MFC（Mass Flow Controller），即质量流量控制器，是一种高精度的仪表设备，能够精确控制并测量气体的质量流量。
一、MFC是什么
MFC是现代工业过程控制中不可或缺的关键设备，它以高精度、高稳定性和广泛的应用领域，在半导体制造、化学工程、生物医药、航空航天以及环境监测等多个行业中发挥着举足轻重的作用。与传统的体积流量控制器不同，MFC直接以气体的质量（而非体积）为控制对象，这在温度变化大或气体种类多样的环境中尤为重要，因为气体的体积会随温度和压力的变化而变化，而质量则保持不变。因此，MFC能够提供更稳定、更准确的流量控制，确保生产过程的稳定性和产品质量的一致性。
MFC（Mass Flow Controller，质量流量控制器）主要功能：
精确流量控制
• 设定与调节流量：可根据工艺需求，精确设定气体或液体的质量流量值，通过内部的控制机构和算法，将实际流量稳定调节至设定值，确保流量的准确性和稳定性，如在半导体制造的化学气相沉积工艺中，能精准控制硅烷等反应气体流量，保证薄膜沉积的均匀性和质量。
• 小流量精确控制：在微小流量控制方面表现出色，能精确控制如几毫升每分钟甚至更小的流量，满足生物医药、微电子等对微量流体精确控制的需求，如在药物研发中对微量试剂的精确添加。
流量监测与显示
• 实时流量监测：内置流量传感器实时监测流体的质量流量，将流量数据转换为电信号，便于系统实时获取流量信息，让操作人员及时了解流量状态，如在石油化工管道中，实时掌握物料流量，便于进行生产调控。
• 流量数据显示：通常配备显示屏直观显示实时流量值，有的还能显示累计流量等其他相关参数，方便操作人员现场查看和记录，也可通过通信接口将数据传输到上位机或控制系统，实现远程监测和管理，如在工业自动化生产线中，可在中央控制室远程查看各管道的流量数据。
气体混合控制
• 多气体比例控制：在需要多种气体按一定比例混合的工艺中，能精确控制每种气体的流量，实现不同气体的精确配比，如在汽车尾气处理的研究中，精确控制氮气、氧气、一氧化碳等气体的混合比例，模拟不同工况。
• 混合精度保证：通过先进的控制算法和高精度的流量控制，确保气体混合比例的准确性和稳定性，保证混合气体的质量和性能符合工艺要求，如在半导体刻蚀工艺中，精确控制四氟化碳和氧气的混合比例，提高刻蚀效果和选择性。
系统保护与安全功能
• 过流保护：当流量超过设定的安全阈值时，自动切断或调节流量，防止因流量过大对设备和工艺造成损坏，如在燃气输送系统中，防止因压力突变等原因导致的流量过大引发安全事故。
• 故障诊断与报警：具备自我诊断功能，能实时监测自身的工作状态，当检测到故障时，及时发出报警信号，提醒操作人员进行维修和处理，如在实验室的气体供应系统中，当MFC出现故障时，及时报警，避免影响实验进程和安全。
二、MFC的原理
MFC的工作原理主要基于热传导原理或压力差原理。其中，热式MFC是最常见的一种类型
• 传感器部分：包含一个加热元件（如热丝）和一对温度检测元件（如热敏电阻）。加热元件以恒定功率加热，当气体流过加热元件时，会带走部分热量，导致加热元件周围温度下降。这一温度变化与通过的气体质量流量成正比。
• 控制部分：温度检测元件感知到的温度变化信号被转换为电信号，并与预设的流量设定值进行比较。控制器根据比较结果调整加热元件的加热功率，以保持加热元件周围温度恒定，从而实现对气体质量流量的精确控制。
而压差式MFC则是通过测量气体的体积流量，并结合温度传感器和压力传感器测量出的信号，通过克拉布龙方程换算到标准状况下的气体体积流量，用于表征气体的质量流量。
