TW202220129A - 用於基於壓力的質量流比率控制之方法及裝置 - Google Patents

Abstract

一種用於將單個質量流分成期望比率的二次流的系統和方法。該系統和方法包括用於二次流的路徑，包括層流元件和兩個壓力感測器。層流元件上游和下游的流量與壓力之間的非線性關係可以轉換為由與流量具有線性關係的上游和下游壓力組成的函數。即使沒有關於進入流量比率控制器的流體種類和流量的資訊，這種轉換也允許使用來自壓力感測器的訊號進行流量比率控制應用。

Description

用於基於壓力的質量流比率控制之方法及裝置

本發明關於一種系統和方法，其使用基於壓力的流量感測器將單個質量流分成期望比率的二次流。

背景

半導體裝置的製造經常需要小心地同步並且精確地測量多達十多種氣體到諸如真空室之類的處理工具的輸送。在製造過程中使用各種配方，並且可能需要許多分立的處理步驟，其中半導體裝置件需要清洗、拋光、氧化、光罩、蝕刻、摻雜、金屬化等。所使用的步驟，它們的特定順序以及所涉及的材料都有助於特定裝置的製造。

因此，通常將水製造裝置組織為包括其中進行化學氣相沉積、電漿沉積、電漿蝕刻、濺射和其他類似氣體製造處理的區域。處理工具，例如化學氣相沉積反應器、真空濺射機、電漿蝕刻機或電漿增強化學氣相沉積必須提供各種處理氣體。必須以無污染、精確計量的量向工具提供純淨氣體。

在典型的水製造裝置中，氣體被儲存在儲罐中，該儲罐經由管道或導管連接到氣箱。氣箱將無污染、精確計量的純惰性氣體或反應氣體從製造工廠的儲罐輸送到處理工具。氣箱或氣體計量系統包括具有氣體計量單元的多個氣體路徑，例如閥、壓力調節器和轉換器，質量流控制器以及過濾器/淨化器。每一個氣體路徑都有自己的入口，用於連接到單獨的氣體源，但是所有氣體路徑都匯聚成一個出口，用於連接到處理工具。

可能需要在多個處理腔室或其他目的地之間分配合併的處理氣體。在這種情況下，氣箱的單個出口連接到通過二次流路或管線多個位置。流量比率控制器(Flow Ratio Controllers；FRC)用於測量和控制二次流管線中二次流的相對比率，並確保使用已知精確值的二次流將流體精確地輸送到處理室。

現有的流量比率控制器使用熱流量感測器來測量和控制二次流量的相對比率，這是由於熱流量感測器在熱感測器訊號和流量以及低壓降性質之間具有線性響應這一事實。然而，熱流量感測器容易出現零漂移，這會導致其精度隨時間降低。另外，在熱流量感測器中發現的高溫會在損壞熱流量感測器並進一步降低其準確性之某些氣體中產生不良的化學反應。

需要一種系統和方法，其使用基於壓力的流量感測器將單個質量流分成期望比率的二次流。基於壓力的流量感測器可能缺少在熱流量感測器中發現的問題，但是它們在壓力感測器訊號和流量之間的關係是高度非線性的，因此需要了解用於流量比率控制應用的氣體性質。

一種用於將入口流分成二次流的系統，該系統具有被配置為接收入口流的入口通道。該系統還具有連接到入口的二次流管線。該系統的每一個二次流管線包括配置為承載具有二次流量的二次流的流路，配置為提供代表上游壓力的上游壓力訊號的上游壓力感測器，配置為提供代表下游壓力的下游壓力訊號的下游壓力感測器，在上游壓力感測器的下游和下游壓力感測器的上游的流路中配置為在二次流量與上游壓力和下游壓力的函數之間產生線性響應的壓降元件，以及配置為基於控制訊號控制二次流的閥。在一些實施例中，閥可以位於二次流管線的下游壓力感測器的下游的流路中。在一些實施例中，該系統還包括溫度感測器，該溫度感測器被配置為測量入口流的溫度。

該系統還包括控制器，該控制器被配置為基於上游壓力訊號和下游壓力訊號來計算二次流量的比率。系統的控制器還配置為藉由基於計算出的二次流量的比率和期望的二次流量的比率將控制訊號發送到閥而獲得期望的二次流量的比率。

二次流管線的壓降元件可以是層流元件。層流元件可以是環形物、束管、波紋板或多層板中的一個。壓降元件也可以是壓縮的層流元件。二次流管線的壓降元件也可以是噴嘴或孔口。

在一些實施例中，單個壓力感測器可以用作用於所有二次流管線的上游壓力感測器，該所有二次流管線具有位於壓力感測器下游的二次流管線的流路中的閥。

上游壓力和下游壓力的函數可以為以下方程式：

其中，f(Pu，Pd)是函數，Pu是上游壓力，Pd是下游壓力。二次流量可以藉由以下方式確定：

其中，Q是二次流量，k是壓降元件的尺寸，流體性質和流體溫度的函數。在一些這樣的實施例中， k= k(∈、 d、 L、 mw、 r、 µ、 T)，其中，∈、 d和 L為該壓降元件的該等尺寸， mw、 r和μ為該等流體性質，並且 T為該流體溫度。

