KR20050067388A - 고정밀도의 압력 기반 유량 제어기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 질량 유량 제어기가 개시되는데, 이 질량 유량 제어기는, 제1 내부 통로 및 이 제1 내부 통로 내에 형성된 제2 내부 통로를 구비하는 몸체부와; 상기 몸체부에 연결되고 상기 제1 내부 통로 및 상기 제2 내부 통로와 연통하는 유량 제어 밸브와; 상기 몸체부에 연결되고 상기 제1 내부 통로 및 상기 제2 내부 통로 중 적어도 하나와 연통하는 적어도 하나의 압력 변환기와; 상기 제2 내부 통로에 연결되고 이를 통해 고압축성 층류를 생성하도록 구성된 비선형 유량 제한기와; 상기 제1 내부 통로, 상기 제2 내부 통로 및 상기 비선형 유량 제한기 중 적어도 하나와 연통하는 열 센서; 그리고 상기 비선형 유량 제한기와 연통하는 배출 용기를 포함하는 것이다.

Description

고정밀도의 압력 기반 유량 제어기{HIGHER ACCURACY PRESSURE BASED FLOW CONTROLLER}

본 발명은 압력 기반 유량 제어기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명에서는 기존의 유량 제어 장치에 비하여 보다 폭 넓은 동적 범위에서 높은 정확도를 갖는 다양한 압력 기반 유량 제어기를 개시한다.

다양한 제조 공정에서 유체의 유량 및 유동에 대한 제어를 필요로 한다. 예컨대, 반도체 제조 공정은 매우 정확한 양의 유체(주로 가스)를 공정 챔버 안으로 유입시키는 것을 필요로 한다. 이러한 제조 공정 동안에, 많게는 분당 20 리터에서 적게는 분당 수십분의 1 CC에 이르는 범위의 유량이 요구될 수 있다.

이러한 요구에 응답하여, 유체의 유량을 측정 및 제어하는 질량 유량 제어기가 개발되었는데, 여기서 유량의 측정은 유체의 열적 특성에 기초한다. 일반적으로, 이러한 열식 질량 유량 제어기는 반도체 소자의 제조에 사용되는 타입의 유체, 예컨대 유독성 가스 및 고반응성 가스 등의 유동을 모니터링하고 제어하는데 사용된다. 또한, 다양한 제조 절차에 있어서, 다양한 가스가 에칭 및 증착 공정에 사용된다. 이러한 가스는 인간에게 유독할 수 있고, 주위에 노출될 때 매우 빠르게 반응할 수 있다.

또한, 유량 제한기 또는 오리피스에서의 압력 강하를 측정하는 것에 의해 작동되는 유체 질량 유량 제어기가 다수 개발되었다. 이러한 장치는 질량 유량의 측정 및 제어에 유용한 것으로 판명되었지만, 많은 결점도 확인되었다. 예컨대, 종래의 질량 유량 제어기는 제한된 유동 범위에서 유량을 정확하게 제어하지만, 보다 폭 넓은 동적 유동 범위에 대한 유량을 제어하는 경우에 제어 오차가 생길 수 있다.

