CN106461096A - 流量控制阀 - Google Patents

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Abstract

本发明的方面针对一种设备，所述设备用于在所述设备连接至控制流体源的同时控制流体穿过所述设备的流量。所述设备包括输入端、阀座、隔膜、输出端和隔膜控制空间。所述隔膜控制空间由所述隔膜部分地界定，并且可操作来从所述控制流体源接收控制流体。此外，所述隔膜相对于所述阀座的偏转响应于所述控制流体在所述隔膜控制空间中的压力。最后，所述隔膜相对于所述阀座的所述偏转可操作来控制所述输入端与所述输出端之间的流体流动阻力。

Description

流量控制阀
技术领域
本发明涉及流体输送领域，并且更具体地说，涉及用于气体和液体的流量受控输送的设备和方法。
背景技术
流体(即，气体和液体)用于许多制造工业中。在制造过程内，流体通常以精密的流率、时序或流率和时序两者来分配。一般来说，流体分配设备具有借助于流量控制阀来调整流率的能力。流量控制阀调节流动路径的开口(即，孔口)来适应必需的流率。
除孔口之外，流率还取决于流体的性质，以及其温度和压力。对于平稳温度和压力下的给定流体来说，可只通过对流量控制阀的设置来确定稳定流率。然而，在许多实际的流量控制系统中，温度和压力不稳定性的组合，以及流量控制阀的有限精度和准确度可阻止适当稳定和/或可重复的流率的获得。另外，流量控制阀的下游、多个阀、传感器和其他元件也可影响流率稳定性。在这类实例中，流量控制阀可并入流量传感器和可调流量控制阀来寻求所需流率。为了那个目的，流量控制系统驱动可调流量控制阀来调整实际流率，以便等于所需流率。这种自校正流体输送方法已成功地适合于许多不同工业中的自动制造。
常规流量控制阀实施各种可变孔口设计。通常，孔口被限制在两个表面之间。所述表面中的一个包括流体流动入口，所述流体流动入口通常被称为“阀座”。第二表面被机械地致动来改变这些表面之间的间隙并且调整孔口。第二表面往往附接至精密控制的机械致动器，诸如精密螺钉、按比例控制的螺线管或按比例控制的压电致动器。通常，间隙对流率的影响是强烈非线性的，尤其是对于小间隙来说。给定机械稳定性和精度的非线性和限制，大多数手动驱动的、基于精密螺钉的阀采取增加间隙的表面面积的设计。这些增加的面积在稍微较大的间隙处提供足够的流动阻力，以降低非线性的影响以及机械缺陷和螺钉反冲的效果，从而改善流量控制。
一个流行设计例如实施运动受控的锥形针和匹配空腔。这种“针阀”设计合理地实现了稳定和可重复的手动控制阀，所述手动控制阀能够将可靠的流量控制下降至最大流量的约2%，其中最大流量是指全开阀的流量。然而，最高执行的“计量针阀”易于出现针在针腔上的显著磨损。这种磨损在控制提供低于最大流量的5%的流率的小间隙时是特别明显的。这种磨损导致降低的阀性能和粒子的产生两者。流量控制系统中产生并且必然经由流体流输送至过程中的粒子对许多工业制造应用的质量是有害的，并且因此是不合需要的。相应地，针阀主要针对不需要频繁的流量调整并且对颗粒不很敏感的应用而实施。此外，所述针阀在未被推动来将流率控制在其总范围的约5%以下时被最好地使用。
手动流量控制阀的精度受到温度和压力不稳定性以及下游组件的潜在波动冲击的不利影响。因此，它们已日益变得不适于精密制造。相反，无论机械精度和稳定性限制如何，流量控制阀(也称为质量流量控制阀-MFC)可主动和可控制地调整孔口间隙，以便产生所需流率。同样地，所述流量控制阀可对温度和压力波动或下游组件的冲击进行校正。所述流量控制阀还与工厂自动化和质量控制系统完全兼容，由此，它们日益广泛地普及。在MFC内，具有间隙控制致动器的流量控制阀调整致动器的固定平面与移动端之间的孔口，其中通常叫做“阀座”的流体进入端口被界定在所述固定平面上。由此，致动器被浸在具有潜在流体污染的流体中，从而产生致动器腐蚀、干扰和粒子。为解决这个问题，一些设计提供安置在致动器与阀座之间的金属隔膜，以便与超高纯度(UHP)标准兼容。例如，Sawada等人的并且名为“压电驱动控制阀”的美国专利号8,162,286公开了具有压电致动器和UHP设计的流量控制阀。同样地，Kazama等人的并且名为“Mass Flow Controller, Operating Method andElectromagnetic Valve”的美国专利号5,447,173公开了具有螺线管致动器和UHP设计的流量控制阀。
图1描绘UHP顺从流量控制阀100。圆顶状金属隔膜101在阀座103上产生全金属阀室102。阀座103被定位成大体上在隔膜101的凹入中心对面。孔口104被界定在阀座103与隔膜101之间。在阀室102内，还形成流体出口端口105。隔膜101将流体密封在阀室102内，以防止流体致动器接触。当致动器106使隔膜101朝向阀座103变形时，隔膜101与阀座103之间的间隙减小。类似地，当致动器106的撤退允许隔膜101远离阀座103弹回时，间隙增大。图1中还指示的是流量传感器107、控制器108、封闭体109、入口配件110和出口配件111。
通常，常规致动器在一个方向上被电驱动，并且在螺线管的情况下通过弹簧，或在压电致动器的情况下通过应力释放来在另一个方向上机械地返回。一般来说，设计较好的致动器可提供每电驱动(用于螺线管的电流和用于压电致动器的电压)几乎线性位置变化。因此，线性响应的致动器可线性地调节孔口间隙。尽管如此，线性间隙调节产生非线性流量变化。理想地，致动器应能够即时和准确地校正实际流率与所需(设置点)流率之间的差异。同样地，所述致动器还应能够以速度和精度来响应设置点变化。