可以基於由具有變量Pu、Pd和Q的校準點組成的3D映射來確定二次流量，其中Q是二次流量，Pu是上游壓力，Pd是下游壓力。

一種用於將入口流分成期望比率的二次流的方法，該方法包括：在入口處接收入口流；以及將入口流分成連接到入口的二次流管線。該方法所利用的每一個二次流管線包括被配置為承載具有二次流量的二次流的流路，被配置為提供代表上游壓力的上游壓力訊號的上游壓力感測器，被配置為提供代表下游壓力的下游壓力訊號的下游壓力感測器，上游壓力感測器的下游和下游壓力感測器的上游的流路中被配置為在二次流量與上游壓力和下游壓力的函數之間產生線性響應的壓降元件，和被配置為基於控制訊號來控制二次流量的閥。用於流量比率控制的方法還包括：由控制器基於上游壓力訊號和下游壓力訊號來確定二次流量的比率，並藉由控制器基於計算出的二次流量的比率和期望的二次流量的比率由發送控制訊號到閥來獲得期望的二次流量的比率。

以下是示例實施例的描述。所公開的裝置、系統和方法的一種特定用途是與氣體計量系統一起使用，以將無雜質、精確計量的過程和淨化氣體的分位數輸送到半導體處理工具、腔室和/或其他系統、裝置和裝置。當前公開的裝置、系統和方法提供了在不干擾任何上游質量流控制器的性能的情況下進行操作的益處。當前公開的裝置，系統和方法提供了以下優點：允許使用壓力感測器將單個質量流分成期望比率的二次流。所述裝置、系統和方法提供的益處在於將氣體或液體的單流分成已知期望比率的精確相對值的多個二次流，而無需相對較高的上游壓力或對包含所述流的氣體或多個氣體的了解。

圖1是示出現有的流量比率控制器100的示意圖，該流量比率控制器100從示出的一組複數個質量流控制器101接收單個質量流103以進行比較。一組複數個質量流控制器101控制流體102流入流量比率控制器100的入口管線或歧管104中的流體。流體可以是混合物，包括處理氣體和從諸如氣罐之類的現有氣體儲存裝置抽出的吹掃氣體。儘管未示出，但是可以藉由諸如過濾器、淨化器以及壓力轉換器和控制器之類的附加部件來監視或控制流體102。質量流102形成由入口104接收的入口流103。在其他實施例中，入口流包括從單個質量流控制器、氣體儲存容器或其他源接收的單個流體102。入口流在入口104中以流量Q _t行進。氣體102和質量流控制器101的量可以是可變的。氣體102可以源自任何潛在的來源或氣體儲存裝置。即使各個氣體102的性質是已知的，由於不同的處理配方，混合物103的性質和入口流量Q _t也可能是未知的。

入口104連接到二次流管線105a、105b、...、105N。入口流分成二次流。二次流以二次流量Q ₁、Q ₂、...、Q _N在二次流管線105的流徑內行進。流量比率控制器可以具有任意數量的二次流管線和二次流，這取決於其在其內操作的系統的需求。二次流管線105內的二次流量Q ₁、Q ₂、...、Q _N之和必須等於等式

中表示的入口流量Q。

二次流量Q ₁、Q ₂、...、Q _N與入口流量Q _t之間的比率可以定義為以下公式：

其中，

是二次流管線 i的流量比率。一旦確定了二次流量Q ₁、Q ₂、...、Q _N與入口流量Q _t之間的比率，就可以對其進行精確控制。基於由每一個二次流管線105上的複數個流量感測器106提供的訊號來確定二次流的比率，該訊號提供指示所測量的二次流的訊號。

二次流可以由位於每一個二次流管線105上的複數個閥107控制。控制器被程式化以接收由複數個流量感測器106提供的訊號，確定二次流的當前比率並將控制訊號發送到該等閥107中的至少一個，從而使它們改變複數個二次流管線105中的二次流，以獲得期望的二次流的比率。控制器可以被程式化，以從主機控制器或透過使用者界面接收期望的二次流量的比率，即質量流比率設定值( r _spi,i=1, 2…N )。

