TWI390186B - 流量計 - Google Patents

Description

流量計

本發明為關於適用於測量低流動速度之流體的流量計，尤指一個適用於在用來製造具有精細的相互連接結構之半導體裝置的半導體製造裝置中測量低流動速度流體的流量計。

一般測量如氣體或液體等流體的低流動速度(low flow rate)時，已知可使用一個流量計，該流量計有一個置於殼子(casing)內的加熱元件，且藉測量該加熱元件的溫度以測量流體的流動速度[flow rate，單位時間內流動之流體量，一般有稱為「流量」者，本文中稱為流動速度]，加熱元件的溫度會隨著殼子內流體流動速度而改變。

已知的流量計包含複數個置於殼子之一側的發光二極體(LEDs)，殼子是以光學性透明的材料製作、複數個置於殼子反側且面對LED的受光二極體、及一個置於殼子內且可屏敝光源的材料製成之浮標(float)，浮標藉偵測受光二極體的位置以偵測浮標的位置，當浮標將光源阻隔，以致受光二極體從LED接收不到光時，偵測該受光二極體之位置而偵測該浮標之位置。(例如，參閱日本專利公開公報號碼H2-388162)

另一個已知的流量計，包含一個由光學性透明的材料製做並置於殼子的浮標、及複數個影像感測器單元、每個感測器單元含有一個光學鏡片及一個影像感測器(image sensor)且與殼子一起設置，藉影像感測器單元的影像範圍之組合，根據從影像感測單元輸出的電子訊號來偵測浮標的位置，以辨識該殼子的有效影像範圍。(例如，請參閱日本專利公開號碼2001-221666)

另一個已知的相似類型流量計，其使用鏡片和一列CCD感測器以投射流體的一維(one dimensional)影像於該列感測器上，並從影像的位置來偵測該浮標的位置。(例如，請參閱日本專利公開公報號碼2001-221666號)

再另一個習知的流量計，其包含一個有永久磁鐵的浮標、一殼子、複數個置於殼子外側的磁性感測器，其利用複數個磁性感測器的其中一個，偵測該浮標永久磁鐵的磁性，以偵測該浮標的位置。(例如，請參閱日本專利公開號碼H11-190644號)

使用加熱元件製作的傳統流量計，例如，利用一個微機器，加熱元件暴露於流體。當處理一個腐蝕性的流體時，必須利用保護性材質來覆蓋並保護該加熱元件。在此例中，由於保護性薄膜的導熱性(heat conductivity)，低流動速度的流體無法達到高測量精準度，此外，其反應速度太慢，導致難以計量低流動速度的流體。

至於有光學或磁性感測器並置在殼子外側的傳統流量計，為了偵測浮標的位置，並為了增加測量準確度，其所需的光學或磁性感測器數目必需增加，導至難以組裝、組裝的體積過大及高成本。此外，具有光學感測器的流量 計需要利用光學性透明的殼子，也因此限制了該殼子的材質。另外，這類的流量計處理一些類型的流體是很困難的。

本發明係有鑑於上述相關技藝的情形而者。因此，本發明的目地是提供一個高可靠性的流量計，此流量計能高準確度地測量低流動速度的流體、能以小體積製作、能處理多樣類型的化學物質、且能以低成本輕易地製作。

為了達到此目標，本發明乃提供一種流量計，包含：有一個擴大部份的殼子且垂直放置、一個密閉於殼子之擴大部份且至少部份地含有一個偵測表面之浮標(float)，藉流體從下方流入殼子且在殼子內向上流動，將該浮標向上推升、及至少一個位移感測器，其位於殼子的擴大部份之外側，藉磁化該浮標的偵測表面以偵測該浮標的垂直位移。

根據本發明的流量計，在殼子內垂直向上流動的流體將產生一個向上的壓力在密閉於殼子之擴大部份的浮標上，當此壓力與浮標本身的重量產生平衡，該浮標仍漂浮並靜止停留於對應於流動於流量計內該流體流動速度的位置。由於浮標至少部份地擁有一個磁性偵測表面，浮標的軸向漂浮位置(位移)可由例如置於殼子擴大部份外側之電感型位移感測器或渦流型(eddy current-type)位移感測器，以高解析度準確地偵測。

