TWI454671B - 在一質量流量控制器中測量氣體溫度的方法與裝置 - Google Patents

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Description

在一質量流量控制器中測量氣體溫度的方法與裝置
一般而言，本發明係關於質量流量控制器。本發明尤其是關於，但不限於，在一質量流量控制器中測量氣體溫度的方法與裝置。
典型的質量流量控制器(MFC)是一種在諸如熱蝕刻與乾蝕刻等工業製程中設定、測量與控制氣體流量的閉迴路裝置。MFC的一項重要部分是一測量流過該裝置的氣體的質量流動率的感測器。MFC將感測器的輸出訊號與一預定的設定點作比較並調整一控制閥來將氣體流動率維持在預定的設定點上。
MFC的某些特性會隨著溫度變化而漂移。例如，在沒有氣體流過裝置時的質量流量感測器輸出可能隨著溫度而變，這是一種被稱為“零移動”的現象。如果流過MFC的氣體的溫度為已知，那麼MFC便可補償一些與溫度變化有關的不精確值，例如零移動。為了使一MFC的效能較不至於受到溫度的影響，因此便希望MFC可以測量氣體溫度。但是，在MFC內加入一個溫度感測器卻不可避免地會增加其複雜度與成本。
因此，很明顯地，本技術需要有一種用於在一MFC中測量氣體溫度的改良方法與裝置。
以下將對附圖中所示的本發明的說明性實施例作一概 要說明。在“實施方式”一節中將針對這些與其它實施例作更完整的說明。無論如何，應瞭解的是，這些說明並不意在將本發明限制在“發明內容”與“實施方式”所述之形式。熟知本技術者可瞭解到，在申請專利範圍一節所述之精神與範圍內，本發明仍可有許多不同的調整、等效與替代架構。
本發明可提供一種在一質量流量控制器中測量氣體溫度的方法與裝置。其中一說明用的實施例是一種方法，其包含：將一實質固定的電流提供給質量流量控制器之一質量流量感測器，熱質量流量感測器被設計用於測量氣體的質量流動率；測量熱質量流量感測器之一輸入電壓以取得一當前輸入電壓，輸入電壓隨著熱質量流量感測器的一對感測元件之間的溫度差而變動；藉由說明當前輸入電壓中一項根據氣體的質量流動率而定的成分來計算調整後的輸入電壓；並根據調整後的輸入電壓來計算氣體的溫度。
另一說明用的實施例是一種用於在一質量流量控制器中測量氣體溫度的溫度測量子系統，該溫度測量子系統包含：一包括一對感測元件的熱質量流量感測器，該熱質量流量感測器被設計用於測量流過質量流量控制器的氣體的質量流動率，熱質量流量感測器之一輸入電壓隨著一對感測元件之間的溫度差而變動；一電流源，被配置用於將一道實質固定的電流供應給熱質量流量感測器；以及控制邏輯，被配置用於測量熱質量流量感測器的輸入電壓以取得一當前輸入電壓，藉由說明當前輸入電壓中一項根據氣體 的質量流動率而定的成分來計算調整後的輸入電壓，並根據調整後的輸入電壓計算氣體溫度。
另一說明用的實施例是一質量流量控制器，包含一熱質量流量感測器，用於測量流過質量流量控制器的氣體質量流動率的，熱質量流量感測器包括一對感測元件，熱質量流量感測器之一輸入電壓隨著該對感測元件之間的溫度差而變動；一電流源，被配置用於將一道實質固定的電流供應給熱質量流量感測器；一旁路，包括氣體所可流過的主流與感測器路徑；一控制閥，用於控制流過旁路的氣體的質量流動率；質量流動控制邏輯，被配置用於將熱質量流量感測器所量到的氣體質量流動率與一預先決定的設定點相比較，並調整控制量以便將氣體的質量流動率維持在預先決定的設定點；以及一溫度測量控制邏輯，被配置用於測量熱質量流量感測器的輸入電壓以取得一當前輸入電壓，藉由說明當前輸入電壓中一項根據氣體的質量流動率而定的成分來計算調整後的輸入電壓，並根據調整後的輸入電壓來計算氣體溫度。
