JPH0863235A - 差圧式質量流量コントロール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧力に起因するレイノズル数の影響をなく
し、ガスの温度変化にも十分に対応できる差圧式質量流
量コントロール装置を提供すること。 【構成】 層流素子１６を挟んで上下流の少なくとも２
ヵ所で検出される圧力の差圧信号と、ガスの温度の影響
を補正するための温度センサー１５からの信号との両信
号を質量流量に換算し、それを出力信号としてコントロ
ールバルブ７を制御するようにするため、ガス圧の変化
やガス温度の変化に広い範囲で追従できる質量流量コン
トロールを達成できる。本発明の方式は従来のサーマル
質量流量コントローラーに比べ、応答性が１００倍以上
速く、高精度、かつ高速応答制御が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス等の気体の質量及
び流量を同時に制御する極めて高精度な質量流量コント
ロール装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流量と質量との両者を同時に制御
できる質量流量コントロール装置はマスフローコントロ
ーラーと呼ばれる。図８には代表的なサーマル質量流量
コントローラーが示され、本体０１内のガス流路０２に
固定オリフィス等の流体通過孔０３、そして弁座０４が
形成されるとともに、この流体通過孔０３の上流、下流
所定位置に極めて細いバイパス管０５が設けられ、この
上流側と下流側には２箇所にヒーター０６、０７が巻か
れている。０８は前記弁座０４と協働して流体の流量を
制御する制御弁０９を有するコントロールバルブであ
る。

【０００３】この質量流量コントロール装置に入口０９
からガスが流れると、ガスの大部分は流体通過孔０３を
通って下流のガス通路０２へと流れ、極く少量のガスが
バイパス管０５へと流れ、このガスは矢印で示すように
再度ガス通路０２中のガスと合流する。この時、バイパ
ス管０５を流れるガスは上流側ヒーター０６の熱を奪っ
て下流側へ流れ、上流側と下流側の熱バランスに差が生
じる。

【０００４】この差は、比熱等からガス流路０２を流れ
るガスの質量として計測され、これは流量に換算でき
る。

【０００５】バイパス管０５を流れる流量は流体通過孔
０３を流れる流量に比例しているため、センサー回路０
１０からの出力信号が比較回路０１１により流量設定回
路０１２で設定される設定値と比較され、さらにその差
信号がゼロになるように制御回路０１３でコントロール
バルブ０８が制御されることにより、流量のコントロー
ルが行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この従来の質量流量コ
ントロール装置は、前述のように比熱を媒体として流量
を検出している為、応答速度に限界があり、近年半導体
製造に使用されるガスの流量制御には精度上の問題が生
じている。

【０００７】また、センサー部分に巻設されているヒー
ターには発熱抵抗線が使用されているため、発熱や歪等
によって抵抗値も変化し、流量計測誤差も発生する。さ
らにヒーターを使用し、ガスを加熱するこの構造ではガ
スの種類によってガスが活性化し、腐食を助長すること
もあり、内径約０．２mm〜０．３mmのバイパス管０５の
内面精度が低下し、圧力損失が変わり流量計測誤差が発
生することにもなる。

【０００８】さらに、前述のように測定用の微少な流量
のガスが細いバイパス管０５を通過し、再度ガス通路０
２へ合流する構造のため、バイパス管０５に異物が詰
り、または付着することによっても、決定的な流量計測
誤差となる。

【０００９】このような問題点を解決するために、近年
特開平５−２３３０６８号として、差圧に基づいた体積
流量制御装置が開発されているが、これは気体流路の固
定オリフィス部に第１の圧力計を設け、さらにその前段
部に第２の圧力計を設けてそれらの圧力の差圧を流量に
換算するものである。固定オリフィスを使用するこのタ
イプのものは、その質量流量が、１次圧と２次圧で決ま
るレイノズル数、速度係数や縮流係数等で決まる流量係
数、圧縮係数、さらにはガスの密度、といったガスの圧
力や温度によって影響を受ける変化ファクターで決まる
ため、求められるレベルの高精度の質量流量のコントロ
ールはできない。

【００１０】即ち、ガスが層流状態（即ちレイノズル数
が２０００以下）であれば、圧力と流量とが比例関係に
あり、単純に差圧を求めれば、流量計測が可能である
が、圧力変化によりレイノズル数が３０００を超えるよ
うな状態では上述の比例関係がなくなり、本公報に開示
されたものでは広いレンジでの安定した流量のコントロ
ールは不可能である。

