительность), так и свойства материала получаемых тонких пленок (например, химический состав, механические свойства, такие как напряжение и отделка, а также толщина пленки).

В типичном инструменте CVD скорость потока каждого исходного газа должна измеряться и контролироваться индивидуально с помощью MFC. Кумулятивный поток различных исходных газов является аддитивным при определении общего молекулярного потока газа в камеру, а давление в камере определяется расчетным соотношением.