CN100400971C - 用于压力传感器的温度调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于调节传感器的温度以便减少在传感器内形成的温度梯度的系统和方法。在一个实施例中，利用温度调节器来减少所述温度梯度，所述温度调节器具有包围着一个可变电容压力计(210)的被控区域(220，230)。

Description

用于压力传感器的温度调节器
技术领域
本发明一般涉及用于精确地测量压力的系统和方法，更具体地说，涉及一种用于通过调节压力测量装置的温度来改善其性能的系统和方法。
背景技术
压力传感器被广泛地用于半导体工业的制造过程中，为了控制到处理室的处理气体的流量。具体地说，可以利用可变电容的压力计来测量和调节这些气体的压力。在可变电容的压力计内的传感元件是借助于处理气体的压力而偏转的膜片。一个固定电极被接近地设置在膜片附近，从而形成一个电容器，其把膜片的偏转转换成反映处理气体的压力的电容的改变。
当在制造过程中使用时，传感器被暴露于处理气体的气流中。这些气体在制造过程当中经常成为被污染的，因而可能接着污染可变电容的压力计的膜片。处理气体还可能凝聚在膜片上，接着和膜片的材料起反应，从而形成一层有害的物质。因为压力计的功能和精度基于膜片的偏转，由这些和处理相关的副产品附加于膜片上的重量和厚度可能损害可变电容的压力计的精度。最后，这层副产品可能膨胀到这样的程度，使得差动电容压力计完全停止工作。
为了阻止形成这种有害的副产品层，可以使可变电容的压力计在一般略高于处理温度的升高的温度下操作。在绝大多数情况下，传感器的温度的升高通过使用恒温器来实现。这种恒温器一般是这样一种结构，其包围着可变电容传感器，因而调节传感器的温度。
不过，使用这些常规的恒温器加热可变电容传感器其自身具有许多缺陷。传感器的精度取决于传感器内部的温度的均匀性和一致性，但是在传感器内部的温度的均匀性经常受到例如通过连接传感器和处理气体流动系统的容器的真空装配而导致的热损失的影响。因为这些结构从恒温器中伸出，并被暴露于外部的影响，外部的温度一般低于传感器的其余部分的温度。因为这通常是发生大部分热损失的位置，在大部分设计中，传感器在和处理气体流动系统的其余部分进行真空连接的位置被加热。在其它区域，传感器通过空隙被直接加热。虽然这种直接加热趋于减少在传感器结构中的温度梯度，其一般导致大的尺寸的恒温器，使得在传感器和恒温器的壁之间具有大的气隙，并且，一般地说，具有大的和效率低的封装。
另一种方法，其中通过利用对传感器进行简单的直接的加热，来消除恒温器的空隙，能够得到更紧凑的、能量效率高的设计，其能够更快地达到设置点。不幸的是，这些直接加热的结构极大地受到温度梯度及其结构内的干扰的影响。
最后，需要一种恒温器加热的压力传感器的系统和方法，其具有改进的精度和其它的优点，其没有间接加热的单元的大的体积，也不受在直接加热的温度传感器中产生的温度梯度的影响。
发明内容
本发明提供一种温度调节系统和温度调节方法，本发明的各种实施例基本上消除或减小了和以前研制的系统和方法相关的缺点和问题。
更具体地说，本发明的一个实施例提供一种系统和方法，用于加热压力检测装置例如可变电容压力计的压力检测元件，并把传感器结构中的温度梯度减到最小。这种温度调节系统和方法包括温度调节装置，其包围着所述压力传感器，并可以向传感器的选择的区域传递热量。一个温度传感器监视这些区域，并且一个或几个所述区域中的温度根据在这些区域之间的测量的温度差被调节。
在一个实施例中，本发明提供更精确地测量温度梯度和粘附于一个设置点的能力，其中利用环境温度测量装置并结合在温度调节区域之间的温度差的测量。本发明的一个实施例通过提供一种用于加热可变电容压力计的压力检测元件的更直接和更紧凑的装置提供一个重要的技术优点。本发明的一个实施例通过减少在温度调节器和压力传感器之间的绝缘的数量提供另一个技术优点。