控制器被程式化為接收指示由複數個流量感測器106提供的測量的二次流的訊號，並計算二次流管線中的二次流的流量比率。控制器還被程式化為使用諸如PID的反饋控制算法或其他反饋控制算法，基於所計算的二次流的比率與期望的二次流的比率之間的差來計算控制訊號。控制器還被程式化為將計算出的控制訊號發送到該等閥107中的至少一個。控制訊號指示該等閥107中的至少一個來調整至少一個二次流。控制器藉由將控制訊號發送到該等閥107中的至少一個來調整通過複數個二次流管線105的至少一個的二次流，直到二次流的實際比率等於期望的二次流的比率為止。

如果不存在關於由包括入口質量流的入口104接收的流體或流體混合物的先前知識，以計算流量比率，流量感測器106的訊號與它們所監測的二次流之間的關係需要是線性的。線性函數f(x)具有以下性質：

並且

，其中k是一個常數。這些性質對於用於在不知道流體103的性質的情況下用於隔離和計算二次流量比率的數學計算中至關重要。

如果

，其中Q ₁是二次流管線105a中二次流的流量，而f1(x1)是流量感測器106a提供的訊號x1的線性函數，並且如果

，其中Q ₂是二次流管線105b中二次流的流量，而f2(x2)是流量感測器106b的訊號x2的不同線性函數，兩個二次流量Q ₁和Q ₂之間的比率r可以表示為以下等式：

由於函數f1(x1)和f2(x2)的線性性質，可以將上式轉換為以下形式：

其中x0是常數，因此

是常數。 y1 =x1/x0和 y2 =x2/x0是轉換後的感測器訊號。函數

和

兩者都包含基於流體性質的相同變量。由於將函數

除以

函數以產生

，因此基於函數

和

中發現的未知流體性質的變量會被抵消，並且不再需要計算流量比率 r。因此，流量比率

等於轉換後的感測器訊號

的比率。該關係允許基於由流量感測器106提供的訊號來確定二次流量的比率。即使關於在入口104內的氣體或流體103的先前資訊和/或入口流量Q _t不存在，也可以確定二次流量的比率。

在諸如圖1所示的流量比率控制器中，用於確定二次流量的比率的變換的數學限制要求使用流量感測器106，以在流量感測器106的訊號以及它們在二次流管線105內測量的流之間具有線性響應。典型地，在流量比率控制器中使用的熱流量感測器具有這種線性響應。

圖2是示出熱流量感測器的感測器輸出與測量位置處的流量之間的關係201的曲線圖200。如曲線圖200所示，熱流量感測器具有由線性函數201與所測量的流量相關的感測器輸出。另外，熱流量感測器具有低壓降，這在需要流量比率控制的某些情況下是有益的。然而，使用熱流量感測器存在缺點。具體而言，熱流量感測器的測量值經歷長期漂移，這會給使用熱流量感測器的流量比率控制器帶來不準確性。同樣，如果與某些反應性氣體(例如HBr和Cl2)結合使用，熱流量感測器的高溫也會引起不良的化學反應。這種反應可能會進一步降低熱感測器的精度。

基於壓力的質量流測量技術和感測器提供了基於熱的質量流感測器的替代方案。就零漂移、耐腐蝕性和高溫能力而言，使用壓力感測器的流量比率控制器可比現有的基於熱的流量比率控制器具有更好的性能。然而，基於壓力的質量流測量通常在壓力感測器輸出和流量之間具有高度非線性的關係。這種關係可非常複雜，並且包括流體性質作為重要變量。例如，在未阻塞的流條件下，噴嘴的流量(Q)由以下公式確定：

其中C'是排放係數，A是噴嘴的喉部面積，Pu是噴嘴上游的壓力，Pd是噴嘴下游的壓力，R是通用氣體常數，T是流體溫度，M是流體的分子量，並且

是氣體的比熱之比率。由於這種關係和其他高度非線性的關係，需要流體性質來使用從壓力感測器的測量值直接確定流量比率。然而，如果將諸如層流元件之類的壓降元件放置在承載流的通道中，則會在元件上游的壓力、元件下游的壓力與流之間產生新的關係。

在質量流控制應用中，流量控制器可能不知道入口流的氣體性質。這些性質包括但不限於氣體比熱、氣體分子量和氣體黏度，這是確定每一個二次流通道中的絕對二次流量所必需的。入口質量流也可以由至少兩種成分的未知混合物組成。

二次流量通常可以藉由以下方程式確定：

其中， Q是二次流量， f()是壓降元件(∈、 d 、 L)的尺寸，流體性質( mw、 r、 µ)，流體溫度( T)，上游壓力( Pu)和下游壓力( Pd)的函數。對於層流元件，函數 f()可以具有以下形式：

其中， k()是沒有壓力的函數，壓力即 Pu和 Pd。換句話說，上游壓力和下游壓力對流量 Q的影響可以與其他因素分開。

圖3是三維曲線圖300，其示出了上游壓力、下游壓力和具有層流元件的通道中的氣體N2的流量之間的關係301。曲線圖300顯示元件Pu上游的壓力、元件Pd下游的壓力和通道Q內的流量之間的關係301，並且包括特定資料點302。Q、Pu和Pd之間的關係301仍然是高度非線性：

