KR20030060078A - 질량유량비율 시스템과 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일 질량유량이 공급될 수 있게 된 유입구와 이 유입구에 연결된 적어도 두개의 유동라인을 포함하는 단일 질량유량을 분할하기 위한 시스템이다. 각 유동라인은 유량계와 밸브를 포함한다. 또한 이 시스템은 사용자 인터페이스를 통하여 요구된 유량비율을 수신하고, 유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하며, 측정된 유량에 기초하여 유동라인을 통한 실제의 유량비율을 계산하며, 실제의 비율을 요구된 비율에 비교하도록 프로그램된 제어기를 포함한다. 이 제어기는 또한 실제의 비율이 요구된 비율과 동일하지 않는 경우 적어도 하나의 유동라인을 통한 요구된 유량을 계산하여 요구된 유량을 나타내는 신호를 적어도 하나의 밸브에 제공할 수 있도록 프로그램된다.

Description

질량유량비율 시스템과 방법 {MASS FLOW RATIO SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 반도체처리시설에 관한 것으로, 특히 정밀하게 계량된 분량의 오염물없는 공정가스를 반도체공정챔버로 공급하기 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 단일의 질량유량을 요구된 비율의 둘 이상의 유량으로 분활하기 위한 시스템과 방법에 관한 것이다.
반도체장치의 제조에 있어서는 종종 공정챔버에 대한 수 많은 가스의 조심스러운 동기화와 정밀계량공급이 요구된다. 여러가지 방법이 제조공정에 이용되고, 반도체장치가 세척, 광택처리, 산화처리, 마스킹, 에칭, 도핑, 금속화처리되는 경우 다수의 불연속적인 공정단계가 요구된다. 이용되는 이들 단계, 이들의 특정한 시컨스 및 이들에 사용되는 재료들이 특정의 장치를 제조하는데 관여한다.
따라서, 웨이퍼제조시설은 공통적으로 화학증착, 플라즈마증착, 플라즈마 에칭, 스퍼터링 및 기타 유사한 가스제조방법이 수행되는 영역을 포함하도록 되어 있다. 이들이 화학증착반응기, 진공스퍼터링기계, 플라즈마 에칭기 또는 플라즈마강화 화학증착반응기인 경우 공정에 필요한 시설에 여러 공정가스가 공급되어야 한다. 순수가스가 오염물없는 정밀히 계량된 분량으로 이러한 시설에 공급되어야 한다.
전형적인 웨이퍼제조시설에 있어서, 가스는 파이프나 도관을 통하여 가스 박스에 연결된 탱크에 저장된다. 가스 박스는 제조시설의 탱크로부터 공정시설에 오염물이 없고 정확히 계량된 분량의 순수 불활성 반응가스를 공급한다. 가스 박스또는 가스계량시스템은 밸브, 압력조절기 및 변환기, 질량유량제어기 및 필터/정화기와 같은 가스계량유니트를 갖는 다수의 가스유로를 포함한다. 각 가스유로는 별도의 가수공급원에 연결되는 자체의 유입구를 가지나 모든 가스유로는 공정시설에 연결되는 단일의 유출구에 모아진다.
때로는 다수의 공정챔버 또는 단일의 공정챔버의 독립된 부분에 대하여 조합된 공정가스를 동일하게 분할하는 것이 요구되기도 한다. 이와 같은 경우, 가스 박스의 단일유출구가 2차 유로에 연결된다. 가스 박스의 유출구의 1차 유량이 2차 유로사이에 동일하게 분할될 수 있도록 하기 위하여 각 2차 유로에 유동제한기가 배치된다.
그러나, 단일유량을 둘 이상의 요구된 유량비율로 분활하기 위한 질량유량비율시스템과 방법이 요구된다. 이러한 시스템과 방법은 제어된 가스와는 독립적으로 작동 또는 수행되는 것이 좋다. 아울러, 이러한 시스템과 방법은 상류측의 어떠한 질량유량제어기의 성능에 방해가 되어서는 아니된다.
따라서, 본 발명은 단일의 질량유량을 요구된 비율의 둘 이상의 2차 질량유량으로 분할하기 위한 시스템을 제공한다. 이 시스템은 단일 질량유량이 유입되는 하나의 유입구와 이 유입구에 연결되는 적어도 두개의 2차 유동라인을 포함한다. 각 유동라인은 유동라인을 통한 유량을 측정하고 측정된 유량을 나타내는 신호를 제공하는 유량계와, 요구된 유량을 나타내는 신호의 수신에 기초하여 유동라인을 통한 유량을 제어하는 밸브를 포함한다.
