JP2003504748A

JP2003504748A - デジタル質量流量コントローラの動作のためのシステムおよび方法

Info

Publication number: JP2003504748A
Application number: JP2001510059A
Authority: JP
Inventors: ケネスイー．ティンスリー，; フェイサルタリク，
Original assignee: ミリポール・コーポレイシヨン
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2003-02-04
Also published as: KR100718209B1; DE60005849T2; US20020117202A1; ATE251773T1; CN1249545C; US6681787B2; DE60005849D1; EP1212665A1; WO2001004715A1; US20020139418A1; AU5498700A; DE60036649T2; EP1212665B1; EP1359487A3; EP1359487A2; US6343617B1; KR20020039317A; CN1371492A; EP1359487B1; ATE374964T1

Abstract

(57)【要約】本発明の質量流量コントローラはセンサ（１２）を備える。このセンサは、ガスライン内の質量流量を検出するために用いられる。さらに、このセンサは、このセンサに結合された電子制御システム（１６）に出力（１５）を提供する。電子制御システムは、センサの出力に基づいて、予測される質量流量を判定する。電子制御システムは、制御弁を通過する第１のガス流量を調節するための制御信号により、制御弁（２２）を調整する。本発明の質量流量コントローラは、埋込み診断システムをさらに備え、前記質量流量コントローラ内の故障状態または潜在故障状態を特定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の技術背景）本発明は概して、高度デジタル制御アルゴリズムを用いた閉ループ制御システ
ムを備えた質量流量コントローラ（ＭＦＣ）を動作するシステムおよび方法に関
する。より詳細には、本発明は、質量流量コントローラを動作させるための閉ル
ープ制御システムであって、全ての数学的オペレータがデジタルプロセッサ内に
おいて実現されるシステムを提供する。

【０００２】（発明の背景）多くの製造プロセスは、処理気体を処理チャンバに導入する速度を厳密に制御
することを必要とする。これらの種類のプロセスでは、質量流量コントローラ（
ＭＦＣ）を用いて、気体の流量速度を制御している。現状の技術による質量流量
コントローラには、多くの問題がある。

【０００３】ＭＦＣを所有すると、ＭＦＣが設置されているツールに予定外のメンテナンス
が必要となるため、コストが高くつく。特定の種類の故障の前兆となるものは無
い場合が多い。故障の際の一般的な対処としては、ＭＦＣを取り替えることがあ
る。なぜならば、ＭＦＣは動的なデバイスであり、本質的に信頼性を持たないも
のであると考えられているからである。そのため、かなりの数のＭＦＣが工場に
返却され、指定通りに動作することが判明して、故障分析を行っても何の問題も
発見されないことになる。

【０００４】ＭＦＣには内部診断機能が無く、また、遠隔サービスおよび遠隔診断を提供す
る能力も無いため、ＭＦＣをいったん取り付けた後は、熟練の現場サービスエン
ジニアまたはアプリケーションエンジニアを顧客の現場に派遣して、現場での技
術的サポートおよび故障分析を行わせなければならなくなる。ＭＦＣの別の欠点
としては、個々のデバイスの性能（特に、精度および応答時間または過渡性能）
が、時間がかかり、労力を要する手動による（ポテンシオメータまたは可変抵抗
器を用いた）較正および調整プロセスに依存する点がある。

【０００５】今日、製造プロセスは手動による処理に大きく依存しているため、技術者は、
様々なデバイス（例えば、オシロスコープ、様々な２次流量測定デバイスおよび
そのようなもの）と、これらの他のデバイスの視覚的検査とを用いて特定の信号
を判定し、ポテンシオメータを満足な値まで調整しなければならない。

【０００６】そのため、一連のデバイスが、デバイスを調整する人間に依存することとなる
。これらのデバイスは概して均質ではなく、ユニット同士の再現性も無いため、
複雑な処理技術および特徴付けの問題が生じ、これにより、各デバイスは当該デ
バイスに関連付けられた固有の挙動を有する。ＭＦＣの挙動は、手動による調整
プロセスと、処理を行う技術者との直接的な関数である。さらに、従来の質量流
量コントローラの過渡応答（ｔｒａｎｓｉｔｒｅｓｐｏｎｓｅ）は均等ではな
い。例えば、０％または１０％のセットポイントから得られる性能は、０％〜１
００％の間で変化する。応答がこのように変化すると、これらのデバイスに依存
するプロセス制御エンジニアにとって問題となる。個々のデバイスの応答が固有
のものとなると、エンジニアは、ＭＦＣデバイスの挙動を固有に特徴付けて、特
定の状況に応じて、その変動性および応答時間を考慮に入れなければならなくな
る。この特徴付けプロセスはコストが高くつき、また時間もかかる。

【０００７】現状のＭＦＣは、入口圧力に敏感に反応する。質量流量コントローラは特定の
入口圧力仕様を必要とし、差圧は通常およそ４５ＰＳＩＤに指定されるため、既
存のＭＦＣデバイスの性能は典型的には、１つの特定の圧力について最適化され
る。入口圧力が特定の圧力範囲にわたって変化すると、トレードオフが生じ、そ
のため、デバイスの応答時間および特徴の変動がさらに大きくなる。

【０００８】入口圧力に対して敏感な点に対する１つの解決策では、ユーザは、往々にして
高価な圧力調整器を取り付けることを必要とする。

【０００９】気体をＭＦＣに供給する気体ラインでは、圧力変動に対して敏感ではない質量
流量コントローラを設けて、高価な圧力調整ハードウェアを無くすことができる
ようにすると有利である。さらに、各デバイスは、圧力調整器の近隣に圧力変換
器を有する。この圧力変換器の唯一の目的は、圧力調整器が機能していることを
示すことである。

【００１０】さらに、新たな規格、オープン通信規格および計測に適合する必要性もある。
ＥＩＡＲＳ４８５は、分岐に関するオープン規格であるが、これは、物理層につ
いてしか述べていない。そのため、ソフトウェアプロトコルスタックの主なプロ
プライエタリインプリメンテーションは、サプライヤーによってそれぞれ異なる
。従って、オープンなプロトコルをインプリメントし、しかも流量制御パラメー
タを犠牲にしない高性能の通信サービス能力を有する質量流量コントローラを設
けることが望ましい。

【００１１】未知またはほとんど理解されていないプロセスを理解するための１つの強力な
解決法として、回帰分析を通じて当該プロセスを知る方法がある。回帰分析は、
多変数の技術プロセスを最適化するように綿密に設計された実験を用いた、構造
化アプローチである。この技術を用いると、一連の実験を通じて、１つのプロセ
スを理解し、その可能性を利用することが可能となる。回帰モデルのための通常
の概算方法は、最小２乗推定法（ＯＬＳ）である。

【００１２】回帰分析は、予測値と実際の値とを比較して、剰余（ｒｅｓｉｄｕａｌ）を用
いる際に回帰概算の性能を評価するための診断プロシージャを生成することも可
能にする。

【００１３】その総合的なタスクは、可能な最高の流量制御性能を提供し、なおかつ、他の
点（例えば、通信、複数の気体較正および所有にかかるコスト）を犠牲にしない
ことである。

【００１４】（発明の要旨）本発明は、今まで開発されてきた、質量流量コントローラを動作させるための
システムおよび方法に関連する欠点および問題を実質的に無くすかまたは低減す
る、質量流量コントローラを動作させるためのシステムおよび方法を提供する。

【００１５】本発明の選択されたアーキテクチャは、通信ネットワークサービスを提供する
ための能力のために流量制御を犠牲にしない。

【００１６】本発明は、選択されたアーキテクチャまたはシステム内に埋め込み診断を提供
する。詳細には、本発明のデジタルエンジンは、システム変数を別々に監視する
。これらの変数を挙げると、流量セットポイント、ソレノイド電流、周囲温度、
流量センサの抵抗、外部の圧力変換器による測定が可能な入口圧力がある（ただ
し、これらに限定されない）。これらの変数のいくつかは、ＭＦＣ圧力の感度の
監視および低減を行う際の貴重な情報源となる。このデジタルエンジンはまた、
電源電圧も監視する。

【００１７】内部デジタル質量流量コントローラ埋め込みシステムアーキテクチャは特に、
従来技術のシステムと比較してＭＦＣの性能を向上させ、さらに、いくつかの価
値のある機能を追加する。

