TWI421473B - 具隔離腔室之流體處理裝置 - Google Patents

Description

具隔離腔室之流體處理裝置

本發明係關於流體流動量測及控制裝置。具體而言，本發明係關於適用於關鍵製程流體處理設備之流量計及控制器。

包括去離子水在內之超純流體常用來處理例如半導體基材等敏感材料，而這些敏感材料在製造製程中容易受到污染，此係製造商所面臨之重要問題。這些敏感材料在製程中常直接接觸超純流體，因此，超純流體受到污染常會導致敏感材料在製程中亦受到污染。該等製造系統之各種組件(例如流量計及控制器)已設計成藉由減少異物微粒之藏匿、及藉由消除或減少流體輸送系統內之滯流區域，從而防止細菌滋生來減輕對超純流體之污染(並因此對敏感材料在製程中之污染)。

流量計及控制器通常需要量測流體流動路徑中孔口兩側上之流體壓力，並使用所量測壓力之差來計算流體流速。傳統之流體壓力量測值係藉由如下方式來獲得：在所需位置處分接出流動管線，並使該分接管與壓力感測器進行流體連通。為防止形成會藏匿微粒並助長細菌滋生之滯流區，故使用具有小「縱橫比」(長度對直徑之比)之壓力分接管幾何形狀。相對於貫入直徑而言，較淺之分接管幾何形狀易藉助製程流來清掃乾淨，且不太可能助長細菌滋生或藏匿微粒。此外，在初次安裝之後，通常使用製程流體流對用於超純製程流之裝置沖洗一段時間，在此期間不進行實際之製程。希望使無直接流體流動之區域保持最少，以便能夠快速地沖洗及移除污染物。因此，傳統設計偏好使用帶有緊密耦合至流動通道壁上之壓力感測器之壓力分接管。較佳地，係使壓力感測器之感測面與流動通道壁齊平。

流量控制器，例如由Entegris NT公司(本申請案之擁有者)所製造並揭示於美國專利第6,578,435號(其以引用方式全文併入本文中)中之流量控制器，通常使用與處理介質直接接觸之陶瓷壓力感測器。然而，該等陶瓷感測器並不非常適合接觸腐蝕性流體。使壓力感測器直接接觸處理介質會優於在感測器與製程流體間夾置隔離膜之配置，部分是因為直接接觸會增強量測之反應性，並減弱與隔離技術相關聯之副效應(例如滯後)。因此，藍寶石或其他此等惰性材料常與腐蝕性流體一起使用。此一感測器揭示於例如美國專利第6,612,175號中，該美國專利係由本發明之擁有者所擁有，並以引用方式全文併入本文中。

然而，本發明之申請者已發現，使感測面與流動通道壁齊平地佈置藍寶石感測器時，由於存在熱效應，藍寶石感測器容易出現偏移誤差及信號雜訊。特別是在整合流量控制器中，將馬達操作閥與流量計量感測器設置於同一本體中，據信，馬達發出之熱量會同時經由閥體與流體本身而傳導至感測器。由於熱量經由閥體傳導，因而位置最接近閥門馬達之感測器所處之溫度通常高於位置較遠之感測器。此外，由於熱量經由閥體傳導，因而沿設置於閥體中之感測器的部分之長度會存在溫差。熱量亦可經由流體傳導，在流體流量極低(例如低於約250 mL/min)之應用中，甚至會逆著流動方向而向上游傳導。流體之熱阻會在感測器面處造成流體溫差，從而導致偏移。此外，流動紊流及流體－閥體界面處之差溫加熱會導致各流體容器處於不同溫度。處於不同溫度之流體容器會與感測器面接觸，致使輸出信號出現快速變化。

因此，在該行業中需要提供流量計量和控制裝置，其可使藍寶石感測器設置為直接接觸製程流體、同時避免因熱效應而出現不欲之信號偏移及雜訊，同時亦消除會藏匿微粒及助長細菌滋生之滯流區域。

本發明之實施例即滿足業界對流量計量和控制裝置之需要：其可使藍寶石感測器或其他感測器設置為直接接觸製程流體、同時避免因熱效應而出現不欲之信號偏移及雜訊，同時亦消除會藏匿微粒及助長細菌滋生之滯流區域。根據本發明之實施例，藉由一脈衝腔室或管將藍寶石感測器之面與流量流隔開。在一實施例中，藉由縱橫比(即腔室之長度對腔室之直徑之比)不小於約3：1且不大於約10：1之脈衝腔室，來達成感測器與流動通道間之流體連通。

