CN100422616C - 高精度基于压力的流量控制器 - Google Patents

Abstract

公开了一种质量流量控制器，其包括主体部分，该主体部分具有在其中形成的第一内部通道和至少第二内部通道，流量控制阀，该流量控制阀连接到该主体部分，并且与该第一和第二内部通道连通，至少一个压力变送器，将该压力变送器耦合到该主体部分，并且与该第一内部通道、第二内部通道和流量限制器中的至少一个连通，耦合到第二内部通道的非线性流量限制器，设置该非线性流量限制器以产生通过其中的高度压缩的层流，热传感器，该热传感器与该第一内部通道、第二内部通道和流量限制器中的至少一个连通，以及排气容器，该排气容器与该流量限制器连通。

Description

高精度基于压力的流量控制器

相关申请的交叉引用

本申请要求2002年8月28日申请的美国临时专利申请序列No.60/406511的优先权，因此，将该申请的全部内容在此合并作为参考。

背景技术

多种制造过程都需要对流体的流速和流量的控制。例如，半导体制造过程需要将非常精确数量的流体(主要是气体)释放到处理室。在该制造过程期间，可能需要高达每分钟二十公升到低至每分钟几十分之一立方厘米(CCM)范围的流速。

与此相适应，已经开发出了质量流量控制器，其测量并控制流体的流速，其中，流速测量是基于流体的热特性的。典型地，将这些热质量控制器用于监控在半导体器件的制造中使用的流体，如有毒的和高度活性的气体的流量。而且，在多种制造工序中，将不同的气体用在蚀刻和蒸汽沉积过程中。当暴露于环境大气条件时，这些气体可能对人有害，并且高度活性。

此外，已经开发了多种流体质量流量控制器，它们通过测量穿过流量限制器或节流孔的压降操作。虽然已经证实了这些装置在测量和控制流量中有用，但是也认识到许多缺点。例如，现有技术的质量流量控制器在有限的流动范围上精确地控制流速，但是，当在更宽的动态范围上控制流体的流速时，则会引入控制误差。

因此，已经认识到迫切需要几种压力变送器以及加入了这种压力变送器的流体质量流量控制器，特别是在如上所述的制造过程中使用的类型的质量流量控制器。这种迫切需求包括：在控制器设置点内的百分之几的控制器精度(通常，由现有设备可得到满量程的百分之一)(所希望的是小于百分之一)；在升高的或低于“正常”的温度，以及不同的位置或姿态(即正面朝上，向侧面或倒置)，没有精度损失的操作，如基于热的质量流量控制器所那样；在宽流速范围的精确测量和控制；从开始到得到稳定的流动状态的快速响应时间；制造的经济；以及简单的模块机械结构，以便有利于维修该流量控制器，以及有利于为了该制造过程，使该流量控制器脱离流体流量分配系统。在流体质量流量控制器中需要的其它特征包括：在制造时，不需要校准每个全部的控制器设备，或者在维修之后重新校准该设备，可靠的容易互换的流量限制器或孔板部件的供应，在维修或更换流量限制器后，容易确认该流量控制器的操作性和精度，对很宽种类的有毒和/或活性流体，特别是数以百计的在半导体制造工艺中使用的气体形式的流体，精确控制流速的能力，以及对不同气体或液体形式的流体流速，容易改变控制器的工作数据。

发明内容

本申请涉及基于压力的流量控制器。更特别地，本申请公开了不同的基于压力的流量控制器，在比现有的流量控制设备更宽的动态范围，其具有更高的精度。

本发明提供一种质量流量控制器，其包括主体部分，该主体部分具有在其中形成的第一内部通道和至少第二内部通道，流量控制阀，该流量控制阀耦合到该主体部分，并且与该第一和第二内部通道连通，至少一个压力变送器，该压力变送器连接到该主体部分，并且与该第一内部通道、第二内部通道和流量限制器中的至少一个连通，耦合到第二内部通道的非线性流量限制器，设置该非线性流量限制器以产生通过其中的高度压缩的层流，热传感器，该热传感器与该第一内部通道、第二内部通道和流量限制器中的至少一个连通，以及排气容器，该排气容器与该流量限制器连通。

