[0001] 本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种流量调节装置和一种质量流量控制器。

[0002] 质量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)是一种用于对气体质量流量进行精密测量及控制的装置，在半导体和集成电路工艺、特种材料学科、化学工业、石油工业、医药、环保和真空等多种领域的科研和生产中有着重要的应用，其典型的应用场合包括:微电子工艺设备(如扩散、氧化、外延、化学气相沉积(Chemical Vapor

[0003] Deposition，PECVD)、等离子刻蚀、溅射、离子注入)以及镀膜设备、光纤熔炼、微反应装置、混气配气系统、气体取样、毛细管测量、气相色谱仪及其它分析仪器。

[0004] 气体质量流量控制器由分流器、流量检测传感器、流量控制装置以及中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、驱动、控制电路板组成。分流器、流量检测传感器组成流量测量模块，流量模拟信号经过电路板上信号放大调理、A/D转换，变成中央处理器可接受的数字量，中央处理器根据用户设定的流量值，采用比例积分微分(PID)控制算法，控制流量控制装置的阀口的开度，达到精确控制气体流量的目的。

[0005] 质量流量控制器流量调节阀通常采用电磁阀或者压电阀。驱动器驱动阀芯阀口的开度方式，采用直动方式，即驱动器行程与阀芯阀口的开度相同。阀芯移动的距离等于阀芯与阀口的开度，等于流过气体的开度。阀芯的行程与流过流量的开度是1:1的关系。对于高精度的MFC控制的气体流量，要求控制系统控制精度、分辨率很高，才能达到1:50(2％～100％F.S.)的流量控制比(流量控制比指MFC能够可靠控制最大流量与最小流量的比值，流量控制比越大MFC控制范围越宽)。对于更高、更稳定、更精确的流量控制很难达到。尤其对于小流量MFC，阀口流过气体开度很小，要想达到1:100

[0006] (1～100％F.S.)甚至更高的1:200(0.5～100％F.S.)流量控制比，无法实现。

[0007] 因此，如何提高质量流量控制器的流量控制比，以扩大流量控制器的流量控制范围，成为本领域亟待解决的技术问题。

[0058] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0059] 如图1所示为现有技术中阀芯200封堵阀口100的原理示意图，在现有技术中，阀芯200通常通过平坦的底面对阀口100中央的内孔进行直动封堵，阀芯200与阀口100之间通过的流体流量Q与阀芯200阀口100开度h对应，流量与阀芯200行程h之间的关系式为：

[0060] 其中，μ为气体黏度，与气体成分有关，R为阀芯的半径，r为阀口100中央受阀芯封堵的内孔的半径，P1为气体流入阀口前的气体压力，P2为气体穿过阀口100的内孔与阀芯200之间的空隙流出后的气体压力。

[0061] 在现有技术中，阀芯200的行程h变化时，流量Q对应发生的变化较大，因此为了同时满足高精度、宽范围的流量控制，必须采用几个不同量程的质量流量控制器实现。并且，为实现阀芯200阀口100的密封功能，对阀芯200与阀口100的平面度和平行度的要求都很高，但受到机械加工的限制，阀芯200阀口100的密封质量往往较差，造成质量流量控制器的内漏(指质量流量控制器在不通电或者控制流量设定为0时流过质量流量控制器的气体流量，是衡量质量流量控制器性能的一个重要指标)较大。

[0062] 为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种流量调节装置，如图2、图4、图5所示，该流量调节装置包括阀口100、阀芯200、驱动组件400、入流通路510和出流通路
520，阀口100中形成有沿阀口100的厚度方向贯穿阀口100的中央出流孔110和至少一个边缘入流孔120，边缘入流孔120的底端与入流通路510连通，中央出流孔110的底端与出流通路520连通。如图6、图7所示，中央出流孔110的顶端具有锥形段111，阀芯200的底部具有锥形部210，驱动组件400用于驱动阀芯200沿靠近或远离阀口100方向运动(即在图4位置与图
5位置之间运动)，以改变锥形部210沿进入锥形段111方向的位置，从而改变流体由入流通路510流动至出流通路520的流量。

