TW202230067A - 壓力控制系統、壓力控制方法及壓力控制程序 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種壓力控制系統，對設置有流體阻力的封閉空間的收斂壓力以設置在流體阻力的上游側的上游側閥邊抑制過沖邊高速地進行控制，壓力控制系統（100）在構成封閉空間的流道（200）上設置有流體阻力（10d），透過控制設置在流體阻力（10d）的上游側的上游側閥（10b）來控制封閉空間的壓力，具備：收斂壓力計算部（40），使用流道（200）中的流體阻力（10d）的上游側壓力（P 1）和下游側壓力（P 2）的至少一方，計算將上游側閥（10b）完全關閉的情況下的封閉空間的收斂壓力（P CONV）；以及閥控制部（30），對計算出的收斂壓力（P CONV）與規定的目標收斂壓力（P T_CONV）進行比較，根據其比較結果，將上游側閥（10b）完全關閉。

Description

壓力控制系統、壓力控制方法及壓力控制程序
本發明涉及壓力控制系統、壓力控制方法以及壓力控制程序。
以往，如專利文獻1所示，可以考慮一種流體控制裝置，在設置在流體流過的流道上的流體阻力的上游側設置有上游側閥、以及在流體阻力的下游側設置有下游側閥的構成中，透過控制上游側閥以及下游側閥，控制流過流道的流體的流量。
在該流體控制裝置中，在切斷流道時，使上游側閥以及下游側閥雙方完全關閉。在此，在開始此後的流量控制的情況下，如果上游側閥以及下游側閥之間（包括流體阻力的封閉空間）的壓力每次都波動，則無法鑒定並開始流量控制。因此，在穩定地開始流量控制的情況下，優選使上游側閥以及下游側閥之間（包括流體阻力的封閉空間）的壓力成為規定的收斂壓力。
因此，在以往，在將上游側閥以及下游側閥雙方完全關閉之後，打開上游側閥，使流體流入，在流體阻力的上游側壓力達到規定的目標壓力的時點關閉上游側閥。
但是，在當流體阻力的上游側壓力達到規定的目標壓力的時點關閉上游側閥的構成中，由於在流體阻力的下游側，流體流動的流道閉塞，所以導致包括流體阻力的封閉空間的壓力超過規定的收斂壓力（參照圖4的（a））。另外，如果在超過了規定的收斂壓力的狀態下開始流量控制，則流量測量的精度變差，其結果，流量控制的控制性變差。另外，雖然也可以考慮以使上游側壓力不超過規定的收斂壓力的方式對上游側閥進行開閉控制，但是如果這樣做，則到上游側壓力收斂於收斂壓力為止的時間變長（參照圖4的（b））。
現有技術文獻
專利文獻1：日本專利公開公報特開2004-280688號
於是，本發明是為了解決上述的問題點而做出的發明，本發明的主要目的在於對設置有流體阻力的封閉空間的收斂壓力以設置在流體阻力的上游側的上游側閥邊抑制過沖（overshoot）邊高速地進行控制。
即，本發明的壓力控制系統，其在構成封閉空間的流道上設置有流體阻力，透過控制設置在所述流體阻力的上游側的上游側閥來控制所述封閉空間的壓力，所述壓力控制系統具備：收斂壓力計算部，使用所述流道中的所述流體阻力的上游側壓力和下游側壓力的至少一方，計算將所述上游側閥完全關閉的情況下的所述封閉空間的收斂壓力；以及閥控制部，對計算出的收斂壓力與規定的目標收斂壓力進行比較，根據其比較結果，將所述上游側閥完全關閉。
如果是這樣的壓力控制系統，則使用流體阻力的上游側壓力和下游側壓力的至少一方，計算將上游側閥完全關閉的情況下的封閉空間的收斂壓力，對計算出的收斂壓力與規定的目標收斂壓力進行比較，根據其比較結果，將上游側閥完全關閉，因此能夠對封閉空間的收斂壓力邊抑制過沖邊高速地進行控制。在此，根據剛打開閥並開始流量控制後能夠流過滿量程（100％）的設定流量的壓力，設定規定的目標收斂壓力。
