KR20240052061A - 유량 제어 장치 - Google Patents

Abstract

유량 제어 장치(10)는, 컨트롤 밸브(11)와, 컨트롤 밸브(11)의 하류측에 설치된 스로틀부(12)와, 컨트롤 밸브(11)와 스로틀부(12) 사이의 압력(P1)을 측정하는 상류 압력 센서(13)와, 스로틀부(12)의 상류측과 하류측의 차압(ΔP)을 측정하는 차압 센서(20)와, 컨트롤 밸브(11), 상류 압력 센서(13) 및 차압 센서(20)에 접속된 연산 제어 회로(16)를 구비한다.

Description

유량 제어 장치{FLOW RATE CONTROL DEVICE}

본 발명은 유량 제어 장치에 관한 것이며, 특히, 반도체 제조 설비나 화학품 제조 설비 등의 가스 공급 라인에 설치되는 유량 제어 장치에 관한 것이다.

반도체 제조 장치나 화학 플랜트에 있어서, 재료 가스나 에칭 가스 등의 유량을 제어하기 위해서, 여러가지 타입의 유량계 및 유량 제어 장치가 이용되고 있다. 이 중에서 압력식 유량 제어 장치는, 컨트롤 밸브와 스로틀부(예를 들면 오리피스 플레이트나 임계 노즐)를 조합시킨 비교적 간단한 기구에 의해 각종 유체의 질량 유량을 고정밀도로 제어할 수 있으므로 널리 이용되고 있다. 압력식 유량 제어 장치는, 열식 유량 제어 장치와는 달리, 1차측 공급압이 크게 변동되어도 안정된 유량 제어를 행할 수 있다는 우수한 유량 제어 특성을 갖고 있다.

압력식 유량 제어 장치에는, 스로틀부의 상류측의 유체 압력(이하, 상류 압력(P1)이라 부를 경우가 있다)을 제어함으로써 유량을 조정하는 것이 있다. 또한, 상류 압력(P1)은 스로틀부의 상류측에 배치된 컨트롤 밸브의 개도를 조정함으로써 제어된다.

상류 압력(P1)에 대한 하류 압력(P2)(스로틀부의 하류측의 유체 압력)이 충분히 작을 경우, 스로틀부를 통과하는 가스의 속도는 음속으로 고정되고, 질량 유량은 하류 압력(P2)에 의하지 않고 상류 압력(P1)에 의해 결정된다. 이 때, 상류 압력(P1)을 측정하는 압력 센서의 출력에 의거하여 컨트롤 밸브를 피드백 제어함으로써, 유량을 제어하는 것이 가능하다. 이와 같은 거동이 발생하는 압력 조건을 임계 팽창 조건이라 부르고, 예를 들면 P2/P1≤α와 같이 기정된다. 좌측의 식에 있어서의 α는 임계 압력비라 불리며, 가스 종류에 따라 다르지만, 대략 0.45부터 0.6의 값을 취한다.

또한, 특허문헌 1에는, 스로틀부의 상류측뿐만 아니라 하류측에도 압력 센서를 형성한 압력식 유량 제어 장치가 기재되어 있다. 이와 같은 압력식 유량 제어 장치에서는, 하류 압력(P2)이 비교적 크고, 상기 임계 팽창 조건을 충족시키지 않을 경우라도, 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)의 쌍방에 의거하여 유량을 연산에 의해 구할 수 있다. 이 때문에, 보다 넓은 유량 범위에 걸쳐 유량 제어를 행할 수 있다.

특허문헌 1에 기재된 압력식 유량 제어 장치에 있어서, 임계 팽창 조건하에서는 상류 압력(P1)을 참조하는 비례 제어가 행해진다. 한편, 비임계 팽창 조건하에서는 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)을 참조하는 차압 제어가 행해진다.

구체적으로는, 임계 팽창 조건하에서는, 유량(Q)=K1·P1(K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수)의 관계가 성립하므로, 상류 압력(P1)에 의거하는 비례 제어가 행해진다. 한편, 비임계 팽창 조건하에서는, 유량(Q)=K2·P2^m(P1-P2)ⁿ(K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수, 지수(m, n)는 실제의 유량으로부터 도출된 값)의 관계가 성립하므로, 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)에 의거하는 차압 제어가 행해진다. 실제의 동작으로서는, 임계 팽창 조건하 및 비임계 팽창 조건하에 있어서의 상기 식에 따라서 연산 유량(Qc)이 구해지고, 이 연산 유량(Qc)과 입력된 설정 유량(Qs)의 차가 0으로 되도록 컨트롤 밸브의 개도 조정이 행해진다.

상기 비례 제어와 차압 제어의 스위칭은, 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 비인 P2/P1이 임계 압력비(α)에 대응하는 역치를 초과하는지의 여부에 따라서 행해진다. 가스의 종류에 따라 임계 압력비는 다르지만, 역치를, 사용 대상의 전체 가스 종류의 임계 압력비 이하로 설정함으로써, 사용 대상의 전체 가스 종류에 대응시킬 수 있다.

일본 특허공개 2004-138425호 공보 일본 특허 제 4204400호 공보

상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)에 의거하여 유량을 구하도록 구성된 유량 제어 장치는 특허문헌 2에도 기재되어 있다. 특허문헌 2의 유량 제어 장치에서는, 오리피스의 상류측과 하류측에 각각 압력 센서를 따로따로 형성하고, 각 압력 센서의 출력으로부터 유량을 구하고 있다.

요즘, 이와 같은 유량 제어 장치에 있어서, 하류 압력(P2)이 종래보다 높은 상태에서 유량 제어를 행하는 것이 요구되고 있고, 이와 같은 조건에 있어서는, 각 압력 센서의 정밀도 오차, 특히 압력 센서의 제로점 어긋남 등에 의해, 유량 측정 오차가 비교적 커지는 것을 본원 발명자는 찾아냈다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 압력 센서의 제로 점 어긋남 등에 기인하는 정밀도 저하가 발생하기 어렵고 제어 유량 범위가 넓은 유량 제어 장치를 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.

