TW201937322A - 具有絕對和差分壓力變換器之質量流量控制器 - Google Patents

具有絕對和差分壓力變換器之質量流量控制器 Download PDF

Info

Publication number
TW201937322A
TW201937322A TW108101485A TW108101485A TW201937322A TW 201937322 A TW201937322 A TW 201937322A TW 108101485 A TW108101485 A TW 108101485A TW 108101485 A TW108101485 A TW 108101485A TW 201937322 A TW201937322 A TW 201937322A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
flow
differential pressure
absolute
hole
mass flow
Prior art date
Application number
TW108101485A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI796417B (zh
Inventor
約翰 洛
安東尼 奇侯
柏溫 貝納斯
Original Assignee
美商伊利諾工具工程公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商伊利諾工具工程公司 filed Critical 美商伊利諾工具工程公司
Publication of TW201937322A publication Critical patent/TW201937322A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI796417B publication Critical patent/TWI796417B/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
    • G05D7/0629—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means
    • G05D7/0635—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
    • G01F1/36—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction
    • G01F1/363—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction with electrical or electro-mechanical indication
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
    • G01F1/36—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction
    • G01F1/38—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction the pressure or differential pressure being measured by means of a movable element, e.g. diaphragm, piston, Bourdon tube or flexible capsule
    • G01F1/383—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction the pressure or differential pressure being measured by means of a movable element, e.g. diaphragm, piston, Bourdon tube or flexible capsule with electrical or electro-mechanical indication
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/001—Means for regulating or setting the meter for a predetermined quantity
    • G01F15/003—Means for regulating or setting the meter for a predetermined quantity using electromagnetic, electric or electronic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/005—Valves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Flow Control (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

所包含為一種質量流量控制器及使用方法。範例的質量流量控制器包括：一流量通路，該流量通路經過該質量流量控制器；該流量通路包括一第一孔穴及一第二孔穴。該質量流量控制器進一步包括一層流元件。該質量流量控制器額外包括一組合絕對及差分壓力變換器組件，包括：一第三孔穴，該第三孔穴與該第一孔穴流體連通；一絕對壓力變換器，該絕對壓力變換器曝露於該第三孔穴中的絕對壓力；及一差分壓力變換器，該差分壓力變換器曝露於該第三孔穴及該第二孔穴之間的差分壓力。該質量流量控制器也包括一流量控制閥組件，該流量控制閥組件在該層流元件及該組合絕對及差分壓力變換器組件的下游。

