CN1777790A - 具有多传感器的流量仪器 - Google Patents
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Abstract
一种用于控制流体流量的仪器。所述仪器具有位于入口(106)和出口(108)之间的流量限制器(110)。第一和第二多传感器(120，124)具有在入口和出口中的检测表面(122，126)，它们检测流体流动的压力和温度。回路(130)根据入口中的压力和出口中的压力之间的差产生质量流量输出(155)。质量流量输出包括作为入口和出口中的检测温度中的至少一个温度的函数的温度修正。
Description
技术领域
本发明涉及用于控制流体流量的仪器。具体而言，本发明涉及在半导体器件制造中的高纯流体的流量的控制。
背景技术
诸如质量流量控制器、压力传送器和温度传感器之类的仪器被用于诸如微处理器和专用集成电路(ASIC’s)之类的半导器器件的制造中。所述仪器包括传感器，用于测量和控制在半导体制造过程中使用的各种流体的流量。使流体与多种单独传感器连接是麻烦的，增加了在传感器周围的流体密封件的数量，并增加了由于在各种传感器处的不同处理条件所引起的流体泄漏和/或误差的可能性。因此需要一种简化仪器安装并减少传感器连接的数量的方法。
发明内容
公开了一种控制流体流量的仪器和方法。所述仪器包括流动主体，流动主体包括入口、出口和流量限制器，所述流量限制器连接从入口至出口的流体流动。
所述仪器包括第一多传感器，第一多传感器具有在入口中的第一检测表面，用于检测流体的压力和温度。所述仪器还包括第二多传感器，第二多传感器具有在出口中的第二检测表面，用于检测流体的压力和温度。
所述第一和第二多传感器被连接到仪器中的电路中。所述电路根据第一和第二多传感器的输出产生流体流量输出。流体流量输出包括作为入口和出口中的检测温度中的至少一个温度的函数的温度修正。
通过阅读以下的具体描述并参见相关的附图，本发明的这些和各种其它特征将更明显。
附图说明
图1示出了流体流量仪器的第一实施例。
图2示出了多传感器的实施例。
图3示出了多传感器承载板的实施例。
图4示出了包括阀的流体流量仪器的第二实施例。
具体实施方式
在以下描述的实施例中，公开了用于控制流体流量的方法和仪器。所述仪器包括入口多传感器和出口多传感器，每个传感器检测传送流体流量的流量限制器两端的压力和温度。每个多传感器包括在共用检测表面处进行检测的压力传感器和温度传感器。所述检测表面被浸在流动流体中，被检测的温度是流动流体的温度和压力传感器的温度。被检测的温度可被用于对压力传感器提供温度修正，并提供用于计算质量流量的温度读数。通过使用多传感器并通过将多种功能放在单个仪器中，管路连接和电气连接的数量被减少，以简化安装。
在以下示出的实施例中，用于检测清洁流体(气体或液体)流量的仪器是精确的，不必依赖于将出口压力降低至大气压(利用打开的出口或来自仪器的排气的校准)，不要求气体处于或接近校准条件(与校准条件相同的压力、温度或密度)，并且不要求旁路装置，其中在旁路装置流量以成比例的分支(leg)被分为主流量和检测流量。在以下说明的装置中，可构造一种仪器，其中多传感器浸润材料是蓝宝石，用于抗腐蚀性和与多种不同的清洁流体的兼容性。在以下说明的装置中，传感器不需要诸如硅油或Fluorinert之类的隔离流体，因此，即使在多传感器被机械损坏的故障状态下，也不存在隔离流体污染清洁处理流体的危险。
图1示出了流体流量仪器100的第一实施例，其可被用于测量或检测流体流102。仪器100包括流动主体104，流动主体104包括入口106、出口108和流量限制器110，流量限制器110连接从入口106至出口108的流体流102。流量限制器110优选是具有多个孔的多孔材料制成的圆柱形块。入口106和出口108优选包括螺纹接头112、114，例如Swagelok(VCO)接头，以便于连接到流体管。仪器100可被用于制造厂以传送在制造半导体器件中使用的非常小量的清洁流体的精确测量的流量。
仪器100包括第一多传感器120，第一多传感器120具有在入口106中的第一检测表面122。第一检测表面122检测入口106中的流体流102的压力P1和温度T1。仪器100包括第二多传感器124，第二多传感器124具有在出口108中的第二检测表面126。第二检测表面126检测出口108中的压力P2和温度T2。
