CN100514007C - 流量计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流量计，其可以以高测量精度测量流体的小流量，尺寸小，可处理各种类型的试剂，且容易制造，成本低。所述流量计包括：壳体，其具有增大部分，并垂直布置；浮子，其封闭在所述壳体的增大部分中，且至少部分具有检测表面，所述检测表面从下面流过而进入壳体中以及向上流入壳体中的流体向上推；以及至少一个位移传感器，其设置在壳体的增大部分的外面，用于通过使浮子的检测表面磁化而检测浮子的轴向位移。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量流体小流量的流量计，尤其是涉及一种用于测量半导体制造设备中的流体的小流量的流量计，该半导体制造设备用于制造例如具有精细互连结构的半导体器件。
背景技术
作为用来测量流体例如气体或液体流量的装置，公知的一种流量计具有设置在壳体中的加热元件，并通过测量所述加热元件的温度来测量流体的流量，该加热元件的温度随着壳体中流动的流体流量而变化
还已知一种流量计，其包括设置在由透光材料制成的壳体的一侧上的多个发光二极管(LED)、设置在壳体相对一侧上且与所述LED面对的多个受光光电二极管、以及设置在壳体内且由遮光材料制成的浮子，所述流量计通过检测由于浮子挡住光而不能从LED处接收光的受光光电管的位置来检测浮子的位置(例如参见日本专利公开No.H2-388162)。
又一种公知的流量计包括由遮光材料制成的浮子，该浮子位于由透光材料制成的壳体内；多个沿着壳体设置的图像传感单元，每个传感元件都包括光学透镜和图像传感器，用于通过将图像传感单元的多个图像范围进行组合来识别壳体的有效图像范围，该流量计基于图像传感单元发出的电信号输出来检测浮子的位置(例如参见日本专利公开No.2001-221666)。
还公知一种类似流量计，其使用透镜和CCD线传感器将浮子的一维图像投影到线传感器上，并根据图像位置来检测浮子的位置(例如参见日本专利公开No.2001-221666)。
另外，还公知一种流量计，其包括具有永磁体的浮子、壳体、以及设置在壳体外面的多个磁传感器，该流量计通过用多个磁传感器之一检测浮子的永磁体的磁力来检测浮子的位置(例如参见日本专利公开No.H11-190644)。
发明内容
在使用由例如微机械加工成的加热元件的传统流量计中，加热元件暴露于流体中。因而，当处理腐蚀性流体时，它们必须要用保护材料罩住以保护加热元件。在这种情况下，由于保护膜的热传导性，在测量流体的小流量时，测量精度不高，且响应速度也变得相当慢，从而使得很难测量流体的小流量。
在具有设在壳体外面用于检测浮子位置的光学或磁传感器的传统流量计中，要增强测量精度，零件数量就会增多，这会使得组装困难，且组件尺寸大，成本高。另外，具有光学传感器的流量计需要使用透光壳体，因而对制造壳体的材料有限制。另外，这种流量计很难处理有些种类的流体。
本发明正是为了克服上述现有技术中的缺陷，因而本发明的目的在于提供一种高可靠性的流量计，其可以以很高的测量精度来测量流体的小流量，且尺寸小，可以处理各种化学流体，且容易制造，制造成本低。
为了实现上述目的，本发明提供一种流量计，包括：壳体，其具有增大部分，并垂直布置；浮子，其封闭在所述壳体的增大部分中，且至少部分具有检测表面，所述浮子被从下面流进壳体并在壳体中向上流动的流体向上推；以及至少一个位移传感器，其设置在壳体的增大部分的外面，用于通过使浮子的检测表面磁化而检测浮子的轴向位移。
根据本发明的流量计，垂直壳体中流体的向上流动在位于封闭壳体增大部分中的浮子上施加一个向上的压力，浮子在此压力和其自身重量的平衡作用下，悬浮并静止于与流量计中流动的流体流量相对应的一个位置。由于浮子至少部分地具有磁性检测表面，故可用设在壳体增大部分外面的位移传感器例如感应型位移传感器或涡流型位移传感器以高分辨率来精确检测浮子的轴向位置(位移)。
