KR20040071125A

KR20040071125A - 고순도 코리올리 질량 플로우 제어기

Info

Publication number: KR20040071125A
Application number: KR10-2004-7005581A
Authority: KR
Inventors: 선드웨슬리이.; 맥널티다니엘피.; 스코트티모시더블유.; 휠러매튜쥐.; 휘틀리제프리엘.; 딜조제프씨.; 바저마이클제이.; 파울라스게리이.
Original assignee: 에머슨 일렉트릭 컴파니
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2004-08-11
Also published as: MXPA04004991A; JP2005510788A; EP1451657A1; WO2003046675A1; US6606917B2; MY135145A; US20030097884A1; RU2004119435A; PL208747B1; BRPI0213503B1; CA2463035C; EP1451657B1; BR0213503A; KR100855296B1; AR037442A1; CA2463035A1; RU2303808C2; CN1701291A; HK1085808A1; CN1701291B

Abstract

질량 플로우 측정 및 제어 장치(100)는 내부에 코리올리 질량 유량계(Coriolis mass flowmeter, 50, 112)를 포함하는 봉함물(enclosure, 101)을 포함한다. 코리올리 질량 유량계(50, 112)는 고순도 플라스틱 물질로 만들어진 플로우-튜브, 이 플로우-튜브를 진동시키기 위하여 플로우-튜브에 연결된 드라이버(D), 진동하는 플로우-튜브의 코리올리 편향을 감지하기 위하여 플로우-튜브에 연결된 픽오프(52)를 포함한다. 핀치 밸브(pinch valve, 110, 120)는 플로우-튜브와 유체 연통되어 있으며(in fluid communication), 고순도 플라스틱 물질로 만들어진 탄성 튜브(elastomeric tube, 126)를 포함한다. 동작 가능하도록 연결된 램(ram, 126)을 포함하는 액츄에이터(actuator, 122)는 탄성 튜브(126)에 인접하여 위치되고, 기준 표면(reference surface, 128)은 탄성 튜브가 램 및 기준 표면 간에서 압착될 수 있도록(squeezable) 일반적으로 램의 반대편에 위치된다. 코리올리 유량계(50, 112)로부터의 출력 신호를 수신하고 유량계 출력 신호 및 셋포인트 신호(setpoint signal)에 응답하여 제어 출력 신호를 핀치 밸브 액츄에이터(112)에 제공하는 콘트롤러(114)가 더 제공될 수 있다.

Description

관련 출원들과 상호 참조되는 고순도 코리올리 질량 플로우 제어기{High purity Coriolis mass flow controller cross-reference to related applications}

반도체, 약학 산업, 및 생물 공학 분야와 같은 다양한 산업 분야들은, 전형적으로 낮은 유속(flow rate), 마찰성 화학 유체(abrasive chemical fluids)의 사용, 부식성 화학 유체의 사용에 기인한 유체 전달 과정에서의 문제점을 경험하고 있으며, 오염되지 않고, 정밀하고, 콤팩트하며, 실시간의 유체 전달 및/또는 혼합 시스템이 요구된다.

일반적으로, 유체 전달 시스템은 다음과 같은 3가지 구성 요소를 포함한다. 즉, 유체 추진부, 플로우 측정 및 제어부, 및 사용자 인터페이스를 포함한다. 현재의 다양한 시스템들은 연동 펌프(peristaltic pump)와 같은 양성 변이 펌프(positive displacement pump)를 이용하여 이러한 모든 작업을 수행한다. 이 펌프는 저장 컨테이너로부터 프로세스 또는 반응기로 유체를 추진한다. 또한, 펌프는 펌프에 속력에 따라서 유체를 거의 등속으로 이동시키는데, 그러나 연동 펌핑 동작은 유체 전달률의 동적 변화(pulsation)를 야기한다. 사용자 인터페이스는 펌프의 속력을 조절하기 위한 기능 또는 단순히 펌프를 켜고 끄기 위한 기능을 포함한다. 이러한 방법을 이용하면 플로우 및 펌핑 동작을 매우 정밀하게 제어할 수 없으며, 펌프의 내부 구조에 의하여 유체가 오염되거나 손상될 수 있다.

연동 펌프는 플로우 측정 과정의 폐루프 궤환을 제공하지 않는다. 또한, 이것은 체적(volumetric) 전달 시스템이므로, 압력, 온도 등의 프로세스 조건이 변화되면 유체의 양이 변화된다. 또한, 펌프 튜브가 시간이 지날수록 마모되게 되므로, 펌프 속력은 변화되지 않아도 전달된 유체의 체적이 변화된다. 프로세스가 정밀한 유체 전달을 요청한다면, 소정의 시간 주기 동안에 유체의 양을 측정기 또는눈금화된 컨테이너 상에서 수동으로 측정함으로써 전달 속도를 인증하는 것이 일반적이다. 전형적인 일괄 혼합 시스템(batch blending system)이 도 1에 도시된다. A 내지 N의 다중 유체는 측정기(scale, 12) 상에 위치된 컨테이너(11) 내로 흘러 들어간다. 한번에 하나의 유체만이 플로우 밸브(13)를 통해 흘러갈 수 있다. 측정 총량이 검사되고, 원하는 유체 A의 양이 추가되면, 밸브(13)는 폐쇄된다. 동일한 프로세스가 잔류 유체들에 대해서 반복된다. 결과적으로, 전체 혼합물(total mixture)이 획득된다. 만일 어느 유체의 너무 다량 또는 너무 소량이 추가된다면, 프로세스는 각 유체의 적합한 양이 허용될 수 있는 오차 범위 내에서 추가될 때까지 계속될 수 있다.

