DE10392770B3

DE10392770B3 - Massenstrom-Sensor und Verfahren zur Druckschwankungs-unabhaengigen Massenstroemungs-Steuerung

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Publication number: DE10392770B3
Application number: DE10392770A
Authority: DE
Inventors: Ali Shajii; Nicholas Kottenstette; Jesse Ambrosina; John A. Smith
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: JP2012150840A; JP5068787B2; JP2014056618A; JP2009277240A

Abstract

Massenstrom-Sensor (202) zum Betrieb mit einer Massenstrom-Steuerung (200), die ein Auslass-Steuerventil (220) zur Steuerung einer Strömungsmittel-Strömung durch die Steuerung einschließt, mit: einem thermischen Massenstrom-Sensor (204), unter Einschluss eines Sensor-Nebenschlusses (216), der zur Messung der Strömung des Strömungsmittels in den Einlass der Steuerung ein Laminarströmungs-Element (212) enthält; einem Drucksensor (206), der zur Messung des Strömungsmitteldruckes in dem Volumen (216a) zwischen dem Laminarströmungs-Element (212) im Sensor-Nebenschluss (216) und dem Auslass-Steuerventil (220) konfiguriert ist, wobei dieses Volumen nachfolgend als Totvolumen (216a) bezeichnet wird; einer elektronischen Steuerung (210, 400), die zur Überwachung des von dem Drucksensor (206) gemessenen Druckes und zur Kompensation der von dem Massenstrom-Sensor (204) gemessenen Einlass-Strömungsrate konfiguriert ist, wobei die elektronische Steuerung zur Berechnung der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens (216a) und zur Verwendung dieser zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit sowie des Volumens (V) des Totvolumens (216a) zur Erzeugung einer kompensierten Messung der Auslass-Strömungsrate des Strömungsmittels aus der Massenstrom-Steuerung (200) heraus konfiguriert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Massenstrom-Sensor sowie auf Verfahren zur Messung und Regelung von Massenströmen.
Thermische Kapillarrohr-Massenstrom-Sensoren nutzen die Tatsache aus, dass die Wärmeübertragung auf ein Strömungsmedium, das in einem laminaren Rohr strömt, von dessen Rohrwandungen aus eine Funktion der Massenstrom-Rate des Strömungsmittels, der Differenz zwischen der Strömungsmittel-Temperatur und der Wandtemperatur und der spezifischen Wärme des Strömungsmittels ist. Massenstrom-Steuer- und Regeleinrichtungen verwenden eine Vielzahl von Massenstrom-Sensor-Konfigurationen. Beispielsweise beinhaltet eine Art von Konstruktion ein aus Edelstahl bestehendes Strömungssensor-Rohr mit einem oder typischerweise zwei oder mehr Widerstandselementen in thermisch leitendem Kontakt mit dem Sensorrohr. Die Widerstandselemente bestehen typischerweise aus einem Material, das einen hohen Widerstands-Temperaturkoeffizienten aufweist. Jedes der Elemente kann als eine Heizeinrichtung, ein Detektor oder als beides wirken. Ein oder mehrere der Elemente werden mit einem elektrischen Strom gespeist, um Wärme an den Strömungsmittel-Strom durch das Rohr zu liefern. Wenn die Heizeinrichtungen mit einem konstanten Strom gespeist werden, kann die Rate des Massenstroms des Strömungsmittels durch das Rohr aus den Temperaturunterschieden in den Elementen abgeleitet werden. Massenstromraten des Strömungsmittels können auch durch Ändern des Stromes durch die Heizeinrichtungen zur Aufrechterhaltung eines konstanten Temperaturprofils abgeleitet werden.
Derartige thermische Massenstrom-Sensoren können als Teil einer Massenstrom-Steuerung oder Regelung angebracht werden, wobei das Strömungsmittel von dem Hauptkanal der Steuerung aus das Kapillarrohr (das hier auch als das Sensorrohr bezeichnet wird) speist. Der Teil des Hauptkanals, an dem der Einlass und der Auslass des Sensorrohres angebracht sind, wird in vielen Fällen als der „Nebenschluss” des Strömungssensor bezeichnet. Viele Anwendungen verwenden eine Vielzahl von Massenstrom-Steuerungen zur Regelung der Zufuhr eines Strömungsmittels durch eine Versorgungsleitung, und eine Vielzahl der Versorgungsleitungen kann von einer Haupt-Strömungsmittel-Versorgungsleitung „abgezapft” sein. Eine plötzliche Änderung der Strömung zu einer der Steuerungen kann Druckschwankungen an dem Einlass einer oder mehrerer der übrigen Steuerungen hervorrufen, die von der Haupt-Versorgungsleitung abgezapft werden. Derartige Druckschwankungen rufen Unterschiede zwischen der Strömungsrate an dem Einlass und Auslass einer betroffenen Massenstrom-Steuerung hervor. Weil die thermischen Massenstrom-Sensoren die Strömung am Einlass einer Massenstrom-Steuerung messen, die Auslassströmung von der Steuerung jedoch der kritische Parameter für die Prozesssteuerung ist, können derartige Einlass-/Auslass-Strömungsunterschiede zu erheblichen Prozesssteuerungs-Fehlern führen.
In einer Halbleiter-Bearbeitungs-Anwendung kann ein Prozesswerkzeug eine Vielzahl von Kammern einschließen, wobei jede Kammer eine oder mehrere Massenstrom-Steuerungen aufweist, die die Strömung eines Gases in die Kammer steuern. Jede der Massenstrom-Steuerungen wird typischerweise alle zwei Wochen neu kalibriert. Der Vorgang des Neukalibrierens ist beispielsweise in dem US-Patent 6 332 348 B1 auf den Namen von Yelverton et al. vom 25. Dezember 2001 beschrieben, deren Inhalt durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird. Im Verlauf einer derartigen Kalibrierung an Ort und Stelle erfordern übliche Verfahren, dass ein Techniker ein Massenstrom-Messgerät in Reihe mit jedem der Massenstrom-Steuerungen anschließt, Gas durch das Massenstrom-Messgerät und die Massenstrom-Steuerung strömen lässt, die Anzeige der Massenstrom-Steuerung mit der des Massenstrom-Messgerätes vergleicht und Kalibrier-Konstanten einstellt, wenn dies erforderlich ist. Derartige mühsame Operationen können ein großes Ausmaß an Zeit erfordern und sie können aufgrund der Arbeitskosten und der fehlenden Verfügbarkeit der Prozesswerkzeuge, mit denen die Massenstrom-Steuerungen zusammenwirken, sehr kostspielig sein.
Aus der JP 05134764 AA ist eine Massenstrom-Steuereinrichtung bekannt, bei der auf der Einlassseite und der Auslassseite eines Nebenschlusses eines thermischen Massenstrom-Sensor Drucksensoren vorgesehen sind, um die Strömung eines Strömungsmittels durch den Nebenschluss zu überwachen.
Aus der US 5129418 A ist weiterhin eine Massenstrom-Steuereinrichtung bekannt, bei dem zur Überwachung des Betriebszustandes des Sensors ebenfalls der Druck an mehreren Stellen des Nebenschlusses gemessen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Massenstrom-Sensor sowie ein Verfahren zur Feststellung der Auslass-Srömungsrate eines Strömungsmittels von einer Massenstrom-Steuerung zu schaffen, der weitgehend die Abhängigkeit von Druckänderungen beseitigt und ein einfaches Kalibrierverfahren und eine einfache Kalibriervorrichtung für Massenstrom-Steuerungen ermöglichen Massenstrom-Steuerung, Massenstrom-Kalibriereinrichtung zum Kalibrieren eines Massstrom-Sensors, Gasströmungs-Kalibriereinrichtung zum Kalibrieren eines Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 10 angegebenen Merkmale, durch die den Massenstromsensor verwendende Massenstrom-Steuerung nach Anspruch 21 und die Kalibriereinrichtungen nach den Ansprüchen 29 und die zugehörigen Kalibrierverfahren gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Bei einer Ausführungsform schließt eine Massenstrom-Steuerung gemäß der der vorliegenden Erfindung die einen Massenstrom_Sensor mit einer Kombination eines thermischen Massenstrom-Sensors und eines Drucksensors ein, um eine Massenstrom-Steuerung zu schaffen, die relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen des Eingangsdruckes ist. Die neuartige Steuerung ist relativ wenig aufwändig, das heißt sie benötigt weder ein Paar von aufwändigen Präzisions-Drucksensoren noch einen vollständig aus Edelstahl bestehenden Differenz-Sensor mit benetzter Oberfläche. Dennoch ist die neue Steuerung so ausgebildet, dass sie die Strömungsmittel-Strömung über einen weiten Bereich von Strömungsmittel-Drücken steuert. Die neuartige Massenstrom-Steuerung schließt einen thermischen Massenstrom-Sensor, einen Drucksensor und eine elektronische Steuerung ein. Der thermische Massenstrom-Sensor ist so konfiguriert, dass er die Einlassströmung der Steuerung misst. Der Drucksensor misst den Druck innerhalb des Volumens in dem Kanal zwischen dem Strömungssensor-Nebenschluss und einem Auslass-Steuerventil, wobei dieses Volumen hier als „Totvolumen” bezeichnet wird. Der Drucksensor und der thermische Massenstrom-Sensor liefern jeweils Signale an die Steuerung, die die gemessene Einlass-Strömungsrate bzw. den Druck innerhalb des Totvolumens anzeigen. Ein Temperatur-Sensor kann zur Messung der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel misst der Temperatur-Sensor die Temperatur der Wand der Steuerung als Annäherung an die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens. Die Größe des Totvolumens wird beispielsweise während der Herstellung oder während eines Kalibriervorganges bestimmt und kann zur Verwendung durch die elektronische Steuerung gespeichert oder heruntergeladen werden.
Die Steuerung verwendet den gemessenen Druck innerhalb des Totvolumens, um den gemessenen Einlass-Strömungsraten-Wert zu kompensieren und auf diese Weise ein kompensiertes Maß der Auslass-Strömungsrate als Funktion des gemessenen Druckes und der gemessenen Einlass-Strömungsrate zu erzeugen. Dieses kompensierte Maß der Auslass-Strömungsrate kann zum Betrieb eines Massenstrom-Steuerungs-Steuerventils verwendet werden. Durch Ablesen des Drucksensor-Ausganges über eine Zeitperiode bestimmt die elektronische Steuerung die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens. Da das Totvolumen, die Temperatur des Strömungsmittels in dem Totvolumen und die von dem thermischen Massenstrom-Sensor gemessene Eingangs-Strömungsrate bekannt sind, berechnet die elektronische Steuerung die Strömungsmittel-Strömungsrate an dem Ausgang der Massenstrom-Steuerung als eine Funktion dieser Variablen. Die elektronische Steuerung verwendet diese berechnete Ausgangs-Strömungsmittel-Strömungsrate in einem Regelsystem zur Steuerung des Öffnens des Auslass-Steuerventils der Massenstrom-Steuerung. In einem Ausführungsbeispiel kann der von dem Druckwandler gemessene Druck außerdem örtlich (das heißt an dem Drucksensor) und/oder an einer entfernten Stelle (beispielsweise an einem Bedienfeld oder über eine Netzwerk-Schnittstelle) angezeigt werden.
Zur Kalibrierung oder Eichung der Massenstrom-Steuerung können eine eine veränderliche Strömung aufweisende Strömungsmittelquelle, ein Behälter mit bekanntem Volumen und eine Druck-Differenziereinrichtung zur Kalibrierung oder Eichung einer Massenstrom-Steuerung verwendet werden. Die eine veränderliche Strömung aufweisende Strömungsmittelquelle liefert Gas mit sich ändernden Raten an die zu kalibrierende Massenstrom-Steuerung und mit proportionalen Raten zu einem Behälter mit bekanntem Volumen. Eine Druck-Differenziereinrichtung berechnet die zeitliche Ableitung der Gasströmung in den Behälter mit bekanntem Volumen, und hieraus die Ist-Strömung in den Behälter. In Kenntnis der Ist-Strömung kann die proportionale Strömung in die Massenstrom-Steuerung bestimmt werden, und das Strömungssignal von der Massenstrom-Steuerung kann zu der Ist-Strömung in Beziehung gesetzt werden. Bei einer Ausführungsform schließt eine Massenstrom-Steuerung das Auslassventil, um einen Behälter mit bekanntem Volumen (dem Totvolumen) zu bilden. Ein Drucksensor, der sich innerhalb des Totvolumens befindet, erzeugt ein Signal, das den Druck innerhalb des Totvolumens darstellt. Wenn das Auslassventil geschlossen ist, nimmt die Strömung in das Totvolumen exponentiell ab, während der Druck ansteigt, bis der Druck innerhalb des Totvolumens gleich dem an dem Einlass der Massenstrom-Steuerung ist. Die elektronische Steuerung der Massenstrom-Steuerung bildet die zeitliche Ableitung des Druckes zu einer Vielzahl von Zeiten. Unter Verwendung des Totvolumens/Behältervolumens, der zeitlichen Ableitung des Druckes innerhalb des Totvolumens und der Temperatur des Gases berechnet die Steuerung die Strömungsrate zu diesen Abtastzeiten. Die elektronische Steuerung setzt die auf diese Weise berechneten Strömungsraten weiterhin zu den Strömungsanzeigen in Beziehung, die von dem thermischen Massenstrom-Sensor der Massenstrom-Steuerung erzeugt werden, wodurch die Massenstrom-Steuerung kalibriert oder geeicht wird. Diese Operation ist in sich abgeschlossen, weil sie nicht die Verwendung von externen Massenstrom-Messgeräten oder anderen Kalibriereinrichtungen erfordert. Es können verschiedene Techniken und Mechanismen verwendet werden, um die Zeitperiode zu verlängern, über die die Strömung weiter in das Totvolumen strömt, wodurch die Berechnung einer größeren Anzahl von Korrelations- oder Kalibrierpunkten ermöglicht wird. Beispielsweise kann das Auslassventil vollständig geöffnet werden, bevor es zu Beginn eines Kalibrierprozesses geschlossen wird, oder es können beispielsweise Strömungsdrosseln an verschiedenen Stellen innerhalb des Gasströmungspfades eingefügt werden.
Die Massenstrom-Steuerung kann eine Schnittstelle einschließen, die es einem Betreiber, wie z. B. einem Techniker, ermöglicht, eine Diagnose über ein Netzwerk durchzuführen. Derartige Diagnosen können „aktiv”, „passiv”, „on-line”, „off-line”, „manuell” oder „automatisch” sein oder verschiedene Kombinationen hiervon. Unter einer „aktiven” Diagnose verstehen wir eine Diagnose, die es einem Betreiber ermöglicht, Ansteuersignale zusätzlich zu oder anstelle von Überwachungssignalen zu ändern. Die Ermöglichung der Verwendung von Ansteuersignalen ermöglicht es einem Techniker, eine Testpunkt-Einstellung zu ändern, um auf diese Weise beispielsweise den Strom durch einen Widerstand zu ändern. Der Techniker kann dann ein entsprechendes Signal beispielsweise von einem Stromsensor überwachen. Oder ein Techniker kann wählen, das Ansteuersignal an eine Ventil-Betätigungseinrichtung direkt zu ändern, statt einen Strömungs-Sollwert einzustellen und sich auf die elektronische Steuerung der Massenstrom-Steuerung zu verlassen, dass diese das Ventil-Ansteuersignal in der gewünschten Weise einstellt. Weil derartige Änderungen die Möglichkeit einer Erzeugung von Strömungssteuer-Fehlern geben, kann der Zugang an derartige Steuerungen durch die Verwendung von Passworten und anderen Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise auf der Netzwerkebene beschränkt sein. Der Ausdruck „passive” Diagnose bezieht sich auf Diagnosen, die beispielsweise Überwachungsfunktionen einschließen. Der Ausdruck „On-Line”-Diagnose wird zur Bezeichnung von Diagnosen verwendet, die sowohl in Echtzeit erfolgen als auch gleichzeitig mit den Prozess-Steueroperationen der Massenstrom-Steuerung ablaufen. Der Ausdruck „Off-Line”-Diagnose bezieht sich auf Diagnosen, die, obwohl sie in Echtzeit erfolgen können, nicht während der Prozess-Steueroperationen einer Massenstrom-Steuerung ablaufen. Der Ausdruck „automatische” Diagnose bezieht sich auf Diagnosen, die eine Vielzahl von Diagnoseschritten einschließen, wobei jeder hiervon aktiv oder passiv sein kann. Der Ausdruck „manuelle” Diagnose bezieht sich auf Diagnosen, die schrittweise auf die Eingabe einer Bedienungsperson ansprechen.
Die Massenstrom-Steuerung kann eine Druckanzeige einschließen, die den Druck innerhalb der Massenstrom-Steuerung anzeigt. Die Anzeige kann örtlich sein, das heißt in direktem Kontakt mit der Massenstrom-Steuerung, oder von dieser gehaltert, oder die Anzeige kann sich an einer entfernten Stelle befinden, beispielsweise an einem Gasbox-Bedienfeld. In einem Ausführungsbeispiel ist der Drucksensor so angeordnet, dass er den Druck innerhalb des Totvolumens einer Massenstrom-Steuerung misst, und dass dies der Druck ist, der angezeigt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild eines Systems, das einen Massenstrom-Sensor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung einschließt;
2 ist eine Schnittansicht einer Massenstrom-Steuerung, die einen Massenstrom-Sensor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet;
3 ist eine Schnittansicht eines zu Erläuterungszwecken dienenden thermischen Massenstrom-Sensors, wie er in Verbindung mit einem Drucksensor verwendet wird, um eine kompensierte Anzeige des Massenstroms durch eine Massenstrom-Steuerung zu erzeugen;
4 ist ein Blockschaltbild der Steuerelektronik, die von einem Ausführungsbeispiel eines Massenstrom-Sensors gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
5 ist ein Ablaufdiagramm des Prozesses der Kompensation eines thermischen Massenstrom-Sensor-Signals gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein konzeptuelles Blockschaltbild einer Web-fähigen Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein konzeptuelles Blockschaltbild einer Kalibriereinrichtung, wie sie mit einer Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
8 ist ein Blockschaltbild einer selbstkalibrierenden Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine grafische Darstellung von Strömungs- und Druckkurven, die dem Prozess der Kalibrierung einer Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung entsprechen;
10 ist ein konzeptuelles Blockschaltbild einer Doppelprozessor-Konfiguration, wie sie beispielsweise in einer Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
11 ist ein Ablaufdiagramm der allgemeinen Betriebsweise eines nicht-deterministischen Prozessors einer Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
12A und 12B sind Ablaufdiagramme der allgemeinen Betriebsweise des deterministischen Prozessors einer Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung; und
13A bis 13E sind Bildschirmausdrucke von Web-Seiten, wie sie von einem Web-Server verwendet werden können, der in eine Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung eingebettet ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Ein Massenstrom-Sensor gemäß einem Gesichtspunkt der Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet einen thermischen Massenstrom-Sensor zur Messung und Lieferung eines Maßes der Strömung eines Strömungsmittels in einen Einlass eines Strömungsmittelfluss-Gerätes, wie z. B. einer Massenstrom-Steuerung. Bei einer Ausführungsform verwendet der Massenstrom-Sensor einen Drucksensor, um die Einlassströmungs-Messung zu kompensieren, die von dem thermischen Massenstrom-Sensor geliefert wird, um auf diese Weise eine Anzeige zu liefern, die in genauerer Weise die Strömungsmittel-Strömung an dem Auslass der zugehörigen Massenstrom-Steuerung wiedergibt. Ein System, das aus der Verwendung eines Massenstrom-Sensors gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung Nutzen zieht und diesen einschließt, ist in dem zu Erläuterungszwecken dienenden Blockschaltbild nach 1 gezeigt.