[0063] 在本发明提供的流量调节装置中，阀口100的中央出流孔110的顶端具有锥形段111，阀芯200具有形状对应的锥形部210，通过阀芯200的锥形部210的外锥面与中央出流孔
110的锥形段111的内锥面配合实现对阀口100的中央出流孔110进行封堵，在本发明中气体流通路径上的最小流通截面积位于锥形部210与锥形段111的两锥面之间的空间，从而能够使相同的阀芯200行程h对应更小的流量Q变化量，进而提高流量调节装置的流量控制精度及稳定性，扩大了流量调节装置的流量控制范围，进而扩大了应用本发明提供的流量调节装置的质量流量控制器的流量控制精度及稳定性以及流量控制范围。

[0064] 具体地，如图3所示，随着阀芯200沿竖直方向进给，锥形部210与锥形段111的两锥面之间的实际开度为H，开度H与阀芯200行程h之间的对应关系为H＝hsinα，其中α为锥形部210及锥形段111的锥面与竖直方向之间的夹角。

[0065] 而流量Q与开度H之间的对应关系为： 将H＝hsinα代入后可得，本发明中流量Q与阀芯200行程h之间的对应关系为：

[0066] 与现有技术对比可知，同样的阀芯200行程h在本发明中对应的流量Q的变化量为4
现有技术中流量Q的变化量的sinα倍(sinα<1)，即相同的阀芯200行程h对应更小的流量Q变化量，使流量调节装置的流量控制精度及稳定性提高。

[0067] 作为本发明的一种可选实施方式，如图2所示，流量调节装置还包括第一阀体500，入流通路510和出流通路520均形成在第一阀体500中，第一阀体500的顶部形成有安装槽，阀口100设置在安装槽中，入流通路510和出流通路520的一端与安装槽的底部连通，进而分别与边缘入流孔120以及中央出流孔110对应连通。

[0068] 作为本发明的一种优选实施方式，第一阀体500为一体成型结构，以保证入流通路510和出流通路520与安装槽之间的密封性能。

[0069] 作为本发明的一种优选实施方式，如图2、图4、图5所示，流量调节装置还包括第一弹性件300，第一弹性件300用于通过弹性力保持阀芯200在安装槽中的位置，驱动组件400用于驱动阀芯200的锥形部210克服第一弹性件300的弹性力进入中央出流孔110的锥形段111(即由图5状态至图4状态)。

[0070] 在本发明实施例中，阀芯200通过第一弹性件300浮动设置在安装槽中，从而在驱动组件400驱动阀芯200下降时，可以通过锥形部210与锥形段111锥面之间的配合作用使阀芯200自动对中，保证阀芯200对中央出流孔110的密封效果。

[0071] 作为本发明的一种可选实施方式，如图4至图5所示，第一弹性件300为簧片，第一弹性件300的外缘固定设置在安装槽中，第一弹性件300的内缘与阀芯200固定连接。

[0072] 为保证流量调节装置流体通路的气密性，作为本发明的一种优选实施方式，如图2、图4、图5所示，流量调节装置还包括密封推杆600。如图8所示，密封推杆600包括安装块
610、弹性隔膜620和推杆本体630，安装块610中形成有沿厚度方向贯穿安装块610的安装孔，推杆本体630的四周通过弹性隔膜620与安装孔的侧壁连接，以密封安装孔，安装块610与第一阀体500的顶部密封固定连接，以密封安装槽；驱动组件400用于通过推杆本体630推动阀芯200运动。

[0073] 在本发明实施例中，密封推杆600包括安装块610、弹性隔膜620和推杆本体630，推杆本体630的四周通过弹性隔膜620与安装孔的侧壁连接，以密封安装孔，同时弹性隔膜620能够发生形变，从而在保证控制阀流体通路的气密性的同时，允许推杆本体630沿竖直方向运动并传递驱动组件400的进给量。