따라서, 압력 센서와 이러한 압력 센서를 포함하는 유체 질량 유량 제어기, 특히 전술한 제조 공정에 사용되는 타입의 것에 대한 여러 필수 요건이 확인되었다. 이러한 필수 요건으로는, 유량 제어기의 정확도가 유량 제어기 설정치의 수% 범위내에 있을 것(대개 현존 장치에 의하면 전체 규모의 1%가 얻어질 수 있음)(1% 미만이 바람직함); 상승 온도 또는 "정상" 온도보다 낮은 온도에서, 그리고 다양한 위치 또는 자세(즉, 바로 세워서, 비스듬히, 또는 뒤집어서)에서 (예컨대, 열식 질량 유량 제어기에서 겪게되는) 정확도의 손실없이 작동할 것; 넓은 유량 범위에서 정확하게 측정 및 제어할 것; 안정적인 유동 조건을 형성하도록 턴온으로부터의 응답 시간이 빠를 것; 저렴하게 제조 가능할 것; 그리고 유량 제어기의 작동을 돕고, 제조 공정 동안에 유체 유동 분배 시스템에서 유량 제어기의 절환을 돕는 모듈식 기계 구조가 복잡하지 않을 것 등이 있다. 유체 질량 유량 제어기에서 요구되는 그 밖의 특성으로는, 제조 시에 완전 제어 기구를 각각 조정하거나 또는 작동 후에 제어 기구를 재조정할 필요가 없을 것, 신뢰할 만하고 교환하기 쉬운 유량 제한기 또는 오리피스 부품을 제공할 것, 유량 제한기의 작동 또는 교환 이후에 유량 제어기의 작동성 및 정확도를 용이하게 검증할 수 있을 것, 광범위한 유독성 및/또는 반응성 유체, 특히 반도체 제조 공정에 사용되는 수백개의 가스 형태의 유체에 대하여 유량을 정확하게 제어할 수 있을 것, 그리고 다양한 가스 또는 액체 형태의 유체의 유량에 관한 유량 제어기의 작동 데이터를 용이하게 바꿀 수 있을 것 등이 있다.

도 1은 유체 질량 유량 제어기의 등축도.

도 2는 도 1에 도시된 질량 유량 제어기의 일 실시예에 있어서 진공으로 배기된 경우에 3개의 서로 다른 유동 영역을 예시하는 도면.

도 3은 도 1에 도시된 질량 유량 제어기가 진공으로 배기된 경우에 유동 특성을 예시하는 그래프.

도 4는 도 1에 도시된 질량 유량 제어기에 있어서 유동 민감도의 변화를 유량의 함수로서 예시하는 그래프.

도 5는 도 1에 도시된 질량 유량 제어기에 있어서 예상되는 유동 측정 오차를, 도 6에 예시된 바와 같이 예상되는 변환기의 교정 편차에 기초하여 예시하는 그래프.

도 6은 도 1에 도시된 질량 유량 제어기에 있어서 변환기의 안정성을 기준 압력과 관련하여 예시하는 그래프.

도 7a는 유량이 약 172.0 sccm인 경우에 도 1에 도시된 질량 유량 제어기의 안정도 레벨과, 그에 대해 온도가 미치는 영향을 예시하는 그래프.

도 7b는 유량이 약 46.0 sccm인 경우에 도 1에 도시된 질량 유량 제어기의 안정도 레벨과, 그에 대해 온도가 미치는 영향을 예시하는 그래프.

도 7c는 유량이 약 10.75 sccm인 경우에 도 1에 도시된 질량 유량 제어기의 안정도 레벨과, 그에 대해 온도가 미치는 영향을 예시하는 그래프.

도 7d는 도 1에 도시된 질량 유량 제어기를 통해 유동하는 유체에 있어서 실제 온도 판독과 잘못된 온도 판독을 예시하는 그래프.

한 가지 실시예에서는, 질량 유량 제어기가 개시되는데, 이 질량 유량 제어기는, 제1 내부 통로 및 이 제1 내부 통로 내에 형성된 제2 내부 통로를 구비하는 몸체부와; 상기 몸체부에 연결되고 상기 제1 내부 통로 및 상기 제2 내부 통로와 연통하는 유량 제어 밸브와; 상기 몸체부에 연결되고 상기 제1 내부 통로 및 상기 제2 내부 통로 중 적어도 하나와 연통하는 적어도 하나의 압력 변환기와; 상기 제2 내부 통로에 연결되고 이를 통해 고압축성 층류를 생성하도록 구성된 비선형 유량 제한기와; 상기 제1 내부 통로, 상기 제2 내부 통로 및 상기 비선형 유량 제한기 중 적어도 하나와 연통하는 열 센서; 그리고 상기 비선형 유량 제한기와 연통하는 배출 용기를 포함하는 것이다.

