TWI747245B - 流量控制裝置 - Google Patents

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Abstract

流量控制裝置(10)係具備控制閥(11)、設置於控制閥(11)的下游側的節流部(12)、測定控制閥(11)與節流部(12)之間的壓力(P1)的上游壓力感測器(13)、測定節流部(12)的上游側與下游側的差壓(ΔP)的差壓感測器(20)、及連接於控制閥(11)、上游壓力感測器(13)及差壓感測器(20)的運算控制電路(16)。

Description

流量控制裝置
本發明係關於流量控制裝置，尤其，關於適用於設置在半導體製造設備及化學品製造設備等之氣體供給線的流量控制裝置。
於半導體製造裝置及化學工場中，為了控制材料氣體及蝕刻氣體等的流量，利用各種類型的流量計及流量控制裝置。其中，壓力式流量控制裝置可藉由組合控制閥與節流部(例如孔板及臨界噴嘴)的比較簡單的機構，以高精度控制各種流體的質量流量，所以，被廣泛利用。壓力式流量控制裝置係不同於熱式流量控制裝置，具有即使一次側供給壓大幅變動，也可進行穩定的流量控制的流量控制特性。
於壓力式流量控制裝置，有藉由控制節流部之上游側的流體壓力(以下有稱為上游壓力P1的狀況)來調整流量者。又，上游壓力P1係藉由調整配置於節流部的上游側之控制閥的開度來控制。
相對於上游壓力P1之下游壓力P2(節流部之下游側的流體壓力)充分小時，通過節流部之氣體的速度被固定成音速，質量流量不依據下游壓力P2，而是依據上游壓力P1來決定。此時，可藉由依據測定上游壓力P1之壓力感測器的輸出，反饋控制控制閥，來調整流量。將發生此種舉動的壓力條件稱為臨界膨脹條件，例如P2/P1≦α般既定。左邊的計算式之α稱為臨界壓力比，因為氣體種類不同，但大約為0.45至0.6之值。
又，於專利文獻1，記載不僅節流部的上游側，於下游側也設置壓力感測器的壓力式流量控制裝置。在此種壓力式流量控制裝置中，下游壓力P2比較大，即使未滿足前述的臨界膨脹條件的狀況中，也可依據上游壓力P1及下游壓力P2雙方，藉由運算求出流量。因此，可進行涵蓋更廣的流量範圍來進行流量控制。
於專利文獻1所記載的壓力式流量控制裝置中，在臨界膨脹條件下，進行參照上游壓力P1的比例控制。另一方面，在非臨界膨脹條件下，進行參照上游壓力P1及下游壓力P2的差壓控制。
具體來說，在臨界膨脹條件下，流量Q=K1･P1(K1為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數)的關係成立，所以，進行依據上游壓力P1的比例控制。另一方面，在非臨界膨脹條件下，流量Q=K2･P2m (P1-P2)n (K2為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數、指數m、n為根據實際的流量導出之值)的關係成立，所以，進行依據上游壓力P1及下游壓力P2的差壓控制。作為實際的動作，遵照臨界膨脹條件下及非臨界膨脹條件下之前述計算式，求出運算流量Qc，以該運算流量Qc與所輸入之設定流量Qs的差成為0之方式，進行控制閥的開度調整。
前述的比例控制與差壓控制的切換，係依照上游壓力P1與下游壓力P2的比即P2/P1，是否超過對應臨界壓力比α的閾值來進行。因為氣體的種類而臨界壓力比不同，但是，藉由將閾值設定為使用對象之所有氣體種類的臨界壓力比以下，可對應使用對象的所有氣體種類。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2004-138425號公報 [專利文獻2]日本專利第4204400號公報
[發明所欲解決之課題]
以依據上游壓力P1與下游壓力P2，求出流量之方式構成的流量控制裝置，也記載於專利文獻2。在專利文獻2的流量控制裝置中，於孔口的上游側與下游側分別設置壓力感測器，根據各壓力感測器的輸出，求出流量。
昨今，於此種流量控制裝置中，被要求下游壓力P2比先前高的狀態下進行流量控制，於此種條件中，本案發明者發現因為各壓力感測器的精度誤差，尤其是壓力感測器的零點偏離等，流量測定誤差會變比較大。
本發明係為了解決前述課題所發明者，其主要目的為提供起因於壓力感測器的零點偏離等之精度降低，控制流量範圍廣的流量控制裝置。 [用以解決課題之手段]
本發明的實施形態所致之流量控制裝置，具備：控制閥；節流部，係設置於前述控制閥的下游側；上游壓力感測器，係測定前述控制閥與前述節流部之間的壓力；差壓感測器，係測定前述節流部的上游側與下游側的差壓；及運算控制電路，係連接於前述控制閥、前述上游壓力感測器及前述差壓感測器。
某實施形態中，前述運算控制電路，係以依據前述上游壓力感測器的輸出與前述差壓感測器的輸出所決定之運算流量成為設定流量之方式，進行前述控制閥的控制。