[0074] 作为本发明的一种可选实施方式，如图4所示，阀芯200的顶部具有第一接触平面，推杆本体630的底部具有凸出的接触球面，且接触球面的球心在安装孔的轴线上，推杆本体630的底部的接触球面用于与阀芯200顶部的第一接触平面接触以推动阀芯200。

[0075] 为保证密封推杆600对安装槽的密封效果，作为本发明的一种优选实施方式，如图8所示，安装块610的底面形成有延伸至安装块610的外侧面且环绕安装块610的轴线的第一配合槽611，第一阀体500的顶部形成有第二配合槽，安装槽形成在第二配合槽的底部。即，安装块610与第一阀体500朝向对方一侧的表面均形成有阶梯结构，从而通过阶梯结构之间的配合关系，进一步保证了密封推杆600对安装槽的密封效果，提高了流量调节装置流体通路的气密性。

[0076] 作为本发明的一种可选实施方式，如图4、图5所示，流量调节装置还包括开度调整垫710，开度调整垫710为环形且套设在阀芯200的外侧，开度调整垫710设置在第一弹性件300的外缘与阀口100之间。

[0077] 在本发明实施例中，第一弹性件300的外缘与阀口100之间设置有开度调整垫710，开度调整垫710用于确定第一弹性件300的外缘高度，从而对阀芯200的初始高度(即未受到密封推杆600推动时的高度)，使流量调节装置具有一个初始的开度，能够流过设定的流量。

[0078] 为保证第一弹性件300位置的稳定性，作为本发明的一种优选实施方式，如图4、图5所示，流量调节装置还包括隔套720，隔套720套设在阀芯200的外侧，且位于第一弹性件
300与安装块610之间。

[0079] 作为本发明的一种可选实施方式，如图2所示，驱动组件400包括升降轴410、横梁420、第二弹性件430和驱动器440，升降轴410沿竖直方向延伸，且升降轴410中形成有沿径向贯穿升降轴410的连接孔411，横梁420垂直于升降轴410且穿过连接孔411，升降轴410能够相对于横梁420升降运动，横梁420的两端均与第一阀体500相对固定(具体地，可以与安装块610固定连接)；

[0080] 连接孔411靠近升降轴410底端一侧的侧壁上形成有与升降轴410同轴的第一容纳孔412，第二弹性件430设置在第一容纳孔412中，且第二弹性件430位于第一容纳孔412的底部与横梁420之间，第二弹性件430用于通过弹力驱动升降轴410的底端远离横梁420；

[0081] 驱动器440用于驱动升降轴410的顶端靠近或远离横梁420，以使升降轴410的底端推动推杆本体630。

[0082] 需要说明的是，第二弹性件430需始终保持为压缩状态，以确保在驱动器440未工作的情况下使升降轴410的底端自动通过推杆本体630间接推动阀芯200封堵住中央出流孔110。

[0083] 作为本发明的一种可选实施方式，如图4所示，升降轴410的底端具有第二接触平面，推杆本体630的顶部具有与安装孔同轴且凸出的锥形面，升降轴410底端的第二接触平面用于与推杆本体630的顶部接触以推动推杆本体630。

[0084] 作为本发明的一种可选实施方式，如图7所示，阀芯200还包括卡合部220和限位部230，卡合部220连接在锥形部210与限位部230之间，限位部230的径向尺寸大于卡合部220的直径，卡合部220的直径不小于锥形部210的最大直径，第一弹性件300的内缘套设在卡合部220上。

[0085] 在本发明实施例中，卡合部220用于与第一弹性件300(簧片)的内缘卡合，限位部230的径向尺寸需略大于第一弹性件300的内缘直径，从而利用卡合部220与第一弹性件300之间的配合关系实现对阀芯200径向位置的限位。

[0086] 作为本发明的一种可选实施方式，如图2所示，驱动组件400还包括安装座450，安装座450具有沿厚度方向贯穿安装座450的避让孔，安装座450固定设置在安装块610上，横梁420固定设置在安装座450上，升降轴410的底端穿过避让孔与推杆本体630接触。

