KR100323962B1

KR100323962B1 - 직교형열질량흐름센서를구비하는열질량흐름제어기

Info

Publication number: KR100323962B1
Application number: KR1019950701451A
Authority: KR
Inventors: 제임즈홀로핸도일; 마이클존도일; 댄브라운리메이; 킴엔곡부
Original assignee: 죠안나 에스. 리디; 유닛 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 2002-06-20
Also published as: EP0664879B1; JPH08502582A; EP0664879A1; DE69327538D1; JP3279567B2; WO1994009344A1; DE69327538T2; KR950703730A; AU5405694A

Abstract

본 발명에 따른 직교형 열질량흐름 센서를 갖는 열질량흐름 계량기를 구비하는 열질량흐름 제어기는 계량할 유체흐름을 이송하기 위한 주 유체흐름 경로가 내부에 형성되어 있는 베이스를 구비하고 있다. 주 유체흐름 경로내에는 압력강하용 우회부재가 배치되어 있다. 주 유체흐름 경로와는 열질량흐름 센서의 흐름계량부가 연통하는데, 이 흐름계량부는 주 유체흐름 경로에 대해 대체로 횡으로 또는 직교하는 방향으로 배향되어 있다. 흐름계량부는 센서의 온도를 결정하기 위한 전기적인 브리지 부분을 포함하며 그에 응답하여 질량흐름율 신호를 발생시킨다. 주 흐름경로의 출구에는 질량흐름율 신호에 응답하여 유체흐름을 제어할 수 있도록 밸브가 연결되어 있다.

Description

직교형 열질량흐름 센서를 구비하는 열질량흐름 제어기

발명의 배경

본 발명은 일반적으로 열질량흐름 제어기에 관한 것으로, 특히 내부를 관통하여 연장되는 우회흐름 경로에 대해 횡방향으로 배향되는 감지요소 부분을 구비하는 열질량흐름 제어기에 관한 것이다.

열질량흐름 제어기 및 열질량흐름 계량기는 반도체 산업분야 및 기타 산업분야에서 반도체 웨이퍼 등의 제조를 위한 설비의 일부에 사용되는 가스량의 흐름율을 측정하는데 사용되는 것으로, 이러한 열질량흐름 제어기는 종종 확산로, 화학기상 증착시스템, 플라즈마 에칭시스템, 스퍼터링시스템 등의 가스 셀프(shelf)내에서 그 설비의 작업실로 공급되는 반응재 및 운반가스의 양을 정확히 계량하는데 사용된다. 또한, 열질량흐름 제어기는 설비의 처리실로 공급될 반응재 및 운반가스의 양을 정확히 계량하는데 사용되는데, 이러한 처리실로는 공정튜브 또는 공정실을 들 수 있을 것이다. 또한, 상기 가스로는 수소, 산소, 질소, 아르곤, 실란 (silane), 디클로로실란, 암모니아, 옥시염화인, 디보란(diborane), 보론 트리브로 마이드(boron tribromide), 아신(arsine), 포스핀(phosphine), 설퍼 헥사플러오라이드 등 등을 들 수 있을 것이다. 종종, 특정의 처리실과 관련하여 다중의 가스공급원이 사용된다. 일례로, 폴리실리콘으로도 알려진 다결정실리콘의 화학적 기상 증착을 위한 처리실에서는 실란이 하나 또는 둘 이상의 도핑재와 함께 사용될 수있을 것이다. 그 결과, 설비의 특정부분에 존재하는 각 공정튜브 또는 공정실은 서로 연결된 복합 반응가스 공급라인을 가지게 되며, 이러한 경우 필수적으로 처리 실로 공급되는 반응제 및 공급라인을 가질것이고, 이러한 경우 필수적으로 처리실로 공급되는 반응제 및 운반가스 공정가스의 적절한 양을 계량할 수 있도록 상기 가스라인에는 복합 질량흐름 제어기가 연결되어야만 하는데, 이러한 복합 질량흐름 제어기의 사용으로 인해서 이러한 형식의 설비에 사용되는 가스셀프의 크기가 비대해지는 결과를 초래하게 된다.

종래, 극미세한 마이크로전자 특성을 갖는 현대의 반도체의 제조에 있어서 적절한 웨이퍼 수율을 얻기 위해서는 제조가 시행되는 청정실내의 허용오염도를 계속적으로 감소시키는 것이 필요하였다. 그 결과, 상기와 같은 청정실로 구조하는데 소요되는 비용이 꾸준히 증가하게 되었으며, 앞으로도 계속적으로 증가할 것으로 보인다. 이러한 청정실의 크기가 설비에 의해 점유되는 바닥공간 또는 바닥면적의 상대적인 크기로 인해 증대됨에 따라, 그에 따른 비용 또한 증가하게 된다. 이에 따라, 특정한 청정실에서의 주어진 처리량을 위한 설비크기는 웨이퍼 제조자에게 항상 중요하게 취급되는 경제적인 면의 고려사항인 것이다.

