DE69927932T2

DE69927932T2 - Flexibler durchflussregler

Info

Publication number: DE69927932T2
Application number: DE69927932T
Authority: DE
Inventors: Tadahiro Sendai-shi Ohmi; Satoshi Nirasaki-shi KAGATSUME; Jun Nirasaki-shi HIROSE; Kouji Osaka-shi NISHINO
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2019-08-10
Also published as: JP2000066732A; EP1026566B1; EP1564615B1; CN1275217A; ATE389202T1; EP1026566A4; DE69927932D1; DE69938368T2; KR100329977B1; US6314992B1; CN1225680C; JP3522544B2; TW455751B; ATE308074T1; DE69938368D1; EP1026566A1; WO2000011532A1; EP1564615A1; KR20010031388A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flussratensteuervorrichtung, die an verschiedene Fluide angepasst werden kann, z. B. Gase für die Verwendung in der Fertigung solcher Produkte wie Halbleiter, Chemikalien und Präzisionsmaschinenteile. Insbesondere betrifft die Erfindung ein fluidschaltbares Flussratensteuersystem, das eine hochpräzise Steuerung der Flussrate von verschiedenen Fluiden unter Verwendung eines einzelnen Mündungselementes über bestimmte Flussratenbereiche erlaubt und in dem das darin montierte Mündungselement ausgetauscht werden kann, so dass der Fluidtyp und der Flussratenbereich deutlich verändert werden können.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Massenflussregler wurden in Fluidversorgungssystemen in Fertigungsstandorten, in denen z. B. Halbleiter und chemische Produkte hergestellt werden, in großem Umfang eingesetzt.
7 ist ein Beispiel des hochreinen Feuchtigkeitsgenerators, der in der Halbleiterfertigung verwendet wird. Drei verschiedene Gase – H₂, O₂ und N₂ – werden durch die Ventile V₁ und V₃ in einen Reaktor RR eingeleitet, wobei die Flussraten von den Massenflussreglern MFC 1 bis MFC 3 geregelt werden. Das heißt, zuerst wird das Ventil V₃ geöffnet, wobei die Ventile V₁ und V₂ geschlossen bleiben, und der Reaktor RR wird mit N₂ gespült. Daraufhin wird das Ventil V₃ geschlossen, und die Ventile V₁ und V₂ werden geöffnet, um dem Reaktor RR die Gase H₂ und O₂ mit bestimmten Flussraten zuzuführen. Im Reaktor RR wird es ermöglicht, dass die Gase H₂ und O₂ zu H₂O reagieren, wobei Platin als Katalysator ohne Verbrennung dient. Der dabei produzierte hochreine Wasserdampf wird an die Fertigungsstandorte geliefert (nicht gezeigt).
Massenflussregler wurden jeweils einer Linearitätskorrektur unterzogen und auf ein bestimmtes Gas sowie einen bestimmten Flussbereich eingestellt. Massenflussregler können deshalb für keine anderen Gase verwendet werden, als für die sie eingestellt wurden. Demzufolge werden die Massenflussregler MFC 1 und MFC 3 für die Gase H₂, O₂ bzw. N₂ installiert, das heißt, ein bestimmter Massenflussregler wird, wie in 7 gezeigt, für ein bestimmtes Gas eingestellt. Ein weiteres Problem besteht darin, dass sogar bei Verwendung desselben Gases der Massenflussregler an sich ausgetauscht werden muss, wenn der Flussbereich, das heißt, die volle Flussrate zu ändern ist.
Für ein Gasversorgungssystem wie in 7 ist für die Massenflussregler MFC 1 bis MFC 3 Ersatz vorrätig. Massenflussregler sind, ebenso wie ihre Ersatzteile, sehr teuer. Dies führt zu erhöhten Ausrüstungs- und Betriebskosten.
Linearitätskorrektur und Einstellung nehmen viel Zeit in Anspruch. Wenn anstatt die Massenflussregler auszutauschen, die Linearitätskorrektur und Einstellung für ein neues Gas jedes Mal durchgeführt werden müssen, wenn sich die Gasart oder der Flussbereich ändert, muss die Produktionsanlage vorübergehend ausgesetzt werden. Aus diesem Grund ist es notwendig, Ersatzmassenflussregler die ganze Zeit vorrätig zu haben.
Es ist bekannt, dass Druckflussregler den Fluidfluss präziser überwachen können als Massenflussregler. US 5,791,369 beschreibt einen Druckflussregler, der Folgendes umfasst:

(i) ein austauschbares Mündungselement,
(ii) ein Steuerventil, das sich an der stromaufwärts gelegenen Seite des Mündungselements befindet,
(iii) einen Druckdetektor, der sich zwischen dem Steuerventil und dem Mündungselement befindet und der den Druck P1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Mündungselements erfasst,
(iv) eine Flussratenberechnungsschaltung, in der an Hand des durch den Druckdetektor erfassten Druck P1 die Flussrate Qc nach der Gleichung Qc = KP1 berechnet wird,
(v) eine Flussrateneinstellschaltung, die ein Flussrateneinstellsignal Qs ausgibt und
(vi) eine Rechensteuerschaltung, die die Differenz zwischen der berechneten Flussrate Qc und dem Flussrateneinstellsignal Qs als Steuersignal Qy an die Ansteuerung für das Steuerventil ausgibt, um das Steuersignal Qy auf Null zu bringen und die somit die Flussrate auf der stromabwärts gelegenen Seite des Mündungselements steuert.

