质量流量控制器及其流量控制方法与流程

1.本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种质量流量控制器和一种质量流量控制器的流量控制方法。


背景技术：

2.质量流量控制器是半导体工艺设备中的核心部件，广泛应用在半导体、光伏、燃料电池、真空技术等领域。质量流量控制器通常包括一个流量调节阀和一个流量检测装置，在通过调节流量调节阀的开度来控制质量流量控制器中流过的流体流量的同时，通过流量检测装置对流体的质量流量进行检测，可以确保控制流速的精确性。
3.为实现高精度、高稳定性的流量控制，质量流量控制器中的流量检测装置常采用热式流量计，即，利用热式流量计测量流体的质量流量，再通过闭环控制系统采用pid(proportional integral differential，比例积分微分)算法调节流量调节阀的开度，进而达到稳定的流量。
4.然而，质量流量控制器的入口压力波动(例如从0.3mpa波动至0.25mpa)时，流量传感器会感知到一个瞬间较大的冲击信号，导致流量传感器反馈的流量与实际流量有较大的偏差，质量流量控制器根据错误反馈的流量进行控制，会引起出口处的实际流量出现较大波动，瞬间实际流量波动可能会达到f.s.(full scale，满量程)的50％
5.以上，远远超过控制要求(例如瞬间实际流量波动在1％f.s.以内)。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种质量流量控制器及其流量控制方法，其可以在入口压力波动时，实现出口处流量波动满足控制要求。
7.为实现本发明的目的而提供一种质量流量控制器，包括流体通道和设置在所述流体通道上的流量传感器和流量调节阀，还包括压力测量模块和控制模块，其中，所述压力测量模块设置于所述流体通道的入口处，用于检测所述流体通道的入口压力值；
8.所述控制模块用于在当前的所述入口压力值相对于上一入口压力值的变化量超出预设阈值时，根据所述变化量和预设关系式，计算获得阀电压补偿量，并计算阀电压输出值，所述阀电压输出值等于所述流量调节阀的当前的阀电压值与所述阀电压补偿量之和；所述控制模块还用于向所述流量调节阀输出所述阀电压输出值。
9.可选的，所述预设关系式为：
[0010][0011]
其中，u
add
为所述阀电压补偿量；p
current
为当前的所述入口压力值；p
pre
为所述上一入口压力值；p
base
为预先存储的入口压力标定值；u
base
为预先存储的阀电压标定值；s
current
为当前的流量设定值；s
base
为预设的流量标定值。
[0012]
可选的，所述流量标定值为所述质量流量控制器的满量程的45％～55％。
[0013]
可选的，所述入口压力标定值为预设的压力使用范围的上限值与下限值的差值的0.4倍～0.6倍。
[0014]
可选的，所述控制模块还用于在当前的流量设定值设定为所述流量标定值，当前的入口压力设定为所述入口压力标定值的条件下，将当前的入口压力自所述入口压力标定值减少预设调整量之后，调节所述流量调节阀的阀电压，直至所述流体通道输出的流体流量变化量小于所述质量流量控制器的满量程的1％，并将所述流量调节阀在此时的阀电压值与调节所述流量调节阀之前的阀电压值之间的差值用作所述阀电压标定值，并进行存储。
[0015]
可选的，所述控制模块还用于根据所述流量传感器检测的当前的流体流量，控制所述流量调节阀的阀电压；
[0016]
在所述控制模块根据所述流量传感器检测的当前的流体流量，控制所述流量调节阀的阀电压的模式下，在当前的流量设定值设定为所述流量标定值，当前的入口压力设定为所述入口压力标定值的条件下，减小当前的入口压力，直至所述流体通道输出的流体流量满足预设稳定条件，此时所述入口压力的减小量用作所述预设阈值，并进行存储。
