背景技術(shù)：

基于熱力或壓力的質(zhì)量流量計(jì)通常利用流路中的限制結(jié)構(gòu)(有時(shí)稱之為“旁路”)提供壓力差，以將流體轉(zhuǎn)向到次級流量傳感器路徑(熱力型)或允許壓力換能器測量流量比壓力差(基于壓力)。質(zhì)量流量計(jì)是質(zhì)量流量控制器(mfc)的不可缺少的子系統(tǒng)。mfc將來自質(zhì)量流量計(jì)的流量測量值作為對控制系統(tǒng)的反饋，所述控制系統(tǒng)控制質(zhì)量流量控制器中的流量調(diào)節(jié)閥。

基于壓力的mfc要求流路中有限制器以產(chǎn)生壓力差(限制器上游壓力比限制器下游壓力大)。壓力傳感器然后用于測量上游和下游的壓力或直接測量壓力差。合適的控制算法可以接著控制閥門以調(diào)節(jié)質(zhì)量流量使其處于期望設(shè)定點(diǎn)的可接受的限度之內(nèi)。成功控制的一個(gè)關(guān)鍵因素是設(shè)計(jì)一種節(jié)約成本、無污染的限制器，該限制器具有此類mfc要求的層流特性。通常這要求構(gòu)建一種限制器，該限制器具有非常小的流動(dòng)面積(d)和相對其流動(dòng)面積很長的流動(dòng)路徑(l)(即，大的l/d比)以及非常光滑的流動(dòng)路徑，以便不至引入湍流效應(yīng)。限流器的使用也適用于基于熱力的質(zhì)量流量控制器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開的實(shí)施例包括一種無線限流器，其包括細(xì)長錐形柱體，所述細(xì)長錐形柱體具有第一端和第二端，其中所述第一端具有比所述第二端更大的直徑。所述無線限流器還包括位于所述細(xì)長錐形柱體的所述第一端上的第一組突起和位于所述細(xì)長錐形柱體的所述第二端上的第二組突起，其中所述第一組突起、所述第二組突起和所述細(xì)長錐形柱體被加工為單一部件。

公開的另一個(gè)實(shí)施例包括一種質(zhì)量流量控制器。在一個(gè)實(shí)施例中，所述質(zhì)量流量控制器包括用作層流元件的無線限制器。所述質(zhì)量流量控制器還包括：至少一個(gè)壓力傳感元件，其被配置成確定流體流在所述層流元件的上游壓力和下游壓力之間的壓差；處理元件，其配置為使用至少所述壓差、已知的流體特性以及所述層流元件的特性來確定質(zhì)量流率；以及比例控制閥，其被配置成響應(yīng)于閥門驅(qū)動(dòng)信號來控制流經(jīng)所述層流元件的流體流。在某些實(shí)施例中，已知的流體特性包括所述上游壓力。

公開的另一個(gè)實(shí)施例包括一種質(zhì)量流量計(jì)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述質(zhì)量流量計(jì)包括用作層流元件的無線限制器。所述質(zhì)量流量計(jì)還包括至少一個(gè)壓力傳感元件，其用于確定流體流在所述層流元件的上游壓力和下游壓力之間的壓差；以及處理元件，其配置為使用至少所述壓差、已知的流體特性以及所述層流元件的特性來確定質(zhì)量流率。

上述發(fā)明內(nèi)容僅僅提供了本文公開的具體實(shí)施例的示例，并不面面俱到或限制權(quán)利要求的范圍。所公開實(shí)施例的其他實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)將在具體實(shí)施例部分進(jìn)一步描述。

附圖說明

下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的解說性實(shí)施例，這些附圖通過引用并入本文中，在附圖中：

圖1示出了有線限制器，其用于準(zhǔn)確定位限制器，以產(chǎn)生具有非常小的流動(dòng)面積(d)和相對其流動(dòng)面積很長的流動(dòng)路徑(l)的層流元件；

圖2、2a和2b示出了根據(jù)所公開的實(shí)施例的無線限制器，其用于產(chǎn)生具有非常小的流動(dòng)面積(d)和相對其流動(dòng)面積很長的流動(dòng)路徑(l)的層流元件；

圖3示出了根據(jù)公開的實(shí)施例的安裝在匹配的錐形孔內(nèi)的無線限制器，其用于建立環(huán)形間隙；

圖4示出了質(zhì)量流量控制器100中的熱質(zhì)量流量計(jì)140的一個(gè)例子，其中可引入所述無線限制器的實(shí)施例；

圖5a和5b示出了基于壓力的質(zhì)量流量控制器的例子，所公開的無線限制器的實(shí)施例可納入到其中；

圖6示出了本公開的利用無線限制器描繪壓差(dp)相對于流率的例子的圖表。

所示附圖僅是舉例，并不旨在主張或暗示可實(shí)現(xiàn)不同實(shí)施例的環(huán)境、架構(gòu)、設(shè)計(jì)或工藝方面的任何限制。

