KR100684515B1 - 개선된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로 - Google Patents

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셀레리티, 아이엔씨
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Abstract

질량 흐름 제어기에 질량 유량에 비례하는 출력 전압을 제공하고 가스의 질량 유량을 감지 및 측정하기 위한 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스("MFSI";mass flow sensor interface) 회로 및 그 방법이 개시되었다. 본 발명의 개량된 MFSI 회로는 회로를 구동시키기 위해 업스트림 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트와 정밀 전류원을 포함한다. 이 회로는 또한 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 전압 업스트림과 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 전압 다운스트림을 합하기 위한 연산 증폭기를 포함한다. 기준 전압은 연산 증폭기의 포지티브 노드에 전기적으로 연결된다. 업스트림 션팅 레지스터와 다운스트림 션팅 레지스터는 연산 증폭기의 네거티브 노드에서 공통 접속부를 공유하고 업스트림 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트에 병렬로 전기적으로 연결된다. 본 발명의 개량된 MFSI 회로는 또한 연산 증폭기의 포지티브 노드와 기준 전압원 사이에 연결된 기준 레지스터와 연산 증폭기의 출력과 포지티브 노드 사이에 연결된 피드백 레지스터를 포함한다. MFSI 회로의 연산 증폭기는 업스트림 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트에 걸친 저항 변화에 비례하는, 따라서 가스 질량 유량에 비례하는, 출력신호를 제공한다.
질량 흐름 제어기, 질량 유량, 연산 증폭기, 기준 전압원, 출력 전압, 기준 레지스터, 질량 흐름 감지 센서.

Description

개선된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로{IMPROVED MASS FLOW SENSOR INTERFACE CIRCUIT}
본 발명은 일반적으로 질량 흐름 제어기(MFC; mass flow controller)를 동작시키는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히는, 가스 흐름에 응답한 센스 레지스터 또는 레지스터들의 저항 변화를 감지하여 질량 흐름 제어기내에서 질량 유량을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
대부분의 제조 프로세스는 처리 가스의 흐름이 정밀하게 제어될 것이 요구된다. 이를 위해서는, 가스 유량이 감지되어 결정되어야만 한다. 가스 유량 제어기는 가스 온도 및 압력과 거의 무관하게 가스 유량을 감지하고, 측정치를 제공하며, 이와같은 감지 및 계량에 기초하여 소망하는 바와 같은 질량 유량을 조정하기 위한 가스 유량을 계량한다. 열 전달 원리로 작동하는 질량 흐름 제어기는 업계에 널리 채용되어 왔다.
가스를 위한 일반적인 형태의 질량 흐름 센서는, 한 코일이 다른 것의 상향에 위치되는, 서로에 대해 매우 근접한 외측에서 감긴 와이어로 된 두 코일을 갖는 직경이 작은 튜브(캐필러리 튜브)를 통합하고 있다. 이들 코일은 온도에 민감한 저항을 갖는 금속 물질로 형성된다. 이들 코일은 가스 흐름이 존재하지 않는 경우 에 동일 저항을 제공하기 위해 그러므로 브리지 형태 전기 회로를 위한 밸런스 상태 즉, 널 출력 신호를 제공하기 위해 센서에 통합된 브리지 형태 전기 회로에 의해 가열된다.
가스가 캐필러리 튜브내에서 흐를 때, 찬 유입 가스는 업스트림 엘리먼트를 지나서 흐름에 따라 따뜻해지고, 따뜻해 진 가스는 그후 다운스트림 엘리먼트를 지나 흐르고, 결과적으로 두 엘리먼트가 차동 냉각되는 결과로 된다. 온도의 차이는 캐필러리 튜브를 통하여 흐르는 단위 시간 당 분자의 수에 비례한다. 온도에 의한 코일의 저항의 공지된 변동에 기초하여, 브리지 회로의 출력 신호는 가스 질량 흐름에 대한 측정치를 제공할 수 있다.
그러나, 종래 기술의 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 일부 바람직하지 못한 특성을 갖는다. 첫째, 종래 기술의 회로는 제로 흐름으로 회로 출력을 제로 볼트로 트리밍시키기 위해 감지 엘리먼트와 병렬을 이룬 저항들을 포함하기 때문에 단순히 감지 엘리먼트를 구동시키는 경우엔 이상적인 상태를 위태롭게 한다. 이렇게 함으로써, 종래 기술의 회로는 센서의 명백한 이득을 손상시킨다. 센서 이득은 제로-볼트/제로-흐름 상태의 제어 가능성을 위해 상쇄된다. 통상적으로 센서 출력을 감쇠시키는 것은 바람직하지 못하다. 지나치게 많은 측정가능한 값을 지닌 임피던스가 감지 레지스터와 병렬로 위치된다면, 이것들은 흐름에 응답하여 감지 레지스터로부터 유도될 수 있는 최대 신호 전압을 열화시킨다.
둘째로, 종래 기술의 회로에서, (흐름에 비례하는) 출력 전압간의 관계와 업스트림과 다운스트림 센스 엘리먼트간의 차이는 비선형적이고, 이는 종래기술의 바 람직하지 못한 특징이다. 업스트림 및 다운스트림 감지 엘리먼트와 병렬로 놓인 통상적인 저항값은 감지 엘리먼트의 저항값 보다 매우 크지 않기 때문에, 감지 엘리먼트와 출력 전압간의 관계에서의 비선형성은 무시하지 못한다.
더욱이, 종래 기술의 회로는 가스 흐름을 지시하는 제로 내지 5볼트 출력을 발생시키기 위해, 통상적으로 35-70 이득 인수 정도로, 커다란 증폭량을 필요로 한다. 이것은 추가의 회로 및 복잡도를 필요로 한다. 이들 종래 기술의 회로는 업스트림과 다운스트림 감지 엘리먼트의 공통 접속 지점상에 놓인 임의의 부하가 센서 출력의 손실 및 회로 비선형성을 증가시키기 때문에 감지 회로로부터의 출력이 하이 입력 임피던스 증폭기 스테이지로 연결되어질 것을 필요로 한다.
더욱이, 종래 기술의 회로는 이득 제어 포텐셔미터를 이용하여 수동으로 교정되도록 설계되어 진다. 또한, 제로-볼트/제로-흐름 상태 역시 조작자에 의해 멀티미터를 이용하여 수동으로 조정된다. 이것은 이득 및 제로 제어 디바이스(포텐셔미터)에서의 드리프팅에 기인한 부정확한 질량 흐름 값으로 될 더욱 큰 가능성 및 회로 및 회로 복잡도가 증가되는 결과로 된다.
종래 기술의 회로는 또한 업스트림 및 다운스트림 감지 엘리먼트에 공통적인 주위 온도 변동에 영향을 받기 쉽다. 종래 기술의 질량 흐름 감지 회로는 가상 접지 및 가변 레지스터에 의해 임의로 제로 출력으로 트리밍될 수 있는 본질적으로 분압계이기 때문에, 임의의 주위 온도 변화는 회로 출력 전압에 반영되어 질 것이다. 이것은 종래 시스템이 감지 레지스터의 저항에서의 절대 변화를 비교하기 때문에 발생한다. 이러한 경우, 두 엘리먼트 모두가 동등하게 냉각 및 가열되는 경 우에도, 각각에서의 절대 저항 변화는 마찬가지로 상이할 것이다.
