CN101636641A - 用于质量流量控制器的控制器增益调度 - Google Patents

Abstract

一种具有反馈控制器增益的质量流量控制器，包括：构造成探测流经所述控制器的流体流量的传感器；设置成调节流经所述控制器的流体流量的阀；以及构造成按照所述传感器所测得的流体流量的函数来控制所述阀的处理器。所述传感器和阀设置在反馈系统内，且所述处理器基于至少一个校准气体参数与至少一个工作气体参数的比值而实时修正反馈控制器增益，以使得反馈系统的闭环传递函数无关于工作条件而保持基本上恒定，从而在不同于校准条件的工作条件下具有一致的控制性能。

Description

用于质量流量控制器的控制器增益调度

技术领域

本发明公开的实施方式一般地涉及流体流量的测量和控制，且更具体地涉及基于模型的用于质量流量控制器的控制器增益调度。

背景技术

质量流量控制器(MFC)为设定、测量并控制流经设备的例如为气体或蒸汽的流体的流率和量的设备。设计和校准这些设备，以高精度地在预定流率范围内控制气流。

例如为半导体制造的一些制造过程需要精确控制传送给处理室或工具的气体或蒸汽的流率和量(质量)。通常，精确的流体流率和量(流体的总质量)对于确保最佳的结果是关键的。应用范围包括流入处理室以用于随后在工件上的喷镀的气体或蒸汽的精确量的计量、干法蚀刻以移除材料、在半导体中使用的离子及等离子束以及制药工业等等。质量流量控制器尤其适于这些以及其它的作业。

参照图1，质量流量控制器系统10典型地将质量流量控制器12与流动通道14接合。选定的流体通过入口16进入通道，流经控制器12并以被精确控制的方式通过出口18离开控制器。流体流量路径20在内部将控制器12分成旁路路径和传感器路径。具体地，在第一分叉接合点22处，一小部分流体从主路径20中分离并在旁路管26的主旁路路径和传感器40的毛细传感器管24的传感器路径之间分开。传感器管24和旁路管26在位于第一接合点22下游的第二汇合接合点28处重新结合。所述第二接合点28使流经传感器及旁路的管24及26的流体重新混合。重新混合后的流体30然后流经控制阀50，所述控制阀50反过来控制流体流量，如在附图标记36处所示，所述流体30通过出口18离开控制器12。层流或流量分流元件32通常设置在旁路管26内的第一和第二接合点22及28之间，以便产生流经两个接合点之间的旁路管26的层流。由于流经旁路管的层流和毛细管的内部毛细管尺寸，流经毛细管和旁路管的质量流量将在仪器的整个预先设计的流率范围内保持在精确的旁流比。

设计传感器40以提供表示流经传感器管24的流体的流率的信号。由于旁流比在整个仪器预先设计的流率范围内保持恒定，所以由传感器40提供的信号表示流经旁路和传感器管24及26两者的混合流量(即流经质量流量控制系统10的混合流量)。传感器40的信号输出被应用于处理器60。

已知用于基于温度测量结果而测量流量的传感器，同时已知用于基于压力测量结果而测量流量的其它传感器。典型的基于温度的传感器具有两个传感器线圈44、46，上游线圈用于向流经毛细管的气体或蒸汽注入热量，而下游的另一个线圈用于测量两个线圈之间的温度损失。这种温差代表流率。其它温度传感器的设置是已知的，其包括采用一个或三个线圈的传感器。

控制器12还包括用于响应于来自处理器60的信号而控制流体流动的控制阀50。所述处理器60被构造成并设置成将由传感器40探测的实际流量与通常由使用者和/或被控制的过程确定的设定点(SP)值比较，并向阀50提供信号，以将阀50设置在正确的位置以产生由SP值确定的所需流量。因此，如果处理器60从传感器40检测到流体流动太快，那么处理器60将向控制阀50发出信号以降低流率，反之亦然。