또한 이 시스템은 적어도 하나의 요구된 유량비율을 수신할 수 있게 된 사용자 인터페이스와, 유량계, 밸브 및 사용자 인터페이스에 연결되는 제어기를 포함한다. 제어기는 사용자 인터페이스를 통하여 요구된 유량비율을 수신하고, 유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하며, 측정된 유량에 기초하여 유동라인을 통한 실제의 유량비율을 계산하며, 실제의 비율을 요구된 비율에 비교할 수 있도록 프로그램된다. 제어기는 또한 실제의 비율이 요구된 비율과 동일하지 않는 경우 적어도 하나의 유동라인을 통한 요구된 유량을 계산하여 요구된 유량을 나타내는 신호를 적어도 하나의 밸브에 제공할 수 있도록 프로그램된다.
본 발명은 또한 단일의 질량유량을 둘 이상의 요구된 비율의 2차 질량유량으로 분할하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 단일 질량유량을 적어도 두개의 2차 유동라인으로 분할하는 단계, 각 유동라인을 통한 질량유량을 측정하는 단계, 적어도 하나의 요구된 질량유량비율을 수신하는 단계와, 측정된 유량을 기초로 하여 유동라인을 통한 실제의 유량비율을 계산하는 단계를 포함한다. 또한 이 방법은, 만약 실제의 비율이 요구된 비율과 동일하지 않는 경우, 적어도 하나의 유동라인을 통한 요구된 비율을 계산하는 단계와, 이러한 유동라인의 실제유량을 요구된 유량으로 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 시스템과 방법은 가스의 제어와는 독립적으로 작동되거나 수행될 수 있는 잇점을 준다. 아울러, 본 발명의 시스템과 방법은 상류측의 어떠한 질량유량제어기의 성능에 장애가 되지 않는다.
본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따라서 구성되고 가스계량박스와 두 공정챔버에 연결되어 있는 것을 보인 질량유량비율시스템의 개략구성도.
도 2는 도 1에서 보인 시스템에서 수행되는 유량분할을 위한 방법을 설명하는 흐름도.
도 3과 도 4는 상이한 최소유량에 대한 도 1 및 도 2의 시스템과 방법의 질량유량비율 제어범위를 설명하는 그래프.
도 5는 도 1에서 보인 시스템에 연결되는 사용자 인터페이스의 예시적인 실시형태를 보인 도표.
도 6은 본 발명에 따라서 구성되고 가스계량박스와 다수의 공정챔버에 연결되어 있는 것을 보인 다른 질량유량비율시스템의 개략구성도.
도 7은 종래의 기술에 따라서 구성되고 가스계량박스와 두 공정챔버에 연결된 두 유로를 보인 구성도.
도 8은 가스계량박스와 두 공정챔버사이에 연결된 종래의 질량유량분할기를 보인 구성도.
도 1과 도 2는 단일의 질량유량을 요구된 비율의 둘 이상의 질량유량으로 분할하기 위한 질량유량비율 시스템(10)과 방법(12)을 설명한다. 특히 이 시스템(10)과 방법(12)은 오염물이 없고 정확히 계랭된 분량의 공정 및 퍼지 가스를 반도체공정챔버로 공급하기 위한 가스계량시스템과 함께 사용될 수 있게 되어 있다. 본 발명의 시스템(10)과 방법(12)은 가스의 제어와는 독립적으로 작동되거나 수행될 수 있고, 상류측의 어떠한 질량유량제어기의 성능에 장애가 되지 않는 잇점을 준다.
도 7에서는 종래기술에 따라서 유량을 분할하기 위한 시스템(100)이 비교를 위하여 도시되어 있다. 이 시스템(100)은 가스공급원(예를 들어 가스 탱크)(104a)(104b)(104c)(104d)로부터의 공정가스 및 퍼지 가스를 포함하는 다수의 가스가 공급되고 두 공정챔버(106)(108)에 공급되는 가스(이들 가스는 단일공정챔버의 여러 인젝터 또는 여러 영역에 공급될 수 있다)를 정확히 계량하는 가스계량시스템(102)에 결합되어 사용된다. 가스계량시스템(102)은 다수의 가스 스틱(112a)112b)(112c)(112d)을 갖는 가스 박스(110)(도면에는 4개만을 도시하였으나 가스 박스는 그 이상을 포함할 수 있다)를 포함한다.
