CN102549393A - 流量测量机构、质量流量控制器以及压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供流量测量机构、质量流量控制器以及压力传感器。所述流量测量机构包括：主体单元，具有被测量的对象流体流动的内部流路；以及压力传感器，安装在所述主体单元上，对内部流路的压力进行检测，所述流量测量机构能够基于所述压力传感器检测到的流体压力算出所述流体的流量，所述主体单元具有长边方向，并且将部件安装面设定为与所述长边方向平行的面，以感压面与所述部件安装面大致垂直且与所述长边方向大致平行的方式，将所述压力传感器安装在所述部件安装面上。由此不会导致压力测量的灵敏度降低，并且与以往相比较，可以显著地减小宽度方向尺寸。

Description

流量测量机构、质量流量控制器以及压力传感器

技术领域

本发明涉及对在半导体工序(process)中所使用的材料气体等的流量进行控制的质量流量控制器、用于该质量流量控制器的流量测量机构以及压力传感器。

背景技术

作为用于所述的流量测量机构及质量流量控制器的压力传感器，如专利文献1所示，公知的有如下的压力传感器，该压力传感器利用设置于隔膜(diaphragm)等上的感压面来承受流体的压力，根据所述感压面的位移来测量流体压力。对于该方式的压力传感器而言，受压构件的感压面的面积越大，则灵敏度越高。

可是，在以往的质量流量控制器中，存在具有在主体中安装有压力传感器及流量调节阀等结构的质量流量控制器，在所述主体内部形成有控制对象流体流动的流路。尤其是近年来，根据使多个质量流量控制器紧凑地并排的要求等，如图10所示，已开发出如下的质量流量控制器100′，该质量流量控制器100′的主体1′为细长的形状，并且在设定为与该主体1′的长边方向平行的一个面上的部件安装面1c′上，沿着所述长边方向串联地安装有压力传感器2′及流量调节阀4′等，从而将质量流量控制器整体的宽度方向尺寸控制成较小。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开公报实开平2-55123号

本发明所要解决的技术问题

然而，对于以往的质量流量控制器而言，由于以使压力传感器的感压面与主体的部件安装面平行的方式来配置该压力传感器，因此，如果要进一步减小整体的宽度方向的尺寸，则感压面的面积会变小，从而有可能导致灵敏度降低。该情况成为小型化、尤其是使宽度方向缩小的瓶颈(bottleneck)。

发明内容

本发明是鉴于如上所述的问题点而做出的发明，本发明的目的在于提供如下的压力传感器、流量测量机构、或者质量流量控制器，所述的压力传感器、流量测量机构、或者质量流量控制器不会导致压力测量灵敏度的降低，并且与以往相比较，可以显著地减小宽度方向尺寸。

即，本发明的流量测量机构，其包括：主体单元，具有被测量的对象流体流动的内部流路；流体阻力部件，切断所述内部流路，并且具有阻力流路，该阻力流路连通被切断而成的上游侧内部流路及下游侧内部流路；以及压力传感器，安装在所述主体单元上，对所述上游侧内部流路或下游侧内部流路中的至少一方的压力进行检测，所述流量测量机构能够基于所述阻力流路的阻力值及所述压力传感器检测到的流体压力算出所述流体的流量，所述流量测量机构的特征在于：所述主体单元具有长边方向，并且将部件安装面设定为与所述长边方向平行的面，以感压面与所述部件安装面大致垂直且与所述长边方向大致平行的方式，将所述压力传感器安装在所述部件安装面上。

按照所述的流量测量机构，可以增大压力传感器的感压面从而提高压力灵敏度特性，同时可以显著地减小宽度方向尺寸，即，可以显著地使与长边方向垂直且与部件安装面平行的尺寸减小。由此，可以紧凑地并排多个流量测量机构。

此外，在所述流体阻力部件中贯通形成有连接通道，并且将所述流体阻力部件设置在所述主体单元与压力传感器之间，在该设置状态下，所述上游侧内部流路与设置在所述压力传感器的压力导入口通过所述连接通道而连通，如此，由于压力传感器层叠配置在流体阻力部件上，因此，可以防止主体单元无必要地变长。而且，按照如上所述的流量测量机构，由于压力传感器与流体阻力部件层叠配置于主体单元的相同一侧，因此，可以尽可能地使压力传感器与流体阻力部件之间的内部流路长度缩短。因此，可以使流量感测(sensing)的响应性提高。