处理器60可被构造成以至少两种阀的设计控制阀。一种阀的设计包括常开阀，其中，阀保持打开直到电信号被发送到控制阀。另一种设计为常闭阀设计，其中，阀被关闭直到电信号被发送到控制阀。

质量流量控制器也已经被设计成对来自于控制器上游的压力波动不敏感。在授予Ali Shajii等并转让给本受让人的美国专利No.6712084中描述了压力不敏感的质量流量控制器(πMFC或piMFC)的一个例子。受专利权保护的πMFC也包括基于热能的流量传感器，且类似于至此结合图1所描述的MFC，并且还包括被接合以测量阀50上游流体的压力的压力传感器70(在图1中由虚线示出)。压力传感器70向处理器60提供所测得的表示流经设备的流体的压力的信号。在受专利权保护的πMFC中，通过传感器40、处理区60和控制阀50之间的协调工作，以及使用由压力传感器70所测得的压力测量结果获得对压力不敏感的控制。受专利权保护的πMFC的目的在于使输出流量36对上游或下游的压力干扰不敏感。基于传感器的输入以及上游压力的测量结果使用算法(在处理器60中处理)控制控制阀50。πMFC还包括与流动主体相连的温度传感器80以用于测量流入控制器的流体的温度。

在工作中，MFC经由例如为输出流率Q_r追踪流量设定点SP的反馈控制环控制所述阀的打开。MFC的控制器增益通常在例如为在室温下40个绝对压强的入口氮气的已知校准条件下确定，以在流量设定点变化时具有良好的控制性能。对于在不同于校准条件的条件下工作的MFC，例如在不同的气体类型、不同的入口气体压力或不同的入口气体温度的条件下，经常出现两种常见的控制性能问题。第一种常见的控制性能问题为如图2A中所示的当设定点改变时的超调(overshoot)。该问题与当入口气体从氮气转换为例如为氦的轻质气体或入口气体压力从高压力变到低压力时的低控制器增益设定有关。第二种常见的控制性能问题为如图2B中所示的当设定点改变时的振荡。该问题与当入口气体从氮气转换为例如为六氟化硫(SF6)的重质气体或入口气体压力从低压力变到高压力时的高控制器增益设定有关。在需要仔细的、高精度的流体流率的时间控制的半导体制造过程中，这些控制问题是非常难以解决的。

在授予Lull的美国专利No.6,962,164中论述了根据流经MFC的气体压力和气体类型而克服不同响应的这种问题的一种方法。Lull试图通过基于流体流量的变化而经验地确定阀增益项来克服控制问题，所述流体流量被在多个预定流率下阀位移(在基于热能的MFC中使用的阀的位移)的相应变化而分流。换句话说，通过将流体流量与阀位移相关联而确定设置作为基于工作的函数的增益。使用预定的流率，Lull推导出用于给定条件(即阀位移)的适当的流率，并适当地调节仪器的增益。人们认为，通过利用来自于不同预定流率的数据，阀增益项会更准确。然而，该方法不必要地复杂化了。

因此，本领域需要能够提供更可靠的流体流量控制的MFC，其中，实际的流量更平稳地落于设定点上，而没有超调或者振荡的控制响应。

发明内容

一种具有反馈控制器增益的质量流量控制器，包括：构造成探测流经所述控制器的流体流量的传感器；设置成调节流经所述控制器的流体流量的阀；以及构造成按照所述传感器所测得的流体流量的函数来控制所述阀的处理器。所述传感器和阀设置在反馈系统内，且所述处理器基于至少一个校准气体参数与至少一个工作气体参数的比值而实时修正反馈控制器增益，以使得反馈系统的闭环传递函数无关于工作条件而保持基本上恒定，从而在不同于校准条件的工作条件下具有一致的控制性能。