US 5,791, 369 beschreibt, wie dieser Druckflussregler die Flussrate eines Fluid steuert, wenn der Druck P1 doppelt oder noch höher gehalten wird als der Druck P2 auf der stromabwärts gelegenen Seite des Mündungselements.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung soll das fluidschaltbare Flussratensteuersystem zumindest einige der vorstehend genannten Probleme lösen, die mit dem Massenflussregler verbunden sind.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein fluidschaltbares Flussratensteuersystem (FCS) zur Verfügung gestellt, das die Flussrate eines Fluid steuert, wobei der Druck P₁ auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Mündungselements doppelt so hoch oder noch höher ist als der Druck P₂ stromabwärts. Das erwähnte Flussratensteuersystem umfasst:
das Mündungselement, das mit einem anderen ausgetauscht werden kann, um entsprechend der Fluidert und des Flussratenbereichs einen geeigneten Mündungsdurchmesser bereitzustellen,
ein Steuerventil, das auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Mündungselements angebracht ist,
einen Druckdetektor, der zwischen dem Steuerventil und dem Mündungselement vorgesehen ist und
eine Flussratenberechnungsschaltung, in der mittels des durch den Druckdetektor erfassten Druck P₁ die Flussrate Qc nach der Gleichung Qc = KP₁ (K: Konstante) berechnet wird,
eine Flussrateneinstellschaltung, die ein Flussrateneinstellsignal Qe ausgibt,
eine Flussratenumwandlungsschaltung, die das berechnete Flussratensignal Qc in ein berechnetes Umschaltflussratensignal Qf umwandelt, um die volle Flussrate zu ändern, und
eine Rechensteuerschaltung, die die Differenz zwischen dem berechneten Umschaltflussratensignal Qf und dem Flussrateneinstellsignai Qe als Steuersignal Qy an die Ansteuerung für das Steuerventil ausgibt, wobei das Steuerventil geöffnet oder geschlossen wird, um das Steuersignal Qy auf Null zu bringen, und auf diese Weise die Flussrate auf der stromabwärts gelegenen Seite des Mündungselements steuert.
Die Flussratenumwandlungsschaltung kann so konfiguriert werden, dass sich das berechnete Umschaltflussratensignal Qf (Qf = kQc) aus der Multiplikation der berechneten Flussrate Qc mit der Umwandlungsrate k ergibt.
Die Flussratenumwandlungsschaltung kann die Verstärkungsrate des Ausgangsverstärkers des Druckdetektors regulieren.
Die Flussratenumwandlungsschaltung kann aus einem DIP-Schalter oder einem Dual-in-line-Schalter gebildet sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein fluidschaltbares Flussratensteuersystem FCS, das die vorliegende Erfindung verkörpert, bei der mehrere Fluide durch ein fluidschaltbares Flussratensteuersystem FCS zugeführt werden.
2 ist ein Blockdiagramm des fluidschaltbaren Flussratensteuersystems aus 1,
3 ist ein Blockdiagramm des fluidschaltbaren Flussratensteuersystems einer anderen Vorrichtung, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist,
4 zeigt das Verhältnis zwischen Flussraten und Flussrateneinstellsignalen unter verschiedenen Arbeitsdrucken bis zur vollen Skala.
5 ist ein Blockdiagramm des fluidschaltbaren Flussratensteuersystems einer weiteren Vorrichtung, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist,
6 ist eine Schnittansicht des Kernteils eines Installationsbeispiels des Mündungselements.
7 ist der Entwurf eines Gasversorgungsystems zu einem hochreinen Feuchtigkeitsgenerator in der Halbleiterherstellung nach dem Stand der Technik.

