TWI844855B - 質量流量控制器及其流量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種質量流量控制器，包括控制模組、流體通路、流量調節閥、設置在入口與流量調節閥之間的流量感測器和設置於出口處的壓力感測器，控制模組用於在目標流量值的變化量超出預設臨界值時，進入壓力回饋調節模式，並在流量感測器偵測到的流體流量滿足第一穩定條件後，進入流量回饋調節模式。控制模組用於在壓力回饋調節模式中，根據流體壓力值以及目標流量值計算獲得流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥的開度；在流量回饋調節模式中，根據流體流量值以及目標流量值計算獲得流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥的開度。本發明的技術方案能夠在保證流量控制精度的同時，實現快速回應。

Description

質量流量控制器及其流量控制方法
本發明涉及半導體製程設備領域，具體地，涉及一種質量流量控制器和一種質量流量控制器的流量控制方法。
質量流量控制器是半導體製程設備中的核心部件，廣泛應用在半導體、光伏、燃料電池、真空技術等領域。質量流量控制器通常包括一個流量調節閥和一個流量偵測裝置，在藉由調節流量調節閥的開度來控制質量流量控制器中流過的流體流量的同時，藉由流量偵測裝置對流體的質量流量進行偵測，可以確保控制流速的精確性。
為實現高精度、高穩定性的流量控制，質量流量控制器中的流量偵測裝置常採用熱式流量計，即，利用熱式流量計測量流體的質量流量，再藉由閉環控制系統採用PID（Proportional Integral Differential，比例積分微分）演算法調節流量調節閥的開度，進而達到穩定的流量。
然而，採用熱式流量計的質量流量控制器使流量達到穩定值所需的回應時間較長，無法應用於對回應時間要求較高的領域。
本發明旨在提供一種質量流量控制器和流量控制方法，該質量流量控制器能夠在保證流量控制精度的同時，實現快速回應。
為實現上述目的，作為本發明的一個方面，提供一種質量流量控制器，其中設置有流體通路，該流體通路的入口與出口之間連接有流量調節閥，其中，該質量流量控制器還包括控制模組、流量感測器和壓力感測器，其中， 該流量感測器設置在該入口與該流量調節閥之間，用於偵測該流體通路中的流體流量值； 該壓力感測器設置於該出口處，用於偵測該流體通路中的流體壓力值； 該控制模組用於在目標流量值的變化量超出預設臨界值時，進入壓力回饋調節模式，並在該流量感測器偵測到的流體流量值滿足第一穩定條件後，進入流量回饋調節模式，其中， 該控制模組用於在該壓力回饋調節模式中，根據該壓力感測器偵測到的流體壓力值，以及該目標流量值對應的目標壓力值計算獲得該流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節該流量調節閥的開度； 該控制模組用於在該流量回饋調節模式中，根據該流量感測器偵測到的流體流量值，以及該目標流量值計算獲得該流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節該流量調節閥的開度。
可選的，該控制模組還用於在進入該壓力回饋調節模式前，獲取該目標流量值對應的該流量調節閥的目標開度，根據該目標開度調節該流量調節閥的開度，並在該壓力感測器偵測到的流體壓力值滿足第二穩定條件後，進入該壓力回饋調節模式。
可選的，該控制模組中儲存有多個流量設定值及與各該流量設定值對應的開度； 該控制模組用於根據與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度。
可選的，該流量調節閥為電磁閥，每個該流量設定值對應的開度均包括上升開度和下降開度； 該控制模組用於在該目標流量值升高時，根據與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的該上升開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度；在該目標流量值降低時，根據與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的該下降開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度。
可選的，該流量感測器為熱式流量感測器。
可選的，該第一穩定條件為：該流量感測器在第一預設時間內偵測到的所有的該流體流量值中的最大值與最小值之間的差值小於等於第一預設差值； 該第二穩定條件為：該壓力感測器在第二預設時間內偵測到的所有的流體壓力值中的最大值與最小值之間的差值小於等於第二預設差值。
可選的，該控制模組還用於在該目標流量值的變化量未超出該預設臨界值時，進入該流量回饋調節模式。
作為本發明的另一個方面，還提供一種質量流量控制器的流量控制方法，其中，該流量控制方法應用於本發明提供的上述質量流量控制器，該流量控制方法包括： 在目標流量值的變化量超出預設臨界值時，進入壓力回饋調節模式，在該壓力回饋調節模式中，根據壓力感測器偵測到的流體壓力值，以及該目標流量值對應的目標壓力值，計算獲得該流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥的開度； 在流量感測器偵測到的流體流量值滿足第一穩定條件後，進入流量回饋調節模式，在該流量回饋調節模式中，根據該流量感測器偵測到的流體流量值以及該目標流量值，計算獲得該流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節該流量調節閥的開度。
可選的，該流量控制方法還包括： 在該目標流量值的變化量未超出該預設臨界值時，進入該流量回饋調節模式。