Description

具有絕對和差分壓力變換器之質量流量控制器
本申請案主張美國臨時專利申請案第62/624,059號之優先權利益(申請日為2018年1月30日，標題為「Mass Flow Controller with Absolute and Differential Pressure Transducer」)。該美國臨時專利申請案之全文針對所有目的於此以引用方式完全併入本文。
本發明一般相關於用於控制流體的質量流量速率的方法及系統，且更特定地，相關於用於氣體及其他可壓縮流體的質量流量控制器及質量流量計的操作。
許多工業處理需要精確控制多種處理流體。例如，在半導體工業中，質量流量計及其相關聯控制器可能夠精確量測及控制導入處理腔室的處理流體的量。可使用多種技術來量測在該等裝置中的質量流量速率，包含基於熱、超音波、飛時測距(time-of-flight)、柯氏力(coriolis)及壓力的技術。
基於壓力的質量流量計使用定義的流量限制以產生壓力下降以回應於待量測的流量，且使用溫度量測值、造成的壓力下降、及(針對可壓縮流體)絕對壓力、與流體屬性及流量限制兩者的認知一起組合以計算質量流量速率。
雖然半導體處理(例如，蝕刻)可使用接近零的出口壓力(稱為「高真空」，例如，小於約2 psia)來操作，某些半導體處理(例如，化學氣相沉積)有時可經歷大的背部壓力偏離，其中控制閥下游的壓力達到大氣壓力或更大。壓力上的該等大的下游變化可使絕對壓力感測器的使用為必要，在基於壓力的質量流量控制器上具有下游層流元件。此外，自接近零的出口壓力向上擺動至大氣出口壓力可將流量限制器的低流量壓力下降減低最多50倍或在具有下游流量感測器的裝置中還更多。因此，此轉換可誘使造成的流量感測器信號減低可能50倍或更多。減低的流量感測器信號可進一步使得流量感測器的信號噪音比及穩定度降級，而可導致處於低設定點時針對高於接近零的出口壓力的操作條件糟糕的可重複性及精確性。
在一實施例中，提供一種質量流量控制器。範例的質量流量控制器包括：一流量通路，該流量通路經過該質量流量控制器；該流量通路包括一第一孔穴及一第二孔穴。該質量流量控制器進一步包括一層流元件，該層流元件相鄰於該第一孔穴及該第二孔穴；其中該第一孔穴在該層流元件上游且該第二孔穴在該層流元件下游。該質量流量控制器額外包括一組合絕對及差分壓力變換器組件，包括：一第三孔穴，該第三孔穴與該第一孔穴流體連通；一絕對壓力變換器，該絕對壓力變換器具有一絕對壓力膜且曝露於該第三孔穴中的絕對壓力；及一差分壓力變換器，該差分壓力變換器具有一第一差分壓力膜及一第二差分壓力膜且曝露於該第三孔穴及該第二孔穴之間的差分壓力。該質量流量控制器也包括一流量控制閥組件，該流量控制閥組件經配置以控制經過該流量通路的流體的一流量；其中該流量控制閥組件在該層流元件及該組合絕對及差分壓力變換器組件的下游。
額外地或替代地，該質量流量控制器可個別或組合地包含一個或更多個以下特徵。該質量流量控制器可進一步包括一入口管口阻斷。該入口管口阻斷可包括約0.010吋至約0.070吋的一入口直徑。該質量流量控制器可進一步包括一PID控制器。該PID控制器可經配置以：將該絕對壓力、該差分壓力、及流體屬性及層流元件特性的認知轉換成指示經過該層流元件的質量流量速率的一信號；接收指示經過該層流元件的一所需流量速率的一設定點信號；及控制閥驅動信號，使得指示經過該層流元件的質量流量速率的該信號實質匹配所接收的該設定點信號。該設定點信號的該所需流量速率可小於或等於10%。該流量通路可進一步包括一出口且其中該出口包括大於2 psia的一壓力。該質量流量控制器可進一步包括一電路板。該組合絕對及差分壓力變換器組件可經配置以感測該流量控制閥組件的上游的該絕對及差分壓力。可使用一流體來填滿該第三孔穴。
在一實施例中，提供一種控制流量的方法。範例的方法包括以下步驟：提供一質量流量控制器，包括：一流量通路，該流量通路經過該質量流量控制器；該流量通路包括一第一孔穴及一第二孔穴；一層流元件，該層流元件相鄰於該第一孔穴及該第二孔穴；其中該第一孔穴在該層流元件上游且該第二孔穴在該層流元件下游；一組合絕對及差分壓力變換器組件，包括：一第三孔穴，該第三孔穴與該第一孔穴流體連通；一絕對壓力變換器，該絕對壓力變換器具有一絕對壓力膜且曝露於該第三孔穴中的絕對壓力；及一差分壓力變換器，該差分壓力變換器具有一第一差分壓力膜及一第二差分壓力膜且曝露於該第三孔穴及該第二孔穴之間的差分壓力；及一流量控制閥組件，該流量控制閥組件包括一控制閥且經配置以控制經過該流量通路的流體的一流量；其中該流量控制閥組件在該層流元件及該組合絕對及差分壓力變換器組件的下游。該方法進一步包括流動一流體經過該流量通路；及啟動該控制閥。
額外地或替代地，該方法可個別或組合地包含一個或更多個以下特徵。該質量流量控制器可進一步包括一入口管口阻斷。該入口管口阻斷可包括約0.010吋至約0.070吋的一入口直徑。該質量流量控制器可進一步包括一PID控制器。該PID控制器可經配置以將該絕對壓力、該差分壓力、及流體屬性及層流元件特性的認知轉換成指示經過該層流元件的質量流量速率的一信號；接收指示經過該層流元件的一所需流量速率的一設定點信號；及控制閥驅動信號，使得指示經過該層流元件的質量流量速率的該信號實質匹配所接收的該設定點信號。該設定點信號的該所需流量速率可小於或等於10%。該流量通路可進一步包括一出口且其中該出口包括大於2 psia的一壓力。該質量流量控制器可進一步包括一電路板。該組合絕對及差分壓力變換器組件可感測該流量控制閥組件的上游的該絕對及差分壓力。可使用一流體來填滿該第三孔穴。該流體可使用於一半導體處理。
本發明一般相關於用於控制流體的質量流量速率的方法及系統，且更特定地，相關於用於氣體及其他可壓縮流體的質量流量控制器及質量流量計的操作。
除非有指示，本說明書及相關聯請求項中使用的表示部件數量、屬性例如分子重量、反應條件等的所有數字應理解為在所有情形下藉由用語「約」來修饰。據此，除非有相反指示，以下說明書及所附請求項中的數字參數等為近似值，可取決於尋求藉由本發明範例獲得的所需屬性而變化。至少，且不試圖限制對請求項範圍的等效教義的應用，每一數字參數至少應鑑於所報告的重要數位的數量且藉由應用普通捨入技術來詮釋。應注意當「約」處於數字清單的起點時，「約」修饰數字清單的每一數字。進一步地，在一些數字清單範圍中，列出的一些下限可大於列出的一些上限。發明所屬領域具有通常知識者將理解：選擇的子設定需要上限的選擇超過選擇的下限。
