CN112204493A - 用于多通道质量流量和比率控制系统的方法和装置 - Google Patents

用于多通道质量流量和比率控制系统的方法和装置 Download PDF

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Abstract

提供了流体控制系统以及用于流体控制的对应方法，该流体控制系统包括质量流量控制系统、质量流量比率控制系统以及质量流量和比率控制系统。这些系统允许一个共享的压力传感器被用于多个流道，以及控制器，该控制器可以基于由该共享的压力传感器检测到的流体压力来准确地确定质量流量。

Description

用于多通道质量流量和比率控制系统的方法和装置
相关申请
本申请是2018年5月7日提交的美国申请No.15/973,190的继续申请。上述申请的全部教导通过引用并入本文。
背景技术
多通道质量流量控制系统用于控制通过多个通道的流体的流量，从而允许以期望的比例将来自多个通道的流体组合到共享的流道(flow channel)中。多通道质量流量比率控制系统用于控制来自共享的流道的流体以期望的质量流量比率流到多个通道(channel)中。这样的系统例如用于半导体制造系统和其它材料处理系统。
半导体制造工艺可以涉及在多个处理步骤中输送各种数量的多种不同气体和气体混合物。通常，将气体存储在处理设施的储罐(tank)中，并且使用气体计量系统将计量数量的气体从储罐输送到处理工具(诸如，化学气相沉积反应器、真空溅射机器、等离子刻蚀机等)。通常，部件(诸如，阀、压力调节器、质量流量控制系统(MFCS)、质量流量比率控制系统(FRCS))被包括在气体计量系统中或从气体计量系统到处理工具的流路中。
在特定应用(诸如，半导体制造应用)中，空间通常非常有限，需要系统是灵活的(例如，期望可以轻松地将附加流道添加到现有MFCS或FRCS中、从现有MFCS或FRCS中移除或在现有MFCS或FRCS内交换)，并且需要高精度。此外，通常期望低成本且不太复杂的系统。
发明内容
提供了流体控制系统以及对应的流体控制方法，所述流体控制系统包括多通道质量流量控制系统、多通道质量流量比率控制系统以及多通道质量流量和比率控制系统。与现有的对应系统相比，这些系统和方法允许空间高效、灵活、具有成本效益并且更简单的流体控制。
流体控制系统的一实施方式包括：多个流道，各个流道包括流量限制器、流量调节阀以及位于所述流量限制器与所述流量调节阀之间的通道压力传感器；共享的流道，所述共享的流道将流体输送到所述多个流道，或者从所述多个流道输送流体，针对各个流道，所述流量限制器位于通道压力传感器与所述共享的流道之间；共享的压力传感器，所述共享的压力传感器位于所述共享的流道中，所述共享的压力传感器被配置为对共享的流道的压力进行检测；以及控制器，所述控制器基于通道压力和所述共享的流道的压力来确定通过所述流道中的各个流道的质量流量，并且对所述流道的所述流量调节阀进行控制，以控制通过各个流道的质量流量。
所述多个流道中的各个流道可以包括温度传感器。
所述控制器可以基于流过各个流道的所述流体的特性、所述流量限制器的特性以及所述流量限制器与所述共享的压力传感器之间的流道特性来确定通过所述各个流道的质量流量。所述流道特性可以是所述流道的从所述流量限制器到所述共享的压力传感器的容积和长度。
所述控制器可以递归地确定(1)通过各个流道的质量流量，(2)与所述流量限制器相邻并且与所述多个流道的所述通道压力传感器相反(opposite)的位置的通道压力，以及(3)通过所述共享的通道的总质量流量。
所述控制器可以通过以下方式确定通过所述多个流道中的流道的质量流量：(i)假定与所述流量限制器相邻并且与所述流道的所述通道压力传感器相反的流道压力，所述通道压力传感器提供检测到的流道压力，(ii)基于与所述流量限制器相邻并且与所述通道压力传感器相反的所述流道压力以及所述流道的所述检测到的流道压力来确定通过所述流道的所述质量流量；(iii)基于通过所述多个流道中的各个流道的质量流量来确定总质量流量，(iv)使用在步骤(iii)中确定的所述总质量流量来计算与所述流量限制器相邻并且与所述流道的所述通道压力传感器相反的所述流道压力，以及重复步骤(ii)至步骤(iv)。
所述共享的流道可以在所述多个流道的下游。
所述共享的流道还可以在所述多个流道的上游。
在另外的实施方式中，所述流体控制系统还包括：第二多个流道，所述第二多个流道中的各个流道包括流量限制器、流量调节阀以及位于所述流量限制器与所述流量调节阀之间的通道压力传感器；所述共享的流道将流体从所述多个流道输送到所述第二多个流道；针对所述第二多个流道中的各个流道，所述流量限制器位于所述通道压力传感器与所述共享的流道之间；其中，所述控制器还基于通道压力和所述共享的流道的压力来确定通过所述第二多个流道中的各个流道的质量流量，并且对所述流道的所述流量调节阀进行控制，以控制通过各个流道的质量流量。
所述第二多个流道中的各个流道还可以包括温度传感器。
所述多个流道可以是集成系统的一部分。
所述多个流道和所述第二多个流道可以是集成系统的一部分。
所述共享的压力传感器不必是所述集成系统的一部分(即，所述共享的压力传感器可以在外部)。
所述流体可以是液体或气体；然而，所述流体通常是气体。
另一实施方式是一种流体控制方法。所述流体控制方法包括：使流体流过多个流道，各个流道包括流量限制器和流量调节阀；使流体通过共享的流道流到所述多个流道或从所述多个流道流出；对所述共享的流道中的共享的流道的压力进行检测；对各个流道的在其流量调节阀与其流量限制器之间的流道压力进行检测；基于所述流道压力和所述共享的流道的压力来确定通过所述流道中的各个流道的质量流量；以及对所述流道的所述流量调节阀进行控制，以控制通过各个流道的质量流量。
所述流体控制方法还可以包括：对各个流道的在其流量调节阀与其流量限制器之间的流道温度进行检测。
通过各个流道的所述质量流量可以是基于流过所述各个流道的所述流体的特性、所述流量限制器的特性以及所述流量限制器与检测所述共享的流道的压力的位置之间的流道特性来确定的。
可以递归地确定通过各个流道的质量流量、与所述流量限制器相邻并且与所述多个流道的所述通道压力传感器相反的位置的通道压力、以及通过所述共享的通道的总质量流量。
