KR20070070265A

KR20070070265A - 유체의 유량을 실시간으로 검출하는 질량 유량계

Info

Publication number: KR20070070265A
Application number: KR1020040049609A
Authority: KR
Inventors: 박진우
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2007-07-04

Abstract

본 발명은 질량 유량계에 관한 것으로, 유체의 유동량을 제어하는 질량 유량계에 있어서, 상기 질량 유량계 내부를 흐르는 유체의 경로를 제공하는 메인 튜브와; 상기 메인 튜브에서 병렬적으로 분기되어 유체의 흐름을 분배하는 바이패스 튜브와; 상기 바이패스 튜브의 내부를 흐르는 유체의 유동량 변화를 감지하는 센서와; 상기 메인 및 바이패스 튜브를 통과한 유체의 유동량을 제어하는 제어 밸브와; 상기 제어 밸브를 통과한 유체가 유입되어 상기 질량 유량계 내부를 흐르는 유체의 유동량을 검출하는 유체 유동량 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 질량 유량계의 내부 또는 외부 후단에 정량화된 압력 챔버를 부착시킴으로써 실시간으로 플로우(flow)되는 가스의 유동량을 모니터링 할 수 있게 된다. 따라서, 프로세스가 진행되고 있는 중이라도 가스 유동량을 실시간으로 모니터링하여 그에 대해 적절한 대응을 할 수 있는 효과가 있다.

Description

유체의 유량을 실시간으로 검출하는 질량 유량계{MASS FLOW CONTROLLER TO DETECT ACTUAL GAS FLOW IN REALTIME}

도 1은 종래의 질량 유량계를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 유량계를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 변형예에 따른 질량 유량계를 도시한 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100; 질량 유량계 120; 메인 튜브

140; 바이패스 튜브 160: 하우징

200; 센서 300; 액튜에이터

320; 제어 밸브 400, 400'; 압력 챔버

본 발명은 질량 유량계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 유량을 실시간으로 검지할 수 있는 질량 유량계에 관한 것이다.

질량 유랑계(MFC)는 반도체 산업을 비롯한 여러 산업 현장에서 쓰이는 것으로 유체의 유량을 제어하는 역할을 담당한다. 질량(mass)은 압력과 온도에 의한 편 차가 없기 때문에 질량 유량계는 체적단위(예: cc/min)로 가스나 액체 같은 유체의 질량 유량을 표시하며, 그 유량을 원하는 속도(flow rate)로 조절한다.

도 1을 참조하면, 종래의 질량 유량계(10)는 메인 튜브(12), 바이패스 튜브(14), 센서(20) 및 제어 밸브(32)를 포함하여 구성된다. 여기서, 제어 밸브(32)는 액튜에이터(30)에 의해 동작된다.

위와 같이 구성된 질량 유량계(10)는 그 내부를 흐르는 가스의 유동량을 측정하기 위해, 바이패스 튜브(14)를 통해 흐르는 가스의 유량을 센서(20)를 이용하여 전기적 신호로 변환한다. 그리고, 이 유량계(10) 안에 있는 비교회로는 센서(20)에서 감지된 전기적 신호를 감지하여 제어 밸브(32)의 가스량을 비교하여 가스 유동량을 제어한다.

그런데, 센서(20)가 외부적인 영향(예: 온도, 센서의 오염, 미세먼지 유입 등)에 의해 검출되는 양에 변화가 생겨 검정 또는 교정시 초기값과는 차이가 생길 수 있다. 이러한 경우 가스량을 제어하는데 있어서 부정확한 결과를 낳는 경우가 빈번히 발생하고 있다.

또한, 센서(20)에 오염이 생기게 되면 검출되는 양의 부정확으로 인해 질량 유량계(10) 안의 비교회로 또한 센서(20)에서 나오는 전기적 신호를 그대로 이용하여 가스량을 제어하게 된다. 이렇게 되면, 질량 유량계(10)에서 나오는 출력값이 초기에 질량 유량계(10)를 교정하였을 때의 값과는 전혀 다른 가스의 유동(gas flow)이 발생하게 된다.