【００１１】また、ガスの温度が一定であればよいが、
この温度が変化した場合には質量レベルの流量コントロ
ールは一切対応することはできない。

【００１２】本発明は、バイパス管及びヒーター等を用
いない新しい差圧方式を採用するとともに、圧力に起因
するレイノズル数の影響をなくし、ガスの温度変化にも
十分に対応できる差圧式質量流量コントロール装置を提
供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の差圧式質量流量
コントロール装置は、ガス通路の上流、下流の少なくと
も２つの出力孔からそれぞれの圧力を検出できる圧力計
と、前記２つの出力孔間のガス通路に配設される層流素
子と、被制御流体であるガスの温度を検出する温度セン
サーと、前記２つの出力孔から得られる圧力及び温度セ
ンサーから得られる温度に基づいてガスの流出流量を調
節するコントロールバルブと、から成ることを特徴とし
ている。

【００１４】本発明の差圧式質量流量コントロール装置
の圧力計は、導入される上流及び下流のガスをセンサー
チップの両面に導き、センサーチップの歪に基づいて両
ガス圧の差圧を取り出すようにしている差圧検出器にす
ることもできる。

【００１５】本発明の差圧式質量流量コントロール装置
の差圧検出器に、それぞれガスの導入ポートを有する２
本の挿入筒を突設し、この２本の挿入筒を差圧式質量流
量コントロールバルブのハウジング本体に穿設された２
つの出力孔に密封嵌合し、両者を一体化することもでき
る。

【００１６】本発明の差圧式質量流量コントロール装置
のセンサーチップに、圧力検出部の他に温度検出部を設
け、ここで検出されるガス温度を、センサーチップ自体
の熱特性から生じる圧力信号の補正値として用いること
もできる。

【００１７】本発明の差圧式質量流量コントロール装置
のセンサーチップには、圧力検出部の他に、温度検出部
を設け、ここで検出されるガス温度を、センサーチップ
自体の熱特性から生じる圧力信号の補正値として用いる
他に、ガスの流出流量を調節するコントロールバルブの
開度制御信号として用いることもできる。

【００１８】本発明の差圧式質量流量コントロール装置
は、ハウジング本体のガス通路に交わるように穿設され
た少なくとも２つの出力孔に、前記ガス通路内面と面一
となる受圧面を有する圧力センサーをそれぞれ設置する
とともに、前記ガス通路内面と面一となる温度検出面を
有する温度センサーを、圧力センサーと一体もしくは別
体にして設置することもできる。

【００１９】

【作用】層流素子を挟んで上下流の少なくとも２ヵ所で
検出される圧力の差圧信号と、ガスの温度の影響を補正
するための温度センサーからの信号との両信号を質量流
量に換算し、それを出力信号としてコントロールバルブ
を制御するようにするため、ガス圧の変化やガス温度の
変化に広い範囲で追従できる質量流量コントロールを達
成できる。本発明の方式は従来のサーマル質量流量コン
トローラーに比べ、応答性が１００倍以上速く、高精
度、かつ高速応答制御が可能となる。

【００２０】層流素子を挟んで上流及び下流のガスをセ
ンサーチップの両面に導き、互いの圧力差でセンサーチ
ップに歪を発生させて差圧を計測できる差圧検出器を用
いるため、構造が簡素化されるとともに、差圧の検出誤
差を低減できる。

【００２１】差圧検出器の２本の挿入筒をハウジング本
体に密封嵌合するのみで、機器の組立てと同時に差圧検
出器の圧力導通が可能となり、装置の組立て分解が極め
て簡素化される。

【００２２】ガスの圧力を計測するセンサーチップに温
度センサーを設け、センサーチップ自体の熱特性から生
じる圧力信号の補正を行うことにより、より高精度の差
圧式質量流量コントロールが可能となる。

【００２３】ガスの導かれるセンサーチップに温度検出
部を設け、この温度出力をセンサーチップ自体の熱特性
から生じる圧力信号の補正と、温度によるガスの密度等
の変化ファクターとしてコントロールバルブの開度制御
信号に用いるため、別途ガス温度測定用の出力孔をハウ
ジング本体に穿設する必要がなくなる。