自动流量控制阀通常应用闭环、比例积分(PI)或比例积分微分(PID)算法来改变间隙并且调整流量以匹配设置点。然而，PI或PID控制算法两者以及本领域中已知的其他控制算法不适合于非线性系统的准确和响应控制。特别地，非线性使得流量控制参数是流量相关的。那意味着对于给定组流量控制参数(即，特定PI或PID常数)来说，控制器不能准确地控制实际流量来匹配超过单个流率的设置点，所述单个流率被选择来在起初调节系统并且提取PI或PID常数。使用这些相同的流量控制参数来控制其他流率往往产生错误的、并且有时振荡的流率，以及大体上较慢的响应。同样地，错误和振荡的流率还可由温度和入口压力变化、偏移或其他波动驱动。类似地，许多应用需要混合不同流体的若干流量受控源。一些系统还在过程期间操纵混合比。最后，许多混合歧管增加流量控制阀下游的压力。这种增加的下游压力用来减小每给定孔口的流量，从而致使流量控制阀反应来增大孔口，并且将实际流量与设置点匹配。然而，那个反应使全部流量依赖PI或PID参数复位。由于非线性，流量到间隙相关性的转移将控制系统解调成较低性能，从而导致响应迟缓、误差增大和振荡趋势。为克服这个问题，流量控制阀应理想地在混合条件下调节。这种调节必须反复重复来将所有流量控制阀聚集到准确和不振荡的控制中。如果过程需要混合比变化，则新控制常数优选地针对所有流量控制阀来推断，并且用作所述变化的一部分。即使如此，然而，混合比在不同设置之间的过渡期间仍然是不确定和不稳定的。
这些基本缺陷可通过调用致动器和具有降低的非线性的孔口设计以及控制器来部分地解决，所述控制器应用用于流量对致动器运动校正(“增益调度”)的微处理器作为闭环控制的一部分。同样地，实施温度补偿和整合入口压力控制可解决波动或偏移温度和/或入口压力的不利影响。在一些情况下，当以相对高的入口压力控制流体时，高度限制的出口孔可有效地抑制下游组件和/或系统中的其他流量的不稳定影响。还认识到，当孔口的大小被最佳化以用于给定流量范围、流体类型、温度和整个处理系统的应用时，流量控制阀最好地执行。给定这些改进，复杂的现代流量控制阀可在最大流量的约10至90%的流率的范围内适当地操作，以用于广泛范围的应用。同时，这些现代流量控制阀可减轻在范围的低和高20至30%端两者下的缓慢和振荡响应，以及在最佳化流率的极窄范围外部的流率下的错误瞬态性能。另外，为覆盖较宽的范围，系统可使用具有不同范围的多个不同流量控制阀。也就是说，范围限制仍然产生对流量控制阀的许多不同和有区别的模型的需要，并且从而大体上增加库存大小和制造商的成本。
流量控制阀还用来控制输送歧管内的压力，其中流量传感器被压力传感器代替，并且流量控制装置的任务是将实际压力调节到设置点压力。这些压力控制器在诸如流体输送到原子层沉积(ALD)系统的各种应用中找到用途。在这些特定应用中，压力控制器允许压力受控的气体在驱动ALD处理的流体输送阀的入口处可利用。在例如Sneh的并且名为“Fail-safe Pneumatically Actuated Valve with Fast Time Response and AdjustableConductance”的美国专利号7,744,060中论述用于ALD的这类流体输送阀，由此所述专利以引用方式并入本文中。当流体输送阀打开时，以由ALD阀的受控入口压力和传导性确定的流率来建立精确计量的输送。那种输送被定形为脉冲。相应地，压力控制器的流量控制阀必须通过快速流率变化来准确地响应于脉冲，所述快速流率变化基本上在压力处于压力设置点时的零流率与足够高以在脉冲期间和刚在脉冲之后将压力恢复回到设置点的流率之间移动。这种压力控制的精度对反应性气体的有效使用是至关重要的，并且对Sneh的并且名为“ALD Apparatus and Method”的美国专利号6,911,092中所论述的同步调制的流动和汲取(SMFD) ALD的实行方案是至关重要的，由此所述专利也以引用方式并入本文中。SMFDALD以<500毫秒(ms)的循环时间和趋向于150 ms以下的连续脉冲之间的恢复时间实施快速ALD处理 常规压力控制器与这种要求的应用相斗争。
一个其他挑战应用将流量控制阀实施为压力控制器，以便控制惰性气体的压力，所述惰性气体用来提供到处理加热器的改进的热接触并且改进其与处理流出物的隔离。特别地，易碎加热器可安置在加热卡盘内部，其中加热器到卡盘的接触和/或卡盘内部的加热器的完全密封是不可能的。相应地，氦气(He)用来帮助热传递并且提供卡盘空间的正流出，以取消刺激性处理化学品的穿透。理想地，卡盘内部的氦压力应在闲置、处理和闲置与处理之间的过渡期间保持相同值，以便促进稳定的卡盘温度。闲置、部分操控、闲置、过渡、处理、过渡的典型顺序挑战压力控制器来快速修改成流量-1、无流量、流量-1、过渡到流量-2、流量-2过渡到流量-1的顺序，其中在给定处理压力的影响下，流量-2小于流量-1。在部分传递期间，切断阀通常关闭，将氦的流量下降到零。流量控制阀的目标在于对这些改变条件快速做出反应，以便当承受显著的流率变化的影响时，在整个循环期间将压力维持在设置值。常规流量控制阀与这些应用相斗争。
在类似应用中，惰性气体被引导来防止处理流体到达晶片的后侧。在这个应用中，将惰性气体施加到卡盘与晶片的后侧之间的间隙中。第一压力传感器用来在处理腔室中获得压力。第二压力传感器用来在惰性气体输送线路处获得压力。在这种情况下，流量控制阀的任务是将第二压力传感器与第一压力传感器之间的压力差控制到给定压力差设置点，并且确保独立于故意或由于缺陷的处理压力可变性，总是存在设置点压力差来取消处理化学品流入间隙中。这里，常规流量控制阀也与这种要求的应用相斗争。