三、MFC的结构
MFC的关键组成部分包括：
• 传感器单元：包含加热元件和温度检测元件，是MFC的核心部件。
• 控制电路板：负责信号处理、控制算法执行以及与外部设备的通信。
• 流量调节阀：根据控制信号调节气体通道的开度，以实现对气体流量的精确控制。
• 显示屏与按键：用于人机交互，显示流量信息、设置参数等。
• 壳体与密封件：保护内部元件免受外部环境影响，确保MFC的稳定运行。
MFC传感单元的具体工作过程，简单来说就是这样一个流程：
1. 设置目标流量：使用者会先设置希望MFC达到的气体质量流量值。
2. 传感器测量：MFC的传感单元通过内部的测量传感器，也就是热膜或热丝传感器，来检测气体的温度变化。当气体流过传感器时，会产生冷却效应，使传感器温度下降。
3. 控制阀调节：根据传感器测量到的温度变化，MFC内部的控制电路会调整控制阀的开度，以改变气体通过MFC的速率。
4. 流量计算：MFC内部的流量计算器会使用传感器输出的信号以及其他参数（比如温度、压力）来进行计算，确定实际的气体质量流量。
5. 反馈控制：MFC会持续测量和调整控制阀的开度，实时反馈并控制气体流量，确保它与设定的目标流量保持一致。
通过这一系列步骤，MFC传感单元就能实现对气体质量流量的精确测量和有效控制啦。
四、MFC实现的功能
MFC的主要功能是精确测量和控制气体的质量流量。通过高精度的传感器和先进的控制算法，MFC能够实时监测气体的质量流量，并根据预设值进行精确调节。同时，MFC还支持多种通信协议，便于与上位机或PLC等控制系统集成，实现远程监控和自动化控制。
四、故障原因
MFC（质量流量控制器）出现故障的原因有多种：
传感器故障
• 长期使用老化：传感器元件在长时间使用后，可能会出现性能下降、漂移等老化现象，导致测量不准确，影响MFC的正常工作。
• 受环境因素影响：如温度、湿度、振动等环境条件的剧烈变化，可能使传感器的测量精度受到影响，甚至损坏传感器。例如在高温环境下，传感器的材料特性可能发生改变，导致测量误差增大。
堵塞或污染
• 介质杂质堵塞：如果被测流体中含有杂质、颗粒等物质，可能会堵塞MFC的流道或传感器，使流量测量和控制出现异常。例如在一些工业生产过程中，管道内的铁锈、焊渣等杂质可能进入MFC。
• 化学反应沉积：当流体中的某些成分发生化学反应，可能会在MFC内部形成沉积物，影响流体的正常流动和传感器的测量，比如在化工生产中，一些具有腐蚀性的气体可能与MFC内部材料发生反应。
电气故障
• 电源问题：电源电压不稳定、电源纹波过大或电源故障等，都可能导致MFC无法正常工作。例如电压过低可能使MFC的控制电路无法正常运行，电压过高则可能损坏电子元件。
• 线路连接问题：连接MFC的电线、电缆可能出现断路、短路或接触不良等问题，导致信号传输中断或错误，影响MFC与控制系统之间的通信和数据传输。
控制电路故障
• 电子元件损坏：控制电路中的电容、电阻、芯片等电子元件可能因过热、过电压等原因损坏，导致控制电路无法正常工作，使MFC失去对流量的精确控制。
• 软件程序故障：MFC的控制软件可能存在程序错误、漏洞或版本不兼容等问题，影响MFC的正常运行和功能实现。例如软件升级后与硬件不兼容，可能导致MFC出现异常。
机械部件故障
• 阀门故障：MFC中的阀门可能出现卡涩、泄漏或关闭不严等问题，影响流量的控制精度和稳定性。例如阀门的密封件老化，会导致气体或液体泄漏，使实际流量与设定值不符。