位移传感器的优选示例为尺寸很小的传感器，其包括铁氧体磁芯和缠绕在该磁芯上的线圈，并具有可检测约1μm量级的位移的很高的分辨率，使用这种位移传感器可以在即使流量计尺寸做成很小使浮子冲程(垂直方向上的可移动范围)例如约为2mm时，也可以具有很高的测量精度。另外，这种位移传感器具有较高的抗冲击性、高可靠性，且制造成本低。
本发明还提供一种流量计的壳体，其具有增大部分并垂直布置，从而允许流体从下面流入壳体并在壳体中向上流动，所述增大部分外面设有至少一个位移传感器。
本发明还提供一种浮子，其至少部分具有检测表面，并封闭在壳体的增大部分中，所述浮子在所述增大部分中被从下面流入壳体并在壳体中向上流动的流体向上推。
本发明的流量计用位移传感器例如感应型位移传感器或涡流型位移传感器来检测浮子的轴向位移。这使得可以对流体的小流量进行高精度测量，减小了流量计尺寸，且降低了流量计制造成本。另外，流量计的壳体和浮子可以由金属材料制成，从而即使在腐蚀性环境中也可以以高精度来稳定测量流体的小流量。此外，流量计可以不用精细加工技术例如微机械来制造，而是用传统技术来制造。因此，可以以很低的成本来制造具有牢固结构的流量计。
附图说明
图1A是根据本发明第一实施例的流量计的垂直剖视图，图1B是沿图1A的线B-B截取的剖视图，图1C是位移传感器的垂直剖视图，图1D是位移传感器的平面图。
图2A示出在壳体中没有流体流动时壳体中浮子的状态的剖视图，图2B示出在壳体中有流体流动时壳体中浮子的状态的剖视图，图2C示出在壳体中的流量增加时浮子状态的剖视图。
图3示出了对于具有不同比重的浮子而言，所测得的流体流量和浮子轴向位移之间的关系图。
图4为根据本发明第二实施例的流量计的垂直剖视图。
图5为根据本发明第三实施例的流量计的垂直剖视图。
图6为根据图5所示第三实施例的流量计的变化例的垂直剖视图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的优选实施例，在附图中，具有相同操作或功能的元件使用相同的参考号，且不对其进行重复描述。
图1A和图1B示出了根据本发明第一实施例的流量计10，图1C和图1D示出了该流量计10中所用的位移传感器15。所述流量计10包括具有增大部分12且垂直布置的壳体11、以及封闭在增大部分12中的浮子13。感应型位移传感器15设在壳体11的增大部分12外面，用于测量浮子13的轴向位移。壳体11由例如不锈钢制成，浮子13具有由高导磁性材料(强磁性铁镍合金)制成的检测表面13a。位移传感器15通过壳体11使检测表面13a(磁性表面)磁化，并根据感应系数的变化来测量检测表面(磁性表面)13的轴向位移。
具体而言，浮子13上端和下端具有截头圆锥形部分，它们由强磁性铁镍合金、高导磁材料制成，各相应表面用作检测表面13a，浮子13还具有由非磁性铝材料制成且位于所述两个截头圆锥形部分之间的圆柱形部分13b。圆柱形部分13b的直径例如约为20mm，高度例如约为30mm。此实施例中的浮子比重设为约2，从而其在作为测量对象的静止流体(例如水)中下沉。通过调整较重的强磁性铁镍合金和较轻的铝之间的比率以及浮子13中空心部分的比例，可使浮子13的比重设为适当的值，这取决于要测量的流体类型、流量等。
如图1C和图1D所示，位移传感器15例如包括铁氧体磁芯15a和缠绕在该铁氧体磁芯15a上的线圈15b。线圈15b的端部与一个图中未示出的传感放大器相连，可获得一个传感器输出。铁氧体磁芯15a的尺寸很小，例如直径不大于几mm，高度不大于2-3mm。因此，流量计10的尺寸，即壳体11的增大部分12的尺寸与位移传感器15的尺寸总和，可几乎与壳体11的增大部分12的尺寸一样。另外，感应型位移传感器15可以通过不锈钢壳体11以无接触的方式测量检测表面即测量物体的位移，其分辨率达到1μm量级。