[0017]
可选的，所述预设稳定条件为：所述流体通道输出的流体流量的变化量为所述质量流量控制器的满量程的0.3％。
[0018]
可选的，所述控制模块还用于在当前的所述入口压力值相对于上一入口压力值的变化量未超出所述预设阈值时，根据所述流量传感器检测的当前的流体流量和当前的流量设定值，计算获得阀电压调整量，并根据所述阀电压调整量向调节所述流量调节阀的开度。
[0019]
作为另一个技术方案，本发明还提供一种质量流量控制器的流量控制方法，所述流量控制方法应用于本发明提供的上述质量流量控制器，所述流量控制方法包括：
[0020]
在当前的入口压力值相对于上一入口压力值的变化量超出预设阈值时，根据所述变化量和预设关系式，计算获得阀电压补偿量，并计算阀电压输出值，所述阀电压输出值等于所述流量调节阀的当前的阀电压值与所述阀电压补偿量之和；
[0021]
向所述流量调节阀输出所述阀电压输出值。
[0022]
可选的，所述预设关系式为：
[0023][0024]
其中，u
add
为所述阀电压补偿量；p
current
为当前的所述入口压力值；p
pre
为所述上一入口压力值；p
base
为预先存储的入口压力标定值；u
base
为预先存储的阀电压标定值；s
current
为当前的流量设定值；s
base
为预设的流量标定值。
[0025]
可选的，所述阀电压标定值的获得方法包括：
[0026]
将当前的流量设定值设定为所述流量标定值，将当前的入口压力设定为所述入口压力标定值；
[0027]
将当前的入口压力自所述入口压力标定值减少预设调整量之后，调节所述流量调节阀的阀电压，直至所述流体通道输出的流体流量变化量小于所述质量流量控制器的满量程的1％，并将所述流量调节阀在此时的阀电压值与调节所述流量调节阀前的阀电压值之间的差值用作所述阀电压标定值，并进行存储。
[0028]
可选的，所述控制模块还用于根据所述流量传感器检测的当前的流体流量，控制
所述流量调节阀的阀电压；
[0029]
所述预设阈值的获得方法包括：
[0030]
在所述控制模块根据所述流量传感器检测的当前的流体流量，控制所述流量调节阀的阀电压的模式下，将当前的流量设定值设定为所述流量标定值，将当前的入口压力设定为所述入口压力标定值；
[0031]
减小当前的入口压力，直至所述流体通道输出的流体流量满足预设稳定条件，此时所述入口压力的减小量用作所述预设阈值，并进行存储。
[0032]
可选的，在当前的所述入口压力值相对于上一入口压力值的变化量未超出所述预设阈值时，根据所述流量传感器检测的当前的流体流量和当前的流量设定值，计算获得阀电压调整量，并根据所述阀电压调整量向调节所述流量调节阀的开度。
[0033]
本发明具有以下有益效果：
[0034]
本发明提供的质量流量控制器及其流量控制方法的技术方案中，通过借助压力测量模块检测流体通道的入口压力值，并借助控制模块在当前的入口压力值相对于上一入口压力值的变化量超出预设阈值时，根据该变化量和预设关系式，计算获得阀电压补偿量，并将该阀电压补偿量对流量调节阀的阀电压进行补偿，即，阀电压输出值等于流量调节阀的当前的阀电压值与阀电压补偿量之和，从而实现对流量调节阀的开度进行补偿(标定)，以在入口压力波动时，实现出口处流量波动满足控制要求(例如瞬间实际流量波动在1％f.s.以内)。同时，这种根据入口压力的变化直接补偿阀电压的补偿方式所涉及的相关调整参数较少，补偿方式简单，从而可以提高生产效率。
附图说明
[0035]
图1为本发明实施例提供的质量流量控制器的结构示意图；
[0036]
图2为本发明实施例提供的质量流量控制器的原理图；
[0037]
图3a为采用现有的质量流量控制器获得的流量和压力波形图；
