KR20050103582A - 가스유량 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

가스유량 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스유량 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 특히 가속도 또는 압력 센서를 이용하여 유입/유출 밸브를 조절함으로써 가스의 유량을 정밀하게 제어할 수 있는 가스유량 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 의한 가스유량 제어장치는 가스공급원으로부터 공급되는 가스를 MFC 챔버로 유입시키는 유입밸브와, 상기 유입된 가스를 반응 챔버로 유출시키는 유출밸브와, 상기 MFC 챔버의 가스를 감지하는 센서와, 상기 센서에서 측정된 값에 따라 상기 유입밸브 및 유출밸브의 개폐동작을 조절하는 제어부로 구성되어 가스의 정밀한 유량을 제어할 수 있다. 또한, 상기 유출밸브에서 유출되어 상기 반응 챔버로 흐르는 가스를 감지하는 제 2센서를 부가적으로 설치하여, 보다 정밀한 가스의 유량을 제어할 수 있다.

Description

가스유량 제어장치 및 제어방법{MASS FLOW CONTROLLER AND MASS FLOW CONTROL METHOD}
본 발명은 가스유량 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 특히 가속도 또는 압력 센서를 이용하여 유입/유출 밸브를 조절함으로써 가스의 유량을 정밀하게 제어할 수 있는 가스유량 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
가스유량 제어장치(MFC : Mass Flow Controller)는 반도체, 유체장비, 화합물 제조 등 다양한 분야에서 사용된다. 예를 들어, 반도체 제조공정에서는 식각, 증착, 스퍼터링, 확산, 세정 등을 위해 다양한 가스가 사용되는데, 반도체의 집적도를 높이는 미소패턴을 형성하기 위해서 각 가스의 유량 제어가 대단히 중요하다.
종래 가스유량 제어장치에는 크게 유량차에 따른 열전달량의 차이를 검출하여 유량을 조절하는 열식 가스유량 제어장치와 유량에 따른 관로 내의 압력강하에 의해 유량을 조절하는 압력식 가스유량 제어장치가 있다.
현재, 상기 방식의 가스유량 제어장치를 기본으로 다양한 종류의 가스유량 제어장치가 개발되어 사용되고 있으나, 대부분 그 구조가 복잡할 뿐만 아니라 설치 및 유지에 많은 비용이 든다는 단점이 있다.
특히, 열식 가스유량 제어장치는 응답속도가 늦으며 외부로의 열손실을 수반하므로 정밀도가 좋지 않으며, 또한 제작 정밀도가 요구되는 바이패스 관이 필요하므로 그 제작이 용이하지 않을 뿐만 아니라 열에 민감한 가스에 대해서는 사용할 수 없다는 문제점이 있다. 그리고 압력식 가스유량 제어장치는 고정밀도의 측정장비가 필요하기 때문에 가격이 고가이며 오리피스 또는 노즐과 같은 관로 내에서 막힘 현상이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 설치 및 유지비가 적게 들면서 응답속도가 빠르고 정밀한 가스의 유량 제어가 가능한 가스유량 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해 본 발명의 제 1실시예에 의한 가스유량 제어장치는 가스공급원으로부터 공급되는 가스를 MFC 챔버로 유입시키는 유입밸브와, 상기 유입된 가스를 반응 챔버로 유출시키는 유출밸브와, 상기 MFC 챔버의 가스를 감지하는 센서와, 상기 센서에서 측정된 값에 따라 상기 유입밸브 및 유출밸브의 개폐동작을 조절하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 더욱 정밀한 유량의 제어를 위하여, 본 발명의 제 2실시예에 의한 가스유량 제어장치는 가스공급원으로부터 공급되는 가스를 MFC 챔버로 유입시키는 유입밸브와, 상기 유입된 가스를 반응 챔버로 유출시키는 유출밸브와, 상기 MFC 챔버의 가스를 감지하는 제 1센서와, 상기 유출밸브에서 유출되어 상기 반응 챔버로 흐르는 가스를 감지하는 제 2센서와, 상기 제 1센서에서 측정된 값에 따라 상기 유입밸브 및 유출밸브의 개폐동작을 조절하고, 상기 