청정실에 대한 공간적인 요건에 부수적인 요건으로는 바닥면적의 고려에 있어 질량흐름 제어기가 다양한 방향성을 갖는 상태로 사용될 수 있게 해야 한다는 요건을 들 수 있다. 그러나, 종래의 열질량흐름 제어기는 대부분의 경우 불행하게도 판독시의 교란을 초래시키는 바람직하지 않은 대류효과가 발생하는 것을 방지하기 위해 모두가 대체로 수평으로 배치되는 우회로(bypass) 및 센서만을 구비하고있었다.

대류 문제를 해결하기 위한 방법으로는 흐름제어기를 수직으로 향하게 하는 것으로, 이에 대해서는 "열질량흐름 계량기"란 명칭으로 각각 1990년 6월 14일 및 1990년 11월 14일자로 출원되고 본 출원인에게 양도된 미국 특허출원 제537 호 및 614,093호에 대응하는 PCT출원 PCT/US91/04208호에 기재되어 있다. 이들 출원에는 대체로 수평방향으로 배향시켜야 하는 센서의 필요성 없이 우회흐름로(bypass flow path)를 대체로 수직방향으로 향하게 할 수 있게 해주는 센서를 구비하는 열질량흐름 계량기에 관해 기재되어 있다. 그러나, 상기 질량흐름 제어기는 다른 종래의 열질량흐름 제어기와 마찬가지로 단지 수직배향방향으로만 사용되게 되어 있다. 즉, 상기 질량흐름 제어기는 선택되는 배향방향이 단일로 국한되어 있고, 그 결과 대체로 수직의 우회위치를 갖는 것 외에는 다양한 위치에 사용할 수 없다.

블레친거(Blechinger et al. )의 미국특허 제4,776,213호에는 주 공기흐름로 (main airflow path)에 횡방향으로 연장되는 우회로에 설치되는 공기흐름 계량기에 관해 기재되어 있다.

따라서, 콤팩트하면서, 흐름 제어기의 판독시에 유발되는 대류적 교란에 따르는 다양한 배향성으로 위치될 수 있는 열질량흐름 제어기가 필요하다.

발명의 요약

본 발명에 따른 직교형 열질량흐름 센서를 갖는 열질량흐름 계량기를 구비하는 열질량흐름 제어기는 계량할 가스흐름을 수용하기 위한 베이스를 구비하고 있는데, 이 베이스는 상기 가스의 흐름을 수용하기 위한 베이스 유입구(basc inlet)를가지고 있고, 상기 가스의 흐름을 운반할 수 있도록 베이스의 유입구와 연통 (communication)하는 주 흐름경로가 내부에 형성되어 있다. 상기 주 흐름경로에는 압력강하 우회로(pressure dropping bypass)가 위치되어 주 흐름경로의 내부와 외부를 구분하게 되어있다. 베이스는 또한 계량된 가스흐름을 수용할 수 있도록 상기 주 흐름경로의 배출부과 연통하는 베이스 배출구를 가지고 있다. 열질량흐름 센서의 흐름계량부는 베이스의 주 흐름경로의 외부에서 그를 가로 지르는 방향으로 또는 직교하는 방향으로 연장되어 있다. 상기 열질량흐름 센서는 센서 유입구를 통해 가스흐름의 센서부분을 수용할 수 있도록 주 흐름경로의 연통하고 있다. 본 발명에 따르면 저항 브리지(resistance bridge)의 일부를 포함하는 전자시스템이 제공되는데, 이 전자시스템은 센서의 온도를 결정하기 위한 수단을 구비하며 그에 응답하는 질량흐름율 신호를 발생시킨다. 열질량흐름 센서의 흐름계량부로부터 가스흐름의 센서부분을 수용할 수 있도록 센서 배출구가 열질량흐름센서의 흐름계량부와 연통하고 있다. 상기 센서 배출구는 또한 베이스의 주흐름경로의 배출부와 연통하는데, 이곳에서 가스흐름의 센서부분은 주 흐름경로로 귀환하게 된다. 질량흐름신호에 응답하여 가스의 흐름을 제어할 수 있도록 주 흐름경로의 배출구에는 가스흐름제어 밸브를 갖는 밸브장치가 연결되어 있다.

본 발명의 주 특징은 흐름계량기의 응답을 대류적으로 교란시킴이 없이 다양한 배향성을 가지고 작동할 수 있는 열질량흐름 계량기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은 주 가스흐름 경로에 대해 대체로 직교방향으로 또는 가로지르는 방향으로 배향되어 있는 가스계량부를 가지고 있는 센서의 사용에 의해콤팩트하게 구성되는 열질량흐름 계량기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 대체로 작은 바닥면적을 가지는 열질량흐름 계량기(thermal mass flow meter) 또는 열질량흐름 제어기(thermal mass flow controller)를 제공하는 것이다.

본 발명의 기타 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 하기의 상세한 설명 및 특허청구의 범위를 참조하면 명백하게 될 것이다.