【００１８】本発明の質量流量コントローラは、手動による変数調整を全く含まない。この
ため、ユニークな一連の定数を不揮発性メモリに格納することにより、全ての較
正および調整をデジタルに完了できるという利点が得られる。関連を有するメモ
リ位置へのアクセスが、専用のＲＳ４８５インターフェースを通じて提供される
。この較正システムホストは、適切なソフトウェアを動作させ、特定の流量測定
計器とインターフェースをとり、本発明の質量流量コントローラを自動的に較正
および調整して、静的かつ過渡的な流量条件において均一で再現可能な性能を行
えるようにする。これらの均一な過渡的応答は、本発明のさらなる利点を提供す
る。これらの均一な過渡的応答は、選択されたアーキテクチャにおいて適用され
る選択されたデジタル信号プロセッサによって提供される演算能力を用いて達成
される。このアーキテクチャにより、ソフトウェアを介して、１００％の制御ア
ルゴリズムを実行することが可能となる。このソフトウェアアルゴリズムは、ユ
ニークな事例依存型パラメータまたは状況型パラメータを呼び出すメカニズムを
含み得る。これらの事例依存型ラメータまたは状況型パラメータは、均一で再現
可能な過渡的応答を達成するように選択または調整されることが可能である。

【００１９】本発明のさらに別の利点は、気体供給部内の上流に高価な圧力調整器を設ける
必要が無い点である。本発明のデジタルエンジンは、利用可能なＡ／Ｄ入力を介
して、入口圧力を別々に監視する能力を有する。入力圧力を監視して、本発明の
出力の質量流量特性の感度を低減することが望ましい。

【００２０】本発明のさらなる利点は、自律型の専用デジタル通信ポートを複数含み得る点
である。このアーキテクチャにより、複数のデジタルネットワークに同時にサー
ビス提供することが可能となる。本発明の特定の実施形態は、１つのネットワー
クがＲＳ４８５タイプのネットワークであることを可能にする。選択されたＤＳ
Ｐは、埋め込みＵＡＲＴ周辺機器を含み、これは、ＲＳ４８５ネットワークへの
サービス提供を専門に行うためのものである。デュアル−ポートＳＲＡＭからの
読み出しおよびデュアル−ポートＳＲＡＭへの書き込みを介して、別の通信ネッ
トワークにサービス提供することも可能である。デュアル−ポートＳＲＡＭを通
信パーティションとして選択すると、自律型でかつ互換性のあるインターフェー
スをサポートすることが可能となる。本発明は、これらの２つの通信ポートに必
ずしも限定されるべきではない。当業者に公知の様々な通信プロトコルの複数の
通信ポートを本発明に組み込んで、自律型で互換性のあるインターフェースを達
成することが可能である。

【００２１】本発明のさらなる利点は、埋め込みシステムが、流量信号からの１．６８ミリ
秒の正確な離散的間隔でのサンプルデータの受信に基づいて、イベントを管理す
る点である。選択されたアーキテクチャの演算能力により、制御のアルゴリズム
は、自身のタスクをこの時間の３０％未満で完了する。

【００２２】（発明の詳細な説明）本発明およびその利点のより完璧な理解は、以下の記載を添付の図面と共に参
照することにより、達成され得る。図面中、類似の参照符号は、類似の構成要素
を示す。

【００２３】本発明の好適な実施形態を図中に示す。用いられている類似の参照符号は、様
々な図面の類似の構成部分および対応する構成部分を指す。

【００２４】本発明は、デジタル質量流量コントローラ制御システムのためのアーキテクチ
ャシステムを提供する。このデジタル質量流量コントローラ制御システムは、制
御システム内に埋め込み診断を含む。詳細には、本発明のデジタルエンジンは、
トラブルシューティングおよび予防保全のためのプログラムを向上させる目的の
ために、特定のシステム変数を別々に監視する。これらの変数を挙げると、流量
セットポイント、ソレノイド電流、周囲温度、流量センサのベース抵抗、外部の
圧力変換器による測定が可能な入口圧力がある（ただし、これらに限定されない
）。これらの変数は、ＭＦＣ圧力の感度の監視および低減を行う際の貴重は情報
源となる。このデジタルエンジンはまた、電源電圧も監視する。

【００２５】監視された変数は、本発明のＭＦＣにおけるより正確な流量測定値を判定する
ために用いられる。

【００２６】本発明は、デジタルエンジン、すなわち、ＡＤコンバータとインターフェース
をとるデジタル信号プロセッサを用いる。詳細には、本発明の一実施形態におい
て、１６チャンネルの１０ビットのＡＤ変換を有するアーキテクチャまたはデジ
タル信号プロセッサが選択されている。このアーキテクチャにおいて、埋め込み
ＡＤチャンネルを用いて、所望のデータを得る。本発明では、外部の知的ＡＤコ
ンバータを用いて、センサ出力をデジタル化する。なぜならば、センサ出力は、
１０ビットよりも大きな分解能を必要とするからである。これらの監視されたパ
ラメータに加えて、複数の流量制御イベント（例えば、定常状態誤差を含む）を
監視する。さらに、ユーザのツールによって提供されたセットポイントに関する
流量コントローラの精度を継続的に監視する。本発明はまた、弁漏れも測定する
。

【００２７】本発明は、デジタルエンジンによって実行されるユニークなアルゴリズムを含
む。特定のアルゴリズムが、流量制御用のセットポイントがゼロであるか否かと
、測定された流量がフルスケールの２％よりも大きいか否かとを判定する。この
フルスケールの２％という値は、弁漏れが発生していることを警告する業界規格
である。ＭＦＣの一般的な故障モードは、アクチュエータまたは弁の故障である
。この故障は、漏れまたは制御不可能状態となって現れる。そのため、定常状態
のエラー、弁漏れが測定され、セットポイントの立ち上がりまたは立ち下がりに
おいて応答に有意なオーバーシュートが有るか否かが測定される。例えば、２．
０のセットポイントがフルスケールでゼロから１００％までになり、かつ、その
セットポイントが所定値を越えるかもしくは応答が所定値をオーバーシュートし
たことが観察された場合、ユーザに警告が発される。これらの監視されたパラメ
ータ全てにアクセスを提供すると、ダウン時間と（通常であれば適切に機能する
）不要なＭＦＣデバイスの除去とが低減する。本発明のアーキテクチャは、特定
の領域に対する完全な分析プロセスを局所化するために提供される診断レベルの
ために適切に機能しないＭＦＣデバイスをサービスおよび修理するために必要な
時間を最小限にする。

【００２８】オープン通信ネットワーク（例えば、Ｄｅｖｉｃｅｎｅｔ（登録商標）および
そのようなもの）を流量制御プロセス管理システムにとって利用可能にして、デ
バイスを制御するのが望ましい。別の通信ポートをサービスの専用とする。従っ
て、ＲＳ４８５ポートまたは他の類似のポートは、サービス提供専用となる。こ
れにより、プロセス制御のためのオープン通信ポートを介して通信が確立される
。本発明におけるネットワーキングのためのＯＳＩモデルに適合する独自の通信
プロトコルを所有する専用のＲＳ４８５ネットワークがある。

【００２９】ネットワーキングのためのＯＳＩモデルは、オープンシステムである。このＯ
ＳＩモデルは、ＰＣをネットワーク化する際に一般に用いられる方法である。こ
のモデルは、ＰＣを相互接続させるためのオープンシステムをインプリメントす
る低レベルのブロードモデルである。

【００３０】工場の専用サービスポートにより、本発明において、遠隔診断を提供すること
が可能となる。このポートを用いて専用のラップトップノートブックまたはＰＣ
にリンクさせれば、ローカル監視を実行することが可能となる。このポートを介
したネットワークの監視は、ラップトップノートブックまたはＰＣをＲＳ４８５
インターフェースとインターフェースをとらせ、モデムをＰＣに備えるかまたは
一体化させることにより、実行可能である。従って、エンジニアにモデムによる
アクセスを与えれば、そのエンジニアは、局所のコンピュータにダイヤルして、
流量制御イベントに対してトランスペアレントな本発明に問い合わせを行うこと
ができる。さらに、このエンジニアが埋め込み診断を用いて、潜在的故障モード
に関する高レベルの詳細を提供することも可能である。

【００３１】これらの図は、本発明に記載の問題をサポートし、本発明のアーキテクチャが
従来技術に関連する問題を解決する一機能となる利点および機能を提供する理由
を示す。

【００３２】図１は、本発明の埋設されたシステムまたはアーキテクチャの一実施形態のブ
ロック図を提供する。ブロック１２は、流量センサを示す。ＡＤコンバータ１４
は、流量センサ１２を監視する。ＡＤコンバータ１４は、１６ビットのマイクロ
コントローラまたはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１６とインターフェース
をとる。