【００２４】各センサーの受圧面をガス通路内面と面一
になるようにセットすることにより、ガスの滞留部分、
即ちデッドスペースが少なくなり、クリーン化が図れ、
パーテクル発生、ガス置換特性さらにはイオンコンタミ
ネーションの低減を格段に向上できる。

【００２５】

【実施例】本発明の実施例を図面とともに説明すると、
図１ないし図４は本発明の第１実施例であり、この差圧
式質量流量コントロール装置のハウジング本体１には、
入口２から出口３へと通じるガス通路４が形成され、そ
の間には、弁座５が形成され、さらにその上方には弁座
５と協働して流出流量を制御する制御弁６が配され、コ
ントロールバルブ７を構成している。このコントロール
バルブ７は、電磁的駆動部またはピエゾ素子を重ねた駆
動部を有しているが、要は電気的信号によってその弁開
度を正確に調節できる駆動部であればよい。

【００２６】ハウジング本体１には第１出力孔８、第２
出力孔９が穿設され、各孔によりガス通路４が外部と連
通されている。これら出力孔８、９には図３に示される
ような後述する差圧検出器１０の第１挿入筒１１と第２
挿入筒１２とがパッキン１３を介して密封嵌入されてお
り、さらに第１出力孔８と第２出力孔９との間のガス通
路４には図２に正面図として示されるような層流素子１
６が挿入されている。この層流素子１６は、一例として
外筒体１７内に極めて管径の小さい毛細管１８が多数密
に束ねられた構造になっており、ガス通路４のガス流が
ここを通過する際層流になるように、例えば、レイノズ
ル数を２０００以下に十分低く抑えるように働く。

【００２７】ハウジング本体１には更に第３出力孔１４
が穿設され、温度センサー１５がガス通路４に面するよ
うに取付けられている。

【００２８】前述の差圧検出器１０の第１挿入筒１１と
第２挿入筒１２には、それぞれ第１導入ポート１９と第
２導入ポート２０が形成され、各ポート１９、２０は本
体２１内の第１圧力室２２と第２圧力室２３とに導通さ
れ、それぞれの圧力室２２、２３はセンサーチップ２４
で区画されている。

【００２９】このセンサーチップは、図４に示されるよ
うに内部に複数の抵抗線２５でブリッジ状の歪ゲージ２
６が構成され、第１圧力室２２と第２圧力室２３との圧
力差により生じた歪とし、この変位を電気抵抗として取
り出せるようになっている。この信号は入出力コード２
７及び複数端子２８から図１に示す比較回路２９へと送
られる。ここで歪ゲージには抵抗線、はく、半導体等の
種類があるとともに、このセンサーチップ２４は差圧を
計測して電気的信号に変換できればよく、これら構造に
限定されるものではない。

【００３０】また、前述の温度センサー１５によって計
測されたガスの温度信号も同様に比較回路２９へと送ら
れるようになっている。

【００３１】この比較回路２９はガスの流量を設定する
ための流量設定回路３０に接続され、さらにコントロー
ルバルブを制御する制御回路３１に接続されている。

【００３２】次に本実施例の作用を説明すると、ガス通
路４を流れるガスは層流素子１６を通過することによっ
て層流となり、この層流素子１６の上流、下流にあるガ
スは第１出力孔８と第２出力孔９から差圧検出器１０の
第１、第２圧力室２２、２３に導かれ、ここで計測され
た差圧信号が比較回路２９へ出力され、さらにガスの温
度は温度センサー１５によって計測され比較回路２９へ
と出力される。

【００３３】ここで差圧信号と温度信号とから質量流量
が換算され、出力信号として出力される。また、この出
力信号は流量設定回路３０による設定信号と比較され、
これをフォードバック信号として制御回路３１によりコ
ントロールバルブを制御し、質量流量がコントロールさ
れる。

【００３４】このように、層流素子１６を挟んで上下流
の少なくとも２ヵ所で検出された圧力の差圧信号と、ガ
スの温度の影響を補正するための温度センサー１５から
の信号との両信号を質量流量に換算し、それを出力信号
としてコントロールバルブ７を制御するため、ガス圧の
変化やガス温度の変化に広い範囲で追従できる質量流量
コントロールを達成できる。本方式は従来のサーマル質
量流量コントローラーに比べ、応答性が１００倍以上速
く、高精度、かつ高速応答制御が可能となる。

