COMSOL Multiphysics揭示了工业仪表中不为人知的效应
作者：Simwe 来源：中仿科技 发布时间：2011-07-07 【收藏】 【打印】 复制连接 【大 中 小】 我来说两句：(0) 逛逛论坛
在MKS Instruments公司研发世界一流的质量流量控制器的过程中，建模仿真承担着举足轻重的作用。通过建模仿真，他们对仪表中复杂的气体动力学过程有了更加深入的了解。这使得他们的仪表精度在业内一直保持着首屈一指的地位。
图1 MKS Instruments公司科学家Daniel A. Smith(左)和研发部经理Ali Shajii (右)。
增长率仪器
在新产品和新技术的研发过程中，首要步骤就是对基本概念的分析和优化。在使用软件的仿真的时候，通过把问题简化为1D模型，就可以很快的得到初步结果。通过仿真结果，人们可以了解过程中的物理机制。COMSOL Multiphysics对1D问题的求解具有很好的稳定性，这项特性可以省去将模型扩展到2D和3D时的调试时间。
图2 p-MFV质量流量检测仪，用来测量固定容积内压力的改变速率。Comsol Multiphysics帮助
设计者验证一套Navier-Stokes方程的精度，这套方程被嵌入在仪器的处理器中。
同样的技术可以应用对下一代压力增长率仪器的建模模拟中。增长率仪器常用于半导体制造业，用来测量固定容积内压力的改变速率，表征物质进入容器内的流速。MKS Instruments公司最新研制的产品就是这款p-MFV质量流量检测仪（图2），这款袖珍测试仪器可以提供质量流量控制器（MFC）的原位检测功能。这款下一代质量流量控制器（MFC）含有多项技术革新，将帮助使用者提高半导体和高纯度薄膜制造工业中工具的吞吐量。它具有实时精确的流量控制的能力，并且不受进出流压力分布的影响。在嵌入处理器中采用了高级的数字算法，使得测量精度相对于普通基于PID数字质量流量控制器（MFC）有了显著的提高。
传统的质量流量检测仪在检测过程中并没有考虑气体温度的升高，所以导致增长率仪器有高达10%的测量误差。如果在创建的模型中考虑温度的因素，3D模型中就要加入对含时可压缩Navier-Stokes 方程的求解。
仿真的最终目的是要让这些方程在嵌入p-MKV中的处理器中实时的进行求解运算，研究人员采用Matlab软件对它们进行求解。为了保证嵌入代码中数值的准确性，他们将利用COMSOL Multiphysics 得到的3D仿真结果与实时模型中得到的温度动力学参数进行了比较。在收集实验数据的过程中，他们使用了Matlab数据采集工具箱和基于PC的数字化仪器。通过这种方法，采集的所有实验数据都迅速的转变成Matlab中的格式，所以可以很容易的绘制出压力时间图，并能与COMSOL Multiphysics计算得到的结果图进行对比。对比发现，气体流动速率在很大的范围内，实验结果和仿真结果高达99%的一致。也就是说，如果实时模型在检测仪器中运行，对所有的气体来说，测量误差只有1%。
图3 利用COMSOL Multiphysics模拟得到的密度、温度、速度、压力分布图。
p-MKV增长率仪器中氮气的流速为2000 cm3/min。通过对实时变化的温度的研究，可以进一步的提高仪器的精度。
在这个过程中，研究人员得到了额外有价值的发现。在对COMSOL Multiphysics仿真结果进行分析时，他们惊奇的发现仪器中的气体在流速很快的情况下温度可以到达100oC（图3）。仿真可以帮助他们分析温度增加如何影响流量。
CVD的节流阀
利用COMSOL仿真取得很大进展的另一个领域是在化学气相沉积（CVD）节流阀的设计中。CVD是在特定的单晶衬底（如Si、石英）表面上沉积形成化学薄膜的过程。沉积的物质以气态的形式进入CVD反应室，被称作前躯体。通常情况下，最先进入反应室的是运载气体而不是被沉积气体。
前躯体是用来作为运载气体，常温常压下通常为液体。此外，在反应过程温度下前躯体的气压在几个Torr左右（1Torr=1mm Hg）。然而市场正在趋向于使用低气压的前躯体，随之将带来设计上的一系列的难题。在COMSOL Multiphysics帮助下，研究人员通过建模仿真克服了这一些列的问题。
图4 在节流阀（左）的仿真过程中，插板阀（右）中压力场（表面）和速度场（彩色流线）分布。
压力急剧下降导致的气体膨胀引起了温度的快速下降以及局部压力增加，导致气体液化。
在化学气相沉积过程中反应器中的压力是非常关键的参数，操作人员通过节流阀来进行控制（图4）。阀片可以阻断气流，在阀片两侧形成高达10Torr的压力差。在不到1mm的距离内如此剧烈压力差会导致运载气体温度的剧烈下降。另外，由于开口不对称，在阀片的下游会形成涡流，所以阀片一侧的气流面积要远远大于另一侧。涡流会导致前躯体局部压力的增加。
如果过程中不使用前躯体，问题可能不会出现。压力下降和涡流都会引起温度的下降，进而导致残余前驱体的凝聚。凝聚物会导致过程的污染，长时间的积累会影响阀的使用。在模拟之前，工程师们不能解释凝聚物为什么会出现。利用仿真模拟，研究人员找到了答案并且想出了对策。
图5 节流阀模拟的后处理图，图中揭示了阀内温度的剧烈下降。截面图反映了在器件中部以及器壁和插板中间空隙的温度分布。
为了得到这些结论，研究人员使用了化工模块中的三个应用模式：非等温流、传导和对流、对流和扩散。仿真最困难的部分是分析阀片下游的震动。为了精确的分析震动情况，研究人员采用流线扩散和高密度的网格划分，结果观察到了温度的急剧下降（图5）。
仿真结果清楚的表明，对阀片加热不足以消除由于运载气体的膨胀导致的气体凝聚。研究人员发明了一种解决这个问题的新方法，这个方法正在测试当中将会应用在未来的设计当中。
“无噪音”实验室
相对于其他的有限元（FEA）软件包，COMSOL Multiphysics具有很多独特的优点：稳定的求解1D问题并可以快速计算一个概念，自由的控制偏微分方程（PDEs），设定常微分方程（ODEs）边界条件等。帮助MKS Instruments公司研究人员发现有害效应的原因。很多他们的竞争者都不具备这个水平的模拟水平，在向市场发布产品的时候不能完全了解产品内部所有的细节。
对于MKS Instruments公司研究人员来说，只要他们发现了与实验数据一直的模型，就可以将COMSOL Multiphysics作为一个“无噪实验室”来进一步的完善他们的设计。现场的实验和测量总会包含着一些噪声和不确定因素，但是在仿真里就可以消除这些因素更好的研究在新控制算法和系统背后的基本原理。此外，COMSOL Multiphysics移动网格技术在求解大位移流体相互作用问题的能力，可以帮助研究人员模拟现有产品中的动力学过程以及新产品的开发。
COMSOL在中国，中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具，应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。
关于COMSOL Multiphysics和开发团队
COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理问题的能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站：www.cntech.com.cn。
COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立，现在已经在多个国家（比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国）成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com。