[0087] 作为本发明的一种可选实施方式，如图2所示，连接孔411靠近升降轴410顶端一侧的侧壁上形成有与升降轴410同轴的第二容纳孔413，驱动器440设置在第二容纳孔413中。

[0088] 作为本发明的一种可选实施方式，驱动器440可以为压电陶瓷驱动器、电磁铁驱动器，或者也可以为其他类型的驱动器，例如，直线电机、电动推杆等。

[0089] 在驱动器440断电或未工作的情况下，如图2、图4所示，第二弹性件430的弹力使升降轴410的底端远离横梁420，升降轴410下降并通过推杆本体630间接下压阀芯200，使阀芯200封堵住中央出流孔110，质量流量控制器的开度为零；

[0090] 在对流量进行调节时，驱动器440驱动升降轴410的顶端远离横梁420，以调节升降轴410的高度，使升降轴410升高距离h，如图5所示，弹性隔膜620恢复形变并保持推杆本体630的顶部跟随升降轴410的底端，使推杆本体630发生同等距离h的上升，进而使阀芯200在第一弹性件300的弹性力及流体压强作用下跟随推杆本体630上升对应距离h。此时，锥形部
210与锥形段111的两锥面之间开度为H，开度H与阀芯200行程h之间的对应关系为H＝hsinα。

[0091] 作为本发明的一种可选实施方式，如图2、图4、图5、图6所示，边缘入流孔120的数量为多个，阀口100的底面上形成有环绕阀口100轴线的第一连通槽121，多个边缘入流孔120的底端通过第一连通槽121连通，阀口100的顶面上形成有环绕阀口100轴线的第二连通槽122，多个边缘入流孔120的顶端通过第二连通槽122连通。

[0092] 边缘入流孔120的直径与数量需根据流量调节装置的最大流量确定，第一连通槽121与第二连通槽122的直径与深度同样也需根据流量调节装置的最大流量确定。优选地，边缘入流孔120的直径与第二连通槽122的深度需足够小，以提高流量调节装置的响应速度，缩短流量调节装置的响应时间。

[0093] 为提高中央出流孔110与入流通路510对接处的密封性能，作为本发明的一种优选实施方式，如图6所示，阀口100的底面上还形成有与中央出流孔110同轴的密封槽112，如图4所示，密封槽112中设置有密封件800，用于对阀口100的中央出流孔110与入流通路510的对接处进行密封。

[0094] 本发明通过改变流量调节装置的阀芯、阀口部件的结构及分布位置，提高了流量调节装置的流量控制比以及流量控制精度，提高了流量控制范围(即提高流量控制比)，使流量调节装置的流量控制范围突破2％‑100％F.S.(即满量程的2％‑100％)的范围，达到0.5％‑100％F.S.的流量控制范围，且流量波动可保持不超过0.1％F.S.。通过一台应用有本发明提供的流量调节装置的质量流量控制器(MFC)即可实现很宽的流量控制范围，将现有技术中需多个不同流量控制范围的质量流量控制器组合实现的流量控制范围用一台质量流量控制器代替，减少了质量流量控制器的设备占用空间和设备数量，极大地降低了机台空间占用和物料成本。

[0095] 作为本发明的第二个方面，提供一种质量流量控制器，该质量流量控制器包括流体通路11、流量检测组件和本发明实施例提供的流量调节装置，流体通路11与流量调节装置的入流通路510和出流通路520连通，流量检测组件用于检测流体通路11中流过的流体流量。