流量限制器110在入口106和出口108之间在流体流102中产生压降，也称作压差(P1-P2)。
第一和第二多传感器120、124连接到仪器100中的电路130。电路130优选根据在入口106中检测的压力P1和在出口108中检测的压力P2之间的差(P1-P2)在线路155上产生流体流量输出。在线路155上的流体流量输出优选包括作为在入口106和出口108分别检测的温度T1、T2中的至少一个温度的函数的温度修正，流体流量输出优选代表质量流量。在一个优选的布置中，电路130可编程以为每种应用提供希望的函数。函数(functional)算法可通过在线路155上收到的命令或通过从线路155下载应用程序到电路130并将应用程序储存在电路130中的永久性存储器中来进行选择(从存储在电路130中的程序(routine))。
入口106通过多传感器承载板132被密封并与电路130隔离开。第一孔134穿过多传感器承载板132。第一多传感器120具有填充第一孔134的中心颈部136和入口106外侧的输出引线部分138。中心颈部136优选被密封到第一孔134。这种布置提供了流体隔离，从而流动流体102不会与连接到引线部分138和电路130的多个引线140接触和腐蚀多个引线140。
出口108通过多传感器承载板132被密封并与电路130分离。第二孔144穿过多传感器承载板132。第二多传感器124具有填充第二孔144的中心预部146和位于出口108外侧的输出引线部分148。中心颈部146优选被密封到第二孔144。这种密封布置提供流体隔离，从而流动流体102不会与连接到引线部分148和电路130的多个引线150接触并腐蚀该多个引线150。
在另一个优选的布置中，第一和第二多传感器120、124具有从各个第一和第二检测表面延伸到各个第一和第二电连接端部138、140的各个第一和第二中心传感器轴136、146。多传感器承载板132具有第一和第二通孔134、144，第一和第二通孔134、144被密封到各个第一和第二中心传感器轴136、146上，并在流体和第一和第二电连接端部之间提供流体隔离。
如图1可看出，多传感器120、124仅用在136、146处的两个传感器密封提供四种流体性能的测量，即压力P1、P2和温度T1、T2。仪器100仅使用一个入口连接件112和一个出口连接件114以测量这四种流体性能。多传感器120、124的使用允许在仪器100中的用于流动主体104的非常紧凑的“覆盖区域”。在一个优选的布置中，流动主体104具有不超过大约106mm的入口接头之间的铺设长度“A”，并具有不超过大约38mm的横切铺设长度的宽度。流量仪器(不包括螺纹接头)的总的“覆盖区域”优选大约为38×106mm。
在一个优选的布置中，电路130也在线路155上产生绝对压力输出AP1、AP2，作为分别在入口和出口检测的压力P1、P2的函数。在另一优选的布置中，电路130也在线路155上产生温度输出T，作为温度T1、T2之一或两者的函数。温度输出根据应用的需要可以是T1、T2、T1和T2的平均值、T1和T2的差值或比值T1/T2。电路130优选包括计算电路152，计算电路152计算输出FLOW、T、AP1、AP2并提供输出给调制解调器154，调制解调器154在标准工业通信协议，如HART、PROFIBUS、FOUNDATION FIELDBUS，CONTROLLER AREA NETWORK(CAN)或其它标准串行通信协议中的单一串行总线路155上提供所有的输出。在一个优选的布置中，串行总线路155优选包括二线，4-20mA工业标准回路，其为流量仪器提供所有的电激励或功率，并具有叠加在4-20mA回路电流上的双向HART串行通信信号。在进一步优选的布置中，电路130被布置以具有相对二线4-20mA回路的内在的安全界面，电路130及其与多传感器120、124的连接被容纳在防爆室中。在一些应用中，也可提供多模拟输出。
在另一优选的布置中，限制器110可被设定尺寸，使得通过限制器110的流体流102处于层流的范围内。这种使用层流范围的布置在压降(P1-P2)和流体流102的质量流量之间提供线性关系。从而避免了校准和使用流量仪器的困难，所述流量仪器在压降和流量之间提供平方根关系。流量限制器110优选包括诸如硅或金属之类的多孔材料的块。流量限制器的特定材料被选择以与流体兼容和具有多孔性。