다른 실시예에서는, 질량 유량 제어기가 개시되는데, 이 질량 유량 제어기는 하나 이상의 압력 센서와; 업스트림 밸브; 그리고 상기 업스트림 밸브 및 상기 압력 센서의 하류에 배치되는 비선형 유량 제한기를 포함하고, 상기 비선형 유량 제한기는 그 입구에서의 유량이 낮은 경우에 보다 큰 증분 압력을 갖도록 구성되는 것이다.

본원은 유량 제어기에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 고정밀도의 압력 기반 유량 제어기에 관한 것이다. 그러나, 이하의 내용에서는 유량 제어기의 여러 기능을 실시하기 위한 다양한 실시예 또는 예를 제공하는 것으로 이해된다. 본원을 간략히 설명하기 위하여, 구성 요소 및 장치의 구체적인 예를 이하에 기술한다. 물론, 이러한 것들은 단지 예일 따름이며, 제한하려는 의도는 없다. 또한, 본원에서는 여러 예에서 도면 부호 및/또는 용어를 반복 사용한다. 이와 같이 반복 사용하는 것은 단순화 및 명확화를 위한 것이며, 기술된 여러 실시예 및/또는 구조 사이의 관계를 그 자체로서 나타내지는 않는다.

도 1을 참조하면, 예시적인 질량 유량 제어기(MFC)(10)가 예시되어 있다. 질량 유량 제어기(10)의 여러 실시예가 제시되어 있으며, 2001년 10월 12일자로 출원된 미국 가특허 출원 일련번호 제60/329,031호와 2000년 9월 20일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제09/666,039호에는 보다 상세히 기술되어 있는데, 상기 특허 출원은 양자 모두다 그 내용이 본원에 참조로 인용되어 있다.

상기 실시예의 MFC(10)는 단일 몸체부(12)를 구비하는 것으로 예시되어 있다. 이 단일 몸체부(12)에는 필요에 따라 하나 이상의 모듈형 몸체부(도시 생략)가 부가될 수 있는 것으로 이해된다. 단일 몸체부(12)에는 유체 공급 시스템, 예컨대 반도체 제조 시스템 등의 도관에 접속하기에 적합한 커넥터(도시 생략)가 마련될 수 있는데, 이는 특히 반도체 제조에 사용하는 가스 형태의 유독성 또는 반응성 유체를 공급하기 위한 것이다.

MFC(10)는 전기 제어식 유량 제어 밸브(14)를 지지하는데, 이 제어 밸브는 통상의 기계식 패스너(도시 생략)에 의해 상기 몸체부(12)의 표면(16) 상에 착탈 가능하게 장착되는 것이다. 예시적인 기계식 패스너로는 나사 맞춤부, 나사, 핀, 잠금 부재, 스냅 맞춤부 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 유량 제어 밸브(14)는 조립식 모듈형 구조인 것이 바람직한데, 이로써 유량 제어 밸브(14)가 일단 장착되면 조정을 필요치 않도록 미리 정해진 위치에서 상기 몸체부(12) 상에 쉽게 장착될 수 있다. 이는 유량 제어 밸브(14)가 모듈형이 아니므로, 반드시 조정되어야 하고 대개 비교적 많은 시간을 필요로 하는 종래의 시스템에 비해 유익하다. 유량 제어 밸브(14)는 제1 내부 통로(20)로부터 제2 내부 통로(22)로의 유체의 유동을 교축시키도록 작동 가능한 전기 작동식 폐쇄 부재(18)를 포함한다. 제1 내부 통로(20)는 소스 압력 용기와 유체 연통한다. 또한, 밸브는 폐쇄 부재(18)를 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이에서 이동시키기 위한 액추에이터(24)를 포함한다. 액추에이터(24)는 폐쇄 부재(18)의 위치를 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이에서 높은 해상도로 신속하게 그리고 정확하게 제어하기 위하여 솔레노이드 또는 압전 타입인 것이 바람직하다. 일부 실시예는 밸브(14)를 이용하지 않을 수 있으며, 이로써 유량 제어기라기 보다는 유량계로서 기능할 것이다.