某實施形態中，前述控制閥的控制，係包含運算流量Qc遵照Qc=K2･(P1-ΔP)m ΔPn 或Qc=C1･P1/√T･(((P1-ΔP)/P1)m -((P1-ΔP)/P1)n )1/2 所決定的差壓控制，於前述計算式中，P1為前述上游壓力感測器所輸出的上游壓力，ΔP為前述差壓感測器所輸出的差壓，K2為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數，m、n為根據實際的流量所導出的常數，C1為包含孔口剖面積的係數，T為氣體溫度。
某實施形態中，前述控制閥的控制，係進而包含運算流量Qc遵照Qc=K1･P1所決定的比例控制，於前述計算式中，K1為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數。
某實施形態中，藉由將前述上游壓力感測器的輸出，與從前述上游壓力感測器的輸出減算前述差壓感測器的輸出所得之運算下游壓力的比，與預先設定的閾值進行比較，決定為前述比例控制或前述差壓控制之任一。
某實施形態中，前述差壓感測器，係具備：一次側連接構件，係連接於前述節流部之上游側的流通路徑；二次側連接構件，係連接於前述節流部之下游側的流通路徑；及感測器本體，係連接於前述一次側連接構件及前述二次側連接構件，內藏測定差壓的感測器晶片；前述感測器晶片，係包含：感壓部，係具有傳達前述節流部之上游側的壓力的一方之面與傳達前述節流部之下游側的壓力的另一方之面；及應變感測器，係偵測前述感壓部的應變。
某實施形態中，前述二次側連接構件，係具備可調整連接位置的配管構件。
某實施形態中，前述上游壓力感測器與前述差壓感測器一體地形成。
本發明的其他實施形態所致之流量控制裝置，具備：控制閥；節流部，係設置於前述控制閥的下游側；差壓感測器，係測定前述節流部的上游側與下游側的差壓；下游壓力感測器，係測定前述節流部之下游側的壓力；及運算控制電路，係連接於前述控制閥、前述差壓感測器及前述下游壓力感測器。
某實施形態中，前述運算控制電路，係以依據前述差壓感測器的輸出與前述下游壓力感測器的輸出所決定之運算流量成為設定流量之方式，進行前述控制閥的控制。
某實施形態中，前述控制閥的控制，係包含運算流量Qc遵照Qc=K2･P2m ･ΔPn 或Qc=C1･(ΔP+P2)/√T･((P2/(ΔP+P2))m -(P2/(ΔP+P2))n )1/2 所決定的差壓控制，於前述計算式中，ΔP為前述差壓感測器所輸出的差壓，P2為前述下游壓力感測器所輸出的下游壓力，K2為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數，m、n為根據實際的流量所導出的常數，C1為包含孔口剖面積的係數，T為氣體溫度。
某實施形態中，前述控制閥的控制，係進而包含運算流量Qc遵照Qc=K1･(ΔP+P2)所決定的比例控制，於前述計算式中，K1為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數。
某實施形態中，藉由將前述差壓感測器的輸出加算前述下游壓力感測器的輸出所得之運算上游壓力，與前述下游壓力感測器的輸出的比，與預先設定的閾值進行比較，決定為前述比例控制或前述差壓控制之任一。 [發明的效果]
依據本發明的實施形態，提供易防止壓力感測器的誤差之壓力式的流量控制裝置。
以下，一邊參照圖面一邊說明本發明的實施形態，但是，本發明並不限定於以下的實施形態。
圖1係揭示排入本發明實施形態所致之壓力式的流量控制裝置10的氣體供給系1。氣體供給系1係包含氣體供給源2、設置於形成氣體供給線的流通路徑4的流量控制裝置10、設置於流量控制裝置10的上游側及下游側的開閉閥(開關閥)3、5、連接於開閉閥5的下游側的製程處理室6、連接於製程處理室6的真空泵7。
流量控制裝置10係以流通於流通路徑4之氣體的流量之方式設置。真空泵7係可對製程處理室6及流通路徑4進行真空處理，將在流量控制裝置10的下游側被減壓的狀態下流量控制的氣體供給至製程處理室6。從氣體供給源2，供給原料氣體、蝕刻氣體或載體氣體等，使用於半導體的製造過程之各種氣體亦可。
再者，圖1僅揭示1系統的氣體供給線，對應各氣體的複數氣體供給線連接於製程處理室6亦可。又，在本實施形態中，於流量控制裝置10的上游側及下游側設置開閉閥3、5，但是，下游側的開閉閥5係內藏於流量控制裝置10的出口側亦可。作為開閉閥3、5，可理想地適用具有良好的遮斷性及回應性的閥，例如空氣驅動閥(AOV)、電磁閥(solenoid valve)、電動閥。
圖2係揭示本實施形態的流量控制裝置10的構造的模式圖。如圖2所示，流量控制裝置10係具備介入於流通路徑4的控制閥11、設置於控制閥11的下游側的節流部12、測定控制閥11與節流部12之間的壓力(上游壓力)P1的上游壓力感測器13、直接測定節流部12的上游側與下游側的差壓ΔP的差壓感測器20、測定控制閥11之上游側的壓力(供給壓力)P0的流入壓力感測器14、測定流體的溫度T的溫度感測器15、運算控制電路16。