다른 공지된 방법은 혼합물(blend)이 용기(vessel)에 추가될 동안 혼합물의 각 유체의 체적을 측정하기 위한 레벨 감지기(level sensor)를 이용한다. 이러한 방법은 용기의 높이가 조금씩 증가될 때마다의 용기의 체적에 대한 매우 정밀한 지식을 요청한다.

화학-역학적 평탄화(CMP, Chemical-Mechanical Planarization)는, 서스펜션화된(suspended) 고체 입자들 및 반응제(reactive agent)를 포함하는 초고-순도의 유체를 웨이퍼 표면 및 연마 패드(polishing pad) 간에 적용함으로써 반도체의 웨이퍼 표면을 평판화하는 프로세스를 포함하는 반도체 공정에 필수적인 프로세스이다. 거의 모든 응용 분야에서, 연마 패드는 제어된 속도로 반도체에 접하여 회전함으로써 반도체의 표면을 평탄화 한다. 웨이퍼를 과대-연마(over-polishing)하면 중요한 웨이퍼 구조를 변경하거나 제거하게 된다. 반면에, 웨이퍼를과소-연마(under-polishing)하면, 사용할 수 없는 웨이퍼가 생산된다. 웨이퍼의 연마 속도는 유체의 전달 속도 및 연마 동작 동안에 공급되는 유체의 전체 양에 의존하여 급격히 변화된다.

유체 플로우의 정밀 제어 및 무공해 환경을 요구하는 반도체 공정 내에 사용되는 다른 프로세스는 포토리소그래피(photolithography) 프로세스이다. 당업계에 공지된 바와 같이, 포토리소그래피는 감광 중합체로서 레지스트 또는 포토레지스트라고 알려진 중합체를 웨이퍼 표면에 적용하는 공정이다. 웨이퍼 상에 형성되어야 할 구조의 패턴을 포함하는 포토마스크(photomask)가 레지스트가 덮혀진 웨이퍼 및 광원 간에 위치된다. 광은 레지스트 중합체를 열화 시키거나 강화시킴으로써 레지스트와 반응한다. 레지스트가 노광된 이후, 웨이퍼는 열화된 레지스트를 제거하는 유체 화학물질을 적용함으로써 현상(developed)된다. 패턴을 적합하게 전사하기 위하여, 정밀하게 반복적으로 레지스트를 전달하는 것이 필수적이다. 레지스트는 오염되지 않아야 하는데, 그 이유는 표면 상에 '오염 물질(dirt)'이 존재하면 최종 패턴에 결함이 야기되기 때문이다.

이러한 공정의 수정본에서는, 새로운 액체의 호스트(host)를 웨이퍼 표면에 적용하여 최종 반도체의 주요 성분이 될 필름(film)을 생성한다. 이러한 필름의 주요 기능은 전기적으로 도전성의 도선 간의 절연체로서 동작하는 것이다. 다양한 "스핀-온(spin-on)" 물질들이 다양한 화학적 합성물 및 물리적 성질들에 대하여 검토되고 있다. 리소그래피 공정 및 스핀-온 투하(deposition) 공정 간의 중요한 차이점은, 이 경우 필름 내의 모든 결함(보이드(void), 버블(bubble) 또는 입자)이영구적으로 반도체의 구조 내에 내장되기 때문에, 장치가 동작하지 않게 되고 반도체 생산자에게 재정상 손실을 가져다 준다는 데 있다.

이러한 두 가지 공정 모두는 "트랙(track)" 이라고 불리는 툴(tool) 내에서 이뤄진다. 트랙의 목적은 유체의 정밀한 양을 고정형 웨이퍼 또는 저속 회전 웨이퍼의 표면에 적용시키는 것이다. 액체를 적합한 구조로 변환시키기 위하여 추가적인 화학적 처리 단계가 사용될 수도 있다. 액체를 적용시키고 나면, 웨이퍼의 회전 속도는 급속으로 증가되고, 웨이퍼 표면 상의 액체는 가장자리 외측으로 밀려난다(spun off). 매우 얇으며, 일관적인 두께를 가지는 액체가 웨이퍼의 중심으로부터 가장자리까지 남게 된다. 액체 두께에 영향을 주는 변수들 중 몇 가지에는, 레지스트 또는 절연체 점성(viscosity), 레지스트 또는 절연체 내의 용매 농도(solvent concentration), 처분된(dispensed) 레지스트/절연체의 양, 처분 속도(speed of dispense) 등이 포함된다.

또한, 트랙은 액체 적용 이후에, 필름 내의 모든 용매를 역시 제거하는 베이크 프로세스(bake process)를 이용하여 액체를 중합체로 변경시키는 추가적인 처리 단계를 제공한다. 또한, 트랙은 웨이퍼 주위의 환경을 제어하여 습도 또는 온도 및 화학적 불순물이 필름의 성능에 영향을 끼치는 것을 방지한다. 트랙 시스템 성능은, 보이드, 버블 및 입자에 의하여 야기된 필름 내의 결함을 최소화하는 것에 덧붙여서 웨이퍼 표면에 전달된 액체의 정밀도 및 반복 가능성에 의하여 결정된다.

그러므로, 종래 기술에 관련된 단점들을 극복하기 위한, 유체 전달 시스템에 대한 효율적이고, 콤팩트하며 불순물이 없는 해결책이 요구된다.

본 출원은 본 출원의 출원일과 동일자로 각 출원된, 명칭 "고순도 유체 전달 시스템(High Purity Fluid Delivery System)", "초고-순도 물질 플로우의 정밀 측정을 위한 유량계(Flowmeter for the Precision Measurement of an Ultra-Pure Material Flow)", "PFA 코리올리 유량계의 생산 방법(Method of Manufacturing a PFA Coriolis Flowmeter)", "형광 중합체 물질로 만들어진 플로우-튜브를 포함하는 질량 유량계의 생산(Manufacturing Mass Flow Meters Having a Flow Tube Made of a Fluoropolymer Substance)" 및 "PFA 코리올리 유량계를 위한 보정 방법(Compensation Method for a PFA Coriolis Flowmeter)"을 가지는 미국 특허 출원에 관련된다. 참조된 출원 문서들에 개시된 사항들은 본 명세서에 참조 문헌으로서 통합된다.

