CÔNG NGHỆ ĐO LƯU LƯỢNG KHỐI

1. Khái niệm cơ bản về đo lưu lượng khối

Thuật ngữ lưu lượng hoặc dòng truyền đề cập đến sự chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí trong một phần tử dẫn điện như dạng ống hoặc kênh chứa. Ví dụ về lưu lượng khối chất lỏng bao gồm các hiện tượng tự nhiên như sự chuyển động của nước qua kênh sông và các quy trình công nghệ như sự dẫn dầu qua đường ống. Lưu lượng khối được định nghĩa chính thức là “lượng chất” (được xác định bằng khối lượng, mol hoặc thể tích) đi qua một mặt cắt ngang của ống/kênh dẫn trong một khoảng thời gian nhất định.

** Hình 1 cho thấy cách xác định các thông số cơ bản của lưu lượng khối.

+ Hình bên trái cho thấy vật liệu chảy qua một đường ống khi nó đến bề mặt được xác định bởi tiết diện của đường ống tại thời điểm t = 0.

+ Hình bên phải cho thấy đường ống tại thời điểm t = Δt, khi một vật có khối lượng Δm, đi qua bề mặt này. Tốc độ dòng chảy sau đó được định nghĩa là khối lượng trên một đơn vị thời gian đã đi qua bề mặt cắt ngang của ống. Nó được tính toán dưới dạng khối lượng / thời gian, số mol / thời gian, khối lượng / thời gian, v.v.

Figure 1. Basic parameters of mass flow

a. Bộ điều khiển và đo lưu lượng khối

Có nhiều cách khác nhau để đo lưu lượng dòng dựa trên các nguyên tắc vật lý khác nhau. Dụng cụ đơn giản nhất và hiệu quả nhất để đo lưu lượng dòng khí là rotameter (Hình 2). Dụng cụ này bao gồm một ống hình côn với một phao nổi được nâng lên nhờ chất lỏng chảy qua. Chiều cao của phao trong ống thay đổi tuyến tính với tốc độ dòng chảy của chất khí hoặc chất lỏng di chuyển trong ống. Rotameters  được ứng dụng ở nhiều ngành công nghiệp do đặc tính đơn giản, độ lặp lại và độ bền. Chúng cho phép dùng trực quan để thiết lập và giám sát dòng khí nhanh chóng, tương thích với cả khí và chất lỏng, đồng thời không cần nguồn điện bên ngoài để vận hành. Sự giảm áp suất thấp trên rotameter đảm bảo rằng phép đo tạo ra ít ảnh hưởng đến các đặc tính của quá trình. Các hạn chế chính đối của loại thiết bị này là cần phải lắp đặt theo chiều dọc và không thể tạo ra tín hiệu điện để có thể sử dụng được trong các hệ thống điều khiển điện tử.

                 Figure 2. The rotameter

b. Đồng hồ đo lưu lượng khối nhiệt

Figure 3. Thermal Mass Flow Meter sensor configurations

Không giống như rotameters, đồng hồ đo lưu lượng khối nhiệt (MFM) và bộ điều khiển (MFC) tạo ra một tín hiệu điện tử có thể được sử dụng trong quá trình tự động hóa. Vì lý do này, MFM/MFC được sử dụng rộng rãi trong nhiều môi môi trường công nghiệp và công nghệ cao yêu cầu kiểm soát quá trình chính xác. MFM và MFC sử dụng các nguyên tắc nhiệt động lực học để tính lưu lượng khối.

(Hình 3 minh họa nguyên tắc đo cơ bản của đồng hồ đo lưu lượng khối nhiệt).