根据流体是液体或气体以及应用的管路和电气界面需要，可构造仪器100的各种构造。在一个优选的布置中，在多孔材料块110中的流体的速度被选择为在这样的速度范围内，使得在线路155上的流体流量输出是入口压力的函数，并且基本独立于出口压力。在另一个优选的布置中，仪器100在线路155上具有的质量流量输出基本上是入口压力的线性函数。在另外一个优选的布置中，多孔材料块110中的流体流动是层流。在线路155上的流体流量输出可以是入口压力P1和出口压力P2之间的差的函数。
在一个优选的实施例中，电路155可被编程以在线路155上提供选自压力、温度和流体流动变量组中的单个或多个输出。
多传感器120、124可被制造，例如Frick等的美国专利6,089,097的图7-10所示，该专利的内容在此通过引用被全文并入。多传感器的另一例子在以下参照图2被说明。
图2示出了多传感器170的实施例的分解图。多传感器170包括第一层172和第二层174，第一层172和第二层174由耐腐蚀性、电绝缘材料如合成单晶铝(蓝宝石)或石英等构成。在图2的分解视图中，第一层172和第二层174的内表面被示出。第一和第二层172的背(外)侧在图2中看不到，位于组装的多传感器170的外部，优选是扁平的、没有特征的。
多传感器170具有细长的形状，从检测区域176通过颈部区域178延伸到引线端区域180。颈部区域178也被称作中心传感器轴178，优选外部被涂镀金属(如同3所示)，以便被焊接到多传感器承载板132上，这在下面参照图3更详细地说明。检测区域176中的扁平的背表面(图2中未示出)包括与温度传感器182和电容式压力传感器相对的检测表面，所述电容式压力传感器包括金属电容器极板(也称作电极)184、186。台面或凸起部190(在图2中图示为点状外观)围绕电容器极板186和温度传感器182。电容器极板186和温度传感器182处于由台面190包围的浅腔192中。在两个层172和174结合在一起时台面190和浅腔192的布置在电容器极板184和186之间提供间距。
温度传感器182通过引线194、196电连接至引线端区域180中的引线焊盘198、200。引线194、196穿过颈部区域178。
电容器极板184通过引线202电连接至第一层间触点204。当两层172、174被结合在一起时，层172上的第一层间触点204与层174上的第二层间触点206电接触。第二层间触点206通过引线208被连接至引线焊盘210。电容器极板186通过引线212被电连接至引线焊盘214。引线202、212穿过颈部区域178。
两层172、174优选通过台面190的抛光的蓝宝石表面和层172之间的直接结合而被结合在一起。直接结合是优选的，因为不需要结合材料以将层172、174结合在一起，检测区域176中的传感器170的整个外表面由蓝宝石形成，所述蓝宝石对半导体制造中使用的许多流体具有耐腐蚀性。暴露的蓝宝石检测表面可以与流体直接接触，不需要增加隔离流体和隔离膜。在两层172和174被结合在一起后，玻璃料可沿着边缘216被涂敷，以在腔192中密封真空，从而多传感器检测绝对压力AP。
在操作中，多传感器170包括电容器极板184、186，电容器极板184、186互相间隔开以形成压力检测电容。围绕检测区域176的压力偏转检测区域中的层172、174，以便有效地改变电容器极板184、186之间的间距，并改变作为检测压力的函数的电容。检测区域176被浸在流体中，温度传感器182检测流流体和压力传感器两者的温度。在优选的布置中，温度传感器182检测多传感器170的温度和周围流体的温度，并被电路130使用以对电容式压力传感器的输出进行温度修正，并同时修正用于温度的质量流量计算。
多传感器170的外部检测表面是蓝宝石，并直接接触流体。层172、174形成蓝宝石多传感器壳，电容式压力传感器和温度传感器形成在蓝宝石多传感器壳内。温度传感器182和电容式压力传感器在壳内并被保护以免接触流体。蓝宝石多传感器壳使压力传感器和温度传感器与流体隔离
在优选的布置中，多传感器170被设定尺寸，以具有100磅/平方英尺(psi)的范围上限，以提供强度和精度的良好组合，用于典型的半导体处理设备中的清洁流量范围。
