CN1533523A - 受控流体定比率控制的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

流体流量控制系统包括一个接收受控流体的入口和多个流体出口。多个流体出口包括一次流体出口和至少一个二次流体出口。一次流体出口提供一次预设定受控流体流量，至少一个二次流体出口提供受控流体的剩余部分。在此实施方案中，控制系统包括压力传感器，一次、二次乘法器，以及一次、二次流量控制器。一次乘法器将压力传感器测得的压力信号与一次设定点相乘来控制一次流量控制器，该控制器提供受控流体的一次预设定部分。二次乘法器将压力传感器测得的压力信号与一次设定点相乘来控制二次流量控制器，该控制器提供受控流体的剩余部分。

Description

受控流体定比率控制的方法和装置
依据35 U.S.C§119，本申请享受美国临时专利申请系列号60/293,356，题目为“受控流体定比率控制的方法和装置”的优先权，该申请的申请日为2001年5月24日。该文献通过在此引述而全部合并于本文。
本发明是针对流体处理系统的，更具体地说是指这样的流体处理系统，即系统可以提供多路受控流体，每路受控流体可以预先设定与整个受控流体的流量比。
流体处理系统用于半导体工业和制药工业(以及其他工业领域)，为流体处理室提供精确的流体量。比如在半导体工业中流体处理系统可为半导体晶片处理室提供精确计量的流体流量。在一个典型的流体处理系统中，多路流体中的每一路可分别耦合到大流量控制器，该控制器可为总管提供精确计量的流体流量。该总管可流畅地接到流体处理室的入口。通常情况下流体处理室只有一个入口，可接收总管的受控流体。
本发明的概述
根据本发明，提供了一种流体处理系统，其可以接受第一数量的流体并可以提供多路第二数量流体的出口。每一路第二数量流体的流量都与第一数量流体有预先设定好的比率。
在本发明的一个实施方案中提供了流量控制器。该流量控制器包含受控流体的入口和多路受控流体出口，这些出口为多个设备入口提供受控流体。多路流体出口包括一个第一流体出口和至少一个附加流体出口。流量控制器进一步包含第一输入来接收第一信号，该信号表示在流体入口接收到受控流体流量；还包含第二输入来接收第二信号，该信号表示给第一个流体出口提供的受控流体的预设定量，以及给至少一个附加流体出口提供受控流体的剩余流量。
在本发明的另一个实施方案中提供了流量控制系统。该流量控制系统包含受控流体的入口和多路受控流体出口，这些出口为多个设备入口提供受控流体。多路流体出口包括一个第一流体出口和至少一个第二流体出口。此第一流体出口可提供第一受控流体的预设定量，至少一个第二流体出口可提供受控流体的剩余流量。
在本发明的另一个实施方案中提供了受控流体流量控制的方法。该方法包括如下操作：在流体入口接收受控流体流量，并且为流入第一流体出口的受控流体提供第一预设定量；为流入至少一个第二流体出口的受控流体提供剩余流量。
在本发明的进一步的实施方案中提供了流量控制器。该流量控制器包括第一输入来接收第一信号，该信号表示在流体入口接收到受控流体流量；还包括第二输入来接收第二信号，该信号表示接收到的受控流体的预设定量，还包括第一乘法器。此乘法器接收第一和第二信号，将他们相乘所得积表示第一受控流体的预设定量，而与流体入口接到的受控流体无关。
本发明示图的简单描述
图1表示具有分流比率的流体过程控制系统，该系统将向两个流体出口提供预设定的被控流体。
图2同样表示具有分流比率的流体过程控制系统，该系统将向两个流体出口提供预设定的被控流体。
图3同样表示具有分流比率的流体过程控制系统，该系统将向多于两个流体出口提供预设定的被控流体。
图4同样表示具有分流比率的流体过程控制系统，该系统使用临界流量喷嘴，将向两个流体出口提供预设定的被控流体。
图5同样表示具有分流比率的流体过程控制系统，该系统与图2所示的系统相似，但是没有PID控制器。
图6同样表示具有分流比率的流体过程控制系统，该系统与图3所示的系统相似，但是没有PID控制器。
图7同样表示具有分流比率的流体过程控制系统，该系统使用比例分流阀。
本发明的详细描述
在本文中所用的流体是指液态流体，气态流体以及浆体(即固态物质附着在液态流体上)。虽然本发明的实施方案中主要描述的是气态被控流体，但是本发明并不仅仅局限于此，同样适用于液态流体及浆体。而且被控流体也并不一定仅仅局限于一种，可以是不同流体的混合物。
图1表示依据本发明的一个实施方案的具有分流比率的流体过程控制系统，该系统适用于气态流体。对该系统作些修改后就可以用于其它类型的流体，这些内容将在以后的章节中讨论。
依据本发明，具有分流比率的流体过程控制包括分流比率控制器，该控制器有一个流体入口和多个流体出口，可以在流体入口接收受控流体，并可以将这些流体送至每一个出口。这些多路受控流体的每一路都有预设定的流体量。
如图1所示，流体处理系统100包括多路流体输入131-13N(表示为(S1-SN)，每一路输入都可以向相应的大流量控制器(MFC)提供受控流体或混合受控流体。比如流体输入1可以是氮，输入2可以是氩，输入3可以是氦，输入4可以是硅烷等。每一个大流量控制器141-14N从各自相应的入口接收流体，从过程控制器110里接收设定点。根据从过程控制器110里接收的设定点，每一个MFC 141-14N将向总管150提供计量流体。遵循本发明的一个演示方案，正确使用大流量控制器的详细描述见美国专利应用，系列号为10/131,603，提出申请的时间为2002年4月24日，题目为“大流量控制器的系统和方法”，为了使本文更完整，特意将此文包括进去，以备参考。过程控制器110编程控制每一个MFC 141-14N，在常规模式下为处理过程的每一步提供一种或多种流体流量。