於運算控制電路16，連接上游壓力感測器13、差壓感測器20、流入壓力感測器14、溫度感測器15等，運算控制電路16可接收各感測器的輸出。又，運算控制電路16係連接於控制閥11的驅動元件，依據各感測器的輸出來調整控制閥11的開度，可以控制流通於節流部12的下游側之氣體的流量。
圖3係揭示本實施形態的流量控制裝置10之具體構造的側視圖及揭示內部的流通路徑(間斷線)的圖。
如圖3所示，流通路徑4係藉由在本體區塊17及出口區塊18設置孔洞所形成。本體區塊17及出口區塊18係理想來說，由不具有與使用之氣體的反應性的物質，例如不鏽鋼(SUS316L等)所形成。再者，於圖3，並未揭示圖2所示之溫度感測器15，但是，於流通路徑4的附近設置有底部的孔洞，並於其內部配置熱敏電阻等，藉此可使用來作為溫度感測器。
於本體區塊17的上面，安裝有流入壓力感測器14、控制閥11、上游壓力感測器13及差壓感測器20的一次側埠，該等與節流部12之上游側的流通路徑4流通。於出口區塊18的上面，連接差壓感測器20的二次側埠，與節流部12之下游側的流通路徑4流通。
於本體區塊17與出口區塊18的邊際中，設置有內藏作為節流部12的孔口構件，更具體來說是內藏孔板的墊片型孔口構件。但是，節流部12並不限於孔板，也可使用音速噴嘴等構成。孔口或噴嘴的口徑，係例如設定為10μm～500μm。
上游壓力感測器13可測定控制閥11與節流部12之間的流通路徑的壓力(上游壓力P1)，使用於用以進行依據上游壓力P1的比例流量控制。又，流入壓力感測器14係可測定從氣體供給源2(例如原料汽化器)供給之氣體的壓力(供給壓力P0)，使用於用以調整氣體供給量或供給壓。上游壓力感測器13及流入壓力感測器14係例如內藏矽單晶的感測器晶片與隔板者亦可。
又，差壓感測器20係以直接測定控制閥11與節流部12之間的壓力，與節流部12之下游側的壓力的差壓ΔP之方式構成，使用於用以進行差壓流量控制。差壓感測器20也作為內藏矽單晶的感測器晶片與隔板者亦可。關於差壓感測器20的詳細構造，於後敘述。
控制閥11係例如作為藉由作為閥體的金屬製隔板，與作為驅動其之驅動裝置的壓電元件(壓電致動器)所構成的壓電元件驅動式閥亦可。壓電元件驅動式閥係可因應壓電元件的驅動電壓，變更開度，可藉由驅動電壓的控制，調整為任意開度。
在本實施形態中，於本體區塊17的上游側，具有流入口的入口區塊19隔著墊片固定，於本體區塊17的下游側，具有流出口的出口區塊18隔著墊片型孔口構件(節流部12)固定。入口區塊19及出口區塊18也例如由不鏽鋼(SUS316L等)所形成。
設置於入口區塊19及出口區塊18的流通路徑形成為比較粗，相對於此，本體區塊17之尤其是控制閥11與節流部12之間的流通路徑盡可能形成為窄細。又，控制閥11之下游側的流通路徑係以從控制閥11之閥體的中央部下垂之方式延伸。
依據此種構造，可極力減少封閉控制閥11時之控制閥11與節流部12之間的內容積。藉此，封閉控制閥11之後透過節流部12流出之氣體的量減低，可提升下降回應性。控制閥11之下游側的流通路徑的直徑，係典型上來說，設計成比控制閥11之上游側的流通路徑的直徑還小。
運算控制電路16係例如藉由設置於電路基板上的處理器及記憶體等所構成，包含依據輸入訊號以執行所定運算的電腦程式，可藉由硬體與軟體的組合來實現。在圖示的樣態中，運算控制電路16係內藏於流量控制裝置10，但是，其構成要素的一部分(CPU等)或全部設置於流量控制裝置10的外側亦可。
以下，參照圖4及圖5，說明流量控制裝置10所具備之差壓感測器20的構造。
差壓感測器20係藉由連接於節流部12之上游側的一次側連接構件21、連接於節流部12之下游側的二次側連接構件22、連接於一次側連接構件21及二次側連接構件22的感測器本體23所構成。於差壓感測器20中，於感測器本體23的下面固定一次側連接構件21，於感測器本體23的側面固定二次側連接構件22。
差壓感測器20係如圖3所示，跨越節流部12，安裝於本體區塊17及出口區塊18。此時，需要一次側埠與二次側埠之兩處的固定，所以，容易發生位置偏離。因此，二次側連接構件22係某種程度上以容易進行連接位置調整之方式設計為佳，在本實施形態中，使用作為可變形的配管構件之折曲成Ｌ字型的厚度薄之金屬製細管所構成。藉此，固定差壓感測器20之際發生位置偏離時，也可使二次側連接構件22變形，以適切地進行固定。作為二次側連接構件22，也可使用更具可撓性的管材。
於差壓感測器20中，上游壓力P1係透過一次側連接構件21傳達至內藏於感測器本體23的感測器晶片，下游壓力P2係透過二次側連接構件22傳達至相同的感測器晶片。壓力的傳達係例如可使用壓力傳達用的封入液等來進行。