【００３３】本発明のある実施形態は、ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴＭＳ３２０
Ｆ２４０ＤＳＰをＤＳＰ１６として用いる。このＤＳＰは、ＤＳＰ内のソフト
ウェアコードが外部ネットワーク接続からアップグレードされることを可能にす
る埋込みフラッシュメモリを含む。

【００３４】ＤＳＰ１６は、閉ループ制御システムをインプリメントするように実行され得
る内部アルゴリズムまたはソフトウェアを格納する。ＤＳＰ１６は、弁駆動モジ
ュール１８に電子信号７２を提供する。弁駆動モジュール１８は、今度は、ソレ
ノイド２０に電流を提供する。ソレノイド２０は、弁２２を制御するためのアク
チュエータ機構として役立つ。

【００３５】ブロック２４は、Ａ−Ｄ変換器１４に電圧基準を提供する。Ａ−Ｄ変換器１４
は、流量コントローラまたはＤＳＰ１６に埋め込まれている。

【００３６】Ａ−Ｄ変換器は、２つの種類がある。(１)流量コントローラまたはＤＳＰ１６
に埋め込まれるもの、および(２)外部器械クラスのＡ−Ｄ変換器である。電圧基
準に隣接するのは、シリアルに電子的消去可能読み出し専用メモリ(ＥＥＰＲＯ
Ｍ)または不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）２６である。ＥＥＰＲＯＭ２６は、ユ
ニークな較正およびシリアル番号付きの気体特有のデータ、サービスデータおよ
びさまざまな診断コードを格納するために用いられる。診断は、本発明が提示す
るアーキテクチャの重要な機能の１つである。ＤＳＰ１６の右に、２色ＬＥＤ回
路２８および静的ラムすなわちＳＲＡＭ３０である。ＳＲＡＭ３０に加えて、外
部のデュアルポートラム３２（ＤＰＲＡＭ）がある。ＤＲＡＭ３２は、通信コプ
ロセッサ３４に接続されている。通信コプロセッサ３４は、トランシーバ３６に
よってセンサバスネットワークとインターフェイスをとる。このセンサバスネッ
トワークは、当業者に公知のＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、ＬｏｎＷｏｒｋｓ、Ｐｒｏｆ
ｉｂｕｓ、イーサネット（登録商標）等であり得る。

【００３７】さらなるネットワーキングインターフェイスは、流量コントローラまたはＤＳ
Ｐ１６内に埋込まれるＲＳ４８５トランシーバ３８を介して提供される。

【００３８】上記のブロックは、本発明のある実施形態の埋込みシステム内に配置される重
要な機能ブロックを表す。

【００３９】さまざまなネットワークが、本発明とインターフェイスをとり得る。上記の実
施形態は、２つのネットワーク接続を例示する。しかし、本発明は、２つの接続
に限られる必要はなく、さらなるネットワーク接続を含み得る。分岐ネットワー
ク４０は、ＲＳ４８５ポート３８とインターフェイスし得る。分岐ネットワーク
４０およびＤｅｖｉｃｅＮｅｔネットワーク４２は、潜在的なネットワーク接続
の例である。分岐ネットワーク４０は、ローカルＰＣ４４がホストとして機能す
ることを必要とする。ローカルＰＣホスト４４は、モデム接続４８を含み、本発
明が、遠隔ＰＣ５０に配置またはインターフェイスされる別のモデム４８を介し
てアクセスされることを可能とし得る。

【００４０】ＤｅｖｉｃｅＮｅｔネットワーク４２は、ピア・ツゥ・ピアまたはピア・ツゥ
・ホストのいずれかのタイプのネットワークであり得る。ネットワークが、Ｄｅ
ｖｉｃｅＮｅｔネットワーク４２に関してピア・ツゥ・ホストの関係を有する場
合、ＰＣホストもまた、ネットワークを監視し得る。このＰＣホストは、ＰＣ４
４であり得るが、ＰＣ４４によって監視される必要はない。従って、この潜在的
に別々のＰＣは、ＰＣ５２として示される。この特定ＰＣホスト５２もまた、モ
デム５４とインターフェイスをとり得る。モデム５４は、遠隔モデム４８および
関連する遠隔ＰＣ５０をリンクし得る遠距離通信接続を介して、リンクし得る。

【００４１】本発明のこの実施形態内には、いくつかの信号および関連する経路ラップが含
まれる。第１に、流量センサ１２は、約１１ミリアンペアを生成する電流源１３
によって電流を流される。当業者に公知のように、熱（ｔｈｅｒｍａｌ）または
熱（ｈｅａｔ）伝達法を用いることによって、質量流量速度が感知される。流量
センサ１２によって生成される信号１５は、Ａ−Ｄ変換器１４によって監視され
る。このＡ−Ｄ変換器は知的である。Ａ−Ｄ変換器１４は、流量信号を監視する
だけではなく、分解能およびサンプリング周波数に関してプログラム可能である
。

【００４２】ある実施形態のために選ばれるサンプリング周波数は、６１０Ｈｚである。６
１０Ｈｚは、１．６ミリ秒のサンプリング周期を提供する。Ａ−Ｄ変換器１４が
、サンプルデータのフルセットを有することをマイクロコントローラが知らされ
ることに割り込むデータレディー信号（ｄａｔａｒｅａｄｙｓｉｇｎａｌ）
を有することに留意することは、重要である。これは、いくつかの入力／出力の
機能をするマルチタスキング埋込みシステムのために重要である。データレディ
ー信号は、ソフトウェア全体に割り込み、不正確な流量サンプルを生成する時間
遅延の影響を最小化する。発行されるデータレディー信号は、主要機能ソフトウ
ェアブロックまたはソフトウェアエンジンのための主要トリガを提供する。次に
、データ信号は、Ａ−Ｄ変換器１４を介して、ＳＰＩ^TMインターフェイスとして
言及され得るシリアルインターフェイス５６に送信され得る。

【００４３】シリアルインターフェイス５６を介して、流量コントローラ１６は、Ａ−Ｄ変
換器１４を監視し、測定される流量信号１５のサンプル表現を得る。データレデ
ィー信号が、Ａ−Ｄ変換器１４が新しいサンプルを有すると示すたびに、これは
繰り返される。ある実施形態において、Ａ−Ｄ変換器１４は、これを正確に１．
６ミリ秒間隔で行う。しかし、この周期はプログラムされており、従って、フレ
キシブルであると留意されるべきである。この実施形態のために１．６ミリ秒が
選ばれた理由は、流量センサ１２が約１００から１２０Ｈｚの実効バンド幅を有
するからである。従って、６１０Ｈｚは、アナログからデジタルへの変換過程に
よる流量信号をおおよそ再構築するために、実効サンプリング周波数として選ば
れた。さらに、６１０Ｈｚは、データ信号または別のサービスイベントとのイン
ターフェイスに割り込まないような方法で、別の機能に役立つために充分な時間
を提供するために選ばれた。これは、主要信号をトリガとして用いることを可能
とし、別のイベントのサービス時間を残す。

【００４４】流量コントローラ１６の左側において、いくつかの外部信号またはアナログ信
号５８〜６８は、本発明の内部または外部源のいずれかから監視され、またはイ
ンターフェイスされる。アナログセットポイント５８は、その一例である。セッ
トポイント５８は、意図される流量速度に対するユーザによるホストからの要求
である。典型的には、このセットポイント５８は、本発明が半導体処理環境にお
いて用いられる場合、ユーザのウェーハ処理ツールによって提供される。さらに
、デジタルの５ボルト信号６０、＋１５ボルト電源６２、−１５ボルト電源６４
、ユーザの入口圧力６６および質量流量コントローラのケース内の内部周囲温度
６８は、ＤＳＰ１６によって監視される。

【００４５】内部周囲温度６８の信号は、電圧基準デバイス２４によって補助機能として提
供され得る。従って、電圧基準デバイス２４は、温度出力に加えて、Ａ−Ｄ変換
器１４に正確な２．５ボルト基準を提供し得る。電圧規準デバイス２４のある実
施形態は、埋込みバンドギャップ基準および温度に関連する構成要素またはボー
ド上の抵抗器、および摂氏温度に対する抵抗に関する伝達関数を有する。従って
、伝達関数と共同して、室温における測定は、内部ケース温度の実時間度数を提
供する。

【００４６】ライン７２上において、弁駆動回路部１８は、信号７２がソレノイドを駆動す
るように調整するが、さらに、感知のために実ソレノイド電流７０をフィードバ
ックする。感知されたソレノイド電流７２、セットポイント信号５５および測定
された流量１５は、問題のより速い診断を提供する関係を生成するために用いら
れ得る。