耦合到总管150和过程控制器110的是分比率控制器120。分比率控制器120具有流体入口155，该入口可流畅地接收从总管来的受控流体，另外该控制器还包含多路流体出口156，157。多路流体出口156，157的每一路都可以耦合到处理室160各自的流体入口151，152，为处理室160提供预设定的流体流量。按照本发明的一个演示方案，分比率控制器可以包括压力传感器121，大流量控制器123和压力控制器(P.C)129，压力传感器121可流畅地耦合到总管150，可测量总管150的内部压力，并将此压力值送到压力控制器129。过程控制器110向压力传感器发送压力设定点控制信号，该信号与总管150的期望压力是一样的。虽然过程控制器110给出的压力设定点在整个过程的每一步都可以不同，但典型的应用情形是该压力设定点是一固定值。通常压力设定点的值是随着处理室160的压力变化的。比如处理室的压力低时，压力设定点可设定为处理室压力的若干倍，以保证大流量控制器123和压力控制器129中的被控流体流量。处理室的压力高时，10托(torr)的压力差就够了。通常，压力设定点可以为任意值，只要保证流体可以通过控制器即可(比如，控制器141-14N，123，129)。此设定点的值取决于许多因素。
过程控制器110也为大流量控制器123(表示为MFCX)提供分流设定点，表示来自总管150的流体量，此部分流量将流入到处理室160的第一个输入151。在图1所示的实施方案中，受控流体的剩余部分经过压力控制器129输入到处理室160的第二个输入152。根据压力传感器121和过程控制器110提供的信号，压力控制器129可保证MFCX123总管的上游压力以及压力控制器129为一常量。接下来介绍分流比率控制器120。
在给定的过程中，过程控制器110为一个或多个大流量控制器140-14N设定过程设定点，以保证其所需流量。过程控制器110也为压力控制器129设定压力设定点，该值表示总管150内的期望压力值。接下来过程控制器110为大流量控制器123(MFCX)设置分流设定点，该设定点表示流入总管150的流量，这同样也是处理室160的输入151的期望值。按照本发明的一个实施方案，在大流量控制器123(MFCX)按一种已知流体，比如氮，作了校准的前提下，过程控制器110可按下列方程设定分流设定点。
其中：
K是期望分流比率(0......1)
SiMFCi的设定点(比如，MFC 141-14N)
Fi校准系数，计算公式为：
Fi＝(MFCi中全量程的N2的等价物)/(MFCX中全量程的N2)
根据这个实施方案，过程控制器110是按如下计算设定分流设定点的：以氮为作为标准，在给定的每一步处理过程中首先计算流向总管150的流体总量，接着再乘以期望分流比率K。在本实施方案中还可以这样认为：在整个过程的每一步都有不同的流量和不同类型的流体，过程控制器110将考虑这些因素为过程的每一步计算分流设定点。还可以进一步地认为：如果流向过程室的流体范围太宽，大流量控制器MFCX就被两个单独的大流量控制器取代，一个用于高速流体，一个用于低速流体。
虽然本发明是以氮为标准来描述过程控制器110进行分流设定点的，但本发明并不仅仅局限于此。因此分流设定点还可以根据其他种类的流体而不仅是由氮来决定。假如每一个大流量控制器141-14N的全量程和大流量控制器123(MFCX)充满某一种流体，那么按照过程操作条件每一个大流量控制器141-14N和大流量控制器123(MFCX)都可以可靠地操作。
应该理解的是，参见图1所示的分比率流体过程控制系统，其中有些部分可以替代。比如可以用机械压力调节器代替电子压力控制器129来控制总管150内上游压力。而且在一定的环境下压力传感器121可以省掉，压力控制器129可以用流量限制装置比如喷嘴代替。相应地多种备选配置可用来为每一个流体出口156，157提供预设定的流量，只要满足以下条件：1)在压力控制器129出口压力最大，流量最大并且大流量控制器123流量最小时，总管压力要低到足以保证MFCs 141-14N工作正常；2)在任一出口压力在操作范围，并且压力控制器129流量最小，大流量控制器123流量最大时，总管压力要足以保证大流量控制器123和MFCs 141-14N功能正常。虽然这样的备选配置与图1所示的实施方案相比其瞬时响应特性差些，但是它成本低，在某些流体供应系统中也具有优势。
应该理解的是，虽然图1所示的实施方案主要是针对气体流量的，但并不仅仅局限于此。因此图1所示的实施方案同样可用于液体和浆体。比如对不能压缩的流体像液体，需在上游流体入口155处增加蓄势器，大流量控制器123也可以被体积测定控制器取代。其他的改进有待于有经验的技术人员去做。而且对浆体来说，需要仔细考虑阀门的选择，这样附着在上面的固体就不会损坏阀门影响其功能。
按照本发明的另一个实施方案，还提供了另一个流体处理系统。该系统无需过程控制器110来计算流入总管150的流体总量，比如氮。按照这种实施方案，分比率流体过程控制系统包括分比率控制器，该控制器有一个流体入口和多个流体出口。分比率控制器在流体入口接收被控流体，并且将这些流体送到每一路流体出口。多路受控流体的每一路流量都与入口总流量有一个预设定的比率。该实施方案在图2种描述。
正如图1所述的实施方案，图2所述的流体处理系统200包括多路流体入口131-13N(表示位S1-SN)，他们为相应的大流量控制器(MFC)141-14N(表示位MFC1-MFCN)提供受控流体或受控流体的混合物，也就是每个大流量控制器141-14N都可以从相应的入口收到流体以及过程控制器210给出的设定点。基于过程控制器210给出的设定点，每一路MFC 141-14N都为总管250提供定量的流体。正如图1所述的实施方案，图2所示的过程控制器210编程控制每一个MFC 141-14N，在常规模式下为处理过程的每一步提供一种或多种流体流量。
耦合到总管250和过程控制器210的是分比率控制器220。按照本发明的进一步的实施方案，分比率控制器220包括一个压力传感器221，它流畅地耦合到总管250，还包含两个分比率控制器223(表示为Split MFC A)和224(表示为Split MFC B)以及两个乘法器226，227，一个加法器回路229，比例-积分-微分(PID)控制器222。分比率MFC A 223和MFC B 224最好是一样的MFCs，也就是说虽然这些MFCs的量程不同但是他们应该有相似的响应特性。比如MFC B只需提供少量受控流体，那么MFC B的量程可以选得比MFC A的量程小些，这样就提高了测量精确性。而且两个分比率MFCs 223，224最好有各自的流量传感器，分布在阀门(位于每一个大流量控制器内)的下游而不是上游，这样在总管250就可以隔离压力瞬变。虽然这里描述的控制器220是比例积分微分控制器(PID)，但并不仅局限于此。还可以选择其他反馈型控制器代替PID控制器，如积分微分控制器(ID)，超前滞后控制器(LL)，增益超前滞后控制器(GLL)等。