位移感測器的較佳例子是一個非常小型的感測器，包含一個鐵氧(ferrite)磁性核心(magnetic core)及一個纏繞於該核心的線圈，擁有非常高解析度，使其能偵測大約一微米(1μm)程度的位移。使用這種位移量感測器時，縱使流量 計的體積尺寸作得很小而浮標的移動行程(stroke)(垂直方向上可移動的範圍)，只有大約2毫米(mm)時也能滿足需求。此外，此位移感測器具有高耐衝擊性，是高度可信賴的，也能以低成本製作。

本發明也提出一個流量計的殼子，此殼子具有一個擴大部份並設有至少一個位移感測器在其外側且垂直設置，因此流體能從下方流入殼子且在殼子內往上流動。

本發明也提供一個至少部份地含有一個偵測表面且包封於殼子的擴大部份內的浮標，該浮標在擴大部份藉由從下往上流入設子的流體而向上推升，而在殼子內往上流動。

本發明的流量計利用一個位移感測器，例如電感型位移感測器或渦流型位移感測器，以偵測浮標的垂直位移。因此能以高準確度計量低流動速度的流體，並縮減了流量計的體積，且流量計可低成本製作。此外，流量計的殼子及浮標能以金屬材質製作，因此儘管在一個腐蝕性的環境，低流動速度的流體依然能穩定地以高精準度地測量。另外，流量計可不使用微機器(micro machine)等精細製程科技進行製作，而使用一般技術即可。據此，能以低成本製作穩固結構的流量計。

(較佳實施例之詳細說明)

茲參考附圖說明本發明的較佳實施例。在這些圖中，有相同的作用或功能的構件或元件將附註相同的參考數 字，而省略重複的說明。

第1A圖和第1B圖顯示根據本發明第一實施例之流量計10，而第1C圖和1D顯示用於流量計10內的一個位移感測器15。流量計10包含一個具有擴大部份12並垂直地設置的殼子(casing)11，以及包封於擴大部份12的浮標(float)13。有一個電感型位移感測器15設置在殼子11的擴大部份12之外側，可用來測量浮標13的垂直位移。殼子11可由例如不鏽鋼製成，而浮標13具有一個高透磁率(high-permeability)磁性物質(透磁合金，permalloy)的偵測表面13a，位移感測器15透過殼子11以磁化偵測表面(磁性表面)13a，以從電感的改變計量偵測表面(磁性表面)13a的軸向位移。

具體而言，當浮標13位於透磁合金(高透磁率磁性材質)的斜截圓錐形部份之上端和下端，利用將各個表面做為偵測表面13a，且浮標13有一個非磁性鋁質材料介於兩端斜截圓錐形部份之間的圓柱狀部份13b。圓柱狀部份13b的直徑可例如大約為20mm，且其該高度可例如大約為30mm。本實施例中浮標13的比重是設定大約為2，因而在作為測量的目標之靜止的流體(例如水)中下沈。浮標13的比重可依要計量之流體的類型、流動速動等調整重度透磁合金和輕鋁金屬之比例、及浮標13的中空部份的比例，而設定於一個適切的值。

如第1C圖和第1D圖所示，該位移偵測器15包含一個鐵氧(ferrite)核心(core)15a和一個纏繞在鐵氧核心15a 上的線圈15b。該線圈15b的各端點均連接至一個未圖示之感測放大器(sensor amplifier)以產生感測器輸出。鐵氧核心15a的體積是非常小，例如，直徑不大於數毫米(mm)且高度不大於2至3mm。於是，流量計10的體積，也就是殼子11之擴大部份12的體積及位移偵測器15的體積的總和，將與殼子11之擴大部份12的體積非常的相近。並且，電感型位移感測器15能以1微米(μm)程度的解析度透過與不銹鋼殼子11的非接觸方法(contactless manner)，計量偵測表面的位移(即為量測目標)。