圖5係揭示內藏於感測器本體23的感測器晶片30的剖面圖。感測器晶片30係具有薄板形狀的感壓部(隔板)31。感壓部31係例如藉由對矽單晶進行切削加工所形成。
於感測器晶片30中，感壓部31的一方之面(在此為下面)係接觸第1封入液28，另一方之面(在此為上面)係接觸第2封入液29。第1封入液28係傳達上游壓力P1者，第2封入液29係傳達下游壓力P2者。於該構造中，於感壓部31的一方之面傳達上游壓力P1，於感壓部31的另一方之面傳達下游壓力P2。再者，感測器晶片30係藉由包圍周圍的支持構件34，固定於感測器本體23。
又，於感測器晶片30的感壓部31，設置有應變感測器(或壓電電阻體)32。應變感測器32係只要可檢測出感壓部31所發生之應力及應變，作為以單體構成亦可，作為以複數個構成亦可。又，關於其安裝位置也並不限定於圖示的樣態。配置於感壓部31之應變感測器32的輸出(電阻值的變化)，係透過連接於應變感測器32的配線24(參照圖4)傳輸至運算控制電路16。
於具有以上構造的差壓感測器20中，上游壓力P1係透過第1封入液28，傳達至感測器晶片30之感壓部31的一方之面。又，下游壓力P2係透過第2封入液29，傳達至感測器晶片30之感壓部31的另一方之面。然後，於感壓部31，發生因應上游壓力P1與下游壓力P2的差壓之大小的表面應力，產生因應差壓之大小的應變。
感壓部31的應變之大小係作為應變感測器32的電阻值變化，透過配線24被檢測出。如此，差壓感測器20並不是藉由從各壓力的絕對值減算，間接地求出上游壓力P1與下游壓力P2的差壓ΔP，可使用應變感測器32直接測定。再者，應變感測器32係通常組入於橋接電路，應變感測器32的應變量(電阻值變化)係作為橋接輸出訊號輸出，可根據橋接輸出訊號來求出差壓ΔP。
再次參照圖3，在本實施形態的流量控制裝置10中，可使用上游壓力感測器13來測定上游壓力P1，並且可使用差壓感測器20測定節流部12的兩側的差壓ΔP。然後，流量控制裝置10係依據上游壓力P1與差壓ΔP，判斷是否滿足臨界膨脹條件。更具體來說，根據(P1-ΔP)/P1是否超過對應臨界壓力比的閾值(例如0.45)，來判斷是在臨界膨脹條件下或是在非臨界膨脹條件下。閾值係使用對應全氣體種類之值亦可，使用對應各氣體種類所設定之值亦可。
前述的(P1-ΔP)係對應下游壓力P2的壓力。但是，並不是使用下游壓力感測器所測定者，而是根據上游壓力感測器13與差壓感測器20的測定結果，藉由運算求出者。於是，在本說明書中，為了區別，有將藉由運算所求出之(P1-ΔP)稱為運算下游壓力P2’的狀況。
是否在臨界膨脹條件下的判定，並不限於如上所述般根據P2’/P1是否超過閾值來進行亦可。例如，P1/P2’超過閾值(例如2.2)時，判定為在臨界膨脹條件下亦可。於理想的樣態中，藉由將上游壓力感測器的輸出的上游壓力P1，與從上游壓力P1減算差壓感測器的輸出的差壓ΔP所得之運算下游壓力P2’的比，與預先設定之對應的閾值進行比較，來進行判定。但是，只要是使用上游壓力P1及差壓ΔP者，也可使用其他適切的判定式。又，當然並不是如上所述般根據是否超過閾值，而是根據是否為閾值以上來判定亦可。
流量控制裝置10係在判斷為臨界膨脹條件下時，進行依據上游壓力P1的比例控制所致之流量控制。另一方，在判斷為非臨界膨脹條件下時，進行依據上游壓力P1，與運算下游壓力P2’(=P1-ΔP)或差壓ΔP的差壓控制所致之流量控制。
更具體來說，在臨界膨脹條件下，流量Qc=K1･P1(K1為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數)的關係成立，所以，進行依據上游壓力P1的比例控制。另一方面，在非臨界膨脹條件下，流量Qc=K2･P2’m (P1-P2’)n =K2･P2’m (ΔP)n =K2･(P1-ΔP)m ΔPn (K2為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數、指數m、n為根據實際的流量導出之常數)的關係成立，所以，進行依據上游壓力P1，與運算下游壓力P2’或差壓ΔP的差壓控制。運算控制電路16係求出藉由前述計算式所求出之運算流量Qc，與所輸入之設定流量Qs的差，並以該差接近0之方式反饋控制控制閥11的開度。藉此，可於節流部12的下游側，以設定流量Qs流通氣體。
再者，作為前述的比例控制及差壓控制，可採用公知的各種方法。例如，與專利文獻2所記載之方法同樣地，在進行差壓控制時，遵照後述的計算式，求出運算流量Qc亦可。Qc=C1･P1/√T･((P2’/P1)m -(P2’/P1)n )1/2 = C1･P1/√T･(((P1-ΔP)/P1)m -((P1-ΔP)/P1)n )1/2 於前述計算式中，C1為包含孔口剖面積的係數，P1為上游壓力(Pa)，T為氣體溫度(K)，P2’為運算下游壓力(Pa)，m及n為根據實際的流量所導出的常數。
