CN1247605A - 微质量流量控制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种微质量流量控制器10,包括一具有一振动阀26的声波抑制节流器28,该振动阀以时间调制顺序反复打开和关闭该节流器28,从而在一时段中把该声波抑制节流器28中的气体的质量流量设定在没有气流与最大质量流率之间。在一双压电晶片压电致动器40上阴极真空喷镀介电层78后用不锈钢或其他金属镀层80包住。该致动器40上有一盖件46,通过驱动该致动器40把在一湿粘合剂86中的该盖件46推靠到一阀座70,使该盖件与该阀座70重合,直到该粘合剂86固化。

Description

微质量流量控制装置和方法
技术领域
本发明一般涉及流体流量控制器，特别涉及在非常低流率和低压下流动的气体的质量流量控制器。
现有技术
有许多流量控制器，包括类型不同、流动气体的测量原理也不同的不计其数的质量流量控制器。但是，用于流率非常低的气体的现有流量控制技术在精确性、可靠性和耐用性方面尚有很大改进余地，尽管对这类用于流率非常低的气体的流量控制器的需求在不断增长。例如，在半导体工业中，非常精确的供气气流流入通常工作在真空下的反应炉中，然后材料薄膜喷镀在基体上而形成半导体装置。
当前在半导体工业中控制供气所使用的最常见质量流量控制技术为一可变孔加上一节流器和节流器周围的一支管、该支管中的一加热器和该支管中位于该加热器下游的一热电偶。加热器把热量赋予在支管中流动的气体，然后气体把热量带给热电偶而加热热电偶，使热电偶生成表示热电偶温度的电压。可变孔打得越开，在支管中流动的气体越多，气体从加热器带到热电偶的热量越多，热电偶的温度越高，热电偶上的电压越高。在测量设备中对热电偶电压进行测量和处理即可知道气体流量并进行调节，以便把可变孔的开合保持在一定气体流率所要求的大小上。
这类现有流量控制系统的问题是可靠性差、响应慢、动态范围有限。可靠性差大多是由于堵塞之类的硬性故障和过分漂移之类、从而需要对测量设备不断进行校准的软性故障引起的。这类故障大大增加了停机时间，从而反应炉的半导体装置产量下降。控制问题起因于热电偶对流量变化的响应慢，通常约为一秒，从而开合信号向可变孔的反馈慢，造成特定气体流率所要求的孔的超调量和调量不足。为保持流率测量和控制的重复性和线性，工作压力必须为20-25p.s.i.，即使如此，使用这一技术也只能获得±1％、通常更多是±6％的线性和重复性。这类控制器的动态范围(也称为调节比，即可测量最大流率或阀的最大设定点与可测量最小流率或最小设定点之比)最多约为100∶1。
在半导体工业中提高气体质量流量控制器的精确性和可靠性不仅能提高质量控制、从而提高半导体装置的质量，而且还可减少用于校准和清洁的停机时间、提高气体利用率、提高产量。动态范围的加大可扩大控制器的使用范围和通用性，其气流可用于各种不同沉积和半导体装置结构。许多其他应用场合也要求提高气流控制的精确性和重复性、可靠性和动态范围。
本发明概述
因此，本发明的一般目的是提供一种改进的用于流率非常低的气体的流量控制器。
本发明一更具体的目的是提供一种在非常低流率下比现有流量控制技术更精确、更可靠的气体流量控制器。
本发明另一更具体的目的是提供一种在非常低流率下比现有控制技术动态范围或调节比更大的气体流量控制器。
本发明的另一个目的是提供一种用于非常低流率气流的流量控制器，它精确到足以计量和控制非常低气流流率。
本发明的另一个具体目的是提供一种非常精确的流量控制器，用来控制极不稳定气体、例如氯气和其他卤族元素和反应性或腐蚀性很强的气体的非常低的气流流率。
本发明的其他目的、优点和新颖特征的一部分在下述说明中给出、一部分本技术领域普通技术人员从下述说明中一眼就可看出，或可通过本发明的实施而理解。这些目的和优点可用本装置、特别结合权利要求中的内容实现和获得。
为实现上述和其他目的，按照本说明书实施和宽泛说明的本发明目的，本发明微质量流量控制器可包括一具有一振动阀的声波抑制节流器，该振动阀以时间调制顺序反复打开和关闭该节流器，从而在一时段中把该声波抑制节流器中的气体的质量流量设定在没有气流与最大质量流率之间或在没有气流与最大质量流率之间变动。在一双压电晶片压电致动器上阴极真空喷镀介电层后用不锈钢或其他金属镀层包住。该致动器上有一盖件，通过驱动该致动器把在湿粘合剂中的该盖件推靠到一阀座上，使该盖件与该阀座重合，直到该粘合剂固化。为实现上述和其他目的，按照本说明书实施和宽泛说明的本发明目的，本发明方法包括下列步骤：以受时间调制的振动方式，顺序开始和停止一在一节流器中流动的流体的受声波抑制的流动，从而在该阀上强加一工作周期，该工作周期为打开时间与总时间之比，其中，总时间为打开时间和关闭时间之和。
