JP3022931B2 - 気体マス・フロー測定システム - Google Patents
気体マス・フロー測定システムInfo
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- JP3022931B2 JP3022931B2 JP9519739A JP51973997A JP3022931B2 JP 3022931 B2 JP3022931 B2 JP 3022931B2 JP 9519739 A JP9519739 A JP 9519739A JP 51973997 A JP51973997 A JP 51973997A JP 3022931 B2 JP3022931 B2 JP 3022931B2
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- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
- G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
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- G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
- G01F1/78—Direct mass flowmeters
- G01F1/80—Direct mass flowmeters operating by measuring pressure, force, momentum, or frequency of a fluid flow to which a rotational movement has been imparted
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Description
発明の分野 本発明は、マス・フロー（質量の流れ、mass flow）
を測定しマス・フロー制御機器を較正する装置及び方法
に関する。更に詳しくは、気体搬送システムにおける気
体のマス・フローの直接的で正確な測定を得る装置及び
方法に関する。 発明の背景 測定された量の気体を搬送する際には、例えば、マス
・フロー・コントローラの精度を試験する又は較正する
場合などに気体を搬送するのに用いられる気体搬送シス
テムにおいて、気体の流れの条件を正確に測定できるこ
とが、望ましく、また、多くの場合、必要である。これ
を達成するための１つの方法としては、体積のわかって
いるチャンバの中の気体の温度と圧力との変化率を測定
し、その測定された値からマス・フローを計算すること
によるものである。このいわゆる「圧力上昇率」又は
「上昇率（rate of rise＝ROR）」法によると、気体の
流れは、マス・フロー計などの試験対象のデバイス（DU
T）を通って真空にされ体積の較正されたチャンバの中
に、測定された時間間隔Δｔ、生じる。チャンバの中の
気体の圧力変化（ΔＰ）と温度変化（ΔＴ）とが測定さ
れ、標準的な温度（T0）と圧力（P0）とに訂正される。
ここで用いている「標準」という用語は、273.15Kの
「絶対」温度と１気圧の「絶対」圧力として通常定義さ
れる「標準状態」を意味する。気体の流率（フロー・レ
ート）は、その場合には、既知の体積における時間当た
りの圧力変化（ΔP/Δｔ）と時間当たりの温度変化（Δ
T/Δｔ）とから計算することができる。 従って、上昇率法による気体の流れ測定装置は、典型
的には、測定された時間間隔の間の、チャンバの中の気
体の温度及び圧力変化を測定する別個の感知要素を含
む。そのような装置は、基本変数（体積、圧力、温度、
時間）の非常に正確な測定値を提供することができる。
実際に、それらの測定値は、気体フローの較正のための
基本的な基準となる標準として用いることができる。し
かし、気体フローのラインにおいて複数の測定デバイス
を用いることは、過剰な空間を必要とするし、そもそ
も、空間的な制約が非常に厳しいシステムにおいては、
実現が困難であるし、あるいは、端的に、実現的でな
い。更に、圧力と温度とを別個に測定する必要がある
と、ケーブル、コネクタ、アナログ、デジタル・コンバ
ータなどの追加的なハードウェアの使用が不可欠とな
り、従って、伝統的なROR気体フロー測定システムの複
雑性、サイズ、費用が増大するばかりである。また、圧
力と温度との独立の測定値から必要な計算を実行するに
は、追加的なソフトウェアのプログラミングも必要にな
る。 多くの気体搬送システムでは、実質的に理想気体とし
て振る舞う気体を用いている。換言すれば、それらの振
る舞いは、PV＝nRTとして表現される理想気体の法則に
従って正確に予測でき、モデル化が可能である。ただ
し、ここで、Ｐは圧力、Ｖは体積、ｎは気体のモル数、
Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。時間経過に伴う一
定の体積の実質的な理想気体の圧力変化と温度変化との
間の関係は、気体とは無関係に、一定である。従って、
この理想気体法則による関係は、質量ｎ、すなわち、チ
ャンバ内の気体のモル数を決定するのに用いることがで
きる。気体が理想気体とはいくぶん異なる振る舞いをす
るような状況では、時間経過に伴う圧力及び温度変化の
測定をより正確にするために、単純な補正ファクタを用
いればよい。 流体フローのラインにおいて用いてDUTに入り込む又
はそこから出てくる気体の量を決定するのに用いること
ができ、また、マス・フロー制御機器の較正に用いるこ
とができる測定装置を提供することには、意義がある。 発明の目的 従って、本発明の一般的な目的は、従来技術における
上述の短所を減少させる、又は、実質的に克服すること
である。 本発明の更に特定の目的は、気体フロー・ラインにお
いて複数の測定デバイスを用いる従来技術によるものと
比較して、流体搬送システムにおける気体のフローを直
接的かつ正確に測定し較正する、より低価格で、それほ
ど複雑でなく、よりコンパクトな装置及び方法を提供す
ることである。 本発明の別の目的は、圧力と温度との別個の測定を得
ることを不要にし、そのような別個の測定に関連するハ
ードウェア及びソフトウェアの必要性を減少させる装置
及び方法を提供することである。 本発明の更に別の目的は、流体搬送システムにおいて
流れている気体の温度、圧力及び体積を与える単一の出
力信号を提供する装置及び方法を提供することである。 本発明の更に別の目的は、平均気体フローを直接的に
表す単一の出力信号を提供する装置及び方法を提供する
ことである。 本発明の更に別の目的は、既存の流体搬送システムの
中に組み込むことが可能な気体フローの直接的でイン・
シトュ（in situ）な測定を得るための装置及び方法を
提供することである。 発明の概要 本発明は、気体が測定されるフロー媒体である流体搬
送システムにおいて気体の平均マス・フローを決定し較
正する比較的単純な装置及び方法を提供する。この装置
及び方法は、チャンバ内部の気体のモル数に比例し、従
って直接的に表す単一の出力信号を提供する。この際
に、数学的な計算は不要であり、また、圧力と温度とを
別個に測定することは不要である。 本発明のある特徴によると、本発明の上述の及びそれ
以外の目的は、単一のトランスデューサ・アセンブリを
用いる気体マス・フロー測定装置及び方法によって達成
される。この装置は、気体ソース（源）と、その気体ソ
ースと流体的に接続しているチャンバとを備えている。
チャンバは、気体インレット・ポートと、気体アウトレ
ット・ポートと、気体のフローへのポートを選択的に開
閉する弁アセンブリとを有する。チャンバは、既知の一
定の体積を有する。この装置は、気体ソースからチャン
バへの気体の制御されたフローを実現するフロー制御ア
センブリを較正するのにも用いられる。 トランスデューサ・アセンブリは、チャンバと流体的
に連絡している圧力トランスデューサと、圧力トランス
デューサと関連する信号修正デバイスとを組み合わせて
備えている。圧力トランスデューサは、チャンバの中の
気体の圧力を測定し、第１の信号を、体積が較正された
チャンバにおける気体の圧力の関数として、提供する。
信号修正デバイスが、第１の信号を修正して、チャンバ
内の気体のモル数の関数として、出力信号を生じさせ
る。 本発明のある実施例では、信号修正デバイスは、温度
感知性の抵抗要素を含む電圧分割（分圧）ネットワーク
を備えている。このネットワークは、入力端子と、グラ
ンドと、少なくとも１つの温度不感知性の抵抗要素と直
列に電気的に接続された少なくとも１つの温度感知性の
抵抗要素と、を有する。これらの抵抗要素は、入力端子
とグランドとの間に電気的に接続されている。出力端子
は、温度感知性の抵抗要素と温度不感知性の抵抗要素と
の間に位置している。このような構成により、ネットワ
ークからの出力信号の大きさは、チャンバ内の気体の温
度に対する、体積が構成されたチャンバ内の気体の圧力
の比率に比例する。 本発明のある特徴によると、温度感知性の抵抗要素
は、入力端子と出力端子との間に電気的に接続され、温
度不感知性の抵抗要素は、出力端子とグランドとの間に
電気的に接続される。 本発明の別の特徴によると、温度不感知性の抵抗要素
は、入力端子と出力端子との間に電気的に接続され、温
度感知性の抵抗要素は、出力端子とグランドとの間に電
