流量检测装置及气体质量流量控制器的制作方法

1.本发明涉及流量检测技术领域，具体地，涉及一种流量检测装置及气体质量流量控制器。


背景技术：

2.质量流量控制器(mass flow controller，mfc)按其传感器信号检测原理大致可分为热式和压力式的。热式的mfc通过检测流体流动时引起的热量变化信号来实现流量控制。传统的热式的质量流量控制器响应较慢，响应时间相对较长，无法适用于对流量响应时间要求较高的工艺，例如，在半导体的某些刻蚀制程中，需要交替使用多种不同的气体，要求各种气体之间切换速度非常快，同时要求流量快速响应。
3.随着mems(microelectro mechanical systems，微机电系统)芯片的发展，一种热式的mems流量传感器被用来检测气体流量，这种mems流量传感器可以直接与被测气体相接触，响应时间短，可以满足对流量响应时间要求较高的要求。
4.现有的mems流量传感器一般安装在与主通道相连通的旁通通道上，主通道中的一部分气体会通过节流孔被引入旁通通道中，mems流量传感器对引入旁通通道中的气体流量进行检测。但是，这种流量检测结构在实际应用在不可避免地存在以下问题：
5.其一，由于节流孔的存在，主通道存在尖峰收缩口，主通道的通道壁不光滑，这容易导致气流在节流孔前后端流动转角后产生旋涡，从而可能导致旁通通道的来流压力或出口压力波动，进而导致进入旁通通道的流量产生波动，尤其在来流压力很高的情况下，压力波动会很大，从而难以实现对流量稳定、精确测量。
6.其二，由于旁通通道的结构设计不合理，进入旁通通道中的气体的流动状态为湍流，而且流量和流速都较低，这不仅会导致mems流量传感器输出的信号强度较低，而且不稳定，信号抗噪声的干扰能力较弱。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种流量检测装置及气体质量流量控制器，其不仅可以对流量进行稳定、精确地检测，而且可以提高mems流量传感器输出的信号强度和稳定性，提高信号抗噪声的干扰能力。
8.为实现本发明的目的而提供一种流量检测装置，包括主通道、旁通通道和mems流量传感器，其中，所述主通道用于传输被测气体，且在所述主通道中设置有分流器；
9.所述旁通通道的两端分别在所述分流器的进气端和出气端两侧与所述主通道连通，且所述旁通通道包括沿气体传输方向依次设置的渐缩段、直管段和渐扩段，其中，所述直管段的水力直径满足使通过所述直管段的气体流动状态为层流；
10.所述mems流量传感器设置于所述直管段的通道壁上，且所述mems流量传感器的检测面暴露于所述直管段中，用于检测所述直管段中的气体流量。
11.可选的，所述mems流量传感器包括基板和固定在所述基板上的mems芯片，其中，所
述基板设置于所述直管段的通道壁的外表面上；所述mems芯片具有所述检测面，且所述mems芯片具有所述检测面的一端贯穿所述直管段的通道壁，并相对于所述直管段的通道壁的内表面朝内凸出。
12.可选的，所述检测面相对于所述直管段的通道壁的内表面朝内凸出的部分，在垂直于所述直管段的轴向的方向上的厚度大于等于0.1mm，且小于等于0.2mm。
13.可选的，所述流量检测装置还包括压板，所述压板自所述直管段的通道壁外部压住所述基板，且至少覆盖整个所述基板，用于提高所述基板的耐压强度。
14.可选的，所述mems芯片包括沿所述气体传输方向依次设置的上游冷堆、加热电阻和下游冷堆，其中，所述上游冷堆和所述下游冷堆均用于与先后流经二者的被测气体进行对流换热；所述加热电阻用于通过被加载电压产生热量以加热所述被测气体。
15.可选的，所述直管段的水力直径满足：雷诺数小于2000，且努赛尔数大于预设数值，以能够提高所述mems流量传感器输出的信号强度。
16.可选的，所述旁通通道的位于所述mems流量传感器上游的上游部分长度满足以下关系式：
