CN107450612A - 流量控制装置和存储有流量控制装置用程序的存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供流量控制装置和存储有流量控制装置用程序的存储介质。该流量控制装置具有良好的响应性，并且根据情况，操作者能够容易调整成与现有的流量控制装置等效的响应性。流量控制装置(100)对流体控制阀(3)进行反馈控制，使测量流量接近目标流量，该流量控制装置(100)具有：响应延迟输入部(43)，用于输入响应延迟设定值，所述响应延迟设定值是表示想要设定的响应延迟的值；以及响应延迟生成部(46)，根据所述响应延迟设定值生成所述反馈控制的响应延迟。

Description

流量控制装置和存储有流量控制装置用程序的存储介质
技术领域
本发明涉及一种例如用于控制在半导体制造工艺中使用的材料气体、药液或清洗液等的流体流量的流量控制装置和存储有流量控制装置用程序的存储介质。
背景技术
在大多数的产业工艺中，需要进行各种工艺流体的流量控制，因此，在工艺流体的流道上设置有流量控制装置。
要求这种流量控制装置迅速且稳定地将工艺流体的流量控制成所希望的值(目标流量)。因此，如专利文献1所示，在以往的流量控制装置中，例如用于调整流量的阀和流量传感器等尽可能使用响应性良好的装置，并且在响应性和稳定性上调整成能够发挥最大的能力。
但是，在分别对多种工艺气体进行流量控制并使用的半导体工艺等中，如果代替现有的流量控制装置，导入响应性良好的高性能的流量控制装置，则有时产生最终生成物(半导体)脱离所希望的规格的不良情况。
本发明的发明者进行了认真研究的结果，查明了其原因。
即，以往使用现有的流量控制装置，通过反复尝试来确定工艺的配方，使最终生成物(半导体)满足所希望的规格性能。对于工艺流体来说，工艺的配方是指在什么时机使多少量的工艺流体流动，换句话说，如何设定各工艺流体的目标流量。
但是，实际流动的工艺流体的流量并不准确地追随理论上的配方所示的目标流量，而是依存于流量控制装置的响应性而稍许延迟。
因此，如果将现有的流量控制装置置换为高性能的流量控制装置，则由于更高精度地追随目标流量，所以实际流量与未充分追随目标流量的以往的流量(实质上的配方)不同，因而产生最终生成物脱离规格的可能性。
因此，以往在将流量控制装置置换为新机种等时，实际设定工艺气体的流量的现场操作者必须再次通过反复尝试来修正配方即目标流量，特别是使用多种工艺流体时，需要花费大量工夫。
专利文献1：日本专利公开公报特开2003-316442号
发明内容
鉴于上述新的课题，本发明放弃了提高响应性的以往观念而初次提出了具有良好的响应性，并且根据情况，操作者能够容易调整成与现有的流量控制装置等效的响应性的流量控制装置。
即，本发明提供一种流量控制装置，对流体控制阀进行反馈控制，使测量流量接近目标流量，所述流量控制装置的特征在于具有：响应延迟输入部，用于输入响应延迟设定值，所述响应延迟设定值是表示用户操作者想要设定的响应延迟的值；以及响应延迟生成部，根据所述响应延迟设定值生成所述反馈控制的响应延迟。
按照这种结构，在原本要求快速响应性的流量控制装置中，在能够生成响应延迟的基础上，可以仅通过用户操作者的设定输入来确定上述响应延迟。因此，例如可以容易将上述流量控制装置设定为与现有的流量控制装置同等的响应性并能够与其进行置换。
上述效果即能够由操作者进行随时的响应性调整的效果，在以往要求快速响应性的流量控制装置的领域中是极其划时代的。
另一方面，如果使输入的响应延迟设定值小到性能界限，则能够灵活地利用本流量控制装置原本所具有的快速响应性。
作为具体的实施方式可以例举的是，所述响应延迟设定值是表示去掉无效时间的一次延迟、二次延迟或多次延迟的值。
作为对于用户操作者来说容易使用的响应延迟设定值可以例举的是时间常数等。
重新设定响应延迟时，通过参照过去的响应延迟和此时的反馈控制系数，可以容易进行计算。因此，优选的是，所述流量控制装置还具有测量反馈控制的响应延迟的响应延迟测量部，所述响应延迟生成部基于由所述响应延迟测量部测量的测量响应延迟和此时设定的反馈控制系数，计算成为所述响应延迟设定值所示的设定响应延迟的新反馈控制系数，并且将当前设定的反馈控制系数置换为所述新反馈控制系数。
为了不进行复杂的计算而能够在短时间内设定响应延迟，优选的是，所述反馈控制至少包括比例控制，并且通过利用IMC使去掉无效时间的响应延迟成为一次延迟。