気的に接続される。 電圧分割ネットワークの温度感知性の抵抗要素は、チ
ャナバ内の気体と熱的に接続している。 本発明の更に別の特徴によると、電圧分割ネットワー
クは、更に、出力信号をバッファするオプションのバッ
ファ要素を含む。 本発明の更に別の特徴によると、電圧分割ネットワー
クの温度不感知性の抵抗要素は、RF＝−RTCref（１−α
Tref）という関係によって定義される抵抗値RFを有す
る。ここで、温度感知性の抵抗要素は、RTC＝R
TCref（１＋α（Ｔ−Tref））という関係によって定義
される抵抗値RTCを有する。これらの式において、R
TCrefは、絶対基準温度Tref（Ｋ、ケルビン）における
温度感知性の抵抗要素の抵抗値であり、αは、温度感知
性の抵抗要素の温度抵抗係数（単位は、ppm/K）であ
り、Ｔは、チャンバ内の気体の絶対温度（Ｋ）である。 本発明のある実施例では、圧力トランスデューサは、
キャパシタンス・マノメータである。 本発明のこれらの及びそれ以外の目的及び効果は、以
下の記述から明らかになるはずである。本発明は、従っ
て、請求の範囲において範囲が明示されている以下の詳
細な開示内容において例示されている構成、構成要素の
組合せ及び部分の配列を有する装置を備えている。 図面の簡単な説明 本発明の本質及び目的をより完全に理解するために、
以下の詳細な説明においては、次の添付の図面を参照す
べきである。 図１は、本発明による装置の単純なブロック図であ
る。 図2A−2Dは、本発明による装置において用いられる信
号修正ネットワークの種々の実施例の回路図である。 図3A−3Cは、気体搬送システムにおける本発明による
装置の種々の構成の単純なブロック図である。 図4A−4Cは、図3A−3Cに概略が図解されている構成に
対応する機械的な構成を側面立体図である。 図面の詳細な説明 本発明は、気体のマス・フローの測定のための比較的
単純で、経済的で、空間効率のよい装置である。この技
術分野で広く知られているように、理想気体のフローが
体積が既知であり温度及び圧力が測定されているチュー
ナの中に生じる場合には、この気体のモル数によって測
定された質量は、次の式で表される理想気体法則のため
の状態方程式を用いて、直接的に決定することができ
る。
を測定しマス・フロー制御機器を較正する装置及び方法
に関する。更に詳しくは、気体搬送システムにおける気
体のマス・フローの直接的で正確な測定を得る装置及び
方法に関する。 発明の背景 測定された量の気体を搬送する際には、例えば、マス
・フロー・コントローラの精度を試験する又は較正する
場合などに気体を搬送するのに用いられる気体搬送シス
テムにおいて、気体の流れの条件を正確に測定できるこ
とが、望ましく、また、多くの場合、必要である。これ
を達成するための１つの方法としては、体積のわかって
いるチャンバの中の気体の温度と圧力との変化率を測定
し、その測定された値からマス・フローを計算すること
によるものである。このいわゆる「圧力上昇率」又は
「上昇率（rate of rise＝ROR）」法によると、気体の
流れは、マス・フロー計などの試験対象のデバイス（DU
T）を通って真空にされ体積の較正されたチャンバの中
に、測定された時間間隔Δｔ、生じる。チャンバの中の
気体の圧力変化（ΔＰ）と温度変化（ΔＴ）とが測定さ
れ、標準的な温度（T0）と圧力（P0）とに訂正される。
ここで用いている「標準」という用語は、273.15Kの
「絶対」温度と１気圧の「絶対」圧力として通常定義さ
れる「標準状態」を意味する。気体の流率（フロー・レ
ート）は、その場合には、既知の体積における時間当た
りの圧力変化（ΔP/Δｔ）と時間当たりの温度変化（Δ
T/Δｔ）とから計算することができる。 従って、上昇率法による気体の流れ測定装置は、典型
的には、測定された時間間隔の間の、チャンバの中の気
体の温度及び圧力変化を測定する別個の感知要素を含
む。そのような装置は、基本変数（体積、圧力、温度、
時間）の非常に正確な測定値を提供することができる。
実際に、それらの測定値は、気体フローの較正のための
基本的な基準となる標準として用いることができる。し
かし、気体フローのラインにおいて複数の測定デバイス
を用いることは、過剰な空間を必要とするし、そもそ
も、空間的な制約が非常に厳しいシステムにおいては、
実現が困難であるし、あるいは、端的に、実現的でな
い。更に、圧力と温度とを別個に測定する必要がある
と、ケーブル、コネクタ、アナログ、デジタル・コンバ
ータなどの追加的なハードウェアの使用が不可欠とな
り、従って、伝統的なROR気体フロー測定システムの複
雑性、サイズ、費用が増大するばかりである。また、圧
力と温度との独立の測定値から必要な計算を実行するに
は、追加的なソフトウェアのプログラミングも必要にな
る。 多くの気体搬送システムでは、実質的に理想気体とし
て振る舞う気体を用いている。換言すれば、それらの振
る舞いは、PV＝nRTとして表現される理想気体の法則に
従って正確に予測でき、モデル化が可能である。ただ
し、ここで、Ｐは圧力、Ｖは体積、ｎは気体のモル数、
Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。時間経過に伴う一
定の体積の実質的な理想気体の圧力変化と温度変化との
間の関係は、気体とは無関係に、一定である。従って、
この理想気体法則による関係は、質量ｎ、すなわち、チ
ャンバ内の気体のモル数を決定するのに用いることがで
きる。気体が理想気体とはいくぶん異なる振る舞いをす
るような状況では、時間経過に伴う圧力及び温度変化の
測定をより正確にするために、単純な補正ファクタを用
いればよい。 流体フローのラインにおいて用いてDUTに入り込む又
はそこから出てくる気体の量を決定するのに用いること
ができ、また、マス・フロー制御機器の較正に用いるこ
とができる測定装置を提供することには、意義がある。 発明の目的 従って、本発明の一般的な目的は、従来技術における
上述の短所を減少させる、又は、実質的に克服すること
である。 本発明の更に特定の目的は、気体フロー・ラインにお
いて複数の測定デバイスを用いる従来技術によるものと
比較して、流体搬送システムにおける気体のフローを直
接的かつ正確に測定し較正する、より低価格で、それほ
ど複雑でなく、よりコンパクトな装置及び方法を提供す
ることである。 本発明の別の目的は、圧力と温度との別個の測定を得
ることを不要にし、そのような別個の測定に関連するハ
ードウェア及びソフトウェアの必要性を減少させる装置
及び方法を提供することである。 本発明の更に別の目的は、流体搬送システムにおいて
流れている気体の温度、圧力及び体積を与える単一の出
力信号を提供する装置及び方法を提供することである。 本発明の更に別の目的は、平均気体フローを直接的に
表す単一の出力信号を提供する装置及び方法を提供する
ことである。 本発明の更に別の目的は、既存の流体搬送システムの
中に組み込むことが可能な気体フローの直接的でイン・
シトュ（in situ）な測定を得るための装置及び方法を
提供することである。 発明の概要 本発明は、気体が測定されるフロー媒体である流体搬
送システムにおいて気体の平均マス・フローを決定し較
正する比較的単純な装置及び方法を提供する。この装置
及び方法は、チャンバ内部の気体のモル数に比例し、従
って直接的に表す単一の出力信号を提供する。この際
に、数学的な計算は不要であり、また、圧力と温度とを
別個に測定することは不要である。 本発明のある特徴によると、本発明の上述の及びそれ
以外の目的は、単一のトランスデューサ・アセンブリを
用いる気体マス・フロー測定装置及び方法によって達成
される。この装置は、気体ソース（源）と、その気体ソ
ースと流体的に接続しているチャンバとを備えている。
チャンバは、気体インレット・ポートと、気体アウトレ
ット・ポートと、気体のフローへのポートを選択的に開
閉する弁アセンブリとを有する。チャンバは、既知の一
定の体積を有する。この装置は、気体ソースからチャン
バへの気体の制御されたフローを実現するフロー制御ア
センブリを較正するのにも用いられる。 トランスデューサ・アセンブリは、チャンバと流体的
に連絡している圧力トランスデューサと、圧力トランス
デューサと関連する信号修正デバイスとを組み合わせて
備えている。圧力トランスデューサは、チャンバの中の
気体の圧力を測定し、第１の信号を、体積が較正された
チャンバにおける気体の圧力の関数として、提供する。
信号修正デバイスが、第１の信号を修正して、チャンバ
内の気体のモル数の関数として、出力信号を生じさせ
る。 本発明のある実施例では、信号修正デバイスは、温度
感知性の抵抗要素を含む電圧分割（分圧）ネットワーク
を備えている。このネットワークは、入力端子と、グラ
ンドと、少なくとも１つの温度不感知性の抵抗要素と直
列に電気的に接続された少なくとも１つの温度感知性の
抵抗要素と、を有する。これらの抵抗要素は、入力端子
とグランドとの間に電気的に接続されている。出力端子
は、温度感知性の抵抗要素と温度不感知性の抵抗要素と
の間に位置している。このような構成により、ネットワ
ークからの出力信号の大きさは、チャンバ内の気体の温
度に対する、体積が構成されたチャンバ内の気体の圧力
の比率に比例する。 本発明のある特徴によると、温度感知性の抵抗要素
は、入力端子と出力端子との間に電気的に接続され、温
度不感知性の抵抗要素は、出力端子とグランドとの間に
電気的に接続される。 本発明の別の特徴によると、温度不感知性の抵抗要素