确定通过所述多个流道中的流道的质量流量可以包括：(i)假定与所述流量限制器相邻并且与所述流道的所述通道压力传感器相反的流道压力，(ii)基于与所述流量限制器相邻并且与所述通道压力传感器相反的所述流道压力以及所述流道的所述检测到的流道压力来确定通过所述流道的所述质量流量；(iii)基于通过所述多个流道中的各个流道的质量流量来确定总质量流量，(iv)使用在步骤(iii)中确定的所述总质量流量来计算与所述流量限制器相邻并且与所述流道的所述通道压力传感器相反的所述流道压力，以及重复步骤(ii)至步骤(iv)。
所述流体控制方法还可以包括：使来自所述多个流道的流体流过共享的通道并且进入第二多个流道，所述第二多个流道中的各个流道包括流量限制器和流量调节阀；对所述第二多个流道中的各个流道的在其流量调节阀与其流量限制器之间的流道压力和流道温度进行检测；以及基于所述流道压力和所述共享的流道的压力来确定通过所述第二多个流道中的各个流道的质量流量。
所述流体控制方法还可以包括：对所述第二多个流道中的各个流道的在其流量调节阀与其流量限制器之间的流道温度进行检测。
利用所述流体控制方法控制的所述流体可以是液体或气体，并且通常是气体。
附图说明
如附图中所例示的，根据下面对示例实施方式的更具体的描述，前述内容将变得显而易见，在附图中，贯穿不同视图，相同的附图标记指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在例示本发明的实施方式上。
图1是现有技术的单通道质量流量控制系统的示意图。
图2是包括由多个通道共享的内部下游压力传感器的多通道质量流量控制系统的示意图。
图3是包括由多个通道共享的外部下游压力传感器的多通道质量流量控制系统的示意图。
图4是包括由多个通道共享的内部上游压力传感器的多通道质量流量比率控制系统的示意图。
图5是包括由多个通道共享的外部上游压力传感器的多通道质量流量比率控制系统的示意图。
图6是包括一个压力传感器的集成的多通道质量流量和比率控制系统的示意图，该压力传感器在多个通道中的一些通道的下游并且在其它通道的上游，由多个通道共享。
图7是例示了对进给(inlet)阀进行控制以将质量流量调节至多通道质量流量控制系统的流量设定点的流程图。
图8是例示了对排出(outlet)阀进行控制以将质量流量调节至多通道质量比率控制系统的流量比率设定点的流程图。
具体实施方式
下面描述本发明的示例实施方式。
提供了流体控制系统(包括质量流量控制系统、质量流量比率控制系统以及质量流量和比率控制系统)以及用于流体控制的对应方法。如下所述，与现有技术的系统相比，本文提供的系统具有显著优点。
图1示出了现有技术的单通道质量流量控制系统100，该单通道质量流量控制系统100包括主机控制器105和集成的质量流量控制系统110。集成的质量流量控制系统110包括：流道120，该流道120被配置为允许气体在流道内从上游位置122流动到下游位置124；阀130，该阀130被配置为调节流道内的气体的流量；内部(即，集成系统内部)上游压力传感器140；流量限制器150；下游压力传感器160；以及质量流量控制系统(MFCS)控制器170。流量限制器150导致压力下降，也就是说，上游压力传感器140检测到的压力高于下游压力传感器160检测到的压力。MFCS控制器170与主机控制器105进行通信171(例如，以接收质量流量控制设定点)，并接收上游压力信号172和下游压力信号174，所述上游压力信号172和下游压力信号174为计算通过集成的质量流量控制系统110的质量流量180(Q1)提供基础。基于所计算的质量流量180和期望的质量流量设定点，MFCS控制器170控制190阀130，以将质量流量180调节到期望的质量流量。
重要的是，在现有技术的质量流量控制系统中，各个流道具有两个相关联的压力传感器(即，上游压力传感器140和下游压力传感器174)，所述两个相关联的压力传感器紧密靠近流量限制器，以允许准确地检测流量限制器150两端的压力下降，并且因此准确地确定质量流量。
相反，本文提供的流体控制系统和方法允许一个压力传感器(即，质量流量控制系统中的下游压力传感器或质量流量比率控制系统中的上游压力传感器)位于距流量限制器一定距离处并且可以利用单个MFCS控制器工作，这带来了多个显著优点。因为所述压力传感器可以是远离的(distant)，所以可以由多个通道共享该压力传感器。使用单个MFCS控制器以及使用共享的压力传感器更具成本效益，并且使得流体控制系统的空间效率更高，后者对于特定行业(诸如，半导体行业)中的应用尤为重要。此外，当与单个MFCS控制器组合时，共享的压力传感器还可以大大简化流体控制系统内、压力传感器与MFCS控制器之间以及还有MFCS控制器与主机控制器之间的通信的复杂度。此外，共享的压力传感器可以简化和改善校准、使多通道系统更加灵活并且允许使用更高准确度和更大的压力传感器作为共享的压力传感器，这可以提高流体控制系统的整体准确度，而不会增加成本。
图2例示了多通道质量流量控制系统200，该多通道质量流量控制系统200包括与主机控制器215进行通信的集成的多通道质量流量控制子系统210。系统200具有多个流道220(为便于说明，仅示出了第一流道、第二流道和第N流道)，所述多个流道220可以是相同的(例如，相同直径和相同长度)，但更一般地是不同的(例如，不同长度)，如本文例示的。流道220被连接以形成共享的流道221。各个流道220被配置为允许流体在流道内在流道的上游位置222与沿着共享的流道221的下游位置224(在该下游位置处检测到下游压力)之间流动。各个流道还具有阀230，阀230被配置为对相应流道内的流体的流量进行调节。阀可以相同或不同。各个流道220还具有上游压力传感器240和流量限制器250。内部的共享的下游压力传感器260在位置224处检测共享的流道221内的流体压力。MFCS控制器270与主机控制器215进行通信271(例如，以接收一组质量流量控制设定点)并且被配置为从上游压力传感器240中的各个上游压力传感器接收上游压力信号272，并从下游压力传感器260接收下游压力信号274。在该示例中，MFCS控制器270和下游压力传感器260是集成系统210的一部分。然而，在另选实施方式中，质量流量控制系统控制器270和/或下游压力传感器260可以在外部。此外，在另选实施方式中，可以在内部和/或外部使用超过一个MFCS控制器270；然而，通常使用一个MFCS控制器270，因为另外的MFCS控制器增加了成本、空间要求以及系统中的控制器与传感器之间的通信的复杂度。MFCS控制器270被配置为能够独立地控制阀230中的各个阀，以控制通过流道220中的各个流道的相应质量流量280，从而控制通过共享的流道221的总质量流量285。在这方面，控制器被配置为向阀230中的各个阀发送阀控制信号290。