[0038]
图3b为采用本发明实施例提供的质量流量控制器获得的流量和压力波形图；
[0039]
图4为本发明实施例提供的流量控制方法的一种流程框图；
[0040]
图5为本发明实施例提供的流量控制方法的另一种流程框图。
具体实施方式
[0041]
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质量流量控制器及其流量控制方法进行详细描述。
[0042]
本发明的发明人经实验研究发现，相关技术中采用对入口压力变化量进行多级(一般6级)低通滤波处理的方式获得流量变化的补偿波形(即，反波形)，并根据该补偿波形对流量传感器检测反馈的流量值进行补偿，从而近似求得稳定的流量补偿值，以实现出口处流量波动满足控制要求。但是，单级低通滤波处理的方式无法获得理想的流量补偿值，而多级低通滤波处理的方式虽然可以通过叠加补偿来获得较完美的补偿波形，但是调整参数较多，例如6级低通滤波每级需要调整3个滤波参数，以及约20个幅值参数，补偿方式复杂，生产效率较低。
[0043]
为了解决上述问题，请参阅图1，本发明实施例提供一种质量流量控制器，其包括
用于传输流体(如，气体、液体)的流体通道1和设置在该流体通道1上的流量传感器7和流量调节阀8，以及压力测量模块4和控制模块9，其中，压力测量模块4设置于流体通道1的入口处，用于检测流体通道1的入口压力值。该压力测量模块4具体可以包括压力传感器。流量传感器7例如为热式流量计，其检测流量的原理是当流体在传感管中流动时，检测流体流经传感管的两个不同位置的温度，分别为上游温度和下游温度，二者之间具有温差，且温差会随着流体流量的增加而增大，基于此，可以通过检测该温差来检测流体的流量。可选的，质量流量控制器还可以包括温度传感器10，用于检测流体通道中的流体温度，并向控制模块9发送，以通过控制模块9对流量进行温度补偿。
[0044]
在一些可选的实施例中，本发明实施例提供的质量流量控制器的具体结构可以有多种，例如，如图2所示，上述压力测量模块4可以通过三通接头与入口接头2连接，流体由压力测量模块4进入入口接头2，在此过程中，该压力测量模块4将采集到的入口压力信号反馈至控制模块9。通过入口接头2进入流体通道1中的流体分为两路，包含大部分流量的一路气体通过分流器6，包含小部分流量的另一路气体则通过流量传感器7，该流量传感器7采集的流量信号反馈至控制模块9。流体通道1中的流体通过出口接头3流出。控制模块9用于对接收到的入口压力信号和/或流量信号进行处理，以获得相应的阀电压向流量调节阀8输出，从而可以控制流量调节阀8的开度，进而实现流量控制。可选的，上述流量调节阀8例如为电磁阀、压电阀等的可自动控制的阀门，该流量调节阀8的开度大小与阀电压的大小对应，阀电压越大，开度越大；反之，阀电压越小，开度越小。可选的，控制模块9包括微控制单元(microcontroller unit，mcu)、存储器、a/d转换器和驱动电路等等。
[0045]
具体地，如图2和图4所示，上述控制模块9用于在当前的入口压力值相对于上一入口压力值的变化量超出预设阈值时，根据该变化量和预设关系式，计算获得阀电压补偿量，并计算阀电压输出值(即，执行图4中的步骤s1)，该阀电压输出值等于流量调节阀的当前的阀电压值与阀电压补偿量之和；控制模块9还用于向流量调节阀8输出阀电压输出值(即，执行图4中的步骤s2)。
[0046]
通过借助压力测量模块4，检测流体通道的入口压力值，并借助控制模块在当前的入口压力值相对于上一入口压力值的变化量超出预设阈值时，根据该变化量和预设关系式，计算获得阀电压补偿量，并将该阀电压补偿量对流量调节阀8的阀电压进行补偿，即，阀电压输出值等于流量调节阀的当前的阀电压值与阀电压补偿量之和，从而实现对流量调节阀的开度进行补偿(标定)，以在入口压力波动时，实现出口处流量波动满足控制要求(例如瞬间实际流量波动在1％f.s.以内)。同时，这种根据入口压力的变化直接补偿阀电压的补偿方式所涉及的相关调整参数较少，补偿方式简单，从而可以提高生产效率。
