劉明瀟，胡 亮，傅 新

(浙江大學 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

引言

半導體、生物醫(yī)藥、電子級化工等領域面臨工藝介質(zhì)的超潔凈流控需求，即實現(xiàn)介質(zhì)輸控的同時確保其不被金屬、離子、顆粒物、細菌等污染，以保障后續(xù)工藝效果。以半導體集成電路制造中的浸沒式光刻工藝為例：將半導體廠污水進行二次處理，形成超潔凈的浸沒液體，填充于硅片與物鏡之間，形成液體鏡頭，從而實現(xiàn)超精密的納米級線寬曝光。為此，要求浸沒液體的輸控過程中不能產(chǎn)生任何一個50 nm以上尺度的顆粒物，且金屬、離子、細菌等污染物含量需保持在ppb甚至ppt級別，以確保曝光良品率與所制造器件性能[1-3]。此外，在上述領域中，大量工藝介質(zhì)為強酸、強堿等腐蝕性液體。因此，要求其流控部件的流道材料耐腐蝕，且結構設計能避免腐蝕性液體外泄，以確保使用可靠性與安全性。閥是流體介質(zhì)輸控的核心部件，但傳統(tǒng)閥由于其材料本身不耐腐蝕且會對介質(zhì)產(chǎn)生金屬污染，無法滿足超潔凈流控要求。傳統(tǒng)球閥、閘閥、蝶閥的設計中，還通常設置有類似閥桿這樣的傳動部件，以實現(xiàn)閥芯或閥門被外部驅(qū)動，這導致其原理上難以消除動密封點，在頻繁啟閉過程中易產(chǎn)生外密封失效，導致內(nèi)部介質(zhì)與外界相通而引發(fā)污染與泄漏[4]。此外，閥的密封往往采用滑動摩擦副，該摩擦副需承受正壓載荷以實現(xiàn)密封效果，導致其摩損和顆粒脫落較為嚴重，不能很好地適應超潔凈的需求。

為此，需開發(fā)具有超潔凈、耐腐蝕、防泄漏等特點的超潔凈閥[5]：① 其與介質(zhì)接觸的材料具有極佳的化學穩(wěn)定性，耐化學腐蝕的同時，不對外釋放金屬、離子等污染物；② 其結構嚴格杜絕內(nèi)部介質(zhì)與外界相通，避免閥內(nèi)介質(zhì)的外泄漏；③ 流道表面需具有極低的粗糙度，以減小流體介質(zhì)接觸面積，降低化學反應活性，并避免細菌與顆粒物等滯留于表面微坑；④ 在閥的傳動與密封中，盡可能少地產(chǎn)生磨損和顆粒物。

針對上述要求，目前業(yè)界普遍采用超純?nèi)芰喜馁|(zhì)(如過氟烷氧基PFA、聚四氟乙烯PTFE等)的隔膜閥實現(xiàn)超潔凈流控。一方面，超純PFA、PTFE等材料具有耐腐蝕、低污染物釋放、表面光潔性好等特點；另一方面，該類閥采用PTFE等材質(zhì)加工而成的彈性撓性元件作為隔膜，實現(xiàn)閥口啟閉與閥腔密封，將外側閥桿等驅(qū)動器件和流道完全隔離，消除了動密封點的同時，避免了流體受到外部污染與向外泄漏[6-8]。但由于現(xiàn)有隔膜的疲勞受力性能較差，頻繁操作后易疲勞破裂，而隔膜閥結構無法采用密封填料，致使一旦隔膜產(chǎn)生破裂或穿孔，閥內(nèi)介質(zhì)將直接與外界相通，因此長期可靠性差與壽命短成為該類閥最大的缺點，其介質(zhì)泄漏引發(fā)產(chǎn)線停產(chǎn)甚至安全事故的事件時有發(fā)生[9]。

本研究提出一種全新的永磁體內(nèi)嵌式超潔凈閥設計方案。將永磁體嵌入超潔凈材料(超純PFA、PTFE)所制的閥芯內(nèi)，通過閥腔外部的永磁體驅(qū)動閥芯啟閉，避免了傳統(tǒng)隔膜閥利用隔膜進行閥口啟閉與閥腔密封帶來的疲勞壽命問題，從而可實現(xiàn)更為安全可靠的液體介質(zhì)超潔凈控制。將介紹該閥的工作原理，并就其可行性進行仿真驗證，進而就閥芯啟閉與控制特性進行優(yōu)化設計。