본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어 장치는, 컨트롤 밸브와, 상기 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 스로틀부와, 상기 컨트롤 밸브와 상기 스로틀부 사이의 압력을 측정하는 상류 압력 센서와, 상기 스로틀부의 상류측과 하류측의 차압을 측정하는 차압 센서와, 상기 컨트롤 밸브, 상기 상류 압력 센서 및 상기 차압 센서에 접속된 연산 제어 회로를 구비한다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 연산 제어 회로는, 상기 상류 압력 센서의 출력과 상기 차압 센서의 출력에 의거하여 결정되는 연산 유량이 설정 유량으로 되도록 상기 컨트롤 밸브의 제어를 행한다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤 밸브의 제어는, 연산 유량(Qc)이 Qc=K2·(P1-ΔP)^mΔPⁿ 또는 Qc=C1·P1/√T·(((P1-ΔP)/P1)^m-((P1-ΔP)/P1)ⁿ)^1/2에 따라 결정되는 차압 제어를 포함하고, 상기 식에 있어서, P1은 상기 상류 압력 센서가 출력하는 상류 압력, ΔP는 상기 차압 센서가 출력하는 차압, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수, m, n은 실제의 유량으로부터 도출된 정수, C1은 오리피스 단면적을 포함하는 계수, T는 가스 온도이다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤 밸브의 제어는, 연산 유량(Qc)이 Qc=K1·P1에 따라서 결정되는 비례 제어를 더 포함하고, 상기 식에 있어서 K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수이다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 상류 압력 센서의 출력과, 상기 상류 압력 센서의 출력으로부터 상기 차압 센서의 출력을 감산함으로써 얻어지는 연산 하류 압력의 비를, 미리 설정된 역치와 비교함으로써, 상기 비례 제어 또는 상기 차압 제어 중 어느 하나로 결정된다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 차압 센서는, 상기 스로틀부의 상류측의 유로에 접속되는 1차측 접속 부재와, 상기 스로틀부의 하류측의 유로에 접속되는 2차측 접속 부재와, 상기 1차측 접속 부재 및 상기 2차측 접속 부재에 접속되고, 차압을 측정하는 센서칩을 내장하는 센서 본체를 구비하고, 상기 센서칩은, 상기 스로틀부의 상류측의 압력이 전달되는 일방의 면과 상기 스로틀부의 하류측의 압력이 전달되는 타방의 면을 갖는 감압부와, 상기 감압부의 변형을 검지하는 변형 센서를 포함한다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 2차측 접속 부재는 접속 위치 조정 가능한 배관 부재를 구비한다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 상류 압력 센서와 상기 차압 센서가 일체적으로 형성되어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따른 유량 제어 장치는, 컨트롤 밸브와, 상기 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측과 하류측의 차압을 측정하는 차압 센서와, 상기 스로틀부의 하류측의 압력을 측정하는 하류 압력 센서와, 상기 컨트롤 밸브, 상기 차압 센서 및 상기 하류 압력 센서에 접속된 연산 제어 회로를 구비한다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 연산 제어 회로는, 상기 차압 센서의 출력과 상기 하류 압력 센서의 출력에 의거하여 결정되는 연산 유량이 설정 유량으로 되도록 상기 컨트롤 밸브의 제어를 행한다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤 밸브의 제어는, 연산 유량(Qc)이 Qc=K2·P2^m·ΔPⁿ 또는 Qc=C1·(ΔP+P2)/√T·((P2/(ΔP+P2))^m-(P2/(ΔP+P2))ⁿ)^1/2에 따라서 결정되는 차압 제어를 포함하고, 상기 식에 있어서, ΔP는 상기 차압 센서가 출력하는 차압, P2는 상기 하류 압력 센서가 출력하는 하류 압력, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수, m, n은 실제의 유량으로부터 도출된 정수, C1은 오리피스 단면적을 포함하는 계수, T는 가스 온도이다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 컨트롤 밸브의 제어는, 연산 유량(Qc)이 Qc=K1·(ΔP+P2)에 따라서 결정되는 비례 제어를 더 포함하고, 상기 식에 있어서 K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수이다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 차압 센서의 출력에 상기 하류 압력 센서의 출력을 가산함으로써 얻어지는 연산 상류 압력과, 상기 하류 압력 센서의 출력의 비를, 미리 설정된 역치와 비교함으로써, 상기 비례 제어 또는 상기 차압 제어 중 어느 하나로 결정된다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 압력 센서의 오차에 강한 압력식의 유량 제어 장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어 장치가 장착된 가스 공급계를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어 장치를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어 장치의 보다 구체적인 구성을 나타내는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어 장치가 구비하는 차압 센서를 나타내는 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 차압 센서가 구비하는 센서칩을 나타내는 단면도이다.
도 6은 실시예에 있어서의, 압력 센서의 제로점 어긋남의 크기와 유량 오차의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 비교예에 있어서의, 압력 센서의 제로점 어긋남의 크기와 유량 오차의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 차압 센서가 구비하는 센서칩을 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 유량 제어 장치를 사용하여 행하는 유량 제어의 예시적인 플로우차트이다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어 장치를 모식적으로 더 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어 장치의 보다 구체적인 구성을 더 나타내는 측면도이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 압력식의 유량 제어 장치(10)가 장착된 가스 공급계(1)를 나타낸다. 가스 공급계(1)는, 가스 공급원(2)과, 가스 공급 라인을 형성하는 유로(4)에 설치된 유량 제어 장치(10)와, 유량 제어 장치(10)의 상류측 및 하류측에 설치된 개폐 밸브(온오프 밸브)(3, 5)와, 개폐 밸브(5)의 하류측에 접속된 프로세스 챔버(6)와, 프로세스 챔버(6)에 접속된 진공 펌프(7)를 포함하고 있다.

유량 제어 장치(10)는 유로(4)를 흐르는 가스의 유량을 제어하도록 설치되어 있다. 진공 펌프(7)는, 프로세스 챔버(6) 및 유로(4)를 진공 당길 수 있고, 유량 제어 장치(10)의 하류측이 감압된 상태에서 유량 제어된 가스가 프로세스 챔버(6)에 공급된다. 가스 공급원(2)으로부터는, 원료 가스, 에칭 가스 또는 캐리어 가스 등, 반도체의 제조 프로세스에 사용되는 여러가지 가스가 공급되면 좋다.

또한, 도 1에는 1계통의 가스 공급 라인만이 나타내어져 있지만, 각 가스에 대응한 복수의 가스 공급 라인이 프로세스 챔버(6)에 접속되어 있어도 좋다. 또한, 본 실시형태에서는, 유량 제어 장치(10)의 상류측 및 하류측에 개폐 밸브(3, 5)를 설치하고 있지만, 하류측의 개폐 밸브(5)는 유량 제어 장치(10)의 출구측에 내장되어서 있어도 좋다. 개폐 밸브(3, 5)로서는, 차단성 및 응답성이 양호한 밸브, 예를 들면, 공기 구동 밸브(AOV), 전자 밸브(솔레노이드 밸브), 전동 밸브가 적합하게 사용된다.

도 2는 본 실시형태의 유량 제어 장치(10)의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 유량 제어 장치(10)는, 유로(4)에 개재되는 컨트롤 밸브(11)와, 컨트롤 밸브(11)의 하류측에 설치된 스로틀부(12)와, 컨트롤 밸브(11)와 스로틀부(12) 사이의 압력(상류 압력)(P1)을 측정하는 상류 압력 센서(13)와, 스로틀부(12)의 상류측과 하류측의 차압(ΔP)을 직접적으로 측정하는 차압 센서(20)와, 컨트롤 밸브(11)의 상류측의 압력(공급 압력)(P0)을 측정하는 유입 압력 센서(14)와, 유체의 온도(T)를 측정하는 온도 센서(15)와, 연산 제어 회로(16)를 구비하고 있다.

연산 제어 회로(16)에는, 상류 압력 센서(13), 차압 센서(20), 유입 압력 센서(14), 온도 센서(15) 등이 접속되어 있고, 연산 제어 회로(16)는 각 센서의 출력을 수취할 수 있다. 또한, 연산 제어 회로(16)는, 컨트롤 밸브(11)의 구동 소자에 접속되어 있고, 각 센서의 출력에 의거하여 컨트롤 밸브(11)의 개도를 조정하고, 스로틀부(12)의 하류측으로 흐르는 가스의 유량을 제어할 수 있다.