도면의 간단한 설명

제1도는 센서부와 정상시 개방되는 밸브를 갖는 밸브부를 포함하는 직교형 열질량흐름 제어기와, 센서부 및 밸브에 대한 연결을 위한 전자패키지를 구비하는 열질량흐름 제어기의 사시도,

제2도는 센서부의 베이스를 통해 주 유체흐름 경로에 대한 열질량흐름 센서의 배향을 구체적으로 도시하도록 부분적으로 절개된, 제1도의 열질량흐름 제어기의 입면도,

제3도는 제2도의 3-3선을 따라 절취된 단면도,

제4도는 제3도의 4-4선을 따라 절취된 단면도,

제5도는 정상시 패쇄되는 밸브를 갖는 직교형 열질량흐름 센서를 구비하는 열질량흐름 제어기의 제2실시예를 도시하는 사시도,

제6도는 센서부의 베이스를 통해 주 유체흐름경로에 대한 열질량흐름 센서의 배향을 구체적으로 나타내기 위해 부분적으로 절개된, 제5도의 열질량흐름 제어기의 입면도,

제7도는 제6도의 7-7선을 따라 절취된 단면도,

제8도는 센서부와 밸브부에 대한 전기적인 연결을 도시하는 제1도 및 제5도에 도시된 전자패키지의 블록도,

제9도는 제8도에 도시된 블록도의 정전류원(constant current source) 및 센서 전치(前置) 증폭기의 개략도.

제10도는 제8도에 도시된 센서동조회로의 개략도,

제11도는 제8도에 도시된 선형화회로의 개략도,

제12도는 제8도에 도시된 자동-제로회로(auto-zero circuit)의 개략도,

제13도는 제8도에 도시된 입력버퍼(input buffer), 포스트 필터(post filter), 온화 시동회로(soft start circuit)의 개략도,

제14도는 제8도에 도시된 정상시 개방되는 밸브구동회로의 개략도,

제15도는 제8도에 도시된 정상시 폐쇄되는 밸브구동회로의 블록도,

제16도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 단면도,

제17A도 내지 제17C도는 제16도에 도시된 실시예에 따른 회로의 개략도.

적합한 실시예의 상세한 설명

제1, 2, 3, 4 및 8도에는 본 발명을 구현하는, 직교형 열질량흐름 센서를 갖는 열질량흐름 제어기가 부호 "10"으로 도시되어 있다. 열질량흐름 제어기(10)는 센서부(14)를 갖는 열질량흐름 계량기(12)와 상기 센서부(14)에 연결된 전자패키지 (16)를 구비한다. 센서부(14)를 통과하는 가스흐름에 의해 질량흐름을 신호가 발생하며, 질량흐름율 신호에 응답하여 전자패키지는 밸브명령신호를 발생시킨다.가스흐름을 수용할 수 있도록 상기 센서부(14)에는 밸브(18)가 연결되어 있으며, 상기 밸브(18)는 또한 상기 밸브명령신호를 수신할 수 있도록 전자패키지(16)에 연결되어 있다. 상기 센서부(14)는 그에 연결된 직교형 또는 횡형의 열질량흐름 센서 (22)를 갖는 베이스(20)를 구비한다.

상기 베이스(20)는 대체로 직사각형의 각기둥 형상을 가지고 있는 금속으로 구성되어 있다. 즉, 베이스(20)는 바닥벽(24), 1쌍의 측벽(26,28), 상부벽(30), 유입구 벽(32), 그리고 배출구 벽(34)을 가지고 있다. 유입구 벽(32)에는 유입구 (36)가 형성되어 있으며, 배출구 벽(34)에는 배출구(38)가 형성되어 있다. 베이스에는 상기 유입구(36)로부터 배출구(38)까지 연장되는 대체로 원형으로 이루어진 원통형의 주 유체 또는 가스 흐름로(40)가 형성되어 있다. 주 유체흐름로(40)의 내부에는 길게 연장된 다수의 소결 튜브로 구성되는 압력강하용 우회로(42)가 수용되어 있는데, 우회로(42)는 주 유체흐름로(40)의 상류측(44)과 하류측(46)를 구분 시키게 된다.

상기 유입구(36)는 유입구센서흐름 경로(50)에 의해 직교형의 열질량흐름 센서(22)에 연결되며, 상기 배출구(38)는 배출구흐름경로(52)에 의해 직교형 열질량 흐름 센서의 배출구측에 연결된다. 베이스(20)에는 유입구 커넥터(56)가 다수의 나사체결구(58)에 의해 연결되어 있다. 유입구(56)와 베이스(20)사이에는 그들간의 밀봉연결을 제공할 수 있도록 금속가스킷 또는 시일(60)이 배치되어 있다.