Eine Vielzahl von Massenstrom-Steuerungen MFC1, MFC2, ... MFCn empfängt ein Gas von Haupt-Gaszufuhrleitungen 102, 103. Die Massenstrom-Steuerungen MFC1, MFC2, ... MFCn sind jeweils über Einlass-Zufuhrleitungen 104, 106, ... 109 mit einer Haupt-Gaszufuhrleitung 102, 103 und über jeweilige Auslass-Zufuhrleitungen 110, 112, ... 115 mit Kammern C1, C2, ... Cn verbunden. Bei dieser erläuternden Ausführungsform wird der Ausdruck „Kammer” in einem weiten Sinn verwendet, und jede der Kammern kann für irgendeine einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, unter Einschluss von, jedoch ohne Beschränkung auf, Reaktionen, die an der Herstellung von Halbleiterbauteilen beteiligt sind. Allgemein sind Benutzer der Kammern daran interessiert, die Menge jedes Gases zu kennen und zu steuern oder zu regeln, das jeder der Kammern C1, C2, ... Cn zugeführt wird. Jede Kammer C1, C2, ... Cn kann weiterhin eine oder mehrere zusätzliche Einlassleitungen für die Zufuhr anderer Arten von Gas einschließen. Eine aus den Kammern austretende Strömung kann über (nicht gezeigte) Leitungen zu einer Wiederaufbereitung oder zur Verwertung geführt werden.
Die Massenstrom-Steuerungen MFC1, MFC2, ... MFCn schließen jeweilige Massenstrom-Sensoren MFS1, MFS2, ... MFSn, elektronische Steuerungen EC1, EC2, ... ECn, und Auslass-Steuerventile OCV1, OCV2, ... OCVn ein. Zumindest einer der Massenstrom-Sensoren und, zur Erleichterung der Beschreibung, alle Massenstrom-Sensoren, sind kompensierte Massenstrom-Sensoren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Jeder Massenstrom-Sensor misst die Masse eines in die Massenstrom-Steuerung fließenden Gases und liefert ein den gemessenen Wert anzeigendes Signal an eine entsprechende elektronische Steuerung. Die elektronische Steuerung vergleicht die Anzeige des Massenstroms, wie sie durch den von dem Massenstrom-Sensor gemessenen Wert angezeigt wird, mit einem Sollwert und betätigt das Auslass-Steuerventil, um irgendeinen Unterschied zwischen dem Sollwert und dem gemessenen Wert, der von dem Massenstrom-Sensor geliefert wird, zu einem Minimum zu machen. Typischerweise kann der Sollwert manuell an der Massenstrom-Steuerung eingegeben werden, oder auf die Massenstrom-Steuerung heruntergeladen werden. Der Sollwert kann, falls dies erforderlich ist, über den Eingriff einer Bedienungsperson oder eines automatischen Regelsystems eingestellt werden. Jede der Einlass-Zufuhrleitungen 104, 106, ... 109 kann einen anderen freien Querschnitt aufweisen und/oder irgendeine eine Vielzahl von Strömungsraten in die Massenstrom-Steuerung abwickeln. Gemäß einem Gesichtspunkt der Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann eine einzige elektronische Steuerung, wie z. B. die elektronische Steuerung EC1 mit einer Vielzahl von Massenstrom-Sensor-/Auslass-Steuerventil-Kombinationen verbunden sein und diese betreiben. Das heißt beispielsweise, dass irgendeine Anzahl der elektronischen Steuerungen EC2–ECn fortgelassen werden kann, wobei die entsprechenden Massenstrom-Sensoren und Auslass-Steuerventile mit der elektronischen Steuerung EC1 für einen Betrieb verbunden sind.
Eine abrupte Änderung der Strömungsrate, beispielsweise aufgrund einer Änderung des Sollwertes, in irgendeine der Massenstrom-Steuerungen hinein kann zu einer abrupten Druckänderung an dem Einlass eines oder mehrerer der anderen Massenstrom-Steuerungen führen. Dieser unerwünschte Nebeneffekt kann in eine relativ niedrige Strömungsrate aufweisenden Massenstrom-Steuerungen stärker ausgeprägt sein, wenn die abrupte Änderung in einer eine hohe Strömungsrate aufweisenden Massenstrom-Steuerung auftritt. Weil die Massenstrom-Sensoren bei dieser Ausführungsform thermische Massenstrom-Sensoren sind, die so angeordnet sind, dass sie die Strömung in der Massenstrom-Steuerung an dem Einlass an die Massenstrom-Steuerung messen, kann die von dem thermischen Massenstrom-Sensor gemessene Massenströmung nicht genau die Strömung an dem Auslass der Steuerung wiedergeben. Um diese Diskrepanz zu kompensieren, schließt ein Massenstrom-Sensor gemäß einem Gesichtspunkt der Prinzipien der vorliegenden Erfindung einen Drucksensor ein, der so angeordnet ist, dass er eine Anzeige des Druckes innerhalb des Volumens zwischen dem Einlass und dem Auslass der Massenstrom-Steuerung liefert. In dem zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsbeispiel befindet sich der Drucksensor in dem „Totvolumen” zwischen dem Nebenschluss des thermischen Massenstrom-Sensors und dem Auslass-Steuerventil. Eine elektronische Steuerung verwendet die Anzeige des von dem Drucksensor gelieferten Druckes, um die Messung des Massenstroms zu kompensieren, die von dem thermischen Massenstrom-Sensor geliefert wird. Die resultierende Anzeige, eine kompensierte Massenstrom-Anzeige, gibt in genauerer Weise die Strömung an dem Auslass der Massenstrom-Steuerung wieder, und entsprechend kann diese Anzeige in vorteilhafter Weise von einer Massenstrom-Steuerung bei der Betätigung ihres Auslass-Steuerventils verwendet werden. Es kann eine Anzeige eingefügt werden, um den gemessenen Druck anzuzeigen. Die Anzeige kann örtlich, an der Massenstrom-Steuerung angebracht oder von dieser gehaltert sein, oder sie kann an einer entfernten Stelle, beispielsweise an einem Gasbox-Bedienfeld, angeordnet sein, das mit der Massenstrom-Steuerung über eine Datenverbindungsstrecke verbunden ist.
Bei einer Halbleiter-Bearbeitungsanwendung kann das Prozesswerkzeug eine Vielzahl von Kammern einschließen, wobei jede Kammer eine Vielzahl von Massenstrom-Steuerungen aufweist, die jeweils die Strömung von Teilgasen in die Kammer steuern. Jede der Massenstrom-Steuerungen wird typischerweise alle zwei Wochen neu kalibriert. Der Neukalibrierprozess ist beispielsweise in dem US-Patent 6 332 348 B1 auf den Namen von Yelverton et al. vom 25. Dezember 2001 beschrieben, dessen Inhalt durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird. Im Verlauf einer derartigen an Ort und Stelle erfolgenden Kalibrierung erfordern übliche Verfahren, dass ein Techniker ein Massenstrom-Messgerät in Reihe mit jeder der Massenstrom-Steuerungen verbindet, Gas durch das Massenstrom-Messgerät und die Massenstrom-Steuerung strömen lässt, die Anzeige der Massenstrom-Steuerung mit der des Massenstrom-Messgerätes vergleicht und Kalibrierkonstanten in erforderlicher Weise einstellt. Derartige mühsame Operationen können sehr viel Zeit erfordern und aufgrund der Arbeitskosten und der Nichtverfügbarkeit der Prozesswerkzeuge, mit denen die Massenstrom-Steuergeräte arbeiten, kann dies sehr kostspielig sein. Bei der erläuternden Ausführungsform, die ausführlicher in der Erläuterung der 7 beschrieben wird, schließt eine Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung einen selbstkalibrierenden Mechanismus ein, der im Wesentlichen derartige mühsame und kostspielige Aufgaben vermeidet.
Die Schnittansicht nach 2 gibt eine Erläuterung einer Massenstrom-Steuerung 200, die einen Massenstrom-Sensor 202 gemäß einem Gesichtspunkt der Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet. Der Massenstrom-Sensor 202 schließt einen thermischen Massenstrom-Sensor 204, einen Drucksensor 206, einen Temperatur-Sensor und eine elektronische Steuerung 210 ein. Ein Laminarströmungs-Element 212 bildet einen Druckabfall längs des Kapillarrohres des thermischen Massenstrom-Sensors 204 aus, wie dies ausführlicher in der Beschreibung der 3 beschrieben wird. Im Betrieb strömt ein Strömungsmittel, das in die Massenstrom-Steuerung 200 über den Einlass 214 eingeleitet wird, durch den Nebenschlusskanal 216 hindurch, der das Laminarströmungs-Element 212 enthält. Eine relativ kleine Menge des Strömungsmittels wird durch den thermischen Massenstrom-Sensor 204 abgeleitet und tritt in den Nebenschlusskanal 216 stromabwärts von dem Laminarströmungs-Element 212 erneut ein. Die elektronische Steuerung 210 liefert ein Signal an die Steuerventil-Betätigungseinrichtung 218, um auf diese Weise das Auslass-Steuerventil 220 in einer derartigen Weise zu betätigen, dass sich eine gesteuerte Massenströmung des Strömungsmittels an den Auslass 222 ergibt.
Der Drucksensor 206 misst den Druck innerhalb des Volumens in dem Nebenschlusskanal 216 zwischen dem Laminarströmungs-Element 212 und dem Auslass-Steuerventil 220, wobei dieses Volumen hier als „Totvolumen” 216a bezeichnet wird. Wie dies ausführlicher in der Erläuterung der 5 beschrieben wird, verwendet die elektronische Steuerung 210 den in dem Totvolumen 216a durch den Sensor 206 gemessenen Druck zur Kompensation der Einlass-Strömungsrate, die von dem thermischen Massenstrom-Sensor 204 gemessen wird. Dieser kompensierte Einlass-Strömungsraten-Wert gibt in genauerer Weise die Auslass-Strömungsrate wieder, die das tatsächliche Ziel der Steuerung ist. Insbesondere ist ein Massenstrom-Sensor gemäß einem Gesichtspunkt der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ein Kombinations-Sensor, der die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb eines bekannten Volumens 216 verwendet, um ein präzises Maß des Massenstroms während Druckschwankungen zu liefern, und er ist ein thermischer Massenstrom-Sensor, der unter Verwendung der vom Druck abgeleiteten Massenstrom-Messung „korrigiert” werden kann. Sowohl die thermisch gemessenen als auch die vom Druck abgeleiteten Massenstrom-Messungen stehen zur Verarbeitung zur Verfügung. Der Temperatur-Sensor misst die Temperatur des Strömungsmittels im Inneren des Totvolumens. In einem Ausführungsbeispiel misst der Temperatur-Sensor die Temperatur einer Wand der Steuerung als Annäherung der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens 216.
Das Volumen des Totvolumens 216a wird beispielsweise während der Herstellung oder während eines Kalibriervorganges bestimmt und kann zur Verwendung durch die elektronische Steuerung 210 gespeichert oder heruntergeladen werden. Durch das Gewinnen aufeinander folgender Anzeigen von dem Drucksensor-Ausgang 206 und durch Verarbeitung dieser Daten bestimmt die elektronische Steuerung 210 die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens 216a. Unter Verwendung des Totvolumens, der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens, der von dem thermischen Massenstrom-Sensor 204 gemessenen Einlass-Strömungsgeschwindigkeit und der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens bestimmt die elektronische Steuerung 210 eine Näherung der Strömungsmittel-Strömungsrate an dem Auslass 222 der Massenstrom-Steuerung 200. Wie dies weiter oben erwähnt wurde, kann diese Näherung auch als eine Kompensation des Massenströmungsraten-Wertes betrachtet werden, der von dem thermischen Massenstrom-Sensor 204 erzeugt wird. Die elektronische Steuerung 210 verwendet diese berechnete Auslass-Strömungsmittel-Strömungsrate in einem Regelsystem, um das Öffnen des Auslass-Steuerventils 220 der Massenstrom-Steuerung zu steuern. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Wert des von dem Drucksensor 206 gemessenen Druckes ebenfalls angezeigt werden, und zwar entweder örtlich (das heißt an dem Drucksensor) und/oder an einer entfernten Stelle (beispielsweise an einem Bedienfeld oder über eine Netzwerk-Schnittstelle). In einem selbstkalibrierenden Vorgang, der nachfolgend anhand der Beschreibung der 7 erläutert wird, kann die elektronische Steuerung 210 die zeitliche Ableitung des Drucksignals verwenden, wenn sich die Strömungsrate in der Massenstrom-Steuerung ändert, und damit die tatsächliche Strömungsrate in die Massenstrom-Steuerung ableiten. Die tatsächliche Strömungsrate kann dann zur Kalibrierung der Massenstrom-Steuerung verwendet werden.
Die Schnittansicht nach 3 gibt eine ausführlichere Ansicht eines thermischen Massenstrom-Sensors 204, wie er in Verbindung mit dem Drucksensor verwendet werden kann, um eine kompensierte Massenstrom-Anzeige zu erzeugen, das heißt, in einer digitalen Realisierung, einen Mehr-Bit-Digitalwert. Der Mehr-Bit-Digitalwert ergibt eine engere Annäherung an die tatsächliche Massenströmung an dem Auslass einer Massenstrom-Steuerung, als dies für einen nicht-kompensierten Massenstrom-Sensor der Fall sein würde, insbesondere während Drucksprüngen an den Einlassleitungen der Massenstrom-Steuerung. Der thermische Massenstrom-Sensor 204 schließt ein Laminarströmungs-Element 212 ein, das sich innerhalb des Nebenschlusskanals 216 befindet und einen Druckabfall längs des Nebenschlusskanals 216 für den thermischen Massenstrom-Sensor 204 ergibt und einen Teil des Gases durch das Sensor-Kapillarrohr 320 des thermischen Massenstrom-Sensors 204 treibt. Der Massenstrom-Sensor 202 schließt Schaltungen ein, die die Strömungsrate des Gases durch die Steuerung 202 messen und die Betätigung des Steuerventils 220 entsprechend steuern. Der thermische Massenstrom-Sensor 204 ist an einer Wand 322 der Massenstrom-Steuerung 200 angebracht, die eine Begrenzung des Nebenschluss-kanals 216 bildet. Einlass- und Auslass-Öffnungen 324 bzw. 326 in der Wand 322 ergeben einen Zugang zu dem thermischen Massenstrom-Sensor 204 für ein Gas, das durch die thermische Massenstrom-Steuerung strömt, und es ist der Teil dieses Kanals zwischen dem Einlass und dem Auslass, der typischerweise den Nebenschlusskanal bildet. Bei dieser Ausführungsform schließt der thermische Massenstrom-Sensor 204 eine Grundplatte 328 zur Befestigung an der Wand 322 ein. Die Grundplatte 328 kann an der Wand und dem Rest der Sensorbaugruppe beispielsweise unter Verwendung von Kombinationen von Gewindebohrungen und passenden Schrauben befestigt werden. Die Eingangs- und Ausgangszweige 330 bzw. 332 des Sensorrohres 320 erstrecken sich durch jeweilige Einlass- und Auslassöffnungen 334 bzw. 336 der Grundplatte 328 und durch Öffnungen 324 und 326 der Massenstrom-Steuerungs-Wand 322.