Cảm biến được gắn trên một dòng bên có tỷ lệ đã biết của dòng khí đi qua MFM. Trong cấu hình cảm biến ba dây, MFM sử dụng hệ số nhiệt độ cao của dây điện trở làm cảm biến để đo chênh lệch nhiệt độ (ΔT = T2-T1), qua một bộ gia nhiệt được gắn trên dòng bên như thể hiện trong

Hình 4. Chênh lệch nhiệt độ này là tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy khối lượng, tuân theo mối quan hệ:

Cảm biến MFM hai dây, là một cấu hình phổ biến hơn, sử dụng hệ số nhiệt độ cao của dây điện trở làm cả cảm biến và bộ gia nhiệt, như thể hiện ở bên phải trong Hình 4. Trong cấu hình này, mạch điều chỉnh công suất cho các cuộn dây nóng để duy trì nhiệt độ không đổi giữa hai cuộn dây. Như với MFM ba dây, Công thức (4) và tỷ lệ phân tách được sử dụng để xác định lưu lượng khối lượng qua thiết bị.

Figure 4. Basic principles of thermal MFM measurements

c. Bộ điều khiển lưu lượng nhiệt

Figure 5. Basic components of a thermal mass flow controller

Bộ điều khiển lưu lượng khối lượng (MFC, Hình 5) là một thiết bị đơn lẻ kết hợp cả cảm biến và điều khiển lưu lượng khối khí. Nó bao gồm một đồng hồ đo lưu lượng khối lượng (MFM), một bộ điều khiển phản hồi và một van điều khiển. Thông thường, MFC được gặp thường xuyên hơn MFM trong môi trường quy trình tự động hóa.

MFC nhiệt được sử dụng để kiểm soát lưu lượng trên một phạm vi rất rộng, với các bộ điều khiển có sẵn cho dòng chảy từ 0,01 sccm đến 1000 SLPM.

MFC nhiệt đều chính xác và có thể lặp lại cao, cho phép kiểm soát chính xác dòng khí từ 2 đến 100% giá trị đọc toàn thang với độ phân giải 0,1%. Thiết bị được hiệu chuẩn tại nhà máy để cung cấp khả năng kiểm soát chính xác và lặp lại trong một phạm vi xác định (Hình 6).

Figure 6. MFC indication vs. actual flow

Điều quan trọng là phải hiểu các đặc tính và độ nhạy khác nhau của MFC nhiệt để đảm bảo độ chính xác và độ lặp lại của chúng trong quá trình vận hành (Hình 7)

Figure 7. Thermal MFC characteristics and sensitivities

Loại khí là một đặc tính rõ ràng của hiệu chuẩn MFC nhất định vì phép đo lưu lượng khí phụ thuộc vào các đặc tính vật lý nhiệt của khí được đo. Hiệu chuẩn nhà máy đối với MFC thường được thực hiện bằng cách sử dụng khí nitơ có độ tinh khiết cao, sau đó áp dụng hệ số hiệu chỉnh khí (GCF) hoặc chức năng hiệu chỉnh đa khí để điều chỉnh hiệu chuẩn cho các loại khí khác nhau.

Figure 8. Temperature effects on thermal MFC flow measurements

Nhiệt độ môi trường sẽ ảnh hưởng đến cả độ lệch 0 và độ chính xác của phép đo lưu lượng khối trong khoảng đo khi sử dụng MFC nhiệt. Hình 8 cho thấy tác động của sự thay đổi nhiệt độ đối với lưu lượng được chỉ định so với thực tế trong MFC nhiệt. Hai yếu tố hiệu chỉnh có liên quan đến sự thay đổi của phép đo do nhiệt độ môi trường xung quanh. Hệ số bù trừ bằng không, Tc, được liên kết với số không được chỉ định trong MFC. Một sự thay đổi về nhiệt độ môi trường xung quanh sẽ làm thay đổi toàn bộ đường chuẩn của MFC như thể hiện bên trái của Hình 8. Độ lớn của sự thay đổi thường theo thứ tự ppm của Full Scale trên ° C. Những thay đổi về nhiệt độ môi trường cũng làm thay đổi độ dốc của đường chuẩn trong khoảng đo của MFC nhiệt. Span Tc liên quan đến MFC thể hiện hành vi như thể hiện ở bên phải của Hình 8. Toàn bộ độ dốc của đường chuẩn bị dịch chuyển, với hiệu ứng có độ lớn theo thứ tự ppm của số đọc trên ° C.Mặc dù MFC nhiệt thường không bị ảnh hưởng bởi áp suất hạ lưu (trừ khi cảm biến được đặt ở hạ lưu từ van điều khiển), những thay đổi về áp suất thượng lưu có thể dẫn đến sự thay đổi giữa dòng chảy thực tế và được chỉ định, như thể hiện trong Hình 9.