도 3은, 본 실시형태의 유량 제어 장치(10)의 구체적인 구성을 나타내는 측면도 및 내부의 유로(파선)를 나타내는 도면이다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 유로(4)는 본체 블록(17) 및 출구 블록(18)에 구멍을 형성함으로써 형성되어 있다. 본체 블록(17) 및 출구 블록(18)은, 적합하게는, 사용하는 가스와의 반응성을 갖지 않는 물질, 예를 들면, 스테인리스강(SUS316L 등)으로 형성된다. 또한, 도 3에는, 도 2에 나타낸 온도 센서(15)는 나타내고 있지 않지만, 유로(4)의 근방에 바닥면 구멍을 형성해 그 내부에 서미스터 등을 배치함으로써 온도 센서로서 사용할 수 있다.

본체 블록(17)의 상면에는, 유입 압력 센서(14), 컨트롤 밸브(11), 상류 압력 센서(13) 및 차압 센서(20)의 1차측 포트가 부착되어 있고, 이것들은 스로틀부(12)의 상류측의 유로(4)와 유통하고 있다. 또한, 출구 블록(18)의 상면에는 차압 센서(20)의 2차측 포트가 접속되어 있고, 스로틀부(12)의 하류측의 유로(4)와 유통하고 있다.

본체 블록(17)과 출구 블록(18)의 임계에 있어서, 스로틀부(12)로서의 오리피스 부재, 보다 구체적으로는 오리피스 플레이트가 내장된 개스킷형 오리피스 부재가 설치되어 있다. 단, 스로틀부(12)는, 오리피스 플레이트에 한정되지 않고, 음속 노즐 등을 사용하여 구성할 수도 있다. 오리피스 또는 노즐의 구경은, 예를 들면 10㎛~500㎛로 설정된다.

상류 압력 센서(13)는, 컨트롤 밸브(11)와 스로틀부(12) 사이의 유로의 압력(상류 압력(P1))을 측정할 수 있고, 상류 압력(P1)에 의거하는 비례 유량 제어를 위해 사용된다. 또한, 유입 압력 센서(14)는, 가스 공급원(2)(예를 들면 원료 기화기)으로부터 공급되는 가스의 압력(공급 압력(P0))을 측정할 수 있고, 가스 공급량 또는 공급압을 조정하기 위해서 사용된다. 상류 압력 센서(13) 및 유입 압력 센서(14)는, 예를 들면 규소 단결정의 센서칩과 다이어프램을 내장하는 것이면 좋다.

또한, 차압 센서(20)는, 컨트롤 밸브(11)와 스로틀부(12) 사이의 압력과, 스로틀부(12)의 하류측의 압력의 차압(ΔP)을 직접적으로 측정하도록 구성되어 있고, 차압 유량 제어를 행하기 위해서 사용된다. 차압 센서(20)도 규소 단결정의 센서칩과 다이어프램을 내장하는 것이면 좋다. 차압 센서(20)의 상세 구성에 대해서는 후술한다.

컨트롤 밸브(11)는, 예를 들면, 밸브체로서의 금속제 다이어프램과, 이것을 구동하는 구동 장치로서의 피에조 소자(피에조 액추에이터)에 의해 구성된 피에조 소자 구동식 밸브이면 좋다. 피에조 소자 구동식 밸브는, 피에조 소자에의 구동 전압에 따라 개도를 변경하는 것이 가능하고, 구동 전압의 제어에 의해 임의 개도로 조정하는 것이 가능하다.

본 실시형태에서는 본체 블록(17)의 상류측에, 유입구를 갖는 입구 블록(19)이 개스킷을 통해서 고정되고, 본체 블록(17)의 하류측에, 유출구를 갖는 출구 블록(18)이 개스킷형 오리피스 부재(스로틀부(12))를 통해서 고정되어 있다. 입구 블록(19) 및 출구 블록(18)도, 예를 들면 스테인리스강(SUS316L 등)으로 형성된다.

입구 블록(19) 및 출구 블록(18)에 형성된 유로는 비교적 굵게 형성되어 있는 것에 대해서, 본체 블록(17)의 특히 컨트롤 밸브(11)와 스로틀부(12) 사이의 유로는 가능한 한 가늘게 형성되어 있다. 또한, 컨트롤 밸브(11)의 하류측의 유로는, 컨트롤 밸브(11)의 밸브체의 중앙부로부터 직하하도록 연장되어 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 컨트롤 밸브(11)를 폐쇄했을 때의, 컨트롤 밸브(11)와 스로틀부(12) 사이의 내용적을 최대한 작게 할 수 있다. 이것에 의해, 컨트롤 밸브(11)를 폐쇄한 후에 스로틀부(12)를 통해 유출되는 가스의 양이 저감되고, 입하 응답성을 향상시킬 수 있다. 컨트롤 밸브(11)의 하류측의 유로의 지름은, 전형적으로는, 컨트롤 밸브(11)의 상류측의 유로의 지름보다 작게 설계된다.

연산 제어 회로(16)는, 예를 들면, 회로 기판 상에 설치된 프로세서나 메모리 등으로 구성되고, 입력 신호에 의거해서 소정의 연산을 실행하는 컴퓨터 프로그램을 포함하고, 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 실현될 수 있다. 도시하는 형태에서는 연산 제어 회로(16)는, 유량 제어 장치(10)에 내장되어 있지만, 그 구성 요소의 일부(CPU 등) 또는 전부가 유량 제어 장치(10)의 외측에 설치되어 있어도 좋다.

이하, 도 4 및 도 5를 참조해서, 유량 제어 장치(10)가 구비하는 차압 센서(20)의 구성을 설명한다.

차압 센서(20)는, 스로틀부(12)의 상류측에 접속되는 1차측 접속 부재(21)와, 스로틀부(12)의 하류측에 접속되는 2차측 접속 부재(22)와, 1차측 접속 부재(21) 및 2차측 접속 부재(22)에 접속되는 센서 본체(23)에 의해 구성되어 있다. 차압 센서(20)에 있어서, 센서 본체(23)의 하면에 1차측 접속 부재(21)가 고정되고, 센서 본체(23)의 측면에 2차측 접속 부재(22)가 고정되어 있다.

차압 센서(20)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 스로틀부(12)를 걸치도록 해서, 본체 블록(17) 및 출구 블록(18)에 부착된다. 이 때, 1차측 포트와 2차측 포트의 2개소에서의 고정이 필요하게 되므로, 위치 어긋남이 발생하기 쉽다. 이 때문에, 2차측 접속 부재(22)는, 어느 정도, 접속 위치 조정하기 쉽도록 설계되어 있는 것이 바람직하고, 본 실시형태에서는, 변형 가능한 배관 부재로서의 L자형으로 절곡된 얇은 금속제 세관을 사용하여 구성되어 있다. 이것에 의해, 차압 센서(20)를 고정할 때에 위치 어긋남이 발생했을 때에도, 2차측 접속 부재(22)를 변형시켜서 고정을 적절히 행할 수 있다. 2차측 접속 부재(22)로서는 보다 유연한 튜브재를 사용할 수도 있다.

차압 센서(20)에 있어서, 상류 압력(P1)은 1차측 접속 부재(21)를 개재해서 센서 본체(23)에 내장된 센서칩에 전달되고, 하류 압력(P2)은 2차측 접속 부재(22)를 개재해서 동일 센서칩에 전달된다. 압력의 전달은, 예를 들면, 압력 전달용의 봉입액 등을 사용하여 행할 수 있다.

