JP5068787B2 - 圧力の揺らぎに鈍感な質量流量制御のための装置及び方法 - Google Patents
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Description
番号はMKS-107)と、「 APPARATUS AND METHOD FOR SELF-CALIBRATION OF MASS FLOW CONTROLLER」という名称を有し、発明者がNicholas KottenstetteとDonald SmithとJesse Ambrosinaである特許出願(代理人のドケット番号はMKS-108)と、「APPARATUS AND METHOD
FOR MASS FLOW CONTROLLER WITH NETWORK ACCESS TO DIAGNOSTICS」という名称を有し、発明者がNicholas KottenstetteとJesse Ambrosinaである特許出願(代理人のドケット番号はMKS-109)と、「APPARATUS AND METHOD FOR DISPLAYING MASS FLOW CONTROLLER PRESSURE」という名称を有し、発明者がNicholas KottenstetteとJesse Ambrosinaである特許出願(代理人のドケット番号はMKS-110)と、「APPARATUS AND METHOD FOR DUAL PROCESSOR MASS FLOW CONTROLLER」という名称を有し、発明者がNicholas KottenstetteとJesse Ambrosinaである特許出願(代理人のドケット番号はMKS-111)と、「APPARATUS AND METHOD FOR MASS FLOW CONTROLLER WITH EMBEDDED WEB SERVER」という名称を有し、発明者はNicholas KottenstetteとJesse Ambrosinaである特許出願(代理人のドケット番号はMKS-112)と、「APPARATUS AND METHOD FOR MASS FLOW CONTROLLER WITH ON-LINE DIAGNOSTICS」という名称を有し、発明者がNicholas KottenstetteとJesse Ambrosinaである特許出
願(代理人のドケット番号はMKS-113)と、「APPARATUS AND METHOD FOR MASS FLOW CONTROLLER WITH A PLURALITY OF CLOSED LOOP CONTROL CODE SETS」という名称を有し、発明者がNicholas KottenstetteとJesse Ambrosinaである特許出願(代理人のドケット番号はMKS-114)とは、それぞれの全体を、この出願において援用する。
量センサは、質量流量コントローラの入口におけるフローを測定するが、コントローラからの出口フローがプロセス制御にとっては重要なパラメータであるから、そのような入口と出口とのフローの食い違いにより、深刻なプロセス制御エラーが生じることがありうる。
米国特許第6,332,348号に記載されている。この米国特許は、この出願において援用する。そのような「インサイチュ」な較正の際には、従来型の方法では、技術者が、質量流量メータを質量流量コントローラのそれぞれと線で接続し、気体を質量流量メータと質量流量コントローラとを介して流し、質量流量コントローラの読取値を質量流量メータの読取値と比較して、必要に応じて較正定数を調整することが必要となる。そのような面倒な動作には、非常に長い時間を要するし、人的な費用と、質量流量コントローラが共に動作するプロセス・ツールが入手できないこととにより、費用も多く要する。
は、ローカルに(すなわち、圧力センサにおいて)及び/又は遠隔的に(例えば、制御パネルにおいて、又は、ネットワーク・インターフェースを介して)表示される。
スタントなどのウェブ閲覧可能なデバイスからインターネットなどの相互接続ネットワークを介して質量流量コントローラと対話(相互作用)することを可能にするウェブ・サーバを含む。この質量流量コントローラのウェブ・サーバは、例えば、製造業者の部品番号と、仕様と、設置位置と、性能情報とを提供するウェブ・ページを含む。更に、診断は、相互接続ネットワークを介して、ウェブ閲覧可能なデバイスから行われる。