본 발명은 일반적으로 유체 플로우 측정 및 제어 분야에 관한 것이며, 특히 초고-순도 또는 부식성(corrosive) 응용 분야들, 또는 일반적인 금속 코리올리 유량계와 호환되지 않는 다른 응용 분야들에 사용되기 적합한 코리올리 질량 플로우 제어기에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점은 후술되는 상세한 설명 및 첨부된 도면을 이해하면 명백해 질 것이다. 첨부된 도면의 간략한 설명은 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 의한 오프-라인 혼합 시스템(blending system)을 개념적으로 예시하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질량 플로우 측정 및 제어 장치를 예시하는 블록도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질량 플로우 측정 및 제어 장치를 예시하는 블록도이다.

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 질량 플로우 측정 및 제어 장치를 예시하는 블록도이다.

도 5는 본 발명의 측면들에 따른 고순도 코리올리 질량 유량계의 투시도이다.

도 6은 본 발명의 측면들에 따른 고순도 핀치 밸브를 개념적으로 예시하는 도면이다.

도 7은 장치의 일측면에 유체 입출구 커넥션을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 플로우 측정 및 제어 장치를 예시하는 블록도이다.

도 8은 본 발명의 측면들에 따른 코리올리 질량 유량계 및 핀치 밸브 어셈블리의 투시도이다.

도 9a는 본 발명에 따른 고순도 압력 변환기를 개념적으로 예시하는 도면이다.

도 9b는 캡슐화된 사파이어 센서(encapsulated sapphire sensor)를 포함하는 고 순도 압력 변환기의 다른 실시예를 예시하는 도면이다.

도 10 및 도 11은 각각 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 통합형(integrated) 코리올리 질량 플로우 콘트롤러의 정면 및 배면 사시도이다.

도 12는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같은 통합형 코리올리 질량 플로우 콘트롤러를 나타내는 파쇄도이다.

도 13은 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같은 통합형 코리올리 질량 플로우 콘트롤러의 핀치 밸브 어셈블리를 나타내는 확대된 도면이다.

비록 본 발명은 다양한 수정 및 대안적인 형태로서 구현될 수 있지만, 본 발명의 특정 실시예는 도면을 이용하여 예시적인 목적으로 도시되며 본 명세서에서 상세히 후술된다. 그러나, 특정 실시예에 대한 본 명세서에서의 설명은 본 발명을 개시된 바와 같은 특정 실시예에 한정하고자 하는 것이 아니며, 오히려 첨부된 청구의 범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 기술적 사성 및 범위 내에 해당하는 모든 수정본, 균등물, 및 대안적인 실시예 모두를 그 권리 범위로서 포함하는 것이 의도된다.

본 발명의 일 측면에서, 질량 플로우 측정 및 제어 장치는 내부에 코리올리 질량 유량계(Coriolis mass flowmeter)를 포함하는 봉함물(enclosure)을 포함한다. 코리올리 질량 유량계는 고순도 플라스틱 물질로 만들어진 플로우-튜브, 이 플로우-튜브를 진동시키기 위하여 플로우-튜브에 연결된 드라이버, 진동하는 플로우-튜브의 코리올리 편향을 감지하기 위하여 플로우-튜브에 연결된 픽오프를 포함한다. 핀치 밸브(pinch valve)는 플로우-튜브와 유체 연통되어 있으며(in fluid communication) 상태이며, 고순도 플라스틱 물질로 만들어진 탄성 튜브(elastomeric tube)를 포함한다. 동작 가능하도록 연결된 램(ram)을 포함하는 액츄에이터(actuator)는 탄성 튜브에 인접하여 위치되고, 기준 표면(reference surface)은 탄성 튜브가 램 및 기준 표면 간에서 압착될 수 있도록(squeezable) 일반적으로 램의 반대편에 위치된다.

플로우-튜브 및 핀치 밸브 탄성 튜브는 모두 PFA로부터 패셔닝(fashioned)될 수 있다. 더 나아가, 이러한 튜브들은 싱글 튜브(single tube)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 핀치 밸브 튜브는 실리콘과 같은 유연성 있는 물질로부터 패셔닝될 수 있다. 본 발명의 몇 가지 예시적인 실시예에서, 콘트롤러는 셋포인트 신호(setpoint signal) 및 코리올리 유량계 출력 신호를 수신하고 수신된 신호에 응답하여 제어 출력 신호를 핀치 밸브에 제공한다. 콘트롤러는 봉함물 내에 위치되거나 봉함물의 외부에 위치될 수 있다. 이와 유사하게, 핀치 밸브도 봉함물 내부에 위치되거나, 봉함물의 외표면에 부착될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들이 후술된다. 명확성을 확보하기 위하여, 실제 장치의 모든 특징들이 본 명세서에 설명되는 것은 아니다. 이러한 실제 실시예를 개발하는 과정에서, 개발자의 특정 목적을 달성하기 위하여, 시스템에 관련되고 사업에 관련된 한정 사항과 같은 실시예에 따라서 변경되는 사항에 순응하여야 한다는 것과 같은 다양한 실시예에 고유한 결정을 수행하여야 한다는 것이 물론 이해될 것이다. 도 나아가, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간을 많이 소요할 수 있으나, 그럼에도 불구하고 본 명세서에 개시된 바를 이용하여 당업계의 보통 기술을 가진 자에게는 단순한 작업에 해당할 것이라는 것 역시 이해될 것이다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 프로세스 물질을 제어하기 위한 고순도 질량 플로우 측정 및 제어 장치(100)를 도식적으로 예시하는 도면이다. 제어 장치(100)는 유체 입구 및 출구(fluid inlet and outlet, 102, 103)를 포함하는 봉함물(enclosure, 101)을 포함한다. 코리올리 질량 유량계(112)가 이 봉함물(101) 내에 위치된다. 코리올리 질량 유량계(112)는 원하지 않는(예를 들어 금속) 이온을 프로세스 물질에 전달함으로써 야기되는 프로세스 유체의 오염을 방지하기 위한 고순도 플라스틱 물질로 만들어진 플로우-튜브(flow-tube)를 포함한다. 핀치 밸브(110) 역시 유량계(112)와 유체 연통된 동안 이온들을 프로세스 물질에 전달하는 것을 방지하기 위한 고순도 플라스틱 물질로 이루어진 성분을 포함한다. 도 2의 블록도에서, 밸브(110)는 봉함물(101) 내에 완전히 포함된 것으로 도시되었다. 다른 실시예에서, 밸브의 일부, 또는 밸브 전체는 봉함물(101)의 외표면에 부착된다.