又，與專利文獻2所記載之方法同樣地，在進行差壓控制時，使用記憶運算下游壓力P2’與流量誤差之關係的修正資料記憶電路，修正運算流量亦可。本實施形態的流量控制裝置10係除了使用運算下游壓力P2’來代替使用藉由下游壓力感測器所測定之下游壓力P2之外，可採用專利文獻2等所記載之各種公知的流量控制方式。同樣地，本實施形態的流量控制裝置10係除了使用利用差壓感測器直接測定的差壓ΔP，來代替根據上游壓力感測器及下游壓力感測器的測定值藉由運算所求出的(P1-P2)之外，可採用專利文獻2等所記載之各種公知的流量控制方式。
以下，於本實施形態的流量控制裝置中，不是使用絕對壓感測器即下游壓力感測器所致之下游壓力P2，而是使用上游壓力感測器及差壓感測器所致之運算下游壓力P2’的理由進行說明。
圖6及圖7係揭示各個實施例及比較例之壓力感測器及差壓感測器的零點變動量(kPa)與流量誤差(%S.P.)的關係的圖表(模擬實驗結果)。圖6的實施例係對應使用具備圖3所示之差壓感測器的流量控制裝置之狀況，圖7的比較例係如專利文獻1所記載般，對應使用具備上游壓力感測器與下游壓力感測器之先前的流量控制裝置之狀況。再者，零點變動量係代表任一壓力中所發生之真的壓力與測定壓力的差(偏移量)，對應壓力感測器中無法完全校正的誤差、伴隨壓力感測器的長期間使用所發生之測定壓力的偏離、或溫度所致之測定壓力的偏離(溫度漂移)等者。
於圖6，揭示在上游壓力感測器(P1感測器)與差壓感測器的任一方發生零點變動，測定壓力與真的壓力值不同的狀況中，誤差所致之壓力的偏離之大小如何影響流量。同樣地，於圖7，揭示在上游壓力感測器(P1感測器)與下游壓力感測器(P2感測器)的任一方發生零點變動，測定壓力與真的壓力值不同的狀況中，誤差所致之壓力的偏離之大小如何影響流量。再者，流量誤差係揭示進行差壓控制時所發生之流量誤差。
於圖6中，「差壓感測器固定」係代表差壓感測器並未發生零點變動之外，P1感測器發生零點變動，「P1感測器固定」係代表P1感測器並未發生零點變動之外，差壓感測器發生零點變動。同樣地，於圖7中，「P2感測器固定」係代表P2感測器並未發生零點變動之外，P1感測器發生零點變動，「P1感測器固定」係代表P1感測器並未發生零點變動之外，P2感測器發生零點變動。
又，於圖6及圖7，揭示下游壓力P2為100Torr的狀況與400Torr的狀況之2種類的圖表。上游壓力P1為2280Torr時以利用100%流量(最大控制流量)流通氣體之方式構成的流量控制裝置中，下游壓力P2為100Torr時，只要上游壓力P1為222Torr(對應9.7%流量)以下的話，則進行差壓控制。又，於同裝置中，下游壓力P2為400Torr時，於39.0%以下中進行差壓控制。於圖6及圖7，揭示以利用4%流量流通氣體之方式進行差壓控制時的關係。
在圖6所示的實施例中，P1感測器發生零點變動的狀況(差壓感測器固定)中，其變動量比較大，例如即使發生±0.2kPa的零點變動，流量誤差也會收斂於±1%S.P.以內。此係也可以說在下游壓力P2為100Torr時、400Torr時也相同，越是下游壓力P2大時，P1感測器的零點變動賦予流量精度之誤差的程度變得越小。再者，流量誤差為±1%S.P.以內時，一般來說可考量為是高精度地進行流量控制者。以下，有將流量誤差收斂於±1%S.P.以內的零點變動量，稱為允許變動量的狀況。
又，於圖6所示的實施例中，差壓感測器發生零點變動的狀況(P1感測器固定)中，下游壓力P2為比較小的100Rorr時，允許變動量為±0.1kPa程度，下游壓力P2為比較大的400Torr時，允許變動量則為±0.02kPa程度的非常狹小之範圍。
另一方面，在圖7所示的比較例中，P1感測器發生零點變動的狀況(P2感測器固定)、P2感測器發生零點變動的狀況(P1感測器固定)，也成為比較狹小的允許變動量。尤其，下游壓力P2為比較大的400Rorr之際，在P1感測器及P2感測器任一發生零點變動時，其允許變動量ε為±0.02kPa，非常狹小之範圍。
根據以上內容，可知在至少上游壓力感測器(P1感測器)發生零點變動的狀況中，實施例的流量控制裝置相較於比較例的流量控制裝置，允許變動量較大，且也較可防止零點偏離。然後，於實施例中，上游壓力感測器的零點變動，係越是下游壓力P2大時，越難以反映於流量誤差。所以，實施例在進行下游壓力P2大且小流量的流量控制時比較有利。
進而，在使用差壓感測器之本實施形態的流量控制裝置中，具有差壓感測器的零點變動比較難以發生的特長。其理由為差壓感測器的零點校正如果上游壓力P1與下游壓力P2相同的話，無關於該等的大小，可適切地執行，即使流量控制裝置搭載於線上的狀態下，也可利用封閉設置於前後的閥來進行校正。相對於此，上游壓力感測器及下游壓力感測器的零點校正，係理想上需要在連接於壓力完全為0的真空空間之狀態下進行，但是，實現此種真空空間並不容易，又，需要測定作為基準之真空度的感測器，故在搭載於線上的狀態下無法實質地進行校正。所以，相較於差壓感測器，上游壓力感測器及下游壓力感測器的零點變動容易變大。