米国特許第6,332,348号に記載されている。この米国特許は、この出願において援用する。そのような「インサイチュ」な較正の際には、従来型の方法では、技術者が、質量流量メータを質量流量コントローラのそれぞれと線で接続し、気体を質量流量メータと質量流量コントローラとを介して流し、質量流量コントローラの読取値を質量流量メー
タの読取値と比較して、必要に応じて較正定数を調整することが必要となる。そのような面倒な動作には、非常に長い時間を要するし、人的な費用と、質量流量コントローラが共に動作するプロセス・ツールが入手できないこととにより、費用も多く要する。図7に関係する議論において詳述される実施例では、本発明の原理による質量流量コントローラは、そのような面倒で高コストの業務を実質的に排除する自己較正機構を含んでいる。
な実装においては、複数ビットのデジタル値を生じる。この複数ビットのデジタル値は、補償されていない質量流量センサが特に質量流量コントローラの入口ラインにおける圧力過渡状態の間に与えるであろう値よりも、質量流量コントローラの出口における実際の質量流量により近い近似値を提供する。熱質量流量センサ204は、層流要素212を含んでおり、この層流要素は、バイパス・チャネル216の中にあり、熱質量流量センサ204に対してバイパス・チャネル216の両端での圧力降下を提供して、熱質量流量センサ204のセンサ毛細管320を通過する気体の一部を駆動する。質量流量センサ202は、コントローラ200を通過する気体の流率を感知して、それに従って、制御弁220の動作を制御する。熱質量流量センサ・アセンブリ204は、バイパス・チャネル216の境界を形成する質量流量コントローラ200の壁部322に付属されている。壁部322における入力324及び出力326のアパーチャは、熱質量流量コントローラを通過して移動する気体に対して、熱質量流量センサ・アセンブリ204へのアクセスを提供し、これは、典型的にはバイパス・チャネルを画定する入力と出力との間の通路の部分である。この実施例では、質量流量センサ・アセンブリ204は、壁部322への付属のためのベースプレート328を含む。ベースプレート328は、壁部と、センサ・アセンブリの残りの部分とに、例えば、ねじ切りされた穴とそれと係合するボルトとの組合せを用いて付属される。センサ管320の入力330及び出力332との脚部は、ベースプレート328の入力334及び出力336のそれぞれのアパーチャと、質量流量コントローラの壁部322のアパーチャ324及び326とを通過して伸長している。
的にはホイートストーン・ブリッジ構成を有する様々な電子回路の任意のものを用いて、エネルギを抵抗要素346及び344に与えて、温度に左右されるその要素における抵抗値の変化を測定し、よって、センサ管320を通過する流体の質量流率を測定する。この目的に用いられる回路は、例えば、Hinkle他に与えられた米国特許第5,461,913号とSuzukiに与えられた米国特許第5,410,912号とに開示されている。これらの米国特許は、その全体をこの出願において援用する。
ることが多い。この処理ツールは、比較的安定した温度を特徴とする注意深く制御された環境の中で動作される。質量流量コントローラの中の流体の温度はエンクロージャの壁部の温度とほぼ等しく、エンクロージャの壁部はそのツールが内部に配置されている部屋の温度とほぼ等しいので、例えばそのツールを制御するワークステーションからの温度測定値は、質量流量コントローラの中の気体温度の十分に正確な推定値を提供しうる。その結果、それぞれの質量流量コントローラにおいて別個の温度センサを用いることに加えて、又は、その代わりに、温度を、質量流量コントローラと同じ環境の中の別のセンサ、例えば、ワークステーションに配置されたものから、取得することが可能である。
ターフェースを含む。デバイスネットは、既知であり、2002年2月5日にTinsley他
に与えられた米国特許第6,343,617号において論じられている。この米国特許は、この出願において援用する。コントローラ400は、また、例えば、較正データ、質量流量コントローラのID又は質量流量コントローラを動作させるコードを記憶するのに用いられる電気的に消去可能なプログラマブルなリード・オンリ・メモリ(EEPROM)の形式を有するストレージ418を含む。ランダム・アクセス・メモリ(RAM)など様々なそれ以外の形式のストレージを用いることもできる。ストレージ(記憶装置)は、多くの形式をとることが可能であり、そして、例えば、一部がコントローラの「チップ」(集積回路)の上に物理的に配置された状態で、他の部分がオフチップに配置された状態で、与えることもできる。コントローラ400は、データ・プロセッサ420を用い、このデータ・プロセッサ420は、例えば、汎用のマイクロプロセッサでは算術論理装置(ALU)の形式をとり、データを減少させている。例えば、データ・プロセッサ420は、センサ入力において受け取られた読取値を平均化し、センサ読取値が1又は複数のスレショルド値を超えた回数を判断し、センサ読取値がスレショルド値の範囲内に留まっている時間を記録し、又は、他の形式のデータ・ロギングを実行する。