[0047]
在一些可选的实施例中，上述预设关系式为：
[0048][0049]
其中，u
add
为阀电压补偿量；p
current
为当前的入口压力值；p
pre
为上一入口压力值；p
base
为预先存储的入口压力标定值；u
base
为预先存储的阀电压标定值；s
current
为当前的流量设定值；s
base
为预设的流量标定值。
[0050]
上述预设关系式所涉及的相关调整参数较少，补偿方式简单，从而可以提高生产效率。
[0051]
在一些可选的实施例中，上述流量标定值s
base
为质量流量控制器的满量程的45％～55％，优选为50％，通过选择靠近满量程的中间值的流量值作为流量标定值s
base
，有助于提高补偿的精确度。流量标定值s
base
预先存储在控制模块9的存储器中，在需要补偿时调用。
[0052]
在一些可选的实施例中，入口压力标定值p
base
为预设的压力使用范围的上限值与下限值的差值的0.4倍～0.6倍，优选为0.5倍。该压力使用范围为质量流量控制器所控制的待测设备所允许的压力使用范围，通过选择其上限值与下限值的差值的0.4倍～0.6倍，即，选用靠近压力使用范围的中间值的压力值作为入口压力标定值p
base
，有助于提高补偿的精确度。入口压力标定值p
base
预先存储在控制模块的存储器中，在需要补偿时调用。
[0053]
在一些可选的实施例中，上述阀电压标定值u
base
的获得例如可以采用下述方法，即：控制模块9还用于在当前的流量设定值s
current
设定为上述流量标定值s
base
，当前的入口压力设定为上述入口压力标定值p
base
的条件下，将当前的入口压力自入口压力标定值p
base
减少预设调整量之后，调节流量调节阀的阀电压，直至流体通道输出的流体流量变化量小于质量流量控制器的满量程的1％，并将流量调节阀在此时的阀电压值与调节流量调节阀之前的阀电压值之间的差值用作上述阀电压标定值u
base
，并进行存储。上述预设调整量例如为质量流量控制器所控制的待测设备所允许的入口压力最大变化量，该最大变化量例如为5psi。上述阀电压标定值u
base
预先存储在控制模块9的存储器中，在需要补偿时调用。
[0054]
在一些可选的实施例中，控制模块9还用于根据流量传感器7检测的当前的流体流量，控制流量调节阀8的阀电压，也就是说，控制模块9具有两种控制模式，第一种控制模式是根据压力测量模块4检测的当前的入口压力值相对于上一入口压力值的变化量对流量调节阀的阀电压进行补偿，第二种控制模式是根据流量传感器7检测的当前的流体流量，控制流量调节阀8的阀电压。可选的，控制模块9在当前的入口压力值相对于上一入口压力值的变化量未超出预设阈值时，进入第二种控制模式，在该第二种控制模式下，控制模块9用于根据流量传感器7检测的当前的流体流量和当前的流量设定值，计算获得阀电压调整量，并根据阀电压调整量向调节流量调节阀8的开度。具体地，控制模块9根据流量传感器7实时检测的当前的流量检测值和当前的流量设定值(或者与当前的流量设定值对应的流量标定值)，不断地进行差值运算，获得流量调节阀8的阀电压调整量，并根据阀电压调整量调节流量调节阀8的开度，以减小实时的流体流量与对应的流量设定值(或流量标定值)之间的差值，直至该差值的绝对值接近零值，从而可以实现稳定且准确的流量控制。该差值运算例如为pid(proportion integral differential，比例积分微分)算法，然后根据每次运算获得的阀电压调整量不断地调节流量调节阀的开度，以使流体流量逐渐接近并稳定在流量设定值(或流量标定值)。当然，在实际应用中，也可以采用其他算法计算获得的阀电压调整量，本发明实施例对此没有特别的限制。