附图说明

图1为基于热能的MFC的框图；

图2为示出在不同于校准条件的工作条件下的现有技术的MFC的不合需要的控制响应的曲线图；

图3为用于MFC的控制器增益调度方法的框图；以及

图4为示出在不同于校准条件的工作条件下使用控制器增益调度方法的重要的控制性能改善曲线图。

具体实施方式

参照图3中示出的实施方式，MFC控制系统100的框图包括负反馈控制环。反馈控制系统一般地包括输入和输出，以及将输出和输入相结合的关联。在所述反馈控制环中，Q_sp102(理想的设定点流率)为输入。在附图标记116处表示的所获得的实际流率Q为输出。在下面的描述中，例如为Q(t)和Q_sp(t)的所有时域变量都被转换成如Q(s)和Q_sp(s)的拉普拉斯域变量，这是在控制领域中所使用的常用手段。

控制系统100的物理模型包括在附图标记104处表示的控制器K(s)，以及以在附图标记110处表示的阀V(s)。反馈控制器K(s)产生在附图标记108处表示的控制命令电流I(s)以调节阀的打开，使得阀的输出、实际的流率Q(s)追踪理想的设定点流率Q_sp(s)102。此处，我们假设，流量传感器提供快速准确的测量，以使得流量传感器的动态(dynamic)与阀的动态相比可被忽略。如果传感器的动态不能忽略，那么可将流量传感器的动态与阀的动态结合作为整个阀的动态模型V(s)。

阀110可通过阀传递函数描述为：

$\left(1\right),V\left(s\right)=\frac{Q\left(s\right)}{I\left(s\right)}=k_v(M,\mathrm{\γ},T,P)\·F\left(s\right)$

其中，k_v(M，γ，T，P)为取决于工作条件的阀增益函数，所述工作条件例如为入口气体分子量M、入口气体热容量比率γ、入口气体压力P以及入口气体温度T。F(s)为独立于这些工作条件的阀动态传递函数。

一般地，反馈控制器K(s)104可定义为：

(2)K(s)＝k·G(s)

其中，k为控制器增益，而G(s)为独立于所述工作条件的控制器动态传递函数。

反馈系统的闭环传递函数CL(s)为：

$\left(3\right),\mathrm{CL}\left(s\right)=\frac{Q\left(s\right)}{Q_{\mathrm{sp}}\left(s\right)}=\frac{K\left(s\right)\·V\left(s\right)}{1+K\left(s\right)\·V\left(s\right)}=\frac{k\·k_v(M,\mathrm{\γ},T,P)\·F\left(s\right)\·G\left(s\right)}{1+k\·k_v(M,\mathrm{\γ},T,P)\·F\left(s\right)\·G\left(s\right)}$

闭环传递环数CL(s)决定反馈控制系统的控制性能。如果闭环传递函数恒定，那么即使工作条件变化，反馈控制系统的控制性能也保持不变。为了在不同的工作条件下具有恒定的闭环传递函数CL(s)，控制器K(s)必须基于工作条件调节其自身以使得对CL(s)的净效应恒定。因此，需要用于MFC的控制器增益调度方法，以便于在不同的工作条件下具有一致的控制性能。

根据本发明，用于控制器增益k的增益调度由如下的校准气体参数与工作气体参数的比值而确定：

$\left(4\right),k=\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}},T_{\mathrm{cal}},P_{\mathrm{cal}})}{k_v(M,\mathrm{\γ},T,P)}$

其中，k_cal为在校准条件下确定的最佳控制器增益。校准气体参数为校准气体分子量M_cal、校准气体热容量比率γ_cal、校准气体温度T_cal、校准气体压力P_cal。工作气体参数为入口气体分子量M入口气体热容量比率γ、入口气体温度T以及入口气体压力P。

对于方程(4)的控制器增益调度方法，闭环传递函数CL(s)在不同工作条件下(例如不同的M、γ、T、P)保持恒定，其可被证明如下：

$\mathrm{CL}\left(s\right)=\frac{K\left(s\right)\·V\left(s\right)}{1+K\left(s\right)\·V\left(s\right)}$

$=\frac{k_v(M,\mathrm{\γ},P,T)\·k\·F\left(s\right)\·G\left(s\right)}{1+k_v(M,\mathrm{\γ},P,T)\·k\·F\left(s\right)\·G\left(s\right)}$