17.l≥0.05
·
re
·dh
18.其中，l为所述上游部分长度；re为雷诺数；dh为所述直管段的水力直径。
19.可选的，所述旁通通道还包括上游直管段，所述上游直管段位于所述渐缩段的上游，所述上游直管段和所述渐缩段的长度之和即为所述上游部分长度；并且，所述上游部分长度是所述渐缩段的长度的2倍。
20.可选的，所述渐扩段的长度大于等于所述渐缩段的长度的0.5倍。
21.可选的，所述渐缩段的最大直径和所述渐扩段的最大直径均等于所述直管段的水力直径的2倍。
22.可选的，所述分流器包括由多个分流管组成的分流管束，多个所述分流管均沿所述主通道的轴向设置，且长度和直径均相同。
23.作为另一个技术方案，本发明还提供一种气体质量流量控制器，包括控制单元、模数转换单元和流量控制阀，以及本发明提供的上述流量检测装置，其中，所述mems流量传感器用于检测所述直管段中的气体流量，并将所述气体流量的模拟信号发送至所述模数转换单元；
24.所述模数转换单元用于将所述模拟信号转换为数字信号，并发送至所述控制单元；
25.所述控制单元用于将所述数字信号与输入的设定流量进行比较，并根据比较结果向所述流量控制阀发送控制信号；
26.所述流量控制阀设置在所述主通道上，且位于所述分流器的下游，用于根据所述控制信号调节所述主通道输出的气体流量。
27.本发明具有以下有益效果：
28.本发明提供的流量检测装置，其通过在主通道中设置分流器，将主通道中的被测气体的部分流量分流至旁通通道中，这与现有技术中采用节流孔的分流方式相比，可以避免主通道因存在尖峰收缩口，通道壁不光滑的结构而导致旁通通道的来流压力或出口压力波动，从而可以提高流入旁通通道的气体流量的稳定性；同时，本发明采用的旁通通道包括
沿气体传输方向依次设置的渐缩段、直管段和渐扩段，该直管段的水力直径满足使通过直管段的气体流动状态为层流，渐缩段用于避免因气流产生旋涡和流动分流等而引起的流动不稳定；渐扩段用于提高流出直管段的气流顺畅度，由此，渐缩段、直管段和渐扩段可以共同起到提高流经mems流量传感器的气体流量稳定性的作用，从而可以实现对流量进行稳定、精确地检测。此外，渐缩段和渐扩段均还可以起到提高加速气体流动的作用，结合直管段的水力直径的设计，可以使流经mems流量传感器的气体能够获得较高的流量和流速，从而可以提高mems流量传感器输出的信号强度和稳定性，提高信号抗噪声的干扰能力。
29.本发明提供的气体质量流量控制器，其通过采用本发明提供的上述流量检测装置，不仅可以对流量进行稳定、精确地检测，而且可以提高mems流量传感器输出的信号强度和稳定性，提高信号抗噪声的干扰能力。
附图说明
30.图1为本发明实施例提供的流量检测装置的结构图；
31.图2为图1中i区域的结构放大图；
32.图3为mems芯片的结构图；
33.图4为图1中i区域的尺寸放大图；
34.图5为本发明实施例提供的气体质量流量控制器的结构图。
具体实施方式
35.为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的流量检测装置及气体质量流量控制器进行详细描述。
36.请一并参阅图1和图2，本发明实施例一种流量检测装置，其包括主通道1、旁通通道2和mems流量传感器4，其中，主通道1用于传输被测气体，且在主通道1中设置有分流器3；旁通通道2的两端分别在该分流器3的进气端和出气端两侧与主通道1连通。该分流器3用于将主通道1中的被测气体的部分流量分流至旁通通道2中。从主通道1的进气口流入的被测气体的一部分会在分流器3的分流作用下流入旁通通道2，其余的被测气体会穿过分流器3继续沿主通道1流动，然后从主通道1的出气口流出。
37.通过在主通道1中设置分流器3，无需在主通道1中设置节流孔，以使得主通道1的通道壁不会产生尖峰和不光滑的结构，从而可以避免旁通通道2的来流压力或出口压力产生波动，从而可以提高流入旁通通道2的气体流量的稳定性，进而有助于对流量进行稳定、精确地检测。