下游压力传感器260远离流量限制器250中的各个流量限制器。为了能够准确地测量通过各个流道220的流体流量，需要知道两侧上的以及与流量限制器中的各个流量限制器相邻的流体的流体压力。
通常，对于给定的流道i，对与其流量限制器相邻的流体压力进行检测的相应内部压力传感器(例如，上游压力传感器240)提供了针对给定的流道的这两个所需压力值中的一者，例如，所述相应内部压力传感器提供了第i流道的上游压力Pu，i。第i流道的与限制器相邻的位置处的下游压力Pd，i可以通过下式估计：
Pd，i＝fPd(Pd，Qt，Vi，Li) (1)，
其中，fPd是以下项的函数：由在沿着共享的流道的一位置处的远离的下游压力传感器(例如，沿着共享的流道221的位置224处的压力传感器260)检测到的共享的下游压力Pd；通过设备的总流量Qt(即，通过共享的流道的流量)；以及第i流道的从限制器到位于第二位置处的共享的压力传感器的容积Vi和长度Li。
函数fPd可以通过经验数据或实验获得，例如，作为线性表达式fPd(Pd，Qt，Vi，Li)＝ki，1·Pd+ki，2·Qt+ki，3·Vi+ki，4·Li (2)，
其中，ki，1、ki，2、ki，3和ki，4是根据经验或实验获得的线性系数。
如本领域中已知的，通过第i通道的流量限制器的流量(Qi)可以表示为以下项的函数：该限制器的上游压力(Pu，i)和下游压力(Pd，i)(即，紧邻限制器的压力)、通过限制器的流路的横截面(Ai)以及气体特性(诸如，比热比γ和分子重量M)
Qi＝fQ(Pu，i，Pd，i，Ai，γ，M) (3)。
函数fQ可以通过经验数据或实验获得。
在流量喷嘴作为流量限制器的情况下，可以使用下式
Figure BDA0002762062280000071
其中，Ci是第i流量限制器的排放系数，R是通用气体常数，并且T是气体温度。
在管道作为限制器的情况下，可以使用下式
Figure BDA0002762062280000072
其中，di是第i管道的直径，Li是第i管道的长度，并且μ是气体粘度。
可以使用其它流量限制器和对通过这些流量限制器的质量流量进行描述的对应等式，并且所述其它流量限制器和对应等式在本领域中是已知的。例如，参见美国机械工程师协会，“ASME MFC-3M-2004 Measurement of Fluid Flow in Pipes Using Orifice，Nozzle，and Venturi”，2004。
通过将所有各个通道流量Qi(i＝1，2，...N)相加来计算通过设备的总流量Qt。由于Qi的计算取决于下游压力Pd，i，因此需要递归计算来确定Qi、Pd，i和Qt。例如，首先假定初始Pd,i值，并且如上所述确定初始流量Qi。然后，通过将所有Qi相加来确定总流量Qt。然后，总流量Qt可以用于重新计算Pd,i和Qi。重复该递归计算，直到值收敛在设定的收敛阈值内。
基于计算出的质量流量Qi，MFCS控制器可以使用反馈控制方法将各个流道的阀控制到期望的质量流量设定点。
在图2所例示的多通道质量流量控制系统中，共享的下游压力传感器260是内部传感器、是集成系统的一部分。如图3所例示，该下游压力传感器也可以在外部。
图3例示了多通道质量流量控制系统300，该多通道质量流量控制系统300包括与主机控制器315进行通信的集成的多通道质量流量控制子系统310。系统300具有多个流道320(为便于说明，仅示出了第一流道、第二流道和第N流道)，所述多个流道320可以是相同的(例如，相同直径和相同长度)，但更一般地是不同的(例如，不同长度)，如本文所例示的。流道320被连接以形成共享的流道321。各个流道320被配置为允许流体在流道内在流道的上游位置322与沿着共享的流道321的下游位置324(在该下游位置处检测到下游压力)之间流动。各个流道还具有阀330，阀330被配置为对相应流道内的流体的流量进行调节。阀可以相同或不同。各个流道320还具有上游压力传感器340和流量限制器350。外部的共享的下游压力传感器360在位置324处检测共享的流道321内的流体压力。MFCS控制器370与主机控制器315进行通信371(例如，以接收一组质量流量控制设定点)并且被配置为从上游压力传感器340中的各个上游压力传感器接收上游压力信号372，并从下游压力传感器360接收下游压力信号374。在该示例中，MFCS控制器370是集成系统310的一部分。然而，在另选实施方式中，MFCS控制器370可以在外部。此外，在另选实施方式中，可以在内部和/或外部使用超过一个MFCS控制器370；然而，通常使用一个MFCS控制器370，因为另外的MFCS控制器增加了成本、空间要求以及系统中的控制器与传感器之间的通信的复杂度。MFCS控制器370被配置为能够独立地控制阀330中的各个阀，以控制通过流道320中的各个流道的相应质量流量380，从而控制通过共享的流道321的总质量流量385。在这方面，控制器被配置为向阀330中的各个阀发送阀控制信号390。控制器还被配置为使用上文的式(1)和/或式(2)来估计第i流道的在与限制器相邻的位置处的下游压力Pd,i。利用这些计算出的下游压力，MFCS控制器还可以根据式(3)和/或式(4)或式(5)估计流道中的质量流量。