제 1센서의 측정값과 제 2센서의 측정값의 차이를 이용하여 상기 유출밸브의 개폐동작을 미세 조절하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 가스유량 제어방법은 가스유량 제어장치를 초기화하는 단계와, 상기 가스유량 제어장치에 흐르는 유량(유입 및 유출), 유입 시의 충전 압력 레벨 및 유출 시의 미세 충전 압력 레벨을 설정하는 단계와, 상기 설정된 유량에 따라 유입밸브를 개방하고 그 유입밸브를 통해 상기 가스유량 제어장치의 MFC 챔버로 들어오는 가스의 유입량을 감지하면서 유입밸브를 제어하는 단계와, 상기 충전 압력 레벨에 도달하면 상기 유입밸브를 폐쇄하는 단계와, 상기 설정된 유량에 따라 유출밸브를 개방하고 그 유출밸브를 통해 반응 챔버로 흐르는 가스의 유출량을 감지하면서 유출밸브를 제어하는 단계와, 상기 미세 충전 압력 레벨에 도달하면 상기 유출밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에서 제안하는 가스유량 제어장치의 동작 원리를 설명한다. 도 1 및 도 2에서는 동일한 구성요소에 대해서 동일한 도면부호를 사용하고 있음에 유의한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 의한 가스유량 제어장치의 개략도를 나타낸다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 가스유량 제어장치(100)는 가스유입구(50)를 통해 가스공급원(미도시)에 연결되고 가스유출구(60)를 통해 반응 챔버(미도시)에 연결되어 가스공급원에서 반응 챔버로 소정의 가스가 공급될 때, 센서(30)를 이용하여 가스를 감지하고 이에 따라 유입밸브(10)와 유출밸브(20)를 조절하여 반응 챔버로 흐르는 가스의 유량을 제어한다.
즉, 가스공급원에 연결된 가스유입구(50)로부터 유입밸브(10)를 통해 MFC 챔버(70) 내부로 가스가 유입되면, 센서(30)를 이용하여 그 내부에 흐르는 가스의 가속도(또는 압력)를 측정하고, 제어부(80)는 그 측정된 값에 따라 유입밸브(10)의 개폐동작을 제어한다. 다시 유출밸브(20)를 통해 가스유출구(60)에 연결된 반응 챔버로 가스가 유출되면, 센서(30)를 이용하여 유출되는 가스의 가속도(또는 압력)를 측정하고, 그 측정된 값에 따라 유출밸브(20)의 개폐동작을 제어한다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 의한 가스유량 제어장치의 개략도를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 2실시예에 의한 가스유량 제어장치(100)는 가스유출구(60)에 센서(40)가 더 설치되어 있다는 것을 제외하고 제 1실시예와 동일하다.
이와 같이, 제 1센서(30)에 더하여 제 2센서(40)를 추가적으로 설치함으로써 보다 정밀하게 가스유량을 제어할 수 있다.
도 1에서 설명한 것과 같이, 가스공급원에 연결된 가스유입구(50)로부터 유입밸브(10)를 통해 MFC 챔버(70) 내부로 가스가 유입되면, 제 1센서(30)를 이용하여 그 내부에 흐르는 가스의 가속도(또는 압력)를 측정하고, 그 측정된 값에 따라 제어부(80)는 유입밸브(10)의 개폐동작을 제어하여 가스유량을 제어한다. 이렇게 제어된 가스가 다시 유출밸브(20)를 통해 가스유출구(60)에 연결된 반응 챔버로 유출되면, 제 1센서(30)를 이용하여 유출되는 가스의 가속도(또는 압력)를 측정하고, 그 측정된 값에 따라 유출밸브(20)의 개폐동작을 제어한다.
이와 함께 제 2센서(40)에서도 반응 챔버로 유출되는 가스의 가속도(또는 압력)를 측정하고, 제어부(80)는 두 센서(30, 40)에서 측정된 값을 이용하여 유출밸브(20)의 개폐동작을 미세하게 조절함으로써 보다 정밀한 가스의 유량을 제어한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서는 본 발명의 제 2실시예를 중심으로 설명하며, 제 2실시예에 대한 설명은 제 2센서(40)와 관련된 부분을 제외하고는 제 1실시예에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2실시예에 의한 가스유량 제어장치의 구성도를 나타낸다.