在本實施例中，有三個電感型位移感測器15位於擴大部份12的上端，另有三個電感型位移感測器15位於下端面，這些位移感測器以相同間距設置於周圍方向。各三個位移感測器15係串列連接，而取出其總輸出。因此，能取出該三個位移感測器15的平均輸出，以增強測量的準確度。將電路設計成可從上端感測器的總輸出和下端感測器的總輸出取出差動輸出(differential motion output)。因此，當浮標13在擴大部份12內垂直地移動(垂直方向地)，可由上感測器和下感測器之間的差動輸出，計量垂直位移。

第2A圖至第2C圖表示由流量計10進行流動速度計量的原理。如第2A圖所示，當殼子內沒有流體流動時，浮標13藉其本身的重量，與殼子11擴大部份12之下方倒斜截圓錐形部份的內部表面接觸。當流體開始流入殼子11，浮標13即藉流體的流動而被往上推升，而靜止停留於流體的流動所產生向上之壓力與浮漂13的重量達到均衡 之處，如第2B圖所示。當殼子11內流體的流動速度增加，浮標13即向上移動而靜止停留於一個較高的位置，如第2C圖所示。

因此，浮標13的漂浮位置(軸向位移)與流動於殼子11內流體的流動速度大約呈現線性改變關係。據此，流動於殼子11內流體的流動速度可藉位移感測器15偵測浮標13的軸向位移而定。位移感測器15計量介於浮標13和殼子11的上方/下方斜截圓錐形部份的距離Lu和Ld，如第2A圖至第2C圖所示。浮標13的軸向位移成分能從距離Lu和Ld計算而得。在本實施例中流量計10，浮標13有一個20mm的直徑及一個30mm的高度，而在擴大部份12內的浮標13的移動行程(stroke可軸向移動的範圍)，設定約為2毫米(mm)。使用對浮標13之位移具有大約1μm之解析度之位移感測器15能以相當高的精準度計量浮標13的軸向位移。

在流量計10中，介於殼子11擴大部份12的內部直徑和浮標13外側直徑的空隙”C”(參閱第1B圖)是設定在大約為0.2毫米(mm)。這樣的空隙對應至殼子(流動通道)的橫剖面大約為5mm，就水而言大約10至60cc/min的低流動速度，依然有可能以高準確度計量，細節將在後面說明。

計量目標物的計量流動速度範圍能藉改變介於殼子11擴大部份12內部直徑12與浮標13外部直徑之間的空隙”C”而改變。例如，在用以製造的半導體裝置，如一個有精細的相互連接結構(interconnect structure)之半導體設 備，要供給如光阻劑溶液劑(resist solution)之類之黏性流體時，必須控制在一個小流動速度，例如大約10cc/min。藉提供對應至殼子的橫剖面(流動通道)的空隙，例如大約2至3毫米直徑，能符合上述需求，且在此低流動速度下欲達成高準確度測量也變的可能。

同樣的，例如對一個粗劣清潔液體(rough cleaning liquid)，將流動速度控制在大約為2000至3000cc/min是需要的。藉提供對應至殼子的橫剖面(流動通道)的空隙，例如大約10mm直徑，能符合此要求，且在此流動速度下欲達成高準確度測量也變的可能。本發明流量計中的小空隙”C”適用於低流動速度的計量，當然的，該流量計藉將空隙”C”提高能用在計量較大的流動速度。