2, 2a, 2b, 2c: Steuerventil
2d: Membrandruckelement
2e: Membran
2f: Ventilsitz
3: Fluiddurchgang stromaufwärts
4, 4a, 4b, 4c: Antrieb, Antriebseinheit
5: Fluiddurchgang stromabwärts
6: Druckdetektor
8: Mündungselement
8a: Mündungsbohrung
8b: Mündungshalter
8c, 8d: Flansch
10: mündungsangepasstes Ventil
12: Verbindung zur Entnahme des Gases
14: Flussratenberechnungsschaltung
16: Flussrateneinstellschaltung
18: Flussratenumwandlungsschaltung
20: Rechensteuerschaltung
22, 24: Verstärker
23: Temperaturdetektor
26, 28: A/D-Wandler
30: Temperaturkompensationsschaltung
32: Rechenschaltung
34: Vergleichsschaltung
36: Verstärkerschaltung
FCS: fluidschaltbares Flussratensteuersystem
Qc: berechnetes Flussratensignal
Qf: berechnetes Umschaltflussratensignal
Qe: Flussrateneinstellsignal
Qs: Flussratenbestimmungssignal
K: Flussratenumwandlungsrate

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Es ist bekannt, dass die Flussgeschwindigkeit eines Gases durch eine Düse Schallgeschwindigkeit erreicht, wenn das Verhältnis P₂/P₁ des Gasdrucks stromabwärts der Düse zu dem Gasdruck stromaufwärts (wo P₁: Druck auf der stromaufwärts gelegenen Seite, P₂: Druck auf der stromabwärts gelegenen Seite) unter den kritischen Gasdruck (im Fall von Luft, Stickstoff, etc.) auf ca. 0.5 fällt. In einer derartigen Situation wird sich eine Druckänderung auf der stromabwärts gelegenen Seite der Düse nicht länger auf die stromaufwärts gelegene Seite ausbreiten, so dass möglich wird, eine stabile Flussrate zu erhalten, die dem Zustand auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Düse entspricht.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung offenbarten in der offengelegten, ungeprüften japanischen Patentanmeldung 08-338546, dass wenn ein Mündungselement anstatt einer Düse verwendet wird, bei einem festgelegten kleinen Mündungsdurchmesser, die durch das Mündungselement fließende Flussrate des Gases lediglich zu dem Druck P1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündungselements proportional ist, durch eine hochpräzise Linearität erreicht wird.
Anders gesagt, in dem Fall, das Gas Luft, Stickstoff oder ähnliches ist, wird die Flussrate Qc des durch die Mündung fließenden Gases anhand der Formel Qc=KP₁ (K: konstant) berechnet, wobei der Druck P₁ stromaufwärts doppelt so hoch oder höher ist als der Druck P₂ stromabwärts. Die Konstante K hängt einzig vom Durchmesser der Mündung ab. Das bringt den Vorteil, dass die bei der Installierung einer neuen Mündung notwendige Verfahrensänderung nur darin liegt, die Konstante K zu ändern.
Es ist auch festzustellen, dass die Verwendung einer Mündung die Umschaltung der vollen Flussrate in der vorliegenden Erfindung erleichtert. Das Flussrateneinstellsignal Qe ist also mit dem Spannungswert gegeben, und wenn z. B. ein Druckbereich von 0 bis 3 kgf/cm²abs in einem Spannungsbereich von 0 bis 5 Volt ausgedrückt wird, entspricht der volle Wert von 5 Volt 3 kgf/cm²abs. Hier sei an genommen, dass die Flussratenumrechnungsrate k in der Flussratenumwandlungsschaltung auf 1 eingestellt wird. Werden in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 5 Volt als Flussrateneinstellsignal Qe eingegeben, dann beträgt demnach das berechnete Umschaltflussratensignal Qf (Qf = kQc) 5 Volt, und das Steuerventil wird so reguliert, dass der Druck P₁ auf der stromaufwärts gelegenen Seite auf 3 kgf/cm²abs gebracht wird.
Werden in einer in 3 gezeigten anderen Vorrichtung 5 Volt als Flussrateneinstellsignal Qe eingegeben, so wird das Flussratenbestimmungssignal Qs auch 5 Volt sein, weil Qs = kQe, und das Steuerventil wird so reguliert, dass der Druck P₁ auf der stromaufwärts gelegenen Seite 3 kgf/cm²abs beträgt.
Im Anschluss wird ein Bespiel beschrieben, in dem der Druckbereich auf 0 bis 2 kgf/cm²abs umgeschalten wird. Dieser Druckbereich wird in einem Flussrateneinstellsignal Qe von 0 Volt bis 5 Volt ausgedrückt. Das heißt, der volle Wert oder Skalenendwert von 5 Volt ergibt 2 kgf/cm²abs. In diesem Fall wird die Flussratenumrechnungsrate k auf 2/3 eingestellt. Wenn z. B. in den bevorzugten Ausführungsbespielen ein Flussrateneinstellsignal Qe auf 5 Volt eingestellt ist, beträgt das berechnete Umschaltflussratensignal Qf 5 × 2/3 Volt, weil Qf = kQc. Ähnlich ist in der in 3 gezeigten Vorrichtung das Flussratenbestimmungssignal Qs 2/3 Volt, weil Qs = kQe, und das Steuerventil wird so betätigt, dass der Druck P₁ stromaufwärts 3 × 2/3 = 2 kgf/cm²abs beträgt. Anders gesagt, wird die Umschaltung der vollen Flussrate so ausgeführt, dass Qe = 5 Volt die Flussrate von P₁ = 2 kgf/cm²abs ausdrückt.