此處使用用語「流體」以描述能夠流動的任何狀態中的任何類型的東西。此處使用用語「氣體」以描述密度實質取決於絕對壓力的任何流體，例如理想或非理想氣體、蒸氣、及超臨界流體。此處使用用語「液體」以描述密度並非實質取決於絕對壓力的任何流體。
基於壓力的質量流量控制器(此後稱「MFC」)及質量流量計(此後稱「MFM」)在使用以控制氣體流量時，可典型地使用一些形式的流量限制器及置於控制閥下游的合適位置中的兩個或更多個絕對壓力變換器，以允許計算流量限制器上游及下游兩者的絕對壓力。例如，許多基於壓力的MFM使用一類型的流量限制器，已知為層流元件，該層流元件的效能優越地藉由其層流特性來決定，而非速度頭(加速氣體至限制器中該氣體的速度所需要的壓力下降)來決定。針對第一級，可計算經過層流元件的理想氣體的流量速率，如等式1所展示： Qs=K*(Pi2 -Po2 ) (等式1) 其中： Qs為質量流量速率； K為一數值，取決於氣體的溫度、黏性、可壓縮性，及層流元件的幾何形狀； Pi為層流元件上游的入口處的絕對壓力； Po為層流元件下游的出口處的絕對壓力。
然而，如上方所討論，在一些半導體處理中，自接近零的出口壓力(例如，小於約2 psia)向上擺動至大氣出口壓力可轉移流量感測器的低流量壓力下降多至50倍或在控制閥下游具有流量感測器的該等裝置中還更多。因此，此轉換可誘使造成的流量感測器信號減低可能50倍或更多。減低的流量感測器信號可使得流量感測器的信號噪音比及穩定度降級，而導致處於低設定點時針對高於接近零的出口壓力的操作條件糟糕的可重複性及精確性。
藉由控制閥上游的流量感測器，計量精確性及裝置完整的流量範圍可變得對控制閥下游的壓力不敏感。例如，在現今的MFC設計中(針對具有完整的N2 參考流量速率100 sccm於Pi及Po個別壓力7.0 psia及0.1 psia的MFC來解K值)提供大約2.0412的K值。若使用此K值以解決在處於1 sccm的N2 流量及0.1 psia的狀態Po時將發生的Pi，獲得0.707 psia的Pi，等同於0.607 psia的壓力差異。此壓力差異在大約0.01 psid的最小可解析壓力差異(由絕對壓力感測器所常規地量測)的外部。因此，在使用接近零的出口壓力(例如，小於約2 psia)來操作MFC時，針對MFC的合理低錯誤數值針對低設定點應為可獲得的。然而，若Po增至大約14.7 psia(常規地發生於某些半導體處理的典型數值，例如化學氣相沉積)，需要在此相同裝置上具有1 sccm的N2 流量的對應的Pi等同於大約14.7167 psia。此僅為0.0167 psia的差異，極致地接近使用典型絕對壓力變換器可獲得的最小精確度。因此，具有層流元件及控制閥下游的絕對壓力感測器的該等MFC在出口壓力顯著大於高真空時可能在低設定點處不會有效操作。例如，流量感測器的信號噪音比及穩定度可降級。
然而，若絕對流量感測器及層流元件在控制閥上游，控制閥下游的變化在上游的絕對流量感測器上可不具有影響。進一步地，上游壓力典型地維持於典型半導體處理環境中名義入口壓力的+/-10%內。此外，為了提供上游及下游壓力位置之間的壓力差異小的情況中較佳的精確度，可藉由差分壓力變換器來置換絕對壓力變換器之其中一者。因此，藉著使用差分壓力變換器，現在可將等式1重寫如下： Qs=K*(2Pi-∆P)∆P (等式2) Qs=K*(2Po+∆P)∆P (等式3) 其中： ∆P=Pi-Po
在絕對壓力變換器位於層流元件上游的實施例中可使用等式2。在絕對壓力變換器在層流元件下游的實施例中可使用等式3。針對處於35 psia的典型Pi的100 sccm的N2 流量及處於完整流量速率的0.86 psid的∆P(允許針對1 psid範圍變換器的合理餘裕)來解等式2，結果為1.6818的K值。K已知時，針對∆P處於1 sccm在Pi為30、35、及40 psia時可解等式2。結果數值為處於30 psia壓力入口的0.0099 psid、處於35 psia壓力入口的0.0085 psid、及處於40 psia壓力入口的0.0074 psid的壓力下降。因此，在典型的上游入口壓力變化時，控制閥上游具有層流元件的差分壓力中的變化可遠小於下游層流元件及其相關聯下游壓力變化。進一步地，可選擇差分壓力變換器具有0.0005 psid的典型差分壓力精確度，以提供較現今可取得使用絕對壓力變換器遠遠更高的精確度。因此，一併使用差分壓力變換器與控制閥上游的絕對變換器及流量限制器，相對於使用控制閥下游具有兩個絕對壓力變換器的流量限制器，可在入口壓力變化時導致在所需低設定點處更可重複的流量評估。
雖然以下討論主要應用至氣體流量計，此處揭露的組合絕對及差分壓力變換器在液體流量控制器中也可為有用的(可提供對控制系統有用的資訊)，即便液體流量計對絕對壓力相對不敏感，僅使用差分變換器典型地很好地服務。
第1圖圖示根據本揭示案的某些實施例的基於壓力的MFC 5的示意圖，閥上游具有流量感測器。MFC 5在流體流量速率的改變產生流量限制器(例如，層流元件，可自該層流元件計算流體流量速率)的上游及/或下游流體壓力改變的原則上操作。
在描繪的實施例中，MFC 5包括功率供應連接器10、流量通路15、流量控制閥組件20、及組合絕對及差分壓力變換器組件25的至少一個實施例。MFC 5進一步包括將流體導入裝置的入口埠30及流體離開的出口埠35(例如，至處理腔室)。在一些實施例中，入口埠30可進一步包括入口管口阻斷31，入口管口阻斷31設置於入口埠30內且阻斷流經的流體的至少一部分。流體可經由入口埠30進入MFC 5且沿著流量通路15流動於MFC 5內。在一些實施例中，流量通路15可維持於恆常溫度。沿著流量通路15接近出口埠35且在層流元件40及組合絕對及差分壓力變換器組件25下游放置流量控制閥組件20。流量控制閥組件20可包括成比例控制閥(例如，電磁或壓電控制閥)，可調整控制閥以控制通過MFC 5的流體的量。流量控制閥組件20可以足以控制經過流量控制閥組件20的流量的任何所需速率來致動控制閥。進一步地，致動速率可為可程式化的及可調整的，使得控制閥可持續或以樓梯台階處理方式致動。