在此实施例中，在增大部分12上端侧上周向规则间隔布置有三个感应型位移传感器15，在下端侧上周向规则间隔布置有三个感应型位移传感器15。各三个位移传感器15串联，从而可获得总输出。这样，可获得三个位移传感器15的平均输出，以增加测量精度。可设计一个电路，使得可由上端侧传感器的总输出和下端侧传感器的总输出而获得差动输出。这样，当浮子13在增大部分12中垂直(轴向)移动时，可通过在上传感器和下传感器之间取差动输出来测量轴向位移。
图2A到2C示出了用流量计10进行流量测量的原理。如图2A所示，在壳体11中没有流体流动时，浮子13靠其自身重量与壳体11的增大部分12的下倒置截头圆锥形部分接触。当流体开始流入壳体11中时，浮子13被流体的流动向上推，且静止在流体流向上的压力与浮子13的重量相平衡的位置，如图2B所示。随着壳体11中流动的流体流量的增加，浮子13向上移动，并静止在一个更高的位置，如图2C所示。
因此，浮子13的悬浮位置(轴向位移)大约随着壳体11中流动的流体流量的变化而线性变化。因此，壳体11中流动的流体流量可通过用位移传感器15检测浮子13的轴向位移而确定。位移传感器15测量浮子13和壳体11的上/下截头圆锥状部分之间的距离Lu、Ld，如图2A-2C所示。浮子13的轴向位移分量可以根据该距离Lu、Ld计算出来。在此实施例的流量计10中，浮子13的直径为20mm，高度为30mm，浮子13在增大部分12中的冲程(在轴向上的可移动距离)设为约2mm。使用相对于浮子13的位移而言具有约1μm分辨率的位移传感器15，可以以相当高的精度来测量浮子13的轴向位移。
在流量计10中，壳体11的增大部分12的内径和浮子13的外径之间的间隙C(见图1B)设为约0.2mm。这一间隙对应于直径约5mm的壳体的横截面面积(流道)，其使得可以以很高的精度测量小流量，对于水而言例如约10-60cc/min，如下所述。
可通过改变壳体11的增大部分12的内径和浮子13的外径之间的间隙，来改变测量对象的可测量流量范围。例如，在用于制造例如具有精细互连结构的半导体器件的半导体设备中，粘性流体例如抗蚀剂溶液的供给需要被控制到具有小流量例如约10cc/min。可通过提供与例如直径约2-3mm的壳体的横截面面积(流道)相对应的间隙，来满足这一需要，并可对这种小流量进行高精度的测量。
同样，对于流量大的清洗液来说，例如，需要将流量控制在约2000-3000cc/min下。可通过提供与例如直径约10mm的壳体的横截面面积(流道)相对应的间隙来满足这一需要，并可对这种流量进行高精度的测量。虽然具有小间隙“C”的本发明流量计适于测量小流量，但是，通过使该间隙“C”变大，该流量计当然也可以用于测量较大流量。
在半导体制造设备中，存在这样的情况，其中各种流体例如含氟流体、酸、碱、液体试剂、抗蚀剂溶液以及抛光浆液以精确控制的流量被供给，例如供给清洗液到清洗设备、供给抗蚀剂溶液到抗蚀剂涂覆设备，以及供给抛光浆液到抛光设备。本发明的流量计可以很好地用于这些情况下的流量测量，原因如下。首先，可以对小流量进行高精度测量；其次，壳体11和浮子13由金属材料制成，从而它们对于各种试剂具有较高的稳定性；第三，因为可使用小尺寸的位移传感器15，其不需要较高的组装精度，故流量计可制成小尺寸的，且可容易地组装到半导体制造设备等中；第四，流量计可靠性高；第五，因为可获得对应于流量的电信号，流量计可以容易地组合到控制系统中。
下面对流量计10的流量测量特性的实际测量数据进行描述。图3示出了对于两种不同比重的浮子而言，所测量的在壳体11中流动的流体流量与浮子13的轴向位移之间的关系。横坐标表示流体(水)的流量，纵坐标表示浮子13的轴向位移。比重为2的浮子的数据与比重为3的浮子13的数据相比较而示出。从图3中可明显看出，比重为3的浮子13的位移比比重为2的浮子13的位移要小，且流量范围可宽到10-90cc/min，在此范围内，可以按大致线性的关系由位移来测量流量。
虽然浮子13的轴向位移很小，约0-0.5mm，但是可使用分辨率为约1μm量级的位移传感器15以足够高的精度来测量浮子13的轴向位移。
下面参考图4-6描述根据本发明另一实施例的流量计。