$\left(5\right),=\frac{k_v(M,\mathrm{\γ},P,T)\·\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}},P_{\mathrm{cal}},T_{\mathrm{cal}})}{k_v(M,\mathrm{\γ},P,T)}\·F\left(s\right)\·G\left(s\right)}{1+k_v(M,\mathrm{\γ},P,T)\·\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}},P_{\mathrm{cal}},T_{\mathrm{cal}})}{k_v(M,\mathrm{\γ},P,T)}\·F\left(s\right)\·G\left(s\right)}$

$=\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}},P_{\mathrm{cal}},T_{\mathrm{cal}})\·F\left(s\right)\·G\left(s\right)}{1+k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}},P_{\mathrm{cal}},T_{\mathrm{cal}})\·F\left(s\right)\·G\left(s\right)}$

从上述方程中可看出，闭环传递函数CL(s)确实独立于例如为入口工作气体分子量M、入口工作气体热容量比率γ、入口工作气体温度T以及入口工作气体压力P的工作条件，因为如上所述，F(s)和G(s)两者都独立于这些工作条件。

关于入口气体分子量M和入口气体热容量比率γ的信息都储存在形成质量流量控制器一部分的处理器的存储器中。当质量流量控制器处于工作条件下时，所述入口气体的信息被检索出，入口气体温度由温度传感器测得，而入口气体压力由质量流量控制器内部的压力传感器测得。然后，质量流量控制器根据方程(4)的控制器增益调度方法实时修正控制器增益k。这样，如方程(5)所证明的那样，闭环传递函数CL(s)保持恒定。因此，在工作条件下的控制性能与校准条件下的控制性能相同，尽管这两种条件在大多数情形下不同。

如果在工作条件下的入口气体温度与在校准条件下相比没有很大程度的变化，或者如果由于在质量流量控制器中缺少温度传感器而不能获得入口气体温度，那么可如下式将控制器增益调度中的气体温度效应的因子提出：

$\left(6\right),k=\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}},P_{\mathrm{cal}})}{k_v(M,\mathrm{\γ},P)}$

同样，如果在工作条件下的入口气体压力与在校准条件下相比没有很大程度的变化，或者如果由于质量流量控制器中缺少压力传感器而不能获得入口气体压力，那么可如下式将控制器增益调度中的气体压力效应的因子提出：

$\left(7\right),k=\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}},T_{\mathrm{cal}})}{k_v(M,\mathrm{\γ},T)}$

如果在工作条件下的入口气体温度和入口气体压力与在校准条件下相比都没有很大程度的变化，或者如果由于质量流量控制器中缺少测量传感器而不能获得入口气体温度和入口气体压力，那么可如下式将控制器增益调度中的它们的效应的因子提出：

$\left(8\right),k=\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}})}{k_v(M,\mathrm{\γ})}$

还可以将控制器增益调度中的气体类型的效应的因子、即M和γ提出，如果它们不可获得，或者如果所述气体在工作条件下与在校准条件下相同的话。

应当注意的是，不管控制阀为常闭阀还是常开阀，前述分析均成立。另外，尽管已经针对基于温度的MFC而描述了图1，但是所述控制器增益调度方法针对例如为基于压力的MFC的其它类型的MFC也能起作用。最后，显而易见的是，控制器基于如下的一个或多个的校准气体参数与工作气体参数的比值而实时修正反馈控制器增益：入口气体分子量；入口气体热容量的比率；入口气体温度以及入口气体压力；以使得反馈系统的闭环传递函数无关于工作条件而保持基本上恒定，从而在不同于校准条件的工作条件下具有一致的控制性能。

使用控制器增益调度的控制性能独立于工作条件，因为不必建立用于不同工作条件的一组预定的流率、使这些流率与阀位移测量结果相关联、以及从所述预定的组插值。不用基于工作条件而调换不同的增益公式/方程。该方法更精确地导出控制器增益，因为其不基于一系列的线性数据插值法。相反，控制器增益基于流体参数而直接被计算出，而不是基于预定工作条件，这很大地改进了在不同工作条件下的控制性能。