가스유량 제어장치(100)는 가스공급원으로부터 MFC 챔버(70) 내부로 가스를 유입시키는 유입밸브(10), MFC 챔버(70) 내부의 가스를 반응 챔버로 유출시키는 유출밸브(20), MFC 챔버(70) 내부의 가스를 감지하는 제 1센서(30), 가스유출구(60)에 흐르는 가스를 감지하는 제 2센서(40), 제 1센서(30)에서 측정된 값에 따라 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)의 개폐동작을 조절하고 또한 제 1센서(30)의 측정값과 제 2센서(40)의 측정값의 차이를 이용하여 유출밸브(20)의 개폐동작을 미세 조절함으로써 가스유량을 제어하는 제어부(80)로 구성되어 있다.
종래 유량제어에 사용되는 밸브는 단순히 제어부의 제어값에 따라 동작하는 가스 유출을 위한 개폐수단이었으나, 본 발명에서의 유입밸브(10)와 유출밸브(20)는 센서와 연계 동작하여 빠른 응답 및 유량의 정밀 제어가 가능하고, 진공장치에서 걸리는 진공부하에 의한 밸브의 오동작을 방지할 수 있다. 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)에는 종래 가스유량 제어장치에서 장시간 사용에 따른 밸브 또는 가스 유로관의 막힘 현상의 주원인이 되고 있는 반응 챔버에서 가스유량 제어장치로의 가스 역류를 방지하는 장치가 내장되어 있다. 여기서, 유체의 역류를 방지하는 장치로는 다이어프레임형(막형)의 차단장치가 아닌 니들형(바늘형)의 차단장치를 사용해야 한다. 또한, 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)는 밸브의 개폐를 0∼100%까지 조절할 수 있다.
제 1센서(30) 및 제 2센서(40)는 가스의 압력 또는 가속도를 측정할 수 있는 압력 또는 가속도 센서이다. 압력 = 질량×가속도/단면적 이고, 가속도 = 단면적×압력/질량 이므로, 압력을 알면 가속도를 알 수 있고, 가속도를 알면 압력을 알 수 있기 때문에 가스유량 제어장치에서 압력 센서나 가속도 센서 중 어느 것을 사용해도 좋다. 도 3에서, 제 1센서(30)는 유입밸브(10)와 유출밸브(20) 사이의 MFC 챔버(70)에 설치되고, 제 2센서(40)는 유출밸브(20)에 연결된 가스유출구(60)에 설치되어 있다.
본 발명에서는 두 개의 센서에서 측정된 값의 차이(압력손실)를 이용하여 정밀한 유량을 제어할 수 있다.
압력손실(△P)은 다음의 수학식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, λ는 마찰계수, l은 관의 길이, v는 유체속도, ρ는 유체밀도, D는 관경, g는 중력가속도이다. 마찰계수, 관의 길이, 관경, 중력가속도 등은 고정된 값이기 때문에, 압력손실은 유체속도에 의해서만 변한다.
따라서 △P = kv2 (k는 상수) 이고,
유체속도(v) ∝ (△P)1/2 이다.
한 편, 유체의 질량유량(Mf) = 밀도×면적×유체속도 이므로,
질량유량(Mf) ∝ 밀도×면적×(압력손실)1/2
여기서, 단면적은 고정된 값이고 가스유량 제어장치의 온도가 일정하다면 밀도는 압력에 비례하여 변한다. 결국, 질량유량과 압력손실과의 관계는 다음의 수학식(2)과 같이 나타낼 수 있다.
수학식(2)과 같은 관계에 따라서, 압력손실이 커지면 질량유량도 커지기 때문에 밸브를 좀 더 닫아 압력손실을 줄이고, 반면 압력손실이 작으면 질량유량도 작아지기 때문에 밸브를 좀 더 열어서 압력손실을 증가시킴으로써 가스의 유량을 제어하게 된다.
제어부(80)는 제 1센서(30)와 제 2센서(40)로부터 센서신호를 입력받아 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)의 개폐동작을 지시하는 제어신호 즉, 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)의 온/오프 및 개폐속도를 제어하는 신호를 출력하는 중앙처리부(81), 디지털 신호인 개폐속도 제어신호를 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)의 구동전원으로 변환하는 구동전원 변환부(82), 온/오프 신호 및 구동전원을 입력받아 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)의 개방 또는 폐쇄시키는 밸브개폐 구동부(83), 제 1센서(30) 및 제 2센서(40)의 센서신호를 중앙처리부(81)가 판독할 수 있는 디지털 신호로 변환하는 센서신호 변환부(84)를 포함한다.