1 永磁體內(nèi)嵌式超潔凈閥的工作原理和優(yōu)勢

1.1 工作原理

如圖1所示，超潔凈閥芯由內(nèi)嵌永磁體和外層包覆的超潔凈材料層組成。超潔凈材料層采用超純PFA，PTFE等材質(zhì)，可利用熱加工工藝，在其注塑(PFA)或燒結(PTFE)過程中嵌入永磁體，或可通過材料的焊接密封、螺紋配合密封、膠合、增材制造、涂層、裹覆等方式，實現(xiàn)永磁體包覆，從而成為整體閥芯。由于超潔凈材料層對磁場無阻礙，在實現(xiàn)永磁體與流體介質(zhì)之間隔離的同時，閥芯可被外部磁場非接觸式驅(qū)動，有效保證了流體的超潔凈特性。閥芯結構包括前端密封錐面和用來固定徑向位置并開有U形槽通流的尾翼(如圖1c所示)。通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)輪帶動外部控制永磁體軸向運動，改變外部永磁體和內(nèi)嵌永磁體的距離，從而調(diào)節(jié)內(nèi)嵌永磁體受到磁力的大小與閥芯運動方向，實現(xiàn)閥開啟/閉合狀態(tài)的切換(如圖1a、圖1b所示)。此外，在超潔凈閥芯裝配完成后可通過超聲波焊接等方式永久封閉閥端與閥身的連接處，保證所輸送流體和外界環(huán)境的隔離。

1.閥端 2.閥身 3.超潔凈裹覆層 4.內(nèi)嵌永磁體 5.外部控制永磁體 6.連接卡箍 7.調(diào)節(jié)輪 8.超潔凈閥芯 9.固定永磁體

1.2 優(yōu)勢

采用永磁體內(nèi)嵌式結構設計的主要優(yōu)勢有：

(1)依靠磁力實現(xiàn)了閥芯運動的非接觸式控制，相對于傳統(tǒng)閥消除了動密封點，可使得內(nèi)部介質(zhì)與外界完全隔離開，從根本上杜絕了外泄漏的風險，同時使內(nèi)部流體不再受來自外部的污染，有力保障了超潔凈性能；

(2)相對于隔膜閥，不存在具有彈性且承受循環(huán)交變應力的薄膜件，無易損部件，大大提高了閥的整體壽命、杜絕了因隔膜破裂或穿孔而內(nèi)部介質(zhì)與外界相通的風險。

2 可行性驗證

2.1 閥芯受力分析

如圖2所示，閥芯在水平方向受磁力合力Fm、流體等效作用合力Fl和摩擦力等效合力Fs的作用。由于開有U形孔的導向尾翼與流室內(nèi)壁采用間隙配合，且無正壓載荷作用在其上，另外為了減少滑移磨損和顆粒脫落，對閥芯滑移副的粗糙度要求須在Ra0.60以下[4]，故有理由認為摩擦力足夠小可以忽略不計，通過比較不同狀態(tài)下驅(qū)動磁力Fm和流體等效作用力Fl的大小可以判斷閥是否可完成正常的啟閉功能。

圖2 水平方向閥芯受力示意圖

閥芯正常啟閉時應滿足如下條件：

(1)

其中，x為閥芯的開度；s為外部控制永磁體到閥腔外壁面的距離；Fl包括由閥芯軸向兩側壓差引起的流體推力Fl1和流體介質(zhì)流過閥芯帶來的黏性力Fl2，不同位置下的Fl1在Fluent中由閥芯壁面處水平法向壓強積分算出；黏性力Fl2可以在速度仿真結果中由“Report-Viscous”導出；對應位置下的Fm由comsol磁場仿真得到。

2.2 基于Fluent的流體對閥芯作用力仿真

1)判斷流動狀態(tài)

選擇進出口的流道內(nèi)徑d=8 mm進行計算，根據(jù)文獻[9]中給出的數(shù)據(jù)，與本研究研究對象相似類型的面向半導體制造領域的超潔凈隔膜閥，其承受壓力約0.4 MPa，同時全開時最大流量Qmax為8 L/min。取閥芯開度x=1, 2, 3, 4, 5, 6 mm系列等梯度開度進行閥芯受流體作用力仿真計算。當閥芯開度x=1 mm時，目標流量最小，Qmin=1 L/min，由此算出最小流量下閥內(nèi)進出口的平均流速和雷諾數(shù)：