图4示出了根据本发明第二实施例的流量计，此流量计除了包括前述第一实施例的流量计中的结构外，还包括一个用于控制浮子13径向位置的径向磁轴承。具体而言，此实施例的流量计包括用于检测浮子13径向位置的径向位移传感器17、基于位移传感器17所检测到的位置而将浮子13控制在目标径向位置处的未示出的控制装置、以及电磁体18。当浮子13从壳体11中心(即目标位置)径向移动时，位移传感器17检测浮子13的偏心位移，且控制装置用电磁体18在浮子13上施加一个径向磁力，从而使浮子13返回到壳体11的中心，即目标位置。
四个位移传感器17和四个电磁18分别以规则间隔在周向上布置，从而可以在X、Y方向上对浮子13进行位移检测，并对浮子13的位置进行控制。浮子13包括由磁性材料制成的圆柱形部分13c，用作电磁体18的目标，其位于上截头圆锥状检测表面13a下面，还包括由磁性材料制成的圆柱形部分13d，用作位移传感器17的目标，其位于下截头圆锥状检测表面13a的上面。
代替使用径向传感器17的是，还可以使用无传感器径向磁性轴承，其包括电磁体18，其利用缠绕，具有检测浮子13径向位移的位移传感器功能。
此实施例的流量计的结构除具有径向磁轴承外与第一实施例的相同，且与第一实施例的流量计一样，具有对小流量的高精度检测特性。除此之外，采用径向磁轴承，可利用此实施例的流量计使浮子13总保持在壳体11的增大部分12的中心。这可以防止浮子13与壳体11的内壁面接触，从而防止由于浮子13与壳体11之间的接触产生污染。
此外，径向磁轴承的电磁体18恒定地在浮子13上施加一个径向电磁力。此径向磁力在浮子13中产生轴向剪力。具体而言，当浮子13在轴向上移动时，此径向剪力与浮子13的轴向移动相抵。因此，由电磁体18恒定作用在浮子13上的轴向电磁力产生与浮子13比重增加所产生的相同的效果。因此，可以通过调整电磁体18的恒定磁力，将流量测量范围从10-60cc/min加宽到例如10-600cc/min。
虽然在此实施例中，由于壳体11中流动的流体流量的改变而产生的浮子13的轴向位移可以用位移传感器15来检测，但是，也可以采用由电磁体18施加的上述磁性剪力并根据电磁体18中电流的变化来检测壳体11中流动的流体流量的变化。
具体而言，当壳体11中流动的流体流量为0时，供给电磁体18的电流最小。通过使用电磁体18的磁性剪力，浮子13被保持在可用位移传感器15检测到的某个轴向位置。当壳体11中流动的流体流量增加时，由流体施加在浮子13上的向上的压力增加，此时，供给到电磁体18的电流增加，以增加磁性剪力，从而将浮子13保持在所述某个轴向位置。在对浮子13的轴向位置进行这种控制的过程中，壳体11中流动的流体流量越大，磁性剪力就越大，因此使浮子13保持在所述某个轴向位置所需要供给到电磁体18的电流就越高。因此，在壳体11中流动的流体流量与供给电磁体18的电流之间有某种关系，且该关系使得可以根据供给到电磁体18的电流来测量壳体11中流动的流体流量。
图5示出了根据本发明第三实施例的流量计，此实施例的流量计与第二实施例的流量计的不同之处在于，去除了浮子13上端和下端的截头圆锥状部分，且浮子13的上端和下端处的检测表面13a被做成平表面(圆形表面)。相应地，壳体11的增大部分12做成矩形，且位移传感器15设在与增大部分12的轴向垂直的表面上。流量计的其他结构与第一实施例和第二实施例的相同。
采用此实施例的这种区别特征，流量计可以在尺寸上做得很小。当然，也可以去除径向位移传感器17和电磁体18，它们一起构成了径向磁轴承。即使这种流量计没有径向磁轴承，也具有与第一实施例的流量计相同的流量检测特性，且可在即使腐蚀性环境中以足够高的精度检测小流量。
但是，根据第一和第二实施例的流量计的浮子13上端和下端处的截头圆锥状部分以及壳体11增大部分12的面对检测表面13a的倒置截头圆锥状部分允许流体平滑稳定地流入壳体11的增大部分12中。鉴于此，也可以留下浮子13下端处的截头圆锥状部分以及壳体11增大部分12的面对下检测表面13a的倒置截头圆锥状部分。如图6中的变化例所示。这允许流体平滑稳定地流入壳体11的增大部分12中。另外，对浮子13上端的平检测表面13a以及对壳体11增大部分12的面对平检测表面13a且垂直于轴向的平表面的修改可以减少流量计的尺寸。
