JP2008519981A - 所定のバイパス比を持つ熱式質量流量センサ - Google Patents

Abstract

流量センサは、主導管と、この主導管の上流部分を主導管の下流部分に連結するセンサチューブ及びバイパスチューブであって、主導管を通る流れがセンサチューブ及びバイパスチューブに分割されるセンサチューブ及びバイパスチューブと、センサチューブを加熱するための少なくとも一つのヒーター要素とを備えている。多孔質媒体を含む第１流れ制限器が、主導管の上流部分とセンサチューブとの間に位置決めされており、多孔質媒体を含む第２流れ制限器が、主導管の上流部分とバイパスチューブとの間に位置決めされている。これらの流れ制限器は、所定のバイパス比の流量センサを提供する。その結果、センサは、計測されるガスの種類とは無関係に作動できる。

Description

本開示は、質量流量センサに関し、更に詳細には、熱に基づく質量流量センサに関する。このセンサは、センサチューブ及び少なくとも一つのバイパスチューブを有し、バイパスチューブ及びセンサチューブは、センサに所定のバイパス比を提供する多孔質媒体を収容している。

半導体製造産業では、反応チャンバにガスの状態で送出される一つ又はそれ以上の反応体の量、温度、及び圧力を正確に制御する必要がある。半導体製造産業では、プロセス反応体の送出を制御するため、質量流量制御装置が広く使用されている。図１には、代表的な質量流量制御装置（ＭＦＣ）の一例が示してある。ＭＦＣは、一般的には、ＭＦＣを通るガスの流量を計測するための質量流量センサ（このセンサは、以下に説明するように、センサチューブ及びバイパスチューブを含む）と、ＭＦＣを通るガスの流れを制御するためのバルブと、質量流量センサ及びバルブに接続された、簡単な制御回路又はＰ．Ｃ．ボードに取り付けられたコンピュータとを備えている。コンピュータには、コネクタを通る所望の流量がプログラムされており、所望の流量は、コンピュータによって、例えば、質量流量センサによって計測された実際の流量と比較される。実際の流量が所望の流量と等しくない場合には、コンピュータは、更に、実際の流量が所望の流量と等しくなるまで、バルブを開放し又は閉鎖するようにプログラムされている。

熱式(thermal) 質量流量センサは、熱エネルギ保存則に基づいて作動する。従って、流れるガスに加えられた出力は、ガスの質量流量にガスの比熱、ガスの密度、及びガスの温度変化を乗じた値と等しい。従って、ガスの性質、ガスの温度変化、及びガスに加えられた出力の量がわかっていれば、質量流量を決定できる。

一つの種類の熱式質量流量センサは、図１及び図２の例示の従来技術の質量流量センサ１０に示すように、センサチューブを主感知機構として使用する。

このような装置では、センサチューブ１２は、ＭＦＣの主導管１８を通過する主流れ１６の一部１４を逸らし、流れの残りはバイパスチューブ１８ａを通過する。この図は必ずしも縮尺通りでないということに着目することが重要である。代表的には、センサチューブ１２は、主導管１８よりもかなり小さいが、明瞭化を図るため、図２には幾分拡大して示してある。一般的には、センサチューブ１２を通して流体に熱を伝達するため、一つ又はそれ以上の加熱要素２０がセンサチューブ１２に取り付けられている。これらの加熱要素２０は、更に、センサチューブ１２の壁の局所的温度を追跡する抵抗温度センサとしても役立つ。

二つの加熱要素２０間のガスの温度の上昇は、センサチューブ１２を通るガスの質量流量、ガスの比熱、ガスの密度、ヒーター要素２０に送出された出力の関数である。回路は、二つの加熱要素２０の抵抗（又は温度）の差を電圧出力に変換し、これを較正して流量を得る。通常は、プロセッサに接続されたホイートストンブリッジによって、抵抗の変化を電圧に変換する。プロセッサは、電圧レベルを、記憶された基準ガス較正データと比較し、流量を得る。記憶された基準ガス較正データ又は表には、基準ガスの既知の流量範囲についてセンサが発生する電圧が含まれる。