按照上述结构的本发明，在原本要求快速响应性的流量控制装置中，在能够生成响应延迟的基础上，可以仅通过用户操作者的设定输入来确定上述响应延迟。因此，例如可以容易将上述流量控制装置设定为与现有的流量控制装置同等的响应性并能够与其进行置换。
附图说明
图1是表示本发明一种实施方式的流量控制装置的简要整体图。
图2是同一实施方式的控制机构的功能框图。
图3是同一实施方式的阀控制部的控制框图。
图4是本发明的另一种实施方式的控制框图。
附图标记说明
100 流量控制装置
3 流体控制阀
43 响应延迟输入部
44 响应延迟测量部
45 响应延迟存储部
46 响应延迟生成部
具体实施方式
参照图1至图3，对本发明一种实施方式的流量控制装置进行说明。
上述流量控制装置100例如分别设置在半导体制造用的各种材料气体的流体流动的各供给流道(未图示)上，用于将各材料气体的流量控制成规定的流量。另外，作为流体除了气体以外，可以例举的是液体和浆料等。
更具体地进行说明。
如图1和图2所示，上述流量控制装置100包括：大体长方体形状的主体1，在内部形成有流道11；热式流量传感器2和阀3，安装在所述主体1上；以及控制机构4，基于来自所述流量传感器2的输出来控制所述阀3。
所述主体1在其底面上分别设置有用于导入、导出流体的导入口12和导出口13，并且以连接所述导入口12和所述导出口13之间的方式形成有所述流道11。相对于上述流道11在最下游设置有所述阀3，并且在所述阀3的上游设置有所述流量传感器2。
所述流量传感器2是热式流量传感器，其包括：作为流体阻力的分流元件21，设置在所述流道11内；细管22，从所述流道11分路，设置成绕过所述分流元件21的前后；检测机构23，由设置在所述细管22上的一对线圈23a(图2所示)构成，检测与流量关联的值；以及流量计算部41，利用所述控制机构4的计算功能构成，基于来自所述检测机构23的输出来计算流量。
具体地说，所述各线圈23a是电热线，分别与温度控制电路(未图示)连接以保持规定温度。利用上述温度控制电路向各线圈23a施加的电压值从所述检测机构23向所述流量计算部41输出，所述流量计算部41基于各电压值来计算流量。
另外，上述流量传感器并不限定于热式，也可以是压差式、超声波式和科里奥利式等各种方式。
所述控制机构4是具有CPU、存储器、A/D·D/A转换器、输入输出单元和驱动器等的电子电路，通过基于存储在所述存储器内的流量控制装置用程序而使CPU及其周边设备协同动作，使除了作为所述流量传感器2的结构要素的流量计算部41以外的阀控制部42等发挥作为计算电路的功能。
如上所述，流量计算部41基于来自所述检测机构23的输出，计算在流道11内流动的流体的流量，并且输出其值(以下称为测量流量值)。
如图2所示，所述阀控制部42接收通过由操作者输入或来自外部设备的通信等来提供的目标流量和从所述流量计算部41输出的测量流量，对所述阀3的开度进行PID反馈控制，以使目标流量和测量流量之间的偏差变小。
更具体地进行说明。如图3的控制框图所示，上述阀控制部42在具有PID控制器421的基础上，还附加有IMC(Internal Model Controller内模控制器)422。
同图中，Gp(s)是实际的工艺(包含阀3或流量传感器2的系统)的传递函数，因机种而不同。
Gc(s)是所述PID控制器421的传递函数，由以下的式(1)表示。
Gc(s)＝Kp(1+1/Ti·s+Td·s)···(1)
在此，Kp是比例增益，Ti是积分时间，Td是积分时间，s是正函数。
Gp’(s)是工艺模式423的传递函数。
此外，由基于上述Gp(s)、Gc(s)、Gp’(s)的传递函数GIMC(s)表示的系统是所述IMC422。
在上述实施方式中，通过适当地设定所述工艺模式423确定GIMC(s)，作为包含上述阀控制部42、阀3、流量传感器2的反馈系统的传递函数忽略无效时间，则成为一次延迟。
即，如果将阀3的传递函数作为1/(f1·s+1)、将流量传感器2的传递函数作为1/(e1·s+1)，则所述传递函数Gp(s)如式(2)所示。
Gp(s)＝(1/(f1·s+1))(1/(e1·s+1))···(2)
并且，以如下方式设定GIMC(s)。
GIMC(s)＝(x1·s+1)(x2·s+1)/(T·s)···(3)