可選的，在進入該壓力回饋調節模式之前，該流量控制方法還包括： 獲取該目標流量值對應的該流量調節閥的目標開度，根據該目標開度調節該流量調節閥的開度； 在該壓力感測器偵測到的流體壓力值滿足第二穩定條件後，進入該壓力回饋調節模式。
可選的，該獲取該目標流量值對應的該流量調節閥的目標開度，包括： 根據預先儲存的多個流量設定值及與各該流量設定值對應的該目標開度，確定與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度。
可選的，該流量調節閥為電磁閥，每個該流量設定值對應的開度均包括上升開度和下降開度； 該獲取該目標流量值對應的該流量調節閥的目標開度，包括： 在該目標流量值升高時，根據預先儲存的多個該流量設定值及與各該流量設定值對應的該上升開度，確定與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的該上升開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度； 在該目標流量值降低時，根據預先儲存的多個該流量設定值及與各該流量設定值對應的該下降開度，確定與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的該下降開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度。
本發明提供的質量流量控制器和流量控制方法的技術方案，將回應速度快的壓力回饋調節模式與精度高的流量回饋調節模式結合，即，在目標流量值的變化量超出預設臨界值時，先進入壓力回饋調節模式，藉由壓力回饋調節使流量調節閥的開度快速接近目標開度，再切換至流量回饋調節模式，藉由流量回饋調節對流量調節閥的開度進行精確調節，這種壓力回饋與流量回饋相結合的調節方式與先前技術中僅藉由流量回饋的調節方式相比，可以縮短流量調節閥的開度逐漸接近目標開度的調節時間，從而可以在保證流體流量調節精度的同時，提高質量流量控制器的回應速度。
以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。
本發明的發明人經實驗研究發現，現有的質量流量控制器通常在流量調節量較大時出現回應速度慢、流量調節效率低的問題，該問題主要由熱式流量計的特性所致。具體地，熱式流量計偵測流量的原理是當流體在傳感管中流動時，偵測流體流經傳感管的兩個不同位置的溫度，分別為上游溫度和下游溫度，二者之間具有溫差，且溫差會隨著流體流量的增加而增大，基於此，可以藉由偵測該溫差來偵測流體的流量。然而，偵測上游溫度和下游溫度的變化需要花費較長的時間，因此，雖然熱式流量計具有高精度和高穩定性的特點，然而受其固有物理屬性和較長的溫度取樣週期等因素的影響，現有的質量流量控制器藉由PID閉環控制使流量達到穩定值的回應速度較慢，無法實現快速回應。
為解決上述技術問題，作為本發明的一個方面，提供一種質量流量控制器，如圖1所示，其中設置有用於傳輸流體的流體通路，該流體通路的入口（即圖1中質量流量控制器的左端開口）與出口（即圖1中質量流量控制器的右端）之間連接有流量調節閥200，該質量流量控制器還包括控制模組300、流量感測器400和壓力感測器500。其中，流量感測器400設置在上述流體通路的入口與流量調節閥200之間，用於偵測流體通路中的流體（如，氣體、液體）流量值；壓力感測器500設置於上述流體通路的出口處，用於偵測流體通路中的流體壓力值。
如圖3所示，控制模組300用於在目標流量值的變化量超出預設臨界值時，進入壓力回饋調節模式，並在流量感測器偵測到的流體流量值滿足第一穩定條件後，進入流量回饋調節模式。其中： 控制模組300用於在壓力回饋調節模式中，根據壓力感測器偵測到的流體壓力值以及目標流量值對應的目標壓力值，計算獲得流量調節閥200的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥200的開度（即執行圖3中的步驟S10）； 控制模組300用於在流量回饋調節模式中，根據流量感測器偵測到的流體流量值以及目標流量值，計算獲得流量調節閥200的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥200的開度（即執行圖3中的步驟S20）。
上述目標流量值是實際期望達到的目標值，該目標值可以根據具體需要而設定，而目標流量值的變化量即為目標流量值從目前設定值切換至新的設定值時的變化量。上述目標流量值對應的目標壓力值也是預設的，可以預先儲存在控制模組300中。
在一些可選的實施例中，在壓力回饋調節模式中，根據壓力感測器500偵測到的流體壓力值以及目標流量值對應的目標壓力值，計算獲得流量調節閥200的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥200的開度，具體可以包括：根據壓力感測器500在流量調節閥200的下游位置（例如流體通路的出口處）週期性地或者即時偵測到的流體通路中的流體壓力值，不斷地與目標流量值對應的目標壓力值做差值運算，該差值運算例如為PID（Proportion Integral Differential，比例積分微分）演算法，然後根據每次運算獲得的開度調整量不斷地調節流量調節閥200的開度，以使流體壓力逐漸接近並穩定在與目標流量值對應的目標壓力值。當然，在實際應用中，也可以採用其他演算法計算獲得的開度調整量，本發明實施例對此沒有特別的限制。