入口管口阻斷31可包括調整大小的入口以確保跨差分變換器的壓力下降(如第3圖中下方所圖示)不能超過10 psid(例如在應用60 psia入口壓力至入口埠30時，在MFC 5處於接近零壓力且流量控制閥組件20關閉時，或在應用接近零壓力至入口埠30而MFC 5處於例如60 psia且流量控制閥組件20關閉時)。雖然第1圖描繪使用入口管口阻斷31，應理解可使用其他流量限制裝置以保護差分壓力變換器免於壓力尖峰。可藉由使用下述的PID控制器45實作的韌體檢查來減緩出口埠35處超過的壓力尖峰。可使用該韌體檢查以在每當壓力下降超過10 psid時關閉流量控制閥組件20的閥。
入口管口的大小需要解開主導流體流量的兩個主要的差分等式： 1. 質量守恆。 2. 流體流量的動量守恆。
可經由建立實體符號模型使用可取得的工具(例如，Matlab的Simscape實體模型封包)來獲得解。第2圖為可使用以調整入口管口的大小的範例實體符號模型。針對多種機械部件***典型數值，接著經由可使用於MFC 5的多種氣體循環導致以下針對MFC的管口大小，該等MFC經設計以使用名義N2 流量速率來操作，如下方表1中所展示。
應注意表1中所展示的結果僅代表MFC 5的此機械配置。更新Matlab Simscape Model以使用反映該等差分機械配置導致相異的入口管口大小。 表1
可使用入口管口以在典型機器啟動(例如，對MFC充電)或關機(例如，排空MFC)期間防止對差分壓力變換器的永久機械損壞。入口管口阻斷31的範例入口包括約0.010吋至約0.070吋的直徑。
繼續參考第1圖，MFC 5進一步包括流量控制閥組件20上游的層流元件40。相較於在流量控制閥組件下游具有層流元件但經設計以操作於相似廣度的出口壓力範圍上的對應的基於壓力的MFC，在流量控制閥組件20上游具有層流元件40且經設計以與低範圍差分變換器使用的MFC能夠操作於遠遠更低的入口壓力。層流元件40可經配置以確保在小的流量通道內層流，由於流體內的剪力產生壓力下降。組合絕對及差分壓力變換器組件25可耦合至流量控制閥組件20上游的流量通路15。組合絕對及差分壓力變換器組件25包括至少一個絕對壓力變換器及至少一個差分壓力變換器(下方第3圖中所圖示)。組合絕對及差分壓力變換器組件25決定絕對壓力以及跨層流元件40的差分壓力下降。因此，層流元件40將流量通路15分叉成包括個別孔穴的兩個部分。層流元件40上游為流量通路15的第一部分，第一孔穴稱為饋送容積41。饋送容積41包括饋送進入MFC 5的入口30的流體容積，該流體容積尚未經過層流元件40。層流元件40下游設置於流量通路15的第二部分，第二孔穴稱為庫存容積42，至流量控制閥組件20的流量自庫存容積42前進。庫存容積42包括經過層流元件40的流體容積。饋送容積41及庫存容積42的孔穴皆可為媒介隔絕的，且使用矽油或其他視需求合適的液體填滿。可相對於庫存容積42最大化饋送容積41內的流體容積，因為組合絕對及差分壓力變換器組件25上游的流體容積可幫助減緩MFC 5中的壓力暫態以回應於流體流量中故意的改變或來自入口管口阻斷31上游壓力改變的結果。可相對於饋送容積41內的流體容積最小化庫存容積42中的流體容積，因為庫存容積42中相對於饋送容積41的增加的流體容積在一些應用中可負面地影響效能，因為此增加的流體容積可影響MFC 5對壓力暫態的敏感度。因此，稱為饋送容積41的上游孔穴可被配置得更大及/或含有相對於層流元件40及組合絕對及差分壓力變換器組件25下游的庫存容積42更大的流體容積。
繼續第1圖，MFC 5進一步包括比例-積分-微分(此後稱「PID」)控制器45，可包括邏輯電路、電路、記憶體、及一個或更多個處理單元(處理器)。雖然在此特定範例中圖示一PID控制器，應理解PID控制器僅為許多潛在閥控制器的其中一者，對發明所屬領域具有通常知識者而言為顯而易見的。例如，在一些實施例中，PID控制器45可取代搖曳(lead-lag)控制器、增益搖曳(gain-lead-lag)控制器(例如，如在美國專利第6,962,164號中所述，該美國專利之全文於此以引用方式併入本文)、或足以用於應用的任何其他控制器。可以硬體或韌體來實作控制器。PID控制器45經配置以根據一設定點控制流量控制閥組件20內的閥的位置，該設定點指示所需質量流量速率。例如，在一個實施例中，PID控制器45自組合絕對及差分壓力變換器組件25接收絕對壓力及差分壓力及設定點信號，該設定點信號指示經過層流元件40所需質量流量速率。PID控制器45使用所接收資訊以將絕對壓力、差分壓力、及流體屬性及層流元件40的特性兩者的認知轉換成一信號以指示經過層流元件40的質量流量速率。例如，在一個實施例中，PID控制器45經配置以使用等式1以將壓力下降相關於容積的流量速率，而可接著使用給定溫度及壓力處的密度校正來轉換成質量流量速率。接著，PID控制器45可產生用於控制流量控制閥組件20的閥驅動信號，使得指示經過層流元件40的質量流量速率的信號實質匹配所接收的設定點信號。例如，在一個實施例中，基於一錯誤信號來產生控制閥驅動信號，該錯誤信號為指示流體所需質量流量速率的設定點信號及相關於真實質量流量速率的回饋信號之間的差異，PID控制器45使用組合絕對及差分壓力變換器組件25來決定該真實質量流量速率。在一些範例中，設定點信號所需流量速率小於或等於10%。在一些範例中，出口壓力可大於約2 psia。
在一個實施例中，電路板50可接合至組合絕對及差分壓力變換器組件25的背部。在某些實施例中，電路板50可包含快閃記憶體及柔性電纜連接器。電路板50也可提供裝設任何特定變換器平衡或其他修整電阻器的位置。在一些實施例中，電路板50可具有記憶體部件，經配置以儲存資料，例如但不限於用於組合絕對及差分壓力變換器組件25的校準資料。電路板50可包含一個或更多個加速計以允許針對重力效應或所量測壓力上的加速的自動校正。電路板50也可包含儀表放大器或其他放大器以經配置以放大絕對壓力變換器及差分壓力變換器以及其他部件的輸出信號。可藉由插銷自組合絕對及差分壓力變換器組件25支撐電路板50以提供與組合絕對及差分壓力變換器組件25內所含有的絕對及差分壓力變換器的電性連接。在一些實施例中，電路板50可包含一個或更多個凹口或孔洞以提供任何絕對及差分變換器裝設螺絲頭附近的淨空。