압력 변환기(26)가 몸체부(12)의 표면(16) 상에 장착되고, 이 몸체부(12)에 형성된 제2 내부 통로(22)와 유체 연통한다. 예시된 실시예에서, 압력 변환기(26)는 제3 내부 통로(28)를 통하여 제2 내부 통로(22)와 연통한다. 변형례에서, 압력 변환기는 제2 내부 통로(22)에 연결될 수 있고, 이를 통해 유동하는 유체의 압력을 측정하도록 구성될 수 있으며, 이로써 제3 내부 통로(28)의 필요성을 배제한다. 압력 변환기(26)를 제2 내부 통로(22)에 직접 연결함으로써, MFC(10) 내의 "무용 공간"을 최소화할 수 있다는 것을, 당업자라면 이해할 것이다. 도 1에 도시된 압력 변환기(26) 등과 같은 대부분의 압력 변환기는 제로 드리프트(zero drift) 및 스팬 드리프트(span drift)를 나타낸다. 입력이 제로일 때의 측정에서 발생하는 변동을 제로 드리프트라 한다. 소정 범위의 상한치 또는 하한치에서의 변동을 스팬 드리프트라 한다. 제로 드리프트가 대개 더 큰 성분이고, 총 드리프트의 80%에 이를 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 열 센서(23)가 몸체부(12)와 연통하게 배치될 수도 있고, 다르게 배치될 수도 있다. 적어도 하나의 열 센서(23)는 제1 내부 통로(20), 제2 내부 통로(22), 유량 제한기(30), 또는 전술한 임의의 것을 가로지르는 유체의 온도를 측정하도록 구성되어 있다. 일 실시예에서, 열 센서는 제1 내부 통로(20), 제2 내부 통로(22), 유량 제한기(30), 또는 전술한 임의의 것 중에서 적어도 하나에 연결된다. 변형례에서, 열 센서(23)는 제1 내부 통로(20), 제2 내부 통로(22), 유량 제한기(30), 또는 전술한 임의의 것 내에 배치되는 감지 장치(도시 생략)를 포함한다. 예시적인 열 센서(23)로는, 예컨대 온도계, 열전쌍, 적외선 센서, 또는 그 밖의 공지된 온도 판독 장치 등이 있다.

