CN103958733A - 用于多通道流量比率控制器系统的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种四通道气体递送系统，包括：入口通道；四个出口通道；四个流量传感器；四个控制阀，每一个阀被布置成控制从入口通道经过相应的一个出口通道的流量；流量比率控制系统被配置成控制从入口通道经过相应的出口通道的流量，使得以下流量比得以控制：(a)第一对出口通道之间的流量的第一比率；(b)第二对出口通道之间的流量的第二比率；以及(c)第一对出口通道相对于第二对出口通道之间的流量的第三比率；其中第三比率通过产生分别施加到至少一对阀的至少一个偏置信号来控制，偏置信号是第三比率的预定的给定值和第三比率的测量值的函数。

Description

用于多通道流量比率控制器系统的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年10月4日提交的美国专利申请第13/252363号的权益，该美国专利申请涉及2002年1月4日提交的美国专利第6766260号；2004年3月9日提交的7072743；2005年4月21日提交的7621290；以及2007年2月20日提交的7673645，这些专利的公开内容通过引用全部并入本文。
技术领域
本公开内容大体涉及半导体处理设备，且更具体地涉及用于将不含污染物的、精确计量的量的工艺气体以预定的比率递送至工艺工具的至少两个位置的流量比率控制器。更具体地说，本公开内容涉及将来自单气体箱的流以预定的比率划分至具有反对称的最佳性能的工艺工具的四个位置。
背景技术
正如本文中使用的，术语“气体”包括术语“蒸气”，如果两个术语被认为是不同的话。
制造半导体器件通常需要仔细同步以及精确地测量的许多气体至诸如真空室之类的加工工具的递送。各种配方用于制造工艺中，且可能需要许多不连续的处理步骤，其中例如半导体器件被清洗、抛光、氧化、掩模、蚀刻、掺杂或金属化。所采用的步骤、它们的特定顺序以及所涉及的材料都有助于制造特定的器件。
因此，晶片制造设施通常被组织以包括实施化学气相沉积、等离子体沉积、等离子体蚀刻、溅射以及其他类似的气体制造过程的领域。如果工艺工具是化学气相沉积反应器、真空溅射机器、等离子体蚀刻器或等离子体增强的化学沉积室或任何其他设备、装置或系统，那么它们必须被供给各种工艺气体。纯气体必须以不含污染物的、精确计量的量被供给至工具中。
在典型的晶片制造设施中，气体被存储在经由管件或导管连接至气体递送系统的罐中。气体递送系统包括气体箱，该气体箱用于将不含污染物的、精确计量的量的纯惰性或反应物气体从制造设施的罐递送至工艺工具和/或室。气体箱通常包括多条气体流动线路，每一条具有流量计量单元，流量计量单元转而可以包括阀、压力调节器以及换能器、质量流控制器、过滤器/净化器以及类似物。每一条气体线路具有其自己的用于连接至独立的气体源的入口，但所有的气体通路汇合至气体箱的用于连接至工艺工具的单个出口。
有时，期望将在气体箱的出口处提供的合并的工艺气体分开或分流，使得它们可以被递送至一个工艺工具或多个工艺工具中的多个位置。在这样的情形中，气体箱的单个出口通过次级流动线路或通道被连接至多个位置。在一些应用中，其中基于安全或其他原因上游压力需要被保持低于大气压(如，保持低于15PSIA)，将流量比率控制器用于确保根据次级流路或通道之间的预先选择比率来划分气体箱的出口的初级流量。
美国专利第6766260号中显示的类型的流量比率控制器系统将在被初始设置后稳定至期望的比率分流，但流量耗费一些时间达到稳定，且在一些应用中，这可能是不令人满意的。此外，流量比率控制器系统的阀两侧的压力降可能是显著高的。而且，控制器系统提供差的用于处置次级流路之一的下游堵塞的控制性能。另外，该系统可能难以装配，原因在于在初始确定在次级流路中的阀的固定的阀位置时的困难。对于当前采用两条次级流动线路的当前实施例来说，需要将高流量的阀指定为固定阀，而将低流量的阀指定为用于控制流量比率的受控阀。
流量比率控制器系统的一个应用是控制到“喷淋头”(诸如在美国专利第7072743号中描述的用于制造半导体设备的工艺工具的工艺室中采用的夹具)的气体流量。喷淋头夹具每一个包括两个气体出口，一个来自设置在夹具的中心(或内部部分)内的开口，而另一个来自设置在夹具的外周(或外部部分)周围的开口。流经喷淋头夹具的外部部分内的开口的流量影响在室内正创建的晶片的外部部分或区域，而流经内部部分内的开口的流量影响正创建的晶片的内部部分或区域。期望流至外部区域的流量比率至内部区域的流量更大，以提供气体均匀地施加到正处理的晶片。因而，仔细地控制从内部部分提供的气体流量相对于至外部部分的气体流量的比率实现气体均匀地施加到晶片。