類似的，在流量回饋調節模式中，根據流量感測器400偵測到的流體流量值以及目標流量值，計算獲得流量調節閥200的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥200的開度，具體可以包括：根據流量感測器400在流量調節閥200的上游位置（例如上述流體通路的入口處）即時偵測到的流體通路中的流體流量值，不斷地與目標流量值做差值運算，該差值運算例如為PID演算法，然後根據每次運算獲得的開度調整量不斷地調節流量調節閥200的開度，以使流體流量逐漸接近並穩定在目標流量值。本發明實施例對流量感測器400的結構不作具體限定，例如，流量感測器400較佳為熱式流量計。
上述流量感測器400偵測到的流體流量值以及壓力感測器500偵測到的流體壓力值均與流量調節閥200的開度（允許通過的流體流量）線性相關，而壓力感測器500相較於流量感測器400具有更快的回應速度（即，壓力感測器500偵測到的流體壓力可快速回應於流量調節閥200的開度變化而改變）。
基於此，在接收到目標流量值後，控制模組300先進入壓力回饋調節模式，根據壓力感測器500偵測到的流體壓力值對流量調節閥200的開度進行快速粗調（即進行壓力回饋調節），從而使流量調節閥200的開度快速接近目標流量值對應的目標開度（即流量調節閥200最終穩定後的開度）。待流量感測器400偵測到的流體流量值穩定（即滿足第一穩定條件）後，再進入流量回饋調節模式，根據流量感測器400偵測到的流體流量值對流量調節閥200的開度進行高精度調節（即進行流量回饋調節），從而將流量調節閥200的開度精確調節至目標開度。
本發明提供的質量流量控制器，將回應速度快的壓力回饋調節模式與精度高的流量回饋調節模式結合，即，在目標流量值的變化量超出預設臨界值時，先進入壓力回饋調節模式，藉由壓力回饋調節使流量調節閥的開度快速接近目標開度，再切換至流量回饋調節模式，藉由流量回饋調節對流量調節閥的開度進行精確調節，這種壓力回饋與流量回饋相結合的調節方式與先前技術中僅藉由流量回饋的調節方式相比，可以縮短流量調節閥的開度逐漸接近目標開度的調節時間，從而可以在保證流體流量調節精度的同時，提高質量流量控制器的回應速度，提高了半導體製程的製程效果和機台產能。
如圖3所示，控制模組300用於接收目標流量信號，並根據接收到的目標流量信號確定質量流量控制器的目前的目標流量值。本發明實施例對判斷目標流量值的變化量是否超出預設臨界值的判定標準不作具體限定，例如，為適應質量流量控制器的量程在半導體製程中需多次改變的需求，較佳地，目標流量值的變化量是指目前接收到的目標流量值與上一目標流量值之間的差值。目標流量值的變化量超出預設臨界值是指：目前接收到的目標流量值與上一目標流量值之間的差值大於預設臨界值。
本發明實施例對該預設臨界值的大小不作具體限定，該預設臨界值可根據流量回饋調節的實際效率確定，即，在採用流量回饋調節模式，即，根據流量感測器400偵測到的流體流量值對流量調節閥200的開度進行調節，使流體流量值達到新的目標流量值所需的時長在可接受的範圍內時，則可直接採用流量回饋調節模式進行調節，不必先藉由壓力回饋調節模式調節流量調節閥的開度。
具體地，如圖3所示，控制模組300還用於： 在目標流量值的變化量未超出預設臨界值時，進入流量回饋調節模式，即，根據流量感測器400偵測到的流體流量值以及目標流量值，計算獲得流量調節閥200的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥200的開度（即跳過步驟S10，直接執行步驟S20）。
本發明實施例對形成該流體通路的結構不作具體限定，例如，可選地，如圖1所示，質量流量控制器可以包括導流結構100，流體通路形成在導流結構100中，流量調節閥200、控制模組300、流量感測器400和壓力感測器500均與導流結構100連接。
本發明實施例對流量感測器400如何與導流結構100連接不作具體限定，例如，可選地，如圖1所示，導流結構100具有與流體通路連通的兩個支路開口（第一支路開口111和第二支路開口112），兩個支路開口位於入口與流量調節閥200之間，且兩個支路開口沿流體通路的延伸方向間隔設置，流量感測器400具有傳感管410，傳感管410的兩端分別與兩個支路開口連通，流量感測器400用於偵測傳感管410中的流體流量值（傳感管410中的流體流速與其並聯的流體通路中的流體流速一致，因此可由傳感管410中的流體流量值確定流量調節閥200中通過的流體流量值）。
本發明實施例對導流結構100的結構不作具體限定，例如，可選地，如圖1所示，導流結構100包括基座和固定在基座上的分流器110、進氣接頭120以及出氣接頭130，進氣接頭120的第一端形成為流體通路的入口，第二端與分流器110的第一端連通，分流器110的第二端與流量調節閥200的一端連通，流量調節閥200的另一端與出氣接頭130的第一端連通，出氣接頭130的第二端形成為流體通路的出口。分流器110上具有與其內部腔體連通的兩個支路開口（第一支路開口111和第二支路開口112）。
流體流經質量流量控制器的路徑如圖1中箭頭所示，流體由進氣接頭120的第一端（入口）進入流體通路，並在流經分流器110時分出一股流經傳感管410的支路，傳感管410中流體的流速與其並聯的支路中流體的流速一致（即流量感測器400偵測到的流體流量值與流體通路中的流體流量值成正比），再通過分流器110的第二端匯入流量調節閥200中，由流量調節閥200控制流體通路中的流體流量大小，最後經出氣接頭130由出口排出。
本發明實施例對流量感測器400如何偵測傳感管410中的流體流量不作具體限定，例如，當流量感測器400為熱式流量計時，流量感測器400包括分別設置在傳感管410上兩個不同位置處的兩個溫度感測器，流量感測器400根據兩個溫度感測器分別偵測到的傳感管410上兩個不同位置處的流體溫度，計算獲得二者的溫差，並根據該溫差得到傳感管410中的流體流量值（即流量感測器400偵測到的流體流量值）。