将压力传感器安装在所述主体单元上，由此通过将所述流体阻力部件夹持在所述压力传感器与所述主体单元之间来保持所述流体阻力部件，如此，压力传感器直接发挥作为将流体阻力部件安装在主体单元上的安装件的作用，因此，可以削减部件。

作为能够更紧凑且能够很好地实施密封等的具体方式，可列举如下的方式：预先使凹部在所述主体单元的外表面上开口，所述上游侧内部流路及下游侧内部流路在所述凹部的侧面或底面开口，将所述流体阻力部件收容于所述凹部内，将所述压力传感器安装在主体单元上，由此，由该压力传感器的安装面来对凹部的开口进行密封，并保持流体阻力部件。

为了利用所述流量测量机构形成质量流量控制器，可以设置安装在所述主体单元上的流量调节阀与控制电路，该控制电路对所述流量调节阀进行控制，以使所述流量测量机构的测量流量变成预定的目标流量。

作为压力传感器，可以列举如下方式的压力传感器：包括将规定的一个面设定为安装面的主体构件，在该主体构件内形成有对被测量的流体的压力进行检测的感压面，使所述感压面与所述安装面大致垂直。

更具体而言，优选的是，使所述主体构件成为扁平的形状，将与所述主体构件的扁平面垂直的一个面设为所述安装面，并且与所述扁平面大致平行地设置所述感压面。

此外，如下的压力传感器也能很好地解决本发明所要解决的问题，该压力传感器包括主体构件，该主体构件包括：压力导入口，用于导入被测量的对象流体；流体填充室，填充有所述流体；以及流体导入通道，连通所述流体填充室及所述压力导入口，将所述流体填充室的一个面设定为用于对压力进行检测的感压面，将所述流体导入通道的相对于流体填充室的开口部位设定在与所述感压面大致垂直的侧面部位；或者所述流体导入通道相对于所述感压面平行或倾斜地形成。

发明的效果

按照本发明，可以增大压力传感器的感压面从而提高压力灵敏度特性，同时可以显著地减小宽度方向尺寸，即，可以显著地使与长边方向垂直且与部件安装面平行的尺寸减小。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的质量流量控制器的流体回路图。

图2是与图1为相同实施方式的质量流量控制器的整体立体图。

图3是表示与图1为相同实施方式的质量流量控制器的内部构造的纵剖视图。

图4是与图1为相同实施方式的质量流量控制器的俯视图。

图5是表示与图1为相同实施方式的压力传感器的内部构造的横剖视图。

图6是与图1为相同实施方式的质量流量控制器的分解立体图。

图7是表示与图1为相同实施方式的流量调节阀的内部构造的部分剖视图。

图8是表示与图1为相同实施方式的流量调节阀的内部构造的部分剖视图。

图9是表示将与图1为相同实施方式的流体阻力部件收容于凹部的状态下的内部构造的部分剖视图。

图10是表示以往的质量流量控制器的整体立体图。

图11是表示本发明的其他实施方式的质量流量控制器的整体立体图。

附图标记说明

100…质量流量控制器

10…流量测量机构

1…主体单元

1a…内部流路

1a(2)…上游侧内部流路

1a(3)…下游侧内部流路

1c…部件安装面

21、22…压力传感器

2a1…压力导入口

2b1…感压面

3…流体阻力部件

3a…阻力流路

3c…连接通道

4…流量调节阀

6…控制电路

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

本实施方式的质量流量控制器100搭载在例如气体面板(gas panel)上，构成半导体制造装置的材料供给管路的一部分，如图1的流体回路图、图2的整体立体图所示，该质量流量控制器100包括：主体单元1，具有作为流量控制对象的流体流动的内部流路1a；流量调节阀4，设置在所述内部流路1a上；流量测量机构10，设置于比所述流量调节阀4更靠下游侧，对在所述内部流路1a中流动的流体的质量流量进行测量；以及控制电路6(未在图1中表示)，对所述流量调节阀4进行控制，以使所述流量测量机构10的测量流量变成预定的目标流量。下面对各部分进行详述。