도 1은 종래 기술의 흐름 감지 브리지 회로(100)의 기본적인 토폴로지이다. 흐름 감지 브리지 회로(100)는 이상적인 전류원(20)에 의해 구동되는 수정된 휘이스톤 브리지이다. 이상적인 전류원은 매우 높은 임피던스에 의해 특징지워지는 데, 이는 그출력 전류가 부하에 걸리는 전압 강하에서의 변화에 의해 변화되지 않는 것을 의미한다. 이상적인 전류원(20)은 따라서 부하에 걸리는 전압 강하에 관계없이 동일한 전류를 공급한다.
도 1의 종래 기술의 흐름 감지 브리지 회로(100)의 한 브랜치는 두 개의 감지 엘리먼트인(RU, RD)로 이루어 진다. 이들 감지 엘리먼트는 가스 흐름을 감지하는 데에 사용되고 캐필러리 튜브의 외측에 감긴 업스트림 및 다운스트림 센서 코일의 각각의 동적 저항값을 표현하고; RU는 업스트림 감지 엘리먼트를 나타내고 RD는 다운스트림 감지 엘리먼트를 나타낸다. 업스트림 센서 코일은 가스 스트림 흐름에 의해 다운스트림 센서 코일 보다 더욱 냉각되고, 따라서, RU의 저항값은 RD의 저항값 보다 작다. 어떠한 가스 흐름이 없이는, RU는 RD와 동일하고, 브리지는 가변 레지스터(RV1)에 의해 밸런싱된다. 비제로 흐름 상태하에서, 종래 기술의 흐름 감지 브리지 회로(100) 출력 전압(eout)(30)은 아래의 수학식 1에 의해 주어진다. 수학식 1에 의해 나타내어 진 바와 같이, 출력 전압(eout)(30)과 (RU - RD)의 관계는 비선형적이다.
Figure 112002000470333-pct00001
흐름 감지 브리지 회로(100)의 다른 브랜치는 레지스터(R8,R9) 및 가변 레지스터(RV1)를 포함한다. 가변 레지스터(RV1)의 임피던스 값은 레지스터(R8,R9)의 값의 일부분에 불과하다. 가변 레지스터(RV1)는 출력 전압(eout)(30)이 제로이도록 흐름 감지 브리지 회로(100)의 오프셋트를 조정하기 위해 사용된다. 저항값(R1)은 가변 레지스터(RV1)의 와이퍼 아암의 레지스터(R8)측 상에서의 가변 레지스터(RV1)의 부분과 레지스터(R8)의 조합된 값을 나타내고, 저항값(R2)은 가변 레지스터(RV1)의 와이퍼 아암의 레지스터(R9)측 상에서의 가변 레지스터(RV1)의 부분과 레지스터(R9)의 조합된 값을 나타낸다. 통상적으로, R1 및 R2의 값은 RU 및 RD의 값의 약 8배 이다. 또한, 레지스터(RP)는 감지 레지스터(RU 및 R D) 및 레지스터(R8 및 R9)와 병렬로 연결된다. RP의 값은 R1 및 R2의 값의 약 4배이다. 회로의 비선형성은 따라서 무시하지 못한다.
상기 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 출력 전압(eout)(30)과 감지 엘리먼트 저항(RU 및 RD)간의 관계는 본질적으로 비선형성이다. 또한, 감지 엘리먼트(R U 및 RD)와 병렬로 연결된 레지스터(RV1, R8 ,R9 및 RP)은 감지 엘리먼트(RU 및 RD)의의 효과를 감소시킨다. 이상적으로, 전체 회로 전류는 최대 출력 신호를 획득하기 위해 감지 엘리먼트(RU 및 RD)를 통하여 흘러야 한다. 도 1은 그러므로 감지 엘리먼트(RU 및 RD)와 병렬인 저항의 사용에 의한 결과인 출력 전압(eout)(30)의 감소 및 종래기술의 비선형 특성을 나타낸다.
도 2는 도 1의 종래 기술의 흐름 감지 브리지 회로(100)를 더욱 상세히 나타낸 도이다. 이상적인 전류원(20)의 개별 성분이 상세히 도시된다. 흐름 감지 브리지 회로(100)에 인가된 전류의 크기는 레지스터(R100)에 걸쳐 인가된 기준 전압원(+5 Vref)으로부터 유도된 전압에 의해 제어된다. 가변 레지스터(RV1)의 와이퍼는 연산 증폭기(U3) 및 트랜지스터(Q2)에 의해 제어되는 가상 접지를 제공한다. 커패시터(C1)은 안정화 피드백(지연 보상)을 제공한다. 브리지 출력 전압은 레지스터(R11)와 커패시터(C2)에 의해 필터링된다. 레지스터(R11)와 커패시터(C2)로 이루어 지는 필터는 약 600Hz에 근사하는 -3dB 차단 주파수를 제공한다, eout(30)은 필터링된 출력 전압이다.
+5V 기준 전압(32)은 -5볼트로 되도록 연산 증폭기(U1)에 의해 인버팅된 전압이다. 연산 증폭기(U1)의 -5볼트 출력은 레지스터(R200)에 걸친 전압 강하와 비교된다. 가장 주목할 것은, 연산 증폭기(U1)의 -5볼트 출력은 연산 증폭기(U2)의 출력에서 +1.2775 볼트 공칭 전압이 되도록 스케일링 다운된다. 연산 증폭기(U2)의 출력이 정확히 1.2775 볼트가 아닐지라도, 그것은 트랜지스터(Q1)가, 레지스터(R9)에 걸리는 전압 강하가 (스케일링 다운되어 연산 증폭기(U2)에 의해 인버팅된) -5 볼트 기준의 값과 동일한 값으로 스케일링 다운되는 방식으로 흐름 감지 브리지 회로(100)의 나머지성분과 기준 레지스터(Rr)을 통하여 흐르는 전류를 제어하게 한다. 따라서, 100 킬로오옴 일 수 있는 기준 레지스터(Rr)에 걸리는 전압 강하는 정밀하게 1.2775 볼트이다. 결과적으로, 기준 레지스터(Rr)를 통하여 흐르는 전류는 공칭 전류 12.775mA 이다. 도 2의 나머지 레지스터는, 이미 언급한 바와 같은, 모두 1% 레지스터, R3, R4, R5, R6, R7, R10, R12 및 R14 이다.
이상적인 전류원(20)은 회로에 의해 구동되는 부하와 무관하게 일정한 전류원을 제공한다. 이것은 피드백 제어회로가 연산 증폭기(U2), 트랜지스터(Q1), 전류 기준 레지스터(Rr) 및 스케일링 성분(R3, R4, R6 및 R7)으로 이루어 지고, 전류 기준 레지스터(Rr)에 걸치는 전압 강하를 1.2775 볼트로 유지하기 때문이다. 전류 파라미터가 성분 값의 선형 동작 범위에 속하는 한, 전류 기준 레지스터(Rr)를 통하여 흐르는 전류는 정밀하게 제어되어 일정한 값을 유지한다.
임의의 임피던스가 도 2에서와 같은 이상적인 전류원에 의해 구동되는 경우에, 결과 출력 신호는 추가의 처리를 위해 이용되고, 다른 전압 기준이 신호 처리 증폭기를 위해 필요로 되어 진다. 종래 기술의 회로에서의 전압 기준은 가변 레지스터(RV1)에 의해 제공된다. 전압 기준은 실제 또는 가상일 수 잇다. 가변 레지스터(RV1)의 와이퍼 아암에서의 접지 없는 도 1에 도시된 바와 같은 회로는 전체적으로 한정되지 않은 회로를 나타내게 된다.
연산 증폭기(U3)와 트랜지스터(Q2)를 포함하는 회로는 가변 레지스터(RV1)에 서 가상 접지를 발생시킨다. 가상 접지는 RV1의 와이퍼에서의 전압을 연산 증폭기(U3)의 포지티브 입력 노드에서의 접지 전위에 비교함으로써 발생된다. 연산 증폭기(U3)의 출력은 트랜지스터(Q2)를 구동하고 연산 증폭기(U3)의 네거티브 노드와 포지티브 노드간의 전압을 제로로 감소시키는 방식으로 제어된다.