当然，也可以在这种流量计中去除径向位移传感器17和电磁体18，它们构成径向磁轴承。即使这种流量计没有径向磁轴承，也具有与第一实施例的流量计相同的流量检测特性，且可以即使在腐蚀性环境中以足够高的精度对小流量进行检测。
虽然在上述第一到第三实施例中，使用感应型位移传感器来作为位移传感器15，以从非磁性钢壳体11外面检测强磁性铁镍合金浮子13的检测表面13a的位移，但也可以使用涡流型位移传感器来作为位移传感器15。在这种情况下，使用位于传感器15和检测表面13a之间的具有高导电性的钢壳体11，会产生相当大的涡流损失。因此，优选采用不同材料来制成壳体。例如，最好用陶瓷或树脂材料制成位于涡流型位移传感器前面的壳体，从而减少涡流损失。涡流型传感器基于随着对象移动导致的涡流变化而产生的阻抗变化来检测对象的位移。因此，不必使用高导磁材料来制作浮子13的检测表面13a。可以产生涡流的导体材料就足矣。
在使用涡流型位移传感器通过金属壳体来检测浮子位置的情况中，由于壳体所引起的涡流损失等的影响，位移传感器信号的S/N比很低。为了减少该损失并提高S/N比，最好使传感器驱动为电源驱动，且提供过滤器部分，以从传感器信号中充分地去除噪声。另外，为了补偿由例如过滤器产生的传感器信号的相位漂移，最好在传感器信号部分中提供一个相位补偿部分、基准信号部分和同步检测信号部分并使传感器灵敏度最优化。
虽然在上述实施例中所使用的浮子13和壳体11都由金属材料制成，但用有些液体试剂作为测量对象会使金属材料腐蚀。在这种情况下优选使用由耐化学试剂的树脂或陶瓷材料制成的壳体11。另外，浮子13用耐化学试剂的树脂材料涂覆或保护。
虽然本发明是参考其优选实施例进行的描述，但是本领域技术人员应该明白，本发明并不限于这些实施例，而是可以在不偏离本发明精神和范围的前提下做各种变化和修改。
Claims (8)
1.一种流量计，包括：
壳体，其具有增大部分，并垂直布置；
浮子，其封闭在所述壳体的增大部分中，且至少部分具有检测表面，所述浮子被从下面流进壳体并在壳体中向上流动的流体向上推；以及
至少一个轴向位移传感器，其设置在壳体的增大部分的外面，用于通过使浮子的检测表面磁化而检测浮子的轴向位移；以及
径向磁轴承，其设在壳体的增大部分的外面，用于控制浮子的径向位置，所述径向磁轴承包括电磁体和用于检测浮子径向位置的径向位移传感器。
2.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述轴向位移传感器是感应型轴向位移传感器或者涡流型轴向位移传感器。
3.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述浮子的两端具有截头圆锥状检测表面，而中心具有圆柱形部分。
4.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述浮子的两端具有圆形检测表面，而中心具有圆柱形部分。
5.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述浮子的比重可以调节，以调节可测量的流量范围。
6.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述径向磁轴承的电磁体用于将浮子保持在某个位置，且所述流量计基于使浮子抵抗流体流动而保持在所述某个位置所必需的电磁体的电流来测量在壳体中流动的流体的流量。
7.一种包括根据权利要求1所述的流量计的半导体制造设备。
8.一种包括根据权利要求6所述的流量计的半导体制造设备。
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