CN101019007A - 位置非敏感性流量装置系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方案提供了位置非敏感性流量装置系统及方法。本发明的一个实施方案可以包括含有处理器的流量装置和可被处理器存取的计算机可读介质，所述计算机可读介质存储可以执行的计算机指令组。计算机指令可以包括可执行的指令以接收方位、接收感应到的流量和在感应到的流量和方位的基础上确定通过流量装置的流量。

Description

位置非敏感性流量装置系统及方法

技术领域

本发明的实施方案涉及流量控制领域。更确切的说，本发明的实施方案涉及位置非敏感性流量装置的系统及方法。

背景技术

半导体制造通常需要对流经处理路径到处理腔室的流体(如，气体，液体，水汽混合物)进行精确地控制。质量流量的控制常常是通过使用热质量流量控制器来实现的。通常，所述质量流量控制器通过引导流体流动来控制，所述流体流动流经与主流量路径的旁路区域相平行的毛细管路径。两个热敏电阻器缠绕在毛细管上。当流体在毛细管中流动时，热量被传导远离电阻器，或传递到流体上，从而引起每一个电阻器的电阻改变和流体温度的改变。在两个电阻器之间的电阻不同的基础上，执行控制运算算法的控制器可以通过质量流量控制器确定流量。许多质量流量仪表以相似的算法在工作。

热质量流量控制器和计量机，如，上面所描述的，受到众所周知的“热量虹吸”现象的影响，在毛细管中被加热的流体与在主流量路径中较冷的流体产生对流。当所述流量可能小的时候，其能引起质量流量控制器在零位上的测量变化。如果位置(如，与主流量路径的水平角度)改变，这个问题将加剧。由于热量吸虹，现有技术中的质量流量控制器通常必须在控制器对控制器的基础上对每一个流量控制器被安装的方位进行校准。对位置补偿的几种方案已经发展用于试图抵消热量吸虹产生的影响。美国专利第5,763,774号描述了通过减少毛细管和旁路区域的内部容积的方式减小热量吸虹的系统。尽管这种方式减少了热量吸虹的影响，但仍存在少量的热量吸虹。另一种解决热量虹吸的现有技术中的系统是在旁路区域和/或毛细管区域中增加流量限制，正如美国专利第6,763,774号中所描述的。由于增加在传感部件之间需要的压差，因此，在一些实际应用中所述方法可能对感应产生负面的影响。

美国专利第6,044,701号中描述了另一个解决热量虹吸的技术。在这个方案中，毛细管垂直于经过流量测量/控制装置的流量主轴线。所述方法需要复杂的、难以制造的流量路径。而且，这种方法仅重新确定毛细管90度的轴线的位置，并且，如果相对于将要安装的位置在围绕流量主轴线90度的方位上安装，那么将面临与其他流量测量装置相同的困难。美国专利第4,100,801号和4,956,975号描述了反向流量路径的方法。当这个系统起到减少热量虹吸的影响的作用时，合并所述系统的质量流动测量/控制装置的制造可能更加的昂贵。而且，反向流量路径，或甚至使流量路径垂直于经过热量质量流量传感器的主流量路径，可能增加热质量流量传感器的内部体积。内部体积的增加可能使装置不适合在具有低蒸汽压力的系统中使用。

发明内容

本发明的实施方案提供位置非敏感流量装置及方法，其消除，或至少实质性地减少现有技术流量装置系统及方法的缺点。

本发明的一个实施方案可以包括含有处理器的流量装置和可被处理器存取的计算机可读介质，所述的计算机可读介质存储可以由处理器执行的计算机指令组。计算机指令组可以包括可执行的指令以接收方位，接收感应到的流量和在感应到的流量和方位的基础上确定通过流量装置的流量。

本发明另一个实施方案可以包括流量装置方法，该方法包括确定热质量流量传感器的方位，确定感应的流量和在感应的流量和方位基础上，确定经过流量装置的流量。

本发明还有另一个实施方案可以包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括可被处理器存取的计算机可读介质，所述计算机可读介质存储计算机指令组。该计算机指令组可以包括执行指令以接收方位，接收感应的流量和在已感应的流量和方位的基础上，确定经过流量装置的流量。

