DE69212129T2

DE69212129T2 - Massenströmungsmesser mit einschnürendem Element

Info

Publication number: DE69212129T2
Application number: DE69212129T
Authority: DE
Inventors: Pierre Delajoud
Original assignee: Individual
Current assignee: Calamerica Corp (n D Ges D Staates Delawa Us
Priority date: 1991-12-18
Filing date: 1992-12-17
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2012-12-18
Also published as: JPH05248916A; US5445035A; JP3260454B2; EP0547617A1; EP0547617B1; DE69212129D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft Massefluß-Meßvorrichtungen und Techniken zum Kalibrieren von Masseflußreglern.
Als Hintergrund sei angegeben, daß Masseflußregler in der Halbleiterindustrie in weitem Umfang dazu verwendet werden, für soviel Genauigkeit wie möglich bei der Steuerung von Reaktionsgasen zu sorgen, die in Halbleiter-Reaktionskammern strömen. Derartige Masseflußregler müssen häufig kalibriert werden. Bisher beträgt die beste Genauigkeit, die bei einer In-situ-Kalibrierung von Masseflußreglern erzielbar ist, ungefähr ein Prozent. Für ein genaueres System zum Kalibrieren von Masseflußreglern bestünde ein großer Markt.
Ein bekannter Masseflußregler überträgt mittels einer "stromaufwärtigen" Heizwendel Wärme an einen Abschnitt einer durch ein Sensorrohr abgezweigten Gasströmung. Das strömende Gas nimmt dann Wärme von der stromaufwärtigen Wendel zu einer stromabwärtigen Wendel mit, die das Sensorrohr umgibt. Die sich ergebende Temperaturdifferenz wird erfaßt, und das Ausmaß des Gasmassenflusses kann aus der Temperaturdifferenz berechnet werden. Diese bekannte indirekte Technik zum Messen des Masseflusses wird durch thermische Einflüsse unerwünscht beeinflußt, die mit der Art zusammenhängen, mit der der Masseregler im Gehäuse der Halbleiter-Reaktionskammer angebracht ist. Es wäre erwünscht, eine Technik zur Masseflußmessung aufzufinden, die unabhängig von derartigen thermischen Abhängigkeiten ist.
Derzeit existiert keine geschickte, genaue Weise zur Insitu-Kalibrierung von Masseflußreglern unter Verwendung des vorstehend angegebenen Massefluß-Meßsystems. Wenn derzeit ein unbekanntes Prozeßproblem existiert, werden häufig alle Masseflußregler einfach bei der blinden Bemühung, das Problem zu lokalisieren, ausgetauscht. Daher müssen sie demontiert und aus der Halbleiter-Reaktionskammer herausgenommen werden, um in einer entfernten Laboranlage überprüft und kalibriert zu werden. Ein derartiges Demontieren und Herausnehmen ist stark unerwünscht, da dabei Teilchen erzeugt oder losgelöst werden können, die in die Halbleiter-Reaktionskammer eintreten können, und es ist dadurch möglich, daß in der Luft transportierte Teilchen in die Halbleiter-Reaktionskammer eintreten. Derartige Teilchen setzen sich später auf Halbleiterwafern ab und erzeugen Defekte bei hergestellten integrierten Schaltungen. Es ist wichtig, daß Massesträmungsregler unter denselben Bedingungen überprüft oder kalibriert werden, unter denen sie betrieben werden, anstatt daß sie entfernt und in einer entfernten Kalibrieranlage kalibriert werden.
Die Fachwelt nimmt allgemein an, daß der Schwachpunkt bei den meisten Halbleiterwafer-Verarbeitungsvorgängen eine Ungenauigkeit beim Gasmassenfluß ist und daß künftige Verbesserungen bei den meisten Halbleiterprozessen eine größere Genauigkeit bei der Massefluß-Regelungstechnik erfordern. Demgemäß besteht in der Halbleiterindustrie großer Bedarf an einem genaueren Masseflußregler.
Es besteht ein nicht zufriedengestellter Bedarf an einem billigen, sehr genauen Masseflußmesser, der niedrige Fluidströmung aufrechterhält, zum Reinigen leicht demontiert werden kann und ohne Änderung seiner geometrischen Konstante wieder eingebaut werden kann, und der für In-situ-Kalibrierung von Masseflußreglern geeignet ist, insbesondere in ultrareinen Gasströmungssystemen wie Halbleiterwafer-Bearbeitungsreaktoren.
Aus z. B. EP-A-0 428 364 oder GB-A-01722 ist es bekannt, die Strömungsrate unter Verwendung einer Druckdifferenz zu messen, die an einem stromaufwärtigen und einem stromabwärtigen Ort in bezug auf ein im wesentlichen zylindrisches Teil gemessen wird, das in der Bohrung eines Körpers angebracht ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen genauen, billigen Masseflußmesser zu schaffen, der einfach gereinigt werden kann.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen genauen, billigen Masseflußmesser zu schaffen, dessen geometrische Konstanten sich bei der Demontage zu Reinigungszwecken und beim Wiedereinbau nicht ändern.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen genauen, billigen Masseflußmesser zu schaffen, dessen Gasströmungsbereich sich leicht über einen sehr großen Meßbereich ändern
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Technik für genaue In-situ-Kalibrierung von Masseflußreglern ohne Demontage des Systems zu schaffen, in dem der Gasmassenfluß geregelt wird.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein System zu konzipieren, bei dem eine angenommene laminare Gasströmung und konstante Temperatur entlang eines Kanals, in dem ein Druckabfall auftritt, aufrechterhalten werden, so daß genaue Berechnungen des Fluidmasseflusses erfolgen können.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Masseflußmesser zu schaffen, bei dem Druckmessungen stromaufwärts und stromabwärts in bezug auf ein Laminarflußelement frei von Schwankungen sind.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Masseflußmesser zu schaffen, der bei einem Wert von Null oder nahe dabei genau ist und der eine Rückwärtsströmung erfassen kann.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Masseflußelement zu schaffen, das über die Zeit hochstabil ist und durch seine Ausrichtung unbeeinflußt ist.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 11 und 12 definiert.
Kurz gesagt und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, schafft dieselbe einen Masseflußmesser mit einem Körper mit einer darin befindlichen zylindrischen Bohrung und einem langgestreckten, zylindrischen Kolben, der konzentrisch in der Bohrung positioniert ist, einem langgestreckten ringförmigen Fluidströmungskanal mit gleichmäßiger Tiefe, der durch eine Zylinderfläche des Kolbens und eine Oberfläche der Bohrung verengt wird, wobei ein Fluid laminar durch den Kanal strömt. Eine erste und eine zweite Positionier- und Haltevorrichtung sind am ersten bzw. zweiten Endabschnitt des Kolbens angebracht, um den Kolben durch elastische Expansion auf Längskräfte auf den ersten und zweiten Endabschnitt des Kolbens hin, um symmetrisch mit einer Wand der Bohrung in Eingriff zu stehen, genau zu positionieren und konzentrisch in der Bohrung zu halten. Die Bohrung und der erste Endabschnitt des Kolbens verengen eine vergrößerte Druckausgleichskammer und eine erste Laminarströmungsverengung stromaufwärts bezüglich dieser Kammer, und die Bohrung und der zweite Endabschnitt des Kolbens verengen eine vergrößerte Druckausgleichskammer und eine zweite Laminarströmungsverengung stromabwärts bezüglich dieser Kammer. Ein erster Druckmeßwandler, der in Fluidverbindung mit der ersten Druckausgleichskammer steht, wird dazu verwendet&sub1; den Fluiddruck in der ersten Laminarströmungsverengung stromaufwärts bezüglich des ringförmigen Fluidströmungskanals zu messen. Ein zweiter Druckmeßwandler, der in Fluidverbindung mit der ersten Druckausgleichskammer und einer zweiten Druckausgleichskammer steht, wird dazu verwendet, den Differenzdruck zwischen den zwei Ausgleichskammern zu messen. Die Differenz der Drücke, wie sie in der ersten und der zweiten Kammer gemessen werden, repräsentiert den Massefluß des Fluids durch den Kanal. Ein erster und ein zweiter Temperaturwandler sind in gegeneinander beabstandeter Beziehung im Körper benachbart zu entgegengesetzten Endabschnitten des Kanals angeordnet. Ein erster Druckwandler und ein Differenzdruckwandler liefern Drucksignale, und die erste und die zweite Temperatursonde erzeugen ein Signal, das die mittlere Temperatur repräsentiert. Der Masseflußmesser enthält einen Computer, der die Masseströmung des Fluids im Kanal als Funktion der vom ersten und zweiten Druckwandler gemessenen Drücke und der mittleren gemessenen Temperatur des Fluids im Kanal berechnet. Der Computer berechnet den Massefluß gemäß oder entsprechend der folgenden Gleichung:
