質量流量計與質量流量控制器（MFM／MFC）原理、種類與選型

質量流量控制器（Mass Flow Controller, MFC）是半導體製程、薄膜沉積、燃料電池測試與實驗室配氣最常用的氣體流量元件。本文整理 MFM 與 MFC 的差別、熱式／層流差壓／科氏力三種量測原理，以及反應時間、量程比、氣體選擇與通訊介面等選型重點。

MFM 與 MFC 是什麼？為什麼要量「質量」流量

氣體會隨溫度與壓力膨脹或壓縮，同樣「1 公升」的氣體在不同壓力下所含的分子數並不相同。化學反應與製程配方真正關心的是分子數量（莫耳數），因此工業上多以質量流量，或換算到標準狀態的體積流量（例如 sccm、SLPM）來表示氣體流量。SCCM 與標準狀態的換算方式，可參考本站知識專欄〈體積流量與質量流量差異〉一文。

• 質量流量計（MFM）：由流量感測器與訊號處理電路組成，輸出即時流量，常用於監測、記錄與計量。
• 質量流量控制器（MFC）：在 MFM 的基礎上加入比例控制閥（電磁閥或壓電閥）與 PID 控制電路，接受設定值（setpoint）後自動開關閥門，使流量穩定在目標值。
• 壓力控制器（Pressure Controller）：與 MFC 結構類似，但控制目標是壓力，常與 MFC 搭配用於反應腔體或背壓控制。

三種主流量測原理

1. 熱式質量流量計（Thermal Mass Flow）

傳統熱式 MFC 讓一小部分氣體流經毛細感測管（capillary sensor tube），管外繞有加熱線圈與上下游溫度感測元件；其餘主流經過旁通分流元件（bypass），以固定比例分流。氣體流動會把熱量從上游帶往下游，形成溫差，溫差大小與質量流量及氣體定壓比熱（Cp）成正比。另有將感測晶片直接置於流道中的 MEMS 熱式設計。

• 優點：技術成熟、對入口壓力變化較不敏感、選擇多。
• 限制：讀值依氣體熱性質而定，校正氣體與實際氣體不同時需換算；感測管細小，怕微粒、冷凝與沉積；反應時間受熱傳導速度限制，一般約數百毫秒至數秒。

2. 層流差壓式（Laminar Differential Pressure）

流體通過層流元件（Laminar Flow Element, LFE）時維持層流狀態，依哈根－泊肅葉定律（Hagen–Poiseuille），體積流量與元件前後差壓成正比、與氣體黏度成反比。儀器同時量測絕對壓力與溫度，即可算出氣體密度，再換算成質量流量與標準體積流量。

• 優點：壓力感測器反應快，整體反應時間可達數十毫秒等級；量程比常見 100:1 以上；同一台儀器可依內建黏度資料切換多種氣體，並同時輸出壓力、溫度、體積流量與質量流量。
• 限制：需要乾淨、乾燥的氣體；層流元件會產生一定壓降，低壓差系統需選擇低壓損設計。子嘉代理的 Alicat 流量計即採用此原理。

3. 科氏力質量流量計（Coriolis）

流體流經振動的量測管時產生科氏力（Coriolis force），使管子兩端振動出現相位差，相位差與質量流量成正比，同時還能由振動頻率求得流體密度。

• 優點：直接量測質量，與氣體種類、組成、溫度、壓力無關，精度高，液體與氣體都能量測。
• 限制：低密度氣體在小流量時訊號較弱；對外部振動與安裝應力較敏感；體積與成本通常高於熱式與層流差壓式。