연산 증폭기는 통상적으로 차동 노드 전압으로서 일컬어지는, 수만배 내지 수백만 배에 이르는 개방형 루프 이득 인수를 갖는다. 이상적으로는, 가변 레지스터(RV1)에서의 와이퍼 전위는 제로 볼트로 유지된다. 제로로부터의 편차는 무시할 수 있을 정도로 작다. 흐름 감지 브리지 회로(100)는 따라서 제로 볼트로 참조된다.
흐름 감지 브리지 회로(100)의 출력은 업스트림 및 다운스트림 흐름 감지 레지스터(RU 및 RD)의 접속부에서 취해진다. 흐름 감지 브리지 회로(100)가 가변 레지스터(RV1)에 의해 제로 흐름에서 밸런싱되는 경우에, 가변 레지스터(RV1)의 와이퍼에서 존재하는 제로 전압은 감지 엘리먼트(RU 및 RD)의 접속부에 미러링되고; 이 특징은 휘이스톤 브리지의 본질적인 특징이다. 그러나, 밸런스가 업스트림 감지 엘리먼트(RU)의 저항값이 다운스트림 감지 엘리먼트(RD)의 저항값 보다 작게 됨으로 인해 오프셋트되고, 흐름 감지 브리지 회로(100)의 다른 브랜치가 그것의 이전에 설정된 밸런스를 유지하는 동안, 밸런싱된 상태로부터의 편차는 스스로 출력 전압인 eout으로 나타내어 지게 된다.
도 1을 다시 참조하면, 각각이 약 4.07㏀인 R1 및 R2를 위해 몇몇 임피던스 가 포함된다. 레지스터(R8 및 R9)는 각각 4.02㏀인 레지스터이고 가변 레지스터(RV1)는 100Ω 이다. 회로가 완전하게 밸런싱되어 동등하면, RV1의 50Ω이 R8에 배분되고 50Ω이 R9에 배분되고, 따라서 R1 및 R2를 위한 값은 4.07㏀이다. RP는 통상적으로 17.4㏀이고 감지 엘리먼트(RU 및 RD)는 각각 작동 온도에서 약 500Ω이다.
감지 엘리먼트(RU 및 RD)를 통하는 전류 흐름의 한 목적은 가스 흐름이 감지 엘리먼트(RU 및 RD)를 차동적으로 냉각시킬 수 있도록, 이에따라 가스 흐름을 감지할 수 있도록 상기 엘리먼트들을 가열시키는 것임이 인식되어야 한다. 그러나, 임피던스(R1 및 R2)는 RU 및 RD의 값의 약 8배에 불과하므로, 그것들의 션팅 효과는 무시할 수 없다. 션팅 효과는 그것이 출력 전압(eout)의 값을 감소시키므로 종래 회로의 제약사항이다.
예로서, Doyle 등에 의해 1992년 10월 16일자로 출원된 PCT 국제 특허 출원 번호 WP 94 09344호; Dieter 등에 의해 1997년 9월 16일자로 출원된 US 특허 출원 번호 제 5,668,313호; Onera에 의해 1990년 10월 3일자로 출원된 불란서 특허 출원 번호 제 2,451,022호; 및 Doyle 등에 의해 1991년 12월 26일자로 출원된 PCT 국제 특허 출원 번호 WP 91 19959호와 같은 문헌이 기타 종래 기술의 시스템으로서 설명된다.
센서 출력 전압을 증가시키고 더욱 작은 션팅 효과를 제공함에 의한 출력 신호 감소와 연관된 종래 문제점을 제거하는 성능을 제공하는 개량된 질량 흐름 인터페이스 회로 및 그 방법이 요구된다. 이것은 업스트림 및 다운스트림 감지 엘리먼트와 병렬로 연결된 매우 큰 저항을 사용하여 달성될 수 있고, 이에의해 이상적인 전류원의 전체 효과를 증대시킨다.
종래 질량 흐름 인터페이스 회로에 존재하는 비선형성을 제거하는 개량된 질량 흐름 인터페이스 회로 및 그 방법이 또한 요구된다. 감지 엘리먼트와 병렬인 더욱 큰 저항을 사용함으로써, 비선형성은 종래 회로에 비해 상당히 감소될 수 있다.
제로 및 이득 조정을 사용하여 회로를 수동으로 교정할 필요를 제거하고, 이에의해 온도에 기인한 종래 회로와 연관된 드리프팅 문제를 제거하고 또한 조정가능한 레지스터에 영향을 더욱 미칠 수 있는 진동에 대한 민감도를 감소시키는, 개량된 질량 흐름 인터페이스 회로 및 그 방법이 요구된다.
마찬가지로, 본질적으로 주위 온도 변화에 감응하지 않고 이에의해 종래 기술의 회로와 연관된 온도 드리프팅 문제를 제거하는 개량된 질량 흐름 인터페이스 회로 및 그 방법이 요구된다. 이것은 특히 회로가 주위 온도가 변화할 가능성이 있는 인클로우징된 케이스에서 작동되는 경우에 유익하다.
가스 흐름을 지시하는 신호를 발생하는 회로 출력 전압의 매우 큰 증폭도를 필요로 하지 않고, 따라서 브리지 임피던스 보다 더욱 큰 입력 임피던스로 증폭기를 통하는 출력 전압 신호를 더욱 처리할 필요를 제거하는, 개량된 질량 흐름 인터페이스 회로 및 그 방법이 요구된다.
본 발명에 따라, 이미 개발된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로와 연관된 단점 및 믄제점을 거의 제거 및 감소시키는 개량된 질량 흐름 인터페이스 회로 및 그 방법이 제공된다. 특히, 본 발명은 질량 흐름 제어기에서 가스의 질량 유량에 비례하는 출력전압을 제공하기 위해 가스의 질량 유량을 감지 및 측정하는 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로 및 그 방법을 제공한다.
본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 가스의 질량 흐름률에 비례하는 출력신호를 질량 흐름 제어기에 제공하기 위해 상기 가스의 질량 흐름률을 감지 및 측정하기 위한 회로를 포함하고, 여기서 상기 회로는 상기 회로를 구동시키는 정밀 전류원, 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트, 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트, 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 전압 업스트림과 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 전압 다운스트림을 합하고 출력 신호를 제공하는 연산 증폭기, 연산 증폭기의 포지티브 노드에 전기적으로 연결된 기준 전압원, 업스트림 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트와 병렬로 전기적으로 연결되고 연산 증폭기의 네거티브 노드에서 공통 접속부를 공유하는 업스트림 션팅 레지스터 및 다운스트림 션팅 레지스터, 연산 증폭기의 포지티브 노드와 기준 전압원 사이에 전기적으로 연결된 기준 레지스터, 연산 증폭기의 출력과 네거티브 노드 사이에 전기적으로 연결된 피드백 레지스터, 및 업스트림 감지 레지스터와 다운스트림 감지 레지스터의 접속부와 연산 증폭기의 포지티브 노드 사이에 전기적으로 연결되고 브리지 저항의 절반인 값인 기준 레지스터를 갖고 여기서, 상기 업스트림 및 다운스트림 션팅 레지스터의 각각은 감지 엘리먼트의 저항 보다 훨씬 큰 저항 값을 갖는다.
