KR101322188B1

KR101322188B1 - 최적화된 성능을 갖는 압력제어시스템

Info

Publication number: KR101322188B1
Application number: KR1020087022992A
Authority: KR
Inventors: 블라디스라브 데이비드코비츠; 고든 힐; 데이브 챔버레인; 폴 루카스
Original assignee: 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2007-02-12
Publication date: 2013-10-25
Also published as: WO2007108871A1; EP1996988B1; US7369920B2; EP1996988A1; JP5087073B2; JP2009530737A; US20070225870A1; TW200741399A; TWI409604B; KR20080108105A

Abstract

챔버(105)에서의 유체의 압력을 제어하기 위한 압력제어시스템은 상기 챔버에서의 유체의 압력을 측정하도록 구성되는 압력센서(110)와, 상기 챔버에서 유출는 유체의 유량을 조정하여 상기 챔버에서의 유체의 압력을 제어하도록 구성되는 밸브를 포함한다. 상기 압력제어시스템은 제어기(140)를 더 포함한다. 상기 제어기는 상기 챔버의 체적을 추정하고, 상기 밸브의 펌프속도곡선을 생성하도록 구성된다. 상기 제어기는 적어도 최소 값으로 상기 펌프속도곡선의 기울기를 유지하기 위해 상기 펌프속도곡선을 모니터링하고 변경하며, 상기 챔버의 압력을 요구압력설정값으로 유지하기 위해서 상기 압력센서에 의해 측정된 압력 측정값에 따라 상기 밸브의 위치를 조절하기 위해 상기 변경된 펌프속도곡선을 이용하도록 더 구성된다.

챔버, 펌프, 제어기, 압력센서

Description

최적화된 성능을 갖는 압력제어시스템{PRESSURE CONTROL SYSTEM WITH OPTIMIZED PERFORMANCE}

본 발명은 최적화된 성능을 갖는 압력제어시스템에 관한 것이다.

반도체 공정과 같은 기술분야에 있어서, 챔버에서의 압력을 제어하기 위한 압력제어시스템이 이용될 수 있다. 일반적으로 이용되는 압력제어밸브는 펜둘럼 밸브(pendulum valves), 버터플라이 밸브(butterfly valves) 및 스로틀 밸브(throttle valves)를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 밸브들은 서로 다른 제어 알고리즘을 이용하는 제어기에 의해 제어될 수 있다. 특히, 압력설정선도(pressure setpoint trajectory)를 기초로 하여 상기 밸브들을 제어하고, 실제 압력이 상기 압력설정선도를 따르도록 밸브의 위치를 보정하기 위해 모델기반제어알고리즘(model-based control algorithms)이 이용될 수 있다. 상기 밸브제어기에 의해 상기 모델기반제어알고리즘이 이용되는 경우, 압력 제어성능을 최적화하기 위한 다양한 시스템 매개변수가 공지되어 있을 수 있다. 이러한 시스템 매개변수는 유체의 압력이 제어되는 동안 상기 유체를 둘러 쌓고 있는 챔버에서의 체적 및 밸브위치함수에 따라 상기 시스템의(상기 밸브에 의해 제어되는 경우의)펌프속도를 그래프화하는 상기 밸브의 펌프속도곡선을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.

일반적으로, 압력제어시스템에서는 실 사용자가 상기 챔버의 체적을 직접 입력할 필요가 있다. 그러나, 상기 사용자는 상기 챔버 체적의 정확한 값을 모를 수 있다. 상기 사용자에 의해 부정확한 챔버의 체적이 입력될 경우, 압력제어성능이 제대로 발휘되지 못할 수 있다.

준 최적(sub-optimal)화 압력제어성능은 장시간의 정착(settling)시간과, 오버슈트(overshoot) 또는 언더슈트(undershoot)를 포함하는 결과 일 수 있다.

상기 밸브제어기는 변경 없이 현재의 알고리즘을 이용하는 실제의 펌프속도곡선을 얻을 수 있고, 그 결과 상기 펌프속도곡선은 제로(0)에 가까운 기울기를 갖는다. 거의 제로의 기울기에서는 상기 밸브작동제어기의 높은 대역폭이 필요할 수 있다. 그러나 상기 밸브작동제어기의 실제 대역폭은 제한될 수 있어서, 부적절한 반응 및 변동하는 반응을 일으킬 수 있다.