其中， k(∈、 d、 L、 mw、 r、 µ、 T)是取決於層流元件(∈, d, L)的流體性質( mw、 r、 µ)和氣體溫度 T的函數。對於 k(∈, d, L, mw, r, µ, T)，∈是層流元件的孔隙度(如果是多孔介質)， d是環形旁通管或束管層流元件的內徑， L是長度層流元件。然而，所有 k()的變量都可以在流量比率控制器的二次流管線中保持恆定，因此，假設氣體溫度固定，則 k()可以視為數學常數。如果 k()為常數，則具有層流元件的通道中的流量與元件上游壓力平方和元件下游壓力平方之間的差線性相關。使用以下示例向量轉換序列，可以從兩個壓力Pu和Pd得出一個與流量Q線性相關的向量變量。這兩個向量的定義如下：

(1)修正的壓力向量

它是由上游壓力和下游壓力標量變量組成的行向量，其中[ ]’是向量轉置運算符，以及

(2)轉換向量

這是純量常數函數

的列向量。Q、Pu和Pd之間的關係可以藉由使用上述兩個向量來重寫

其中，「

」是矩陣/向量的內積運算符。改寫後的流量 Q與修改後的壓力向量

具有線性關係，該修改後的壓力向量

從每一個二次流通道的上游壓力 Pu和下游壓力 Pd導出。換句話說，在基於壓力的流量比率控制器中將層流元件用作壓降元件可在低流量Q和修正的壓力向量變量

之間提供線性響應。這允許對未知的入口流體進行質量流比率控制。

圖4是示出基於壓力的流量比率控制器400的示例實施例的示意圖。圖4中所示的流量比率控制器400可以是多通道氣體輸送的一部分，並且選擇性地從氣體供應器(例如，氣罐)接收多種氣體的一種或多種的混合物，包括例如多種處理氣體和吹掃氣體。流量比率控制器400被配置為從壓力感測器406、408接收壓力訊號，以確定並精確地控制通過每一個二次流管線405的二次流的比率。流量比率控制器400可以被配置為從溫度感測器411獲得氣體溫度訊號。溫度感測器411被配置為提供代表入口流溫度的氣體溫度訊號。在替代實施例中，溫度感測器411可以位於每一個二次流管線405上，並且提供代表二次流的溫度的氣體溫度訊號。所提供的溫度訊號可以用於歸一化 k(∈ 、 d 、 L 、 mw 、 r 、 µ 、 T)，並且可以用於流量比率控制器400的校準過程中。

流量比率控制器400和相關方法提供了將氣體或液體的單質量流分成已知、精確的相對值且具有二次流量的期望的比率的多個二次流的優點，而無需相對較高的上游壓力和無需了解氣體性質。壓力感測器406、408產生分別代表在壓降元件409的上游和下游測得的壓力的訊號。

入口404連接至二次流管線405a、405b、...、405N。流體403的入口流被分成在二次流管線405的路徑中以流量Q ₁、Q ₂、….、Q _N行進的二次流。入口404內的入口流的入口流量Q _t等於二次流管線405內的二次流量Q ₁、Q ₂、….、Q _N之和：Q _t=

。流量控制器可以取決於其在其中操作的系統的需要而具有任意數量的二次流管線405。二次流管線的出口可以分別連接到相同數量的位置，例如僅一個處理工具中的處理室，或兩個或多個處理工具中的位置。二次流管線的出口可以連接到系統所需的任何裝置或目的地。

每一個二次流管線405a、405b、...、405N包括在其路徑內的壓降元件409a、409b、...、409N，位於壓降元件409上游的上游壓力感測器406a、406b、...、406N，以及位於壓降元件409下游的下游壓力感測器408a、408b、…、408N。上游壓力感測器406產生與壓降元件上游的壓力相對應並且可用作每一個二次流管線405的變量 Pui的輸入的訊號。下游壓力感測器408產生與壓降元件下游的壓力相對應並且訊號可以用作每一個二次流管線405的變量 Pdi的輸入。因此，二次流二次流管線405中的速率Q ₁、Q ₂、….、Q _N與壓力訊號

或向量

的函數線性相關為

, 或

這些線性關係允許使用壓力感測器406i和408i提供的訊號確定二次流管線405內的二次流量Q ₁、 Q ₂、…. 、Q _N與入口流量之比率，即

。即使沒有關於流體403、流體403的性質以及入口404內流體403的絕對真實流量Q _t的先前資訊，這也是可能的。流體403可以是幾種組分流體的混合物，並且這些組分流體可能是已知的，也可能是未知。