如此，依據本實施形態的流量控制裝置10，差壓感測器的零點變動比較小，又，即使上游壓力感測器的零點變動發生，也可利用比較高的精度來進行流量控制。尤其，下游壓力P2較高，進行小流量的控制時，上游壓力感測器的零點變動也難以反映至流量誤差，所以，可涵蓋廣泛的控制範圍，適切地進行流量控制。
以下，一邊參照圖8及圖9，一邊針對其他實施形態的流量控制裝置10A進行說明。再者，有針對具有與圖3～圖5所示之實施形態的流量控制裝置10相同之構造的要素，附加相同參照符號，並且省略說明的狀況。
圖8係揭示流量控制裝置10A之具體構造的側視圖及揭示內部的流通路徑(間斷線)的圖。在流量控制裝置10A中，與圖3所示的流量控制裝置10不同，設置上游壓力感測器與差壓感測器一體形成的一體型感測器35，來代替個別設置上游壓力感測器與差壓感測器。
一體型感測器35的一次側埠，係連接於節流部12的上游側(本體區塊17)，一體型感測器35的二次側埠，係連接於節流部12的下游側(出口區塊18)。一體型感測器35也可利用先前之設置於流量控制裝置的本體區塊之上游壓力感測器用的安裝部及下游壓力感測器用的安裝部來進行安裝。
圖9係揭示一體型感測器35所具備之感測器晶片30A的構造的剖面圖。於感測器晶片30A中，第1封入液28係接觸用以測定差壓ΔP的感壓部31，與用以測定上游壓力P1的第2感壓部37雙方。
於感壓部31的對向面，與圖5所示之感測器晶片30同樣地，和第2封入液29接觸，可使用應變感測器32測定上游壓力P1與下游壓力P2的差壓ΔP。另一方面，第2感壓部37的對向面係連接內部保持真空壓Pv的真空房間36。於該構造中，安裝於第2感壓部37的應變感測器38，係可檢測出第2感壓部37所產生之應力，亦即因應上游壓力P1之大小的應力。
在具備以上所說明之感測器晶片30A的一體型感測器35中，可獨立測定上游壓力P1與差壓ΔP雙方。所以，不需要個別設置上游壓力感測器與差壓感測器，可對裝置的簡潔化有所貢獻，可獲得更進一步的便利性。
以下，一邊參照圖10，一邊說明使用本發明的實施形態之流量控制裝置的流量控制方法的例示性流程圖。
首先，於步驟S1中，使用上游壓力感測器及差壓感測器(或者一體型感測器)，測定上游壓力P1及差壓ΔP。
接著，於步驟S2中，判定是否是在臨界膨脹條件下。更具體來說，判定藉由步驟S1的測定所得之(P1-ΔP)/P1是否超過閾值。
於步驟S2中，在未超過閾值時，則判斷為臨界膨脹條件下，於步驟S3中，選擇依據上游壓力P1的比例控制方式。另一方面，於步驟S2中，在超過閾值時，則於步驟S4中，選擇依據上游壓力P1及差壓ΔP的差壓控制方式。
之後，於步驟S5中，遵照所選擇之任一控制方式，反饋控制控制閥，能以設定流量流通氣體。
如以上所述般，使用上游壓力感測器及差壓感測器的話，可適切判定是否是在臨界膨脹條件下，可選擇比例控制及差壓控制中適切的控制。然後，遵照所選擇的控制方式，在減低了感測器誤差的影響之狀態下，可涵蓋寬廣的流量範圍適切地進行流量控制。
以下，針對使用下游壓力感測器與差壓感測器之另其他實施形態的流量控制裝置10B進行說明。再者，有針對具有與前述之實施形態的流量控制裝置10(參照圖2、3)相同的構成要素，附加相同參照符號，並且省略詳細說明的狀況。
圖11係揭示另其他實施形態的流量控制裝置10B。流量控制裝置10B係與流量控制裝置10同樣地，具備控制閥11、節流部12、差壓感測器20、流入壓力感測器14、溫度感測器15、運算控制電路16。但是，流量控制裝置10B係具有下游壓力感測器13B，來代替流量控制裝置10的上游壓力感測器13。
圖12係揭示流量控制裝置10B之具體構造的側視圖。於本體區塊17的上面，安裝有流入壓力感測器14、控制閥11、及差壓感測器20的一次側埠，該等與節流部12之上游側的流通路徑流通。又，於出口區塊18的上面，連接差壓感測器20的二次側埠，與節流部12之下游側的流通路徑流通。
又，於流量控制裝置10B中，於出口區塊18的上面，固定有下游壓力感測器13B。下游壓力感測器13B可測定節流部12之下游側的流通路徑的壓力(下游壓力P2)。下游壓力感測器13B係例如內藏矽單晶的感測器晶片與隔板者亦可。
又，於本實施形態中，差壓感測器20也以直接測定控制閥11與節流部12之間的壓力，與節流部12之下游側的壓力的差壓ΔP之方式構成，使用於用以進行差壓流量控制。差壓感測器20係具有與前述之實施形態相同構造亦可。