在另一實施例中，該偏移結構進一步包含夾於感測器面與脈衝腔室間之感測腔室，其具有大於脈衝腔室之水力直徑。該感測腔室之容積係由與該脈衝腔室流體連通且由感測器之面界限之空腔界定而成。該感測腔室之容積對該脈衝腔室之容積之比不超過0.3。

據信，在本發明之實施例中，由於自熱源至感測器面之截面區域尺寸相對更小且熱量經由流體傳遞之路徑長度增大，因而使經由製程流體之熱量傳導減少。此外，該脈衝腔室會使流體紊流相對減小，且使感測器面處之快速流體溫度變化相應地減小。而且’由於熱量經由裝置本體之流動路徑變長，故熱量經由裝置本體之傳導減少。減少經由流體及裝置本體之熱量流，便減輕了信號偏移及雜訊。

相應地，本發明實施例中包含具有上述縱橫比範圍之脈衝腔室之一優點在於，其使感測器與流量流的紊流混合之熱隔離得到改良、同時能在初次運作及使用期間充分地沖洗脈衝腔室。

本發明實施例之包含具有上述縱橫比範圍之脈衝腔室之一優點在於，在含氟聚合物裝置本體中，感測器藉由裝置本體而與熱傳導進一步隔離。

本發明實施例之包含具有上述特性之感測腔室之一優點在於，其能容納之感測器直徑可大於可行脈衝腔室之水力直徑，同時不會導致過多之微粒藏匿或細菌滋生。

相應地，在一實施例中，一種流體處理裝置包含一本體部，其界定一流動通道及自該流動通道延伸出之一脈衝腔室。該脈衝腔室與該流動通道流體耦合，並具有一對在其間界定一長度尺寸之相對端。該脈衝腔室更提供垂直於該長度尺寸之一直徑尺寸，其中該長度尺寸為該直徑尺寸之至少3倍且不大於10倍。該裝置更包含以可操作方式與該本體部相耦合之至少一感測器。該感測器緊靠該脈衝腔室之與該流動通道相對之端部設置，並提供朝向該脈衝腔室內之一感測面。

在該裝置之實施例中，該本體部可在該脈衝腔室之與該流動通道相對之端部處更界定一感測腔室。該脈衝腔室可界定一第一容積且該感測腔室可界定一第二容積，且該第二容積不大於該第一容積之30%。

在該裝置之實施例中，該本體部更界定與該第一脈衝腔室相間之一第二脈衝腔室。該第二脈衝腔室自該流動通道延伸出並與其流體耦合。該第二脈衝腔室具有一對在其間界定一長度尺寸之相對端，並更提供垂直於該長度尺寸之一直徑尺寸，使該長度尺寸為該直徑尺寸之至少3倍且不大於10倍。該裝置可更包含一第二感測器，其以可操作方式與該本體部耦合並緊靠該第二脈衝腔室之與該流動通道相對之端部設置。

本發明之實施例可更包含一種同時地在一流體處理裝置中減輕熱致偏移及信號雜訊、同時抑制微粒藏匿及細菌滋生之方法。該方法包含：提供一本體部，及於該本體部中界定一流動通道及與該流動通道進行流體耦合之一對相間之脈衝腔室。各該脈衝腔室具有一對相對端，該對相對端在其間界定一長度尺寸，並提供垂直於該長度尺寸之一直徑尺寸，使該長度尺寸為該直徑尺寸之至少3倍且不大於10倍。緊靠各該脈衝腔室之與該流動通道相對之端部設置一感測器。此外，可在該本體部中靠近各該脈衝腔室之與該流動通道相對之端部界定一感測腔室。該等脈衝腔室及該等感測腔室可界定成使各感測腔室之容積不大於該相鄰脈衝腔室之容積之30%。

熟習此項技術者在閱讀下文「實施方式」部分、尤其係結合申請專利範圍及附圖閱讀後，將更易明瞭本發明之其他優點。

參見第1圖，其以剖面圖顯示一先前技術之孔口型流量計10之本體20。如在「先前技術」部分中所述，該設計之特徵係具有槽30、40，其係由帶螺紋之壁50形成，以用於嚙合一壓力感測器60(圖中未顯示第二壓力感測器)。各槽30及40分別經由孔口90、100與一流動通道70進行流體連通。孔口90及100係由處於0.1數量級之縱橫比AR(軸向長度L對直徑D之比)來表徵。在槽30中，壓力感測器60之一感測器面110經由孔口90緊密耦合至流動通道70。