wobei R der Bohrungsradius des Masseflußmessers ist, h der Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder ist, L die Länge der Kolben-Zylinder-Anordnung ist, P&sub1; der stromaufwärtige Absolutdruck ist, P&sub2; der stromabwärtige Absolutdruck ist, T die Absoluttemperatur ist, N die Standardgasdichte ist, TN die Standardtemperatur ist, PN der Standarddruck ist, ZN der Gaskompressibilitätsfaktor bei Standardbedingungen ist, Z&sub1; der Gaskompressibilitätsfaktor bei den Bedingungen P&sub1;, T ist und η die dynamische Gasviskosität bei den Bedingungen (P&sub1; + P&sub2;)/2, T ist. Bei einer Ausführungsform sind der erste und zweite Endabschnitt des Kolbens konisch verjüngt, und die erste und zweite Positionier- und Haltevorrichtung enthalten einen zweiten Klemmring. Sowohl der erste als auch der zweite Klemmring verfügt über einen äußeren, hohlzylindrischen Abschnitt mit einer Außenfläche, und jeder verfügt über eine innere Endwand mit einem darin befindlichen zentrischen Loch, das einen der verjüngten Endabschnitte des Kolbens aufnimmt. Längskräfte verformen die innere Endwand elastisch und bewirken eine elastische Expansion der Außenseiten des ersten und zweiten Klemmrings, was dafür sorgt, daß sie symmetrisch mit der Wand der Bohrung in Eingriff treten, um den Spalt auszufüllen und den Kolben genau zu positionieren und konzentrisch in der Bohrung zu halten. Die Längskräfte werden dadurch erzeugt, daß eine Endplatte gegen ein Ende des Körpers und gegen einen der Klemmringe gedrückt wird. In den ersten und zweiten Klemmring sind mehrere symmetrische Löcher gebohrt, um eine erste und eine zweite Laminarströmungsverengung stromaufwärts und stromabwärts der ersten bzw. zweiten Kammer zu erzeugen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schnittdiagramm eines erfindungsgemäßen Masseflußmessers.
Fig. 1A ist eine vergrößerte Ansicht eines Details 1A in Fig. 1.
Fig. 1B ist eine Stirnansicht eines in Fig. 1A dargestellten Klemmrings 30.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die die Verformung der Klemmringe beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 veranschaulicht, wenn Endadapter angezogen werden.
Fig. 2A ist eine vergrößerte Ansicht des Details 2A in Fig. 2.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Masseflußmessers.
Fig. 3A ist eine vergrößerte Ansicht des Details 3A in Fig. 3.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels von Fig. 2, die die Verformung eines Flanschs beim Ausführungsbeispiel von Fig. 3 zeigt, wenn die Endadapter angezogen werden.
Fig. 4A ist eine vergrößerte Ansicht des Details 4A in Fig. 4.
Fig. 5A und 5B sind Schnittansichten, die bei der Beschreibung der Effekte einer Fehlausrichtung des Verengungselements in der Bohrung des Masseflußmessers von Nutzen sind.
Fig. 6A ist ein Diagramm eines Aufbaus zum Kalibrieren des erfindungsgemäßen Masseflußmessers unter Verwendung einer Totgewicht-Testeinrichtung.
Fig. 6B ist ein Diagramm eines Aufbaus zum Kalibrieren des erfindungsgemäßen Masseflußmessers unter Verwendung eines Präzisions-Massewiegesystems.
Fig. 7A ist ein Diagramm einer Technik für In-situ-Kalibrierung eines Masseflußreglers unter Verwendung des erfindungsgemäßen Masseflußmessers.
Fig. 7B ist ein Diagramm eines permanenten Systems für Insitu-Wiederkalibrierung eines Masseflußreglers unter Verwendung des erfindungsgemäßen Masseflußmessers.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Gemäß der Erfindung gehört zur Berechnung des Masseflusses von Gas das Vornehmen von Druckmessungen stromaufwärts und stromabwärts bezüglich einer Verengung, in der eine Laminarströmung des Gases aufrechterhalten wird, und auch das Vornehmen von Messungen zur mittleren Temperatur des Gases.
Der Gasmassenfluß ist eine genaue Funktion des 1) stromaufwärtigen Gasdruck, 2) Differenzdrucks über das Rohr oder die Verengung, durch die das Gas strömt, solange eine laminare (nicht-turbulente) Strömung aufrechterhalten bleibt, 3) der "isothermen" Temperatur von einem Ende des Einengungselements zum anderen, 4) der mittleren Gasviskosität und 5) verschiedener anderer Gaskonstanten. Dies sind die Parameter der Gleichung, die den Gasfluß mit den verschiedenen Gasparametern in Beziehung setzt, falls eine laminare Strömung aufrechterhalten bleibt.
Gemäß Fig. 1 enthält der Masseflußmesser 1 einen zylindrischen Körper 10 aus rostfreiem Stahl 316L mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Die Außenflächen des zylindrischen Körpers 10 sind rechteckig, und beim vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen die Abmessungen des zylindrischen Körpers 10 30 auf 30 Millimeter auf 84 Millimeter, und der Durchmesser der Bohrung 14 beträgt 8 Millimeter. Das obenangegebene Material wird verwendet, da es sich mit verwendeten korrodierenden Gasen verträgt und sehr genau elektropoliert werden kann. In einer genauen zylindrischen Bohrung 14 des Zylinders 10 wird ein langgestreckter Kolben 12 positioniert. Der Kolben 12 besteht ebenfalls aus dem rostfreien Stahl 316L mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
Der Kolben 12 verfügt über entgegengesetzte, symmetrische, konische Endabschnitte 12A und 12B, die konzentrisch zur Zylinderachse des Körpers des Kolbens 12 sind. Wie es in Fig. 1A deutlicher dargestellt ist, ist der konische Endabschnitt 12A des Kolbens 12 in ein genau zentriertes Loch in einem Klemmring 30 eingeführt. Jeder der Klemmringe 30 und 31 ist in entgegengesetzte Enden der Bohrung 14 des Zylinders 10 eingesetzt und verfügt über eine konzentrische, äußere Endöffnung 16 und eine kleinere konzentrische, innere Endöffnung 30D, in die der konische Endabschnitt 12A des Kolbens 12 eng eingeführt ist, um den Kolben 12 konzentrisch innerhalb der Bohrung 14 des Zylinders 10 zu halten. Der konische Endabschnitt 12B sitzt auf ähnliche Weise konzentrisch im Klemmring 31.
Ein ringförmiger Spalt 11 trägt die Wand des Zylinders 10 und die Außenfläche des Kolbens 12. Im ringförmigen Spalt 11 wird laminare Strömung eines Gases leicht dadurch aufrechterhalten, daß der Wert dieses Spalts dadurch eingestellt wird, daß für verschiedene Werte der Nennströmung Kolben mit verschiedenen Durchmessern eingebaut werden.
Endadapterplatten 12 werden durch Schrauben 18 gehalten, die durch geeignete Abstandslöcher in Löcher 19 in den Enden des zylindrischen Körpers 10 geschraubt werden, nachdem der Kolben 12 und die Klemmringe 30 und 31 in die Bohrung 14 geschoben wurden.
Wie es in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist, sind die Klemmringe 30 und 31 identisch, und ihre Außenflächen sind genau zylindrisch, mit jeweils sechs Löchern 30B, die symmetrisch um ein zentrisches Loch 30D positioniert sind. Wenn Gas durch den Klemmring 30 in der Richtung von Pfeilen 23 (Fig. 1) von einem Einlaßverbinder 32A am Endadapter 32 her strömt, tritt das Gas (oder die Flüssigkeit) durch die Löcher 30B, die eine Laminarverengung stromaufwärts der Druckausgleichskammer 24 zwischen der schrägen Fläche des konischen Endabschnitts 12A und der Oberfläche der Bohrung 14 bilden. Durch die Löcher 30B hindurch wird durch Einstellen der Größe und der Anzahl der Löcher als Funktion der Nennströmung eine laminare Strömung aufrechterhalten. Auf ähnliche Weise wird in den entsprechenden Löchern stromabwärts bezüglich der Ausgleichskammer 25 zwischen der sich verjüngenden Fläche des konischen Endabschnitts 12B und der Bohrung 14 eine laminare Strömung aufrechterhalten. Demgemäß wird eine laminare Gasströmung stromaufwärts und stromabwärts bezüglich jeder Druckmessung aufrechterhalten, was eine sehr stabile Messung gewährleistet.