は、入力端子と出力端子との間に電気的に接続され、温
度感知性の抵抗要素は、出力端子とグランドとの間に電
気的に接続される。 電圧分割ネットワークの温度感知性の抵抗要素は、チ
ャナバ内の気体と熱的に接続している。 本発明の更に別の特徴によると、電圧分割ネットワー
クは、更に、出力信号をバッファするオプションのバッ
ファ要素を含む。 本発明の更に別の特徴によると、電圧分割ネットワー
クの温度不感知性の抵抗要素は、RF＝−RTCref（１−α
Tref）という関係によって定義される抵抗値RFを有す
る。ここで、温度感知性の抵抗要素は、RTC＝R
TCref（１＋α（Ｔ−Tref））という関係によって定義
される抵抗値RTCを有する。これらの式において、R
TCrefは、絶対基準温度Tref（Ｋ、ケルビン）における
温度感知性の抵抗要素の抵抗値であり、αは、温度感知
性の抵抗要素の温度抵抗係数（単位は、ppm/K）であ
り、Ｔは、チャンバ内の気体の絶対温度（Ｋ）である。 本発明のある実施例では、圧力トランスデューサは、
キャパシタンス・マノメータである。 本発明のこれらの及びそれ以外の目的及び効果は、以
下の記述から明らかになるはずである。本発明は、従っ
て、請求の範囲において範囲が明示されている以下の詳
細な開示内容において例示されている構成、構成要素の
組合せ及び部分の配列を有する装置を備えている。 図面の簡単な説明 本発明の本質及び目的をより完全に理解するために、
以下の詳細な説明においては、次の添付の図面を参照す
べきである。 図１は、本発明による装置の単純なブロック図であ
る。 図2A−2Dは、本発明による装置において用いられる信
号修正ネットワークの種々の実施例の回路図である。 図3A−3Cは、気体搬送システムにおける本発明による
装置の種々の構成の単純なブロック図である。 図4A−4Cは、図3A−3Cに概略が図解されている構成に
対応する機械的な構成を側面立体図である。 図面の詳細な説明 本発明は、気体のマス・フローの測定のための比較的
単純で、経済的で、空間効率のよい装置である。この技
術分野で広く知られているように、理想気体のフローが
体積が既知であり温度及び圧力が測定されているチュー
ナの中に生じる場合には、この気体のモル数によって測
定された質量は、次の式で表される理想気体法則のため
の状態方程式を用いて、直接的に決定することができ
る。
【数１】 ｎ＝PV/RT ただし、この数１では、ｎはチャンバ内の気体の質量
（モル数）、Ｐはチャンバ内の気体の圧力（Torr）、Ｖ
はチャンバの体積（リットル）、Ｒは気体定数、そして
Ｔはチャンバ内の気体の温度である（Ｋ）。 本発明の装置は、この比率の大きさを直接的に決定
し、信号エネルギの単位当たりの与えられた理想気体の
標準的な体積（例えば、ボルト当たりの気体のモル数）
を直接的に表す電気信号を提供する便利な手段を提供す
る。 本発明による装置10の概要が、図１に図解されてい
る。気体ソース（源）12が、流体搬送システムにおいて
提供されている。気体ソース12は、図１ではマス・フロ
ー・コントローラとして図解されているDUT24と流体的
に接続し、DUTは、チャンバ14と流体的に接続してい
る。チャンバは、既知の一定の体積Ｖを有し、気体イン
レットと出口ポート16、18とを有している。ポート16、
18は、弁要素20、22によって、気体フローに対して選択
的に開閉することができる。弁要素は、システム・コン
トローラ28によって制御されている。 圧力トランスデューサ30は、チャンバ14と流体的に連
絡している。トランスデューサ30は、トランスデューサ
によって測定された気体圧力を表し、それに好ましくは
比例する電圧出力（V1）を提供する。信号修正デバイス
32が、圧力トランスデューサ30の電気的出力に接続され
ており、チャンバ内の気体と熱的に接触しており後によ
り詳細に論じるようにチャンバ14内の気体の感知された
温度を表す信号を提供する温度感知手段を含む。これ
は、好ましくは、温度感知性の抵抗要素38（RTC）の形
態を有する。図１に示されているように、チャンバ中の
気体が理想的であると仮定すると、圧力トランスデュー
サ30と信号修正デバイス32との組合せは、ｎ又はPV/RT
を直接に表す信号を提供する組み合わせられたトランス
デューサ・アセンブリ31である。 圧力トランスデューサ30は、例えば、任意の比較的高
精度の圧力ゲージであり得る。好適な圧力感知デバイス
は、測定されている気体圧力に応答する可動の金属ダイ
アフラムを用いるタイプのキャパシタンス・マノメータ
である。このマノメータにおいては、電気的キャパシタ
の２枚のプレートの一方が上述の可動金属ダイアフラム
であり、他方のプレートは固定されている。ダイアフラ
ムの反対側への圧力の変化によって、ダイアフラムは、
固定されたプレートの方向に関して移動し、それによっ
て、プレートの電気的キャパシタンスの変化を、従っ
て、圧力の変化を示す電気信号が生じる。しかし、圧力
の変化に応答してのダイアフラムの移動は、比較的小さ
く、従って、チャンバ14の体積にはそれほどの影響を及
ぼさない。好適なキャパシタンス・マノメータは、例え
ば10から100torrの範囲の圧力を測定する。１から100to
rrや0.1から10torrなどのそれ以外の圧力測定範囲も、
望むのであれば、異なる範囲のキャパシタンス・マノメ
ータを用いることによって、得ることができる。明らか
に、例えば、抵抗ブリッジを用いるマノメータなどの別
のタイプの圧力測定デバイスを用いることもできる。 好適な信号修正デバイス32は、電圧分割ネットワーク
35を備えており、その様々な実施例が、図2A−2Dに図解
されている。電圧分割ネットワーク35は、入力端子34
と、グランド36への接続と、入力端子34とグランド36と
の間にあり少なくとも１つの温度不感知性の又は固定さ
れた抵抗要素40（RF）と直列に電気的に接続された少な
くとも１つの温度感知性の抵抗要素38（RTC）と、を含
む。出力端子42は、抵抗要素38と抵抗要素40との間に位
置する。 チャンバ14内部の気体の温度は、温度感知性の抵抗要
素38を用いて推論により測定される。温度感知性の抵抗
要素38は、温度感知性の抵抗、集積回路素子、サーミス
タ、又はこの技術分野で既知であるそれ以外の温度応答
性のデバイスであり得る。温度感知性の抵抗要素38は、
チャンバ14内の気体と熱的に連絡するように実装されて
いる。これは、例えば、この温度感知性の抵抗要素38
を、圧力トランスデューサ30の圧力感知部分の上に直接
に実装し、それにより、抵抗要素38が圧力センサ内の気
体と熱的に接触するようにすることによって、達成され
る。抵抗要素38と圧力トランスデューサ30との間の接続
は、例えば、熱伝導性を有するエポキシ又はそれ以外の
ボンディング材料を用いてなされる。また、抵抗要素38
は、例えば、チャンバ14の中で、インレット又はアウト
レット・ポートに配置して、チャンバには有限の長さの
ライン又はチューブを接続させ、又は、抵抗要素がチャ
ンバ14内の気体の温度を信頼性をもって測定することが
できる限りにおいて任意の位置に配置することもでき
る。 図2Aでは、温度感知性の抵抗要素38は、入力端子34と
出力端子42との間に電気的に接続されている。固定され
た抵抗要素40は、出力端子42とグランド36との間に電気
的に接続されている。この構成が好ましいのは、抵抗値
に関する正の温度係数を有する温度感知性の抵抗要素が
用いられるときである。この抵抗要素の抵抗値は、温度
と共に直接に（正比例して）変動し、温度の上昇と共に
増大し、温度の低下と共に減少する。抵抗要素38と接触
する気体の温度が上昇すると、その抵抗値は増大する。
固定された感知性抵抗要素40の両端に現れる出力電圧V2
の大きさは、従って、減少するが、これは、全体的な信
号電圧のより大きな部分が、温度感知性の抵抗要素38の
両端で降下するからである。 図2Bには、温度感知性の抵抗要素38と固定された抵抗
要素40との位置が、図2Aの場合とは反転している。この
構成が好ましいのは、抵抗値に関する負の温度係数を有
する温度感知性の抵抗要素が用いられるときである。こ
の抵抗要素の抵抗値は、温度に反比例して変動し、温度
が低下すると増大し、温度の上昇すると減少する。抵抗
要素38と接触する気体の温度が上昇すると、その抵抗値
は減少する。抵抗要素38の両端に現れる出力電圧V2の大
きさは、従って、増大するが、これは、全体的な信号電
圧のより小さな部分が、温度感知性の抵抗要素38の両端
で降下するからである。 図2Cでは、電圧分割ネットワーク35は、更に、出力信
号を測定するのに用いられるデバイスによって出力信号
から電流が引き出される場合に出力信号V2をバッファす
るオプションのバッファ回路44を含んでいる。バッファ
回路44は、演算増幅器46を含み、その非反転入力が電圧
分割ネットワークの出力端子42に接続され、反転入力が
増幅器の出力に接続されている。図2Cの抵抗要素40の両
端の電圧（又は、２つの要素が反転された場合には抵抗
要素38の両端の電圧）は、演算増幅器46の非反転入力端
子に印加され、出力電圧V2が出力される。出力信号V2は
また、演算増幅器46の反転入力端子に印加され、それに
より、出力信号V2を正確な値に維持するのに必要な電流
を供給する。 図2Dでは、出力電圧は、オプショナルな反転ネットワ
ーク48によってバッファされ反転される。ネットワーク
48は、固定された抵抗要素40と並列に電気的に接続され