이에 따라, 압력제어성능을 향상시키기 위해서, 챔버의 체적을 적절하게 추정하고, 펌프속도곡선을 최적화하기 위한 시스템과 방법이 필요하다.

챔버에서 유체의 압력을 제어하기 위한 압력제어시스템은 상기 챔버에서 유체의 압력을 측정하도록 구성되는 압력센서 및 상기 챔버에서 유출되는 유체의 유량을 조정하여 상기 챔버에서 유체의 압력을 제어하도록 구성되는 밸브를 포함한다. 상기 압력제어시스템은 제어기를 더 포함한다. 상기 제어기는 상기 챔버의 체적을 추정하고, 상기 밸브의 펌프속도곡선을 생성하도록 구성된다. 상기 제어기는 적어도 최소 값으로 상기 펌프속도곡선의 기울기를 유지하기 위해 상기 펌프속도곡선을 모니터링하고 변경하며, 상기 챔버에서의 압력을 요구압력설정값으로 유지하기 위해서 상기 압력센서에 의해 측정된 압력 측정값에 따라 상기 밸브의 위치를 조절하기 위해 변경된 펌프속도곡선을 이용하도록 더 구성된다.

챔버에서의 압력을 제어하기 위한 압력제어밸브를 설명한다. 상기 챔버에서의 압력을 상기 요구압력설정값으로 유지하기 위해 필요한 적어도 최소 값으로 상기 펌프속도곡선의 기울기를 유지하기 위해 상기 밸브의 펌프속도곡선은 제어기에 의해 조정될 수 있다.

챔버 내의 유체의 압력을 제어하는 압력제어시스템의 성능을 최적화하기 위한 방법을 설명한다. 상기 압력제어시스템은 챔버에서 유체의 압력을 측정하기 위한 압력센서, 상기 챔버에서 유출되는 유체의 유량을 조정하여 상기 챔버에서의 유체의 압력을 제어하도록 구성된 밸브 및 상기 밸브를 제어하기 위한 제어기를 포함한다. 상기 방법은 상기 챔버의 체적을 추정하고, 상기 밸브의 복수 개의 위치에서 상기 압력센서에 의해 측정된 압력 측정값과 상기 추정된 체적을 이용하여 상기 밸브의 펌프속도곡선을 생성하는 것을 포함한다. 상기 방법은 상기 펌프속도곡선의 기울기가 계산된 최소 값을 갖기 위해서 상기 펌프속도곡선을 변경하는 것을 더 포함한다. 상기 방법은 상기 챔버에서의 압력을 요구압력설정값으로 유지하기 위해 필요한 상기 밸브의 위치를 조정하기 위해 상기 변경된 펌프속도곡선을 이용하는 것을 더 포함한다.

도1은 압력제어시스템의 일실시예에 따른 개략도.

도2a 및 도2b는 본 발명의 시스템과 방법의 일실시예에 따라 변경된 밸브펌프속도곡선.

압력제어시스템의 압력제어성능은 최적화된다. 챔버의 체적은 정확하게 추정되고, 이하 설명되는 바와 같이, 밸브의 위치의 함수로서의 압력제어밸브의 펌프속도곡선은 거의 제로(0) 인(제로(0)에 가까운) 기울기를 증가시켜 미리 결정된 최소 기울기로 되게 변경된다.

도1은 상기 챔버(105)에서의 유체의 압력을 제어하는 압력제어시스템(100)의 일실시예에 따른 개략도이다. 개략적으로, 상기 압력제어시스템(100)은 상기 챔버(105)에서의 유체의 압력을 측정하도록 구성되는 압력센서(110); 상기 챔버(105)에서 유출되는 유량을 조정하여 상기 챔버(105)에서의 상기 유체의 압력을 제어하도록 구성되는 밸브(120); 및 상기 밸브(120)를 제어하기 위한 제어기(140)를 포함한다. 상기 밸브(120)는 상기 밸브의 위치를 변화시킴으로써, 즉 완전히 닫힌 위치(최소한의 유체가 통과하는 위치)와 완전히 열린 위치(최대한의 유체가 통과하는 위치) 사이에서 이동시킴으로써, 상기 챔버(105)에서 유출되는 유량을 조정한다. 펌프시스템(미도시)은 상기 밸브를 통해 상기 챔버(105)에서 유출되는 유체를 펌핑할 수 있다.