を用いて、熱質量流量センサだけからの読取値が提供する場合よりも質量流量センサの出口における質量流量をより正確に反映する補償された質量流量読取値を生じる。コントローラ400は、また、フロー・センサ・インターフェース、圧力センサ・インターフェース及び温度インターフェース408、410及び411それぞれを介して、必要に応じ、センサへの制御を提供する。
Qc=(dC 2/32μ)(Pi/PR)(Pi−P)/LC
ただし、
dC=毛細管の内径;
LC=毛細管の長さ;
ρi=入口における気体の密度;
ρR=標準温度及び圧力における気体の密度;
μ=気体の粘度;
Pi=質量流量コントローラの入口における圧力
Po=質量流量コントローラの出口における圧力;
P=質量流量コントローラのデッド・ボリュームにおける圧力である。
のフローQiは、Qi=QBP+Qc=(1+α)Qcである。
ただし、
PR=標準温度及び圧力での圧力(760Torr);
TR=標準温度及び圧力での温度(273K);
TW=壁部の温度(質量流量コントローラの壁部の温度);
V=デッド・ボリュームの体積;
Qi=質量流量コントローラへの入口フロー;
Qo=質量流量コントローラからの出口フローである。
間変化率と共に用いて補償された出口フローの近似値を計算するために単一の定数に合成することができる。この単純化により、次の形式の方程式(3)が生じる。
Qo=Qi−C1(V/T)(dP/dt)
ただし、
Qo=補償された感知された出口流率;
Qi=感知された入口流率;
C1=温度及び圧力を標準温度及び圧力と関連付ける正規化定数;
V=センサ・バイパスと出口フロー制御弁との間の体積
T=この体積の中の流体の温度;
dP/dt=体積の中の圧力の時間変化率である。
施例では、診断インターフェースは、図6のブロック図に図解されているようなシステムにおいて質量流量コントローラが用いられることを可能にするウェブ・サーバを含む。このシステムでは、技術者などのユーザは、ウェブ・ブラウザ(例えば、ネットスケープ又はエクスプローラ)を動作させて質量流量コントローラ604の中に埋め込まれたサーバ602と通信するパーソナル・コンピュータ、パーソナル・デジタル・アシスタント又はセルラ電話などのウェブ閲覧可能なデバイス600を用いる。サーバ602は、ユーザに本発明の原理による質量流量コントローラ604へのインターフェースを提供するウェブ・ページを含む。図13Aから13Eまでに関係する議論は、本発明の原理による質量流量コントローラの例示的な実施例に埋め込まれたウェブ・サーバ能力に関する更なる詳細を提供している。
米国特許第6,332,348号は、これらのファクタと、これらの現場での較正を実行するのに必要な大変なプロセスとについて、詳細に論じている。
フロー気体源708は、所定の体積のレセプタクルと質量流量センサとの両方に比例的な比率で気体を提供する。質量流量センサ702への流率は、所定の体積のレセプタクル710への流率と等しいことがありうる。すなわち、例えば、比例定数は1であることがありうる。質量流量センサ702は、それ自体が感知するフローを指示する質量流量信号を生じるように構成され、この実施例では、この信号は、電子コントローラ704に送られる。圧力微分器712は、可変フロー気体源708から所定の体積のレセプタクル710間でのフローに相関された信号を、次の方程式4の関係に従って、生じる。
Qo=Qi−C1(V/T)(dP/dt)
ただし、
Qo=標準立方センチメートル/分を単位とする出口フロー;
Qi=標準立方センチメートル/分を単位とする入口フロー;
C1=温度及び圧力を標準温度及び圧力と関連付ける正規化定数;
V=リットルを単位とするレセプタクルの所定の体積;
T=レセプタクルの中の流体のケルビン温度;
dP/dt=Torr/秒を単位とするレセプタクルの中の圧力の時間変化率である。
Qi=C1(V/T)(dP/dt)