변형례에서, 적어도 하나의 열 제어 요소(도시 생략)는 MFC(10)의 몸체부(12)와 연통되어 있을 수 있다. 적어도 하나의 열 제어 요소(도시 생략)는 제1 내부 통로(20), 제2 내부 통로(22), 유량 제한기(30), 또는 전술한 임의의 것 중 적어도 하나에 연결되어 있을 수 있고, 내부 통로(20, 22), 유량 제한기(30)의 온도를 바람직한 온도로 조절하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 열 제어 요소(도시 생략)는 유량 제한기(30)를 바람직한 온도까지 가열하여, 유량 제한기 안에서 유동하는 유체의 온도를 바람직한 온도로 유지하도록 구성될 수 있다. 예시적인 열 제어 요소로는, 코일 히터, 저항 히터, 압전 히터 및 냉각기, 또는 당업계에 공지된 그 밖의 장치 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1을 다시 참조하면, 유량 제한기(30)는 제어 밸브(14)의 하류에서 제2 내부 통로(22)에 연결되며, 유량 제한기 입구(50) 및 유량 제한기 출구(52)를 포함한다. 일 실시예에서, 유량 제한기(30)는 긴 관형 몸체 또는 모세관형 몸체를 갖는 매우 비선형적인 유량 제한기로 구성된다. 모세관형 몸체의 길이 그리고 이 모세관형 몸체의 비교적 작은 수력 직경으로 인해, 유량 제한기(30) 내에서 모세관 흐름 또는 층류가 형성된다. 고압축성 층류가 모세관형 몸체를 가로지를 때, 유익한 비선형성이 얻어질 수 있다. 보다 구체적으로, 유익한 비선형성은, 유량 제한기(30)의 수력 직경이 유량 제한기의 경로 길이(L/D)에 비하여 비교적 작은 경우에, 그리고 유량 제한기를 통과하는 유동이 고압축성 층류인 경우에 얻어질 수 있다. 유량 제한기(30)는 이를 통해 고압축성 층류를 생성하도록 다양한 길이 및 내경으로 제조될 수 있고, 다양한 재료로 제조될 수 있다는 것을 당업자라면 이해할 것이다. 예컨대, 일 실시예에서, 유량 제한기(30)는 바람직한 다공성 및 유량 제한 특성을 제공하도록 적절하게 압축 및 소결되는 스테인레스강 또는 니켈 입자로 제조된다. 유량 제한기(30)는 그 밖의 재료 또는 구조로 구성될 수 있는 것으로 이해된다. 예시적인 다른 구조로는, 비교적 작은 수력 직경을 갖는 코일형 모세관, 평판, 홈이 마련된 판, 환형 판, 오리피스, 평행판, 적층판, 코일형 시트, 또는 당업계에 공지된 그 밖의 구조 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

유량 제한기 출구(52)는 MFC(10)의 배출물을 그 안에 수용하도록 구성된 다양한 용기에 연결될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 유량 제한기 출구(52)는 배출 용기에 연결되는데, 이 배출 용기의 내부에는 진공 상태가 형성되어 있다. 변형례에서, 유량 제한기 출구(52)는 출력 용기에 연결되는데, 이 용기의 내부에는 진공에 가까운 상태가 형성되어 있다. 예컨대, 출력 용기는 약 1 psia 미만일 수 있다. 선택적으로, 유량 제한기 출구(52)는 배출 용기에 연통할 수 있는데, 이 용기의 내부에는 압력 강하 및/또는 다양한 진공 상태가 형성되어 있다. 예컨대, 출력 용기는 약 0 psia 내지 약 5 psia에서 변동하는 압력을 가질 수 있다. 선택적으로, 제2 압력 변환기(54)가 유량 제한기(30)에 인접하게 배치되어, MFC(10)에서 빠져나오는 배기의 압력을 측정하도록 구성될 수 있다.

사용 중에, 유량 제한기 입구(50)에서의 압력과 유량 제한기 출구(52)에서의 압력 사이에 압력 강하가 형성된다. 일 실시예에서, 유량 제한기 입구(50)와 유량 제한기 출구(52) 사이에서의 압력 강하는, 유량 제한기 입구(50)에서의 압력의 약 50% 이상이다. 다른 실시예에서, 유량 제한기 입구(50)와 유량 제한기 출구(52) 사이에서의 압력 강하는, 유량 제한기 입구(50)에서의 압력의 약 60% 이상이다. 또 다른 실시예에서, 유량 제한기 입구(50)와 유량 제한기 출구(52) 사이에서의 압력 강하는, 유량 제한기 입구(50)에서의 압력의 약 70% 이상이다. 요컨대, 유량 제한기 입구(50)와 유량 제한기 출구(52) 사이에서의 압력 강하는, 유량 제한기 입구(50)에서의 압력의 약 50%에서 100%에 이를 수 있다.

