CN113632038A - 流量控制装置 - Google Patents

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CN113632038A CN202080024764.8A CN202080024764A CN113632038A CN 113632038 A CN113632038 A CN 113632038A CN 202080024764 A CN202080024764 A CN 202080024764A CN 113632038 A CN113632038 A CN 113632038A
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pressure
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井手口圭佑
小川慎也
杉田胜幸
永濑正明
西野功二
池田信一
伊藤祐之
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Abstract

本发明提供一种流量控制装置(10)，其具备：控制阀(11)；节流部(12)，其设置于控制阀(11)的下游侧；上游压力传感器(13)，其测定控制阀(11)与节流部(12)之间的压力(P1)；差压传感器(20)，其测定节流部(12)的上游侧与下游侧的差压(ΔP)；以及运算控制电路(16)，其与控制阀(11)、上游压力传感器(13)以及差压传感器(20)连接。

Description

流量控制装置
技术领域
本发明涉及一种流量控制装置，特别涉及一种设置于半导体制造设备或化学品制造设备等的气体供给管线的流量控制装置。
背景技术
在半导体制造装置、化工厂中，为了控制材料气体、蚀刻气体等的流量，利用了各种类型的流量计以及流量控制装置。其中，压力式流量控制装置由于能够通过组合了控制阀和节流部(例如流孔板、临界喷嘴)而成的比较简单的机构高精度地控制各种流体的质量流量而被广泛利用。压力式流量控制装置与热式流量控制装置不同，具有即使一次侧供给压较大地变动也能够进行稳定的流量控制的优异的流量控制特性。
在压力式流量控制装置中，有通过控制节流部的上游侧的流体压力(以下，有时称为上游压力P1)来调整流量的装置。另外，上游压力P1通过调整配置于节流部的上游侧的控制阀的开度来控制。
在相对于上游压力P1的下游压力P2(节流部的下游侧的流体压力)足够小的情况下，通过节流部的气体的速度被固定为音速，质量流量不依赖于下游压力P2而由上游压力P1决定。此时，通过基于测定上游压力P1的压力传感器的输出对控制阀进行反馈控制，能够控制流量。将产生这样的行为的压力条件称为临界膨胀条件，例如规定为P2/P1≤α。左边公式中的α被称为临界压力比，根据气体种类而不同，但取大致0.45～0.6的值。
另外，在专利文献1中记载了不仅在节流部的上游侧并且在下游侧也设置有压力传感器的压力式流量控制装置。在这样的压力式流量控制装置中，即使在下游压力P2比较大而不满足上述的临界膨胀条件的情况下，也能够基于上游压力P1以及下游压力P2这两者通过运算来求出流量。因此，能够在更宽的流量范围内进行流量控制。
在专利文献1所记载的压力式流量控制装置中，在临界膨胀条件下，进行参照上游压力P1的比例控制。另一方面，在非临界膨胀条件下，进行参照上游压力P1以及下游压力P2的差压控制。
具体而言，在临界膨胀条件下，流量Q＝K1·P1(K1是依赖于流体的种类和流体温度的比例系数)的关系成立，因此进行基于上游压力P1的比例控制。另一方面，在非临界膨胀条件下，流量Q＝K2·P2 m(P1-P2)n(K2是依赖于流体的种类和流体温度的比例系数，指数m、n是从实际的流量导出的值)的关系成立，因此进行基于上游压力P1以及下游压力P2的差压控制。作为实际的动作，按照临界膨胀条件下以及非临界膨胀条件下的上述公式求出运算流量Qc，进行控制阀的开度调整，使得该运算流量Qc与输入的设定流量Qs之差成为0。
上述的比例控制与差压控制的切换根据上游压力P1与下游压力P2之比即P2/P1是否超过与临界压力比α对应的阈值来进行。临界压力比根据气体的种类而不同，但通过将阈值设定为使用对象的全部气体种类的临界压力比以下，能够与使用对象的全部气体种类对应。
现有的技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-138425号公报
专利文献2：日本专利特许第4204400号公报
在专利文献2中也记载了构成为基于上游压力P1和下游压力P2来求出流量的流量控制装置。在专利文献2的流量控制装置中，在流孔的上游侧和下游侧分别设置压力传感器，根据各压力传感器的输出求出流量。
