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先进气体流量控制器设计研究

发布时间:

2022-06-29 11:17

    随着全球及中国对半导体行业的不断重视和投入,半导体行业对气体流量控制器提出了更高的 要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体流量控制器集成化和智能化提供了很好 的前提条件。 MEMS气体流量传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技 术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的 全自动数字式的智能气体质量流量控制器将是该领域的重要研究方向。

    气体质量流量控制器(以下简称“MFC”)采用工业级先进流量传感器芯片,结合低压损气路结 构以及高精度数字控制电路和算法,从而实现宽温范围内的高精度、高稳定性、宽量程比控制。 在MEMS流量方案的MFC领域,美国MKS、荷兰bronkhorst都开始了布局,MEMS先进气体流量测控 技术有机会颠覆传统毛细管方案的MFC。基于最新一代的MEMS流量芯片技术,并且精度、可靠性都优 于传统毛细管技术,属于革新换代的技术。

    MEMS芯片信噪比更高,芯片热容和热响应远小于毛细管 原理的同类产品,响应速度更快,量程比更优;热式毛细管原理的同类MFC产品抗污染能力弱 ,MEMS芯片原理不会出现毛细管堵塞情况,甚至MEMS原理的MFC可以不加过滤网。

    此外,毛细管原理MFC对安装位置敏感(横竖安装不同,会导致读数不一样) 在横向、纵向安装使用上测试结果会受到影响出现极大差别,而MEMS芯片原理的MFC确认好进出气口流向方向后,安装位置方向不受任何影响,这就给工业环境使用以及实验室气路供气系统配套提供 了更可靠适用的产品。

    MFC研究技术路线:芯片---模组----仪表---测试

    产品需求:针对光伏、半导体、真空镀膜等领域高精度、高稳定性、快速响应的应用需求,进行MFC研究制造。

    芯片设计:芯片以MEMS技术为基础,基于有限元仿真尺寸优化,采用灵敏度高的悬膜结构,并沉积半导体涂层以提高芯片可靠性。

    流道设计:建模-仿真 该结构中间具有类似孔板的差压产生结构,用于在旁路分流道内产生足够的流量,旁路内的流 量直接影响流量计的灵敏度和检测下限,为了提高该流量值需要增加旁路分流结构前后的压力差 ,该内部压力差直接影响流量计整机的压力损失。

    区别于毛细管结构或差压结构等大压损流道设计,以直通型流道结构设计实现前所未有的超低 差压控制。

    机械设计:机械结构设计-工业外观设计

    电路设计:原理图设计-PCB板图绘制-元器件规格参数确认 通道小板对芯片信号进行采集,并通过主板对信号进行处理,上述电路中采用差分输出、低温 漂、抗电磁干扰等设计;

    程序和算法设计:逻辑部分-单片机程序部分-屏幕功能-调试稳定控制-根据不同气路座测试

    采用PID动态算法实现稳定的流量控制和快速的响应。

    组装标定测试 

    在温度25±3℃的千级净化间内组装,万级净化间内标定及包装,确保产品精度。对不同芯片、 器件进行再设计和集成,涉及多种通信协议/制式、体积、功耗与特殊工艺;其研发需要掌握电子产 品技术、集成电路技术、芯片制造工艺技术、材料性能、衬底设计技术以及先进半导体封装技术、 通信技术等,只有这样才能够在应用中妥善的对系统的性能、尺寸与制造成本进行优化处理。

  

上图为气体质量流量控制器(MFC)标定测试状态

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