(2)

(3)

閥內(nèi)流體流動的最小雷諾數(shù)為2653，判斷流動狀態(tài)為湍流，因此在后續(xù)的Fluent仿真計算中選擇計算精度高、運算量小的Standardk-ε湍流模型進行求解。

2)不同開度下的流場仿真

在Fluent軟件中對不同閥芯開度x=1，2，3, 4，5，6 mm下進行流場分析和閥芯受力的仿真，參考超潔凈流控系統(tǒng)中的閥一般承受0.4 MPa的壓力，定義閥入口為壓力入口pinlet=0.4 MPa。因為相同應用場景的超潔凈隔膜閥流量隨開度大小基本呈首尾較平緩、中部比例性較好的線形變化[9]，取全開時最大流量Qmax=8 L/min,出口定義為與開度相對應的系列速度出口voutlet=0.33，0.82，1.32，1.79，2.27，2.71 m/s進行仿真計算。

圖3反映了不同閥芯開度下閥腔內(nèi)的速度分布情況，根據(jù)速度邊界條件的設置，此時對應的流量曲線如圖4所示?？梢钥闯觯S著閥芯開度和流速的增大，靠近閥口壁處形成了渦，并且隨著流速的增大，渦逐漸發(fā)展充分、形貌明顯，這意味著隨著流速增大將有更多的能量耗散和更大的壓力損失，為研究不同開度流量下的壓力損失，在Fluent中監(jiān)測閥出口的壓力，得到壓損曲線，如圖5所示。

圖3 不同閥芯開度下流線圖

圖4 流量曲線

從圖5可以看出，隨著閥芯開度的增大，流經(jīng)閥流體的壓力損失逐漸增大，這是因為閥芯開度變大后流速增加。更大的流速意味著更劇烈的渦流和更大的能量損失。當閥完全打開時，壓力損失約為25 kPa。

圖5 壓損曲線

為了驗證磁場力能否有效驅(qū)動閥芯完成啟閉動作，對處于不同位置下的閥芯受力進行了分析與監(jiān)測，在閥芯運動的軸向方向上，閥芯受到由流體壓差引起的流體推力Fl1和流體介質(zhì)流過閥芯帶來的黏性力Fl2，在后處理“Report-Force”中導出如下：

流體對閥芯的推力是由閥芯軸向兩端的壓差產(chǎn)生的，包括因流體動量改變在沖擊壁面處壓強增大產(chǎn)生的壓差和因閥口流速增大產(chǎn)生的壓差，前者形成的推力方向朝向流道出口，后者形成反向的吸力，對閥芯表面壓強軸向分量進行面積分即得到流體對閥芯的推力。如圖6a所示，隨著閥芯開度增加，流體對閥芯的推力表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，前段的增大是因為在小開口條件下，流體沖擊閥芯壁面帶來的動量改變對閥芯尖端處壓強增加效果明顯，后段略有減小是因為隨著開口增大，流量及閥口處速度增加明顯，根據(jù)伯努利原理此時壓強有所減小，推力減弱。圖6b顯示閥芯受到推力的主要作用位置是閥芯尖端的密封口處。

圖6 流體對閥芯的作用力

除流體產(chǎn)生的推力外，閥芯還受到流體流過產(chǎn)生的黏性力，圖6c顯示隨著開度增加，閥腔內(nèi)流速增大，故流體流經(jīng)閥芯產(chǎn)生的黏性力增大。不同位置下流體推力和黏性力對閥芯產(chǎn)生的合力如圖6d所示，即閥芯在運動過程中不同位置受到的流體等效作用合力Fl，其方向朝向流道出口的方向。

3)閥閉合時閥芯承受靜壓力計算

在閥芯閉合、閥關閉時，流道內(nèi)介質(zhì)不再流動，閥芯承受進口側流道中液體的靜壓力，大小為：

F密封=F靜壓=pinletA=20.11 N

(4)

所以，閥閉合時磁力需要提供至少20.11 N的密封力，相較于前面得到的閥芯運動過程中受到的流體作用力，這一值高出幾個數(shù)量級，故而閉合狀態(tài)下閥芯所需的密封力才是決定磁場強度如何選擇的主導參數(shù)。