以下將進一步說明這些與其它實施例。
在本發明之一說明性實施例中，可以透過已經出現在MFC中的質量流動率感測器來推導出氣體溫度測量(gas temperature measurement)而避免在一質量流量控制器(MFC)中加入個別的溫度感測器所需的額外花費與複雜性。氣體－溫度資訊可被用於補償零移動或者讓MFC較不 容易受到溫度的影響。
現在參考附圖，其中在許多視圖中，相同或相似的元件以相同的參考數字作標示，特別請參考圖1，這是根據本發明之一說明性實施例的MFC100的功能方塊圖。在某些實施例中，MFC是一個對於壓力變化不敏感的質量流量控制器(PIMFC)。MFC100的基座105包括一可以讓氣體流過的旁路110。旁路110將一固定比例的氣體導過主路徑115以及感測器管120。感測器管120在本實施例中是一個小口徑的管子，它是MFC100的熱質量流量感測器123的一部分。感測元件125與130被纏繞在感測器管120的外側周圍。在一說明性實施例中，感測元件125與130是一種電阻－溫度計元件。感測元件125與130的電阻值隨著溫度的變化而變。
感測元件125與130與橋電路135之間有電氣連接。一電流源(未出現在圖1中)對感測元件125與130提供一實質固定的電流，如此可使感測器管120因而發熱。流過感測器管120的氣流將使熱量由上游的感測元件125轉移到下游的感測元件130。由於這項溫度差異所導致的電阻改變，橋電路135(未出現在圖1中)將會產生一可量測的輸出電壓。
雖然並未顯示在圖l中，但是橋電路135的輸出電壓會被放大並被饋入一比較器、處理器、或者其它控制控制閥140的運作的控制電路。MFC100將橋電路135的輸出電壓與一指定的質量流動率設定點相比較並調整控制閥 140以維持住所指定的設定點。此後，橋電路135的輸出電壓某些時候將被稱為熱質量流量感測器123的輸出電壓。
橋電路135的輸入(激勵)電壓145隨著感測元件125與130之間的溫度差異而以實質為正比的方式變動。此後，輸入電壓145某些時候將被稱為熱質量流量感測器123的輸入電壓。在這一實施例中，輸入電壓145被饋入放大器電路150，而放大後的輸入電壓155則被饋入類比數位(A/D)轉換器160。A/D轉換器160將放大後的輸入電壓轉換到一由處理器165根據控制邏輯170所讀取並處理的數位數字。在某些實施例中，控制邏輯170被儲存在處理器165之一內建的快閃記憶體中。一般而言，處理器165與控制邏輯170的功能可以用硬體、韌體、軟體、或其任何組合來實現。
控制邏輯170被配置用於測量輸入電壓145，藉由說明量到的輸入電壓中根據氣體的質量流動率而變動的成分來計算一調整後的輸入電壓，並根據調整後的輸入電壓來計算氣體溫度。一旦得知氣體溫度之後，在某些實施例中，控制邏輯170將根據計算所得的氣體溫度來補償熱質量流量感測器123在一零一流動狀況下的輸出電壓因為溫度變化所造成的變動。也就是說，在某些實施例中，控制邏輯170被配置用於根據推導自熱質量流量感測器123的溫度資訊來補償MFC100中的零移動。
實務上，基座105的溫度是實際量到的溫度，但是經 驗顯示：流過MFC100的氣體的溫度與基座105的溫度之間的差異是可忽略的。因此，在本“實施方式”中所描述的技術可被用於精確地測量氣體本身的溫度。