图4例示了流体控制系统400，该流体控制系统400包括多通道质量流量比率控制系统405和多通道质量流量控制系统407，多通道质量流量控制系统407向系统405提供流体输入。集成的质量流量比率控制系统405被配置为与主机控制器415进行通信，并且具有多个流道420(为便于说明，仅示出了第一流道、第二流道和第N流道)，所述多个流道420可以是相同的(例如，相同直径和相同长度)，但更一般地是不同的(例如，不同长度)，如本文例示的。流道420被连接以形成共享的流道421。各个流道420被配置为允许流体在流道内在流道的上游位置424与沿着共享的流道421的下游位置422(在该下游位置处检测到共享的上游压力)之间流动。各个流道420还具有阀430，阀430被配置为对相应流道内的流体的流量进行调节。阀可以相同或不同。各个流道420还具有下游压力传感器440和流量限制器450。内部的共享的上游压力传感器460在位置424处检测共享的流道421内的流体压力。多通道流量比率(MCFR)控制器470与主机控制器415进行通信471(例如，以接收质量流量控制设定点)并且被配置为从下游压力传感器440中的各个下游压力传感器接收下游压力信号472，并从共享的上游压力传感器460接收共享的上游压力信号474。在该示例中，MCFR控制器470是集成系统405的一部分。然而，在另选实施方式中，MCFR控制器470可以在外部。此外，在另选实施方式中，可以在内部和/或外部使用超过一个MCFR控制器470；然而，通常使用一个MCFR控制器470，因为另外的MCFR控制器增加了成本、空间要求以及系统中的控制器与传感器之间的通信的复杂度。MCFR控制器470被配置为能够控制阀430中的各个阀，以控制通过流道420中的各个流道的相应质量流量480，从而通过已知的反馈控制方法(例如，PID控制方法)来实现关于总输入流量485的目标流量比率设定点。在这方面，控制器被配置为向阀430中的各个阀发送阀控制信号490。共享的上游压力传感器460远离流量限制器450中的各个流量限制器。为了能够准确地测量通过各个流道420的流体流量，需要知道两侧上的以及与流量限制器450中的各个流量限制器相邻的流体的流体压力。
通常，对于给定的流道j，对与其流量限制器相邻的流体压力进行检测的相应内部压力传感器(例如，下游压力传感器440)提供了针对给定的流道的这两个所需压力值中的一者，例如，所述相应内部压力传感器提供了第j流道的下游压力Pd，j。第j流道的与限制器相邻的位置处的上游压力Pu，j可以通过下式来估计：
Pu，j＝fPu(Pu，Qt，Vj，Lj) (6)，
其中，fPu是以下项的函数：在沿着共享的流道的上游位置处的远离的上游压力传感器(例如，沿着到流量限制器450的共享的流道421的上游位置424处的压力传感器460)检测到的共享的上游压力Pu；通过设备的总流量Qt(即，通过共享的流道(例如，通道421)的流量)；以及第j流道的从流量限制器到位于上游位置处的共享的压力传感器的容积Vj和长度Lj。
函数fPu可以通过经验数据或实验获得，例如，作为线性表达式
fPu(Pu，Qt，Vj，Lj)＝kj，1·Pu+kj，2·Qt+kj，3·Vj+kj，4·Lj (7)
其中，kj，1、kj，2、kj，3、和kj，4是根据经验或实验获得的线性系数。利用这些计算出的压力，MFCS控制器还可以根据上文的式(3)和/或式(4)或式(5)估计流道中的质量流量。
如图4进一步所例示，集成的多通道质量流量比率控制系统405可以与现有技术中已知的多通道质量流量控制系统407组合，但是它也可以直接从流体源(这里未示出)接收其流体输入。多通道质量流量控制系统407可以包括多个现有技术中已知的质量流量控制系统491，例如，如图1所例示的，质量流量控制系统491被配置为使得来自多个通道492的流量被组合到共享的流道421中。质量流量控制系统491中的各个质量流量控制系统从源493接收流体。
在图4的集成的多通道质量流量比率控制系统405中，共享的上游压力传感器460是内部传感器、是集成系统的一部分。如图5所例示，该上游压力传感器也可以在外部。
图5例示了流体控制系统500，该流体控制系统500包括集成的多通道质量流量比率控制系统505和多通道质量流量控制系统507，多通道质量流量控制系统507向系统505提供流体输入。集成的质量流量比率控制系统505被配置为与主机控制器515进行通信，并且具有多个流道520(为便于说明，仅示出了第一流道、第二流道和第N流道)，所述多个流道520可以是相同的(例如，相同直径和相同长度)，但更一般地是不同的(例如，不同长度)，如本文例示的。流道520被连接以形成共享的输入流道521。各个流道520被配置为允许流体在流道内在流道的上游位置524与沿着共享的流道521的下游位置522(在该下游位置处检测到共享的上游压力)之间流动。各个流道520还具有阀530，阀530被配置为对相应流道内的流体的流量进行调节。阀可以相同或不同。各个流道520还具有下游压力传感器540和流量限制器550。外部的共享的上游压力传感器560在位置524处检测共享的流道521内的流体压力。MCFR控制器570与主机控制器515进行通信571(例如，以接收质量流量比率控制设定点)并且被配置为从下游压力传感器540中的各个下游压力传感器接收下游压力信号572，并从共享的上游压力传感器560接收共享的上游压力信号574。在该示例中，MCFR控制器570是集成系统505的一部分。然而，在另选实施方式中，MCFR控制器570可以在外部。此外，在另选实施方式中，可以在内部和/或外部使用超过一个MCFR控制器570；然而，通常使用一个MCFR控制器570，因为另外的MFCS控制器增加了成本、空间要求以及系统中的控制器与传感器之间的通信的复杂度。MCFR控制器570被配置为能够控制阀530中的各个阀，以控制通过流道520中的各个流道的相应质量流量580，从而通过已知的反馈控制方法(例如，PID控制方法)来实现关于总输入流量585的目标流量比率设定点。在这方面，控制器被配置为向阀530中的各个阀发送阀控制信号590。控制器还被配置为使用上文的式(6)和/或式(7)来估计第i流道的与限制器相邻的位置处的上游压力Pu,i。利用这些计算出的上游压力，MCFR控制器还可以根据式(3)和/或式(4)或式(5)来估计流道中的质量流量，并进一步计算各个流道的对应流量比率。
如图5进一步所例示的，集成的多通道质量流量比率控制系统505可以与现有技术中已知的多通道质量流量控制系统507组合，但是它也可以直接从流体源(这里未示出)接收其流体输入。多通道质量流量控制系统507可以包括多个现有技术中已知的质量流量控制系统591，例如，如图1所例示的，质量流量控制系统591被配置为使得来自多个通道592的流量被组合到共享的流道521中。质量流量控制系统591中的各个质量流量控制系统从源593接收流体。