2.3 基于Comsol的閥芯驅(qū)動磁力仿真

根據(jù)計算出的磁路需提供的密封力，選用型號為釹鐵硼N40的永磁體，其剩磁強度為1.25～1.28 T。在Comsol中計算出閥處于不同狀態(tài)時閥芯受到的磁力大小，來驗證閥是否可完成正常的啟閉功能。

1)閥由開啟到閉合的可行性驗證

取最大閥芯開度x=6 mm、外部控制永磁體緊貼閥身外壁s=0的位置進行驗證。圖7顯示了閥芯完全開啟但外部控制永磁體移動到緊貼閥體位置時的磁場分布情況，對閥芯內(nèi)嵌永磁體所在域添加“力計算”，積分得到閥芯受到的軸向磁力為16.53 N，正值表示受力方向指向x軸的正向，而根據(jù)前一節(jié)的計算，此時閥芯受到的流體作用合力僅為42.88 mN，方向為x軸負向，所以閥芯將在磁力的作用下正向移動，即閥在開啟狀態(tài)下可以實現(xiàn)閉合。

圖7 x=6 mm, s=0時的磁場分布

2)閥芯閉合時可密封的驗證

取閥芯閉合x=0,外部控制永磁體緊貼閥身外壁s=0的位置進行驗證。閥芯密封時的磁場分布如圖8所示，積分得到閥芯軸向受力為25.52 N，方向為x軸正向，閉合狀態(tài)下閥芯承受的流體靜壓力為20.11 N，方向指向x軸負向，所以閥在閉合狀態(tài)下可由磁力實現(xiàn)密封。

圖8 x=0, s=0時的磁場分布

3)閥由閉合到開啟的可行性驗證

取閥芯閉合x=0,外部控制永磁體通過旋轉(zhuǎn)帶螺紋的調(diào)節(jié)手輪移動至距離閥身外壁s=7 cm的位置進行計算。圖9顯示了外部控制永磁體處于遠距離時的磁場分布情況，對閥芯所在域積分計算，得到閥芯軸向受力為-0.96 N，負號代表磁場力指向x軸負向，產(chǎn)生負向力的原因是，為了增強由閉合到開啟過程中的驅(qū)動力，彌補流體作用力推動閥芯的不足，在閥端的最左側設置有固定永磁體，其與閥芯內(nèi)嵌永磁體異名放置，在外部控制永磁體調(diào)節(jié)到遠距時可以吸附閥芯，打開閥門。此時，流體作用力為5.25 mN且與磁場力同向，指向x軸負方向，閥芯在磁力與流體合力共同作用下打開，即通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)輪拖動外部控制永磁體到遠端可以實現(xiàn)閥由閉合狀態(tài)到開啟狀態(tài)的切換。閥可以完成正常的啟閉功能，可行性得到驗證。

圖9 x=0, s=7 cm時的磁場分布

3 驅(qū)動磁路的優(yōu)化

3.1 現(xiàn)有驅(qū)動磁路的問題

在仿真計算中，雖然閥正常的啟閉動作得到了驗證，但是也暴露出當前驅(qū)動磁路存在的主要缺點：

(1)當前驅(qū)動磁路使閥僅有啟與閉兩個狀態(tài)，磁路不能調(diào)節(jié)閥芯的精確位置，且由關閉到開啟切換時，驅(qū)動力較小，易產(chǎn)生閥不能完全開啟的情況;

(2)外部控制永磁體為切換狀態(tài)移動的距離過長，由前面的計算可知，需旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)輪拖動外部控制永磁體移動7 cm才實現(xiàn)啟閉轉(zhuǎn)換，導致閥狀態(tài)切換時間長、響應慢;

(3)當前驅(qū)動磁路的磁場向外部空間發(fā)散，實際應用中會吸附閥體附近鐵磁物體，安裝位置彼此接近的多個閥之間也會產(chǎn)生相互干擾。

綜上，需對永磁體內(nèi)嵌式閥的驅(qū)動磁路進行優(yōu)化，使之具有可在啟閉狀態(tài)之間調(diào)節(jié)閥芯位置、切換行程短、響應迅速、空間磁場在一定范圍內(nèi)收斂等特點。