第1圖所示設計之縱橫比使感測器之熱隔離與如下之相矛盾設計考量相平衡：為減小滯流區域，流動通道70與感測器面110間之任何偏移之深度皆應較淺，否則滯流區域會助長細菌孳生及微粒，且在裝置首次投入使用時，沖洗污染物會既困難又耗時。

如前面所述，當在第1圖所示之先前技術設計中使用藍寶石壓力感測器，所得到之流量量測值(藉由量測一阻塞物120兩端之壓力差而得)容易出現由溫度所致之偏移誤差。參見第2圖，對先前技術裝置實施串級測試之結果顯示於圖130中。該等結果係以流量計10之滿刻度值之百分比形式表示。該串級測試係由根據以下清單來設定流過第1圖之流量計10之腐蝕性流體之流速來組成：流量計10之滿刻度值之0%、100%、0%、70%、100%、80%、60%、40%、20%、15%、10%、及0%。使各流速保持50秒之一段時間後，再移至該清單中之下一流速。以「O」符號所描繪之資料點集合140代表實際流速。以「X」符號所描繪之資料點集合150則代表由使用藍寶石應變計壓力感測器來量測阻塞物120兩端壓降之流量計10所量測之流量。第2圖中之圖130清楚地顯示偏移誤差(例如參考編號160)。而且，如第8圖中之端點正規化流量資料圖亦顯示信號雜訊很明顯，尤其係在流速低於20%時。

現在參見第3至5圖，其顯示本發明之一實施例。該實施例係根據一阻塞型流量計170之描述提供，該阻塞型流量計170具有一本體180、用於容納一製程流量流200之一流動通道190、二壓力分接管210及220、以及二壓力感測器(在圖中僅顯示一個壓力感測器230)。流動通道190包含一阻塞物240，其以位於壓力分接管210與220間之受限直徑部250之形式呈現。各壓力分接管210、220包含一槽260及一脈衝腔室270，脈衝腔室270在流動通道190與壓力感測器230間形成流體連通。槽260具有上面形成有螺紋290之一側壁280、及一頸圈部300，頸圈部300向下收縮至具有周緣320及底面330之一下部空腔310。一凸肩340形成於頸圈部300與下部空腔310之交會處。壓力感測器230設置於槽260中，並與螺紋290配合，以使感測器230之本體牢牢地安裝倚靠在凸肩340上。

在一感測腔室350之側面及底部上，係分別由下部空腔310之周緣320及底面330界限，且在頂部上則由所安裝之壓力感測器230之感測面360界限。圓柱形脈衝腔室270之直徑為D2且具有一近端380及一遠端390，其位於感測腔室350與流動通道190之間。脈衝腔室270之近端380連接至感測腔室350，而遠端390連接至流動通道190，藉以在流動通道190與壓力感測器230之感測面360間形成流體連通。

再次使用藍寶石應變計型壓力感測器，對第3至5圖中之實施例重複產生第2圖所示資料時所遵循之測試程序。其結果顯示於第6圖所示之圖400中。同樣，實際流速資料集合410及所量測流速資料集合420分別由標記「O」及「X」加以表示。應注意，在該圖之顯示解析度內，流量量測值中不存在可偵測到之偏移(此與第2圖中之圖130形成鮮明對比)。亦應注意，具有脈衝腔室幾何結構時，量測值中之隨機雜訊分量大幅減小，而在第2圖中滿刻度設定點之20%、15%及10%處，隨機雜訊分量卻非常顯著。

傳統觀念認為，當長且窄之脈衝腔室270(即具有較大縱橫比之孔口)用於腐蝕性流體，尤其與直徑明顯大於脈衝腔室270之感測腔室350相耦合時，會造成嚴重之缺點。所關切之處在於，在初次安裝裝置後，無法在原位以有效之方式對此等幾何形狀進行清洗，此乃因清洗過程中，流體/感測器界面處與死區相耦合之大縱橫比之幾何形狀會保持滯流，從而滯留微粒以及細菌細胞，進而使細菌細胞繼續傳播。

然而，本發明之發明者已發現，使用本文所揭示縱橫比為10或以下之脈衝腔室270之裝置中之微粒及污染物，能夠在裝置投入使用後在一合理且可行之時間長度內得到充分清除。此外，在大多數情形中，縱橫比為3便足以提供所期望之雜訊及偏移量減低效果。因此，本發明之實施例利用縱橫比(AR)(即腔室長度對腔室直徑之比)介於3：1AR10：1範圍內之脈衝腔室370。至於感測腔室350，則發現若感測腔室350之容積係為脈衝腔室270之容積之30%或以下，則將能在初次使用時，藉由技術充分地清洗壓力分接管210。