Die Massenstrom-Sensorbaugruppe schließt vorzugsweise obere und untere Abschnitte 338 bzw. 340 ein, die bei ihrer Verbindung eine thermische Klammer 341 bilden, die beide Enden des aktiven Bereiches des Sensorrohres 320 (das heißt der Bereich, der durch die Enden der Widerstandselemente definiert ist, die in thermischem Kontakt mit dem Sensorrohr stehen) im Wesentlichen auf der gleichen Temperatur hält. Die thermische Klammer bildet weiterhin eine Kammer 342 um den aktiven Bereich des Sensorrohres 320 herum. Das heißt, dass das Segment des Massenstrom-Sensorrohres innerhalb der Kammer 342 in thermischer Verbindung mit zwei oder mehr Widerstandselementen 344, 346 steht, die jeweils als eine Heizeinrichtung, ein Detektor oder als beides wirken können. Ein oder mehrere Elemente werden mit einem elektrischen Strom gespeist, um Wärme an das Strömungsmittel zu liefern, während dies durch das Rohr 320 strömt. Die thermische Klammer 341, die typischerweise aus einem Material hergestellt ist, das durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit verglichen mit der Wärmeleitfähigkeit des Sensorrohres gekennzeichnet ist, ergibt einen guten wärmeleitenden Kontakt mit dem Teil des Sensorrohres gerade stromabwärts von dem Widerstandselement 344 und mit dem Teil des Sensorrohres gerade stromaufwärts von dem Widerstandselement 346. Die thermische Klammer umschließt und schützt auf diese Weise die Widerstandselemente 344 und 346 und das Sensorrohr 320. Zusätzlich „verankert” die thermische Klammer 341 diejenigen Teile des Sensorrohres, mit denen sie in Kontakt steht, auf oder in der Nähe der Umgebungstemperatur. Um selbst kleinste Fehler aufgrund von Temperaturunterschieden zu beseitigen, kann das Sensorrohr im Inneren der thermischen Klammer bewegt werden, um sicherzustellen, dass irgendeine Differenz zwischen dem Widerstand der zwei Spulen auf der Strömungsmittel-Strömung durch das Sensorrohr beruht, und nicht auf Temperaturgradienten, die von der Umgebung aus auf die Spulen einwirken. In dem Ausführungsbeispiel schließt jedes der Widerstandselemente 344 und 346 einen temperaturabhängigen Widerstandsleiter ein, der um einen jeweiligen Teil des Sensorrohres 320 gewickelt ist. Jedes der Widerstandselemente erstreckt sich entlang jeweiliger Teile des Sensorrohres 320 entlang einer Achse, die durch das Betriebssegment des Sensorrohres 320 definiert ist. Das stromabwärts gelegene Widerstandselement 346 befindet sich stromabwärts von dem Widerstandselement 344. Die Elemente liegen aneinander an, oder sie sind durch einen schmalen Spalt aus Gründen einer einfachen Herstellung getrennt, und sie sind vorzugsweise an der Mitte des Rohres elektrisch miteinander verbunden. Jedes Widerstandselement 344, 346 ergibt einen elektrischen Widerstand, der sich als eine Funktion seiner Temperatur ändert. Die Temperatur jedes Widerstandselementes ändert sich als eine Funktion des elektrischen Stromes, der durch seinen Widerstandsleiter fließt, und der Massenströmungsrate im Inneren des Sensorrohres 320. Auf diese Weise arbeitet jedes der Widerstandselemente sowohl als Heizeinrichtung als auch als ein Sensor. Das heißt, dass das Element als eine Heizeinrichtung wirkt, die Wärme als eine Funktion des Stromes durch das Element erzeugt, und gleichzeitig wirkt das Element als ein Sensor, der eine Messung der Temperatur des Elementes als eine Funktion seines elektrischen Widerstandes ermöglicht. Der thermische Massenstrom-Sensor 204 kann irgendeine einer Vielzahl von elektronischen Schaltungen verwenden, typischerweise in einer Wheatstone-Brückenanordnung, um Energie den Widerstandselementen 346 und 344 zuzuführen und um die temperaturabhängigen Widerstandsänderungen in dem Element und damit die Massenströmungsrate des Strömungsmittels zu messen, das durch das Sensorrohr 320 strömt. Für diesen Zweck verwendete Schaltungen sind beispielsweise in dem US-Patent 5 461 913 auf den Namen von Hinkle et al. und in dem US-Patent 5 410 912 auf den Namen von Suzuki beschrieben, deren Inhalt durch diese Bezugnahme hier aufgenommen wird.
Im Betrieb strömt Strömungsmittel von dem Einlass 214 zum Auslass 222, und ein Teil des Strömungsmittels strömt durch das drosselnde Laminarströmungs-Element 212. Der verbleibende und proportionale Teil des Strömungsmittels strömt durch das Sensorrohr 320. Die (hier nicht gezeigte) Schaltung bewirkt, dass ein elektrischer Strom durch die Widerstandselemente 344 und 346 fließt, so dass die Widerstandselemente 344 und 346 Wärme erzeugen und diese dem Sensorrohr 320 und damit dem Strömungsmittel zuführen, das durch das Sensorrohr 320 strömt. Weil das stromaufwärts gelegene Widerstandselement 346 Wärme an das Strömungsmittel überträgt, bevor das Strömungsmittel den Teil des Sensorrohres 320 erreicht, der von dem stromabwärts gelegenen Widerstandselement 344 umgeben ist, leitet das Strömungsmittel mehr Wärme von dem stromaufwärts gelegenen Widerstandselement 346 ab, als von dem stromabwärts gelegenen Widerstandselement 344. Der Unterschied der Wärmemenge, die von den zwei Widerstandselementen abgeleitet wird, ist proportional zur Massenströmungsrate des Strömungsmittels innerhalb des Sensorrohres und damit in Erweiterung proportional zu der Gesamt-Massenströmungsrate durch die Massenstrom-Raten-Steuerung 200 von dem Einlassanschluss 214 zu dem Auslassanschluss 222. Die Schaltung misst diesen Unterschied durch Messen der jeweiligen elektrischen Widerstände der Widerstandselemente 344, 346 und erzeugt ein Ausgangssignal, das die Massenstrom-Rate durch das Sensorrohr 320 darstellt.
Das Konzept-Blockschaltbild nach Figur erläutert die Architektur einer elektronischen Steuerung 400, wie sie in einem Massenstrom-Sensor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel schließt die Steuerung 400 eine Sensor-Schnittstelle 402 und eine Stellglied-Schnittstelle 404 ein. In der Sensor-Schnittstelle 402 arbeitet eine Strömungssensor-Schnittstelle 408 in Verbindung mit einem Massenstrom-Sensor, um eine digitale Darstellung der Rate des Massenstromes in eine zugehörige Massenstrom-Steuerung zu erzeugen. Die Steuerung 400 kann verschiedene andere Sensor-Schnittstellen einschließen, wie z. B. eine Drucksensor-Schnittstelle 410 oder eine Temperatursensor-Schnittstelle 411. Ein oder mehrere Stellglied-Treiber 412 werden von der Steuerung 400 zur Steuerung beispielsweise des Öffnens eines zugehörigen Auslass-Steuerventils der Massenstrom-Steuerung verwendet. Das Stellglied kann irgendeine Art von Stellglied sein, z. B. eine stromgespeiste Magnetspule oder ein spannungsgesteuertes piezoelektrisches Stellglied.
Die Steuerung 400 arbeitet in Verbindung mit einer Massenstrom-Steuerung zur Erzeugung einer digitalen Darstellung der Rate des Massenstroms in eine zugehörige Massenstrom-Steuerung. Eine thermische Massenstrom-Steuerung, wie sie in der Erläuterung bezüglich der 3 beschrieben wurde, kann verwendet werden, um die Massenstrom-Messung zu erzeugen. Die Steuerung 400 kann eine Drucksensor-Schnittstelle 410 zur Überwachung des Druckes des Strömungsmittels in einer zugehörigen Massenstrom-Steuerung verwenden. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert ein Drucksensor, wie z. B. der Drucksensor 206 nach
2, ein Maß des Druckes innerhalb der Massenstrom-Steuerung. Im Einzelnen misst bei diesem Ausführungsbeispiel der Sensor den Druck innerhalb des Totvolumens der Massenstrom-Steuerung. In einem Ausführungsbeispiel kann der auf diese Weise gemessene Massenstrom-Steuerungs-Druck beispielsweise an dem Drucksensor 206 oder an dem Steuerungsgehäuse oder an irgendeiner anderen Stelle angezeigt werden.
Die Steuerung 400 kann die Druckmessung in ein digitales Format umwandeln und sie in einer Analyse oder anderen Funktionen verwenden. Wenn beispielsweise die Massenstrom-Steuerung einen thermischen Massenstrom-Sensor verwendet, so kann die Steuerung 400 die Massenstrom-Steuerungs-Druckmessung dazu verwenden, Einlassdruck-Sprünge zu kompensieren. Obwohl eine Temperatursensor-Schnittstelle verwendet werden kann, um eine Temperaturanzeige von einem Temperatursensor zu gewinnen, der beispielsweise an der Wand der Massenstrom-Steuerung angebracht ist, kann ein getrennter Temperatursensor für jede Massenstrom-Steuerung gegebenenfalls nicht erforderlich sein. Beispielsweise werden Massenstrom-Steuerungen in vielen Fällen, wie dies ausführlicher anhand der 1 beschrieben wurde, in Verbindung mit einem Halbleiter-Verarbeitungswerkzeug verwendet, das eine Anzahl von Massenstrom-Steuerungen und anderen Geräten einschließt, die alle mit einer Steuerung verbunden sind, wie z. B. einer Arbeitsstation. Das Verarbeitungswerkzeug wird in einer sorgfältig gesteuerten Umgebung betrieben, die eine relativ stabile Temperatur aufweist. Weil die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb der Massenstrom-Steuerung sehr nahe gleich der der Wand der Umschließung ist, und die Wand der Umschließung nahezu die Temperatur des Raumes aufweist, in dem sich das Werkzeug befindet, kann eine Temperaturmessung beispielsweise von einer Arbeitsstation, die das Werkzeug steuert, eine ausreichend genaue Abschätzung der Gastemperatur innerhalb der Massenstrom-Steuerung liefern. Entsprechend kann zusätzlich zu oder anstelle der Verwendung eines getrennten Temperatursensors auf jeder Massenstrom-Steuerung die Temperatur von irgendeinem anderen Sensor innerhalb der gleichen Umgebung wie die Massenstrom-Steuerung gewonnen werden: beispielsweise einem Sensor an einer Arbeitsstation.
Die Steuerung 400 schließt eine örtliche Benutzerschnittstelle 416 ein, die mit einer oder mehreren Eingabegeräten verwendet werden kann, wie z. B. einer Zifferntastatur, einer Tastatur, einer Maus, einer Rollkugel, einem Steuerknüppel, Tasten, berührungsempfindlichen Bildschirmen, Stellschaltern in Gehäusen für integrierte Schaltungen (DIP) oder Daumenrad-Schaltern, um Beispiele zu nennen, so dass Eingaben von Benutzern, wie z. B. Technikern, angenommen werden, die eine Massenstrom-Steuerung betreiben. Die örtliche Benutzerschnittstelle 414 kann weiterhin ein oder mehrere Ausgänge einschließen, die zur Ansteuerung eines oder mehrerer Geräte geeignet sind, wie z. B. einer Anzeige, die eine Anzeigelampe, eine Zeichenanzeige, eine alphanumerische Anzeige oder eine Grafikanzeige sein kann, oder ein Tonfrequenz-Ausgabegerät, das zur Übertragung von Information von einer Massenstrom-Steuerung beispielsweise an einen Benutzer verwendet wird. Eine Kommunikations-Schnittstelle 416 ermöglicht es einer Massenstrom-Steuerung, mit einem oder mehreren Instrumenten und/oder einer örtlichen Steuerung zu kommunizieren, wie z. B. einer Arbeitsstation, die ein Werkzeug steuert, das eine Vielzahl von Massenstrom-Steuerungen und/oder anderen Geräten beispielsweise bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet.
In dem erläuternden Beispiel schließt die Kommunikationsschnittstelle 414 eine DeviceNet-Schnittstelle ein. DeviceNet ist beispielsweise aus dem US-Patent 6 343 617 B1 auf den Namen von Tinsley et al. vom 5. Februar 2002 bekannt und wird in diesem erläutert, wobei dieses Patent durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird. Die Steuerung 400 schließt weiterhin einen Speicher 418 in Form von beispielsweise einem elektrisch löschbaren, programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) ein, der beispielsweise zum Speichern von Kalibrierdaten, einer Massenstrom-Steuerungsidentifikation oder von Code zum Betrieb der Massenstrom-Steuerung verwendet werden könnte. Verschiedene andere Formen von Speichern, wie z. B. Lese-Schreibspeicher (RAM) können verwendet werden. Der Speicher kann viele Formen aufweisen und kann beispielsweise ein verteilter Speicher sein, wobei Teile physikalisch auf einem Steuerungs-”Chip” (integrierte Schaltung) angeordnet sind und andere Teile außerhalb des Chips angeordnet sind. Die Steuerung 400 verwendet einen Datenprozessor 420, der beispielsweise die Form einer Arithmetik- und Logikeinheit (ALU) in einem Universal-Mikroprozessor haben könnte, um Daten zu reduzieren. Beispielsweise kann der Datenprozessor 420 an den Sensoreingängen empfangene Anzeigen mitteln, feststellen, wie oft eine Sensoranzeige einen oder mehrere Schwellenwerte überschritten hat, die Zeit aufzeichnen, über die eine Sensoranzeige jenseits eines Schwellenwertes bleibt, oder andere Formen einer Datenaufzeichnung ausführen.
Druckschwankungen auf der Einlass-Zufuhrleitung an eine Massenstrom-Steuerung 200, die einen thermischen Massenstrom-Sensor 204 verwendet, können fehlerhafte Massenstrom-Anzeigen hervorrufen. Fehlerhafte Massenstrom-Anzeigen können ihrerseits zu einer fehlerhaften Steuerung des Auslassventils der Massenstrom-Steuerung führen, was Gegenstände beschädigen oder zerstören könnte, die mit Gasen unter der Steuerung der Massenstrom-Steuerung bearbeitet werden. Die digitale Darstellung des Massenstroms kann die Form von einem oder mehreren Datenwerten aufweisen und ist Schwankungen aufgrund der Druckschwankungen an der Einlassleitung des Massenstrom-Sensors unterworfen. In einem Ausführungsbeispiel verwendet die Steuerung 400 an der Drucksensor-Schnittstelle 410 gewonnene Daten, um Schwankungen zu kompensieren, die in einem thermischen Massenstrom-Sensor 204 durch Druckschwankungen auf der Massenstrom-Sensor-Einlassleitung 214 hervorgerufen werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel gewinnt die Steuerung 400 eine Temperaturinformation über eine Temperatur-Schnittstelle 411. Die Steuerung 400 verwendet die Temperatur-, Druck- und Massenstrom-Anzeigen, die von den jeweiligen Schnittstellen gewonnen werden, um eine kompensierte Massenstrom-Anzeige zu erzeugen, die in genauerer Weise die Massenströmung an dem Auslass des Massenstrom-Sensors darstellt, als dies für eine Anzeige von dem thermischen Massenstrom-Sensor allein der Fall sein würde. Die Steuerung 400 ergibt weiterhin eine Steuerung der Sensoren in der erforderlichen Weise über die Strömungs-Sensor-Schnittstelle, die Druck-Sensor-Schnittstelle und die Temperatur-Sensor-Schnittstelle 408, 410 bzw. 411.
Die Steuerung 400 schließt weiterhin eine Ventil-Betätigungs-Schnittstelle 404 ein, die die Steuerung 400 dazu verwendet, die Position eines Ventils, wie z. B. des Ventils 220 nach 2 zu steuern, um auf diese Weise die Rate der Strömungsmittel-Strömung durch die Massenstrom-Steuerung, wie z. B. die Massenstrom-Steuerung 200 in einem in geschlossener Schleife erfolgenden Regelvorgang zu regeln. Die Ventilbetätigung kann beispielsweise eine magnetspulengesteuerte Betätigung oder eine piezoelektrische Betätigung sein. Die Steuerung 400 muss in der Lage sein, mit ausreichender Geschwindigkeit zu arbeiten, um die verschiedenen Sensor-Ausgänge auszulesen, sie in erforderlicher Weise zu kompensieren und um das Massenstrom-Steuerungs-Auslasssteuerventil 220 so zu steuern, dass eine vorgegebene Strömungsrate erzielt wird. Die Strömungsrate ist in der Hinsicht vorgegeben, dass sie in irgendeinem Sinn „gewünscht” ist. Sie ist nicht in der Hinsicht vorherbestimmt, dass dies eine statische Einstellung sein muss. Das heißt, dass die vorgegebene Strömungsrate von einer Bedienungsperson unter Verwendung einer mechanischen Einrichtung eingestellt werden kann, wie z. B. einer Skaleneinstellung, oder dass sie von einer anderen Steuerung, wie z. B. einer Arbeitsstation, heruntergeladen werden und aktualisiert werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel verwendet die Steuerung 400 Anzeigen von der Druckschnittstelle 410, um Strömungsmessungen zu kompensieren, die an der Massenstrom-Schnittstelle 408 von dem thermischen Massenstrom-Sensor 204 gewonnen werden, der den Massenstrom an dem Einlass 214 an die Massenstrom-Steuerung 200 misst. Die kompensierte Strömungsmessung gibt in genauerer Weise die Strömung an dem Auslass 222 der Massenstrom-Steuerung 200 wider. Diese Auslassströmung ist die Strömung, die direkt von der Massenstrom-Steuerung 200 kontrolliert wird, und ist typischerweise die den Endbenutzer interessierende Strömung. Die Verwendung einer druckkompensierten Strömungsmessung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verbessert die Genauigkeit einer Massenstrom-Sensor-Auslassströmungsanzeige und ermöglicht es damit, dass die Massenstrom-Steuerung in genauerer Weise die Strömung von Strömungsmitteln steuert. Das heißt, dass im Gleichgewichtszustand der Massenstrom an dem Einlass der Massenstrom-Steuerung gleich dem Massenstrom an dem Auslass der Massenstrom-Steuerung ist, dass sich jedoch bei Einlass- oder Auslass-Druckschwankungen die Strömungsraten unterscheiden, in manchen Fällen in erheblicher Weise. Als Ergebnis können bei einer Massenstrom-Steuerung, die eine Regelung unter Verwendung ihrer Einlassströmung zur Steuerung ihrer Auslassströmung vorsieht, erhebliche Fehler auftreten.
Der Massenstrom, der im eingeschwungenen Zustand in dem Kapillar-Sensorrohr 320 eines thermischen Massenstrom-Sensors auftritt, wie er in der Beschreibung der 3 beschrieben wurde, wird allgemein durch die folgende Gleichung beschrieben:
worin:

d_c: = Innendurchmesser des Kapillarrohres,
L_c: = Länge des Kapillarrohres,
r_i: = die Dichte des Gases an dem Einlass,
r_R: = die Dichte des Gases bei der Standardtemperatur und dem Standarddruck,
μ: = die Gasviskosität,
P_i: = der Druck an dem Einlass der Massenstrom-Steuerung,
P_o: = der Druck am Auslass der Massenstrom-Steuerung,
P: = der Druck in dem Totvolumen der Massenstrom-Steuerung ist.