[0055]
在一些可选的实施例中，在上述第二种控制模式下，在当前的流量设定值s
current
设定为上述流量标定值s
base
，当前的入口压力设定为上述入口压力标定值p
base
的条件下，减小当前的入口压力，直至流体通道输出的流体流量满足预设稳定条件，此时入口压力的减小量用作上述预设阈值，并进行存储。可选的，该预设稳定条件为：流体通道输出的流体流量的变化量为质量流量控制器的满量程的0.3％。
[0056]
请参阅图3a，现有的一种质量流量控制器，其是通过计算单位时间内的前端压力
变化量，并采用对该压力变化量进行多级(一般为6级)低通滤波处理，调整幅值等的手段，得到一个流量变化的反波形，然后补偿到流量传感器采集的流量值上，从而近似求得稳定的流量值，以减小前端压力波动对控制系统的影响。图3a中，纵坐标表示流量(％f.s.)和压力(psi)；横坐标表示时间；q1是补偿后的流量波形，q2是补偿前的流量波形，q4为补偿流量的波形，即补偿后的流量等于补偿前流量与补偿流量的和。q3为压力波形。
[0057]
发明人经研究发现：这种控制方法如果是采用单次低通滤波，则无法获得理想的补偿流量，需要通过对压力变化值进行多级滤波叠加来补偿，才能得到较完美的补偿波形，调整参数较多，例如6级低通滤波每级需要调整3个滤波参数，再加上调整幅值等，共需要调整大约20个左右的滤波参数，调整困难，生产效率低。
[0058]
为了解决上述问题，请参阅图3b，纵坐标表示流量(％f.s.)、压力(psi)和阀电压(v)；横坐标表示时间；q5是补偿后的流量波形，q6是补偿前的流量波形，q7为压力波形，q8为阀电压。采用本发明实施例提供的质量流量控制器进行流量控制时，通过借助压力测量模块4，检测流体通道的入口压力值，并借助控制模块9计算阀电压补偿量来对流量调节阀8的阀电压进行补偿，以实现对流量调节阀的开度进行补偿(标定)，在入口压力波动时，实现出口处流量波动满足控制要求(例如瞬间实际流量波动在1％f.s.以内)。这种根据入口压力的变化直接补偿阀电压的补偿方式所涉及的相关调整参数较少，补偿方式简单，从而可以提高生产效率。
[0059]
作为另一个技术方案，请参阅图4，本发明实施例还提供一种质量流量控制器的流量控制方法，其应用于本发明实施例提供的上述质量流量控制器，该流量控制方法包括：
[0060]
s1、在当前的入口压力值相对于上一入口压力值的变化量超出预设阈值时，根据变化量和预设关系式，计算获得阀电压补偿量，并计算阀电压输出值，阀电压输出值等于流量调节阀的当前的阀电压值与阀电压补偿量之和；
[0061]
s2、向流量调节阀输出阀电压输出值。
[0062]
在一个具体的实施例中，请一并参阅图1、图2和图5，流量控制方法包括：
[0063]
s101、获得流体通道1的入口压力值；
[0064]
步骤s101中，获得由压力测量模块4不断地检测流体通道1的入口压力值。
[0065]
s102、判断当前的入口压力值相对于上一入口压力值的变化量是否超出预设阈值，若是，则进入第一控制模式，即，执行步骤s103；若否，则进入第二控制模式，即，执行步骤s106；
[0066]
在一些可选的实施例中，上述预设阈值的获得方法包括：
[0067]
在上述第二种控制模式下，将当前的流量设定值s
current
设定为流量标定值s
base
，将当前的入口压力设定为入口压力标定值p
base
；
[0068]