在此，x1设定成与f1、x2设定成与e1相同的常数。
由此，IMC422、阀3、流量传感器2串联的传递函数G1(s)如以下的式(4)所示。
G1(s)＝GIMC(s)·Gp(s)＝1/(T·s)···(4)
并且，如上所述，如果包含反馈系统的系统整体的传递函数G(s)忽略无效时间，则如式(5)所示成为一次延迟。
G(s)＝1/(1+T·s)···(5)
如果对其进行重写，则如以下的式(6)所示。
Qout＝1/(1+T·s)·Qset＝1/(1+1/Kp·s)·Qset···(6)
在此，Qset是目标流量值、Qout是测量流量。此外，1/Kp成为时间常数T的反函数。
并且，在上述实施方式中，如图2所示，在所述控制机构4中进一步附加有作为响应延迟输入部43、响应延迟测量部44、响应延迟存储部45和响应延迟生成部46等的功能。
响应延迟输入部43利用键盘等输入单元或通信来接收响应延迟设定值，所述响应延迟设定值是表示流量控制装置100的响应延迟的值。响应延迟设定值是用户操作者指定的值，在此是相对于目标流量的测量流量的响应延迟中与一次延迟要素相关的值，更具体地说是时间常数(从流量的上升到目标流量的63％的时间)。作为响应延迟设定值除此之外还可以是大约4倍时间常数(从测量流量的上升到目标流量值的98％的时间)，或者也可以是相对于当前响应延迟的比率(％)等。以下将响应延迟设定值也称为设定时间常数。
响应延迟测量部44测量当前时点的控制的响应延迟(在此是一次延迟的时间常数，以下称为测量时间常数)。因此，上述响应延迟测量部44例如作为目标流量提供阶跃信号，并且通过测量此时的过渡响应来计算所述测量时间常数。此外，也可以通过脉冲响应或斜坡响应等来计算测量时间常数。在实际的流量控制的启动前或停止期间进行由上述响应延迟测量部44测量响应延迟。
响应延迟存储部45设定在存储器的规定区域内，存储由所述响应延迟测量部44测量的测量时间常数。此时，响应延迟存储部45例如以表1所示的表形式与测量时间常数对应地存储上述测量时的条件即流体的种类、温度、压力等周围条件。
表1
上述表1表示存储在响应延迟存储部内的数据(构成)的数据示例。
响应延迟生成部46调整阀控制部42的控制参数，使上述控制的时间常数成为由响应延迟输入部43接收的设定时间常数。
具体地说，如上所述，利用IMC422使该阀控制部42的响应性成为一次延迟。因此，PID控制器421的比例增益Kp和时间常数T的关系是Kp＝1/T···(7)
在此，响应延迟生成部46参照响应延迟存储部45，根据同样测量条件下的测量时间常数和此时的比例增益来计算所述比，并且根据上述比计算成为设定时间常数的比例增益，将现有的比例增益置换为上述新比例增益。
理论上的新比例增益的计算式如以下式(8)所示，但是响应延迟生成部46进行与其等效的计算来设定新比例增益。
Kp1＝Kp0·T1/T0···(8)
在此，Kp1是新比例增益，Kp0是现有的比例增益，T1是设定时间常数，T0是测量比例增益。
并且，按照这种结构，仅由操作者输入所希望的设定时间常数，就能够将上述流量控制装置100的响应延迟自动调整成上述设定时间常数。
因此，按照本实施方式的流量控制装置100，能够仅通过设定为与现有的流量控制装置同等的响应性，例如不需要另外对目标流量进行再调整等，能够容易从现有的流量控制装置置换为本实施方式的流量控制装置。
此外，以往在追求快速响应性的流量控制装置的领域中，上述效果即最初能够由操作者进行随时的响应性调整的方面是极其划时代的。
另一方面，要求更快的响应性时，只要使输入的设定时间常数的值小到性能界限即可，从而能够灵活地利用上述流量控制装置原本所具有的性能。
此外，由于用作响应延迟设定值的时间常数是用户容易直观地把握响应性的值，所以能够起到容易使用的效果。
此外，为了得到与本流量控制装置100同等的功能，能够分别计算并确定PID控制的各控制系数(Kp、Ti、Td)，以成为输入的设定时间常数(所希望的响应延迟)。但是，可以独立于控制对象自由地提供所述各控制系数，现在，由于不能利用代数的方法计算各最佳值而需要进行反复尝试来得出，所以有时用于响应延迟设定的计算需要花费大量的时间。
相对于此，在上述实施方式中，在设置PID控制器421的基础上设置IMC422，而预先构成为阀控制的响应性成为一次延迟，所以如上所述，在三个控制系数中只要仅调整比例增益Kp，就能够设定时间常数。因此，不会对计算电路施加大的负担，能够容易进行自动设定使响应延迟成为设定时间常数。