在一個半導體製造裝置，有許多案例含有多樣的流體，例如含氟(fluorine-containing)流體、酸(acid)、鹼金屬(alkali)、流動性化學製品、光阻劑溶劑(resist solution)及研磨漿(polishing slurry)，均可準確控制流動速度來供給。例如，供給清潔液體至清潔裝置、供給光阻劑溶液至光阻劑塗覆裝置、及供給研磨漿至研磨裝置。本發明的流量計由於下列原因在上述案例中有利地使用。第一，低流動速度的高準確度測量是可能的。第二，殼子11和浮標13能以金屬材質製造，因此殼子和浮標對多樣性化學物質是高度穩定的。第三，因為能使用不須高組裝準確度之小體積位移感測器15，流量計能以小體積製作且能簡易地組裝在一個半導體製造裝置等。第四，流量計是高度可信賴的。 第五，因為可取出對應至流動速度的電子訊號，流量計可簡易地組裝在一個控制系統。

以下說明流量計10的流動速度測量特徵上的實際測量資料。第3圖顯示以兩個有不同比重的浮標，計量流動於殼子11內的流體流動速度與浮標13的軸向位移之關係。橫座標表示流體(水)的流動速度，而縱座標表示浮標13的軸向位移。圖中顯示比重為2的浮標13與比重為3的浮標13之比較。從第3圖很明顯地發現，比重為3的浮標13的位移量小於比重為2的浮標13；而流動速度的範圍，該流動速度可從在一個大約線性關係的位移量進行計量，也擴大至10至90cc/min。

雖然浮標13的軸向位移是非常小僅大約0至0.5mm，浮標13能利用一個大約1μm程度解析度的位移感測器15，以足夠的精確度計量浮標13的軸向位移。

以下參照第4圖至第6圖說明本發明另一個實施例的流量計。

第4圖顯示根據本發明第二實施例的一個流量計。此流量計除了上述第一實施例的流量計之結構外，包含用以控制浮標13的徑向位置(radial position)之徑向磁性軸承(radial maganetic bearing)。具體而言，此實施例的流量計包含多個用以偵測浮標13之徑向位置的徑向位移感測器17；用以控制浮標13的未圖示之控制裝置，根據由徑向位移感測器17所偵測之位置，將浮標控制在目標徑向位置；及電磁體(electromagnets)18。當浮標13從殼子11的中心 (即目標位置)徑向位移，徑向位移感測器17偵測浮標13的偏離圓心的位置，控制裝置即藉電磁體18施加徑向磁性外力於浮標13，因此，浮標13即回復至殼子11的中心，亦即目標位置。

有四個徑向位移感測器17和四個電磁體18均分別設置於等間距的周圍方向，因此能施行浮標13在X.Y方向位移的偵測及浮標13位置的控制。浮標13包含一個磁性物質的圓柱狀部份13c，作為電磁體18的目標，位於上方斜截圓錐形之偵測表面13a的下方，而一個磁性物質圓柱狀部份13d，作為徑向位移感測器17的目標，位於下方斜截圓錐形之偵測表面13a的上方。

除了使用徑向位移感測器17，也可能使用一個包含電磁體18的無感測器(sensorless)徑向磁性軸承，利用線圈，提供偵測浮標13徑向位移的位移感測功能。

此實施例的流量計，除了該徑向磁性軸承的設置外，其架構與第一實施例的流量計相同，有如同第一實施例的流量計在低流動速度中相同的高準確度偵測特徵。除此外，藉徑向磁性軸承的設置，利用此實施例的流量計以經常將浮標13保持於殼子11之擴大部份12的中心也變的可能。由此可避免浮標13接觸殼子11的內壁表面，由此避免浮標13和殼子11相接觸而造成髒污。

此外，徑向磁性軸承的電磁體18持續地施加一個徑向電磁力於浮標13。徑向磁性力在浮標13產生一個軸向剪力(axial shear force)，具體而言，當浮標13在軸向移動， 徑向剪力(radial shear force)與浮標13的軸向移動起相互對抗。因此，軸向電磁力從電磁體18持續性地施加在浮標13，產生如同增加浮標13的比重之效果。據此，藉調整電磁體18的持續性磁力，將流動速度測量範圍從10至60cc/min擴大至例如10至600cc/min也變的可能。

