Mass Flow Controller量測介紹

質流控制器（Mass Flow Con-troller)一般簡稱MFC。它是一種流量計與控制閥組的精密機電組合，與一般流量計最大的差別在於它是利用熱感溫差、非接觸的方式測量氣體的質量流速，不同於一般測量體積流速的方法，所以能夠避免環境壓力與氣體體積的影響，非常適合用在動態的氣體流量控制上。對於未來，可預期地半導體工業製程的趨勢中，對於沉積及蝕刻製要求的研究，明顯地，產業界需要更佳的數位化氣體控制執行能力(Digital Mass Flow Controller)以及其它的關鍵技術。

一、流量之量測與控制
　　在半導體工業的製程設備裡，幾乎在所有的設備裡也都需要各程度不等的氣體來維持機器的操作與製程的進行﹔所以在流體的控制方面，不只是某些製程的重要參數之一，更是機器設備是否能正常運作有著密切的關係。而控制流體最直接且最方便的方法就是測量它的流量。然而，各種半導體設備所需要的氣體均不完全相同，但彼此又不相容﹔所以在半導體工業裡用來測量並控制流體流量的儀器之使用量便非常地大。以下我們將對質量流量之量測加以介紹。

量)

四、熱式 Mass Flow Sensor 的原理
•層流和亂流
　　通過管徑截面單位面積上之流體在流速甚小、粘度大（雷諾數Re小於其臨界值Rec）之情況下，其流速的經時變動，不因時間改變而呈安定狀態，此時流體呈層狀流動，其運動量與熱交換乃在鄰接流體分子間進行，稱為層流。
　　若雷諾數超過其臨界值時，其經時變動量隨時間經過呈現某些程度的不穩定變化。觀其流動變化情形，呈渦流塊狀流動，其運動量和熱交換乃在塊狀間進行，稱為亂流。•圓管內流體的雷諾數Re=DU/V其中
Ｄ：管直徑　　　　　　　
Ｕ：平均流速　　　
Ｖ：動粘度
　　雷諾數大約在２０００以下時為層流，此時若我們將著色液注入流體內，著色液呈線狀流動；雷諾數增大時，著色液將擴散管內全體，層流和亂流的擴散方式不同之故，管內壓力損失以及管壁和流體間的熱傳導方式亦不同。
舊式流量SENSOR
　　一般之SENSOR其示意圖如上所示，在上、下游端各有一個繞線，材質之選擇乃是考量到其對熱敏感度，藉由量測溫差，便可得知目前之流量，進一步之說明如下：

在U、D處放置兩個線圈，並通以電流並轉換為熱的形式。由熱傳原理可得出圖二之位置對溫度圖，其中U為上游端、D為下游端。當管中無氣體流動時，此時溫度對位置圖為一對稱曲線，當管中有氣體由上游端向下游端流動時，因為能量被氣流由上游端帶往下游端，此時，上游端溫度將下降一個△T的量，而上游端將上升一個△T的量，因為我們選擇的是熱敏材料，故此溫度的差異將可以電阻的形式被檢測出，同時，如果導入線圈之電流為定電流，由△V=I△R，我們則可由對線圈電壓之變化檢測出電阻之變化，亦即溫度變化，也就是此時之流過之流量。

•新式流量SENSOR
　　示意圖如圖三,在流通流體毛細管的上流及下流處，各配置有一組阻抗溫度係數大，綜性良好的阻抗(Ru，Rd)，另外有一組與上述阻抗特性相同的阻抗體，配置在與毛細管不同處之上、下流(Rtu，Rtd)，當做周圍溫度SENSOR，構成定溫電橋電路，在此電橋上含有純電阻(Rsu，Rsd)，使溫度差保持一定。定溫電橋要隨時保持
Ru=Rtu+Rsu
Rd=Rtd+Rsd
　　以上關係成立，SENSOR Ru、Rd控制在比Rtu、Rtd高出相當於Rsu、Rsd分量的溫度差。也就是Sensor之溫度控制在比周圍溫度Sensor- Rtu、Rtd較高之一定溫度差之下。當毛細管內流體流動時，毛細管界面會產生熱轉移，而在上下流SENSOR為了保持溫度一定，乃產生必要的熱量變化，因熱變化量與質量流量成比例關係，所以熱變化量轉換為信號輸出，以此即可以檢測出質量流量。

五、新式 SENSOR 對傳統 SENS-OR 缺點之改進
傳統SENSOR
1.構造及電路簡單
2.補償簡單
3.Response慢
4.SENSOR溫度要設定在較高溫度
5.感度小，易受外來因素影響
新式SENSOR
1.加入周圍環境溫度補償
2.優良之溫度特性
3.經時變化小
4.高速應答(高速Sensor、高速Valve)