图3示出了在多传感器承载板253内多传感器250的优选的安装。多传感器250包括涂镀金属的颈部区域254，颈部区域254是可焊接的表面，优选电积镍。应力释放板256优选由电铸金属片构成，并通过圆形焊接接头258被焊接到颈部区域254。电铸金属片应力释放板256通过圆形焊接接头260被焊接到多传感器承载板252上。这种布置提供流体密封，从而处于压力P下的加压流体262可到达检测表面264，同时引线266与多传感器承载板252后面的流体262流体隔离。
图4示出了包括阀302的流体流量仪器300的第二实施例。流体流量仪器300在许多方面类似于图1所示的仪器100，然而，仪器300包括电驱动阀302和修改的电路304，该电路304控制阀302以调节作为流量输出FLOW的函数的流量。电路304提供闭合的控制回路，该控制回路完全在仪器300中。图4中使用的与图1中的附图标记相同的附图标记表示相同的或可比的特征。
电路304接收由用户选择的流体流动设定点308。设定点308可以是手动调节或从控制系统接收的表示具体应用的期望流体流量的电输入。电路304包括总和点310，其将流量设定点308与检测的流量312相比较，并在314提供差值信号(也被称作误差信号)。计算电路152控制作为差值信号314的函数的阀302的打开，以调节在阀出口316处的流体102的流量。
阀302被连接到流动主体以从出口108接收流体。电路304用作控制电路，控制电路将电信号连接到阀302并控制作为流量输出和流量设定点308的函数的流量。用于控制阀302的打开的算法可以是比例、积分和微分控制作用的任意组合，通常被称作P、PI、PD、PID控制。
如图4所示的布置仅在入口106和阀出口316处具有两个连接至用户管路的螺纹连接。在图4所示的布置优选在单一的紧凑的封装中提供流体流量检测、线压力和出口压力检测、流体温度检测和流动的阀控制。
在优选的布置中，设定点308(其是输入)和输出T、AP1、AP2、FLOW都在诸如HART、PROFIBUS、FOUNDATION FIELDBUS，CONTROLLERAREA NETWORK(CAN)等的标准工业通信协议或其它标准串行通信协议的单一串行总线上。在一个优选的布置中，串行总线优选包括二线、4-20mA回路，该回路为流体流量仪器提供所有的电激励或功率，并具有叠加在4-20mA回路电流上的双向HART串行通信信号。在另外的优选布置中，电路304被设置为具有相对于二线4-20mA回路的内在的安全界面，电路304及其与多传感器120、124的连接被容纳在防爆壳体中。在一些应用中，可提供多个模拟输出。
应当理解，尽管前面的说明已经描述了本发明的各种实施例的许多特点和优点以及本发明的各种实施例的具体结构和功能，这种公开只是为了示例，在本发明的最宽的范围内，可在细节上特别是部件的结构和布置上进行改变，所述的范围由权利要求表达的术语的最广泛的一般含义表示。例如，在不偏离本发明的范围和宗旨的条件下，根据流体流量仪器的特定的应用，可以改变特定的元件，而保持基本相同的功能。在不偏离本发明的范围和宗旨的条件下，本发明的教导可以用于其它的流体流量计。
Claims (30)
1.一种用于检测流体流量的仪器，包括：
流体主体，流体主体包括入口、出口和流量限制器，所述流量限制器连接从入口至出口的流体流动；
第一多传感器，第一多传感器具有在入口中的第一检测表面，用于检测流体的入口压力和温度；
第二多传感器，第二多传感器具有在出口中的第二检测表面，用于检测流体的出口压力和温度；和
连接到第一和第二多传感器的电路，所述电路基于第一和第二多传感器的输出产生流体流量输出，流体流量输出包括作为入口和出口中的检测温度中的至少一个温度的函数的温度修正。
2.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，流量限制器包括连接从入口至出口的流体的多孔材料块。
3.根据权利要求2所述的仪器，其特征在于，多孔材料块中的流体的速度处于这样的速度范围，以使得流体流量输出是入口压力的函数，并且大体上独立于出口压力。
4.根据权利要求3所述的仪器，其特征在于，所述流体流量输出大体上是入口压力的线性函数。
5.根据权利要求3所述的仪器，其特征在于，所述多孔材料块中的流体流是层流。
6.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述流体流量输出是入口压力和出口压力的函数。
7.根据权利要求6所述的仪器，其特征在于，所述流体流量输出是入口压力和出口压力之间的差值的函数。