近来，在这样的流量控制装置中，要求在下游压力P2比以往高的状态下进行流量控制，本申请发明人发现，在这样的条件下，由于各压力传感器的精度误差、特别是压力传感器的零点偏差等，流量测定误差变得较大。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而完成的，其主要目的在于提供一种难以产生由压力传感器的零点偏差等引起的精度降低且控制流量范围广的流量控制装置。
根据本发明的实施方式的流量控制装置具备：控制阀；节流部，所述节流部设置于所述控制阀的下游侧；上游压力传感器，所述上游压力传感器测定所述控制阀与所述节流部之间的压力；差压传感器，所述差压传感器测定所述节流部的上游侧与下游侧的差压；以及运算控制电路，所述运算控制电路与所述控制阀、所述上游压力传感器以及所述差压传感器连接。
在一实施方式中，所述运算控制电路以基于所述上游压力传感器的输出和所述差压传感器的输出而决定的运算流量成为设定流量的方式，进行所述控制阀的控制。
在一实施方式中，所述控制阀的控制包括根据Qc＝K2·(P1-ΔP)mΔPn或者
Figure BDA0003280754490000031
决定运算流量Qc的差压控制，在上述公式中，P1为所述上游压力传感器输出的上游压力，ΔP为所述差压传感器输出的差压，K2为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数，m、n为从实际的流量导出的常数，C1为包含流孔截面积的系数，T为气体温度。
在一实施方式中，所述控制阀的控制还包括根据Qc＝K1·P1决定运算流量Qc的比例控制，在上述公式中，K1为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数。
在一实施方式中，通过将所述上游压力传感器的输出与通过从所述上游压力传感器的输出减去所述差压传感器的输出而得到的运算下游压力之比，同预先设定的阈值进行比较，从而决定为所述比例控制或者所述差压控制中的任意一个。
在一实施方式中，所述差压传感器具备：一次侧连接部件，所述一次侧连接部件与所述节流部的上游侧的流路连接；二次侧连接部件，所述二次侧连接部件与所述节流部的下游侧的流路连接；以及传感器主体，所述传感器主体与所述一次侧连接部件以及所述二次侧连接部件连接，内置有测定差压的传感器芯片，所述传感器芯片包括：压敏部，所述压敏部具有传递所述节流部的上游侧的压力的一个面和传递所述节流部的下游侧的压力的另一个面；以及应变传感器，所述应变传感器检测所述压敏部的应变。
在一实施方式中，所述二次侧连接部件具备能够调整连接位置的配管部件。
在一实施方式中，所述上游压力传感器和所述差压传感器一体地形成。
根据本发明的其他实施方式的流量控制装置具备：控制阀；节流部，所述节流部设置于所述控制阀的下游侧；差压传感器，所述差压传感器测定所述节流部的上游侧与下游侧的差压；下游压力传感器，所述下游压力传感器测定所述节流部的下游侧的压力；以及运算控制电路，所述运算控制电路与所述控制阀、所述差压传感器以及所述下游压力传感器连接。
在一实施方式中，所述运算控制电路以基于所述差压传感器的输出和所述下游压力传感器的输出而决定的运算流量成为设定流量的方式，进行所述控制阀的控制。
在一实施方式中，所述控制阀的控制包括根据Qc＝K2·P2m·ΔPn或者Qc＝C1·(ΔP+P2)/√T·((P2/(ΔP+P2))m-(P2/(ΔP+P2))n)1/2决定运算流量Qc的差压控制，在上述公式中，ΔP为所述差压传感器输出的差压，P2为所述下游压力传感器输出的下游压力，K2为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数，m、n为从实际的流量导出的常数，C1为包含流孔截面积的系数，T为气体温度。
在一实施方式中，所述控制阀的控制还包括根据Qc＝K1·(ΔP+P2)决定运算流量Qc的比例控制，在上述公式中，K1为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数。
在一实施方式中，通过将对所述差压传感器的输出加上所述下游压力传感器的输出而得到的运算上游压力与所述下游压力传感器的输出之比，同预先设定的阈值进行比较，从而决定为所述比例控制或者所述差压控制中的任意一个。
发明效果
根据本发明的实施方式，提供了一种压力传感器的抗误差强的压力式的流量控制装置。
附图说明
图1是示意性地表示组装有本发明的实施方式所涉及的流量控制装置的气体供给系统的图。
图2是示意性地表示本发明的实施方式所涉及的流量控制装置的图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的流量控制装置的更具体的结构的侧视图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的流量控制装置所具备的差压传感器的侧视图。
图5是表示本发明的实施方式所涉及的差压传感器所具备的传感器芯片的截面图。
图6是表示实施例中的压力传感器的零点偏差的大小与流量误差的关系的曲线图。
图7是表示比较例中的压力传感器的零点偏差的大小与流量误差的关系的曲线图。