콘트롤러(114)는 유량계(112)로부터 셋포인트 신호 및 출력 신호를 수신한다. 콘트롤러(114)는 유량계로부터의 신호를 검토(condition) 및 처리하고 출력 신호를 밸브(110)로 출력하여 셋포인트 및 측정된 유속(flow rate)의 비교치에 기반하여 프로세스 물질의 유속을 변경한다. 콘트롤러(114)로의 셋포인트 입력은 전형적으로 0V 내지 5V 신호, 4mV 내지 20mV 신호, 또는 디지털 신호인 전기적 신호이다. 기압 셋포인트 인터페이스(pneumatic setpoint interface) 역시 사용될 수 있다. 적합한 셋포인트 발생기는 펜실베니아주 소재 Red Lion Controls of York 사에서 공급되는 모델명 P48인 프로세스 콘트롤러이다.

또한, 콘트롤러(114)는 밸브 우선(valve override)라고 일반적으로 알려진 특징을 더 포함할 수도 있는데, 이 기능에서는 추가적인 신호가 콘트롤러(114)에 전달된다. 이러한 우선 신호(override signal)는 콘트롤러(114)로 하여금 셋포인트를 무시하고 밸브(110)를 완전히 개방 및 폐쇄하도록 야기한다. 이러한 특징은 흐름을 완전히 잠그거나 시스템을 청소(purging)하는데 자주 사용된다. 도 2에서, 콘트롤러(114)는 봉함물(101) 내부에 위치된 것으로 도시되어, 완전히 통합된 플로우 제어 시스템을 제공한다. 그러나, 다른 실시예에서는, 콘트롤러(114)는 봉함물(101) 외부에 위치된다.

밸브(110)는 장치(100)를 흐르는 플로우를 조절하고, 또한 라인 압력(line pressure)의 변화에 대한 버퍼를 제공한다. 밸브(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 질량 유량계(112)의 상류부에 위치되거나, 도 3에 도시된 실시예에서와 같이 질량 유량계(112)의 하류부에 위치될 수 있다. 일반적으로, 사용 중 가장 큰 압력 변화가 관찰될 수 있는 위치에 밸브(110)를 포함하는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 압력 변화 및 변동(fluctuation)으로부터 유량계(112)를 보호하도록 도울 수 있다.

유체 제어 구성 요소 및 질량 유량계의 동작 특성은 동작 압력에 일정 부분의존할 수 있다. 그러므로, 도 4에 도시된 바와 같이 보정 목적으로 질량 플로우 콘트롤러 내에 압력 변환기(pressure transducer)를 제공하는 것이 바람직하다. 압력 변환기(115, 116)들은 장치 입구 및 출구(102, 103)에 위치된다. 또는, 입구 변환기(115) 또는 출구 변환기(116)가 모두 제공되지 않고 하나씩 제공되어, 바람직한 보정을 수행할 수 있다. 압력 변환기(115, 116)는 유량계(112) 내부에 통합되거나 유량계의 동작에 내장될 수도 있다.

반도체, 약제학, 및 생물공학 산업에 관련된 적용 분야와 같은 다양한 응용 분야들은 유체 전달 시스템의 플로우 경로(flow path)(프로세스 유체에 의하여 침윤되는(wetted) 모든 표면들)가 고순도의, 화학적으로 불활성/저항성을 가지는 물질로 구성되어 사용되는 화학물질의 순도를 보호할 것을 요구한다. 플라스틱이 바람직한데, 그 이유는 금속 이온이 다양한 역학적 및 화학적 공정에 기인하여 금속 플로우 튜브로부터 용해되거나(leached) 제거된다면, 반도체 웨이퍼 생산 공정에 사용되는 초고 순도의 화학 물질들이 오염될 수 있기 때문이다. 플라스틱 물질들은 광범위한 프로세스 물질에 대하여 항부식성(corrosion resistant)을 가진다. 그러므로, 고순도 등급 플라스틱이 이러한 산업 분야에 이용되는데, 그 이유는 이 물질이 일반적으로 원하지 않은 이온들을 프로세스 물질에 전달하는 것을 방지하기 때문이다. 더 나아가, 플라스틱 플로우 튜브의 생성 공정에 고유한 평탄한 표면 마감재(smooth surface finish)는 박테리아가 튜브에 부착되어 유기 물질로써 유체를 오염시키는 활성을 감소시킨다.

유량계(112)의 침윤 경로는, 그 경로에 박테리아를 서식시킬 수 있는크랙(crack), 틈새(crevices) 등이 포함되지 않도록 설계된다. 적합한 고순도 플라스틱은 PFA(perfluoroalkoxy copolymer)인데, 이것은 향상된 화학적 저항성 및 역학적 특징을 가지는 개선된 불화 중합체(fluoropolymer)이다. PVDF 및 PTFE와 같은 다양한 불화 중합체 역시 적합하다.