종래에는 이의 해결을 위하여 주기적으로 가스가 출력치만큼 제대로 흐르는 지 여부를 측정하였지만 미세한 유량 변동에 대해서는 감지할 수가 없었고, 단지 아웃 시그널(out signal)만 읽고 초기값과 큰 차이가 있을 시에는 질량 유량계를 재교정하는 작업을 진행했었다.

그렇지만, 센서에서 발생하는 문제를 비롯한 여러 가지 문제로 인해 가스의 실제 유량의 변화가 공정 진행중이나 생산 작업 진행중에 발생하였을 때에는 이를 실시간으로 모니터링할 수 있는 방법이 전혀 없어서 작업 손실 내지 생산 계획에 막대한 악영향을 끼치고 있는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상술한 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실시간으로 유체의 유동량을 모니터링 할 수 있는 질량 유량계를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질량 유량계는 실시간으로 흐르는 유체의 유량을 실시간으로 검출할 수 있는 별도의 장치를 그 출구(outlet) 부분에 장착한 것을 특징으로 한다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 일 국면에 따른 질량 유랑계는, 유체의 유동량을 제어하는 질량 유량계에 있어서, 상기 질량 유량계 내부를 흐르는 유체의 경로를 제공하는 메인 튜브와; 상기 메인 튜브에서 병렬적으로 분기되어 유체의 흐름을 분배하는 바이패스 튜브와; 상기 바이패스 튜브의 내부를 흐르는 유체의 유동량 변화를 감지하는 센서와; 상기 메인 튜브 및 상기 바이패스 튜브를 통과한 유체의 유동량을 제어하는 제어 밸브와; 상기 제어 밸브를 통과한 유체가 유입되어 상기 질량 유량계 내부를 흐르는 유체의 유동량을 검출하는 유체 유동량 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유체 유동량 검출부는 상기 질량 유동계의 하우징 내부 또는 외부에 설비될 수 있다. 상기 유체 유동량 검출부는 압력 챔버일 수 있다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 다른 국면에 따른 질량 유량계는, 유체의 유동량을 제어하는 질량 유량계에 있어서, 상기 질량 유량계 내부를 흐르는 유체의 경로를 제공하는 메인 튜브와; 상기 메인 튜브에서 병렬적으로 분기되어 유체의 흐름을 분배하는 바이패스 튜브와; 상기 바이패스 튜브의 내부를 흐르는 유체의 유동량 변화를 감지하는 센서와; 상기 메인 튜브 및 바이패스 튜브를 통과한 유체의 유동량을 제어하는 제어 밸브와; 상기 제어 밸브를 통과한 유체가 유입되어 상기 질량 유량계 내부를 흐르는 유체의 유동량을 검출하는 압력 챔버를 포함하며, 상기 압력 챔버는, "유체의 유동 속도(cc/min) = 압력 챔버의 체적 ×압력 챔버의 압력 / (273.16 + 압력 챔버의 온도)/시간 ×상수" 라는 식에 의해 유체의 유동량을 검출하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 압력 챔버는 상기 질량 유동계의 하우징 내부 또는 외부에 설비될 수 있다.

본 발명에 의하면, 질량 유량계의 내부 또는 외부 후단에 정량화된 압력 챔버를 부착시킴으로써 실시간으로 플로우(flow)되는 가스의 유동량을 모니터링 할 수 있게 된다. 따라서, 프로세스가 진행되고 있는 중이라도 가스 유동량을 실시간으로 모니터링하여 그에 대해 적절한 대응을 할 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 질량 유량계를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수 있다. 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 각각의 장치는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 개략적으로 도시된 것이다. 또한, 각각의 장치에는 본 명세서에서 자세히 설명되지 아니한 각종의 다양한 부가 장치가 구비되어 있을 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

(실시예)

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 유량계를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 변형예에 따른 질량 유량계를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 질량 유량계(100)는 하우징(160) 내부에 메인 튜브(120), 바이패스 튜브(140), 센서(200), 제어 밸브(320)의 개폐를 조절하는 액튜에이터(300) 및 압력 챔버(400)를 구비한다.

메인 튜브(120)는 유체, 예를 들어, 가스가 저장된 공급원으로부터 공급받은 가스를 소정의 제조 공정, 예를 들어, 반도체 제조에 이용되는 식각 공정(Etching Process)이 수행되는 공정 챔버로 전달한다. 메인 튜브(120) 중 가스가 질량 유량 계(100)로 들어오는 전단측에서는 바이패스 튜브(140)가 병렬 구조로 분기된다.