美国专利第7621290号(转让给本受让人)中描述了一种改进的流量比率控制器系统，称为双通道或DAO流量比率控制器系统。该专利所描述的实施例采用用于将单个主体划分到两条流动线路中的双反对称最佳(DAO)控制算法。每一条流动线路包括流量计和阀。由DAO控制器通过比率反馈回路来控制流量比率控制器系统的两个阀。DAO控制器包括单输入、单输出(SISO)控制器、反相器以及两个线性饱和器。SISO控制器的输出在被施加到两个阀之前被分开且改动。两个阀控制命令对于作为两个饱和限制之一的最大可允许的阀导通位置是几乎反对称的。这意味着其中一个阀在任何时刻被保持在其最大可允许阀导通(开启)位置，而另一个被主动控制以维持流量比率。这导致DAO流量比率控制器贡献了对气体流动的最小压力降。DAO流量比率控制器系统的一个应用是控制至喷淋头夹具的内部开口和外部开口中的每一个的流量相对于流过两者的总流量的流量比率。
当前的晶片生产可以包括在分开的室内同时制造相同的晶片，且每一个室的工艺是相同的。因此，流入每一个室内的气体的顺序和流率将是相同的，且因而使用包括单个气体箱的集成的控制系统将是节约的，该控制系统控制至每一个室的与每一工艺步骤相同比率的气体。对用于向两个室提供气体的单个气体箱来说，设备需要相当大的节约和较小的占地空间。此外，随着进步，晶片的尺寸越来越大，这需要使用超过一个喷淋头夹具，以便确保合适地控制整个晶片上的气体流动。然而，确保在每一个工艺步骤期间维持合适的流量比率存在挑战。
美国专利第7673645号描述了用于控制流过超过两条流动线路的气体的流量比率的一个流量比率控制器系统。该流量比率控制器采用多反对称最佳(MAO)算法来将单个质量流划分到多条(超过两条)流动线路中。每一条流动线路被设置有与线性饱和器组合的SISO反馈控制器以获得目标流量比率设定点。每一个阀控制命令对于所有其他阀控制命令的总和是反对称的，使得MAO控制算法保证在任何时候在可允许最大开启位置存在至少一个阀，使得实现在给定集合的流量比率设定点的最大总阀导通方的最佳方案。此方法提供了对通过每一条流动线路的最大压力降的极佳控制，且可以以令人满意的方式用于大多数应用中。然而，在期望至两个喷淋头夹具的内部开口的流量的比率是大体相同的且至两个夹具的外部开口的流量的比率是大致相同的示例中，所有相对于流入夹具的总流量，流动线路的控制功能随着通过流动线路的每一次流量变化并不一定达成精确地相同的响应时间，导致不精确地控制。
图1显示了一种提供至两个喷淋头夹具的内部开口和外部开口的相同比率的方法。硬件系统包括三个双通道流量比率控制器单元10A、10B以及10C，具有美国专利7621290描述的类型的每一个控制器单元被布置成两级。第一级包括一个单元10A，其接收来自气体箱或其他来源的Qt速率的总流量，并根据由主控制器12设置的比率将Qt速率的总流量初始地划分成Qa和Qb速率的两股流(其中Qt＝Qa+Qb)。第二级包括两个控制器单元10B和10C。单元10B接收来自控制器单元10A的Qa速率的总流量，并根据由主控制器12设置的比率将Qa速率的总流量分成速率Q1和Q2的两股流(其中Qa＝Q1+Q2)。类似地，单元10C接收来自控制器单元10A的Qb速率的总流量，并根据由主控制器12设置的比率将Qb速率的总流量分成速率Q3和Q4的两股流(其中Qb＝Q3+Q4)。两级控制用于以相同的比率控制至两个喷淋头夹具(未显示)的气体流量，使得Qa＝Qb，Q1+Q2＝Q3+Q4，且比率Q1/(Q1+Q2)＝Q3/(Q3+Q4)。这导致到每一个喷淋头夹具的内部部分和外部部分的流量比率是相同的。每一个控制器单元10包括其自己的控制器14，控制器14用于响应于由流量传感器18产生的相应的传感器信号，控制阀16以便维持由主控制器12提供的编程比率。因而，主控制器12必须用于协调三个硬件单元10。虽然该布置起作用，但由于两级方法，沿着每一条流路存在压力降的增大和最佳阀导通的减少。
因此，期望提供流量比率控制器系统，该系统提供经过四条流动线路的相对流率，具有经过每一条流动路线的最小压力降，具有反对称的最佳控制以及具有所有流动路线的大体相同的响应时间。
现有技术的描述
具体参考美国专利No.4369031；5453124；6333272；6418954；6418994；6766260；6792166；6941965；7007707；7072743；7143774；7360551；(美国专利申请2006/0272703)；7360551；7424894；7621290；7673645；美国公布申请No.2002/0038669；2006/0272703；以及2007/0240778。
发明内容
根据本文描述的教导内容的一个方面，一种四通道气体递送系统，包括：入口通道；四个出口通道；四个流量传感器；四个控制阀，其中每一个阀被布置成控制从入口通道经过相应的一个出口通道的流量。气体递送系统还包括流量比率控制系统，流量比率控制系统被配置成控制从入口通道经过相应的出口通道的流量，使得下面的流量比率被控制：(a)第一对出口通道之间的流量的第一比率；(b)第二对出口通道之间的流量的第二比率；以及(c)第一对出口通道相对于第二对出口通道之间的流量的第三比率；其中通过产生分别施加到至少一对阀的至少一个偏置信号来控制第三比率，偏置信号是第三比率的预定设定点与第三比率的测量值的函数。