【００４７】汎用非同期式受信送信回路（ＵＡＲＴ）は、ＰＣＲＳ４８５ネットワーク等
の外部ホストへのインターフェイスを用いて半二重通信方式を生成するために用
いられる。このＵＲＡＴ回路は、いくつかのことを行う。回路は、製造中の全て
の較正および調整されるパラメータへアクセスする。ＵＡＲＴはさらに、ユーザ
が本発明のＭＦＣを制御する別の手段を提供する。

【００４８】図２は、イベント管理のタイミング図を例示する。流量コントローラ１６のＵ
ＡＲＴは、送信ライン７４および受信ライン７６によってＲＳ４８５に連結され
ている。ＴＸは、流量コントローラおよびＤＳＰ１６のホストシステムから送信
される信号を示し、ＲＸは、流量コントローラおよびＤＳＰ１６のホストシステ
ムから受信される信号を示す。

【００４９】９６００ボー半二重ポーリングプロトコルラインは、ＲＳ４８５ＸＣＶＲ３
８を分岐ネットワーク４０に連結する。９６００ボーは、サンプリング周波数と
同様の様態で選ばれた。これは、外部ホストとインターフェイスをとる。このス
ピードは、別のイベントとインターフェイスをとらない間にサービスを受けるそ
のような別のイベントに対して、安全マージンを許容する。流量コントローラ内
のいくつかのイベントは、診断を提供するために監視される。これらのイベント
のステータスの局所表示は、赤または緑のいずれかであり得る２色ＬＥＤ回路２
８を介して提供される。ＬＥＤ回路２８が赤で点滅すれば、監視されるコンディ
ションまたはイベントは、注意コンディションまたは注意しきい値より上にある
。ＬＥＤ回路２８が一様な赤であれば、注意は警告になる。多くの場合、警告コ
ンディションは、流量コントローラが回復不可能な故障を経験したことを示す。

【００５０】流量コントローラ、ＤＳＰ１６は、操作しようと試みることを続ける。回復不
可能なコンディションが生じる原因となったイベントは、不揮発性メモリ内に保
存される。従って、イベントは、ＲＳ４８５トランシーバ３８を介してアクセス
され得る。

【００５１】電流制限抵抗器は、２色ＬＥＤ回路２８から流量コントローラ１６上の第２の
ＩＯポートへのフィードバック経路を提供する。２色ＬＥＤ回路２８の色は、Ｄ
ＳＰ１６から２つのＩＯポートによって提供されるＬＥＤ回路２８を流れる電流
の方向によって制御される。

【００５２】埋込みパルス幅変調器（ＰＷＭ）は、示される流量信号８０を構成するために
利用される。同じタイプの回路もまた、感知されるソレノイド電流８２を再構成
するために使用される。

【００５３】ＤＳＰ１６は、外部メモリインターフェイスを有する。外部メモリインターフ
ェイスは、ＳＲＡＭ３０とインターフェイスをとる。このＳＲＡＭは、ブートア
ップ過程の間利用され、より高速なアクセスのためにシリアルＥＥＰＲＯＭ３２
の内容を受信する。

【００５４】トランシーバ３６は、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔネットワーク４２に行き得るか、あ
るいはＬｏｎＷｏｒｋｓ、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）ま
たは当業者に公知のもの等の、ある別のタイプのネットワークを通して接続され
得るかのいずれかである。

【００５５】アナログである既存のドロップインアプリケーションにサービス提供すること
に加えて、将来的な規格のデジタルプロトコルまたはいくつかの競合プロトコル
は、本発明のアーキテクチャによってサービス提供され得る。これは、ネットワ
ーキング技術の選択として完全な適合性を許容し、プロトコルは実現される。本
発明は、自律インターフェイスを提供し、それにより、流量コントローラシステ
ムは、モジュラー様式内のモジュラー適合性によって影響されない。ＤＰＲＡＭ
は、ＤＳＰ１６と未定センサＢＵＳネットワーク８４との間をデジタルに分割す
る。

【００５６】ＳＲＡＭ３０が外部にあることは、排他的ではない。ＳＲＡＭ３０の一部分ま
たは全部は、内部ＳＲＡＭとして、本発明のＤＳＰ１６またはデジタル流量コン
トローラ内に組み込まれ得る。

【００５７】例示される実施形態において、ＳＲＡＭは、外部ＳＲＡＭ３０およびＤＳＰ１
６のフラッシュメモリ内の内部ＳＲＡＭの、２つの部分に分けられる。デジタル
流量コントローラのＤＳＰ１６内のＳＲＡＭを使用することは、全ての制御機能
がＤＳＰ１６内で実行されることを許容する。

【００５８】上述のアーキテクチャの重要な特性によって、手動で調整されるポテンシオメ
ータへの信頼性がなくなる。これは、流量センサを監視し、制御信号を生成し（
接合微分器および比例間隔コントローラ等）、複数の較正定数を保存する一方で
、実時間にこのような定数にアクセスするために充分なデジタルバンド幅を有す
るアーキテクチャを選ぶことにより、本発明によって達成される。次に、デジタ
ル流量コントローラは、制御システムを調整するために複数のポテンシオメータ
に依存せず、むしろ、本発明は、定数として認められるいくつかの変数に依存す
る。これらの変数は、ＲＳ４８５通信ポート３８を介してアクセスされる。

【００５９】ＲＳ４８５ホストまたはＤｅｖｉｃｅＮｅｔホストにサービスする等のデジタ
ル通信サービスは、流量制御イベントを影響しない。ＤＰＲＡＭ３２は、スケジ
ュールを基準としてサービスを許容する。

【００６０】いくつかのポイントは、診断のために監視される。ビジュアルフィードバック
は、注意または警告、点滅または一様のいずれかの、２つのレベルの表示を有す
る２色ＬＥＤ回路２８を介してユーザに提供される。この同じ情報は、ＲＳ４８
５ポートから利用でき、ＧＵＩインターフェイスのＰＣ内で実行されるソフトウ
ェアアプリケーションによって示され得る。制御システム機能は、ソフトウェア
を介して実行される。本発明は、閉ループ制御システムを構成するためにエージ
ング効果および温度に敏感なアナログ回路を利用する従来技術に対する利点を提
供する。

【００６１】本発明のアーキテクチャは、実行可能な埋込みソフトウェアの全てが、ＲＳ４
８５ポートを介してプログラムされることを許容する。新しいコードは、質量流
量コントローラを取り除くことなくインストールされ得る。ＤＳＰ１６に埋込ま
れるフラッシュメモリが、流量コントローラのためのいかなる較正定数またはユ
ニークなデータを保存するためにも使用されないことを留意することは、重要で
ある。このデータは、外部のシリアルＥＥＰＲＯＭに保存される。本発明の流量
制御システムは、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ等の既存および未定通信プロトコルと共に
、自律性および適合性を提供する。

【００６２】図２は、本発明のアーキテクチャ内のイベント管理の技術的な利点に関する。
図２は、図１のＡ−Ｄ変換器１４によって実行されるイベント時間線を例示する
。Ａ−Ｄ変換器１４データを取得し、データＢＵＳを介してＤＳＰ１６に取得し
たデータを送る準備ができたら、待機信号が送られる。

【００６３】一旦、データがＡ／Ｄ変換器１４からダンプされると、全てのデータ処理が時
間フレームＡ−Ｂ内で行われる。これは、全てのデータ処理のために制御システ
ムが必要とする時間である。イベントＢとＣとの間には、別のタスクが達成され
るために充分な時間が余っている。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ割り込み１１２、実時間
割り込み１１４およびＲＳ４８５割り込み１１６は、図２に例示されるように、
イベントＢとＣとの間に生じる。これらの割り込みがイベントＡとＢとの間に生
じても、集められたデータの処理には優先順位がある。従って、これらの割り込
みは、イベントＢとＣとの間も処理される。

【００６４】図３は、２セットのフロー図を含む。図３は、図２のタイミング図に前記され
る割り込みをさらに記載し、その詳細を示す。本発明の方法は、ステップ１００
から始まる。ＤＳＰ１６の全ての初期化および周辺機器は、ステップ１０１で起
こる。ＤＳＰおよび関連する周辺機器の初期化ステップ１０１の間、Ａ−Ｄ変換
器１４は、特定の周波数によってサンプリングするようにプログラムされる。本
発明のある実施形態において、この周波数は６１０Ｈｚである。６１０Ｈｚは、
Ａ−Ｄ変換器１４からデータサンプルを獲得し始める信号であり、ステップ１０
５への外部ＡＤＣの割り込みのトリガである。ステップ１０３において、本発明
のソフトウェアコードは、４つの内１つの割り込みを連続してループし、待ち受
ける。これらの割り込みは、１．６８ミリ秒ごとに生じる外部ＡＤＣ割り込み、
１．０４秒ごとに生じる実時間割り込み、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ割り込みおよびＲ
Ｓ４８５割り込みを含む。外部ＡＤＣ割り込み１０５は、ＡＤＣ割り込みの作動
中に全てのデータ処理が生じることを許容する。