在一些其他常见应用中，气压或液压致动器的精密控制运动用来推动部件操控、机器人运动、冲压等。在这些应用中，流量受控流体(例如，空气或液压流体)确定这些运动的速度。操控机器人臂和零件的速度往往必须遵循具有较好定义的加速度和减速度轮廓的错综复杂的轮廓。另外，这些运动中的一些必须能够在不同或时间可变的负载条件下执行它们的任务。为适应这些需求，需要具有适当精度和跨流率的广泛范围的快速响应，并且具有适应负载的广泛范围的能力的流量控制阀。特别地，当速度是本质时，现有系统与这些应用中的许多应用相斗争。
常规流量控制阀还可能在高温下努力提供可靠的操作，提供可靠的低流量和零流量性能，并且提供用于故障安全的机构，也就是说，当遇到意外的系统条件时自动切断的机构。除了一些例外，常规流量控制阀不提供具有对流体污染、阀腐蚀、粒子产生和干扰的适当抵抗的UHP构造。具有浸在流体中的致动器的这些流量控制阀不适合于控制大多数液体的流量。大多数流量控制阀包括极小的孔口，所述孔口作为能够控制来自相对高的入口压力的相对低的流率的装置的一部分。这些永久的流量限制器不利地减慢组件替换和/或性能维护之前净化和去污流量和压力控制器以及其歧管的速率。
在近十年中，许多制造过程力求提高效率，增加质量并且降低成本和浪费。这种趋势日益强调可靠和精密的自动化，以及尽可能在不同过程的广泛范围内使用制造设备的能力。在那种趋势的情况下，在流率、入口压力和环境条件的广泛范围内具有提高的速度和精度的流量和压力控制器对于最佳、低浪费和可重复处理是必不可少的。
由于前述原因，需要解决上述缺陷的用于流量控制阀的新设计。
发明内容
根据本发明的方面的实施方案提供解决上述需要的设备和方法。
本发明的方面针对一种设备，所述设备用于在所述设备连接至控制流体源的同时控制流体穿过所述设备的流量。所述设备包括输入端、阀座、隔膜、输出端和隔膜控制空间。隔膜控制空间由隔膜部分地界定，并且可操作来从控制流体源接收控制流体。此外，隔膜相对于阀座的偏转响应于控制流体在隔膜控制空间中的压力。最后，隔膜相对于阀座的偏转可操作来控制输入端与输出端之间的流体流动阻力。
本发明的其他方面针对用于控制流体的流量的方法。所述方法包括提供输入端、阀座、隔膜、输出端和隔膜控制空间。隔膜控制空间由隔膜部分地界定，并且可操作来从控制流体源接收控制流体。此外，隔膜相对于阀座的偏转响应于控制流体在隔膜控制空间中的压力。最后，隔膜相对于阀座的偏转可操作来控制输入端与输出端之间的流体流动阻力。
上述实施方案可提供若干优点。更具体来说，仅作为一些实例，根据本发明的方面的流量控制阀可：
提供手动和自动流量控制和压力控制两者；
控制气体和液体流体两者；
在流量、入口压力和温度条件的广泛范围内可靠地执行；
快速和准确地响应于流量或压力设置点变化，以及快速和准确地响应于过程驱动的下游压力的变化，提供温度和入口压力；
当遇到非所需系统条件时，给故障安全响应提供真实切断；
不需要永久的流量限制器，从而允许快速和有效的去污；
实施UHP构造，并且从而适合于具有广泛选择的流体的操作，所述广泛选择的流体包括腐蚀性和反应性流体，以及包含溶解固体、胶体溶液、油和燃料的液体；
操作以使得所述流量控制阀避免粒子产生；以及
大体上在流量和压力控制应用的整个范围内提供流量和压力控制。
附图简述
参照以下描述、所附权利要求书和附图，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，附图中：
图1描绘现有技术流量控制阀的截面图；
图2示出根据本发明的第一说明性实施方案的流量控制阀的截面图；
图3示出图2流量控制阀在示意性地描绘其螺线管阀的情况下的截面图；
图4示出根据本发明的第二说明性实施方案的流量控制阀的截面图；
图5显示针对类似于图4中所示的那个流量控制阀的原型流量控制阀的流率对控制流体压力的曲线图；
图6示出根据本发明的第三说明性实施方案的流量控制阀的截面图；
图7示出根据本发明的第四说明性实施方案的流量控制阀的截面图；
图8示出根据本发明的第五说明性实施方案的流量控制阀的截面图；
图9示出根据本发明的第六说明性实施方案的流量控制阀的截面图；
图10a示出根据本发明的说明性实施方案的包括集成高速流量测量传感器的流量控制阀的透视图；并且
图10b示出图10a流量控制阀的截面图。
发明详述
虽然常规流量和压力控制阀利用用于将隔膜相对于阀座偏转来影响孔口几何形状的机械装置，但本发明的方面而是利用控制流体在隔膜上的压力来产生类似效果。图2示出根据本发明的第一说明性实施方案的流量控制阀300的截面图。流量控制阀300包括金属隔膜301，所述金属隔膜被安置以便密封阀座303与流体出口端口305之间的流动路径。孔口304从而形成在隔膜301与阀座303之间。密封隔膜控制空间302形成在隔膜301上方，并且由隔膜301部分地界定。隔膜控制空间302包括控制流体入口323和控制流体出口333。流量控制阀300还包括流量或压力传感器307、入口配件310、出口配件311、控制流体入口312、螺线管阀320、螺线管阀330、控制器308和封闭体309。来自控制流体入口312的控制流体(例如，压缩空气)被进给至螺线管320中。
在操作中，螺线管320、330配合以调制控制流体在密封隔膜控制空间302内部的压力，并且从而控制隔膜301的偏转量。更具体来说，当激活螺线管320，常闭柱塞321将密封件322向上拉动以打开穿过入口323的流动路径，并且升高隔膜控制空间302内部的压力。这趋向于朝向阀座303偏转隔膜301，并且减小孔口304。从而，通过流量控制阀300的流率较低。相反地，当激活螺线管330时，常闭柱塞331向上拉动密封件332以打开穿过出口333的流动路径，并且通过允许控制流体流出排放端口335来降低隔膜控制空间302内部的压力。隔膜301通过远离阀座303偏转来响应减小的压力，以增大孔口304并且增大流率。优选地，隔膜304被设定形状来产生非线性弹簧常数。这种非线性响应被设计来产生控制流体在隔膜控制空间302中的流率与压力之间的有利关系。例如，在一个或多个非限制性实施方案中，非线性响应可在高于200标准立方厘米每分钟(sccm)的流率的广泛范围内产生线性关系，从而会聚成较低0至200 sccm范围中的逐渐弱化的相关性。