38.而且，如图2所示，旁通通道2包括沿气体传输方向(图2中的箭头方向)依次设置的渐缩段21、直管段22和渐扩段23，其中，直管段22的水力直径dh满足使通过直管段22的气体流动状态为层流。层流是流体的一种流动状态，在此状态下，流体会沿与管道轴向相互平行的方向作平滑直线流动。水力直径(hydraulic diameter)dh是指旁通通道2的过流断面面积与周长之比的四倍，对于圆形通道来说，其直径即为上述水力直径dh。
39.在上述直管段22能够使通过直管段22的气体流动状态为层流的基础上，上述渐缩段21用于避免因气流产生旋涡和流动分流等而引起的流动不稳定；渐扩段23用于提高流出直管段22的气流顺畅度，由此，渐缩段21、直管段22和渐扩段23可以共同起到提高流经mems
流量传感器4的气体流量稳定性的作用，从而可以实现对流量进行稳定、精确地检测。此外，渐缩段21和渐扩段23均还可以起到加速气体流动的作用，结合直管段22的水力直径dh的设计，可以使流经mems流量传感器4的气体能够获得较高的流量和流速，从而可以提高mems流量传感器4输出的信号强度和稳定性，提高信号抗噪声的干扰能力。
40.另外，上述旁通通道2还包括上游竖直段24和下游竖直段25，其中，上游竖直段24的一端在该分流器3的进气端一侧与主通道1连通，另一端与位于上述渐缩段21上游的上游直管段26连通；下游竖直段25的一端在该分流器3的出气端一侧与主通道1连通，另一端与位于上述渐扩段23下游的下游直管段27连通。
41.需要说明的是，上述旁通通道2中，渐缩段21、直管段22、渐扩段23、上游竖直段24、下游竖直段25、上游直管段26和下游直管段27中的任意一者的横截面形状可以圆形，也可以是除圆形外的其他任意形状，本发明实施例对此没有特别的限制。
42.mems流量传感器4设置于直管段22的通道壁上，且mems流量传感器4的检测面a暴露于直管段22中，用于直接与直管段22中的气体接触，以检测气体流量。这种mems流量传感器的响应时间短，可以满足对流量响应时间要求较高的要求。
43.在一些可选的实施例中，如图2所示，mems流量传感器4包括基板41和固定在该基板41上的mems(microelectro mechanicalsystems，微机电系统)芯片42，其中，基板41设置于直管段22的通道壁的外表面上；mems芯片42例如具有上述检测面a，且mems芯片42具有该检测面a的一端贯穿直管段22的通道壁，并相对于直管段22的通道壁的内表面朝内凸出。具体来说，在直管段22的通道壁上设置有贯穿其厚度的开口，mems芯片42穿设于该开口中，并且mems芯片42的一部分相对于直管段22的通道壁的内表面朝内凸出，以使检测面a能够暴露于直管段22中，直管段22中的被测气体在流经mems芯片42时，能够与检测面a接触，并进行对流换热，从而实现气体流量的检测。优选地，为了提高对流换热的效果，如图2所示，检测面a相对于直管段22的通道壁的内表面朝内凸出的部分，在垂直于直管段22的轴向的方向上的厚度h大于等于0.1mm，且小于等于0.2mm。
44.在一些可选的实施例中，如图2所示，流量检测装置还包括压板5，该压板5自直管段22的通道壁外部压住上述基板41，且至少覆盖整个基板41，用于提高基板41的耐压强度。具体来说，基板41的四周边缘处叠置在直管段22的通道壁的外表面上，并与直管段22的通道壁固定且密封连接，例如可以通过密封胶粘结固定。压板5覆盖整个基板41，同时压住基板41，用以提高基板41的耐压强度，避免基板41因受到压力而损坏。此外，mems芯片42例如为尺寸小于2mm
×
0.5mm
×
1mm的微小单元，其固定于基板41上，且位于基板41的与直管段22的通道壁相对的一侧。