바이패스 튜브(140)에는 메인 튜브(120)를 흐르는 가스의 일부가 흐르며 열전달 방식 센서(200)의 코일이 감겨져 있다. 이러한 바이패스 튜브(140)는 메인 튜브(120)를 흐르는 가스에 대해 임의의 비를 가지는 가스를 공정 챔버로 전달하는 역할을 담당한다.

센서(200)는 가령 열전달 방식의 센서로서, 바이패스 튜브(140)에 감지 코일이 감겨져 있고 전압이 인가되면 자기발열 저항체에 의해 가열이 된다. 따라서, 바이패스 튜브(140)를 통해 흐르는 가스의 흐름에 따라 감지 코일의 양측에서 발생하는 온도 변화를 감지하여 온도변화 발생값을 제어 회로부(미도시)로 출력한다.

액튜에이터(300)에 의해 동작하는 제어 밸브(320)는 센서(200)로부터 입력되는 가스 흐름에 의한 온도변화 발생값을 토대로 질량 유량계(100)를 통해서 흐르는 가스의 실제 질량 유량을 측정하는 제어 회로부(미도시)의 제어에 따라 가스의 유량을 조절한다.

도면에는 미도시하였지만, 제어 회로부는 사용자가 사전에 입력한 설정값(set-point)과 열감지 센서(200)로부터 입력되는 가스 흐름에 의한 온도변화 발생값을 토대로 검출한 질량 유량을 비교하고, 설정값과 현재의 질량유량의 비교결과를 토대로 가스 유량을 줄이거나 늘리도록 제어 밸브(320)를 제어한다.

질량 유량계(100)의 내부 중 메인 튜브(120)의 아웃렛(outlet) 부분에는 가스의 유도량 검출부로서 압력 챔버(400)가 구비된다. 압력 챔버(400)는 일정한 체적(volume)을 갖는 것으로, 제어 밸브(320)를 통과한 소정의 유동량을 가진 가스가 유입된다. 일정 시간 동안 압력 챔버(400)로 유입되는 가스는 다음과 같은 식에 의해 그 유동 속도 내지는 유동량이 결정된다.

가스 유동 속도(cc/min) = 압력 챔버의 체적 ×압력 챔버의 압력 / (273.16 + 압력 챔버의 온도)/ 시간 ×상수

여기서, 압력 챔버(400)의 체적은 일정하고, 압력 챔버(400)의 압력과 온도는 일정시간 동안 압력 챔버(400)에 유입되는 가스량에 의해 결정된다.

만일, 소정의 가스가 질량 유량계(100)에 유입되어 메인 튜브(120)를 흐를때, 어느 일정 비율의 가스는 바이패스 튜브(140)로 흘러 들어가고, 바이패스 튜브(140)로 흘러들어간 가스는 열전달 방식의 센서(200)에 의해 온도변화가 센싱된다. 이 온도변화에 따라 제어 밸브(320)의 개폐가 이루어져 가스 유동량이 조절된다. 한편, 제어 밸브(320)를 통과한 가스는 압력 챔버(400)로 흐른다.

일정시간 동안 압력 챔버(400) 내부로 흘러들어간 가스량의 다소에 따라 압력 챔버(400) 내부의 압력과 온도가 설정된다. 이때의 일정시간과 압력 챔버(400)의 압력과 체적과 온도를 상기 식에 대입함으로써 가스의 유량을 실시간으로 검출할 수 있게 된다. 따라서, 제어 밸브(320)를 통과한 가스량에 조금이라도 미세한 변화가 생기면 압력 챔버(400)의 압력과 온도가 달라지므로 가스 유동량을 실시간으로 검출할 수 있는 것이다. 특히, 압력 챔버(400)가 있으므로 프로세스가 진행되고 있는 동안에도 가스 유동량 변화를 감지할 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 압력 챔버(400')는 질량 유량계(100)의 하우징(160) 외부 후단에 마련될 수 있다. 그 이외는 도 2에 도시된 바와 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2를 다시 참조하여 가스의 유동량을 검출하는 과정을 설명하면, 반도체 제조시 사용되는 특정 가스가 질량 유량계(100)로 유입되면, 가스의 흐름은 바이패스 튜브(140)로 분리되어 센서(200)를 직접 통하게 된다. 센서(200)에서는 바이패스 튜브(140)를 통해 흐르는 가스의 흐름에 따라 감지 코일 양측의 온도변화를 감지한 후 온도변화 발생값을 제어 회로부로 출력한다. 그러면, 제어 회로부에서는 센서(200)로부터 입력되는 온도변화 발생값을 토대로 현재의 질량유량을 검출하고, 사용자가 사전에 입력한 설정값과 검출된 질량유량을 비교하여 제어 밸브(320)의 개폐를 조절한다.