優選的是，當計算出的收斂壓力成為規定的目標收斂壓力以上時，所述閥控制部將所述上游側閥完全關閉。
可以考慮本發明的壓力控制系統還具備在所述流道上設置在所述流體阻力的下游側的下游側閥，透過將所述下游側閥完全關閉，在所述流體阻力的下游側形成封閉空間。
在該構成中優選的是，所述收斂壓力計算部使用所述流體阻力的上游側壓力、所述流體阻力的下游側壓力、所述流體阻力與所述上游側閥之間的流道容積、以及所述流體阻力與所述下游側閥之間的流道容積，計算所述收斂壓力。
優選的是，所述收斂壓力計算部使用以下的式子計算所述收斂壓力。
[數學式1]
Figure 02_image001
其中，PCONV是所述收斂壓力，P1是所述流體阻力的上游側壓力，P2是所述流體阻力的下游側壓力，V1是所述流體阻力與所述上游側閥之間的流道容積，V2是所述流體阻力與所述下游側閥之間的流道容積。
另外，本發明的壓力控制系統可以透過在所述流道上在所述流體阻力的下游側連接密閉容器，在所述流體阻力的下游側形成封閉空間，所述收斂壓力計算部使用所述流體阻力的上游側壓力、所述流體阻力的下游側壓力、所述流體阻力與所述上游側閥之間的流道容積、以及所述流體阻力的下游側的流道和所述密閉容器的容積，計算所述收斂壓力。
優選的是，所述收斂壓力計算部使用所述流道中的所述流體阻力的上游側壓力以及下游側壓力的至少一方，實時地計算所述收斂壓力。
優選的是，所述收斂壓力計算部修正所述封閉空間或所述流道的容積的經時變化並計算所述收斂壓力。
優選的是，在所述上游側閥設置有位置感測器，所述位置感測器檢測閥體相對於閥座的位置。另外，在具有下游側閥的構成的情況下，優選的是，在所述下游側閥設置有位置感測器，所述位置感測器檢測閥體相對於閥座的位置。
另外，本發明的壓力控制方法，在構成封閉空間的流道上設置有流體阻力，透過控制設置在所述流體阻力的上游側的上游側閥來控制所述封閉空間的壓力，所述壓力控制方法包括：收斂壓力計算步驟，使用所述流道中的所述流體阻力的上游側壓力和下游側壓力的至少一方，計算將所述上游側閥完全關閉的情況下的所述封閉空間的收斂壓力；以及閥控制步驟，對計算出的收斂壓力與規定的目標收斂壓力進行比較，根據其比較結果，將所述上游側閥完全關閉。
此外，本發明的壓力控制程序，其用於壓力控制系統，所述壓力控制系統在構成封閉空間的流道上設置有流體阻力，透過控制設置在所述流體阻力的上游側的上游側閥來控制所述封閉空間的壓力，電腦透過執行所述壓力控制程序而發揮作為收斂壓力計算部以及閥控制部的功能，所述收斂壓力計算部使用所述流道中的所述流體阻力的上游側壓力和下游側壓力的至少一方，計算將所述上游側閥完全關閉的情況下的所述封閉空間的收斂壓力，所述閥控制部對計算出的收斂壓力與規定的目標收斂壓力進行比較，根據其比較結果，將所述上游側閥完全關閉。
按照以上所述的本發明，能夠對設置有流體阻力的封閉空間的收斂壓力以設置在流體阻力的上游側的上游側閥邊抑制過沖邊高速地進行控制。
以下參照附圖對具有本發明的壓力控制系統的流體控制裝置進行說明。
＜裝置構成＞
本實施方式的流體控制裝置100例如用於在半導體製造工序中以設定流量向腔室300供給作為流體的氣體。在此，設定流量是從某個流量值向另外的流量值臺階狀地上升或下降的階躍訊號（step signal）。流體控制裝置100實現的流量在規定時間內追隨這樣的設定流量，並且使穩定狀態下的雜訊的大小成為容許範圍內。
具體地說，如圖1所示，流體控制裝置100具備：設置在氣體流動的流道200上的感測器以及閥等流體設備10a～10f；以及掌管該流體設備10a～10f的控制的控制機構COM。