도 5는 센서 본체(23)에 내장된 센서칩(30)을 나타내는 단면도이다. 센서칩(30)은 박판 형상의 감압부(다이어프램)(31)를 갖고 있다. 감압부(31)는, 예를 들면, 규소 단결정을 절삭 가공함으로써 형성된다.

센서칩(30)에 있어서, 감압부(31)의 일방의 면(여기에서는 하면)은 제 1 봉입액(28)에 접하고 있고, 타방의 면(여기에서는 상면)은 제 2 봉입액(29)에 접하고 있다. 제 1 봉입액(28)은 상류 압력(P1)을 전달하는 것이며, 제 2 봉입액(29)은 하류 압력(P2)을 전달하는 것이다. 이 구성에 있어서, 감압부(31)의 일방의 면에는 상류 압력(P1)이 전달되고, 감압부(31)의 타방의 면에는 하류 압력(P2)이 전달된다. 또한, 센서칩(30)은 주위를 둘러싸는 지지 부재(34)에 의해 센서 본체(23)에 고정되어 있다.

또한, 센서칩(30)의 감압부(31)에는 변형 센서(또는 피에조 저항체)(32)가 형성되어 있다. 변형 센서(32)는, 감압부(31)에 발생하는 응력이나 변형을 검출하는 것이 가능한 한, 단체로 구성되어 있어도 좋고, 복수로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 그 부착 위치에 대해서도 도시하는 형태에 한정되는 것은 아니다. 감압부(31)에 배치된 변형 센서(32)의 출력(전기 저항값의 변화)은, 변형 센서(32)에 접속된 배선(24)(도 4 참조)을 통해 연산 제어 회로(16)에 전송된다.

이상의 구성을 갖는 차압 센서(20)에 있어서, 상류 압력(P1)은, 제 1 봉입액(28)을 통해서 센서칩(30)의 감압부(31)의 일방의 면에 전달된다. 또한, 하류 압력(P2)은, 제 2 봉입액(29)을 통해서 센서칩(30)의 감압부(31)의 타방의 면에 전달된다. 그리고, 감압부(31)에는, 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차압의 크기에 따른 표면 응력이 발생하고, 차압의 크기에 따른 변형이 발생한다.

감압부(31)의 변형의 크기는 변형 센서(32)의 전기 저항값 변화로서 배선(24)을 통해 검출된다. 이와 같이 하여, 차압 센서(20)는, 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차압(ΔP)을, 각 압력의 절대값으로부터 감산에 의해 간접적으로 구하는 것은 아니고, 변형 센서(32)를 사용해서 직접적으로 측정할 수 있다. 또한, 변형 센서(32)는, 통상, 브릿지 회로에 장착되어 있고, 변형 센서(32)의 변형량(저항값 변화)은 브리지 출력 신호로 해서 출력되고, 브리지 출력 신호로부터 차압(ΔP)을 구하는 것이 가능하다.

또 다시 도 3을 참조해서, 본 실시형태의 유량 제어 장치(10)에서는, 상류 압력 센서(13)를 사용하여 상류 압력(P1)을 측정할 수 있음과 아울러, 차압 센서(20)를 사용해서 스로틀부(12)의 양측의 차압(ΔP)을 측정할 수 있다. 그리고, 유량 제어 장치(10)는, 임계 팽창 조건을 충족시키고 있는지의 여부를, 상류 압력(P1)과 차압(ΔP)에 의거해서 판단한다. 보다 구체적으로는, (P1-ΔP)/P1이, 임계 압력비에 대응하는 역치(예를 들면, 0.45)를 초과하고 있는지의 여부에 의해 임계 팽창 조건하인지, 비임계 팽창 조건하인지를 판단한다. 역치는, 전체 가스 종류에 대응하는 값을 사용해도 좋고, 가스 종류마다 설정된 값을 사용해도 좋다.

상기 (P1-ΔP)는 하류 압력(P2)에 대응하는 압력이다. 단, 하류 압력 센서를 사용하여 측정된 것은 아니고, 상류 압력 센서(13)와 차압 센서(20)의 측정 결과로부터 연산에 의해 구해지는 것이다. 그래서, 본 명세서에서는, 구별을 위해, 연산에 의해 구해지는 (P1-ΔP)를 연산 하류 압력(P2')이라고 부를 경우가 있다.

임계 팽창 조건하인지의 여부의 판정은, 상기와 같이 P2'/P1이 역치를 초과하는지의 여부에 의해 행하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, P1/P2'가 역치(예를 들면, 2.2)를 초과할 경우에, 임계 팽창 조건하라고 판정해도 좋다. 적합한 형태에 있어서는, 상류 압력 센서가 출력하는 상류 압력(P1)과, 상류 압력(P1)으로부터 차압 센서가 출력하는 차압(ΔP)을 감산함으로써 얻어지는 연산 하류 압력(P2')의 비를, 미리 설정된 대응하는 역치와 비교함으로써 판정이 행해진다. 단, 상류 압력(P1) 및 차압(ΔP)을 사용하는 것인 한, 다른 적절한 판정식도 사용할 수 있다. 또한, 상기와 같이 역치를 초과했는지의 여부가 아니라, 역치 이상인지의 여부에 의해 판정해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

유량 제어 장치(10)는, 임계 팽창 조건하라고 판단했을 경우, 상류 압력(P1)에 의거하는 비례 제어에 의한 유량 제어를 행한다. 한편, 비임계 팽창 조건하라고 판단했을 경우, 상류 압력(P1)과, 연산 하류 압력(P2')(=P1-ΔP) 또는 차압(ΔP)에 의거하는 차압 제어에 의한 유량 제어를 행한다.

보다 구체적으로는, 임계 팽창 조건하에서는, 유량(Qc)=K1·P1(K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수)의 관계가 성립하므로, 상류 압력(P1)에 의거하는 비례 제어를 행한다. 한편, 비임계 팽창 조건하에서는, 유량(Qc)=K2·P2'^m(P1-P2')ⁿ=K2·P2'^m(ΔP)ⁿ=K2·(P1-ΔP)^mΔPⁿ(K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수, 지수(m, n)는 실제의 유량으로부터 도출된 정수)의 관계가 성립하므로, 상류 압력(P1)과, 연산 하류 압력(P2') 또는 차압(ΔP)에 의거하는 차압 제어를 행한다. 연산 제어 회로(16)는, 상기 식에 의해 구해진 연산 유량(Qc)과, 입력된 설정 유량(Qs)의 차를 구하고, 이 차가 0에 근접하도록 컨트롤 밸브(11)의 개도를 피드백 제어한다. 이것에 의해, 스로틀부(12)의 하류측에 설정 유량(Qs)으로 가스를 흐르게 하는 것이 가능하다.

또한, 상기 비례 제어 및 차압 제어로서는, 공지의 여러가지 방법을 채용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 특허문헌 2에 기재되어 있는 방법과 마찬가지로, 차압 제어를 행할 때에는 하기 식에 따라 연산 유량(Qc)을 구하도록 해도 좋다.