图4示出了作为与图2中的一个参考示例比较的、使用用于πMFC的控制器增益调度的控制性能的示例。在图4的两个图表中，在X轴上以秒作单位表示时间。对于流体输出(Q_r)和设定点(指标目标值SP)，第一Y轴被用于以标准立方厘米每秒(sccm)作单位表示流率。对于流体压力(P)，第二Y轴被用于以绝对压强(磅每平方英寸)(psia)作单位表示压力。如图2所示，在πMFC的工作中，πMFC试图使流体流量输出与设定点匹配。如从流经πMFC的轻质气体(流体)的图4A和重质气体(流体)的图4B可看出的那样，所述控制器增益调度方法基本上已经消除了所有的超调及振荡问题。

已经详细的描述了本发明的实施方式，对于本领域技术人员来说，将易于进行各种修改及改进。这样的修改及改进应当包括在本发明的范围内。因此，前述的说明仅为示例，而不作为限定。本发明仅仅由如随后的权利要求及其同等内容所定义的范围而限定。

Claims (8)

1、一种具有反馈控制器增益的质量流量控制器，包括：

构造成探测流经所述控制器的流体流量的传感器；

设置成调节流经所述控制器的流体流量的阀；以及

构造成按照所述传感器所测得的流体流量的函数来控制所述阀的处理器；

其中，所述传感器和阀设置在反馈系统内，且所述处理器基于至少一个校准气体参数与至少一个工作气体参数的比值而实时修正反馈控制器增益，

以使得反馈系统的闭环传递函数无关于工作条件而保持基本上恒定，从而在不同于校准条件的工作条件下具有一致的控制性能。

2、根据权利要求1的质量流量控制器，其特征在于，所述至少一个校准气体参数和所述至少一个工作气体参数从以下参数的一个或多个中选择：

入口气体分子量M；

入口气体热容量比率γ；

入口气体温度T；以及

入口气体压力P。

3、根据权利要求2的质量流量控制器，其特征在于，还包括用于探测入口气体温度T的温度传感器以及用于探测入口气体压力P的压力传感器，其中，所述控制器按照如下的函数实时修正控制器增益k：

$k=\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}},T_{\mathrm{cal}},P_{\mathrm{cal}})}{k_v(M,\mathrm{\γ},T,P)}$

其中，k_cal为在校准条件下确定的控制器增益，M_cal为校准气体分子量，γ_cal为校准气体热容量比率，T_cal为校准气体温度，P_cal为校准气体压力，以及k_v()为取决于工作条件的阀增益函数，所述工作条件例如为入口气体分子量M、入口气体热容量比率γ、入口气体温度T以及入口气体压力P。

4、根据权利要求2的质量流量控制器，其特征在于，还包括用于探测入口气体压力P的压力传感器，并假设入口温度T与在校准条件下相比没有很大程度的变化和/或假设它不可获得，其中，所述控制器按照如下的函数实时修正控制器增益k：

$k=\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}},P_{\mathrm{cal}})}{k_v(M,\mathrm{\γ},P)}$

5、根据权利要求2的质量流量控制器，其特征在于，还包括用于探测入口气体温度T的温度传感器，并假设入口压力P与在校准条件下相比没有很大程度的变化和/或假设它不可获得，其中，所述控制器按照如下的函数实时修正控制器增益k：

$k=\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}},T_{\mathrm{cal}})}{k_v(M,\mathrm{\γ},T)}$

6、根据权利要求2的质量流量控制器，其特征在于，假设入口温度T和入口压力P与在校准条件下相比没有很大程度的变化和/或假设它们不可获得，所述控制器按照如下的函数实时修正控制器增益k：

$k=\frac{k_{\mathrm{cal}}\·k_v(M_{\mathrm{cal}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cal}})}{k_v(M,\mathrm{\γ})}$

7、根据权利要求2的质量流量控制器，其特征在于，所述阀为常闭的。

8、根据权利要求2的质量流量控制器，其特征在于，所述阀为常开的。

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