각 스틱은 예를 들어 질량유량제어기(MFC)(114), MFC의 앞에 배치된 밸브(116)와 MFC의 뒤에 배치된 밸브(118)를 포함한다. 가스 스틱(112a)112b)(112c)(112d)은 각각 가스공급원(104a)(104b)(104c)(104d)에 연결되고 제어가능한 가스유로를 제공함으로서 오염물이 없는 정확히 계량된 분량의 가스 또는 가스의 조합이 가스계량시스템(102)으로부터 공정챔버(106)(108)로 공급될 수 있도록 한다. 비록 도시하지는 않았으나, 스틱(112a)112b)(112c)(112d)에는 필터, 정화기, 압역변환기 및 제어기와 같이 가스를 모니터하거나 제어하기 위한 다른 구성요소들이 구비될 수 있다. 스틱(112a)112b)(112c)(112d)은 예를 들어 유출구 매니폴드(128)에서 함께 연결되어 가스 박스를 떠나기 전에 만약 요구되는 경우 각 스틱으로부터의 가스가 혼합될 수 있도록 한다.
진공펌프(120)가 게이트 밸브(122)(124)를 통하여 공정챔버(106)(108)에 연결된다. 작동중에, 진공펌프(120)는 가스계량시스템(102)을 통하여 가스공급원(104a)(104b)(104c)(104d)으로부터 가스를 흡인하여 공정챔버(106)(108)로 보낸다.
적어도 두 공정챔버(106)(108)사이로 유량을 분할하기 위한 종래 기술의 시스템(100)은 가스 박스(110)의 유출구 매니폴드(128)에 연결된 유입구 매니폴드 또는 라인(126), 유입구(126)로부터 공정챔버(106)(108)로 연장된 제1 및 제2 유동라인(130)(132)과, 각 유동라인에 배치된 제한기(134)를 포함한다. 제1 및 제2 라인(130)(132)을 통한 유량을 정확히 제어하기 위하여, 제한기(134)의 최소유동단면적(예를 들어, 직경)은 제1 및 제2 유동라인(130)(132)의 다른 제한부분에 비하여 커야 한다. 제한기(134)는 유량을 제어하는데 이용되므로 상류측 압력(즉, 유량분할 시스템 100의 상류측 가스공급시스템 102의 압력)은 비교적 높게 유지되어야 한다(예를 들어, 30~40 PSIA). 따라서, 안전이나 다른 이유에서 상류측 압력을 비교적 낮게 유지하는 것이 바람직한 경우(예를 들어 15 PSIA 또는 그 이하), 종래 기술의 시스템(100)은 유량을 분할하거나 조절하는 작동을 하지 않는다. 더욱이, 시스템을 정지시켜야 하는 제한기(134)의 교체없이는 유동라인(130)(132)사이의 유량비율을 변경시킬 수 없다.
도 8은 기존의 유량분할시스템(210)을 보이고 있다. 이 시스템(210)은 본원 출원인에게 양도된 2001년 4월 17일자 미국특허출원 제09/836,748호(대리인사건번호 MKS-86)에 상세히 기술되어 있다. 이 시스템(210)은 가스 박스(110)의 유출구 매니폴드(128)로부터 단일의 가스유량이 공급되는 유입라인 또는 매니폴드(212)와, 유입구(212)에 연결된 제1 및 제2 유동라인(214)(216)을 포함한다. 질량유량계(218)는 제1라인(214)을 통한 가스유량을 측정하고 측정된 유량을 나타내는 신호를 제공한다. 제한기(220)가 제1라인(214)을 통한 가스유량을 요구된 유량으로 제한하고 질량유량계(218)가 정확하고 사전에 결정된 압력상한값 보다 낮은 압력에서 작동할 수 있도록 충분히 높은 상류측 압력을 제공하기 위하여 선택된 최소유동단면적을 갖는다. 또한 이 시스템은 제2라인(216)을 통한 가스유량을 제어하기 위한 질량유량제어기(222)를 갖는다. 질량유량제어기(222)는 질량유량계(218)로부터 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하여 제2라인(216)을 통한 유량이 이 신호에 기초하여 유지될 수 있도록 한다.
제한기(220)의 최소유동단면적은 사전에 결정된 압력상한값이 약 15 PSIA와 같도록 선택되는 것이 좋다. 아울러, 질량유량계(218)와 질량유량제어기(222)는 동일한 유량범위를 갖는 것이 좋다. 도 8의 유량분할시스템(210)에 있어서, 질량유량제어기(222)는 제2라인(216)을 통한 유량이 제1라인(214)의 측정된 유량과 동일하게 유지되도록 한다. 비록 도시하지는 않았으나, 유량분할시스템(210)에는 질량유량제어기(22)에 의하여 신호가 수신되기 전에 질량유량계(218)로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 비례조절하기 위한 제어기가 구비되어 질량유량제어기(222)가 제2라인(216)을 통한 유량이 제1라인(214)의 측정된 유량의 사전에 결정된 비율과 동일하게 유지될 수 있도록 한다. 이 시스템(210)은 가스 박스와 공정챔버사이에 신속하고 용이하게 조립될 수 있도록 모듈화된 유니트로서 제공되며, 시스템(210)의 유입구 매니폴드(212)와 가스 박스(110)의 유출구 매니폴드(128)사이에 차단밸브 또는 적당한 코넥터(250)를 포함한다.