图8是表示本发明的其他实施方式所涉及的流量控制装置的结构的侧视图。
图9是表示本发明的其他实施方式所涉及的差压传感器所具备的传感器芯片的截面图。
图10是使用本发明的其他实施方式所涉及的流量控制装置进行的流量控制的例示性的流程图。
图11是示意性地表示本发明的又一实施方式所涉及的流量控制装置的图。
图12是表示本发明的又一实施方式所涉及的流量控制装置的更具体的结构的侧视图。
符号说明
1 气体供给系统
2 气体供给源
3、5 开闭阀
4 流路(气体供给管线)
6 处理腔室
7 真空泵
10 流量控制装置
11 控制阀
12 节流部
13 上游压力传感器
13B 下游压力传感器
14 流入压力传感器
15 温度传感器
16 运算控制回路
17 主体块体
18 出口块体
19 入口块体
20 差压传感器
21 一次侧连接部件
22 二次侧连接部件
23 传感器主体
30 传感器芯片
31 压敏部
32 应变传感器
35 一体式传感器
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式加以说明，但本发明不限于以下的实施方式。
图1表示组装有基于本发明的实施方式的压力式的流量控制装置10的气体供给系统1。气体供给系统1包括：气体供给源2；流量控制装置10，其设置于形成气体供给管线的流路4；开闭阀(开关阀)3、5，其设置于流量控制装置10的上游侧和下游侧；处理腔室6，其与开闭阀5的下游侧连接；以及真空泵7，其与处理腔室6连接。
流量控制装置10设置为控制在流路4中流动的气体的流量。真空泵7能够对处理腔室6以及流路4进行抽真空，在流量控制装置10的下游侧被减压的状态下，被流量控制的气体被供给到处理腔室6。可以从气体供给源2供给原料气体、蚀刻气体或者载气等在半导体的制造工艺中使用的各种气体。
此外，在图1中仅示出了1系统的气体供给管线，但也可以将与各气体对应的多个气体供给管线与处理腔室6连接。另外，在本实施方式中，在流量控制装置10的上游侧以及下游侧设置有开闭阀3、5，但下游侧的开闭阀5也可以内置于流量控制装置10的出口侧。作为开闭阀3、5，优选使用阻断性以及响应性良好的阀，例如空气驱动阀(AOV)、电磁阀(Solenoid Valve)、电动阀。
图2是表示本实施方式的流量控制装置10的结构的示意图。如图2所示，流量控制装置10具备：夹设于流路4的控制阀11；设置于控制阀11的下游侧的节流部12；测定控制阀11与节流部12之间的压力(上游压力)P1的上游压力传感器13；直接测定节流部12的上游侧与下游侧的差压ΔP的差压传感器20；测定控制阀11的上游侧的压力(供给压力)P0的流入压力传感器14；测定流体的温度T的温度传感器15；以及运算控制电路16。
在运算控制电路16上连接有上游压力传感器13、差压传感器20、流入压力传感器14、温度传感器15等，运算控制电路16能够接收各传感器的输出。另外，运算控制电路16与控制阀11的驱动元件连接，能够基于各传感器的输出来调整控制阀11的开度，从而控制向节流部12的下游侧流动的气体的流量。
图3是表示本实施方式的流量控制装置10的具体的结构的侧视图以及表示内部的流路(虚线)的图。
如图3所示，流路4通过在主体块体17以及出口块体18设置孔而形成。主体块体17以及出口块体18优选由与所使用的气体没有反应性的物质、例如不锈钢(SUS316L等)形成。此外，在图3中，虽然未示出图2所示的温度传感器15，但通过在流路4的附近设置有底的孔并在其内部配置热敏电阻等，能够用作温度传感器。
在主体块体17的上表面安装有流入压力传感器14、控制阀11、上游压力传感器13以及差压传感器20的一次侧端口，它们与节流部12的上游侧的流路4流通。另外，在出口块体18的上表面连接有差压传感器20的二次侧端口，与节流部12的下游侧的流路4流通。
在主体块体17与出口块体18的边界，设置有作为节流部12的流孔部件，更具体而言，设置有内置有流孔板的垫圈型流孔部件。但是，节流部12不限于流孔板，也可以使用音速喷嘴等构成。流孔或喷嘴的口径例如设定为10μm～500μm。
上游压力传感器13能够测定控制阀11与节流部12之间的流路的压力(上游压力P1)，用于基于上游压力P1的比例流量控制。另外，流入压力传感器14能够测定从气体供给源2(例如原料气化器)供给的气体的压力(供给压力P0)，用于调整气体供给量或者供给压。上游压力传感器13以及流入压力传感器14例如可以内置单晶硅的传感器芯片和隔膜。
另外，差压传感器20构成为直接测定控制阀11与节流部12之间的压力与节流部12的下游侧的压力的差压ΔP，用于进行差压流量控制。差压传感器20也可以内置单晶硅的传感器芯片和隔膜。关于差压传感器20的详细结构在后面叙述。
控制阀11例如可以是由作为阀体的金属制隔膜和作为驱动该金属制隔膜的驱动装置的压电元件(压电致动器)构成的压电元件驱动式阀。压电元件驱动式阀能够根据对压电元件的驱动电压来变更开度，能够通过驱动电压的控制来调整为任意开度。