본 발명은 또한 가스의 질량 흐름률에 비례하는 출력신호를 질량 흐름 제어기에 제공하기 위해 상기 가스의 질량 흐름률을 감지 및 측정하기 위한 방법을 포함한다. 본 발명은 본질적으로 정밀 전류원을 이용하여 회로를 구동시키는 단계, 상기 회로로 가스 질량 유량을 감지하는 단계 및 상기 회로의 출력에 출력신호를 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법에 채용된 회로는, 회로를 구동시키기 위한 정밀 전류원, 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트, 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트, 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 전압 업스트림과 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 전압 다운스트림을 합하고 출력 신호를 제공하는 연산 증폭기, 연산 증폭기의 포지티브 노드에 전기적으로 연결된 기준 전압원, 업스트림 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트와 병렬로 전기적으로 연결되고 연산 증폭기의 네거티브 노드에서 공통 접속부를 공유하는 업스트림 션팅 레지스터 및 다운스트림 션팅 레지스터, 연산 증폭기의 네거티브 노드와 기준 전압원 사이에 전기적으로 연결된 기준 레지스터, 연산 증폭기의 출력과 포지티브 노드사이에 전기적으로 연결된 피드백 레지스터, 및 업스트림 감지 엘리먼트와 다운스트림 감지 엘리먼트의 접속부와 연산 증폭기의 포지티브 노드 사이에 전기적으로 연결된 기준 레지스터를 갖는다.
한 실시예에서, 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 업스트림 질량 흐름 센서 엘리먼트, 다운스트림 질량 흐름 센서 엘리먼트, 및 회로를 구동시키기 위한 정밀 전류원을 포함한다. 이 회로는 또한 업스트림 질량 흐름 센서 엘리먼트의 전압 업스트림과 다운스트림 질량 흐름 센서 엘리먼트의 전압 다운스트림을 합하는 연산 증폭기를 포함한다. 기준 전압은 연산 증폭기의 포지티브 노드에 전기적으로 연결된다. 업스트림 션팅 레지스터 및 다운스트림 션팅 레지스터는 연산 증폭기의 네거티브 노드에서 공통 접속부를 공유하고 업스트림 및 다운스트림 질량 흐름 센서 엘리먼트에 병렬로 전기적으로 연결된다.
본 발명은 또한 연산 증폭기의 포지티브 노드와 기준 전압원 사이에 전기적으로 연결된 기준 레지스터와 연산 증폭기의 포지티브 노드와 출력 사이에 전기적으로 연결된 피드백 레지스터를 포함한다. 업스트림과 다운스트림 감지 엘리먼트에 걸치는 전압 변화에 비례하고, 따라서 가스 유량에 비례하는 출력전압이 연산 증폭기의 출력으로서 제공된다. 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 종래기술의 회로 보다 더욱 선형화된 출력, 더욱 큰 민감도, 더욱 큰 신뢰도 및 더욱 양호한 정확도를 제공한다.
업스트림 감지 엘리먼트의 전압 업스트림과 다운스트림 감지 엘리먼트의 전압 다운스트림은 +2.5볼트로 기준화되고 연산 증폭기에 의해 가산된다. 연산 증폭기의 노드 전압은 가상 접지로서의 역할을 하는 네거티브 노드에 의해, +2.5볼트로 유지된다.
본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의 민감도는 종래 기술의 그러한 회로에 비해 상당히 증대될 수 있다. 업스트림 및 다운스트림 감지 엘리먼 트와 병렬로 놓인 션팅 레지스터의 회로 민감도에 대한 영향은 최소이다. 션팅 레지스터의 값은 감지 엘리먼트의 값 보다 통상적으로 약 100배일 수 있고, 이결과 종래 기술의 회로에서의 업스트림 및 다운스트림 감지 엘리먼트의 임피던스 값의 합산에 의해 야기된 비선형 응답은 상당히 감소된다. 본 발명의 개량된 회로의 이득은 연산 증폭기의 피드백 레지스터의 적절한 선택에 의해 증대될 수 있다.
정밀 전류원은 또한 업스트림 및 다운스트림 감지 엘리먼트를 통한 일정 전류를 유지하도록 설계된 일련의 레지스터와 연산 증폭기로 이루어 진다. 더욱이, 출력신호를 아날로그-디지털 컨버터에 공급하기 이전에 업스트림 및 다운스트림 감지 엘리먼트에서의 저항 변화에 의해 유도된 출력신호를 조절하기 위해 신호 컨디셔닝 증폭기가 사용될 수 있다.
본 발명은, 업스트림 및 다운스트림 감지 엘리먼트와 병렬로 연결된 매우 큰 저항을 사용하여 훨씬 작은 션팅 효과를 제공함으로써 출력 신호 감소와 연관된 종래기술의 문제점을 제거하고 센서 출력 전압을 증가시키는 성능을 제공하고, 이에의해 이상적인 전류원의 전체 유효성을 증대시키는, 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로를 위한 중요한 기술적 이점을 제공한다.
본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의 다른 기술적 이점은 종래기술의 질량 흐름 센서 인터페이스 회로에 존재하는 비선형성을 제거한다. 감지 레지스어와 병렬로 더욱 큰 저항을 사용함으로써, 비선형성 효과는 종래기술의 회로에 대해 매우 감소된다. 전류를 구동하는 이상적인 전류원은 감지 레지스터가 전류원으로부터의 고 임피던스를 알 수 있기 때문에 더욱 이상적으로 된다.
본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의 또다른 기술적 이점은 제로 흐름/제로 조정 위치를 위해 포텐셔미터를 이용하여 회로를 수동으로 교정할 필요를 제거하고, 이에의해 온도에 기인한 종래기술의 회로와 연관된 드리프팅 문제와, 포텐셔미터의 오정렬 문제를 야기시킬 수 있는, 회로의 자링 및 범핑을 제거하는 것이다.
본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의 또다른 기술적 이점은 그것이 본질적으로 대기 온도에 감응하지 않고 이에의해 종래기술의 회로와 연관된 온도 드리프팅 문제를 제거하는 것이다. 이것은 회로가, 대기 온도가 변화할 가능성이 있는 인클로우징된 영역에서 작동되는 경우에 특히 유익하다.
본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의 또다른 기술적 이점은 가스 흐름을 지시하는 신호를 산출하기 위해 회로 출력 전압의 매우 큰 증폭도를 필요로 하지 않고, 이에따라 브리지 임피던스 보다 매우 큰 입력 임피던스로 증폭기를 통하는 출력 전압 신호를 더욱 처리할 필요를 제거하는 것이다.
도 1은 종래 기술의 질량 흐름 센서 브리지 회로를 나타내는 도.
도 2는 종래 기술의 이상적인 전류원 및 제로 기준 제어 회로의 회로도.
도 3은 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의 브리지 토폴로지의 간략화된 회로도.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의 정밀 전류원의 더욱 상세한 회로도.
도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의신호 컨디셔닝 증폭기의 상세 회로도.
본 발명 및 본 발명의 이점에 대한 더욱 완전한 이해를 위해, 마찬가지의 부재번호가 마찬가지의 특징요소를 지시하는 첨부 도면과 관련하여 아래의 상세한 설명이 참조된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도면에 예시되어 있고, 이들 도면에서 마찬가지의 부재번호가 마찬가지 및 대응하는 부분을 나타낸다.
본 발명은 임의의 종래 기술 회로 보다 더욱 민감하고, 덜 복잡하며 더욱 신뢰성있는 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로를 제공하는 것이다. 본 발명의 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 본질적으로 주위 온도 변화에 감응하지 않고 종래 기술 회로의 민감도를 배가시키는 출력 전압 신호를 제공한다. 본 발명은 종래 기술 회로에 존재하는 비선형 결과를 상당히 감소시키며 종래 기술 회로 이득 포텐셔미터의 수동 조정 및 교정을 할 필요를 제거함으로써 신뢰도 및 정확성을 개선시킨다. 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 따라서 종래 기술 회로에 비해 더욱 간명하고, 정확하고, 민감하며 신뢰성이 있다.