다시 도 1에서, 본 발명의 질량유량비율시스템(10)은 가스 박스(110)의 유출구 매니폴드(128)로부터의 단일가스유량이 공급되는 유입구라인 또는 매니폴드(12)와, 유입구(12)에 연결된 제1 및 제2유동라인(14a)(14b)을 포함한다. 각 라인(14a)(14b)에는 이들 라인을 통한 질량유량을 측정하여 측정된 유량을 나타내는 신호를 제공하는 질량유량계(18a)(18b)와, 요구된 유량을 나타내는 신호에 기초하여 라인을 통한 유량을 제어하기 위한 밸브(20a)(20b)가 구비된다. 또한 비율시스템(10)은 요구된 유량비율을 수신하기 위한 사용자 인터페이스(22)와, 유량계(18a)(18b), 밸브(20a)(20b) 및 사용자 인터페이스(22)에 연결된 제어기(24)를 갖는다. 유량비율 "α"는 제2라인(14b)를 통한 유량 "Q2"을 제1라인(14a)을 통한 유량 "Q1"으로 나눈 것으로 정의된다.
또한 도 2에서, 제어기(24)는 단계(30)에서 보인 바와 같이 사용자 인터페이스(22)를 통하여 요구된 유량비율을 수신하고, 단계(32)에서 보인 바와 같이 유량계(18a)(18b)로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하며, 단계(34)에서 보인 바와 같이 측정된 유량에 기초하여 유동라인(14a)(14b)를 통한 실제의 유량비율을 계산하고, 단계(36)에서 보인 바와 같이 실제의 비율을 요구된 비율에 비교하도록 프로그램된다. 또한 제어기(24)는 단계(38)에서 보인 바와 같이 실제의 비율이 요구된 비율과 동일한 경우 적어도 하나의 라인(14a)(14b)을 통한 요구된 유량을 계산하고, 단계(40)에서 보인 바와 같이 적어도 하나의 밸브(20a)(20b)에 대하여 요구된 유량을 나타내는 "조절"신호를 제공토록 프로그램된다. 따라서, 제어기(24)는 라인을 통한 실제의 유량비율이 요구된 비율과 동일하게 될 때까지 적어도 하나의 유동라인(14a)(14b)을 통한 유량을 조절한다.
우선실시형태에 있어서, 제어기(24)는 제1의 요구된 유량을 나타내는 "초기"신호를 제1라인(14a)의 밸브(20a)에 제공하고, 실제의 유량비율이 요구된 유량비율과 동일하지 않은 경우 제2의 요구된 유량을 계산하며, 제1유동라인(14b)의 밸브(20b)에 제2의 요구된 유량을 나타내는 "조절"신호를 제공토록 프로그램된다. "조절"신호는 다음과 같이 계산된다.
Vc2= Kpa(α- αsp) + Kia∫(α- αsp)dt
여기에서 V2c는 제어기(24)로부터 제2밸브(20b)에 대한 명령이고, Kpa는 비율제어에 대한 비례이득이며, Kia는 비율제어를 위한 적분이득이고, α는 측정된 유량비율이며, αsp는 비율설정점 또는 요구된 유량비율이다. 이와 같이 함으로서, 제1라인(14a)의 밸브(20a)는 고정형의 오리피스와 같이 작용하는 반면에, 제2라인(14b)의 밸브(20b)는 가변제어밸브와 같이 작용한다. 이러한 구성은 가스가다양함에 따라서 나타나는 유량측정상의 오류가 두 유량계(18a)(18b)에서 모두 동일하게 나타나므로 시스템(10)이 이 시스템을 통하여 제어되는 가스의 형태에 관계없이 작동될 수 있도록 한다. 제어기(24)는 제1라인(14a)의 밸브(20a)가 완전개방될 수 있도록 프로그램됨으로서 시스템(10)을 통한 전체압력강하가 최소화된다.