[0096] 在本发明提供的质量流量控制器中，流量调节装置的阀口100的中央出流孔110的顶端具有锥形段111，阀芯200具有形状对应的锥形部210，通过阀芯200的锥形部210的外锥面与中央出流孔110的锥形段111的内锥面配合实现对阀口100的中央出流孔110进行封堵，在本发明中气体流通路径上的最小流通截面积位于锥形部210与锥形段111的两锥面之间的空间，从而能够使相同的阀芯200行程h对应更小的流量Q变化量，进而提高流量调节装置的流量控制精度及稳定性，扩大了流量调节装置的流量控制范围，进而扩大了应用本发明提供的流量调节装置的质量流量控制器的流量控制精度及稳定性以及流量控制范围。

[0097] 作为本发明的一种优选实施方式，如图9所示，该质量流量控制器还包括第二阀体10和控制模块50，流体通路11形成在第二阀体10中，流体通路11与出流通路520的出流端连通。

[0098] 流量检测组件包括前置压力传感器20、第一流量检测传感器30和第二流量检测传感器40，其中，前置压力传感器20用于检测入流通路510中的流体压力，第一流量检测传感器30用于检测出流通路520中的流体流量，第二流量检测传感器40用于检测流体通路11中的流体流量。

[0099] 控制模块50用于根据前置压力传感器20、第一流量检测传感器30和第二流量检测传感器40的检测结果调节流量调节装置的阀口的开度，以使流体通路11中的流体流量达到预设流量。

[0100] 在本发明实施例中，流体通路中的流体流量由第一流量检测传感器30和第二流量检测传感器40检测。质量流量控制器的主体结构由第一阀体500与第二阀体10两部分构成，二者之间的连接处只有一处密封，与传统的三段结构(进气接头+通道+出气接头)连接处的两处密封方案相比，减少了需密封位置的数量，提高了产品的可靠性。

[0101] 并且，质量流量控制器的入口处配置有一个前置压力传感器20，可以反馈入口处的压力变化，质量流量控制器根据入口压力不同，在控制流量时预先给定一个与压力相关联的开度，设定这个开度与设定流量开度相比略小，控制模块根据设定流量能够很快达到设定流量，从而提高质量流量控制器的响应速度。

[0102] 质量流量控制器在工作时，控制模块50根据用户设定的流量和前置压力传感器20检测到的气体压力，给流量调节装置一个相应的调节开度信号，使阀芯与阀口之间产生一定的开度，气体通过阀口并流过第一流量检测传感器30和第二流量检测传感器40下部，第一流量检测传感器30和第二流量检测传感器40检测到实际流过的流量，控制模块50根据第一流量检测传感器30和第二流量检测传感器40检测到的流量，与设定的流量比较，通过PID控制算法，对流量调节装置进行控制。

[0103] 具体地，如果第一流量检测传感器30和第二流量检测传感器40检测到的流量大于设定的流量，那么控制模块50就根据PID控制算法，减小阀芯阀口的开度H，减小流过质量流量控制器的流量；如果第一流量检测传感器30和第二流量检测传感器40检测到的流量小于设定的流量，那么控制模块50就根据PID控制算法，增大阀芯阀口的开度H，增大流过质量流量控制器的流量，通过以上的反复修正调节流量，最终实现流量的控制。

[0104] 为保护质量流量控制器免受外界杂质或污染物的干扰，作为本发明的一种优选实施方式，如图9所示，质量流量控制器还包括外罩，外罩固定设置在第一阀体500和第二阀体10上，且套设在流量检测组件和控制模块50的外侧。

[0105] 本发明通过改变流量调节装置的阀芯、阀口部件的结构及分布位置，提高了流量调节装置的流量控制比以及流量控制精度，提高了流量控制范围(即提高流量控制比)，使流量调节装置的流量控制范围突破2％‑100％F.S.(即满量程的2％‑100％)的范围，达到0.5％‑100％F.S.的流量控制范围，且流量波动可保持不超过0.1％F.S.。通过一台本发明提供的质量流量控制器即可实现很宽的流量控制范围，将现有技术中需多个不同流量控制范围的质量流量控制器组合实现的流量控制范围用一台质量流量控制器代替，减少了质量流量控制器的设备占用空间和设备数量，极大地降低了机台空间占用和物料成本。

[0106] 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。