控制器410可以是具有記憶體和處理器的計算機，例如微處理器。備選地，控制器410可以是能夠執行數學處理的任何類似裝置。控制器410被程式化以接收由上游壓力感測器406和下游壓力感測器408提供的訊號。控制器410被進一步程式化，以使用來自上游壓力感測器406和下游壓力感測器408的訊號來導出對於每一個二次流管線405的轉換後的感測器響應向量

、

、…、

。轉換後的感測器響應向量

、

、…、

與其二次流管線中的二次流的流量Q ₁、Q ₂、….、Q _N具有線性關係。控制器410被配置為使用轉換後的感測器響應向量

、

、…、

來確定二次流管線405的二次流量Q ₁、Q ₂、….、Q _N之比率。可以確定每一個二次流管線405a、405b、…、405N的二次流量Q ₁、Q ₂、….、Q _N和入口流量 Q _t 之間的二次流量之比率，其中 Q _t =

。

每一個二次流管線405包括複數個閥407，該等閥407被配置為控制位於其上的二次流管線405內的二次流量Q ₁、Q ₂、….、Q _N。閥407可以位於壓力流量感測器406和408的上游或下游。控制器410可以被配置為發送用以控制複數個閥407的控制訊號，以便獲得二次流量的目標比率或期望比率。控制器410可以被配置為基於來自壓力感測器406和408的壓力訊號來確定二次流量Q ₁、Q ₂、….、Q _N的當前比率。控制器410可以隨後將控制訊號發送至該等閥407中的至少一個並響應於控制訊號，該等閥407中的至少一個將改變其二次流管線405的二次流。控制器410藉由將控制訊號發送到該等閥407中的至少一個，來調整至少一個二次流管線405，直到二次流量之比率等於期望比率為止。

控制器410可以被配置為接收二次流量的期望比率或流量比率設定值。控制器410可以使用二次流量Q ₁、Q ₂、….、Q _N與來自壓力流量感測器406和408的訊號之間的任何公開的數學關係來確定當前二次流量Q ₁、Q ₂、….、Q _N，二次流量的電流比率，二次流量的目標比率(即質量流比率設定值( r _spi, i=1, 2,…,N )，將產生目標比率的二次流量Q ₁、Q ₂、….、Q _N，然後，發送到引起二次流量的目標比率的該等閥407中的至少一個的控制訊號。控制器410可以包括反饋控制模組，該反饋控制模組基於計算出的二次流量的比率s和二次流量的期望的比率來計算並發送針對二次流通道中的每一個閥的控制訊號，以調節每一個二次流通道中的流量比率達到期望的流量比率設定值。控制器410還可被配置為計算入口流量Q _t。

因為流量比率控制器400使用兩個壓力感測器406和408來測量流量並因此測量流量比率，所以與現有的熱質量流控制器相比，它具有多個優點。首先，其提供利用二次流量與壓力感測器406和408的轉換後的訊號之間的線性關係來執行基於壓力的質量流比率控制的能力。第二，基於壓力的流量感測器比現有技術的熱感測器者更穩定。與基於熱的流量感測器相比，基於壓力的流量感測器還具有更高的耐腐蝕性。此外，基於壓力的流量感測器比基於熱的流量感測器更能夠高溫應用。

在一個實施例中，壓降元件409是層流元件。流量比率控制器400中還可以使用除層流元件之外的其他壓降元件409，只要存在其功能等同於由與二次流量Q具有線性關係的上游壓力和/或下游壓力組成的

的函數。替代實施例是臨界流噴嘴/孔口，其中二次流與噴嘴上游的壓力直接線性相關。然而，從流量比率控制器的某些應用而言，可由臨界流量噴嘴引起的高壓降可能是顧慮。使用層流元件作為壓降元件409的一個好處是，與臨界流噴嘴/孔口相比，它們具有較低的壓降。

圖8A和圖8B是示出基於壓力的流量比率控制器800的兩個另外的示例實施例的示意圖。參照圖8A，流量比率控制器800A具有上游壓力感測器806i、下游壓力感測器808i和壓降元件809i，它們均位於每一個二次流通道805i (i=a, b, …N)的流量控制閥807i的上游。因為所有上游壓力感測器806i都導電地連接到入口804，所以測量之間的壓力差可非常小。因此，可以減少上游壓力感測器806i的數量，從而節省了流量比率控制器800的成本。例如，圖8B中流量比率控制器800B僅具有一個上游壓力感測器806，其為所有二次流通道805i提供上游壓力測量。上游壓力感測器806的數量可以取決於流量比率控制器800中這些二次流通道805之間的上游壓力差在1和N之間變化。流量比率控制器800A和800B兩者都可以配置為從溫度感測器811獲得氣體溫度訊號。