열질량흐름 센서(22)는 센서 유입구(72)의 레그(leg)가 연결되어 있는 열질량흐름 센서 베이스(70)를 구비한다. 센서튜브(71)는 상기 유입구(72)의 튜브 레그, 흐름계량튜브부 또는 레그의 일부분(76) 및 배출구(78)의 튜브 레그를 구비하고 있다. 센서(22)의 흐름계량부(76)는 그의 주위에 감겨진 1쌍의 직렬 전기저항권선(84,86)을 구비하고 있다. 상기 유입구 및 배출구(72,78)의 레그의 와이어랩 (wire wrap) 열싱크 커넥터(90)를 거쳐 지지기능 및 열제거기능을 제공하는 인쇄회로기판(92)에 연결되어 있다. 흐름계량부(76)의 주위에는 흐름계량부(76)가 열적으로 혼란스러워지는 것을 방지하기 위해 배팅(batting)(100)이 배치되어 있다. 권선(84,86)을 포함하고 있는 흐름계량부(76)은 덮개 캔(102)에 의해 에워싸여 있다. 직교형 열질량흐름 센서(22)로부터는 복합 도선 커넥터(108)는 전자 패키지 (16)에 연결되어 있다.

직교형 열질량흐름 센서(22)는 주 유체흐름로(40)의 외부에서 그에 대해 횡방향으로 직교하도록 배치된 센서흐름계량부(76)를 가지고 있다. 이에 따라 주 유체흐름로(40)는 흐름계량부(76)의 응답의 대류적인 교란을 방지하도록 흐름계량부 (76)를 수평으로 유지시킨 상태에서 수평, 수직 또는 그 두 방향의 사이에서 어느방향으로도 배향될 수 있게 된다. 이외에도 주 유체흐름로(40)에 대한 열질량흐름센서(22)의 횡 배향에 따라 매우 콤팩트한 열질량흐름 계량기(12)가 얻어지게 된다.

밸브(18)는 밸브 연결고리(valve pintle)(114)을 밸브 시트(116)에 대해 구동시키기 위한 솔레노이드(112)를 갖는 평상시 개방되는 전자밸브(110)를 구비하고 있다. 밸브 시트(116)는 그와 연통하는 밸브 유입구(120)와 밸브 배출구(122)를 갖는 밸브 블록(118)에 연결되어 있다. 밸브 블록(118)은 배출구(126)가 연결되어있는 배출구 벽(124)을 가지고 있다. 배출구(126)와 배출구 벽(124)사이에는 금속시일(130)이 위치되어 있는데, 이 금속시일(130)에는 배출구(126)가 다수의 나사 체결구(128)에 의해 접촉상태로 유지되어 있다.

제5도에 도시된 전자 패키지(16)는 제8도에 도시된 바와 같이 온도 의존형 저항권선(84,86)을 가동시키기 위한 정전류원(160)을 구비하고 있다. 성능을 배가시킬 수 있도록 권선(84,86)에는 센서 동조회로(162)에 의해 전류가 바이어스되게 된다. 전치증폭기(164)는 전압분배기(84,86)로부터의 신호를 출력선(106)을 따라 수신하여 증폭시키고, 선(214)을 통해 센서동조회로(162)로 출력시킨다. 센서 동조회로(162)에는 선형화기(linearizer)(166)가 연결되어 그 센서 동조회로(162)에 의해 구동되며, 이에 따라 출력질량흐름신호에 대한 부분선형화를 제공한다. 선 (172)으로부터의 설정점 신호를 수신하기 위해 설정점 버퍼(170)가 연결되어 있는데, 이 설정점 버퍼(170)는 설정점 신호를 온화 시동회로(174)를 통해 밸브구동기 (168)로 전달하며, 그 밸브구동기(168)에서 설정점 신호는 질량흐름을 신호와 비교되어 선(176)을 통해 밸브에러 또는 밸브제어신호를 발생시키게 된다. 상기 밸브에러 또는 밸브제어신호는 밸브(110)로 또는 밸브(610)로 보내져 밸브개방도를 제어할 수 있게 해준다. 선형화회로(166)는 또한 출력질량 흐름율신호를 선(167)을 통해 포스트 필터(post filter)(180)로 공급하며, 상기 포스트 필터(180)는 선 (184)을 통해 필터링된 신호를 계량기의 출력으로서 제공된다.

제9도를 참조하면 정전류원(160)이 도시되어 있는데, 이 정전류원(160)은 AC접지 캐패시터(204)를 갖는 트랜지스터(202)에 연결된 증폭기(200)를 구비하고 있다. 접지 캐패시터(204)와 트랜지스터(202)에는 도선(106)이 연결되어 센서권선 (84,86)을 가동시킨다.

제9도 및 10도에 도시된 센서 동조회로(162)에 있어서는 선(106)상의 센서출력이 저항을 통해 보상저항(補償抵抗)(212)으로 보내지며, 다시 전치증폭기(164)의 일부를 구성하는 증폭기(220)에 의해 수신되게 된다. 증폭기(220)의 출력신호는 센서동조회로(162)의 증폭기(210)에 연결된 선(214)으로 공급되며, 이에 따라 센서 동조회로(162)는 센서권선(84,86)의 전기적인 응답을 가속시키게 된다.