펜둘럼 밸브(pendulum valves), 버터플라이 밸브(butterfly valves) 및 스로틀 밸브(throttle valves)를 포함하는 다수의 다른 종류의 압력제어밸브가 이용될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 펜둘럼 밸브의 예로는 본 출원의 양수인이 통상적으로 소유하고 본 명세서에 참조로서 통합되는 미국등록특허 제6,776,394호, 발명의 명칭 "펜둘럼 밸브 조립체"에 기재되어 있다.

상기 제어기(140)는 1)상기 챔버(105)의 체적을 정확하게 추정하고, 2)상기 밸브(120)의 펌프속도곡선을 생성하고, 3)상기 펌프속도곡선을 최적화함으로써, 상기 압력제어시스템의 압력제어성능을 최적화하도록 구성된다. 특히 상기 제어기(140)는 상기 챔버에서의 압력을 요구압력설정값(a desired pressure setpoint)으로 유지하는데 필요한 상기 펌프속도곡선의 최소 기울기 값을 계산하도록 구성된다. 상기 제어기(140)는 상기 최소 기울기 값에서 상기 펌프속도곡선의 기울기를 유지하기 위해 상기 펌프속도곡선을 모니터링하고 변경시킨다.

상기 펌프속도곡선은 상기 밸브의 위치함수, 즉 상기 밸브의 개방도에 따른 상기 밸브의 처리량을 도표화 한다. 일반적으로, 상기 밸브는 게이트(gate)-타입의 밸브일 수 있으며, 상기 게이트 타입의 밸브에 있어서, 상기 밸브 게이트의 위치는 심볼 θ_i, i=1,...max로 나타낼 수 있고, 여기서 θ₁는 완전히 폐쇄된 상기 밸브의 위치를 나타내고, θ_max는 완전히 개방된 상기 밸브의 위치를 나타낸다.

상기 펌프속도곡선의 특징은 하나의 시스템에서 다른 시스템으로 변할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 상기 펌프속도곡선은 큰 펌프 또는 작은 펌프의 이용에 따라 변할 수 있다. 일반적으로 압력제어시스템은 상기 제어시스템을 구동하기 전에 사용자가 명령어를 입력하도록 하는 학습기능을 제공하여, 상기 밸브는 시스템에 대한 펌프속도곡선특성을 생성한다.

체적 추정( Volume Estimation )

사용자가 상기 챔버에서의 체적을 수동으로 입력하도록 요구되는 압력제어시스템에 있어서, 사용자가 상기 챔버와 밸브 사이의 배관 체적도 포함하는 상기 챔버의 체적을 모르고 부정확한 추측을 할 경우, 상기 시스템의 성능이 저하될 수 있다. 상기 압력제어시스템(100)은 전술한 학습기능을 요하지 않고, 상기 챔버(105)에서의 압력 동력원(pressure dynamics)에 기초해서 정확하게 상기 챔버의 체적을 추정하여 이러한 문제를 피한다.

처음에, 폐쇄 위치에서의 상기 펌프속도(즉, 상기 밸브에 의해 제어되는 경우의 상기 시스템의 펌프속도인) C(θ₁)는 기지 값(known value)이기 때문에, 상기 제어기(140)는 폐쇄 위치(θ=θ₁)에서의 상기 밸브의 체적(V)을 계산한다, C(θ₁)는 예를 들어, 기계적 형상과 허용오차와 같은 디자인에 의해 결정된다. 일반적으로, C(θ₁)는 제로(0)가 아닌 작은 값(약간 폐쇄된 밸브; soft-closed valve)을 갖는다. 이와 달리, C(θ₁)는 제로(완전히 밀봉된 밸브; hard sealed valve)일 수 있다. 상 기 제어기(140)는 상기 펌프속도를 알지 못할 때의 다른 밸브의 위치(θ_i, i=1,...max)에 대한 상기 체적을 계산하기 위해 상기 챔버(105)에서의 압력 동력원을 나타내는 식을 이용한다. 특히, 상기 챔버의 체적은 다음에 나타낸 압력 동력원에 기초해서 추정할 수 있다.