根据本文描述的教导内容的另一个方面，一种四通道气体递送系统，包括：入口通道；四个出口通道以及四个控制阀。每一个阀被布置成控制从入口通道经过相应的一个出口通道的流量。气体递送系统还包括流量比率控制系统，流量比率控制系统包括两个双反对称最佳(DAO)控制模块和虚拟DAO控制模块，两个双反对称最佳(DAO)控制模块被配置且布置成控制各自的控制阀以便控制从入口通道经过四个出口通道的流量的相对比率，虚拟DAO控制模块被配置且布置成控制两个DAO控制模块之间的流量比率。
根据本文描述的教导内容的又一个方面，一种用于控制从入口通道经过四个出口通道的流量的四通道气体递送系统，包括：流量比率控制系统和偏置控制信号发生器，流量比率控制系统包括两个双反对称最佳(DAO)控制模块，两个双反对称最佳(DAO)控制模块被配置且布置成控制从入口通道经过四个出口通道的相对流量比率，偏置控制信号发生器被配置且布置成根据经过两个DAO控制模块的流量比率来产生用于两个DAO控制模块中的每一个的偏置控制信号。
根据本文描述的教导内容的又一个方面，一种用于控制从入口通道经过四个出口通道的流量的多通道气体递送系统，包括：流量比率控制系统和信号发生器，流量比率控制系统包括两个双反对称最佳(DAO)控制模块，两个双反对称最佳(DAO)控制模块被配置且布置成控制从入口通道闯过四个出口通道的相对的流量比率，信号发生器被配置且布置成根据经过两个DAO控制模块的流量比率来产生用于两个DAO控制模块中的每一个的控制信号。
根据本文描述的教导内容的又一个方面，一种利用两个双反对称最佳(DAO)控制模块来控制四个控制阀以便控制从入口通道经过四个出口通道的相对的流量比率的方法；包括：根据经过两个DAO控制模块的流量比率来产生用于两个DAO控制模块中的每一个的偏置控制信号。
根据本文描述的教导内容的又一个方面，提供一种利用两个双反对称最佳(DAO)控制模块来控制四个控制阀以便控制从入口通道经过四个出口通道的相对的流量比率的方法。该方法包括：根据经过两个DAO控制模块的流量比率来产生用于两个DAO控制模块中的每一个的偏置控制信号。
通过对下面示例性实施例的详细描述、附图以及权利要求的浏览，这些以及其他部件、步骤、特征、目的、益处以及优势现在将变得清楚。
附图说明
附图公开了示例性的实施例。附图并没有列举所有的实施例。除此之外或替代地，可以使用其他实施例。可以省去可能明显的或不需要的细节以节省空间或为了更有效的阐释。相反，在不具有所公开的所有细节的情况下也可以实施一些实施例。在附图中：
图1是用于提供相对于四条次级流动线路的比率控制的比率流量控制器系统的现有技术的方法的框图；
图2是引入了本文描述的教导内容的气体递送系统的一个实施例的框图；
图3是图2所示类型的气体递送系统的一个实施例的更详细的示意图；
图4是用于控制经过图3的实施例的两条次级流动路线的流量的比率的优选的双反对称最佳控制算法的功能框图，其中以相同的偏置电流控制两个阀，且所示的两个阀的两个阀控制命令相对于最大可允许阀导通是虚拟地反对称的；
图5是图4的实施例的功能框图，阐释了用于实施图3的实施例的DAO控制模块的输入和输出，正如结合关于图6和7所阐释并描述的实施例来描述的那样；
图6是图3的系统的功能框图，阐释了所得到的用于四条次级流动路线的流量比率控制方法的一个实施例；以及
图7是图3的系统的功能框图，阐释了所得到的用于四条次级流动路线的流量比率控制方法的第二实施例。
具体实施方式
现在讨论示例性的实施例。除此之外或替代地，可以使用其他实施例。可以省去可能明显的或不需要的细节以节省空间或为了更有效的呈现。相反，在不具有所公开的所有细节的情况下也可以实施一些实施例。
参考图2，流量比率控制器(FRC)系统22接收流量Qt，Qt是从一个或多个源20可获得的总流量且必须在四个次级流量通道24a、24b、24c以及24d中被划分。两个通道22a和22b被耦合至第一夹具，例如喷淋头夹具26a(或一对夹具)，而另两个通道22c和22d被耦合至第二夹具，例如喷淋头夹具26b(或一对夹具)。两个夹具26a和26b可以被布置在单个室内，或被布置在不同的室内。优选地，FRC系统22被设计成提供与流量比率Q3/(Q3+Q4)相同的流量比率Q1/(Q1+Q2)，和与流量比率Q4/(Q3+Q4)相同的流量比率Q2/(Q1+Q2)。此外，在一个优选的应用中，流率Q1和Q3是大体相同的，而流率Q2和Q4是大体相同的，且利用可允许的调节以适应某些系统变量，例如阀的响应时间的差异、通过通道的流动条件等。重要的是，流动线路的控制功能随着通过流动线路的每一次流量变化(例如，由于伴随经过FRC系统22的初始流量出现的转变)达成大体相同的响应时间。
参考图3，流量比率控制器32包括四条流路或线路35-1、35-2、35-3以及35-4。每一条流路包括传感器37和阀38。传感器37产生用于控制各自的阀38的流率信号，以便控制通过相应的流路的质量流。因而，每一条流路的传感器和阀被共同使用来控制流路的各自的输出质量流Q1、Q2、Q3、Q4，且因而控制流量比率，流量比率被定义为：
rmi＝Qi/Qt,i＝1,2,3,4  (1)
其中rmi是线路35-i相对于总流量的流量比率，Qi是通过线路35-i的流量以及Qt是所有流动线路35的总流量，且被定义为：
Qt＝ΣQi＝Q1+Q2+Q3+Q4  (2)
根据公式(1)和公式(2)，所有流量比率的总和等于1，这可以被表示为：