Der Zylinder 10 verfügt über ein Paar Widerstands-Temperatursonden 20A und 20B aus Platin, die über Zuleitungen 21A bzw. 21B mit einer geeigneten elektronischen Schaltung auf einer gedruckten Leiterpiatte 40 verbunden sind, die an der Oberfläche des Zylinders 10 angebracht ist. Die Leiterplatte 40 stellt eine geeignete Schaltungsanordnung zur Verfügung, um die zwei Platinsonden und vier Drahtzuleitungen für genaue Widerstandsmessungen in Reihe zu schalten. Ein Block 26 enthält einen programmierbaren Festwertspeicher, in den verschiedene Konstanten, die nachfolgend beschrieben werden, eingespeichert sind, um es einem externen Computer 28 zu ermöglichen, die gesamte Information zu lesen, die dazu erforderlich ist, die erforderlichen Masseflußberechnungen (die nachfolgend beschrieben werden) für den Masseflußmesser 1 auszuführen. Es sei darauf hingewiesen, daß der Computer 28 und der Druckwandler 22A sowie der Differenzdruckwandler 22B unter Verwendung herkömmlicher Mikroprozessorchip-Technologie und herkömmlicher Wandler-Miniaturisierungstechnologie in den Block 26 integriert sein können.
Die Länge des Kolbens 12 und die Abmessungen der Klemmringe 30 und 31 sind dergestalt, daß dann, wenn die Spitzen der konischen Endabschnitte 12A und 12B in den öffnungen 30D der Klemmringe sitzen (Fig. 1A), sich die offenen Enden der Klemmringe 30 und 31 ein kleines Stück (ungefähr 0,2 Millimeter) über die rechte und linke Endfläche des Zylinderkörpers 10 hinaus erstrecken. Wenn die Schrauben 18 gut in die Löcher 19 eingeschraubt werden, um dadurch die Endadapter 32 und 33 eng gegen die entgegengesetzten Endflächen der Zylinder 10 zu drücken, werden solche Kräfte auf die Klemmringe 30 und 31 ausgeübt, daß sie sich leicht verformen, wie es in Fig. 2 und Fig. 2A dargestellt ist. Die Öffnung 30D, die im unverformten Zustand einen Kegelwinkel aufweist, der geringfügig größer als der Kegelwinkel des Abschnitts 12A des Kol bens 12 ist, wird nach außen gedrückt, wodurch die Endplatte des Klemmrings 30, die die Öffnung 30D enthält, elastisch verbogen wird.
Dies bewirkt, daß der dünne, zylindrische Außenflächenabschnitt 30c des Klemmrings 30 elastisch nach außen gebogen wird, wodurch er in engen Kontakt mit der Oberfläche der Zylinderbohrung 14 tritt und dort abdichtet. Dies tritt auf gleiche Weise an den beiden Enden des Kolbens 12 auf, so daß zwischen der Bohrung 14 und den Außenflächen der Klemmringe 30 und 31 eine sehr dichte, genaue Abdichtung ausgebildet wird. Dies sorgt für eine extrem präzise Ausrichtung des Kolbens 12 entlang der Achse 8 der zylindrischen Bohrung 14, was dafür sorgt, daß der Spalt 11 sehr gleichmäßig wird, innerhalb einer Toleranz von ± 2 Millimeter. Die genaue konzentrische Positionierung des Kolbens 12 innerhalb der Bohrung 14 ermöglicht es, daß die nachfolgend beschriebene Gleichung (5) den Gasmassenfluß durch den Masseflußmesser 1 sehr genau repräsentiert.
Der Zylinder 10 und der Kolben 12 verfügen in bezug auf die thermische Masse des im Spalt 11 enthaltenen Gases über eine sehr hohe thermische Masse und halten daher im entlang der gesamten Länge des Spalts 11 strömenden Gas eine gleichmäßige Temperatur aufrecht. Beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt der Spalt 11 vorzugsweise im Bereich von 50 bis 200 Mikrometer. Die minimale Länge des Spalts beträgt ungefähr das Doppelte des Durchmessers des Kolbens 12, und es besteht keine andere Maxime als die, die Vorrichtung innerhalb vernünftiger Gesamtabmessungen zu halten.
Stutzen 27A und 27B stellen eine Verbindung zum Druckwandler 22A und zum Differenzdruckwandler 22B her, die eine genaue Messung des stromaufwärtigen Drucks P1 in der Kammer 24 und den Differenzdruck zwischen P1 und dem stromabwärtigen Druck in der Kammer 25 ermöglichen. Der Computer 28 berechnet den Massefluß unter Verwendung des stromaufwärtigen Drucks, des Differenzdrucks zwischen dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Ende des verengenden Spalts 11 sowie der mittleren Temperatur des Zylinders 10.
Der obenangegebene Gasflußmesser kann leicht dadurch demontiert werden, daß die Endadapter 22 und 33 sowie die Klemmringe 30 und 31 entfernt werden und der Kolben 12 herausgenommen wird. Verschiedene, wesentlich voneinander verschiedene Fluidmassenflüsse können dadurch genau überwacht werden, daß Kolben 12 mit verschiedener Größe eingeführt werden, um auf präzise Weise verschiedene Spalte 11 zu erzeugen. Die hohe thermische Masse des Zylinders 10 und die große Oberfläche für den Temperaturaustausch zwischen dem Zylinder und der kleinen Masse des Fluids im Spalt 11 gewährleisten konstante Temperatur des Gases, das auflaminare Weise darin strömt. Die Vorrichtung der Fig. 1 und 1A gewährleistet, daß, solange die Reynoldszahl im Spalt 11 kleiner als ungefähr 1200 ist, laminare Strömung, und wenn die Temperatur konstant ist, ist der Massefluß durch die Gleichung 3 repräsentiert.
Die Fig. 3 und 3A zeigen ein alternatives Ausführungsbei spiel der Erfindung, bei dem die entgegengesetzten Endabschnitte des Kolbens 12 nicht konisch sind. Statt dessen enthält jeder Endabschnitt eine konzentrische, symmetrische Öffnung 52. Die Endabschnitte des Kolbens 12 definieren auch zwei vergrößerte, ringförmige Druckausgleichskammern 24 und 25, in die die Druckstutzen 27A und 27B geöffnet sind, damit Druckmessungen stromaufwärts und stromabwärts bezüglich des Spalts 11 erfolgen können. Vier Durchgangslöcher 53 (Fig. 3A) in der Wand des Flanschs 51 im linken Endabschnitt des Kolbens 12 ermöglichen eine laminare Strömung von Fluid in die Ausgleichskammer 24 vom Einlaßbereich 30 und der Öffnung 52 her. Auf ähnliche Weise ermöglichen vier Durchgangslöcher in der Wand des Flanschs am rechten Endabschnitt des Kolbens 12 eine laminare Strömung von Fluid von der Ausgleichskammer in den Auslaßbereich 31. Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 3 haben die vergrößerten Ausgleichskammern 24 und 25 die Funktion eines Druckausgleichs am stromaufwärtigen und stromabwärtigen Ende des durch den Spalt 11 gebildeten Längskanals.
Wie es am besten in Fig. 3A dargestellt ist, enthält das linke Ende des Kolbens 12 einen zylindrischen Flansch 51 mit einer konischen Mündung, in die sich ein sich verjüngender Klemmring 50 erstreckt, der in Kontakt mit der Innenfläche des Endadapters 12 steht. Ein ähnlicher Klemmring, der in Kontakt mit der Innenfläche des Endadapters 33 steht, paßt in eine konische Öffnung im entgegengesetzten Endabschnitt des Kolbens 12. Wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1, 1A, 2 und 2A paßt, bevor die Schrauben 18 angezogen werden, jeder der Klemmringe 50, der in Kontakt mit einem jeweiligen der Endadapter steht, in eine Öffnung 52 an den entgegengesetzten Enden des Kolbens 12, so daß ein Spalt zwischen den Innenflächen der Endadapter 32 und 33 sowie den Endflächen des Zylinderkörpers 12 besteht, wie in den Fig. 3 und 3A dargestellt. Wenn die Schrauben 18 angezogen werden, bewegen sich die Klemmringe 50 in die konischen Öffnungen 52 und drücken auf die Flansche 51, wodurch sich diese elastisch nach außen erweitern, wie in den Fig. 4 und 4A dargestellt, so daß die Außenfläche des Flanschs 51 eng an der Fläche der Bohrung 14 sitzt und gegen diese abdichtet.
Da die Außenfläche des Flanschs 51 vollkommen zylindrisch und konzentrisch zur Innenfläche des Kolbens 12 ist (da sie auch geläppt ist) und da die Bohrung 14 vollkommen zylindrisch ist, ist der Kolben 10 sehr genau innerhalb der Bohrung 14 zentriert, wenn die Schrauben 18 vollständig angezogen sind. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und 4 ist für Spalte 11 im Bereich von 10 bis 50 Mikrometer besonders geeignet.