本文描述的多通道质量流量控制系统(例如，图2的系统200)可以与本文描述的多通道质量流量比率控制系统(例如，图4的系统405)组合，以形成多通道质量流量和比率控制系统。在组合中，这些系统仅需要一个共享的压力传感器，该共享的压力传感器充当质量流量控制系统的共享的下游压力传感器并且充当质量流量比率控制系统的共享的上游压力传感器。此外，组合的系统仅需要一个控制器，该控制器充当MCFR控制器和MFCS控制器两者。
图6例示了集成的多通道质量流量和比率控制系统600。集成的质量流量比率控制系统600被配置为与主机控制器615进行通信，并且具有多个流道620(分成用于质量流量控制侧的第一组N个流道(即，第一多个流道)和用于质量流量比率控制侧的第二组M个通道(即，第二多个流道)；为便于说明，仅示出了各侧的第一流道、第二流道和第N流道或第M流道)，所述多个流道620可以是相同的(例如，相同直径和相同长度)，但更一般地是不同的(例如，不同长度)，如本文例示的。流道620被连接以形成共享的流道621。各个流道620被配置为允许流体在流道内在流道的第一位置622与沿着共享的流道621的第二位置624(在该第二位置处检测到共享的压力)之间流动。各个流道620还具有阀(上游阀630或下游阀631)，阀被配置为对相应流道内的流体的流量进行调节。阀可以相同或不同。各个流道620还具有压力传感器(用于系统的质量流量控制部分的上游压力传感器640和用于系统的质量流量比率部分的下游压力传感器641)和流量限制器650。内部的共享的压力传感器660在位置624处检测共享的流道621内的流体压力。控制器670与主机控制器615进行通信671(例如，以接收一组质量流量和质量流量比率控制设定点)，并且被配置为从压力传感器640中的各个压力传感器以及压力传感器641中的各个压力传感器接收压力信号672，并且从共享的压力传感器660接收共享的压力信号674。在该示例中，控制器670是集成系统600的一部分。然而，在另选实施方式中，控制器670可以在外部。此外，在另选实施方式中，可以在内部和/或外部使用超过一个控制器670；然而，通常使用一个控制器670，因为另外的控制器增加了成本、空间要求以及系统中的控制器与传感器之间的通信的复杂度。控制器670被配置为能够独立地控制阀630和631中的各个阀，以控制通过流道620中的各个流道的相应质量流量680，并且控制通过流道622中的各个流道的相应质量流量687，从而控制通过共享的流道621的总质量流量685。在这方面，控制器被配置为向阀630中的各个阀发送阀控制信号690。控制器还被配置为使用上文的式(1)和/或式(2)来估计(与质量流量控制部分相对应的第一组通道中的)第i流道的在与限制器650相邻的位置处的下游压力Pd,i，以及使用上文的式(6)和/或式(7)来估计(与质量流量比率控制部分相对应的第二组通道中的)第i流道的在与限制器相邻的位置处的上游压力Pu,i。分别利用这些计算出的下游压力和上游压力以及检测到的上游压力和下游压力，控制器还可以根据式(3)和/或式(4)或式(5)来估计流道中的质量流量。
仅使用一个共享的压力传感器(例如，作为图6所例示的多通道质量流量和比率控制系统的一部分)是特别有利的，例如，因为它可以进行自校准和交叉验证。
一种示例自校准方法包括以下步骤：
(1)关闭所有上游(进给)阀630并打开所有下游(排出)阀631；
(2)在流道内抽空系统压力(例如，通过将一个或更多个泵直接或间接地连接到具有打开的下游阀631的流道中的一者或更多者)，并监测共享的压力传感器的读数；
(3)当系统压力下降到预定的低压力阈值时关闭所有下游阀631；
(4)提供第i进给质量流道(例如，来自如图6所示的气体源1)的质量流量设定点，并且控制器打开并控制第i上游阀630，以将质量流量(由基于压力的流量传感器测量为Qm)调节到流量设定点；
(5)测量气体温度并通过共享的压力传感器来测量系统中的压力；
(6)通过压力升高率的方法来计算实际质量流量Qa，即Qa＝V*Tstp*[d(P/T)/dt]，其中，V是第i上游阀630与所有其它下游阀之间的总系统容积(假定所有其它阀都关闭)；
(7)关闭第i上游阀630并打开所有下游阀以抽空系统压力；
(8)以不同流量设定点重复步骤(3)至步骤(7)，该不同流量设定点涵盖第i流道的针对给定应用考虑的整个流量范围；
(9)存储实际流量测量结果(Qa)和测量的流量(Qm)作为第i进给流道的校准数据；
(10)针对下一进给流道重复步骤(1)至步骤(9)，直到所有进给流道均已被校准为止；
(11)关闭所有上游阀630和下游阀631；
(12)打开第j下游(排出)阀631；
(13)向第k进给流道提供流量设定点并稳定质量流量；
(14)将第k进给流道的测量的流量存储为Qa，并且将第j排出流道的测量的流量存储为Qm；
(15)针对第j进给流道以不同流量设定点重复步骤(11)至步骤(14)，该不同流量设定点涵盖第k排出流道的整个流量范围；
(16)存储实际流量测量结果(Qa)和测量的流量(Qm)作为第j排出流道的校准数据；
(17)针对下一进给流道重复步骤(11)至步骤(16)，直到所有排出流道均已被校准为止；
示例交叉验证方法包括以下步骤：
(1)关闭所有上游阀630和下游阀631；
(2)向第i进给流道提供流量设定点并打开第j下游阀；
(3)比较第i进给流量测量结果与第j排出流量测量结果之间的流量差；
(4)如果流量差高于预定的流量误差阈值，则第i进给流量测量结果或第j排出流量测量结果是不准确的；
(5)针对所有进给流道和排出流道重复步骤(1)至步骤(4)。
流体控制系统可以是集成系统，也就是说，系统的元件被包括在一个壳体或外壳内。通常，针对本文所述的流体控制系统，壳体至少提供流体输入和流体输出，并允许信号的输入和输出，这允许将集成系统结合入更大的系统内。