圖2是一根據本發明之一說明性實施例，在一MFC中測量氣體溫度的溫度測量子系統200的功能方塊圖。在圖2中，電流源205將一道實質固定的電流供應給橋電路135，如圖2所示，這是廣為人知的惠斯登橋。橋電路135包括四個節點(235、213、240與223)，而元件則連接在這些節點之間。在那些元件中有兩個固定的電阻性元件210與215(分別是Rl與R2)。在一說明性實施例中，固定的電阻性元件210與215都是10k歐姆的精密電阻器。在圖l中與感測元件125及130有關的溫度一相關電阻分別以電阻220與225(S1與S2)出現在圖2中。習知本技術者將注意到，感測元件125與130有一個共同的節點，即節點223。
如上文所解釋者，輸出電壓230被用在測量流過MFC100的質量流動率以便控制控制閥140的運作。在這說明性實施例中，輸出電壓230是節點223相對於節點213的電位。輸出電壓230如何被放大並處理的細節並未顯示在圖2中以便可以更清楚地聚焦在如何將熱質量流量感測器123的輸入電壓145用在氣體溫度的量測上。
輸入電壓145(節點235相對於節點240的電位)被控制邏輯170用來計算MFC100內的氣體溫度，這在上文中已有所解釋。以下將說明有關於如何由輸入電壓145計 算出氣體溫度的進一步細節。
圖3是一根據本發明之一說明性實施例，其係在一MFC中測量氣體溫度之方法的流程圖。在305，電流源205將一道實質固定的電流供應給熱質量流量感測器123。在310，控制邏輯170測量熱質量流量感測器123的輸入電壓145以取得一當前輸入電壓。在315，控制邏輯170藉由說明當前輸入電壓中一項根據流過MFC100的氣體的質量流動率而定的成分來計算調整後的輸入電壓。在320，控制邏輯170根據調整後的輸入電壓來計算氣體的溫度。程序在325到達終點。
圖4是一根據本發明之另一說明性實施例，其係在一質量流量控制器中測量氣體溫度之方法的流程圖。在圖4所示的實施例中，該方法以如圖3所示方式進行通過方塊320。在405，控制邏輯170根據在320計算所得的氣體溫度來補償熱質量流量感測器123的輸出電壓230在一零流動狀況(零移動)下隨著溫度變化所產生的變動。程序在410到達終點。
圖5A－5C是根據本發明之其他說明性實施例，其係在一質量流量控制器中測量氣體溫度之方法的流程圖。
首先考慮圖5A。在505時，電流源205將一道實質固定的電流供應給熱質量流量感測器123。在510時，控制邏輯170在一第一預定流動狀況下測量熱質量流量感測器123的輸入電壓145以取得一第一電壓V1。在一實施例中，第一預定流動狀況是一零流動狀況(也就是說，此時沒有 氣體流過MFC100)。在515時，控制邏輯170在一第二預定流動狀況下測量輸入電壓145以取得一第二電壓V2。在一實施例中，第二預定流動狀況是一最大(百分之一百)流動狀況。
在520時，控制邏輯170自第一電壓減去第二電壓以得到一電壓差△V=V1-V2。在525，當MFC100的基座105是在一預定的較高溫度TU 時，控制邏輯170將測量輸入電壓145來取得一第三電壓V3。在一實施例中，預定的較高溫度是55℃。在530，當MFC100的基座105是在一預定的較低溫度TL 時，控制邏輯170將測量輸入電壓145來得到一第四電壓V4。在一實施例中，預定的較低溫度是35℃。
習知本技術者將可瞭解到，在圖5A中的方塊510-530可以事先執行，且V1、V2、V3、V4、TU 與TL 可以被儲存在一記憶體中，以備稍後計算氣體溫度之用。
其次考慮圖5B。在535，控制邏輯170測量輸入電壓145以便得到一當前(目前)輸入電壓VP 。在540，控制邏輯170決定了當前運作點對應到MFC100的最大流動(FMF)的比例部份。例如，如果MFC100目前正在其最大質量流動率的百分之八十下運作，則對應到最大流動比例部份(或FMF)便是0.8。