减小当前的入口压力，直至流体通道1输出的流体流量满足预设稳定条件，此时入口压力的减小量用作预设阈值，并进行存储。可选的，该预设稳定条件为：流体通道1输出的流体流量的变化量为质量流量控制器的满量程的0.3％。
[0069]
s103、根据上述变化量和预设关系式，计算获得阀电压补偿量；
[0070]
s104、计算获得阀电压补偿量，并计算阀电压输出值，阀电压输出值等于流量调节阀8的当前的阀电压值与阀电压补偿量之和；
[0071]
s105、向流量调节阀8输出阀电压输出值；
[0072]
s106、根据流量传感器7检测的当前的流体流量和当前的流量设定值，计算获得阀电压调整量；
[0073]
s107、并根据阀电压调整量向调节流量调节阀8的开度。
[0074]
在一些可选的实施例中，上述预设关系式为：
[0075][0076]
其中，u
add
为阀电压补偿量；p
current
为当前的入口压力值；p
pre
为上一入口压力值；p
base
为预先存储的入口压力标定值；u
base
为预先存储的阀电压标定值；s
current
为当前的流量设定值；s
base
为预设的流量标定值。
[0077]
上述预设关系式所涉及的相关调整参数较少，补偿方式简单，从而可以提高生产效率。
[0078]
在一些可选的实施例中，上述阀电压标定值u
base
的获得方法包括：
[0079]
将当前的流量设定值设定为流量标定值，将当前的入口压力设定为入口压力标定值；
[0080]
将当前的入口压力自入口压力标定值减少预设调整量之后，调节流量调节阀的阀电压，直至流体通道输出的流体流量变化量小于质量流量控制器的满量程的1％，流量调节阀在此时的阀电压值与调节流量调节阀前的阀电压值之间的差值用作阀电压标定值u
base
，并进行存储。上述预设调整量例如为质量流量控制器所控制的待测设备所允许的入口压力最大变化量，该最大变化量例如为5psi。
[0081]
在一些可选的实施例中，在当前的入口压力值相对于上一入口压力值的变化量未超出预设阈值时，进入第二种控制模式，在该第二种控制模式下，根据流量传感器检测的当前的流体流量和当前的流量设定值，计算获得阀电压调整量，并根据阀电压调整量向调节流量调节阀的开度。具体地，控制模块根据流量传感器实时检测的当前的流量检测值和当前的流量设定值(或者与当前的流量设定值对应的流量标定值)，不断地进行差值运算，获得流量调节阀的阀电压调整量，并根据阀电压调整量调节流量调节阀的开度，以减小实时的流体流量与对应的流量设定值(或流量标定值)之间的差值，直至该差值的绝对值接近零值，从而可以实现稳定且准确的流量控制。该差值运算例如为pid(proportion integral differential，比例积分微分)算法，然后根据每次运算获得的阀电压调整量不断地调节流量调节阀的开度，以使流体流量逐渐接近并稳定在流量设定值(或流量标定值)。当然，在实际应用中，也可以采用其他算法计算获得的阀电压调整量，本发明实施例对此没有特别的限制。
[0082]
本发明实施例提供的质量流量控制器及其流量控制方法的技术方案中，通过借助压力测量模块，检测流体通道的入口压力值，并借助控制模块在当前的入口压力值相对于上一入口压力值的变化量超出预设阈值时，根据该变化量和预设关系式，计算获得阀电压补偿量，并将该阀电压补偿量对流量调节阀的阀电压进行补偿，即，阀电压输出值等于流量调节阀的当前的阀电压值与阀电压补偿量之和，从而实现对流量调节阀的开度进行补偿(标定)，以在入口压力波动时，实现出口处流量波动满足控制要求(例如瞬间实际流量波动在1％f.s.以内)。同时，这种根据入口压力的变化直接补偿阀电压的补偿方式所涉及的相关调整参数较少，补偿方式简单，从而可以提高生产效率。
[0083]
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。