正如图1的实施方案所示的那样，压力传感器221提供一信号表示总管内的压力。然而在图2的实施方案中压力信号送到PID222，该控制器还接收过程控制器220的压力设定点控制信号，表示总管内的期望压力值。虽然压力设定点会在整个过程的每一步有些变化，但典型情况是过程控制器210设置的压力设定点在控制过程的每一步是定值，像图1所述的一样。通常压力设定点应限制在一个量程范围以保证MFCs 141-14N和分比率MFCs223和224能正常操作，该设定点最好设在量程的低端，以优化系统的响应特性。PID控制器222基于压力传感器221的信号和过程控制器210的压力设定点信号，为每一个乘法器226，227提供一个累积的设定点信号。
过程控制器210给乘法器226和减法器229提供分比率设定点。分比率设定点表示总管250内的受控流体流入过程室160的第一个入口151的流量。该值介于0-1之间，包括0和1，表示第一个入口151的期望流量占总流量的百分数。乘法器226将PID控制器222的累积设定点和分比率设定点相乘作为第一个分比率MFC A 223的设定点信号。过程控制器210的分比率设定点也提供给减法器229，用1减去该值得出第二个乘法器227的分比率设定点。第二个乘法器227将PID控制器222的累积设定点与第二个分比率设定点相乘，将乘积作为第二个分比率MFC B 224的设定点信号。接下来讲述分比率控制器220。
在控制过程的某一步，过程控制器210都会给出相应的过程设定点，据此每个MFC 141-14N提供计量流量的流体，在总管250内混合，流入分比率控制器220的入口。在过程控制器的每一步，过程控制器210为每一个MFC 141-14N设定合适的设定点，为分比率控制器220提供分比率设定点。PID控制器222生成累计设定点以保证过程的每一步总管压力与压力设定点匹配。压力设定点可能是常数(比如50-100托)，或者由过程处理器210设定，再或者随步骤不同而有所不同。PID控制器222的累计设定点反映了总管250内的流体速度。比如如果累计设定点为0.6(全量程的60％)分比率为0.3，第一个乘法器226将设定点0.6*0.3(即0.18)提供给第一个分比率MFC A 223，第二个乘法器227将设定点0.6*(1-0.3)(即0.42)提供给第二个分比率MFC B 224，其中的减法运算由减法器229实现。分比率MFC A 223的流量为总流量的18％，分比率MFC B 224的流量为总流量的42％。由于分比率MFCs 223，224本质上是相同的，按要求分比率MFC A223的流量为总流量的30％，分比率MFC B 224的流量为剩余部分。如果累计设定点提高到0.7，分比率MFC A 223的设定点为0.7*0.3(即0.21)，分比率MFC B 224的设定点为0.7*(1-0.3)(即0.49)，流过分比率MFCs A，B 223，224的全部流量就会提高到全量程的70％。
通过PID控制器222的作用，流经分比率MFCs A，B 223，224的全部流量可精确地等同于MFCs 141-14N的全部流量。如果累计设定点变低，压力传感器221检测总管压力，总管压力开始增加，PID控制器增加累计设定点以补偿设定点的变低；如果累计设定点变高，总压力就会降低，PID控制器降低累计设定点以抵消设定点的变高。
还有其他分比率控制器配置可以提供改进的响应特性。比如累计设定点可以为过程控制器210的设定点和PID控制器222输出的和。将总管内的流体变化前馈给控制器，能提高系统的动态响应。然而也可能增加过程控制器210编程的复杂性，因为过程控制器需要计算从过程设定点来的N2等价物的流量，并将此流量送到各个MFC中。图2所示的实施方案也可以用于不能压缩的流体，比如液体浆体。
在本发明的进一步的实施方案中提供了流量处理系统。该系统包含两个或多个出口分别接到过程室的入口。比如包含三个出口的流体处理系统，其实施方案的描述见图3。由于此实施方案的许多特性都与图2所示的实施方案相同，所以在此只详细描述两种实施方案的不同。
在控制过程的某一步，过程控制器310都会给出相应的过程设定点，据此每个MFC 141-14N提供计量流量的流体，在总管350内混合，该混合流体流入分比率控制器320的入口。在过程控制器的每一步，过程控制器310为每一个MFC 141-14N设定合适的设定点，为分比率控制器320提供分比率设定点。PID控制器322生成累计设定点以保证过程的每一步总管压力与压力设定点匹配。压力设定点可能是常数，或者由过程处理器310设定，再或者随步骤不同而有所不同。与以前描述的一样，PID控制器322的累计设定点反映了总管350内的流体速度。根据过程控制器310输出的多个分比率设定点分配累积设定点。比如如果累计设定点为0.6(全量程的60％)，分比率MFC Z为0.2，分比率MFC B为0.3，分比率MFC A为0.5，第一个乘法器326将设定点0.6*0.2(即0.12)提供给第一个分比率MFC Z 323，第二个乘法器327将设定点0.6*(0.3)(即0.18)提供给第二个分比率MFC B 324，第三个乘法器328将设定点0.6*(0.5)(即0.3)提供给第三个分比率MFC A 325。
乘法器的比率输入不能超过1。比如第一个分比率为累积设定点的40％，第二个分比率为累积设定点的60％，第三个分比率为累积设定点的100％，其分比率之比与20％∶30％∶50％相同。虽然PID控制器322最终会达到不同的值，但是每一个分比率MFC最终流过相同量的流体，与前例所示相同。
只要分比率设定点的和为一常数，就可以使用类似图2所示的减法器229来决定每一个分比率MFCs的设定点。比如，乘法器326，327的分比率设定点相加后再经过减法器将分比率设定点提供给乘法器328。还有其他配置。