본원에서, 압축성 층류는 유량 제한기 입구(50)와 유량 제한기 출구(52) 사이에서 유량 제한기 입구(50)에서의 압력의 적어도 약 10%의 압력 강하를 갖는 것으로서 정의하는 한편, 고압축성 층류는 유량 제한기 입구(50)와 유량 제한기 출구(52) 사이에서 유량 제한기 입구(50)에서의 압력의 적어도 약 50%의 압력 강하를 갖는 것으로서 정의한다. 유량 제한기(30)를 통한 고압축성 층류의 생성의 결과로서, 유리한 비선형성을 갖는 MFC(10)는 "전체 규모 오차의 백분율(percent of full scale error)"의 특성보다는 "판독 오차의 백분율(percent of reading error)"의 특성으로의 변이를 생성한다. 따라서, MFC(10)는 종래 이용 가능한 것보다 향상된 동적 범위, 특히 저유량에서 향상된 동적 범위를 갖는다.

이하, 도 2를 참조하면, 예시적인 유량 제한기(30)가 도시되어 있다. 예시를 목적으로, 압축 유체가 유량 제한기 입구(50) 안으로 보내져 유량 제한기 출구(52)를 통해 진공으로 배출된다. 유량 제한기(30)의 내측에서, 유체의 흐름은 도면 부호 A, B 및 C로 나타낸 3개의 상이한 영역으로 분할된다. 영역 A에서, 유체의 흐름은 주로 층류의 특성을 갖는다. 영역 B에서, 유체의 흐름은 속도가 높고, 이와 관련한 운동 손실(kinetic loss)이 증가한다. 영역 C에서는 유체의 흐름은 주로 분자 특성을 갖는다. 이들 영역은 압력 공급원, 제한기 파라미터, 및 다른 변수에 따라 달라질 수 있다는 것으로 이해된다. 진공에 가깝게 배출될 때에 영역 B 및 C는 제거될 수도 있다. 결과적으로, 영역 A에서의 층류 특성은 유리한 비선형성을 유지하면서 유량 제한기(30)의 거의 전체 길이에 걸쳐 존재할 수 있다.

도 3 내지 도 7을 참조하면, 유량이 입구 압력[음속 용례(sonic application)] 또는 차압[압력 강하가 라인 압력에 비해 작은 층류 요소(laminar flow element, LFE)]에 비례하는 압력을 기초로 한 MFC에 있어서, 압력 변환기의 제로에서의 변동은 "전체 규모 백분율"의 특성을 취하는 MFC에 대해 교정 오차로 나타날 것이다.

도 3에는 고압축성 층류를 생성하도록 구성되는 비선형 유량 제한기의 유동 특성의 그래프가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 데이터를 생성하기 위해, 비선형 유량 제한기를 갖는 MFC는 24℃의 온도의 산소를 유동시키도록 구성하였으며 진공으로 배출시켰다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본원에 개시된 유량 제한기는 유량 대 입구 압력 곡선에 경사를 생성하는 데, 이 경사는 매우 비선형적이며 높은 유량에서보다 낮은 유량에서 더 가파르다. 유량 제한기의 비선형 특성으로 인해 종래에 활용 가능한 것에 비해 보다 낮은 유량에 대해 더 정확한 MFC가 형성된다.

도 4는 다양한 유량에 있어서의 압력 측정 오차에 대한 비선형 유량 제한기의 민감성을 나타내는 그래프이다. 도 4에 도시돈 바와 같이, 비선형 유량 제한기를 갖는 MFC는 24℃의 온도의 산소를 유동시키도록 구성되어 있으며, 진공으로 배출시킨다. 도 4에 도시된 바와 같이, MFC의 압력 측정 오차에 대한 압력 민감성은 낮은 유량에서 감소한다. 결과적으로, 도 3 및 도 4에서는 전술한 바와 같이 비선형 유량 제한기를 갖는 MFC가 종래에 활용 가능한 비선형 제한기보다 넓은 동적 범위에 걸쳐 유체의 유량을 정확하게 제어할 수 있음을 나타내고 있다.