【００６５】本発明のある実施形態において、データ処理は、ＡＤＣ割り込み間の全時間の
約３０％、１．６８ミリ秒を必要とする。この時間の間、ステップ１０２におい
て、流量コントローラは、図１のＡ−Ｄ変換器１４から、全てのＡＤＣ関連のデ
ータを取得する。次に、ステップ１０４において、データは、線型化される。そ
のような線型化の方法は、１９９９年７月９日にＴｈｏｍａｓＰａｔｔａｎｔ
ｙｕｓらによって出願された「ＳｙｓｔｅｍａｎｄＭｅｔｈｏｄｆｏｒ
ＳｅｎｓｏｒＲｅｓｐｏｎｓｅＬｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ」という名称の
米国特許出願シリアル番号０９／３５０，７４７に詳細が示される。この線型化
過程において、前もって決められる係数が利用され、取得されたＡＤＣデータを
より正確な流量値に関連付ける。ステップ１０６において、線型化されたデータ
および値は、所望の質量流量速度を達成するために質量流量コントローラを操作
する制御システムループに送られる。

【００６６】工程１０８には、図１の二色ＬＥＤ回路２８が用いられる。流量コントローラ
１６の状態に依存して、ＬＥＤ回路２８は、工程１０８で二色ＬＥＤ回路２８に
供給される信号および電流方向に従って、適切に点灯され得る。

【００６７】工程１１０で、診断が行われる。これらの診断は、二色ＬＥＤ回路２８の表示
された状態に直接関係する。工程１１２で、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ処理が起こる。
工程１１４で、シリアルＥＥＰＲＯＭ２６から、データが選択されるか、または
取り出される。このデータは、較正定数、気体特有データ、質量流量コントロー
ラおよび関連するコントローラの製造番号、サービスデータ、ならびに診断コー
ドを含み得る。工程１１６で、データは、ＲＳ４８５インターフェースから獲得
される。工程１１８で、加算器は、流量コントローラ１６内の時間および流量の
測定値を合計するか、または積分する。工程１２０で、その他のハウスキーピン
グ機能が起こり得、その後、この優先割り込みから戻り得る。

【００６８】外部ＡＤＣ割り込み１０５から戻った後、プロセスは、開始工程１００に戻る
。

【００６９】任意のさらなる割り込みまたは他の割り込み、例えば、実時間割り込み１２６
、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ割り込み１２２、またはＲＳ４８５割り込み１３０を起こ
し得る、任意のさらなる感知されたデータが、外部ＡＤＣ割り込み１０５の間、
保持される。外部ＡＤＣ割り込み１０５は、他のデータ処理全てよりも優先権を
得る。約５０ミリ秒の処理時間の間、他の割り込みに関連するデータは、ＳＲＡ
Ｍ３０、またはＤＳＰ１６内に位置する内部ＲＡＭに格納される。どの割り込み
処理が起こるかに関わらず、割り込み処理が完了する場合、本発明の方法は、工
程１０３に戻り、将来の割り込みを待つ。

【００７０】実時間割り込み１２４、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ割り込み１２６、およびＲＳ４８
５割り込み１３０の全てが、データを読み出し、変数に書き込み、ＤＳＰ１６内
に格納することを可能にする。この割り込みの間、このデータを処理するために
、最小限の動作が発生する。このデータの実際の処理は、外部ＡＤＣ割り込み１
０５の間にアクセスされる場合に起こる。このことについて考えるさらなる方法
は、これらの割り込みが、メモリ位置を通じてリンクされるオブジェクト指向シ
ステムを提供することである。従って、割り込みが発生する場合、データは、外
部ＡＤＣ割り込み１０５が発生し、データが処理されるまで、適切なメモリ位置
に格納される。

【００７１】図４に、本発明におけるメモリ相互作用を示す。この図に、ＳＲＡＭ３０、Ｅ
ＥＰＲＯＭ２６、およびＤＰＲＡＭ３２がどのように相互作用するかを示す。こ
の図の趣旨のため、データＲＡＭまたはＳＲＡＭ３０と、ＤＳＰ１６のフラッシ
ュメモリに位置する内部ＲＡＭ、またはＤＳＰ１６にアクセス可能な外部ＳＲＡ
Ｍ３０との間の区別はされていない。この場合のＳＲＡＭ３０は、データが格納
されるメモリ位置を殆ど示していない。初期化の間、全てのＥＥＰＲＯＭデータ
は、リンク１４２が示すように、ＳＲＡＭ３０に複製される。従って、ＥＥＰＲ
ＯＭデータの上位の１Ｋは、初期化中、リンク１４４を介して、ＤＰＲＡＭ３２
に複製される。

【００７２】さらなるリンク１４６は、ＥＥＰＲＯＭ１２６とＳＲＡＭ３０との間で発生し
、その間で、重要なデータが、初期化中、ＳＲＡＭ３０に複製される。初期化デ
ータのＤＰＲＡＭ３２への複製が２工程の処理なので、この第２のリンクが、示
される。ＥＥＰＲＯＭデータは、ＤＰＲＡＭ３２へ直接複製することはできない
。従って、ＥＥＰＲＯＭデータが、ＳＲＡＭ３０内の位置にまず複製される。そ
の後、ＳＲＡＭ３０から、リンク１４４を介して、このデータはＤＰＲＡＭ３２
へ複製される。初期化時にＳＲＡＭ３０に複製された重要なデータは、内部メモ
リ位置に格納される制御システムデータ、および加算器などへのデータを含む。

【００７３】第３のリンク１５０は、ＳＲＡＭ３０からＥＥＰＲＯＭ２６にデータが転送さ
れることを示す。このリンクは、ＤＳＰ１６の動作中、加算器および診断データ
が転送されることを可能にする。リンク１５２は、データがＳＲＡＭ３０から読
み出され、ＳＲＡＭ３０に書き込まれることを可能にするＳＲＡＭ３０とＲＳ４
８５通信ポート３８との間の二方向リンクである。

【００７４】第２の通信経路は、リンク１５４を介し、ＥＥＰＲＯＭ２６とＲＳ４８５通信
ポート３８との間にある。リンク１５４は、全てのデータが、ＲＳ４８５通信ポ
ート３８から読み出され、ＥＥＰＲＯＭ２６に書き込まれることを可能にする。
従って、本発明は、ＥＥＰＲＯＭ２６データおよびＳＲＡＭ３０データの両方へ
の完全なアクセスを可能にする。

【００７５】本発明は、ＳＲＡＭ３０およびＥＥＰＲＯＭ２６内の全てのデータが、ＲＳ４
８５通信ポート３８を介してアクセスされることを可能にする。しかし、ユーザ
は、ＥＥＰＲＯＭまたはＳＲＡＭデータへの完全なアクセスが制限され得る。こ
れは、製造業者からの一意的な製造番号および他のデータをユーザが変更できな
いことを確実にするように、セキュリティーのため行われ得る。一例は、保証デ
ータまたは個々の部品の製造番号に関連し得る。

【００７６】本発明は、診断を行うことを可能にするか、または、データを他のオブジェク
トからリクエストするか、もしくは他のオブジェクトに伝えることを可能にする
方法と１つのオブジェクトから他のオブジェクトへのインターフェースとがある
オブジェクト指向アプローチを提供する。ある従来技術は、プロトコルに埋め込
まれたメモリ位置を用いるＲＳ４８５プロトコルを有し得る。この従来技術によ
る解決法は、誤ったデータが指定されたメモリ位置に転送される場合、デバイス
が誤動作し、指定された性能の外側で機能するという問題を有する。本発明は、
リクエストされたデータが提供されるべきかどうか判定するために、テストを行
い、アクセス可能にされるべきでないデータを保護し、適切であることを確実に
するように、データが処理される前にテストするように構築される。