較正データは、基準ガス以外のガスについては変化するため、センサチューブ１２内で計測される各種のガスについて、結果的に得られる計測値を正確にするため、較正データの特性づけ（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）が必要とされる。この特性づけは、多ガス補正関数とも呼ばれる。多ガス補正関数は、センサチューブ１２のみでの、新たなガスの基準ガスに対する流れの比（Ｑnew ／Ｑref ）である。この比は、センサの電圧に従って変化する。基準ガスの較正表は、センサ電圧及びセンサ電圧での計測された総流量の単なるリストである。新たなガスの較正表を得るため、基準ガスの流れに、基準ガス較正表の各電圧での多ガス補正関数を乗じる。多ガス補正関数により、センサチューブ１２は、計測されるガスの種類とは無関係となる。

多ガス補正関数は、基準ガス及び計測されるガスの両方でバイパス比が同じであると仮定する。センサ１０のバイパス比η（分割比ともいう）は、バイパスチューブ１８ａ及びセンサチューブ１２を通る総流量Ｑtotal をセンサチューブ１２だけを通る流量Ｑsensorで除した値であると定義される。

多ガスの用途では、ηは、全てのガスに対して等しくなければならない。基準ガスでの値からのηの何らかの変化は、当該ガスについての多ガスバイパス比誤差εbpと定義される。

εbpは、新たなガスについての較正誤差となる。バイパスチューブ１８ａは、通常は、この誤差を小さくするように設計される。

多ガスバイパス比誤差εbpは、主導管、バイパスチューブ、及びセンサチューブの幾何学的状態が理想的でないことによる入口効果(entrance effect) 等の圧力損失のため、バイパス比ηがガスによって変化することによって生じる。これらの圧力損失は、「レイノルズ損失」とも呼ばれる。これは、損失が、計測されるガスのレイノルズ数の関数であるためである。レイノルズ損失は、ガス流の計測における誤差の主因である。レイノルズ損失は、バイパスチューブ１８ａ及びセンサチューブ１２を適切に設計することによって、バイパス比ηを様々なガスに対して一定にすることによって、最少にされるか或いはなくされる。しかしながら、バイパスチューブ１８ａを適正に設計すると、多くの場合、特に高い流れ範囲で、複雑であり且つ比較的大型の高価なセンサ１０となる。

本開示の目的は、様々なガスに関して使用できる新規であり且つ改良された熱式質量流量センサを提供することである。好ましくは、新規であり且つ改良された熱式質量流量センサは、ガスの性質の影響を実質的に受けない（即ち、質量流量センサで計測される各種のガスについてバイパス比の特性づけを必要としない）。更に、新規であり且つ改良された熱式質量流量センサは、好ましくは、設計が比較的簡単であり、安価に製造でき、大きさがコンパクトである。

本開示は、新規であり且つ改良された熱式質量流量センサを提供する。このセンサは、上流部分及び下流部分を含む主導管と、主導管の上流部分を主導管の下流部分に連結するセンサチューブ及びバイパスチューブであって、主導管を通る流れがセンサチューブ及びバイパスチューブを通して分割される、センサチューブ及びバイパスチューブと、センサチューブを加熱するための少なくとも一つのヒーター要素とを含む。センサは、更に、主導管の上流部分とセンサチューブとの間に位置決めされた第１流れ制限器と、主導管の上流部分とバイパスチューブとの間に位置決めされた第２流れ制限器とを備えている。

本発明の一つの特徴によれば、流れ制限器は、多孔質媒体を含む。

この他の特徴及び利点のうち、本開示の質量流量センサは、流れ制限器により所定の流量比の流れ検出装置を提供するため、ガスの性質の影響を実質的に受けずに作動する。更に、本開示の質量流量センサは、設計が比較的簡単であり、安価に製造でき、大きさがコンパクトである。