图3例示流量控制阀300，其中以示意性符号描绘螺线管阀320、330。还示意性地例示传感器读取电缆350，以及螺线管致动电缆351和352。电缆350、351、352将传感器307与控制器308相连，并且将控制器308与螺线管320、330相连。
流量控制阀300可起作用来控制流率或压力。更具体来说，当传感器307充当流量传感器时，流量控制阀300被配置来控制流率，而当传感器307充当压力传感器时，流量控制阀300被配置来控制压力。实际流量(或压力)信号由控制器308读取并且与设置点值进行比较。然后，应用读数与设置点之间的误差来经由螺线管320、330调整控制流体在隔膜控制空间302内部的压力。当误差为正(设置点超过实际读数)时，螺线管330被致动来降低隔膜控制空间302中的控制流体压力并且增大孔口304。相反地，当误差为负时，螺线管320被致动来增加控制流体压力以减小孔口304。一旦流率(或压力)被控制来匹配设置点，控制流体压力基本上被闭锁在隔膜控制空间302内部。类似于流量控制阀300的原型的测试已示出，在平稳入口压力和环境温度下，流率(或压力)可在比±0.2%更好的这种闭锁条件(即，在不致动螺线管的情况下)下保持平稳若干小时。相应地，本发明的流量控制阀是“集成系统”。因此，控制算法不需要积分项。
控制器308可包括具有相关联的存储器的一个或多个微处理器，所述微处理器可集体操作来至少部分地响应于从流量或压力传感器307接收的流量或压力信号来向螺线管320、330发信号。在一个或多个实施方案中，控制器308可例如经由工作循环确定的比例微分(PD)来致动螺线管320、330。更具体来说，可经由PD参数以用户可选择的频率致动螺线管320、330，其中“ON”对“OFF”的分数是误差的函数。在替代实施方案中，控制器308可通过PD确定的电流按比例致动按比例控制的螺线管320、330。控制器308可将相同PD参数应用于螺线管320、330两者的控制。然而，在一些情况下，控制器308还可应用不同PD参数来控制每个螺线管320、330，以用于最佳性能。给定本文中的教示，基于P和基于PD的控制方案，以及也落入本发明的范围内的其他同等合适的控制方法将已对相关领域的普通技术人员熟悉。还对J-P Corriou, Process Control: Theory and Applications, Springer 2004；以及C.Smith, Practical Process Control: Tuning and Troubleshooting, John Wiley &Sons, 2009进行参考，它们两者由此以引用方式并入本文中。
图4示出根据本发明的第二说明性实施方案的流量控制阀500的截面图。流量控制阀500不同于流量控制阀300之处在于，流量控制阀500包括故障安全金属密封切断阀。然而，以类似于流量控制阀300的方式，流量控制阀500可用来在传感器507是流量传感器时控制流率，或用来在传感器507是压力传感器时控制压力。
在流量控制阀500内，金属隔膜501被定位以使得其可操作来密封阀座503与流体出口端口505之间的流动路径。孔口504形成在隔膜501与阀座503之间。密封隔膜控制空间502形成在隔膜501上方。隔膜控制空间包括控制流体入口523和控制流体出口533。流量控制阀500还包括入口配件510、出口配件511、控制流体入口526、螺线管阀520、螺线管阀530、控制器508和封闭体509。来自入口526的流体(例如，压缩空气)被进给至螺线管520中。当激活螺线管520时，柱塞521打开穿过入口523的流动路径以升高隔膜控制空间502内部的压力，并且朝向阀座503偏转隔膜501以减小孔口504。从而减小流率。相反地，当激活螺线管530时，常闭柱塞531打开穿过出口533的流动路径，并且通过允许控制流体流出排放端口535来降低隔膜控制空间502内部的压力。隔膜501通过远离阀座503偏转来响应减小的压力，以增大孔口504并且增大流率。
流量控制阀500包括切断阀550，以便在例如控制流体的压力由于系统故障而损失时，经由阀杆552提供隔膜501的故障安全切断。阀杆552可经由开口557滑入控制空间502中。同时，密封件558维持控制空间502的总流体紧密性。阀杆552通过弹簧553的力保留到切断阀550，所述弹簧适合于将阀杆552朝向隔膜501偏置。当加压控制流体(例如，压缩空气)被注入至致动器空间559中时，切断阀550被致动打开，以便抵靠弹簧553并且远离隔膜501转移活塞551。活塞551配备有滑动密封件554。一旦切断阀550被致动打开，来自致动器空间559的控制流体经由入口526进给至螺线管520，其中调制隔膜501的位置是可利用的。优选地，在使用中，阀杆552的回缩被调整成允许隔膜501由柱塞556的全部范围的运动所需要的最小值，如由调整螺钉555设置。对于最小化在损失控制流体压力时阀杆552的加速度，以及在阀杆552转移到阀座503上方的隔膜501中时的必然影响来说，那种受限的运动是合乎需要的。当停用入口512处的空气供应时，通过限制空中从致动器空间559中的排放来进一步降低这种影响。在实际付诸实践中，发现两个措施对通过故障安全切断阀550来防止粒子的产生是极有效的。