本发明还有另一个实施方案可以包括具有热质量流量传感器的质量流量控制器，所述质量流量控制器带有入口、出口、与入口和出口保持流动连通的旁路区域、与旁路区域保持流动连通的毛细管，用于感应毛细管中流量的上游传感部件和下游传感部件。质量流量控制器可以进一步包括传感器逻辑，所述传感器逻辑产生感应的流量，并与上游传感部件和下游传感部件连接，和方位传感器，所述方位传感器产生热质量流量传感器的方位。质量流量控制器也可以包括处理器，所述处理器接收感应的流量和方位，可被处理器存取的计算机可读介质，和存储在计算机可读介质中的计算机指令组。该计算机指令组可以包括执行指令以接收感应的流量，接收方位，在方位的基础上选择补偿值，在感应的流量和补偿值的基础上取得显示流量，接收设定值，在显示流量和设定值之间差值的基础上产生阀门控制信号。

本发明的实施方案提供了比现有技术中的质量流量控制器的技术优势，这是通过没有或最小的增加流量装置的内部体积的补偿热量虹吸的方式来实现的。由于流量控制器的内部体积没有增加，根据本发明的流量装置能够在低蒸汽压力传输的系统中使用。

本发明的实施方案提供其他的优势，这是通过允许相同的质量流量控制器安装在各个方位上来实现的。

本发明的实施方案还提供了另一个优势，装置方位可以是能够应用在诊断中的软件可接受的参数。

附图说明

为了更为完全的理解本发明及其中的优势，可以通过参考下面的说明来进行，在对应的附图中，相同的参考数字显示相同的特征，例如：

图1是流量控制装置的图形表示；

图2是热质量流量传感器的一个实施方案的图形表示；

图3是控制器系统的一个实施方案的图形表示；

图4是根据本发明的一个实施方案的控制算法的图形表示；

图5是用于测量流量的方法的一个实施方案的解释说明流程图。

具体实施方式

本发明的实施方案提供了位置非敏感性流量控制器系统和方法。本发明的实施方案可以包括带有确定流量的控制器的流量装置。控制器可以包括方位传感器，该方位传感器对流量装置的角度敏感。在读取方位传感器的基础上，控制器可以将预先设置的补偿运用到流量的测量中，以解决热量虹吸。

图1是流量控制器的一个实施方案的图形表示。质量流量控制器100包括入口配件110，流量限流器120，热质量流量传感器130，控制阀140，螺线管150，出口配件160，和用于连通控制系统或处理管理系统的I/O连轴器170。热质量流量传感器130，可以包括上游和下游电阻器，以及螺线管150可以与内置控制系统相耦合。控制阀通过电流控制的螺线管阀驱动回路来驱动。

流体(例如，气体，液体，水气混合)经过入口配件110进入质量流量控制器100，流经流量限流器120，控制阀140和出口配件160。流经出口配件160的气体体积由控制阀140所控制，所述控制阀反过来受螺线管150控制。内置控制系统监控设定值输入和流量传感器的输出。控制算法(例如，由内置控制系统执行的闭环控制算法)运行以将阀控制信号输出到螺线管150。对阀控制信号的响应，螺线管150在阀杆162上施加力驱动锥164远离阀座166。图1中的质量流量控制器仅以例子的方式提供，本发明的实施方案可以在各种质量流量控制器中实施，包括那些在美国专利申请系列第10/886,836，题目“Method and System fora Mass Flow Controller with Reduced Pressure Sensitivity”，由Kenneth E.Tinsley等人发表于2004年7月8日(代理号第MYKR1490)中的描述，该文的教导完全合并入本文，(“ReducedPressure Sensitivity Application”)。