본 발명의 비율시스템(10)에 사용되는 적당한 질량유량계(18a)(18b)로서는 미국 매사추세츠의 앤도버에 소재하는 본원 출원인인 MKS Instruments(http://www.mksinst.com)로부터 입수할 수 있는 서멀 베이스형인 Mass-Flo®브랜드의 제어기가 있다. 또한 적당한 밸브(20a)(20b)도 본원 출원인 회사로부터 입수할 수 있다. 밸브(20a)(20b)는 비선형이며 협소한 제어범위를 갖는다. 그러나, 열유량계(8a)(18b)는 이들 유량계가 최대감지범위 5% 이하에서는 통상적으로 신뢰할 수 없으므로(예를 들어 2,000sccm 열유량계는 100sccm 이하는 신뢰할 수 없다) 시스템(10)에 의하여 제공되는 제어범위를 결정하는데 제한적인 요인이 있다. 도 3과 도 4는 열유량계의 제한범위에 기초하여 본 발명에 따라서 구성된 시스템(10)의 비율제어범위를 설명하는 그래프이다. 도 3의 그래프는 시스템(10)을 통한 100sccm의 최소유량("Qmin")에 대한 것인 반면에, 도 4의 그래프는 200sccm의 최소유량에 대한 것이다. 이들 그래프는 질소(N2)의 흐름에 기초하고 있으며 3개의 가스보정계수("GCF"); 0.5, 1.0 및 1.4에 대한 좌표곡선을 포함한다.
도 5는 도 1의 유량비율시스템(10)을 위한 사용자 인터페이스(22)의 코넥터의 실시형태를 설명하는 도표이다. 도표에서 보인 바와 같이, 코넥터는 15 핀 D 코넥터로 구성되며 각 핀의 지정과 설명이 수록되어 있다. 비록 도시하지는 않았으나 제어기(24)는 예를 들어 마이크로프로세서, 메모리, 전자클록 오실레이터, 아날로그-디지털 변환기 및 멀티플렉서를 포함할 수 있다.
도 6에서는 본 발명에 따라서 구성된 다른 질량유량비율시스템(50)을 보이고 있다. 도 1과 도 6의 시스템(10)(50)은 서로 유사하며 동일한 부분에 대하여서는 동일한 부호로 표시하였다. 더욱이, 도 6의 시스템(50)은 유입구(12)에 연결된 제3의 유동라인(14c), 이 라인(14c)을 통한 질량유량을 측정하여 측정된 유량을 나타내는 신호를 제공하는 징량유량계(18c)와, 요구된 유량을 나타내는 신호에 기초하여 라인(14c)을 통한 유량을 제어하기 위한 밸브(20c)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 시스템(50)의 3개 라인(14a)(14b)(14c)은 단일의 공정챔버(106)의 3 부분에 연결될 수 있다.
도 5의 실시형태에서, 사용자 인터페이스(24)는 제2 및 제1 유동라인(14b)(14a)의 요구된 유량비율과 제3 및 제1 유동라인(14c)(14a)의 요구된 유량비율(즉, "α1"="Q2"/"Q1" 및 "α2"="Q3"/"Q1")을 수신할 수 있게 되어 있다. 제어기(24)는 제1라인(14a)의 밸브(20a)에 제1의 요구된 유량을 나타내는 신호를 제공하여 밸브(20a)가 고정형의 오리피스와 같이 작용토록 프로그램된다. 그리고 제어기(24)는 사용자 인터페이스(22)를 통한 요구된 유량비율을 수신하고, 유량계(18a)(18b)로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하며, 제2 및 제1 유동라인을 통하여 측정된 유량에 기초하여 제2 및 제1 유동라인(14b)(14a)의 실제유량비율을 계산하고, 제2 및 제1 유동라인의 실제비율이 제2 및 제1 유동라인의요구된 비율과 동일하지 않은 경우 제2의 요구된 유량을 계산하며, 제2 유동라인(14b)의 밸브(20b)에 제2의 요구된 유량을 나타내는 신호를 제공한다.
또한 제어기(24)는 제3 및 제1 유동라인(14c)(14a)을 통한 측정된 유량에 기초하여 제3 및 제1 유동라인의 실제유량비율을 계산하고, 제3 및 제1 유동라인의 실제유량비율이 제3 및 제1 유동라인의 요구된 유량비율과 동일하지 않은 경우 제3의 요구된 유량을 계산하며, 제3 유동라인의 밸브(20c)에 제3의 요구된 유량을 나타내는 신호를 제공하도록 프로그램된다. 따라서, 제2 및 제3 라인(14b)(14c)의 밸브(20b)(20c)는 제1 라인(14a)의 밸브(20a)에 대하여 제어밸브로서 작용한다.
