Когда слышишь 'датчик давления химического раствора', первое, что приходит в голову — это какая-то стандартная коробочка с мембраной, которую воткнул и забыл. Но на практике, особенно в связке с полупроводниковыми линиями, где растворы — это не просто вода, а всякая адская смесь вроде ТМАГ или BOE, эта 'коробочка' становится головной болью. Многие думают, что главное — это диапазон измерения, скажем, до 16 бар, и класс точности. А на деле куда важнее материал мембраны и способ её изоляции, когда агрессивная химия пытается эту самую мембрану за неделю проесть. Видел случаи, когда датчик с 'химически стойкой' хастеллой C-276 всё равно выходил из строя из-за микротрещин в сварном шве изоляционной мембраны. Тут не до стандартных решений.
В спецификациях пишут 'стойкость к кислотам и щелочам'. Но в реальности на полупроводниковом производстве редко работают с чистыми веществами. Часто это горячие, абразивные суспензии (CMP-процессы) или растворы с высоким окислительным потенциалом. Обычная рекомендация — фторопласт (PTFE, PFA) или, в крайнем случае, керамика. Но и тут подвох. Фторопластовая мембрана, даже с металлической армирующей пластиной сзади, со временем 'ползёт' под постоянным давлением. Точность падает, появляется гистерезис. Керамика, например, Al2O3, хороша, но хрупка. Один резкий гидроудар при запуске системы — и микротрещина, которая проявится не сразу, а через месяц нестабильных показаний.
Мы как-то работали над системой подачи травильного раствора для одного завода. Заказчик изначально сэкономил и поставил датчики с мембраной из хастеллоя, ссылаясь на паспортную стойкость к HCl. Но в их растворе был ещё и пероксид водорода, и следы металлических ионов от предыдущих стадий. Комбинация создала эффект, которого не было в таблицах коррозионной стойкости — язвенная коррозия в зазоре между мембраной и корпусом. Через три недели начались утечки. Пришлось срочно менять всю линию на датчики с цельнокерамическим измерительным элементом, но уже с дополнительными демпферами для гашения пульсаций от насоса.
Отсюда вывод: выбирать материал нужно не по общим фразам, а с оглядкой на точный химический состав, температуру, наличие абразивных частиц и даже на динамику процесса (пульсации, возможные гидроудары). Иногда лучше переплатить за датчик с сапфировой мембраной и титановым корпусом, чем потом останавливать линию на неделю.
Ещё один миф — что калибровка раз в год по манометру-образцу решает все проблемы. В системах с химическими растворами сам процесс измерения может загрязнять чувствительный элемент. Допустим, в датчике используется разделительная мембрана, а за ней — силиконовое масло, передающее давление. Если эта мембрана даже микроскопически негерметична, раствор или его пары могут просочиться и изменить свойства масла. Показания начинают 'плыть'. Стандартная калибровка по давлению сжатого воздуха этого не выявит — она покажет, что электрический сигнал соответствует приложенному давлению. А вот то, что через час работы с горячей щёлочью сигнал начнёт дрейфовать, — нет.
Поэтому в критичных процессах, например, при напылении или травлении, где концентрация и давление раствора напрямую влияют на толщину плёнки, мы настаиваем на периодической поверке in-situ, где это возможно. Или используем датчики с 'сухой' технологией, без передающей жидкости. Но они, как правило, дороже и чувствительнее к перегрузкам.
Был курьёзный случай на одном НИИ. Они использовали датчик давления химического раствора для контроля подачи жидкого допанта. Датчик был хороший, керамический. Но система трубопроводов была старая, с множеством завихрений. В растворе со временем выпал мелкодисперсный осадок, который не отфильтровался. И этот осадок постепенно налипал не на саму мембрану, а на стенки небольшой полости перед ней, создавая локальное сопротивление потоку. Фактически, давление на мембране стало отличаться от давления в магистрали. Показания медленно, но верно снижались. Проблему нашли только после вскрытия, когда все логи процесса были уже перепроверены.