【００７７】データ転送は、ＥＥＰＲＯＭ２６が不揮発性であるので、リンク１５４を介し
て発生し、重要なデータは、ＤＳＰ１６用に、ＥＥＰＲＯＭ２６でセーブされ得
る。ＥＥＰＲＯＭ２６は、ＤＳＰ１６の電源を切った場合でも、データを保持す
る。さらに、このデータは、ＲＳ４８５通信ポート３８を介して、アクセスされ
得る。ここでセーブされている他のデータは、気体特有較正データであり得る。
各質量流量コントローラの構成は、機械的構成に依存し得る。従って、リンク１
５４は、ＲＳ４８５通信ポート３８から用いられて、ＥＥＰＲＯＭ２６への直接
アクセスを得て、製造処理を促進するために、一意的な選択および調整を必要と
しない様態で、それらのパラメータの大部分がダウンロードされ得る。従って、
製造処理において、一意的な選択および調整が必要とされず、この処理の速度が
高められる。デバイスが初期化される場合、ＥＥＰＲＯＭ２６は、ブランクであ
る。較正テーブル、およびこのような他のデータは、ＲＳ４８５通信リンク１５
６を介して、分岐ネットワーク４０にまとめてダウンロードされ得る。また、分
岐ネットワーク４０は、ＰＣホスト４４にリンクされる。

【００７８】また、本発明は、レガシーシステムと互換性があるように設計される。このバ
ックワード互換性は、ユーザが、アナログ信号で、本発明の実施形態に通信する
ことを可能にする。示されているアナログ通信１６０は、流量信号を監視するか
、またはセットポイント制御を提供する機能リンクを、当業者にとって公知のレ
ガシーシステムに提供する。これらのアナログ通信は、Ａ−Ｄ変換器１４内に位
置するＡ−Ｄ変換器機能によって実現され得る。これらのアナログ通信１６２は
、レガシーホストシステムについては、アナログ通信システム１６０とユーザホ
ストとの間で発生する。

【００７９】ＤｅｖｉｃｅＮｅｔインターフェースモジュール４２は、ＤＰＲＡＭ３２にリ
ンクされる。通信コプロセッサは、データを受信する利用可能性を尋ねる割り込
みをＤＰＲＡＭに送信し得る。各データ転送は、ＩＤ番号のような静的データ以
外の割り込みである。頻繁にアクセスされるデータは、ＥＥＰＲＯＭ２６へのア
クセスに対立するものとして、割り込みを避けるために、ＤＰＲＡＭ３２に格納
される。これは、ＤＰＲＡＭ３２内に容易にアクセス可能なデータを有すること
によって割り込みを避けることによって、全体的な効率性を増加する。

【００８０】図５に、本発明の１実施形態に関連する通信の全体像を示す。図５に、本発明
の１実施形態、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、アナログ、またはＲＳ４８５プロトコルに
結合され得るか、または互換性のある３つのタイプの通信プロトコルの全体像を
示す。本発明は、これらのタイプのプロトコルまたは通信システムに限定される
べきではなく、これらの通信システムのあらゆる組合せであり得る。本発明のア
ーキテクチャが、レガシーシステムおよび異なるソースとのインターフェースか
らのアナログセットポイントを受け取り得ることに留意することが重要である。
また、当業者にとって公知のＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、またはプロプライエタリＲＳ
４８５システムを介して、デジタルセットポイントおよび情報を受け取ることが
可能であり得る。これは、１つのコモンアーキテクチャ内で達成される。

【００８１】例えば、ＲＳ４８５インターフェースを有する各通信ソース内で、デバイスが
サービスモードおよび通常動作モード、ならびに潜在的にあらゆる数のさらなる
モードを有し得ることに留意することが重要である。通常動作モードは、アクセ
スが制限されている。サービスモードまたはコマンドモードは、認定されたプロ
バイダにデバイスへの完全なアクセスを持たせる能力を有するが、これらのコマ
ンドおよびシステムは、通常のユーザの通常動作モードにおいては、利用可能で
なくてもよいし、必要でもない。

【００８２】これらのシステムまたはコマンドモードは、診断情報へのアクセスを可能にす
る。図５に示す本発明の実施形態において、較正および調整は、ＲＳ４８５ポー
トを通じて行われ、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔポートを介してアクセス可能ではない。
ＤｅｖｉｃｅＮｅｔポートは、処理制御のみに用いられる。処理制御に加えて、
ＤｅｖｉｃｅＮｅｔポートは、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ言語の診断、警報、または例
外へのアクセスを提供し得る。

【００８３】アナログモードにおいて、出力流量値および弁電圧が提供され得る。アナログ
システムは、基本的には、ソレノイドにかかる電圧を提供する線形オペアンプ回
路を提供する。本発明は、弁の位置を操作するために必要な力と正比例する、送
達される電流を正確に制御することによって、当該技術よりも進歩している。

【００８４】本発明に関連する他の利点は、本発明が取り扱い易いことである。データは、
監視および解析される必要が殆どない。予測アルゴリズムを用いて、通常の維持
について予測維持システムを発展させることによって、製造コストおよび維持コ
ストを節約することが可能である。さらに、システムに関連する潜在故障を判定
することができる。この解析は、通常の範囲の外側であるが、依然仕様の範囲内
である動作を識別し得る。これは、異常動作か、あるいは、動向または他の解析
がシステムに関連する潜在故障モードを示し得ることを示し得る。従って、セン
サ劣化、または弁誤動作は、ホストシステムに深刻な損傷が起きる前に、判定さ
れ、取り替えられ得る。

【００８５】動向解析およびリレーショナルデータが、診断システム内で解析される。本発
明の１実施形態は、埋め込みシステムにおいて、システムが動作するべきかどう
かの判定を行わないが、本発明は、警告または警報状態を発展させる。本発明は
、当業者にとって公知のＰＣまたは類似のソフトウェア解析パッケージ上の、グ
ラフィカルユーザインターフェースを含む外部システムに結合され得、異なるデ
ータ間の動向および関係を発展させ、診断の値を向上させる。

【００８６】図１において、ローカルＰＣホスト４４は、モデム４６に接続され得る分岐ネ
ットワークのホストであり得る。その目的は、本発明から、データへの遠隔アク
セスを提供することである。図１に、機能的用語で、データの遠隔アクセスが起
こる遠隔ＰＣ５０における第２のモデム４８を表す。しかし、ネットワークのト
ランスポート層は、ＴＣＰＩＰまたは他のインターネットアプリケーションから
なり得る。モデム４６およびモデム４８は、本発明からデータへの遠隔アクセス
を提供する、ネットワーク化能力について、トランスポート層を実現する手段を
１つしか示さない。本発明によって用いられる９６００ボー半二重モードプロト
コルは、ネットワーク化について、７層ＯＳＩモデルと互換性があり、インター
ネット接続にわたって、本発明をネットワーク化するように選択する場合、ＴＣ
ＰＩＰスタックと互換性があるようになる。

【００８７】図６に、本発明の質量流量コントローラの自動化較正を提供する方法およびシ
ステムを示す。従来の解決法のように、本発明の質量流量コントローラは、機械
的調整を行うことによって較正されない。格納された係数のセットは、本発明の
質量流量コントローラの精度を較正するために変更される。較正は、主に、２つ
の工程からなる。１つは、線形化である。この工程は、基本的には、センサの非
線形動作を円滑にし、デジタル流量コントローラ１６の線形値を提供する。較正
器が、アナログセットポイントまたはデジタルセットポイントのいずれかを提供
する場合、図７に表すセットアップが用いられる。適用されたセットポイントの
それぞれについて、対応するセンサおよび制御された「流量基準」値が記録され
る。当業者にとって公知の回帰法が、これらのポイントに適用される。計算され
た後、これらの係数は、用いられるために、本発明のＥＥＰＲＯＭ２６に記録さ
れる。その後、本発明のタスクは、所定の係数と共に多項式が用いられて、感知
された変数から正確な流量を計算する、数値化演算である。この線形化処理は、
個々の気体について、繰り返され、ＥＥＰＲＯＭ、または、本発明内の他のメモ
リ位置に格納され得る。

【００８８】動的調整は、過渡事象中、流量を測定する能力を提供する。ロジックは、流量
状態を制御し、過渡状態において、予定された流量を達成するため、セットポイ
ント状態を調節するホストＰＣに組み込まれる。

【００８９】本発明のさらなる実施形態は、実流量状態および感知された流量状態を記録す
るシステムを組み込み得る。このデータは、本発明の質量流量コントローラが取
り付けられ得る様々な機械的プラットフォームについて、統計学的に解析され得
る。このデータは、動向を確立するために用いられ得、当業者にとって公知のロ
ジックまたは人工知能と共に用いられ得る。制御パラメータは、このような性能
が最適化されるまで、所与の性能基準について、増分され得る。