附图的简要说明
作为本说明书一部分的附图示出本发明优选实施例，并与下述说明一起用来解释本发明原理。附图中；
图1为本发明一微质量流量控制器的示意图，阀体的一部分剖视，以揭示内部的阀致动器、阀座、声波喷嘴和其他控制部件；
图2为图1微质量流量控制器实施例的正视图；
图3为图1微质量流量控制器实施例的端视图；
图4为沿图3中4-4线剖取的微质量流量控制器的剖面图；
图5例示出受时间调制的电压信号和阀的工作周期以及相应的数字振动阀的位置；
图6为与一驱动电路串联的层叠弯曲阀致动器各部件的放大正视示意图，示出如何生成阀打开弯矩；
图7与图6相似，但示出如何生成阀关闭弯矩；
图8为与一驱动电路并联的层叠弯曲阀致动器各部件的放大正视示意图，示出如何生成阀打开弯矩；
图9与图8相似，但示出如何生成阀关闭弯矩；
图10为图1微质量流量控制器的阀盖、阀座和声波孔的放大剖面图(其简示图见图4)；
图11为阀盖、阀座和声波孔在中间制作阶段把阀盖安装和座落到阀座上的更放大剖面图；
图12为图1-10控制器一例示性控制电路的方框图；
图13为与图11类似的放大剖面图，但用一声波喷嘴代替声波孔；
图14为与图4类似的剖面图，但示出致动器另一实施例，该致动器包括多个相叠压电晶片；
图15为致动器另一实施例的剖面图，该致动器包括一磁致伸缩杆；以及
图16为致动器又一实施例的剖面图，该致动器包括-螺线管。
本发明最佳实施方式
图1示出适用于控制和计量在非常低的压力下的非常小流量气体的本发明一微质量流量控制器10，该流量控制器主体的一部分剖视，以揭示下文详述的阀、阀座、声波孔和其他控制部件。但是，总的来说，气体从一未示出的气源经一进口接头12如箭头14所示流入控制器10的一进口气室24。气体从该进口气室24经一控制阀26流入孔28中在声速下受抑制，然后如箭头36所示流过一出口接头34。
当在孔28中流动的气体在声速下受抑制时，气体的质量流率m与在进口气室24中的压力P1与气体的温度T1的平方根之比成正比。确切说，质量流率可由下式确定： m · = P 1 C * A T 1 - - - ( 1 ) 其中：
P1＝进口气室24中的压力；
C*＝决定于气体种类的矫正系数；
A＝孔28的横截面面积；以及
T1＝进口气室24中的气体的绝对温度(°K)。由于孔的面积A是固定的，测量孔径D通过计算(A＝πD2/4)就可确定，矫正系数C*对于具体气体可由经验数据确定，按式(1)计算气体质量流率
Figure A9880245500102
所需进行的动态测量就只有进口气室的压力P1和温度T1了，这如本领域普通技术人员所熟知的，是较简单的实时测量。
但是，本发明的一个重要特征是组合使用时间调制阀26和声波抑制孔28把质量流率控制成小于全时间声波抑制流动。确切说，阀26的交替开合受时间的调制，从而生成一小于全时间打开(最大流率设定点)、大于全时间关闭(最小流率设定点)的阀工作周期。因此，对于任何进口气室压力P1和温度T1受时间调制的阀26可通过设定时间调制或阀26的工作周期把有效质量流率 控制在最大设定占
Figure A9880245500112
与最小设定点 之间，这在下文详述。
下面主要参见图4同时参见图1-3，阀28的优选实施例包括一细长、层叠弯曲阀致动器40，该致动器在施加其上的电压为一种极性时如虚线40′所示向前弯曲，而在电压极性相反时如虚线40″所示向后弯曲，这在下文详述。因此，当电压在一种极性与相反极性之间交替变化时细长致动器40的顶端42如双头箭头44所示来回振动。当致动器40向前弯曲或弯曲到关闭位置40′时，致动器40上顶端42旁的一盖件46关闭孔28而防止气体流过孔28，从而关闭阀26。另一方面，当致动器40向后弯曲或弯曲到打开位置40″时，盖件46移离阀孔28，从而打开阀26，气体可流过孔28。该打开位置40″充分打开，使得流入孔28的气流在盖件46与阀座70之间不受阻挡或抑制，从而在孔28处的有效压力为滞止气室压力P1。当阀26打开、孔28前方的压力P1与孔28后方的出口导管压力P2之差足够大时，只须约一微秒(≈1μsec)时间孔28中便可达到声波抑制状态。因此，致动器40可以并且最好是以数字方式工作，在关闭位置40′与打开位置40″之间来回急速闪动。