本发明的一个实施例通过减少在调节传感器的温度时消耗的能量的数量提供另一个技术优点。
本发明的一个实施例通过减少使压力传感器达到设置点温度所需的时间的数量提供另一个技术优点。
附图说明
为了更理解本发明及其优点，现在结合附图参看下面的说明，附图中相同的标号表示相同的元件，其中：
图1表示本发明的温度调节的一种方法的流程图；
图2A，2B表示在本发明的一个实施例中被同时执行的控制环的一对流程图；
图3表示实施图2A，2B的控制环的控制系统的示意图；
图4表示本发明的温度调节的系统和方法的一个实施例的示意图；
图5表示和可变电容压力计相连的本发明的温度调节器的实施例的截面图；以及
图6表示本发明的温度传感器的一个实施例。
具体实施方式
在附图中示出了本发明的优选实施例，在所有附图中使用相同的标号表示相应的元件。
压力传感器可以位于气体面板或气流通路内，例如用于测量流入半导体制造处理室中的气体的压力。这些压力传感器是用于调节这些处理气体的输出的仪器。
本发明的一个实施例提供一种由可以和压力传感器以及温度检测装置相连的温度调节器构成的压力传感器。所述温度调节器具有两个温度调节区域，它们可以被彼此独立地控制。温度传感器测量在两个区域之间的差，控制器相应地调节温度。
本发明的一些实施例的一个主要的技术优点在于它们使得在整个压力传感器内发生的温度梯度大大减小。因为利用被独立地调节的加热区域来减小这些温度梯度，这使得具有另一个技术优点，即减少在温度调节器和压力传感器之间所需的绝缘的数量。
本发明的一些实施例的另一个技术优点在于，用于加热可变电容压力计的压力检测元件的装置是一种更直接的和更紧凑的装置。
本发明的一些实施例的另一个技术优点是减少了在调节传感器的温度时消耗的能量的数量。
本发明的一些实施例的另一个优点在于减少了使压力传感器达到最佳的操作温度所需的时间。
本发明的一些实施例的另一个优点在于，通过利用环境温度测量装置和在温度调节区域之间的温度差的测量相结合，提供更精确地测量温度梯度以及粘附于一个设置点的能力。
现在参见图1，本发明的方法用流程图表示。通过减少在整个压力传感器内的温度梯度，本发明的方法允许减少温度调节器的尺寸，同时紧密地粘附于一个设置点，并同时阻止积聚的有害的副产品和压力传感器例如可变电容压力计内的气体反应。温度梯度的减少通过恒定地监视和控制和压力检测装置呈热连接的双区温度调节器的温度来实现。
这个减小通过使在两个加热区中的温度差减到最小来实现。在本发明的一个实施例中，利用柔性的印刷电路板测量温度，所述印刷电路板含有用于监视可变电容压力计的两个加热区之间的温度差的热电堆。所述热电堆利用两个热电偶结-一个热电偶结置于一个温度调节区域内，另一个热电偶结置于另一个温度调节区域内。响应所述温度差，至少一个温度调节区域被调节，使得补偿任何温度差。在压力传感器的操作期间，这个处理可被重复。
在本发明的一个实施例中，根据在两个温度调节区域之间存在的压力差由两个热电偶结产生电压差。这个电压差被传递给闭环控制器。所述闭环控制器确定合适的调节，从而减少在两个区域之间的温度梯度，并相应地调节一个或几个区域中的温度，使得热电偶结达到平衡，因而在热电堆的输出端，没有电压差。
在一个实施例中，两个独立的控制环同时操作。参见图2A和图2B，一对流程图说明这些控制环。图2A表示相应于第一区域的控制的控制环，而图2B表示相应于第二区域的控制环。这些控制环通过操作来维持第一区域在一个绝对温度设置点，并维持第二区域，使得维持在所述区域之间的一个不同的设置点。实现这些控制环的整个控制系统示于图3。