第3圖圖示組合絕對及差分壓力變換器組件25的示意圖。組合絕對及差分壓力變換器組件25包括主體100，主體100具有一個孔穴，稱為變換器組件孔穴105，與饋送容積41流體連通。在一些實施例中，藉由組件25將絕對感測器連接至壓力差分感測器的上游側來形成變換器組件孔穴105。此外，在差分感測器的下游側上具有另一個較小孔穴。藉由下游差分壓力變換器的焊接封蓋來形成較小下游孔穴。組合壓力感測器的上游及下游部分中的容積也貢獻給饋送容積及庫存容積。變換器組件孔穴105可經由壓力埠110曝露於層流元件(例如，第1圖中所圖示的層流元件40)上游的壓力。作為範例，在一個實施例中，壓力埠110為加工成主體100的面的密封細節。相鄰於變換器組件孔穴105的是絕對壓力膜115及上游差分壓力膜120。絕對壓力膜115為絕對壓力變換器125的部件。上游差分壓力膜120為差分壓力變換器130的部件，差分壓力變換器130進一步包括下游差分壓力膜135，經由壓力埠140曝露於層流元件(例如，第1圖中所圖示的層流元件40)下游的壓力。絕對壓力膜115、上游差分壓力膜120、及下游差分壓力膜135可包括彈性波狀金屬膈。變換器組件孔穴105可為媒介隔絕的且使用矽油或其他合適的液體填滿。絕對壓力變換器125可報告變換器組件孔穴105中的絕對壓力。在一個實施例中，絕對壓力變換器125可包括壓阻半導體壓力感測器，雖然可使用其他技術。在所揭露的實施例中，差分壓力變換器130報告層流元件的相對側的差分壓力。在一個實施例中，差分壓力變換器130可包括壓阻半導體壓力變換器，雖然可使用其他技術。
在一個實施例中，絕對壓力膜115、上游差分壓力膜120及下游差分壓力膜135可包括由任何合適金屬製成的薄的彈性膈，例如高純度不鏽鋼或Hastelloy® (Haynes International的註冊商標)、或其他合適材料。可製造薄的金屬膈以具有精確規格的剖面(例如，+/- 0.15 mm規格的剖面)且放置以自絕對壓力變換器125或差分壓力變換器130的面稍微突出。
在圖示的實施例中，壓力埠110及140為同位置的。埠110及140的同位置可為較佳的實施例以用於高流量應用，其中速度頭可為對壓力下降的顯著貢獻者，且其中埠位置中的小改變可在所感測的壓力中造成顯著改變。
第4圖圖示MFC(一般為305)的替代實施例。MFC 305實質相似於第1圖的MFC 5；然而，使用差分壓力變換器組件310來取代第1圖的組合絕對及差分壓力變換器組件25，差分壓力變換器組件310包括上游差分壓力膜、下游差分壓力膜、及差分壓力變換器，相似於第3圖的上游差分壓力膜120、下游差分壓力膜135、及差分壓力變換器130。然而，在此特定實施例中，沒有與差分壓力變換器同位置的絕對壓力變換器。取而代之地，可放置絕對壓力變換器與處於層流元件40上游位置處的差分壓力變換器組件310分隔開，例如，在位置315處，與饋送容積41流體連通；或，替代地，在層流元件40下游的位置處，例如，在位置320處，與庫存容積42流體連通。
放置層流元件40上游的絕對壓力變換器，亦即，在一些應用中，藉由最小化庫存容積42的容積，在位置315處或與絕對壓力變換器同位置(如第1圖中所圖示)可改良效能。因此，上游絕對壓力變換器位置為MFC 5(在某些實施例中，MFC 305)的較佳位置；然而，應理解：放置絕對壓力變換器於層流元件40下游(例如，於位置320處)仍提供足以用於多數應用的MFC。
呈現併入於此揭露的範例的一個或更多個圖示範例。為了清晰的目的，此申請案中並未描述或展示實體實作的所有特徵。因此，所揭露系統及方法良好地適用以達到所提及的結論及優點，以及其中固有的該等結論及優點。上方揭露的特定範例僅為圖示性，因此可以相異但等效方式修改及實現本揭示案的教示，對具有此處教示利益的發明所屬領域具有通常知識者而言為明顯的。進一步地，不意圖對此處展示的結構或設計的細節設限，如下方請求項中所述。因此，明顯地可變更、組合、或修改上方揭露的特定圖示範例，且所有該等變化視為落於本揭示案的範圍內。在缺少此處未特定揭露的任何元件及/或此處揭露的任何可選元件時，可合適地實現此處圖示性地揭露的系統及方法。
雖然已詳細描述本揭示案及其優點，應理解於此可進行多種改變、替換、及變更，而不遠離本揭示案的精神及範圍，如以下請求項所定義。
5‧‧‧MFC
10‧‧‧功率供應連接器
15‧‧‧流量通路
20‧‧‧流量控制閥組件
25‧‧‧組合絕對及差分壓力變換器組件
30‧‧‧入口埠
31‧‧‧入口管口阻斷
35‧‧‧出口埠
40‧‧‧層流元件
41‧‧‧饋送容積
42‧‧‧庫存容積
45‧‧‧PID控制器
50‧‧‧電路板
100‧‧‧主體
105‧‧‧變換器組件孔穴
110‧‧‧壓力埠
115‧‧‧絕對壓力膜
120‧‧‧上游差分壓力膜
125‧‧‧絕對壓力變換器
130‧‧‧差分壓力變換器
135‧‧‧下游差分壓力膜
140‧‧‧壓力埠
305‧‧‧MFC
310‧‧‧差分壓力變換器組件
315‧‧‧位置
320‧‧‧位置
下方參考所附圖式詳細描述本揭示案的圖示範例，該等圖式於此以引用方式併入，且其中：
第1圖為根據本揭示案的某些實施例的基於壓力的質量流量控制器的示意圖，閥上游具有流量感測器；
第2圖為根據本揭示案的某些實施例的範例實體符號模型，可使用以調整入口管口阻斷的入口管口大小；
第3圖為根據本揭示案的某些實施例的組合絕對及差分壓力變換器組件的示意圖；及
第4圖為根據本揭示案的某些實施例的基於壓力的質量流量控制器的另一實施例的示意圖，閥上游具有流量感測器。
圖示的圖式僅為示範性且不意圖主張或暗示相關於可在其中實作不同範例的環境、架構、設計、或處理的任何限制。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims (21)