45.需要说明的是，mems流量传感器4设置于直管段22的通道壁上的固定方式并不局限于此，在实际应用中，还可以采用其他任意固定方式，只要能够使检测面a能够暴露于直管段22中，并与流经的气体进行对流换热即可，本发明实施例并不以此为限。
46.在一些可选的实施例中，mems流量传感器4例如是一种热温差式mems流量传感器，具体地，如图3所示，mems芯片42包括沿气体传输方向(图2中的箭头方向)依次设置的上游冷堆421、加热电阻422和下游冷堆423，其中，上游冷堆421和下游冷堆423均是一种感温元件，且对称分布在加热电阻422的上、下游两侧，均用于与先后流经二者的被测气体进行对流换热；加热电阻422(阻值为r)是一种加热元件，用于通过被加载电压(供电电压为v)产生
热量以加热被测气体，加热电阻422在被加载电压时其表面温度(例如200℃)高于气体初始温度(小于60℃)。当无气体流动时，接触面a的表面温度以加热电阻422为中心呈正态分布，此时上游冷堆421和下游冷堆423的温度相同，具有相同的电信号；当有气体流动(流速为v)时，气体分子会依次流经上游冷堆421和下游冷堆423以使二者之间进行对流换热，出现热量转移现象，上游冷堆421和下游冷堆423之间产生温度差，使接触面a的表面温度分布发生偏移，此时上游冷堆421和下游冷堆423的电信号随之产生差异，即，二者之间的电压u不为零，通过检测该电压u可以计算出气体流量。
47.气体的种类不同，气体的对流换热参数很可能是不同的，根据电压u的大小和被测气体的初始温度等，即可判断出流经mems芯片42的气体的流量大小和种类。例如：氩气(ar)的比热容cp为0.519j/g/k，热传导系数λ为0.0174w/m/k，氮气(n2)比热容cp为1.04j/g/k，热传导系数λ为0.0241w/m/k，k为开尔文温度。显然，相同质量的氩气和氮气，温度升高或降低1度，吸收或释放的热量不一样，通过该差异可以判断出气体种类。
48.在一些可选的实施例中，由于雷诺数越小，通过直管段22的气体流动的稳定性越好，同时由于努塞尔数越大，被测气体与接触面a之间的对流换热能力越强，从mems芯片42的加热电阻422交换到被测气体的对流换热功率越高，通过被测气体传递到下游冷堆423的热功率也越高，mems流量传感器4输出的信号强度也越强，基于此，可以根据雷诺数和努塞尔数，来设计直管段22的水力直径dh，这样既可以使通过直管段22的气体流动状态为层流，又可以提高mems流量传感器4输出的信号强度。
49.上述雷诺数(reynolds number)是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，利用雷诺数可区分流体的流动是层流还是湍流。对于在管道中流动的流体，雷诺数小于2300的流动是层流，雷诺数等于2300～4000为过渡状态，雷诺数大于4000时的是湍流。
50.上述努塞尔数(nusselt number)是在流体边界(表面)的热传递中，跨越边界的对流热量与传导热量的比率。
51.具体地，为了既使通过直管段22的气体流动状态为层流，又提高mems流量传感器4输出的信号强度，直管段22的水力直径dh满足：雷诺数小于2000，且努赛尔数大于预设数值，该预设数值的设定满足：能够提高mems流量传感器4输出的信号强度，以使mems流量传感器4的信号抗噪声的干扰能力满足要求。优选的，上述雷诺数小于200。
52.根据雷诺数re与水力直径dh的下述关系式：
[0053][0054]
其中，为被测气体的质量流量，其单位为g/min；μ为被测气体的动力黏度。
[0055]
可以推导出直管段22的水力直径dh的取值范围满足下述关系式：
[0056][0057]