利用在设计上类似于图4中所示的那种流量控制阀的原型流量控制阀来确定通过原型流量控制阀的流率(标记为“流量”单位为sccm)对原型流量控制阀内部和在原型的隔膜上下压的控制流体压力(标记为“压力”单位为磅每平方英寸(绝对压力)(PSIA))的相关性。图5显示在不同氮气入口压力，即，20、30、40、200、380、760和1,370 Torr下的这些相关性。在室温下取得数据，以便使用压缩空气作为控制流体来控制氮气的流量。应注意，所有迹线展现具有流量对在流量上高于约200 sccm的压力的大体上线性相关性。在低入口压力(约20至200 Torr)下，迹线最终开始趋平并且会聚成由全开流量控制阀和测试系统的有限传导性所限定的最大流率(在这种特别情况下，介于800至1,000 sccm之间)。假定原型流量控制阀不包括永久流量限制，这种传导性对于这类低入口压力来说是相当高的。在诸如380、760和1,370 Torr的较高入口压力下，延伸用于整个测量的线性区域和传导性的影响是可忽略的。
对于大多数广泛范围性能，PD参数优选地在流率对控制压力的线性部分内调节，例如，在图5的实例中，在对于高于300 Torr的入口压力的高于200 sccm下。这些参数将不会恶化200 sccm以下的流率范围中的精度，因为对比于常规流量控制阀，流率对控制流体压力的相关性将缓和(即，变得对压力更不敏感)。然而，在那种低流量范围中，线性范围中所导出的PD参数将导致响应时间减少，而同时维持除所需要以外的精度。任选地，在那种情况下，可利用如本领域普通技术人员将已知的相对简单的“增益调度”来进行改进。例如，PD参数可针对若干流率提取并且用来适应简单参数对流率公式。然后，实际流率将用来连续地推断PD参数和相关螺线管工作循环(或电流)。
在0至200 sccm范围下的逐渐弱化的相关性越来越提高在较低设置点下的精细度。这个特征正好与常规行为相反，其中非线性意味在较低设置点下的逐渐恶化的精细度。超过几百sccm (在图5的实例中，约200 sccm)，线性相关性提供具有多于适当精细度的广泛控制范围。此外，如果需要，线性相关性和弱化相关性两者的斜率可由隔膜通过其厚度的刚度、机械性质和形状容易地控制。一个或多个替代实施方案还可利用堆叠在流动路径与隔膜控制空间之间的多个隔膜。相应地，根据本发明的方面的流量控制阀能够控制流率的3至4个数量级，并且适应具有至多200 ℃连续操作温度的5至3,000 Torr入口压力范围。此外，这些流量控制阀在高流量下容易地净化，以便上游和下游歧管的快速和有效去污。
300 Torr以上，入口压力对PD参数的影响还可通过降低比例常数约40%来补偿。同时，发现至多200 ℃的环境温度的影响是可忽略的。换句话说，原型流量控制阀能够校正入口压力和/或温度波动。在预期显著的入口压力波动、偏移或可变性的应用中，优选的是降低比例常数至多35%以确保在最坏情况条件下，不损害流率的精度和稳定性。在一些情况下，这种修改将导致至多35%较慢响应。虽然如此，除少数应用和系统(其中入口压力的快速和大量波动，和/或混合比的快速和大量变化是常见的)外，微分常数的影响是边缘性的，并且可简化算法以仅应用比例控制。
如图5中进一步呈现，在低入口压力下，流率可受到全开阀传导性的限制。相应地，控制流体压力的影响在高流率范围中大体上减慢。然而，原型流量控制阀仍然能够利用精度将流量控制到最高可能的流率。也就是说，应用来自流量对控制压力相关性的线性部分的PD参数导致精密控制。然而，响应时间随流率的增大而减慢。例如，在20 Torr入口压力下，原型流量控制阀的纯响应时间在从150至350 sccm增加200 sccm的设置点之后是20 ms，但对于从500至700 sccm增加200 sccm的设置点需要80 ms。对于大多数应用来说，这种较慢的响应时间仍然是适当的，并且通常比传感器、歧管或它们的组合的响应时间更快。
Sneh的并且名为“Fail-Safe Pneumatically Actuated Valve with Fast TimeResponse and Adjustable Conductance”(由此以引用方式并入本文中)的美国专利号7,744,060描述故障安全常闭(FSNC)气动阀，其中隔膜响应于其上的控制流体压力的应用而偏转。在那种阀中，对隔膜偏转的定时和将空气运输至隔膜上的隔膜控制空间并且将空气运输出隔膜上的隔膜控制空间通常小于0.1 ms. (见例如’060专利的图1d)。这种快速响应时间暗示像本文中所论述的那些隔膜一样的隔膜实际上将瞬间响应控制流体压力的变化。因此，根据本发明的实施方案的流量控制阀的响应可能通过螺线管的速度和传导性，以及供应、控制和排出压力来确定。定制螺线管可具有< 0.5 ms的ON/OFF响应时间。此外，ON/OFF致动时间可经由间隙控制螺钉(如图2中的螺钉324和334)来调整，其中较高的速度导致传导性权衡。例如，原型流量控制阀的螺线管中的0.4 ms螺线管响应时间对应于约10标准升每分钟(sLm)的流量，通过所述流量具有进给螺线管的45 PSIA控制流体入口压力。在那个流率下，~1毫升体积隔膜控制空间内的5 PSIA的压力变化花费约2 ms。这种压力变化将例如对应于针对300至3,000 Torr范围中的入口压力的200至2,500 sccm范围中的流率变化(图5)。现成、高速的螺线管阀具有1至3 ms范围内的响应时间，并且支持在45 PSIA下至多约50 sLm的流率。这些特性在1.5至4 ms的范围内导致隔膜控制空间的5 PSIA控制压力变化。比例控制、定制或现成的螺线管阀通常可改变在0至5 sLm范围内的45 PSIA下的流量，其中隔膜控制空间内的压力的5 PSIA变化可与4 ms一样快。这些基本快速响应时间在流率、入口压力和温度的广泛范围内实现了具有20至50 ms的较好调节的PD控制。