센서동조회로(162)는 선(230)의 출력신호를 선형화기(166)에 공급하는데, 이선형화기(166)는 제11도에 도시된 바와 같이 선(230)에서 생(raw)질량흐름 신호를 수신하며, 이 신호는 가변저항(244)를 통해 증폭기(232)로 공급되게 된다. 증폭된 신호는 제2증폭기(234)로 보내지며, 제2증폭기(234)는 선(167)을 통해 출력신호를 제공하는데, 출력신호는 또한 다수의 정밀 세그먼트 발생기(236,238,240)를 통과하게 되는데, 세그먼트발생기는 각각 25%, 50% 그리고 75%의 이송율에서의 정밀 세그먼트발생을 제공한다. 선형 세그먼트발생기의 출력은 선(242)을 통해 증폭기(232)의 입력에 피드백된다. 제14도에 도시된 바와 같이 선형화신호는 선(167)을 통해정상시 개방되는 밸브구동회로(168)에 인가되게 된다, 질량흐름신호는 비교기 (260)에 인가되는데, 비교기(260)는 또한 제8도에 도시된 바와 같이 온화 시동회로 (174)에 연결된 도선(262)으로부터의 입력신호를 수신한다. 버퍼링된 설정점신호는 증폭기(260)에서 질량흐름신호와 비교되어, 선(266)상에서 밸브제어 에러신호가 발생하게 되며, 이 신호는 밸브제어 트랜지스터(268)에 인가되게 된다. 밸브제어트랜지스터(268)는 선(270)을 통해 각각 구동도선(274,276)을 갖는 달링톤 쌍 (Darlington pair)(272)에 연결되어 있다. 또한 코일(112)이 피드백 도선(278)에 연결되어 있는데, 이 코일(112)은 피드백 신호를 피드백 증폭기(280)에 제공하며, 이 피드백 증폭기(280)는 저항(282)을 통해 트랜지스터(268)의 베이스에 연결되어 있다. 저설정점 가속회로(low set point speed up circuit)(286)이 또한 제공되는데, 이 회로는 선(267)으로부터 설정점신호를 수신하여 그 신호를 가속증폭기(288)로 공급한다. 가속증폭기(288)는 가속출력신호를 트랜지스터(268)로 공급한다.

제13도를 참조하면, 포스트 필터(180)가 도시되어 있는데, 포스트필터(180)는 포스트 필터 증폭기(300)를 구비하고 있다. 포스트 필터 증폭기(300)는 저항망을 통해 공급된 선형화 질량흐름신호를 선(167)으로부터 수신하며, 흐름제어기를 통한 순간흐름율을 결정할 수 있도록 질량흐름 제어기예 연결된 직접 디지탈 제어기 또는 다른 장치를 거쳐 사용할 수 있도록 도선(184)에서 대부분의 인위적 성분 및 고주파소음이 제거된 상태로 이루어진 필터 출력 신호를 발생시킨다. 또한, 온화 시동회로(174)는 선형 캐패시터 충전망(312)에 연결된 증폭기(310)에서 버퍼링된 설정점신호를 수신하면 입력버퍼(170)의 출력에 의해 구동되게 된다. 선형 캐패시터 충전망(312)은 캐패시티(314)에 선형전압 충전램프(linear voltage charging ramp)를 제공하는데 필요한 전류를 공급한다. 캐패시터(314)는 도선 (322)에 선형으로 램프된 출력신호를 제공하는 증폭기(320)를 구동시키도록 램프전압에 의해 선형방식으로 충전된다. 온화 시동시의 사용을 위한 램프출력신호는 제 9도에 도시된 바와 같이 저항(324)을 통해 도선(322)를 가진 후 도선(326)에 공급된다. 도선(326)은 제14도에 도시된 바와 같이 저항(328)을 통해 밸브구동회로의 비교기(260)의 입력에 연결되어 있다.

제5, 6, 7, 8도에 도시된 직교형 열질량흐름 센서를 갖는 본 발명의 제2실시예에 따른 열질량흐름 제어기는 부호(510)로 표시되어 있는데, 이 열질량흐름 제어기(510)는 열질량흐름 제어기(10)의 센서부(14)와 동일한 센서부(14)를 갖는 열질량흐름 계량기(512)와, 상기 센서부(14)에 연결된 전자 패키지(16)를 구비하고 있다. 센서부(14)를 통과하는 가스흐름에 의해 질량흐름율 신호가 발생하게 되는데, 이 질량흐름을 신호에 응답하여 전자패키지(16)는 밸브 명령 신호를 발생시키게 된다. 가스흐름을 수용할 수 있도록 상기 센서부(14)에는 밸브(518)가 연결되어 있으며, 밸브(518)는 또한 상기 밸브명령신호를 수신할 수 있도록 전자패키지(16)에 연결되어 있다.

밸브(518)는 밸브 연결고리(614)를 밸브시트(616)에 대해 구동시키기 위한 솔레노이드(612)를 갖는, 정상시 패쇄되는 전자밸브(610)가 부착되어 있는 밸브블록(520)을 구비하고 있다. 밸브시트(616)는 그와 연통하는 밸브유입구(620)와 밸브배출구(622)를 가지고 있는 밸브블록(618)상에 안착된다. 밸브블록(516)은 배출구(626)가 연결되어 있는 배출구 벽(624)를 가지고 있다. 배출구(626)와 벽(624)사이에는 금속시일(630)이 위치되어 있는데, 이 금속시일(630)에는 배출구(626)가 다수의 나사체결구(628)에 의해 접촉상태로 유지되어 있다.