Ein weiterer Vorteil der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine einzelne Mündung die Flussraten von mehreren Gasarten steuern kann. Mit der Mündung desselben Mündungsdurchmessers wird die Flussrate Qc durch die Formel Qc = KP, gegeben, wobei die Konstante K festgelegt ist.
Es ist also bekannt, dass der Mündungsdurchmesser und die Konstante K proportional zueinander sind, wohingegen die Konstante K sich in Abhängigkeit der Gas art ändert. Dabei werden die Konstanten für die Gase H₂, O₂ und N₂ in KH, KO bzw. KN angegeben. Die Konstante K wird normalerweise in einem Flussfaktor FF ausgedrückt, in dem Stickstoffgas als Standard dient. Wenn die Flussfaktoren FFs für die Gase H₂, O₂ und N₂ durch FFH, FFO und FFN dargestellt werden, dann ist FFH = KH/KN und FFO = KO/KN. Natürlich ist FFN = KN/KN = 1.
1 zeigt ein fluidschaltbares Flussratensteuersystem FCS, das die vorliegende Erfindung verkörpert. Eine Einheit des fluidschaltbaren Flussratensteuersystems FCS kann den Fluss von drei verschiedenen Gasen – H₂, O₂ und N₂ – steuern. Die durch die Flussratenumwandlungsschaltung 18 im fluidschaltbaren Flussratensteuersystem FCS gegebene Flussratenumrechnungsrate k wird für jedes Fluid auf Grundlage einer eindeutigen, den Flussfaktor FF enthaltenden, Beziehung bestimmt. Diese Beziehung wird später noch genau erläutert werden. In diesem Fall werden die Umrechnungsraten für die Gase H₂, O₂ und N₂ durch kH, kO und kN (=1) dargestellt.
Zuerst wird das Ventil V₃ geöffnet, während die Ventile V₁ und V₂ geschlossen bleiben, um den Reaktor RR mit dem Gas N₂ zu spülen. Da die Flussratenumrechnungsrate k für Stickstoff oder kN 1 ist, wird das berechnete Umschaltflussratensignal Qf fast gleich Qe sein, weil Qf = kQc (im Fall der in 3 gezeigten Vorrichtung wird das Flussratenbestimmungssignal Qs gleich Qe sein, weil Qs = kQe). Das Steuerventil wird geöffnet oder geschlossen bis diese Flussrate erreicht ist.
Anschließend wird das Ventil V₁ geöffnet, wobei die Ventile V₂ und V₃ geschlossen bleiben, so dass das Gas H₂ dem Reaktor RR zugeführt wird. Da die Flussratenumrechnungsrate k für das Gas H₂ kH ist, wird das berechnete Umschaltflussratensignal Qf etwa gleich kH × Qe sein, weil Qf = kQc (im Fall der in 3 gezeigten Vorrichtung wird das Flussratenbestimmungssignal Qs gleich kH × Qe sein, weil Qs = kQc) – kH mal so hoch wie das Flussrateneinstellsignal Qe für das Gas N₂. Demnach ist das Steuerventil so eingestellt, das der Druck P₁ stromaufwärts kH-Male höher ist als für das Gas N₂. Der gleiche Prozess folgt, wenn das Ventil V₂ geöffnet wird, um das Gas O₂ zuzuführen und das berechnete Umschaltflussra tensignal Qf auf einen Wert eingestellt wird, der nahe kO × Qe liegt (in der in 3 gezeigten Vorrichtung wird das Flussratenbestimmungssignal Qs auf kO × Qe gestellt), um das Steuerventil zu regulieren.
Die in 1 gezeigte Ausführung der vorliegenden Erfindung wird noch nicht in praktischen Halbleiterfertigungsanlagen angewandt. Jedoch wird die Methode in der Praxis angewendet, wonach eine Gasart mit sehr verschiedenen Flussraten durch die Ventile V1, V2 und V3 und eine Einheit eines fluidschaltbaren Flussratensteuersystems (FCS) zugeführt wird.
Beispiele
2 ist ein Blockdiagramm des fluidschaltbaren Flussratensteuersystems (FCS) der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung, während 3 ein Blockdiagramm einer anderen fluidschaltbaren Flussratensteuervorrichtung ist.
Das fluidschaltbare Flussratensteuersystem (FCS) enthält ein Steuerventil 2, einen Steuerventilantrieb 4, einen Druckdetektor 6, ein Mündungselement 8, ein mündungsangepasstes Ventil 10, eine Verbindung zur Entnahme des Gases 12, eine Flussratenberechnungsschaltung 14, eine Flussrateneinstellschaltung 16 und eine Rechensteuerschaltung 20.
Die Flussratenberechnungsschaltung 14 beinhaltet einen Temperaturdetektor 23, Verstärker 22, 24, A/D-Wandler 26, 28, eine Temperaturkompensationsschaltung 30 und eine Rechenschaltung 32. Die Rechensteuerschaltung 20 wird von einer Vergleichsschaltung 34 und einer Verstärkerschaltung 36 gebildet.