た演算増幅器46を含み、それにより、固定された抵抗要
素40は、端子の反転入力及び出力との間にフィードバッ
ク抵抗を形成する。増幅器の非反転入力端子は、グラン
ド36に接続されている。圧力トランスデューサ30からの
出力電圧V1は、演算増幅器46の抵抗要素38と反転入力と
の間に印加される。反転ネットワーク48は、出力信号V2
の極性を、第１の（入力）信号V1の極性に対して、反転
させる。 温度感知性の抵抗要素38は、電圧分割ネットワーク35
の一部分を形成し、固定された抵抗要素40が、ネットワ
ークの第２の部分を形成する。この技術分野において広
く知られているように、電圧分割ネットワークからの出
力信号は、両方の抵抗要素の間の全電圧の一部を表す。
可変抵抗要素（すなわち、温度感知性の抵抗要素38）
は、このようにして、出力信号の大きさを変動させる。
本発明による装置における電圧分割ネットワーク35は、
約０−12ボルトDCの範囲の入力信号V1を受け取り、約０
−５ボルトDCの範囲の出力信号V2を提供する。これは、
明らかに、電圧供給、圧力トランスデューサ及び用いら
れている抵抗要素に依存して変動し得る。 本発明の装置では、チャンバ14の体積は、既知であ
り、従って、圧力トランスデューサ30からの第１の信号
V1と信号修正デバイス32からの出力信号V2とによって表
される圧力及び温度測定値とは無関係に一定であると仮
定することができる。チャンバの体積は、任意の所望の
値でよく、例えば、0.03リットルから0.1リットル、更
にはそれより大きな値までの範囲をとることができる。
例えば、0.03リットルの体積を有するチャンバを作るに
は、長さが４インチで直径が１インチのチューブのそれ
ぞれの端部の中心に1/4インチのスタブ（stubs）を溶接
したものを用いることができる。例えば、0.10リットル
の体積を有するチャンバを作るには、長さが４インチで
直径で1.5インチのチューブを用いることができる。こ
れ以外の希望する体積のチャンバも、適切な長さと直径
とを有するチューブを用いて同様に作ることができる。 上述の数式１に示した理想気体法則によると、気体の
モル数ｎは、比率PV/Tに比例する。Ｔに関するｎの偏導
関数（∂n/∂Ｔ）は、Ｔの２乗に反比例して変動するこ
とが知られている。従って、チャンバ内の気体の振る舞
いを気体の変化する温度の関数としてモデル化するに
は、体積Ｖを一定、圧力Ｐを一定と仮定して、信号修正
デバイス32は、チャンバ14内の気体の温度がｎが変動す
るのと同じように変動する出力信号を提供する。出力信
号は、このように、チャンバ内の気体のモル数を直接に
表すことになる。 再び図2A−2Dを参照すると、電圧V1は、測定された圧
力（Ｐ）の関数として変動し、それによって、電圧V
1は、積PVを表すものと考えることができる。これは、
チャンバ14の体積であるＶは気体の圧力及び温度とは関
係なく一定であるからである。電圧V1は、温度感知性の
抵抗要素38の抵抗値の関数として修正されるが、これ
は、既に述べたように、気体の温度の関数であり、従っ
て、出力電圧V2は、チャンバ内の気体の温度、体積及び
圧力を示すことになる。出力電圧V2は、このように、チ
ャンバ内の気体のモル数ｎを直接に表す。 本発明による信号修正デバイスにおいては、固定され
た抵抗要素40（RF）の抵抗値は、絶対基準温度Trefにお
ける温度感知性の抵抗要素38（RTCref）の抵抗値を用い
て定義される。 温度感知性の抵抗要素38は、与えられた絶対温度Ｔで
は、次の式で定義される抵抗値RTCを有する。
（モル数）、Ｐはチャンバ内の気体の圧力（Torr）、Ｖ
はチャンバの体積（リットル）、Ｒは気体定数、そして
Ｔはチャンバ内の気体の温度である（Ｋ）。 本発明の装置は、この比率の大きさを直接的に決定
し、信号エネルギの単位当たりの与えられた理想気体の
標準的な体積（例えば、ボルト当たりの気体のモル数）
を直接的に表す電気信号を提供する便利な手段を提供す
る。 本発明による装置10の概要が、図１に図解されてい
る。気体ソース（源）12が、流体搬送システムにおいて
提供されている。気体ソース12は、図１ではマス・フロ
ー・コントローラとして図解されているDUT24と流体的
に接続し、DUTは、チャンバ14と流体的に接続してい
る。チャンバは、既知の一定の体積Ｖを有し、気体イン
レットと出口ポート16、18とを有している。ポート16、
18は、弁要素20、22によって、気体フローに対して選択
的に開閉することができる。弁要素は、システム・コン
トローラ28によって制御されている。 圧力トランスデューサ30は、チャンバ14と流体的に連
絡している。トランスデューサ30は、トランスデューサ
によって測定された気体圧力を表し、それに好ましくは
比例する電圧出力（V1）を提供する。信号修正デバイス
32が、圧力トランスデューサ30の電気的出力に接続され
ており、チャンバ内の気体と熱的に接触しており後によ
り詳細に論じるようにチャンバ14内の気体の感知された
温度を表す信号を提供する温度感知手段を含む。これ
は、好ましくは、温度感知性の抵抗要素38（RTC）の形
態を有する。図１に示されているように、チャンバ中の
気体が理想的であると仮定すると、圧力トランスデュー
サ30と信号修正デバイス32との組合せは、ｎ又はPV/RT
を直接に表す信号を提供する組み合わせられたトランス
デューサ・アセンブリ31である。 圧力トランスデューサ30は、例えば、任意の比較的高
精度の圧力ゲージであり得る。好適な圧力感知デバイス
は、測定されている気体圧力に応答する可動の金属ダイ
アフラムを用いるタイプのキャパシタンス・マノメータ
である。このマノメータにおいては、電気的キャパシタ
の２枚のプレートの一方が上述の可動金属ダイアフラム
であり、他方のプレートは固定されている。ダイアフラ
ムの反対側への圧力の変化によって、ダイアフラムは、
固定されたプレートの方向に関して移動し、それによっ
て、プレートの電気的キャパシタンスの変化を、従っ
て、圧力の変化を示す電気信号が生じる。しかし、圧力
の変化に応答してのダイアフラムの移動は、比較的小さ
く、従って、チャンバ14の体積にはそれほどの影響を及
ぼさない。好適なキャパシタンス・マノメータは、例え
ば10から100torrの範囲の圧力を測定する。１から100to
rrや0.1から10torrなどのそれ以外の圧力測定範囲も、
望むのであれば、異なる範囲のキャパシタンス・マノメ
ータを用いることによって、得ることができる。明らか
に、例えば、抵抗ブリッジを用いるマノメータなどの別
のタイプの圧力測定デバイスを用いることもできる。 好適な信号修正デバイス32は、電圧分割ネットワーク
35を備えており、その様々な実施例が、図2A−2Dに図解
されている。電圧分割ネットワーク35は、入力端子34
と、グランド36への接続と、入力端子34とグランド36と
の間にあり少なくとも１つの温度不感知性の又は固定さ
れた抵抗要素40（RF）と直列に電気的に接続された少な
くとも１つの温度感知性の抵抗要素38（RTC）と、を含
む。出力端子42は、抵抗要素38と抵抗要素40との間に位
置する。 チャンバ14内部の気体の温度は、温度感知性の抵抗要
素38を用いて推論により測定される。温度感知性の抵抗
要素38は、温度感知性の抵抗、集積回路素子、サーミス
タ、又はこの技術分野で既知であるそれ以外の温度応答
性のデバイスであり得る。温度感知性の抵抗要素38は、
チャンバ14内の気体と熱的に連絡するように実装されて
いる。これは、例えば、この温度感知性の抵抗要素38
を、圧力トランスデューサ30の圧力感知部分の上に直接
に実装し、それにより、抵抗要素38が圧力センサ内の気
体と熱的に接触するようにすることによって、達成され
る。抵抗要素38と圧力トランスデューサ30との間の接続
は、例えば、熱伝導性を有するエポキシ又はそれ以外の
ボンディング材料を用いてなされる。また、抵抗要素38
は、例えば、チャンバ14の中で、インレット又はアウト
レット・ポートに配置して、チャンバには有限の長さの
ライン又はチューブを接続させ、又は、抵抗要素がチャ
ンバ14内の気体の温度を信頼性をもって測定することが
できる限りにおいて任意の位置に配置することもでき
る。 図2Aでは、温度感知性の抵抗要素38は、入力端子34と
出力端子42との間に電気的に接続されている。固定され
た抵抗要素40は、出力端子42とグランド36との間に電気
的に接続されている。この構成が好ましいのは、抵抗値
に関する正の温度係数を有する温度感知性の抵抗要素が
用いられるときである。この抵抗要素の抵抗値は、温度
と共に直接に（正比例して）変動し、温度の上昇と共に
増大し、温度の低下と共に減少する。抵抗要素38と接触
する気体の温度が上昇すると、その抵抗値は増大する。
固定された感知性抵抗要素40の両端に現れる出力電圧V2
の大きさは、従って、減少するが、これは、全体的な信
号電圧のより大きな部分が、温度感知性の抵抗要素38の
両端で降下するからである。 図2Bには、温度感知性の抵抗要素38と固定された抵抗
要素40との位置が、図2Aの場合とは反転している。この
構成が好ましいのは、抵抗値に関する負の温度係数を有
する温度感知性の抵抗要素が用いられるときである。こ
の抵抗要素の抵抗値は、温度に反比例して変動し、温度
が低下すると増大し、温度の上昇すると減少する。抵抗
要素38と接触する気体の温度が上昇すると、その抵抗値