중앙처리부(81)는 외부장치(200)로부터 가스의 유량(유입 및 유출)을 입력받아서, 일정한 유량이 통과할 수 있도록 미리 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)의 개방한 후, 제 1센서(30) 및 제 2센서(40)로부터 입력된 센서신호를 이용하여 가스 유량을 정밀하게 제어함으로써 순간적으로 유량이 많이 흐르거나 적게 흐르는 과도기 현상을 최소화할 수 있다.
센서신호 변환부(84)는 제 1센서(30) 및 제 2센서(40)에서 측정한 가속도 또는 압력의 아날로그 값(전류 또는 전압)을 증폭한 후 중앙처리부(81)가 판독할 수 있는 디지털 신호로 변환하여 중앙처리부(81)에 전송한다.
외부장치(200)는 제어부(80)의 중앙처리부(81)와 RS232 또는 RS485 통신선로에 의해 연결되어, 가스유량 제어장치(100)에 흐르는 가스의 유량을 설정하여 중앙처리부(81)에 전송한다. 외부장치(200)로는 일반적으로 가스유량 제어프로그램이 설치된 퍼스널 컴퓨터(PC) 또는 가스유량 제어장치용 컨트롤러가 사용될 수 있다.
구동전원 변환부(82) 및 밸브개폐 구동부(83)는 도 4를 참조하여 설명하기로 한다. 도 4는 동작신호 변환부(82) 및 밸브개폐 구동부(83)의 구성도를 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 구동전원 변환부(82)는 중앙처리부(81)에서 출력된 개폐속도 제어신호를 아날로그 신호로 변환하고 증폭하여 구동전원을 출력하는 부분으로서, 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 컨버터(821), 아날로그 신호를 DC 전압으로 변환하여 유입밸브(10)의 구동전원을 출력하는 제 1증폭기(822) 및 유출밸브(20)의 구동전원을 출력하는 제 2증폭기(823)로 구성되어 있다.
밸브개폐 구동부(83)는 구동전원 변환부(82)로부터 구동전원을 공급받고 중앙처리부(81)로부터 밸브 개폐를 제어하는 온/오프신호(제어펄스)를 입력받아 두 밸브(10. 20)의 개폐를 실질적으로 수행하는 부분으로서, 스위치로서 동작하는 트랜지스터, 저항 및 다이오드로 구성되어 있다.
밸브개폐 구동부(83)는 유입밸브(10)의 개폐(온/오프)를 지시하는 제어펄스를 라인(VA1_R)을 통해 입력받고, 유출밸브(20)의 개폐를 제어하는 제어펄스를 라인(VA2_R)을 통해 입력받는다. 예를 들어, 라인(VA1_R)을 통해 하이신호인 "1"이 입력되면 유입밸브(10)가 개방되고, 라인(VA2_R)을 통해 로우신호인 "0"이 입력되면 유출밸브(20)는 폐쇄된다. 이와 같은 특성을 이용하여 제어펄스의 주기 또는 펄스폭을 조정하면 두 밸브(10, 20)의 개폐주기, 개폐시간, 개방횟수 등을 조정할 수 있다.
또한, 밸브개폐 구동부(83)는 유입밸브(10)의 구동전원을 라인(VA1_S)을 통해 입력받고, 유출밸브(20)의 구동전원을 라인(VA2_S)을 통해 입력받는다. 구동전원은 중앙처리부(81)에서 출력되는 개폐속도 제어신호에 의해 결정되고, 구동전원에 따라 밸브의 개폐속도가 조절될 수 있다. 따라서 밸브개폐 구동부(83)에 온/오프 신호가 입력되면 구동전원에 따른 개폐속도로 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)가 개폐된다.
이제 도 5를 참조하여 본 발명의 가스유량 제어방법을 설명한다.
본 발명에 의한 가스유량 제어방법은 크게 4개의 제어단계로 구분할 수 있으며, 각 단계별로 설명하면 다음과 같다.