Die Flussratenumwandlungsschaltung 18 ist vorgesehen an der Ausgangsseite des Verstärkers 22 des Druckdetektors 6 in der Flussratenberechnungsschaltung 14 der bevorzugten Ausführung (2) und an der Ausgangsseite der Flussrateneinstellschaltung 16 in der anderen Vorrichtung (3).
Das Steuerventil 2 beinhaltet ein so genanntes Direktkontakt-Metallmembranventil, das später beschrieben wird. Sein Steuerventilantrieb 4 ist eine piezoelektrische Antriebseinheit. Alternativen zu diesen Antrieb des Steuerventils 2 schließen die magnetostriktive Antriebseinheit oder Solenoidantriebseinheit, eine Motorantriebseinheit, eine pneumatische und eine nach dem Prinzip der Wärmeausdehnung funktionierende Antriebseinheit ein.
Der Druckdetektor 6 ist Halbleiter-restriktiv. Alternativen zum Druckdetektor 6 sind ein restriktiver Metallfolie-Drucksensor, ein kapazitiver Sensor und ein magnetoresistiver Drucksensor.
Der Temperaturdetektor 23 ist ein Thermoelement-Sensor. Es ist möglich, an seiner Stelle eine Vielfalt an bekannten Temperatursensoren zu verwenden, z. B. das Widerstand-Kugelthermometer.
Das verwendete Mündungselement 8 ist eine Blechdichtung mit einer Durchgangsöffnung, die durch Schneiden ausgebildet wird. Alternativen dazu sind ein ultradünnes Rohr und ein Metallfilm mit einer Durchgangsöffnung, die durch Ätzen oder elektroerosive Bearbeitung ausgebildet wird.
Es wird nun mit Bezug auf 2 der Betrieb des fluidschaltbaren Flussratensteuersystems FCS beschrieben, das die vorliegende Erfindung verkörpert.
Wie in 2 gezeigt, wird der stromaufwärts gelegene Druck P₁ des Gases auf der Ausgangsseite des Steuerventils 2, das heißt, auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung 8 vom Druckdetektor 6 ermittelt und an den Verstärker 22, an die Flussratenumwandlungsschaltung 18 und den A/D Umwandler 26 ausgegeben. Danach werden die erhaltenen digitalisierten Signale an die Rechenschaltung 32 ausgegeben.
Ähnlich wird die Gastemperatur T₁ auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung von dem Temperaturdetektor 23 ermittelt, und die digitalisierten Signale werden durch den Verstärker 24 und den A/D-Wandler 28 an die Temperaturkompensationsschaltung 30 ausgegeben.
Angenommen, die Flussratenumrechnungsrate k der Flussratenumwandlungsschaltung 18 beträgt 1, das heißt, die volle Flussrate wird nicht umgeschaltet, dann wird die Flussrate Q basierend auf dem Druck P₁ stromaufwärts mit der Gleichung Q = KP₁ berechnet. Gleichzeitig wird die Flussrate Q durch die Kompensationssignale von der Temperaturkompensationsschaltung 30 temperaturkompensiert, und die berechnete Flussrate Qc wird an die Vergleichsschaltung 34 ausgegeben.
Falls die Flussratenumrechnungsrate k in der Flussratenumwandlungsschaltung 18 auf die Konstante k eingestellt ist, wird das berechnete Umschaltflussratensignal Qf, das von der Flussratenberechnungsschaltung 14 auf die Rechensteuerschaltung 20 ausgegeben wird, k-mal höher sein als die berechnete Flussrate Qc, und die Ausgangssignale von Qf = kQc werden in die Rechensteuerschaltung 20 eingegeben.
Es ist festzustellen, dass die Konstante k eine Flussratenumwandlungsrate kennzeichnet und für die Änderung der vollen Flussrate verwendet wird. Die Flussratenumwandlungsschaltung 18 kann die Flussratenumrechnungsrate k kontinuierlich oder stufenweise ändern. Zur stufenweisen Änderung kann beispielsweise ein DIP-Schalter verwendet werden.
In der in 3 gezeigten Vorrichtung ist indessen die Flussratenumwandlungsschaltung 18 an der Ausgangsseite der Flussrateneinstellschaltung 16 vorgesehen. Das von der Flussrateneinstellschaltung 16 ausgegebene Flussrateneinstellsignal Qe wird durch die Flussratenumwandlungsschaltung 18 in das Flussratenbestimmungssignal Qs (Qs = kQe) umgewandelt. Das Flussratenbestimmungssignal Qs wird in die Rechensteuerschaltung 20 eingegeben.
Es ist festzustellen, dass in dieser anderen Vorrichtung der ermittelte Flussratenwert, der von der Flussratenberechnungsschaltung 14 in die Rechensteuerschaltung 20 eingegeben wird, das berechnetes Flussratensignal Qc ist.