多个流道中的各个流道可以是单独的集成系统的一部分，或者全部流道或流道的子集可以是集成系统的一部分。通常，针对作为集成系统的一部分的各个流道，一个阀、一个流量限制器和位于该阀与该流量限制器之间的一个流体压力传感器也是该集成系统的一部分，并且可选地，温度传感器也是该集成系统的一部分。
在集成的流体控制系统中，集成系统的一个或更多个流道允许从集成系统的进给端到集成系统的排出端的流体流动。
流体控制系统可以具有一个或更多个控制器；然而，该系统通常具有一个控制器，该控制器可以被集成，例如，如图2至图6所例示的。控制器也可以在外部。外部控制器可以用于控制本文提供的多个集成系统。例如，可以利用外部控制器来控制多个集成系统，各个集成系统仅包括一个阀、一个流量限制器、在该阀与该流量限制器之间的一个压力传感器以及一个可选的温度传感器。该整个流体控制系统设置具有极大的灵活性。例如，可以轻松地更改应用程序站点(application site)处的具有外部控制器和外部的共享的压力传感器的现有流体控制系统，以向整个系统添加集成系统、从整个系统移除集成系统或交换集成系统。
可以在所提供的流体控制系统和本文提供的流体控制方法中使用市售控制器。然而，控制器和通信系统必须被配置为允许如本文所提供的流体控制系统的操作。
此外，如本领域中已知的，取决于特定的应用要求，可以选择市售的阀、压力传感器、流道和通信系统。
流体控制系统具有多个流道(例如，至少两个流道、至少五个流道或至少八个流道)。通常，所有流道都被连接(即，允许在工作期间进行流体连接)，以形成共享的流道。所有流道都连接到一个共享的流道的集成的流体控制系统例如被例示在图2中(系统200)、图3中(系统300)、图4中(系统405)、图5中(系统505)和图6中(系统600)。
通常，期望位于阀与流量限制器之间的流道压力传感器在尽可能靠近流量限制器的位置处检测通道内的流体压力，也就是说，期望检测压力的位置与流量限制器(或更具体地，流体进入或流出流量限制器的位置)之间的距离实际上尽可能短。然而，距离可能更大，这将导致不太准确的流量测量结果。通常，距离小于供流体流动的管道的直径。所提供的流体控制系统还具有共享的压力传感器，该共享的压力传感器被配置为在远离与系统的流道相关联的流量限制器的位置处检测共享的流道中的流体压力。在多通道系统中，该压力传感器可以安装在共享的流道内或沿着共享的流道安装。远离的且共享的压力传感器的使用允许压力传感器位于集成的多通道系统的外部，例如，如图3和图5所例示的。然而，为了进行准确的流量测量和控制，需要确定各个通道的流量限制器两端的压力下降。通常，期望检测到共享压力的位置与流量限制器中的各个流量限制器(或更具体地，流体进入或流出流量限制器的位置)之间的距离实际上尽可能短。本文提供的流体控制系统允许距流量限制器中的各个流量限制器的该距离远大于给定流道的通道压力传感器与其流量限制器之间的距离。例如，该距离可以大于供流体流动的管道的直径。
在所提供的流体控制系统中可以使用市售的和现有技术中已知的流量限制器。合适的流量限制器包括但不限于喷嘴、孔口、层流元件和多孔介质。
流体控制系统的流道可以包括温度传感器。通常，各个流道具有温度传感器，该温度传感器检测阀与流道的流量限制器之间的位置处的流体温度。这在流过多个流道中的流道的流体(通常是气体)将处于不同温度的应用中尤其重要。然而，当多个(和/或第二多个)流道中的一些或全部流道将处于相同温度时，可能需要较少的温度传感器。例如，包括流过其中的气体的一些或所有流道可以保持在相同温度，并且可以使用一个或更多个(但少于每个流道一个)温度传感器，该一个或更多个温度传感器测量流道所保持的温度(或甚至整个集成系统所保持的温度)。
在另外的实施方式中，提供了流体控制方法。这些流体控制方法可以使用本文所述的任何流体控制系统。
在另外的实施方式中，多通道质量流量控制系统(例如，如图2和图3所例示)和对应流体控制方法允许独立控制进给阀(例如，阀230或阀330)，以将通过多个流道中的各个流道的质量流量调节到质量流量设定点。图7示出了允许这种控制的方法的示例流程图。所述方法包括在步骤710中更新或从主机控制器(该主机控制器通常由所有流道共享，例如，主机控制器215或主机控制器315)接收(通常，针对多个流道中的各个流道的)流量设定点。所述方法还包括在步骤720测量所有上游压力(例如，利用压力传感器240或340)、共享的下游压力(例如，在位置224或324处利用共享的压力传感器260或360)以及所有温度(在多个流道中的各个流道将处于不同温度的情况下，通常，各个流道包括温度传感器，所述温度传感器通常检测流道的阀与流量限制器之间的流体温度；否则，在多个流道将处于相同温度的情况下，可以需要更少的流道；而且，在实施方式中，温度传感器可以在外部)。利用在步骤720测量的信息，可以如上所述计算各个通道的质量流量。此外，利用这些计算出的质量流量，可以计算所有下游压力(参见步骤740)。重复步骤730和步骤740，直到收敛到设定的收敛阈值(参见步骤750)。步骤730和步骤740(因此是步骤750)通常由控制器(例如，控制器215或控制器315)执行，该控制器接收测量的信息，并且进行上面详细描述的计算。在步骤760，将测量的流量馈送到控制，以生成所有进给阀控制信号，基于所述所有进给阀控制信号，控制器在步骤770控制进给阀，以将流量调节到设定点。
在另外的实施方式中，多通道质量比率控制系统(例如，如图4和图5所例示的)和对应流体控制方法允许独立控制排出阀(例如，阀430或阀530)，以将通过多个流道中的各个流道的质量流量调节到质量流量设定点。图8示出了允许这种控制的方法的示例流程图。所述方法包括在步骤810中更新或从主机控制器(该主机控制器通常由所有流道共享，例如，主机控制器405或主机控制器505)接收(通常，针对多个流道中的各个流道的)流量比率设定点。所述方法还包括在步骤820测量所有下游压力(例如，利用压力传感器440或540)、共享的上游压力(例如，在位置424或524处利用共享的压力传感器460或560)以及所有温度(在多个流道中的各个流道将处于不同温度的情况下，通常，各个流道包括温度传感器，所述温度传感器通常检测流道的阀与流量限制器之间的流体温度；否则，在多个流道将处于相同温度的情况下，可以需要更少的流道；而且，在实施方式中，温度传感器可以在外部，例如，当整个集成系统保持在给定温度下时)。利用在步骤820测量的信息，可以按如上所描述的来计算各个通道的质量流量。此外，利用这些计算出的质量流量，可以计算所有上游压力(参见步骤840)。重复步骤830和步骤840，直到收敛到设定的收敛阈值(参见步骤850)。步骤830和步骤840(因此是步骤850)通常由控制器(例如，控制器405或控制器505)执行，该控制器接收测量的信息，并且进行上面详细描述的计算。在步骤860，测量的流量被馈送到控制器，以生成所有排出阀控制信号，基于所述所有排出阀控制信号，控制器在步骤870控制排出阀，以将流量调节到目标流量比率设定点。