用图10所示、下文详述的一致动器驱动电路可如上所述施加相反或第二极性电压把阀致动器40驱动到向后弯曲打开位置40″；施加第一极性电压驱动到关闭位置40′。因此，在每一关闭/打开振动周期中通过分别改变第一极性电压和第二极性电压在阀致动器40上的保持时间就可控制阀致动器40在关闭位置40′或打开位置40″上的停留时间。例如，如图5所示，电压受时间调制而在一周期t的25％(即0.25t)中保持第二极性，在余下的75％(即0.75)中保持第一极性，阀致动器40从而在打开位置40″上历时该周期的25％，在关闭位置40′上历时该周期的75％。因此，在该例中阀26的工作周期为0.25，该工作周期定义为打开时间与总时间之比。如上所述，由于从关闭位置40′的实际上无气流到打开位置40″的声波气流是瞬间的、只须实际上可忽略不计的约1-5微秒(1～5μsec)，因此实际质量流率
Figure A9880245500121
等于由上式(1)所得的声波孔28的质量流率
Figure A9880245500122
乘以工作周期，即
例如，如从式(1)算出一种在进口气室压力测量值P1和温度测量值T1下的气体在流过孔28时的质量流率
Figure A9880245500124
为每分钟10标准立方厘米(10sccm)，而阀26经时间调制的工作周期为0.25，则可从上述式(2)算出实际或有效质量流率
Figure A9880245500125
为： m · * = 10 sccm × 0.25 = 2.5 sccm 当然，对于同一气体、进口气室压力P1和温度T1，在零与1之间改变阀的工作周期就可造成有效质量流率 在比方说0与10sccm之间的线性变动。
此外，如气体压力P1和温度T1由于某种原因发生变化、从而从式(1)确定的声波孔28中的质量流率
Figure A9880245500128
变动，则可相应变动工作周期补偿质量流率
Figure A9880245500129
的这一变动而保持所需有效质量流率 。例如，如上述例子中的进口气室压力P1和/或温度T1发生变化而从式(1)得出的声波孔28中的质量流率 为12sccm而不是10sccm，但要求保持先前确立的有效质量流率
Figure A98802455001212
，则可改变电压的时间调制而获得0.208的工作周期，从而把有效质量流率 保持在2.5sccm上。因此，本发明时间调制控制器10可极灵敏、极精确地控制在非常低流率下流动的气体的质量流率。
当然，用于调制声波孔26的开合的致动器和驱动机构多种多样，下面说明若干例子，但阀盖的优选实施例为图1和4所示层叠压电晶体致动器40。对层叠压电晶体致动器40的详细说明结合图6和7进行。该压电晶体致动器40包括两层叠在一起的细长压电弯曲装置52、54，铜、铝或其他金属之类的导电材料56夹在这两个弯曲件52、54之间。压电弯曲件在施加电压时具有膨胀或收缩的特性。在图6和7所示的致动器40中，压电弯曲件52随施加第一极性的正电压如收缩箭头58所示收缩，而压电弯曲件54随施加第一极性电压如膨胀箭头60所示膨胀。图6所示这一正电压造成致动器40向前弯曲到阀关闭位置40′。但当如图7所示电压极性反转而施加相反或第二极性电压时，作用相反，从而压电弯曲件52如膨胀箭头62所示膨胀，而压电弯曲件54如收缩箭头64所示收缩。图7所示这一相反或第二极性电压造成致动器40向后弯曲到阀打开位置40″。
在例示性控制电路50中，一最好为直流(DC)的电源51提供电压。电源51的负极经第一负支路55与压电弯曲件52连接，而该负支路用一开关61与第一引线53连接；电源51的负极也可经第二负支路57与压电弯曲件54连接，而该负支路用一开关71与第二引线59连接。同时，电源51的正极经第一正支路63与压电弯曲件54连接，而该正支路用一开关65与第二引线59连接；电源51的正极也可经第二正支路67与压电弯曲件52连接，而该正支路用一开关69与第一引线53连接。因此，合上开关69、71并打开开关61、65施加第一极性就可如图6所示把双压电晶片致动器40弯曲到关闭位置40′。打开开关69、71并合上开关61、65就如图7所示把双压电晶片致动器40弯曲到打开位置40″。开关61、65、69、71可为公知的晶体管、继电器或任何其他普通开关，它们可用一计算机或CPU控制，包括如上所述实现所需工作周期和有效质量流率 的开合停留时间。这类CPU174示出在图12方框图中，这在下文交代。
两压电弯曲件52、54之间的金属导电材料56把所施加的电压分布到通常用半导体材料制成的压电弯曲件52、54的整个长度上。可用作阀致动器的细长压电弯曲件可从俄亥俄州(Cmcinnati，Ohio)的Morgan Matrax公司购得。