虽然图3所述的分比率控制器320是以三个出口描述的，但是它同样适用于多于三个出口的系统。事实上，只要期望的分比率可以分解为多个适合的比率值，每个比率值与累积设定点相乘，就可以增加流体出口。
值得注意的是图2和3所示的分比率控制器的区别包括：每个输出口具有各自的分比率MFC，分比率MFC的设定点相互匹配，共同保持期望的总管压力。
在本发明的另一个实施方案中提供了流量控制系统。该系统包括一分比率控制器，而没有大流量控制器。图4对这种实施方案进行了进一步的阐述。
正如图1-3所述的实施方案一样，图4所示的流体处理系统400包含包括多路流体输入131-13N(表示为(S1-SN)，每一路输入都可以向相应的大流量控制器(MFC)141-14N(表示为MFC1-MFCN)提供受控流体或混合受控流体。同样的，根据从过程控制器410里接收的设定点，每一个MFC 141-14N将向总管450提供计量流体。正如图1-3所述的实施方案一样，图4所示的过程控制器410编程控制每一个MFC 141-14N，在常规模式下为处理过程的每一步提供一种或多种流体流量。
耦合到总管450和过程控制器410的是分比率控制器420。按照本发明的进一步实施方案的描述，分比率控制器420包含压力传感器421，该传感器可流畅地耦合到总管，另外该控制器还包含脉宽调制控制器(PWM)，第一、第二临界流量喷嘴(CFN)423，424(CFN A，CFN B)，第一、第二控制阀426、427，这两个阀各自位于喷嘴423、424的上游。控制阀426、427最好是数字控制法。第一、第二临界流量喷嘴423，424最好是同一类型的喷嘴并且可以流畅地耦合到总管450。假设每个临界流量喷嘴的压力比率一直保持在大约2∶1的比例，流过每个临界流量喷嘴的流量完全相同，该流量的控制是通过调节阀门426、427的打开时间来控制的。阀门426、427的打开状态可通过控制阀门的打开频率或阀开启的时间或同时调整这两个量来控制。
正如图4所示，通过每个临界流量喷嘴423，424的流量可分别通过阀门426、427控制。每个控制阀426，427可分别接收PMW控制器422来的脉宽调制控制信号428，429。脉宽调制控制器是控制阀门426，427打开的时间(宽度或W)和频率的。每个阀的频率(P)和脉宽(W)有两个因素决定：一个为上游压力，该压力设定点由压力控制器410设定，由压力传感器421检测；另一个是过程控制器410设置的期望分比率设定点信号。按照一种实施方案，每个阀门426、427的打开时间可以是相同的，调整频率来调节每个出口156、157使他们达到期望流体比率。比如出口156、157的期望分流比率为40/60，阀门427的频率应该是阀门426的频率乘以60再除以40得到的(即阀门426频率的1.5倍)。两个阀门426、427的打开时间要依据上游压力而定。为了保持期望的上游压力要增加或缩短这个时间。另一种方案是阀门426、427的频率控制信号不变，调整时间来达到期望流体比率。除此之外可同时修改脉宽(W)和频率(P)来调整每个出口使之达到期望的流体比率。
虽然第一、第二临界流量喷嘴423、424在以前的描述中被认为是本质相同的，但他们可以存在不同。然而每个临界流量喷嘴的特性可通过编程校正使他们本质相同。比如频率控制信号428和429(时间)可根据临界流量喷嘴的特性轻微调整。所以虽然临界流量喷嘴最好是一样的，但本发明并不仅限于此。
图5和图6所示的本发明的两个实施方案分别与图2和图3所述的实施方案是相同的，只是图5和图6中没有PID控制器，工程人员应该认识到没有PID控制器222，322在功能上应该等同于PID控制器的比例增益(P)为1，而微分(D)积分(I)增益为0，并且过程控制器的压力设定点为0的情况。
在图5和图6所示的实施方案中，压力传感器521、621将总管550、650的压力信号送到每个乘法器526、527(图5)和626、627、628(图6)。在图5所示的实施方案中过程控制器510将分比率设定点送到第一个乘法器526和减法器回路529。在图2所示的实施方案中，分比率设定点设置了总管550内的流体流入过程室160的第一个入口151的流量。分比率设定点是介于0和1之间的值，包括0和1，该值表示第一个入口151的期望流量占总流量的百分数。第一个乘法器526将分比率设定点与总管550的压力信号相乘，将此乘积作为第一个设定点信号送到第一个分比率MFC A 523。过程控制器510的分比率设定点也会提供给减法器回路529，用1减去该分比率设定点的值得到第二个分比率设定点，并把该值送到第二个乘法器527。第二个乘法器527将第二个分比率设定点与总管550的压力信号相乘，将此乘积作为第二个设定点信号送到第二个分比率MFC B 524。
在图6的实施方案中，过程控制器610将向分比率控制器620提供许多分比率设定点，每个分比率设定点分别送到相应的乘法器626，627，628，在乘法器内乘以总管650压力的压力值，该压力值由压力传感器621测得。每个乘法器626，627，628向各自的分比率MFC 623,624,625提供设定点信号。
按照本发明的另一个实施方案提出了流体处理系统。该系统无需压力传感器。按照此实施方案，分比率流体过程控制系统包括分比率控制器，该控制器内有比例分流阀将两个流体出口的流体分开，还有流量表测量每个流体出口的流量，以及一个控制系统控制两个流体出口流量比率。本实施方案的描述见图7。
正如图1描述的实施方案一样，图7所述的流体过程系统700包括多路流体输入131-13N(表示为S1-SN)，每一路输入都可以向相应的大流量控制器(MFC)141-14N(表示为MFC1-MFCN)提供受控流体或混合受控流体。同样的，每一个大流量控制器MFC 141-14N从各自的流体入口接受流体流量，还要从过程控制器700中接收设定点。正如图1所述的实施方案一样，图7所示的过程控制器710编程控制每一个MFC 141-14N，在常规模式下为处理过程的每一步提供一种或多种流体流量。