정상시 폐쇄되는 밸브(610)를 위한 밸브구동회로가 제15도에 도시되어 있는데, 제15도에 있어서 유사한 부호로 표시된 요소는 제14도에 도시된 대응요소와 동일한 기능을 수행한다.

본 발명의 제3실시예에 따르면 제16, 17A 내지 17C도에 도시된 직교형 열질량흐름 센서를 갖는 열질량흐름 제어기가 제공된다. 부호 "710"으로 도시된 본 열질량흐름 제어기는 센서부(714)를 갖는 열질량흐름 계량기(712)와, 상기 센서부 (714)에 연결된 회로(716)를 구비하고 있다. 센서부(714)를 통과하는 가스흐름에 의해 질량흐름율 신호가 발생하게 되는데, 이 질량흐름율 신호에 응답하여 회로 (716)는 밸브명령 신호를 발생시키게 된다. 가스흐름을 수용할 수 있도록 상기 센서부(714)에는 밸브(718)가 연결되어 있으며, 이 밸브(718)는 또한 상기 밸브명령 신호를 수신할 수 있도록 회로(716)에 연결되어 있다. 센서부(714)는 그에 연결된 직교형 또는 횡형의 열질량흐름 센서(732)를 갖는 베이스(720)를 구비하고 있는데, 이 베이스(720)는 바닥(724), 상부벽(730), 유입구 벽(732) 그리고 배출구 벽(734)을 가지고 있다. 유입구 벽(732)에는 유입구(736)가 형성되어 있으며, 배출구 벽 (734)에는 배출구(738)가 형성되어 있다. 베이스에는 상기 유입구(736)로부터 배출구(738)까지 연장되는 대체로 원형으로 된 원통형의 주 유체 또는 가스흐름로 (740)가 형성되어 있다. 주 유체흐름로(740)의 내부에는 길게 연장된 다수의 소정튜브로 구성되는 압력강하 우회로(742)가 수용되어 있는데, 이 우회로(742)는 주유체흐름로(740)의 상류측(744)과 하류측(746)을 구분시키게 된다.

상기 유입구(736)는 짧은 유입구센서흐름 경로(750)에 의해 직교형의 열질량흐름 센서(722)에 연결되며, 상기 배출구(738)는 짧은 출구흐름경로(752)에 의해 직교형 열질량흐름 센서의 배출구 측에 연결된다. 유입구(750)와 배출구(752)에 인접하여 링(741)이 배치되어, 흐름계량의 정확도를 교란시킬 수 있는 기존의 열흡인현상(thermal siphoning)을 감소시키게 되어 있다. 베이스(720)에는 유입구 커넥 터(756)가 연결되어 있으며, 유입구(756)와 베이스(720)사이에는 그들간의 밀봉 연결을 제공할 수 있도록 금속가스킷 또는 시일(760)이 배치되어 있다.

열질량흐름 센서(722)는 316L 스테인레스강 센서튜브(771)을 갖는 열질량흐름 센서베이스(770)를 구비하고 있는데, 상기 센서튜브(771)는 상술한 센서튜브와 동일하며 U형으로 되어 있다. 센서튜브(771)는 유입구튜브 레그(772), 흐름계량 튜브 또는 레그(776)는 그의 주위에 감겨진 1쌍의 직렬 전기저항권선(784,786)을 구비하고 있다. 권선(784,786)은 도선(806)을 거쳐 커버(806d)내에 위치된 복합 인쇄회로기판(806a,806b,806c)은 회로(716)의 일부를 구성한다. 흐름계량부(776)의 주위에는 그 흐름계량부(776)가 열적으로 혼란스러워지는 것을 방지하기 위해 배팅(batting)(800)이 배치되어 있다. 권선(784,786)과 함께 흐름 계량부(776)는 덮개 캔(802)에 의해 에워싸여있다.

직교형 열질량흐름 센서(722)는 주 유체흐름로(740)의 외부에서 그에 대해 횡으로 또는 직교하도록 배치된 센서계량부(776)를 가지고 있다. 이에 따라 주 유체흐름로(740)는 흐름계량부(776)의 응답의 대류적인 교란을 방지시키도록 흐름계량부(776)를 수평으로 유지시킨 상태에서 수평, 수직 또는 그 2방향의 사이에서 임의적 방향으로 배향될 수 있게 된다. 우회로(742)의 장애없이 동작할 수 있도록 열질량흐름 센서(722)를 제거시킬 수도 있을 것이다. 이와 유사하게, 센서(722)를 제거시키지 않고 우회로(742)를 변경시킬 수도 있을 것이다. 또한, 센서유입구 및센서출구부분의 좁은 간격에 의해 흐름계랑부(776)의 응답을 교란시키는 대류효과가 감소되게 된다. 이외에도 주 유체흐름로(740)에 대한 열질량흐름 센서(722)의 횡배향에 따라 매우 콤팩트한 열질량흐름 계량기(12)가 얻어지게 된다.