附图说明

附图1是流体质量流量控制器的等比例视图；

附图2是当抽真空时，在附图1的质量流量控制器的一个实施方式中的三个不同流量区域的图解；

附图3是说明流量特性的曲线图，其中，将附图1的质量流量控制器抽真空；

附图4是说明附图1的质量流量控制器的流量灵敏度作为流速的函数变化的曲线图；

附图5是说明附图1的质量流量控制器中基于附图6所示的预期变送器校准漂移的预期流量测量误差的曲线图；

附图6是说明相对于参考压力，附图1中的质量流量控制器的变送器稳定性的曲线图；

附图7A是说明流量为172.0sccm左右时，附图1的质量流量控制器的稳定性等级的曲线图，并且说明了温度对它的影响；

附图7B是说明流量为46.0sccm左右时，附图1的质量流量控制器的稳定性等级的曲线图，并且说明了温度对它的影响；

附图7C是说明流量为10.75sccm左右时，附图1的质量流量控制器的稳定性等级，并且说明了温度对它的影响；以及

附图7D是说明流过附图1的质量流量控制器的流体的实际温度读数以及错误的温度读数的曲线图。

具体实施方式

本公开的内容涉及流量控制器，更特别地，涉及高精度基于压力的流量控制器。然而，应当理解，下面公开的内容提供了许多不同的实施方式，或例子，以便实现该流量控制器的不同特征。在下面描述构件和排列的特殊例子，以便简化本公开。当然，这些仅仅是例子，而不是为了进行限制。此外，本公开的内容会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。这种重复是为了简单和清楚的目的，并且就其本身来说，不是为了指定所述的不同实施方式和/或结构之间的关系。

参照附图1，说明了典型的质量流量控制器(MFC)。在2001年10月12日申请的美国临时专利申请序列No.60/329031和2000年9月20日申请的美国专利申请序列No.09/666039中，介绍并更全面地描述了该流量控制器10的不同实施方式，因此，将它们合并作为参考，如同整体上再现它们。

本实施方式所示的MFC10具有单个主体部分12。应当理解，可以随意地将一个或更多个模体部件(未示出)添加到该主体部分12。例如，该主体部分12可以具有连接流体供应系统的管道的适当的连接器(未示出)，如供应气体形式的特别是有毒的或活性流体的半导体制造系统，以便用于半导体制造。

MFC10支持电控制流量控制阀14，通过传统的机械固定器(未示出)将该流量控制阀14可拆卸地安装在主体部分12的表面16。典型的机械固定器非限制地包括螺丝钉配合件、螺丝钉、销、锁定元件、搭扣配合以及锁定元件。该流量控制阀14优选地是预先安装的模块结构，这样，可以容易地将其安装在主体部分12上的预定位置，以便一旦安装，就不需要该流量控制阀14的调整。这优于现有技术的系统，在现有技术的系统中，阀14不是模块的，因此必须安装，这一般需要相当大量的时间。阀14包括电动的关闭元件18，操作该关闭元件以节流从第一内部通道20到第二内部通道22的流体流动。第一内部通道20与源压力容器流体连通。阀14还包括执行器24，以便在全开和全闭位置之间移动该关闭元件18。执行器24优选地是螺线管或压电型的，以便在全开和全闭位置之间，高分辨度地、快速且精确地控制关闭元件18的位置。一些实施方式不利用阀14，因此，其可以用作流量计而不是流量控制器。