Die Fig. 5A und 5B zeigen die Wichtigkeit, daß der Kolben 10 genau in der Bohrung 14 zentriert und zu dieser ausgerichtet ist. In Fig. 5A kennzeichnen Pfeile 42 den Pfad einer laminaren Gasströmung im Spalt 11, wenn der Kolben 12 entlang der Achse 8 konzentrisch in der Bohrung 14 ausgerichtet ist. Wenn der Kolben 12 jedoch fehlausgerichtet ist, wie es in Fig. 5B dargestellt ist, läuft Gas (oder Flüssigkeit) entlang der durch Pfeile 43 gekennzeichneten Richtung, wodurch ein längerer Strömungspfad und ein ungleichförmiger Spalt gebildet werden und möglicherweise sogar die laminare Strömung zerstört wird. Wenn dies auftritt, sind die für die Verwendung der Gleichung (3) getroffenen Annahmen nicht mehr korrekt, und die Genauigkeit der Berechnungsergebnisse ist entsprechend dem Ausmaß der Fehlausrichtung verringert.
Nachdem nun der Aufbau der derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiele dargelegt wurde, ist es hilfreich, die Gleichungen und Berechnungen zu erörtern, die beim Erhalten des Nasseflusses verwendet werden. Die allgemeine Formel für einen Nasseflußmesser, der aus einem Kolben 12 mit einem Zylinder 10 besteht, wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt, und in dem die Strömung eines kompressiblen Fluids laminar ist, ist die folgende:
wobei &sub1; die Gasdichte ist, die wie folgt gegeben ist:
wobei folgendes gilt:
R = Bohrungsradius des Masseflußmessers
h = Spalt zwischen Kolben und Zylinder
L = Länge der Kolben-Zylinder-Anordnung
qm = Massefluß
P&sub1; = stromaufwärtiger Absolutdruck
P&sub2; = stromabwärtiger Absolutdruck
T = absolute Temperatur
N = Standard-Gasdichte
TN = Standardtemperatur
PN = Standarddruck
ZN = Gaskompressibilitätsfaktor bei Standardbedingungen
Z&sub1; = Gaskompressibilitätsfaktor bei den Bedingungen P&sub1;, T
η = dynamische Gasviskosität bei den Bedingungen (P&sub1; + P&sub2;)/2, T
N, ZN, Z&sub1; und η hängen von der Art des Gases ab, und Z&sub1; ist eine Polynomfunktion von P&sub1;, T, und η ist eine Polynomfunktion von (P&sub1; + P&sub2;)/2, T. Der Fachmann kann auf einfache Weise Polynomfunktionen an Standardgastabellen anpassen, um Werte für diese Größen zu erhalten.
Wenn die Gleichungen (1) und (2) kombiniert werden, führt dies für ein kompressibles Fluid zu:
Für ein nicht-kompressibles Fluid wird statt dessen qm gemäß dem Folgenden berechnet:
wobei &sub1; die Dichte der Flüssigkeit ist und η&sub1; die Viskosität der Flüssigkeit ist. Der Einfluß von Änderungen der Temperatur und des mittleren Drucks auf die Flüssigkeitsdichte und die Viskosität kann dadurch korrigiert werden, daß geeignete Polynom- und/oder Exponentialfunktionen verwendet werden.
Wenn
als "Dimensionskonstante" definiert wird, gilt für ein kompressibles Fluid:
Für ein nicht-kompressibles Fluid wird die folgende Gleichung verwendet:
Für jeden Durchmesser eines Kolbens 12, wie im Körper 10 des Nasseflußmessers verwendet, wird die "Dimensionskonstante" KD unter Verwendung der Gleichung (4) berechnet.
Für jeden Massefluß-Berechnungszyklus i werden die folgenden Werte gemessen:
stromaufwärtiger Druck: p1i
Differenzdruck: (P&sub1; - P&sub2;)i
mittlere Körpertemperatur: Ti
Für jeden Berechnungszyklus i wird die Gaskompressibilität Z1i als Funktion von P1i und Ti für das speziell gemessene Gas berechnet, und η wird als Funktion von (P&sub1;(i) + P&sub2;(i))/2 und Ti für das spezielle Gas berechnet.
Mit den Standardwerten TN und PN sowie mit den Werten N und ZN für das gemessene Gas kann der Massefluß qmi unter Verwendung der Gleichung (5) berechnet werden.
Um einen Masseflußmesser 1 zu kalibrieren, wird eine Strömung eines Bezugsgases von einer mit einem Regler und einem Sperrventil versehenen Gasflasche durch den Masseflußmesser 1 geleitet. Der gewünschte stromaufwärtige Nenndruck für die Kalibrierung wird durch den Regler eingestellt. Die Gasströmung wird durch ein Einstellventil, das stromabwärts in bezug auf den Masseflußmesser 1 liegt, auf den gewünschten Nennwert für den Masseflußmesser 1 eingestellt. Durch Aufsummieren der Werte qmi des Momentanflusses während der gesamten Zeit (typischerweise von einigen wenigen Minuten bis zu einigen Stunden) des Gasauslasses wird der gesamte Massefluß mt des Bezugsgases, das durch den Masseflußmesser geströmt ist, berechnet.
Das Gas strömt während einer Zeit t durch den Masseflußmesser 1, die ausreichend lang dafür ist, durch direkte Massemessung die Masseänderung m der Gasflasche mit einer Genauigkeit von besser als 5 x 10&supmin;&sup4; zu bestimmen.
Durch Vergleich der Änderung m der Flaschenmasse und der Gesamtinasse mt an Gas, das während der Zeit Δt durch den Masseflußmesser 1 gelaufen ist, wird ein Meß oder Kalibrierwert für die Dimensionskonstante KD bestimmt. Der "kalibrierte Wert der Dimensionskonstante" wird als "geometrische Konstante" bezeichnet, die eine mögliche leichte Fehlausrichtung des Kolbens im Zylinder berücksichtigt.
Die Gesamtmasse an Bezugsgas, das während der Zeit t durch den Masseflußmesser strömt, ist die folgende:
wobei Δti die Dauer jedes Meßzyklus i ist.
Die Masseänderung m entspricht der Differenz zwischen der Masse der Bezugsgasflasche vor und nach der Integrationszeit t.
Der Kalibrierwert der Dimensionskonstante, die die "geometrische Konstante" KG ist, ist der folgende:
Dieser Wert für KG wird in den EPROM im Block 26 eingespeichert.
Da der zylindrische Körper 10 und der Kolben 12 aus demselben Material bestehen, erfolgen eine radiale Expansion der Körperbohrung R und eine Expansion der Einstellänge L des Kolbens mit derselben Rate in bezug auf Temperaturänderungen, weswegen sie sich in der Formel (4) kompensieren, in der KD, R und L im Zähler bzw. Nenner des Bruchs stehen.
Die Formel (4) zeigt, daß die Dimension von KD Kubikmeter ist, so daß die Relativänderung des Werts als Funktion der Zeit dem Dreifachen des Dehnungskoeffizienten α des zum Aufbauen der Anordnung verwendeten Materials entspricht. Dann wird die Änderung von KD als Funktion der Temperatur, wobei 20ºC als metrologischer Bezug für Dimensionsänderungen verwendet ist, wie folgt ausgedrückt:
(8) KD(T) = KD20º {1 + 3α x [T -(TN + 20)]}.
Für einen aus dem obenangegebenen rostfreien Stahlmaterial bestehenden Gasflußmesser hat α den Wert 16,9 x 10&supmin;&sup6;. Daher beträgt der Effekt, wenn eine Korrektur vernachlässigt wird, 0,005 % des Ablesewerts pro ºC. Als Beispiel beträgt der Einfluß der Temperatur auf einen "thermischen" Masseflußreg-1er ungefähr 0,05 % der vollen Skala pro ºC beim Wert Null und 0,10 % des Ablesewerts pro ºC für die Spanne.
Wenn sich der mittlere relative Arbeitsdruck Pm = [(P1 + P2)/2 - PN] ändert, expandiert die Körperbohrung 14 leicht, und zwar proportional zum Druck. Auch werden der Radius und die Länge des Kolbens entsprechend einem Wert proportional zum Druck zusammengedrückt, da sich derartige Verformungen im elastischen Bereich des Materials, proportional zum Druck pm, befinden. Die sich ergebende Änderung bei KD kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
(9) KD(pm) = KD x (1 + λ pm),
wobei λ die relative Änderung von KD abhängig vom mittleren relativen Arbeitsdruck pm ist. λ ist eine Funktion des Spalts h, der Außenabmessungen des zylindrischen Körpers 10, des Innenbohrungsradius R, des Young-Moduls E und des Poisson-Verhältnisses µ des zur Einstellung verwendeten Materials. Die geometrische Form des Kolbens und des Zylinders sind einfach, so daß der Ausdruck für λ unter Verwendung der Materialverformungsgesetze bestimmt werden kann. Der Ausdruck für λ ist der folgende:
wobei Re der externe "Äquivalenz"-Radius des Körpers 10 ist (d. h. der Mittelwert der Summe der Diagonale und der Länge einer Kante der quadratischen Form des Körpers 10) und R der Innenradius der Bohrung 14 ist.