在本实施方式中，在主体块体17的上游侧经由垫圈固定有具有流入口的入口块体19，在主体块体17的下游侧经由垫圈型流孔部件(节流部12)固定有具有流出口的出口块体18。入口块体19和出口块体18也由例如不锈钢(SUS316L等)形成。
设置于入口块体19以及出口块体18的流路形成得比较粗，与此相对，主体块体17的特别是控制阀11与节流部12之间的流路尽可能细地形成。另外，控制阀11的下游侧的流路以从控制阀11的阀体的中央部垂下的方式延伸。
根据这样的结构，能够极力减小关闭控制阀11时的控制阀11与节流部12之间的内容积。由此，在关闭控制阀11之后经由节流部12流出的气体的量减少，能够提高下降响应性。控制阀11的下游侧的流路的直径典型地设计为比控制阀11的上游侧的流路的直径小。
运算控制电路16例如由设置在电路基板上的处理器、存储器等构成，包含基于输入信号执行规定的运算的计算机程序，能够通过硬件和软件的组合来实现。在图示的方式中，运算控制电路16内置于流量控制装置10，但其构成要素的一部分(CPU等)或者全部也可以设置于流量控制装置10的外侧。
以下，参照图4以及图5，对流量控制装置10所具备的差压传感器20的结构加以说明。
差压传感器20由与节流部12的上游侧连接的一次侧连接部件21、与节流部12的下游侧连接的二次侧连接部件22、与一次侧连接部件21以及二次侧连接部件22连接的传感器主体23构成。在差压传感器20中，在传感器主体23的下表面固定有一次侧连接部件21，在传感器主体23的侧面固定有二次侧连接部件22。
如图3所示，差压传感器20以跨越节流部12的方式安装于主体块体17以及出口块体18。此时，需要在一次侧端口和二次侧端口的两处进行固定，因此容易产生位置偏差。因此，二次侧连接部件22优选设计为在某种程度上容易调整连接位置，在本实施方式中，使用作为能够变形的配管部件的折弯成L字型的薄壁的金属制细管而构成。由此，即使在固定差压传感器20时产生了位置偏差时，也能够使二次侧连接部件22变形而适当地进行固定。作为二次侧连接部件22，也能够使用更柔性的管材。
在差压传感器20中，上游压力P1经由一次侧连接部件21向内置于传感器主体23的传感器芯片传递，下游压力P2经由二次侧连接部件22向相同的传感器芯片传递。压力的传递例如能够使用压力传递用的封入液等来进行。
图5是表示内置于传感器主体23的传感器芯片30的截面图。传感器芯片30具有薄板形状的压敏部(隔膜)31。压敏部31例如通过对单晶硅进行切削加工而形成。
在传感器芯片30中，压敏部31的一个面(在此为下表面)与第一封入液28接触，另一个面(在此为上表面)与第二封入液29接触。第一封入液28传递上游压力P1，第二封入液29传递下游压力P2。在该结构中，向压敏部31的一个面传递上游压力P1，向压敏部31的另一个面传递下游压力P2。此外，传感器芯片30通过包围周围的支撑部件34而固定于传感器主体23。
另外，在传感器芯片30的压敏部31设置有应变传感器(或者压电电阻体)32。应变传感器32只要能够检测在压敏部31产生的应力、应变，则可以由单体构成，也可以由多个构成。另外，关于其安装位置，也不限定于图示的方式。配置于压敏部31的应变传感器32的输出(电阻值的变化)经由与应变传感器32连接的配线24(参照图4)向运算控制电路16传送。
在具有以上结构的差压传感器20中，上游压力P1通过第一封入液28传递至传感器芯片30的压敏部31的一个面。另外，下游压力P2通过第二封入液29传递至传感器芯片30的压敏部31的另一面。而且，在压敏部31产生与上游压力P1和下游压力P2的差压的大小相应的表面应力，产生与差压的大小相应的应变。
压敏部31的应变的大小作为应变传感器32的电阻值变化而通过配线24加以检测。这样，差压传感器20不是根据各压力的绝对值通过减法来间接地求出上游压力P1与下游压力P2的差压ΔP，而是能够使用应变传感器32直接地测定。此外，应变传感器32通常组装于电桥电路，应变传感器32的应变量(电阻值变化)作为电桥输出信号输出，能够根据电桥输出信号求出差压ΔP。
再次参照图3，在本实施方式的流量控制装置10中，能够使用上游压力传感器13测定上游压力P1，并且能够使用差压传感器20测定节流部12的两侧的差压ΔP。然后，流量控制装置10基于上游压力P1和差压ΔP来判断是否满足临界膨胀条件。更具体而言，根据(P1-ΔP)/P1是否超过与临界压力比对应的阈值(例如0.45)来判断是处于临界膨胀条件下，还是处于非临界膨胀条件下。阈值可以使用与全部气体种类对应的值，也可以使用对每个气体种类设定的值。
上述的(P1-ΔP)是与下游压力P2对应的压力。但是，不是使用下游压力传感器来测定的，而是根据上游压力传感器13和差压传感器20的测定结果通过运算来求出的。因此，在本说明书中，为了加以区别，有时将通过运算求出的(P1-ΔP)称为运算下游压力P2’。