在545，控制邏輯170以下列方式計算熱質量流量感測器123之一調整後的輸入電壓VA ：VA =VP +△V．(FMF)2
在550，控制邏輯170將調整後的輸入電壓VA 根據V3 、V4 、TU 與TL 映射到在TL 與TU (含)之間的對應氣體溫度TG 。在一實施例中，映射的對應關係根據的是下列公式：TG ＝(VA －V4 )/m＋TL ，其中m＝(V3 －V4 )/(TU －TL )。
最後，考慮圖5C。在這說明性實施例中，該方法的進行在方塊530之前與圖5A相同，而在方塊550之前也與圖5B相同。在560，控制邏輯170根據計算所得的氣體溫度TG補償熱質量流量感測器123的輸出電壓230在一零流動狀況(也被稱為零移動)下隨著溫度變化所產生的變動。
在一說明性實施例中，在質量流量為零時，基座105的溫度TZ 會被測量並記錄下來。而在溫度TU 時，在零流動狀況下的輸出電壓230(VZU )以及在溫度TL 時，在零流動狀況下的輸出電壓230(VZL )也被測量並記錄下來。 接下來，對應到零流動的輸出電壓230VZ 也會經由將下列的量加到已經儲存的VZ 並將其結果儲存為新的VZ 來作更新：(TG －TZ )．ρ，其中ρ＝(VZU －VZL )/(TU －TL )。
圖5C的程序在565到達終點。
在某些實施例中，上述計算是由處理器165在數位域中執行。在此種實施例中，輸入電壓145與輸出電壓230以數位方式表示，且上述計算是用類比數位轉換器160的“計數值(counts)”來執行。例如，在一數位的實現方式中，以上所給的斜率m值對應到在計算TG 時攝氏每一度的計數值。相似地，在一數位的實現方式中，以上的斜率ρ對應到在VZ 的更新中，攝氏每一度的計數值。
習知本技術者將瞭解到，可以藉由適當地縮放被饋入A/D轉換器160的放大後輸入電壓155及選擇具有足夠解析度的A/D轉換器160而達到期望的溫度量測精確度。在一實施例中，代表攝氏一度的計數值是在5到7之間“習知本技術者也可瞭解到，以上說明不僅可用於以攝氏刻度所量到的溫度，也可適用華氏溫度下。
在一些數位實現方式中，電壓是藉由測量一些樣本(例如，100個)並取其平均值而得。
氣體壓力的改變對於用以上所述方式計算而得的溫度的影響可以使用一種長期濾波器來加以修正。因為周遭狀況而使基座105的溫度產生的改變也可使用一時間常數為，例如，5到10秒的長期濾波器來做補償。
總而言之，本發明提供(尤其)在質量流量控制器中測量氣體溫度的一種方法與裝置。習知本技術者可以很容易瞭解到，本發明及其用途與配置可以採用數種變化與替代方案，而仍可達到與此處所描述的實施例實質相同的結果。因此，無意將本發明限制在上文所揭示的說明形式。 有許多種變化、調整與替代結構都落在申請專利範圍所表達的本發明的精神與範圍內。
100‧‧‧質量流量控制器
105‧‧‧基座
110‧‧‧旁路
115‧‧‧主路徑
120‧‧‧感測器管
123‧‧‧熱質量流量感測器
125‧‧‧感測元件
130‧‧‧感測元件
135‧‧‧橋電路
140‧‧‧控制閥
145‧‧‧輸入(激勵)電壓
150‧‧‧放大器電路
155‧‧‧放大後的輸入電壓
160‧‧‧類比數位(A/D)轉換器
165‧‧‧處理器
170‧‧‧控制邏輯
200‧‧‧溫度測量子系統
205‧‧‧電流源
210‧‧‧電阻性元件
213‧‧‧節點
215‧‧‧電阻性元件
220‧‧‧電阻
223‧‧‧節點
225‧‧‧電阻
230‧‧‧輸出電壓
235‧‧‧節點
240‧‧‧節點