고순도 물질을 이용하는데 덧붙여서, 고순도 플로우 경로는 동일한 직경을 가져야 하며 침범된 경로 또는 다중 플로우 경로를 가져야 하므로, 이중 튜브 센서(dual tube sensor) 또는 만곡된 플로우 경로는 회피되어야 한다. 이것은 압력 강하를 최소화하고, 유체의 전단 변화율(shear rate)을 최소치로 감소시키는데, 이것은 특정 산업 분야 및 응용 분야에 매우 중요하다. 또한, 이것은 슬러리(slurries)와 같은 특정 물질과의 플러깅(plugging)을 방지한다. 특정 응용 분야에서, 장치(100)는 가능한 한 소형으로 만드는 것이 바람직하다. 그러므로, 구성 요소간의 상호 연결부(interconnection)는 가능한 한 짧아야 한다. 용이하게 구현하기 위하여, 플라스틱 튜빙(tubing)은 폐 정합 금속 튜브(close fitting metal tube) 내부에 위치될 수 있으며, 이것은 플라스틱 튜빙이 촘촘한 반지름으로 만곡되었을 때 엉키는 것을 방지한다.

고순도 플라스틱 물질로 만들어진 플로우-튜브를 포함하는 예시적인 코리올리 질량 유량계는 도 5에 도시된다. 코리올리 유량계(50)는 베이스(51)의 레그(67, 68)를 통과하여 삽입된 플로우 튜브(52)를 포함한다. 플로우 튜브(52)는 고순도 플라스틱 물질로 만들어지는데, 바람직하게는 PFA로 만들어진다. 픽오프들(LP0 및 RP0) 및 드라이버(D)가 플로우 튜브(52)에 연결된다. 유량계(50)는 공급 튜브(54)로부터 프로세스 물질을 수신하고 커넥터(58)를 통과하여 플로우를 플로우 튜브(52)로 확장한다. 플로우 튜브(52)는 드라이버(D)에 의하여 물질 플로우와 자신의 공진 주파수(resonant frequency)로 진동한다. 결과적으로 발생되는 코리올리 모션(Coriolis motions)은 컨덕터(62 및 64)를 통하여 측정 전자기기(미도시)로 신호를 적용하는 픽오프들(LP0 및 RP0)에 의하여 검출되는데, 측정 전자기기가 코리올리 모션 간의 위상차를 결정하여 이에 기반하여 출력 신호를 적용한다. 고순도 플로우 튜브를 포함하는 적합한 코리올리 유량계는 "초고-순도 물질 플로우의 정밀 측정을 위한 유량계(Flowmeter for the Precision Measurement of an Ultra-Pure Material Flow)"라는 명칭을 가지며 본 명세서에 통합되는 명세서에 상세히 기술된다.

코리올리 질량 유량계(112)의 경우에서와 함께, 고순도 응용 분야에서 핀치 밸브(110)는 유체의 오염을 최소화하는 물질로 만들어져야 한다. 더 나아가, 밸브(110)는 정체된 유체(stagnant fluid)가 축적될 위치를 가지지 않고 유체 내에 입자를 생성시킬 수 있는 슬라이딩 또는 마찰부를 포함하지 않도록 설계되어야 한다. 본 발명에 따른 예시적인 핀치 밸브(120)는 도 6에 개념적으로 도시된다. 액츄에이터(122)는 탄성 튜브(126)에 인접하여 위치되고, 이것은 코리올리 질량 유량계(112)의 플로우 튜브와 유체 연통되어 있다. 피스톤 또는 램(124)은 액츄에이터(122)로부터 이동되어 튜브(126)를 기준 표면(128)에 대하여 선택적으로 응축(squeeze)하거나 핀치(pinch)함으로써 유체가 흘러가는 개구부(129)의 크기를 변경한다. 튜브(126)는 고순도 탄성체 또는 플라스틱으로 만들어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, PFA, PFA 물질을 포함하는 혼합물, 및 실리콘이 적합한 핀치 튜브 물질이다.

튜브의 유연성(flexibility)이 튜빙 측벽으로 하여금 포획된 입자 또는 측벽 내의 불완전한 부분을 감쌈으로써 밀봉된 봉함을 제공하도록 허용한다. 플로우 경로는 직선이므로 압력 강하 또는 난류(turbulence)를 최소화한다. 유체는 플로우 튜브(126) 만에 접촉함으로써 다른 밸브 부분의 마모 또는 부식을 방지하고, 반도체 연마 공정과 같은 고순도 응용 분야의 경우에의 슬러리의 금속 오염을 방지한다. 특정 실시예에서, 유량계(112)의 플로우 튜브 및 핀치 밸브의 탄성 튜브(110)는 동일한 튜브이다.

공지된 핀치 밸브의 동작은 이중-안정성(bi-stable)을 가진다. 즉, 켜짐 및 꺼짐 상태를 가진다. 어떤 공지된 핀치 밸브들은 다양한 단계의 핸들을 가지는 수동 액츄에이터를 포함하는데, 이러한 타입의 밸브는 폐루프 플로우 제어에는 도움이 되지 않을 것이다. 다른 핀치 밸브들이 일괄 프로세스로 적용물을 처분하는데 사용되는데, 이 경우 처분된 물질의 양은 밸브가 켜져 있는 시간에 의하여 제어된다. 이것은 연속적 방법으로 유량을 동적 제어하는 것을 허용하지 않는다.