图4是这种实施例的示意图。在操作期间，气体通过导管250进入系统，所述导管使可变电容压力计210和气流相连。所述气体作用到可变电容压力计210中的膜片上，根据通过导管250的气体的压力而引起电容的改变。为了阻止由通过导管250的气流产生的副产品积聚，可变电容压力计210在一个被升高的温度下操作。这个加热过程由温度调节器270来实现，在一个实施例中，所述温度调节器包括由导热材料制成的两个杯220，230，其中的每一个相应于温度调节区域280和290。每个杯由加热元件在其周边加热，并且和可变电容压力计210呈热连接。这些杯220，230通过传导、对流和辐射向可变电容压力计210传递热量。因为可变电容压力计210的输出的精度大大依赖于温度设置点的精度和可变电容压力计的加热的均匀性，温度传感器240测量可变电容压力计210的一个温度调节区域内的环境温度，以及在两个温度调节区域220，230之间的温度差。在本发明的一个实施例中，温度传感器240通过使用电阻热电偶装置测量环境温度，并通过使用热电偶结来监视两个区域220，230之间的温度差。
再次参看图4，环境温度的值和在可变电容压力计210的两个区域220，230之间的温度差被传递给控制器260。控制器260接收环境温度和温度差，并控制温度调节器，这接着调节温度区域220，230。温度区域220，230的调节使得能够大大减少两个区域之间的温度梯度，并使得更加接近设置点的温度。
两个区域220和230的温度调节，通过基本上消除对于可变电容压力计210和温度调节器270之间的大的气隙的需要，允许使用较小的更有效的封装。在每个杯220，230和可变电容压力计210之间的一个小的热绝缘层可以帮助两个杯用作一种防护结构，它们包围着可变电容压力计210，保护它免受有害的热传递。这层绝缘层可以由空气构成，或者在另一个实施例中，由绝缘的泡沫材料或其类似物构成。
虽然上述的温度调节器可以大大减少传感器内的温度梯度，但是难于完全消除这些温度梯度。来自热源的热的局部化性质和通过封装以及导管250而进行的普遍性的不一致的热损失相结合，易于产生轻微的温度差。为了帮助进一步把温度梯度减到最小，可以把两个杯作得较厚。在本发明的一个实施例中，杯220，230的厚度大约为50密耳。
现在参看图5，其中以局部截面图的形式示出了本发明的一个实施例300，其包括温度调节器320和温度传感器390。本发明的装置300可被配置使得耦联到压力检测装置310，其在本实施例中是一种可变电容压力计。导管350用于连通在可变电容压力计和利用所述可变电容压力计进行的处理之间的压力。气体可以通过这个导管350流动，并使在所述可变电容压力计310中的压力检测膜片偏转。可变电容压力计310把膜片的偏转转换成反映可变电容压力计内部的压力的电容的改变。
如上所述，需要在升高的温度下操作可变电容压力计310。温度调节器320包围着可变电容压力计310，通过升高可变电容压力计310的温度减轻在可变电容压力计310的膜片上的气体和材料的凝聚。温度调节器320还改善可变电容压力计的温度的均匀性和一致性。
因为导管350必须在温度调节器320之外延伸，以便和通过气流的其余部分连接，其会受到外部的影响，例如受到低温环境和温度波动的影响。导管350作为可变电容压力计310的散热器，并在导管350延伸超过温度调节器的部分形成热损失区域。这个热损失区域使得在可变电容压力计310的内部形成温度梯度，从距离导管350最远的相对较热的区域到最接近导管350的相对较冷的区域。
为了帮助对付这个温度梯度，温度调节器320具有两个温度调节区域330，340，其一般分别包括可变电容压力计的上半部和下半部。虽然温度调节器320可以包括一个元件，在图5所示的实施例中，温度调节器320由两个导热杯332，342构成，它们部分地包围着可变电容压力计310。每个杯332，342相应于温度调节区域330，340。在一个实施例中，每个杯332，342具有相应的加热元件。这些加热元件可以包围着各个杯的周边的全部或部分。这些加热元件可以被单独地或者串联(级联)地控制，以便调节可变电容压力计310的温度。