本開示の以上の及び他の目的、その様々な特徴、並びにその開示は、添付図面を参照して以下の説明を読むことにより、更によく理解されるであろう。

添付図面に亘り、同じ要素には同じ参照番号が付してある。

添付図面のうち、特に図３及び図４を参照すると、これらの図には、本開示に従って形成した流量センサ１００の例示の実施例が示してある。流量センサ１００は、図１に示す質量流量制御装置等の質量流量制御装置の部品として使用できる。このような用途では、図１及び図２に示す流量センサ１０に代えて本開示の質量流量センサ１００を使用する。本開示は、更に、図３及び図４の流量センサ１００を使用する流れ計測方法及び流れ制御方法に関する。

この他の特徴及び利点のうち、本開示の質量流量センサ１００は、ガスの性質の影響を実質的に受けずに作動する。更に、本開示の質量流量センサ１００は、設計が比較的簡単であり、安価に製造でき、大きさがコンパクトである。

一般的には、流量センサ１００は、上流部分１１８ｂ及び下流部分１１８ｃを持つ主導管１１８と、主導管１１８の上流部分１１８ｂを主導管１１８の下流部分１１８ｃに連結するセンサチューブ１１２及びバイパスチューブ１１８ａとを含み、主導管１１８を通る流れは、センサチューブ１１２及びバイパスチューブ１１８ａを通るように分割される。添付図面は縮尺通りでなく、センサチューブ１１２は主導管１１８よりもかなり小さいが、明瞭化を図るため、添付図面では幾分大きく示してあるということに着目すべきである。センサ１００は、更に、センサチューブ１１２を加熱するための少なくとも一つの加熱要素１２０と、主導管１１８の上流部分１１８ｂとセンサチューブ１１２との間に位置決めされた第１流れ制限器１３０と、主導管１１８の上流部分１１８ｂとバイパスチューブ１１８ａとの間に位置決めされた第２流れ制限器１４０とを含む。

本開示の一実施例によれば、第１及び第２の流れ制限器１３０、１４０は、多孔質媒体を含む。適当な多孔質媒体は、例えば、コネチカット州ファーミントンのモット社(http://www.mottcorp.com) から入手できる。

多孔質媒体を含む第１及び第２の流れ制限器１３０、１４０の形状（例えば、厚さ及び断面積）及び多孔度を変えることによって、バイパスチューブ１１８ａ及びセンサチューブ１１２を通る流量を変化させることができる。一つの例示の実施例によれば、第１及び第２の流れ制限器１３０、１４０の多孔質媒体は、焼結金属から形成される。この焼結金属は、焼結前の平均粒径が２０μｍよりも小さい金属粉体から形成できる。別の実施例によれば、焼結要素の平均粒径は、１０μｍよりも小さく、焼結金属の密度は少なくとも５ｇ／ｃｃである。

第１及び第２の多孔質媒体流れ制限器１３０、１４０を形成するのに使用される金属は、耐熱性及び耐蝕性が高いといった特別の必要条件を満たすため、ステンレス鋼、ニッケル及びニッケル合金、及びチタニウムを含む群から選択されるが、これらの金属に限定されない。詳細には、金属及び合金には、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３４７、ＳＵＳ４３０、ハステロイＣ−２７６、Ｃ−２２、Ｘ、Ｎ、Ｂ、及びＢ２、インコネル６００、６２５、及び６９０、ニッケル２００、モネル（モネル（Ｍｏｎｅｌ）は登録商標である）４００（７０Ｎｉ−３０Ｃｕ）、チタニウム、及び合金２００が含まれるが、これらに限定されない。

上文中で背景技術のところで論じたように、流れセンサ１００のバイパス比η（分割比とも言う）は、センサ１００を通って流れる流体の量即ちＱsensorの、センサチューブ１１２を通って流れる流体の量即ちＱsensor tube に対する比に等しい。多ガスの用途では、ηは、全てのガスについて等しくなければならない。基準ガスからのηの何らかの変化ｈは、当該ガスについての多ガスバイパス比誤差εbpと定義される。εbpは、新たなガスについての較正誤差に直接解釈される。本開示のセンサ１００は、この誤差を最小にするように設計される。