Da der Wert λ durch den Spalt h beeinflußt wird, ist λ für jeden verwendeten verschiedenen Kolben 10 verschieden. Zum Berechnen des Masseflusses qm erfolgt die Berechnung des geeigneten Werts von λ entsprechend der geometrischen Konstante KG, wie vom Computer 28 aus dem EPROM im Block 26 ausgelesen, entsprechend der aktuellen Konfiguration des Gasflußmessers 1.
Unter Verwendung der Formel (4) kann h als Funktion der Dimensionskonstante KD wie folgt ausgedrückt werden:
Dann wird der Ausdruck für X der folgende:
Tatsächlich ist es besser, anstatt KD zu benutzen, die geometrische Konstante KG zu benutzen, die der Meßwert von KD ist und die mögliche Konzentrizitätsmängel des Kolbens 12 in der zylindrischen Bohrung 10 berücksichtigt.
Die durch die Gleichung (5) repräsentierte allgemeine Masseflußformel kann hinsichtlich verschiedener Umgebungseffekte korrigiert werden. Die Gleichungen (5), (8) und (9) können kombiniert werden, um folgendes zu erhalten:
mit α = 16,99 x 10&supmin;&sup6;/ºC und
Die Gleichung (13) ist die endgültige Gleichung, die vorzugsweise zur Kalibrierung des Masseflußmessers 1 verwendet wird, um mögliche Umgebungseffekte während der Integration des momentanen Fluidflusses zu berücksichtigen. Dann wird der Wert von KG erhalten, der später dazu verwendet wird, den Massefluß zu berechnen.
Es sei darauf hingewiesen, daß das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen sehr kleinen Massefluß, z. B. im Bereich von 5 bis 500 Kubikzentimeter pro Minute besser geeignet ist als das Ausführungsbeispiel von Fig. 1, das für einen Massefluß im Bereich von 500 bis 20.000 Kubikzentimeter pro Minute besser geeignet ist. Beide Ausführungsbeispiele erzeugen Werte für den Massefluß mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 %. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist deswegen für einen sehr geringen Fluß besser geeignet, da der Kolben 12 auf solche Weise bearbeitet werden kann, daß die Außenflächen des Flanschs 51 und der zylindrische Hauptquerschnitt des Kolbens 12 durch Läppen gleichzeitig bearbeitet werden, bevor die zwei Kammern 24 und 25 bearbeitet werden, was eine gegenseitige Toleranz von ungefähr einem Mikrometer gewährleistet. Dies ermöglicht es, daß der Spalt 10 den kleinen Wert von 10 Mikrometern bei ausreichend guter Genauigkeit aufweisen kann, was es ermöglicht, daß die unter Verwendung der Gleichung (10) erzielten Ergebnisse eine Genauigkeit innerhalb von 0,1 Prozent aufweisen.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Bearbeitungstoleranzen zwischen der Konzentrizität der Spitze der kegelförmigen Enden 12A und 12B, der kegelförmigen Öffnungen in der Öffnung 30D in den Klemmringen 30 und 31 sowie der Konzentrizität der Außenfläche der Klemmringe 30 und 31 additiv, jedoch sind für Werte von h (wie durch die Pfeile 11A in Fig. 1 gekennzeichnet) über ungefähr 50 Mikrometern die Summentoleranzfehler nicht merklich.
Unter Verwendung des in Fig. 1 dargestellten Kolbens für hohe Flüsse und des in Fig. 3 dargestellten Kolbens für kleine Flüsse, mit einer Vielfalt von Werten für die Spaltgröße h, ist eine sehr genaue Einstellung des Masseflusses möglich, von großen Werten wie 20.000 Kubikzentimeter pro Minute bis zu extrem niedrigen Werten wie 5 Kubikzentimeter pro Minute, mit Genauigkeiten von besser als 0,1 Prozent bis zu 0,01 Prozent.
Es ist zu beachten, daß die Gleichung (5) oder die verfeinerte Gleichung (13) dazu verwendet werden kann, die Fluidviskosität η für den Druck p = (P&sub1; + P&sub2;)/2 und die Temperatur T zu berechnen, wenn die Masseströmung mittels eines Totgewichtstesters, wie 35 in Fig. 6A, oder mittels einer Genauigkeitswaage bestimmt wird, die das Gewicht einer Gasflasche vor und nach dem Zuführen von Gas zum Masseflußmesser 1 mißt, wenn qm und η geändert werden. Alle anderen Gesichtspunkte hinsichtlich der Messung und Berechnung sind unverändert.
Fig. 6A zeigt einen Aufbau zum Kalibrieren des Masseflußmessers 1 für einen niedrigen Massefluß im Bereich von grob 5 bis 500 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute). Eine Flasche 55 mit Bezugsgas (im allgemeinen Stickstoff, Helium oder Argon), die mit einem Regler 56 und einem Sperrventil 57 versehen ist, wird dazu verwendet, Bezugsgas durch eine Leitung 58 zu einem gas-betätigten Totgewichtstester 35 zu liefern. Der Gasdruck wird unter Verwendung des Reglers 56 so eingestellt, daß der Druck stromaufwärts in bezug auf den Masseflußmesser 1 gerade auf den Punkt eingestellt wird, bei dem sich ein Kolben des Totgewichtstesters 35, der mit einer vorgegebenen Masse belastet ist, an seinen oberen Anschlag geführt ist. Bei diesem Druck wird ein Mikrobemessungsventil 38, das zwischen dem Totgewichtstester 35 und dem Masseflußmesser 1 angebracht ist, so eingestellt, daß der durch den Masseflußmesser 1 abgelesene Fluß auf einen Wert eingestellt ist, der nahe dem zu kalibrierenden Flußwert liegt.
Wenn einmal ein stabiler Fluß erzielt ist, wird das Sperrventil 57 zwischen dem Regler 56 und dem Totgewichtstester 35 geschlossen, was die Gaszufuhr zum Totgewichtstester 35 und zum Masseflußmesser 1 unterbricht. Der Gasmassenfluß, der dann durch den Masseflußmesser 1 läuft, ist der Gasmassenfluß, der durch das Absinken des Kolbens im Totgewichtstester 35 beim durch die auf ihn geladene Masse festgelegten Druck und durch die Temperatur der Montagestütze 58 des Totgewichtstesters 35 hervorgerufen wird. Wenn der durch den Masseflußmesser 1 abgelesene Massefluß stabil ist, werden die Temperatur der Montagestütze, der Atmosphärendruck und der vom Masseflußmesser 1 gemessene Massefluß durch ein Multimeter 37 aufgezeichnet und durch den Computer 38 eingelesen. Der Massefluß, der gemäß der Berechnung vom Totgewichtstester 35 berechnet wurde, in bezug auf den vom Masseflußmesser 1 gemessenen Massefluß, ermöglicht eine Kalibrierung des Masseflußmessers 1 auf den voreingestellten Massefluß. Diese Technik ermöglicht es, den Masseflußmesser 1 bei seinem Nennfluß zu kalibrieren, und sie ermöglicht es, andere Punkte in seinem Bereich schnell zu prüfen. Es sei darauf hingewiesen, daß der Wert der auf den Totgewichtstester 35 geladenen Masse als Funktion des Masseflusses eingestellt wird, um eine vernünftige und relativ konstante Kolbenabsinkrate im Absinkratenbereich zu erzielen, in dem genaue Messungen erhalten werden können. Unter Verwendung dieser Technik ist die geometrische Konstante durch die folgende Gleichung gegeben:
wobei KD die Dimensionskonstante (gegeben durch die Gleichung (4)) ist, die dazu verwendet wird, den Wert qm(read) während des Tests zu berechnen, qm(read) der vom Masseflußmesser 1 gelesene Massefluß ist und qm(ref) durch die folgende Gleichung gegeben ist:
mit
(15a) v' = v&sub0; + v&sub1;pg + v&sub2;pg²,
und wobei Zg durch eine Polynomfunktion von (pg + Patm), Tg, abhängig von der Art des verwendeten Bezugsgases berechnet wird. v' ist die Korrektur für die eigentliche Sinkrate des Kolbens des Totgewichtstesters aufgrund des durch den ringförmigen Raum in seinem Kolben strömenden Gases. Dieser Wert von v' wird experimentell dadurch bestimmt, daß der Totgewichtstester abgesperrt wird. Er kann durch die Polynomfunktion (15a) des Drucks pg für jedes verwendete Bezugsgas ausgedrückt werden. Die Begriffe in der Gleichung (15) sind wie folgt gegeben:
v: Sinkrate des Kolbens [m/s]
Seff: Oberfläche der Kolben-Zylinder-Anordnung [m²]
pg: durch den TGT definierter Meßdruck [Pa]
patm: Atmosphärendruck [Pa]
Tg: Absolutdruck des TGT [ºK]
N: Standarddichte des Gases [kg/m³]
TN: Standardtemperatur [273.15ºK]
PN: Standarddruck [101325 Pa]
ZN: Kompressibilitätsfaktor des Gases bei Standardbedingungen [-]
Zg: Kompressibilitätsfaktor des Gases bei der Bedingung (Pg + atm.), Tg [-]
Dieser Wert von KG wird in den EPROM 26 des Masseflußmessers 1 eingespeichert.