本發明實施例對控制模組300如何根據流量調節閥200下游的壓力感測器500偵測到的流體壓力值，採用PID閉環控制方法對流量調節閥200的開度進行調節不作具體限定，例如，作為本發明的一種可選實施方式，如圖5所示，控制模組300在壓力回饋調節模式中具體用於： 在步驟S11中，根據目標流量值確定壓力感測器500對應的目標壓力值； 循環執行步驟S12和步驟S13，在此過程中，週期性地或者即時獲取壓力感測器500偵測到的流體壓力值，根據壓力感測器500偵測到的流體壓力值以及目標壓力值進行PID計算，獲得流量調節閥200的開度調節量，並根據開度調節量調節流量調節閥200的開度，藉由不斷地進行PID計算並調節流量調節閥200的開度，可以逐漸減小壓力感測器500偵測到的流體壓力值與目標壓力值之間的壓力差值的絕對值，當壓力感測器500偵測到的流體壓力值逐漸穩定在目標壓力值，即，流量感測器400偵測到的流體流量值滿足第一穩定條件時，跳出上述循環，並進入流量回饋調節模式（即，執行步驟S20）。其中，開度調節量與壓力差值正相關。
本發明實施例對控制模組300如何根據流量調節閥200上游的流量感測器400偵測到的流體流量值對流量調節閥200的開度進行PID調節不作具體限定，例如，作為本發明的一種可選實施方式，如圖6和圖7所示，控制模組300在流量回饋調節模式中具體用於： 在步驟S21中，根據接收到的目標流量信號確定流量感測器400對應的目標流量值； 循環執行步驟S22和步驟S23，在此過程中，週期性地或者即時獲取流量感測器400偵測到的流體流量值，根據流量感測器400偵測到的流體流量值以及目標流量值進行PID計算，獲得流量調節閥200的開度調節量，藉由不斷地進行PID計算並調節流量調節閥200的開度，可以逐漸減小流量感測器400偵測到的流體流量值與目標流量值之間的流量差值的絕對值，當該流量差值的絕對值小於預設差值，跳出上述循環，流程結束。其中，開度調節量的絕對值與流量差值的絕對值正相關。
為進一步提高質量流量控制器控制流體流量的精確性，作為本發明的一種較佳實施方式，如圖7所示，控制模組300還用於： 在上述流量差值的絕對值小於預設差值後，週期性地或即時獲取壓力感測器500偵測到的流體壓力值（執行步驟S31），並判斷壓力感測器500偵測到的流體壓力值是否滿足第二穩定條件； 當壓力感測器偵測到的流體壓力值不滿足第二穩定條件時，重新進入流量回饋調節模式。
如圖1所示，壓力感測器500直接藉由流體通路的出口與質量流量控制器下游的設備連通，當質量流量控制器下游設備出現故障或氣路受阻時，流量調節閥200下游的氣路中將出現壓力波動。在本發明實施例中，控制模組300在藉由流量回饋調節模式調節流量調節閥200的開度，直至達到目標開度後，還藉由壓力感測器500繼續對下游流體壓力進行監控，當下遊流體壓力出現波動時，則重新藉由流量回饋調節模式對流量調節閥200的開度進行調節，以抵消該壓力波動可能帶來的流量波動，避免流量受下游異常情況影響而發生變化。
在本發明實施例中，壓力感測器500不僅用於在壓力回饋調節中完成流量調節閥開度粗調，還可以在流量回饋調節後利用其快速回應的特性對下游情況進行監控，進一步提高了質量流量控制器控制流體流量的精確性。
為進一步提高質量流量控制器調節流體流量的效率，較佳地，如圖4至圖6所示，控制模組300還用於在進入壓力回饋調節模式前，獲取目標流量值對應的流量調節閥的目標開度（即，執行步驟S00），在壓力感測器偵測到的流體壓力值滿足第二穩定條件（即流量調節閥200的開度穩定在流量調節閥的目標開度附近）後，進入壓力回饋調節模式。
在本發明實施例中，控制模組300先根據目標流量值獲取對應的流量調節閥的目標開度，根據該目標開度調節流量調節閥200的開度，從而藉由開環控制的方式使流量調節閥200的開度快速達到目標開度附近，這與直接藉由壓力回饋調節（閉環控制）使流量調節閥200的開度變化至接近目標開度相比，可以節約調節時間，進一步提高了質量流量控制器調節流體流量的效率。
上述流量調節閥的目標開度是預設的，例如可以預先儲存在控制模組300中。
需要說明的是，上述第一穩定條件與第二穩定條件用於分別判斷壓力和流量的信號是否穩定，例如，可以是信號在最近預設時間內的波動範圍中的最大值與最小值之間的差值是否在預設的差值範圍內。具體地，第一穩定條件可以是：流量感測器在第一預設時間內偵測到的所有的流體流量值中的最大值與最小值之間的差值小於等於第一預設差值；第二穩定條件可以是：壓力感測器在第二預設時間內偵測到的所有的流體壓力值中的最大值與最小值之間的差值小於等於第二預設差值。
本發明實施例對流量調節閥200的結構類型不作具體限定，例如，流量調節閥200可以為電磁閥或壓電閥，流量調節閥的開度大小與電信號（如，閥電壓）的大小對應。
本發明實施例對控制模組300的結構以及控制模組300如何與流量調節閥200、流量感測器400和壓力感測器500連接不作具體限定，例如，可選地，如圖2所示，控制模組300包括PID控制單元310、流量處理模組320和壓力處理模組330。其中，壓力處理模組330用於獲取壓力感測器500偵測到的流體壓力值，並將其進行處理之後發送至PID控制單元310，以使PID控制單元310能夠對處理後的信號進行相應的計算處理；類似的，流量處理模組320用於獲取流量感測器400偵測到的流體流量值，並將其進行處理之後發送至PID控制單元310；PID控制單元310用於在進入壓力回饋調節模式之前，採用開環控制的方式根據已確定的與目標流量值對應的流量調節閥的目標開度，調節流量調節閥200的開度；以及在壓力回饋調節模式中，根據壓力處理模組330提供的流體壓力值以及目標壓力值，採用PID閉環控制方式調節流量調節閥200的開度；以及在流量回饋調節模式中，根據流量處理模組320提供的流體流量值以及目標流量值，採用PID閉環控制方式調節流量調節閥200的開度。