비록 도시하지는 않았으나, 질량유량비율시스템(10)(30)에는 3개 이상의 유동라인(14)이 구비될 수 있으며, 각 부가적인 유동라인은 제어기(24)에 연결되는 밸브(20)와 유량계(18)를 갖는다. 아울러, 질량유량제어기는 각 라인의 질량유량계와 밸브로서 이용될 수 있음을 예상할 수 있을 것이다. 비록 도시하지는 않았으나, 본 발명의 비율시스템(10)(30)은 가스 박스와 공정챔버사이에 신속하고 용이하게 조립할 수 있도록 모듈화된 유니트로서 제공될 수 있을 것이다. 이러한 경우에 있어서, 도 1 및 도 5에서 보인 바와 같이 비율시스템(10)(30)의 유입구 매니폴드(12)와 가스 박스(110)의 유출구 매니폴드(128)사이에 차단밸브 또는 적당한 코넥터(50)가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 유량분할 시스템과 방법의 실시형태는 또한 시스템(10)의 유입구(12) 또는 유출구를 위한 압력센서를 포함할 수 있다. 압력센서에 의하여 제공되는 유입구 압력값 또는 유출구 압력값은 유량의 비율 "α"을 제어하고 유입구 압력 또는 유출구 압력을 제어하는 제어기(24)에 의하여 이용된다.
압력제어구조를 부가함으로서 시스템(10)이 성능을 개선하고 시스템(10)의 상류측 또는 하류측 장치에 대한 방해를 줄이는 등 다수의 부수적인 잇점을 갖는다. 시스템(10)을 최소허용압력으로 작동시킴으로서 비율제어시스템의 안전에 대한 요인의 필요성이 배제되거나 줄어들 수 있다. 아울러, 밸브(20a)(20b)를 통한 압력강하를 제어함으로서 밸브의 성능을 개선할 수 있고 밸브의 구성, 매칭 및 튜닝이 보다 간단하게 된다. 따라서, 본 발명은 부가적인 압력제어특성을 갖는 유량분할시스템과 방법을 포함한다고 할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 시스템의 유입구 또는 유출구에 압력센서가 부가구성된 유량분할시스템(10)을 포함할 수 있다. 또한 본 발명은 유입구 또는 유출구에 압력센서가 부가구성된 유량분할방법(12)을 포함할 수 있다. 실제로 본 발명은 청구된 유량분할시스템과 방법을 위한 압력측정값을 이용하는 다른 제어방법도 포함함을 의미한다.
다음의 예는 도 1을 참조하여 만들어진 것이다. 질량유량비율시스템(10)의 유입구(12)측에 압력센서(도시하지 않았음)가 부가된 것으로 가정되며, 제어기(24)는 제2 라인(14b)를 통한 유량 "Q2", 제1 라인(14a)를 통한 유량 "Q1" 및 압력센서에 의하여 제공되는 유입구(12)측의 측정된 압력 "Pin"의 3개 입력을 갖도록 프로그램된다. 제어기(24)는 한번에 하나씩 밸브를 제어하지 않고 제1 및 제2 밸브(20a)(20b) 모두에 대하여 명령을 발할 수 있게 프로그램된다. 그러나, 비율제어의 면에서 "고정형 밸브"가 거의 개방되는 반면에, 비율이 밸브의 제어범위의10%~50%사이에서 다른 밸브를 제어함으로서 결정된다. 압력신호를 부가함으로서 고정형 밸브는 유입압력을 제어토록 설정되고, 다른 밸브는 유량을 제어토록 이용된다. 유입압력제어의 예는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Vc1= Kpa(α- αsp) + Kia∫(α- αsp)dt
Vc2= Kpp(Pin- Pt) + Kip(Pin- Pt)dt
여기에서, Vc1은 제1밸브(20a)에 대한 제어기(24)로부터의 명령이고, Vc2는 제1밸브(20b)에 대한 명령이며, Kpp는 압력제어를 위한 비례이득이고, Kip는 압력제어를 위한 적분이득이며, Kpa는 비율제어를 위한 비례이득이고, Kia는 비율제어를 위한 적분이득이며, α는 측정된 유량비율이고, αsp는 비율설정점 또는 요구된 유량비율이며, Pin은 측정된 유입구 압력이고, Pt는 작동압력한계값(또는 요구된 압력)이다.
제어시스템과 방법이 비례-적분(PI)형 제어시스템과 방법으로서 설명되었으나, 비례, 적분, 비례-유도(PD) 및 비례-적분-유도(PID)형의 제어시스템 및 방법가 같은 다른 형태의 제어시스템과 방법이 이용될 수 있다.
이상으로 본 발명이 특정한 실시형태에 대하여 도시되고 설명되었으나 본 발명은 전문가라면 다수의 수정과 변경이 있을 수 있음을 이해할 것이다. 아울러, 첨부된 청구범위는 본 발명의 기술사상과 범위에 이들 모든 수정 및 변경실시형태를포함한다.