雖然在此實施例中由於流動於殼子11內流體的流動速度之改變而產生之浮標13的軸向位移是由位移感測器15來偵測，也可利用上述由電磁體18所產生之磁性剪力，從電磁體18電流的改變偵側流動於殼子11內之流體流動速度的變化。

具體言之，當流動於殼子11內流體的流動速度是零時，供給至電磁體18之電流為最小。藉使用電磁體18的磁性剪力，將浮標13保持在一個由位移感測器15所偵測的某一軸向位置。當流動於殼子11內流體的流動速度增加，從流體施加在浮標13的向上方之壓力也增加，在此時，供給至電磁體18的電流增加，而增加磁性剪力以將浮標13保持在某一軸向位置。在執行控制浮標13之軸向位置時，流動在殼子11內流體的流動速度越大，將有越大的磁性剪力，也因此需要提供越大的電流至電磁體18以將浮標13保持於該某一軸向位置。因此，有一個介於流動在殼子11內流體的流動速度與供給至電磁體18的電流之相互關係，而此相互關係，得從供給至電磁體18之電流計量流動在殼子11內流體的流動速度。

第5圖顯示根據本發明第三實施例的流量計，此實施 例的流量計和第二實施例的流量計不同處在於免除浮標13上端和下端的斜截圓錐部份，而將位於浮標13的上方和下方偵測表面均製成平坦表面(圓形表面)。結果，殼子11的擴大部份12係製成矩形，而位移感測器15是設定在垂直於擴大部份之軸向的表面。其他結構均和第一及第二實施例的流量計相同。

藉此實施例如此顯著的特徵，流量計可製做成小體積。當然的，構成徑向磁性軸承的徑向位移感測器17及電磁體18也以一併免除。既使是這種沒有徑向磁性軸承的流量計，也有如同第一實施例的流量計的相同流動速度偵測特性，甚至在一個腐蝕性環境，也能以足夠的高準確度偵測低流動速度。

然而，根據第一或第二實施例之位於浮標13上端和下端的斜截圓錐狀部份、連同殼子11之擴大部份之面對偵測表面13a之倒斜截圓錐表面，使流體能平順地和穩定地流入殼子11的擴大部份12。由此觀點，也可保留位於浮標13下端的斜截圓錐部份以及殼子11的擴大部份12之面對下方偵測表面13a之倒斜截圓錐表面。如第6圖的變異例所示。此種變異例也可使流體平順且穩定地流入殼子11的擴大部份12。此外，位在浮標上端的偵測表面13a調整成平坦狀、面對該平坦偵測表面13a且垂直於軸向方向之面也成平坦面、將殼子11的擴大部份12之面有助於縮小流量計體積。

當然，也可在此流量計免除一起構成該徑向磁性軸承 的徑向位移感測器17及電磁體18。既使是這種沒有徑向磁性軸承的流量計，也具有如同第一實施例的流量計的相同流動速度偵測特徵，甚至在一個腐蝕性環境，也能以足夠的高準確度偵測低流動速度。

雖然在上述第一至第三實施例中，使用了電感型位移感測器做為位移感測器15，從非磁性鋼鐵殼子11的外側，偵測透磁合金(permalloy)浮標13之偵測表面13a之位移，也可使用一個渦流類型位移作為位移感測器15。在此例中，存在於感應器15和偵測表面13a之間之鋼質殼子11具有高導電性，因而將導致一個相當大的渦流損失，因此建議使用不同材質的殼子。例如，在渦流型位移感測器之前面的殼子建議使用陶器或樹脂材質，以減少渦流損失。渦流型感測器係根據由於目標物的位移而使渦流改變導致阻抗變化，以偵測目標物的位移。據此，就沒有必要使用一個高透磁性磁性材料做為浮標13的偵測表面13a。一個能產生渦流的導電材料即足夠了。