  1. 一種質量流量控制器，包括： 一流量通路，該流量通路經過該質量流量控制器；該流量通路包括一第一孔穴及一第二孔穴；一層流元件，該層流元件相鄰於該第一孔穴及該第二孔穴；其中該第一孔穴在該層流元件上游且該第二孔穴在該層流元件下游；一組合絕對及差分壓力變換器組件，包括：一第三孔穴，該第三孔穴與該第一孔穴流體連通；一絕對壓力變換器，該絕對壓力變換器具有一絕對壓力膜且曝露於該第三孔穴中的絕對壓力；及一差分壓力變換器，該差分壓力變換器具有一第一差分壓力膜及一第二差分壓力膜且曝露於該第三孔穴及該第二孔穴之間的差分壓力；及一流量控制閥組件，該流量控制閥組件經配置以控制經過該流量通路的流體的一流量；其中該流量控制閥組件在該層流元件及該組合絕對及差分壓力變換器組件的下游。
  2. 如請求項1所述之質量流量控制器，進一步包括一入口管口阻斷。
  3. 如請求項2所述之質量流量控制器，其中該入口管口阻斷包括約0.010吋至約0.070吋的一入口直徑。
  4. 如請求項1所述之質量流量控制器，進一步包括一PID控制器。
  5. 如請求項3所述之質量流量控制器，其中該PID控制器經配置以：將該絕對壓力、該差分壓力、及流體屬性及層流元件特性的認知轉換成指示經過該層流元件的質量流量速率的一信號；接收指示經過該層流元件的一所需流量速率的一設定點信號；及控制該閥驅動信號，使得指示經過該層流元件的質量流量速率的該信號實質匹配所接收的該設定點信號。
  6. 如請求項4所述之質量流量控制器，其中該設定點信號的該所需流量速率小於或等於10%。
  7. 如請求項5所述之質量流量控制器，其中該流量通路進一步包括一出口且其中該出口包括大於2 psia的一壓力。
  8. 如請求項1所述之質量流量控制器，進一步包括一電路板。
  9. 如請求項1所述之質量流量控制器，其中該組合絕對及差分壓力變換器組件經配置以感測該流量控制閥組件的上游的該絕對及差分壓力。
  10. 如請求項1所述之質量流量控制器，其中使用一流體來填滿該第三孔穴。
  11. 一種控制一流體的流量速率的方法，包括以下步驟： 提供一質量流量控制器，包括： 一流量通路，該流量通路經過該質量流量控制器；該流量通路包括一第一孔穴及一第二孔穴；一層流元件，該層流元件相鄰於該第一孔穴及該第二孔穴；其中該第一孔穴在該層流元件上游且該第二孔穴在該層流元件下游；一組合絕對及差分壓力變換器組件，包括：一第三孔穴，該第三孔穴與該第一孔穴流體連通；一絕對壓力變換器，該絕對壓力變換器具有一絕對壓力膜且曝露於該第三孔穴中的絕對壓力；及一差分壓力變換器，該差分壓力變換器具有一第一差分壓力膜及一第二差分壓力膜且曝露於該第三孔穴及該第二孔穴之間的差分壓力；及一流量控制閥組件，該流量控制閥組件包括一控制閥且經配置以控制經過該流量通路的流體的一流量；其中該流量控制閥組件在該層流元件及該組合絕對及差分壓力變換器組件的下游；流動一流體經過該流量通路；及啟動該控制閥。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該質量流量控制器進一步包括一入口；其中在該入口內設置一入口管口阻斷。
  13. 如請求項11所述之方法，其中該入口管口阻斷包括約0.010吋至約0.070吋的一入口直徑。
  14. 如請求項10所述之方法，進一步包括一PID控制器。
  15. 如請求項13所述之方法，其中該PID控制器將該絕對壓力、該差分壓力、及流體屬性及層流元件特性的認知轉換成指示經過該層流元件的質量流量速率的一信號；接收指示經過該層流元件的一所需流量速率的一設定點信號；及控制該閥驅動信號，使得指示經過該層流元件的質量流量速率的該信號實質匹配所接收的該設定點信號。
  16. 如請求項14所述之方法，其中該設定點信號的該所需流量速率小於或等於10%。
  17. 如請求項15所述之方法，其中該流量通路進一步包括一出口且其中該出口包括大於2 psia的一壓力。
  18. 如請求項10所述之方法，進一步包括一電路板。
  19. 如請求項10所述之方法，其中該組合絕對及差分壓力感測該流量控制閥組件的上游的該絕對及差分壓力。
  20. 如請求項10所述之方法，其中使用一流體來填滿該第三孔穴。
  21. 如請求項10所述之方法，其中該流體為使用於一半導體處理的一流體。
TW108101485A 2018-01-30 2019-01-15 具有絕對和差分壓力變換器之質量流量控制器及其相關方法 TWI796417B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862624059P 2018-01-30 2018-01-30
US62/624,059 2018-01-30
US16/195,432 2018-11-19
US16/195,432 US11073846B2 (en) 2018-01-30 2018-11-19 Mass flow controller with absolute and differential pressure transducer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201937322A true TW201937322A (zh) 2019-09-16
TWI796417B TWI796417B (zh) 2023-03-21