は減少する。抵抗要素38の両端に現れる出力電圧V2の大
きさは、従って、増大するが、これは、全体的な信号電
圧のより小さな部分が、温度感知性の抵抗要素38の両端
で降下するからである。 図2Cでは、電圧分割ネットワーク35は、更に、出力信
号を測定するのに用いられるデバイスによって出力信号
から電流が引き出される場合に出力信号V2をバッファす
るオプションのバッファ回路44を含んでいる。バッファ
回路44は、演算増幅器46を含み、その非反転入力が電圧
分割ネットワークの出力端子42に接続され、反転入力が
増幅器の出力に接続されている。図2Cの抵抗要素40の両
端の電圧（又は、２つの要素が反転された場合には抵抗
要素38の両端の電圧）は、演算増幅器46の非反転入力端
子に印加され、出力電圧V2が出力される。出力信号V2は
また、演算増幅器46の反転入力端子に印加され、それに
より、出力信号V2を正確な値に維持するのに必要な電流
を供給する。 図2Dでは、出力電圧は、オプショナルな反転ネットワ
ーク48によってバッファされ反転される。ネットワーク
48は、固定された抵抗要素40と並列に電気的に接続され
た演算増幅器46を含み、それにより、固定された抵抗要
素40は、端子の反転入力及び出力との間にフィードバッ
ク抵抗を形成する。増幅器の非反転入力端子は、グラン
ド36に接続されている。圧力トランスデューサ30からの
出力電圧V1は、演算増幅器46の抵抗要素38と反転入力と
の間に印加される。反転ネットワーク48は、出力信号V2
の極性を、第１の（入力）信号V1の極性に対して、反転
させる。 温度感知性の抵抗要素38は、電圧分割ネットワーク35
の一部分を形成し、固定された抵抗要素40が、ネットワ
ークの第２の部分を形成する。この技術分野において広
く知られているように、電圧分割ネットワークからの出
力信号は、両方の抵抗要素の間の全電圧の一部を表す。
可変抵抗要素（すなわち、温度感知性の抵抗要素38）
は、このようにして、出力信号の大きさを変動させる。
本発明による装置における電圧分割ネットワーク35は、
約０−12ボルトDCの範囲の入力信号V1を受け取り、約０
−５ボルトDCの範囲の出力信号V2を提供する。これは、
明らかに、電圧供給、圧力トランスデューサ及び用いら
れている抵抗要素に依存して変動し得る。 本発明の装置では、チャンバ14の体積は、既知であ
り、従って、圧力トランスデューサ30からの第１の信号
V1と信号修正デバイス32からの出力信号V2とによって表
される圧力及び温度測定値とは無関係に一定であると仮
定することができる。チャンバの体積は、任意の所望の
値でよく、例えば、0.03リットルから0.1リットル、更
にはそれより大きな値までの範囲をとることができる。
例えば、0.03リットルの体積を有するチャンバを作るに
は、長さが４インチで直径が１インチのチューブのそれ
ぞれの端部の中心に1/4インチのスタブ（stubs）を溶接
したものを用いることができる。例えば、0.10リットル
の体積を有するチャンバを作るには、長さが４インチで
直径で1.5インチのチューブを用いることができる。こ
れ以外の希望する体積のチャンバも、適切な長さと直径
とを有するチューブを用いて同様に作ることができる。 上述の数式１に示した理想気体法則によると、気体の
モル数ｎは、比率PV/Tに比例する。Ｔに関するｎの偏導
関数（∂n/∂Ｔ）は、Ｔの２乗に反比例して変動するこ
とが知られている。従って、チャンバ内の気体の振る舞
いを気体の変化する温度の関数としてモデル化するに
は、体積Ｖを一定、圧力Ｐを一定と仮定して、信号修正
デバイス32は、チャンバ14内の気体の温度がｎが変動す
るのと同じように変動する出力信号を提供する。出力信
号は、このように、チャンバ内の気体のモル数を直接に
表すことになる。 再び図2A−2Dを参照すると、電圧V1は、測定された圧
力（Ｐ）の関数として変動し、それによって、電圧V
1は、積PVを表すものと考えることができる。これは、
チャンバ14の体積であるＶは気体の圧力及び温度とは関
係なく一定であるからである。電圧V1は、温度感知性の
抵抗要素38の抵抗値の関数として修正されるが、これ
は、既に述べたように、気体の温度の関数であり、従っ
て、出力電圧V2は、チャンバ内の気体の温度、体積及び
圧力を示すことになる。出力電圧V2は、このように、チ
ャンバ内の気体のモル数ｎを直接に表す。 本発明による信号修正デバイスにおいては、固定され
た抵抗要素40（RF）の抵抗値は、絶対基準温度Trefにお
ける温度感知性の抵抗要素38（RTCref）の抵抗値を用い
て定義される。 温度感知性の抵抗要素38は、与えられた絶対温度Ｔで
は、次の式で定義される抵抗値RTCを有する。
【数２】 RTC＝RTCref（１＋α（Ｔ−Tref）） ここで、RTCrefは、基準温度Tref（Ｋ）における温度
感知性の抵抗要素38の抵抗値であり、αは、温度感知性
の抵抗要素38の温度抵抗係数（抵抗値の温度係数、temp
erature coefficient of resistance）（ppm/K）であ
り、Ｔは、チャンバにおける気体の絶対温度（Ｋ）であ
って温度感知性の抵抗要素の抵抗値の変化から推測され
るものである。 チャンバ内の気体の温度を適切に与える出力信号V2を
提供するに、固定された抵抗要素40は、次の数式で定義
される抵抗値RFを有する。
感知性の抵抗要素38の抵抗値であり、αは、温度感知性
の抵抗要素38の温度抵抗係数（抵抗値の温度係数、temp
erature coefficient of resistance）（ppm/K）であ
り、Ｔは、チャンバにおける気体の絶対温度（Ｋ）であ
って温度感知性の抵抗要素の抵抗値の変化から推測され
るものである。 チャンバ内の気体の温度を適切に与える出力信号V2を
提供するに、固定された抵抗要素40は、次の数式で定義
される抵抗値RFを有する。
【数３】 RF＝−RTFref（１−αTref） 好適実施例では、温度感知性の抵抗要素38は、絶対基
準温度293Kでは、約6000ppm/Kの抵抗温度係数と、約500
0Ωの抵抗値とを有する。固定された抵抗要素RFの値
は、上の数式３から、約3800Ωと決定することができ
る。 トランスデューサ・アセンブリ31からの出力信号V
2は、任意の時点で測定することができ、チャンバ内の
気体の量に関する直接的な情報を提供する。その理由
は、この信号が、圧力及び電圧の変化に対するほとんど
瞬間的な応答であるからであるが、これは、トランスデ
ューサ・アセンブリの成分の応答時間に左右される。ト
ランスデューサ及び温度感知性の抵抗要素の圧力及び温
度の変化それぞれに対する応答や、用いられる場合に
は、増幅器46のスルー・レート（slew rate）などもそ
の例である。更に、出力信号V2は、任意の時点で測定で
き、時間間隔の間での平均の気体フローに関する情報を
提供する。例えば、初期時刻t0においては、出力信号V
2(0)は、時刻t0における体積較正されたチャンバ内の気
体の温度及び圧力条件T0、P0を表す。後の時刻t1では、
出力信号V2(1)は、時間t1における体積較正されたチャ
ンバ内の気体の温度及び圧力条件T1、P1を表す。これら
の測定値は、時間間隔t1−t0の間の気体の平均フローを
計算するのに用いることができる（例えば、秒当たりの
モル数、分当たりの標準的な立法センチメートル、又
は、時間単位当たりの気体の便利な標準的な体積単位な
ど）。 DUTを通過する実質的に理想的な気体の体積フローの
決定は、気体のタイプに依存しないことに注意すべきで
ある。実質的な理想気体の１モルは、気体のタイプとは
関係なく、気体の22.4標準リットルである。しかし、DU
Tを通過する実質的な理想気体の質量（単位はグラム）
の決定は、測定されている特定の気体の関数である。従
って、気体体積の標準単位ではなくその質量によって、
出力信号V2によって直接的に示されるDUTを通過する気
体フローを表すことを望む場合には、測定されている特
定の気体に関する変換ファクタが必要となる。 図3A−3Cは、気体搬送システムにおける気体フローを
測定しそのシステムを較正するのに用いられる、本発明
による装置の様々な構成の概要が図解されている。図4A
−4Cは、図3A−3Cに示されているものに対応する機械的
な構成が図解されている。 図3A−4Aには、「ダウンストリーム・インライン」構
成が示されている。気体のフローは、気体フロー・ライ
ンを通過して、マス・フロー・コントローラとして図解
されているDUT24から下流にある体積較正されたチャン
バ14（Ｖ）の中に生じている。チャンバ14は、気体フロ
ー・ライン50の直接的な拡張であり、又は、ティー51を
用いて、気体フロー・ラインに接続されている。トラン
スデューサ・アセンブリ31は、チャンバ14の下流にある
気体フロー・ライン50に接続され、シャットオフ弁20及
び22が、トランスデューサ・アセンブリ31の上流及び下
流にそれぞれ位置する気体フロー・ラインに配置され、
体積Ｖを一定に維持している。図4Aは、この設計の機械
的な類似物を図解している。 図3B及び図4Bには、「ダウンストリーム・アペンダー
ジ」構成が示されている。気体フローは、マス・フロー
・コントローラとして図解されているDUT24の下流にあ
る体積較正されたチャンバ14の中に生じている。チャン
バ14は、ティー51と体積Ｖを一定に保つためにそれぞれ
の測定に対して閉じることができるシャットオフ弁20と
を用いて、メインの気体フロー・ラインに接続すること