여기에서, P는 상기 챔버에서의 유체의 압력(예를 들어, 토르(Torr)단위)을 나타내며,

는 압력을 시간으로 미분한 것을 나타내며

V는 상기 챔버의 체적을 나타내고,

Q_i는 상기 챔버로 들어오는 상기 유체의 질량유량을 나타내고,

θ는 상기 밸브가 완전히 폐쇄된 경우인 θ=θ₁에서부터 밸브가 완전히 개방된 경우인 θ=θ_max까지의 범위에서의 상기 밸브의 위치를 나타내고;

C(θ)는 밸브의 위치(θ)의 함수로서 표현되는 펌프속도(예를 들어, 리터/초의 단위)를 나타내고;

C(θ)*P는 상기 챔버로에서 유출되는 유체의 질량유량을 나타낸다.

상기 제어기(140)는 압력을 시간으로 미분한

을 이산 시간 간격(△t) 동안의 압력 편차(△P)로 치환하여 상기 압력 동역학 식에 근사하게 되는데 여기서, △P=P_n-P_n _-1이고, P_n는 어느 한 시점(t_n)에서 상기 압력센서에 의해 측정된 압력 이고, P_n _- ₁는 어느 한 시점(t_n _-1)에서 상기 압력센서에 의해 측정된 압력이며, △t= t_n-t_n-1이다.

상기 제어기(140)는 상기 밸브가 완전히 폐쇄된 위치에서의 상기 밸브의 펌프속도곡선의 기지 값인 C(θ₁)와 상기 압력센서가 제공하는 압력측정 값 P_n와 P_n _-1을 이용하고, 다음의 식에 따라 상기 체적(V)을 계산해서, 체적(V)을 추정하기 위해 상기 근사식을 이용한다.

상기 식에 있어서, 하첨자 n은 n번째(n^th) 시점에서 얻은 기록에 대응한다. 전술한 체적 추정은 상기 데이터 샘플이 평균적으로 △t=100ms 간격을 이룰 경우에 보다 정확해 질 수 있다. 10ms 간격으로 20개의 데이터 샘플일 경우, 이는 그 차이를 P₁₁-P₁, P₁₂-P₂,..등으로서 계산한 것을 의미한다.

펌프속도곡선의 생성( Generating the Pump speed curve )

상기 추정된 챔버의 체적을 이용하여, 상기 제어기(140)는 상기 밸브(120)의 펌프속도곡선을 생성한다. 먼저, 상기 밸브(120)는 완전히 개방된 위치로 이동할 수 있고, 상기 챔버에서의 압력은 안정화될 수 있다. 이후 게이트는 완전히 폐쇄된 위치로 이동될 수 있다. 즉, 상기 밸브의 위치가 0% 개방으로 될 것이다. 이러한 최초 위치에서, 상기 밸브가 페쇄된 채 상기 챔버의 내부에서 압력이 상승 되는 경우, 상기 제어기(140)에 의해 상기 압력센서는 복수의 압력 측정값(예를 들어, 11)을 얻으며, 상기 압력데이터는 저장된다.

이때 상기 게이트는 증가 되게 이동될 수 있다. 예를 들어, 상기 게이트는 먼저 1% 씩 증가하여 20% 까지 이동될 수 있고, 그 후 2%, 5% 및 10% 씩 증가한다. 물론, 상기 밸브의 위치는 서로 다른 다양한 증가 값으로 이동될 수 있다. 그래서 상기 게이트 밸브는 완전히 폐쇄된 위치에서 완전히 개방된 위치로 이동한다. 각각의 밸브의 위치에서, 상기 압력센서는 동역학적으로 압력이 변하는 경우의 압력데이터를 얻으며, 상기 압력데이터는 메모리에 저장된다.