本實施方式的流體設備10a～10f是供給壓力感測器10a、上游側閥10b、上游側壓力感測器10c、流體阻力10d、下游側壓力感測器10e、以及下游側閥10f，它們相對於流道200從上游側開始依次設置。在此，流體阻力10d例如是層流元件，在其前後產生與流過的氣體流量對應的壓差。
供給壓力感測器10a用於監測從上游側供給的氣體的壓力。另外，關於供給壓力感測器10a，在保證供給壓力穩定的情況等時，也可以省略。
上游側壓力感測器10c測量流道200中的流體阻力10d的上游側壓力P1。具體地說，上游側壓力感測器10c測量上游側壓力P1，所述上游側壓力P1是在流道200上填充在上游側閥10b與流體阻力10d之間的容積亦即上游側容積V1內的氣體的壓力。
下游側壓力感測器10e測量流道200中的流體阻力10d的下游側壓力P2。具體地說，下游側壓力感測器10e測量下游側壓力P2，所述下游側壓力P2是在流道200上填充在流體阻力10d與下游側閥10f之間的容積亦即下游側容積V2內的氣體的壓力。
上游側閥10b以及下游側閥10f在本實施方式中是同型的閥，例如是透過壓電元件等致動器以使閥體能夠相對於閥座接觸或分離的方式被驅動的壓電閥。上游側閥10b以及下游側閥10f分別根據作為操作量輸入的電壓而變更閥開度。另外，在上游側閥10b以及下游側閥10f設置有檢測閥體相對於閥座的位置的位置感測器101。透過使用該位置感測器101的檢測位置，能夠以上游側閥10b和下游側閥10f高精度地進行流量控制。
控制機構COM例如是具備CPU、儲存器、A/D轉換器、D/A轉換器、輸入輸出設備等的所謂的電腦，透過執行儲存在儲存器內的流量控制程序使各種設備協作，至少發揮作為流量計算部20、閥控制部30的功能。
流量計算部20根據上游側壓力P1以及下游側壓力P2，計算流量值。在此，流量計算部20使用已有的計算式根據上游側壓力P1以及下游側壓力P2計算流過流體阻力10d的氣體流量亦即阻力流量。此外，流量計算部20也可以基於阻力流量以及上游側壓力P1計算流過上游側閥10b的氣體流量亦即上游側閥流量，還可以基於阻力流量以及下游側壓力P2計算流過下游側閥10f的氣體流量亦即下游側閥流量。
閥控制部30以使由流量計算部20計算出的流量值接近預定的流量目標值的方式對上游側閥10b和下游側閥10f的至少一方進行反饋控制。此外，閥控制部30也可以不對上游側閥10b進行流量控制，而是以使透過上游側壓力感測器10c得到的上游側壓力P1接近預定的壓力目標值的方式對上游側閥10b進行反饋控制。另外，閥控制部30也可以不對下游側閥10f進行流量控制，而是以使透過下游側壓力感測器10e得到的下游側壓力P2接近預定的壓力目標值的方式對下游側閥10f進行反饋控制。
＜封閉空間的收斂壓力控制＞
而且，本實施方式的流體控制裝置100的控制設備COM具有對在將上游側閥10b以及下游側閥10f完全關閉的情況下形成的封閉空間的收斂壓力進行控制的功能。在此，封閉空間的收斂壓力是在關閉上游側閥10b以及下游側閥10f後經過規定時間後穩定的壓力。
具體地說，控制設備COM還具備收斂壓力計算部40，所述收斂壓力計算部40使用流道200中的流體阻力10d的上游側壓力P1以及下游側壓力P2的至少一方，計算將上游側閥10b完全關閉的情況下的封閉空間的收斂壓力PCONV。而且，閥控制部30對計算出的收斂壓力PCONV與規定的目標收斂壓力PT_CONV進行比較，根據其比較結果，將上游側閥10b完全關閉。