高质量流量传感器的响应时间通常在2至500 ms之间改变。高质量压力传感器的响应时间通常在0.1至20 ms之间改变。在一些情况下，传感器响应时间受流体驻留时间影响，取决于歧管，所述流体驻留时间可在5至1,000 ms的广泛范围内改变。相应地，在很多情况下，根据本发明的方面的流量控制阀有时显著地将是最快的组件。然而，作为调节过程的一部分，可设定比例算法常数来减慢流量控制阀的反应，以便考虑缓慢传感器反应和系统中的其他潜在延迟，并且从而允许传感器在误差接近于零时有足够的时间来“追赶”。因此，在大多数实施方案中，优选的是确定用于所关心的实际系统上的流量控制阀的PD参数。
为适应诸如将液体的流量控制到致动器中的系统的大体缓慢响应系统，螺线管阀的响应时间可被下调以较好地匹配系统的时标，而不是为了加速螺线管切换的目的。例如，当螺钉324被顺时针调整以限制柱塞321的运动并且降低控制流体通过入口323的流量时，可延长螺线管320的响应时间。类似地，当螺钉334被顺时针调整以限制柱塞331的运动并且降低控制流体通过出口333的流量时，可延长螺线管330的响应时间。
流量控制阀300、500，以及落入本发明的范围内的其他实施方案有效地防止粒子在隔膜/阀座区域处的产生。这种特征归因于隔膜对阀座的极小影响，给定隔膜的小质量和其减速弹簧力。同样地，控制流体对隔膜的影响是可忽略的。根据本发明的方面的流量阀从而可设置用于稳定性能和寿命的新标准。在20赫兹(Hz)下的1×108个循环之后，多个原型例如被测试来保留其性能，其中，在每个循环内，控制流体在0至100 PSIA之间循环，以施加隔膜的最大偏转和回缩。
图6中描绘根据本发明的方面的类似实施方案的截面图。如前，流量控制阀500’可用来在传感器507是流量传感器时控制流率，并且用来在传感器507是压力传感器时控制压力。在流量控制阀500’内，金属隔膜501被安置来密封聚合物阀座503’与流体出口端口505之间的流动路径。所有其他组件和特征类似于图4中的流量控制阀500。类似于流量控制阀500’的原型流量控制阀表现出比具有金属阀座的原型更低的漏失率。更具体来说，具有聚合物阀座的原型在阀切断(即，入口512处的控制流体压力被排出)的情况下表现出< 10-8 mBarL/秒的漏失率，而具有金属座的原型表现出约10-6 mBar L/秒的漏失率。一旦致动切断阀杆，当控制流体压力超过70 PSIG时，具有聚合物座的原型的流量控制模式中的漏失率为<5×10-9 mBar×L/秒。虽然如此，最终，对阀座材料的选择可取决于操作的温度范围。例如，PFA 450HP (“Teflon”；可从DuPont (Fayetteville，NC，USA)获得)可适合于至多200 ℃的广泛范围的温度。Polychlorotrifluoroethene (“Kel-F”；可从Aetna Plastics (ValleyView，OH，USA)获得)可适合于85 ℃以下的应用。
根据本发明的方面的流量控制阀可能特别好地适合于ALD处理的要求。应用类似于流量控制阀500’的原型流量控制阀(充当压力控制器)来控制ALD输送歧管内的压力。为了那个目的，将50至100毫升ALD供应箱安装在流量控制阀的下游。输送压力通常控制在5至50Torr的压力范围内，其中输送处于100至5,000 sccm的流率范围内。通常，供应箱被设定大小来在ALD脉冲期间适应气体汲取的<10%，优选地<5%。例如，75毫升箱用于10 Torr受控反应性气体，所述反应性气体在约250 sccm每个循环下脉冲10 ms，从而导致<4.3%汲取。在PD参数被调节到>200 sccm流率和>300 Torr入口压力的线性范围中的情况下，依赖于控制流体压力在流量的线性部分中针对流率实现<25 ms的响应时间。应用这些PD参数，在0至200sccm范围中针对流率，以及在5至300 Torr范围中针对入口压力实现小于100 ms的响应时间。相应地，根据本发明的方面的流量控制阀被证明适应ALD输送规范的整个广泛范围，具有一个部分编号，并且不具有增益调度。同时，集成截止阀提供故障安全性以便互锁高反应性ALD前驱物的输送，以免发生功率或控制流体压力(在这种情况下，空气压力)损失，以及多个其他潜在危险情形。
图7中描绘的另一说明性实施方案包括故障安全聚合物座流量控制和截止阀500’’。然而，代替以流量控制阀500、500’的方式利用局部压力传感器，流量控制阀500’’而是被配置来响应于一个或多个远程安装的压力传感器来控制压力。因此，流量控制阀500’’包括传感器输入连接器540，所述传感器输入连接器可经由电缆(未示出)与远程压力传感器通信。这类遥感能力可适合于诸如控制惰性气体的压力的应用，所述惰性气体保护安置在加热卡盘内部的易碎加热器，其中加热器至卡盘接触和/或卡盘内部的加热器的完全密封是不可能的。对于那种应用，流量控制阀500’’可快速对调整做出反应以独立于随时间变化的流出卡盘的流量将压力维持在设置值。当然，在替代实施方案中，远程安装的流量传感器可以类似方式利用来调节下游流率而不是压力。