【００３５】また、層流素子１６を挟んで上流及び下流
のガスをセンサーチップ２４の両面に導き、互いの圧力
差でこのセンサーチップ２４に歪を発生させ、これを計
測できる差圧検出器１０を用いるため、構造が簡素化さ
れるとともに、差圧の検出誤差が低減できる。

【００３６】この差圧検出器１０は、その２本の第１、
第２挿入筒１１、１２をハウジング本体１に密封嵌合す
るのみで、差圧検出器１０の圧力導通が可能になるた
め、組立て分解が極めて簡素化されることになる。

【００３７】図５には、第２実施例が示されており、本
実施例は温度検出部分に特徴がある。即ち、第１実施例
のものが、ガスの温度をガス通路４方向に穿設した第３
出力孔１４から計測し比較回路２９に出力しているのに
対し、本実施例はセンサーチップ２４自体に温度センサ
ー３３、３４を有しており、第１、第２出力孔８、９か
ら導かれてくるガスの温度を取り出せるようになってい
る。

【００３８】このセンサーチップ２４は図６に詳しく示
されており、Ｓ１、Ｓ６の端子間に所定の電圧が印加さ
れるとともに、歪ゲージ２６の両サイドに温度センサー
３３、３４が配されているため、Ｓ１、Ｓ２間とＳ５、
Ｓ６間とでそれぞれガスの温度が計測できるようになっ
ている。

【００３９】このように、ガスの導かれるセンサーチッ
プ２４に温度センサー３３、３４が設けられているた
め、この温度出力をセンサーチップ２４自体の熱特性か
ら生じる圧力信号の誤差の補正に使用できるとともに、
第１実施例と同様に温度によるガスの密度等の変化ファ
クターとしてメインのコントロールバルブ７の開度制御
信号としても用いるため、別途温度測定用の出力孔をハ
ウジング本体１に穿設する必要がなくなる。

【００４０】なお、センサーチップ２４自体の熱特性に
より生ずる誤差補正用の信号を取り出すには、温度セン
サーを複数個有している方がよいが、この温度センサー
は１個でもよい。

【００４１】図７には本発明の第３実施例が示されてお
り、第１、第２出力孔８、９にそれぞれ第１圧力センサ
ー３２と第２圧力センサー３５とが形成されている。こ
れら圧力センサーはガス通路４に直接圧力ダイヤフラム
を形成したものであり、これら圧力ダイヤフラムはガス
通路４内周面とほぼ面一となるように第１、第２出力孔
８、９に溶接もしくは接着剤等によって取付けられる
か、同様にほぼ面一となるように外部から挿入固定され
て取付けられる。この場合、温度センサー１５もガス通
路４の内周面とほぼ面一になっている。このため、ガス
の滞留部分、即ちデッドスペースが少なくなり、クリー
ン化が図れ、、パーテクル発生、ガス置換特性、さらに
はイオンコンタミネーションの低減が格段に向上できる
ことになる。

【００４２】以上、本発明の実施例を図面により説明し
てきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更
や追加があっても本発明に含まれる。

【００４３】

【発明の効果】本発明は次の効果を奏する。

【００４４】（ａ）層流素子を挟んで上下流の少なくと
も２ヵ所で検出される圧力の差圧信号と、ガスの温度の
影響を補正するための温度センサーからの信号との両信
号を質量流量に換算し、それを出力信号としてコントロ
ールバルブを制御するようにするため、ガス圧の変化や
ガス温度の変化に広い範囲で追従できる質量流量コント
ロールを達成できる。本発明の方式は従来のサーマル質
量流量コントローラーに比べ、応答性が１００倍以上速
く、高精度、かつ高速応答制御が可能となる。

【００４５】（ｂ）層流素子を挟んで上流及び下流のガ
スをセンサーチップの両面に導き、互いの圧力差でセン
サーチップに歪を発生させて差圧を計測できる差圧検出
器を用いるため、構造が簡素化されるとともに、差圧の
検出誤差を低減できる。

【００４６】（ｃ）差圧検出器の２本の挿入筒をハウジ
ング本体に密封嵌合するのみで、機器の組立てと同時に
差圧検出器の圧力導通が可能となり、装置の組立て分解
が極めて簡素化される。

【００４７】（ｄ）ガスの圧力を計測するセンサーチッ
プに温度センサーを設け、センサーチップ自体の熱特性
から生じる圧力信号の補正を行うことにより、より高精
度の差圧式質量流量コントロールが可能となる。