8.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述电路产生选自压力、温度和流动变量组中的多个输出。
9.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述电路产生温度输出。
10.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述第一和第二多传感器具有各个第一和第二中心传感器轴，所述第一和第二中心传感器轴从各个第一和第二检测表面延伸到各个第一和第二电连接端部，所述仪器还包括具有第一和第二通孔的多传感器承载板，所述第一和第二通孔密封到各个第一和第二中心传感器轴上，在流体和第一和第二电连接端部之间提供隔离。
11.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述第一检测表面包括蓝宝石。
12.根据权利要求11所述的仪器，其特征在于，所述第二检测表面包括蓝宝石。
13.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述第一和第二检测表面与流体流直接接触。
14.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述第一和第二多传感器各自包括蓝宝石多传感器壳，压力传感器和温度传感器形成在每个蓝宝石多传感器壳内部。
15.根据权利要求14所述的仪器，其特征在于，所述蓝宝石多传感器壳将压力传感器和温度传感器与流体隔离。
16.根据权利要求14所述的仪器，其特征在于，所述温度传感器检测流体的温度和压力传感器的温度。
17.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述第一和第二多传感器检测绝对压力。
18.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述流量限制器包括具有多个孔的多孔金属。
19.根据权利要求17所述的仪器，其特征在于，管包括具有多个孔的多孔硅。
20.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，还包括：
连接到流动主体的阀；和
连接到阀的控制电路，其控制作为出口流体流量和流量设定点的函数的流体流量。
21.根据权利要求20所述的仪器，其特征在于，所述控制电路用比例控制算法控制阀。
22.根据权利要求20所述的仪器，其特征在于，所述控制电路用比例-积分控制算法控制阀。
23.根据权利要求20所述的仪器，其特征在于，所述控制电路用比例-积分-微分控制算法控制阀。
24.根据权利要求20所述的仪器，其特征在于，所述控制电路用比例-微分控制算法控制阀。
25.根据权利要求20所述的仪器，其特征在于，所述流动主体具有不超过大约106mm的入口接头之间的铺设长度。
26.根据权利要求25所述的仪器，其特征在于，所述流动主体具有横切铺设长度的不超过大约28mm的宽度。
27.一种通过仪器控制流体流量的方法，包括：
通过流量限制器连接从入口至出口的流体流动；
用具有在入口中的第一检测表面的第一多传感器检测流体的入口压力和温度；
用具有在出口中的第二检测表面的第二多传感器检测流体的出口压力和温度；
将第一和第二多传感器连接到产生流体流量输出的电路；和
根据选自入口压力和出口压力的压力产生流体流量输出，流体流量输出包括作为入口和出口中的检测温度中的至少一个温度的函数的温度修正。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括由多孔材料块形成流量限制器。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括选择具有这样的孔尺寸的多孔材料块，所述孔尺寸使得在多孔材料块中的流体的速度处于这样的速度范围，从而使流体流量输出是入口压力的函数，并大体上独立于出口压力。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述流体流量输出大体上是入口压力的线性函数。
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