圖5是在本發明的實施例中可以用作壓降元件的幾個層流元件的圖。幾種不同類型的層流元件可以用作壓降元件。層流元件的潛在類型包括波紋層流元件501、束管層流元件502和環形層流元件503。其他層流元件包括平行板層流元件和壓縮層流元件，例如燒結多孔金屬過濾器或其他多孔介質。層流元件經過具有出色一致性的精密工程。即使在低壓範圍內，層流元件也可以保持流量、上游壓力和下游壓力之間的關係。每一個層流元件包括包圍殼體500a、500b、500c，該殼體迫使流體流過該元件的內部。每一個層流元件的內部包括一個或多個障礙物，這些障礙物在流過該元件的流體中引起層流。對於波紋層流元件501，其內部充滿有脊和凹槽的分層金屬板504。對於束管層流元件502，其內部充滿長度與流方向平行的管505。對於環形層流元件503，其內部包括實心的圓柱體506，其長度平行於流方向，從而在包圍殼體500c和中央的圓柱體506之間形成環形間隙507。層流元件的任何變化和構造包括但不限於圖5中所示的那些，只要它們能夠在二次流管線中引起層流，就可以被本發明利用。

圖6是示出用於氣體N2和SF6的具有層流元件的通道中的上游壓力和下游壓力的函數以及在通道中的流之間的關係的一組曲線圖。為了收集用於創建圖6的資料，環形層流元件600用作通道中的壓降元件，壓力感測器位於環形層流元件600的上游和下游。使用質量流控制器控制通道中的流體流量。曲線圖601示出了當流體為N2氣體時，通道中的流與在環形層流元件600(Pu)的上游測量的壓力和在環形層流元件600(Pd)的下游測量的壓力的函數

之間的關係603。點605是用於推導關係603的實驗資料點。曲線圖602示出了當流體是SF6氣體時，通道中的流與環形層流元件600(Pu)上游測量的壓力和環形層流元件600(Pd)下游測量的壓力的函數之間的關係604。點606是用於推導關係604的實驗資料點。從曲線圖601和曲線圖602都清楚的是，該函數

與通道中的流具有線性關係。由於該線性關係，流量比率控制器可以使用與環形層流元件600(Pu)上游測得的壓力和環形層流元件600(Pd)下游測得的壓力相對應的訊號來確定和控制由未知氣體或混合氣體組成的未知流體的二次流的比率。當在如圖4所示的流量比率控制中使用諸如環形層流元件600之類的壓降元件時，強的線性關係603和線性關係604允許精確的流量比率測量和控制。

在一些實施例中，每一個二次流通道需要被校準以便為流量控制應用提供流量測量。可以使用諸如N2之類的校準氣體來確定第i個二次流通道(i=1、2，... N)中

的係數，以用於流量計算方程：

或

在校準過程期間中，可以為整個操作範圍收集多個(Pui，Pdi，Qi)校準點。另外，溫度感測器可以用於確定入口流和/或二次流的T。校準點可用於確定

的係數。

替代的流量計算方法涉及在校準期間為每一個二次流通道構建如圖3所示的變量Pui、Pdi、Qi的3D映射。流量比率控制器410、810可以將3D映射用作查找表，以基於針對第i流通道的測量的上游壓力 Pui和下游壓力 Pdi來確定流量Qi。如果入口氣體是未知氣體，則流量比率控制器400、800可以將入口氣體視為校準氣體(例如，N2)，並使用不論是校準係數

或(Pui，Pdi，Qi)的3D映射來計算二次流量 Qi作為校準氣體，以及然後相應的流量比率

。因為每一個二次流路中的流量 Qi與修正的壓力向量

都具有線性關係，所以即使計算出的流量 Qi是基於校準氣體而不是實際氣體，相應的流量比率

也是準確的。

圖7是示出了利用壓力感測器將入口流分成期望比率的二次流的方法的示例實施例的流程圖700。流程圖700中所示的方法可以使用流量比率控制器來執行，該流量控制器具有以圖4、圖8A和圖8B所示的方式配置的壓降元件、閥、壓力感測器、控制器和其他元件。第一步驟701是在入口通道處接收入口流。包括入口流量、流體性質和入口內流量的流體可能是未知的。在下一步驟702中，入口流被分成複數個二次流。該等二次流由連接到入口的複數個二次流管線的複數個路徑承載。該等二次流在該等二次流管線中以複數個二次流量行進。對於每一個二次流管線，執行以下步驟703和步驟704，在步驟703中，第一壓力感測器將測量壓降元件上游的二次流管線內的壓力，並且在步驟704中，第二壓力感測器將測量壓降元件下游的二次流管線內的壓力。

下一步驟705由控制器執行，該控制器使用在壓降元件的上游和下游測得的壓力來確定流量和二次流量的比率。由於二次流管線通道內的層流元件，這是可能的，二次流量與上游和下游壓力的函數線性相關，特別是在一個實施例中，