本發明可用於流量計(例如，在如美國專利第5,672,832號中所揭示者，該美國專利以引用方式全文併入本文中)中、或者用於流量控制器(例如，在例如美國專利第6,578,435號中所揭示者，該美國專利亦以引用方式全文併入本文中)中。

壓力感測器技術在近年來已有所演進，使得感測元件可以很小。視所涉及之流動通道之尺寸而定，可能不需要提供具有直徑大於脈衝腔室之下部空腔之槽。相應地，參見第7圖，其顯示本發明之一實施例，該實施例並不使用感測腔室，而是將微壓力感測器430直接置於脈衝腔室之近端380內。此種幾何形狀會進一步減輕清洗問題，此乃因其不具會形成藏匿微粒及細菌之死空間之感測腔室。

儘管上文所述之各腔室係採用直圓柱幾何形狀，然而預計亦可使用具有各種其他輪廓形狀之腔室來達成相同之效果，例如長方體、平截頭直角圓錐體、收縮型/擴張型噴嘴、截頭球體、或其他腔室形狀。對於非圓柱形腔室幾何形狀，係使用水力直徑D_H 來計算縱橫比AR_H ，即：AR_H ＝L/D_H

水力直徑D_H 之定義如下：D_H ＝4.(V/Aw)

其中V係腔室之容積，且Aw係腔室壁之潤濕面積。應注意，當對直圓柱體使用該公式時，D_H ＝D：

儘管上文說明及測試資料係針對藍寶石應變計型壓力感測器，然而所利用之原理亦可適用於包含其他流體接觸材料之轉換器。壓力感測器一般對溫度變化較為敏感。因此，熟習此項技術者仍可利用不同類型之壓力量測裝置以實施本發明。

此外，上述實施例雖係揭示與一孔口型流量計相關之壓力測量，然而，本發明之揭露亦預期可應用於任何壓力測量。

在不脫離本發明本質屬性之精神下，本發明亦可實施為其他特定形式。因此，於此例示之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，並非用來限制本發明之範疇。任何熟悉此技術特徵者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬本發明所主張之範圍，本發明之權利範圍應以申請專利範圍為準。

10．．．孔口型流量計

20．．．本體

30．．．槽

40．．．槽

50．．．壁

60．．．壓力感測器

70．．．流動通道

90．．．孔口

100．．．孔口

110．．．感測器面

120．．．阻塞物

130．．．圖

140．．．資料點集合

150．．．資料點集合

160．．．偏移誤差

170．．．阻塞型流量計

180．．．本體

190．．．流動通道

200．．．製程流量流

210．．．壓力分接管

220．．．壓力分接管

230．．．壓力感測器

240．．．阻塞物

250．．．受限直徑部

260．．．槽

270．．．脈衝腔室

280．．．側壁

290．．．螺紋

300．．．頸圈部

310．．．下部空腔

320．．．周緣

330．．．底面

340．．．凸肩

350．．．感測腔室

360．．．感測面

370．．．脈衝腔室

380．．．近端

390．．．遠端

400．．．圖

410．．．實際流速資料集合

420．．．所量測流速資料集合

430．．．微壓力感測器

D．．．直徑

L．．．軸向長度

D2．．．直徑

第1圖係繪示一先前技術阻塞型流量計本體之剖面圖；第2圖係繪示使用第1圖所示流量計本體實施串級測試而得到之資料圖；第3圖係為本發明之一實施例之剖面正視圖；第4圖係為本發明之一實施例之平面圖；第5圖係為本發明之一實施例之剖面端視圖；第6圖係繪示使用本發明第3至5圖所示實施例之流量計本體實施串級測試而得到之資料圖；第7圖係為本發明之一實施例之剖面正視圖；以及第8圖係繪示使用第1圖所示流量計本體實施串級測試而得到之端點正規化資料圖。

170．．．阻塞型流量計

180．．．本體

190．．．流動通道

200．．．製程流量流

210．．．壓力分接管

220．．．壓力分接管

230．．．壓力感測器

240．．．阻塞物

250．．．受限直徑部

260．．．槽

270．．．脈衝腔室

280．．．側壁

290．．．螺紋

300．．．頸圈部

310．．．下部空腔

320．．．周緣

330．．．底面

340．．．凸肩

350．．．感測腔室

360．．．感測面

380．．．近端

390．．．遠端

D．．．直徑

L．．．軸向長度

D2．．．直徑

Claims (19)