상기 제어기(140)는 각각의 밸브의 위치(θ_i)에서 펌프속도(C(θ₁))를 계산하여, 실제의 펌프속도곡선을 생성한다. 특히, 상기 제어기(140)는 상기 압력센서가 다수의(N) 시점t_n(n=1,...N) 중 각 하나에서 압력측정 값 P_n(n=1,...N)을 생성하고각 시점t_n에서 다음의 주어진 식을 이용하여 t_n에서의 펌프속도(C(θ_i)_n)의 값을 계산함으로써, 각 밸브의 위치(θ_i)에서 펌프속도(C(θ_i))를 계산하도록 구성될 수 있다.

최종적으로, 상기 제어기(140)는 다음의 주어진 식에 따라 C(θ_i)를 얻기 위 해, 모든(N) 시점t_n(n=1,...N)에 대하여 상기 펌프속도의 값을 평균을 낼 수 있다.

펌프속도곡선 변경( Modifying the Pump speed curve )

상기 밸브의 펌프속도곡선을 구한 후에, 상기 제어기(140)는 상기 압력제어시스템(100)으로 상기 압력제어성능을 향상 및 최적화하기 위해 상기 펌프속도곡선을 변경한다. 특히, 상기 제어기(140)는 약간 폐쇄된(soft-closed)(즉, C(θ₁)이 0이 아닌 상태)펌프속도의 최소 값을 보장하고, 보다 나은 제어 성능을 위한 최소 곡선 기울기를 보장하기 위해 상기 펌프속도곡선을 변경한다.

도2a 및 도2b는 본 발명의 시스템과 방법의 일실시예에 따라 변경된 밸브 펌프속도곡선을 나타낸다.

일반적으로, 밸브의 위치는 완전히 폐쇄된 위치에서 완전히 개방된 위치로 움직이는 경우, 상기 펌프속도곡선은 단조롭게 변하고, 단조로운 상승곡선으로 된다. 그러나 상기 펌프의 한계 또는 다른 측정의 부정확성으로 인하여, 상기 펌프속도곡선은 실제적으로 포화상태가 되어 기울기가 거의 제로인 수평으로 된다.

상기 제어기(140)는 압력 값으로 나타낸 펌프속도가 특정 모델기반제어알고리즘에 의해 결정된 압력설정값(pressure set point)으로 되게 밸브의 위치를 계산하도록 구성된다. 일반적으로, 최종 사용자는 상기 압력설정값을 설정하고, 상기 제어기(140)는 상기 밸브의 위치를 조정함으로써, 상기 실제 압력을 최종 사용자가 설정한 상기 압력설정값과 일치시킨다.

상기 게이트 밸브를 빨리 움직이게 하는데에는 실질적으로 한계가 있다. 이러한 한계는 모터가 발생시킬 수 있는 최대 토크 및 상기 게이트의 무게를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 한계로 인해, 상기 압력제어시스템이 상기 펌프속도곡선의 보다 수평적인 구간에서 작동할 경우, 만족스럽지 못한 성능이 발생할 수 있다. 특정 안정상태 위치에 도달하기 위해, 상기 밸브는 전후로 움직일 수 있는데, 이는 필요로 하는 상기 밸브 운동의 대역폭이 상기 밸브가 움직일 수 있는 대역폭보다 더 크기 때문에 실패하게 된다.

이러한 문제를 극복하기 위해, 상기 제어기(140)는 상기 제어기(140)가 계산한 적어도 최소 기울기 값으로 상기 펌프속도곡선의 기울기를 증가시켜 상기 펌프속도곡선을 변경한다. 상기 펌프속도곡선의 기울기를 증가시킴으로써, 상기 밸브가 압력 설정값에 도달하는 경우, 상기 밸브(120)는 부드럽고 느리게 움직인다.

상기 곡선이 수평이면, 펌프속도의 매우 작은 변화까지 상기 밸브가 오버슈트(overshoot)를 일으키는데 필요한 큰 밸브운동으로 변경된다. 상기 게이트는 매우 큰 운동을 가지면서 종료될 수 있고, 상기 압력은 상기 압력설정값에 대하여 동요될 수 있다. 큰 밸브가 지나치게 크게 움직이면, 요동과 진동이 발생한다.

상기 곡선에 약간의 기울기를 줌으로써, 상기 밸브의 속도가 제한되어 상기 게이트의 운동이 감소 될 수 있다. 그 결과, 보다 더 안정된 제어를 달성할 수 있다. 상기 펌프속도곡선에 전술한 최소 기울기 기준을 적용시킨 후, 상기 제어기(140)는 메모리에 상기 변경된 펌프속도곡선을 저장할 수 있다.