可選地，如圖2所示，流量處理模組320和壓力處理模組330分別藉由A/D取樣單元與對應的流量感測器400和壓力感測器500連接，A/D取樣單元用於將偵測裝置（流量感測器400和壓力感測器500）的類比（analog）信號轉變為數位（digital）信號，以便PID控制單元310對數據進行計算分析。PID控制單元310藉由閥驅動單元與流量調節閥200連接，閥驅動單元用於根據PID控制單元310發送的信號，向流量調節閥200輸出對應的閥電壓，以改變流量調節閥200的開度，進而實現調節質量流量控制器中的流體流量。
本發明實施例對控制模組300如何根據目標流量信號確定流量調節閥的目標開度不作具體限定，例如，較佳地，控制模組300中儲存有多個流量設定值以及與各流量設定值對應的流量調節閥的目標開度，如圖8所示，控制模組300用於根據與目標流量值最接近的兩個流量設定值以及這兩個流量設定值對應的開度，藉由插值法計算得到目標流量值對應的目標開度。
如圖1所示，在半導體製程過程中，以流體為氣體為例，出口下游的真空幫浦600全程進行抽氣，以保證質量流量控制器在開始使用之前，其位於流量調節閥200下游的出口壓力達到或接近真空狀態。質量流量控制器的出口壓力遠低於入口壓力時，流體通過流量調節閥200的閥口的流量正比於入口壓力以及流量調節閥200的過流面積，即F∝P*A，其中，F為通過質量流量控制器的流體流量，P為入口壓力，A為流量調節閥200的過流面積（即流量調節閥的開度），當入口壓力P恆定時，改變流量調節閥200的過流面積A（流量調節閥200的開度）即可改變通過質量流量控制器的流體流量F。在實際應用中，如果流體為液體，則可以在出口下游採用吸液幫浦進行抽液。
當入口壓力不變時，流量調節閥200的開度與流體流量正相關（圖10所示曲線為流量調節閥的開度與流體流量之間的關係曲線，圖10中流量調節閥的開度為無量綱值，僅表示各點縱坐標之間的比例關係），而由於電磁閥的開度是由閥電壓直接控制，在流量調節閥的開度的可變範圍內，閥電壓越大，則流量調節閥的開度越大。
在本發明實施例中，控制模組300可根據與目標流量值最接近的兩個流量設定值以及這兩個流量設定值對應的開度，藉由插值法計算得到目標流量值對應的目標開度，該目標開度可以預先儲存在控制模組300中，在進行流量控制時，控制模組300可以調用與目標流量值對應的目標開度，採用開環控制方式調節流量調節閥的開度，以使流量調節閥能夠快速達到接近目標開度的位置，從而節省調節時間，提高調節效率。
例如，圖10中的曲線上的多個黑點分別表示多個流量設定值以及各流量設定值對應的流量調節閥的開度，當目標流量值為30%（即質量流量控制器的滿量程的30%）時，根據由與30%最接近的相鄰兩個流量設定值的座標（25%,1.2）和（50%,1.4），藉由插值法計算得到橫坐標為30%對應於兩個流量設定值之間的曲線上的縱坐標為1.24，該值即為與30%對應的目標開度，可以預先儲存該目標開度，並在進行壓力回饋調節模式之前直接調用，以採用開環控制方式將流量調節閥200的開度調節至1.24，以減小後續在壓力回饋調節模式中的調節量，提高調節效率。
當流量調節閥200為電磁閥時，因電磁閥存在磁滯特性，在控制質量流量控制器從不同大小的流體流量調節至同一目標流量值時，流體流量由較低值上升至該目標流量值和由較高值下降至該目標流量值時，電磁閥的開度（閥電壓）並不相同。
為進一步提高流量調節效率，較佳地，每個流量設定值對應的開度均包括上升開度（即流量從較低值上升至該流量設定值對應的開度）和下降開度（即流量從較高值下降至該流量設定值對應的開度）。
具體地，如下表1-1所示，上升開度對應上升閥電壓Uu，下降開度對應下降閥電壓Ud，已標定的流量設定值S1、S2、S3、…、Sn對應的上升閥電壓的值分別為Uu_1、Uu_2、Uu_3、…、Uu_n，流量設定值S1、S2、S3、…、Sn對應的下降閥電壓的值分別為Ud_1、Ud_2、Ud_3、…、Ud_n。控制模組300可將流量上升和下降的兩套標定數據作為閥電壓數據範本進行儲存，方便後續的調用計算。 表1-1 多個流量設定值對應的閥電壓值
  S1 S2 S3 … Sn
流量上升閥電壓（up） Uu_1 Uu_2 Uu_3 … Uu_n
流量下降閥電壓（down） Ud_1 Ud_2 Ud_3 … Ud_n
相應地，如圖9所示，根據目標流量值獲取對應的流量調節閥的目標開度的步驟S01包括： 在目標流量值升高時，根據與目標流量值最接近的兩個流量設定值以及這兩個流量設定值對應的上升開度，藉由插值法計算得到目標流量值對應的目標開度（閥電壓），即，執行步驟S011； 在目標流量值降低時，根據與目標流量值最接近的兩個流量設定值以及這兩個流量設定值對應的下降開度，藉由插值法計算得到目標流量值對應的目標開度（閥電壓），即，執行步驟S012。
例如，若目前的目標流量值Si在[S(n-1),Sn]區間內（即最近的兩個流量設定值為Sn-1和Sn），且目前的目標流量值Si高於上一目標流量值時，可根據控制模組300中儲存的資訊確定與目前的目標流量值Si最接近的兩個流量設定值及上升開度對應的座標(S(n-1),Uu_(n-1))和(Sn,Uu_n)，進而藉由插值法計算得到目標流量值Si對應於(S(n-1),Uu_(n-1))與(Sn,Uu_n)之間的曲線上的點的縱坐標（即目標開度）。
具體地，由兩個流量設定值及上升開度對應的座標(S(n-1),Uu_(n-1))和(Sn,Uu_n)可知，兩個流量設定值之間曲線的斜率為(Uu_n–Uu_(n-1))/(Sn-Sn-1)，進而可藉由(S(n-1),Uu_(n-1))或(Sn,Uu_n)的橫坐標與目標流量值Si之間的差值確定(S(n-1),Uu_(n-1))或(Sn,Uu_n)的縱坐標與目標開度之間的差值。例如，目標流量值Si與(S(n-1),Uu_(n-1))的橫坐標S(n-1)之間的差值為(Si-S(n-1))，則目標開度與(S(n-1),Uu_(n-1))的縱坐標Uu_(n-1)之間的差值為橫坐標差值與兩個流量設定值之間的曲線斜率的乘積，即(Si-S(n-1))(Uu_n–Uu_(n-1))/(Sn-Sn-1)，進而可以確定目標開度為(S(n-1),Uu_(n-1))的縱坐標Uu_(n-1)與該縱坐標差值的和，即，目標流量值Si高於上一目標流量值時，對應的目標開度為(Si-S(n-1))(Uu_n–Uu_(n-1))/(Sn-Sn-1)+Uu_(n-1)。