Fig. 6B zeigt einen Aufbau, der für jeden Bereich verwendet werden kann, jedoch vorzugsweise zum Kalibrieren eines Masseflußmessers 1 für höhere Masseflüsse im Bereich von grob 50 bis 10.000 sccm verwendet wird, da für Masseflußmesser mit sehr niedrigem Bereich die Zeit für die mathematische Integration, wie sie zum Erzielen genauer Massemessungen der Gasflasche erforderlich ist, extrem lang wird. Bei dieser Technik wird Bezugsgas von einer Gasflasche in einem Präzisionsinassewiegesystem 60 verwendet, die mit einem Regler und einem Sperrventil versehen ist. Der Regler wird so eingestellt, daß er den stromaufwärtigen Druck einstellt, mit dem die Kalibrierung auszuführen ist. Die Masseströmung wird durch ein Mikrozumeßventil 41, das stromabwärts in bezug auf den Masseflußmesser 1 liegt, auf den Nennwert desselben eingestellt. Durch Aufsummieren der Masseflußwerte qm(i) für den momentanten Fluß während der gesamten Strömungszeit wird der Gesamtmassefluß m(t) des Bezugsgases, das durch den Masseflußmesser 1 läuft, erhalten. Das durch den Masseflußmesser 1 laufende Gas kann für eine Zeitperiode t laufen, die ausreichend lang dafür ist, durch direkte Massemessung die Masseänderung in der Gasflasche im Block 60 mit einer Genauigkeit von besser als 5 mal 10&supmin;&sup4; zu bestimmen. Durch Vergleich der Änderung der Flaschenmasse in und der Gesamtmasse m(t) an Gas, die durch den Masseflußmesser 1 läuft, wird der Meßwert der "Dimensionskonstante" bestimmt, die als "geometrische Konstante" bezeichnet wird, wobei eine mögliche Fehlausrichtung des Kolbens 12 in der Bohrung 14 berücksichtigt ist. Die geometrische Konstante ist durch die folgende Gleichung bestimmt:
wobei KD der Wert der Dimensionskonstante (entsprechend der Gleichung (4)) ist, die dazu verwendet wird, die Integrationen von m(t) während der Prüfung auszuführen. Der durch die Gleichung (16) gegebene Wert wird dann in den EPROM 26 des Masseflußmessers 1 eingespeichert.
Fig. 7A zeigt einen Aufbau für In-situ-Kalibrierung eines Masseflußreglers, wie 66, der die Strömung von Reaktionsgas in eine Halbleiterbearbeitungs-Reaktionskammer 65 regelt. Eine Reaktionsgasquelle 67 liefert eine Gasströmung durch eine Leitung 68 in den Einlaß des Masseflußreglers 66. Typischerweise liefern auch andere Masseflußregler, die periodisch kalibriert werden müssen, andere Reaktionsgase zur Reaktionskammer 65. Ein Bearbeitungssystem-Steuercomputer 69 erzeugt analoge Regelungssignale in Leitungen 70 zum Steuern des Masseflußreglers 66.
Um eine Kalibrierung des Masseflußreglers 66 auszuführen, ohne ihn vom Halbleiter-Bearbeitungssystem zu trennen, ist ein T-Stück 63 in Reihe zur Leitung 68 angeschlossen, damit Gas, das durch den erfindungsgemäßen Masseflußmesser 1 strömt, auch durch den Masseflußregler 66 strömt. Sperrventue 64A und 64B werden so eingestellt, daß das Reaktionsgas 67 durch den Masseflußregler 66 strömen kann oder ein Bezugsgas von einer Flasche 71 durch den Masseflußmesser 1 und den Masseflußregler 66 strömen kann. Es werden geeignete Verbindungsabläufe dazu verwendet, sicherzustellen, daß in der Verbindung zwischen den Ventilen 64A, 64C sowie 64D vor dem Öffnen des Ventus 64A keine Luft verbleibt.
Der Masseflußmesser 1 ist über digitale Leitungen 77 mit einem Masseflußmesser-Systemcomputer 76 verbunden. Der Masseflußreglercomputer 69 definiert den Sollwert für die Strömung durch den Masseflußregler 66 mittels eines analogen Signais auf der Leitung 70. Der Masseflußmesser-Systemcomputer 76 liest den Massefluß an Bezugsgas, das von der Flasche 71 zum Masseflußmesser 1 und durch den Masseflußregler 66 zur Reaktionskammer 65 geliefert wird, wobei das Ventil 64A offen und das Ventil 64B geschlossen ist, und er zeigt diesen an. Wenn die zwei Werte nicht innerhalb einer vorgegebenen Toleranz übereinstimmen, übernimmt die Masseflußmesser- Systemsteuerung 76 die Steuerung des Masseflußreglers 66 über einen Schalter 59 und eine Leitung 62 und trennt den Masseflußregler 66 von der Leitung 70. Dann kann eine vollständige In-situ-Kalibrierung oder -Wiederkalibrierung über den gewünschten Bereich ausgeführt werden, um die geeigneten Korrekturen für das analoge Signal zu bestimmen, das vom Masseflußregler-Computer 69 auf der Leitung 70 geliefert wird und den Massefluß-Sollwert repräsentiert.
Fig. 78 zeigt eine permanente Einstellung zum dauernden Insitu-Überwachen der Drift von Masseflußreglern 66-1, 66-2 und 66-3 sowie zur Wiederkalibrierung derselben. Der Computer 76 kommuniziert über digitale Leitungen 78 mit dem Systemcomputer 69, so daß der Masseflußregler-Computer 69 den genau gemessenen Bezugsgas-Massefluß durch den Masseflußmesser 1, der beim Start des Systems nach der Kalibrierung des Masseflußreglers 66-1 aufgefunden wurde, wenn dieser das erste Mal dazu eingestellt wurde, den gewünschten Masseflußwert für das durch die Flasche 71-1 gelieferte Gas zu regeln, vergleichen kann. Jede Fehlübereinstimmung über eine errichtete Toleranz hinaus wird vom Masseflußregler-Computer 69 dazu verwendet, eine Kalibrierungskonstante zu berechnen, die dazu verwendet wird, an den Masseflußregler 66-1 zur Kompensation seiner Drift ein eingestelltes Analogsignal zu liefern. Derselbe Ablauf wird unter Verwendung von Masseflußmessern 1-2 und 1-3 für die Masseflußregler 66-2 und 66-3 wiederholt, um andere Reaktionsgase genau zu messen, die von Flaschen 71-2 bzw. 71-3 geliefert werden.
Der erfindungsgemäße Masseflußmesser sorgt für einen Massefluß-Kalibrierbezug ausreichender Genauigkeit für Verwendung bei der In-situ-Prüfung von Masseflußreglern bei einer Vielfalt industrieller Anwendungen, wie bei der Regelung winziger Flüsse von Reaktionsgasen in Halbleiterprozeß-Reaktionskammern. Der erfindungsgemäße Masseflußmesser ist vollständig bidirektional und kann für Masseflüsse von Flüssigkeiten oder Fluiden verwendet werden, wenn die Reynoldszahlen kleiner als 1200 sind, was laminare Strömungsbedingungen sicherstellt. Seine Genauigkeit hängt nur von den geometrischen Abmessungen der mechanischen Anordnung, den physikalischen Eigenschaften des gemessenen Gases, den Druckmeßwerten stromaufwärts und stromabwärts in bezug auf ein Laminarelement und der mittleren Temperatur der mechanischen Anordnung ab. Die sehr hohe Genauigkeit des Masseflußmessers von Fig. 3 bei sehr niedriger Masseströmung ermöglicht es, daß er als Nullströmungs-Anzeigeeinrichtung von Nutzen ist, insbesondere für Anwendungen, bei denen es erforderlich ist, sicherzustellen, daß eine winzige Gasströmung in einer speziellen Richtung erfolgt. Der beschriebene Masseflußmesser verfügt auch über Anwendung beim Kalibrieren von Gasleckraten und beim genauen Mischen von Gasen zum Zweck des Kalibrierens von Gaschromatographiesystemen.
Die stromaufwärtige Temperatur des Gases hat keine merkliche Auswirkung auf die Genauigkeit der Masseflußmessungen, da das Gas durch die Löcher 308 oder 53 der Laminarströmungsverengung und in die Kammer 24 fließt, die Gas mit nahezu der Temperatur des Körpers aufnimmt, bevor dieses in den Spalt 11 strömt, und da die thermische Masse des Körpers 10 des Kolbens 12 beträchtlich größer ist als die Masse des Gases oder Fluids, das im Spalt 11 gemessen wird, und da der dünne Gasfum eine große Wärmeaustauschfläche zum Körper hat. Der beschriebene Masseflußmesser verwendet nur geradlinige geometrische Formen mit ausreichend großen Durchmessern, so daß die Teile elektropoliert werden können, um hervorragende Oberflächen-Endbearbeitungen zu erhalten, was Sauberkeit des Systems sicherstellt, und er verwendet eine kleine Anzahl von Teilen, so daß er zum Reinigen ohne wesentliches Beeinflussen der geometrischen Konstante des Systems auseinandergebaut und wieder zusammengebaut werden kann. Die Verwendung einfacher geometrischer Formen ermöglicht es, den Masseflußmesser mathematisch einfach und genau zu modellieren, was eine zweckdienliche Konzeption für verschiedene gewünschte Masseflüsse ermöglicht.