도 3은 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의 브리지 토폴로지를 나타낸다. 감지 엘리먼트(RU 및 RD), 브리지 레지스터(46,48) 및 각각의 R 값은 i 전류원(20)에 연결된다. RU 및 RD의 접속부는 가상 +2.5V 소스(56)에 연결된 다. 브리지 레지스터(46 및 48)의 접속부는 연산 증폭기(U3)에 연결되고; 다른 레지스터(50)는 U3의 네거티브 노드와 그것의 출력(피드백 레지스터)사이에 연결된다. 가상 +2.5V 소스(56)는 값 R/2인 레지스터(58)를 통해 연산 증폭기(U3)의 포지티브 노드에 연결되고; 이 포지티브 노드는 또한 값 2R의 레지스터(54)를 통해 +2.5V REF(52)에도 연결된다. 이 토폴로지는 +2.5V 소스(56)에서의 변화에 의해 야기된 임의의 공통 노드 전압 변동을 거절하는 정교하게 밸런싱된 차동 증폭기를 형성한다. 상기 설명된 증폭기의 출력-입력 전달 함수는,
Figure 112002000470333-pct00002
이고, 여기서 VD는 다운스트림 센서 전압이고, VU는 업스트림 센서 전압이다.
본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의 주요 장점은 따라서 상기 회로로부터 이용가능한 출력신호(eout)(30)가 거의 두배로 될 수 있다는 것이다. 또한, 종래 기술의 병렬 레지스터와 eout(30)간의 관계에 의해 야기된 비선형 결과가 약 100인 인수 만큼 감소된다. 출력전압(eout)(30)의 바이어스도 본 발명에 의해 이용되어질 것으로 의도되는 아날로그-디지털 컨버터를 위한 새로운 시스템 기준을 발생시키기 위해 2.5 볼트로 상승될 수 있다.
더욱이, 도 3에 도시된 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 오프셋트 밸런싱을 제공하기 위해 이득 포텐셔미터에 대한 종래기술의 수동 조정과 연관된 문제점을 제거한다. 도 1의 가변 레지스터(RV1)과 같은 가변 레지스터의 사용을 제거함으로써, 본 발명은 가변 레지스터와 연관된 온도 및 시간에서의 안정성 부족 문제를 제거한다. 따라서 상이한 온도에서 필요로 될 수 있는 바와 같은 어느 한 온도에서의 동일 밸런스를 갖지 않는 문제점이 제거된다.
종래 기술에서 사용된 가변 레지스터는 본 발명에서 사용된 정밀하고, 고-허용오차 및 고-안정성 레지스터 만큼 시간 또는 온도면에서 안정하지 못하다. 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 그러므로 자동 제로를 제공함으로써, 온도 또는 시간에 반응하여 전개될 수 있는 다수의 잠재적인 에러를 제거할 수 있다. 본 발명의 회로는 극성이 서로 반대인, 업스트림 감지 엘리먼트(RU)와 다운스트림 감지 엘리먼트(RD)에 걸리는 전압강하를 반드시 합한다. 그러므로, 센서 출력이 동일할 때, 회로는 본질적으로 제로로 트리밍된다. 명백히, 출력에서 약간의 변동이 있을 수 있지만, 이들 변동은 회로의 외측을 위해 보상될 수 있기 때문에 무시할 수 있다. 제로 오프셋트는 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로의 일부분인 질량 흐름 제어기를 제어하는 데에 사용된 소프트웨어에 의해 제거될 수 있다.
또한, 본질적으로 선형인 회로를 제공함으로써, 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 이상적인 것에 매우 근접하는 회로를 제공한다. 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로로부터의 출력 전압 신호를 위한 등식은,
Figure 112002000470333-pct00003
수학식 3은, 항 (RU - RD)에 대한 민감도는 종래 기술의 민감도의 거의 두 배임을 나타내고 있다. 또한, 민감도에 대한 레지스터(46 및 48)의 영향은 매우 작으며, 항 (RU + RD)에 의해 야기된 비선형 응답을 상당히 감소시키게 된다. 마지막으로, 회로 이득은 피드백 레지스터(50)의 적절한 선택에 의해 증가될 수 있다. 피드백 레지스터(50) 및 기준 레지스터(54)의 값은 통상적으로 레지스터(46 및 48)의 값의 두 배이다. 실제적으로, 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 출력 전압에 대해 [2i(RU - RD)]값에 매우 근접하게 된다. 이것은 수학식 3의 분모에서 항(RU + RD)이 두 배의 R 만큼 감소되고, (RU + RD)/2 인 비율은 거의 0.01이다. 이러한 비선형성의 효과는 100인 인수만큼 감소된다. 레지스터(46 및 48)의 저항값은 회로 설계 제한사항 범위내에서의 임의의 선택사항이다. 저항값은 매우 크게 될 수 있고, R이 매우 커짐에 따라 분모에서의 (RU + RD)/2 항이 제로로가고, 회로 비선형성을 더욱 감소시킨다. 수학식 3에서의 인수 "2"는 수학식 3의 레지스터(50 및 54)의 값을 2R 보다 큰 값으로 증가시킴으로써 증가될 수 있음을 주목하라. 신호 컨디셔닝 스테이지의 이득은 레지스터(50 및 레지스터(46(48))의 비율에 의해 제어된다. 레지스터(54)의 값은 증폭기 회로의 밸런스를 유지시키기 위해 항상 레지스터(50)의 값에 매칭된다.
도 4는 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로가 감지 엘리먼트(RU 및 RD)를 통해는 전류 흐름을 정밀하게 제어하는 법을 예시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 정밀한 기준 전압원(52)은 연산 증폭기(U3)의 네거티브 노드에서의 2.5 볼트 동적 가상 접지를 수립하고 회로 전류를 제어하는 데에 사용된다.
도 4에 도시된 바와 같은 정밀 전류원의 구현에서, 종래 기술에서와 같이, 전류 측정 레지스터(Rr)에 걸리는 전압 강하는 감지 엘리먼트(RU 및 RD)를 통해 흐르게 될 전류를 측정하기 위해 산출된다. 그러나, 전류 측정 레지스터(Rr)의 배치는 전류 측정 레지스터(Rr)가 트랜지스터(Q1)의 이미터를 뒤따르는 (도 2에 도시된) 종래기술로부터 변경된다. 도 4에 도시된 본 발명의 구현에서, 전류 측정 레지스터(Rr)는 회로의 네거티브 단에 있도록 하기 위해 트랜지스터(Q2)의 이미터와 접촉하도록 위치된다. 이것은 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로가 페데스탈 기준 전압을 +2.5 볼트 만큼 상승시키기 때문에 필요하다.