도 5는 도 6의 변환기의 통상적인 압력 측정 오차에 의해 초래되는 "판독 백분율"로 나타낸 유량 오차를 예시하는 그래프이다. 도시한 바와 같이, 1 Torr의 압력 측정 오차는 약 20 sccm보다 적거나 큰 유량에 대해 판독에 있어서의 약 1%의 유량 오차를 생성하거나, 약 1sccm 내지 약 20 sccm 사이의 유량에 대해 판독에 있어서의 약 6%의 유량 오차를 생성한다.

도 6에서는 MFC(10)의 압력 변환기의 압력 안정성을 도식적으로 나타내고 있다. 전술한 바와 같이, 제로 드리프트는 제로 입력시에 측정에서 발생하는 변화를 나타내며, 스팬 드리프트는 소정 범위의 상한 또는 하한계에서의 변화를 나타낸다. 제로 드리프트는 통상 더 큰 성분이며, 전체 드리프트의 80%이하를 구성할 수 있다. 도식적으로 나타내는 경우, 제로 드리프트는 평균값으로부터의 수직 편차로 나타난다. 예를 들면, 도 6의 라인(60)은 압력에 대한 트랜스폰더 오차를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 라인(60)은 약 0 Torr에서 약 750 Torr에 이르는 기준 압력의 범위에 걸쳐 0.10의 값으로 꽤 일정하게 유지되며, 0에 접근하는 경사를 갖고 있다.

도 7a 내지 도 7d에서는 전술한 바와 같은 비선형 유량 제한기를 갖는 MFC의 시간의 경과에 따른 안정성과, 그에 대한 잘못 보상된 온도 변화의 영향을 나타내는 몇 개의 그래프이다. 도 7a 내지 도 7c에서 단일 1000 sccm MFC를 약 172.0 sccm, 46.0 sccm 및 10.75 sccm의 유량에서 시험하였다. 도 7d는 MFC를 통해 유동하는 유체의 실제 온도(선 F 참조)를, MFC에 연결된 제어 시스템에 의해 보정된 경우의 유동의 추정 온도(선 G 참조)와 관련하여 보여준다. 도 7a 내지 도 7d에 도시된 바와 같이, 12시간 내지 20시간 사이에, MFC를 통해 유동하는 유체의 실제 온도는 약 23℃ 내지 약 24℃ 사이에서 변동하였다. MFC에 연결된 제어 시스템은 MFC를 통해 유동하는 유체의 온도가 약 27℃ 내지 약 29℃ 사이에서 변동하는 것으로 잘못 판단하였다(도 7d의 선 G 참조). 제어 시스템에 의한 잘못된 온도 변동 판독에 응답하여, MFC를 통한 유동은 증가되었다.

전술한 바와 같이, MFC는 소결 요소 또는 긴 층류 요소(예컨대, 모세관 또는 당업계에 공지된 그 밖의 수단)를 갖도록 구성되어, 공급 압력에 비하여 큰 압력 강하가 일어나는 유량 제한기가 MFC(10) 내에 배치될 수 있다. 강한 진공이 유량 제한기 출구(52)에 인가되는 경우, 공급 압력에 비하여 매우 비선형적인 유동 특성의 흐름이 형성되고, 이에 의해 유량 제한기 입구(50)에서의 압력에 비교했을 때 100%에 이르는 압력 강하가 형성된다. 그 결과, 유량 증가당 요구되는 증분 압력이 커져서, 저유량시에 압력 변환기에서의 제로 드리프트 오차에 의해 도입되는 오차의 영향이 감소된다. 예컨대, 1 토르의 제로 시프트가 유동 범위의 하단부에서 변환기에 미치는 영향은, 유동 범위의 고단부에서 미치는 영향의 1/20 이하에 불과할 수 있다. 반도체 산업 등과 같은 특정 산업에서는, 교정 오차 특성의 "판독률"이 보다 큰 MFC를 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해 재고 감소, 저압 범위에서의 정확도 증가, 및 융통성 등과 같은 유익을 얻을 수 있다.