Claims

1. Masseflußmesser, der in Kombination folgendes aufweist:

(a) einen Körper (10) mit einer zylindrischen Bohrung (14) in diesem;

(b) einen langgestreckten, zylindrischen Kolben (12), der konzentrisch zur Bohrung in dieser positioniert ist und einen langgestreckten, ringförmigen Fluidströmungskanal (11) mit gleichmäßiger Tiefe, der von einer Zylinderfläche des Kolbens und einer Fläche der Bohrung begrenzt wird, wobei Fluid laminar durch den Kanal strömt;

(c) eine erste (30) und eine zweite (31) Einrichtung, die am ersten bzw. zweiten Endabschnitt des Kolbens angeordnet sind, um den Kolben dadurch genau zu positionieren und konzentrisch in der Bohrung zu halten, daß sie sich auf Längskräfte auf den ersten und zweiten Endabschnitt des Kolbens elastisch ausweiten, um symmetrisch mit einer Wand der Bohrung in Eingriff zu treten, wobei die Bohrung und der erste Endabschnitt des Kolbens eine erste Druckausgleichskammer (24) hinter einer ersten Laminarströmungsverengung (30, 30B) stromaufwärts in bezug auf den Kanal begrenzen, und wobei die Bohrung und der zweite Endabschnitt des Kolbens eine zweite Druckausgleichskammer (25) vor einer zweiten Laminarströmungsverengung (31) stromabwärts bezüglich des Kanals begrenzen; und

(d) eine erste Druckmeßeinrichtung (22A) in Fluidverbindung mit der ersten Druckausgleichskammer zum Messen des Fluiddrucks in dieser ersten Druckausgleichskammer, und eine zweite Druckmeßeinrichtung (228) in Fluidverbindung mit der ersten und zweiten Druckausgleichskammer, um die Fluidruckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Druckausgleichskammer zu messen;

- wobei die Differenz der in der ersten Druckausgleichskammer und der zweiten Druckausgleichskammer gemessenen Drücke den Massefluß des Fluids durch den Kanal repräsentiert.

2. Masseflußmesser nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung (20A, 20B) zum Messen der Temperatur des im Kanal strömenden Fluids.

3. Masseflußmesser nach Anspruch 1, mit einer ersten und einer zweiten Temperatursonde (20A, 20B), die voneinander beabstandet im Körper benachbart zu entgegengesetzten Endabschnitten des Kanals angeordnet sind.