形状が簡単であるため、ダクト内の非圧縮性層流についてのナヴィエ−ストローク方程式を、一杯に展開した、断面が一定の非圧縮性定常流について閉鎖形態（ｃｌｏｓｅｄ ｆｏｒｍ）で解くことができる。チューブを通る流れＱtubeについての解は、

に等しい。

ここで、μはガスの粘度であり、ｒtubeはセンサチューブ１１２の半径であり、断面が一定であれば、圧力項は線型である。

ここで、Ｌtubeはチューブの長さであり、Δｐtubeはチューブの長さＬtubeに亘るガスの圧力変化であり、Δｐtubeは等式３及び４から計算される。

多孔質媒体流れ制限器を通る流体流れＱpmは、ブリンクマン方程式によって記述される。この方程式もまた、断面が一定の非圧縮性定常流を仮定した、閉鎖形態で解くことができる。

ここで、Δｐpmは、多孔質媒体流れ制限器を通る圧力降下であり、ｔpmは、多孔質媒体流れ制限器の厚さであり、Ａpmは、多孔質媒体流れ制限器の断面積であり、ｋpmは、多孔質媒体流れ制限器の透過性である。

センサ１００について、多孔質媒体流れ制限器１３０及び１４０は、チューブ１１２及び１１８ａの夫々と直列である。従って、多孔質媒体流れ制限器１３０及び１４０を通る流れは、チューブ１１２及び１１８ａを通る流れと夫々等しい。

センサ１００の前後の圧力降下は、チューブの圧力降下に、センサの各流路についての多孔質フィルタの圧力降下を加えた値と等しい。

バイパス比ηについての表現は、方程式３−８を方程式１（本開示の背景技術の部分に示してある）に適当に代入することによって得ることができる。

上掲の方程式は、流れセンサ１００がガスの性質の影響を実質的に受けないようにする多孔質媒体流れ制限器１３０、１４０を設計するのに使用できる。（詳細には、多孔質媒体により、バイパスチューブ１１８ａはガスの性質の影響を実質的に受けず、多ガス補正関数により、センサチューブ１１２はガスの性質の影響を実質的に受けない。）起こり得る唯一の誤差源は、方程式３で一杯に展開した流れ（ｆｕｌｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｌｏｗ）を仮定した場合である。しかしながら、実際には、センサチューブ１１２は、入口効果により圧力損失が生じる。センサチューブ１１２での圧力降下を打ち消すため、第１多孔質媒体流れ制限器１３０は、第１多孔質媒体流れ制限器１３０を通る圧力降下Δｐ130 が、センサチューブ１１２を通る圧力降下Δｐ112 よりも遥かに大きいように設計されている。入口効果は、レイノルズ数の関数であることが知られているけれども、入口効果についての閉鎖形態の解は存在せず、経験的に又は数値計算によってのいずれかで決定しなければならない。本開示の質量流量センサは、多孔質媒体流れ制限器１３０及び１４０が、固定したバイパス比を持つ流れセンサ１００を提供するため、ガスの性質の影響を実質的に受けずに作動する。

図６のグラフは、本開示に従って形成した流れセンサ１００を通る三つの異なるガスの流れの有限要素モデルの結果を示す。このモデルは、主導管１１８の上流部分１１８ｂ及び主導管１１８の下流部分１１８ｃにおける三次元の非圧縮性ナヴィエ−ストークス方程式、及び多孔質媒体流れ制限器１３０及び１４０を通る三次元のブリンクマン方程式を解く。分割比誤差の変化が、各々のガスについての広い流量範囲に亘って非常に小さいという結果が明らかに示された。こうした変化は、ガスのレイノルズ数と相関して生じる。

図示の例示の実施例では、第１及び第２の多孔質流れ制限器１３０及び１４０は、金属プレート１５０の開口部に押し込んだディスクとして提供される。これを図５に示す。金属プレート１５０は、図３及び図４に示すように、センサチューブ１１２及びバイパスチューブ１１８ａと、主導管１１８の上流部分１１８ｂとの間に位置決めされる。