1) 가스유량 제어장치의 초기화 단계
가스유량 제어장치의 중앙처리부(81)에 전원이 들어오면 중앙처리부(81)는 리셋 되면서 가스유량 제어장치의 오동작 상태와 두 밸브(10, 20)의 상태를 검사한다. 두 밸브(10, 20)의 상태 검사는 먼저 두 밸브(10, 20)의 온/오프(개방/폐쇄)를 검사하여 두 밸브(10, 20)를 오프시키는 제어신호를 밸브 개폐 구동부(83)에 보낸다. 두 밸브(10, 20)가 폐쇄되면, 제 1센서(30)를 통해 MFC 챔버(70) 내의 가스의 유무, 즉 진공도를 측정한 후 가스가 존재하는 경우 가스가 흐르지 않을 때까지(진공상태가 될 때까지) 유출밸브(20)의 개폐 동작 및 제 1센서(30)의 측정을 반복하다가 유출밸브(20)를 폐쇄한다. 이러한 초기화 단계를 통하여 가스 유입량의 오차를 최대한 줄일 수 있다.
2) 유량의 설정 단계
초기화 단계가 완료되면 가스유량 제어장치에 흐르는 유량(유입 및 유출)을 설정한다. 가스유량 제어장치에 흐르는 유량은 외부장치(200)에서 설정되는데, 설정된 유량은 통신선로를 통해 중앙처리부(81)의 임시 메모리에 저장되고, 이와 함께 가스 유입 시의 MFC 챔버(70) 내의 충전압력 레벨 및 가스 유출 시의 미세 충전 압력 레벨을 설정하게 된다.
3) 유입밸브의 제어 단계
중앙처리부(81)는 입력된 유량에 따라 두 밸브(10, 20)의 개폐주기를 결정하고, 개폐주기가 결정되면 유입밸브(10)의 개방조건(개방횟수 및 개방속도)을 계산한 후 밸브 개폐 구동부(83)에 제어신호를 보내어 유입밸브(10)의 개방을 조절한다. 이 때, 유입밸브(10)의 개방과 동시에 중앙처리부(81)의 인터럽트를 이용하여 일정한 시간마다 제 1센서(30)를 통해 MFC 챔버(70) 내부로 들어오는 가스 유입량을 모니터링한다. 이러한 모니터링 과정은 반복적으로 수행되다가, 유량의 설정 단계에서 설정된 MFC 챔버(70)의 충전 압력 레벨에 도달하게 되면 유입밸브(10)를 폐쇄한다.
4) 유출밸브의 제어 단계
유입밸브(10)가 폐쇄되어 있는 상태에서 중앙처리부(81)에 설정되어 있는 가스 유출량에 따라 유출밸브(20)의 개방횟수 및 개방속도를 조절하여 실질적으로 반응 챔버(미도시)로 가스를 유출하는 단계이다. 유입밸브(10)가 폐쇄되면 중앙처리부(81)에 설정된 가스 유출량에 따른 개방횟수 및 개방속도로 유출밸브(20)가 개방되면서 가스가 유출되기 시작한다. 이 때 중앙처리부(81)는 두 센서(30, 40)를 동작시키는 인터럽트를 발생시켜 일정한 시간마다 주기적으로 가스의 유출상태를 감시하는데, 유출밸브(20)를 통해 반응 챔버(미도시)로 흐르는 가스의 유출량을 제 1센서(30)가 측정하고 그 측정값에 따라 유출밸브(20)를 제어한다. 또한, 유출밸브(20)의 개방에 따라 발생하는 압력손실(압력차이)이 제 1센서(30) 및 제 2센서(40)를 통해 측정되고, 두 센서(30, 40)의 측정값 차이를 이용하여 중앙처리부(81)는 유출밸브(20)의 개폐속도를 조절하면서 미세한 가스의 유출을 제어하게 된다. 이러한 동작은 중앙처리부(81)에 설정된 가스의 미세 충전 압력 레벨에 도달할 때까지 반복되다가 그 미세 충전 압력 레벨에 도달하게 되면 유출밸브(20)를 폐쇄한다.
상기 설명한 유입밸브의 제어 단계 및 유출밸브의 제어 단계는 중앙처리부(81)에 설정된 가스의 전체 유량값에 도달할 때까지 반복 실행된다. 즉, 설정된 가스 전체 유량값에 도달하면, 두 센서(30, 40)와 유출밸브(20)의 동작을 정지시키는 제어신호가 중앙처리부(81)에서 출력되어, 유출밸브(20)가 폐쇄되고 반응 챔버(미도시)로의 가스 흐름이 멈추게 된다.