본 발명에 따른 일실시예에 있어서, 상기 제어기(140)는 완전히 개방된 상태 와 완전히 폐쇄된 상태에서 두 펌프속도의 차이에 비례하는 상기 펌프속도곡선의 최소 기울기를 계산할 수 있다. 상기 제어기(140)는 다음의 식을 이용하여 상기 최소 기울기 m_min을 계산할 수 있다.

위에서 언급한 식에 있어서, 계수 K는 실험계수이고, 상기 압력제어시스템의 현재 대역폭과 연관된다.

이후, 상기 제어기(140)는 0% 값과 100% 값의 펌프속도에 기초해서 상기 곡선의 기울기가 전술한 바와 같이 계산한 상기 최소 기울기 보다 큰지를 검사한다. 지점에서 지점으로 이동할 때, 상기 제어기(140)는 상기 펌프속도곡선의 기울기를 확인한다. 상기 기울기가 상기 최소 기울기 보다 크다면, 상기 곡선은 변경되지 않는다. 상기 기울기가 작다면, 상기 곡선은 그 지점에서 기울기를 증가시키도록 변경된다.

다시 말하면, i가 i=1에서부터 i=max까지 범위인, 각각의 위치 θ_i에 대해, 상기 제어기(140)는 상기 펌프속도 C(θ_i)와 기지 값 C(θ₁)을 비교하고, C(θ_i)가 C(θ₁)보다 작다면, C(θ_i)=C(θ₁)로 설정한다.

i가 i=2에서부터 i=max까지 범위인, 각각의 위치 θ_i에 대해, 상기 제어기(140)는 그 위치에서의 상기 펌프속도곡선의 기울기를 계산할 수 있다. 계산된 기울기가 최소 값 m_min보다 작다면, C(θ_i)=C(θ_i-1) + m_min*(θ_i-θ_i-1)으로 설정한다. 상기 펌프속도곡선의 기울기는 다음에 따르는 식으로 계산될 수 있다.

상기 압력제어시스템이 안정된 상태에서 작동하는 경우, 상기 압력 설정값은 확정될 수 있다. 안정된 상태에서, 가파른 기울기는 상기 밸브가 덜 움직이게 하는데 효과적일 수 있다.

또한, 상기 압력제어시스템이 상기 챔버에서의 유체의 압력의 순간적인 반응을 모니터링하는 경우, 상기 설정값이 변화함에 따라, 상기 요구압력설정값은 변화될 수 있다. 이러한 경우, 너무 가파른 기울기는 상기 압력제어시스템의 성능이 낮아질 수 있다.

요약하면, 챔버 내부의 유체의 압력을 제어하는 압력제어시스템의 최적화된 성능을 기재하였다. 상기 챔버의 체적을 추정하고, 복수 개의 상기 밸브의 위치에서의 압력 측정값과 추정된 상기 체적을 이용하여, 상기 밸브의 펌프속도곡선을 생성한다. 상기 챔버에서의 압력을 상기 요구압력설정값으로 유지하기 위해 필요한 상기 펌프속도곡선의 최소 기울기 값을 계산한다. 상기 펌프속도곡선을 모니터링하고 변경하여 상기 펌프속도곡선의 기울기를 적어도 최소 값으로 유지시킨다. 이로써 압력제어 성능은 안정화되고 최적화된다.

압력 제어기의 압력 제어 성능을 최적화하기 위한 시스템 및 방법의 임의의 실시예를 설명하였지만, 상기 실시예에서 구현된 이 개념은 다른 실시예에서 이용 될 수 있다. 본 출원은 다음의 청구항에서 보호된다.