如图1所示，主体单元1呈细长的长方体形状。该主体单元1的与长边方向平行的一个面被设定为部件安装面1c，仅在该部件安装面1c上安装有所述流量调节阀4及压力传感器21、22等部件。此外，将该安装面1c的相反一侧的面作为用于将所述主体单元1固定在面板等上的固定面。此外，在与长边方向平行的其他两个面(以下称为侧面)上不安装任何部件，从而可以使多个主体单元1的侧面之间贴紧或接近地来配置。

内部流路1a从主体单元1的长边方向的一端部朝另一端部延伸，更具体而言，如图3所示，该内部流路1a的流体导入口1d以及流体导出口1e分别在与所述主体单元1的长边方向垂直的两个端面上开口。此外，当从与所述部件安装面1c垂直的方向观察时(以下也称为俯视观察)，流体与长边方向大致平行地流动。

如图3、图6、图7所示，流量调节阀4包括阀座构件42与阀体构件41，流量调节阀4呈柱状，该流量调节阀4垂直地安装在所述部件安装面1c的流体导入口1d一侧的一端部。该流量调节阀4的最大宽度尺寸设定为比所述部件安装面1c的宽度尺寸(与长边方向垂直的方向的尺寸)更小或与该部件安装面1c的宽度尺寸相同，如图4所示，在将该流量调节阀4安装在主体单元1上的状态下，使流量调节阀4不会比主体单元1在宽度方向上突出。

构成所述流量调节阀4的构件中，如图6、图7等所示，所述阀座构件42在顶面中央部突出地形成有圆环状的支承面42a，所述阀座构件42大致呈柱状。此外，流体导入通道42b与流体导出通道42c贯通所述阀座构件42，所述流体导入通道42b的一端在所述阀座构件42的顶面中央部(具体而言为阀支承面42a的内侧)开口，并且另一端在所述阀座构件42的底面中央部开口；所述流体导出通道42c的一端在所述阀座构件42的顶面周向边缘部(更具体而言为比阀支承面42a更靠外侧)开口，并且另一端在所述阀座构件42的底面周向边缘部开口。

所述阀座构件42嵌入在所述部件安装面1c的一端部开口的有底凹部1f。该有底凹部1f设置在将所述内部流路1a切断的位置。具体而言，被切断的内部流路1a中的上游侧内部流路1a(1)的末端在所述有底凹部1f的底面中央部开口，上游侧内部流路1a(2)的始端在所述有底凹部1f的底部侧周面开口。

按照所述结构，在阀座构件42嵌入到有底凹部1f的状态下，所述流体导入通道42b的另一端通过密封构件SL2与在有底凹部1f的中央开口的上游侧内部流路1a(1)的末端连通，此外，由于从阀座构件42的底面周向边缘部至侧周面底部，阀座构件42与有底凹部1f的内周面之间存在间隙，因此，所述流体导出通道42c的另一端与所述上游侧内部流路1a(2)的始端连通。

另一方面，如图3、图7、图8所示，所述阀体构件41包括：箱体411，使内部成为气密状态；以及层叠压电元件412，收容在所述箱体411的内部且呈柱状。

箱体411包括：呈长筒状的外壳411a；薄板状的隔膜构件411b，气密地闭塞所述外壳411a的一端面，且可弹性变形；以及闭塞构件411c，气密地闭塞所述外壳411a的另一端面。

外壳411a包括：圆筒状的一端侧部件411a.1，以覆盖在所述有底凹部1f上的方式安装在部件安装面1c上；以及块体状的另一端侧部件411a.2，与所述一端侧部件411a.1连接。

如图7所示，隔膜构件411b是在中央具有朝内侧突出的突起411b.1的可弹性变形的薄板，且与所述一端侧部件411a.1一体成形。

如图8所示，闭塞构件411c包括：构件主体411c.1，以闭塞外壳411a的另一端面的方式安装，呈圆板状；调整螺钉411c.2，作为与贯通所述构件主体411c.1的中央的内螺纹孔相螺合的进退杆；以及气密保持构件411c.3，以包围所述螺合部分的方式安装在构件主体411c.1的内侧的面上。此外，压电元件驱动用的端子T气密地贯通所述构件主体411c.1，从而形成所谓的密封结构(hermetic structure)。所述气密保持构件411c.3包括：筒状的波纹管部411c.31，在轴向上弹性伸缩；以及柱状构件411c.32，气密地与所述波纹管部411c.31的底部分接合。