Figure 9. The impact of upstream pressure changes on thermal MFC flow indication.

Bằng cách tích hợp một cảm biến áp suất vào MFC nhiệt, ảnh hưởng của áp suất ngược dòng lên độ chính xác của MFC có thể được giảm thiểu đáng kể. Do đó, MKS cung cấp MFC không nhạy áp tích hợp với cảm biến áp suất như MFC P9. Có lẽ tác động quan trọng nhất, và đôi khi bị bỏ qua đối với MFC nhiệt là tác động mà thái độ lắp đặt ảnh hưởng đến việc đo lường và kiểm soát dòng khí. Thái độ lắp đặt có thể ảnh hưởng đến đầu ra của các cảm biến trong MFC thông qua các hiệu ứng xảy ra bên ngoài hoặc bên trong đường dẫn dòng khí (xem Hình 10).

Figure 10. Mounting sensitivities of thermal MFC.

2. Đặc điểm nổi bật

Độ chính xác (không tuyến tính, độ trễ và không lặp)	±1% of Full Scale
Dải đo	2.0 to 100% of Full Scale
Thời gian cài đặt bộ điều khiển	<2 seconds (to within 2% of set point)
Dải đo đủ (tương đương khí N2)	Various, from 10 to 30,000 sccm
Áp suất đầu vào tối đa	150 psig
Chênh ấp vận hành	<5,000 sccm: 10 to 40 psid 10,000 to 30,000 sccm: 15 to 40 psid
Hệ số áp suất	0.02% of reading per psi
Độ lặp lại	±0.2% of Full Scale
Độ phân giải	0.1% of Full Scale
Hệ số nhiệt độ	Zero: <0.04% of Full Scale per °C (400 ppm) Span: <0.08% of Full Scale per °C (800 ppm)
Thơi gian làm ấm	5 minutes/5 phút

3. Ứng dụng

a. Kiểm soát chân không-Áp suất

Vì áp suất quá trình là sự cân bằng động giữa dòng khí vào buồng xử lý và dòng khí ra khỏi buồng, dòng khí vào buồng có thể được sử dụng để điều khiển áp suất (Hình 14).

Figure 14. Vacuum control using an MFC.

Figure 15. Closed-loop pressure control using a Baratron® manometer and an MFC

b. Sự lắng đọng vật lý

Áp suất và thành phần khí là các thông số quan trọng xác định sự đánh lửa và kiểm soát lắng đọng plasma trong thiết bị xử lý lắng đọng vật lý như công cụ lắng đọng phún xạ được thể hiện trong Hình 16. Trong một quy trình phún xạ điển hình, tốc độ dòng chảy của khí trơ như Argon phải chính xác và được kiểm soát lặp lại trong suốt quá trình và quá trình này đến quá trình khác. Lưu lượng argon đến buồng xử lý lắng đọng phún xạ có thể được kiểm soát chính xác và lặp lại bằng cách sử dụng sơ đồ điều khiển áp suất vòng kín như thể hiện trong Hình 16.

