用于自動自調節(jié)質量流量控制器的閥基準的系統(tǒng)和方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]1.發(fā)明領域
[0002]本發(fā)明總體涉及質量流量控制器(mass flow controller ；MFC)的操作。
[0003]2.相關技術
[0004]許多工業(yè)過程需要對各種工藝流體進行精確控制。例如，在半導體工業(yè)中，質量流量控制器被用于精確地測量和控制被引入到工藝腔室中的工藝流體的量。術語流體在本文中用于描述能夠流動的處于任何狀態(tài)的任何類型的物質。例如，應當理解的是，所述術語流體可應用于包括其受控流動可受關注的物質的任何組合的液體、氣體、蒸汽，以及料漿。
[0005]MFC消費者往往監(jiān)測作為品質和性能度量的開啟特性(例如，達到設定點所需的時間，以及過沖量)。一般地不允許過沖。
[0006]消費者想要裝置與裝置之間的再現(xiàn)性。為了確保MFC正確地工作，調諧所述MFC。調諧是一種過程，通過該過程特定MFC特性被校正，以便當每個裝置受到相同輸入時，每一裝置可提供相同的工作。例如，當給出具體設定點時，期望所有的MFC在某一時間量(例如，300ms+/-50ms)內達到該設定點。如果MFC中的一者以150ms的時間達到設定點，而另一者以400ms的時間達到設定點，則對于消費者來說獲得盡可能迅速的MFC將沒有意義。
[0007]調諧MFC是一種需要專業(yè)化設置和經驗豐富的操作員的困難操作。此外，操作條件的變化和MFC的物理特性的細微變化可需要昂貴的現(xiàn)場檢修以在幾個月的操作之后重新調諧裝置。
[0008]因此，所公開的發(fā)明力圖提供對上述問題的一個或多個方案。例如，在一個實施例中，所公開的發(fā)明包括一種MFC，該MFC配置成執(zhí)行用于監(jiān)測開啟響應特性的算法并且自動自調節(jié)調諧參數(shù)。
【附圖說明】
[0009]在下文參照附圖詳細描述了本發(fā)明的說明性實施例，所述附圖以引用方式并入本文，并且其中:
[0010]圖1是示意圖，其示出根據(jù)所公開的實施例的質量流量控制器的部件；
[0011]圖2是曲線圖，其示出根據(jù)所公開的實施例的初始調諧和應力循環(huán)的示例；
[0012]圖3A是流程圖，其描繪根據(jù)所公開的實施例的用于自動自調節(jié)調諧參數(shù)的過程；
[0013]圖3B是流程圖，其描繪根據(jù)所公開的實施例的用于自動自調節(jié)調諧參數(shù)的過程的替代性實施例；以及
[0014]圖4是框圖，其描繪根據(jù)所公開的實施例的在質量流量控制器中執(zhí)行的改進的控制算法。
【具體實施方式】
[0015]所公開的實施例和其優(yōu)點通過參照附圖中的圖1-4將被最好地理解，其中相同的數(shù)字用于表示各個附圖中的相同和相應的部件。對于本領域中的普通技術人員，在審查以下附圖和詳細描述后，所公開實施例的其他特征和優(yōu)點將為或者將變得顯而易見。所有此類附加特征和優(yōu)點旨在被包括在所公開的實施例的范圍內。此外，所示附圖僅為示例性的，并且不旨在聲稱或者暗示對其中可實施不同實施例的環(huán)境、架構、設計或者工藝的任何限制。
[0016]圖1示出根據(jù)所公開的實施例的質量流量控制器100的部件。在一個實施例中，質量流量控制器100包括機體110，所述機體110是質量流量控制器的部件安裝在其上的平臺。熱質量流量計140和閥組件150在流體入口 120和流體出口 130之間安裝在所述機體110上。在其他實施例中，所述熱質量流量計140可直接螺栓至所述閥組件150，而未使用所述機體110。所述閥組件150包括控制閥170。在某些實施例中，所述控制閥170可為電磁閥或者壓電閥中的一者。所述熱質量流量計140包括旁路142和熱流量傳感器146，通常大部分流體流經旁路142，以及較小部分的流體流經熱流量傳感器146。