为了更好地调节可变电容压力计310内的温度，温度调节器320可以直接地和可变电容压力计310热连接。虽然在本发明的一个实施例中，这种直接连接发生在两个位置，但是这种连接可以通过只直接地加热导管350，同时通过气隙间接地加热可变电容压力计310的其余部分来实现。不过这种方法通常是麻烦而低效的。另一个可能的选择是，通过可变电容压力计310的表面积的主要部分直接加热可变电容压力计310。这种类型的直接加热，虽然较为有效，但是对所需的区域进行直接加热和消除可变电容压力计310的温度梯度方面，效率还是低的。
在所示的实施例中，温度调节器320直接和两个温度调节区域330，340的每个区域内的可变电容压力计310热连接。在一个温度调节区域340内，温度调节器320用导管350直接和可变电容压力计310实现热连接，所述导管用于把压力连通到可变电容压力计。在另一个温度调节区域330内，实现和可变电容压力计310的第二个直接的热连接360。所述第二热连接360，一般位于第一热连接370的对面，以便提供均匀的加热，来克服由于在可变电容压力计310的导管350的热损失而可能引起的温度梯度。
为了帮助进一步减少温度梯度并维持设置点温度，在温度调节器320和可变电容压力计310之间设置热绝缘层380。温度调节器320和可变电容压力计310的外部的温度在物理上彼此接近，剩下很小的隔离间隔。因此，需要很薄的绝缘层380，但是仍然表明对于隔离可变电容压力计310是有效的。热绝缘层380可以由空气、绝缘的泡沫材料或气体绝缘材料构成。
图5所示的装置300还包括温度传感器390，其借助于检测在两个温度调节区域330，340之间的温度差帮助温度调节器320的控制。温度传感器390可以具有位于温度调节区域330、340的每个中的独立的温度检测装置。此外，温度检测装置390可以具有测量环境温度的能力。
在一个实施例中，温度传感器390是由柔性印刷电路构成的热电堆。所述柔性印刷电路含有用于测量环境温度的电阻性的热电偶装置392，以及两个热电偶结394，396，其每一个位于一个温度调节区域330，340中。所述两个热电偶结394，396用于测量两个温度调节区域330，340之间的温度差。然后，使用这个温度信息对温度调节器320提供控制输入。
图6表示温度传感器的一个实施例。如前所述，温度传感器400可以测量温度差和环境温度。温度传感器400可以是印刷电路板热电堆装置，或者是如图所示的柔性印刷电路板热电堆装置410。柔性印刷电路板热电堆410含有：两个温度检测位置420，430，它们被配置用于检测它们之间的温度差；温度传感器440，其被配置用于测量环境温度；以及连接器450，用于把检测的温度信息传递给控制器。在所示的情况下，环境温度传感器440是电阻性的热电偶装置，差动温度传感器420，430是热电偶结，其被配置用于根据检测的在其间的温度差产生电压。
虽然参照所述的实施例对本发明进行了详细说明，但是应当理解，这些说明只是例子而已，因而不得解释为任何限制。因此，还应当理解，本领域的普通技术人员，参照本说明可以作出许多改变和改型。可以设想，这些改变和改型都落在所附权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种压力感测系统，包括：
压力传感器；
和所述压力传感器成热连接的温度调节器，其中所述温度调节器具有至少两个温度调节区域；
温度传感器，其被配置用于感测所述至少两个温度调节区域之间的温度差；以及
闭环控制器，其被配置用于根据所述感测的温度差调节所述温度调节器所提供的热量。
2.如权利要求1所述的压力感测系统，其中
所述压力传感器是可变电容压力计，
所述温度调节器包括两个杯状物，其被配置用于至少部分地包围着所述可变电容压力计，两个杯状物之一和一个导管直接热接触，所述导管用于把压力传递给可变电容压力计，另一个杯状物与所述导管相对地和所述可变电容压力计直接热接触，