회로를 통하는 전류의 흐름은 연산 증폭기 스테이지(U1 및 U2), 트랜지스터(Q1), 기준 전압원(52) 및 전류 측정 레지스터(Rr)에 의해 제어된다. 전류 측정 레지스터(Rr)는 연산 증폭기(U1)를 위한 포지티브 공급 전압 헤드룸을 보존하기 위해 중앙부분 위에서 회로의 네거티브 단에 배치된다. 질량 흐름 인터페이스 회로(100)는 2.5 볼트가 기준전압으로 되기 때문에, 감지 엘리먼트(RU 및 RD )의 각각에서의 전압강하는 약 5볼트이고, 트랜지스터(Q1)의 이미터 전압은 +7.5 볼트에 있고, 트랜지스터(Q1)의 베이스 전압은 +8.2 볼트에 있다. 포지티브 공급 전압은 +12볼트(±15 볼트 공급전압이 정격전압임)에 있을 수 있기 때문에, 연산 증폭기 스테이지(U1)는 그것의 최대 포지티브 출력 근방에서 작동하도록 강제된다. 임의의 추가의 전압 강하가 트랜지스터(Q1)의 이미터 전압을 푸싱하고, 이것에 의한 연산 증폭기(U1)의 출력 전압은, 연산 증폭기(U1)의 선형 작동 범위의 마진을 감소시킬 수 있다. 연산 증폭기(U1 및 U3)는 그들의 선형 범위에서 작동하고 따라서 이들 두 연산 증폭기를 위한 전압 공급이 소모되는 문제는 없다.
전류 측정 레지스터(Rr)의 위치가 변경되었을 지라도, 회로를 통하는 전류는 트랜지스터(Q1)을 통하여 여전히 제어된다. 종래 기술에서와 같이, 연산 증폭기(U1)가 전류 측정 레지스터(Rr)에 걸리는 차이를 감지하지만, 연산 증폭기(U1)가 약간의 전압량 만큼 시프트 다운된 상기 차이를 감지하도록 하기 위해, +2.5 볼트 기준 전압의 레벨 변환이 이루어 진다. 그러나, 연산 증폭기(U1)는 단지 전류 측정 레지스터(Rr)에 걸리는 차이에 대해서만 감응하므로 연산 증폭기(U2)와 함께 그것은 전류 흐름을 제어한다. 연산 증폭기(U2)는 트랜지스터(Q2)(즉, 전류 측정 레지스터(Rr)의 하단)의 이미터 전압 보다 정확히 2.5 볼트 높고 그리고 연산 증폭기(U1)의 포지티브 노드에 주어지는 출력을 산출한다. 전류 측정 레지스터(Rr)의 최상단에서 전압은 연산 증폭기(U1)의 네거티브 노 드에 주어진다. 이로인해, 연산 증폭기(U1)는 전류 감지 엘리먼트(Rr)에 걸리는 정확히 2.5 볼트 전압 강하를 산출하는 트랜지스터(Q1)의 도움으로 전류를 산출해야만 한다. 감지 엘리먼트(RU 및 RD)의 접속 지점에 존재하는 전압은 연산 증폭기(U4) 및 트랜지스터(Q2)에 의해 제어된다. 이것은 U4의 네거티브 노드에서 RU 및 RD의 접속 전압과 조합하여 연산 증폭기(U4)의 포지티브 노드에 연결된 기준 전압원(52)에 의해 행해진다.
레지스터(R2 및 R7)는 값이 동일하고(약 50 ㏀) 상기 도 3에서 설명드린 바와 같이 노드 바이어스 전류에 의해 야기된 전압 강하를 제거하는 데에 사용될 수 있다. 표준 1% 값 레지스터는 회로를 통하여 사용될 수 있다. 기타 저항 값 레지스터가 사용될 수 있지만, 이것들은 전부 반드시 동일한 저항값이거나 도 4에 도시된 크기이어야 한다. 레지스터(R2)는 안정화 피드백에 커패시터(C4)를 제공하기 위해, 그리고 연산 증폭기(U4)의 포지티브 노드에 사용된 저항값을 매칭시킴으로써 연산 증폭기(U4)의 노드 사이에 오프셋트 전압을 매칭시키기 위해 연산 증폭기(U4)의 네거티브 노드에 부착되어야만 한다.
주파수 감응 피드백은 질량 흐름 센서 회로(100)에서의 고주파수 노이즈의 영향을 최소화하는 데에 필요하다. 질량 흐름 센서 회로(100)는 연산 증폭기(U1, U2 및 U4)를 포함하는, 다양한 고주파수 노이즈 소스를 포함한다. 회로의 레지스터들이 몇몇 고주파수 노이즈를 발생시킬 수 있다 해도, 트랜지스터(Q1 및 Q2)는 마찬가지로 고주파수 노이즈를 발생시킬 수 있다. 또한, 질량 흐름 센서 회로(100)에 도시되진 않았지만, 이 회로에 내포된 것은, 본질적으로 연산 증폭기(U1, U2 및 U4) 및 트랜지스터(Q1 및 Q2)에 내재된 시간 지연 및 기타 필터링 결과이다. 이들 시간 지연 및 기타 필터링 결과는 초고주파수에서 발생하며, 질량 흐름 센서 회로(100)는 몇몇 초고주파수에서 불안정하게 될 수 있고 회로를 통한 일정 전류에서 원치않는 발진을 발생시킬 수 있다. 연산 증폭기(U3)의 네거티브 노드에 부착된 저항(R2) 및 C4에 의해 제공된 네거티브 피드백은 비교적 저주파수에서의 전체 응답을 정의하고 회로의 노이즈-기여 성분을 제거한다.
이와 관련하여, 연산 증폭기(U3)와 레지스터(R2)와 결합하여, 커패시터(C4)의 전체 효과는 질량 흐름 센서 회로(100)를 안정화시킨다. 시간 지연 또는 기타 기여 인자에 기인한 질량 흐름 센서 회로(100)에서의 임의의 발진 경향이 있다면, 이것들은 이 피드백 회로에 의해 감소 또는 제거된다.
연산 증폭기(U2)의 출력은 트랜지스터(Q2)의 이미터 전압 보다 정확히 +2.5 볼트 만큼 더 포지티브이다. 연산 증폭기(U1)는 레벨 변환기이고 연산 증폭기의 출력은 트랜지스터(Q1)의 이미터 전류가 전류 측정 레지스터(Rr)에 걸리는 정확히 2.5 볼트인 전압 강하를 산출하도록 트랜지스터(Q1)의 베이스 전압을 제어한다.
연산 증폭기(U4)는 레벨 변환기로서의 역할을 한다. 그것의 포지티브 노드는 +2.5 볼트 전압원(52)에 연결될 수 있고 그것의 네거티브 노드는 업스트림 감지 엘리먼트(RU)와 다운스트림 감지 엘리먼트(RD)의 공통 접속점에 연결될 수 있다. 연산 증폭기(U4)의 출력은 업스트림 감지 엘리먼트(RU)와 다운스트림 감지 엘리먼트(RD)의 접속점이 +2.5 볼트(즉, 가상 +2.5 볼트)에 있도록 하기 위해 PNP 트랜지스터(Q2)의 베이스를 구동시킬 수 있다. 도시된 바와 같은 도 4의 정밀 전류원과 연관된 모든 레지스터는 섭씨 당 0.1%, 25ppm인 정밀한 성분이다. 기타 성분 값도 사용될 수 있다.
도 5는 도 3의 연산 증폭기(U3)의 상세 회로도이다. 도 5의 연산 증폭기(U3)는 도 3에 도시된 연산 증폭기(U3)와 동일한 것이다. 연산 증폭기(U3)는 신호 컨디셔닝 증폭기로서의 역할을 하고 제너 다이오드(D1 및 D2), 및 커패시터(C5 및 C6)와 레지스터(R9 내지 R14)를 포함한다. 레지스터(R9,R10,R11,R12,R13 및 R14)는 정밀 저항 성분이다. 연산 증폭기(U3)의 공칭 이득은 x2.004 이다. 커패시터(C4 및 C6)는 1.59kHz인 차단 주파수를 갖춘 액티브 필터 함수를 제공한다. 또다른 저역 통과 필터는 레지스터(R11) 및 커패시터(C5)로 형성된다. 이 필터의 차단 주파수는 15.9kHz이다.