Часто инженеры-технологи фокусируются на химической стойкости, забывая про 'железо' и 'софт'. Современный датчик давления — это почти всегда прибор с токовым выходом 4-20 мА или цифровым интерфейсом. В цехах с большим количеством силового оборудования (насосы, чиллеры) наводки — обычное дело. Экранированный кабель — обязательно. Но ещё важнее — правильное заземление. Видел ситуацию, когда разность потенциалов между землёй датчика и землёй контроллера создавала постоянную помеху в 2-3 мА. Это для диапазона 0-10 бар — огромная ошибка. Решили установкой изолирующего преобразователя сигнала.
Цифровые интерфейсы, например, HART или Profibus-PA, казалось бы, надёжнее. Но и тут есть нюанс с химическими средами. Если датчик стоит в зоне, где возможны пары, которые могут проникнуть в корпус клеммной колодки, это может привести к коррозии контактов и нарушению цифровой связи. Поэтому степень защиты корпуса (IP rating) для таких условий должна быть не просто от брызг, а полноценная IP67/IP68, причём с стойкими к парам уплотнениями из материалов типа EPDM или Viton.
Компания ООО 'Сычуань Юаньвэй Синьту Полупроводниковые Технологии' (сайт: https://www.ywxtbdt.ru), которая, как указано, была основана экспертами с 20-летним опытом в полупроводниковой отрасли, в своих рекомендациях всегда акцентирует внимание не только на самом датчике, но и на условиях его интеграции. Их подход, судя по описанию проектов, — это комплексное рассмотрение технологической цепочки. Это правильный путь. Потому что можно купить самый дорогой датчик от топового бренда, но неправильно его смонтировать — и он будет врать или быстро сломается.
Вечный спор технологов и закупщиков. Для неответственных вспомогательных линий, скажем, для подачи моющего раствора на промежуточную промывку, можно ставить более простые и дешёвые модели. Главное — убедиться в стойкости мембраны. Но для процессов, где давление и расход раствора напрямую влияют на параметры wafer'а (кремниевой пластины), экономить нельзя. Отказ такого датчика ведёт к браку целой партии, а это суммы на порядки выше стоимости самого прибора.
Здесь полезно смотреть не на первоначальную цену, а на совокупную стоимость владения (TCO). В неё входит и цена замены, и стоимость простоев, и затраты на более частую калибровку. Иногда оказывается, что датчик за 1000 евро с гарантией 3 года и стабильными характеристиками в итоге выгоднее, чем датчик за 300 евро, который нужно менять каждый год и который раз в квартал даёт сбой, заставляя технологов тратить сутки на поиск несуществующей проблемы в рецептуре.
Опыт компании ООО 'Сычуань Юаньвэй Синьту Полупроводниковые Технологии', судя по их деятельности, как раз подтверждает это. В полупроводниковой отрасли, где цена ошибки крайне высока, надёжность каждого компонента, включая датчик давления химического раствора, является критичной. Их экспертиза, вероятно, позволяет подбирать решения, которые минимизируют риски на этапе проектирования линии, а не постфактум.
Так к чему всё это? Датчик давления — не просто расходник. Это глаза системы управления критичным химическим процессом. Его выбор — это всегда компромисс между химической стойкостью, механической прочностью, точностью, стабильностью и, увы, ценой. Нет универсального решения. Для каждого раствора, для каждого типа производства (фотоника, силовая электроника, MEMS) набор требований будет своим.
Самая частая ошибка — брать то, что уже стояло на 'похожей' линии, не вникая в детали. Состав может отличаться на полпроцента, температура быть на 10 градусов выше, а насос создавать не плавное давление, а микропульсации — и всё, характеристики уже не те.
Поэтому мой совет, основанный на множестве, в том числе и неудачных, внедрений: не стесняйтесь запрашивать у производителя датчика или интегратора, вроде упомянутой ООО 'Сычуань Юаньвэй Синьту', не просто каталоги, а отчёты о тестах в средах, максимально приближённых к вашим. Лучше потратить время на этапе выбора, чем потом героически устранять последствия. И всегда, всегда закладывайте в проект возможность лёгкого доступа для проверки и замены этого, казалось бы, маленького, но такого важного узла.