是否处于临界膨胀条件下的判定不限于如上述那样根据P2’/P1是否超过阈值来进行。例如，在P1/P2’超过阈值(例如2.2)的情况下，可以判定为处于临界膨胀条件下。在优选的方式中，通过将上游压力传感器输出的上游压力P1与通过从上游压力P1减去差压传感器输出的差压ΔP而得到的运算下游压力P2’之比与预先设定的对应的阈值进行比较，从而进行判定。但是，只要使用上游压力P1以及差压ΔP，也能够使用其他适当的判定公式。另外，当然也可以不是如上述那样是否超过阈值，而是通过是否为阈值以上来进行判定。
流量控制装置10在判断为处于临界膨胀条件下的情况下，进行基于上游压力P1的比例控制所进行的流量控制。另一方面，在判断为处于非临界膨胀条件下的情况下，进行基于上游压力P1和运算下游压力P2’(＝P1-ΔP)或者差压ΔP的差压控制所进行的流量控制。
更具体而言，在临界膨胀条件下，流量Qc＝K1·P1(K1为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数)的关系成立，因此进行基于上游压力P1的比例控制。另一方面，在非临界膨胀条件下，流量Qc＝K2·P2’m(P1-P2’)n＝K2·P2’m(ΔP)n＝K2·(P1-ΔP)mΔPn(K2为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数，指数m、n是从实际的流量导出的常数)的关系成立，因此进行基于上游压力P1和运算下游压力P2’或者差压ΔP的差压控制。运算控制电路16求出由上述公式求出的运算流量Qc与输入的设定流量Qs之差，对控制阀11的开度进行反馈控制，以使该差接近0。由此，能够使气体以设定流量Qs向节流部12的下游侧流动。
此外，作为上述的比例控制以及差压控制，能够采用公知的各种方法。例如，与专利文献2所记载的方法同样地，在进行差压控制时，也可以按照下述的公式求出运算流量Qc。
Qc＝C1·P1/√T·((P2’/P1)m-(P2’/P1)n)1/2＝C1·P1/√T·(((P1-ΔP)/P1)m-((P1-ΔP)/P1)n)1/2
在上述公式中，C1为包含流孔截面积的系数，P1为上游压力(Pa)，T为气体温度(K)，P2’为运算下游压力(Pa)，m和n为从实际的流量导出的常数。
另外，与专利文献2所记载的方法同样地，在进行差压控制时，也可以使用存储了运算下游压力P2’与流量误差的关系的补正数据存储电路来对运算流量进行补正。本实施方式的流量控制装置10除了使用运算下游压力P2’来代替使用由下游压力传感器测定的下游压力P2之外，能够采用专利文献2等所记载的各种公知的流量控制方式。同样地，本实施方式的流量控制装置10除了使用利用差压传感器直接测定的差压ΔP来代替使用根据上游压力传感器以及下游压力传感器的测定值通过运算求出的(P1-P2)之外，能够采用专利文献2等所记载的各种公知的流量控制方式。
以下，对在本实施方式的流量控制装置中，不使用基于作为绝对压传感器的下游压力传感器的下游压力P2，而使用基于上游压力传感器以及差压传感器的运算下游压力P2’的理由加以说明。
图6以及图7分别是表示实施例以及比较例中的压力传感器及差压传感器的零点变动量(kPa)与流量误差(％S.P.)的关系的曲线图(仿真结果)。图6的实施例对应于使用了具备图3所示的差压传感器的流量控制装置的情况，图7的比较例对应于使用了如专利文献1所记载的那样具备上游压力传感器和下游压力传感器的以往的流量控制装置的情况。此外，零点变动量的含义是指在任意压力下都产生的真正的压力与测定压力之差(偏移量)，对应于在压力传感器中无法校正的误差、随着压力传感器的长期使用而产生的测定压力的偏差、或者由温度引起的测定压力的偏差(温度漂移)等。
在图6中，示出了在上游压力传感器(P1传感器)和差压传感器中的任一方产生了零点变动、测定压力与真正的压力值不同的情况下，由误差引起的压力的偏差的大小如何影响流量。同样地，在图7中示出了在上游压力传感器(P1传感器)和下游压力传感器(P2传感器)中的任一方产生了零点变动、测定压力与真正的压力值不同的情况下，由误差引起的压力的偏差的大小如何影响流量。此外，流量误差表示进行差压控制时产生的流量误差。
在图6中，“差压传感器固定”的含义是指在差压传感器中未产生零点变动而在P1传感器中产生了零点变动，“P1传感器固定”的含义是指在P1传感器中未产生零点变动而在差压传感器中产生了零点变动。同样地，在图7中，“P2传感器固定”的含义是指在P2传感器中未产生零点变动而在P1传感器中产生了零点变动，“P1传感器固定”的含义是指在P1传感器中未产生零点变动而在P2传感器中产生了零点变动。
另外，在图6以及图7中示出了下游压力P2为100Torr的情况和400Torr的情况这两种曲线图。在构成为在上游压力P1为2280Torr时使气体以100％流量(最大控制流量)流动的流量控制装置中，在下游压力P2为100Torr时，若上游压力P1为222Torr(与9.7％流量对应)以下，则进行差压控制。另外，在该装置中，在下游压力P2为400Torr时，在39.0％以下进行差压控制。在图6以及图7中，示出了以使气体以4％流量流动的方式进行差压控制时的关系。