耦合到总管750和过程控制器710的是分比率控制器720。按照本发明的进一步实施方案的描述，分比率控制器720包含比例分流阀门70 ，该阀门701可流畅地耦合到总管，另外该控制器720还包含两个流量表702(表示为Flow Meter A)、703(表示为Flow Meter B)，加法器706，除法器708和控制器722。流量表702和703最好是统一规格的流量表，具有相同的响应特性。虽然这里描述的控制器722是比例积分微分控制器(PID)，但本发明并不仅局限于此。因此还可以其他反馈型控制器代替比例积分微分控制器(PID)，如超前滞后控制器(LL)获增益-超前-滞后控制器(GLL)等。
比例分流阀701是一常开阀，在阀门驱动信号711的控制下，它可以将入口流体有选择地分到两个出口。任一出口都可以关闭，但不能同时关闭。此方案还可以使用许多不同种类的阀门，比如圆盘式阀门，球形阀门，筒形阀门，螺线管控制的阀门等。本发明并不仅局限于某一特定类型的阀门。
比例分流阀701的一个出口可流畅地耦合到流量表A 702的入口，另一个出口可流畅地耦合到流量表B 703的入口，流量表A将指示的流量A的输出信号704分别送至加法器706和除法器708，作为他们的输入。流量表B将指示的流量B的输出信号705送至加法器706，作为它的第二个输入。加法器706将总流量信号707送至除法器708作为它的第二个输入。除法器708计算出比率反馈信号709(即流量指示A/(流量指示A+流量指示B))，该信号连接到PID控制器722的反馈输入端。过程控制器710为PID控制器722的设定点输入提供份比率设定点信号712。基于这些信号，PID控制器722内的比例分流阀门701提供阀驱动信号711来控制流体的分配。接下来描述分比率控制器720的操作。
在控制过程的某一步，过程控制器710都会给出相应的过程设定点，据此每个MFC 141-14N提供计量流量的流体，在总管750内混合，该混合流体流入分比率控制器720的入口155。在过程控制器的每一步，过程控制器710为每一个MFC 141-14N设定合适的设定点，为分比率控制器720提供分比率设定点(介于0-1)。在阀门驱动信号711的控制下，比例分流阀701将总管750的入口流体分到两个出口。值得注意的是党设定点、流量和流体种类发生改变时，阀门701的流体分配不能精确地与过程控制器710所要求的流体分配相吻合。
流量表A 702和流量表B 703分别测量比例分流阀701两个出口的实际流体流量，给出两个指示信号A704，B705。这些流量信号是控制室160的流体流量输入信号。加法器将流量指示信号A704，B705相加，计算出流经分比率控制器720的总流量707。除法器用总流量信号除以流量指示信号A704的除比率反馈信号709。PID控制器722比较分比率设定点信号712和比率反馈信号709，通过调整阀驱动信号711，是比率反馈信号709等于分比率设定点信号712。如果比率反馈信号709变低，PID控制器722提高阀门驱动信号711加以补偿；同样如果比率反馈信号709增高，PID控制器722降低阀门驱动信号711加以抵消。
应该理解的是，图7所示的实施方案可以作些修改。比如图7所示的分比率控制器720包含一除法器，用流量指示信号A除以流量信号A与B的和得到比率反馈信号709，PID控制器712比较比率反馈信号709和分比率设定信号712，这个功能同样可以用乘法器得到。再比如计算分比率设定点信号712与总流量信号707乘积的乘法器可以代替除法器A.PID控制器722比较期望流量信号A和这个流量设定点信号得到相同的功能。另外，可以不采用比例分流阀那样的连接，即阀驱动信号711的升高会导致流量表702的升高，而是降低流量表703的流量，反向连接阀701，阀驱动信号711反过来对此进行补偿。
经过对本发明至少一个图示实施方案的描述后，本领域的技术人员应该认识到本发明会存在各种修改变化和改进。这些修改变化和改进包括在本发明的范围之内。因此上面的描述仅仅是例子，并不是限制性的。本发明仅受限于下列权利要求书及其等同物。

Claims (70)

1.一种流体流量控制系统，包括：流体入口，其接收受控流体；以及
多路受控流体出口，多路受控流体出口包括第一流体出口和至少一个第二流体出口，该第一流体出口提供第一预设置的受控流体流量，至少一个第二流体出口提供受控流体的剩余流量。
2.根据权利要求1所述的流体流量控制系统，进一步包括：
压力传感器，检测流体入口受控流体的压力，并提供压力信号表示受控流体的压力；
第一流量控制器，可流畅地耦合到流体入口和第一流体出口，接收设定点，该设定点表示第一流体出口提供的第一预设置的受控流体流量；
压力控制器，可流畅地耦合到流体入口和至少一个第二流体出口，它接收压力信号和压力设定点，压力设定点表示流体入口的受控流体的期望压力，并且将受控流体的剩余部分送至至少一个第二流体出口。
3.根据权利要求书1所述的流体流量控制系统，进一步包括：
多个流体流量输入控制器，每一个控制器包括流体入口和流体出口，多个流体流量输入控制器的相应的流体入口可流畅地耦合到各自的流体输入口，每个流体流量输入控制器接收各自的设定点，该设定点设置了流出流体流量输入控制器出口的流量，流体流量输入控制器的出口可流畅地耦合到流体入口来提供受控流体；
过程控制器，为每个流体输入控制器提供设定点，为一次流体流量提供一次设定点，为压力控制器提供压力设定点；
其中提供给第一流量控制器的第一设定点是基于指示第一流量控制器所提供的第一预设置的受控流体流量的分数，再乘以和，对多个流体输入控制器来说，相应的设定点要乘以相应的校准系数。
4.根据权利要求3所述的流体流量控制器，其校准系数为一种已知流体在其流体输入控制器的满量程与该流体在一次流量控制器的满量程的比值。
5.根据权利要求4所述的流体流量控制器，其中的已知流体为氮。
6.根据权利要求4所述的流体流量控制器，其中多个流体流量输入控制器和第一流量控制器均指大流量控制器。
7.根据权利要求4所述的流体流量控制器，其中第一流量控制器是包含阀门和流量传感器的大流量控制器，流量传感器位于阀的下游。
8.根据权利要求1所述的流体控制系统，进一步包括：
压力传感器，检测流体入口受控流体的压力，并提供压力信号表示受控流体的压力；
反馈控制器接收压力信号和流体入口受控流体的期望压力信号，输出受控流体的一次设定点；