【００９０】図７に、本発明の診断能力の全体像を示す。二色ＬＥＤ回路２８は、ステータ
スインジケータを提供する。ＬＥＤ回路２８が緑の場合、本発明が動作すること
を示す。二色ＬＥＤ回路２８が赤く点滅する場合、重要でない、回復可能な故障
が示される。二色ＬＥＤ回路２８が赤一色を示す場合、回復不可能な故障が発生
している。二色ＬＥＤ回路２８の最終的な状態は、点灯しない状態であれば、本
発明のＭＦＣに供給される電力がないことを示す。二色ＬＥＤ回路２８のステー
タスは、質量流量コントローラ内のソフトウェアコードが、監視された変数が、
指定されたパラメータ内で動作しているかどうかを評価した後に判定される。こ
れらの変数には、センサからの出力、ソレノイド弁、本発明のデバイスの周囲温
度、本発明の電源、および本発明の動的性能の基準が含まれる。任意の、ソフト
ウェアコードによって判定される回復不可能な故障が、ＥＥＰＲＯＭ不揮発性メ
モリ２６内に格納される。さらに、データ値全てが、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔポート
またはＲＳ４８５ポート３８にわたって、利用可能にされ得る。ＲＳ４８５ポー
ト３８またはＤｅｖｉｃｅＮｅｔポートからのデータは、ラップトップまたは他
の専用計算デバイスのような携帯用コンピュータ上で実行されるソフトウェア診
断プログラムによって、感知され得る。このソフトウェアは、本発明の内部で実
行される診断ルーチンの結果の詳細な表示をユーザに示すインターフェースをユ
ーザに提供する。また、携帯用診断ツールのような専用ツールが、ＲＳ４８５ポ
ート３８または本発明内の指定されたテストポイントからのソフトウェア診断デ
ータを感知し得る。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔポートについて、別個の、かつ、一意的
な翻訳機構が組み込まれて、ソフトウェア診断の結果が読まれる。携帯用コンピ
ュータまたは携帯用診断ツール上で実行される第２のソフトウェアプログラムは
、さらなる実施形態において、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔポートからのソフトウェア診
断の結果を読むように、構成され得る。

【００９１】本発明は、従来技術と関連する多くの課題に対処する。ユーザは、予定外に思
いがけず故障した質量流量コントローラがしばしば、正当な理由もなく恣意的に
置き換えられることにより、所有するという高価な費用を負担する。これは、歴
史的に、質量流量コントローラが信頼できず、あてにならないものとして見られ
てきたためであり、多くのユーザは、質量流量コントローラがどのように動作す
るかを理解していない。このように、質量流量コントローラの動作、および質量
流量コントローラの較正に関連する課題を誤って理解しているために、一旦シス
テムに設置されると、技術サポートおよび疑わしい質量流量コントローラの故障
の分析を提供するために、現場サービスが必要とされる。歴史的に、質量流量コ
ントローラは、個々の技術者のデバイス性能についての明白な知識に基づいて、
多回転式ポテンシオメータまたは可変レジスタを用いて調節または較正されてき
た。この較正は、デバイス性能に直接的に影響を及ぼす時間および労力を要する
主観的な作業である。従来技術の質量流量コントローラの手動による調節および
較正のため、使用時に、不均一な過渡応答がしばしば見られる。さらに、従来技
術の質量流量コントローラは、入口圧力に非常に敏感であることが分かってきた
。またさらに、従来技術の質量流量コントローラは、一般に、アナログシステム
またはプロプライエタリＲＳ４８５ネットワークである。

【００９２】本発明は、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、ＬｏｎＷｏｒｋｓ、およびレガシーインター
フェースとのバックワード互換性をなおも維持するＰｒｏｆｉｂｕｓ等の複数の
オープンな通信規格とのフォワード互換性の能力を備えるシステムを提供する。

【００９３】故障した質量流量コントローラのトラブルシューティングおよび分析には、質
量流量コントローラを、それが設置されたシステム内の動作および設備から切り
離すことを必要とした。これは、動作中の質量流量コントローラを、本発明によ
り達成されるように、直接的に監視することにより除去し得る、費用を要する作
業である。本発明は、電源電圧、流量誤差、弁漏れ、および過渡応答と同様に、
セットポイント、ソレノイド電流、周囲温度、センサーベース抵抗、および入口
圧力表示を個別に監視するデジタルエンジンを含む。これらの監視されたパラメ
ータは、本発明のデバイスの動作に関連づけられた異常な傾向を追跡し、判定す
るために、（手動または自動で）分析され得る。さらに、このデータは、モデム
、またはホストＰＣへの他のネットワーク接続を介して、遠隔で監視され得る。

【００９４】本発明の質量流量コントローラは、むらがある手動による調整を全く含んでい
ない。これにより、全ての較正および調節が、不揮発性メモリ内に格納された定
数の一意的なセットの記憶域を介して、デジタル方式で完了するという利点が提
供される。関連するメモリ位置へのアクセスが、専用のＲＳ４８５インターフェ
ースを介して提供される。特定の流量測定機器とインターフェース接続するとと
もに、適切なソフトウェアを実行する較正システムホストは、静的かつ過渡的な
流量状態での均一で反復可能なパフォーマンスのために、本発明の質量流量コン
トローラを自動的に較正および調節することができる。これらの均一な過渡応答
により、本発明のさらなる利点が提供される。これらの均一な過渡応答は、選ば
れたアーキテクチャで適用されるような選択されたデジタル信号プロセッサによ
り提供される計算能力を用いることにより達成される。このアーキテクチャによ
り、制御アルゴリズムの１００％がソフトウェアを介してインプリメントされる
ことが可能となる。ソフトウェアアルゴリズムは、均一で反復可能な過渡応答を
達成するために選択または調節され得る一意的なケースセンシティブまたは状況
に応じたパラメータを呼び出すためのメカニズムを備え得る。

【００９５】本発明のまた別の利点は、ガス供給内での高価な上流圧力調整器の必要性をな
くすことである。本発明のデジタルエンジンは、利用可能なА−Ｄ入力を介して
、入口圧力を個別に監視する機能を有する。入口圧力を監視し、本発明の出力の
質量流量特性の感度を下げることが望ましい。

【００９６】本発明のさらなる利点は、複数の独立した専用デジタル通信ポートを備えるこ
とである。上述した実施形態のアーキテクチャにより、それらのうちの１つがＲ
Ｓ４８５タイプのネットワークである場合、２つのデジタルネットワークに同時
にサービスを提供することが可能になる。選ばれたＤＳＰは、ＲＳ４８５ネット
ワークにサービスを提供するために専用で用いられる埋込み型ＵＡＲＴ周辺機器
を含む。さらなる通信ネットワークが、デュアルポートＳＲＡＭに対する読み出
しおよび書き込みにより、サービス提供され得る。通信パーティションとしての
デュアルポートＳＲＡＭの選択により、複数の自律互換性を有するインターフェ
ースのサポートが可能になる。本発明は、これら２つの通信ポートに、必ずしも
限定されない。当業者に公知であるような種々の通信プロトコルの複数の通信ポ
ートが、複数の自律互換性を有するインターフェースを達成するために、本発明
に組み込まれ得る。

【００９７】本発明のさらなる利点は、その埋込みシステムが１．６８ミリ秒の正確な個別
の間隔で、流量信号からサンプルデータを受信することに基づく作業を処理する
ことである。選ばれたアーキテクチャの計算能力により、制御のアルゴリズムが
この時間の３０％以内にそのタスクを完了する。

【００９８】本発明は、履歴データ、傾向、分析、関連データを提供する。このようなデー
タは、現在の動作を判定するために、専用のサービスポートに接続されたホスト
システムを介して、遠隔で診断するか、またはローカルで診断するためのサービ
ス技術者の能力を向上させるために記録され得る。