밸브부(714)는 밸브 연결고리(814)를 밸브시트(816)에 대해 구동시키기 위한 솔레노이드(812)를 갖는, 정상시 패쇄되는 전자밸브(810)를 구비하고 있다. 밸브시트(816)는 그와 연통하는 밸브유입구(820)와 밸브배출구(822)를 가지고 있는 밸브블록(818)에 연결되어 있다. 밸브블록(818)은 배출구(826)를 가지고 있다.

하우징내에 위치된 것으로 도시되어 있는 전자회로(716)는 센서권선 (784,786)을 구동시키는 정전류발생기(910)를 구비하고 있다. 센서권선(784,786) 사이에 배치된 센터탭(center tap)(912)은 도선(806)중의 하나를 통해 흐름신호를 차동증폭기(914)에 인가하며, 차동증폭기(914)는 상기 흐름 신호를 증폭하고 증폭된 신호를 다시 증폭을 위해 차동증폭기(916)에 인가한다. 또 다른 증폭이 차동증폭회로(920)에서 이루어 지는데, 이 차동증폭기회로(920)는 선(921)상의 비선형 흐름신호를 증폭기(922)를 통해 비선형흐름신호의 부분 선형화를 위한 다수의 세그먼트 발생기(924)에 공급한다. 상기 세그먼트 발생기(924)는 선(925b)을 통해 전위 원(potential source)(925a)에 연결되어 있다. 상기 세그먼트 발생기(924)은 제1세그먼트발생기(926), 제2세그먼트발생기(928), 제3세그먼트발생기(930)를 포함한다. 제1세그먼트발생기(926)는 25%의 흐름율에서 정지점을 가지며, 제2세그먼트발생기 (928)는 50%의 흐름율에서 정지점을 가지며, 제3세그먼트발생기(930)는 75%의 흐름율에서 정지점을 갖는다. 세그먼트발생기로부터의 신호는 증폭기(922)를 통해 피드백되며, 이에 따라 증폭기(922)는 선형화된 흐름신호를 출력한다. 이 선형화된 흐름신호는 증폭기(940)를 통해 전달되며, 상기 증폭기(940)는 선(941)을 통해 에러증폭기(942)를 통해 흐름설정점 신호를 수신하며, 선(946)을 통해 선형화된 흐름신호를 수신하며, 출력부(948)에 흐름 에러 신호 출력(flow error signal output)을 제공한다. 흐름에러 신호는 트랜지스터(956,958)를 갖는 달링톤 트랜지스터 쌍 (954)을 구동시키도록 저항(950)을 통해 선(952)에 인가되게 된다. 상기 트랜지스터(958)는 밸브(810)에 응답하여 밸브 연결고리(814)의 위치를 제어할 수 있도록 밸브(810)에 결합되어 있다. 본 발명의 열질량흐름 제어기(10,510,710)는 주 유체흐름 경로에 대해 횡으로 또는 직교하도록 배향된 열질량흐름 센서의 사용을 통해 매우 작은 바닥면적을 갖는, 배향-비감응형 질량흐름센서를 제공한다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 이에 따라 질량흐름제어기는 클램프(cramp)된 가스셀프에서 다양한 위치로 배향될 수 있고, 그 결과 보다 작은 공간을 점유하면서도 성능저하가 없게 된다.

지금까지 본 발명의 특정 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 진정한 정신 및 범위는 첨부된 특허청구의 범위에 의해서만 한정된다는 것을 인지할 수 있을것이다.

Claims

가스 또는 증기의 흐름을 제어하기 위한 열질량흐름 제어기(10)에 있어서, 상기 열질량흐름 제어기는:

가스 또는 증기의 흐름을 수용하고 주 가스흐름로(40)를 한정하며, 가스 또는 증기의 흐름을 수용하는 베이스 유입구(36)와, 주 가스흐름로(40)내에 위치되어 주 가스흐름로(40)의 유입측(44)과 배출측(46)을 형성하는 압력강하 우회로(42), 그리고 상기 가스 또는 증기흐름을 수용하도록 주 가스흐름로의 배출측(46)과 연통하는 베이스 배출구(38)를 구비하는 베이스(20)와;

상기 가스 또는 증기 흐름 부분을 수용하도록 상기 베이스(20)의 주 가스흐름로(40)의 유입측(44)과 연통하는 센서 유입구(72)와;

상기 베이스(20)의 주 가스흐름로(40)에 대해 횡방향으로 향해지고 상기 센서 유입구(72)로부터 상기 가스 또는 증기의 흐름부분을 수용하도록 센서 유입구 (72)와 연통하는 센서흐름계량부(76)와;

상기 센서흐름계량부(76)와 결합되며 가스 또는 증기 흐름부에 응답하는 흐름신호를 발생하는 온도감응요소(84,86);