将压力变送器26安装在主体部分12的表面16，并且与在该主体部分12中形成的第二内部通道22流体连接。在说明的实施方式中，压力变送器26通过第三内部通道28连接第二内部通道22。在可替换的实施方式中，可以将该压力变送器连接到第二内部通道，并且设置成测量通过该第二内部通道的压力，从而消除了对第三内部通道28的需要。本领域的技术人员可以理解，通过将压力变送器26直接连接到第二内部通道22，可以最小化MFC10内的“死区”。大多数压力变送器，如附图1的变送器26具有零点和量程漂移。零点漂移描述了当零输入时，测量中出现的变化。量程漂移描述了范围的上或下限的变化。零点漂移典型地是大分量，其可能包含高达总漂移的80％。

如图1所示，可以将至少一个热传感器23定位在主体部分12上或以其它的方式与该主体部分连通。将该至少一个热传感器23设置成测量穿过第一内部通道20、第二内部通道22、流体限制器30或上述部件中的任何部件的流体的温度。在第一个实施方式中，将该热传感器耦合到第一内部通道20、第二内部通道22、流量限制器30或任何上面中的至少一个。在可替换的实施方式中，热传感器23包括定位在第一内部通道20、第二内部通道22、流量限制器30或任何上面之内的传感装置(未示出)。典型的热传感器23例如包括温度计、热电偶、红外传感器或者在现有技术中已知的其它温度读取装置。

在可替换的实施方式中，可以将至少一个热控制元件与MFC10的主体部分12连通。可以将该至少一个热控制元件(未示出)连接到第一内部通道20、第二内部通道22、流量限制器30或任何上面中的至少一个，并且可以设置该热控制元件，以便将内部通道20，22、流量限制器30的温度调整到所要的温度。例如，在一个实施方式中，可以设置该热控制元件(未示出)，以便将流量限制器30加热到所要的温度，从而将流动在其中的流体的温度保持在所要的温度。典型的热控制元件非限制地包括线圈加热器、电阻加热器、压电加热器和冷却器或在现有技术中已知的其它装置。

参照附图1，将流量限制器30连接到控制阀14下游的第二内部通道22，并包括流量限制器入口50和流量限制器出口52。在一个实施方式中，流量限制器30包括高度非线性流量限制器，该非线性流量限制器具有伸长的管状体或毛细管体。由于该毛细管体的伸长的体长以及其相对小的水力直径，在流量限制器30内产生毛细管或层流。当高度可压缩的层流穿过该毛细管体时，可以产生有用的非线性。更特别地，当流量限制器30具有与流量限制器路径长度相比相对小的水力直径(L/D)时，可以产生该有用的非线性，并且通过该限制器的流动是高度压缩的层流。本领域的技术人员可以理解，可以将流量限制器30制造成不同的长度和内部直径，以便产生通过其的高度可压缩的层流，并且可以由不同的材料制造该流量限制器。例如，在一个实施方式中，该流量限制器30由适当压缩及烧结的不锈钢或镍微粒制成，以便产生所要的孔隙度和节流特性。可以理解，流量限制器30可以由其它材料或结构构成。典型可替换的结构非限制地包括具有相对小的水力直径的盘绕毛细管、平板、槽形板、环形板、孔板、平行板、层叠板、卷片或在本领域中已知的其它结构。

可以将流量限制器出口52连接到不同的容器，将该容器设置成接收MFC10的排气。例如，在一个实施方式中，将流量限制器出口52连接到排气容器，该排气容器具有形成在其中的真空。在可替换的实施方式中，将该流量限制器出口连接到出口容器，该出口容器具有形成在其中的接近真空。例如，该出口容器可以是大约1psia(磅/平方英寸)或更少。可选择地，可以将流量限制器出口52连接排气容器，该排气容器具有形成在其中的压降和/或可变的真空。例如，该出口容器具有从大约0psia变化到大约5psia的压力。可选择地，可以将第二压力变送器54接近流量限制器30定位，并且设置成测量离开MFC10的排气的压力。