註：表中數值為業界常見的一般範圍，實際性能依型號與規格書為準。

MFC 選型重點

• 氣體種類與相容性：腐蝕性氣體（如 NH₃、Cl₂、HCl）需 316L 不鏽鋼流道與相容的密封材質（如 FFKM）；可燃或毒性氣體需考量洩漏率與防爆需求。
• 流量範圍與滿刻度（Full Scale, FS）：常用流量最好落在滿刻度的 20%～80%。滿刻度選太大，低流量時精度會變差。
• 精度規格看清楚：「±1% FS」代表全範圍誤差固定，100 sccm 滿刻度時誤差為 ±1 sccm，在 10 sccm 時等於讀值的 ±10%；「±% of Reading」則隨讀值等比例縮小，低流量時更有利。
• 標準狀態：sccm、SLPM 的參考溫度可能是 0°C、20°C 或 25°C，與既有設備對接時必須一致，否則會有約 7%～9% 的差異。
• 壓力條件：確認入口壓力、出口壓力（大氣或真空）與最高耐壓。MFC 控制閥需要足夠壓差才能達到滿刻度流量，供氣壓力偏低時要選低壓差閥。
• 反應時間：一般以「達到設定值 ±2% 以內」定義。原子層沉積（ALD）、脈衝供氣或快速配比切換需要毫秒等級反應。
• 洩漏率與接頭：半導體與高純度氣體常要求金屬密封與氦氣洩漏率（如 10⁻⁹ atm·cc/s 等級）；接頭有 VCR、卡套式（compression）、NPT 等。
• 輸出與通訊：類比 0–5 V、0–10 V、4–20 mA；數位 RS-232／RS-485、Modbus RTU／TCP、EtherNet/IP、PROFIBUS、EtherCAT、DeviceNet 等。是否需要本機顯示、累積流量（totalizer）也要一併考慮。
• 校正與追溯：確認校正氣體、校正點與追溯性（traceability），並依製程要求定期校正。

常見應用

• 薄膜沉積（CVD、PVD、ALD）：製程氣體與載氣的精密流量控制。
• 多種氣體混合：以多台 MFC 依比例配出標準氣或反應氣。
• PEM 電解槽與燃料電池測試：氫氣、氧氣、空氣的供氣與產氣量測。
• 觸媒評估、環境測試艙、洩漏測試、氣體分析儀校正與實驗室研究。

常見問題（FAQ）

MFC 和 MFM 有什麼不同？

MFM 只量測並輸出流量；MFC 多了控制閥與控制電路，可依設定值自動調整流量。若流量由其他設備控制、只需監測或計量，選 MFM；需要穩定供給特定流量時選 MFC。

MFC 可以拿來量其他氣體嗎？

熱式 MFC 可套用氣體修正係數換算，但係數為近似值，誤差會增加，混合氣更需注意；層流差壓式通常可在內建氣體清單中直接切換；科氏力式則不受氣體種類影響。重要用途建議以實際氣體校正。

MFC 的反應時間大約多久？

依原理而異。熱式受感測管熱傳速度限制，一般約數百毫秒到數秒；層流差壓式以壓力感測器為基礎，可達數十毫秒等級。實際反應時間也受管路體積、上游壓力穩定度與控制參數影響。

±1% FS 和 ±1% of Reading 哪個比較好？

常用流量接近滿刻度時兩者差異不大；但在低流量區，±% FS 的相對誤差會快速放大，±% of Reading（或「讀值＋滿刻度」組合規格）表現較好。量程比要求高的應用，請以讀值精度規格比較。

MFC 多久要校正一次？

一般建議每年校正一次，製程關鍵或稽核要求較嚴的場合可縮短週期。若更換氣體、管路受污染或讀值與上下游設備明顯不一致，也應提前校正。

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• 氣體質量流量計／質量流量控制器：MFM、MFC、壓力控制器，多種流量範圍與通訊介面。
• 液體流量計／科里奧質量流量計：液體流量量測與科氏力質量流量計。
• 校正儀器：流量與壓力校正用參考儀器。

相關應用說明：

• 薄膜沉積應用
• 多種氣體混合應用
• PEM 電解槽應用

延伸閱讀：體積與質量流量換算、真空計種類與範圍、微流體壓力vs注射幫浦、微型環形齒輪泵選型、微差壓量測與選型

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