在图6所示的实施例中，在P1传感器产生了零点变动的情况下(差压传感器固定)，即使其变动量比较大，例如，产生了±0.2kPa的零点变动，流量误差也收敛在±1％S.P.以内。这在下游压力P2为100Torr时，也可以说是为400Torr时的情况，下游压力P2越大时，P1传感器的零点变动对流量精度造成的误差的程度越小。此外，在流量误差为±1％S.P.以内的情况下，一般能够认为是精度良好地进行流量控制。以下，有时将流量误差收敛于±1％S.P.以内的零点变动量称为容许变动量。
另外，在图6所示的实施例中，在差压传感器产生零点变动的情况下(P1传感器固定)，在下游压力P2为比较小的100Torr时，容许变动量为±0.1kPa左右，在下游压力P2为比较大的400Torr时，容许变动量成为±0.02kPa左右的非常窄的范围。
另一方面，在图7所示的比较例中，无论在P1传感器产生了零点变动的情况下(P2传感器固定)，还是在P2传感器产生了零点变动的情况下(P1传感器固定)，都成为比较窄的容许变动量。特别是，在下游压力P2为比较大的400Torr时，在P1传感器以及P2传感器中的任意一个产生了零点变动时，其容许变动量ε都是±0.02kPa，成为非常窄的范围。
由以上可知，至少在上游压力传感器(P1传感器)产生了零点变动的情况下，可知与比较例的流量控制装置相比，实施例的流量控制装置的容许变动量更大，抗零点偏差上更强。而且，在实施例中，下游压力P2越大时，上游压力传感器的零点变动越难以反映到流量误差中。因此，可知实施例在下游压力P2大且进行小流量的流量控制时更有利。
进而，在使用了差压传感器的本实施方式的流量控制装置中，具有差压传感器的零点变动比较难以产生这样的优点。其理由在于，只要上游压力P1和下游压力P2相同，就能够与它们的大小无关地适当地执行差压传感器的零点校正，即使在流量控制装置搭载于管线的状态下，也能够通过关闭设置于前后的阀来进行校正。与此相对，上游压力传感器以及下游压力传感器的零点校正在理想情况下需要在与压力完全为0的真空空间连接的状态下进行，但这样的真空空间不容易实现，另外，需要测定成为基准的真空度的传感器，因此在搭载于管线的状态下实质上无法进行校正。因此，与差压传感器相比，上游压力传感器以及下游压力传感器的零点变动容易变大。
这样，根据本实施方式的流量控制装置10，差压传感器的零点变动比较小，另外，即使产生上游压力传感器的零点变动，也能够以比较高的精度进行流量控制。特别是，下游压力P2高，即使在进行小流量的控制时，上游压力传感器的零点变动也难以反映到流量误差中，因此能够在较宽的控制范围内适当地进行流量控制。
以下，参照图8以及图9对其他实施方式的流量控制装置10A加以说明。此外，对于具有与图3～图5所示的实施方式的流量控制装置10相同的结构的要素，有时会标注相同的参照符号并省略说明。
图8是表示流量控制装置10A的具体结构的侧视图以及表示内部的流路(虚线)的图。在流量控制装置10A中，与图3所示的流量控制装置10不同，代替分别设置上游压力传感器和差压传感器，而设置有将上游压力传感器和差压传感器一体地形成的一体式传感器35。
一体式传感器35的一次侧端口与节流部12的上游侧(主体块体17)连接，一体式传感器35的二次侧端口与节流部12的下游侧(出口块体18)连接。一体式传感器35也能够利用设置于以往的流量控制装置的主体块体的上游压力传感器用的安装部以及下游压力传感器用的安装部来安装。
图9是表示一体式传感器35所具备的传感器芯片30A的结构的截面图。在传感器芯片30A中，第一封入液28与用于测定差压ΔP的压敏部31和用于测定上游压力P1的第二压敏部37这两者接触。
与图5所示的传感器芯片30同样地，第二封入液29与压敏部31的相向面接触，能够使用应变传感器32测定上游压力P1与下游压力P2的差压ΔP。另一方面，第二压敏部37的相向面与内部保持为真空压Pv的真空室36接触。在该结构中，安装于第二压敏部37的应变传感器38能够检测在第二压敏部37产生的应力、即与上游压力P1的大小对应的应力。
在具备以上说明的传感器芯片30A的一体式传感器35中，能够独立地测定上游压力P1和差压ΔP这两者。因此，不需要分别设置上游压力传感器和差压传感器，能够有助于装置的紧凑化，能够取得进一步的便利性。
以下，参照图10对使用了本发明的实施方式所涉及的流量控制装置的流量控制方法的例示性的流程图加以说明。
首先，在步骤S1中，使用上游压力传感器以及差压传感器(或者一体式传感器)，测定上游压力P1以及差压ΔP。
接着，在步骤S2中，判定是否处于临界膨胀条件下。更具体而言，判定通过步骤S1的测定得到的(P1-ΔP)/P1是否超过阈值。
在步骤S2中，在未超过阈值的情况下，判断为处于临界膨胀条件下，在步骤S3中，选择基于上游压力P1的比例控制方式。另一方面，在步骤S2中，在超过阈值的情况下，在步骤S4中，选择基于上游压力P1以及差压ΔP的差压控制方式。
之后，在步骤S5中，能够按照所选择的任一控制方式对控制阀进行反馈控制，使气体以设定流量流动。