圧力微分器712は、レセプタクル710の中の圧力の時間導関数を計算し、正規化定数C1と、所定の体積Vと、レセプタクルの中の気体温度とが与えられると、この圧力微分器(及び/又は、電子コントローラ704)は、レセプタクル710の中への実際のフロー(流量)を決定することができる。レセプタクルの中のフローは熱質量流量センサ702の中へのフローに比例するから、熱質量流量センサ702の中への実際のフローは、レセプタクルの中への実際のフローと比例定数(例えば、これらのフローが等しい場合には、否定例数は1である)とを乗算することによって、決定されうる。次に、例えば電子コントローラ704によって、質量流量センサからの信号は、上述したようにして決定される実際のフローと相関付けられる。この相関は、質量流量センサからの1又は複数の信号レベルを、実際のフローと関連させる。圧力微分器712は、例えば、圧力信号の時間導関数を計算するアナログ微分回路を含む。この部分回路の出力信号である、レセプタクルの中の圧力の時間導関数dP/dtを表す信号は、アナログ・デジタル・コンバータ(図示せず)によってサンプリングされ、例えばマイクロプロセッサ、DSPチップ又はデュアル・プロセッサを含む電子コントローラ704が、時間導関数信号に作用することを可能にする。あるいは、圧力微分器712は、圧力信号を、電子コントローラ704による処理のためにデジタル形式に変換することもありうる。電子コントローラ704は、圧力信号の時間導関数を計算する。そのような実施例では、電子コントローラは、微分器のコードと共に、微分器として動作する。このコントローラは、対応する時間間隔によって分割される少なくとも2つの圧力差を用いて、導関数を計算する。気体は、レセプタクルと質量流量センサとに並列的に供給されるか、又は、直列的に供給される。これについては、自己較正質量流量コントローラに関する後述する議論において、より詳細に説明される。
ダウンロードすることができ、気体のフローを制御する際にそのコントローラが用いることができる。線形又は多項式補間などの様々な既知の補間法を、較正テーブル及び/又は係数と共に用いることができる。更に、そのようにして記憶されている較正テーブル及び/又は係数は、本発明の原理による自己較正型の質量流量コントローラにおいて、デフォルト値として用いることができる。本発明の原理による自己較正型の質量流量コントローラは、較正器706と質量流量センサ702とを含み、上述したようにして質量流量コントローラを較正するのに用いることができる。しかし、自己較正型の質量流量コントローラの場合には、較正は、手動による設定と同じように容易に、インサイチュ、すなわち現場で、実行することが可能である。
る。開始時刻t0では、質量流量コントローラへの入口における気体圧力Pinとレセプタクル804の下流における圧力PRとの圧力差により、気体は、質量流量コントローラを通過して速度Qinで流れることを強いられる。この例では、入口圧力Pinと、レセプタクルの中での圧力PRと、質量流量コントローラの入口を通過するフローQinとは、一定である。時刻tSOで、コントローラは、出口弁を閉鎖し、それによって、出口フローQOをゼロまで減少させる。レセプタクルと入口との間に圧力差が存在する限りは、気体は、レセプタクルの中に流れ続ける。レセプタクルの中の圧力PRが入口圧力Pinと等しくなる平衡状態に向かって指数関数的に上昇するにつれて、入口フローQinは減少する。レセプタクルの中の圧力変化の導関数を計算することによって(本発明の実施例との関係では、やはり、「デッド・ボリューム」と称される)、電子コントローラは、上述したように、レセプタクルの中への実際のフローを決定することができる。
断テスト点を駆動するのに用いられる。アクチュエータは、例えば、電流駆動型のソレノイドか、電圧駆動型の圧電アクチュエータである。図9の流れ図に関する議論において詳細に後述されるように、初期化の後では、決定プロセッサ1002は、制御シーケンスを通過してループし、センサ・データを収集し、設定情報(例えば、所望の質量流量設定)を収集し、状態情報を提供し、出口弁の状態を制御する。非決定的なタスクは非決定プロセッサ1004にオフロードされるから、決定プロセッサの制御ループは、非常にコンパクトでありうる。その結果、制御タスクは、最小限の時間周期の間に実行されることが可能であり、制御読取値と駆動信号とは、非決定的なタスクのための時間を予め準備していくのならば、可能であるよりも頻繁に更新することができる。