따라서, 고정밀도의 압력 기반 유량 제어기가 전술한 바와 같이 제공될 수 있다. 전술한 설명은 단지 예시적인 것이며, 유사한 기능성을 얻기 위해 다른 구조가 사용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것으로 이해된다.

Claims (18)

1. 제1 내부 통로 및 이 제1 내부 통로 내에 형성된 제2 내부 통로를 구비하는 몸체부와;

   상기 몸체부에 연결되고 상기 제1 내부 통로 및 상기 제2 내부 통로와 연통하는 유량 제어 밸브와;

   상기 몸체부에 연결되고 상기 제1 내부 통로 및 상기 제2 내부 통로 중 적어도 하나와 연통하는 적어도 하나의 압력 변환기와;

   상기 제2 내부 통로에 연결되고 이를 통해 고압축성 층류를 생성하도록 구성된 비선형 유량 제한기와;

   상기 제1 내부 통로, 상기 제2 내부 통로 및 상기 비선형 유량 제한기 중 적어도 하나와 연통하는 열 센서; 그리고

   상기 유량 제한기와 연통하는 배출 용기

   을 포함하는 질량 유량 제어기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 내부 통로는 상기 비선형 유량 제한기의 출력에서의 압력보다 큰 압력의 유체를 유동시키도록 구성되는 것인 질량 유량 제어기.
3. 제1항에 있어서, 상기 배출 용기는 진공 상태인 것인 질량 유량 제어기.
4. 제1항에 있어서, 상기 배출 용기는 진공에 가까운 상태인 것인 질량 유량 제어기.
5. 제1항에 있어서, 상기 배출 용기는 약 0 psia 내지 약 5 psia의 압력 강하 상태인 것인 질량 유량 제어기.
6. 제1항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 압축 및 소결된 재료로 제조되는 것인 질량 유량 제어기.
7. 제1항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 다공성인 것인 질량 유량 제어기.
8. 제1항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 코일형 모세관으로 구성되는 것인 질량 유량 제어기.
9. 제1항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 상기 유량 제어 밸브의 하류에 배치되는 것인 질량 유량 제어기.
10. 제1항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 유량 제한기의 입구와 유량 제한기의 출구 사이에서 고압축성 층류를 50% 이상 압력 강하시킬 수 있도록 구성되는 것인 질량 유량 제어기.
11. 제1항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기의 출구와 연통하는 적어도 하나의 압력 변환기를 더 포함하는 것인 질량 유량 제어기.
12. 하나 이상의 압력 센서와;

    업스트림 밸브; 그리고

    상기 업스트림 밸브 및 상기 압력 센서의 하류에 배치되는 비선형 유량 제한기

    를 포함하고, 상기 비선형 유량 제한기는 그 입구에서의 유량이 낮은 경우에 보다 큰 유량당 증분 압력을 갖도록 구성되는 것인 질량 유량 제어기.
13. 제12항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 층류 요소를 포함하고, 이 층류 요소는 이를 통해 고압축성 층류를 생성하도록 구성되는 것인 질량 유량 제어기.
14. 제12항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 유량 제한기의 입구와 유량 제한기의 출구 사이에서 유량 제한기의 입구에서의 압력을 약 50% 이상 압력 강하시키도록 구성되는 것인 질량 유량 제어기.
15. 제12항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 작은 수력 직경을 갖는 긴 모세관형체로 구성되는 것인 질량 유량 제어기.
16. 제12항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 소결체로 구성되는 것인 질량 유량 제어기.
17. 제12항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 병렬 및 직렬로 형성된 기공을 갖는 다공체로 구성되는 것인 질량 유량 제어기.
18. 제12항에 있어서, 상기 비선형 유량 제한기는 모세관, 환형 간극, 환형판, 평행판, 홈형성 판, 적층판, 코일형 모세관형체, 및 코일형 시트로 이루어진 그룹에서 선택되는 다양한 구조로 형성되는 것인 질량 유량 제어기.