그러나 가스 유량값의 도달 여부에 관계없이 만약 외부장치(200)로부터 동작 멈춤 키(RESET 키) 값이 입력되면, 두 센서(30, 40)와 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)의 동작을 강제로 정지시키는 제어신호가 중앙처리부(81)에서 출력되어, 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)가 폐쇄되고 반응 챔버(미도시)로의 가스 흐름이 멈추면서 동시에 모든 동작을 강제로 정지시킬 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 의한 가스유량 제어장치를 사용하여 실험한 후, 직경에 따른 입력값과 유량과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 6에서 도시된 바와 같이, 관경이 감소함에 따라 일정한 입력값에 대하여 유량이 더 많이 흐른다는 것을 알 수 있다. 이것은 상기 수학식(1) 및 수학식(2)에서 알 수 있듯이 압력손실이 관경에 반비례하고 압력손실이 크면 질량유량이 커지기 때문이다. 예를 들어, 관경을 2mm로 하여 가스유량 제어장치를 설계 및 제작한 후, 관경을 1mm로 바꾸면 2mm 관경에 맞추어진 상수값에 따라 질량유량을 제어하므로 유량이 증가하게 된다.
도 7은 일정한 값을 입력시켰을 때 시간과 유량과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 입력값이 60인 경우 2-3초 후에 일정한 유량을 유지하게 된다.
실험결과, 본 발명에 따라 가속도 또는 압력 센서를 이용하여 유입밸브(10) 및 유출밸브(20)를 제어하는 경우, 입력값과 유량이 선형적인 관계를 가지며 빠른 시간 내에 유량을 일정하게 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 두 개의 밸브를 사용하므로 진공장치에서 걸리는 진공부하에 따른 밸브의 오동작을 방지할 수 있고, 두 개의 센서와 연계 동작하기 때문에 응답이 빠르고 가스의 유량을 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 밸브 안에 가스 역류를 방지할 수 있는 차단장치가 내장되어 있어서 반응 챔버(미도시)에서 가스유량 제어장치로 가스가 역류하여 밸브 및 가스 유로관이 막히는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 마이크로컨트롤러를 이용하여 가스 유량을 제어하기 때문에 우수한 성능을 보이면서 가스유량 제어장치의 설치 및 유지비가 적게 드는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 의한 가스유량 제어장치의 개략도.
도 2는 본 발명에 제 2실시예에 의한 가스유량 제어장치의 개략도.
도 3은 본 발명에 의한 가스유량 제어장치의 구성도.
도 4는 구동전원 변환부 및 밸브개폐 구동부의 내부 구성도.
도 5는 본 발명에 의한 가스유량 제어방법의 순서도.
도 6은 직경에 따른 입력값과 유량과의 관계를 나타낸 그래프.
도 7은 일정한 값을 입력시켰을 때 시간과 유량과의 관계를 나타낸 그래프.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **
10 : 유입밸브 20 : 유출밸브
30 : 제 1센서 40 : 제 2센서
50 : 가스유입구 60 : 가스유출구
70 : MFC 챔버 80 : 제어부
81 : 중앙처리부 82 : 구동전원 변환부
83 : 밸브개폐 구동부 84 : 센서신호 변환부
100 : 가스유량 제어장치(MFC) 200 : 외부장치

Claims (17)

  1. 가스공급원으로부터 공급되는 가스를 MFC 챔버로 유입시키는 유입밸브와,
    상기 유입된 가스를 반응 챔버로 유출시키는 유출밸브와,
    상기 MFC 챔버의 가스를 감지하는 센서와,
    상기 센서에서 측정된 값에 따라 상기 유입밸브 및 유출밸브의 개폐동작을 조절하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센서는 가속도 센서 또는 압력 센서인 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  3. 가스공급원으로부터 공급되는 가스를 MFC 챔버로 유입시키는 유입밸브와,
    상기 유입된 가스를 반응 챔버로 유출시키는 유출밸브와,
    상기 MFC 챔버의 가스를 감지하는 제 1센서와,
    상기 유출밸브에서 유출되어 상기 반응 챔버로 흐르는 가스를 감지하는 제 2센서와,
    상기 제 1센서에서 측정된 값에 따라 상기 유입밸브 및 유출밸브의 개폐동작을 조절하고, 상기 제 1센서의 측정값과 제 2센서의 측정값의 차이를 이용하여 상기 유출밸브의 개폐동작을 미세 조절하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 센서로부터 센서신호를 입력받거나, 상기 제 1센서 및 제 2센서로부터 센서신호를 입력받아 상기 유입밸브 및 유출밸브의 온/오프 및 개폐속도를 제어하는 신호를 출력하는 중앙처리부와,
    상기 개폐속도 제어신호를 상기 유입밸브 및 유출밸브의 구동전원으로 변환하는 구동전원 변환부와,
    상기 온/오프 신호 및 구동전원을 입력받아 상기 유입밸브 및 유출밸브를 개폐시키는 밸브개폐 구동부와,