图2是热质量流量传感器130的一个实施方案的图形表示。热质量流量传感器130可以包括，例如，旁路区域202和毛细管204。旁路区域202可以包括流量限流器120。根据本发明的一个实施方案，流量限流器120产生通过旁路区域202的通常是薄片状的流量。毛细管204可以由上游传感部件206和下游传感部件208环绕，所述上游传感部件206和下游感应部208可以与附加的逻辑连接。当流体进入热质量流量传感器130时，一部分流体转入毛细管204。流体被上游传感部件206和下游传感部件208加热，形成加热的流体区域210。另一方面，流进旁路区域202的流量可能保持相对冷的温度以形成冷的流体区域212。当上游传感部件206和下游感应部208的热量减少时，传感部件的电阻发生变化。在电阻之间的差值的基础上，通过流量传感器130的流量可以被确定。

在图2中用于解释说明的实施方案中，热质量流量传感器130的流量的主轴线大致水平。当质量流量传感器130的方位发生变化，也就是说，当流量装置的主轴线偏离水平线时，借助流量传感器130中流体的温度差，在毛细管204中可能产生对流流体。所述对流流体可以引起上游传感部件204和下游感应部206中的温度变化，以不精确地反应通过热质量流量传感器130的净流量。通常，对流流体将会引起感应的净流量得到一定量的补偿。补偿的数量受到热量流量传感器130方位、处理流体的压力和处理流体的类型的影响。根据本发明的一个实施方案，热质量流量传感器130连接的控制器可以对对流流体进行补偿。

图3是包括逻辑(硬件和/或软件程序)并对热量虹吸进行补偿的控制系统300的图形表示。控制系统300可以包括连接上游和下游传感部件的传感器逻辑302。传感器逻辑202可以包括在本领域中所熟知的任意一个传感器逻辑，如美国专利第6,575，027号，题目“Mass Flow Sensor Interface Circuit”，Larsen等人于2003年6月10日发表的接口逻辑，该文的教导完全被合并在本文中。传感器逻辑302可以输出感应的流量信号，该信号在上游和下游传感部件的电阻的基础上产生。处理器306(例如，CPU，ASIC(特定用途集成电路)，或其他在本领域内所熟知的处理器)可以通过模拟-数字(“A/D”)转换器304连接到传感器逻辑302上。A/D转换器304可以接收来自传感器逻辑302感应的流量信号，并将接收的信号转换为感应的流量的数字形式。处理器306可以接收来自A/D转换器304的感应流量。

控制系统300可以进一步包括方位传感器308。方位传感器308可以包括任何能输出表示热流量传感器方位的信号(模拟的或数字的)的传感器。方位传感器308的一个实施方案是OMROND6B位置传感器，其由日本京都OMRON公司生产。这种传感器是微小型位置传感器，其对于围绕单一轴线的四个可能的90度方位中的每一个方位均有2位进位制截然不同的状态的输出。D6B的位置分辨率仅限于大约+/-45度。确定传感器的位置，以致该传感器相对于水平线方位通过热质量流量传感器输出主流动轴线的方位。应当注意到OMRON DB6仅是通过实例被提供的，具有更高或更低的分辨率的任何其他的传感器，都可以被用作方位传感器308。方位传感器308可以如同处理器306一样放置在相同的电路板上或被放置在流量控制装置的其他位置。

处理器306可以执行计算机指令310，该计算机指令存储在计算机可读介质312中(随机存储器，只读存储器，闪存，磁存储装置和/或其他本领域熟知的计算机可读介质)，以使感应的流量与质量流量或阀控制信号相关联。根据本发明一个实施方案，处理器306可以存取被存储的补偿值组314，并在执行控制算法的过程中应用适当的补偿用于解决热量质量流量传感器的方位。

对于特定质量流量控制器，应用于特定的感应方位的补偿可以被校准。方位传感器的上述实施例可以显示四个方位，质量流量控制器可以放置在四个方位(例如，热质量传感器入口上，热质量流量控制器入口下，毛细管水平上，毛细管水平下)的任意一个方位，以及用于所述质量流量控制器的补偿值可以被记录和存储。根据本发明的另一个实施方案，用于特定质量流量控制器的存储的补偿值可以成为其他的质量流量控制器(例如，有相同的阀和限流器组合的控制器)所确定的补偿值的基础。