如以上那样，若使用上游压力传感器以及差压传感器，则能够适当地判定是否处于临界膨胀条件下，能够选择比例控制以及差压控制中的适当的控制。而且，能够按照所选择的控制方式，在降低了传感器误差的影响的状态下，在大范围的流量范围内适当地进行流量控制。
以下，对使用下游压力传感器和差压传感器的又一其他实施方式的流量控制装置10B加以说明。此外，对于与前述的实施方式的流量控制装置10(参照图2、3)相同的构成要素，有时会标注相同的参照符号，并且省略详细的说明。
图11表示又一其他实施方式所涉及的流量控制装置10B。流量控制装置10B与流量控制装置10同样地，具备控制阀11、节流部12、差压传感器20、流入压力传感器14、温度传感器15以及运算控制电路16。但是，流量控制装置10B具有下游压力传感器13B来代替流量控制装置10的上游压力传感器13。
图12是表示流量控制装置10B的具体的结构的侧视图。在主体块体17的上表面安装有流入压力传感器14、控制阀11以及差压传感器20的一次侧端口，它们与节流部12的上游侧的流路流通。另外，在出口块体18的上表面连接有差压传感器20的二次侧端口，与节流部12的下游侧的流路流通。
另外，在流量控制装置10B中，在出口块体18的上表面固定有下游压力传感器13B。下游压力传感器13B能够测定节流部12的下游侧的流路的压力(下游压力P2)。下游压力传感器13B例如可以内置单晶硅的传感器芯片和隔膜。
另外，在本实施方式中，差压传感器20也构成为直接测定控制阀11与节流部12之间的压力与节流部12的下游侧的压力的差压ΔP，用于进行差压流量控制。差压传感器20可以具有与前述的实施方式相同的结构。
在流量控制装置10B中，与图2、3所示的流量控制装置10不同，未设置上游压力传感器13。因此，控制阀11与节流部12之间的容积Vs被进一步减小。由此，在关闭控制阀11之后，气体经由节流部12更快地流出，与流量控制装置10相比，能够进一步提高下降响应性。
接着，对使用流量控制装置10B的流量控制加以说明。流量控制装置10B构成为使用差压传感器20输出的差压ΔP和下游压力传感器13B输出的下游压力P2来控制向节流部12的下游侧流动的气体的流量。
流量控制装置10B基于差压ΔP和下游压力P2来判断是否满足临界膨胀条件，例如根据P2/(ΔP+P2)是否超过与临界压力比对应的阈值(例如0.45)来判断是处于临界膨胀条件下，还是处于非临界膨胀条件下。在此，(ΔP+P2)是与上游压力P1对应的压力。在本说明书中，有时将通过运算求出的(ΔP+P2)称为运算上游压力P1’。在本实施方式中，通过将运算上游压力P1’与下游压力P2之比与预先设定的阈值进行比较来判断是否处于临界膨胀条件下。
流量控制装置10B在判断为处于临界膨胀条件下的情况下，进行基于运算上游压力P1’(＝ΔP+P2)的比例控制所进行的流量控制，在判断为处于非临界膨胀条件下的情况下，进行基于运算上游压力P1’或者差压ΔP和下游压力P2的差压控制所进行的流量控制。
更具体而言，在临界膨胀条件下，进行基于流量Qc＝K1·(ΔP+P2)的比例控制。另外，在非临界膨胀条件下，进行基于流量Qc＝K2·P2m(P1’-P2)n＝K2·P2m·ΔPn的差压控制。在此，K1、K2为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数，指数m、n为根据实际的流量导出的常数。运算控制电路16求出由上述公式求出的运算流量Qc与输入的设定流量Qs之差，对控制阀11的开度进行反馈控制，使得该差接近0。由此，能够使气体以设定流量Qs向节流部12的下游侧流动。
另外，在流量控制装置10B中，差压控制也可以与专利文献2所记载的方法同样地按照下述的公式求出运算流量Qc。
Qc＝C1·P1’/√T·((P2/P1’)m-(P2/P1’)n)1/2＝C1·(ΔP+P2)/√T·((P2/(ΔP+P2))m-(P2/(ΔP+P2))n)1/2
在上述公式中，C1为包含流孔截面积的系数，P1为上游压力(Pa)，T为气体温度(K)，P2’为运算下游压力(Pa)，m和n为从实际的流量导出的常数。
本实施方式的流量控制装置10B除了使用运算上游压力P1’来代替使用由上游压力传感器测定的上游压力P1之外，或者除了使用利用差压传感器直接测定的差压ΔP来代替使用根据上游压力传感器以及下游压力传感器的测定值通过运算求出的(P1-P2)之外，能够采用专利文献2等所记载的各种公知的流量控制方式。
另外，在流量控制装置10B中，在下游压力P2相当小的状态(高真空状态)下判断为处于临界膨胀条件下时，也可以将差压传感器20输出的差压ΔP视为上游压力P1，基于Qc＝K1·ΔP进行比例控制。另外，在流量控制装置10B中，也能够利用与图8以及图9所示的一体式传感器相同的结构，使用将差压传感器20和下游压力传感器13B合并而成的一体式传感器。