[0017]熱流量傳感器146被容納在傳感器外殼102 (部分不出，部分被移除以不出傳感器146)內，所述傳感器外殼102安裝在安裝板或者基部108上。傳感器146是小直徑管道，一般被稱為毛細管，其具有傳感器入口部分146A、傳感器出口部分146B和傳感器測量部分146C，繞傳感器測量部分146C設置有兩個電阻線圈或電阻繞組147、148。在操作中，提供電流至所述兩個電阻繞組147、148，所述電阻繞組147、148與所述傳感器測量部分146C熱接觸。電阻繞組147、148中的電流將在測量部分146中流動的流體加熱至一溫度，所述溫度高于流經旁路142的流體的溫度。繞組147、148的電阻隨溫度變化。當流體流經傳感器導管時，熱量被從上游電阻器147朝向下游電阻器148運輸，溫差與通過所述傳感器的質量流量速率成比例。
[0018]與通過傳感器的流體流量相關的電信號源自所述兩個電阻繞組147、148。該電信號可以以多種不同的方式取得，諸如從所述電阻繞組的電阻差取得，或者從提供至每一電阻繞組以將每一繞組維持在特定溫度的能量值差取得?？纱_定與熱質量流量計中的流體的流量速率相關的電信號的各種方式的示例在，例如，共同擁有的美國專利N0.6，845，659中描述，所述美國專利以引用方式并入本文。來源于電阻繞組147、148的電信號在信號處理之后包括傳感器輸出信號。
[0019]所述傳感器輸出信號與質量流量計中的質量流量相關，使得當測量到電信號時可確定流體流量。所述傳感器輸出信號一般首先與傳感器146中的流量相關聯(lián)，所述傳感器146中的流量則與旁路142中的質量流量相關聯(lián)，從而可確定通過流量計的總流量以及可相應地控制控制閥170。傳感器輸出信號和流體流量之間的關聯(lián)是復雜的，并且取決于多種操作條件，包括流體種類、流量速率、入口和/或出口壓力、溫度等等。
[0020]旁路142可隨后安裝至傳感器，以及使用已知流體調諧所述旁路142以確定在質量流量傳感器中流動的流體與在分流器中以各種已知流量速率流動的流體之間的適當關系，以便可根據(jù)傳感器輸出信號來確定通過所述流量計的總流量。在一些質量流量控制器中，未使用旁路，并且全部流量穿過所述傳感器。所述質量流量傳感器部分和旁路142可隨后配合至所述控制閥和控制電子設備部分，以及隨后在已知條件下再次調諧。所述控制電子設備和所述控制閥的響應隨后表征，使得系統(tǒng)對于設定點或者輸入壓力的變化的總響應是已知的，并且所述響應可用于控制系統(tǒng)來提供期望的響應。
[0021]此外，所述質量流量控制器100可包括壓力傳感器112，所述壓力傳感器112在一些點處聯(lián)接至流動路徑以測量所述流動路徑中的壓力，所述點一般地位于(但不限于)旁路142的上游。壓力傳感器112提供指示壓力的壓力信號。
[0022]控制電子設備160用于根據(jù)指示期望質量流量速率的設定點以及來自所述質量流量傳感器的、指示在傳感器導管中流動的流體的實際質量流量速率的電流量信號，來控制所述控制閥170的位置。在某些實施例中，隨后使用傳統(tǒng)的反饋控制方法(例如，比例控制、積分控制、比例-積分(PD控制、微分控制、比例-微分(PD)控制、積分-微分(ID)控制以及比例-積分-微分(PID)控制)來控制在所述質量流量控制器中的流體的流量。其他實施例可采用基于模型的控制器，所述基于模型的控制器不使用任何PID類型的控制?？刂菩盘?例如，控制閥驅動信號)基于誤差信號產生，所述誤差信號是指示流體的期望質量流量速率的設定點信號和由質量流量傳感器感測的、與實際質量流量速率相關的反饋信號之間的差。所述控制閥位于主流體流動路徑(一般在旁路和質量流量傳感器的下游)中，并且可被控制(例如，開啟或關閉)以改變流經所述主流體流動路徑的流體的質量流量速率，所述控制由質量流量控制器提供。
[0023]在所示的示例中，流量速率以電壓信號的形式由電導線158提供至閉合回路系統(tǒng)控制器160。所述信號經放大、處理，