收斂壓力計算部40使用流道200中的流體阻力10d的上游側壓力P1以及下游側壓力P2的至少一方，在過程控制中依次（實時）地計算收斂壓力PCONV。具體地說，收斂壓力計算部40使用流體阻力10d的上游側壓力P1、流體阻力10d的下游側壓力P2、流體阻力10d與上游側閥10b之間的流道容積（上游側容積）V1、以及流體阻力10d與下游側閥10f之間的流道容積（下游側容積）V2，計算收斂壓力PCONV。
本實施方式的收斂壓力計算部40使用以下的式子，計算形成在上游側閥10b與下游側閥10f之間的封閉空間的收斂壓力PCONV。另外，收斂壓力計算部40進行的收斂壓力PCONV的計算不限於使用以下的計算式，也可以使用查找表。在此，在使用查找表的情況下，可以考慮使用將上游側壓力P1、下游側壓力P2、封閉空間的收斂壓力PCONV三個參數作為各軸的查找表。
[數學式1]
Figure 02_image003
其中，PCONV是封閉空間的收斂壓力，P1是流體阻力10d的上游側壓力，P2是流體阻力10d的下游側壓力，V1是流體阻力10d與上游側閥10b之間的流道容積，V2是流體阻力10d與下游側閥10f之間的流道容積。
如圖2所示，在計算出的收斂壓力PCONV成為規定的目標收斂壓力PT_CONV以上時，閥控制部30將上游側閥10b完全關閉。在此，根據剛打開上游側閥10b以及下游側閥10f後能夠流過滿量程（100％）的設定流量的壓力，設定規定的目標收斂壓力PT_CONV。
接著，對將上游側閥10b以及下游側閥10f之間的封閉空間控制成目標收斂壓力PT_CONV的一系列的動作進行說明。
首先，透過將上游側閥10b以及下游側閥10f完全關閉，從氣體流過流道200的通常的氣體供給狀態，切斷氣體的流動。在此，在將上游側閥10b完全關閉後，將下游側閥10f完全關閉。
而且，在將上游側閥10b以及下游側閥10f完全關閉而切斷流道200後，打開上游側閥10b，使氣體流入上游側閥10b與下游側閥10f之間的空間。此時，上游側壓力感測器10c檢測上游側壓力P1，下游側壓力感測器10e檢測下游側壓力P2。
取得了這些上游側壓力P1以及下游側壓力P2的收斂壓力計算部40在氣體流入上游側閥10b與下游側閥10f之間的空間的期間實時地計算收斂壓力PCONV。閥控制部30依次取得由收斂壓力計算部40計算出的收斂壓力PCONV，並與規定的目標收斂壓力PT_CONV進行比較。而且，當計算出的收斂壓力PCONV成為規定的目標收斂壓力PT_CONV時，閥控制部30使上游側閥10b完全關閉（參照圖2）。由此，上游側閥10b與下游側閥10f之間的封閉空間的壓力在經過規定時間後收斂於規定的目標收斂壓力PT_CONV。另外，其後，在開始向腔室供給氣體的情況下，根據規定的設定流量，開始上游側閥10b以及下游側閥10f的控制。
＜本實施方式的效果＞
按照這樣構成的本實施方式的流體控制裝置100，使用流體阻力10d的上游側壓力P1以及下游側壓力P2的至少一方，計算將上游側閥10b完全關閉的情況下的封閉空間的收斂壓力PCONV，對計算出的收斂壓力PCONV與規定的目標收斂壓力PT_CONV進行比較，根據其比較結果，將上游側閥10b完全關閉，因此能夠對封閉空間的收斂壓力PCONV邊抑制過沖邊高速地進行控制。
＜其它實施方式＞
例如，在所述實施方式中，使用流體阻力10d的上游側壓力P1、流體阻力10d的下游側壓力P2、流體阻力10d與上游側閥10b之間的流道容積V1、以及流體阻力10d與下游側閥10f之間的流道容積V2，計算收斂壓力PCONV，但是也可以僅使用流體阻力10d的上游側壓力P1和流體阻力10d的下游側壓力P2的一方，計算收斂壓力PCONV。在該情況下，預先求出流體阻力10d的上游側壓力P1和流體阻力10d的下游側壓力P2的一方與收斂壓力PCONV的關係，根據該關係計算收斂壓力PCONV。