• 传动机构故障：如果MFC具有传动机构，如用于调节流量的丝杆、齿轮等部件，可能会出现磨损、松动等问题，导致流量调节不准确或不灵活。五、MFC在半导体设备中的运用
五.MFC（Mass Flow Controller，质量流量控制器）在以下半导体设备中具有详细作用：
光刻类设备
• Track 光刻胶涂覆与显影：控制乙酸乙酯等光刻胶溶剂流量，确保光刻胶涂覆均匀；控制碳酸钠等显影液流量，保证显影效果。
• 光刻机环境气体控制：精确供应氮气作为保护气体，防止光学元件氧化；immersion机台中的加湿空气流量控制
在准分子激光光源中，精准调控氩气、氟气等激光气体流量和比例，确保激光输出稳定。
离子注入机
• 离子源气体供应：精确控制三氟化硼、砷化氢等气体流量，产生稳定离子束流，保证离子注入剂量和能量精度。
• 吹扫和保护气体控制：控制氮气等吹扫气体流量清除杂质，利用氩气等保护气体防止晶圆表面氧化。
化学气相沉积（CVD）设备
• 反应气体输送：精确控制硅烷、氨气、甲烷等反应气体流量，确保按特定比例混合，使沉积薄膜化学成分、厚度和质量达标。
• 载气调节：控制氩气、氦气等载气流量，携带反应气体均匀输送，提高沉积均匀性和重复性。
蚀刻（刻蚀）机
• 工艺气体供应：精确控制四氟化碳、六氟化硫、三氟化氮等刻蚀气体流量，确保刻蚀反应按预定速率和方向进行。
• 辅助气体控制：控制氧气、氮气等辅助气体流量，优化刻蚀效果，提高选择性和稳定性。
物理气相沉积（PVD）设备
• 溅射气体控制：在溅射镀膜时，精确控制氩气等溅射气体流量，调节溅射粒子能量和数量，影响薄膜生长速率和性能。
• 保护气体供应：通入并控制氮气、氩气等保护气体流量，防止镀膜过程中靶材和基板被氧化。
炉管设备
• 工艺气体控制：在氧化工艺中，精确控制氧气、一氧化二氮等工艺气体流量，确保氧化层生长符合要求；在扩散工艺中，控制携带杂质的气体如磷化氢等流量，实现精确的杂质扩散。
• 气氛调节：控制氮气、氩气等惰性气体流量来调节炉管内气氛，提供稳定环境，防止杂质引入和材料过度氧化。
六、制造厂商
国内：
北京华丞电子有限公司：由北京七星华创流量计有限公司等整合而成，传承了数十年在流量测控等领域的专业优势，旗下拥有热式数字气体质量流量控制器等产品，可广泛应用于半导体等领域。
北京堀场汇博隆精密仪器有限公司：由中方北京汇博隆仪器有限公司与日方Horiba Tec共同出资成立，前身专注研发与制造高性能热式MFC，产品适用领域广泛。
先导元创流体：全资收购沃威仪器（珠海）有限公司，其研发团队有二十年MFC研发经验，自有核心高敏流量信号处理算法，推出了多款MFC产品。
青岛芯笙微纳电子科技有限公司：专注于高端气体流量测控技术，核心团队来自国内外重点科研院校，掌握全链条自主核心技术，已形成多条产品线，新推出的两款半导体专用流量计采用国际领先的高速压电比例阀技术。
中科一通：专注于研发、生产和销售高精度气体流量测控产品，具备全产业链研发生产能力，产品采用先进技术，具有高精度、高稳定性等特点。
成都四洋电子：长期专注于气体流量测控技术的研发与应用，为多个行业提供专业的MFC产品和解决方案，其针对半导体设备开发的MFC产品具有高精度、低漂移等特点。
费尔顿：其母公司江苏高凯精密将压电陶瓷技术应用在流体控制上，经过多年技术累积和研发，将压电技术转化到MFC应用上，实现高端MFC的国产替代。
四川莱峰流体：专注于热式气体质量流量控制器的自主研发生产，在国产MFC市场有一定的竞争力。
国外：