Qc=C1·P1/√T·((P2'/P1)^m-(P2'/P1)ⁿ)^1/2=C1·P1/√T·(((P1-ΔP)/P1)^m-((P1-ΔP)/P1)ⁿ)^1/2

상기 식에 있어서, C1은 오리피스 단면적을 포함하는 계수, P1은 상류 압력(Pa), T는 가스 온도(K), P2'는 연산 하류 압력(Pa), m 및 n은 실제의 유량으로부터 도출된 정수이다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 방법과 마찬가지로, 차압 제어를 행할 때에는, 연산 하류 압력(P2')과 유량 오차의 관계를 기억한 보정 데이터 기억 회로를 사용하여 연산 유량을 보정하도록 해도 좋다. 본 실시형태의 유량 제어 장치(10)는, 하류 압력 센서에 의해 측정한 하류 압력(P2)을 사용하는 대신에 연산 하류 압력(P2')을 사용하는 것을 제외하고, 특허문헌 2 등에 기재된 여러가지 공지의 유량 제어 방식을 채용할 수 있다. 마찬가지로, 본 실시형태의 유량 제어 장치(10)는, 상류 압력 센서 및 하류 압력 센서의 측정값으로부터 연산에 의해 구한 (P1-P2)를 사용하는 대신에, 차압 센서를 사용하여 직접 측정한 차압(ΔP)을 사용하는 것을 제외하고, 특허문헌 2 등에 기재된 여러가지 공지의 유량 제어 방식을 채용할 수 있다.

이하, 본 실시형태의 유량 제어 장치에 있어서, 절대압 센서인 하류 압력 센서에 의한 하류 압력(P2)을 사용하는 것은 아니고, 상류 압력 센서 및 차압 센서에 의한 연산 하류 압력(P2')을 사용하는 이유에 대하여 설명한다.

도 6 및 도 7은, 각각 실시예 및 비교예에 있어서의, 압력 센서 및 차압 센서의 제로점 변동량(㎪)과 유량 오차(%S.P.)의 관계를 나타내는 그래프(시뮬레이션 결과)이다. 도 6의 실시예는, 도 3에 나타낸 차압 센서를 구비하는 유량 제어 장치를 사용했을 경우에 대응하고 있고, 도 7의 비교예는, 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 상류 압력 센서와 하류 압력 센서를 구비한 종래의 유량 제어 장치를 사용했을 경우에 대응하고 있다. 또한, 제로점 변동량이란, 어느 압력에 있어서도 발생하는, 실제의 압력과 측정 압력의 차(시프트량)를 의미하고, 압력 센서에 있어서 전부 교정할 수 없는 오차나, 압력 센서의 장기간의 사용에 따라 발생하는 측정 압력의 어긋남, 또는, 온도에 의한 측정 압력의 어긋남(온도 드리프트) 등에 대응하는 것이다.

도 6에는, 상류 압력 센서(P1 센서)와 차압 센서 중 어느 일방에 제로점 변동이 발생하고 있고, 측정 압력이 실제의 압력값과 다를 경우에, 오차에 의한 압력의 어긋남의 크기가 유량에 어떻게 영향을 주는지를 나타내고 있다. 마찬가지로, 도 7에는, 상류 압력 센서(P1 센서)와 하류 압력 센서(P2 센서) 중 어느 일방에 제로점 변동이 발생하고 있고, 측정 압력이 실제의 압력값과 다를 경우에, 오차에 의한 압력의 어긋남의 크기가 유량에 어떻게 영향을 주는지를 나타내고 있다. 또한, 유량 오차는 차압 제어를 행할 때에 발생하는 유량 오차를 나타내고 있다.

도 6에 있어서, 「차압 센서 고정」이란, 차압 센서에 제로점 변동이 발생하고 있지 않는 한편 P1 센서에 제로점 변동이 발생하고 있는 것을 의미하고, 「P1 센서 고정」이란, P1 센서에 제로점 변동이 발생하고 있지 않는 한편 차압 센서에 제로점 변동이 발생하고 있는 것을 의미한다. 마찬가지로, 도 7에 있어서, 「P2 센서 고정」이란, P2 센서에 제로점 변동이 발생하고 있지 않는 한편 P1 센서에 제로점 변동이 발생하고 있는 것을 의미하고, 「P1 센서 고정」이란, P1 센서에 제로점 변동이 발생하고 있지 않는 한편 P2 센서에 제로점 변동이 발생하고 있는 것을 의미한다.

또한, 도 6 및 도 7에는, 하류 압력(P2)이 100Torr일 경우와 400Torr일 경우의 2종류의 그래프가 나타내어져 있다. 상류 압력(P1)이 2280Torr일 때에 100% 유량(최대 제어 유량)으로 가스를 흐르게 하도록 구성된 유량 제어 장치에 있어서, 하류 압력(P2)이 100Torr일 때는, 상류 압력(P1)이 222Torr(9.7% 유량에 대응) 이하이면 차압 제어가 행해진다. 또한, 동 장치에 있어서, 하류 압력(P2)이 400Torr일 때는, 39.0% 이하에 있어서 차압 제어가 행해진다. 도 6 및 도 7에는, 4% 유량으로 가스를 흐르게 하도록 차압 제어를 행했을 때의 관계가 나타내어져 있다.

도 6에 나타내는 실시예에서는, P1 센서에 제로점 변동이 발생하고 있을 경우(차압 센서 고정)에 있어서, 그 변동량이 비교적 크고, 예를 들면, ±0.2㎪의 제로점 변동이 발생하고 있었다고 해도, 유량 오차는 ±1%S.P. 이내로 해결된다. 이것은, 하류 압력(P2)이 100Torr일 때에도, 400Torr일 때에도 말할 수 있는 것이며, 하류 압력(P2)이 클 때일수록 P1 센서의 제로점 변동이 유량 정밀도에 부여하는 오차의 정도는 작게 되어 있다. 또한, 유량 오차가 ±1%S.P. 이내일 경우, 일반적으로는, 정밀도 좋게 유량 제어가 행해지고 있는 것이라 생각할 수 있다. 이하, 유량 오차가 ±1%S.P. 이내로 해결되는 제로점 변동량을 허용 변동량이라 부를 경우가 있다.

또한, 도 6에 나타내는 실시예에 있어서, 차압 센서에 제로점 변동이 발생하고 있을 경우(P1 센서 고정)에는, 하류 압력(P2)이 100Torr로 비교적 작을 때에는, 허용 변동량은 ±0.1㎪ 정도이며, 하류 압력(P2)이 400Torr로 비교적 클 때에는, 허용 변동량은 ±0.02㎪ 정도로 매우 좁은 범위로 되어 있다.

한편, 도 7에 나타내는 비교예에서는, P1 센서에 제로점 변동이 발생하고 있을 경우(P2 센서 고정)에도, P2 센서에 제로점 변동이 발생하고 있을 경우(P1 센서 고정)에도, 비교적 좁은 허용 변동량으로 되어 있다. 특히, 하류 압력(P2)이 400Torr로 비교적 클 때에는, P1 센서 및 P2 센서 중 어느 하나에 제로점 변동이 발생했을 때에도, 그 허용 변동량(ε)은 ±0.02㎪이며, 매우 좁은 범위로 되어 있다.

이상의 점으로부터, 적어도 상류 압력 센서(P1 센서)에 제로점 변동이 발생하고 있을 경우에 있어서는, 실시예의 유량 제어 장치의 쪽이, 비교예의 유량 제어 장치에 비하여 허용 변동량이 크고, 제로점 어긋남에 강한 것을 알 수 있다. 그리고, 실시예에 있어서는, 상류 압력 센서의 제로점 변동은, 하류 압력(P2)이 클 때일수록 유량 오차에 반영되기 어렵다. 따라서, 실시예의 쪽이, 하류 압력(P2)이 크고 소유량의 유량 제어를 행할 때에 유리한 것을 알 수 있다.