在另外的实施方式中，多通道质量流量和比率控制系统(例如，如图6所例示)和对应流体控制方法允许独立控制进给阀(例如，阀630)和排出阀(例如，阀631)，以将通过多个流道中的各个流道的质量流量调节到质量流量设定点。系统的质量流量控制部分可以使用如图7的流程图所例示的方法，并且系统的质量流量比率控制部分可以使用如图8的流程图所例示的方法。在这些系统中，共享的压力是质量流量控制部分的下游压力和质量流量控制系统的上游压力。
本申请的流体控制系统可以仅仅是硬件，但是通常，本申请的流体控制方法在包括数据处理器、相关联的存储器和输入输出设备的硬件系统中的软件(通常，作为在控制器上实现的软件)中实现。处理器例程(例如，本文描述的控制器的例程，包括与本文描述的计算和方法步骤相对应的例程)和数据可以存储在作为计算机程序产品的非暂时性计算机可读介质上。
本文引用的所有专利、公开申请和参考文献的教导通过引用整体并入本文。
尽管已经参考本发明的示例实施方式具体地示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书所涵盖的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (34)

1.一种流体控制系统，所述流体控制系统包括：
多个流道，各个流道包括流量限制器、流量调节阀以及位于所述流量限制器与所述流量调节阀之间的通道压力传感器；
共享的流道，所述共享的流道将流体输送到所述多个流道，或者从所述多个流道输送流体，针对各个流道，所述流量限制器位于所述通道压力传感器与所述共享的流道之间；
共享的压力传感器，所述共享的压力传感器位于所述共享的流道中，所述共享的压力传感器被配置为对共享的流道的压力进行检测；以及
控制器，所述控制器基于通道压力和所述共享的流道的压力来确定通过所述流道中的各个流道的质量流量，并且对所述流道的所述流量调节阀进行控制，以控制通过各个流道的质量流量。
2.根据权利要求1所述的流体控制系统，其中，所述多个流道中的各个流道还包括温度传感器。
3.根据权利要求1或2所述的流体控制系统，其中，所述控制器基于流过各个流道的所述流体的特性、所述流量限制器的特性以及所述流量限制器与所述共享的压力传感器之间的流道特性来确定通过所述各个流道的质量流量。
4.根据权利要求3所述的流体控制系统，其中，所述流道特性是所述流道的从所述流量限制器到所述共享的压力传感器的容积和长度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制系统，其中，所述控制器递归地确定(1)与所述流量限制器相邻并且与所述多个流道的所述通道压力传感器相反的位置的通道压力，(2)通过各个流道的质量流量，以及(3)通过所述共享的通道的总质量流量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制系统，其中，所述控制器通过以下方式确定通过所述多个流道中的流道的质量流量：(i)假定与所述流量限制器相邻并且与所述流道的所述通道压力传感器相反的流道压力，所述通道压力传感器提供检测到的流道压力，(ii)基于与所述流量限制器相邻并且与所述通道压力传感器相反的所述流道压力以及所述流道的所述检测到的流道压力来确定通过所述流道的所述质量流量，(iii)基于通过所述多个流道中的各个流道的质量流量来确定总质量流量，(iv)使用在步骤(iii)中确定的所述总质量流量来计算与所述流量限制器相邻并且与所述流道的所述通道压力传感器相反的所述流道压力，以及重复步骤(ii)至步骤(iv)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制系统，其中，所述共享的流道在所述多个流道的下游。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的流体控制系统，其中，所述共享的流道在所述多个流道的上游。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的流体控制系统，所述流体控制系统还包括：
第二多个流道，所述第二多个流道中的各个流道包括流量限制器、流量调节阀以及位于所述流量限制器与所述流量调节阀之间的通道压力传感器；
所述共享的流道将流体从所述多个流道输送到所述第二多个流道；
针对所述第二多个流道中的各个流道，所述流量限制器位于所述通道压力传感器与所述共享的流道之间；其中，所述控制器还基于通道压力和所述共享的流道的压力来确定通过所述第二多个流道中的各个流道的质量流量，并且对所述流道的所述流量调节阀进行控制，以控制通过各个流道的质量流量。
10.根据权利要求1至6和9中任一项所述的流体控制系统，其中，所述控制器使用式(1)：Pd，i＝fPd(Pd，Qt，Vi，Li) (1)来计算与流量限制器相邻并且与第i流道的通道压力传感器相反的流道压力，所述第i流道在所述共享的流道的上游；其中，fPd是以下项的函数：由所述共享的压力传感器检测到的下游压力Pd，通过所述共享的流道的总流量Qt，以及所述第i流道的从其限制器到所述共享的压力传感器的容积Vi和长度Li。
11.根据权利要求10所述的流体控制系统，其中，fPd是通过经验数据和/或实验获得的。
12.根据权利要求10或11所述的流体控制系统，其中，fPd是由式(2)：fPd(Pd，Qt，Vi，Li)＝ki，1·Pd+ki，2·Qt+ki，3·Vi+ki，4·Li (2)提供的；其中，ki，1、ki，2、ki，3和ki，4是根据经验或实验获得的线性系数。