Family

ID=67392855

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW108101485A TWI796417B (zh) 2018-01-30 2019-01-15 具有絕對和差分壓力變換器之質量流量控制器及其相關方法

Country Status (7)

Country Link
US (2) US11073846B2 (zh)
EP (1) EP3746860B1 (zh)
JP (1) JP7216736B2 (zh)
KR (1) KR20200115555A (zh)
CN (1) CN111902786A (zh)
TW (1) TWI796417B (zh)
WO (1) WO2019152089A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113632038A (zh) * 2019-04-25 2021-11-09 株式会社富士金 流量控制装置
DE112020007029A5 (de) * 2020-07-28 2023-01-26 Festo Se & Co. Kg Sortierverfahren und sortiervorrichtung
JP2022047815A (ja) * 2020-09-14 2022-03-25 アズビル株式会社 マスフローコントローラ
US11940307B2 (en) 2021-06-08 2024-03-26 Mks Instruments, Inc. Methods and apparatus for pressure based mass flow ratio control
DE102021130134A1 (de) * 2021-11-18 2023-05-25 Gemü Gebr. Müller Apparatebau Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft Vorrichtung zur Fluidbegrenzung und Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft eines Prozessfluids
US12000723B2 (en) 2022-02-18 2024-06-04 Mks Instruments, Inc. Method and apparatus for pressure based mass flow control
CN117148877B (zh) * 2023-11-01 2024-01-02 苏芯物联技术(南京)有限公司 一种高精度管道流量测量控制装置及设计方法