또한, 차압 센서를 사용한 본 실시형태의 유량 제어 장치에서는, 차압 센서의 제로점 변동이 비교적 발생하기 어렵다는 특징이 있다. 그 이유는, 차압 센서의 제로점 교정은, 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)이 동일하면, 그것들의 크기에 관계 없이 적절히 실행하는 것이 가능하고, 유량 제어 장치가 라인에 탑재된 상태에서도전후에 설치된 밸브를 폐지함으로써 교정이 가능하기 때문이다. 이것에 대하여, 상류 압력 센서 및 하류 압력 센서의 제로점 교정은, 이상적으로는 압력이 완전히 0인 진공 공간에 접속한 상태에서 행해질 필요가 있지만, 이와 같은 진공 공간을 실현하는 것은 용이하지 않고, 또한, 기준이 되는 진공도를 측정하는 센서가 필요해지기 때문에, 라인에 탑재된 상태에서는 실질적으로 교정을 행할 수 없다. 따라서, 차압 센서에 비하면, 상류 압력 센서 및 하류 압력 센서의 제로점 변동은 커지기 쉽다.

이와 같이, 본 실시형태의 유량 제어 장치(10)에 의하면, 차압 센서의 제로점 변동은 비교적 작고, 또한, 상류 압력 센서의 제로점 변동이 발생하고 있었다고 해도, 비교적 높은 정밀도로 유량 제어를 행할 수 있다. 특히, 하류 압력(P2)이 높고, 소유량의 제어를 행할 때에도 상류 압력 센서의 제로점 변동이 유량 오차에 반영되기 어려우므로, 넓은 제어 범위에 걸쳐 적절히 유량 제어를 행할 수 있다.

이하, 도 8 및 도 9를 참조하면서, 다른 실시형태의 유량 제어 장치(10A)에 대하여 설명한다. 또한, 도 3~도 5에 나타낸 실시형태의 유량 제어 장치(10)와 마찬가지의 구성을 갖는 요소에 대해서는, 동일 참조 부호를 붙임과 아울러 설명을 생략할 경우가 있다.

도 8은 유량 제어 장치(10A)의 구체적인 구성을 나타내는 측면도 및 내부의 유로(파선)를 나타내는 도면이다. 유량 제어 장치(10A)에서는 도 3에 나타낸 유량 제어 장치(10)와는 달리, 상류 압력 센서와 차압 센서를 별개로 형성하는 대신에, 상류 압력 센서와 차압 센서가 일체적으로 형성된 일체형 센서(35)가 형성되어 있다.

일체형 센서(35)의 1차측 포트는 스로틀부(12)의 상류측(본체 블록(17))에 접속되고, 일체형 센서(35)의 2차측 포트는 스로틀부(12)의 하류측(출구 블록(18))에 접속된다. 일체형 센서(35)는, 종래의 유량 제어 장치의 본체 블록에 형성되어 있던 상류 압력 센서용의 부착부 및 하류 압력 센서용의 부착부를 이용해서 부착하는 것도 가능하다.

도 9는, 일체형 센서(35)가 구비하는 센서칩(30A)의 구성을 나타내는 단면도이다. 센서칩(30A)에 있어서, 제 1 봉입액(28)은, 차압(ΔP)을 측정하기 위한 감압부(31)와, 상류 압력(P1)을 측정하기 위한 제 2 감압부(37)의 쌍방에 접하고 있다.

감압부(31)의 대향면에는, 도 5에 나타낸 센서칩(30)과 마찬가지로, 제 2 봉입액(29)이 접하고 있고, 변형 센서(32)를 사용해서 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차압(ΔP)을 측정할 수 있다. 한편, 제 2 감압부(37)의 대향면은, 내부가 진공압(Pv)으로 유지된 진공실(36)에 접하고 있다. 이 구성에 있어서, 제 2 감압부(37)에 부착된 변형 센서(38)는, 제 2 감압부(37)에 발생한 응력, 즉, 상류 압력(P1)의 크기에 따른 응력을 검출할 수 있다.

이상에 설명한 센서칩(30A)을 구비한 일체형 센서(35)에서는, 상류 압력(P1)과 차압(ΔP)의 양방을 독립적으로 측정할 수 있다. 따라서, 상류 압력 센서와 차압 센서를 별개로 형성할 필요가 없고, 장치의 컴팩트화에 공헌할 수 있어, 보다나은 편리성을 얻을 수 있다.

이하, 도 10을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어 장치를 사용한 유량 제어 방법의 예시적인 플로우차트를 설명한다.

우선, 스텝 S1에 있어서, 상류 압력 센서 및 차압 센서(또는 일체형 센서) 를 사용하여, 상류 압력(P1) 및 차압(ΔP)을 측정한다.

이어서, 스텝 S2에 있어서, 임계 팽창 조건하인지의 여부를 판정한다. 보다 구체적으로는, 스텝 S1의 측정에 의해 얻어진 (P1-ΔP)/P1이 역치를 초과하고 있는지의 여부를 판정한다.

스텝 S2에 있어서, 역치를 초과하고 있지 않을 경우, 임계 팽창 조건하라고 판단하고, 스텝 S3에 있어서, 상류 압력(P1)에 의거하는 비례 제어 방식을 선택한다. 한편, 스텝 S2에 있어서, 역치를 초과하고 있을 경우, 스텝 S4에 있어서, 상류 압력(P1) 및 차압(ΔP)에 의거하는 차압 제어 방식을 선택한다.

그 후, 스텝 S5에 있어서, 선택된 어느 하나의 제어 방식에 따라 컨트롤 밸브를 피드백 제어하고, 설정 유량으로 가스를 흐르게 할 수 있다.

이상과 같이, 상류 압력 센서 및 차압 센서를 사용하면, 임계 팽창 조건하 인지의 여부를 적절히 판정하는 것이 가능하고, 비례 제어 및 차압 제어 중의 적절한 제어를 선택할 수 있다. 그리고 선택된 제어 방식에 따라서, 센서 오차의 영향이 저감된 상태에서, 폭넓은 유량 범위에 걸쳐 적절히 유량 제어를 행할 수 있다.

이하, 하류 압력 센서와 차압 센서를 사용하는, 또 다른 실시형태의 유량 제어 장치(10B)에 대하여 설명한다. 또한, 상술의 실시형태의 유량 제어 장치(10)(도 2, 3 참조)와 마찬가지의 구성 요소에 대해서는, 동일 참조 부호를 붙임과 아울러, 상세한 설명을 생략할 경우가 있다.

도 11은 또 다른 실시형태에 따른 유량 제어 장치(10B)를 나타낸다. 유량 제어 장치(10B)는, 유량 제어 장치(10)와 마찬가지로, 컨트롤 밸브(11)와, 스로틀부(12)와, 차압 센서(20)와, 유입 압력 센서(14)와, 온도 센서(15)와, 연산 제어 회로(16)를 구비하고 있다. 단, 유량 제어 장치(10B)는 유량 제어 장치(10)의 상류 압력 센서(13) 대신에 하류 압력 센서(13B)를 갖고 있다.