Jetzt werden der Betrieb der Flussratenumwandlungsschaltung 18 der bevorzugten Ausführung und die in 3 gezeigte Vorrichtung Bezug nehmend auf 4 beschrieben.
Angenommen, das Flussrateneinstellsignal Qe ist ein variabler Spannungswert zwischen 0 und 5 Volt, wobei 0 Volt 0 Prozent und 5 Volt 100 Prozent darstellen.
Das heißt, dass z. B. 80 % für 4 Volt stehen. Wenn das berechnete Umschaltflussratensignal Qf (oder das Flussratenbestimmungssignal Qs) 5 Volt beträgt, wird der Druck P₁ stromaufwärts auf 3 kgf/cm²abs gebracht werden, so dass die Flussrate 400 sccm beträgt.
Mit der Flussratenumrechnungsrate k = 1, die z. B. dem Bereich von 0 bis 100 Prozent des Flussrateneinstellsignals Qe entspricht, variiert das berechnetes Umschaltflussratensignal Qf (oder das Flussratenbestimmungssignal Qs) über einen Bereich von 0 bis 100 Prozent mit Qf = kQc (oder Qs = kQe) und gibt die Flussrate betreffend 0 bis 500 sccm an. Gemäß dieser Angabe wird der Druck P₁ stromaufwärts zwischen 0 und 3 kgf/cm²abs reguliert, wie die mit schwarzen Kreissymbolen markierte Linie A zeigt. Wenn anschließend bei einer Flussratenumrechnungsrate k = ½ das Flussrateneinstellsignal Qe im Bereich von 0 bis 100 Prozent eingegeben wird, dann variiert das berechnetes Umschaltflussratensignal Qf (oder das Flussratenbestimmungssignal Qs) zwischen 0 und 50 Prozent. Das heißt, die Flussrate wird, wie in der mit weißen Kreissymbolen markierten Linie B dargestellt, zwischen 0 und 250 sccm reguliert. In diesem Fall beträgt der veränderliche Bereich des Drucks P₁ stromaufwärts zwischen 0 und 1.5 kgf/cm²abs. Auf diese Weise wird die volle Flussrate von 500 sccm auf 250 sccm umgeschaltet.
In der Vergleichsschaltung 34 wird zwischen dem berechneten Umschaltflussratensignal Qf und dem Flussrateneinstellsignal Qe (oder dem Flussratenbestimmungssignal Qs und dem berechneten Flussrate Qc) verglichen. Die Differenz Qy = Qf – Qe (oder Qc – Qs) wird durch die Verstärkerschaltung 36 an den Antrieb 4 für das Steuerventil 2 ausgegeben.
In dem Fall, in dem das Umschaltflussratensignal Qf größer ist als das Flussrateneinstellsignal Qe (oder das berechnete Flussrate Qc ist größer als das Flussratenbestimmungssignal Qs), wird der Steuerventilantrieb 4 in eine Richtung gesteuert, in der das Steuerventil 2 geschlossen wird. Wenn das Gegenteil der Fall ist, wird der Steuerventilantrieb 4 so arbeiten, dass das Steuerventil 2 geöffnet wird. Auf diesem Weg wird der Öffnungsgrad des Steuerventils 2 automatisch so eingestellt, das er Qf = Qc (oder Qc = Qs) erreicht.
In den vorliegenden bevorzugten Systemen muss die folgende Bedingung stets erfüllt sein: P₂/P₁ ist kleiner als ungefähr 0,5, das heißt, P₁ > P₂, wobei P₁ der Druck auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Mündungselements 8 und P₂ der stromabwärts Druck auf der stromabwärts gelegenen Seite des Mündungselements 8 ist.
Deshalb kann es so geregelt werden, dass der Druck P₁ stromaufwärts und der Druck P₂ stromabwärts beide konstant überwacht werden und in einen Umkehrverstärker (nicht gezeigt) eingegeben werden. Wenn der Druck P₁ stromaufwärts und der Druck P₂ stromabwärts in ihrem Betrag umgekehrt werden, und wodurch ein Rückströmzustand verursacht wird, oder P₁/P₂ größer ist als 0,5 und dadurch eine präzise Regulierung der Flussrate unmöglich wird, wird das Steuerventil 2 automatisch geschlossen.
5 ist ein Blockdiagramm des fluidschaltbaren Flussratensteuersystems einer noch weiteren Vorrichtung. In 5 sind die Teile, die identisch mit denen in 2. sind, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Die folgende Beschreibung ist auf die anderen Teile beschränkt. Im Gegensatz zur Konfiguration in 2, verwendet diese Ausführung drei Steuerventile 2a, 2b und 2c jeweils für die Gase N₂, He bzw. CF₄. Antriebe 4a, 4b und 4c sind für diese Steuerventile vorgesehen.