Claims (30)

  1. 단일의 질량유량을 요구된 비율의 둘 이상의 2차 질량유량으로 분할하기 위한 시스템에 있어서, 이 시스템이 단일 질량유량이 유입되는 하나의 유입구와, 이 유입구에 연결되는 적어도 두개의 2차 유동라인으로 구성되고, 각 유동라인은 유동라인을 통한 유량을 측정하고 측정된 유량을 나타내는 신호를 제공하는 유량계와, 요구된 유량을 나타내는 신호의 수신에 기초하여 유동라인을 통한 유량을 제어하는 밸브를 포함하며, 이 시스템이 또한 적어도 하나의 요구된 유량비율을 수신할 수 있게 된 사용자 인터페이스와, 유량계, 밸브 및 사용자 인터페이스에 연결되는 제어기로 구성되고, 이 제어기가 사용자 인터페이스를 통하여 요구된 유량비율을 수신하고, 유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하며, 측정된 유량에 기초하여 유동라인을 통한 실제의 유량비율을 계산하며, 실제의 비율을 요구된 비율에 비교하고, 실제의 비율이 요구된 비율과 동일하지 않는 경우 적어도 하나의 유동라인을 통한 요구된 유량을 계산하여 요구된 유량을 나타내는 신호를 적어도 하나의 밸브에 제공할 수 있도록 프로그램됨을 특징으로 하는 질량유량비율 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 유량계가 서멀 베이스형임을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 유동라인이 제1 및 제2 라인으로 구성되고, 제어기가 제1유동라인의 밸브에 제1의 요구된 유량을 나타내는 신호를 제공하며 실제의 비율이 요구된 비율과 동일하지 않은 경우 제2의 요구된 유량을 계산하고, 제2 유동라인의 밸브에 제2의 요구된 유량을 나타내는 신호를 제공토록 프로그램됨을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 제1의 요구된 유량이 제1 라인의 밸브가 완전개방되게 함을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 유량비율이 제2 유동라인을 통한 유량을 제1 유동라인을 통한 유량으로 나눈 값과 동일함을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 요구된 유량비율의 허용가능한 범위가 약 1~10 사이임을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 유동라인이 제1, 제2 및 제3 유동라인으로 구성되고, 사용자 인터페이스가 제2 및 제1 유동라인을 위한 요구된 유량비율과 제3 및 제1 유동라인을 위한 요구된 유량비율을 수신할 수 있게 되어 있으며, 제어기가 제1 밸브에 제1의 요구된 유량을 나타내는 신호를 제공하고, 사용자 인터페이스를 통하여 요구된 유량비율을 수신하며, 유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하고, 제2 및 제1 유동라인을 통하여 측정된 유량에 기초하여 제2 및 제1 유동라인의실제유량비율을 계산하며, 제2 및 제1 유동라인의 실제비율이 제2 및 제1 유동라인의 요구된 비율과 동일하지 않은 경우 제2의 요구된 유량을 계산하고, 제2 유동라인의 밸브에 제2의 요구된 유량을 나타내는 신호를 제공하며, 제3 및 제1 유동라인을 통한 측정된 유량에 기초하여 제3 및 제1 유동라인의 실제유량비율을 계산하고, 제3 및 제1 유동라인의 실제유량비율이 제3 및 제1 유동라인의 요구된 유량비율과 동일하지 않은 경우 제3의 요구된 유량을 계산하며, 제3 유동라인의 밸브에 제3의 요구된 유량을 나타내는 신호를 제공하도록 프로그램됨을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 제1의 요구된 유량이 제1 라인의 밸브가 완전개방되게 함을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 제1 유량비율이 제2 유동라인을 통한 유량을 제1 유동라인을 통한 유량으로 나눈 값과 동일하고, 제2 유량비율이 제3 유동라인을 통한 유량을 제1 유동라인을 통한 유량으로 나눈 값과 동일함을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 각 요구된 유량비율의 허용가능한 범위가 약 1~10 사이임을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 요구된 유량이 Kp(α- αsp) + Ki∫(α- αsp)dt이며, 여기에서 Kp는 비례이득이고, Kia는 적분이득이며, α는 실제의 유량비율이고, αsp는 요구된 유량비율임을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 유입구와 2차 유동라인 중의 하나에서 압력을 측정하고 제어기에 압력측정값을 제공토록 제어기에 연결된 압력센서를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 압력센서가 유입구의 압력을 측정함을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 제어기가 제1 유동라인의 밸브에 Kpα(α- αsp) + Kiα∫(α- αsp)dt와 동일한 요구된 유량을 나타내는 신호를 제공토록 프로그램되며, 여기에서, Kp는 비례제어를 비례이득이고, Ki은 비례제어를 위한 적분이득이며, α는 실제의 유량비율이고, αsp는 요구된 유량비율임을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 제어기가 제2 유동라인의 밸브에 Kp(Pin- Pt) + Ki(Pin- Pt)dt와 동일한 요구된 유량은 나타내는 신호를 제공토록 프로그램되며, 여기에서, Kp는 압력제어를 위한 비례이득이고, Ki는 압력제어를 위한 적분이득이며, Pin은 측정된 유입구 압력이고, Pt는 작동압력한계값임을 특징으로 하는 시스템.