在以上说明的流量控制装置10B中，由于使用了差压传感器20，因此在压力传感器中可能产生的零点变动的影响难以反映到流量控制中，另外，由于能够进行比例控制以及差压控制这两者，因此在临界膨胀条件下以及非临界膨胀条件下均能够精度良好地进行流量控制。因此，能够在较宽的控制范围内适当地进行流量控制。
产业上的可利用性
根据本发明的实施方式的流量控制装置，适合用于在较宽的控制范围内精度良好地进行流量控制。

Claims (13)

1.一种流量控制装置，其特征在于，具备：
控制阀；
节流部，所述节流部设置于所述控制阀的下游侧；
上游压力传感器，所述上游压力传感器测定所述控制阀与所述节流部之间的压力；
差压传感器，所述差压传感器测定所述节流部的上游侧与下游侧的差压；以及
运算控制电路，所述运算控制电路与所述控制阀、所述上游压力传感器以及所述差压传感器连接。
2.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述运算控制电路以基于所述上游压力传感器的输出和所述差压传感器的输出而决定的运算流量成为设定流量的方式，进行所述控制阀的控制。
3.根据权利要求2所述的流量控制装置，其特征在于，
所述控制阀的控制包括根据Qc＝K2·(P1-ΔP)mΔPn或者
Figure FDA0003280754480000011
Figure FDA0003280754480000012
决定运算流量Qc的差压控制，在上述公式中，P1为所述上游压力传感器输出的上游压力，ΔP为所述差压传感器输出的差压，K2为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数，m、n为从实际的流量导出的常数，C1为包含流孔截面积的系数，T为气体温度。
4.根据权利要求3所述的流量控制装置，其特征在于，
所述控制阀的控制还包括根据Qc＝K1·P1决定运算流量Qc的比例控制，在上述公式中，K1为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数。
5.根据权利要求4所述的流量控制装置，其特征在于，
通过将所述上游压力传感器的输出与通过从所述上游压力传感器的输出减去所述差压传感器的输出而得到的运算下游压力之比，同预先设定的阈值进行比较，从而决定为所述比例控制或者所述差压控制中的任意一个。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
所述差压传感器具备：
一次侧连接部件，所述一次侧连接部件与所述节流部的上游侧的流路连接；
二次侧连接部件，所述二次侧连接部件与所述节流部的下游侧的流路连接；以及
传感器主体，所述传感器主体与所述一次侧连接部件以及所述二次侧连接部件连接，内置有测定差压的传感器芯片，
所述传感器芯片包括：
压敏部，所述压敏部具有传递所述节流部的上游侧的压力的一个面和传递所述节流部的下游侧的压力的另一个面；以及
应变传感器，所述应变传感器检测所述压敏部的应变。
7.根据权利要求6所述的流量控制装置，其特征在于，
所述二次侧连接部件具备能够调整连接位置的配管部件。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
所述上游压力传感器和所述差压传感器一体地形成。
9.一种流量控制装置，其特征在于，具备：
控制阀；
节流部，所述节流部设置于所述控制阀的下游侧；
差压传感器，所述差压传感器测定所述节流部的上游侧与下游侧的差压；
下游压力传感器，所述下游压力传感器测定所述节流部的下游侧的压力；以及
运算控制电路，所述运算控制电路与所述控制阀、所述差压传感器以及所述下游压力传感器连接。
10.根据权利要求9所述的流量控制装置，其特征在于，
所述运算控制电路以基于所述差压传感器的输出和所述下游压力传感器的输出而决定的运算流量成为设定流量的方式，进行所述控制阀的控制。
11.根据权利要求10所述的流量控制装置，其特征在于，
所述控制阀的控制包括根据Qc＝K2·P2m·ΔPn或者Qc＝C1·(ΔP+P2)/√T·((P2/(ΔP+P2))m-(P2/(ΔP+P2))n)1/2决定运算流量Qc的差压控制，在上述公式中，ΔP为所述差压传感器输出的差压，P2为所述下游压力传感器输出的下游压力，K2为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数，m、n为从实际的流量导出的常数，C1为包含流孔截面积的系数，T为气体温度。
12.根据权利要求11所述的流量控制装置，其特征在于，
所述控制阀的控制还包括根据Qc＝K1·(ΔP+P2)决定运算流量Qc的比例控制，在上述公式中，K1为依赖于流体的种类和流体温度的比例系数。
13.根据权利要求12所述的流量控制装置，其特征在于，
通过将对所述差压传感器的输出加上所述下游压力传感器的输出而得到的运算上游压力与所述下游压力传感器的输出之比，同预先设定的阈值进行比较，从而决定为所述比例控制或者所述差压控制中的任意一个。
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