第次乘法器，其接收第一设定点和第二设定点，表示第一流体出口提供的被控流体的第一预设定部分，将他们相乘成为第一乘积设定点；
第一流体控制器，流畅地耦合到流体入口和第一流体出口，接收第一乘积设定点，将第一预设定被控流体送到第一流体出口；
第二乘法器，接收第一设定点和第三设定点，表示至少一个第二流体出口提供的被控流体的剩余部分，将他们相乘成为第二乘积设定点；以及
第二流体控制器，流畅地耦合到流体入口和至少一个第二流体出口，接收第二乘积设定点，并依据第二乘积设定点，将剩余被控流体送到至少一个第二流体出口。
9.根据权利要求1所述的流体控制系统，进一步包括：
减法器回路，接收第二设定点，用被控流体的满量程值减去第二设定点，得到第三设定点，并将其送到第二乘法器。
10.根据权利要求8-9中任何一项所述的流体流量控制系统，其中的反馈控制器是比例，积分，微分反馈控制器。
11.根据权利要求8-10中任何一项所述的流体流量控制系统，其中第一、第二流体控制器是大流量控制器，该控制器包括阀门和流量传感器，流量传感器位于第一、第二流量控制器阀门的下游。
12.根据权利要求8-11中任何一项所述的流体流量控制系统，其中第一、第二流体控制器被调整到对同一种流体来说具有相同的响应特性。
13.根据权利要求8-12中任何一项所述的流体流量控制系统，进一步包括：
多个流体流量输入控制器，每一个控制器包括流体入口和流体出口，每个流体流量输入控制器的相应的流体入口可流畅地耦合到各自的流体输入口，每个流体流量输入控制器接收各自的设定点，该设定点设置了流出流体流量输入控制器出口的流量，流体流量输入控制器的出口可流畅地耦合到流体入口来提供受控流体；以及
过程控制器，为每个流体输入控制器提供设定点，为反馈控制器提供压力设定点，为第一个乘法器提供第二设定点。
14.根据权利要求13所述的流体流量控制系统，其中多路流体流量输入控制器是大流量控制器。
15.根据权利要求1所述的流体控制系统，进一步包括：
压力传感器，检测流体入口受控流体的压力，并提供压力信号，表示受控流体的压力；
第一乘法器，接收压力信号和第一设定点，表示第一流体出口提供的被控流体的第一预设定部分，将他们相乘成为第一乘积设定点；
第一流体控制器，流畅地耦合到流体入口和第一流体出口，接收第一乘积设定点，并依据第一乘积设定点，将第一预设定被控流体送到第一流体出口；
第二乘法器，每个乘法器都对应着各自的第二流体出口，接收压力信号和第二设定点，表示至少一个第二流体出口提供的被控流体的剩余部分，将他们相乘成为第二乘积设定点；以及
第二流体控制器，流畅地耦合到流体入口和至少一个第二流体出口，接收第二乘积设定点，并依据第二乘积设定点，将剩余被控流体送到至少一个第二流体出口。
16.根据权利要求书15所述的流体控制系统，进一步包括：
减法器回路，接收第一设定点，用被控流体的满量程值减去第一设定点，得到第二设定点，并将其送到第二乘法器。
17.根据权利要求15-16中任何一项所述的流体控制系统，其中第一、第二流体控制器是大流量控制器，该控制器包括阀门和流量传感器，流量传感器位于第一、第二流量控制器阀门的下游。
18.根据权利要求15-17中任何一项所述的流体流量控制系统，其中第一、第二流体控制器被调整到对同一种流体来说具有相同的响应特性。
19.根据权利要求15-18中任何一项所述的流体流量控制系统，进一步包括：
多个流体流量输入控制器，每一个控制器包括流体入口和流体出口，每个流体流量输入控制器的相应的流体入口可流畅地耦合到各自的流体输入口，每个流体流量输入控制器接收各自的设定点，该设定点设置了流出流体流量输入控制器出口的流量，流体流量输入控制器的出口可流畅地耦合到流体入口来提供受控流体；以及
过程控制器，为每个流体输入控制器提供设定点，分别为第一和第二乘法器提供第一、第二设定点。
20.根据权利要求19所述的流体流量控制系统，其中多路流体流量输入控制器是大流量控制器。
21.根据权利要求1所述的流体流量控制系统，其中至少一个第二流体出口包括许多二次流体出口，他们集合起来提供受控流体的剩余部分，流体流量控制系统进一步包括：
压力传感器，检测流体入口受控流体的压力，并提供压力信号，表示受控流体的压力；
反馈控制器接收压力信号和压力设定点，表示流体入口的受控流体的压力期望值，以及提供受控流体流量的第一设定点；
第一乘法器，接收第一设定点和第二设定点，表示由第一流体出口提供的受控流体流量的第一预设定部分，第一设定点和第二设定点相乘成为第一乘积设定点；
第一流体控制器，流畅地耦合到流体入口和第一流体出口，接收第一乘积设定点，并依据第一乘积设定点，将第一预设定被控流体送到第一流体出口；
多个第二乘法器，每个乘法器都对应着各自的第二流体出口，接收压力信号和第二设定点，表示至少一个第二流体出口提供的被控流体的剩余部分，将他们相乘成为第二乘积设定点；以及
多个第二流体控制器，流畅地耦合到流体入口和至少一个第二流体出口，接收第二乘积设定点，并依据第二乘积设定点，将剩余被控流体送到至少一个第二流体出口。
22.根据权利要求1所述的流体流量控制系统，其中至少一个第二流体出口包括许多二次流体出口，他们集合起来提供受控流体的剩余部分，流体流量控制系统进一步包括：
压力传感器，检测流体入口受控流体的压力，并提供压力信号，表示受控流体的压力；
第一乘法器，接收压力信号和第一设定点，表示第一流体出口提供的被控流体的第一预设定部分，将他们相乘成为第一乘积设定点；
第一流体控制器，流畅地耦合到流体入口和第一流体出口，接收第一乘积设定点，并依据第一乘积设定点，将第一预设定被控流体送到第一流体出口；
多个第二乘法器，每个乘法器都对应着各自的第二流体出口，它们接收压力信号和第二设定点，表示至少一个第二流体出口提供的被控流体的剩余部分，将他们相乘成为第二乘积设定点；以及
多个第二流体控制器，流畅地耦合到流体入口和至少一个第二流体出口，接收第二乘积设定点，并依据第二乘积设定点，将剩余被控流体送到至少一个第二流体出口。
23.根据权利要求21-22中的流体流量控制系统，其中第一流体控制器和每个第二流体控制器都是大流量控制器，每个控制器包括阀门和流量传感器，流量传感器位于第一流体控制器和每个第二流体控制器流量控制器阀门的下游。