2개의 상태만을 가지는 밸브는, 변화하는 전류 또는 전압을 밸브 액츄에이터에 적용함으로써 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 펄스폭 변조 기술(PWM, pulse width modulation)이 이용되어 밸브를 제어할 수 있다. PWM은 밸브의 동적 응답 주파수보다 높은 주파수의 구면파 신호를 발생함으로써 획득된다. 신호의 듀티 사이클(duty cycle)은 변화되어 장치에 전달된 적합한 전압 및 전류를 결정한다. 예를 들어, 만일 PWM 신호가 0 내지 12V에서 동작한다면, 0%의 듀티 사이클은 0 볼트에 해당하고, 50%의 듀티 사이클은 6 볼트에 해당하고, 100%의 듀티 사이클은 12 볼트에 해당한다. 신호가 밸브의 동적 응답 주파수보다 높은 주파수를 가지므로 "평균화(averaging)"이 발생한다. 밸브의 위치는 공급된 평균 전류에 기반한다. 결과적으로 공급되는 공급 전압은 펄스폭 신호에 비례한다.

만일 신호 주파수가 너무 낮다면, 밸브는 켜짐 및 꺼짐 신호에 완벽히 응답할 시간을 가지므로 펄스화된 플로우 출력(pulsed flow output)을 생성하는데, 이 신호는 일반적으로 바람직하지 않다. 전형적인 핀치 밸브 액츄에이터는 솔레노이드로서, 솔레노이드를 폐쇄하기 위하여 요청되는 전류를 결정하는 사전 부하 조절부(preload adjustment)와 스프링 구성 요소를 포함한다. 밸브 스프링 상의 사전-부하를 조절함으로써 밸브의 제어 범위를 향상시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 솔레노이드 플런저(plunger) 구성 요소는 스프링이 부착된(spring-suspended) 플런저로 대체된다. 스프링이 부착된 플런저는 마찰에 기인한 비선형 밸브 응답을 최소화함으로써, 사용 가능한 솔레노이드에 의하여 동작되는 핀치 밸브들에 공통된 히스테리시스(hysteresis) 및 데드 밴드(dead band)를 최소화한다.

PWM 방식으로 제어되는 솔레노이드에 대한 대안적 접근은, 스테퍼 모터 액츄에이터를 사용하는 것으로서, 이 방법은 제어된 특징 각 회전량을 웜 기어 타입 장치에 의하여 선형 램 드라이브로 변환한다. 스테퍼 콘트롤러는 아날로그 신호 입력에 비례한 특정 스텝 수를 생성하도록 설계될 수 있다. 백래시(backlash) 및 그에 따른 밸브 히스테리시스는, 백래시를 최소화하는 적합한 개수의 웜 기어 구조에의하여 최소화될 수 있다. 스테퍼 모터는 일반적으로, 핀치 튜빙에의 변화를 야기할 수 있는 온도 및 압력 변동에 무반응한다(immunity). 스테퍼 모터는 위치를 제어하기 위한 수단이고, 그래서 스테퍼는 핀치 튜빙의 변화에 무반응한다. 핀치 밸브와 함께, 핀치 튜브는 시스템의 주요 부분이다-전류는 밸브 액츄에이터에 인가되고, 그것은 핀치 튜브에 힘을 가하며, 그것은 튜브를 핀치(pinch)한다. 만일 튜브 특성이 온도 및 압력에 기인하여 변화된다면, 튜브가 폐쇄된 정도, 및 그에 따른 솔레노이드에의 유량은 변화된다. 더 나아가, 스테퍼 액츄에이터는 최종 위치에 잔류하여 유체 전달 사이클의 개시시의 셋포인트의 획득에 대한 고속 반응을 제공한다.

도 2의 블록도는, 예를 들어 봉함물(101)의 일측면 상의 유체 입구(102) 및 봉함물의 반대 측면 상의 출구(103)를 도시한다. 도 7은 다른 실시예를 도시하는데, 도 7에서 입구 및 출구(102, 103)는 봉함물(101)의 동일한 단부에 위치된다. 이러한 장치는, 연동 펌프가 사전에 사용된 응용 분야에 특히 바람직하게 사용될 수 있는데, 그 이유는 연동 펌프가 전형적으로 입구 및 출구를 장치의 동일한 단부에 포함하기 때문이다.

본 발명의 특정 실시예에 따른 코리올리 질량 유량계 및 핀치 밸브가 도 8에 도시된다. 코리올리 질량 유량계(50)는 도 5에 예시된 바와 같은 코리올리 질량 유량계와 실질적으로 동일하다. 밸브 액츄에이터(70)는 베이스(51)에 부착된다. 핀치 밸브 탄성 튜브(72)는 플로우 튜브(52)에 연결된 입구 말단(inlet end, 73)을 포함한다. 플로우 튜브(52)의 반대 단부는 유체 입구(54)에 연결된다. 튜브(72)는 기준 표면(74) 및 액츄에이터(72)의 램 또는 피스톤(미도시) 및 튜브(72)의 출구 말단(outlet end, 76)간에 확장되고, 리턴 튜브(return tube, 78)에 연결된다.

전술된 바와 같이, 고순도 시스템을 획득하기 위하여는 모든 플로우 경로가 고순도, 화학적 불활성/저항성을 가지는 물질로 생성되어야 한다. 도 9a는 고순도 플라스틱 단일 피스(single piece)로부터 구성된 압력 조리개(pressure diaphragm)를 내포하는 침윤된 프로세스 커넥션을 포함하는 고순도 압력 송신기(pressure transmitter, 330)를 개괄적으로 예시한다. 고순도 배분 시스템(distribution system) 내에 사용되는 모든 장치 설비의 주된 조건은 어느 장치도 누출원(source leak)이 되어서는 안된다는 것이다. 스레드된(threaded) 커넥션은 회피된다; 프로세스 커넥션을 생성하는 바람직한 방법은 면대면 봉인(face to face seal)을 이용하는 것이다. 단일 피스 플라스틱으로부터 프로세스 커넥션(360)을 제조하면, 누출원이 될 수 있는 스레드된 커넥션이 존재하지 않는다는 것을 보장한다.