Die Flussratenumwandlungsraten, die von der Flussratenumwandlungsschaltung 18 zu bestimmen sind, können in 3 Stufen für die Gase N₂, He und CF₄ umgestellt werden und beziehen sich auf die Flussfaktoren FF der jeweiligen Gase, wie vorher erwähnt. Zuerst werden die Flussfaktoren der verschiedenen Gase in der Tabelle 1 angegeben. Wie bereits beschrieben, sind diese Flussfaktoren Beträge, die anzeigen, um viel mal die Flussrate des Gases größer ist als die des Gases N₂, und zwar unter den Bedingungen, dass die so verwendete Mündung und der stromaufwärts Druck identisch sind. Tabelle 1

FF = Flussrate des Gases/Flussrate des Gases N₂ (N₂ – umgewandelte Flussrate)

In Tabelle 2 wird detailliert beschrieben, wie die Flussrate verschiedener Gase unter Verwendung einer Mündung gesteuert werden kann.
Tabelle 2
Mündungsgrößen des fluidschaltbaren Flussratensteuerstystems FCS, Arbeitsdruck und Flussraten des Gases N₂
Regelbereich: 0,5 bis 1,8 kgf/cm²abs.; sccm
Regelbereich: 200 torr (0,263 kgf/cm²abs.) bis 1,8 kgf/cm²abs.; sccm)
Mit Bezug auf Tabelle 2 wird jetzt ein Bespiel beschrieben, in dem der Mündungsdurchmesser 90 Mikrometer beträgt. Es wird gezeigt, dass, wenn der Arbeitsdruck, das heißt, der stromaufwärts vorliegende Druck P₁ gleich 1,8 kgf/cm²abs., die Flussrate des Gases N₂ 125,9 sccm beträgt. Anders gesagt beträgt die volle Flussrate des Gases N₂ 125,9 sccm, die 100 Prozent des Flussrateneinstellsignals Qe und, was den Spannungswert angeht, 5 Volt entspricht. Da die Flussratenumrechnungsrate k für das Gas N₂ 1 ist, beträgt das Flussratenbestimmungssignal Qs, wie anhand der Gleichung Qs = kQe berechnet, 125,9 sccm oder dem Skalenendwert von 100 Prozent.
Nun wird mit derselben Mündung und unter denselben Druckbedingungen das Gas He betrachtet. Im Falle von 300 sccm He-Gas ergibt 300 sccm dividiert durch FF für He – 2,804 – einen Wert von 107,0 sccm, was die Flussrate bezüglich des Gases N₂ ist.
Da die Vollbereiche für das Gas N₂ im vorliegenden Beispiel auf 38,8, 125,9, 449,4, 1592,6, 5599,0 und 10204,3 sccm eingestellt werden, wird für 125,9 sccm ein Mündungsdurchmesser von 90 Mikrometer gewählt. Das heißt, dass die Fluss ratenumrechnungsrate k für das Gas He auf 107,0/125,9 = 0,850 gestellt werden muss.
Selbstverständlich kann die Flussratenumrechnungsrate in der vorliegenden Erfindung in anderer Weise bestimmt werden.
Wird wie in 5 die Flussrate des Gases N₂ innerhalb eines Bereichs von 0 und 125,9 sccm reguliert, dann wird die Flussratenumrechnungsrate k in der Flussratenumwandlungsschaltung 18 auf k = 1 geschaltet, wobei das Steuerventil 2a über den Steuerventilantrieb 4a reguliert wird. In diesem Fall bleiben die Steuerventile 2b und 2c normalerweise geschlossen.
Die anderen Details des Betriebs des wie in 5 gezeigten fluidschaltbaren Flussratensteuersystems FCS sind dieselben wie die in 3 und werden nicht noch einmal beschrieben.
6 ist eine Schnittansicht des Kernteils eines Installierungsbeispiels der Mündung 8. In 2 kennzeichnet das Bezugszeichen 2 ein Steuerventil, das die Flussrate des Fluids reguliert, wobei das Membrandruckelement 2d die Membran 2e in Bezug zum Ventilsitz 2f frei hält, um das Öffnen – zwischen der Membran 2e und dem Ventilsitz 2f – bis zu einem gewünschten Grad zu regulieren. Im Flansch 8c ist ein stromaufwärts gelegener Fluiddurchgang 3 ausgebildet, und im Flansch 8d ist ein stromabwärts gelegener Fluiddurchgang 5 geformt. Das Mündungselement 8 ist mit einem Mündungshalter 8b abnehmbar in zwei Flanschen 8c und 8d montiert. Das Mündungselement 8 hat eine Mündungsbohrung 8a. Wenn die 2 Flansche 8c und 8d demontiert werden, kann das Mündungselement abgenommen und ohne Schwierigkeiten durch ein anderes ersetzt werden. Im Übrigen ist diese einfache Austauschbarkeit eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung.