在流量控制裝置10B中，與圖2、3所示的流量控制裝置10不同，並未設置上游壓力感測器13。因此，控制閥11與節流部12之間的容積Vs被更加減低。藉此，封閉控制閥11之後透過節流部12氣體更快速地流出，即使相較於流量控制裝置10，也可更提升下降回應性。
接著，針對使用流量控制裝置10B的流量控制進行說明。流量控制裝置10B係以使用差壓感測器20所輸出之差壓ΔP，與下游壓力感測器13B所輸出之下游壓力P2，控制流通於節流部12的下游側之氣體的流量之方式構成。
流量控制裝置10B係根據差壓ΔP與下游壓力P2，來判斷是否滿足臨界膨脹條件，例如根據P2/(ΔP+P2)是否超過對應臨界壓力比的閾值(例如0.45)，來判斷是否是在臨界膨脹條件下，或非臨界膨脹條件下。在此，(ΔP+P2)係對應上游壓力P1的壓力。在本說明書中，有將藉由運算所求出之(ΔP+P2)稱為運算上游壓力P1’的狀況。在本實施形態中，藉由將運算上游壓力P1’與下游壓力P2的比，與預先設定的閾值進行比較，判斷是否是在臨界膨脹條件下。
流量控制裝置10B係在判斷為臨界膨脹條件下時，進行依據運算上游壓力P1’(=ΔP+P2)的比例控制所致之流量控制，在判斷為非臨界膨脹條件下時，進行依據運算上游壓力P1’或差壓ΔP，與下游壓力P2的差壓控制所致之流量控制。
更具體來說，在臨界膨脹條件下，進行依據流量Qc=K1･(ΔP+P2)的比例控制。又，在非臨界膨脹條件下，進行依據流量Qc=K2･P2m (P1’-P2)n =K2･P2m ･ΔPn 的差壓控制。在此，K1、K2為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數，指數m、n為根據實際的流量導出之常數。運算控制電路16係求出藉由前述計算式所求出之運算流量Qc，與所輸入之設定流量Qs的差，並以該差接近0之方式反饋控制控制閥11的開度。藉此，可於節流部12的下游側，以設定流量Qs流通氣體。
又，於流量控制裝置10B中，差壓控制係與專利文獻2所記載之方法同樣地，遵照後述的計算式，求出運算流量Qc亦可。
Figure 02_image001
於前述計算式中，C1為包含孔口剖面積的係數，P1為上游壓力(Pa)，T為氣體溫度(K)，P2’為運算下游壓力(Pa)，m及n為根據實際的流量所導出的常數。
本實施形態的流量控制裝置10B係除了使用運算上游壓力P1’，來代替使用藉由上游壓力感測器所測定的上游壓力P1，或者使用利用差壓感測器直接測定的差壓ΔP，來代替根據上游壓力感測器及下游壓力感測器的測定值藉由運算所求出的(P1-P2)之外，可採用專利文獻2等所記載之各種公知的流量控制方式。
又，於流量控制裝置10B中，在下游壓力P2相當小的狀態(高真空狀態)下，判斷為臨界膨脹條件下時，也可將差壓感測器20所輸出的差壓ΔP當作上游壓力P1，依據Qc=K1･ΔP來進行比例控制。又，於流量控制裝置10B中，也可藉由與圖8及9所示之一體型感測器相同的構造，使用統合了差壓感測器20與下游壓力感測器13B的一體型感測器。
於以上所說明的流量控制裝置10B中，也使用差壓感測器20，所以，壓力感測器可能發生之零點變動的影響難以反映於流量控制，又，可進行比例控制及差壓控制雙方，所以，即使在臨界膨脹條件下及非臨界膨脹條件下任一中，都可高精度地進行流量控制。所以，可涵蓋更廣的控制範圍來適切地進行流量控制。 [產業上之利用可能性]
本發明的實施形態所致之流量控制裝置，係可理想地利用於為了在廣泛的控制範圍中高精度地進行流量控制。
1:氣體供給系 2:氣體供給源 3,5:開閉閥 4:流通路徑(氣體供給線) 6:製程處理室 7:真空泵 10:流量控制裝置 11:控制閥 12:節流部 13:上游壓力感測器 13B:下游壓力感測器 14:流入壓力感測器 15:溫度感測器 16:運算控制電路 17:本體區塊 18:出口區塊 19:入口區塊 20:差壓感測器 21:一次側連接構件 22:二次側連接構件 23:感測器本體 30:感測器晶片 31:感壓部 32:應變感測器 35:一體型感測器
[圖1]模式揭示排入本發明之實施形態的流量控制裝置的氣體供給系的圖。 [圖2]模式揭示本發明之實施形態的流量控制裝置的圖。 [圖3]揭示本發明之實施形態的流量控制裝置的更具體構造的側視圖。 [圖4]揭示本發明之實施形態的流量控制裝置所具備之差壓感測器的側視圖。 [圖5]揭示本發明之實施形態的差壓感測器所具備之感測器晶片的剖面圖。 [圖6]揭示實施例之壓力感測器的零點偏離之大小與流量誤差的關係的圖表。 [圖7]揭示比較例之壓力感測器的零點偏離之大小與流量誤差的關係的圖表。 [圖8]揭示本發明之其他實施形態的流量控制裝置之構造的側視圖。 [圖9]揭示本發明之其他實施形態的差壓感測器所具備之感測器晶片的剖面圖。 [圖10]使用本發明之其他實施形態的流量控制裝置所進行之流量控制的例示性流程圖。 [圖11]模式揭示本發明之另其他實施形態的流量控制裝置的圖。 [圖12]揭示本發明之另其他實施形態的流量控制裝置的更具體構造的側視圖。