ができる。トランスデューサ・アセンブリ31は、チャン
バ14と流体的に接続しているが、気体フロー・ラインの
中にはない。シャットオフ弁22が、チャンバ14の下流に
配置されている。図4Bは、この設計の機械的な類似物を
図解している。この構成は、図4Aのインライン構成より
もフットプリントが短いので、レトロフィット（retrof
it）の応用例では、実現がより容易でありより経済的で
あるために好まれる。しかし、チャンバ14とトランスデ
ューサ・アセンブリ31とのパージング（purging）がイ
ンライン設計の場合ほどには容易でも効果的でもないの
で、気体の汚染が生じる虞がある。 図3C及び4Cには、「ダウンストリーム・バイパス」構
成が示されている。気体フローは、マス・フロー・コン
トローラとして図解されているDUT24を介して、バイパ
スのエル54の中に生じ、エル54は、体積Ｖを一定にする
ためにそれぞれの測定に対して閉じることができる上流
及び下流のシャットオフ弁20及び22によって制御される
バイパス回路53に至る。体積較正されたチャンバ14とト
ランスデューサ・アセンブリ31とは、シャットオフ弁の
間にあるバイパス回路53に存在する。第３のシャットオ
フ弁52が、メインの気体フロー・ラインに配置され、バ
イパス回路におけるシャットオフ弁20及び22とタンデム
に動作して、気体の流れを、バイパス回路を回避して又
はその中を通過して流す。この構成には、追加的な弁及
び配管が必要になるが、チャンバ14及びトランスデュー
サ・アセンブリ31の比較的効率的なパージングを与える
という効果があり、また、バイパス設計も効果的であ
り、これにより、較正装置がレトロフィット応用例にイ
ンストールし、必要に応じて気体フロー・ラインの中に
切り換えたり、遮断したりすることが可能になる。 図3A−3C及び4A−4Cに示されているすべての実施例に
おいて、体積Ｖは、チャンバの体積と、シャットオフ弁
20及び22（図3A及び3C、図4A及び4Cの場合）の間の追加
的な体積空間と、図3B及び図4Bの場合にはトランスデュ
ーサ・アセンブリ31と弁22との間の追加的な体積空間と
によって、表される。しかし、それぞれの較正における
体積は、それぞれの測定に対して一定に維持される。 本発明による装置及び方法は、実質的な理想気体が測
定されていると仮定すると、既知の一定の体積を有する
チャンバの内部の気体の質量を測定する効率的かつ経済
的な直接的方法を提供する。圧力トランスデューサに関
連する電圧分割ネットワークにおける温度感知性の抵抗
要素がチャンバ内の気体の温度に対する圧力及び体積の
比率に比例する単一の出力信号を提供する。この出力信
号は、従って、チャンバ内の気体のモル数を直接的に表
している。この装置は、例えば、流体搬送システムにお
いてイン・シトュで、又は、オフラインのテスト・シス
テムで用いることができ、マス・フロー・メータ又はそ
れ以外のDUTを較正する。 上述の装置においては、発明の範囲から逸脱せずに修
正を行うことができるので、以上で述べた説明及び添付
の図面に含まれている内容は、例示として解釈すべきで
あり限定的な意味は有していないものとする。
準温度293Kでは、約6000ppm/Kの抵抗温度係数と、約500
0Ωの抵抗値とを有する。固定された抵抗要素RFの値
は、上の数式３から、約3800Ωと決定することができ
る。 トランスデューサ・アセンブリ31からの出力信号V
2は、任意の時点で測定することができ、チャンバ内の
気体の量に関する直接的な情報を提供する。その理由
は、この信号が、圧力及び電圧の変化に対するほとんど
瞬間的な応答であるからであるが、これは、トランスデ
ューサ・アセンブリの成分の応答時間に左右される。ト
ランスデューサ及び温度感知性の抵抗要素の圧力及び温
度の変化それぞれに対する応答や、用いられる場合に
は、増幅器46のスルー・レート（slew rate）などもそ
の例である。更に、出力信号V2は、任意の時点で測定で
き、時間間隔の間での平均の気体フローに関する情報を
提供する。例えば、初期時刻t0においては、出力信号V
2(0)は、時刻t0における体積較正されたチャンバ内の気
体の温度及び圧力条件T0、P0を表す。後の時刻t1では、
出力信号V2(1)は、時間t1における体積較正されたチャ
ンバ内の気体の温度及び圧力条件T1、P1を表す。これら
の測定値は、時間間隔t1−t0の間の気体の平均フローを
計算するのに用いることができる（例えば、秒当たりの
モル数、分当たりの標準的な立法センチメートル、又
は、時間単位当たりの気体の便利な標準的な体積単位な
ど）。 DUTを通過する実質的に理想的な気体の体積フローの
決定は、気体のタイプに依存しないことに注意すべきで
ある。実質的な理想気体の１モルは、気体のタイプとは
関係なく、気体の22.4標準リットルである。しかし、DU
Tを通過する実質的な理想気体の質量（単位はグラム）
の決定は、測定されている特定の気体の関数である。従
って、気体体積の標準単位ではなくその質量によって、
出力信号V2によって直接的に示されるDUTを通過する気
体フローを表すことを望む場合には、測定されている特
定の気体に関する変換ファクタが必要となる。 図3A−3Cは、気体搬送システムにおける気体フローを
測定しそのシステムを較正するのに用いられる、本発明
による装置の様々な構成の概要が図解されている。図4A
−4Cは、図3A−3Cに示されているものに対応する機械的
な構成が図解されている。 図3A−4Aには、「ダウンストリーム・インライン」構
成が示されている。気体のフローは、気体フロー・ライ
ンを通過して、マス・フロー・コントローラとして図解
されているDUT24から下流にある体積較正されたチャン
バ14（Ｖ）の中に生じている。チャンバ14は、気体フロ
ー・ライン50の直接的な拡張であり、又は、ティー51を
用いて、気体フロー・ラインに接続されている。トラン
スデューサ・アセンブリ31は、チャンバ14の下流にある
気体フロー・ライン50に接続され、シャットオフ弁20及
び22が、トランスデューサ・アセンブリ31の上流及び下
流にそれぞれ位置する気体フロー・ラインに配置され、
体積Ｖを一定に維持している。図4Aは、この設計の機械
的な類似物を図解している。 図3B及び図4Bには、「ダウンストリーム・アペンダー
ジ」構成が示されている。気体フローは、マス・フロー
・コントローラとして図解されているDUT24の下流にあ
る体積較正されたチャンバ14の中に生じている。チャン
バ14は、ティー51と体積Ｖを一定に保つためにそれぞれ
の測定に対して閉じることができるシャットオフ弁20と
を用いて、メインの気体フロー・ラインに接続すること
ができる。トランスデューサ・アセンブリ31は、チャン
バ14と流体的に接続しているが、気体フロー・ラインの
中にはない。シャットオフ弁22が、チャンバ14の下流に
配置されている。図4Bは、この設計の機械的な類似物を
図解している。この構成は、図4Aのインライン構成より
もフットプリントが短いので、レトロフィット（retrof
it）の応用例では、実現がより容易でありより経済的で
あるために好まれる。しかし、チャンバ14とトランスデ
ューサ・アセンブリ31とのパージング（purging）がイ
ンライン設計の場合ほどには容易でも効果的でもないの
で、気体の汚染が生じる虞がある。 図3C及び4Cには、「ダウンストリーム・バイパス」構
成が示されている。気体フローは、マス・フロー・コン
トローラとして図解されているDUT24を介して、バイパ
スのエル54の中に生じ、エル54は、体積Ｖを一定にする
ためにそれぞれの測定に対して閉じることができる上流
及び下流のシャットオフ弁20及び22によって制御される
バイパス回路53に至る。体積較正されたチャンバ14とト
ランスデューサ・アセンブリ31とは、シャットオフ弁の
間にあるバイパス回路53に存在する。第３のシャットオ
フ弁52が、メインの気体フロー・ラインに配置され、バ
イパス回路におけるシャットオフ弁20及び22とタンデム
に動作して、気体の流れを、バイパス回路を回避して又
はその中を通過して流す。この構成には、追加的な弁及
び配管が必要になるが、チャンバ14及びトランスデュー
サ・アセンブリ31の比較的効率的なパージングを与える
という効果があり、また、バイパス設計も効果的であ
り、これにより、較正装置がレトロフィット応用例にイ
ンストールし、必要に応じて気体フロー・ラインの中に
切り換えたり、遮断したりすることが可能になる。 図3A−3C及び4A−4Cに示されているすべての実施例に
おいて、体積Ｖは、チャンバの体積と、シャットオフ弁
20及び22（図3A及び3C、図4A及び4Cの場合）の間の追加
的な体積空間と、図3B及び図4Bの場合にはトランスデュ
ーサ・アセンブリ31と弁22との間の追加的な体積空間と
によって、表される。しかし、それぞれの較正における
体積は、それぞれの測定に対して一定に維持される。 本発明による装置及び方法は、実質的な理想気体が測
定されていると仮定すると、既知の一定の体積を有する
チャンバの内部の気体の質量を測定する効率的かつ経済
的な直接的方法を提供する。圧力トランスデューサに関
連する電圧分割ネットワークにおける温度感知性の抵抗
要素がチャンバ内の気体の温度に対する圧力及び体積の
比率に比例する単一の出力信号を提供する。この出力信
号は、従って、チャンバ内の気体のモル数を直接的に表