따라서, 검출된 질량유량이 사용자가 사전에 입력한 설정값보다 작은 경우에는 제어 밸브(320)를 더 개방하도록 제어하고, 검출된 질량유량이 사용자가 사전에 입력한 설정값보다 큰 경우에는 제어 밸브(320)를 닫도록 제어한다. 그럼으로써, 질량 유량계(100)는 바이패스(140)를 통해 유입되는 가스의 흐름을 조정하여 원하는 가스량이 출력되도록 하는 것이다.

한편, 질량 유량계(100)의 후단에는 압력 챔버(400)가 마련되어 있어서 질량 유량계(100)를 거의 다 통과하거나(도 2), 또는 다 통과한 가스의 유도량을 측정할 수 있다. 가스 유동 속도는 상술한 식에 의해 구해진다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 질량 유량계의 내부 또는 외부 후단에 정량화된 압력 챔버를 부착시킴으로써 실시간으로 플로우(flow)되는 가스의 유동량을 모니터링 할 수 있게 된다. 따라서, 프로세스가 진행되고 있는 중이라도 가스 유동량을 실시간으로 모니터링하여 그에 대해 적절한 대응을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims

유체의 유동량을 제어하는 질량 유량계에 있어서,

상기 질량 유량계 내부를 흐르는 유체의 경로를 제공하는 메인 튜브와;

상기 메인 튜브에서 병렬적으로 분기되어 유체의 흐름을 분배하는 바이패스 튜브와;

상기 바이패스 튜브의 내부를 흐르는 유체의 유동량 변화를 감지하는 센서와;

상기 메인 튜브 및 상기 바이패스 튜브를 통과한 유체의 유동량을 제어하는 제어 밸브와;

상기 제어 밸브를 통과한 유체가 유입되어 상기 질량 유량계 내부를 흐르는 유체의 유동량을 검출하는 유체 유동량 검출부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유량계.
제1항에 있어서,

상기 유체 유동량 검출부는 상기 질량 유동계의 하우징 내부에 설비된 것을 특징으로 하는 질량 유량계.
제1항에 있어서,

상기 유체 유동량 검출부는 상기 질량 유동계의 하우징 외부에 설비된 것을 특징으로 하는 질량 유량계.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유체 유동량 검출부는 압력 챔버인 것을 특징으로 하는 질량 유량계.
유체의 유동량을 제어하는 질량 유량계에 있어서,

상기 질량 유량계 내부를 흐르는 유체의 경로를 제공하는 메인 튜브와;

상기 메인 튜브에서 병렬적으로 분기되어 유체의 흐름을 분배하는 바이패스 튜브와;

상기 바이패스 튜브의 내부를 흐르는 유체의 유동량 변화를 감지하는 센서와;

상기 메인 튜브 및 바이패스 튜브를 통과한 유체의 유동량을 제어하는 제어 밸브와;

상기 제어 밸브를 통과한 유체가 유입되어 상기 질량 유량계 내부를 흐르는 유체의 유동량을 검출하는 압력 챔버를 포함하며,

상기 압력 챔버는,

유체의 유동 속도(cc/min) = 압력 챔버의 체적 ×압력 챔버의 압력 / (273.16 + 압력 챔버의 온도)/시간 ×상수

라는 식에 의해 유체의 유동량을 검출하는 것을 특징으로 하는 질량 유량계.
제5항에 있어서,

상기 압력 챔버는 상기 질량 유동계의 하우징 내부에 설비된 것을 특징으로 하는 질량 유량계.
제5항에 있어서,

상기 압력 챔버는 상기 질량 유동계의 하우징 외부에 설비된 것을 특징으로 하는 질량 유량계.