Σrmi＝rm1+rm2+rm3+rm4＝1  (3)
将流动通道i的流量比率设定点定义为ri，所有流量比率设定点的总和也等于1，即：
Σri＝r1+r2+r3+r4＝1  (4)
图3阐释了包括四个通道FRC系统32的气体递送系统的一个实施例。系统32接收来自由30表示的一个或多个源的气体或气体混合物，界定了系统32的入口处的总流量Qt。系统32具有专门的FRC控制器36，FRC控制器36被配置成根据由相应的流量传感器37感测到的流量来控制全部四个阀38。系统32被配置成提供图1所实现的流量比率，但在一个级中，流动线路的控制功能随着通过流动线路发生的每一次流量变化达成大体相同的响应时间。通过采用用于控制一对阀的第一DAO控制模块、用于控制单元32的另一对阀的第二DAO控制模块以及用于向第一和第二DAO控制模块提供偏置电流的第三DAO控制模块。控制器36被配置成提供必需的功能性(优选以软件的形式)以提供用于控制两对阀之间的流量比率的DAO控制。
图4阐释了用于控制通过DAO控制模块来控制的每一对阀的反对称的反馈控制装置的一个实施例的功能框图。以40示出的反馈控制装置用于以下述方式来控制系统32的相应对的阀：使得r1＝Q1/(Q1+Q2)的比大体等于r3＝Q3/(Q3+Q4)，且r2＝Q2/(Q1+Q2)的比大体等于r4＝Q4/(Q3+Q4)。反馈控制系统优选以在专门的FRC控制器(图3)上运行的软件来实现，但是系统也可以以其他形式被实施。反馈控制装置包括DAO控制模块42。模块42包括至求和接点44的用于接收表示流量比率rsp的设定点的信号的输入，以及用于接收表示所测得的反馈装置的流量比率rm的信号的另一输入。每一个单元的求和接点44计算设定点的比与所测量的比输入、rsp与rm之间的误差信号，并将此误差信号馈送至SISO(单输入，单输出)控制器46，控制器46例如可以是PID控制器(虽然也可以使用其他类型的控制器)。控制器46的输出被连接至第一求和接点48且通过反相器50至第二求和接点52。控制器46的输出是控制电流Ic。控制电流Ic被施加到求和接点48，并在施加到求和接点52之前通过反相器50被反相。固定的偏置电流输入IO在求和接点48被添加到信号Ic，且在求和接点52处被添加到反相后信号(-Ic)。然后，来自求和接点48和52的求和信号分别施加到线性饱和器(LSAT)54和56的相应的输入端，线性饱和器转而分别被连接以提供阀控制电流I1和I2。阀控制电流I1和I2被施加到被控制的一对阀的相应的阀58和60。通过相应的流量传感器62测量流过阀58的流量。传感器62的输出表示流过阀58的流率Q1。类似地，通过相应的流量传感器64测量流过阀60的流量。传感器64的输出表示流过阀60的流率Q2。两个输出被提供给比率测量块66用于提供比率Q2/(Q1+Q2)的测量结果。此比率表示在反馈路径中提供至求和接点44的测量比率rm。在作为控制反馈装置的求和接点44处从设定点rsp减去输出信号rm。
结合四通道流量比率控制系统32的至少两个实施例的进一步的解释，双反对称控制模块应该被认为是图5所示的类型的具有三个输入和两个输出的框。三个输入是由用户预先确定的作为流量的期望比率的流量比率设定点rsp、如来自流量传感器的通过感测到的输出流量所测得的测量的流量比率rm以及用于设置最佳偏置电流的最佳偏置电流IO，对于常开的阀，其是最小可允许阀电流，而对于常闭的阀，其是用于维持阀完全开启的最大可允许阀电流。输出电流I1和I2是施加到相应的阀的阀驱动电流。
图6和7显示了根据本文所提供的教导内容配置的四通道流量比率控制器的两个实施例。为了在一个级中实施流量比率控制，图6和7的实施例采用三个结合图4和5所描述类型的DAO模块以便引入双反对称最佳控制的优势。单元控制器36被独特地配置成包括双反对称最佳控制算法(由图6中的虚拟DAO模块100和图7中的110表示)，从不需要实际的硬件的意义上说，该算法是虚拟的。相反，虚拟DAO模块的两个输出电流IO1和IO2由单元控制器36根据以下产生：(1)设定点的比率的用户设置rsp,0；(2)两个通道的相对于总流量Qt(其是传感器37-1、37-2、37-3以及37-4的所有输出的和的函数)的测量的流率，如来自提供至夹具之一的传感器37-1和37-2(图3)的输出；以及(3)最佳偏置电流IO0，其正如所描述的在采用常开的阀时是最小可允许阀电流，在采用常闭的阀时具有最大值。IO1和IO2的值优选以在单元控制器36中操作的软件确定。在此装置中，两个电流IO1和IO2向在图6中以102和104表示且在图7中以112和114表示的实际分流器提供偏置电流。这些电流中的一个是根据上述提供的考虑因素确定的最佳偏置电流。最佳偏置电流被施加到在图6中的实际分流器102或104，和在图7中的实际分流器112或114，使阀58或60在阀完全打开时具有最低的最大流量。如果此阀是常开的阀，此最佳偏置电流是0，而如果此阀是常闭的，则最佳偏置电流是那个阀的最大阀控制电流。如图4所示，偏置电流IO1和IO2被施加到各自的DAO控制模块42的求和接点48和52。
