Automazione e Strumentazione
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Giugno 2013
PORTATA FLUSSO LIVELLO
speciale
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gas è il compito dei
Flow Meter
(FM) e dei
Flow
Controller
(FC).
Tutti i componenti citati (valvole, filtri ecc.)
sono indispensabili per il corretto funziona-
mento della macchina ma l’FC è il cuore del
sistema. Nell’FC sono concentrate le funzioni di
misura e controllo del flusso che giungerà alla
camera di processo. Dovendo svolgere questi
compiti, l’FC è un componente complesso.
L’FC è un sistema capace di controlare il flusso
massico che lo attraversa in funzione del setpoint
ricevuto. In se racchiude gli elementi fondamen-
tali per il controllo: misura e regolazione.
Il gas entra nell’FC viene misurato e confrontato
con il setpoint ricevuto, in funzione della diffe-
renza tra misura e setpoint lo stadio di regola-
zione cercherà di ostacolare o facilitare il flusso
per portarlo/mantenerlo al valore di setpoint.
I componenti base di un FC sono: sensore di
flusso, per misurare il flusso; valvola rego-
lante, per variare la conduttanza vista dal gas e
quindi variarne il flusso; circuito elettronico di
gestione.
I due FC più utilizzati nell’industria semicon-
duttori sono il
Thermal Mass Flow Controller
(TMFC) e il
Differential Pressure Flow Con-
troller
(DPFC).
Thermal mass flow controller
Uno dei flow controller più utilizzati nell’indu-
stria dei semiconduttori si basa su un tipo di sen-
sore che utilizza il trasferimento di calore al fine
di misurare il flusso di gas. Per essere più cor-
retti, si dovrebbe parlare di
regolatore termico
di portata massica
(TMFC).
Il TMFC (
υ
figura 1
) è composto da: sensore
di flusso; bypass; valvola di controllo; circuito
elettronico.
Quando passa attraverso il TMFC, il gas viene
diviso in due flussi distinti: il primo viene
deviato nel sensore (un tubo di metallo) che
fornisce la misura, il secondo flusso prosegue il
suo percorso verso la valvola e l’uscita. Prima di
entrare nella valvola, i due flussi vengono nuo-
vamente raccolti insieme, generando il flusso
totale che deve essere controllato. Il rapporto
tra i due flussi è una costante nota (geometria
bypass). Pertanto, quando sappiamo il flusso che
passa attraverso il sensore, siamo anche consa-
pevoli del passaggio di flusso totale attraverso
il TMFC (cioè la quantità di gas di entrare nella
camera di processo).
Il sensore è costituito da un tubo metallico,
circondato da un riscaldatore e due sensori di
temperatura (
υ
figura 1
). Senza flusso di gas,
la temperatura in tutto il tubo è equilibrata. Il
riscaldatore, situato tra i due sensori di tempe-
ratura, innalza la tempera-
tura. La temperatura rag-
giunge i suoi valori mas-
simi vicino al riscaldatore
e diminuisce simmetri-
camente quando si arriva
lontano dal riscaldatore.
In assenza di gas, i due
sensori di temperatura
misurano valori uguali
(
ΔT=0
).
Le cose cambiano quando
il gas fluisce attraverso il
sensore. La distribuzione
di temperatura non sarà
più simmetrica. Il gas che
scorre attraverso il tubo ha
una temperatura inferiore
al riscaldatore (che è a
circa 80-100 °C) e del sen-
sore stesso. Secondo le sue
proprietà fisiche (in parti-
colare il suo calore speci-
fico), e la sua portata, il gas
entra nel tubo a tempera-
tura ambiente e incontra il primo sensore di tem-
peratura; quindi viene riscaldato dal riscaldatore,
e aumenta la temperatura del secondo sensore.
Il flusso di gas quindi trasferisce calore, creando
un differenziale di temperatura tra le sonde a
monte e a valle (
ΔT≠0
). Vi è una relazione tra
il flusso di gas e il differenziale di temperatura
misurata dai due sensori (
Q=f(T)
): più alto è il
flusso, più alta è la temperatura differenziale.
La differenza di temperatura viene quindi misu-
rata e trasdotta in un segnale elettrico che viene
elaborato (amplificato e linearizzato) per dare
il valore di flusso di gas che passa attraverso il
sensore.
Al fine di sfruttare il principio di misura, il tubo
Figura 1 - TMFC: Principio
di funzionamento
Figura 2 - TMFC Stec Z500X/Z300