根据本发明的方面的另一示例性应用，包括两个流量控制阀500’’、两个远程安装的流量传感器(经由其传感器输入连接器540与两个流量控制阀相连)和两个截止阀的歧管提供对液压致动器的方向和速度控制。歧管将第一流量控制阀500’’和第二截止阀连接至致动器的一个侧面，并且将第二流量控制阀500’’和第一截止阀连接至致动器的第二侧面。液压致动器可在两个相反的方向上移动。第一方向上的速度受控运动致动第一流量控制阀500’’的截止阀，并且向流量控制阀提供流率设置点。同时，第一截止阀被致动打开。因此，应用流量受控流体来推动较好定义的速度，而流体经由第一截止阀从致动器的另一侧排出。致动器的速度与流率精密地相关。或者，当利用线性速度传感器代替流量传感器时，流量控制阀500’’可直接控制致动器的线性速度。为终止运动，通过同时切断第一流量控制阀500’’和第一截止阀两者来“制动”液压致动器，以便瞬间停止流量。为在第二方向上移动，对第二流量控制阀500’’的截止阀进行致动，并且向流量控制阀提供流率设置点。同时，第二截止阀被致动打开。应用流量受控流体来推动较好定义的速度，而流体经由第二截止阀从致动器的另一侧排出。在这个特定应用中，快速响应和广泛范围的流量控制阀500’’，以及集成截止阀提供对液压系统的快速和准确的运动控制，以用于改进的处理、冲压、部件操控、机器人运动等。
图8示出根据本发明的第五说明性实施方案的流量控制阀800的截面图。在这个流量控制阀800中，金属隔膜801被安置来密封阀座803与流体出口端口805之间的流动路径。孔口804形成在隔膜801与阀座803之间。密封隔膜控制空间802形成在隔膜801上方。隔膜控制空间包括控制流体入口823。流量控制阀800还包括入口配件810、出口配件811和控制流体入口812。
对比于上述若干流量控制阀，流量控制阀800利用与螺线管相反的压力调节器860来调节隔膜控制空间802中的控制流体压力。在使用中，来自入口812的控制流体(例如，压缩空气)被进给至压力调节器860中。压力调节器860又经由旋钮861手动调整，以在所调节压力下输送控制流体通过感测隔膜862，并且经由流动路径823进入隔膜控制空间802中。进入控制空间802中的控制流体所调节的压力使隔膜801偏转，并且从而界定孔口804，这对于稳定温度和入口压力来说，建立了流率。不同于常规手动“针阀”流量控制阀，流量控制阀800提供具有低流率下的提高灵敏度、无粒子的产生和长服务寿命的广泛范围的流率调整。另外，不同于常规机械针阀，流量控制阀800可借助于在入口812处ON/OFF切换控制流体，在精密孔口与全开、高流量路径之间可再产生地切换。
在图9中进一步描绘根据本发明的方面的进一步改进的截面图，所述截面图示出包括故障安全截止阀950的说明性手动流量控制阀900。在这个特定、非限制性实施方案中，金属隔膜901被安置来密封阀座903与流体出口端口905之间的流动路径。阀座903包括聚合物密封件。孔口904形成在隔膜901与座903之间。密封隔膜控制空间902形成在隔膜901上方。隔膜控制空间902包括控制流体入口923。流量控制阀900还包括入口配件910、出口配件911、控制流体入口912和压力调节器960。
流量控制阀900包括截止阀950以经由阀杆952提供对隔膜901的故障安全切断。阀杆952可经由开口957滑动至控制空间902中，而密封件958维持隔膜控制空间902的总流体紧密性。阀杆952通过弹簧953的力朝向隔膜901偏置。当加压控制流体(例如，压缩空气)被注入至致动器空间959中时，截止阀950打开以致动活塞951。活塞951配备有滑动密封件954。一旦截止阀950被致动打开，来自致动器空间959的控制流体(例如，压缩空气)经由入口926进给至压力调节器960中，其中控制流体对于流量控制阀900是可利用的。阀杆952的回缩被调整成允许隔膜901由柱塞956的全部范围的运动所需要的最小值，如由调整螺钉955设置。对于最小化阀杆952的加速度和在阀杆952抵靠阀座903冲击隔膜901时的必然影响来说，那种受限的运动是优选的。这种影响可通过在停用入口912处的控制流体供应时，限制控制流体从致动器空间959的排出来进一步降低。在实际付诸实践中，发现两个措施对通过切断机构来防止粒子的产生是极有效的。
来自入口926的控制流体被进给至压力调节器960中。压力调节器960可经由旋钮961手动调整，以经由流动路径923在所调节压力下将控制流体输送至隔膜控制空间902中。注入至隔膜控制空间902中的压力调节的控制流体界定孔口904，这对于给定温度和入口压力来说，界定流率。这里再次对比于常规手动“针阀”流量控制阀，流量控制阀900提供具有低流率下的提高灵敏度、无粒子产生和长服务寿命的广泛范围的流速率调整。在添加的集成故障安全截止阀950的情况下，流量控制阀900进一步提供单组份替代物来普遍使用两组分截止阀/针阀组合。
根据本发明的实施方案的流量控制阀还可实施有集成高速流量测量传感器。图10a和图10b示出这类流量控制阀1000，其中图10a示出流量控制阀1000在移除侧壁的情况下的透视图，并且图10b示出截面图。流量控制阀1000与图6中的流量控制阀500’共用许多元件，并且这些元件标记有相似参考数字。同时，流量控制阀1000包括集成高速流量测量传感器，所述集成高速流量测量传感器包括上游压力传感器507’、下游压力传感器507’’，以及孔口560。这些额外的元件位于流体出口端口505与出口配件511之间。孔口560具有给定大小以提供校准的流率。压力传感器507’、507’’测量孔口560的相对两侧上的压力。更具体来说，上游压力传感器507’可操作来测量流量控制阀1000中的第一空间处的压力，而下游压力传感器507’’可操作来测量第二空间处的压力。第二空间通过孔口560与第一空间流体连通。