同樣地，在目前的目標流量值Si在[S(n-1),Sn]區間內，且目前的目標流量值Si低於上一目標流量值時，可根據控制模組300中儲存的資訊確定與目前的目標流量值Si最接近的兩個流量設定值及其對應的下降開度對應的座標(S(n-1),Ud_(n-1))和(Sn,Ud_n)，進而藉由插值法計算得到目標流量值Si對應於(S(n-1),Ud_(n-1))與(Sn,Ud_n)之間的曲線上的點的縱坐標（即目標開度）。
具體地，由兩個流量設定值及下降開度對應的座標(S(n-1),Ud_(n-1))與(Sn,Ud_n)可知，兩個流量設定值之間曲線的斜率為(Ud_n–Ud_(n-1))/(Sn-Sn-1)，進而可藉由(S(n-1),Ud_(n-1))或(Sn,Ud_n)的橫坐標與目標流量值Si之間的差值確定(S(n-1),Ud_(n-1))或(Sn,Ud_n)的縱坐標與目標開度之間的差值。例如，目標流量值Si與(S(n-1),Ud_(n-1))的橫坐標S(n-1)之間的差值為(Si-S(n-1))，則目標開度與(S(n-1),Ud_(n-1))的縱坐標Ud_(n-1)之間的差值為橫坐標差值與兩個流量設定值之間的曲線斜率的乘積，即(Si-S(n-1))(Ud_n–Ud_(n-1))/(Sn-Sn-1)，進而可以確定目標開度為(S(n-1),Ud_(n-1))的縱坐標Ud_(n-1)與該縱坐標差值的和，即，目標流量值Si低於上一目標流量值時，對應的目標開度為(Si-S(n-1))(Ud_n–Ud_(n-1))/(Sn-Sn-1)+Ud_(n-1)。
在本發明實施例中，控制模組300中儲存的每個流量設定值對應的開度均包括上升開度和下降開度，從而在流量調節閥200為電磁閥時，可根據目標流量值的升降確定流量調節閥開度的增減，進而在上升開度和下降開度中選擇合適的一組數據進行開環控制，以使流量調節閥的開度能夠快速接近目標開度，進而減小了後續壓力回饋調節過程中的調節量，提高了流體流量的調節效率。
為便於本領域技術人員理解，本發明還提供圖2所示控制模組300對質量流量控制器中的流體流量進行調節的流程的具體實施例： 在目標流量值的變化量大於預設臨界值時，控制模組300根據預先儲存的範本確定輸入的目標流量值對應的目標開度、目標流量值和目標壓力值； 控制模組300首先進入開環控制模式，PID控制單元310根據與目標流量值對應的目標開度控制閥驅動單元向流量調節閥200加載對應的閥電壓。同時壓力感測器500不斷偵測下游的流體壓力值，並藉由壓力處理模組330中的A/D取樣單元進行模數轉換之後傳輸至PID控制單元310。
待壓力感測器500偵測到的流體壓力值穩定（滿足第二穩定條件）後（即流量調節閥的開度已穩定在與目標開度對應的開度後），控制模組300切換至壓力回饋調節模式，壓力感測器500藉由壓力處理模組330週期性地將下游的流體壓力值回饋至PID控制單元310，PID控制單元310根據流體壓力值以及目標壓力值週期性地採用PID控制方法改變流量調節閥200的開度，以減小流體壓力值與目標壓力值之間的壓力差值。
當流量感測器400偵測到的流體流量值趨於穩定（滿足第一穩定條件）時，控制模組300切換至流量回饋調節模式（由於下游流體壓力波動較大，為節約調節時間，不必等待壓力感測器500偵測到的流體壓力值穩定），流量感測器400將偵測到的流體流量值藉由流量處理模組320回饋至PID控制單元310，PID控制單元310根據流體流量值和目標流量值週期性地採用PID控制方法改變流量調節閥200的開度，以減小流體流量值與目標流量值之間的流量差值，直至流量差值的絕對值小於預設差值。
此後，控制模組300繼續在後台藉由壓力感測器500對流體壓力值進行監控，一旦下游出現異常的壓力波動，則可藉由壓力感測器500回饋至控制模組300，控制模組300重新切換至流量回饋調節模式，以及時進行閥電壓的補償，抵消該壓力波動可能帶來的流量波動，保證得質量流量控制器中流體流量的平穩性和精確性。
作為本發明的第二個方面，提供一種質量流量控制器的流量控制方法，應用於本發明實施例提供的上述質量流量控制器，如圖3所示，該流量控制方法包括： 在目標流量值的變化量超出預設臨界值時，進入壓力回饋調節模式，在壓力回饋調節模式中，根據壓力感測器偵測到的流體壓力值，以及目標流量值對應的目標壓力值，計算獲得流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥的開度（即執行步驟S10）； 在流量感測器偵測到的流體流量值滿足第一穩定條件後，進入流量回饋調節模式，在流量回饋調節模式中，根據流量感測器偵測到的流體流量值以及目標流量值，計算獲得流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥的開度（即執行步驟S20）。
可選地，上述預設臨界值可根據流量回饋調節的實際效率確定，即，在採用流量回饋調節模式，即，根據流量感測器偵測到的流體流量值對流量調節閥的開度進行調節，使流體流量值達到新的目標流量值所需的時長在可接受的範圍內時，則可直接採用流量回饋調節模式進行調節，不必先藉由壓力回饋調節模式調節流量調節閥的開度。具體地，如圖3所示，該流量控制方法還包括： 在目標流量值的變化量未超出預設臨界值時，進入流量回饋調節模式，即，根據流量感測器偵測到的流體流量值以及目標流量值，計算獲得流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥的開度（即跳過步驟S10，直接執行步驟S20）。