24.根据权利要求21-23中任何一项所述的流体流量控制系统，其中第一流体控制器和每个第二流体控制器被调整到对同一种流体来说具有相同的响应特性。
25.根据权利要求1所述的流体流量控制系统，进一步包括：
压力传感器，检测流体入口受控流体的压力，并提供压力信号，表示受控流体的压力；
脉宽调制控制器，接收压力信号，流体入口受控流体的压力期望值和第一设定点，该设定点表示第一流体出口送出的受控流体的预设定部分；脉宽调制控制器提供第一、第二脉宽调制控制信号；
第一临界流量喷嘴，流畅地耦合到流体入口，接收受控流体，降低受控流体的压力；
第二临界流量喷嘴，流畅地耦合到流体入口，接收受控流体，降低受控流体的压力；
第一控制阀，流畅地接到第一临界流量喷嘴和第一流体出口，它接收第一脉宽调制控制信号，依据第一脉宽调制控制信号将受控流体的第一预设定部分送到第一流体出口；
第二控制阀，流畅地接到第二临界流量喷嘴和至少一个第二流体出口，它接收第二脉宽调制控制信号，依据第二脉宽调制控制信号将受控流体的剩余部分送到至少一个第二流体出口。
26.根据权利要求25所述的流体流量控制系统，其中第一、第二临界流量喷嘴本质相同。
27.根据权利要求25-26中任何一项所述的流体流量控制系统，其中第一、第二临界流量喷嘴以2∶1的比率降低受控流体的压力。
28.根据权利要求25-27中任何一项所述的流体流量控制系统，其中第一、第二控制阀为数字控制阀。
29.根据权利要求25-28中任何一项所述的流体流量控制系统，其中至少一个频率和第一、第二脉宽调制控制信号的脉宽可依据压力信号、压力设定点和第一设定点来调节。
30.根据权利要求25-29中任何一项所述的流体流量控制系统，其中至少一个频率和第一、第二脉宽调制控制信号的脉宽可进一步调整，使第一、第二临界流量喷嘴本质相同。
31.根据权利要求1-30中任何一项所述的流体流量控制系统，多个流体出口可流畅地接到半导体晶片处理室。
32.根据权利要求1-31中任何一项所述的流体流量控制系统，其中受控流体是气态受控流体。
33.一种控制受控流体流量的方法，包括以下操作：
在流体入口接收受控流体；
为第一流体出口提供受控流体的第一预设定部分；
为至少一个第二流体出口提供剩余受控流体。
34.根据权利要求33的方法，进一步包括下列操作：
接收第一设定点，表示第一流体出口接收到的受控流体的第一预设定部分；
根据第一设定点第一流量控制器将受控流体的第一预设定部分送到第一流体出口。
35.根据权利要求34的方法，进一步包括下列操作：
在流体入口测量受控流体的压力；
接收压力设定点，该设定点表示流体入口受控流体期望压力；
其中提供受控流体剩余部分的操作包括向至少一个第二流体出口提供受控流体以保持受控流体的压力设定值。
36.根据权利要求35的方法，进一步包括下列操作：
接收设定点，表示流体流量输入控制器的每一路流体输入量；
将每一路流体流量集合起来形成受控流体流量；
依据第一流体出口收到的受控流体的预设定部分决定第一设定点，将它与和相乘，对于多路流体流量，每一个设定点与相应的流体输入控制器的校准系数相乘。
37.根据权利要求36的方法，进一步包括下列操作：
决定每一个流体输入控制器的校准系数，方法是：对一种已知流体，每一路流体输入控制器的满量程除以第一流体控制器的满量程。
38.根据权利要求35的方法，其中已知流体为氮。
39.根据权利要求34-3 8中任何一项所述的方法，其中第一流量控制其包括流量传感器和阀门，该方法进一步包括下列操作：
将流量传感器设置在阀门的下游来最小化流量传感器的压力瞬变。
40.根据权利要求33的方法，进一步包括下列操作：
测量流体入口的受控流体的压力；
接收压力设定点，该设定点表示流体入口受控流体的期望压力值；
决定第一设定点，该值表示流体入口受控流体的流量，它是依据压力设定点和受控流体的压力得到的；
接收第二设定点，该点表示送到第一流体出口的受控流体的预设定部分；
将第一、第二设定点相乘得到第一乘积设定点；
依据第一乘积设定点第一流量控制器为第一流体出口提供受控流体的第一预设定部分。
41.根据权利要求36的方法，进一步包括下列操作：
第三设定点表示至少一个二次流体出口收到受控流体的剩余部分，将第一、第三设定点相乘得到第二乘积设定点；
依据第二乘积设定点第二流量控制器为至少一个第二流体出口提供受控流体的剩余部分。
42.根据权利要求41的方法，进一步包括下列操作：
接收由流体入口收到的受控流体流量；以及
由流体入口收到的满量程受控流体减去第二设定点得到第三设定点。
43.根据权利要求41-42中任何一项所述的方法，进一步包括下列操作：
调节第一、第二流量控制器使它们对同一种流体具有相同的响应特性。
44.根据权利要求41-43中任何一项所述的方法，其中第一、第二流体控制器各包括流量传感器和阀门，进一步包括下列操作：
将流量传感器设置在第一、第二流体控制器阀门的下游来最小化流量传感器的压力瞬变。
45.根据权利要求33的方法，进一步包括下列操作：
在流体入口测量受控流体的压力；
接收第一设定点，该点表示第一流体出口收到的受控流体的第一预设定部分；
用受控流体的压力和第一设定点相乘决定第一乘积设定点；
依据第一乘积设定点第一流量控制器为第一流体出口提供受控流体的第一预设定部分。
46.根据权利要求45的方法，进一步包括下列操作：
第二设定点表示送到至少一个第二流体出口的受控流体的剩余部分，用受控流体的压力与第二设定点相乘得到第二乘积设定点；
依据第二乘积设定点第二流量控制器为至少一个第二流体出口提供受控流体的剩余部分。
47.根据权利要求45的方法，进一步包括下列操作：
接收表示流体入口收到的受控流体流量；
第一流体入口收到的满量程受控流体减去第一设定点得到第二设定点。
48.根据权利要求46-47中任何一项所述的方法，进一步包括下列操作：
调节第一、第二流量控制器使它们对同一种流体具有相同的响应特性。
49.根据权利要求46-48中任何一项所述的方法，其中第一、第二流体控制器各包括流量传感器和阀门，进一步包括下列操作：
将流量传感器设置在第一、第二流体控制器阀门的下游来最小化流量传感器的压力瞬变。