參考“實施方式”與“申請專利範圍”結合後附圖式所作的詳細說明將可以更容易瞭解本發明的不同目的與優點，其中：圖1是一根據本發明之一說明性實施例之質量流量控制器的功能方塊圖；圖2是一根據本發明之一說明性實施例，其係在一質量流量控制器中測量氣體溫度的溫度測量子系統的功能方塊圖；圖3是一根據本發明之一說明性實施例，其係在一質量流量控制器中測量氣體溫度之方法的流程圖；圖4是一根據本發明之另一說明性實施例，其係在一質量流量控制器中測量氣體溫度之方法的流程圖；圖5A一5C是根據本發明之其他說明性實施例，其係在一質量流量控制器中測量氣體溫度之方法的流程圖。

Claims (9)

  1. 一種測量一質量流量控制中氣體溫度的方法，該方法包含：將一固定的電流供應給質量流量控制的熱質量流量感測器，熱質量流量感測器被設計用於測量氣體的質量流動率，熱質量流量感測器的輸入電壓隨著熱質量流量感測器的一對感測元件之間的溫度差而變動；在一第一預定流動狀況下測量輸入電壓以取得一第一電壓；在一第二預定流動狀況下測量輸入電壓以取得一第二電壓；自第一電壓減去第二電壓以取得一電壓差；當質量流量控制器之一基座是在一預定的較高溫度TU 時測量輸入電壓以取得一第三電壓V3 ；當質量流量控制器的基座是在一預定的較低溫度TL 時測量輸入電壓以取得一第四電壓V4 ；測量輸入電壓以取得一當前輸入電壓；決定對應到質量流量控制器的一當前作業點的最大流量的一部份；在當前輸入電壓加上電壓差與最大流量的部份的平方這二者的乘積來計算一調整後的輸入電壓VA ；以及根據第三與第四電壓以及預定的較高與較低溫度將調整後的輸入電壓映射到位於預定的較低與較高溫度之間的當前氣體溫度TG ，其中 第一預定流動狀況是一零流動狀況且第二預定流動狀況是一最大流動狀況，且所述映射是根據下列線性關係來實施：TG =(VA -V4 )/m+TL ，其中m=(V3 -V4 )/(TU -TL )。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含：根據由所述映射計算所得的溫度來補償熱質量流量感測器的輸出電壓在一零流動狀況下隨著溫度變化所產生的變動。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中輸入電壓被饋入一類比數位(A/D)轉換器，且由A/D轉換器所取得的當前輸入溫度是一數位數字。
  4. 一種溫度測量子系統，用於在一質量流量控制器中測量一氣體的溫度，該溫度測量子系統包含：一熱質量流量感測器，被設計用於測量一流過質量流量控制器的氣體的質量流動率，該熱質量流量感測器包括：一根管子，當一道氣體流過質量流量控制器時，氣體中一固定的部份將流過這根管子；第一與第二電阻溫度計元件，分別在管子的第一與第二位置處纏繞在管子的外側；以及一橋電路，具有第一、第二、第三與第四節點，一第一預定電阻性器件連接在第一與第二節點之間，一第二預定電阻性器件連接在第二與第三節點之間，第一電阻溫度計元件連接在第一與第四節點之間，第二電阻溫度計元件 連接在第四與第三節點之間，在熱質量流量感測器的第一節點相對於第三節點的一輸入電壓隨著第一與第二電阻溫度計元件之間的一溫度差而變；一電流源，被配置用於將一固定的電流供應給熱質量流量感測器；以及控制邏輯，被配置用於：測量在一第一預定流動狀況下的輸入電壓以取得一第一電壓；測量在一第二預定流動狀況下的輸入電壓以取得一第二電壓；自第一電壓減去第二電壓以取得一電壓差；當質量流量控制器之一基座是在一預定的較高溫度TU 時測量輸入電壓以取得一第三電壓V3 ；當質量流量控制器之該基座是在一預定的較低溫度TL 時測量輸入電壓以取得一第四電壓V4 ；測量輸入電壓以取得一當前輸入電壓；決定對應到質量流量控制器的一當前作業點的最大流量的一部份；在當前輸入電壓加上電壓差與最大流量的部份的平方這二者的乘積來計算一調整後的輸入電壓VA ；以及根據第三與第四電壓以及預定的較高與較低溫度將調整後的輸入電壓映射到位於預定的較低與較高溫度(含)之間的當前氣體溫度TG ，其中第一預定流動狀況是一零流動狀況且第二預定流動狀 況是一最大流動狀況，且所述映射是根據下列線性關係來實施：TG =(VA -V4 )/m+TL ，其中m=(V3 -V4 )/(TU -TL )。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之溫度測量子系統，其中的控制邏輯進一步包含：根據由所述映射計算所得的溫度來補償熱質量流量感測器的輸出電壓在一零流動狀況下隨著溫度變化所產生的變動。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之溫度測量子系統，其中輸入電壓被饋入一類比數位(A/D)轉換器，且由A/D轉換器所取得的當前輸入溫度是一數位數字。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之溫度測量子系統，其中的控制邏輯包括有可由一處理器所執行的儲存程式指令。
  8. 一質量流量控制器，包含：一熱質量流量感測器，被設計用於測量流過質量流量控制器的氣體的質量流動率，熱質量流量感測器包括一對感測元件，熱質量流量感測器的一輸入電壓隨著該對感測元件之間的一溫度差的變化而變動；一電流源，被配置用於供應一固定的電流給熱質量流量感測器；一旁路，包括主要流動路徑與感測器路徑，氣體可流過此路徑； 一控制閥，用於控制氣體流過旁路的質量流動率；質量流量控制邏輯，被配置用於：將熱質量流量感測器所測到的氣體質量流動率與一預定的設定點相比較；以及調整控制閥以便將氣體的質量流動率維持在預定的設定點；以及溫度測量控制邏輯，被配置用於：測量熱質量流量感測器的輸入電壓以取得一當前輸入電壓；藉由說明當前輸入電壓中一項根據氣體的質量流動率而定的成分來計算調整後的輸入電壓；以及根據調整後的輸入電壓來計算氣體溫度，其中溫度測量控制邏輯，進一步被配置用於：測量在一第一預定流動狀況下的輸入電壓以取得一第一電壓；測量在一第二預定流動狀況下的輸入電壓以取得一第二電壓；自第一電壓減去第二電壓以取得一電壓差；當質量流量控制器之一基座是在一預定的較高溫度TU 時測量輸入電壓以取得一第三電壓V3 ；當質量流量控制器之該基座是在一預定的較低溫度TL 時測量輸入電壓以取得一第四電壓V4 ；測量輸入電壓以取得一當前輸入電壓；決定對應到質量流量控制器的一當前作業點的最大流 量的一部份；在當前輸入電壓加上電壓差與最大流量的部份的平方這二者的乘積來計算一調整後的輸入電壓VA ；以及根據第三與第四電壓以及預定的較高與較低溫度將調整後的輸入電壓映射到位於預定的較低與較高溫度(含)之間的當前氣體溫度TG ，其中第一預定流動狀況是一零流動狀況且第二預定流動狀況是一最大流動狀況，且所述映射是根據下列線性關係來實施：TG =(VA -V4 )/m+TL ，其中m=(V3 -V4 )/(TU -TL )。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之質量流量控制器，其中的溫度測量控制邏輯被配置用於根據由所述映射計算所得的溫度來補償熱質量流量感測器的輸出電壓在一零流動狀況下隨著溫度變化所產生的變動。
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