當利用渦流型位移感測器透過金屬殼子偵測浮標的位置時，由於殼子導致渦流損失的影響等，導至位移感測器訊號的訊號/雜訊(S/N)比低。為了減低該影響和增加S/N比，建議使感測器為電流驅動式(current power-driven)並設置一個濾波段，以適切地從感測器訊號移除雜訊。此外，為了補償由濾波器所產生的感測器訊號之相位偏移，建議在感測訊號段設置相位補償段、參考訊號段和同步偵測訊號段以使感測器的靈敏性最佳化。

因為殼子11和浮標13，在上述的實施例中均由金屬材質所製造，一些做為測量目標的流動性化學物質將導致金屬材質的腐蝕。所以在這種案例中建議使用樹脂或陶器等對化學物質有抗腐蝕性的材質做為殼子11。此外，建議浮標13鍍上一層對化學物質有抗腐蝕性的樹脂材質進行保護。

前面已就本發明的實施例以參考的較佳實施例進行說明。本發明可由熟悉此技藝者了解本發明並不限定於這些實施例。事實上包含了在本發明之精神和範圍內所作成的改變和調整。

10‧‧‧流量計

11‧‧‧殼子

12‧‧‧擴大部份

13‧‧‧浮標

13a‧‧‧偵測表面

13b‧‧‧圓柱狀部份

13c‧‧‧圓柱狀部份

13d‧‧‧圓柱狀部份

15‧‧‧位移感測器

15a‧‧‧核心

15b‧‧‧線圈

17‧‧‧徑向位移感測器

18‧‧‧電磁體

第1A圖是根據本發明的第一實施例之流量計的垂直剖視圖；第1B圖是在第1A圖中沿B-B剖線的剖視圖；第1C圖是位移感測器的垂直剖視圖；而第1D圖是該位移感測器的俯視圖。

第2A圖是顯示當沒有流體在殼子內流動時之殼子內浮標的狀態之橫剖視圖；第2B圖是顯示當有流體正流入殼子時之浮標的狀態的橫剖視圖；第2C圖是顯示當流體的流動速動增加時之浮標的狀態的橫剖視圖。

第3圖是顯示具有不同比重(specific gravities)之浮標之流體流動速度和浮標軸向位移量關係之圖表。

第4圖是根據本發明第二實施例之流量計的垂直剖視圖。

第5圖是根據本發明第三實施例之流量計的垂直剖視 圖。

第6圖是根據第5圖之第三實施例之一個變異型流量計的垂直剖視圖。

10‧‧‧流量計

11‧‧‧殼子

12‧‧‧擴大部份

13‧‧‧浮標

13a‧‧‧偵測表面

13b‧‧‧圓柱狀部份

15‧‧‧位移感測器

Claims (8)

1. 一種流量計，包括：具有擴大部份且垂直設置之殼子；浮標，包封在該殼子的擴大部份且至少部份地具有偵測表面，藉由從下方流入該殼子且在該殼子內向上流動之流體將該浮標向上推升；至少一個位移感測器，其位於該殼子的擴大部份之外側，藉由磁化該浮標的偵測表面以偵測該浮標的軸向位移；以及徑向磁性軸承，設置於該殼子之擴大部份的外側，用以控制該浮標的徑向位。
2. 如申請專利範圍第1項的流量計，其中，該位移感測器是電感型位移感測器或是渦流型位移感測器。
3. 如申請專利範圍第1項的流量計，其中，該浮標在兩端具有斜截面圓錐偵測表面，而中間具有圓柱狀部份。
4. 如申請專利範圍第1項的流量計，其中，該浮標在兩端具有圓形偵測表面，而中間具有圓柱狀部份。
5. 如申請專利範圍第1項的流量計，其中，該浮標的比重可調整，以調整可計量的流動速度範圍。
6. 如申請專利範圍第1項的流量計，其中，該徑向磁性軸承的電磁體係將該浮標保持於某一位置，且該流量計係利用該電磁體的電流計量流體在該殼子內流動的流動速度。
7. 一種包含如申請專利範圍第1項的流量計之半導體製 造裝置。
8. 一種包含如申請專利範圍第6項的流量計之半導體製造裝置。