상기 센서흐름계량부(76)로부터 가스 또는 증기 흐름의 부분을 수용하도록 상기 센서흐름계량부와 연통하고, 상기 베이스(20)의 주 흐름로(40)의 배출측(46)과 연통하는 센서 배출구(78)와;

상기 흐름신호에 응답하여 주 가스흐름로(40)를 통과하는 가스 또는 증기 흐름을 계량하도록 상기 주 가스흐름로(40)와 연통하게 상기 베이스 배출구(38)에 연결된 밸브(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열질량흐름 제어기.
제1항에 있어서, 상기 센서 유입구(72)는 센서흐름계량부(76)와 일체로 형성되며, 상기 센서 배출구(78)는 상기 센서흐름계량부(76)와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 열질량흐름 제어기.
제2항에 있어서, 상기 센서흐름계량부(76)는 센서튜브(71)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열질량흐름 제어기.
가스 또는 증기의 흐름율을 계량하기 위한 열질량흐름 계량기(12)에 있어서, 상기 열질량흐름 계량기는:

질량흐름율이 측정될 가스 또는 증기 흐름을 수용하는 유입구(36)와;

가스 또는 증기 흐름을 수용하도록 상기 유입구(36)에 연결된 주 가스흐름로와;

가스 또는 증기 흐름에 압력강하를 제공하도록 상기 유입구(36)와 연결되고 주 가스흐름로(40)의 하류측(46)과 상류측(44)을 한정하는 우회로(42)와;

주 가스흐름로(40)의 상류측(44)에 연결된 제1단부(72)와 주 가스흐름로(40)의 하류측(46)에 연결된 제2단부(78)를 가긴 센서튜브(71)를 구비하고, 부가로 상기 주 가스흐름로(40)를 횡단하여 연장하는 센서튜브(71)의 일부분(76)과 양호한열적 연결을 이루는 열적 응답수단(84,86)을 구비하는 열질량흐름 센서(22)와;

가스 또는 증기 흐름을 수용하도록 주 가스흐름로(40)의 하류측(46)에 연결된 배출구(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열질량흐름 계량기.
가스 또는 증기의 흐름율을 제어하기 위한 열질량흐름 제어기(10)에 있어서, 상기 열질량흐름 제어기는:

질량흐름율 제어를 위해 가스 또는 증기 흐름을 수용하는 유입구(36)와;

가스 또는 증기 흐름에 압력강하를 제공하도록 상기 유입구(36)와 연결되고, 하류측(46)과 상류측(44)을 가지며 제1방향으로 연장되는 우회로(42)와;

우회로(42)의 상류측(44)에 연결된 제1단부(72)와 우회로(42)의 하류측(46)에 연결된 제2단부(78)를 가진 센서튜브(71)를 구비하고, 부가로 가스 또는 증기의 질량흐름율을 나타내는 흐름신호를 제공하며 제1방향에 대해 횡단하는 제2방향으로 연장되는 센서튜브(71)의 일부분과 양호한 열적 연결을 이루는 열적 응답수단 (84,86)을 구비하는 열질량흐름 센서(22)와;

상기 가스 또는 증기 흐름을 수용하도록 우회로(42)의 하류측(46)에 연결된 배출구(38) 및;

흐름신호를 수신하여 흐름신호에 응답하여 밸브(18)를 통한 질량흐름율을 제어하도록 배출구(38)에 연결된 밸브(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열질량흐름 제어기.
가스 또는 증기의 흐름율을 계량하는 질량흐름 계량기(12)에 있어서, 상기 질량흐름 계량기는:

질랑흐름율 계량을 위해 가스 또는 증기 흐름을 수용하는 유입구(36)와;

가스 또는 증기의 흐름에 압력강하를 제공하도록 상기 유입구(36)에 연결되고, 상류측(44)과 하류측(46)을 가지고 제1방향으로 연장되는 우회로(42)와;

우회로(42)의 상류측(44)에 연결된 제1단부(72)와 우회로(42)의 하류측(46)에 연결된 제2단부(78)를 가진 튜브(71)를 구비하고, 부가로 가스 또는 증기의 질량흐름율을 나타내는 흐름신호를 제공하며 제1방향에 대해 횡단하는 제2방향으로 연장되는 튜브의 일부분(76)과 양호한 열적 연결을 이루는 열적 응답수단(84,86)을 구비하는 열질량흐름 센서(22) 및;

가스 또는 증기의 흐름을 수용하도록 우회로(42)의 하류측(46)에 연결된 배출구(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량흐름 계량기.
제4항에 있어서, 가스 또는 증기의 흐름율을 계량하는 열질량흐름계랑기(12)가 배출구(38)에 연결된 밸브(18)와 조합구성되고;

열적 응답수단(84,86)은 가스 또는 증기의 질량흐름율을 나타내는 흐름신호를 제공하고;

밸브(18)는 흐름신호에 응답하여 밸브(18)를 통해 가스 또는 증기의 질량흐름율을 제어하는 것을 특징으로 하는 열질량흐름 계량기.