在图6的实施例中，四通道流量比率控制器系统(在图3中以32标示)将流量平均地分流在两个室和/或夹具之间，使得标称地50％的流量进入每一个室/夹具，且因此至虚拟分流器的比率设定点rsp,0＝50％，那么分流那些中的每一个，使得至每一个夹具的一个部分(如，喷淋头夹具的外部部分)的流量相对于至夹具的总流量的比率对于每一个夹具来说都是相同的。通常，至虚拟分流器的比率设定点是第一对通道的流至第一室/夹具的流量比率设定点的和，即
rsp,0＝r1+r2  (4)
如图6所示，由分流器102根据以下来分流流量：(1)设定点比率rsp,11，其等于r1/(r1+r2)；(2)测量的流量比率(来自流量传感器62和64)rm,11，其等于Q1/(Q1+Q2)；以及(3)来自虚拟分流器100的偏置电流IO1。类似地，由分流器104根据以下来分流流量：(1)设定点比率rsp,12，其等于r4/(r3+r4)；(2)测量的流量比率(来自那个分流器的流量传感器62和64)rm,12，其等于Q4/(Q3+Q4)；以及(3)来自虚拟分流器100的偏置电流IO2。每一个实际分流器的输出提供合适的驱动电流I1、I2、I3以及I4，以便控制各对阀的阀58和60。
图7中阐释的第二实施例是包括虚拟分流器110的四通道流量比率控制器单元(在图3中以32示出)，虚拟分流器110根据由用户设置的比率设定点rsp,0在接收流量的夹具或室之间分流流量。例如，如果流量将在(a)如由分流器112控制的两个喷淋头的外部部分与(b)由分流器114控制的两个喷淋头的内部部分之间被分流，则两个偏置电流输出IO1和IO2是下述的函数：(1)输入最佳偏置电流IO0、(2)设定点rsp,0，其等于两个比率r1和r4的和的比率以及(3)测量的比率rm0，其等于测量的流量比率(Q1+Q4)/Qt。由于分流器112是用于提供相同的流率至两个夹具或室的同一部分，因而输出控制电流I1和I4是下述的函数：(1)设定点比率rsp,11(其被设置为50％)，(2)测量的比率rm,11，其等于测量的流量比率Q1/(Q1+Q4)，以及(3)来自虚拟分流器110的偏置电流输出IO1。类似地，由于分流器114是用于提供相同的流率至两个夹具或室的同一部分，因而输出控制电流I2和I3是下述的函数：(1)设定点比率rsp,12(其被设置为50％)、(2)测量的比率rm,12，其等于测量的流量比率Q2/(Q2+Q3)以及(3)来自虚拟分流器110的偏置电流输出IO2。每一个实际分流器的输出提供合适的驱动电流I1、I2、I3以及I4，以便控制各对阀的阀58和60。
再次注意到，至每一个夹具的每一个部分的实际流量被调节以将沿着每一条流路的流动条件和组成部分的变化考虑在内。因而，在上述示例中，当与至另一个夹具的外部部分的流量相比，流量虚拟地可能是超过至一个夹具的外部部分的总流量的50％，且由每一个夹具的两个分流器划分的流量可以是不同的，以将这些变化考虑在内。通常，至图7中的分流器112的流量比率设定点是在第一对流动通道中的流量比率设定点之间的相对比率，即
rsp,11＝r1/(r1+r4)  (5)
而至分流器114的流量比率设定点是在第二对流动通道中的流量比率设定点之间的相对比率，即
rsp,12＝r2/(r2+r3)  (6)
再次，图6和7中的装置利用了双反对称最佳控制的优点，而单元控制器36被配置成运行三个双反对称最佳控制模块(由图6中的一个虚拟分流器100或图7中的110表示，且由图6中的两个实际分流器102和104和图7中的112和114表示)。虚拟分流器100或110具有图1中的上游分流器10A的类似的功能，但在与图1中的10A相比不需要实际的硬件的意义上说，其是虚拟的。相反，虚拟DAO模块100或110的两个输出电流IO1和IO2由单元控制器36根据以下产生：(1)设定点比率的用户设置rsp,0；(2)相应通道的测量的流量；以及(3)最佳偏置电流IO0，其正如所描述的在采用常开的阀时是0，在采用常闭的阀时具有最大值。因而，IO1和IO2的值可以由单元控制器36中的DAO算法确定。在此装置中，来自虚拟DAO模块的两个输出电流IO1和IO2向在图6中的实际分流器102和104或在图7中实际分流器112和114提供偏置电流。这些电流中的一个是根据上述提供的考虑因素确定的最佳偏置电流。最佳偏置电流被施加到在图6中的分流器102或104，和在图7中的112或114，使阀58或60在阀完全打开时具有最大可允许导通。如果此阀是常开的阀，此最佳偏置电流是0，而如果此阀是常闭的阀，则最佳偏置电流是最大阀控制电流。如图4所示，偏置电流IO1和IO2被施加到各自的DAO控制模块42的求和接点48和52。因而，在图6和7的每一个中，在被施加到每一个单元的阀之前，DAO布置中的所有SISO控制器的输出被分流且改动。施加到一个分流器(在图6中的分流器102或104，且在图7中的分流器112或114)的阀控制命令相对于施加到另一个的阀控制命令是虚拟地反对称的。由于下述事实：这两个阀命令穿过各自的线性饱和器，具有最大可允许阀导通位置作为两个饱和限制之一，所以净效果是单元之一的两个阀在任何时候都被保持在最大可允许阀导通位置，而另一个被主动控制以维持虚拟的流量比率。因此，反对称最佳控制算法在任何时候均给予最大可允许总阀导通。如上讨论的，最大总阀导通将产生比率、流量以及上游压力的快速达成时间和横跨流量比率控制器的低的压力降。因而，反对称最佳控制算法极大地改进了流量比率控制器的控制性能。