Der Gesamtfluss durch die Massenstrom-Steuerung ist auf den durch das Kapillar-Sensorrohr 320 durch ein Teilerverhältnis bezogen: m ° QBP/Qc worin QBP die Strömung durch den Nebenschlusskanal 216 und Qc die Strömung durch das Kapillarrohr 320 ist. Der Gesamtfluss Qi an dem Massenstrom-Steuerungs-Einlass 214 ist: Qi = QBP + Qc = (1 + a)Qc
Wenn die Strömung sowohl in dem Nebenschluss als auch dem Kapillarrohr laminar bleibt, bleibt das Teilerverhältnis konstant. Wenn sich der Einlassdruck mit der Zeit ändert, bestimmen die Art der Einlass-Druckschwankung und die Druckbeaufschlagung des Totvolumens die Strömung an dem Einlass. Unter der Annahmen, dass alle thermodynamischen Ereignisse innerhalb des Totvolumens bei einer konstanten Temperatur erfolgen, die gleich der Temperatur der Umschließung ist, die einen teilweisen Aufnahmebehälter um das Totvolumen herum bildet, kann die Massenerhaltung innerhalb des Totvolumens wie folgt beschrieben werden:
worin:

P_R: = der Druck bei der Standardtemperatur und dem Standarddruck (760 Torr.) ist,
T_R: = die Temperatur bei der Standardtemperatur und dem Standarddruck (273 K) ist,
T_w: = die Wandtemperatur (Temperatur der Wand der Massenstrom-Steuerung) ist,
V: = das Volumen des Totvolumens ist,
Q_i: = die Einlassströmung an die Massenstrom-Steuerung ist,
Q_o: = die Auslassströmung von der Massenstrom-Steuerung ist.

Ein Massenstrom-Sensor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet die Beziehung der Gleichung (2), um das Massenstrom-Signal eines thermischen Massenstrom-Sensors zu kompensieren und damit im Wesentlichen Fehler in den Massenstrom-Anzeigen während Druckschwankungen zu verringern.
Das Ablaufdiagramm nach 5 zeigt den Prozess der Kompensation einer Anzeige eines thermischen Massenstrom-Sensors gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Der Prozess beginnt im Schritt 500 und geht von diesem zum Schritt 502 über, in dem eine Massenstrom-Sensor-Steuerung, wie z. B. die Steuerung 400 nach 4, eine Massenstrom-Anzeige gewinnt. Diese Anzeige kann von einem thermischen Massenstrom-Sensor über eine Strömungs-Schnittstelle, wie z. B. die Schnittstelle 408 nach 4 gewonnen werden. Diese Strömungsmessung gibt die Rate des Massenstroms an den Einlass einer Massenstrom-Steuerung wieder, und sie kann, wie dies weiter oben beschrieben wurde, in unzureichender Weise die Massenstrom-Rate an dem Auslass der Massenstrom-Steuerung darstellen. Die Massenstrom-Rate an dem Auslass einer Massenstrom-Steuerung ist im Allgemeinen die interessierende Rate zur Verwendung bei Steueranwendungen. Entsprechend kompensiert eine Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung die Ungenauigkeit, die sich von Natur aus dadurch ergibt, dass angenommen wird, dass die Einlass-Strömungsrate an eine Massenstrom-Steuerung gleich der Auslass-Strömungsrate von einer Massenstrom-Steuerung ist. Von dem Schritt 502 geht der Prozess zum Schritt 504 über, in dem die Sensor-Steuerung 400 die Temperatur der Strömung innerhalb des Nebenschlusskanals gewinnt. Die Temperatur konnte über eine Temperatur-Schnittstelle, wie z. B. die Schnittstelle 412 nach 4 gewonnen werden, oder sie kann zu dem zu kompensierenden Massenstrom-Sensor heruntergeladen werden. Der Kompensationsprozess kann in sicherer Weise annehmen, dass die Gastemperatur gleich der Temperatur der Umschließung der Massenstrom-Steuerung ist. Zusätzlich bleibt bei den meisten Anwendungen die Temperatur über eine lange Zeitperiode relativ stabil, so dass ein gespeicherter Temperaturwert mit Aktualisierungen in erforderlicher Weise verwendet werden kann.
Nachdem die Gastemperatur im Schritt 504 gewonnen wurde, geht der Prozess zum Schritt 506 über, in der die Sensor-Steuerung das Volumen des Totvolumens gewinnt. Dieser Wert kann beispielsweise während der Herstellung gespeichert worden sein. Von dem Schritt 506 geht der Prozess zum Schritt 508 über, in dem der Druck innerhalb des Totvolumens über eine Zeitperiode gewonnen wird. Die Anzahl der Messungen und die Zeit, über die die Messungen erfolgen, hängt von der Geschwindigkeit und Dauer der Schwankungen an dem Einlass der Massenstrom-Steuerung ab. Im Schritt 510 verwendet der Prozessor die im Schritt 508 ausgeführten Druckmessungen, um eine zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens zu berechnen. Nach der Berechnung der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens geht der Prozess zum Schritt 512 über, in dem ein kompensierter Auslassströmungs-Wert entsprechend der Gleichung 2 berechnet wird. Vereinfachungen können in dem Rechenprozess ausgeführt werden. Beispielsweise können das Volumen des Totvolumens, die Standardtemperatur und der Standarddruck alle zu einer einzigen Konstante zur Verwendung bei der Einlassströmungs-Messung und der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens kombiniert werden, um eine kompensierte Auslassströmungs-Näherung zu berechnen. Diese Vereinfachung würde eine Gleichung der folgenden Form ergeben: Q_o = Q_i – C1(V/T)(dP/(dt) (3) worin:

Q_o: = die kompensierte gemessene Auslass-Strömungsrate ist,
Q_i: = die gemessene Einlass-Strömungsrate ist,
C1: = eine Normalisierungskonstante ist, die die Temperatur und den Druck zu der Standardtemperatur und dem Standarddruck in Beziehung setzt,
V: = das Volumen zwischen dem Sensor-Nebenschluss und dem Auslassströmungs-Steuerventil ist,
T: = die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Volumens ist,
dP/dt: = zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Volumens ist.

Wie dies weiter oben erwähnt wurde, könnte das Volumen V in die Konstante C1 aufgenommen werden. Von dem Schritt 512 geht der Prozess zum Schritt 514 über, wo er fortgesetzt wird, wobei die Steuerung des Strömungssensors Druck-, Temperatur- und Strömungs-Anzeigen gewinnt und eine kompensierte Auslassströmungs-Schätzung berechnet, wie dies beschrieben wurde. Der Prozess geht beispielsweise von dem Schritt 514 zu dem Ende im Schritt 516 über, wenn der Massenstrom-Sensor abgeschaltet wird.
Bei erneuter Betrachtung des Blockschaltbildes nach 4 ist zu erkennen, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Steuerung 400 eine Diagnose-Schnittstelle 422 einschließt, die es einem Betreiber, wie z. B. einem Techniker, ermöglicht, nicht nur Diagnosetests an der Massenstrom-Steuerung einzuleiten, sondern diese auch durchzuführen. Weiterhin ermöglicht es die Schnittstelle 422 einem Betreiber, die Diagnose in einer Weise durchzuführen, die keine Eingabe von der örtlichen Systemsteuerung erfordert, die eine Arbeitsstation sein kann, die im übrigen normalerweise die Massenstrom-Steuerung steuert. Derartige Diagnosen sind für die örtliche Systemsteuerung transparent, die noch nicht einmal feststellen muss, dass die Diagnose durchgeführt wird, und die entsprechend ihren Betrieb unvermindert fortsetzen kann. Die Diagnose-Schnittstelle ergibt einen Zugang an die Massenstrom-Steuerungs-Sensormessungen, Steuerausgänge und Massenstrom-Steuerungs-Diagnoseeingänge und Ausgänge. Die verschiedenen Eingänge und Ausgänge können über die Diagnose-Schnittstelle mit sehr geringer Verzögerung ausgeführt und gemessen werden. In dem zu Erläuterungszwecken verwendeten Doppelprozessor-Ausführungsbeispiel, das ausführlicher in der Beschreibung der 9 beschrieben wird, kann ein deterministischer Prozessor beispielsweise Ausgänge modifizieren und/oder Eingänge von Sensoren oder Testpunkten überwachen. Während der Ausführung der On-Line-Diagnose setzt die Steuerung die Ausführung der Prozessregelfunktionen unbehindert fort, während gleichzeitig die Steuerung eine Echtzeit-Wechselwirkung mit einem Techniker bereitstellen kann (das heißt Wechselwirkungen, bei denen die Verzögerungen für einen Menschen nicht wahrnehmbar sind), und zwar entweder örtlich oder über eine Telekommunikationsverbindung.
Unter Verwendung der Diagnose-Schnittstelle 422 kann eine Bedienungsperson Steuerwerte einstellen, wie z. B. den Sollwert, der zur Festlegung des Betriebs der Massenstrom-Steuerung verwendet wird. Zusätzlich kann die Bedienungsperson Sensor-Ausgangswerte modifizieren, um das Ansprechverhalten der Massenstrom-Steuerung auf bestimmte Sensor-Anzeigen zu prüfen. Das heißt, eine Bedienungsperson kann die Sensor-Anzeigen modifizieren, die eine Massenstrom-Steuerung verwendet, um die Strömung von Gasen durch ihr Auslassventil zu steuern, wodurch die Steuerung für Diagnosezwecke trainiert wird. Eine Bedienungsperson kann alle Sensor- und Testpunkt-Eingänge sowie Informationen auslösen, die hinsichtlich der Steuerung gespeichert sind (gespeichert durch die deterministische Steuerung in der Dualprozessor-Ausführungsform), es können alle Sensorwerte gelesen werden, es können alle Testpunkt-Werte gelesen werden, und es kann eine Steuerinformation, wie z. B. der Sollwert, gelesen werden. Zusätzlich kann die Bedienungsperson auf Steuerausgänge und Testpunkte schreiben und gespeicherte Werte überschreiben, wie z. B. Sensor-Anzeigen oder Sollwert-Information, um die Steuerung vollständig über den Diagnose-Port zu testen.
In einem Ausführungsbeispiel kann eine Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung einen Web-Server einschließen. Ein derartiger Web-Server kann beispielsweise in der Diagnose-Schnittstelle enthalten sein. Bei einer derartigen Ausführungsform schließt die Diagnose-Schnittstelle einen Web-Server ein, der die Verwendung der Massenstrom-Steuerung in einem System ermöglicht, wie es in dem Blockschaltbild nach 6 gezeigt ist. In einem derartigen System kann ein Benutzer, wie z. B. ein Techniker, ein Web-fähiges Gerät 600, wie z. B. einen persönlichen Computer, einen persönlichen digitalen Assistenten oder ein Zellulartelefon verwenden, auf dem ein Web-Browser (beispielsweise Netscape oder Explorer) abläuft, um mit einem Server 602 zu kommunizieren, der in die Massenstrom-Steuerung 604 eingebettet ist. Der Server 602 schließt Web-Seiten ein, die eine Schnittstelle für den Benutzer an die Massenstrom-Steuerung 604 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitstellen. Die Erläuterung anhand der 13A–13E gibt weitere Einzelheiten bezüglich der Web-Server-Fähigkeiten, die in ein Ausführungsbeispiel einer Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung eingebettet ist.
Massenstrom-Sensoren werden typischerweise während ihres Herstellungsprozesses kalibriert. Weil ein Massenstrom-Sensor üblicherweise in eine Massenstrom-Steuerung eingefügt wird, bezieht sich die Erläuterung hier speziell auf Massenstrom-Steuerungen, doch sind die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen genauso auf „unabhängige” Massenstrom-Sensoren anwendbar. Der Kalibrierprozess erfordert es, dass ein Techniker Gas mit einer bekannten Strömungsrate der Massenstrom-Steuerung zuführt und das Strömungssignal des Massenstrom-Sensors mit der bekannten Strömungsrate korrelliert. Beispielsweise setzt im Fall eines Massenstrom-Sensors, der eine der Strömung entsprechende Ausgangsspannung liefert, der Techniker die Ausgangsspannung von dem Sensor in die tatsächliche oder Ist-Strömungsrate um. Dieser Prozess kann für eine Vielzahl von Strömungen wiederholt werden, um einen Satz von Spannungs-/Strömungs-Korrelationen zu entwickeln: beispielsweise zeigt eine Ausgangsspannung von 4 Volt eine Standard-Strömung mit 40 Kubikzentimetern pro Minute (sccm) an, eine Ausgangsspannung von 5 Volt zeigt eine Strömung mit 50 sccm an, usw.
Strömungsraten, die zwischen Eichpunkte fallen, können beispielsweise unter Verwendung linearer oder Polynom-Interpretationstechniken interpoliert werden. Dieser Prozess kann für mehrere Gase wiederholt werden. Korrelationstabellen, die das Signal von dem Massenstrom-Sensor (das eine Spannung sein kann) zu Strömungsraten für verschiedene Gase in Beziehung setzen, können somit erzeugt und gespeichert werden. Derartige Tabellen können zu einer Massenstrom-Steuerung zur Verwendung „am Anwendungsort” heruntergeladen werden, oder sie können in einer Massenstrom-Steuerung gespeichert werden. In vielen Fällen kalibrieren oder eichen Techniker eine Massenstrom-Steuerung unter Verwendung eines relativ unschädlichen Gases, wie z. B. N₂, und liefern Eichkoeffizienten, die zur Korrelation der Strömung eines anderen Gases zu dem Eich-Gas verwendet werden können. Diese Korrelationskoeffizienten können dann am Anwendungsort verwendet werden, wenn ein bekanntes Gas durch die Massenstrom-Steuerung zum Fließen gebracht wird, um die tatsächliche Strömung aus der scheinbaren Strömung zu berechnen. Das heißt, die scheinbare Strömung kann eine Strömung sein, die mit N₂ korreliert ist, und wenn Arsin-Gas durch die Massenstrom-Steuerung geleitet wird, so multipliziert die Massenstrom-Steuerung die scheinbare Strömung mit einem Arsin-Gas-Eichkoeffizienten, um die tatsächliche Strömung zu gewinnen. Zusätzlich können am Anwendungsort Massenstrom-Steuerungen auf einer regelmäßigen Grundlage nachgeeicht werden, um eine „Drift”, eine Ausrichtung und den Wassergehalt des Gases, dessen Strömung gesteuert werden soll, zu berücksichtigen, oder um andere Faktoren zu kompensieren. Das US-Patent 6 332 348 B1 , das am 25. Dezember 2001 auf den Namen von Yelverton et al. erteilt wurde, und dessen Inhalt durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird, erläutert diese Faktoren und die unhandlichen Verfahren und Ausrüstungen, die erforderlich sind, um diese Eichungen an Ort und Stelle durchzuführen, mit weiteren Einzelheiten.
Ein Kalibrier- oder Eichverfahren und eine Vorrichtung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung hinsichtlich des konzeptuellen Blockschaltbildes nach 7 erläutert. Dieses Kalibriersystem und Verfahren kann bei der Einstellung während der Herstellung verwendet werden oder kann bei einem Ausführungsbeispiel in eine selbstkalibierende Massenstrom-Steuerung eingefügt werden. Die Massenstrom-Steuerung 700 schließt einen Massenstrom-Sensor 702 und eine elektronische Steuerung 704 ein, die ein Strömungssignal von dem Massenstrom-Sensor 702 empfängt. Eine Kalibriereinrichtung 706 schließt eine eine veränderliche Strömung aufweisende Gasquelle 708, einen Behälter mit vorgegebenem Volumen 710 und einen Druckdifferenzierer 712 ein. Es sei bemerkt, dass die Linien, die die verschiedenen Funktionsblöcke trennen, in gewisser Weise fließend sind. Das heißt, dass in anderen Ausführungsformen die einem Block zugeordnete Funktion durch einen oder mehrere weitere Blöcke erfüllt werden kann. Beispielsweise wird bei einem Ausführungsbeispiel die Druck-Differenziereinrichtung 712 vollständig oder teilweise durch die Ausführung eines Codes in der elektronischen Steuerung 704 realisiert. Die eine veränderliche Strömung aufweisende Gasquelle 708 liefert ein Gas mit proportionalen Raten sowohl an den Behälter mit vorgegebenem Volumen als auch an den Massenstrom-Sensor. Die Strömungsrate an dem Massenstrom-Sensor 702 kann gleich der Strömungsrate an den Behälter 710 mit vorgegebenem Volumen sein: das heißt eine Proportionalitätskonstante von beispielsweise 1. Der Massenerhaltung-Sensor 702 ist so konfiguriert, dass er ein Massenstrom-Signal erzeugt, das von ihm gemessene Strömung anzeigt, und bei diesem Ausführungsbeispiel wird dieses Signal an die elektronische Steuerung 704 gesandt. Die Druck-Differenziereinrichtung 712 erzeugt ein Signal, das zu der Strömung von der eine veränderliche Strömung aufweisenden Quelle 708 in den Behälter 710 mit vorgegebenem Volumen entsprechend der Beziehung der Gleichung 4 korreliert ist,: Q_o = Q_i – C1(V/T)(dP/dt) (4) worin:

Q_o: = die Auslass-Strömungsrate in Standard-Kubikzentimetern pro Minute ist,
Q_i: = Einlass-Strömungsrate in Standard-Kubikzentimetern pro Minute ist,
C1: = eine Normalisierungskonstante ist, die die Temperatur und den Druck zur Standard-Temperatur und zum Standard-Druck in Beziehung setzt,
V: = das vorgegebene Volumen des Behälters in Litern ist,
T: = die Kelvin-Temperatur des Strömungsmittels in den Behälter ist,
dP/dt: = die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Behälters in Torr/Sekunden ist.