    상기 제 1센서 및 제 2센서의 센서신호를 상기 중앙처리부가 판독할 수 있는 디지털 신호로 변환하는 센서신호 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 구동전원 변환부는 상기 개폐속도 제어신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 컨버터와, 상기 아날로그 신호를 DC 전압으로 변환하여 상기 유입밸브 및 유출밸브의 구동전원을 출력하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 밸브개폐 구동부는 상기 온/오프 신호가 입력되면 상기 구동전원에 따른 개폐속도로 상기 유입밸브 및 유출밸브를 개폐시키는 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  7. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 유입밸브 및 유출밸브에는 유체의 역류를 방지하는 장치가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 유체의 역류를 방지하는 장치는 니들형 차단장치인 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1센서 및 제 2센서는 가속도 센서 또는 압력 센서인 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  10. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 유입밸브 및 유출밸브는 0∼100%까지 개폐될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  11. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 유입밸브와 상기 유출밸브 사이에 위치한 상기 MFC 챔버의 직경, 길이 및 모양은 가변적인 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  12. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 가스유량 제어장치에 흐르는 가스의 유량을 설정하여 상기 중앙처리부에 전송하는 외부장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스유량 제어장치.
  13. 가스유량 제어장치를 초기화하는 단계와,
    상기 가스유량 제어장치에 흐르는 유량(유입 및 유출), 유입 시의 충전 압력 레벨 및 유출 시의 미세 충전 압력 레벨을 설정하는 단계와,
    상기 설정된 유량에 따라 유입밸브를 개방하고 그 유입밸브를 통해 상기 가스유량 제어장치의 MFC 챔버로 들어오는 가스의 유입량을 감지하면서 유입밸브를 제어하는 단계와,
    상기 충전 압력 레벨에 도달하면 상기 유입밸브를 폐쇄하는 단계와,
    상기 설정된 유량에 따라 유출밸브를 개방하고 그 유출밸브를 통해 반응 챔버로 흐르는 가스의 유출량을 감지하면서 유출밸브를 제어하는 단계와,
    상기 미세 충전 압력 레벨에 도달하면 상기 유출밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 가스유량 제어방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 가스유량 제어장치를 초기화하는 단계는 상기 유입밸브 및 유출밸브의 온/오프를 검사하여 개방되어 있는 밸브를 오프시킨 후, 상기 MFC 챔버 내의 가스의 유무를 측정하여 가스가 존재하는 경우 가스가 흐르지 않을 때까지 상기 유출밸브의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 하는 가스유량 제어방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 유입밸브를 제어하는 단계는 설정된 유량에 따라 상기 유입밸브 및 유출밸브의 개폐주기를 결정하고, 상기 유입밸브의 개방횟수 및 개방속도를 계산한 후 이에 따라 상기 유입밸브를 개방하고, 상기 유입밸브의 개방에 따라 상기 MFC 챔버로 들어오는 가스의 유입량을 감지하면서 상기 유입밸브의 개폐속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 가스유량 제어방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 유출밸브를 제어하는 단계는 설정된 유량에 따라 개방횟수 및 개방속도를 계산한 후 이에 따라 상기 유출밸브를 개방하고, 상기 유출밸브의 개방에 따라 상기 반응 챔버로 흐르는 가스의 유출량을 감지하면서 상기 유출밸브의 개폐속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 가스유량 제어방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 유출밸브를 통해 상기 반응 챔버로 가스가 흐르면서 상기 MFC 챔버와 상기 반응 챔버 간에 발생하는 압력차이를 측정하고, 이 압력차이를 이용하여 상기 유출밸브를 미세 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스유량 제어방법.
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KR20180068877A (ko) * 2016-12-14 2018-06-22 가부시키가이샤 호리바 에스텍 유체 특성 측정 시스템, 유체 특성 측정 시스템용 프로그램이 기억된 프로그램 기억 매체, 및 유체 특성 측정 방법

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