注意到，虽然将实施例描述为四通道气体递送系统，但是本文描述的原理适用于采用至少两个DAO控制模块的任何多通道气体递送系统。
已经讨论的部件、步骤、特征、目的、益处以及优势仅仅是例示性的。它们中任一个，或者涉及它们的所有讨论均不旨在以任何方式限制保护范围。还设想了许多其他实施例。这些包括具有较少的、额外的和/不同的部件、步骤、特征、目的、益处以及优势的实施例。这些还包括其中部件和/或步骤被以不同方式布置和/或排序的实施例。
除非另外声明，否则此说明书(包括下面的权利要求)中陈述的所有测量结果、值、等级、位置、量级、尺寸以及其他规范都是近似值，而不是准确值。它们预期具有合理的范围，该范围与它们所涉及的或它们所属的领域中惯常的功能一致。
本公开内容所引用的所有文章、专利、专利申请以及其他出版物在此通过引用并入。
当在权利要求中使用时，短语“用于什么的模块(means for)”预期且应该被解释为包括已描述的相应的结构和材料以及它们的等同物。类似地，当在权利要求中使用时，短语“用于什么的步骤(step for)”预期且应该被解释为包括已描述的相应的行为以及它们的等同物。权利要求中不存在这些短语意指权利要求并不预期且不应该被解释为限制到任何相应的结构、材料或行为或它们的等同物。
已经被陈述的或阐释的东西不预期或不应该被解释为使任何部件、步骤、特征、目的、益处、优势或等同物都奉献于公众，而不管其在权利要求中是否描述过。
保护范围仅由现在下面的权利要求限制。该范围预期且应该解释为与当根据此说明书和后来的诉讼历史解释权利要求中使用的语言时的语言的通常意义相一致的范围一样宽，以及预期且应该解释为包括所有结构等同物和功能等同物。

Claims (52)

1.一种四通道气体递送系统，包括：
入口通道；
四个出口通道；
四个控制阀，每一个阀被布置成控制从所述入口通道经过所述出口通道中的相应一个的流量；
流量比率控制系统，其被配置成控制从所述入口通道经过相应的所述出口通道的流量，使得以下流量比率得以控制：
(a)第一对所述出口通道之间的流量的第一比率；
(b)第二对所述出口通道之间的流量的第二比率；以及
(c)第一对所述出口通道相对于第二对所述出口通道之间的流量的第三比率；
其中通过产生分别施加到至少一对阀的至少一个偏置信号来控制所述第三比率，所述偏置信号是所述第三比率的预定的设定点和所述第三比率的测量值的函数。
2.如权利要求1所述的四通道气体递送系统，还包括四个流量传感器，所述四个流量传感器被布置成感测经过相应的所述四个出口通道的流量，其中所有三个流量比率的测量值是通过所述流量传感器感测的流量的函数。
3.如权利要求2所述的四通道气体递送系统，其中，所述流量比率控制系统包括反对称反馈控制装置，所述反对称反馈控制装置被配置成根据所述第三比率的设定点来控制第一对所述出口通道相对于第二对所述出口通道之间的流量。
4.如权利要求1所述的四通道气体递送系统，其中，所述流量比率控制系统包括双反对称最佳控制模块，所述双反对称最佳控制模块包括反馈控制装置，所述反馈控制装置用于控制第一对所述出口通道相对于第二对所述出口通道之间的流量的第三比率以便维持所测量的第三比率等于所述预定的设定点。
5.如权利要求4所述的四通道气体递送系统，其中，所述双反对称最佳控制模块是以软件实施的。
6.如权利要求1所述的四通道气体递送系统，其中，所述第三比率的所述设定点是第一对所述流动通道上的流量比率设定点的总和。
7.如权利要求1所述的四通道气体递送系统，其中，所述第一比率和所述第二比率中的每一个比率的所述设定点是成对的所述流动通道中的流量比率的设定点之间的相对比率。
8.如权利要求1所述的四通道气体递送系统，还包括四个流量计，所述四个流量计被布置成测量经过相应的所述出口通道的流量并用于提供表示所测得的经过每一个出口通道的流量的流量测量信号，其中每一个阀对所述流量测量信号中的至少一个做出响应。
9.如权利要求8所述的四通道气体递送系统，其中，根据与所述四个出口通道相关的所述流量测量信号来确定所有三个比率的测量值。
10.如权利要求1所述的四通道气体递送系统，其中，所述流量比率控制系统包括控制器，所述控制器被配置成提供对经过所述出口通道的质量流的反对称最佳控制，以便维持经过所述出口通道的流量的所述第一比率、所述第二比率以及所述第三比率。
11.如权利要求10所述的四通道气体递送系统，其中，所述控制器还包括用于产生用于每一个所述阀的阀控制信号的三个双反对称最佳(DAO)控制模块，其中每一个所述阀对相应的阀控制信号做出响应。
12.如权利要求11所述的四通道气体递送系统，其中，所述偏置信号被添加到施加于至少一对阀的所述阀控制信号。
13.如权利要求12所述的四通道气体递送系统，其中，第二偏置信号被添加到施加于另一对阀的所述阀控制信号。
14.如权利要求13所述的四通道气体递送系统，其中，所述偏置信号中的一个偏置信号是用于将至少一个所述阀维持在最大可允许开启位置的最佳偏置。