在设计直管段22的水力直径dh的具体过程中，可以首先选取合适的雷诺数re，例如200，以使通过直管段22的气体流动状态为层流，然后根据选取的雷诺数，并利用水力直径dh的上述关系式计算获得水力直径dh的取值范围。然后，可以通过实验或者模拟仿真等的方式从该取值范围内选取合适的水力直径dh，通过该水力直径dh计算获得的努塞尔数等于预设数值，该预设数值能够达到提高mems流量传感器4输出的信号强度的目的，由此，可以
实现对直管段22的水力直径dh的设定。
[0058]
努塞尔数具体可以采用如下关系式计算获得：
[0059][0060]
其中，l为旁通通道2的位于mems流量传感器4(即，接触面a)上游的上游部分长度，该上游部分长度即为上述渐缩段21和上游直管段26的长度之和。pr为普朗特数，普朗特数表示流体中能量和动量迁移过程相互影响的无因次组合数，表明温度边界层和流动边界层的关系。
[0061]
由于向mems芯片42的加热电阻422加载的功率为固定功率，且由外部电路的恒压源提供，而且加热电阻422随温度的变化非常小，因此近似认为加热电阻422的阻值r为常数，上述接触面a对应加热电阻422的位置近似为恒温面。基于此，普朗特数pr为：
[0062][0063]
其中，cp为流体的电压比热容；μ为被测气体的动力黏度；λ为被测气体的热传导系数。
[0064]
在一些可选的实施例中，如图4所示，上述上游部分长度l满足以下关系式：
[0065]
l≥0.05
·
re
·dh
[0066]
通过在上游部分长度l的上述取值范围中选取合适的数值，可以使被测气体在到达直管段22之前有足够长的路径使其充分发展，从而在到达直管段22获得充分发展的层流流动状态，进而有助于进一步提高流量检测的准确性。优选的，上游部分长度l是渐缩段21的长度的2倍。
[0067]
具体来说，在上述渐缩段21的上游设置有上游直管段26(直径为d)，其用于延长被测气体在到达直管段22之前的流动路径，即，上游部分长度l等于上述渐缩段21的长度l1和上游直管段26的长度之和。但是，本发明实施例并不局限于此，在实际应用中，也可以不设置上述上游直管段26，而仅设置有上述渐缩段21，在这种情况下，渐缩段21的长度即为上游部分长度l。
[0068]
在一些可选的实施例中，如图4所示，渐扩段23的长度l2大于等于渐缩段21的长度l1的0.5倍。这样有助于使气流在直管段22的出口处的流动更顺畅。
[0069]
在一些可选的实施例中，如图4所示，渐缩段21的最大直径和渐扩段23的最大直径均等于直管段22的水力直径dh的2倍。该渐缩段21的最大直径和渐扩段23的最大直径例如等于上游直管段26的直径d。这样有助于使整个旁通通道2的通道壁内表面在不同的管段的连接处尽量光滑，同时可以使气流在直管段22的出口处的流动更顺畅。
[0070]
需要说明的是，渐缩段21和直管段22之间，以及渐扩段23与直管段22之间还可以进行光滑过渡处理，以提高通道壁内表面的光滑度，从而可以进一步提高气体流量的稳定性。
[0071]
在旁通通道2的上述设计中，渐缩段21、直管段22和渐扩段23可以共同起到提高流经mems流量传感器4的气体流量稳定性的作用，从而可以实现对流量进行稳定、精确地检
测。此外，渐缩段21和渐扩段23均还可以起到提高加速气体流动的作用，结合直管段22的水力直径dh的设计，可以使流经mems流量传感器4的气体能够获得较高的流量和流速，从而可以提高mems流量传感器4输出的信号强度和稳定性，提高信号抗噪声的干扰能力。
[0072]
为了保证流入旁通通道2中的气体流量始终是固定的，从而可以进一步提高旁通通道2的来流压力的稳定性，提高气体流量的稳定性，在一些可选的实施例中，上述分流器3包括由多个分流管组成的分流管束，多个分流管均沿主通道2的轴向设置，且长度和直径均相同。
[0073]