在图6和7所示电连接中，压电弯曲件52、54与驱动电路50串联。压电弯曲件52、54也可如图8和9所示与驱动电路50′并联而获得同样效果，此时电压降低，但驱动电路50′所需电流增大。在并联连接中，除了与压电弯曲件52连接的第一引线53和与压电弯曲件54连接的第二引线59，还有与金属层56连接的第三引线73。电源51的负极或是(i)用一开关77经一支路75同时与第一和第二引线53、59连接；或是(ii)用一开关81经一支路79与第三引线73连接。同时，电源51的正极或是(i)用一开关85经一支路83与第三引线连接；或是(2)用一开关89经一支路87同时与第一和第二引线53、59连接。因此，合上开关77、85并打开开关81、89施加第一极性就可如图8所示把双压电晶片致动器40弯曲到关闭位置40′。相反，合上开关81、89并打开开关77、85施加相反或第二极性就如图9所示把双压电晶片致动器40弯曲到打开位置40″。这些开关也可用图12简示的CPU174控制。
最好是(但并非非如此不可)，通过从一极性到相反极性瞬时变化的电压，致动器40可受驱动从打开位置40″驱动到关闭位置40′。因此驱动信号电压最好如图5中驱动信号周期的垂直位置74所示使得从一极性瞬时转变到相反极性，从而实现阀从打开位置40″到关闭位置40′的几乎是瞬时的转变。对于孔28中低压、声速下的自由气流和本发明流量控制器所要生成的质量流率来说，阀盖件68只须移离阀座约0.006英寸(0.1524mm)，图5中电压转变信号的垂直位置80几乎可瞬时地做到这一点。
孔28中的声波抑制气流如上所述要求式(1)精确确定质量流率
Figure A9880245500151
为了在图1、4和10所示孔28之类孔中保持声波抑制气流，须满足两个条件。首先，孔前方的滞止压力P1与孔后方的滞止压力P2之比必须在至少约l.4比1.5(P1/P2≥1.4比1.5)的范围内、最好保持在至少2.0(P1/P2≥2.0)，以确保满足声波抑制气流条件。其次，气体分子的平均自由路径λ必须小于孔28的直径。以氦气为例，对于低达3torr的压力，平均自由路径入约为0.002英寸(O.0508mm)。因此，对于低达3torr以下约3p.s.i.a.范围内的压力，至少为0.002英寸、最好约为0.005英寸的较大孔28是非常可行的。当然也可在更高气室压力P1下工作，根据式(1)，这可增大最大质量流率
Figure A9880245500152
但是，压力和流率的增大减小了精确控制极低质量流率的能力。因此，为了更精确控制低于lOOscmm、最好甚至比方说在0.1-10scmm范围内的极低流率的气流，要求本发明控制器10工作在低达1-3p.s.i.a.的低进口气室压力下。半导体反应炉的供气通常就工作在如此低的压力下，因此进口气室的低工作压力是非常可行的，从而如上所述把P1/P2保持在至少2.0上不成问题。同时，能使用约为0.005英寸直径的较大孔的另一个优点是避免了现有技术中因使用支路反馈型控制器而孔径受限所发生的堵塞问题。
低达比方说3p.s.i.a.以下的气室工作压力的另一个优点是在阀盖件46座落在阀座70上时减小了阀26中的泄漏流率。但是，本发明的另一个特征是阀盖件46的结构和制作方法。确切说，从图10中可看得最清楚(还可继续参见图1-4)，金属层56夹在两细长压电弯曲件52、54之间后用环氧树脂之类的粘合剂(未示出)粘合。弯曲件52、54在所示实施例中各约厚0.0075英寸(0.1905mm)。最好是(但并非非如此不可)，在压电弯曲件52、54的表面上镀一薄层镍之类的金属72以防腐蚀，而且，更重要的是用作下一层78的基体。金属层72可用物理蒸汽沉积(PVD)或任何其他合适的电镀工艺喷镀。
然后，本发明的一重要部分是一介电层78与一包住整个双压电晶片压电弯曲结构的防腐蚀金属层80的组合，以保护它不受用本发明质量流量控制器10所计量和控制的反应性和腐蚀性极强的气体、例如氯气或其他卤素或腐蚀性气体的侵蚀。介电层78使外部保护金属层80与压电弯曲件52、54和中间金属板或金属带56电绝缘，从而上述电路50、50′不短路。介电层78最好既坚韧又稳定，还具有柔性而不脆，从而可用作外部保护金属层80的良好基体，但不妨碍双压电晶片40的振动。介电层的优选材料为称为ParyleneTM的塑料，它可用阴极真空喷涂成厚度最好小于0.001英寸(0.0254mm)的薄层。也可用氧化铝之类的其他介电材料用物理蒸汽沉积(PVD)或化学蒸汽沉积(CVD)获得层78。