本發明實施例對如何根據流量調節閥下游的流體壓力值對流量調節閥的開度進行PID調節不作具體限定，例如，作為本發明的一種可選實施方式，如圖5所示，壓力回饋調節（步驟S10）具體包括： 在步驟S11中，根據目標流量值確定壓力感測器對應的目標壓力值； 循環執行步驟S12和步驟S13，在此過程中，週期性地或者即時獲取壓力感測器偵測到的流體壓力值，根據壓力感測器偵測到的流體壓力值以及目標壓力值進行PID計算，獲得流量調節閥的開度調節量，並根據開度調節量調節流量調節閥的開度，藉由不斷地進行PID計算並調節流量調節閥的開度，可以逐漸減小壓力感測器偵測到的流體壓力值與目標壓力值之間的壓力差值的絕對值，當壓力感測器偵測到的流體壓力值逐漸穩定在目標壓力值，即，流量感測器偵測到的流體流量值滿足第一穩定條件時，跳出上述循環，並進入流量回饋調節模式（即，執行步驟S20）。其中，開度調節量與壓力差值正相關。
本發明實施例對如何根據流量調節閥上游的流體流量值對流量調節閥的開度進行PID調節不作具體限定，例如，作為本發明的一種可選實施方式，如圖6、圖7所示，流量回饋調節（步驟S20）具體包括： 在步驟S21中，根據接收到的目標流量信號確定流量感測器對應的目標流量值； 循環執行步驟S22和步驟S23，在此過程中，週期性地或者即時獲取流量感測器偵測到的流體流量值，根據流量感測器偵測到的流體流量值以及目標流量值進行PID計算，獲得流量調節閥的開度調節量，藉由不斷地進行PID計算並調節流量調節閥的開度，可以逐漸減小流量感測器偵測到的流體流量值與目標流量值之間的流量差值的絕對值，當該流量差值的絕對值小於預設差值，跳出上述循環，流程結束。其中，開度調節量的絕對值與流量差值的絕對值正相關。
為進一步提高質量流量控制器控制流體流量的精確性，作為本發明的一種較佳實施方式，如圖7所示，流量控制方法還包括： 在流量差值的絕對值小於預設差值後，週期性地或即時執行步驟S31、獲取壓力感測器偵測到的流體壓力值，並判斷壓力感測器偵測到的流體壓力值是否滿足第二穩定條件； 當壓力感測器偵測到的流體壓力值不滿足第二穩定條件時，重新進入流量回饋調節模式。
為進一步提高質量流量控制器調節流體流量的效率，較佳地，如圖4至圖6所示，流量控制方法還包括： 在進入壓力回饋調節模式（步驟S10）前，執行步驟S00、獲取目標流量值對應的流量調節閥的目標開度，在壓力感測器偵測到的流體壓力值滿足第二穩定條件（即流量調節閥的開度穩定在流量調節閥的目標開度附近）後，進入壓力回饋調節模式（即執行步驟S10）。
為進一步提高流量調節效率，較佳地，質量流量控制器（的控制模組）中儲存有多個流量設定值以及與各流量設定值對應的流量調節閥的目標開度，包括： 在步驟S01中，根據與目標流量值最接近的兩個流量設定值以及這兩個流量設定值對應的開度，藉由插值法計算得到目標流量值對應的目標開度。（步驟S00還包括在步驟S02中，根據流量調節閥的目標開度調節流量調節閥的開度）
當質量流量控制器中的流量調節閥為電磁閥時，為進一步提高流量調節效率，較佳地，每個流量設定值對應的開度均包括上升開度（即流量從較低值上升至該流量設定值對應的開度）和下降開度（即流量從較高值下降至該流量設定值對應的開度），根據目標流量值獲取對應的目標開度的步驟S01，包括： 在目標流量值升高時，根據與目標流量值最接近的兩個流量設定值以及這兩個流量設定值對應的上升開度，藉由插值法計算得到目標流量值對應的目標開度（閥電壓）； 在目標流量值降低時，根據與目標流量值最接近的兩個流量設定值以及這兩個流量設定值對應的下降開度，藉由插值法計算得到目標流量值對應的目標開度（閥電壓）。
本發明提供的流量控制方法，將回應速度快的壓力回饋調節模式與精度高的流量回饋調節模式結合，即，在目標流量值的變化量超出預設臨界值時，先進入壓力回饋調節模式，藉由壓力回饋調節使流量調節閥的開度快速接近目標開度，再切換至流量回饋調節模式，藉由流量回饋調節對流量調節閥的開度進行精確調節，這種壓力回饋與流量回饋相結合的調節方式與先前技術中僅藉由流量回饋的調節方式相比，可以縮短流量調節閥的開度逐漸接近目標開度的調節時間，從而可以在保證流體流量調節精度的同時，提高質量流量控制器的回應速度，進而提高半導體製程的製程效果和機台產能。
可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不侷限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。
100:導流結構 110:分流器 111、112:支路開口 120:進氣接頭 130:出氣接頭 200:流量調節閥 300:控制模組 310:PID（比例積分微分）控制單元 320:流量處理模組 330:壓力處理模組 400:流量感測器 410:傳感管 500:壓力感測器 600:真空幫浦 A/D:類比（analog）/數位（digital）信號 S00、S01、S02、S10、S11、S12、S13、S20、S21、S22、S23、S31、S011、S012:步驟
附圖是用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中： 圖1是本發明實施例提供的質量流量控制器的結構示意圖； 圖2是本發明實施例提供的質量流量控制器中控制裝置的功能結構示意圖； 圖3是本發明實施例提供的流量控制方法的流程示意圖； 圖4是本發明另一實施例提供的流量控制方法的流程示意圖； 圖5是本發明另一實施例提供的流量控制方法的流程示意圖； 圖6是本發明另一實施例提供的流量控制方法的流程示意圖； 圖7是本發明另一實施例提供的流量控制方法的流程示意圖； 圖8是本發明另一實施例提供的流量控制方法的流程示意圖； 圖9是本發明另一實施例提供的流量控制方法的流程示意圖； 圖10是本發明實施例提供的質量流量控制器中控制裝置儲存的流量設定值以及流量調節閥的開度對應的曲線示意圖。