应该注意到，如果方位传感器能够有更高的分辨率，对于任何数量的方位，补偿值均能被存储。例如，如果方位传感器能够确定每隔10度的方位，控制系统300能够为每一个方位(如，水平，热质量流量传感器出口提高10度，热质量流量传感器出口提高20度等等)存储补偿值。另外，由于发生热量虹吸的数量是气体密度和压力的因素，对于各种气体和预期的上游气体压力，补偿值可以被存储。如同校准流量曲线所示，对于一种气体(例如，氮气)的补偿值和流量状态可以延伸到其他气体(例如，氩气)和流量状态。校准流量曲线到各种不同气体和流量状态的延伸在美国专利申请第10/444,249号，题目“System and Mothodfor Mass Flow Detection Device Calibration”中被讨论，Stuart Tison发表于2003年4月23日，其教导作为参考完全并入本文。

因此，控制系统300可以接收热质量流量传感器方位的指示，选取相应的补偿值，并将该补偿值应用到控制算法中。补偿值可以被应用到感应的流量中，指示的流量或在控制算法中的其他值中。这允许本发明的实施方案补偿热量虹吸而不需要毛细管复杂的路线变化和进一步允许相同的质量流量装置被安装在各种方位上而不需要重新校准。

图4是控制算法400的一个实施方案的图形表示。根据本发明的一个实施方案，通过执行存储在计算机可读介质中的计算机指令组，控制算法400可以被实施。根据本发明的一个实施方案，通过质量流量控制装置的内置控制器，控制算法可以被执行。

根据本发明一个实施方案，控制器可以接收感应的流量(方框402)数字表达形式和将低通滤波器(方框404)应用到感应的流量上。控制器可以进一步存取补偿值(方框406)。根据本发明一个实施方案，被选择的补偿值可以以所接收到的方位为基础进行选择，例如，来自方位传感器，以流经流量装置的气体为基础，和以气体的压力为基础。控制器可以增加或减少对感应的流量(和408)的补偿值。附加值也可以被应用到感应的流量中以解决其他的可以影响零点漂移的其他因素。

具有补偿应用的感应的流量可以对比气体流量曲线9(方框410)。根据本领域所熟知的任何质量流量校准方案，该曲线可以被存储和存取。控制器可以将低通滤波器(方框412)应用到曲线拟合的结果上和将预先设置的增益系统应用到曲线拟合(方框414)输出的导数上。曲线拟合的结果和被增益相乘的曲线拟合的导数可以被结合(和416)以产生指示的流量(方框418)。

在质量流量控制器中，控制器可以接收设定值(方框420)并且可以减去来自设定值(和422)的指示流量以产生误差信号。控制算法可以进一步增加压力因素(如，第二增益乘以在整个过程中的压力变量)，正如在Reduced Pressure SensitivityApplication中描述的那样产生误差信号。控制器可以应用本领域内所熟知的任何比例积分控制技术(方框424)用以在误差信号的基础上产生阀控制信号。阀控制信号可以被输出到螺线管控制器(方框426)。根据本发明的一个实施方案，控制器使用大量的通道可以输出阀控制信号，正如美国专利申请第10/887,040号中所描述的，题目“Valve Control System and Method”，DwightLarson于2004年7月8日申请，其教导完全并入本文中。

在图4的实施例中，补偿值先于曲线拟合被施加到感应的流量上。在这种情况下，根据感应的流量，存储的补偿值将是补偿值。然而，根据本发明其他实施方案，补偿值可以应用在控制算法400的其他点上。例如，补偿值可以应用到指示的流量上或应用到阀控制信号上。仍然根据本发明的另一个实施方案，补偿值可以被分开地应用到在控制算法的各个阶段中。

图5示出位置非敏感性流量装置方法的一个实施方案的流程图表。例如，图5的方法可以在流量装置的控制器中作为硬件或软件程序被实施。在步骤502，方位可以被确定。例如，当控制器启动时，当设定值被认定或预先设置的事件发生时，方位可以被确定。在步骤504，控制器可以根据方位、处理的气体和期望的流量状态加载来自存储器的补偿值。