所述柱状构件411c.32介于调整螺钉411c.2与层叠压电元件412之间，通过使调整螺钉411c.2螺旋进退，可通过柱状构件411c.32对层叠压电元件412的轴向的位置进行调整。此外，柱状构件411c.32的前端面与层叠压电元件412的基端面粘合。

此外，将所述外壳411a的一个端面通过密封构件SL1安装在主体单元1的部件安装面1c上，由此，通过所述一个端面密封形成在主体单元1的所述有底凹部1f的开口，并且使隔膜构件411b与阀支承面42a相对，通过所述压电元件412的伸缩来改变隔膜构件411b与阀支承面42a的分离距离，从而使该隔膜构件411b作为阀体41a发挥功能。

从流体回路方面而言，如图1所示，流量测量机构10包括：阻力流路3a，设置在内部流路1a上；以及一对压力传感器21、22，对所述阻力流路3a的上游侧及下游侧的内部流路1a内的流体压力进行测量。此外，可以基于压力传感器21、22的压力测量值与阻力流路3a的阻力值，对在内部流路1a中流动的流体的流量进行测量。

如图6、图9所示，所述阻力流路3a形成在层叠多个矩形状薄板31～35而成的长方体状的流体阻力部件3上。即，如图6所示，在各薄板或一部分薄板上设置有贯通孔3b与狭缝(slit)3d，该贯通孔3b在薄板层叠时互相重叠而成为在层叠方向上贯通的连接通道3c，所述狭缝3d的里面一端与所述连接通道3c连通，且外面一端在与长边方向垂直的侧面开口，当使所述薄板31～35层叠时，通过狭缝3d来形成阻力流路3a。此外，可以通过改变狭缝3d的形状或条数来对流路阻力进行调整。

另一方面，如图3、图5、图6、图9所示，在主体单元1的部件安装面1c的长边方向中央部，以将内部流路1a切断的方式设置有矩形状的凹部1h。而且，以如下方式进行设计，即：所述流体阻力部件3在宽度方向上无间隙、且在主体单元1的长边方向上具有间隙地嵌入所述凹部1h。此外，由该凹部1h切断的内部流路1a中的上游侧内部流路1a(2)的末端在所述凹部1h的底面中央开口，另一方面，下游侧内部流路1a(3)的始端在有底凹部1f的长边方向的底面边缘部开口。

在所述流体阻力部件3嵌入到凹部1h的状态下，所述连接通道3c的底侧的一端通过密封构件SL3与上游侧内部流路1a(2)的末端连接，阻力流路3a的外面一端与下游侧内部流路1a(3)的始端连通。即，上游侧内部流路1a(2)经由连接通道3c以及阻力流路3a与下游侧内部流路1a(3)连接。

如图2～图6等所示，压力传感器21、22包括：呈扁平形状的主体构件2A、以及内置于该主体构件2A内的压力检测元件2B。以使面板部(扁平面)垂直于部件安装面1c且与主体单元1的长边方向大致平行，即，在俯视观察时与流体的流动方向大致平行的方式，将所述扁平的主体构件2A安装在所述部件安装面1c上。此外，如图4等所示，压力传感器21、22的厚度尺寸设定为比部件安装面1c的宽度方向尺寸更小或与部件安装面1c的宽度方向尺寸相同，在安装状态下，使压力传感器21、22不会比主体单元1在宽度方向上突出。

如图5所示，在所述主体构件2A内形成有流体填充室2b与连通该流体填充室2b及压力导入口2a1的流体导入通道2c，利用能够发生弹性变形的隔膜壁2A1来形成所述流体填充室2b的与所述面板部平行的一个面2b1，所述流体填充室2b呈薄圆板状。所述压力导入口2a1在与主体单元1相对的安装面2a上开口。流体导入通道2c在流体填充室2b的侧面亦即与所述一个面2b1垂直的面上开口，且相对于所述一个面2b1平行或稍微倾斜地设定流体导入通道2c的延伸方向。