另外，所述實施方式構成為，當控制收斂壓力時，在計算出的收斂壓力PCONV與規定的目標收斂壓力PT_CONV一致了的情況下，將上游側閥10b完全關閉，但是也可以構成為，在計算出的收斂壓力PCONV超過了目標收斂壓力PT_CONV的情況下、或者預先設定將規定的目標收斂壓力PT_CONV作為基準的判斷範圍且在計算出的收斂壓力PCONV進入了判斷範圍的情況下，將上游側閥10b完全關閉。
此外，在所述實施方式中，透過將下游側閥10f完全關閉而從上游側閥10b開始向下游側形成封閉空間，但是也可以不將下游側閥10f完全關閉，而在上游側閥10b的下游側形成封閉空間。例如，如圖3所示，可以是如下的構成：設置有流體阻力10d的流道200與密閉容器400連接，由此在流體阻力10d的下游側形成封閉空間。在該構成的情況下，收斂壓力計算部40可以使用流體阻力10d的上游側壓力、流體阻力10d的下游側壓力、流體阻力10d與上游側閥10b之間的流道容積、以及流體阻力10d的下游側的流道以及密閉容器400的容積，計算收斂壓力PCONV。
所述實施方式的收斂壓力計算部40也可以修正封閉空間或流道200的容積的經時變化並計算收斂壓力PCONV。另外，也可以考慮封閉空間或流道200的容積的經時變化，變更目標收斂壓力。此外也可以具備警報輸出部，根據計算出的收斂壓力控制收斂壓力的結果，在封閉空間的收斂壓力相對於目標收斂壓力具有規定值以上的差的情況下，所述警報輸出部輸出警報訊號。
另外，存在如下的情況：由於流體阻力（層流元件）的加工精度，流體阻力的端部的位置精度發生變化，其結果，上游側容積V1以及下游側容積V2發生變動。在該情況下，收斂壓力計算部40可以構成為對由流體阻力（層流元件）的加工精度導致的前後的容積變化進行修正。
而且，在所述實施方式中，是具有上游側閥10b以及下游側閥10f的雙閥方式的構成，但是也可以是僅具有上游側閥10b的單閥方式的構成。
而且，在所述實施方式中，對組裝有壓力控制系統的流體控制裝置進行了說明，但是也可以是未組裝於流體控制裝置的壓力控制系統單體。
而且，所述實施方式的流體阻力10d是層流元件，但是只要是使流道產生壓差的阻力體即可，例如也可以是節流孔。
此外，只要不違反本發明的宗旨，可以進行各種各樣的實施方式的變形、組合。
100:流體控制裝置（壓力控制系統） 200:流道 10a:供給壓力感測器 10b:上游側閥 10c:上游側壓力感測器 10d:流體阻力 10e:下游側壓力感測器 10f:下游側閥 101:位置感測器 20:流量計算部 30:閥控制部 40:收斂壓力計算部 300:腔室 P 1:上游側壓力 P 2:下游側壓力 P CONV:收斂壓力 P T_CONV:目標收斂壓力 V 1:上游側容積 V 2:下游側容積 COM:控制設備
圖1是表示本發明的一個實施方式的流體控制裝置（壓力控制系統）的示意圖。 圖2是表示同實施方式的收斂壓力的控制方法的圖。 圖3是表示變形實施方式的流體控制裝置（壓力控制系統）的示意圖。 圖4是表示以往的收斂壓力的控制方法的圖。
100:流體控制裝置(壓力控制系統)
200:流道
10a:供給壓力感測器
10b:上游側閥
10c:上游側壓力感測器
10d:流體阻力
10e:下游側壓力感測器
10f:下游側閥
101:位置感測器
20:流量計算部
30:閥控制部
40:收斂壓力計算部
300:腔室
P1:上游側壓力
P2:下游側壓力
V1:上游側容積
V2:下游側容積
COM:控制設備

Claims (11)