【００９９】種々の質量流量コントローラが市場に存在する。質量流量コントローラは、流
量感知信号の線形化を補助する線形化回路を備え得る。１９９９年７月９日に出
願されたＴ．Ｔ．Ｐａｔｔａｎｔｙｕｓらの「ＳｙｓｔｅｍａｎｄＭｅｔｈ
ｏｄｆｏｒＳｅｎｓｏｒＲｅｓｐｏｎｓｅＬｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ
」と題された米国特許出願第０９／３５０，７４７号を特に参照する。質量流量
コントローラはまた、ガス流量に応答して、１つまたは複数の感知レジスタの抵
抗の変化を感知することにより、質量流量コントローラ内の質量流量を測定する
改善された質量流量インターフェース回路を含み得る。１９９９年７月９日に出
願されたＤ．Ｓ．Ｌａｒｓｏｎらの「ＩｍｐｒｏｖｅｄＭａｓｓＦｌｏｗ
ＳｅｎｓｏｒＩｎｔｅｒｆａｃｅＣｉｒｃｕｉｔ」と題された米国特許出願
第０９／３５０，７４６号に開示される改善された質量流量インターフェース回
路を特に参照する。質量流量コントローラはまた、質量流量コントローラを通過
する実流量により正確に近似させるために、感知された流量信号を補正する微分
コントローラを含み得る。１９９９年７月９日に出願されたＥ．Ｖｙｅｒｓの「
ＳｙｓｔｅｍａｎｄＭｅｔｈｏｄｆｏｒａＤｉｇｉｔａｌＭａｓｓ
ＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」と題された米国特許出願第０９／３５１，
１２０号に開示される微分コントローラを特に参照する。ＰＩコントローラも、
質量流量コントローラ内の弁を制御するための弁駆動信号を生成するために、質
量流量コントローラ内に含まれ得る。ＰＩコントローラは、質量流量コントロー
ラの応答速度を増加し、弁駆動信号に対する弁の非線形応答を補償することがで
きる。１９９９年７月９日に出願されたＥ．Ｖｙｅｒｓの「Ｓｙｓｔｅｍａｎ
ｄＭｅｔｈｏｄｆｏｒａＶａｒｉａｂｌｅＧａｉｎＰｒｏｐｏｒｔ
ｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ（ＰＩ）Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」と題された米
国特許出願第０９／３５１，０９８号に開示されるＰＩコントローラを特に参照
する。最後に、質量流量コントローラ内の弁駆動信号が、ソレノイド作動弁（ｓ
ｏｌｅｎｏｉｄａｃｔｉｖａｔｅｄｖａｌｖｅ）を制御するために、弁駆動
回路に入力され得る。１９９９年７月９日に出願されたＴ．Ｔ．Ｐａｔｔａｎｔ
ｙｕｓの「ＭｅｔｈｏｄａｎｄＳｙｓｔｅｍｆｏｒＤｒｉｖｉｎｇａ
Ｓｏｌｅｎｏｉｄ」と題された米国特許出願第０９／３５１，１１１号に開示
される弁駆動回路を参照する。本発明が上述した構成要素を備えた質量流量コン
トローラでの使用に限定されないことに留意することが重要である。

【０１００】本明細書中では、例示的な実施形態を参照して、本発明を詳細に説明してきた
が、その説明は、単に例示によるものであり、限定する意味で解釈されるべきで
はないことが理解されるべきである。よって、本発明の実施形態の細部における
種々の変更、および本発明のさらなる実施形態が、この説明を参照する当業者に
は明らかであり、かつそのような当業者によりなされ得ることがさらに理解され
る。そのような変更およびさらなる実施形態の全てが、特許請求の範囲で請求さ
れる本発明の精神および正当な範囲内であることが企図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施形態のブロック図を提供する。

【図２】図２は、本発明におけるイベント管理のタイミング図を示す。

【図３】図３は、本発明の方法を示す２組のフロー図を含む。

【図４】図４は、本発明におけるメモリ相互作用を示す。

【図５】図５は、本発明の一実施形態に関連する通信の概要を提供する。

【図６】図６は、本発明の質量流量コントローラの自動較正を提供する方法およびシス
テムを示す。

【図７】図７は、本発明の診断能力の概要を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｇ０１Ｆ 1/68 ２０１Ｚ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷＦターム(参考） 2F035 EA09 5F004 BC03 5F045 EE04 5H223 AA20 BB01 CC01 DD07 DD09 EE11 EE15 5H307 AA20 BB01 DD01 DD06 DD07 DD08 EE02 EE07 FF06 FF12 FF21 HH12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量流量コントローラであって、センサと、該センサの出力に結合された電子制御システムと、該電子制御システムから制御信号を受信する制御弁であって、該制御信号は、
該制御弁を通過する第１のガス流量を調節するために用いられる、制御弁と、圧力降下を引き起こし、該センサを通過する流量と該質量流量コントローラを
通過するガス流量との割合を一定に保つバイパス弁とを備えた質量流量コントローラ。
【請求項２】埋込み診断システムをさらに備え、該診断システムは、前記
質量流量コントローラ内の故障状態または潜在故障状態を特定する、請求項１に
記載の質量流量コントローラ。
【請求項３】前記埋込み診断システムが、前記質量流量コントローラ内の
故障状態または潜在故障状態の視覚表示を提供する、請求項２に記載の質量流量
コントローラ。
【請求項４】前記埋込み診断システムが、前記質量流量コントローラ内の
故障状態または潜在故障状態を遠隔診断システムに伝達するためのインターフェ
ースをさらに備える、請求項２に記載の質量流量コントローラ。
【請求項５】前記遠隔診断システムが、質量流量コントローラ故障状態の
履歴データベース、およびそれらの故障状態の表示を含む、請求項４に記載の質
量流量コントローラ。
【請求項６】前記電子制御システムが、前記質量流量コントローラへの供
給流量内の圧力変動および流量変動とは無関係の該質量流量コントローラを通過
する所望の出力流量を提供するために、制御アルゴリズムを利用する、請求項１
に記載の質量流量コントローラ。
【請求項７】電子制御システムが、アルゴリズムであって、所望の出力流量セットポイントと、ソレノイド電流と、周囲温度と、前記センサのベース抵抗と、入口圧力表示と、少なくとも１つの電源電圧と、前記制御弁を通過する漏れと、該所望の出力流量セットポイントと比較される実出力流量のオーバーシュー
トとを含む一連のシステム変数に関する入力を受信するアルゴリズムを用いて、
実時間流量誤差を計算し、計算された実時間流量誤差に基づいて、該所望の出力流量を達成するために、
該制御弁への該制御信号を調整する、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
【請求項８】前記アルゴリズムが、回帰法を用いて導出される多項式であ
り、該式が、一連の定数として、前記電子制御システムによりアクセス可能なメ
モリ位置に格納される、請求項７に記載の質量流量コントローラ。
【請求項９】前記一連のシステム変数および前記実流量出力を監視し、前
記多項式を表す一連の定数を計算するための較正システムをさらに備えた、請求
項８に記載の質量流量コントローラ。
【請求項１０】前記電子制御システムに結合され、該電子制御システムと
少なくとも１つの外部ネットワークとの間でデータ通信を行うように動作可能な
少なくとも１つのデータ通信ポートをさらに備えた、請求項９に記載の質量流量
コントローラ。
【請求項１１】前記少なくとも１つのデータ通信ポートが、ＲＳ４８５お
よびＵＡＲＴからなる群から選ばれた周辺機器をサポートする、請求項９に記載
の質量流量コントローラ。
【請求項１２】質量流量コントローラを通過する質量流量を判定する方法
であって、センサを通過する流量を感知し、該感知された流量を電子制御システムに出力
する工程と、該センサを通過する流量と該質量流量コントローラを通過する流量との割合を
一定に保つ工程と、該電子制御システム内の該質量流量コントローラを通過する実時間実流量を計
算する工程と、所望の流量セットポイントと該実時間実流量間の流量誤差を判定する工程と、該質量流量コントローラ内の制御弁の位置を調整するように動作可能である該
電子制御システム内で制御信号を生成する工程と、該流量誤差を最小化するために、該質量流量コントローラを通過する該流量を
絞る工程とを包含する方法。
【請求項１３】前記質量流量コントローラを通過する前記実時間実流量を
計算する工程が、一連の変数に関する入力を受信するアルゴリズムを利用する、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】前記アルゴリズムが、回帰分析を用いて判定され、かつ前
記入力変数に対する因子効果を表す一連の定数により表される、請求項１３に記
載の方法。
【請求項１５】質量流量コントローラを較正する方法であって、流量測定機器システムにより、該質量流量コントローラを通過する実時間実流
量を測定する工程と、質量流量コントローラに関連付けられた一連のシステム変数を感知する工程で
あって、該変数が、所望の出力流量セットポイントと、ソレノイド電流と、周囲温度と、センサのベース抵抗と、入口圧力表示と、少なくとも１つの電源電圧と、制御弁を通過する漏れと、該所望の出力流量セットポイントと比較される実出力流量間の実時間流量誤
差とを含む、感知する工程と、該質量流量コントローラの該システム変数への応答を説明する多変量応答関数
を生成する回帰分析法により、該質量流量コントローラを通過する予想流量をモ
デル化する工程と、該多変量応答関数を、該質量流量コントローラを通過する流量を調節するよう
に動作可能な電子制御システムに入力する工程とを包含する方法。
【請求項１６】前記電子制御システム内のメモリ位置に前記多変量応答関
数を記録する工程をさらに包含する、請求項１５に記載の方法。