。在最後的步驟706中，控制器計算控制訊號並將控制訊號發送到位於二次流管線上的閥中的至少一個，以控制二次流管線中的至少一個二次流量以獲得指定的或期望的二次流量的比率。控制器可以使用反饋控制算法來完成步驟706。控制訊號控制該等閥中的至少一個的方式取決於所確定的二次流量的比率和期望的二次流量的比率。流程圖700中所示的方法可以在流量比率控制器的操作期間連續地執行，並且可以用於以極高的精度實現二次流量的序列期望的比率。

儘管已經具體地示出和描述了示例實施例，但是本領域技術人員將理解，可以在不脫離所附請求項所涵蓋的實施例的範圍的情況下在其中進行形式和細節上的各種改變。 相關申請

本申請是2020年2月25日提交的美國申請No.16/800,363的延續。上述申請的全部教導藉由引用併入本文。

100:流量比率控制器 101:複數個質量流控制器 102:流體、質量流、氣體 103:單個質量流、入口流、混合物 104:入口管線或歧管、入口 105:二次流管線 105a,105b,…,105N:二次流管線 106:複數個流量感測器 106a:流量感測器 106b:流量感測器 107:複數個閥 200:曲線圖 201:關係、線性函數 300:曲線圖 301:關係 302:特定資料點 400:流量比率控制器 403:流體 404:入口 405:二次流管線 405a,405b,…,405N:二次流管線 406:上游壓力感測器 406a,406b,…,406N:上游壓力感測器 407:複數個閥 408:下游壓力感測器 408a,408b,…,408N:下游壓力感測器 409:壓降元件 409a,409b,…,409N:壓降元件 410:控制器 411:溫度感測器 500a:包圍殼體 500b:包圍殼體 500c:包圍殼體 501:波紋層流元件 502:束管層流元件 503:環形層流元件 504:脊和凹槽的分層金屬板 505:管 506:圓柱體 507:環形間隙 600:環形層流元件 601:曲線圖 602:曲線圖 603:關係、線性關係 604:關係、線性關係 605:點 606:點 700:流程圖 701:步驟 702:步驟 703:步驟 704:步驟 705:步驟 706:步驟 800:流量比率控制器 800A:流量比率控制器 800B:流量比率控制器 804:入口 805:二次流通道 805i:二次流通道 806:上游壓力感測器 806i:上游壓力感測器 807i:流量控制閥 808i:下游壓力感測器 809i:壓降元件 811:溫度感測器 Pu:元件 Pui:變量 Pd:元件 Pdi:變量 Q:通道、入口流量 Q ₁,Q ₂,…,Q _N:二次流量 Q _t:入口流量 r:比率

藉由下面對示例實施例的更具體描述，如在圖式中所示，前述內容將顯而易見，在圖式中，貫穿不同的視圖，相似的圖式標記指代相同的部分。圖式不一定按比率例繪製，而是將重點放在說明實施例上。

[圖1]是示出了從一組質量流控制器接收單個質量流的現有流量比率控制器的示意圖。

[圖2]是示出熱流量感測器的感測器輸出與測量位置處的流量之間的關係的曲線圖。

[圖3]是示出具有層流元件的通道中的氣體N2的上游壓力、下游壓力和流量之間的關係的三維圖。

[圖4]是示出基於壓力的流量比率控制器的示例實施例的示意圖。

[圖5]是在本發明的示例性實施例中可以用作壓降元件的幾個層流元件的圖。

[圖6]是示出用於氣體N2和SF6的上游壓力和下游壓力的函數與具有層流元件的通道中的流量之間的關係的一組曲線圖。

[圖7]是示出了利用壓力感測器將單個質量流分成期望比率的二次流的方法的示例實施例的流程圖。

[圖8A]是示出基於壓力的流量比率控制器的第一附加示例實施例的示意圖。

[圖8B]是示出基於壓力的流量比率控制器的第二附加示例實施例的示意圖。

400:流量比率控制器

403:流體

404:入口

405a,405b,…,405N:二次流管線

406a,406b,…,406N:壓力感測器

408a,408b,…,408N:下游壓力感測器

409a,409b,…,409N:壓降元件

410:控制器

411:溫度感測器

Q₁,Q₂,….,Q_N:二次流量

Q_t:入口流量

Claims (23)