外镀层80的优选金属为不锈钢SS316，因为它是一种用于氯气、其他卤素之类极不稳定、反应性极强的气体或其他反应性极强的腐蚀性气体的公认的、符合工业标准的材料。SS136不锈钢层最好也薄到不额外增加双压电晶片致动器40的质量或妨碍双压电晶片致动器的振动。小于约0.001英寸(0.0254mm)的厚度可有效地保护不受反应性极强的气体的腐蚀，同时又满足上述要求，它可用阴极真空喷涂、PVD、CVD或任何其他合适工艺喷镀。但是，最好是(但并非非如此不可)，在喷镀镀层80之前安装致动器40顶端42旁的阀盖件46，以便镀层80也保护用来安装盖件46的粘合剂86。
阀座70由孔28开口周围的凸缘面构成。阀盖件46最好为一比方说用不锈钢制成的金属圆盘或薄片，用环氧树脂之类粘合剂86粘在致动器40上。阀盖件46和阀座70表面最好精抛光成镜面。然后把最好为环氧树脂的粘合剂86涂到介电层78上待安装盖件46的部位。然后，经抛光的盖件46放置到未固化的粘合剂86上。在粘合剂86干燥或固化前致动器40和盖件46最好精确装进壳体16中其工作位置上，从而使盖件46精确重合在阀座70的抛光表面上。因此，当致动器40安装在图4所示位置上时，用驱动电路50或50′如上所述施加稳定(不间断或不振动)电压极性，从而把双压电晶片致动器40驱入关闭位置40′。从图11可看得最清楚，保持该电压和极性，从而用箭头30所示一力把盖件46紧推到阀座70上。通过挤压未固化的粘合剂86和保持该力30，阀盖件46在阀座70上的紧压力足以使盖件46上抛光表面114的方向与孔28周围的并排抛光阀座面70保持一致，直到粘合剂86干燥或固化，这样做的优点是，当致动器40位于关闭位置40′上时表面114与阀座70重合并精确密合，从而形成非常有效的密封。例如，如图11所示，当致动器40的位置使得抛光表面114重合在阀座面70上时，纵向轴线88可不与抛光阀座面所在平面91平行。因此纵向轴线88与孔28的纵向轴线95之间的角93可小于或大于90°和/或平面91与致动器40之间的角97可大于0°。但是，在致动器40的关闭力30的作用下，未固化的粘合剂86受挤压而可如图11所示容纳这一不平行，从而粘合剂86在盖件46底部的厚度99小于在盖件46顶部的厚度101。这一差别也可在横向或其他方向上。粘合剂86一旦固化，盖件46与致动器40之间的方向和空间关系保持不变。从图4可见，主体20中的一销103和致动器安装插头107中的一相配孔105每当致动器装在主体20中时使致动器40与主体20、从而阀座70和孔28的相对方向保持不变。因此，粘合剂86一旦固化，可从主体20中取出致动器40，以便如上所述用不锈钢镀层80包住致动器40。
控制器10可构作有任何合适的壳体，尽管图1-4示出一合适实施例。进口气室24穿过主体部90，主体部90上还有供进口接头12和出口接头34螺纹连接以及安装阀致动器40的结构。
阀致动器40因其远端100装在一插入在插头107中的护圈112中而呈悬臂。致动器40用一接插件116与一电子处理板102电连接。
孔28的构作方式多种多样，尽管在图1-4所示优选结构中，孔28的形式为做成一端壁124，其上带有穿过该端壁124的孔28。
可用现有压力计测量压力P1和P2。图4所示测量进口压力P1的现有压力计194装在主体部90中的内部压力连接导管106中，由导线130与处理板116连接。可用另一个由一T形接头(未示出)与出口接头34连接的现有压力计(未示出)或其他现有方式测量下游压力P2。由于计算声波抑制孔中质量流率
Figure A9880245500181
的式(1)中的P1为绝对压力而不是计示压力，因此须用一外部压力计(未示出)测量大气压后与由压力传感器194测得的压力值相加而得出绝对压力P1，这是公知的。
为精确确定声波抑制孔28中的质量流率 ，式(1)还需要气体的温度。如气体储藏在室温下，可用室温计算质量流率 。但是，如要更精确计算质量流率
Figure A9880245500184
，一热电偶组件154或任何其他普通温度测量传感器可装在主体部90上而如图3-4所示穿入进口气室24中。
控制器10除了如上所述能非常精确和可靠地控制流率和压力极低的有效质量流率
Figure A9880245500191
，还可用来计量即测量在任何时段中流过控制器10的气体质量M。如有效质量流率 在该时段中保持不变，用有效质量流率 乘以该时段就可得出气体质量M。如有效质量流率
Figure A9880245500194
在该时段中变动，如所公知，当然可把该时段分成许多小时间增量，对这些时间增量中的质量进行加和得到质量M，或在该时段上积分得出质量M。