使用期间，在流量限制器入口50的压力和流量限制器出口52的压力之间形成压降。在一个实施方式中，流量限制器入口50和流量限制器出口52之间的压降至少是流量限制器入口50压力的百分之50左右。在另一个实施方式中，流量限制器入口50和流量限制器出口52之间的压降至少是流量限制器入口50压力的百分之60左右。在更另一个实施方式中，流量限制器入口50和流量限制器出口52之间的压降至少是流量限制器入口50压力的百分之70左右。简而言之，流量限制器入口50和流量限制器出口52之间的压降至少是流量限制器入口50压力的百分之50左右到接近百分之100。

在本申请中，将可压缩的层流界定为流量限制器入口50和流量限制器出口52之间的压降，该压降至少是流量限制器入口50压力的百分之10左右，同时，将高度可压缩的层流也界定为流量限制器入口50和流量限制器出口52之间的压降，该压降至少是流量限制器入口50压力的百分之50左右。由于流过流量限制器30的高度可压缩的层流的产生，具有有用的非线性的MFC10产生了“读数误差百分比”特性的漂移，而不是“满量程误差百分比”特性的漂移。因而，与现在可用的相比，MFC10具有增强的动态范围，特别是在低流量时。

参照附图2，说明了典型的流量限制器30。为了说明，加压的流体进入流量限制器入口50，并且通过流量限制器出口52离开进入真空。在流量限制器30内，将流体流动分成三个不同的区域，指定为A，B和C。在区域A，流体流动主要具有层流特性。在区域B，该流体流动具有高的速度，并且连带增加了动力损耗。在区域C，该流体流动主要具有分子特性。应当理解，这些区域会根据压力源，限制器参数以及其它变量变化。当抽到接近真空时，可能不存在区域B和C。因此，区域A的层流特性实质上通过流量限制器30的整个长度而呈现，同时，保持了有用的非线性。

现在，参照附图3-7，对基于压力的MFC来说，其中，流量与入口压力(声速应用)或压差(层流元件(LFE’s)，其中，压降与管路压力相比较小)成比例，压力变送器零点的变化会转化成MFC的校准误差，该MFC呈现出“满量程百分比”特性。

附图3表示非线性流量限制器的流动特性的曲线图，将该非线性流量限制器设置成产生高度可压缩的层流。为了产生附图3所示的数据，MFC具有非线性流量限制器，将该MFC设置成在24℃温度使氧气流动，并且抽真空。如图3所示，在此公开的流量限制器产生了流量相对入口压力曲线的斜率，该斜率具有高度的非线性，并且在低流量时比高流量时更陡峭。该流量限制器的非线性特性产生了在低流速时比现在可用的更精确的MFC。

附图4表示非线性流量限制器对不同流速的压力测量误差的灵敏度的曲线图。如图4所示，MFC具有非线性流量限制器，将该流量限制器设置成在24℃温度使氧气流动，并且抽真空。如图4所示，压力对该MFC的压力测量误差的灵敏度在低流速时减少。因此，附图3和4说明，与现在可用的非线性限制器相比，具有所述的非线性流量限制器的MFC能够在更宽的动态范围上精确地控制流体的流速。

附图5表示说明了“读数百分比”的流速误差的曲线图，该流速误差由典型的附图6的变送器的压力测量误差导致。如图所示，1Torr(托)的压力测量误差对大约20sccm或更大的流量来说，产生大约1个“读数百分比”或更少的流动误差，而对于大约1sccm到大约20sccm的流量来说，产生大约6个“读数百分比”的流动误差。

附图6用图说明MFC10的压力变送器的稳定性。如上所述，当存在零输入时，零漂移描述了发生在测量中的变化。量程漂移描述了范围的上或下限中的变化。零漂移典型地是大分量，并且可以包含总漂移的80％。当用图表示时，零漂移表现为平均值的垂直偏移。例如，附图6的线60表示相对于压力的应答器误差。如图所示，在经过从大约0Torr到大约750Torr的参考压力范围，线60在值0.10上保持非常恒定，并且拥有接近于0的斜率。