1. 一種用於將單個質量流分成複數個二次流的系統，包含： 入口，被配置為接收入口流； 複數個二次流管線，連接到該入口，每一個二次流管線包括： 流路，被配置為承載具有二次流量的二次流； 上游壓力感測器，被配置為提供代表上游壓力的上游壓力訊號； 下游壓力感測器，被配置為提供代表下游壓力的下游壓力訊號； 壓降元件，在該上游壓力感測器的下游和該下游壓力感測器的上游的該流路中，被配置為在該二次流量與該上游壓力和該下游壓力的函數之間產生線性響應；以及 閥，被配置為基於控制訊號來控制該二次流量， 控制器，被配置為基於該等上游壓力訊號和該等下游壓力訊號來計算複數個二次流量的比率，並且還被配置為基於計算出的比率和期望的複數個二次流量的比率，藉由發送該控制訊號到該等閥來獲得該期望的複數個二次流量的比率。
2. 根據請求項1之系統，其中，該壓降元件是層流元件。
3. 根據請求項1之系統，其中，該壓降元件是壓縮的層流元件。
4. 根據請求項2之系統，其中，該層流元件是環形物、複數個束管、複數個波紋板或複數個多層板中的一個。
5. 根據請求項1之系統，其中，該壓降元件是流量噴嘴或孔口。
6. 根據請求項1之系統，更包含溫度感測器，該溫度感測器被配置為測量該入口流的溫度。
7. 根據請求項1之系統，其中，該等閥位於該上游壓力感測器的上游的該等二次流管線的該流路中。
8. 根據請求項1之系統，其中，該等閥位於該壓力感測器的下游的該等二次流管線的該流路中。
9. 根據請求項8之系統，其中，單個壓力感測器被用作為所有二次流管線的該上游壓力感測器。
10. 根據請求項1之系統，其中，該上游壓力和該下游壓力的該函數如下：

    

    其中 f(Pu, Pd)是該函數， Pu是該上游壓力，以及 Pd是該下游壓力。
11. 根據請求項1之系統，其中，該等二次流量可以藉由以下方式計算：

    

    其中 Q是該二次流量， f(Pu, Pd)是該上游壓力和該下游壓力的該函數，以及 k是該壓降元件的複數個尺寸、複數個流體性質和流體溫度的函數。
12. 根據請求項11之系統，其中， k= k(∈、 d、 L、 mw、 r、 µ、 T)，其中，∈、 d和 L為該壓降元件的該等尺寸， mw、 r和μ為該等流體性質，並且 T為該流體溫度。
13. 根據請求項1之系統，其中，該等二次流量可以基於由具有變量 Pu、變量 Pd和變量 Q的複數個校準點組成的3D映射來確定，其中， Q是該二次流量， Pu是該上游壓力，而 Pd是該下游壓力。
14. 一種用於將單個質量流分成複數個期望比率的複數個二次流的方法，包含： 在入口接收入口流； 將該入口流分成連接到該入口的複數個二次流管線，每一個二次流管線包括： 流路，被配置為承載具有二次流量的二次流； 上游壓力感測器，被配置為提供代表上游壓力的上游壓力訊號； 下游壓力感測器，被配置為提供代表下游壓力的下游壓力訊號； 壓降元件，在該上游壓力感測器的下游和該下游壓力感測器的上游的該流路中，被配置為在該二次流量與該上游壓力和該下游壓力的函數之間產生線性響應；以及 閥，被配置為基於控制訊號來控制該二次流量， 藉由控制器，基於該等上游壓力訊號、該等下游壓力訊號來確定複數個二次流量的比率；並且 藉由該控制器，基於計算出的比率和期望的複數個二次流量的比率，藉由發送該控制訊號到該等閥來獲得該期望的複數個二次流量的比率。
15. 根據請求項14之方法，其中，該壓降元件是層流元件。
16. 根據請求項14之方法，其中，該壓降元件是壓縮的層流元件。
17. 根據請求項15之方法，其中，該層流元件是環形物、複數個束管、複數個波紋板或複數個多層板中的一個。
18. 根據請求項14之方法，更包含使用溫度感測器測量該入口流的溫度。
19. 根據請求項14之方法，其中，單個壓力感測器被用作為所有二次流管線的該上游壓力感測器。
20. 根據請求項14之方法，其中，該上游壓力和該下游壓力的該函數如下：

    

    其中 f(Pu, Pd)是該函數， Pu是該上游壓力，以及 Pd是該下游壓力。
21. 根據請求項14之方法，其中，該等二次流量可以藉由以下方式確定：

    

    其中 Q是該二次流量， f(Pu, Pd)是該上游壓力和該下游壓力的該函數，以及 k是該壓降元件的複數個尺寸、複數個流體性質和流體溫度的函數。
22. 根據請求項21之方法，其中， k= k(∈、 d、 L、 mw、 r、 µ、 T)，其中，∈、 d和 L為該壓降元件的該等尺寸， mw、 r和μ為該等流體性質，並且 T為該流體溫度。
23. 根據請求項14之方法，更包含創建由具有變量 Pu、變量 Pd和變量 Q的複數個校準點組成的3D映射，其中， Q是該二次流量， Pu是該上游壓力，而 Pd是該下游壓力，並且該控制器可以基於該3D映射確定該二次流量。

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