在步骤506，控制器可以接收来自热质量流量传感器的感应的流量。在步骤508，在步骤504中确定的补偿值可以应用到感应的流量上产生纠正的感应流量。在步骤510，控制器可以应用在本领域所熟知的任何控制算法以校正感应流量产生阀控制信号，从而开启或关闭阀以响应设定值。因此，控制器可以接收方位，接收感应的流量和在方位和感应流量基础上确定流经流量装置的流量。另外，控制器在感应的流量和方位基础上可以产生阀控制信号。当需要或要求时，图5中的过程可以任意地重复。

因此，本发明的实施方案提供位置非敏感性流量装置系统及方法。虽然流量装置主要是根据质量流量控制器来讨论的，但是流量装置可以为任何产生热量虹吸的流量装置，如质量流量计。根据本发明的一个实施方案，流量装置可以包括方位传感器用以确定流量装置的方位以及与每一个方位相对应的被存储的补偿值组。在被方位传感器确定的方位的基础上，流量装置可以存取相应的补偿值。经选择的补偿值也可以受到处理的气体和一个或多个流量参数(例如，气体压力)的影响。当正在确定经过装置的流量时，流量装置可以应用补偿值以解决热量虹吸。

当本发明以特定的实施方案作为参考说明时，人们应该可以理解，实施方案是说明性的以及本发明的范围并不局限于这些实施方案。对上面所描述的实施方案的许多改变、改进、补充和改善是可能的。完全落入本发明的保护范围内的改变、改进、补充和改善将在下面的权利要求书中得到详细的陈述。

Claims (37)