S00、S10、S20:步驟

Claims (12)

  1. 一種質量流量控制器，其中設置有一流體通路，該流體通路的一入口與一出口之間連接有一流量調節閥，其中，該質量流量控制器還包括一控制模組、一流量感測器和一壓力感測器，其中，該流量感測器設置在該入口與該流量調節閥之間，用於偵測該流體通路中的流體流量值；該壓力感測器設置於該出口處，用於偵測該流體通路中的流體壓力值，且一目標流量值的變化量是指該控制模組目前接收到的一目標流量值與上一目標流量值之間的差值；該控制模組用於在該目標流量值的變化量超出預設臨界值時，進入一壓力回饋調節模式，並在該流量感測器偵測到的流體流量值滿足一第一穩定條件後，進入一流量回饋調節模式，其中，該控制模組用於在該壓力回饋調節模式中，根據該壓力感測器偵測到的流體壓力值，以及該目標流量值對應的一目標壓力值計算獲得該流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節該流量調節閥的開度；該控制模組用於在該流量回饋調節模式中，根據該流量感測器偵測到的流體流量值，以及該目標流量值計算獲得該流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節該流量調節閥的開度。
  2. 如請求項1所述的質量流量控制器，其中，該控制模組還用於在進入該壓力回饋調節模式前，獲取該目標流量值對應的該流量調節閥的一目標開度，根據該目標開度調節該流量調節閥的開度，並在該壓力感測器偵測到的流體壓力值滿足一第二穩定條件後，進入該壓力回饋調節模式。
  3. 如請求項2所述的質量流量控制器，其中，該控制模組中儲存有多個流量設定值及與各該流量設定值對應的開度；該控制模組用於根據與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度。
  4. 如請求項3所述的質量流量控制器，其中，該流量調節閥為一電磁閥，每個該流量設定值對應的開度均包括一上升開度和一下降開度； 該控制模組用於在該目標流量值升高時，根據與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的該上升開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度；在該目標流量值降低時，根據與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的該下降開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度。
  5. 如請求項1至請求項4中任一項所述的質量流量控制器，其中，該流量感測器為一熱式流量感測器。
  6. 如請求項2至請求項4中任一項所述的質量流量控制器，其中，該第一穩定條件為：該流量感測器在一第一預設時間內偵測到的所有的該流體流量值中的最大值與最小值之間的差值小於等於一第一預設差值； 該第二穩定條件為：該壓力感測器在一第二預設時間內偵測到的所有的流體壓力值中的最大值與最小值之間的差值小於等於一第二預設差值。
  7. 如請求項1所述的質量流量控制器，其中，該控制模組還用於在該目標流量值的變化量未超出該預設臨界值時，進入該流量回饋調節模式。
  8. 一種質量流量控制器的流量控制方法，其中，該流量控制方法應用於請求項1至請求項7中任一項所述的質量流量控制器，該流量控制方法包括： 在目標流量值的變化量超出預設臨界值時，進入一壓力回饋調節模式，在該壓力回饋調節模式中，根據壓力感測器偵測到的流體壓力值，以及該目標流量值對應的目標壓力值，計算獲得該流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節流量調節閥的開度； 在流量感測器偵測到的流體流量值滿足一第一穩定條件後，進入一流量回饋調節模式，在該流量回饋調節模式中，根據該流量感測器偵測到的流體流量值以及該目標流量值，計算獲得該流量調節閥的開度調整量，並根據開度調整量調節該流量調節閥的開度。
  9. 如請求項8所述的流量控制方法，其中，該流量控制方法還包括： 在該目標流量值的變化量未超出該預設臨界值時，進入該流量回饋調節模式。
  10. 如請求項8所述的流量控制方法，其中，在進入該壓力回饋調節模式之前，該流量控制方法還包括： 獲取該目標流量值對應的該流量調節閥的一目標開度，根據該目標開度調節該流量調節閥的開度； 在該壓力感測器偵測到的流體壓力值滿足一第二穩定條件後，進入該壓力回饋調節模式。
  11. 如請求項10所述的流量控制方法，其中，該獲取該目標流量值對應的該流量調節閥的一目標開度，包括： 根據預先儲存的多個流量設定值及與各該流量設定值對應的該目標開度，確定與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度。
  12. 如請求項11所述的流量控制方法，其中，該流量調節閥為一電磁閥，每個該流量設定值對應的開度均包括一上升開度和一下降開度； 該獲取該目標流量值對應的該流量調節閥的一目標開度，包括： 在該目標流量值升高時，根據預先儲存的多個該流量設定值及與各該流量設定值對應的該上升開度，確定與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的該上升開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度； 在該目標流量值降低時，根據預先儲存的多個該流量設定值及與各該流量設定值對應的該下降開度，確定與該目標流量值最接近的兩個該流量設定值及其對應的該下降開度，藉由插值法計算得到該目標流量值對應的該目標開度。
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