  1. 一種壓力控制系統，所述壓力控制系統在構成封閉空間的流道上設置有流體阻力，透過控制設置在所述流體阻力的上游側的上游側閥來控制所述封閉空間的壓力，所述壓力控制系統包含：收斂壓力計算部，使用所述流道中的所述流體阻力的上游側壓力和下游側壓力的至少一方，計算將所述上游側閥完全關閉的情況下的所述封閉空間的收斂壓力；以及閥控制部，對計算出的所述收斂壓力與規定的目標收斂壓力進行比較，根據其比較結果，將所述上游側閥完全關閉。
  2. 如請求項1所述的壓力控制系統，其中，當計算出的所述收斂壓力成為規定的所述目標收斂壓力以上時，所述閥控制部將所述上游側閥完全關閉。
  3. 如請求項1所述的壓力控制系統，其中，所述壓力控制系統還包含在所述流道上設置在所述流體阻力的下游側的下游側閥，透過將所述下游側閥完全關閉，在所述流體阻力的下游側形成封閉空間，所述收斂壓力計算部使用所述流體阻力的上游側壓力、所述流體阻力的下游側壓力、所述流體阻力與所述上游側閥之間的流道容積、以及所述流體阻力與所述下游側閥之間的流道容積，計算所述收斂壓力。
  4. 如請求項3所述的壓力控制系統，其中，所述收斂壓力計算部使用以下的式子計算所述收斂壓力，
    Figure 03_image005
    其中，P CONV是所述收斂壓力，P 1是所述流體阻力的上游側壓力，P 2是所述流體阻力的下游側壓力，V 1是所述流體阻力與所述上游側閥之間的流道容積，V 2是所述流體阻力與所述下游側閥之間的流道容積。
  5. 如請求項1所述的壓力控制系統，其中，透過在所述流道上在所述流體阻力的下游側連接密閉容器，在所述流體阻力的下游側形成封閉空間，所述收斂壓力計算部使用所述流體阻力的上游側壓力、所述流體阻力的下游側壓力、所述流體阻力與所述上游側閥之間的流道容積、以及所述流體阻力的下游側的流道和所述密閉容器的容積，計算所述收斂壓力。
  6. 如請求項1所述的壓力控制系統，其中，所述收斂壓力計算部使用所述流道中的所述流體阻力的上游側壓力以及下游側壓力的至少一方，實時地計算所述收斂壓力。
  7. 如請求項1所述的壓力控制系統，其中，所述收斂壓力計算部修正所述封閉空間或所述流道的容積的經時變化並計算所述收斂壓力。
  8. 如請求項1所述的壓力控制系統，其中，在所述上游側閥設置有位置感測器，所述位置感測器檢測閥體相對於閥座的位置。
  9. 如請求項3所述的壓力控制系統，其中，在所述下游側閥設置有位置感測器，所述位置感測器檢測閥體相對於閥座的位置。
  10. 一種壓力控制方法，在構成封閉空間的流道上設置有流體阻力，透過控制設置在所述流體阻力的上游側的上游側閥來控制所述封閉空間的壓力，所述壓力控制方法包括：收斂壓力計算步驟，使用所述流道中的所述流體阻力的上游側壓力和下游側壓力的至少一方，計算將所述上游側閥完全關閉的情況下的所述封閉空間的收斂壓力；以及閥控制步驟，對計算出的所述收斂壓力與規定的目標收斂壓力進行比較，根據其比較結果，將所述上游側閥完全關閉。
  11. 一種壓力控制程序，所述壓力控制程序用於壓力控制系統，所述壓力控制系統在構成封閉空間的流道上設置有流體阻力，透過控制設置在所述流體阻力的上游側的上游側閥來控制所述封閉空間的壓力，電腦透過執行所述壓力控制程序而發揮作為收斂壓力計算部以及閥控制部的功能，所述收斂壓力計算部使用所述流道中的所述流體阻力的上游側壓力和下游側壓力的至少一方，計算將所述上游側閥完全關閉的情況下的所述封閉空間的收斂壓力，所述閥控制部對計算出的所述收斂壓力與規定的目標收斂壓力進行比較，根據其比較結果，將所述上游側閥完全關閉。
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