上述分流器3中的分流管的数量不同，通过分流器3的气体流量范围(即，流量检测装置的量程)也不同，但是，无论分流管的数量有多少，由于单个分流管的长度和直径是固定的，其两端的压降也是固定的，而旁通通道2的两端分别在该分流器3的进气端和出气端两侧与主通道1连通，这使得旁通通道2的两端的压降也是固定的，从而流入旁通通道2中的气体流量始终是固定的，也就是说，旁通通道2的两端的压降是由单个分流管两端的压降决定，而不会受到分流管的数量变化的影响，因此，上述分流器3通过采用上述结构，无论分流器3的气体流量范围如何变化，都能够保证流入旁通通道2中的气体流量始终是固定的。
[0074]
具体来说，流入旁通通道2中的气体流量满足下述关系式：
[0075]
qs＝c
·
dpb
·
f(ds,ls,mu,t)
[0076]
其中，ds为旁通通道2的特征直径，该直径包括上述上游直管段26、渐缩段21、直管段22、渐扩段23和下游直管段27的直径；ls为旁通通道2的特征长度，即图1中旁通通道2的两端之间的总长度；mu为气体的黏度；t为气体温度；dpb为分流器3的压降，且dpb＝p1-p2；c为常数。
[0077]
分流器3安装在主通道1内，其前端位于旁通通道2的进口中心线下游一定距离(例如3mm)处，其后端位于旁通通道2的出口中心线上游一定距离(例如3mm)处。上述分流器3的压降满足下述关系式：
[0078][0079]
其中，qb为每个分流管的流量，lb为分流管的长度，db为分流管的直径。
[0080]
由于上述分流器3中的分流管的长度lb和直径db是固定的，这使得分流管两端的压降是固定的，从而可以使旁通通道2的两端的压降(p1-p2)始终保持相同，进而可以实现流入旁通通道2中的气体流量不随流量控制装置的量程变化而变化。此外，只要改变分流管的数量，即可获得不同的流量，但分流管两端的压降始终不变。
[0081]
例如，假设一个分流管可以通过流量为20sccm的气体，且分流管的数量为5个，此时流量检测装置的量程为100sccm(standard cubic centimeter per minute，标准毫升/分钟)，若将分流管的数量增加至10个，则流量检测装置的量程变化为200sccm，但是由于每个分流管的长度lb和直径db是固定的，分流管两端的压降始终不变。
[0082]
需要说明的是，本发明实施例中分流器3并不局限于采用圆形的分流管，在实际应用中，还可以采用其他任意形状的分流管，例如圆环或圆锥等等。或者，也可以采用开设有多个圆孔、圆环孔或者圆锥孔等通道的整体式结构。
[0083]
还需要说明的是，本发明实施例并不局限于采用上述分流器的结构，在实际应用中，还可以采用其他任意结构的分流器，只要能够保证在流量检测装置的量程发生变化时，
其两端的压降始终不变即可。
[0084]
另外，需要说明的是，本发明实施例提供的流量检测装置，其可以作为流量计使用，用于检测被测气体的流量。
[0085]
作为另一个技术方案，如图5所示，本发明实施例还提供一种气体质量流量控制器，其包括控制单元6、模数转换单元5和流量控制阀7，以及本发明实施例提供的上述流量检测装置，其中，如图1所示，mems流量传感器4用于检测直管段22中的气体流量，并将该气体流量的模拟信号发送至模数转换单元5；模数转换单元5用于将模拟信号转换为数字信号，并发送至控制单元6；控制单元6用于将上述数字信号与输入的设定流量进行比较，并根据比较结果向流量控制阀7发送控制信号；流量控制阀7设置在主通道1上，且位于分流器3的下游，用于根据上述控制信号调节主通道1输出的气体流量，以使该气体流量能够与上述设定流量一致。流量控制阀7例如为电磁阀，也可以为压电阀或者其他可自动控制的阀。
[0086]
本发明实施例提供的气体质量流量控制器，其通过采用本发明实施例提供的上述流量检测装置，不仅可以对流量进行稳定、精确地检测，而且可以提高mems流量传感器输出的信号强度和稳定性，提高信号抗噪声的干扰能力。
[0087]
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。