50.根据权利要求33的方法，其中至少一个第二流体出口是指许多第二流体出口，他们集合起来提供受控流体的剩余部分，进一步包括下列操作：
测量流体入口受控流体的压力；
接收第一设定点，该点表示第一流体出口收到的受控流体的第一预设定部分；
用受控流体的压力和第一设定点相乘决定第一乘积设定点；
依据第一乘积设定点第一流量控制器为第一流体出口提供受控流体的第一预设定部分
接收许多第二设定点，每一个设定点都与一个第二流体出口相对应；
用受控流体的压力与每一个第二设定点相乘分别得到各自的第二乘积设定点；
依据每一个第二乘积设定点，与多个第二流体出口的每一路对应的第二流体控制器将会提供受控流体的第二部分。
51.根据权利要求50的方法，进一步包括下列操作：
调节第一控制器和每一个第二流量控制器，使它们对同一种流体具有相同的响应特性。
52.根据权利要求50-51中任何一项所述的方法，其中第一流量控制器和每一个第二流量控制器各包括流量传感器和阀门，进一步包括下列操作：
将流量传感器设置在第一流量控制器和每一个第二流量控制器阀门的下游来最小化流量传感器的压力瞬变
53.根据权利要求33的方法，进一步包括下列操作：
测量流体入口的受控流体的压力；
接收压力设定点，该设定点表示流体入口受控流体的期望压力值；
接收第一设定点，该点表示第一流体出口收到的受控流体的第一预设定部分；
依据受控流体的压力信号、压力设定点和第一设定点来生成第一脉宽调制控制信号；
依据第一脉宽调制控制信号，控制第一阀门向第一出口提供受控流体的第一部分。
54.根据权利要求53的方法，进一步包括下列操作：
依据受控流体的压力信号、压力设定点和第一设定点生成第二脉宽调制控制信号；
依据第二脉宽调制控制信号，控制第二阀门向至少一个第二出口提供受控流体的剩余部分。
55.根据权利要求54的方法，进一步包括下列操作：
依据压力信号、压力设定点和第一设定点来调制第一、第二脉宽调制控制信号的至少一个频率和脉宽。
56.根据权利要求54-55中任何一项所述的方法，进一步包括下列操作：
在向第一、第二阀门提供受控流体之前降低受控流体的压力。
57.根据权利要求56的方法，其中降低压力的操作包括按2∶1的比率减少受控流体的压力。
58.根据权利要求56-57中任何一项所述的方法，其中降低压力的操作是由位于第一、第二阀门上游的第一、第二临界流量喷嘴完成的，进一步的调制操作包括进一步调制第一或第二脉宽调制信号的至少一个频率和脉宽，使第一、第二临界流量喷嘴特性相同。
59.一种流量控制器，向许多装置入口提供受控流体，它包括：
接收流体的入口；
许多出口，他们将受控流体送到多个装置入口，这些出口包括第一流体出口和至少一个附加出口；
第一输入接收第一信号，该信号表示流体入口收到的受控流体流量；
第二输入接收第二信号，该信号表示第一流体出口收到的受控流体第一预设定量以及至少一个附加流体出口的剩余流量。
60.根据权利要求59中的流量控制器，进一步包括：
第一乘法器，接收第一和第二信号，将他们相乘得到第一乘积信号；
第一流量控制器，可流畅的耦合到流体入口和第一流体出口，接收第一乘积信号，并据此将受控流体的第一预设定部分送到第一流体出口。
61.根据权利要求60所述的流量控制器，其中至少一个第二流体出口是指许多第二流体出口，他们集合起来提供受控流体的剩余部分，流体流量控制器进一步包括：
多个附加输入接收附加信号，表示送到每个多路附加流体出口的受控流体第二剩余量；
多个第二乘法器对应每一个独立的附加输入，将第一信号和相应的附加信号相乘得到相应的第二乘积信号；
多个第二流体控制器于每一个独立第二乘法器对应，它可以流畅地耦合到流体入口以及相应的多个附加流体出口，从相应的第二乘法器接收相应的第二乘积信号，依据第二乘积信号将向附加流体出口提供剩余流量的第二部分。
62.根据权利要求59-61中任何一项所述的流量控制器，其中第一信号表示流体入口收到的受控流体的压力。
63.根据权利要求59-61中任何一项所述的流量控制器，其中第一信号基于流体入口收到的受控流体的压力。
64.一种流体控制器，其包括：
第一输入，接收一次信号，表示流体入口收到的受控流体；
第二输入，接收第二信号，表示受控流体第一预设定量；
第一乘法器，接收第一和第二信号将他们相乘得到第一乘积信号，该信号表示受控流体第一预设定量，独立于在流体入口接收到的受控流体量。
65.根据权利要求64的流量控制器，进一步包括：
许多附加的输入，每一个都可以接收器对应的信号，表示在流体入口收到的受控流体的第二预设定量；
许多第二乘法器与每一个相应的附加输入有关，他们分别接收第一信号和相应的附加信号并将他们相乘，得出相应的第二乘积信号，该信号表示受控流体第二预设定量，独立于在流体入口接收到的受控流体量。
66.根据权利要求64-65中任何一项所述的流量控制器，其中第一信号表示流体入口收到的受控流体的压力。
67.根据权利要求64-65中任何一项所述的流量控制器，其中第一信号基于流体入口收到的受控流体的压力。
68.根据权利要求1中的流量控制系统，其中至少一个第二流体出口只包含一个第二流体出口，该系统进一步包含：
阀门，其包含流体入口，可流畅地耦合到流体流量控制系统的流体入口，第一流体出口可流畅地耦合到流体控制系统的第一流体出口，第二流体出口可流畅地耦合到流体控制系统的第二流体出口，依据阀门驱动信号，此阀门可分别把受控流体的第一预设定流量和剩余部分送到第一、第二流体出口。
69.根据权利要求68所述的流量控制系统，进一步包括：
控制器接收设定点，表示受控流体的第一预设定部分，以及反馈信号，该信号表示受控流体第一预设定流量的测量值，并输出阀门驱动信号。
70.根据权利要求69中的流量控制系统，进一步包括：
第一流量表，测量阀门第一出口给出的受控流体的第一预设定部分，并给出第一流量信号；
第二流量表，测量阀门第二出口给出的受控流体的第一剩余部分，并给出第二流量信号；
加法器，接收第一、第二流量信号并将它们相加，给出流量和信号；
除法器，接收第一流量信号和流量和信号，并用第一流量信号除以流量和信号，将此商信号输出到控制器作为反馈信号。
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