다이오드(D1 및 D2)는 연산 증폭기(U3)의 최대 출력 전압을 +2.5 볼트± 2.4 볼트로 제한한다. 이것은 감지 엘리먼트(RU 및 RD)중의 하나가 개방회로로 되거나 분리되어지는 경우에 필요하다. 이 경우에, 연산 증폭기(U3)의 출력은 연산 증폭기(U3)에 의해 구동되는 (아날로그-디지털 변환기와 같은)서브조립체를 파괴시킬 수도 있는 전압 레벨이 되도록 강제된다.
입력에서의 개방회로로 인해, 제너 다이오드(D1 및 D2)는 제너 전압에서 매우 빠르고 정밀하게 브레이크 다운될 수 있다. 따라서, 연산 증폭기(U3)가 매우 높은 포지티브로 되면, 제너 다이오드(D1)는 제너 다이오드로서의 기능을 하게 된다. 그러나, 제너 다이오드(D2)가 종래의 다이오드로서 그것의 순방향에서 작동하게되고 전압강하는 약 0.6 볼트로 된다. 전체 결과는 회로가, 2.5 볼트에서 스스로 유지되는, 노드 전압 보다 높은 2.5 볼트로 연산 증폭기(U3)의 출력을 클램핑하는 것이다. 질량 흐름 센서 회로(100)는 따라서 연산 증폭기(U3)로부터 +2.5 볼트± 2.4 볼트 출력 출력을 제공한다. 근본적으로는, 출력 전압은 제로 내지 5 볼트로 제한된다. 이러한 방식으로, 연산 증폭기(U3)의 출력에 연결된 아날로그-디지털 컨버터의 입력은 보호되고 과도하게 구동되지 않는다.
도 5의 레지스터(R9 및 R14)는 도 3의 레지스터(50 및 54)와 동일하다. 마찬가지로, 레지스터(R12 및 R13)는 도 3에서 레지스터(R46 및 R48)로 표기된 합산하는 레지스터이다.
도 5에 도시된 바와 같은 본 발명의 연산 증폭기(U3)는 따라서 아날로그-디지털 컨버터에 연결된 질량 흐름 센서 회로(100)의 출력(30)을 제한하는 이점을 제공한다. 이것은 질량 흐름 센서 회로(100)를 포함하는 회로 보드와 감지 엘리먼트(RU 및 RD)가 두 개의 상이한 물리적 조립체일수 있다는 가능성이 있기 때문에 가능하다. 그러므로 회로 보드는 감지 엘리먼트(RU 및 RD)중 어느 하나가 연결됨이 없이 파워 업될 수 있음이 인식될 수 있다. 그러므로 몇몇 보호수단이, 회로내에 일부의 매우 작은 전압 스윙을 도입시킬 수 있는, 연결된 업스트림 감지 엘리먼트(RU)와 연결해제된 다운스트림 감지 엘리먼트(RD), 또는 그 반대인, 다양한 조합을 위해 제공된다.
이러한 위험은 감지 엘리먼트중의 하나 또는 다른 하나 또는 이들 감지 엘리먼트의 모두가 회로 보드로부터 연결해제될 때 존재한다.
요약하면, 본 발명은 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로를 제공한다. 본 발명의 개량된 질량 흐름 센서 인터페이스 회로는 또한 출력 전압과 션팅 레지스터 사이의 회로에서 비선형성을 감소시키고, 회로를 밸런싱시키기 위해 수동으로 조정된 가변 레지스터를 위한 필요성을 제거하며, 종래 기술 회로에 영향을 미치고 미칠 수 있는 주위 온도 변화에 본질적으로 무관하다. 본 발명에서, 정밀하게 제어된 전류는, 전류가 업스트림 감지 엘리먼트(RU)를 통하여 흐르고 그후 다운스트림 감지 엘리먼트(RD)를 통하여 흐르도록 직렬로 연결된 업스트림 및 다운스트림 감지 엘리먼트(RU 및 RD)를 통하여 흐른다. 두 감지 엘리먼트의 접속부는 +2.5볼트에서 유지되고, 결과적으로 업스트림 감지 엘리먼트(RU)에 걸리는 전압 강하(VU)가 +2.5볼트 보다 더욱 포지티브로 되고 다운스트림 감지 엘리먼트(RD)에 걸리는 전압 강하(VD)가 +2.5볼트 보다 덜 포지티브로 된다. 전압(VU 및 VD)는 연산 증폭기(U3)의 합산 노드에서 더해진다. 감지 엘리먼트(RU 및 RD)와 전류 제어 레지스터(R r)의 배치는 질량 흐름 인터페이스 회로 전류 제어 루프의 연산 증폭기 및 트랜지스터가 적절한 작동 범위에서 보장되어지게 한다. 동일한 +2.5 볼트 기준 전압원은 회로 출력에 연결된 아날로그-디지털 컨버터의 민감도, 센서 회로의 바이어스 포인트 및 측정 전류를 결정한다. 따라서 기준 전압에서의 임의의 변화는 회로의 전체 성능에 대한 최소한 또는 어떠한 영향도 가지지 않게 된다. 저 이득 증폭기(U3)의 사용에서의 묵시 사항은 더욱 큰 민감도 및 프로그램가능한 이득을 갖춘 아날로그-디지털 컨버터가 질량 흐름 제어기 시스템에서 사용된다는 사실이다.
본 발명은 질량 흐름 제어기에서 사용될 수 있다. 다양한 질량 흐름 제어기가 시장에 존재한다. 질량 흐름 제어기는 흐름 감지 신호를 선형화하는 데에 조력하기 위해 선형화 회로를 포함할 수 있다. T.T. Pattantyus가 1999년 7월 9일 출원하고, 발명의 명칭이 "System and Method for Sensor Response Linearization"인, 미국 특허 출원 09/350,747호가 참조되어 있다. 질량 흐름 제어기는 또한 질량 흐름 제어기를 통하는 실제 흐름에 더욱 정확히 근사시키기 위해 감지된 흐름 신호를 보정하는 유도방식 제어기를 포함할 수 있다. E.Vyers가 1999년 7월 9일 출원하고, 발명의 명칭이 "System and Method for a Digital Mass Flow Controller"인, 미국 특허 출원 09/351,120호에 개시된 유도성 제어기가 참조되어 있다. PI 제어기는 또한 질량 흐름 제어기의 밸브를 제어하기 위해 밸브 구동 신호룰 발생시키기 위해 질량 흐름 제어기에 포함될 수 있다. PI 제어기는 질량 흐름 제어기의 응답속도를 증대시키고 밸브 구동 신호에 대한 밸브의 비선형 응답을 보상한다. E.Vyers가 1999년 7월 9일 출원하고, 발명의 명칭이 "System and Method for a Variable Gain Proportional-Integral(PI) Controller"인, 미국 특허 출원 09/351,098호에 개시된 PI 제어기가 참조되어 있다. 마지막으로, 질량 흐름 제어기에서의 밸브 구동 신호는 솔레노이드 작동식 밸브를 제어하기 위해 밸브 구동 회로에 입력될 수 있다. T.T. Pattantyus가 1999년 7월 9일 출원하고, 발명의 명칭이 "Method and System for Driving a Solenoid"인, 미국 특허 출원 09/351,111호에 개시된 밸브 구동 회로가 참조되어 있다. 질량 흐름 제어기는 폐쇄된 루프 제어 알고리즘을 구현할 수 있다. K.Tinsley가 1999년 7월 9일 출원하고, 발명의 명칭이 "Syatem and Method of Operation of a Digital Mass Flow Controller"인, 미국 특허 출원 09/350,774에 개시된 개량된 디지털 제어 알고리즘이 참조되어 있다. 본 발명은 상기한 성분들을 포함하는 질량 흐름 제어기에 사용되는 것에 제한되지 않는다는 것을 유의하는 것이 중요하다.