図示の例示の実施例では、ヒーター要素は、上流抵抗コイル１２０と、下流抵抗コイル１２０とを含む。図示していないけれども、これらのコイルは、ホイートストンブリッジに接続されている。センサチューブ１１２内を流れる流体とチューブ壁との間の熱伝達は、流体の温度と壁の温度との間の差、及びチューブの内部の熱伝達率の関数である。二つのコイル１２０間でのガスの温度上昇は、センサチューブ１１２を通るガスの質量流量及び流体の比熱の関数である。ホイートストンブリッジは、二つのコイル１２０の抵抗（又は温度）の差を電圧出力に変換し、これを既知の流体源に対して較正する。

図示していないけれども、本開示の質量流量センサ１００を、例えば、質量流量制御装置に組み込んでもよい。質量流量制御装置は、一般的には、制御装置を通るガスの流量を計測するための質量流量センサと、制御装置を通るガスの流れを制御するためのバルブと、質量流量センサ及びバルブに接続されたコンピュータとを備えている。コンピュータは、所望の流量に関してプログラムされており、コンピュータは、これを、質量流量センサが計測した実際の流量と比較する。実際の流量が所望の流量と等しくない場合には、コンピュータは、実際の流量が所望の流量と等しくなるまでバルブを開放し、又は閉鎖する。

本開示は、本発明の精神及び要旨から逸脱することなく、他の特定の形態で実施できる。従って、本明細書中に記載した例示の実施例は、例示であって限定ではないと考えられるべきであり、本開示の範囲は、以上の説明によってでなく、添付の特許請求の範囲によって表示される。従って、特許請求の範囲の意味及び等価性の範囲内の全ての変更は、本発明に含まれる。

図１は、従来技術に従って形成された質量流量センサを含む質量流量制御装置の例示の実施例の概略図である。 図２は、流量センサの主導管、センサチューブ、バイパスチューブ、及び層流要素を示す、図１の流量センサの一部の拡大断面図である。 図３は、主導管、センサチューブ、及びバイパスチューブを含む、本開示に従って形成された質量流量センサの例示の実施例の一部の側面図である。 図４は、主導管とセンサチューブとの間に位置決めされた第１流れ制限器及び主導管とバイパスチューブとの間に位置決めされた第２流れ制限器を示す、図３の質量流量センサの断面図である。 図５は、第１流れ制限器及び第２流れ制限器の拡大端面図である。 図６は、本開示に従って形成された質量流量センサの、流量に対する多ガスバイパス比誤差を三つのガスについて示すグラフである。

符号の説明

１００ 流量センサ
１１２ センサチューブ
１１８ 主導管
１１８ａ バイパスチューブ
１１８ｂ 上流部分
１１８ｃ 下流部分
１２０ ヒーター要素
１３０ 第１流れ制限器
１４０ 第２流れ制限器

Claims (23)