【００４８】（ｅ）ガスの導かれるセンサーチップに温
度検出部を設け、この温度出力をセンサーチップ自体の
熱特性から生じる圧力信号の補正と、温度によるガスの
密度等の変化ファクターとしてコントロールバルブの開
度制御信号に用いるため、別途ガス温度測定用の出力孔
をハウジング本体に穿設する必要がなくなる。

【００４９】（ｆ）各センサーの受圧面をガス通路内面
と面一になるようにセットすることにより、ガスの滞留
部分、即ちデッドスペースが少なくなり、クリーン化が
図れ、パーテクル発生、ガス置換特性さらにはイオンコ
ンタミネーションの低減を格段に向上できる。

【００５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の断面図である。

【図２】図１の実施例に使用する層流素子の正面図であ
る。

【図３】図１の実施例に使用する差圧検出器の断面図で
ある。

【図４】図３の実施例に使用するセンサーチップの概略
図である。

【図５】本発明の第２実施例の断面図である。

【図６】図５の実施例の使用するセンサーチップの概略
図である。

【図７】本発明の第３実施例の断面図である。

【図８】従来のサーマル質量流量コントローラーの断面
図である。

【符号の説明】

１ ハウジング本体 ２ 入
口 ３ 出口 ４ ガ
ス通路 ５ 弁座 ６ 制
御弁 ７ コントロールバルブ ８ 第
１出力孔 ９ 第２出力孔 １０ 差
圧検出器 １１ 第１挿入筒 １２
第２挿入筒 １３ パッキン １４
第３出力孔 １５ 温度センサー １６
層流素子 １７ 外筒体 １８
毛細管 １９ 第１導入ポート ２０
第２導入ポート ２１ 本体 ２１
第１圧力室 ２３ 第２圧力室 ２４
センサーチップ ２５ 抵抗線 ２６
歪ゲージ ２７ 出力コード ２８
端子 ２９ 比較回路 ３０
流量設定回路 ３１ 制御回路 ３２
第１圧力センサー ３３ 温度センサー ３４
温度センサー ３５ 第２圧力センサー

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス通路の上流、下流の少なくとも２つ
   の出力孔からそれぞれの圧力を検出できる圧力計と、前
   記２つの出力孔間のガス通路に配設される層流素子と、
   被制御流体であるガスの温度を検出する温度センサー
   と、前記２つの出力孔から得られる圧力及び温度センサ
   ーから得られる温度に基づいてガスの流出流量を調節す
   るコントロールバルブと、から成ることを特徴とする差
   圧式質量流量コントロール装置。
2. 【請求項２】 圧力計は、導入される上流及び下流のガ
   スをセンサーチップの両面に導き、センサーチップの歪
   に基づいて両ガス圧の差圧を取り出すようにしている差
   圧検出器である請求項１に記載の差圧式質量流量コント
   ロール装置。
3. 【請求項３】 差圧検出器には、それぞれガスの導入ポ
   ートを有する２本の挿入筒が突設されており、この２本
   の挿入筒を差圧式質量流量コントロールバルブのハウジ
   ング本体に穿設された２つの出力孔に密封嵌合し、両者
   を一体化できるようにした請求項２に記載の差圧式質量
   流量コントロール装置。
4. 【請求項４】 センサーチップには、圧力検出部の他に
   温度検出部が設けられ、ここで検出されるガス温度を、
   センサーチップ自体の熱特性から生じる圧力信号の補正
   値として用いるようにした請求項１ないし３のいずれか
   に記載の差圧式質量流量コントロール装置。
5. 【請求項５】 センサーチップには、圧力検出部の他
   に、温度検出部が設けられ、ここで検出されるガス温度
   を、センサーチップ自体の熱特性から生じる圧力信号の
   補正値として用いる他に、ガスの流出流量を調節するコ
   ントロールバルブの開度制御信号として用いるようにし
   た請求項４に記載の差圧式質量流量コントロール装置。
6. 【請求項６】 ハウジング本体のガス通路に交わるよう
   に穿設された少なくとも２つの出力孔に、前記ガス通路
   内面とほぼ面一となる受圧面を有する圧力センサーをそ
   れぞれ設置するとともに、前記ガス通路内面とほぼ面一
   となる温度検出面を有する温度センサーを、圧力センサ
   ーと一体もしくは別体にして設置する請求項１に記載の
   差圧式質量流量コントロール装置。