In einem Ausführungsbeispiel ist der Behälter geschlossen und Gas strömt in den Behälter, bis der Druck in dem Behälter gleich dem des Gases ist, das von der eine veränderliche Strömung aufweisenden Quelle 708 geliefert wird. In einem derartigen Ausführungsbeispiel kann die eine veränderliche Strömung aufweisende Quelle eine Konstantdruck-Quelle sein, die, während der Druck in dem Behälter ansteigt, Gas mit einer exponentiell abnehmenden Strömungsrate liefert. In einem derartigen Fall ist die Auslassströmung Q_o = 0 und die Einlassströmung Q_i ergibt sich aus der folgenden Gleichung: Q_i = C1(V/T)(dP/dt) (5)
Die Druck-Differenziereinrichtung 712 bildet die zeitliche Ableitung des Druckes innerhalb des Behälters 710, und unter Verwendung der Normalisierungskonstante C1, des vorgegebenen Volumens V und der Gastemperatur innerhalb des Behälters kann die Differenziereinrichtung (und/oder die elektronische Steuerung 704) die tatsächliche Strömung in den Behälter 710 bestimmen. Weil die Strömung in den Behälter proportional zu der Strömung in den thermischen Massenstrom-Sensor ist, kann die tatsächliche oder Ist-Strömung in dem thermischen Massenstrom-Sensor 702 ebenfalls durch Multiplizieren der tatsächlichen Strömung in den Behälter mit einer Proportionalitätskonstante bestimmt werden (beispielsweise ist die Proportionalitätskonstante gleich 1, wenn die Strömungen gleich sind). Das Signal von dem Massenstrom-Sensor wird dann beispielsweise durch die elektronische Steuerung 704 mit der tatsächlichen Strömung korreliert, die in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt wurde. Eine derartige Korrelation stellt eine Beziehung zwischen einem oder mehreren Signalpegeln von dem Massenstrom-Sensor zu der tatsächlichen Strömung her. Die Druck-Differenziereinrichtung 712 kann beispielsweise Analog-Differenzierschaltungen einschließen, die die zeitliche Ableitung des Drucksignals bilden. Das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung, ein Signal, das die zeitliche Ableitung des Druckes innerhalb des Behälters dP/dt darstellt, kann durch einen (nicht gezeigten) Analog-/Digital-Wandler abgetastet werden, um es der elektronischen Steuerung 704, die beispielsweise einen Mikroprozessor, einen DSP-Chip, oder Daulprozessoren einschließen kann, zu ermöglichen, das die zeitliche Ableitung bildende Signal zu verarbeiten. Alternativ kann die Druck-Differenziereinrichtung 712 das Drucksignal in ein digitales Format zur Verarbeitung durch die elektronische Steuerung 704 umwandeln, die die zeitliche Ableitung des Drucksignals bildet. Bei einer derartigen Ausführungsform arbeitet die elektronische Steuerung in Kombination mit einem Differenzier-Code als der Differenzierer. Die Steuerung verwendet zumindest zwei Druckdifferenzen dividiert durch entsprechende Zeitintervalle, um die Ableitung zu berechnen. Das Gas kann parallel dem Behälter und dem Massenstrom-Sensor zugeführt werden, oder es kann in Serie zugeführt werden, wie dies ausführlicher in der folgenden Erläuterung bezüglich einer selbstkalibierenden Massenstrom-Steuerung beschrieben wird.
Im Betrieb kann die Massenstrom-Steuerung in der gerade beschriebenen Weise unter Verwendung einer Vielzahl von Gasen kalibriert werden, wobei Korrelationswerte (Umsetzungen des Sensor-Ausganges auf die tatsächliche Strömung) in Tabellen gespeichert werden. Kalibrier-Koeffizienten, die eine Beziehung zwischen Strömungsmessungen eines Gases zu einem anderen herstellen, können ebenfalls entwickelt und gespeichert werden. Die Tabellen und/oder Koeffizienten können am Anwendungsort auf eine Massenstrom-Steuerung zur Verwendung durch die Steuerung bei der Steuerung einer Gasströmung heruntergeladen werden. Verschiedene bekannte Interpolationstechniken, wie z. B. eine lineare oder Polynom-Interpolation können in Verbindung mit den Kalibrier- oder Eichtabellen und/oder Koeffizienten verwendet werden.
Zusätzlich können derartige gespeicherte Kalibriertabellen und/oder Koeffizienten als Vorgabewerte in einer selbstkalibierenden Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Eine selbstkalibierende Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung schließt eine Kalibriereinrichtung 706 und einen Massenstrom-Sensor 702 ein, die zur Kalibrierung der Massenstrom-Steuerung in einer Weise verwendet werden können, wie sie gerade beschrieben wurde. Im Fall einer selbstkalibierenden Massenstrom-Steuerung kann jedoch die Kalibrierung an Ort und Stelle am Anwendungsort genauso einfach durchgeführt werden, wie in einer Herstellungsumgebung.
Sobald sie am Anwendungsort beispielsweise an einem Halbleiter-Verarbeitungswerkzeug wie bei dem System 100 nach 1 installiert ist, kann die Massenstrom-Steuerung sich selbst unter Verwendung des Gases kalibrieren oder eichen, das während der Halbleiter-Verarbeitung verwendet wird. Durch die Verwendung des Gases, das bei der Verarbeitung verwendet werden soll, kann die Massenstrom-Steuerung eine genauere Strömungsmessung liefern, weil sie automatisch Änderungen, wie z. B. den Feuchtigkeitsgehalt, berücksichtigt. Zusätzlich kann ein neues Verarbeitungsgas genauso einfach wie ein übliches Gas verwendet werden, weil die selbstkalibierende Massenstrom-Steuerung sich selbst an dem zu verwendenden Gas kalibrieren (das heißt Massenstrom-Signalpegel mit tatsächlichen durch die Druck-Differenziereinrichtung bestimmten Strömungspegeln korrelieren) kann, wie bezüglich irgendeines anderen üblichen Gases, wie z. B. N₂. Weil die Massenstrom-Steuerung in der Ausrichtung kalibriert wird, in der sie verwendet wird, werden Diskrepanzen aufgrund einer anderen räumlichen Anordnung der Massenstrom-Steuerung am Anwendungsort gegenüber einer Position, in der sie während der Herstellung kalibriert wurde, im Wesentlichen beseitigt. Alle Massenstrom-Steuerungen in einem System, wie z. B. dem System 100 nach 1, können automatisch und gleichzeitig in kurzer Zeit kalibriert werden. Dies steht im Gegensatz zu dem mühsamen aufwändigen Verfahren, das bei üblichen Massenstrom-Steuerungen verwendet wird, die typischerweise einzeln durch einen Techniker unter Verwendung mehrerer Massenstrom-Messgeräte kalibriert werden, wobei der Techniker von einer Massenstrom-Steuerung zur nächsten Massenstrom-Steuerung geht. Wie dies ausführlicher in der Beschreibung der 8 beschrieben wird, kann eine Massenstrom-Steuerung, die einen thermischen Massenstrom-Sensor und einen Druckwandler einschließt, ihr Auslassventil schließen, um eine sich ändernde Gasströmung in ihr Totvolumen zu schaffen. Durch Bilden der zeitlichen Ableitung des Druckes kann die tatsächliche Strömung in dem Totvolumen-Behälter bestimmt werden. Die Korrelation des tatsächlichen Wertes der Strömung zu dem Signal des thermischen Massenstrom-Sensors durch die Massenstrom-Steuerung wirkt als die Kalibrierung der Massenstrom-Steuerung.
8 ist ein konzeptuelles Blockschaltbild einer selbstkalibierenden Massenstrom-Steuerung 800 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Serienströmung-Ausführungsform strömt ein Gas durch einen thermischen Sensor 802 in einen Behälter 804 mit vorgegebenem Volumen und dann durch ein Auslassventil 806. Die Auslassströmung Q_o würde normalerweise eine kontrollierte Strömung in eine Kammer sein, beispielsweise eine Kammer in einem Bearbeitungswerkzeug für integrierte Schaltungen. Eine elektronische Steuerung 808, die bei dieser Ausführungsform einen Code zur Durchführung der Differenzierung ausführt, die erforderlich ist, um die tatsächliche Strömung zu gewinnen, wie dies in der Beschreibung der 7 erläutert wurde, steht in Verbindung mit dem thermischen Sensor 802, dem Drucksensor 805 und dem Auslassventil 806. In dem Beispiel des Verfahrens arbeitet die elektronische Steuerung 808 in Verbindung mit dem Auslassventil 806, um eine eine veränderliche Strömung aufweisende Gasversorgung zu bilden. Das heißt, die elektronische Steuerung schließt das Auslassventil, was ein exponentielles Abnehmen der Strömung hervorruft. Der Druck in dem Totvolumen steigt an, und die elektronische Steuerung differenziert dieses Signal mehrfach, um tatsächliche Strömungs-Anzeigen für eine Korrelation mit den Massenstrom-Sensor-Signalwerten über einen relativ breiten Bereich von Strömungen zu gewinnen. Zusätzlich kann, um die Zeitperiode zu verlängern, während der sich die Strömung ändert, und um tatsächliche Strömungswerte zur Korrelation mit den thermischen Massenstrom-Signalwerten über einen breiten Bereich zu gewinnen, die elektronische Steuerung das Auslassventil auf eine vollständig offene Stellung bringen, bevor sie es schließt.
Die Druck- und Strömungsprofile, die bei einem derartigen Verfahren auftreten, sind schematisch in der grafischen Darstellung nach 9 gezeigt. Zu einer Anfangszeit t₀ zwingt die Druckdifferenz zwischen dem Gas an dem Einlass an die Massenstrom-Steuerung P_in und dem Druck P_r stromabwärts von dem Behälter 804 das Gas, durch die Massenstrom-Steuerung mit einer Rate Q_in zu strömen. In diesem Beispiel sind der Einlassdruck P_in, der Druck innerhalb des Behälters, PR, und die Strömung durch den Einlass der Massenstrom-Steuerung, Q_in, konstant. Zum Zeitpunkt t_so schließt die Steuerung das Auslassventil, wodurch die Auslassströmung Q_o auf Null verringert wird. Gas strömt weiter in den Behälter, solange es eine Druckdifferenz zwischen dem Behälter und dem Einlass gibt. Während der Druck PR innerhalb des Behälters exponentiell auf einen Gleichgewichtszustand mit einer Gleichheit mit dem Einlassdruck P_in ansteigt, nimmt die Einlassströmung Q_in ab. Durch Bilden der Ableitung der Druckänderung innerhalb des Behälters (das hier auch als das „Totvolumen” in Zuordnung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bezeichnet wird) kann die elektronische Steuerung die tatsächliche Strömung in den Behälter bestimmen, wie dies weiter oben beschrieben wurde.
Die elektronische Steuerung kann eine Vielzahl von gleichzeitigen Anzeigen, die von dem thermischen Massenstrom-Sensor erzeugt werden, korrelieren, um auf diese Weise den Massenstrom-Sensor zu kalibrieren. Das heißt, sobald dieser Vorgang für ein bestimmtes Gas abgeschlossen ist, können Strömungsanzeigen von dem thermischen Massenstrom-Sensor zu tatsächlichen Strömungsraten korreliert werden. Die Ergebnisse können von der elektronischen Steuerung 808 zur Steuerung des Öffnens des Ventils 806 in einem Regelsystem verwendet werden, um eine ausgewählte Strömung stromabwärts zu liefern. Um die Zeitperiode t_so von dem Zeitpunkt, zu dem die Steuerung des Ventils schließt, bis zu der Zeit, zu der die Strömung nicht mehr feststellbar ist, zu verlängern, und damit die Anzahl und die Präzision der Druckmessungen zu vergrößern, die durchgeführt werden können, kann die Steuerung das Ventil vollständig öffnen, bevor sie es zum Zeitpunkt t_so schließt. Zusätzlich können ein oder mehrere Strömungsdrosseln in dem Strömungspfad zwischen dem Einlass an dem thermischen Massenstrom-Sensor und dem Einlass an dem Behälter 804 angeordnet werden.
Das vereinfachte Blockschaltbild nach 10 erläutert die Architektur einer Dualprozessor-Ausführungsform der elektronischen Steuerung 1000, wie sie in einem Massenstrom-Sensor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel schließt die Steuerung zwei Prozessoren 1002, 1004 ein. Einer der Prozessoren 1002 ist ausschließlich für „Echtzeit”-Prozesse bestimmt, und der andere Prozessor 1004 ist ausschließlich für nicht-Echtzeit-Prozesse bestimmt. Unter „Echtzeit” verstehen wir Prozesse, die einen bestimmten Dienstepegel innerhalb einer begrenzten Ansprechzeit erfordern. In dieser Hinsicht sind die Prozesse deterministisch, und der Prozessor 1002 wird hier als der deterministische Prozessor bezeichnet. Das Ziel der Dualprozessor-Architektur besteht darin, die Anzahl der Unterbrechungssignale zu verringern und asynchrone Ereignis-Antworten in einer vorhersagbaren Weise zu verwalten. Der nicht-deterministische Prozessor 1004 kann Ereignis-gesteuerte Unterbrechungen abwickeln, wie z. B. die Antwort auf eine Eingabe von einem Benutzer. Der deterministische Prozessor 1002 wickelt lediglich rahmengesteuerte, das heißt regulär ablaufgesteuerte Unterbrechungen ab. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der nicht-deterministische Prozessor ein Universal-Prozessor 1004, der für eine Vielzahl von Aufgaben geeignet ist, wie z. B. als Benutzerschnittstelle und für andere verschiedene Aufgaben, und nicht ein spezialisierter Coprozessor, wie z. B. ein mathematischer oder Kommunikations-Coprozessor. Insbesondere kann ein TMS320VC5471 der Firma Texas Instruments, Inc., in einer Dualprozessor-Ausführungsform gemäß den Prinzipien der Erfindung verwendet werden. Der TMS320VC5471 ist in einem Datenhandbuch beschrieben, das unter http://www-s.ti.com/sc/ds/tms320vc5471.pdf erhältlich ist, und das durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird.
Eine Prozessor-Schnittstelle 106 ermöglicht Zwischen-Prozessor-Kommunikationen. Der deterministische Prozessor 1002 schließt Sensor- und Stellglied-Schnittstellen ein. Von den Sensor-Schnittstellen arbeitet eine Strömungssensor-Schnittstelle 1005 mit einem Massenstrom-Sensor zusammen, um eine digitale Darstellung der Rate des Massenstroms in eine zugehörige Massenstrom-Steuerung hinein zu erzeugen. Eine oder mehrere Stellglied-Schnittstellen 1010 werden von dem deterministischen Prozessor 1002 verwendet, um das Öffnen eines zugehörigen Ausgangs-Steuerventils der Massenstrom-Steuerung zu steuern oder um beispielsweise einen Diagnose-Testpunkt anzusteuern. Das Stellglied kann ein stromgesteuertes Magnetspulen-Stellglied oder ein spannungsgesteuertes piezoelektrisches Stellglied sein, um Beispiele zu nennen. Wie dies ausführlicher in der Beschreibung des Ablaufdiagramms nach 9 beschrieben wurde, durchläuft nach der Initialisierung der deterministische Prozessor 1002 eine Steuerfolge und gewinnt Sensordaten, gewinnt Einstellinformationen (beispielsweise eine Massenstrom-Sollwerteinstellung), liefert Statusinformationen und steuert den Zustand des Auslassventils. Weil nicht-deterministische Aufgaben auf den nicht-deterministischen Prozessor 1004 abgegeben wurden, kann die Regelschleife des deterministischen Prozessors sehr kompakt sein. Entsprechend können Regelaufgaben innerhalb einer minimalen Zeitperiode ausgeführt werden, und Steueranzeigen und Ansteuersignale können häufiger aktualisiert werden, als dies möglich sein würde, wenn Zeit für die Versorgung von nicht-deterministischen Aufgaben mit Diensten reserviert würde.
Die Steuerung 1000 arbeitet in Verbindung mit dem thermischen Massenstrom-Sensor, wie dies allgemein in der Beschreibung der 3 beschrieben wurde, um eine digitale Darstellung der Rate des Massenstroms in eine zugehörige Massenstrom-Steuerung hinein zu erzeugen. Die digitale Darstellung kann die Form von einem oder mehreren Datenwerten aufweisen und ist Schwankungen aufgrund von Druckschwankungen am Eingang des Massenstrom-Sensors unterworfen. Die Steuerung 1000 und insbesondere der deterministische Prozessor 1002 können an der Drucksensor-Schnittstelle 1006 gewonnene Daten zur Kompensation von Schwankungen verwenden, die in dem thermischen Massenstrom-Sensor durch Druckschwankungen an der Einlassleitung des Massenstrom-Sensors hervorgerufen werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet der deterministische Prozessor 1002 die Temperatur-, Druck- und Massenstrom-Anzeigen, die von den jeweiligen Schnittstellen 1008, 1007 und 1005 gewonnen werden, um eine kompensierte Massenstrom-Anzeige zu erzeugen, die genauer den Massenstrom an dem Auslass des Massenstrom-Sensors wiedergibt, als eine Anzeige von dem thermischen Massenstrom-Sensor allein. Der deterministische Prozessor 1002 ergibt weiterhin eine Steuerung der Sensoren in der erforderlichen Weise über die Schnittstelle 1005 für den thermischen Strömungssensor, die Schnittstelle 1007 für den Drucksensor und die Schnittstelle 1008 für den Temperatursensor. Der Kompensationsprozess wird ausführlicher bei der Erläuterung der 11 beschrieben. Der deterministische Prozessor 1002 schließt weiterhin eine Ventil-Stellglied-Schnittstelle 1010 ein, die der deterministische Prozessor dazu verwendet, die Position eines Ventils, wie z. B. des Ventils 220 nach 2 zu steuern, um auf diese Weise die Rate der Strömungsmittel-Strömung durch eine Massenstrom-Steuerung, wie z. B. die Massenstrom-Steuerung 200 in einem Regelprozess zu steuern.
Der deterministische Prozessor 1002 ist für den Ventil-Regelprozess in geschlossener Schleife bestimmt und muss daher mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit arbeiten können, um die verschiedenen Sensor-Ausgänge auszulesen, sie in der erforderlichen Weise zu kompensieren und das Ventil einzustellen, um eine vorgegebene Strömungsrate hervorzurufen. Die Strömungsrate ist in dem Sinne vorgegeben, dass sie in irgendeiner Hinsicht „erwünscht” ist und sie muss keine statische Einstellung sein. Das heißt, die vorgegebene Strömungsrate kann von einer Bedienungsperson unter Verwendung einer mechanischen Einrichtung, wie z. B. einer Skaleneinstellung, eingestellt oder von einer anderen Steuerung heruntergeladen werden, wie z. B. einer Arbeitsstation, und sie kann häufig aktualisiert werden. Typischerweise erfordert eine Gasstrom-Steuerung, und in diesem Fall eine kompensierte Gasstrom-Steuerung, einen Betrieb mit relativ hoher Geschwindigkeit. Verschiedene Arten von Prozessoren, wie z. B. Prozessoren mit reduziertem Befehlssatz (RISC), mathematische Coprozessoren oder digitale Signalprozessoren (DSP's) können für einen derartigen Hochgeschwindigkeits-Betrieb geeignet sein. Die Rechen-, Signalaufbereitungs- und Schnittstellen-Fähigkeiten eines DSP machen ihn besonders für die Verwendung für den deterministischen Prozessor 1002 geeignet. Wie dies ausführlicher in der Beschreibung des Steuerprozesses anhand der Erläuterung der 9 beschrieben wurde, ist die von dem deterministischen Prozessor 1002 ausgeführte Funktion in der Hinsicht deterministisch, dass bestimmte Operationen in einer zeitlich gesteuerten und regelmäßigen Weise abgeschlossen werden, um Fehler und mögliche Instabilitäten in dem Regelprozess zu vermeiden. Der deterministische Prozessor 1002 und der nicht-deterministische Prozessor 1004 kommunizieren über die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle 1006 in einer Weise, die die deterministische Betriebsweise des deterministischen Prozessors 1002 nicht behindert. Die Zwischen-Prozessor-Kommunikationen wurden ausführlicher in der Erläuterung der 9 beschrieben.