图13示出一稍加修正的微质量流量控制器，该微质量流量控制器使用一声波喷嘴156而不是声波孔。如所公知，声波喷嘴有一向横截面最小的一喉部160会聚的进口部158，然后是一发散出口部162。喷嘴比孔的优越之处在于，能量在发散出口部162被回收，在喉部160保持声波抑制气流所需进口压力P1与出口压力P2之比可小于在一孔中的声波抑制气流所需的该比。例如，P1/P2＝1.15/1.20通常足以在喷嘴中保持声波抑制气流。因此在要求出口压力P2尽可能接近进口压力P1或需要节能的情况下要求使用喷嘴156而非孔28。在其他方面，图13所示经修正的控制器的各部件和工作情况与上述图1-11所示控制器10相同。
图12例示出实现本发明微质量流量控制器10的一合适电子线路的方框图。首先，如方框170所示，可用0-10v一电压或4-20ma一电流之类一模拟信号提供所需有效质量流率
Figure A9880245500195
设定点。该设定点信号在方框172放大并从模拟信号转换成数字信号后传送到一微处理器或中央处理器(CPU)174。压力计194的电压模拟信号在方框176放大并从模拟信号转换成数字信号后传送到CPU174。如上所述，压力计194测量的压力值不是绝对压力P1，因此现有大气压传感器178的大气压信号在方框180放大并从模拟信号转换成数字信号后传送到CPU174，以便把压力计194的计示压力转变成进口气室绝对压力P1。如上所述使用从一热电偶154输入的气体温度T1，T1信号在方框182放大并从模拟信号转换成数字信号后传送到CPU174。也可把一假定的室温或任何其他温度矫正编程送进CPU174。
如上所述，用式(1)确定质量流率
Figure A9880245500201
还需要孔28的横截面面积，这当然可从孔径算出，孔径可用任何精确测径器或其他公知方法测量并编程送进CPU174。余下的矫正系数C*如上所述对于任何气体可由经验数据确定或用其他公知方法推导后输入CPU174。
CPU174读取所有上述信号、进行合适计算和数据整理分析后设定获得所需有效质量流率
Figure A9880245500202
所需工作周期，把该工作周期信号输出到一包括驱动电路50、50′的致动器驱动器184或现有的相应装置并在方框188输出实际有效质量流率 的数字信号。由CPU174生成的工作周期信号可基本上为如上所述对控制阀26的开合位置进行所需时间调制的数字开/关信号。该工作周期如上所述基本上为在一周期中阀打开时间与总时间(打开时间与关闭时间之和)之比，可用所需有效质量流率
Figure A9880245500204
除以由式(1)算出的声波喷嘴中的质量流率加以确定。因此，工作周期＝
由CPU174生成的实际质量流率
Figure A9880245500207
可用于任何所需的数字或模拟显示、设备控制、记录、分析或其他所需功能。在图12中，示出在方框186经放大和数/模转换在方框188生成一表示实际质量流率
Figure A9880245500208
的模拟输出信号。如上所述，控制器10的计量功能可用实际质量流率 在任何时段上加和或积分实现。如所公知，可用CPU174或一使用方框188所输出的
Figure A98802455002010
的外部电路进行这一计量。
如所公知，CPU也可编程成提供上述其他功能和计算。例如，CPU174还可编程成把方框154中的温度信号转换成式(1)所需绝对气体温度T1(°K)。当然，CPU174也可如上所述编程成在所需任何长时间上反复使用这些或其他输入计算质量流率 、确定工作周期等等。
由于控制器10可工作在比方说0.25-3p.s.i.a.的低于大气压的压力下，因此如上所述克服了阀26的泄漏问题，并且可使用较大孔而防止堵塞。为了提高流率控制能力或提高流率控制的灵敏性，可使用多个并联的时间调制、声波抑制阀26(未示出)，需要时，它们与同一进口气室24连通，因此所使用的所有声波抑制孔只需一个压力传感器194测量用于式(1)中的同一进口气室压力P1(当然还有大气压传感器)。此外，各阀的孔径可不同和/或工作在不同的受控工作周期下，以便精确控制流率。
如上所述，阀26中的气流达到声波状态只需约1-5微秒，致动器40在约1微秒内就可关闭阀26，因此致动器40的合适工作范围可为约1毫秒(1msec)的周期即约—千赫芝(1KHz)的频率，尽管显然应防止工作在共振频率下。也可用不同保护镀层80包住致动器40，例如，在不要求使用不锈钢的情况下使用氮化硅或其他材料，防止在控制器10中流动的气体的污染。很容易获得400∶1的调节比，甚至可超过1000∶1。控制器10的响应时间可为30毫秒，通过限制阀26中的容积甚至可进一步缩短响应时间。控制器10的控制测量的重复性和线性可在0.25％以内。