4:流通路徑
10:流量控制裝置
11:控制閥
12:節流部
13:上游壓力感測器
14:流入壓力感測器
15:溫度感測器
16:運算控制電路
20:差壓感測器

Claims (13)

  1. 一種流量控制裝置，其特徵為具備：控制閥；節流部，係設置於前述控制閥的下游側；上游壓力感測器，係測定前述控制閥與前述節流部之間的壓力；差壓感測器，係測定前述節流部的上游側與下游側的差壓；及運算控制電路，係連接於前述控制閥、前述上游壓力感測器及前述差壓感測器；前述差壓感測器，係具備：一次側連接構件，係連接於前述節流部之上游側的流通路徑；二次側連接構件，係連接於前述節流部之下游側的流通路徑；及感測器本體，係連接於前述一次側連接構件及前述二次側連接構件，內藏測定差壓的感測器晶片。
  2. 如請求項1所記載之流量控制裝置，其中，前述運算控制電路，係以依據前述上游壓力感測器的輸出與前述差壓感測器的輸出所決定之運算流量成為設定流量之方式，進行前述控制閥的控制。
  3. 如請求項2所記載之流量控制裝置，其中， 前述控制閥的控制，係包含運算流量Qc遵照Qc=K2．(P1-△P)m△Pn或Qc=C1．P1/√T．(((P1-△P)/P1)m-((P1-△P)/P1)n)1/2所決定的差壓控制，於前述計算式中，P1為前述上游壓力感測器所輸出的上游壓力，△P為前述差壓感測器所輸出的差壓，K2為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數，m、n為根據實際的流量所導出的常數，C1為包含孔口剖面積的係數，T為氣體溫度。
  4. 如請求項3所記載之流量控制裝置，其中，前述控制閥的控制，係進而包含運算流量Qc遵照Qc=K1．P1所決定的比例控制，於前述計算式中，K1為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數。
  5. 如請求項4所記載之流量控制裝置，其中，藉由將前述上游壓力感測器的輸出，與從前述上游壓力感測器的輸出減算前述差壓感測器的輸出所得之運算下游壓力的比，與預先設定的閾值進行比較，決定為前述比例控制或前述差壓控制之任一。
  6. 如請求項1至5中任一項所記載之流量控制裝置，其中，前述感測器晶片，係包含：感壓部，係具有傳達前述節流部之上游側的壓力的一方之面與傳達前述節流部之下游側的壓力的另一方之面； 及應變感測器，係偵測前述感壓部的應變。
  7. 如請求項6所記載之流量控制裝置，其中，前述二次側連接構件，係具備可調整連接位置的配管構件。
  8. 如請求項1至5中任一項所記載之流量控制裝置，其中，前述上游壓力感測器與前述差壓感測器一體地形成。
  9. 一種流量控制裝置，其特徵為具備：控制閥；節流部，係設置於前述控制閥的下游側；差壓感測器，係測定前述節流部的上游側與下游側的差壓；下游壓力感測器，係測定前述節流部之下游側的壓力；及運算控制電路，係連接於前述控制閥、前述差壓感測器及前述下游壓力感測器；前述差壓感測器，係具備：一次側連接構件，係連接於前述節流部之上游側的流通路徑；二次側連接構件，係連接於前述節流部之下游側的流通路徑；及感測器本體，係連接於前述一次側連接構件及前述二 次側連接構件，內藏測定差壓的感測器晶片。
  10. 如請求項9所記載之流量控制裝置，其中，前述運算控制電路，係以依據前述差壓感測器的輸出與前述下游壓力感測器的輸出所決定之運算流量成為設定流量之方式，進行前述控制閥的控制。
  11. 如請求項10所記載之流量控制裝置，其中，前述控制閥的控制，係包含運算流量Qc遵照Qc=K2．P2m．△Pn或Qc=C1．(△P+P2)/√T．((P2/(△P+P2))m-(P2/(△P+P2))n)1/2所決定的差壓控制，於前述計算式中，△P為前述差壓感測器所輸出的差壓，P2為前述下游壓力感測器所輸出的下游壓力，K2為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數，m、n為根據實際的流量所導出的常數，C1為包含孔口剖面積的係數，T為氣體溫度。
  12. 如請求項11所記載之流量控制裝置，其中，前述控制閥的控制，係進而包含運算流量Qc遵照Qc=K1．(△P+P2)所決定的比例控制，於前述計算式中，K1為依存於流體的種類與流體溫度的比例係數。
  13. 如請求項12所記載之流量控制裝置，其中，藉由將前述差壓感測器的輸出加算前述下游壓力感測 器的輸出所得之運算上游壓力，與前述下游壓力感測器的輸出的比，與預先設定的閾值進行比較，決定為前述比例控制或前述差壓控制之任一。
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