3.2 最小磁阻原理

根據(jù)最小磁阻原理，當磁極處于圖10a狀態(tài)時，其受到異名磁極的吸力會具有x方向的分量Fx，而y方向的分力Fy相互抵消，整體表現(xiàn)為當中間磁極對兩端固定磁極產(chǎn)生軸向位置偏移Δx時，中間磁極會受到軸向作用的磁力，該力的作用結果使磁路的磁阻趨向最小，使磁極間氣隙距離最短，即磁極將在矯正磁力作用下趨向圖10b狀態(tài)。

圖10 最小磁阻原理

3.3 驅(qū)動磁路優(yōu)化設計

依據(jù)最小磁阻原理，進行驅(qū)動磁路的優(yōu)化設計。如圖11所示，在外部永磁體和內(nèi)嵌永磁體之間設置硅鋼材質(zhì)的導磁塊，當旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)輪拖動外部控制永磁體時，導磁硅鋼片隨外部永磁體運動，通過最小磁阻原理產(chǎn)生的軸向力帶動閥芯完成閥的啟閉。

1.閥端 2.閥身 3.超潔凈裹覆層 4.內(nèi)嵌永磁體 5.外部控制永磁體 6.導磁硅鋼片 7.卡箍 8.調(diào)節(jié)輪

在Comsol軟件中對優(yōu)化后的磁路進行仿真分析，驗證其提供的磁力是否可完成閥芯的啟閉與密封。圖12反映了當導磁塊調(diào)節(jié)到不同位置時磁場對閥芯的影響，對閥芯磁力軸向分量進行積分，得到當閥芯相對導磁塊偏移Δx=5 mm時，閥芯受到磁力為-7.31 N，負號表示受力方向為x軸負方向，此時外部控制永磁體經(jīng)導磁塊拖動閥芯開啟；當閥芯相對導磁塊偏移Δx=-5 mm時，閥芯受到磁力為21.53 N，大于流體對閥芯作用力和密封時閥芯承受的靜壓力，此時外部控制永磁體經(jīng)導磁塊拖動閥芯閉合并完成密封。

圖12 閥芯相對導磁塊不同位置時的磁場分布

這時外部控制永磁體為閥啟閉而移動的距離可以縮小至1 cm左右，相對磁路優(yōu)化前7 cm左右的動作距離明顯減短，縮短了啟閉時間，提高了閥的響應速度。此外，在閥由閉合到開啟時，外部磁力可以提供-7.31 N的驅(qū)動力，相對于優(yōu)化前-0.96 N的驅(qū)動力，閥芯開啟更為可靠，降低了閥芯卡住不能完全開啟的風險。

由圖13可以看出，在磁路優(yōu)化之前，磁感線向周圍空間發(fā)散，這增大了永磁體吸附周圍鐵磁物體和臨近多個閥之間相互干擾的可能性。在添加了導磁塊之后，優(yōu)化后的空間磁感線經(jīng)外部控制永磁體、導磁塊、閥芯內(nèi)嵌永磁體形成了閉合的回路，大幅降低了磁場對外部空間的影響，減少了永磁體吸附周圍鐵磁物體和臨近多個閥之間相互干擾的風險。

圖13 磁路優(yōu)化前后空間磁場的分布

4 結論

(1)面向半導體、生物醫(yī)藥、電子級化工等領域的超潔凈流控需求，提出了一種全新的永磁體內(nèi)嵌式超潔凈閥設計方案，并通過仿真驗證了其可行性。該設計避免了傳統(tǒng)隔膜閥利用隔膜進行閥口啟閉與閥腔密封帶來的疲勞壽命問題，從而可實現(xiàn)更為安全可靠的液體介質(zhì)超潔凈控制;

(2)為使永磁體內(nèi)嵌式超潔凈閥啟閉更可靠、響應時間更短、驅(qū)動磁場對外部影響更小，對其驅(qū)動磁路進行了優(yōu)化設計，并通過仿真驗證了其有效性;

(3)本研究僅提出了永磁體內(nèi)嵌式超潔凈閥的初始方案，其具體實現(xiàn)方案可多種多樣。例如，外部驅(qū)動部件可不局限于永磁體，改為采用線圈，配以閥芯位移傳感后(如體外霍爾傳感)，可實現(xiàn)閥口開度的精確控制，從而大大提升閥的流控性能。