Das Membrandruckelement 2d wird durch den piezoelektrischen Steuerventilantrieb 4 frei nach oben und unten bewegt. Wenn das piezoelektrische Element dazu aktiviert wird, die Membrandruckelement 2d nach oben zu bewegen, wird die Membran 2e durch eine elastische Kraft in die Ausgangsposition zurück bewegt.
Dadurch bewegt sich die Membran 2e vom Ventilsitz 2f weg, um das Ventil zu öffnen. Darüber hinaus ist es möglich, den Druck P₁ auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Fluiddurchgangs 3 stromaufwärts durch Feinabstimmung der Öffnung frei einzustellen.
Zusätzlich zu der in 6 gezeigten Anordnung sind andere verschiedenartige Konstruktionen möglich, die das Austauschen des Mündungselements erleichtern.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese soeben beschriebenen Beispiele begrenzt, sondern schließt Entwurfsvariationen und Änderungen ein.
Wie oben dargelegt ist es möglich, die Flussrate Qc nur durch die Einstellung des stromaufwärts vorliegenden Druck P₁ zu regulieren, wenn der Druck P₁ auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung auf einem Niveau gehalten wird, das doppelt so hoch oder höher ist als der Druck auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung. Die Flussrate Qc wird anhand der Formel Qc = KP₁ berechnet und automatisch auf das gewünschte Niveau gebracht.
Gleichzeitig kann die volle Flussrate einzig durch die Eingabe des Flussrateneinstellsignals in der Flussratenumwandlungschaltung auf ein gewünschtes Niveau geschaltet werden. Die Flussrate kann leicht angezeigt und gelesen werden.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass es möglich ist, eine Vielzahl an Fluiden handzuhaben, indem lediglich ein Mündungselement mit einem anderen auszutauschen ist, das einen anderen Mündungsdurchmesser hat. Ferner ist die Flussrate jedes Fluid durch einfaches Umschalten der Flussratenumwandlungsrate in der Flussratenumwandlungsschaltung frei steuerbar.
Das heißt, dass weniger Teile eine große Anzahl verschiedener Fluide bewältigen können, was zur Kosteneinsparung und verbesserter Gaszufuhr-Technologie beiträgt. Daher wird ein fluidschaltbares Flussratensteuersystem bereitgestellt, das für die Industrie sehr nützlich ist.

Claims

Fluidschaltbares Flussratensteuersystem (FCS), das die Flussrate eines Fluids steuert, wobei der Druck P₁ auf der stromaufwärts gelegenen Seite eines Mündungselements (8) etwa doppelt so hoch oder noch höher ist als der Druck P₂ stromabwärts, wobei das fluidschaltbare Flussratensteuersystem umfasst: das Mündungselement (8), das durch ein anderes ersetzbar ist, um einen geeigneten Mündungsdurchmesser je nach Art des Fluids und dem Flussratenbereich bereitzustellen; ein Steuerventil (2), das auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Mündungselements (8) vorgesehen ist; einen Druckdetektor (6), der zwischen dem Steuerventil und dem Mündungselement (8) vorgesehen ist; und eine Flussratenberechnungsschaltung (14), in der an Hand des durch den Druckdetektor erfassten Druck P₁ die Flussrate Qc nach der Gleichung Qc = KP₁ (K: Konstante) berechnet wird; eine Flussrateneinstellschaltung, die ein Flussrateneinstellsignal Qe ausgibt, eine Flussratenumwandlungsschaltung (18), die das berechnete Flussratensignal Qc in ein berechnetes Umschaltflussratensignal Qf umwandelt, um die volle Flussrate zu ändern, und eine Rechensteuerschaltung (20), die die Differenz zwischen dem berechneten Umschaltflussratensignal Qf und dem Flussrateneinstellsignal Qe als Steuersignal Qy an die Ansteuerung für das Steuerventil (2) ausgibt, wodurch Steuerventils (2) geöffnet oder geschlossen wird, um das Steuersignal Qy auf Null zubringen und somit die Flussrate auf der stromabwärts gelegenen Seite des Mündungselements (8) zu steuern.
Fluidschaltbares Flussratensteuersystem nach Anspruch 1, das so ausgebildet ist, dass es die Steuerung der Flussrate von mehreren Arten von Gasen durch dasselbe Mündungselement (8) erlaubt.
Fluidschaltbares Flussratensteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Flussratenumwandlungsschaltung (18) so ausgebildet ist, dass sich das berechnete Umschaltflussratensignal Qf (Qf = kQc) aus der Multiplikation der berechneten Flussrate Qc mit der Umwandlungsrate k ergibt.
Fluidschaltbares Flussratensteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Flussratenumwandlungsschaltung (18) vorgesehen ist, die Verstärkungsrate eines Ausgangsverstärkers (22) des Druckdetektors (6) zu regulieren.
Fluidschaltbares Flussratensteuersystem nach Anspruch 1 oder 3, bei dem die Flussratenumwandlungsschaltung (18) aus einem Dual-in-line-Gehäuse-Schalter (DIP) gebildet ist.