附图7A-7D表示MFC随时间的稳定性的几个图解表示，该MFC具有如上所述的非线性限制器，以及其上的误补偿温度变量的效果。在附图7A-7C中，在大约172.0sccm，46.0sccm和10.75sccm的流速，测量单个1000sccm的MFC。附图7D表示相对于流体的估计温度参见线G，流过MFCs的流体的实际温度参见线F，该估计温度由连接到该MFC的控制系统补偿。如图7A-7D所示，在12和20小时之间，流过该MFC的实际温度在大约23℃到大约24℃之间变化。该连接到MFC的控制系统错误地确定流过该MFC的流体的温度在大约27℃和29℃之间变化(见线G，附图7D)。响应于该控制系统的错误的温度变量读数，经过该MFC的流量增加。

如上所述，可以构造MFC，在该MFC10内放置烧结的元件或伸长的(如毛细管或本领域中已知的其它装置)层流元件，与供应压力相比，其具有穿过流量限制器的大压降。当将高真空应用于流量限制器出口52，与供应压力相比，形成了流动的高度非线性流动特性，当与流量限制器入口50的压力比较时，从而形成了接近100％的压降。结果，在低流量时，每单元流量增加需要的较高增加的压力减少了通过零漂移误差导致的误差对压力变送器的影响。例如，在流量范围的低端，在变送器上1Torr零漂移的影响仅是该流量范围的高端的影响的1/20或更少。在某些工业如半导体工业，可能希望使用具有更多“读数百分比”校准误差特性的MFC。这可以得到这种益处如总量减少、在低压范围增长的精度以及灵活性。

因此，提供一种如上所述的高精度基于压力的流量控制器。应当理解，前面的描述仅是说明性的，并且可以使用可替换的设计得到相似的功能，这对本领域的技术人员显而易见的。

Claims (16)

1. 一种质量流量控制器，包括：

主体部分，该主体部分具有在其中形成的第一内部通道和第二内部通道；

流量控制阀，该流量控制阀耦合到该主体部分，并且与该第一和第二内部通道连通；

至少一个第一压力变送器，该第一压力变送器耦合到该主体部分，并且与该第一内部通道和第二内部通道中的至少一个连通；

耦合到第二内部通道的非线性流量限制器，设置该非线性流量限制器以产生通过其中的高度压缩的层流；

热传感器，该热传感器与该第一内部通道、该第二内部通道和该流量限制器中的至少一个连通；以及

排气容器，该排气容器与该流量限制器连通。

2. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中该非线性流量限制器设置成使得高度压缩的层流在流量限制器入口和流量限制器出口之间实现至少50％的压降。

3. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中该非线性流量限制器设置成使得高度压缩的层流在流量限制器入口和流量限制器出口之间实现至少60％的压降。

4. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中该非线性流量限制器设置成使得高度压缩的层流在流量限制器入口和流量限制器出口之间实现至少70％的压降。

5. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中将该第二内部通道设置成使流体以比该流量限制器的输出压力更大的压力流动。

6. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中该排气容器处于真空状态。

7. 如权利要求1所述的质量流量控制器，该排气容器接近真空状态。

8. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中该排气容器处于0-0.35公斤/平方公分范围的压降状态。

9. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中该流量限制器由烧结的材料制造。

10. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中该限制器是多孔的。

11. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中该流量限制器包括盘绕的毛细管。

12. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中将该流量限制器定位在该流量控制阀的下游。

13. 如权利要求1所述的质量流量控制器，进一步包括至少一个第二压力变送器，该第二压力变送器与该流量限制器的出口连通。

14. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中，该限制器包括层流元件，将该层流元件设置成产生从中通过的高度压缩的层流。

15. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中该限制器包括多孔体，该多孔体上形成有平行和串行的气孔。

16. 如权利要求1所述的质量流量控制器，其中以多种结构形成该限制器，该结构选自由毛细管、环形隙、环形板、平行板、槽形板、层叠板以及卷片组成的组。

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