이러한 청구항에서, 단수의 구성요소는 특별한 언급이 없는 한 "하나 및 오직 하나"를 의미하는 것이 아니라, "하나 이상"을 나타낸다. 모든 구조와 기능은 당업자에게 알려져 있거나 알려질 본 명세서에 참조로서 통합되고 청구항에 의해 포함될 본 발명의 전체에서 기술된 다양한 실시예의 구성요소에 상응한다. 또한, 이러한 기재가 청구항에서 명쾌하게 명시되었는지 여부에 관계없이, 본 명세서에 나타낸 것은 대중에 제공되지 않는다. 상기 요소가 "~을 위한 수단(means for)"의 문장을 사용하여 명시되어 표현되거나 방법 청구항의 경우 상기 요소가 "~을 위한 단계(step for)"의 문장을 사용하여 표현되지 않는 한, 어떤 청구항의 요소도 35 U.S.C.제112조 제6항하에 적용을 받지 않는다.

Claims

챔버에서 유체의 압력을 제어하기 위한 압력제어시스템에 있어서,

상기 챔버에서 유체의 압력을 측정하도록 구성되는 압력센서;

상기 챔버에서 유출되는 유량을 조정하여 상기 챔버에서 유체의 압력을 제어하도록 구성되는 밸브; 및

상기 밸브의 펌프속도곡선을 생성하고, 상기 펌프속도곡선의 기울기를 미리 결정된 최소 값 이상으로 유지하기 위해 상기 펌프속도곡선을 모니터링하고 변경하도록 구성된 제어기

를 포함하고,

상기 제어기는 상기 챔버에서의 압력을 요구압력설정값으로 유지하기 위하여 상기 압력센서에 의해 측정된 압력 측정값에 따라 상기 밸브의 위치를 조절하도록 상기 변경된 펌프속도곡선을 이용하도록 더 구성되고, 상기 제어기는 상기 챔버에서의 압력을 상기 요구압력설정값으로 유지하기 위해 필요한 상기 펌프속도곡선의 기울기의 상기 최소 값을 계산하도록 더 구성되고,

상기 펌프속도곡선은 상기 밸브의 위치(θ)의 함수로서 상기 밸브에 의해 제어되는 경우의 상기 압력제어시스템의 펌프속도(C)를 나타내는,

압력제어시스템.
제1항에 있어서,

상기 제어기는 상기 챔버의 체적을 추정하고, 상기 추정된 체적과 상기 밸브의 복수의 위치에서 상기 압력센서에 의해 측정된 압력 측정값을 이용하여 상기 펌프속도곡선을 생성하도록 더 구성되는,

압력제어시스템.
제2항에 있어서,

상기 제어기는 상기 챔버에서의 압력 동역학에 기초해서 상기 챔버의 체적을 추정하도록 더 구성되고,

상기 압력 동역학은
식으로 표현되며,

여기서, P는 상기 챔버에서의 유체의 압력을 나타내며,

는 압력을 시간으로 미분한 것을 나타내며,

V는 상기 챔버의 체적을 나타내고,

Q_i는 상기 챔버로 유입되는 상기 유체의 유량을 나타내고,

θ는 상기 밸브가 완전히 폐쇄된 경우인 θ=θ₁에서부터 상기 밸브가 완전히 개방된 경우인 θ=θ_max까지의 범위에서의 상기 밸브의 위치를 나타내고;

C(θ)는 상기 밸브의 위치(θ)의 함수로서 상기 밸브에 의해 제어되는 경우의 상기 압력제어시스템의 펌프속도를 나타내고;

C(θ)*P는 상기 챔버에서 유출되는 유체의 유량을 나타내는,

압력제어시스템.
제3항에 있어서,

상기 제어기는 압력을 시간으로 미분한
을 이산 시간 간격(△t) 동안의 압력 편차(△P)로 치환하여 상기 압력 동역학 식에 근사하도록 구성되고, 여기서, △P=P_n-P_n-1이고, P_n는 어느 한 시점(t_n)에서 상기 압력센서에 의해 측정된 압력이고, P_n-1는 어느 한 시점(t_n-1)에서 상기 압력센서에 의해 측정된 압력이며, △t= t_n-t_n-1이고;

상기 제어기는 상기 밸브가 완전히 폐쇄된 위치에서의 상기 펌프속도의 기지 값인 C(θ₁)와 상기 압력센서에 의해 제공되는 압력 측정값 P_n과 P_n-1을 함께 이용하고,
식에 따라 상기 체적(V)을 계산함으로써, 체적(V_C)을 추정하도록 더 구성되는,