在匹配图10a和图10b中所示的那种流量控制阀的工作原型流量控制阀中，高速流量测量传感器实施有来自Measurement Specialties (Hampton VA，USA)的两个模型85-005A-0C压力传感器。这些压力传感器具有<1 msec的响应时间，并且在ALD处理期间如实地反映脉冲流量。原型用来通过将每个脉冲的集成值维持在设置点来在ALD处理期间精确地控制前驱物的输送。为了那个目的，流量通常在2至5 msec的范围内被集成在设置区间，从零流量到下一个零流量。这个特征增强了ALD处理期间前驱物输送的精确度，从而又提高了过程的效率。另外，它实现了对下游ALD阀和组件的实时监控。
监控下游ALD阀和组件的附加能力是下游压力传感器507''的压力与前驱物的输送相关的结果，所述前驱物的输送正由那个压力控制，并且由下游ALD阀和歧管的传导性控制。因此，这个压力在处理期间的增加可指示ALD阀的传导性由于发生故障、阻塞、歧管温度增加等而下降。同样地，那个压力在处理期间的降低可指示歧管温度可能下降，或其可指示ALD歧管已形成泄漏。增益针对潜在故障的早期警报的这种能力第一次实现了在具有使用这个监控以用于问题的早期检测的情况下，对脉冲阀的往往复杂的收集的性能的实时监控。这种对问题的早期检测对于能够将生产ALD设备维持在最终性能以确保高产率制造来说是至关重要的。
最后，应再次强调本发明的上述实施方案仅意图为说明性的。其他实施方案可使用不同类型和布置的元件，以便实施所描述的功能。本发明的范围内的这些许多替代实施方案将对本领域技术人员显而易见。
本文中所公开的所有特征可由服务相同、等效或类似目的的替代特征替换，除非另外明确地说明。因此，除非另外明确地说明，否则所公开的每个特征仅为等效或类似特征的通用系列中的一个实例。

Claims (21)

1.一种设备，所述设备用于在所述设备连接至控制流体源的同时控制流体穿过所述设备的流量，所述设备包括：
输入端；
阀座；
隔膜；
输出端；以及
隔膜控制空间，所述隔膜控制空间由所述隔膜部分地界定，并且可操作来从所述控制流体源接收控制流体；
其中所述隔膜相对于所述阀座的偏转响应于所述控制流体在所述隔膜控制空间中的压力；
其中所述隔膜相对于所述阀座的所述偏转可操作来控制所述输入端与所述输出端之间的流体流动阻力。
2.如权利要求1所述的设备，其进一步包括控制流体进给阀，所述控制流体进给阀可操作来调节控制流体流入所述隔膜控制空间中的流动。
3.如权利要求2所述的设备，其进一步包括阀杆，所述阀杆可操作来朝向所述隔膜滑动并且远离所述隔膜滑动；
弹簧，所述弹簧抵靠所述阀杆朝向所述隔膜施加弹簧偏置力；以及阀杆控制空间，所述阀杆控制空间可操作来从所述控制流体源接收控制流体；
其中控制流体在所述阀杆控制空间中的压力在与所述弹簧偏置力相反的方向上推动所述阀杆。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述阀杆控制空间与所述控制流体进给阀串联流体连通，并且所述控制流体进给阀与所述隔膜控制空间串联流体连通。
5.如权利要求3所述的设备，其中所述阀杆通过所述隔膜控制空间的壁。
6.如权利要求2所述的设备，其中所述控制流体进给阀包括压力调节器。
7.如权利要求2所述的设备，其进一步包括控制流体安全阀，所述控制流体安全阀可操作来调节控制流体流出所述隔膜控制空间的流动。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述控制流体进给阀包括螺线管阀。
9.如权利要求7所述的设备，其中所述控制流体安全阀包括螺线管阀。
10.如权利要求7所述的设备，其进一步包括控制器，所述控制器可操作来致动所述控制流体进给阀和所述控制流体安全阀。
11.如权利要求10所述的设备，其进一步包括传感器，所述传感器与所述控制器进行数据通信。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述传感器可操作来测量流量和压力中的至少一个。
13.如权利要求11所述的设备，其中所述控制器可操作来至少部分地基于从所述传感器接收的数据来致动所述控制流体进给阀和所述控制流体安全阀。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述控制器可操作来至少部分地基于从所述传感器接收的数据来致动所述控制流体进给阀和所述控制流体安全阀，以便在所述传感器上实现传感器设置点。
15.如权利要求10所述的设备，其中所述控制器可操作来至少部分地基于从传感器接收的数据来致动所述控制流体进给阀和所述控制流体安全阀，所述传感器不同于所述设备，并且可操作来测量流量和压力中的至少一个。
16.如权利要求1所述的设备，其中所述阀座包括金属。
17.如权利要求1所述的设备，其中所述阀座包括聚合物。
18.如权利要求1所述的设备，其中所述控制流体包括气体。
19.如权利要求1所述的设备，其中所述控制流体包括液体。
20.如权利要求1所述的设备，其进一步包括：
上游压力传感器，所述上游压力传感器可操作来测量所述设备中的第一空间处的压力；
下游压力传感器，所述下游压力传感器可操作来测量所述设备中的第二空间处的压力；以及
孔口；
其中所述第二空间通过所述孔口与所述第一空间流体连通。
21.一种控制流体的流量的方法，所述方法包括以下步骤：
提供输入端：
提供阀座；
提供隔膜；
提供输出端；
提供隔膜控制空间，所述隔膜控制空间由所述隔膜部分地界定，并且可操作来从控制流体源接收控制流体；
其中所述隔膜相对于所述阀座的偏转响应于所述控制流体在所述隔膜控制空间中的压力；
其中所述隔膜相对于所述阀座的所述偏转可操作来控制所述输入端与所述输出端之间的流体流动阻力。
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