Der nicht-deterministische Prozessor 1004 schließt eine örtliche Benutzerschnittstelle 1016 ein, die mit einer oder mehreren Eingabegeräten, wie z. B. einer Zahlentastatur, einer Tastatur, einer Maus, einer Rollkugel, einem Steuerknüppel, Knöpfen, berührungsempfindlichen Bildschirmen, mit Anschlussstiften in zwei Reihen versehenen Schaltern (DIP) oder Rändelrad-Schaltern, verwendet werden kann, um Eingaben von Benutzern anzunehmen, wie z. B. Technikern, die eine Massenstrom-Steuerung betreiben, die mit dem nicht-deterministischen Prozessor 1004 verbunden ist. Die örtliche Benutzerschnittstelle 1016 schließt weiterhin einen oder mehrere Ausgänge ein, die zur Ansteuerung von einem oder mehreren Geräten geeignet sind, wie z. B. eine Anzeige, die eine Zeichenanzeige, eine alphanumerische Anzeige oder eine grafische Anzeige sein kann, oder Anzeigelampen oder Audio-Ausgabegeräte, die zur Übertragung von Informationen von einer Massenstrom-Steuerung an einen Benutzer verwendet werden. Eine Kommunikations-Schnittstelle 1018 ermöglicht es der Massenstrom-Steuerung, mit einem oder mehreren Instrumenten und/oder mit einer örtlichen Steuerung, wie z. B. einer Arbeitsstation zusammenzuwirken, die ein Werkzeug steuert, das eine Vielzahl von Massenstrom-Steuerungen und/oder andere Geräte z. B. bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel schließt die Kommunikations-Schnittstelle 1018 eine DeviceNet-Schnittstelle ein. Eine Diagnose-Schnittstelle 1020 stellt eine Schnittstelle für einen Techniker bereit, um Diagnosen durchzuführen, wie dies weiter oben für die Diagnose-Schnittstelle 422 nach 4 beschrieben wurde. Bei einem Ausführungsbeispiel schließt die Diagnose-Schnittstelle eine Ethernet-Schnittstelle und einen Web-Server ein.
Die Kompaktheit des Codes für den deterministischen Prozessor 1002 ermöglicht es dem deterministischen Prozessor, dass er sehr schnell auf Eingangsänderungen anspricht und sehr schnell Betätigungseinrichtungs-Signale in Abhängigkeit von derartigen Änderungen modifiziert. Diese Aufteilung der Operationen zwischen deterministischen und nicht-deterministischen Prozessoren erleichtert weiterhin auch die anfängliche Entwicklung von Code, sowohl für den deterministischen als auch den nicht-deterministischen Prozessor. Beispielsweise muss der deterministische Code nicht auf nicht in einem Ablaufplan vorgesehene Ereignisse ansprechen, wie z. B. die „Spiegelung” einer Anforderung eines Benutzers auf eine Anzeige an einer Benutzerschnittstelle, und der nicht-deterministische Code muss die Bereitstellung einer derartigen Benutzer-Rückmeldung nicht unterbrechen, um eine Auslassventil-Steuereinstellung alle 50 Buszyklen einzustellen. Die Aufteilung zwischen deterministisch und nicht-deterministisch ermöglicht weiterhin relativ einfache Überarbeitungen und Aufrüstungen. Wenn der Code für einen Prozessor überarbeitet oder aufgerüstet werden muss, kann der Code für den anderen Prozessor keine Überarbeitungen oder lediglich kleinere Überarbeitungen erfordern. Insbesondere kann der Code für den deterministischen Prozessor „reifer” oder festgelegter sein, als für den nicht-deterministischen Prozessor, wobei Benutzerschnittstellen, Kommunikationen und ähnliche Funktionen in vielen Fällen häufiger aktualisiert werden, als deterministische Massenstrom-Regelfunktionen.
Unter Verwendung dieses Ausführungsbeispiels für eine Dualprozessor-Ausführungsform kann eine Benutzerschnittstelle beispielsweise ohne Auswirkung auf den Steuerfunktionscode aktualisiert werden. Die Überarbeitung und Wartung von gemischtem Code (deterministischem und nicht-deterministischem Code) würde außerdem eine wesentlich kompliziertere und kostspielige Möglichkeit sein, als Code, der in einer Weise entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgeteilt ist. In einem Ausführungsbeispiel kann die Dualprozessor-Steuerung 1000 ein Hybrid-Prozessor sein, der zwei Prozessoren auf einer integrierten Schaltung beinhaltet. Eine integrierte Schaltung, wie z. B. der TMS320C5471-Hybridprozessor, der von der Firma Texas Instruments erhältlich ist, kann als der Dualprozessor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Das digitale Signalverarbeitungs-(DSP-)Teilsystem auf dem Halbleiter-Chip würde aufgrund seiner mathematischen Fähigkeiten besser als der deterministische Prozessor in einer derartigen Anwendung geeignet sein. Der Dualport-Speicher der integrierten Schaltung kann als die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle verwendet werden, wobei die Prozessoren auf Speicherplätze schreiben und von diesem lesen, die reserviert werden, um als „Postfächer” für die Übertragung von Informationen zu wirken, unter Einschluss von Daten, Befehlen und Befehlsantworten.
Eine derartige Zwischen-Prozessor-Schnittstelle ermöglicht es dem deterministischen Prozessor, den Betrieb in einer rahmengesteuerten Betriebsart fortzusetzen, während gleichzeitig der deterministische Prozessor eine Aufgabe bei der Diagnose und Kalibrierung übernehmen kann. Irgendeine Anforderung von Sensordaten von dem nicht-deterministischen Prozessor kann von dem Postfach bei einem Durchlauf der der Schleife des deterministischen Prozessors aufgenommen werden, wobei die Anzeigen in dem Postfach beim nächsten Durchlaufen der Schleife abgelegt werden. Diagnose-Ausgänge können in ähnlicher Weise modifiziert werden. Der deterministische Prozessor kann weiterhin in anderen nicht prozessorientierten Betriebsarten arbeiten. Beispielsweise würde während eines Selbstkalibier-Prozesses, wie er weiter oben beschrieben wurde, der deterministische Prozessor nicht mehr länger so arbeiten, dass er eine Sollströmung durch die Massenstrom-Steuerung aufrechterhält. In einer derartigen Betriebsart würde der deterministische Prozessor mit dem Schließen des Auslassventils der Massenstrom-Steuerung, mit der Bildung einer Anzahl von zeitlichen Ableitungen des Druckes innerhalb des Totvolumens, mit der Berechnung der entsprechenden Ist-Strömung in der Massenstrom-Steuerung und mit der Korrelation der Ist-Strömung zu dem Strömungssignal beschäftigt sein, das von einem thermischen Massenstrom-Sensor erzeugt wird.
Das Ablaufdiagramm nach 11 gibt einen Überblick über den Prozess des Messens und Regelns der Strömung eines Gases durch die Dualprozessor-Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Der Prozess beginnt im Schritt 1100 und geht von diesem zum Schritt 1102 über, in dem die Steuerung initialisiert wird. Der Initialisierungsschritt kann das Herauf laden von Kalibrierwerten oder einer Kalibrierfolge als solcher einschließen. Zusätzlich kann Betriebscode sowohl für den deterministischen als auch den nicht-deterministischen Prozessor 1004 an dieser Stelle heraufgeladen werden. In einem Ausführungsbeispiel kann der nicht-deterministische Prozessor 1004 seinen eigenen Code heraufladen und zu arbeiten beginnen und dann den Code für den deterministischen Prozessor 1002 heraufladen. Im Prozess des Heraufladens von Code für deterministischen Prozessor 1002 kann der nicht-deterministische Prozessor 1004 eine Auswahl aus einer Vielzahl von ausführbaren Codesätzen treffen, die zu dem deterministischen Prozessor 1002 heraufgeladen werden, um auf diese Weise die Betriebsweise des deterministischen Prozessors 1002 passend einzustellen. Der nicht-deterministische Prozessor 1004 kann seine Auswahl beispielsweise auf der Grundlage von Schaltereinstellungen, Befehlen von einer örtlichen Steuerung (beispielsweise einer Arbeitsstation, die die Betriebsweise eines Halbleiter-Bearbeitungswerkzeuges steuert) oder auf der Grundlage von Einstellungen treffen, die in einem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert sind. Eine derartige Auswahl ermöglicht es, dass eine Massenstrom-Steuerung für unterschiedliche Strömungssteuer-Operationen speziell ausgebildet werden kann. Beispielsweise kann ein Techniker bei der Auswahl aus verschiedenen Codesätzen einen Betrieb der Steuerung in einer „Drucksteuerungs”-Betriebsart statt in einer „Massenstrom-Steuerungs”-Betriebsart wählen, und diese Auswahl kann örtlich oder von einer entfernten Stelle aus (beispielsweise über eine Telekommunikations-Verbindungsstrecke) ausgeführt werden.
Im Schritt 1104 leitet der nicht-deterministische Prozessor 1004 Betriebscode und Anfangs-Steuereinstellungen an den deterministischen Prozessor 1002, der dann in einer Weise zu arbeiten beginnt, wie sie allgemein in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm nach 12 beschrieben ist. Von dem Schritt 1104 geht der Prozess zum Schritt 1106 über, in der der nicht-deterministische Prozessor 1004 die örtliche Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle mit Diensten versorgt. Dieses Versorgen mit Diensten kann das Lesen verschiedener Eingänge, unter Einschluss von Tastatur-, Schalter- oder Maus-Eingängen, und die örtliche Anzeige von Informationen über Leuchtdioden, alphanumerische Anzeigen oder grafische Anzeigen einschließen. Von dem Schritt 1106 aus geht der Prozess zum Schritt 1108 über, in dem der nicht-deterministische Prozessor 1004 die Kommunikations-Schnittstelle mit Diensten versorgt. Diese Bereitstellung von Diensten kann die Schritte des Heraufladens von Steuer- und Sensordaten an eine Arbeitsstation einschließen, die beispielsweise als die örtliche Steuerung für ein Halbleiter-Bearbeitungswerkzeug arbeitet. Zusätzlich kann der nicht-deterministische Prozessor 1002 aktualisierte Einstellungen von der örtlichen Steuerung herunterladen. Von dem Schritt 1108 geht der Prozess zum Schritt 1110 über, in dem der nicht-deterministische Prozessor 1004 die Diagnose-Schnittstelle mit Diensten versorgt. Verschiedene Diagnoseoperationen, beispielsweise die, die in der Beschreibung anhand der 4 erläutert wurden, können in diesem Schritt ausgeführt werden. In einem Ausführungsbeispiel schließt die Massenstrom-Steuerung einen Web-Server ein, der es einer Bedienungsperson ermöglicht, eine Diagnose über ein Netzwerk, wie z. B. das weltweite Datennetz, ablaufen zu lassen. Von dem Schritt 1110 geht der Prozess zum Schritt 1112 über, in dem der nicht-deterministische Prozessor 1004 die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle 1006 mit Diensten versorgt. Während der „normalen”, nicht-Diagnose-Betriebsweise gewinnt der nicht-deterministische Prozessor 1004 Anzeigen von dem deterministischen Prozessor 1002 und leitet Steuerinformationen, wie z. B. eine Strömungseinstellung, die über die Kommunikations-Schnittstelle gewonnen wurde, an dem deterministischen Prozessor weiter. Von dem Schritt 1112 aus setzt der Prozess die gerade beschriebenen Prozesse im Schritt 1114 fort. Der Prozess geht zum Ende im Schritt 1116 über, wenn beispielsweise die Massenstrom-Steuerung abgeschaltet wird.
Wie dies weiter oben angegeben wurde, müssen die in diesen und anderen Ablaufdiagrammen angegebenen Schritte nicht sequenziell sein, und tatsächlich kann eine Anzahl der Funktionen, die von dem nicht-deterministischen Prozessor 1004 ausgeführt werden, Ereignis-Unterbrechungs-gesteuert sein, und es kann keine vorhersagbare Sequenz oder Folge für den Betrieb des nicht-deterministischen Prozessors beschrieben werden. Andere Prozesse, wie z. B. eine Datenaufzeichnung, können unter regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden. Der nicht-deterministische Prozessor kann eine Zweiweg-Socket-Verbindung an den deterministischen Prozessor beispielsweise über eine Ethernet-Netzwerkschnittstelle unterstützen, um eine relativ direkte Verbindung zwischen einem an einer entfernten Stelle befindlichen Benutzer und dem deterministischen Prozessor bereitzustellen.
Das Ablaufdiagramm nach den 12A–12B zeigt die Betriebsweise des deterministischen Prozessors einer Dualprozessor-Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Im Zusammenhang mit diesem Ablaufdiagramm wird angenommen, dass ein Initialisierungsprozess erfolgt ist und dass der deterministische Prozessor seine Steuerschleife durchläuft. Der Prozess beginnt im Schritt 1200, 12A und geht von dort aus zum Schritt 1202 über, in dem der deterministische Prozessor feststellt, ob er in seiner „normalen” Regeleigenschaft arbeiten soll, oder ob er in einer alternativen Betriebsart arbeiten soll, beispielsweise einer manuellen Diagnose-Betriebsart oder einer automatischen Diagnose-Betriebsart. Der deterministische Prozessor stützt seine Entscheidung auf Informationen, die er von der Zwischen-Prozessor-Schnittstelle 1006 empfängt. Der deterministische Prozessor behandelt rahmengesteuerte anstelle von Ereignisgesteuerten Unterbrechungen, so dass er regelmäßig die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle abfragt, um Informationen, wie z. B. diese, zu erhalten.
Wenn der deterministische Prozessor in seiner normalen Betriebsart arbeitet, geht der Prozess von dem Schritt 1202 zum Schritt 1204 über, in der der deterministische Prozessor Informationen von der Zwischen-Prozessor-Schnittstelle bezüglich der gewünschten Steuereinstellungen gewinnt. Diese Information kann die Form einer Soll-Strömungsrate haben, die beispielsweise von einer örtlichen Steuerung, von einer Bedienfeld-Benutzerschnittstelle oder der über den Diagnose-Port 1020 empfangen wird. Der deterministische Prozessor kann weiterhin Informationen, wie z. B. Sensordaten, an den nicht-deterministischen Prozessor über die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle während dieses Schrittes übertragen. Von dem Schritt 1204 geht der Prozess zum Schritt 1206 über, in dem der deterministische Prozessor Daten beispielsweise von einer Vielzahl von Sensoren sammelt. Die Sensoren, von denen der deterministische Prozessor Daten gewinnt, können beispielsweise einen Massenstrom-Sensor (thermisch von anderer Art), einen Temperatur-Sensor, oder einen Drucksensor einschließen.
Von dem Schritt 1206 geht der Prozess zum Schritt 1208 über, in dem der deterministische Prozessor die Strömungsrate von Material durch die Massenstrom-Steuerung berechnet. In einem Ausführungsbeispiel schließt die Massenstrom-Steuerung einen thermischen Massenstrom-Sensor und einen Drucksensor ein, die zur Messung des Druckes innerhalb des Totvolumens zwischen dem Nebenschluss des thermischen Massenstrom-Sensors und dem Auslassventil der Massenstrom-Steuerung, Schritt 1212, konfiguriert sind. In dieser Ausführungsform kann der deterministische Prozessor das anhand der 5 erläuterte Verfahren verwenden, um eine von dem thermischen Massenstrom-Sensor gemessene Strömungsrate am Einlass der Steuerung so zu kompensieren, dass sie enger an die Strömungsrate an dem Auslass der Steuerung angenähert ist. Bei einer Ausführungsform, in der die von dem Sensor gewonnene Strömungsrate nicht kompensiert wird, würde der Prozess direkt vom Schritt 1206 zum Schritt 1210 übergehen, wobei der Rechenprozess des Schrittes 1208 übersprungen wird.
Im Schritt 1210 stellt der deterministische Prozessor fest, ob die im Schritt 1208 berechnete (oder im Schritt 1206 abgelesene) Strömungsrate gleich der Soll-Strömungsrate ist, die durch die Sollwert-Information angezeigt ist, die von dem nicht-deterministischen Prozessor über die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle im Schritt 1204 gewonnen wurde. Wenn die Werte gleich sind, setzt der deterministische Prozessor die vorstehend beschriebene Operation fort, wie dies durch den „Fortsetzung”-Block 1204 angezeigt ist (das heißt der deterministische Prozessor kehrt zum Schritt 1202 zurück und setzt den Durchlauf durch die Schleife fort). Wenn die Werte nicht gleich sind, berechnet der deterministische Prozessor ein Fehlersignal und verwendet das Fehlersignal zur Einstellung des Ansteuersignals an das Auslassventil der Massenstrom-Steuerung. Vom Schritt 1212 geht der Prozess zur Fortsetzung im Schritt 1214 über. Der Prozess geht vom Schritt 1214 zum Ende im Schritt 1216 über, wenn die Massenstrom-Steuerung beispielsweise abgeschaltet oder zurückgesetzt wird.