압력제어시스템.
제4항에 있어서,

상기 제어기는,

상기 밸브의 복수의 위치(θ_i,i=1,.....,max) 중 각 위치에 상기 밸브를 위치시키고; 그리고

각 밸브위치 θ_i에서, 상기 밸브의 위치에서의 펌프속도 C(θ_i)를 계산함으로써

상기 펌프속도곡선을 생성하도록 더 구성되고,

θ₁은 완전히 폐쇄된 상기 밸브의 위치를 나타내고, θ_max는 완전히 개방된 상기 밸브의 위치를 나타내는,

압력제어시스템.
제5항에 있어서,

상기 제어기는,

상기 압력센서가 복수(N)의 시점 t_n(n=1,...N) 중 각 시점에서 압력 측정값 P_n(n=1,...N)을 생성하게 하고;

각 시점(t_n)에서
식을 이용하여 시점(t_n)에서의 상기 펌프속도 C(θ_i)_n의 값을 계산하고;

식에 따라 C(θ_i)를 얻기 위해, 모든(N) 시점 t_n(n=1,...N)에 대하여 상기 펌프속도 값의 평균을 냄으로써,

각각의 θ_i에서의 C(θ_i)를 계산하도록 구성되는,

압력제어시스템.
삭제
제1항에 있어서,

상기 제어기는

식을 이용하여 상기 기울기의 최소 값을 계산하도록 더 구성되고, 여기서, k는 실험계수인,

압력제어시스템.
제8항에 있어서,

상기 제어기는

i가 i=1에서부터 i=max까지의 범위인, 각 위치 θ_i에 대해, 상기 펌프속도 C(θ_i)와 기지 값 C(θ₁)를 비교하고, C(θ_i)가 C(θ₁)보다 작다면, C(θ_i)=C(θ₁)로 설정하고;

i가 i=2에서부터 i=max까지의 범위인, 각각의 위치 θ_i에 대해, 해당 위치에서의 상기 펌프속도곡선의 기울기를 계산해서, 상기 계산된 기울기가 최소 값 m_min보다 작으면, C(θ_i)=C(θ_i-1) + m_min*(θ_i-θ_i-1)으로 설정함으로써, 상기 펌프속도곡선을 모니터링하고 변경하도록 더 구성되고,

상기 펌프속도곡선의 기울기는
식을 이용하여 계산되는,

압력제어시스템.
제4항에 있어서,

상기 기지 값(C(θ₁))이 제로(0)인

압력제어시스템.
제4항에 있어서,

상기 기지 값(C(θ₁))이 제로(0)가 아닌

압력제어시스템.
제1항에 있어서,

상기 요구압력설정값은 확정되고, 상기 압력제어시스템은 정상 상태에서 작동되는

압력제어시스템.
제1항에 있어서,

상기 요구압력설정값은 가변적이며, 상기 압력제어시스템은 상기 압력설정값에 따르는

압력제어시스템.
삭제
챔버에서 유체의 압력을 측정하기 위한 압력센서, 상기 챔버에서 유출되는 상기 유체의 유량을 조절하여 상기 챔버에서 유체의 압력을 제어하도록 구성된 밸브 및 상기 밸브를 제어하기 위한 제어기를 포함하는, 챔버 내부의 유체 압력을 조절하기 위한 압력제어시스템의 성능을 최적화하는 방법에 있어서,

상기 챔버의 체적을 추정하는 단계;

상기 밸브의 복수의 위치에서, 상기 압력센서에 의해 측정된 압력 측정값과 상기 추정된 체적을 이용하여 상기 밸브의 펌프속도곡선을 생성하는 단계;

상기 챔버에서의 압력을 요구압력설정값으로 유지하기 위해 필요한 상기 펌프속도곡선의 기울기의 최소 값을 계산하는 단계;

상기 펌프속도곡선의 기울기가 계산된 최소 값을 갖도록 상기 펌프속도곡선을 변경하는 단계; 및

상기 챔버에서의 압력을 상기 요구압력설정값으로 유지할 수 있게 상기 밸브의 위치를 조절하기 위하여 상기 변경된 펌프속도곡선을 이용하는 단계

를 포함하는,

압력제어시스템 성능 최적화 방법.