도 12는 유량 제어 장치(10B)의 구체적인 구성을 나타내는 측면도이다. 본체 블록(17)의 상면에는, 유입 압력 센서(14), 컨트롤 밸브(11), 및 차압 센서(20)의 1차측 포트가 부착되어 있고, 이것들은 스로틀부(12)의 상류측의 유로와 유통하고 있다. 또한, 출구 블록(18)의 상면에는, 차압 센서(20)의 2차측 포트가 접속되어 있고, 스로틀부(12)의 하류측의 유로와 유통하고 있다.

또한, 유량 제어 장치(10B)에 있어서, 출구 블록(18)의 상면에는 하류 압력 센서(13B)가 고정되어 있다. 하류 압력 센서(13B)는, 스로틀부(12)의 하류측의 유로의 압력(하류 압력(P2))을 측정할 수 있다. 하류 압력 센서(13B)는, 예를 들면 규소 단결정의 센서칩과 다이어프램을 내장하는 것이면 좋다.

또한, 본 실시형태에 있어서도, 차압 센서(20)는, 컨트롤 밸브(11)와 스로틀부(12) 사이의 압력과, 스로틀부(12)의 하류측의 압력의 차압(ΔP)을 직접적으로 측정하도록 구성되어 있고, 차압 유량 제어를 행하기 위해서 사용된다. 차압 센서(20)는 상술의 실시형태와 동일 구성을 갖고 있으면 좋다.

유량 제어 장치(10B)에서는, 도 2, 3에 나타낸 유량 제어 장치(10)와는 달리, 상류 압력 센서(13)가 형성되어 있지 있다. 이 때문에, 컨트롤 밸브(11)와 스로틀부(12) 사이의 용적(Vs)이 보다 저감되어 있다. 이것에 의해, 컨트롤 밸브(11)를 폐쇄한 후에 스로틀부(12)를 통해 빠르게 가스가 유출되고, 유량 제어 장치(10)에 비해도, 입하 응답성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이어서, 유량 제어 장치(10B)를 사용한 유량 제어에 대하여 설명한다. 유량 제어 장치(10B)는, 차압 센서(20)가 출력하는 차압(ΔP)과, 하류 압력 센서(13B)가 출력하는 하류 압력(P2)을 사용하여, 스로틀부(12)의 하류측으로 흐르는 가스의 유량을 제어하도록 구성되어 있다.

유량 제어 장치(10B)는, 임계 팽창 조건을 충족시키고 있는지의 여부를, 차압(ΔP)과 하류 압력(P2)에 의거해서 판단하고, 예를 들면, P2/(ΔP+P2)가, 임계 압력비에 대응하는 역치(예를 들면, 0.45)를 초과하고 있는지의 여부에 의해 임계 팽창 조건하인지, 비임계 팽창 조건하인지를 판단한다. 여기에서, (ΔP+P2)는 상류 압력(P1)에 대응하는 압력이다. 본 명세서에서는, 연산에 의해 구해지는 (ΔP+P2)를 연산 상류 압력(P1')이라 부를 경우가 있다. 본 실시형태에서는, 연산 상류 압력(P1')과 하류 압력(P2)의 비를, 미리 설정된 역치와 비교함으로써 임계 팽창 조건하인지의 여부가 판단된다.

유량 제어 장치(10B)는, 임계 팽창 조건하라고 판단했을 경우, 연산 상류 압력(P1')(=ΔP+P2)에 의거하는 비례 제어에 의한 유량 제어를 행하고, 비임계 팽창 조건하라고 판단했을 경우, 연산 상류 압력(P1') 또는 차압(ΔP)과, 하류 압력(P2)에 의거하는 차압 제어에 의한 유량 제어를 행한다.

보다 구체적으로는, 임계 팽창 조건하에서는, 유량(Qc)=K1·(ΔP+P2)에 의거하는 비례 제어를 행한다. 또한, 비임계 팽창 조건하에서는, 유량(Qc)=K2·P2^m(P1'-P2)ⁿ=K2·P2^m·ΔPⁿ에 의거하는 차압 제어를 행한다. 여기에서, K1, K2는, 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수이며, 지수(m, n)는 실제의 유량으로부터 도 출된 정수이다. 연산 제어 회로(16)는, 상기 식에 의해 구해진 연산 유량(Qc)과 입력된 설정 유량(Qs)의 차를 구하고, 이 차가 0에 근접하도록 컨트롤 밸브(11)의 개도를 피드백 제어한다. 이것에 의해, 스로틀부(12)의 하류측에 설정 유량(Qs)으로 가스를 흐르게 하는 것이 가능하다.

또한, 유량 제어 장치(10B)에 있어서, 차압 제어는, 특허문헌 2에 기재되어 있는 방법과 마찬가지로, 하기 식에 따라서 연산 유량(Qc)을 구하도록 해도 좋다.

Qc=C1·P1'/√T·((P2/P1')^m-(P2/P1')ⁿ)^1/2=C1·(ΔP+P2)/√T·((P2/(ΔP+P2))^m-(P2/(ΔP+P2))ⁿ)^1/2

상기 식에 있어서, C1은 오리피스 단면적을 포함하는 계수, P1은 상류 압력(Pa), T는 가스 온도(K), P2'는 연산 하류 압력(Pa), m 및 n은 실제의 유량으로부터 도출된 정수이다.

본 실시형태의 유량 제어 장치(10B)는, 상류 압력 센서에 의해 측정한 상류 압력(P1)을 사용하는 대신에 연산 상류 압력(P1')을 사용하는 것을 제외하고, 또는, 상류 압력 센서 및 하류 압력 센서의 측정값으로부터 연산에 의해 구한 (P1-P2)를 사용하는 대신에 차압 센서를 사용하여 직접 측정한 차압(ΔP)을 사용하는 것을 제외하고, 특허문헌 2 등에 기재된 여러가지 공지의 유량 제어 방식을 채용할 수 있다.

또한, 유량 제어 장치(10B)에 있어서, 하류 압력(P2)이 상당히 작은 상태(고진공 상태)에서, 임계 팽창 조건하라고 판단되었을 때에는, 차압 센서(20)가 출력하는 차압(ΔP)을 상류 압력(P1)으로 간주하고, 비례 제어를 Qc=K1·ΔP에 의거해서 행하는 것도 가능하다. 또한, 유량 제어 장치(10B)에 있어서도, 도 8 및 9에 나타낸 일체형 센서와 마찬가지의 구성에 의해, 차압 센서(20)와 하류 압력 센서(13B)를 통합한 일체형 센서를 사용하는 것도 가능하다.

이상에 설명한 유량 제어 장치(10B)에 있어서도, 차압 센서(20)를 사용하고 있으므로, 압력 센서에 발생할 수 있는 제로점 변동의 영향이 유량 제어에 반영되기 어렵고, 또한, 비례 제어 및 차압 제어의 양방이 행할 수 있으므로, 임계 팽창 조건하 및 비임계 팽창 조건하 중 어느 것이라도 정밀도 좋게 유량 제어가 가능하다. 따라서, 넓은 제어 범위에 걸쳐 적절히 유량 제어를 행할 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따른 유량 제어 장치는, 넓은 제어 범위에서 정밀도 좋게 유량 제어를 행하기 때문에 적합하게 이용된다.