1. 流量センサにおいて、
   上流部分及び下流部分を含む主導管と、
   前記主導管の前記上流部分を前記主導管の前記下流部分に連結するセンサチューブ及びバイパスチューブであって、前記主導管を通る流れが前記センサチューブ及び前記バイパスチューブを通して分割される、センサチューブ及びバイパスチューブと、
   前記センサチューブを加熱するための少なくとも一つのヒーター要素と、
   前記主導管の前記上流部分と前記センサチューブとの間に位置決めされた第１流れ制限器と、
   前記主導管の前記上流部分と前記バイパスチューブとの間に位置決めされた第２流れ制限器とを備えている、センサ。
2. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記第１及び第２の流れ制限器は、多孔質媒体を含む、センサ。
3. 請求項２に記載のセンサにおいて、
   前記多孔質媒体は、焼結金属を含む、センサ。
4. 請求項３に記載のセンサにおいて、
   前記焼結金属は、焼結前の平均粒径が２０μｍよりも小さい金属粉体から形成される、センサ。
5. 請求項４に記載のセンサにおいて、
   前記焼結要素の平均粒径は１０μｍよりも小さい、センサ。
6. 請求項３に記載のセンサにおいて、
   前記焼結金属の密度は、少なくとも５ｇ／ｃｃである、センサ。
7. 請求項３に記載のセンサにおいて、
   前記金属は、ステンレス鋼、ニッケル及びニッケル合金、及びチタニウムからなる群から選択される、センサ。
8. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記ヒーター要素は、上流抵抗コイル及び下流抵抗コイルを含む、センサ。
9. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記コイルは、ホイートストンブリッジに接続されている、センサ。
10. 請求項１に記載の流量センサを含む質量流量制御装置において、
    前記流量センサの主導管を通る質量流量を制御するためのバルブと、
    前記流量センサ及び前記バルブに接続されており、所望の流量を受け取るようにプログラムされており、前記所望の流量を、前記流量センサを使用して計測した実際の流量と比較し、前記実際の流量が前記所望の流量と等しくない場合には、前記実際の流量が前記所望の流量と等しくなるまでバルブを作動するプロセッサとを含む、質量流量制御装置。
11. 流体の流量を計測する方法において、
    上流部分及び下流部分を持つ主導管を提供する工程と、
    前記主導管の前記上流部分を、前記主導管の前記下流部分に、センサチューブ及びバイパスチューブを通して連結する工程であって、前記主導管を通る流れは、前記センサチューブ及び前記バイパスチューブを通して分割される、工程と、
    センサチューブを加熱する工程と、
    前記主導管の前記上流部分と前記センサチューブとの間の流れを第１流れ制限器を使用して制限する工程と、
    前記主導管の前記上流部分と前記バイパスチューブとの間の流れを第２流れ制限器を使用して制限する工程とを含む、方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、
    前記第１及び第２の多孔質は、多孔質媒体を含む、方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、
    前記多孔質媒体は、焼結金属を含む、方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、
    前記焼結金属は、焼結前の平均粒径が２０μｍよりも小さい金属粉体から形成される、方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、
    前記焼結要素の平均粒径は１０μｍよりも小さい、方法。
16. 請求項１３に記載の方法において、
    前記焼結金属の密度は、少なくとも５ｇ／ｃｃである、方法。
17. 請求項１３に記載の方法において、
    前記金属は、ステンレス鋼、ニッケル及びニッケル合金、及びチタニウムからなる群から選択される、方法。
18. 請求項１１に記載の方法において、
    前記センサチューブは、上流抵抗コイル及び下流抵抗コイルを使用して加熱される、方法。
19. 請求項１８に記載の方法において、
    前記コイルは、ホイートストンブリッジに接続されている、方法。
20. 流体の質量流量を制御するための方法において、
    流体の流れを受け入れるための主導管を提供する工程と、
    前記主導管の上流部分を前記主導管の下流部分にセンサチューブ及びバイパスチューブを通して連結する工程であって、前記主導管を通る流れは、前記センサチューブ及び前記バイパスチューブを通して分割される、工程と、
    前記主導管の上流部分と前記センサチューブとの間の流れを、多孔質媒体を含む第１流れ制限器を使用して制限する工程と、
    前記主導管の上流部分と前記バイパスチューブとの間の流れを、多孔質媒体を含む第２流れ制限器を使用して制限する工程と、
    所望の総質量流量を受け取る工程と、
    電圧較正データに対する既知の基準ガス流を使用して、前記センサチューブ及び前記バイパスチューブを通る質量流量を計測する工程と、
    所望の総質量流量を実際の総質量流量と比較する工程と、
    実際の質量流量が所望の質量流量と等しくなるまで、前記主導管をとおる流体の流量を調節する工程とを含む、方法。
21. 請求項２に記載のセンサにおいて、
    前記第１及び第２の多孔質媒体流れ制限器の透過性はほぼ同じである、センサ。
22. 請求項２に記載のセンサにおいて、
    前記第１及び第２の多孔質媒体流れ制限器の厚さはほぼ同じである、センサ。
23. 請求項２に記載のセンサにおいて、
    前記第１及び第２の多孔質媒体流れ制限器の流れ断面積はほぼ同じである、センサ。

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