この非決定プロセッサ1004と関連する質量流量コントローラを操作する技術者などのユーザからの入力を受け取る。ローカルなユーザ・インターフェース1016は、また、ディスプレイなどの1又は複数の装置を駆動するのに適した1又は複数の出力を含むが、これは、質量流量コントローラからユーザに情報を通信するのに用いられる、例えば、キャラクタ、英数字又はグラフィック表示などのインジケータ・ライト又はオーディオ出力装置である。通信インターフェース1018により、質量流量コントローラは、1又は複数の他の装置と、及び/又は、複数の質量流量コントローラを用いるツールを制御するワークステーションなどのローカルなコントローラと、及び/又は、例えば集積回路の製造のための他の装置などと、通信することが可能となる。この実施例では、通信インターフェース1018は、デバイスネット(DeviceNet)インターフェースを含む。診断インタ
ーフェース1020は、技術者が図4の診断インターフェース422に関係して上述したような診断を実行するために提供される。ある実施例では、この診断インターフェースは、イーサネット(登録商標)インターフェースとウェブ・サーバとを含む。
と同じように修正されうる。決定プロセッサは、また、他の非プロセス指向のモードでも動作することができる。例えば、上述したような自己較正プロセスの間は、決定プロセッサは、質量流量コントローラを通過する設定されたフローを維持管理するよにはもはや動作しない。そのようなモードでは、決定プロセッサは、質量流量コントローラの出口弁を閉鎖し、デッド・ボリュームの中の圧力の複数の時間導関数を計算し、質量流量コントローラにおける対応する実際のフローを計算し、その実際のフローを熱質量流量センサからのフロー信号に相関させることによって、占有される。
ッサに送る。ステップ1112からは、プロセスは、終了のステップ1116に進み、ここでは、例えば、質量流量コントローラはオフにされる。
する)。これらの値が等しくない場合には、決定プロセッサはエラー信号を計算し、このエラー信号を用いて、質量流量コントローラの出口弁への駆動信号を調整する。ステップ1212からは、プロセスは、ステップ1214における継続に進む。そして、ステップ1214からステップ1216に進み、そこで、質量流量コントローラは、例えば、動作を終了するか、又は、リセットされる。
る、又は、センサ読取値をプロセッサ相互間インターフェースに転送することによって、ステップ1220で取得された値を処理する。
Claims (2)
- 質量流量コントローラであって、
流体入力ポートと流体出力ポートと前記入力ポートと出力ポートとの間に配置されたバイパス・チャネルとを含む質量流量コントローラ・ハウジングと、
前記バイパス・チャネルを通過する流体フローQiを測定する熱質量流量センサ・アセンブリと、
前記バイパス・チャネルの一部における流体の圧力を測定する圧力センサ・アセンブリと、
前記流体出力ポートを通過する流体フローを制御する弁アセンブリと、
前記流体出力ポートを通過するフローQoを、前記熱質量流量センサ・アセンブリによって得られたフロー測定値Qiと前記圧力センサ・アセンブリによって得られた圧力測定値Pとの関数として求めるコントローラ・アセンブリと、
を備え、前記コントローラ・アセンブリは、前記バイパス・チャネルの中において前記圧力センサ・アセンブリによって感知された圧力の時間変化率を計算し、前記圧力の時間変化率dP/dtに基づいてフローQ o を求める、質量流量コントローラ。 - 流体入力ポートと流体出力ポートと前記入力ポートと出力ポートとの間に配置されたバイパス・チャネルとを含む質量流量コントローラ・ハウジングの出力ポートからのアウトレット流体フローを維持する方法であって、
A)前記バイパス・チャネルを通過する流体フローQiを測定するステップと、
B)前記バイパス・チャネルの一部における流体の圧力を測定するステップと、
C)前記流体出力ポートを通過するフローQoを、ステップAにおいて得られたフロー測定値QiとステップBにおいて得られた圧力測定値Pとの関数として求めるステップと、
を含み、前記バイパス・チャネルの中においてステップBにおいて感知された圧力の時間変化率dP/dtを求めるステップと、前記圧力の時間変化率dP/dtに基づいてフローQ o を求めるステップとを更に含む、方法。
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