所述温度传感器是柔性的印刷电路，其包括两个热电偶结和电阻性的热电偶装置，被配置用于测量环境温度，其中一个热电偶结位于所述至少两个温度调节区域的一个中，另一个热电偶结位于所述至少两个温度调节区域的另一个中。
3.如权利要求1所述的压力感测系统，其中
所述压力传感器是可变电容压力计。
4.如权利要求3所述的压力感测系统，其中
所述温度调节器包括两个杯状物，其被配置用于至少部分地包围着所述可变电容压力计。
5.如权利要求4所述的压力感测系统，其中
所述两个杯状物之一和一个导管直接热接触，所述导管用于把压力传递给可变电容压力计，另一个杯状物与所述导管相对地和所述可变电容压力计直接热接触。
6.如权利要求3所述的压力感测系统，还包括
在所述温度调节器和所述可变电容压力计之间的热绝缘层。
7.如权利要求6所述的压力感测系统，其中
所述热绝缘层是空气。
8.如权利要求3所述的压力感测系统，其中
所述温度传感器包括两个热电偶结，其中一个热电偶结位于所述至少两个温度调节区域的一个中，另一个热电偶结位于所述至少两个温度调节区域的另一个中。
9.如权利要求8所述的压力感测系统，其中
所述温度传感器还包括被配置用于测量环境温度的装置。
10.如权利要求3所述的压力感测系统，其中
所述温度传感器是印刷电路。
11.如权利要求10所述的压力感测系统，其中
所述印刷电路是柔性的。
12.如权利要求1所述的压力感测系统，其中
所述温度调节器包括至少两个单独的加热元件。
13.如权利要求1所述的压力感测系统，其中
所述温度调节器包括两个杯状物，其被配置用于至少部分地包围着所述压力传感器。
14.如权利要求13所述的压力感测系统，其中
所述两个杯状物之一和一个导管直接热接触，所述导管用于把压力传递给压力传感器，另一个杯状物与所述导管相对地和所述压力传感器直接热接触。
15.如权利要求1所述的压力感测系统，还包括：
在所述温度调节器和所述压力传感器之间的热绝缘层。
16.如权利要求15所述的压力感测系统，其中
所述热绝缘层是空气。
17.如权利要求1所述的压力感测系统，其中
所述温度传感器包括两个温度传感器，其中一个温度传感器位于所述至少两个温度调节区域的一个中，另一个温度传感器位于所述至少两个温度调节区域的另一个中。
18.如权利要求17所述的压力感测系统，其中
所述温度传感器还包括被配置用于测量环境温度的装置。
19.如权利要求1所述的压力感测系统，其中
所述温度传感器是热电堆。
20.如权利要求19所述的压力感测系统，其中，所述热电堆包括两个热电偶结，所述热电偶结被配置成测量在所述至少两个温度调节区域之间的温度差。
21.如权利要求1所述的压力感测系统，其中
所述温度传感器是印刷电路。
22.如权利要求21所述的压力感测系统，其中
所述印刷电路是柔性的。
23.如权利要求1所述的压力感测系统，其中
所述温度调节器包括至少一个加热元件。
24.如权利要求3所述的压力感测系统，其中
所述温度调节器和所述可变电容压力计直接热接触。
25.一种感测压力的方法，包括：
测量在压力传感器的至少两个温度调节区域之间的温度差；
向闭环控制器报告所述温度差，所述闭环控制器被配置成调节所述至少两个温度调节区域中的至少一个温度调节区域的温度；以及
调节在所述至少两个温度调节区域中的所述至少一个温度调节区域内的温度，以便使所述温度差减到最小。
26.如权利要求25所述的方法，其中
测量在压力传感器的所述至少两个温度调节区域之间的温度差包括根据在所述至少两个温度调节区域之间的温度差产生一个电压。
27.如权利要求25所述的方法，还包括：
测量所述压力传感器的环境温度，并响应所述环境温度调节所述至少两个温度调节区域中的所述至少一个温度调节区域内的温度。
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