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5868159A (en) * 1996-07-12 1999-02-09 Mks Instruments, Inc. Pressure-based mass flow controller
GB2381589B (en) 1999-05-26 2003-09-10 Cyber Instr Technology Llc Wide range gas flow system with real time flow measurement and correction
US6503280B2 (en) * 2000-12-26 2003-01-07 John A. Repicci Prosthetic knee and method of inserting
EP1384121A2 (en) 2001-04-24 2004-01-28 Unit Instruments, Inc. System and method for a mass flow controller
EP1454085A4 (en) * 2001-11-13 2006-06-07 Emech Control Ltd Formerly Tec PROCESS SOLENOID VALVE
US6712084B2 (en) * 2002-06-24 2004-03-30 Mks Instruments, Inc. Apparatus and method for pressure fluctuation insensitive mass flow control
US6973375B2 (en) * 2004-02-12 2005-12-06 Mykrolis Corporation System and method for flow monitoring and control
WO2008053839A1 (fr) 2006-11-02 2008-05-08 Horiba Stec, Co., Ltd. Mécanisme de diagnostic dans un régulateur de débit massique à pression différentielle
KR101485887B1 (ko) * 2007-12-05 2015-01-26 히다치 조센 가부시키가이샤 진공 용기의 압력 제어 방법 및 압력 제어 장치
JP5395451B2 (ja) * 2009-02-10 2014-01-22 サーパス工業株式会社 流量コントローラ
TWI435196B (zh) * 2009-10-15 2014-04-21 Pivotal Systems Corp 氣體流量控制方法及裝置
CN103502902B (zh) * 2011-05-10 2015-12-02 株式会社富士金 带有流量监测器的压力式流量控制装置、使用该装置的流体供给***的异常检测方法及监测流量异常时的处置方法
US9188989B1 (en) * 2011-08-20 2015-11-17 Daniel T. Mudd Flow node to deliver process gas using a remote pressure measurement device
US9454158B2 (en) * 2013-03-15 2016-09-27 Bhushan Somani Real time diagnostics for flow controller systems and methods
US9562796B2 (en) * 2013-09-06 2017-02-07 Illinois Tool Works Inc. Absolute and differential pressure transducer
JP6254815B2 (ja) * 2013-10-11 2017-12-27 アドバンス電気工業株式会社 流量制御弁及びこれを用いた流量制御装置
CN104806797B (zh) * 2013-12-31 2018-02-23 缪勒Sv有限公司 自动流量控制***及导阀组件
JP6415889B2 (ja) * 2014-08-01 2018-10-31 株式会社堀場エステック 流量制御装置、流量制御装置用プログラム、及び、流量制御方法
CN104236641A (zh) * 2014-09-19 2014-12-24 兰州空间技术物理研究所 基于恒压法的多介质气体配样标准流量计及流量提供方法
US20170336810A1 (en) * 2014-12-04 2017-11-23 Illinois Tool Works Inc. Wireless flow restrictor of a flowmeter
US10459458B2 (en) * 2015-09-30 2019-10-29 Hitachi Metals, Ltd. Mass flow controller and diagnostic method for differential pressure type flow meter
US9638559B1 (en) * 2016-02-10 2017-05-02 Sensata Technologies Inc. System, devices and methods for measuring differential and absolute pressure utilizing two MEMS sense elements
JP6871721B2 (ja) * 2016-11-17 2021-05-12 株式会社堀場エステック 圧力式流量計
CN106679925A (zh) * 2016-12-15 2017-05-17 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 一种微质量射流流量高精度控制装置和控制方法
CN106990798A (zh) * 2017-06-01 2017-07-28 上海昶艾电子科技有限公司 流体流量控制器以及干湿球测湿法中控制流量的方法
US20200132536A1 (en) * 2018-10-26 2020-04-30 Illinois Tool Works Inc. Mass flow controller with advanced back streaming diagnostics

Also Published As

Publication number Publication date
EP3746860B1 (en) 2023-01-04
CN111902786A (zh) 2020-11-06
US20210318698A1 (en) 2021-10-14
KR20200115555A (ko) 2020-10-07
WO2019152089A1 (en) 2019-08-08
US11526181B2 (en) 2022-12-13
JP7216736B2 (ja) 2023-02-01
JP2021513147A (ja) 2021-05-20
US11073846B2 (en) 2021-07-27
TWI796417B (zh) 2023-03-21
EP3746860A1 (en) 2020-12-09
US20190235533A1 (en) 2019-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW201937322A (zh) 具有絕對和差分壓力變換器之質量流量控制器
CN105518419B (zh) 绝压和差压传感器
KR101930304B1 (ko) 유량계
JP4594728B2 (ja) より高い正確度の圧力に基づく流れコントローラ
CN105247433B (zh) 带流量监控器的流量控制装置
JP4204400B2 (ja) 差圧式流量計及び差圧式流量制御装置
US20020082783A1 (en) Pressure-based mass flow controller system
US10698426B2 (en) Methods and apparatus for multiple channel mass flow and ratio control systems
JP4977669B2 (ja) 差圧式流量計
US20240160230A1 (en) Flow rate control device
JP2022047815A (ja) マスフローコントローラ
JP4753251B2 (ja) ガス流量計、及びガス流量制御装置
JPWO2020026784A1 (ja) 流量制御システム及び流量測定方法
JP7249030B2 (ja) 流量測定装置内の容積測定方法および流量測定装置