본 발명이 본 명세서에서 예시된 실시예를 참조로 하여 상세히 설명되었지만, 이러한 설명은 단지 예시적인 것이고 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다는 것을 알아야 한다. 또한, 본 발명의 실시예의 상세사항에서의 다양한 변경 및 본 발명의 추가 실시예가, 본 설명을 참조하는 당업자에 의해 행해질 수 있음이 명백하다는 것이 인식되어야 한다. 그러한 모든 변경 및 추가 실시예는 하기의 청구범위에서와 같이 본 발명의 범주에 속한다는 것으로 의도된다.

Claims (27)

  1. 가스의 질량 유량에 비례하는 출력신호를 질량 흐름 제어기에 공급하기 위해 상기 질량 유량을 감지 및 측정하기 위한 회로에 있어서,
    상기 회로를 구동시키는 전류원;
    업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트;
    상기 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트와 직렬 연결된 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트;
    업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트와 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트 사이의 접속부에서의 전압을 모니터링하고 출력 신호를 공급하는 연산 증폭기;
    상기 연산 증폭기의 포지티브 노드에 전기적으로 연결된 기준 전압원;
    상기 연산 증폭기의 네거티브 노드에서 공통 접속부를 공유하고, 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트와 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트에 병렬로 전기적으로 연결된 업스트림 션팅 레지스터 및 다운스트림 션팅 레지스터;
    상기 연산 증폭기의 포지티브 노드와 기준 전압원 사이에 전기적으로 연결된 제1 기준 레지스터;
    상기 연산 증폭기의 출력과 네거티브 노드 사이에 전기적으로 연결된 피드백 레지스터; 및
    상기 연산 증폭기의 포지티브 노드와 업스트림 감지 레지스터와 다운스트림 감지 레지스터의 접속부 사이에 전기적으로 연결된 브리지 저항의 절반인 값을 갖는 제2 기준 레지스터를 포함하고, 상기 업스트림 및 다운스트림 션팅 레지스터에 대한 상기 업스트림 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 저항 비는 거의 0.01인 것을 특징으로 하는 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류원은:
    전류의 흐름을 측정하기 위한 측정 레지스터;
    상기 측정 레지스터와 함께, 상기 회로를 통하여 흐르는 전류의 흐름을 제어하는, 적어도 하나의 또다른 연산 증폭기와 제1 트랜지스터; 및
    업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트와 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 접속부에서 전압을 유지시키기 위한 제2 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    출력 신호의 진폭을 제어하는 신호 컨디셔닝 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트는 온도에 좌우되는 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트는 레지스터인 것을 특징으로 하는 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트는 전기적 도전성 와이어인 것을 특징으로 하는 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 신호는 질량 흐름 제어기내의 아날로그-디지털 컨버터로 전송되는 것을 특징으로 하는 회로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    기준 전압원은 +2.5 볼트 기준 전압원인 것을 특징으로 하는 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트가 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 전기적 및 물리적인 업스트림이 되도록 상기 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트와 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트가 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 회로.
  10. 제 1 항에 있어서,
    연산 증폭기의 네거티브 노드와 업스트림 레지스터 사이에 연결된 제1 연산 증폭기 레지스터와, 연산 증폭기의 네거티브 노드와 다운스트림 레지스터사이에 연결된 제2 연산 증폭기 레지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  11. 제 10 항에 있어서,
    제1 기준 레지스터와 피드백 레지스터는 동일한 저항 값을 갖고, 제2 기준 레지스터는 제1 연산 증폭기 레지스터와 제2 연산 증폭기 레지스터의 병렬 등가와 동일한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로.
  12. 제 1 항에 있어서,
    피드백 레지스터의 저항값은 연산 증폭기의 이득을 제어하도록 변동될 수 있는 것을 특징으로 하는 회로.
  13. 제 1 항에 있어서,
    연산 증폭기의 포지티브 노드에 전기적으로 연결된 기준 전압원에 의해 생성된 바이어스는 연산 증폭기의 업스트림 감지 레지스터와 다운스트림 감지 레지스터의 접속부에서 가상 +2.5 전압원을 생성하는 것을 특징으로 하는 회로.
  14. 가스의 질량 유량에 비례하는 출력 신호를 질량 흐름 제어기에 제공하기 위해 상기 질량 유량을 감지 및 측정하기 위한 방법에 있어서,
    전류를 이용하여 회로를 구동시키는 단계;
    상기 회로로 가스 질량 유량을 감지하는 단계; 및
    출력 신호를 상기 회로의 출력에 제공하는 단계를 포함하고, 상기 회로는:
    상기 회로를 구동시키는 전류원;
    업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트;
    다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트;
    업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 전압 업스트림과 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 전압 다운스트림을 합하고 출력 신호를 공급하는 연산 증폭기;
    상기 연산 증폭기의 포지티브 노드에 전기적으로 연결된 기준 전압원;
    상기 연산 증폭기의 네거티브 노드에서 공통 접속부를 공유하고, 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트에 병렬로 전기적으로 연결된 업스트림 션팅 레지스터 및 다운스트림 션팅 레지스터;
    상기 연산 증폭기의 포지티브 노드와 기준 전압원 사이에 전기적으로 연결된 기준 레지스터;
    상기 연산 증폭기의 출력과 네거티브 노드 사이에 전기적으로 연결된 피드백 레지스터; 및
    업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트와 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 접속부와 연산 증폭기의 포지티브 노드 사이에 전기적으로 연결된 브리지 저항의 절반인 값을 갖는 또 다른 기준 레지스터를 포함하고, 상기 업스트림 및 다운스트림 션팅 레지스터에 대한 상기 업스트림 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 저항 비는 거의 0.01인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전류원은:
    전류의 흐름을 측정하기 위한 측정 레지스터;
    상기 측정 레지스터와 함께, 회로를 통하여 흐르는 전류의 흐름을 제어하는, 적어도 하나의 또다른 연산 증폭기 및 제1 트랜지스터; 및
    업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 접속부에서 전압을 유지시키기 위한 제2 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 회로는,
    출력 신호의 이득을 제어하는 신호 컨디셔닝 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트는 온도에 좌우되는 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트는 레지스터인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    모든 레지스터는 1% 정밀 레지스터인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트 및 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트는 전기적 도전성 와이어인 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 출력 신호는 질량 흐름 제어기내의 아날로그-디지털 컨버터로 전송되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 14 항에 있어서,
    기준 전압원은 +2.5 볼트 기준 전압원인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 14 항에 있어서,
    업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트가 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트의 전기적 및 물리적인 업스트림이 되도록 상기 업스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트와 다운스트림 질량 흐름 감지 엘리먼트가 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 14 항에 있어서, 상기 회로는
    연산 증폭기의 포지티브 노드와 기준 전압원사이에 전기적으로 연결된 제1 연산 증폭기 레지스터와, 연산 증폭기의 네거티브 노드와 기준 전압원과 등가인 전압 사이에 전기적으로 연결된 제2 연산 증폭기 레지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    제1 연산 증폭기 레지스터와 제2 연산 증폭기 레지스터는 동일한 저항 값을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 14 항에 있어서,
    피드백 레지스터의 저항값은 연산 증폭기의 이득을 제어하도록 변동될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 14 항에 있어서,
    연산 증폭기의 포지티브 노드에 전기적으로 연결된 기준 전압원에 의해 생성된 바이어스는 연산 증폭기의 네거티브 노드에서 가상 접지를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
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