在图1-4所示流量控制器实施例中，一护盖16装在主体90上盖住并从而保护电子元件，例如电源板18、处理板116、压力传感器194、致动器安装插头107、导线130等等。致动器装在主体90中一与进口气室24横交的内室20中。在盖16中穿过的一电接插件22用来连接外部电子电源或外部设备(未示出)。
尽管上述双压电晶片致动器40为优选阀致动器，但也可使用其他致动器。例如，图14所示流量控制器实施例200，其声波孔28、进口气室24和阀盖件46以及大多数其他部件与上述实施例10相同。但阀致动器202完全不同。该阀致动器包括一由任何具有结构记忆性的弹性材料、例如弹簧钢、塑料、合成材料等制成的细长薄片204。薄片204的远端208装在主体90中一插头206中，穿过室20到达阀座70和孔28旁的一位置。盖件46装在薄片204的顶端210上。在该实施例中，薄片在插头206中安装、定位成：它被推向阀座70，当被推离阀座70时，该推力一旦撤除，由于薄片204制作材料的弹性结构记忆，它会弹回盖件46而与阀座70接触。可用一作用在该薄片204上的轴向致动器驱动器220提供把薄片204推离阀座70的外力。在图14所示轴向致动器220一实施例中，该轴向致动器220包括多个相叠压电晶片222，如箭头224所示，它们在施加一个极性的电压时膨胀，在施加相反极性电压时收缩。压电晶片222最好电串联、叠置在一随晶片222膨胀和收缩的不锈钢圆筒226中。圆筒226与薄片204接触。因此，当晶片222膨胀时，它们把薄片204推离阀座70。晶片222收缩时，薄片204的弹性记忆使它弹回阀座70。当然，薄片也可安装成与阀座间距，圆筒226可装在薄片204上而把薄片推离阀座70和把薄片拉回阀座70。
在图15所示致动器另一实施例230中，悬臂式弹簧薄片204与阀盖件46一起向孔28关闭位置偏置，用一磁致伸缩杆232驱离该关闭位置。一调节螺丝234用来设定磁致伸缩杆232的移动范围。当然，也可反过来，弹簧薄片204与盖件46一起通常处于打开位置，用磁致伸缩杆232把它拉向关闭位置。
图16所示致动器另一实施例240包括一螺线管装置，该装置包括一用电磁线圈246拉动的铁芯244。铁芯244端部上的一磁性圆片把悬臂式弹簧薄片204和盖件46拉离孔28。当电压撤除或极性相反时可用一偏置磁铁248使铁芯244复位。当然也可用实施例240使得薄片204和盖件46通常位于打开位置或通常位于关闭位置。
当然在本发明范围内有许多致动器可用来把盖件推向和移离阀座和孔。
上述说明只例示出本发明原理。而且，由于本领域普通技术人员很容易作出种种修正和改动，因此本发明不限于所示所述结构和过程细节。因此，所有合适的修正和相当结构和工艺都落在由权利要求限定的范围内。

Claims (25)

1、流体流量控制装置，包括：
由一分隔物隔开的一进口气室和一出口气室，该分隔物有一伸展在所述进口气室与出口气室之间的孔，所述进口气室与一气源连通，该气源使气体在所述进口气室中的进口气室压力比所述出口气室中的出口气室压力足够大，从而在从进口气室到出口气室的该孔中形成一声波抑制气流；
—可打开或关闭所述孔的阀，所述阀包括一致动器，该致动器在一打开位置与一关闭位置之间移动该阀，在该打开位置，声波抑制气流可流过该孔，在该关闭位置，声波抑制气流无法流过该孔；
—与致动器连接的控制器，从而使得该致动器在一时间调制周期中在打开位置与关闭位置之间来回振动该阀，该时间调制周期把在该孔中流动的流体的有效质量流率设定在一最大设定点与一最小设定点之间，在该最大设定点，阀始终处于该打开位置，在该最小设定点，阀始终处于该关闭位置。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述孔有一来自所述进口气室的进口和一通入所述出口气室的出口。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述孔包括一缩颈节流部。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述缩颈节流部位于所述进口。
5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述缩颈节流部位于所述出口。
6、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述缩颈节流部位于所述进口与所述出口之间。
7、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述孔在所述进口与所述出口之间有一喷嘴；所述喷嘴包括一沿径向向里倾斜到一节流喉部的会聚部和从该节流喉部沿径向向外倾斜到该出口的发散部。