美国Brooks：在流量测量和控制领域拥有丰富的技术和经验，产品精度高、可靠性强，在半导体、化工、制药等众多行业都有广泛应用。
美国MKS：是一家全球知名的提供测量和控制解决方案的公司，其MFC产品在半导体制造、真空镀膜、太阳能等行业中被广泛使用，以高精度、高稳定性和先进的控制技术著称。
日本HORIBA：在分析仪器和测量设备领域具有很高的知名度，HORIBA的MFC产品采用先进技术，精度高、响应快，可应用于多种工业领域，其在中国有全资子公司厚礼博精密仪器（北京）有限公司。
• 美国Alicat Scientific：成立于1991年，专注于流量和压力仪器仪表的制造和供应。产品涵盖多种气体和液体的质量流量控制器，可提供高精度、快速响应的流量控制解决方案，适用于实验室、工业生产、科研等多个领域，以其灵活的配置和易于使用的特点受到用户欢迎。
• 美国Eastern Instruments：1984年成立，主要生产流量测量设备和系统。产品包括适用于空气、气体或固体颗粒的质量流量计、给料器、气流装置和控制系统，在石油化工、能源、食品和农业等行业有广泛应用，还为客户提供合同制造和现场支持服务。
• 日本岛电（SHIMADEN）：在工业自动化控制领域有丰富经验，除了提供温度控制器等产品外，也生产MFC产品。其MFC产品在精度和稳定性方面有一定优势，结合了先进的控制技术和日本制造的高品质，在电子制造、化工等行业有应用。
• 韩国MKP：在气体质量流量计等领域有一定市场份额，产品可定制量程范围和信号类型，适用于多种气体，在半导体等相关产业有应用。
• 法国Bronkhorst：是热式和科里奥利质量流量计及控制器领域的市场领导者，产品涵盖实验室应用、OEM解决方案、一般工业用途和防爆安装等领域，还提供蒸汽输送系统、电子校准系统等。
• Teledyne Technologies Incorporated（美国）：在多个技术领域有广泛业务，旗下有多个品牌从事不同的技术研发和产品制造。在MFC领域，通过收购等方式整合技术和资源，为半导体、航空航天、工业等众多领域提供高精度的MFC产品，产品具有高可靠性和稳定性，能适应各种复杂的工作环境。
• Axetris AG（瑞士）：专注于微技术领域，为OEM客户提供基于MEMS技术的红外光源、激光气体传感器、气体流量传感器及控制器等产品。其MFC产品在工业、电信、环境、医疗和汽车等领域有应用，以高精度、高重复性和小型化等特点著称。
• Hitec Zang GmbH（德国）：是一家为生物技术、化工等领域提供实验室设备和自动化解决方案的企业。提供从毫升到100升规模的反应系统，以及自动化控制系统、计量系统等。其气体混合站GMIX™可提供高精度和高重复性的气体混合，涉及MFC相关技术，在实验室和小型生产场景的气体流量控制方面有一定优势。
• Christian Bürkert GmbH & Co. KG（德国）：在流体控制技术领域有很高的知名度，提供从标准组件到定制化的流体控制系统解决方案。产品范围涵盖各种阀门、传感器、流量计等，其MFC产品结合了先进的流体控制技术和高精度的测量功能，在食品、制药、化工等行业有广泛应用。
• FC TECHNIK（瑞士）：25年来专注于为冶金行业服务，开发和生产flox(on)质量流量控制器。其MFC产品在低流量和高流量范围内都有非常高的控制精度，设计坚固，操作可靠，免维护，用户友好，有经济型和不锈钢等不同版本，适用于压缩空气、氮气、氩气等气体的标准应用及食品行业等特殊应用。