している。この装置は、例えば、流体搬送システムにお
いてイン・シトュで、又は、オフラインのテスト・シス
テムで用いることができ、マス・フロー・メータ又はそ
れ以外のDUTを較正する。 上述の装置においては、発明の範囲から逸脱せずに修
正を行うことができるので、以上で述べた説明及び添付
の図面に含まれている内容は、例示として解釈すべきで
あり限定的な意味は有していないものとする。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−79632（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−46067（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−291121（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−297955（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−37755（ＪＰ，Ｕ) 特公 平７−9207（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 1/86
Claims (49)
- 【請求項１】質量を測定すべき気体を含む固定された体
積の空間を定義する手段と共に用いるトランスデューサ
・アセンブリであって、 （ａ）第１の信号を、前記固定された体積の空間の内部
の前記気体の圧力の関数として発生する手段と、 （ｂ）前記第１の信号に応答して、前記固定された体積
の空間の内部の前記気体の温度の関数として、前記固定
された体積における前記気体の質量を表す出力信号を発
生する手段と、 を備えており、前記出力信号の大きさは、前記固定され
た体積の空間の内部の前記気体の温度に対する前記固定
された体積の空間の内部の前記気体の圧力と体積との積
の比に比例し、前記出力信号は、信号エネルギーの単位
当たりの前記気体の標準質量単位で表現されることを特
徴とする装置。 - 【請求項２】請求項１記載の装置において、前記第１の
信号を発生する前記手段は、前記第１の信号が前記固定
された体積の空間の内部の前記気体の前記圧力に実質的
に比例するように前記第１の信号を発生する手段を含む
ことを特徴とする装置。 - 【請求項３】請求項１記載の装置において、出力信号を
発生する前記手段は、電圧分割（分圧）ネットワークを
備えており、この電圧分割ネットワークは、（ａ）前記
第１の信号を受け取る入力端子と、（ｂ）前記出力信号
を提供する出力端子と、（ｃ）前記固定された体積にお
ける前記気体の温度に依存する抵抗値を有する少なくと
も１つの温度感知性の抵抗要素と、（ｄ）前記温度感知
性の抵抗要素と直列に結合され、前記固定された体積に
おける前記気体の温度とは実質的に独立の抵抗値を有す
る少なくとも１つの温度不感知性の抵抗要素と、を含
み、 前記抵抗要素の中の１つは、前記入力端子と前記出力端
子との間に接続され、それによって、前記出力端子は、
前記温度感知性の抵抗要素と前記温度不感知性の抵抗要
素との間に配置され、前記出力信号を発生する前記手段
は、前記出力端子における前記信号のレベルを測定する
手段を含むことを特徴とする装置。 - 【請求項４】請求項３記載の装置において、前記温度感
知性の抵抗要素は、前記入力端子と前記出力端子との間
に電気的に接続されることを特徴とする装置。 - 【請求項５】請求項３記載の装置において、前記温度感
知性の抵抗要素は、前記出力端子とグランドとの間に電
気的に接続されることを特徴とする装置。 - 【請求項６】請求項５記載の装置において、前記温度感
知性の抵抗要素は、サーミスタであることを特徴とする
装置。 - 【請求項７】請求項３記載の装置において、前記電圧分
割ネットワークは、前記出力端子に接続されており前記
出力信号をバッファする手段を更に含むことを特徴とす
る装置。 - 【請求項８】請求項７記載の装置において、前記バッフ
ァ手段は、前記出力端子に電気的に接続された少なくと
も１つの演算増幅器を備えていることを特徴とする装
置。 - 【請求項９】請求項３記載の装置において、前記温度不
感知性の抵抗要素は、−RTCref（１−αTref）に等しい
抵抗値RFを有し、前記温度感知性の抵抗要素は、RTCref
（１＋α（Ｔ−Tref））に等しい抵抗値RTCを有し、R
TCrefは、絶対基準温度Tref（Ｋ、ケルビン）における
前記温度感知性の抵抗要素の抵抗であり、αは、前記温
度感知性の抵抗要素の温度抵抗係数（ppm/K）であり、
Ｔは、前記固定された体積の空間における前記気体の絶
対温度（Ｋ）であることを特徴とする装置。 - 【請求項１０】請求項１記載の装置において、前記出力
信号は、ボルト当たりの前記気体のモル数で表現される
ことを特徴とする装置。 - 【請求項１１】請求項１記載の装置において、前記圧力
トランスデューサ手段は、キャパシタンス・マノメータ
を備えていることを特徴とする装置。 - 【請求項１２】気体の質量の流れ（マス・フロー）を測
定する装置において、 A.質量を測定すべき気体を含む固定された体積の空間を
定義する手段と、 B.この装置を前記気体のソースに接続し、それによっ
て、気体が前記固定された体積の空間の中に導かれるよ
うにする手段と、 C.前記固定された体積の空間と流体及び熱において通信
するトランスデューサ・アセンブリであって、（ａ）第
１の信号を、前記固定された体積の空間の内部の前記気
体の圧力の関数として発生する手段と、（ｂ）前記第１
の信号に応答して、前記固定された体積の空間の内部の
前記気体の温度の関数として、前記固定された体積にお
ける前記気体の質量を表す出力信号を発生する手段と、
を含むトランスデューサ・アセンブリと、 を備えており、前記出力信号の大きさは、前記固定され
た体積の空間の内部の前記気体の温度に対する前記固定
された体積の空間の内部の前記気体の圧力と体積との積
の比に比例し、前記出力信号は、信号エネルギーの単位
当たりの前記気体の標準質量単位で表現されることを特
徴とする装置。 - 【請求項１３】請求項12記載の装置において、固定され
た体積の空間を定義する前記手段は、チャンバと、前記
チャンバへのインレットと、前記チャンバへのアウトレ
ットと、前記チャンバへの前記インレット及びアウトレ
ットとを選択的に開閉する弁手段と、を備えていること
を特徴とする装置。 - 【請求項１４】請求項12記載の装置において、前記第１
の信号を発生する前記手段は、前記第１の信号が前記固
定された体積の空間の内部の前記気体の前記圧力に実質
的に比例するように前記第１の信号を発生する手段を含
むことを特徴とする装置。 - 【請求項１５】請求項12記載の装置において、出力信号
を発生する前記手段は、電圧分割（分圧）ネットワーク
を備えており、この電圧分割ネットワークは、（ａ）前
記第１の信号を受け取る入力端子と、（ｂ）前記出力信
号を提供する出力端子と、（ｃ）前記固定された体積に
おける前記気体の温度に依存する抵抗値を有する少なく
とも１つの温度感知性の抵抗要素と、（ｂ）前記温度感
知性の抵抗要素と直列に結合され、前記固定された体積
における前記気体の温度とは実質的に独立の抵抗値を有
する少なくとも１つの温度不感知性の抵抗要素と、を含
み、 前記抵抗要素の中の１つは、前記入力端子と前記出力端
子との間に接続され、それによって、前記出力端子は、
前記温度感知性の抵抗要素と前記温度不感知性の抵抗要
素との間に配置され、前記出力信号を発生する前記手段
は、前記出力端子における前記信号のレベルを測定する
手段を含むことを特徴とする装置。 - 【請求項１６】請求項15記載の装置において、前記温度
感知性の抵抗要素は、前記入力端子と前記出力端子との
間に電気的に接続されることを特徴とする装置。 - 【請求項１７】請求項15記載の装置において、前記温度
感知性の抵抗要素は、前記出力端子とグランドとの間に
電気的に接続されることを特徴とする装置。 - 【請求項１８】請求項17記載の装置において、前記温度
感知性の抵抗要素は、サーミスタであることを特徴とす
る装置。 - 【請求項１９】請求項15記載の装置において、前記電圧
分割ネットワークは、前記出力端子に接続されており前
記出力信号をバッファする手段を更に含むことを特徴と
する装置。 - 【請求項２０】請求項19記載の装置において、前記バッ
ファ手段は、前記出力端子に電気的に接続された少なく
とも１つの演算増幅器を備えていることを特徴とする装
置。 - 【請求項２１】請求項15記載の装置において、前記温度
不感知性の抵抗要素は、−RTCref（１−αTref）に等し
い抵抗値RFを有し、前記温度感知性の抵抗要素は、R
TCref（１＋α（Ｔ−Tref））に等しい抵抗値RTCを有
し、RTCrefは、絶対基準温度Tref（Ｋ、ケルビン）にお
ける前記温度感知性の抵抗要素の抵抗であり、αは、前
記温度感知性の抵抗要素の温度抵抗係数（ppm/K）であ
り、Ｔは、前記固定された体積の空間における前記気体
の絶対温度（Ｋ）であることを特徴とする装置。 - 【請求項２２】請求項12記載の装置において、前記出力
信号は、ボルト当たりの前記気体のモル数で表現される
ことを特徴とする装置。 - 【請求項２３】請求項12記載の装置において、前記圧力
トランスデューサ手段は、キャパシタンス・マノメータ
を備えていることを特徴とする装置。 - 【請求項２４】請求項12記載の装置において、前記圧力