Wenn der deterministische Prozessor im Schritt 1202 feststellt, dass er nicht in der normalen Betriebsart arbeiten soll, so geht der Prozess über den Anschlusskasten A zum Schritt 1218 nach 12B über, in der der deterministische Prozessor feststellt, ob er in einer Diagnose-Betriebsart arbeiten soll. Der deterministische Prozessor kann diese Information von der Zwischen-Prozessor-Schnittstelle gewinnen. Wenn der deterministische Prozessor in einer Diagnose-Betriebsart arbeiten soll, so geht der Prozess zum Schritt 1220 über. Im Schritt 1220 stellt der deterministische Prozessor fest, in welcher Diagnose-Betriebsart er arbeiten soll. Diese Information kann wiederum an den deterministischen Prozessor über die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle weitergeleitet werden. In einer „automatischen” Betriebsart gewinnt der deterministische Prozessor eine Folge von Diagnosewerten von der Zwischen-Prozessor-Schnittstelle. Die Folge von Werten steht an der Schnittstelle zur Erfassung durch den deterministischen Prozessor zur Verfügung. Die Diagnosewerte können Steuerausgänge zur Einstellung beispielsweise der Öffnung des Auslassventils der Massenstrom-Steuerung oder zur Einstellung von Testpunkt-Ansteuerwerten sein, oder die Diagnosewerte können beispielsweise Sensor-Soll-Anzeigen oder Anzeigen von Testpunkten anzeigen. Die Diagnosewerte können weiterhin eine Folge anzeigen, in der die Werte zu verwenden sind, beispielsweise zur Einstellung von Testpunkt-Treiberwerten und zum nachfolgenden Lesen von Testpunkt-Ausgängen. In einer manuellen Betriebsart werden Diagnosewerte dem deterministischen Prozessor über die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle einzeln jeweils einer zu einer Zeit zur Verfügung gestellt. Bei einer Ausführungsform, in der die Massenstrom-Steuerung einen Web-Server einschließt, kann der Techniker eine Web-fähige Arbeitsstation verwenden, um mit dem Server in der Massenstrom-Steuerung in Kontakt zu treten. Sobald er mit dem Server verbunden ist, kann der Techniker beispielsweise einen Ventileinstellungs-Befehl dadurch eingeben, dass er eine Auswahl aus einem Abrollmenü trifft oder ein Ikonogramm anklickt. Dieser einzelne Einstellbefehl würde von dem nicht-deterministischen Prozessor über seinen Diagnose-Port empfangen und an den deterministischen Prozessor über die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle weitergeleitet.
In der manuellen Diagnose-Betriebsart führt der deterministische Prozessor alle Diagnosewerte, die an der Zwischen-Prozessor-Schnittstelle zur Verfügung stehen, aus und kehrt dann zu seiner normalen Steuerschleife zurück. Dies würde einen Einzel-Steuerschleifen-Zyklus „übersteuern”, wenn beispielsweise ein einzelner Diagnosewert, wie z. B. ein Testpunkt-Ansteuerwert, dem deterministischen Prozessor geliefert wird, oder wenn eine Folge von Diagnosewerten dem deterministischen Prozessor geliefert wird, so kann eine Anzahl von Steuerschleifen-Zyklen übersteuert werden. In der automatischen Diagnose-Betriebsart kann eine Anzahl von Diagnosewerten über die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle in einer Periode ausgetauscht werden, die einigen wenigen Steuerschleifen-Zyklen entspricht, wobei eine erhebliche Anzahl, in der Größenordnung von zumindest zehnmal soviel, Steuerschleifen-Zyklen zwischen den automatischen Diagnose-Austauschvorgängen liegt. Diagnose-Betriebsarten können beispielsweise kombiniert werden, um eine automatisch aktive On-Line-Diagnose-Betriebsart zu erzeugen. In einem Ausführungsbeispiel arbeitet eine Massenfluss-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung mit einem 1-Millisekunden-Steuerschleifen-Zyklus, in dem er eine Genauigkeit von einem Prozent des vollen Skalenausschlags liefert.
Unter Berücksichtigung der verschiedenen Diagnose-Betriebsarten und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die durch die Verwendung von Ablaufdiagrammen erläuterten Prozesse nicht strikt lineare Prozesse sind und alternative Abläufe innerhalb des Grundgedankens der Erfindung realisiert werden können, wird der Diagnose-Prozess allgemein bezüglich der Schritte 1220–1226 beschrieben. Im Schritt 1220 erfasst der deterministische Prozessor Diagnosewerte von der Zwischen-Prozessor-Schnittstelle. Wie dies weiter oben erwähnt wurde, können diese Werte für den deterministischen Prozessor zur Verwendung als Steuerausgänge bestimmt sein, oder sie können Daten anzeigen, die von dem deterministischen Prozessor beispielsweise von einem Sensor erfasst werden sollen. Vom Schritt 1220 geht der Prozess zum Schritt 1222 über, in dem der deterministische Prozessor die im Schritt 1220 erfassten Werte beispielsweise durch Ändern eines Auslassventil-Betätigungs-Ansteuersignals oder durch Übertragen einer Sensor-Anzeige an die Zwischen-Prozessor-Schnittstelle verarbeitet.
Vom Schritt 1222 geht der Prozess zum Schritt 1224 über, in dem der deterministische Prozessor feststellt, ob er seine Diagnoseaufgaben abgeschlossen hat. Wenn er seine Diagnoseaufgaben nicht abgeschlossen hat, beispielsweise wenn er in der automatischen Diagnose-Betriebsart arbeitet und es weitere Werte in einer Folge von Werten gibt, die von der Zwischen-Prozessor-Schnittstelle zurückgewonnen werden sollen, so kehrt der Prozess zum Schritt 1222 zurück und verläuft dann so, wie dies weiter oben beschrieben wurde. Wenn der deterministische Prozessor im Schritt 1224 feststellt, dass er seine Diagnoseaufgabe abgeschlossen hat, kehrt der Prozess über den Anschlusskasten B zum Schritt 1214 nach 12A zurück. Wenn der deterministische Prozessor feststellt, dass er nicht in einer Diagnose-Betriebsart arbeiten soll, so geht der Prozess vom Schritt 1218, in dem der Prozessor Funktionen, wie z. B. Routine-Hintergrundoperationen ausführt, dann zu einer Rückkehr über den Anschlussblock B zum Schritt 1214 und von da aus in der vorstehend beschriebenen Weise über.
Die Bildschirmdarstellungen nach den 13A–13E zeigen eine Benutzerschnittstelle, wie sie für den Zugriff auf eine Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verfügbar gemacht werden kann, die eine Web-Server-Schnittstelle einschließt, wie z. B. die Schnittstelle 608 nach 6. In einem Ausführungsbeispiel schließt die Massenstrom-Steuerung einen Web-Server, wie z. B. den Server 602 nach 6 ein. Ein Benutzer kann den Server örtlich über eine örtliche Steuerung oder von einer entfernten Stelle aus von einem Web-fähigen Gerät verwenden, wie z. B. dem Gerät 600 nach 6. Auf diese Weise kann die gleiche Benutzerschnittstelle sowohl für von einer entfernten Stelle aus erfolgende oder örtliche Wechselwirkungen mit der Massenstrom-Steuerung verwendet werden. Ausführliche Informationen bezüglich einer Massenstrom-Steuerung, wie z. B. Modellnummer, Bereich und Herstellungs-Einstellparameter, können einem Benutzer angezeigt werden, und außerdem können von dem Benutzer änderbare Einstellparameter angezeigt werden. Es können unterschiedliche Anzeigetechniken verwendet werden. Wenn es lediglich eine begrenzte Anzahl von annehmbaren Werten gibt, so können sie angezeigt und beispielsweise aus einem Abroll-Menü ausgewählt werden. Wie dies weiter oben beschrieben wurde, kann ein Benutzer, wie z. B. ein Techniker, beispielsweise über diese Schnittstelle Sollwerte ändern, ein Ventil öffnen oder schließen, oder den Strömungsausgang überwachen. Zusätzlich kann, während die Massenstrom-Steuerung unter einer Prozess-Steueranwendung arbeitet, ein Benutzer den Server veranlassen, Parameterwerte, die von der Massenstrom-Steuerung gewonnen werden, in einer Kurve darzustellen und aufzuzeichnen.
Die Bildschirmdarstellung nach 13A zeigt eine Anzeige, die ein Benutzer vorfinden kann, wenn er zum ersten Mal einen Zugriff auf die Massenstrom-Steuerung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung über das Internet ausführt. Die Anzeige fordert den Benutzer auf, ein Kommunikationsprotokoll über die Verwendung des Abrollfensters 1300 auszuwählen. Die „Geräteabfrage”-Verknüpfung 1302 ermöglicht es dem Benutzer, einen Prozess einzuleiten, mit dem sein Browser versucht, alle Geräte zu lokalisieren, die er erkennt.
Die grundlegende Information kann über den Server heruntergeladen werden. Informationen, die sich auf die Massenstrom-Steuerung beziehen, sind in der Bildschirmdarstellung nach 13B gezeigt. Derartige Bildschirmanzeigen können erweitert oder eingefaltet werden. Ein Benutzer kann die Betrachtung von Informationen auswählen, die sich auf eine Teilmenge der angezeigten Massenstrom-Steuerungen beziehen. Auf der Grundlage der Modellnummer, der Serien-Nummer und intern gespeicherter Codes werden Produktspezifikationen für die Massenstrom-Steuerung zusammen mit von dem Benutzer auswählbaren Parametern angezeigt, die beispielsweise in einer Liste gezeigt werden können. Ein Benutzer kann diese Bildschirmanzeige dazu verwenden, Kalibrierdaten von einer Massenstrom-Steuerung herunterzuladen oder auf diese heraufzuladen, und Kalibriertabellen einzugeben. Ein Benutzer kann außerdem Sollwerte über diese Schnittstelle ändern und die gemeldete Strömung durch die entsprechende Massenstrom-Steuerung überwachen. Zusätzlich kann ein Benutzer Einstellungen übersteuern und das Auslass-Steuerventil eine Massenstrom-Steuerung öffnen oder schließen. Die Spezifikationen jeder Massenstrom-Steuerung können betrachtet werden, wie dies durch die Bildschirmanzeige nach 13C gezeigt ist. Beispiele von von dem Benutzer auswählbaren Parametern sind in der Bildschirmdarstellung nach 13D gezeigt, und Kalibrierdaten, wie sie ein Benutzer von der Massenstrom-Steuerung herunterladen kann, sind in der Bildschirmanzeige nach 13E gezeigt.
Eine Software-Realisierung für die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele kann eine Serie von Computerbefehlen umfassen, die entweder auf einem fassbaren Medium, wie z. B. einem computerlesbaren Medium, beispielsweise einer Diskette, einer CD-ROM, einem ROM oder einer Festplatte festgelegt sind, oder die zu einem Computersystem über ein Modem oder eine andere Schnittstelleneinrichtung übertragbar sind, wie z. B. einen Kommunikationsadapter, der mit dem Netzwerk über ein Medium verbunden ist. Das Medium kann entweder ein fassbares Medium unter Einschluss von, jedoch ohne Beschränkung auf optische oder analoge Kommunikationsleitungen sein, oder es kann mit drahtlosen Techniken realisiert sein, unter Einschluss von, jedoch ohne Beschränkung auf Mikrowellen-, Infrarot- oder andere Übertragungstechniken. Die Serie von Computerbefehlen verwirklicht die gesamte oder einen Teil der vorstehend bezüglich der Erfindung beschriebenen Funktionalität. Der Fachmann wird erkennen, dass derartige Computerbefehle in einer Anzahl von Programmiersprachen zur Verwendung mit vielen Computerarchitekturen oder Betriebssystemen geschrieben werden können. Weiterhin können derartige Befehle unter Verwendung irgendeiner heutigen oder zukünftigen Speichertechnologie gespeichert werden, unter Einschluss von und ohne Beschränkung auf Halbleiter-Speichergeräte, magnetische und optische oder andere Speichergeräten, und sie können unter Verwendung irgendeiner heutigen oder zukünftigen Kommunikationstechnologie übertragen werden, unter Einschluss von und ohne Beschränkung auf optische, Infrarot-, Mikrowellen- oder andere Übertragungstechniken. Es wird in Betracht gezogen, dass ein derartiges Computerprogramm-Produkt als ein auswechselbares Medium mit begleitender gedruckter oder elektronischer Dokumentation verteilt werden kann, beispielsweise in einer Schrumpfverpackung angeordneter Software, oder dass sie auf einem Computersystem vorgeladen ist, beispielsweise auf einem System-ROM, oder einer Festplatte, oder dass es von einem Server oder einem elektronischen Bulletin-Board über ein Netzwerk verteilt werden kann, wie z. B. das Internet oder das weltweite Datennetz.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass vielfältige Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, die einige der Vorteile der Erfindung erzielen, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass andere Bauteile, die die gleiche Funktion ausführen, in geeigneter Weise ersetzt werden können. Weiterhin können die Verfahren der Erfindung entweder in vollständigen Software-Realisierungen unter Verwendung der passenden Objekt- oder Prozessor-Befehle erzielt werden, oder in Hybrid-Realisierungen, die eine Kombination einer Hardware-Logik, einer Software-Logik und/oder Firmware verwenden, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Durch die Verwendung von Ablaufdiagrammen dargestellte Prozesse können nicht strikt lineare Prozesse sein, und alternative Abläufe können innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung realisiert werden. Die spezielle Konfiguration der verwendeten Logik und/oder der Befehle zur Erzielung eine bestimmten Funktion sowie weitere Modifikationen an dem erfindungsgemäßen Konzept sollen durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt sein.
Die vorstehende Beschreibung spezieller Ausführungsformen der Erfindung wurde zu Erläuterungszwecken und zur Beschreibung geliefert. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die präzise beschriebenen Ausführungsformen beschränken. Vielfältige Modifikationen und Änderungen sind im Hinblick auf die vorstehenden Lehren möglich. Die Ausführungsbeispiele wurden so gewählt und beschrieben, dass die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten erläutert wurde, und um es anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung am besten zu nutzen. Es ist vorgesehen, dass der Schutzumfang der Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Massenstrom-Sensor (202) zum Betrieb mit einer Massenstrom-Steuerung (200), die ein Auslass-Steuerventil (220) zur Steuerung einer Strömungsmittel-Strömung durch die Steuerung einschließt, mit: einem thermischen Massenstrom-Sensor (204), unter Einschluss eines Sensor-Nebenschlusses (216), der zur Messung der Strömung des Strömungsmittels in den Einlass der Steuerung ein Laminarströmungs-Element (212) enthält; einem Drucksensor (206), der zur Messung des Strömungsmitteldruckes in dem Volumen (216a) zwischen dem Laminarströmungs-Element (212) im Sensor-Nebenschluss (216) und dem Auslass-Steuerventil (220) konfiguriert ist, wobei dieses Volumen nachfolgend als Totvolumen (216a) bezeichnet wird; einer elektronischen Steuerung (210, 400), die zur Überwachung des von dem Drucksensor (206) gemessenen Druckes und zur Kompensation der von dem Massenstrom-Sensor (204) gemessenen Einlass-Strömungsrate konfiguriert ist, wobei die elektronische Steuerung zur Berechnung der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens (216a) und zur Verwendung dieser zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit sowie des Volumens (V) des Totvolumens (216a) zur Erzeugung einer kompensierten Messung der Auslass-Strömungsrate des Strömungsmittels aus der Massenstrom-Steuerung (200) heraus konfiguriert ist.
Massenstrom-Sensor nach Anspruch 1, mit: einem Temperatursensor, der zur Messung der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens (216a) und zur Lieferung eines die gemessene Temperatur anzeigenden Signals konfiguriert ist, wobei die elektronische Steuerung (210, 400) zur Verwendung des Temperatursignals bei der Erzeugung der kompensierten Auslass-Strömungsrate des Strömungsmittels konfiguriert ist.
Massenstrom-Sensor nach Anspruch 2, bei dem der Temperatursensor zur Messung der Temperatur einer Wand, die einen Teil des Totvolumens begrenzt, konfiguriert ist.
Massenstrom-Sensor nach Anspruch 1, der weiterhin eine Anzeige umfasst, die zur Anzeige des Druckes innerhalb des Totvolumens konfiguriert ist.
Massenstrom-Sensor nach Anspruch 1, bei dem die elektronische Steuerung (210, 400) zum Vergleich der kompensierten Messung der Auslass-Strömungsrate aus der Steuerung heraus mit einem Sollwert und zur Einstellung des Auslass-Steuerventils (220) zur Verringerung der Differenz zwischen dem Sollwert und der kompensierten Messung der Auslass-Strömungsrate des Strömungsmittels aus der Steuerung heraus konfiguriert ist.
Massenstrom-Sensor nach Anspruch 5, bei dem die elektronische Steuerung (210, 400) so konfiguriert ist, dass sie die gemessene Einlass-Strömungsrate dadurch kompensiert, dass sie von der gemessenen Einlass-Strömungsrate das Produkt von Folgendem subtrahiert: einer normalisierten Druckänderungsgeschwindigkeit innerhalb des Totvolumens (216a) und einer normalisierten Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens.
Massenstrom-Sensor nach Anspruch 5, bei dem die elektronische Steuerung (210, 400) so konfiguriert ist, dass sie die gemessene Einlass-Strömungsrate der Steuerung dadurch kompensiert, dass sie von dieser das Produkt einer Konstante, des Totvolumens (216a) und der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens dividiert durch die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens, subtrahiert.
Massenstrom-Sensor nach Anspruch 5, bei dem die elektronische Steuerung (210, 400) so konfiguriert ist, dass sie die gemessene Einlass-Strömungsrate Qi der Steuerung durch Berechnen der kompensierten Einlass-Strömungsrate Qo entsprechend der folgenden Gleichung kompensiert: Q_o = Q_i – C1(V/T)(dP/dt), worin Q_o = die kompensierte gemessene Einlass-Strömungsrate ist, Q_i = die gemessene Einlass-Strömungsrate ist, C1 = eine Normalisierungskonstante ist, V = das Totvolumen ist, T = die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens ist, und (dP/dt) = die Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens ist.
Massenstrom-Sensor nach Anspruch 8, bei dem die Konstante C1 die Resultierende der Temperatur bei der Standard-Temperatur und dem Standard-Druck dividiert durch den Druck bei der Standard-Temperatur und dem Standard-Druck ist.