  16. 단일의 질량유량을 둘 이상의 요구된 비율의 2차 질량유량으로 분할하기 위한 방법에 있어서, 이 방법이 단일 질량유량을 적어도 두개의 2차 유동라인으로 분할하는 단계, 각 유동라인을 통한 질량유량을 측정하는 단계, 적어도 하나의 요구된 질량유량비율을 수신하는 단계, 측정된 유량을 기초로 하여 유동라인을 통한 실제의 유량비율을 계산하는 단계, 만약 실제의 비율이 요구된 비율과 동일하지 않는 경우 적어도 하나의 유동라인을 통한 요구된 비율을 계산하는 단계와, 유동라인을 요구된 유량으로 조절하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 질량유량비율 시스템과 방법.
  17. 제16항에 있어서, 단일 질량유량이 제1 및 제2 유동라인으로 분할되고, 제1 유동라인이 제1의 요구된 유량으로 조절되며, 제2의 요구된 유량이 실제 비율이 요구된 비율과 동일하지 않은 경우 요구된 비율과 제1의 요구된 유량을 이용하여 계산되고, 제2 유동라인이 제2의 요구된 유량으로 조절됨을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 제1의 요구된 유량이 제1 라인이 완전개방되게 함을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 유량비율이 제2 유동라인을 통한 유량을 제1 유동라인을통한 유량으로 나눈 값과 동일함을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 요구된 유량비율의 허용가능한 범위가 약 1~10 사이임을 특징으로 하는 방법.
  21. 제16항에 있어서, 단일 질량유량이 제1, 제2 및 제3 유동라인으로 분할되고, 제1 및 제2의 요구된 질량유량의 비율이 수신되며, 제1 유동라인이 제1의 요구된 유량으로 조절되고, 제2의 요구된 유량이 제1 및 제2 유동라인의 실제 비율이 제1의 요구된 비율과 동일하지 않은 경우 제1의 요구된 비율과 제1의 요구된 유량을 이용하여 계산되며, 제2 유동라인이 제2의 요구된 유량으로 조절되고, 제3의 요구된 유량이 제1 및 제3 유동라인의 실제 비율이 제2의 요구된 비율과 동일하지 않은 경우 제2의 요구된 비율과 제1의 요구된 유량을 이용하여 계산되며, 제3 유동라인이 제3의 요구된 유량으로 조절됨을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 제1의 요구된 유량이 제1 라인이 완전개방되게 함을 특징으로 하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 제1 및 제2 유량비율이 제2 유동라인을 통한 유량을 제1 유동라인을 통한 유량으로 나눈 값과 동일하고, 제1 및 제3 유동라인의 유량비율이 제3 유동라인을 통한 유량을 제1 유동라인을 통한 유량으로 나눈 값과 동일함을 특징으로 하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 각 요구된 유량비율의 허용가능한 범위가 약 1~10 사이임을 특징으로 하는 방법.
  25. 제16항에 있어서, 질량유량이 서멀 베이스형의 유량계를 이용하여 측정됨을 특징으로 하는 방법.
  26. 제16항에 있어서, 요구된 유량이 Kp(α- αsp) + Ki∫(α- αsp)dt이며, 여기에서 Kp는 비례이득이고, Kia는 적분이득이며, α는 실제의 유량비율이고, αsp는 요구된 유량비율임을 특징으로 하는 방법.
  27. 제16항에 있어서, 유입구와 2차 유동라인 중의 하나에서 압력을 측정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 유입구의 압력이 측정됨을 특징으로 하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 유동라인 중 하나의 요구된 유량이 Kpα(α-αsp)+Kiα∫(α-αsp)dt와 동일하며, 여기에서, Kp는 비례제어를 비례이득이고, Ki은 비례제어를 위한적분이득이며, α는 실제의 유량비율이고, αsp는 요구된 유량비율임을 특징으로 하는 방법.
  30. 제28항에 있어서, 유동라인 중 하나의 요구된 유량이 Kp(Pin- Pt) + Ki(Pin- Pt)dt와 동일하며, 여기에서, Kp는 압력제어를 위한 비례이득이고, Ki는 압력제어를 위한 적분이득이며, Pin은 측정된 유입구 압력이고, Pt는 작동압력한계값임을 특징으로 하는 방법.
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