13.根据权利要求1至6以及9至12中任一项所述的流体控制系统，其中，所述控制器使用式(6)：Pu，j＝fPu(Pu，Qt，Vj，Lj) (6)来计算与流量限制器相邻并且与第j流道的通道压力传感器相反的流道压力；其中，fPu是以下项的函数：由所述共享的压力传感器检测到的上游压力Pu，通过所述共享的流道的总流量Qt，以及所述第j流道的从其限制器到所述共享的压力传感器的容积Vj和长度Lj。
14.根据权利要求13所述的流体控制系统，其中，fPu是通过经验数据和/或实验获得的。
15.根据权利要求13或14所述的流体控制系统，其中，fPu是由式fPu(Pu，Qt，Vj，Lj)＝kj，1·Pu+kj，2·Qt+kj，3·Vj+kj，4·Lj (7)提供的；其中，kj，1、kj，2、kj，3和kj，4是根据经验或实验获得的线性系数。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的流体控制系统，其中，所述第二多个流道中的各个流道还包括温度传感器。
17.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制系统，其中，所述多个流道是集成系统的一部分。
18.根据权利要求9至16中任一项所述的流体控制系统，其中，所述多个流道和所述第二多个流道是集成系统的一部分。
19.根据权利要求18所述的流体控制系统，其中，所述共享的压力传感器不是所述集成系统的一部分。
20.根据前述权利要求中任一项所述的流体控制系统，其中，所述流体是气体。
21.一种流体控制方法，所述流体控制方法包括：
使流体流过多个流道，各个流道包括流量限制器和流量调节阀；
使流体通过共享的流道流到所述多个流道或从所述多个流道流出；
对所述共享的流道中的共享的流道的压力进行检测；
对各个流道的在其流量调节阀与其流量限制器之间的流道压力进行检测；
基于所述流道压力和所述共享的流道的压力来确定通过所述流道中的各个流道的质量流量；以及
对所述流道的所述流量调节阀进行控制，以控制通过各个流道的质量流量。
22.根据权利要求21所述的流体控制方法，所述流体控制方法还包括：对各个流道的在其流量调节阀与其流量限制器之间的流道温度进行检测。
23.根据权利要求21或22所述的流体控制方法，其中，通过各个流道的质量流量是基于流过所述各个流道的所述流体的特性、所述流量限制器的特性以及所述流量限制器与检测所述共享的流道的压力的位置之间的流道特性来确定的。
24.根据权利要求21或22所述的流体控制方法，其中，递归地确定(1)通过各个流道的质量流量，(2)与所述流量限制器相邻并且与所述多个流道的所述通道压力传感器相反的位置的通道压力，以及(3)通过所述共享的通道的总质量流量。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的流体控制方法，其中，确定通过所述多个流道中的流道的质量流量包括：(i)假定与所述流量限制器相邻并且与所述流道的所述通道压力传感器相反的流道压力，(ii)基于与所述流量限制器相邻并且与所述通道压力传感器相反的所述流道压力以及所述流道的所检测到的流道压力来确定通过所述流道的所述质量流量，(iii)基于通过所述多个流道中的各个流道的质量流量来确定总质量流量，(iv)使用在步骤(iii)中确定的所述总质量流量来计算与所述流量限制器相邻并且与所述流道的所述通道压力传感器相反的所述流道压力，以及重复步骤(ii)至步骤(iv)。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的流体控制方法，所述流体控制方法还包括：
使来自所述多个流道的流体流过所述共享的通道并且进入第二多个流道，所述第二多个流道中的各个流道包括流量限制器和流量调节阀；
对所述第二多个流道中的各个流道的在其流量调节阀与其流量限制器之间的流道压力和流道温度进行检测；以及
基于所述流道压力和所述共享的流道的压力来确定通过所述第二多个流道中的各个流道的质量流量。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的流体控制方法，所述流体控制方法还包括：使用式(1)：Pd，i＝fPd(Pd，Qt，Vi，Li) (1)来计算与流量限制器相邻并且与第i流道的通道压力传感器相反的流道压力，所述第i流道在所述共享的流道的上游；其中，fPd是以下项的函数：由所述共享的压力传感器检测到的下游压力Pd，通过所述共享的流道的总流量Qt，以及所述第i流道的从其限制器到所述共享的压力传感器的容积Vi和长度Li。
28.根据权利要求27所述的流体控制系统，其中，fPd是通过经验数据和/或实验获得的。
29.根据权利要求27或28所述的流体控制系统，其中，fPd是由式(2)：fPd(Pd，Qt，Vi，Li)＝ki，1·Pd+ki，2·Qt+ki，3·Vi+ki，4·Li (2)提供的，其中，ki，1、ki，2、ki，3和ki，4是根据经验或实验获得的线性系数。
30.根据权利要求21至29中任一项所述的流体控制方法，所述流体控制方法还包括：使用式(6)：Pu，j＝fPu(Pu，Qt，Vj，Lj) (6)来计算与流量限制器相邻并且与第j流道的通道压力传感器相反的流道压力；其中，fPd是以下项的函数：由所述共享的压力传感器检测到的上游压力Pu，通过所述共享的流道的总流量Qt，以及所述第j流道的从其限制器到所述共享的压力传感器的容积Vj和长度Lj。
31.根据权利要求30所述的流体控制系统，其中，fPu是通过经验数据和/或实验获得的。
32.根据权利要求30或31所述的流体控制系统，其中，fPu是由式(7)：fPu(Pu，Qt，Vj，Lj)＝kj，1·Pu+kj，2·Qt+kj，3·Vj+kj，4·Lj (7)提供的；其中，kj，1、kj，2、kj，3和kj，4是根据经验或实验获得的线性系数。
33.根据权利要求26所述的流体控制方法，所述流体控制方法还包括：对所述第二多个流道中的各个流道的在其流量调节阀与其流量限制器之间的流道温度进行检测。
34.根据权利要求21至33中任一项所述的流体控制方法，其中，所述流体是气体。
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