另外，本发明并不限定于所述实施方式。
例如，在所述实施方式中，响应延迟生成部46参照响应延迟存储部45，检索过去同样的周围条件下的测量时间常数和此时的比例增益，并且以此为基础来确定比例增益，但是也可以预先使周围条件与实际的流量控制下的周围条件一致来得出测量时间常数，并且在此基础上计算比例增益以成为设定时间常数。由此，可以不将过去的周围条件存储在响应延迟存储部内。
可以通过逐渐改变比例增益的反馈控制来设定比例增益，以使测量时间常数与设定时间常数的偏差变小。
实际的流量控制中，流体的温度或阀前后的流体的压力等变化时，为了保持响应性，可以使用其中的任意一个以上，在响应延迟生成部中对比例增益Kp1进行修正。例如，压力p的变化的修正计算式可以例举的是以下式(9)。
Kp1’＝(Xnpn+Xn-1pn-1+···+X1p)Kp1+b···(9)
在此，X1～Xn是由实验等预先得出的系数，Kp1’是修正计算后的比例增益。
此外，如图4所示，可以通过追加滤波器47并进行时间常数设定来设定响应速度，该滤波器47是对目标流量值实施一次延迟等的计算电路。在这种情况下，利用所述滤波器47对目标流量值进行修正。
此外，由于流量控制装置的响应性特别是阀3的响应性因流体的压力(与阀相比上游的压力和/或下游的压力)而变化，所以优选进行消除上述压力变化使响应延迟保持(补偿)为设定值的控制。具体地说，例如，所述图4的滤波器47的时间常数根据测量的流体的压力(在此为上游的压力)变化，对因压力产生的响应延迟的变化进行补偿。
对能够由所述响应延迟输入部输入的响应延迟的值(例如设定时间常数)可以不设定限制，也可以设定限制。
前者的情况下，例如接收响应延迟的值为0的输入，在这种情况下，流量控制装置以其最大响应性能即响应延迟最小的状态动作。换句话说，如果作为响应延迟输入超过流量控制装置的最大响应性能的值时，则忽略该值，该流量控制装置以最大响应性能动作。
后者的情况下，即使输入例如0这样的超过流量控制装置的最大响应性能的响应延迟，也不接收该输入，而提醒再次输入，或者是显示规格上最小的响应延迟值等，并以该响应延迟动作。
此外，只要不违反本发明的宗旨，本发明可以进行各种变形和实施方式的组合。

Claims (6)

1.一种流量控制装置，对流体控制阀进行反馈控制，使测量流量接近目标流量，
所述流量控制装置的特征在于具有：
响应延迟输入部，用于输入响应延迟设定值，所述响应延迟设定值是表示想要设定的响应延迟的值；以及
响应延迟生成部，根据所述响应延迟设定值生成所述反馈控制的响应延迟。
2.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，所述响应延迟设定值是表示去掉无效时间的一次延迟、二次延迟或其以上的多次延迟的值。
3.根据权利要求2所述的流量控制装置，其特征在于，表示所述一次延迟、二次延迟或其以上的多次延迟的值是时间常数。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的流量控制装置，其特征在于，
所述流量控制装置还具有测量反馈控制的响应延迟的响应延迟测量部，
所述响应延迟生成部基于由所述响应延迟测量部测量的测量响应延迟和此时设定的反馈控制系数，计算成为所述响应延迟设定值所示的设定响应延迟的新反馈控制系数，并且将当前的反馈控制系数置换为所述新反馈控制系数。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的流量控制装置，其特征在于，所述反馈控制至少包括比例控制，并且通过利用IMC使去掉无效时间的响应延迟成为一次延迟。
6.一种存储有流量控制装置用程序的存储介质，所述流量控制装置用程序对流体控制阀进行反馈控制，使测量流量接近目标流量，
存储有流量控制装置用程序的存储介质的特征在于，
所述流量控制装置用程序使所述流量控制装置作为响应延迟输入部和响应延迟生成部发挥功能，所述响应延迟输入部用于输入响应延迟设定值，所述响应延迟设定值是表示想要设定的响应延迟的值，所述响应延迟生成部根据所述响应延迟设定值生成所述反馈控制的响应延迟。
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