1.一种流量装置，该流量装置包括：

处理器；

可以被处理器存取的计算机可读介质，该计算机可读介

质存储计算机指令组，其中计算机指令组包括可执行的指令

用于：

接收方位；

接收感应流量；和

在感应流量和方位基础上，确定经过流量装置的流量。

2.根据权利要求1所述流量装置，进一步包括与指示方位的处理器连接的方位传感器。

3.根据权利要求2所述流量装置，其中方位与热质量流量传感器的角度相对应。

4.根据权利要求2所述流量装置，其中进一步包括热质量流量传感器，该热质量流量传感器进一步包括：

入口；

出口

与入口和出口流动连通的旁路区域；

与旁路区域流动连通的毛细管；

上游传感部件；

下游传感部件；和

与上游传感部件、下游传感部件以及输出感应流量的处理器连接的传感器逻辑。

5.根据权利要求1所述流量装置，其中计算机指令进一步包括在方位基础上可执行选择补偿值的指令。

6.根据权利要求5所述流量装置，其中流经流量装置的流量在感应流量和补偿值的基础上被确定。

7.根据权利要求5所述流量装置，进一步包括方位传感器，该方位传感器可操作地确定至少四个方位。

8.根据权利要求7所述流量装置，其中补偿值至少与四个方位中的一个相对应。

9.根据权利要求1所述流量装置，其中计算机指令进一步包括可执行存储补偿值的计算机指令组，来自补偿值组中每一个补偿值与特定的方位相对应。

10.根据权利要求9所述流量装置，其中来自补偿值组中每一个补偿值进一步与特定的处理流量相对应。

11.根据权利要求9所述流量装置，其中来自补偿值组中每一个补偿值进一步与特定的压力相对应。

12.根据权利要求1所述流量装置，其中计算机指令组进一步包括可执行的指令用于：

在方位基础上选择补偿值；

将补偿值应用到感应的流量上；和

产生指示流量。

13.根据权利要求12所述流量装置，所述计算机指令组进一步包括可执行的指令用于：

接收设定值；

比较指示流量与设定值；和

在指示流量与设定值之间的差值的基础上产生阀控制信号。

14.根据权利要求1所述流量装置，所述流量装置是质量流量计。

15.根据权利要求1所述流量装置，所述流量装置是质量流量控制器。

16.一种流量装置方法，包括：

确定热质量流量传感器的方位；

确定感应的流量；和

在感应的流量和方位的基础上确定经过流量装置的流量。

17.根据权利要求16所述流量装置方法，所述确定热质量流量传感器的方位包括确定在方位传感器上热质量流量传感器的方位。

18.根据权利要求16所述流量装置方法，其中方位传感器感应至少四个方位。

19.根据权利要求18所述流量装置方法，进一步包括选择补偿值，其中补偿值与至少四个方位中的一个相对应。

20.根据权利要求16所述流量装置方法，进一步包括：存储补偿值组，所述每一个补偿值与特定的方位相对应。

21.根据权利要求16所述流量装置方法，进一步包括存储补偿值组，其中每一个补偿值与特定的方位和处理流量相对应。

22.根据权利要求16所述流量装置方法，进一步包括存储补偿值组，其中每一个补偿值与特定的方位和压力相对应。

23.根据权利要求16所述流量装置方法，进一步包括：

在方位基础上选择和补偿；以及

将补偿值应用到感应的流量上。

24.根据权利要求23所述流量装置方法，进一步包括：

在补偿值和感应的流量的基础上产生指示流量；

接收设定值；

比较指示流量和设定值；以及

在指示流量和设定值之间的差值的基础上产生阀控制信号。

25.根据权利要求16所述流量装置方法，进一步包括在装置对装置校准基础上存储补偿值组。

26.根据权利要求16所述流量装置方法，进一步包括在一个或多个具有类似于阀和限流器合并的装置的校准基础上存储的补偿值组。

27.一种包括存储计算机指令组的计算机可读介质的计算机程序产品，其中计算机指令包括可执行的指令用于：

接收方位；

接收感应的流量；以及

在感应的流量和方位的基础上确定经过流量装置的流量。

28.根据权利要求27所述计算机程序产品，其中方位在方位传感器中被接收。

29.根据权利要求27所述计算机程序产品，其中方位传感器在至少四个方位上感应。

30.根据权利要求29所述计算机程序产品，其中计算机指令组进一步在方位基础上执行选择补偿值的指令。

31.根据权利要求27所述计算机程序产品，其中计算机指令组进一步包括可执行的用于存储补偿值组的指令，其中每一个补偿值与特定的方位相对应。

32.根据权利要求27所述计算机程序产品，其中计算机指令组进一步包括执行存储补偿值组的指令，其中每一个补偿值与特定的方位和处理流量相对应。

33.根据权利要求27所述计算机程序产品，其中计算机指令组进一步包括执行存储补偿值组的指令，其中每一个补偿值与特定的方位和压力相对应。

34.根据权利要求27所述计算机程序产品，其中计算机指令组进一步包括在方位的基础上执行选择补偿值和将补偿值应用到感应流量上的指令。

35.根据权利要求34所述计算机程序产品，其中计算机指令组进一步包括在感应流量和补偿值的基础上执行产生指示流量的指令。

36.根据权利要求35所述计算机程序产品，其中计算机指令组进一步包括可执行的指令用于：

接收设定值；

比较指示流量和设定值；和

在指示流量和设定值之间差值的基础上产生阀控制信号。

37.一种质量流量控制器，该质量流量控制器包括：

热质量流量传感器，进一步包括，

入口；

出口

与入口和出口流动连通的旁路区域；

与旁路区域流动连通的毛细管；

感应毛细管中流量的上游传感部件和下游传感部件；

与上游传感部件和下游传感部件连接的传感器逻辑，所述传感器逻辑输出感应的流量；

输出热质量流量传感器方位的方位传感器；

接收感应的流量和方位的处理器；

被处理器访问的计算机可读介质；以及

被存储在计算机可读介质中的计算机指令组，计算机指令组包括可执行的指令用于：

接收感应的流量；

接收方位；

在方位的基础上选择补偿值；

在感应的流量和补偿值的基础上产生指示流量；

接收设定值；

比较指示流量和设定值；和

在指示流量和设定值之间的差值的基础上产生阀控制信号。

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