Figure 16. Closed-loop pressure control in a sputter deposition process chamber

c. Lắng đọng hơi hóa chất

Trong quá trình lắng đọng hơi hóa chất (CVD), tốc độ dòng chảy của nhiều khí tiền chất vào buồng xử lý phải được kiểm soát chính xác và lặp lại. Nồng độ và tỷ lệ của các khí tiền chất này trong buồng xử lý xác định cả đặc tính của quá trình (ví dụ tốc độ lắng đọng và thông lượng) và đặc tính vật liệu của màng mỏng được tạo ra (ví dụ thành phần hóa học, tính chất cơ học như ứng suất và kết thúc, và độ dày của màng) . Trong một công cụ CVD điển hình, tốc độ dòng chảy của từng khí tiền chất phải được đo và kiểm soát riêng bằng cách sử dụng MFC. Lưu lượng tích lũy của các khí tiền chất khác nhau là phụ gia trong việc xác định tổng lưu lượng khí phân tử vào buồng và áp suất buồng được xác định theo mối quan hệ được thể hiện trong Hình 17.

Figure 17. Gas flow and pressure in a CVD tool

d. Lựa chọn rộng rãi cho  các ngành khác nhau

MKS Instruments là công ty dẫn đầu toàn cầu về công nghệ MFC và cung cấp nhiều loại MFC khác nhau cho các ngành công nghiệp như nhà chế tạo chất bán dẫn, nhà sản xuất màn hình và nhà sản xuất tế bào quang điện. Dòng MFC nhiệt của MKS bao gồm MFC nhiệt G-Series nhanh và lặp lại, cung cấp giải pháp kiểm soát dòng chảy hiệu quả về chi phí cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp và công nghệ. G-Series MFCs có sẵn dưới dạng chất đàn hồi hoặc đơn vị được làm kín bằng kim loại với phạm vi lưu lượng lên đến 300 SLPM. Chúng có sẵn với nhiều lựa chọn I / O kỹ thuật số (RS485, Profibus ™, EtherCAT®, Profinet hoặc DeviceNet ™) hoặc analog (0–5 VDC hoặc 4–20 mA). MFC nhiệt MKS I-Series được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng có môi trường khắc nghiệt, nơi bảo vệ chống nước và bụi là rất quan trọng. Bộ điều khiển lưu lượng dòng lớn I-Series có vỏ bọc được xếp hạng IP66 có khả năng chống bụi và bảo vệ khỏi các tia nước mạnh. Họ cung cấp I / O kỹ thuật số (Profibus®) hoặc analog (0–5 VDC hoặc 4–20 mA). I-Series MFCs có sẵn với phạm vi lưu lượng lên đến 500 SLPM. MFC nhiệt dòng P-Series của MKS là bộ điều khiển lưu lượng đa dải đa khí, hiệu suất cao được thiết kế cho các ứng dụng quan trọng cần độ chính xác, độ lặp lại và độ nhạy áp suất. Chúng có các thông số khí được lưu trong bộ nhớ cho phép người dùng đo và kiểm soát khí do người dùng lựa chọn với độ chính xác điểm đặt 1%. Cũng như các bộ điều khiển dòng khối lượng nhiệt MKS khác, MFC dòng P có I / Os tương tự (0–5 VDC) hoặc kỹ thuật số (DeviceNet, RS485). C-series là MFC nhỏ gọn sử dụng cảm biến lưu lượng dựa trên Hệ thống cơ điện tử (MEMS) được thiết kế cho các ứng dụng khí không ăn mòn. MFC dòng C có sẵn với I / Os analog (0–5 VDC) hoặc kỹ thuật số (RS485, Modbus TCP / IP).MKS Instruments cũng cung cấp bộ điều khiển lưu lượng dựa trên áp suất (chẳng hạn như MFC 1640A được hàn kín bằng kim loại) và một số giải pháp điều khiển lưu lượng khối lượng chuyên dụng như bộ điều khiển tỷ lệ lưu lượng (Bộ điều khiển tỷ lệ lưu lượng khối lượng Delta II, III và IV cho tối đa 4 vùng kiểm soát tỷ lệ), Bộ xác minh lưu lượng khối và bộ điều khiển áp suất vùng đơn và vùng kép (Bộ điều khiển áp suất tích hợp dòng G và dòng P và Bộ điều khiển áp suất vùng kép DPC).