15.如权利要求14所述的四通道气体递送系统，其中，所述阀是常开阀，并且所述一个偏置信号是最小可允许阀电流。
16.如权利要求14所述的四通道气体递送系统，其中，所述阀是常闭阀，并且所述一个偏置信号是保持所述阀处于所述最大可允许开启位置所需的最大可允许阀电流。
17.如权利要求1所述的四通道气体递送系统，其中，所述流量比率控制系统包括两个双反对称最佳(DAO)控制模块和虚拟DAO控制模块，所述两个双反对称最佳(DAO)控制模块被配置和布置成控制从所述入口通道经过所述第四出口通道的流量的相对比率，而所述虚拟DAO控制模块被配置和布置成控制所述两个DAO控制模块之间的流量的比率。
18.如权利要求17所述的四通道气体递送系统，其中，所述虚拟DAO控制模块被配置和布置成根据所述两个DAO控制模块之间的流量的比率来确定用于所述DAO控制模块中的每一个DAO控制模块的偏置电流。
19.如权利要求17所述的四通道气体递送系统，其中，所述虚拟DAO控制模块的比率设定点被标称地设置为50％。
20.如权利要求19所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的一个DAO控制模块的所述比率设定点被设置为r1/(r1+r2)，其中r1和r2是经过所述一个DAO控制模块的相应的出口通道的流量相对于总流量的比率。
21.如权利要求19所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的另一个DAO控制模块的所述比率设定点被设置为r4/(r3+r4)，其中r3和r4是经过所述另一个DAO控制模块的相应的出口通道的流量相对于总流量的比率。
22.如权利要求17所述的四通道气体递送系统，其中，所述虚拟DAO控制模块的所述比率设定点被设置为r1+r4，其中r1和r4是经过所述一个DAO控制模块的相应的出口通道的流量相对于总流量的比率。
23.如权利要求22所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的一个DAO控制模块的所述比率设定点被标称地设定为50％，使得经过所述一个DAO控制模块的所述出口通道的流率标称上是相同的。
24.如权利要求22所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的另一个DAO控制模块的所述比率设定点被标称地设定为50％，使得经过所述一个DAO控制模块的所述出口通道的流率标称上是相同的。
25.如权利要求17所述的四通道气体递送系统，其中，所述虚拟DAO控制模块的所述比率设定点是第一对流量通道中的流量比率设定点的总和。
26.如权利要求25所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的一个DAO控制模块的所述比率设定点是所述第一对流量通道中的流量比率设定点之间的相对比率。
27.如权利要求25所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的另一个DAO控制模块的所述比率设定点是第二对流量通道中的流量比率设定点之间的相对比率。
28.一种四通道气体递送系统，包括：
入口通道；
四个出口通道；
四个控制阀，每一个阀被布置成控制从所述入口通道经过所述出口通道中的相应一个的流量；
流量比率控制系统，其包括两个双反对称最佳(DAO)控制模块和虚拟DAO控制模块，所述两个双反对称最佳(DAO)控制模块被配置和布置成控制相应的控制阀以便控制从所述入口通道经过所述四个出口通道的流量的相对比率，而所述虚拟DAO控制模块被配置和布置成控制所述两个DAO控制模块之间的流量比率。
29.如权利要求28所述的四通道气体递送系统，其中，所述虚拟DAO控制模块被配置和布置成根据所述两个DAO控制模块之间的流量比率来确定用于所述DAO控制模块中的每一个DAO控制模块的偏置电流。
30.如权利要求28所述的四通道气体递送系统，其中，所述虚拟DAO模块根据所述两个DAO控制模块之间的流量比率来向所述DAO控制模块中的每一个DAO控制模块提供偏置电流，并且所述DAO控制模块中的每一个DAO控制模块向用于控制经过两个相应的出口通道的流率的两个所述控制阀提供一对偏置电流。
31.如权利要求28所述的四通道气体递送系统，其中，所述虚拟DAO控制模块的比率设定点被标称地设置为50％。
32.如权利要求31所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的一个DAO控制模块的所述比率设定点被设置为r1/(r1+r2)，其中r1和r2是经过所述一个DAO控制模块的相应的出口通道的流量相对于总流量的比率。
33.如权利要求31所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的另一个DAO控制模块的所述比率设定点被设置为r4/(r3+r4)，其中r3和r4是经过所述另一个DAO控制模块的相应的出口通道的流量相对于总流量的比率。