Verfahren zur Feststellung der Auslass-Strömungsrate eines Strömungsmittels von einer Massenstrom-Steuerung, die ein Auslass-Steuerventil (218) einschließt, mit den folgenden Schritten: A) Messen und Liefern einer Anzeige der Einlass-Strömungsrate des Strömungsmittels in den Einlass der Steuerung mit einem thermischen Massenstrom-Sensor (204), der einen ein Laminarströmungs-Element (212) enthaltenden Sensor-Nebenschluss (216) einschließt; B) Messen und Liefern einer Anzeige des Strömungsmittel-Druckes in dem Volumen (nachfolgend „Totvolumen (216a)”) zwischen dem Laminarströmungs-Element (212) in dem Sensor-Nebenschluss (216) und dem Steuerventil (218); C) wobei eine elektronische Steuerung die Anzeige des im Schritt B) gemessenen Druckes über eine Zeitperiode überwacht, um zumindest zwei Druckanzeigen zu gewinnen; und wobei die elektronische Steuerung die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens (216a) berechnet, und D) Berechnen einer kompensierten Messung der Auslass-Strömungsrate durch Kompensation der Anzeige der Einlass-Strömungsrate des Strömungsmittels mit der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Druckes und dem Volumen (V) des Totvolumens (216a).
Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin den folgenden Schritt umfasst: E) Messen der Temperatur des Strömungsmittels in dem Totvolumen nach Schritt B) und Liefern eines die gemessene Temperatur anzeigenden Signals.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin den folgenden Schritt umfasst: F) Verwenden des Temperatursignals nach Schritt E) in der elektronischen Steuerung bei der Berechnung der kompensierten Messung der Auslass-Strömungsrate des Schrittes D).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der Schritt E) des Messens und Lieferns der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens den folgenden Schritt umfasst: E1) Messen der Temperatur einer Wand, die einen Teil des Totvolumens (216a) begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin den Schritt der: G) Anzeige des im Schritt B) gemessenen Druckes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Schritt G) des Anzeigens des Druckes den Schritt der: G1) örtlichen Anzeige des Druckes einschließt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt G) der Anzeige des Druckes den Schritt der: G2) Anzeige des Druckes an einer entfernten Stelle einschließt.
Verfahren nach Anspruch 14, das weiterhin die folgenden Schritte der elektronischen Steuerung umfasst: H) Vergleichen der kompensierten Messung der Auslass-Strömungsrate der Steuerung mit einem Sollwert; und I) Einstellen des Auslass-Steuerventils (218) derart, dass die Differenz zwischen dem Sollwert und der kompensierten Messung der Auslass-Strömungsrate des Strömungsmittels aus der Steuerung heraus zu einem Minimum gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt F) des Kompensierens der Anzeige der gemessenen Einlass-Strömungsrate der Steuerung weiterhin den folgenden Schritt umfasst: F1) die elektronische Steuerung subtrahiert von der gemessenen Einlass-Strömungsraten-Anzeige das Produkt von Folgendem: einer normalisierten Rate der Druckänderung innerhalb des Totvolumens (216a), einer normalisierten Temperatur des Strömungsmittels innerhalb dieses Totvolumens, und des Volumens (V) des Totvolumens (216a).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt F) des Kompensierens der Anzeige der gemessenen Einlass-Strömungsrate der Steuerung weiterhin den folgenden Schritt umfasst: F2) die elektronische Steuerung (210, 400) subtrahiert von der Anzeige der gemessenen Einlass-Strömungsrate Folgendes: das Produkt einer Konstanten, des Volumens (V) des Totvolumens (216a) und der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens (216a), dividiert durch die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt F) des Kompensierens der Anzeige der gemessenen Einlass-Strömungsrate der Steuerung weiterhin den folgenden Schritt umfasst: F3) die elektronische Steuerung kompensiert die gemessene Einlass-Strömungsraten-Anzeige der Steuerung, Q_i, durch Berechnen der kompensierten Einlass-Strömungsrate, Q_o, entsprechend der folgenden Gleichung: Q_o = Q_i – C1(V/T)(dP/dt), worin: Q_o = die kompensierte gemessene Einlass-Strömungrate ist, Q_i = die gemessene Einlass-Strömungsrate ist, C1 = eine Normalisierungskonstante ist, V = das Volumen des Totvolumens (216a), T = die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens, und (dP/dt) = die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens ist.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Konstante C1 die Resultierende der Standard-Temperatur (273,15 K) dividiert durch den Standard-Druck (760 Torr) ist.
Massenstrom-Steuerung (200) mit: einem Auslass-Steuerventil (220); einem thermischen Massenstrom-Sensor (204), unter Einschluss eines ein Laminarströmungs-Element (112) enthaltenden Sensor-Nebenschlusses (216), der so konfiguriert ist, dass er die Strömung des Strömungsmittels in den Einlass der Steuerung misst; einem Drucksensor (206), der zur Messung des Strömungsmittel-Druckes in einem Totvolumen (216a) zwischen dem Laminarströmungs-Element (112) und dem Steuerventil (220) konfiguriert ist; und einer elektronischen Steuerung (210, 400), die zur Überwachung des von dem Drucksensor (206) gemessenen Druckes und zur Kompensation der von dem thermischen Massenstrom-Sensor (204) gemessenen Einlass-Strömungsrate auf der Grundlage der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Druckes innerhalb des Totvolumens (216a) sowie des Volumens (V) des Totvolumens (216a) konfiguriert ist, um auf diese Weise eine kompensierte Messung der Auslass-Strömungsrate des Strömungsmittels aus der Steuerung heraus zu erzeugen, wobei die elektronische Steuerung weiterhin so konfiguriert ist, dass sie die kompensierte Messung der Auslass-Strömungsmittelrate verwendet, um ein Regelsignal für die Steuerung des Auslass-Steuerventils (220) zu erzeugen.
Massenstrom-Steuerung (200) nach Anspruch 22, bei dem die elektronische Steuerung (210, 400) mit einer Vielzahl von thermischen Massenstrom-Sensoren (204) und Auslass-Steuerventilen (220) verbunden ist und die Regelsignale für die Steuerung der Vielzahl von Auslass-Steuerventilen (220) liefert.
Massenstrom-Steuerung (200) nach Anspruch 22 mit: einem Massenstrom-Steuerungs-Gehäuse, das einen Strömungsmittel-Einlassanschluss, einen Strömungsmittel-Auslassanschluss und den Nebenschlusskanal (216) einschließt, der zwischen den Einlass- und Auslass-Anschlüssen angeordnet ist; wobei der thermische Massenstrom-Sensor (204) eine Strömungsmittel-Strömung Q_i durch den Nebenschlusskanal (216) misst; wobei die elektronische Steuerung die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des von dem Drucksensor (206) gemessenen Druckes berechnet und die Auslass-Strömungsrate Q_o auf der Grundlage der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Druckes dP/dt bestimmt.
Massenstrom-Steuerung (200) nach Anspruch 24, die weiterhin Folgendes umfasst: einen Temperatursensor, der zur Messung einer Temperatur eines Strömungsmittels innerhalb des Totvolumens (216a) und zur Lieferung eines Signals T konfiguriert ist, das die Temperaturmessung anzeigt, wobei die elektronische Steuerung die Strömung Q_o weiterhin als eine Funktion des Temperatursignals T bestimmt.
Massenstrom-Steuerung nach Anspruch 25, bei der der Temperatursensor die Temperatur einer Wand des Massenstrom-Steuerungsgehäuses, die einen Teil des Nebenschlusskanals begrenzt, misst, und das Temperatursignal T als eine Funktion der gemessenen Temperatur erzeugt.
Massenstrom-Steuerung (200) nach einem der Ansprüche 22 bis 26, bei der die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie die Strömung Q_o mit einem Sollwert vergleicht und das Auslass-Steuerventil (220) so einstellt, dass die Differenz zwischen dem Sollwert und der Strömung Q_o zu einem Minimum gemacht wird.
Massenstrom-Steuerung (200) nach einem der Ansprüche 22 bis 27, bei der die elektronische Steuerung Q_o entsprechend der folgenden Gleichung bestimmt
worin T_R und P_R die Temperatur und der Druck innerhalb des Nebenschlusskanals unter STP-Bedingungen sind und T_w die Temperatur der Wand des Gehäuses der Massenstrom-Steuerung in dem Nebenschlusskanal ist.
Massenstrom-Kalibriereinrichtung zum Kalibrieren eines Massenstrom-Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der ein die Massenströmung darstellendes Signal erzeugt, mit: einer veränderlichen Gasströmungs-Quellle; einem Behälter mit vorgegebenem Volumen, der zum Empfang eines Gases von der veränderlichen Gasströmungs-Quelle konfiguriert ist, wobei die veränderliche Gasströmungs-Quelle so konfiguriert ist, dass sie eine proportionale Strömung an einen Massenstrom-Sensor, der geeicht wird, und an den Behälter liefert; einer Druck-Differenziereinrichtung, die zur Erzeugung eines elektronischen Signals konfiguriert ist, das die zeitliche Ableitung des Gasdruckes innerhalb des Behälters mit vorgegebenem Volumen darstellt; einem Vergleicher, der zum Vergleich des elektronischen Signals von der Differenziereinrichtung mit dem Signal von dem Massenströmungs-Sensor konfiguriert ist; und einem Kompensator, der zur Berechnung eines Korrekturfaktors aus der Differenz zwischen dem Signal von der Differenziereinrichtung und dem Strömungssensor konfiguriert ist, wenn eine derartige Differenz vorliegt.
Kalibriereinrichtung nach Anspruch 29, bei der die Gasströmungs-Quelle so konfiguriert ist, dass sie das gleiche Gas mit der gleichen Strömungsrate sowohl an den Massenstrom-Sensor als auch an den Behälter mit vorgegebenem Volumen liefert.
Kalibriereinrichtung nach Anspruch 29, bei der die Gasströmungs-Quelle so konfiguriert ist, dass sie Gas an den Massenstrom-Sensor und den Behälter mit vorgegebenem Volumen parallel liefert.
Kalibriereinrichtung nach Anspruch 29, bei der die Gasströmungs-Quelle so konfiguriert ist, dass sie Gas an den Massenstrom-Sensor und den Behälter mit vorgegebenem Volumen in Serie liefert.
Gasströmungs-Kalibriereinrichtung zum Kalibrieren eines Massenstrom-Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der ein Signal erzeugt, das den Massenstrom darstellt, mit: einem Behälter mit vorgegebenem Volumen, der so konfiguriert ist, dass er eine veränderliche Gasströmung liefert; einer Druck-Differenziereinrichtung, die zur Erzeugung eines elektronischen Signals konfiguriert ist, das die zeitliche Ableitung des Gasdruckes innerhalb des Behälters mit vorgegebenem Volumen darstellt, wobei der Behälter und das vorgegebene Volumen so konfiguriert sind, dass sie eine proportionale Strömung durch einen Massenstrom-Sensor, der kalibriert wird, und von dem Behälter liefern; einer Druck-Differenziereinrichtung, die zur Erzeugung eines elektronischen Signals konfiguriert ist, das die zeitliche Ableitung des Gasdruckes innerhalb des Behälters mit vorgegebenem Volumen darstellt; einem Vergleicher, der so konfiguriert ist, dass er das elektronische Signal von der Differenziereinrichtung mit dem Signal von dem Massenstrom-Sensor vergleicht; und einem Kompensator, der zur Berechnung eines Korrekturfaktors aus der Differenz zwischen dem Signal von der Differenziereinrichtung und dem Strömungssensor konfiguriert ist, wenn eine derartige Differenz existiert.
Gasströmungs-Kalibrierungeinrichtung nach Anspruch 33, bei der die Differenziereinrichtung Folgendes einschließt: einen Druckwandler, der zur Erzeugung eines elektronischen Signals konfiguriert ist, das den Druck innerhalb des Behälters darstellt; Analog-Differenzierschaltungen, die zur Erzeugung eines elektronischen Signals konfiguriert sind, das die zeitliche Ableitung des elektronischen Signals darstellt, das den Druck innerhalb des Behälters darstellt; und einen Analog-/Digital-Wandler (ADC), der zur Umwandlung eines oder mehrerer Werte des analogen, eine Zeitablenkung darstellenden Signals in digitale Abtastproben der zeitlichen Ablenkung konfiguriert ist.
Gasströmungs-Kalibriereinrichtung nach Anspruch 34, die weiterhin einen Speicher zum Speichern einer oder mehrerer Abtastproben des Signals umfasst, das die zeitliche Ableitung des Gasdruckes darstellt.
Gasströmungs-Kalibriereinrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 35, bei der die Differenziereinrichtung Folgendes einschließt: einen Druckwandler, der zur Erzeugung eines elektronischen Signals konfiguriert ist, das den Druck innerhalb des Behälters darstellt; einen Analog-/Digital-Wandler, der zur Umwandlung eines oder mehrerer Werte des Druckwandler-Signals in digitales Format konfiguriert ist; und eine digitale Differenziereinrichtung, die zur Erzeugung einer Vielzahl von digitalen Werten konfiguriert ist, die die zeitliche Ableitung des Drucksignals darstellen.
Gasströmungs-Kalibriereinrichtung nach Anspruch 36, die weiterhin Folgendes umfasst: einen Speicher zum Speichern einer oder mehrerer Abtastproben des die zeitliche Ableitung des Gasdruckes darstellenden Signals.
Gasströmungs-Kalibriereinrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 37, bei der die Gasquelle so konfiguriert ist, dass sie eine exponentiell veränderliche Gasströmung liefert.
Gasströmungs-Kalibriereinrichtung nach Anspruch 38, bei der die Gasquelle so konfiguriert ist, dass sie eine exponentiell ansteigende Gasströmung liefert.
Gasströmungs-Kalibriereinrichtung nach Anspruch 38, bei der die Gasquelle so konfiguriert ist, dass sie eine exponentiell abnehmende Gasströmung liefert.
Gasströmungs-Kalibriereinrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 40, bei der die Gasquelle das Totvolumen (216a) ist.
Verfahren zum Kalibrieren eines Massenstrom-Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den folgenden Schritten: (A) Liefern einer veränderlichen Gasströmung zu oder von einer Quelle; (B) Strömen lassen der veränderlichen Gasströmung in einen oder aus einem Behälter mit vorgegebenem Volumen mit einer veränderlichen Rate; (C) Erzeugen eines elektronischen Signals, das die Ableitung des Gasdruckes innerhalb des Behälters mit vorgegebenem Volumen darstellt, während das Gas in den Behälter oder aus diesem heraus strömt; (D) Strömen lassen des Gases in den Massenstrom-Sensor oder aus diesem heraus mit einer Rate, die proportional zu der in den Behälter bzw. aus diesem heraus ist; (E) Vergleichen des elektronischen Signals von der Differenziereinrichtung mit dem Signal von dem Massenstrom-Sensor; und (F) Berechnen eines Korrekturfaktors aus der Differenz zwischen dem Signal von der Differenziereinrichtung und dem Strömungssensor, wenn eine derartige Differenz existiert.
Verfahren nach Anspruch 42, bei dem der Schritt D des Strömen lassens von Gas in den Massenstrom-Sensor oder aus diesem heraus mit einer Rate proportional zu der in den Behälter bzw. aus diesem heraus das Strömen lassen von Gas mit der gleichen Rate sowohl an den Massenstrom-Sensor als auch an den Behälter mit vorgegebenem Volumen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 42 oder 43, bei dem die Gasströmungs-Quelle Gas an den Massenstrom-Sensor und den Behälter mit vorgegebenem Volumen parallel zuführt.
Verfahren nach Anspruch 42 oder 43, bei dem die Gasströmungs-Quelle Gas an den Massenstrom-Sensor und den Behälter mit vorgegebenem Volumen in Serie zuführt.
Verfahren zum Kalibrieren eines Massenstrom-Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den folgenden Schritten: ein Behälter mit vorgegebenem Volumen liefert eine veränderliche Gasströmung; eine Druck-Diffenziereinrichtung erzeugt ein elektronisches Signal, das die zeitliche Ableitung des Gasdruckes innerhalb des Behälters mit vorgegebenem Volumen darstellt, wobei der Behälter mit vorgegebenem Volumen eine proportionale Strömung durch einen Massenstrom-Sensor, der kalibriert wird, und von dem Behälter aus ergibt; ein Vergleicher vergleicht das elektronische Signal von der Differenziereinrichtung mit dem Signal von dem Massenstrom-Sensor; und ein Kompensator berechnet einen Korrekturfaktor aus dem Unterschied zwischen dem Signal von der Differenziereinrichtung und dem Strömungssensor, wenn ein derartiger Unterschied vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 46, bei dem der Schritt der Erzeugung eines elektronischen Signals, das die zeitliche Ableitung des Gasdruckes innerhalb des Behälters mit vorgegebenem Volumen darstellt, durch die Differenziereinrichtung, die folgenden Schritte einschließt: ein Druckwandler erzeugt ein elektronisches Signal, das den Druck innerhalb des Behälters darstellt; eine Analog-Differenzierschaltung erzeugt ein elektronisches Signal, das die zeitliche Ableitung des elektronischen Signals darstellt, das den Druck innerhalb des Behälters darstellt; und ein Analog-/Digital-Wandler wandelt ein oder mehrere Werte des analogen, die zeitliche Ableitung darstellenden Signals in digitale Abtastproben der zeitlichen Ableitung um.
Verfahren nach Anspruch 46 oder 47, das weiterhin den Schritt der Speicherung einer oder mehrerer Abtastproben des die zeitliche Ableitung des Gasdruckes darstellenden Signals umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 46 bis 48, bei dem der Schritt der Erzeugung eines elektronischen Signals, das die zeitliche Ableitung des Gasdruckes innerhalb des Behälters mit vorgegebenem Volumen darstellt, durch die Differenziereinrichtung, die folgenden Schritte einschließt: ein Druckwandler erzeugt ein elektronisches Signal, das den Druck innerhalb des Behälters darstellt; ein Analog-/Digital-Wandler wandelt einen oder mehrere Werte des Druckwandler-Signals in ein digitales Format um; und eine digitale Differenziereinrichtung erzeugt eine Vielzahl von digitalen Werten, die die zeitliche Ableitung des Drucksignals darstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 46 bis 49, das weiterhin den Schritt der Speicherung einer oder mehrerer Abtastproben des die zeitliche Ableitung des Gasdruckes darstellenden Signals umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 46 bis 50, bei dem die Gasquelle eine exponentiell veränderliche Gasströmung liefert.
Verfahren nach Anspruch 51, bei dem die Gasquelle eine exponentiell ansteigende Gasströmung liefert.
Verfahren nach Anspruch 51, bei dem die Gasquelle eine exponentiell abnehmende Gasströmung liefert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 53, bei dem die Gasströmung beschränkt wird, um den Druck über eine größere Zeitperiode zu differenzieren, als sie bei einer unbegrenzten Strömung verfügbar wäre.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 54, bei dem die Gasquelle das Totvolumen (216a) ist.