所述压力检测元件2B例如为压电元件，且与所述隔膜壁2A1的背面接触。而且，当作为感压面的所述一个面2b1承受流体压力而产生位移之后，所述压力检测元件2B检测位移量，并将该位移量作为压力信号输出。此外，压力检测元件例如也可以是将伴随隔膜壁的变化的空间的容量变化作为电方面的容量变化(電気的な容量変化)检测的元件。

此外，将所述一对压力传感器21、22中的上游侧的压力传感器21，安装在主体单元1的部件安装面1c的长边方向的中央部，并且将下游侧的压力传感器22安装在所述部件安装面1c的长边方向的另一端部。

尤其是将所述上游侧压力传感器21安装在主体单元1上，由此，该上游侧压力传感器21的安装面2a通过环状密封构件SL4气密地密封所述凹部1h的开口，并且将凹部1h内的流体阻力部件3挤压夹持在安装面2a与凹部1h的底面之间。由此，无需利用专用的盖等来对流体阻力部件3进行密封，可以促进部件数的削减及使组装简单，从而实现降低成本。

此外，在所述状态下，流体阻力部件3的连接通道3c与上游侧压力传感器21的压力导入口2a1连接，比阻力流路3a更靠上游侧的内部流路1a(2)经由所述连接通道3c与上游侧压力传感器21连通。

另一方面，比阻力流路3a更靠下游侧的内部流路1a(3)沿着主体单元1的长边方向延伸并到达流体导出口1e，并且通过在途中分支而成的分支流路1i与下游侧压力传感器22的压力导入口2a1连接。

图1所示的控制电路6是与主体单元1分开设置或附带设置在该主体单元1上的控制电路，该控制电路6由CPU(中央处理器，CentralProcessing Unit)、存储器(memory)、I/O通道、A/D转换器、D/A转换器以及模拟以致数字电路构成。而且，CPU及其他外围设备根据存储在存储器中的程序协同动作，由此该控制电路6对所述流量调节阀4进行控制，对内部流路1a的流体流量进行调节，以使该内部流路1a的流体流量变成从外部指示的设定流量。下面，与所述质量流量控制器的动作说明一并，简单地对所述控制电路6的动作的概要进行说明。

所述控制电路6接收来自各压力传感器21、22的输出信号值之后，根据这些输出信号值，且基于考虑了偏移(offset)及系数等的规定的转换式，算出所述阻力流路3a的上游侧及下游侧的流体的压力。接着，基于这些压力与预先测量的阻力流路3a中的流体阻力值(阻力系数)及流体粘性等，算出在阻力流路3a中流动的流体的流量。

另一方面，从操作员(operator)或外部的其他设备赋予设定流量之后，所述控制电路6算出所述设定流量与所述计算流量的偏差，且基于该偏差将使所述层叠压电元件412伸缩的指令信号输出至流量调节阀4，以使所述计算流量接近于设定流量。如此，使阀支承面42a与阀体41a的分离距离发生变动，对在所述流量调节阀4中流动的流体的流量进行调节，即，对在所述内部流路1a中流动的流体的流量进行调节。

按照以所述方式构成的本实施方式，以感压面2b1相对于安装面2a垂直立起的方式来构成压力传感器21、22，并且以俯视观察时流体的流动方向与感压面2b1平行的方式，将所述压力传感器21、22串联地安装在部件安装面1c上，因此，可以增大感压面2b1的面积从而维持高灵敏度，同时可以减小宽度方向的尺寸，在俯视观察时形成为细长的形状。

此外，虽然密封构件介于流体阻力部件3与压力传感器21之间，但是由于流体阻力部件3与压力传感器21实质上直接层叠配置，因此，可以尽可能地抑制主体单元1在长边方向上变长，从而也可以促进紧凑化。

此外，作为其他附带的效果，可列举如下的效果：由于流量调节阀4与流体阻力部件3并排地设置在主体单元1的所述部件安装面1c上，因此，可以尽可能地使连接流量调节阀4与流体阻力部件3之间的内部流路1a的容积减小。因此，可使流量的检测与流量的控制的时间偏差减小，从而可大幅度地改善质量流量控制器100的控制响应性。