압력 송신기(330)는 센서 홀더(sensor holder, 358)를 포함하는데, 이것은 플로우 경로의 일부가 아니므로 폴리프로필렌(polypropylene)으로부터 생성될 수 있다. PFA와 같은 고순도 물질로부터 생성된 압력 챔버(360)가 센서 홀더(358) 내에 네스팅(nested)된다. 압력 챔버(360)는 자신으로부터 확장되는 프로세스 유체 인입 가이드(process fluid in-take guide, 361)를 정의한다. 안정된 압력 측정 성능을 제공하기 위하여, 세라믹 압력 센서(362)가 고순도 조리개(364)(예를 들어, 1mm 두께의 PFA)에 부착되고, 플라스틱의 모든 이완(relaxation)(크립(creep)이라고도 불린다)은 세라믹 센서(362)의 상부에 위치된 탄성 O-링(366)에 의하여 보정되는데, 이것이 동일한 힘으로 세라믹 센서를 플라스틱 조리개(364)에 부착하여 유지시킨다. 이러한 방법으로, 압력 송신기(330)의 침윤부 전체는 PFA 이거나 다른 적합한 고순도의 플라스틱 물질이다.

다른 압력 센서(331)가 도 9b에 도시된다. 압력 센서(331)는 사파이어(sapphire)로부터 생성된 소형 커패시턴스 압력 센서(370)를 사용한다. 센서는 PFA(372)와 같은 고순도 물질 내에 캡슐화되고, 유체 압력이 센서(370)를 응축하도록 하는 방법으로 압력 챔버(360) 내로 확장한다. 도 9b에 도시된 바와 같은 접근법의 한 가지 장점은, 견고한 구조물(sturdy structure)과 같은 고정된 기준이 정밀한 압력 측정을 위하여 요청되지 않는다는 점이다. 캡슐화된 압력 센서(370)는 압력 챔버(360)의 주요 부분이며 고순도 플라스틱 단일 피스로부터 생성된다.

도 10 내지 도 12는 고순도, 통합형 코리올리 질량 플로우 콘트롤러(400)의 다양한 측면을 예시한다. 통합형 콘트롤러(400)는 정면 단부에 연결되는 정면판(faceplate, 402)을 포함하는 봉함물(401)을 포함한다. 입구 및 출구 커넥션(404, 405)은 정면판(402)으로부터 확장되되, 다른 사용자 인터페이스 제어부(406)에 나란히 확장된다. 봉함물(401) 내에는, 코리올리 질량 유량계(450) 및 전기적 PID 콘트롤러(412)가 위치된다. 핀치 밸브 어셈블리(410)는 봉함물(401)의 후면 단부에 부착된다. 명확화를 위하여, 핀치 밸브 튜브는 도 10에 도시되지 않는다. 도 13은 커넥터(471)로부터 연장되어 일반적으로 U자 모양을 형성하는 핀치 밸브 튜브(472)를 통하여 봉함물(401)에 부착된 액츄에이터(740)를 도시한다. 밸브(410)를 봉함물(401)의 외부에 제공함으로써, 필요할 경우에 튜브(472)를 교체하는 등의 밸브 어셈블리(410)의 유지 보수를 용이하게 할 수 있도록 허용한다. 콘트롤러(400)의 다른 구성 성분들에는 인터페이스 어셈블리(480), 열 장벽(thermal barrier, 482), 및 센서 구분기(sensor spacer, 484)가 포함된다.

전술된 바와 같이 개시된 특정 실시예들은 예시적인 목적 만을 위하여 제공된 것인데, 그 이유는 본 발명은 본 명세서에 교시된 바에 힘입어 당업자에게 명백한 균등하지만 상이한 방법을 통하여 수정 및 실시될 수 있기 때문이다. 더 나아가, 본 명세서에 도시된 바와 같은 구성 또는 설계의 세부 사항에 대해 어떠한 한정도 의도되지 않으며, 오히려 첨부되는 청구의 범위에 설명된 바에 의하여 한정될 뿐이다. 그러므로, 전술된 바와 같이 개시된 특정 실시예들은 변경되거나 수정될 수 있으며 이러한 모든 변형은 본 발명의 기술적 사상 및 기술적 범위 내에 포함된다고 판단된다는 것은 명백하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 기술된 바에 따라서 보호되어야 한다.

본 발명은 일반적으로 유체 플로우 측정 및 제어 분야에 이용될 수 있으며, 특히 초고-순도 또는 부식성(corrosive) 응용 분야들, 또는 일반적인 금속 코리올리 유량계와 호환되지 않는 다른 응용 분야들에 사용되기 적합하다.

이러한 응용 분야에는, 반도체, 약학 산업, 및 생물 공학 분야와 같은 다양한 산업 분야가 포함되는데, 이러한 분야는, 전형적으로 낮은 유속(flow rate), 마찰성 화학 유체(abrasive chemical fluids)의 사용, 부식성 화학 유체의 사용에 기인한 유체 전달 과정에서의 문제점을 경험하고 있으며, 오염되지 않고, 정밀하고, 콤팩트하며, 실시간의 유체 전달 및/또는 혼합 시스템을 요구한다.