8、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述阀包括一在所述进口上的阀座、一在所述阀座旁、与所述致动器连接的阀盖件，所述阀盖件在由所述致动器生成的力的作用下交替地运动到该关闭位置和该打开位置，在该关闭位置，该盖件座落在阀座上而封闭该进口，在该打开位置，该盖件不封闭该进口。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述致动器包括一螺线管。
10、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述盖件有一比所述阀座大的平面。
11、根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述盖件为一盘形。
12、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述致动器包括一双压电晶片装置，该双压电晶片装置响应一极性电压而在第一方向上运动，响应一相反极性的电压而在第二方向上运动。
13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述弯曲装置包括一细长致动臂，该致动臂包括一与第二材料层叠在一起的第一压电材料，所述第一压电材料响应一极性的电压而比所述第二材料膨胀得更厉害，响应相反极性的电压而比第二材料收缩得更厉害。
14、根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第二材料为第二压电材料，它在所述第一压电材料膨胀时收缩，在第一压电材料收缩时膨胀。
15、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，包括与该弯曲装置连接的一致动器驱动电路，该致动器驱动电路生成极性相反的时间调制交变电压的致动器驱动信号。
16、根据权利要求15所述的装置，其特征在于，包括一与该致动器驱动电路连接的时间调制控制器，所述致动器驱动电路响应所述时间调制控制器，从而在工作周期中生成所述正电压和所述负电压，该工作周期为阀处于打开位置的时间与总时间之间的设定比，使阀在整个周期中在打开位置与关闭位置之间振动。
17、根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述时间调制控制器可调节，从而该工作周期可调节。
18、根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述弯曲装置包在一金属镀层中。
19、根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述金属镀层为不锈钢。
20、根据权利要求18所述的装置，其特征在于，包括一位于所述弯曲装置与所述金属镀层之间的介电层。
21、根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述介电层包括Pary1eneTM。
22、根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述ParyleneTM介电层阴极真空喷镀到所述弯曲装置上。
23、一种控制一流体的质量流率的方法，包括下列步骤：
以受时间调制的振动方式，顺序开始和停止一在一节流器中流动的流体的受声波抑制的流动，从而在该流动流体上强加一工作周期，该工作周期为该流体在一周期中流动时间与总时间之比，总时间为流体在该周期中流动时间与不流动时间之和；其中，该质量流率为在该流体不间断的情况下该节流器中最大流率与该工作周期的剩积。
24、一种使一阀盖件重合在一阀座上的方法，包括下列步骤：
把阀座研磨、抛光成一平面；
把该盖件研磨、抛光成一平面；
把一湿粘合剂涂在可向阀座移动的一阀致动件上；
把致动器装在控制器主体上，阀盖件定位成阀盖件的平面靠近阀座上的平面；
向阀座驱动该致动器，从而用足够力量使盖件的平面紧靠阀座的平面，从而使盖件挤压盖件与致动器之间的粘合剂，直到盖件上的平面重合在阀座上的平面上，保持该驱动，从而保持盖件与阀座的重合，直到粘合剂固化；以及
取消对该致动器的驱动。
25、根据权利要求24所述的方法，其特征在于，包括下列步骤：使该主体上的一固定定位引导件与该致动器啮合，在所述驱动步骤之前该啮合可反复进行。
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