此外，就流量调节阀4而言，隔膜构件411b兼具有作为用于气密地将压电元件412密封在外壳411a内的密封构件、以及对流量进行调节的阀体的功能，因此，可以削减部件数量，从而可以实现小型化及节省空间。此外，在外壳411a的一个端面上一体地形成有隔膜构件411b，并且在另一端面设置有气密保持构件411c.3，因此，能够可靠地保持外壳内的气密性。此外，可以通过所述气密保持构件411c.3，并通过调整螺钉411c.2来对压电元件412进行推拉，因此，可以保持外壳内的气密性，并且也可以对压电元件412的位置进行调整。

此外，本发明并不限于所述实施方式。例如，无需使感压面准确地与长边方向平行且与部件安装面垂直，即便稍微倾斜，与以往相比较，也可以获得使宽度方向尺寸减小的效果。

此外，理论上，也可以将流量调节阀设置在比压力传感器更靠下游侧，在所述质量流量控制器的下游侧压力及上游侧压力保持固定的状态下，不一定必须设置一对压力传感器，也可以仅设置任一个压力传感器。不仅可以通过质量流量控制器来构成压力控制器，也可以通过流量调节阀与设置于该流量调节阀的上游或下游的压力传感器来构成压力控制器。

进一步而言，也可以以侧面(与长边方向平行的面)彼此贴紧或接近的方式来配置多个主体单元，从而使多个流路并排。此外，当以该方式来并排地设置多个流路时，也可以不使各主体单元物理性地分离，而是如图11所示，成为形成为一体的主体单元结合体。此外，就发明的宗旨而言，即使在该情形时，也应该认为在每一个流路中存在主体单元，当然该主体单元的长边方向为与俯视观察时的流体的流动方向平行的方向。

此外，本发明在不脱离本发明宗旨的范围内，可进行各种变形。

工业实用性

按照本发明，可以提供如下的压力传感器、流量测量机构、或者质量流量控制器，该压力传感器、流量测量机构、或者质量流量控制器不会导致压力测量灵敏度的降低，并且与以往相比较，可以显著地减小宽度方向尺寸。

Claims (6)

1.一种流量测量机构，包括：主体单元，具有被测量的对象流体流动的内部流路；流体阻力部件，切断所述内部流路，并且具有阻力流路，该阻力流路连通被切断而成的上游侧内部流路及下游侧内部流路；以及压力传感器，安装在所述主体单元上，对所述上游侧内部流路或下游侧内部流路中的至少一方的压力进行检测，所述流量测量机构能够基于所述压力传感器检测到的流体压力算出所述流体的流量，所述流量测量机构的特征在于：

所述主体单元具有长边方向，并且将部件安装面设定为与所述长边方向平行的面，以感压面与所述部件安装面大致垂直且与所述长边方向大致平行的方式，将所述压力传感器安装在所述部件安装面上。

2.一种质量流量控制器，其特征在于包括：如权利要求1所述的流量测量机构；流量调节阀，安装在所述主体单元上；以及控制电路，对所述流量调节阀进行控制，以使所述流量测量机构的测量流量变成预定的目标流量。

3.一种压力传感器，包括将规定的一个面设定为安装面的主体构件，在该主体构件内形成有对被测量的流体的压力进行检测的感压面，该压力传感器的特征在于：

使所述感压面与所述安装面大致垂直。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，使所述主体构件成为扁平的形状，将与所述主体构件的扁平面垂直的一个面设为所述安装面，并且与所述扁平面大致平行地设置所述感压面。

5.一种压力传感器，包括主体构件，该主体构件包括：压力导入口，用于导入被测量的对象流体；流体填充室，填充有所述流体；以及流体导入通道，连通所述流体填充室及所述压力导入口，将所述流体填充室的一个面设定为用于对压力进行检测的感压面，所述压力传感器的特征在于：

将所述流体导入通道的相对于流体填充室的开口部位设定在与所述感压面大致垂直的侧面部位。

6.一种压力传感器，包括主体构件，该主体构件包括：压力导入口，用于导入被测量的对象流体；流体填充室，填充有所述流体；以及流体导入通道，连通所述流体填充室及所述压力导入口，将所述流体填充室的一个面设定为用于对压力进行检测的感压面，所述压力传感器的特征在于：

所述流体导入通道相对于所述感压面平行或倾斜地形成。

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