Claims

질량 플로우(mass flow) 측정 및 제어 장치에 있어서,

봉함물(enclosure);

상기 봉함물 내에 위치된 코리올리 질량 유량계(Coriolis mass flowmeter); 및

핀치 밸브(pinch valve)를 포함하며,

상기 코리올리 질량 유량계는,

고순도 플라스틱 물질(high-purity plastic material)로 만들어진 플로우-튜브(flow-tube),

상기 플로우-튜브를 진동시키기 위하여 상기 플로우-튜브에 연결된 드라이버, 및

진동하는 플로우-튜브의 코리올리 편향(Coriolis deflection)을 감지하기 위하여 상기 플로우-튜브에 연결된 픽오프(pickoff)를 포함하고,

상기 핀치 밸브는,

상기 플로우-튜브와 유체 연통되어 있으며(in fluid communication), 고순도 플라스틱 물질로 만들어진 탄성 튜브(elastomeric tube),

액츄에이터(actuator)로서, 상기 액츄에이터에 동작 가능하도록 연결된 램(ram)을 포함하며, 상기 탄성 튜브에 인접하여 위치된 액츄에이터, 및

기준 표면(reference surface)으로서, 상기 탄성 튜브가 상기 램 및상기 기준 표면 간에서 압착될 수 있도록(squeezable) 일반적으로 상기 램의 반대편에 위치된 기준 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 코리올리 유량계로부터 측정 출력 신호를 수신하는 콘트롤러(controller)를 더 포함하며, 상기 콘트롤러는,

셋포인트 신호(setpoint signal) 및 상기 코리올리 질량 유량계 출력 신호에 응답하여, 상기 핀치 밸브 액츄에이터에 제어 출력 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제2항에 있어서,

상기 콘트롤러는 상기 봉함물 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 고순도 플라스틱 물질은 PFA(perfluoroalkoxy copolymer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 핀치 밸브는 상기 봉함물 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 핀치 밸브 탄성 튜브는 상기 봉함물 외부로 연장되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제5항에 있어서,

상기 핀치 밸브 액츄에이터는 상기 봉함물의 외표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

유체 입출구 커넥션(fluid inlet and outlet connection)을 더 포함하며,

상기 입출구 커넥션은 상기 봉함물의 일단부(one end) 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

유체 입출구 커넥션을 더 포함하며,

상기 입출구 커넥션은 상기 봉함물의 양단부(opposite ends) 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 핀치 밸브 탄성 튜브는 상기 플로우-튜브의 하류부(downstream)에 위치되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 핀치 밸브 탄성 튜브는 상기 플로우-튜브의 상류부(upstream)에 위치되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 액츄에이터는 솔레노이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제12항에 있어서,

상기 솔레노이드는 펄스폭 변조 신호(pulse-width modulated signal)를 통하여 제어되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 액츄에이터는 스테퍼 모터(stepper motor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제2항에 있어서,

상기 콘트롤러는 PID 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 플로우-튜브와 유체 연통된 압력 변환기(pressure transducer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제16항에 있어서,

상기 압력 변환기는 상기 플로우-튜브의 상류부에 위치되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제16항에 있어서,

상기 압력 변환기는 상기 플로우-튜브의 하류부에 위치되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 플로우-튜브와 유체 연통되어 있으며, 상기 플로우-튜브의 상류부에 위치된 제1 압력 변환기 및

상기 플로우-튜브와 유체 연통되어 있으며, 상기 플로우-튜브의 하류부에 위치된 제2 압력 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
질량 플로우 측정 및 제어 장치에 있어서,

봉함물;

상기 봉함물 내에 위치된 코리올리 질량 유량계; 및

핀치 밸브를 포함하며,

상기 코리올리 질량 유량계는,

고순도 플라스틱 물질로 만들어진 플로우-튜브,

상기 플로우-튜브를 진동시키기 위하여 상기 플로우-튜브에 연결된 드라이버, 및

진동하는 플로우-튜브의 코리올리 편향을 감지하기 위하여 상기 플로우-튜브에 연결된 픽오프를 포함하고,

상기 핀치 밸브는,

액츄에이터로서, 상기 액츄에이터에 동작 가능하도록 연결되며 상기 탄성 튜브에 인접하여 위치된 램을 포함하는 액츄에이터, 및

기준 표면으로서, 상기 탄성 튜브가 상기 램 및 상기 기준 표면 간에서 압착될 수 있도록 일반적으로 상기 램의 반대편에 위치된 기준 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제20항에 있어서,

상기 코리올리 유량계로부터 측정 출력 신호를 수신하는 콘트롤러를 더 포함하며, 상기 콘트롤러는,

셋포인트 신호 및 상기 코리올리 질량 유량계 출력 신호에 응답하여, 상기 핀치 밸브 액츄에이터에 제어 출력 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제21항에 있어서,

상기 콘트롤러는 상기 봉함물 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제20항에 있어서,

상기 고순도 플라스틱 물질은 PFA를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제20항에 있어서,

상기 액츄에이터는 솔레노이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
제20항에 있어서,

상기 액츄에이터는 스테퍼 모터(stepper motor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 플로우 측정 및 제어 장치.
프로세스 물질(process material)의 플로우를 제어하기 위한 코리올리 측정 및 제어 장치에 있어서,

봉함물;

이온들을 상기 프로세스 물질에 전달하지 않으면서 질량 플로우를 측정하기 위한 제1 수단으로서, 상기 봉함물 내에 위치된 제1 수단;

원하지 않은 이온들을 상기 프로세스 물질에 전달하지 않으면서 유체 플로우를 변화시키기 위한 제2 수단으로서, 상기 제1 수단과 유체 연통된 제2 수단; 및

상기 제1 수단에 응답하여 상기 제2 수단을 제어하기 위한 제3 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 코리올리 측정 및 제어 장치.
제26항에 있어서,

상기 제3 수단은 상기 봉함물 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 코리올리 측정 및 제어 장치.
제26항에 있어서, 상기 제2 수단은,

상기 프로세스 물질이 흐르게 하는 탄성 튜브 및

상기 탄성 튜브를 압착하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 코리올리 측정 및 제어 장치.
제26항에 있어서,

상기 제1 수단과의 유체 연통의 압력을 측정하기 위한 제4 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코리올리 측정 및 제어 장치.