4. Masseflußmesser nach Anspruch 2, bei dem die erste und zweite Druckmeßeinrichtung ein zugehöriges erstes bzw. zweites Drucksignal erzeugen, und bei dem die erste und die zweite Temperatursonde in Reihe geschaltet sind, um ein Signal zu erzeugen, das der Mittelwert der ersten und zweiten Temperatur ist, wobei der Masseflußmesser eine Berechnungseinrichtung (28) zum Berechnen des Fluidmasseflusses im Kanal abhängig vom ersten und zweiten Drucksignal und dem Temperatur-Mittelwertsignal aufweist.

5. Masseflußmesser nach Anspruch 4, bei dem die Berechnungseinrichtung den Massefluß gemäß der folgenden Gleichung berechnet:

wobei R der Bohrungsradius des Masseflußmessers ist, h der Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder ist, L die Länge der Kolben-Zylinder-Anordnung ist; P&sub1; der stromaufwärtige Absolutdruck ist, P&sub2; der stromabwärtige Absolutdruck ist, T die Absoluttemperatur ist, N die Gasdichte bei Normalbedingungen ist, TN die Temperatur bei Normalbedingungen ist, PN der Druck bei Normalbedingungen ist, ZN der Gaskompressibilitätsfaktor bei Normalbedingungen ist, Z&sub1; der Gaskompressibilitätsfaktor bei den Bedingungen P&sub1;, T ist und η die dynamische Gasviskosität bei den Bedingungen (P&sub1; + P&sub2;)/2, T ist.

6. Masseflußmesser nach Anspruch 1, bei dem der erste (12A) und zweite (12B) Endabschnitt des Kolbens konisch verjüngt sind und die erste und zweite Positionier- und Halteeinrichtung einen ersten (30) bzw. einen zweiten (31) Klemmring aufweist, von denen jeder einen äußeren, hohlen, zylindrischen Abschnitt mit einer Außenfläche aufweist, und jeder eine innere Endwand mit einem darin befindlichen konzentrischen Loch aufweist, das den verjüngten Endabschnitt der ersten bzw. zweiten Positionier- und Halteeinrichtung aufnimmt, wobei die Längskräfte die innere Endwand elastisch verformen und eine elastische Expansion der Außenflächen des ersten und zweiten Klemmrings bewirken, die diese veranlaßt, symmetrisch mit der Wand der Bohrung in Eingriff zu treten und den Kolben genau zu positionieren und konzentrisch in der Bohrung zu halten.

7. Masseflußmesser nach Anspruch 6, bei dem die innere Endwand des ersten Klemmrings mehrere Durchflußlöcher (30B) aufweist, die symmetrisch um ein zentrisches Loch dieses ersten Klemmrings positioniert sind, wobei diese Löcher einen solchen Durchmesser aufweisen, daß sie das Laminarverhalten der Strömung des Fluids durch die Löcher verbessern.

8. Masseflußmesser nach Anspruch 7, bei dem die Längskräfte dadurch erzeugt werden, daß eine Endplatte angedrückt wird, die ein Ende des Körpers mit einem Abschnitt eines der Klemmringe in Eingriff bringt.

9. Masseflußmesser nach Anspruch 1, bei dem die erste und zweite Positionier- und Halteeinrichtung einen ersten und zweiten zylindrischen Flansch (30C) aufweisen, die am ersten bzw. zweiten Endabschnitt des Kolbens befestigt sind und jeweus eine sich verjüngende Innenfläche aufweisen, wobei die erste und zweite Positionier- und Halteeinrichtung auch ein erstes und zweites sich verjüngendes Element in Kontakt mit Endwänden aufweisen, die die Bohrung begrenzen und sich jeweils in die durch die sich verjüngenden Innenflächen festgelegten Öffnungen hinein erstrecken, wobei die Längskräfte die sich verjüngenden Nasen in die sich verjüngenden Innenflächenöffnung hineindrücken, was eine Expansion des ersten und zweiten Flanschs hervorruft und bewirkt, daß die Außenflächen des ersten und zweiten Flanschs symmetrisch mit der Wand der Bohrung in Eingriff treten und den Kolben genau positionieren und konzentrisch in der Bohrung halten.

10. Masseflußmesser nach Anspruch 9, mit mehreren Querlöchern von solchem Durchmesser, daß für laminare Strömung durch diese Querlöcher gesorgt ist, die sich von der sich verjüngenden Fläche, die in den ersten Endabschnitt des Kolbens geöffnet ist, zur ersten Druckausgleichskammer erstrekken.

11. Verfahren zum Messen eines Fluidmasseflusses, umfassend die folgenden Schritte:

(a) Lagern eines langgestreckten, zylindrischen Kolbens (12) konzentrisch in einer Bohrung eines Körpers, um einen langgestreckten, ringförmigen Fluidströmungskanal gleichmäßiger Tiefe zu bilden, der von einer zylindrischen Fläche des Kolbens und einer Fläche einer Bohrung (14) eines Körpers (10) eines Masseströmungsmessers begrenzt wird;

(b) Ausüben von Druck auf ein Fluid, damit dieses laminar durch eine erste Laminarströmungsverengung (30) stromaufwärts in bezug auf eine erste Druckausgleichskammer (24), die durch die Bohrung und einen ersten Endabschnitt des Kolbens begrenzt wird, durch den Kanal, und dann durch eine vergrößerte, zweite Druckausgleichskammer (25) stromabwärts in bezug auf den Kanal strömt, die durch die Bohrung und einen zweiten Endabschnitt des Kolbens vor einer zweiten Laminarströmungsverengung (31) begrenzt wird;

(c) Messen des stromaufwärtigen Drucks in der ersten Druckausgleichskammer und Messen auch der Differenz der Drücke zwischen der ersten und zweiten Druckausgleichskammer; und

(d) Ausführen einer Berechnung unter Verwendung des Drucks in der stromaufwärtigen Kammer und der Differenz der Drücke zwischen der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kammer, um einen Wert zu erhalten, der den Fluidmassefluß durch den Kanal repräsentiert.

12. Viskositätsmeßvorrichtung, die in Kombination folgendes aufweist:

(a) einen Körper (10) mit einer zylindrischen Bohrung (14) in diesem;

(c) eine erste (30) und eine zweite (31) Einrichtung, die am ersten bzw. zweiten Endabschnitt des Kolbens angeordnet sind, um den Kolben dadurch genau zu positionieren und konzentrisch in der Bohrung zu halten, daß sie sich auf Längskräfte auf den ersten und zweiten Endabschnitt des Kolbens elastisch ausweiten, um symmetrisch mit einer Wand der Bohrung in Eingriff zu treten, wobei die Bohrung und der erste Endabschnitt des Kolbens eine erste Druckausgleichskammer (24) hinter einer ersten Laminarströmungsverengung (30, 30B) stromaufwärts in bezug auf den Kanal begrenzen, und wobei die Bohrung und der zweite Endabschnitt des Kolbens eine zweite Druckausgleichskammer (25) vor einer zweiten Laminarströmungsverengung (31) stromabwärts bezüglich des Kanals begrenzen;

(d) eine Einrichtung (35) zum Messen des Masseflusses des durch den Kanal strömenden Fluids;

(e) eine erste Druckmeßeinrichtung (22A) in Fluidverbindung mit der ersten Druckausgleichskammer zum Messen des Fluiddrucks in dieser ersten Druckausgleichskammer, und eine zweite Druckmeßeinrichtung (22B) in Fluidverbindung mit der ersten und zweiten Druckausgleichskammer, um die Fluiddruckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Druckausgleichskammer zu messen;

- wobei die Differenz der in der ersten Druckausgleichskammer und der zweiten Druckausgleichskammer gemessenen Drücke den Massefluß des Fluids durch den Kanal repräsentiert;

(f) eine Einrichtung (20A, B) zum Messen der Temperatur des durch den Kanal strömenden Fluids und

(g) eine Berechnungseinrichtung (28) zum Berechnen der Viskosität des Fluids im Kanal abhängig vom ersten und zweiten Drucksignal und dem durch die Massefluß-Meßeinrichtung gemessenen Massefluß.