トランスデューサ手段は、キャパシタンス・マノメータ
を備えていることを特徴とする装置。 - 【請求項２５】請求項24記載の装置において、気体のフ
ローを制御する前記手段は、マス・フロー・コントロー
ラを含むことを特徴とする装置。 - 【請求項２６】気体のフローを測定する装置であって、 A.気体のソースと、 B.前記ソースと流体的に接続されており、気体インレッ
トと気体アウトレット・ポートと前記気体のフローへの
前記ポートを選択的に開閉する弁手段とを有し、既知で
一定の体積を有するチャンバと、 C.前記ソースから前記チャンバへの前記気体の制御され
たフローを生じさせるフロー制御手段と、 D.トランスデューサ・アセンブリであって、 i.前記チャンバにおける前記気体の圧力を測定し、前記
圧力を表し前記圧力に比例する第１の信号を提供する圧
力トランスデューサ手段と、 ii.前記圧力トランスデューサ手段に関連しており、前
記第１の信号を修正して前記チャンバ内の前記気体の質
量を表す出力信号を得る手段と、 を組み合わせて備えているトランスデューサ・アセンブ
リと、 を備えており、前記出力信号の大きさは、前記チャンバ
の内部の前記気体の温度に対する前記チャンバの内部の
前記気体の圧力と体積との積の比に比例し、前記出力信
号は、信号エネルギの単位当たりの前記気体の標準質量
単位で表現されることを特徴とする装置。 - 【請求項２７】請求項26記載の装置において、前記信号
修正手段は、電圧分割ネットワークを備えており、この
電圧分割ネットワークは、入力端子と、前記入力端子と
グランドとの間に直列に電気的に接続されている少なく
とも１つの温度感知性の抵抗要素及び少なくとも１つの
温度不感知性の抵抗要素と、前記温度感知性の抵抗要素
と前記温度不感知性の抵抗要素との間の出力端子と、を
有することを特徴とする装置。 - 【請求項２８】請求項27記載の装置において、前記温度
感知性の抵抗要素は、前記入力端子と前記出力端子との
間に電気的に接続されることを特徴とする装置。 - 【請求項２９】請求項27記載の装置において、前記温度
感知性の抵抗要素は、前記出力端子とグランドとの間に
電気的に接続されることを特徴とする装置。 - 【請求項３０】請求項29記載の装置において、前記温度
感知性の抵抗要素は、サーミスタであることを特徴とす
る装置。 - 【請求項３１】請求項27記載の装置において、前記温度
感知性の抵抗要素は、前記チャンバ内の前記気体と熱的
に接続していることを特徴とする装置。 - 【請求項３２】請求項27記載の装置において、前記電圧
分割ネットワークは、前記出力信号をバッファする手段
を更に含むことを特徴とする装置。 - 【請求項３３】請求項32記載の装置において、前記バッ
ファ手段は、前記出力端子に電気的に接続された少なく
とも１つの演算増幅器を備えていることを特徴とする装
置。 - 【請求項３４】請求項27記載の装置において、前記温度
不感知性の抵抗要素は、−RTCref（１−αTref）に等し
い抵抗値RFを有し、前記温度感知性の抵抗要素は、R
TCref（１＋α（Ｔ−Tref））に等しい抵抗値RTCを有
し、RTCrefは、絶対基準温度Tref（Ｋ、ケルビン）にお
ける前記温度感知性の抵抗要素の抵抗であり、αは、前
記温度感知性の抵抗要素の抵抗値の温度係数（ppm/K）
であり、Ｔは、前記チャンバにおける前記気体の絶対温
度（Ｋ）であることを特徴とする装置。 - 【請求項３５】請求項26記載の装置において、前記出力
信号は、ボルト当たりの前記気体のモル数で表現される
ことを特徴とする装置。 - 【請求項３６】請求項26記載の装置において、前記圧力
トランスデューサ手段は、キャパシタンス・マノメータ
を備えていることを特徴とする装置。 - 【請求項３７】気体の質量の流れ（マス・フロー）を測
定する方法において、 A.質量を測定すべき気体を前記気体を含む固定された体
積の空間の中に導くステップと、 B.第１の信号を前記固定された体積の空間の内部の前記
気体の圧力の関数として発生し、前記第１の信号に応答
して、前記固定された体積の空間の内部の前記気体の温
度の関数として、前記固定された体積における前記気体
の質量を表す出力信号を発生するステップと、 を含んでおり、前記出力信号を発生する前記ステップ
は、 前記固定された体積における前記気体の温度に依存する
抵抗値を有する少なくとも１つの温度感知性の抵抗要素
と、前記温度感知性の抵抗要素と直列に結合され、前記
固定された体積における前記気体の温度とは実質的に独
立の抵抗値を有する少なくとも１つの温度不感知性の抵
抗要素と、を含み、グランドに接続されている分圧器の
両端の電圧として前記第１の信号を発生するステップ
と、 前記抵抗要素とグランドとの間のある地点で出力信号を
測定するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項３８】請求項37記載の方法において、前記第１
の信号を発生する前記ステップは、前記第１の信号が前
記固定された体積の空間の内部の前記気体の圧力と実質
的に比例するように前記第１の信号を発生するステップ
を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項３９】請求項37記載の方法において、前記測定
するステップは、前記温度感知性の抵抗要素の両端での
電圧を測定するステップを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項４０】請求項37記載の方法において、前記測定
するステップは、前記温度不感知性の抵抗要素の両端で
の電圧を測定するステップを含むことを特徴とする方
法。 - 【請求項４１】請求項37記載の方法において、前記出力
信号をバッファをステップを更に含むことを特徴とする
方法。 - 【請求項４２】請求項37記載の方法において、質量を測
定する前記気体を固定された体積の空間の中に導く前記
ステップは、前記固定された体積の中への前記気体の前
記フローを制御するステップを含むことを特徴とする方
法。 - 【請求項４３】気体の質量の流れ（マス・フロー）を制
御するのに用いるマス・フロー・コントローラを較正す
る方法であって、 A.前記マス・フロー・コントローラを気体のソースに接
続するステップと、 B.質量を測定すべき気体を、前記コントローラを介し
て、前記気体を含む固体された体積の空間の中へ送るス
テップと、 C.第１の信号を、前記固定された体積の空間の内部の前
記気体の圧力の関数として発生し、前記第１の信号に応
答して、前記固定された体積の空間の内部の前記気体の
温度の関数として、前記固定された体積における前記気
体の質量を表す出力信号を発生するステップであって、
前記出力信号の大きさは、前記固定された体積の空間の
内部の前記気体の温度に対する前記固定された体積の空
間の内部の前記気体の圧力と体積との積の比に比例し、
前記出力信号は、信号エネルギの単位当たりの前記気体
の標準質量単位で表現される、ステップと、 D.前記出力信号によって表される質量の値を、前記マス
・フロー・コントローラの対応する測定値と比較するス
テップと、 を含んでおり、前記出力信号の大きさは、前記固定され
た体積の空間の内部の前記気体の温度に対する前記固定
された体積の空間の内部の前記気体の圧力と体積との積
の比に比例し、前記出力信号は、信号エネルギの単位当
たりの前記気体の標準質量単位で表現されることを特徴
とする方法。 - 【請求項４４】請求項43記載の方法において、前記第１
の信号を発生する前記ステップは、前記第１の信号が前
記固定された体積の空間の内部の前記気体の圧力と実質
的に比例するように前記第１の信号を発生するステップ
を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項４５】請求項43記載の方法において、前記出力
信号を発生する前記ステップは、 前記固定された体積における前記気体の温度に依存する
抵抗値を有する少なくとも１つの温度感知性の抵抗要素
と、前記温度感知性の抵抗要素と直列に結合され、前記
固定された体積における前記気体の温度とは実質的に独
立の抵抗値を有する少なくとも１つの温度不感知性の抵
抗要素と、を含み、グランドに接続されている分圧器の
両端の電圧として前記第１の信号を発生するステップ
と、 前記抵抗要素とグランドとの間のある地点で出力信号を
測定するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項４６】請求項45記載の方法において、前記測定
するステップは、前記温度感知性の抵抗要素の両端での
電圧を測定するステップを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項４７】請求項45記載の方法において、前記測定
するステップは、前記温度不感知性の抵抗要素の両端で
の電圧を測定するステップを含むことを特徴とする方
法。 - 【請求項４８】請求項45記載の方法において、前記出力
信号をバッファするステップを更に含むことを特徴とす
る方法。 - 【請求項４９】請求項43記載の方法において、質量を測
定する前記気体を固定された体積の空間の中に導く前記
ステップは、前記固定された体積の中への前記気体の前
記フローを制御するステップを含むことを特徴とする方
法。
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