34.如权利要求28所述的四通道气体递送系统，其中，所述虚拟DAO控制模块的所述比率设定点被设置为r1+r4，其中r1和r4是经过所述一个DAO控制模块的相应的出口通道的流量相对于总流量的比率。
35.如权利要求34所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的一个DAO控制模块的所述比率设定点被标称地设定为50％，使得经过所述一个DAO控制模块的所述出口通道的流率标称上是相同的。
36.如权利要求34所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的另一个DAO控制模块的所述比率设定点被标称地设定为50％，使得经过所述另一个DAO控制模块的所述出口通道的流率标称上是相同的。
37.如权利要求28所述的四通道气体递送系统，其中，所述虚拟DAO控制模块的所述比率设定点是第一对流量通道中的流量比率设定点的总和。
38.如权利要求37所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的一个DAO控制模块的所述比率设定点是所述第一对流量通道中的流量比率设定点之间的相对比率。
39.如权利要求37所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的另一个DAO控制模块的所述比率设定点是第二对流量通道中的流量比率设定点之间的相对比率。
40.一种用于控制从入口通道经过四个出口通道的流量的多通道气体递送系统，包括：
流量比率控制系统和信号发生器，所述流量比率控制系统包括两个双反对称最佳(DAO)控制模块，所述两个双反对称最佳(DAO)控制模块被配置和布置成控制从所述入口通道经过所述四个出口通道的流量的相对比率，而所述信号发生器被配置和布置成根据经过所述两个DAO控制模块的流量比率来产生用于所述两个DAO控制模块中的每一个DAO控制模块的控制信号。
41.如权利要求40所述的多通道气体递送系统，其中，所述控制信号发生器根据经过相应的DAO控制模块的两个出口通道的流量比率的比率设定点、所测量的经过所述相应的DAO控制模块的所述两个出口通道的流量的比率以及最佳偏置电流来产生所述控制信号。
42.如权利要求41所述的多通道气体递送系统，其中，由控制阀响应于阀驱动信号来控制经过每一个出口通道的流量，并且相应的控制信号被添加到由每一个DAO控制模块产生的驱动电流上。
43.如权利要求40所述的多通道气体递送系统，其中，所述控制信号发生器模块的所述比率设定点被标称地设置为50％。
44.如权利要求43所述的多通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的一个DAO控制模块的所述比率设定点被设置为r1/(r1+r2)，其中r1和r2是经过所述一个DAO控制模块的相应的出口通道的流量相对于总流量的比率。
45.如权利要求43所述的多通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的另一个DAO控制模块的所述比率设定点被设置为r4/(r3+r4)，其中r3和r4是经过所述另一个DAO控制模块的相应的出口通道的流量相对于总流量的比率。
46.如权利要求41所述的多通道气体递送系统，其中所述控制信号发生器的所述比率设定点被设置为r1+r4，其中r1和r4是经过所述一个DAO控制模块的相应的出口通道的流量相对于总流量的比率。
47.如权利要求46所述的多通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的一个DAO控制模块的所述比率设定点被标称地设定为50％，使得经过所述一个DAO控制模块的所述出口通道的流率标称上是相同的。
48.如权利要求46所述的多通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的另一个DAO控制模块的所述比率设定点被标称地设定为50％，使得经过所述一个DAO控制模块的所述出口通道的流率标称上是相同的。
49.如权利要求41所述的四通道气体递送系统，其中，所述控制信号发生器的所述比率设定点是第一对流量通道中的流量比率设定点的总和。
50.如权利要求49所述的多通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的一个DAO控制模块的所述比率设定点是所述第一对流量通道中的流量比率设定点之间的相对比率。
51.如权利要求49所述的四通道气体递送系统，其中，所述DAO控制模块中的另一个DAO控制模块的比率设定点是第二对流量通道中的流量比率设定点之间的相对比率。
52.一种利用两个双反对称最佳(DAO)控制模块来控制四个控制阀以便控制从入口通道经过四个出口通道的流量的相对比率的方法，所述方法包括：
根据经过两个DAO控制模块的流量的比率来产生用于所述两个DAO控制模块中的每一个DAO控制模块的偏置控制信号。
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