1 : 가스 공급계
2 : 가스 공급원
3, 5 : 개폐 밸브
4 : 유로(가스 공급 라인)
6 : 프로세스 챔버
7 : 진공 펌프
10 : 유량 제어 장치
11 : 컨트롤 밸브
12 : 스로틀부
13 : 상류 압력 센서
13B : 하류 압력 센서
14 : 유입 압력 센서
15 : 온도 센서
16 : 연산 제어 회로
17 : 본체 블록
18 : 출구 블록
19 : 입구 블록
20 : 차압 센서
21 : 1차측 접속 부재
22 : 2차측 접속 부재
23 : 센서 본체
30 : 센서칩
31 : 감압부
32 : 변형 센서
35 : 일체형 센서

Claims (8)

1. 컨트롤 밸브와,
   상기 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 스로틀부와,
   상기 컨트롤 밸브와 상기 스로틀부 사이의 압력을 측정하는 상류 압력 센서와,
   상기 스로틀부의 상류측과 하류측의 차압을 직접 측정하는 차압 센서와,
   상기 컨트롤 밸브, 상기 상류 압력 센서 및 상기 차압 센서에 접속된 연산 제어 회로를 구비하고,
   상기 연산 제어 회로가 상기 차압 센서의 출력과 상기 상류 압력 센서의 출력에 의거하여 결정되는 연산 유량이 설정 유량이 되도록, 차압 제어 또는 비례 제어에 의해 상기 컨트롤 밸브의 제어를 행하도록 구성되어 있는 유량 제어 장치를 이용하여 행하는 유량 제어 방법으로서,
   상기 차압 제어에 있어서의 연산 유량(Qc)을, Qc = K2(P1-ΔP)^mΔPⁿ 또는 Qc=C1·P1/√(((P1-ΔP)/P1)^m-((P1-ΔP)/P1)ⁿ)^1/2에 따라 결정하는 단계로, 상기 식에서, P1은 상기 상류 압력 센서가 출력하는 상류 압력, ΔP는 상기 차압 센서가 출력하는 차압, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수, m, n은 실제의 유량으로부터 도출된 정수, C1은 오리피스 단면적을 포함하는 계수, T는 가스 온도인 단계와,
   상기 비례 제어에 있어서의 연산 유량(Qc)을, Qc=K1·P1에 따라 결정하는 단계로, 상기 식에 있어서, P1은 상기 상류 압력 센서가 출력하는 상류 압력, ΔP는 상기 차압 센서가 출력하는 차압, K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수인 단계와,
   상기 차압 제어 및 상기 비례 제어에 있어서, 상기 연산 유량(Qc)이 설정 유량이 되도록 컨트롤 밸브의 개도를 조정하는 단계와,
   상기 연산 유량을 결정하기 전에, 미리, 상기 차압 센서의 상류측의 압력과 하류측의 압력이 동일한 조건에서, 상기 차압 센서의 제로점 보정을 실시하는 단계를 포함하는, 유량 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유량 제어 장치는,
   상기 컨트롤 밸브, 상기 스로틀부, 상기 상류 압력 센서 및 상기 차압 센서에 연결되는 유로를 구비하고,
   상기 스로틀부의 상류측 유로의 직경은, 상기 스로틀부의 하류측의 유로의 직경보다도 작은, 유량 제어 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 차압 센서는,
   상기 스로틀부의 상류측의 유로에 연통하는 1차측 접속 부재와,
   상기 스로틀부의 하류측의 유로에 연통하는 2차측 접속 부재와,
   상기 1차측 접속 부재 및 상기 2차측 접속 부재에 접속되고, 차압을 측정하는 센서 칩을 내장하는 센서 본체를 포함하는, 유량 제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 차압 센서와 상기 상류 압력 센서는 일체로 형성되고,
   상기 센서 칩은, 상기 스로틀부의 상류측의 압력이 전달되는 일방의 면과 상기 스로틀부의 하류측의 압력이 전달되는 타방의 면을 갖는 제 1 감압부와,
   상기 스로틀부의 상류측의 압력이 전달되는 일방의 면과 내부가 진공압으로 유지되는 진공실에 접하는 다른 면을 갖는 제 2 감압부를 포함하는, 유량 제어 방법.
5. 컨트롤 밸브와,
   상기 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 스로틀부와,
   상기 스로틀부의 상류측과 하류측과의 차압을 직접 측정하는 차압 센서와,
   상기 스로틀부의 하류측의 압력을 측정하는 하류 압력 센서와,
   상기 컨트롤 밸브, 상기 차압 센서 및 상기 하류 압력 센서에 접속된 연산 제어 회로를 구비하고,
   상기 연산 제어 회로가 상기 차압 센서의 출력과 상기 하류 압력 센서의 출력에 기초하여 결정되는 연산 유량이 설정 유량이 되도록, 차압 제어 또는 비례 제어에 의해 상기 컨트롤 밸브의 제어를 행하도록 구성되어 있는 유량 제어 장치를 이용하여 행하는 유량 제어 방법으로서,
   상기 차압 제어에 있어서의 연산 유량(Qc)을, Qc=K2·P2^m·ΔPⁿ 또는 Qc=C1· (ΔP+P2)/((P2/(ΔP+P2))^m-(P2/(ΔP+P2))ⁿ)^1/2에 따라 결정하는 단계로서, 상기 식에 있어서, ΔP는 상기 차압 센서가 출력하는 차압, P2는 상기 하류 압력 센서가 출력하는 하류 압력, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수, m, n은 실제의 유량으로부터 도출된 정수, C1은 오리피스 단면적을 포함하는 계수, T는 가스 온도인 단계와,
   상기 비례 제어에 있어서의 연산 유량(Qc)을, Qc=K1·(ΔP+P2)에 따라 결정하는 단계로, 상기 식에 있어서, ΔP는 상기 차압 센서가 출력하는 차압, P2는 상기 하류 압력 센서가 출력하는 하류 압력, K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 비례 계수인 단계와,
   상기 차압 제어 및 상기 비례 제어에 있어서, 상기 연산 유량(Qc)이 설정 유량이 되도록 컨트롤 밸브의 개도를 조정하는 단계와,
   상기 연산 유량을 결정하기 전에, 미리, 차압 센서의 상류측의 압력과 하류측의 압력이 동일한 조건에서, 상기 차압 센서의 제로점 보정을 실시하는 단계를 포함하는, 유량 제어 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 유량 제어 장치는,
   상기 컨트롤 밸브, 상기 스로틀부, 상기 차압 센서 및 상기 하류 압력 센서에 연결되는 유로를 구비하고,
   상기 스로틀부의 상류측 유로의 직경은, 상기 스로틀부의 하류측의 유로의 직경보다도 작은, 유량 제어 방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 차압 센서는,
   상기 스로틀부의 상류측의 유로에 연통하는 1차측 접속 부재와,
   상기 스로틀부의 하류측의 유로에 연통하는 2차측 접속 부재와,
   상기 1차측 접속 부재 및 상기 2차측 접속 부재에 접속되고 차압을 측정하는 센서 칩을 내장하는 센서 본체를 포함하는, 유량 제어 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 차압 센서와 상기 하류 압력 센서는 일체로 형성되고,
   상기 센서 칩은, 상기 스로틀부의 상류측의 압력이 전달되는 일방의 면과 상기 스로틀부의 하류측의 압력이 전달되는 타방의 면을 갖는 제 1 감압부와,
   상기 스로틀부의 하류측의 압력이 전달되는 일방의 면과 내부가 진공압으로 유지되는 진공실에 접하는 다른 면을 갖는 제 2 감압부를 포함하는, 유량 제어 방법.