1. 一種流體處理裝置，包含：一本體部，界定一流動通道及一脈衝腔室，該脈衝腔室自該流動通道延伸出並與該流動通道流體耦合，該脈衝腔室具有一對在其間界定一長度尺寸之相對端，並提供垂直於該長度尺寸之一直徑尺寸，其中該長度尺寸為該直徑尺寸之至少3倍且不大於10倍；及至少一感測器，以可操作方式與該本體部耦合，該感測器緊靠該脈衝腔室之與該流動通道相對之端部設置，並提供朝向該脈衝腔室內之一感測面；其中該脈衝腔室係一第一脈衝腔室，且該本體部更界定與該第一脈衝腔室相間之一第二脈衝腔室，該第二脈衝腔室自該流動通道延伸出並與該流動通道流體耦合，該第二脈衝腔室具有一對在其間界定一長度尺寸之相對端，並提供垂直於該長度尺寸之一直徑尺寸，該長度尺寸為該直徑尺寸之至少3倍且不大於10倍，該裝置更包含一第二感測器，以可操作方式與該本體部耦合，該第二感測器緊靠該第二脈衝腔室之與該流動通道相對之端部設置，並提供朝向該第二脈衝腔室內之一感測面。
2. 如請求項1所述之裝置，其中該感測器係一壓力感測器。
3. 如請求項2所述之裝置，其中該壓力感測器係一藍寶石應變計感測器。
4. 如請求項1所述之裝置，其中該本體部在該脈衝腔室之與該流動通道相對之端部處更界定一感測腔室，且該感測器係朝 向該感測腔室內設置。
5. 如請求項4所述之裝置，其中該脈衝腔室界定一第一容積且該感測腔室界定一第二容積，且該第二容積不大於該第一容積之30%。
6. 如請求項1所述之裝置，更在該流動通道中且介於該第一與該第二脈衝腔室之間包含一限流部。
7. 如請求項6所述之裝置，其中該裝置係一流量控制器。
8. 如請求項6所述之裝置，其中該裝置係一流量計。
9. 如請求項1所述之裝置，其中該脈衝腔室具有異於直圓柱之形狀，且該直徑尺寸係一水力直徑。
10. 一種流體處理裝置，包含：一本體部，界定一流動通道及與該流動通道流體耦合之一對相間之脈衝腔室，各該脈衝腔室具有一對在其間界定一長度尺寸之相對端，並提供垂直於該長度尺寸之一直徑尺寸，其中該長度尺寸為該直徑尺寸之至少3倍且不大於10倍；及一對感測器，以可操作方式與該本體部耦合，各該感測器緊靠該等脈衝腔室中一單獨脈衝腔室之與該流動通道相對之端部設置；其中該對脈衝腔室係一第一脈衝腔室及一第二脈衝腔室，該第二脈衝腔室自該流動通道延伸出，該對感測器為一第一感測器及一第二感測器，該第二感測器提供朝向該第 二脈衝腔室內之一感測面。
11. 如請求項10所述之裝置，其中該本體部在各該脈衝腔室之與該流動通道相對之端部處更界定一感測腔室。
12. 如請求項11所述之裝置，其中各該脈衝腔室界定一第一容積且各該感測腔室界定一第二容積，且該第二容積不大於該第一容積之30%。
13. 如請求項10所述之裝置，其中該脈衝腔室具有異於直圓柱之形狀，且該直徑尺寸係一水力直徑。
14. 如請求項10所述之裝置，其中該裝置係一流量控制器。
15. 如請求項10所述之裝置，其中該裝置係一流量計。
16. 如請求項10所述之裝置，其中該等感測器係壓力感測器。
17. 如請求項16所述之裝置，其中該等壓力感測器係藍寶石應變計感測器。
18. 一種同時地在一流體處理裝置中減輕熱致偏移及信號雜訊、同時抑制微粒藏匿及細菌滋生之方法，包含：提供一本體部；於該本體部中界定一流動通道及與該流動通道流體耦合之一對相間之脈衝腔室，各該脈衝腔室具有一對在其間界定一長度尺寸之相對端，並提供垂直於該長度尺寸之一直徑尺寸，其中該長度尺寸為該直徑尺寸之至少3倍且不大於10倍；及；緊靠各該脈衝腔室之與該流動通道相對之端部設置一感測器。
19. 如請求項18所述之方法，更包含在該本體部中靠近各該脈衝腔室之與該流動通道相對之端部界定一感測腔室，該等脈衝腔室及該等感測腔室界定成使各該感測腔室之容積不大於該相鄰脈衝腔室之容積之30%。