具體實(shí)施方式

生產(chǎn)具有適當(dāng)l/d比的高度層流元件的方法有很多種，其中之一是將錐形限制器定位于錐形孔內(nèi)，從而在所述限制器周圍產(chǎn)生狹窄的環(huán)形流動(dòng)路徑。例如，圖1示出了使用具有極小直徑的絲113精確定位限制器103的方法，所述絲113軸向設(shè)置在所述限制器的外部，然后焊接到所述限制器的端部。所述絲113用于確保所述環(huán)形間隙中的間隔均勻。所述限制器103和絲組件110被按壓進(jìn)具有相同錐角的孔內(nèi)，同時(shí)監(jiān)測沿所述限制器的dp，直到指示出正確的值。所述按壓操作需要足夠大的力來局部地?cái)D壓所述絲，同時(shí)建立正確的位置以及正確的環(huán)形流動(dòng)面積。此擠壓提供了一種保持力，以使所述限制器保持在最終位置。

有關(guān)上述有線限制器，發(fā)明人認(rèn)識到幾個(gè)問題和限制，包括：

1)極細(xì)絲必須經(jīng)過處理，直徑約為0.009,小至0.002。

2)實(shí)踐中，絲處理限制了所述絲可使用的尺寸，這也限制了所述環(huán)形流動(dòng)間隙的尺寸下限(所述限制器和所述孔之間的徑向空間)。

3)所述絲必須被定向、拉緊并焊接到位。這需要手工作業(yè)、特殊加工、及焊后鈍化和對精細(xì)組件的清洗，具有損壞絲和/或焊縫的風(fēng)險(xiǎn)。

4)經(jīng)過處理，所述絲可能不平行于流動(dòng)路徑，從而產(chǎn)生會(huì)聚或發(fā)散的流動(dòng)路徑。

5)焊縫通常被視為污染和金屬腐蝕起始之源，特別是對于的這類產(chǎn)品的半導(dǎo)體工業(yè)應(yīng)用。

為了克服一個(gè)或多個(gè)上述問題，在此公開的本發(fā)明實(shí)施例包括無線限制器(即，不使用所述絲113)，用于產(chǎn)生具有非常小的流動(dòng)面積(d)和相對其流動(dòng)面積很長的流動(dòng)路徑(l)的層流元件。例如，圖2、圖2a和2b示出了單一加工件200，其包括所述錐形限制器210和可擠壓定位突起220構(gòu)成的特征。所述單一加工件200可由具有足夠延展性的任何流體相容材料制成。類似于所述有線限制器，按壓所述突起將所述錐形限制器居中于所述孔內(nèi)，同時(shí)提供保持力使所述無線限流器保持在其最終位置。所述錐形限制器210包括所述限制器一端的大直徑202和所述限制器另一端的小直徑204(相對于大直徑而言)。

在所示實(shí)施例中，所述限制器210的每一端設(shè)有三個(gè)突起220，也可以是任意數(shù)量的突起，只要突起能使所述限流器210恰當(dāng)?shù)鼐又性阱F形孔內(nèi)。在一些實(shí)施例中，所述限制器210的較寬端的突起220的數(shù)量可以不同于所述限制器210的較小端的突起數(shù)量。

根據(jù)公開的實(shí)施例，突起的大小沒有最小或最大限制，因此，所述環(huán)形流動(dòng)間隙(所述限制器和所述孔之間的徑向空間)的尺寸沒有下限或上限。例如，對于高達(dá)每分鐘多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)升氮的流量而言，典型地，環(huán)形間隙在<.001至>.006英寸范圍內(nèi)。超過所需間隙的葉高度取決于幾個(gè)因素，包括材料、材料狀態(tài)和所期望的可調(diào)節(jié)范圍。典型而非限制性的葉高度值為.0005到.003英寸。此外，在一些實(shí)施例中，所述突起的尺寸多樣化或在所述限制器210的較寬端的突起的尺寸不同于在所述限制器210的較小端的突起的尺寸。

所述端部上所示的平坦部可以是任意形狀中的一種，其可用于從最初加工到所述限制器210內(nèi)的圓形形狀提供所述突起。例如，取代圖示直三角形邊，在一些實(shí)施例中所述三角形邊可以是彎曲的?；蛘?，在一些實(shí)施例中，取代三角形形狀，所述端部和突起可以是圓形，例如但不限于在一側(cè)上具有凸起或直邊的半圓，用于向所述環(huán)形間隙提供開口。其他形狀可包括圓錐形、八邊形或五邊形。此外，在一些實(shí)施例中，所述限制器210兩端部，所述突起的形狀或設(shè)計(jì)可以不同。

因?yàn)樗鐾黄鹬苯釉谒鱿拗破?10內(nèi)被加工，因此所公開的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)包括：

1)無需處理小尺寸絲。

2)所述環(huán)形流動(dòng)間隙的大小沒有限制。

3)無需特殊加工。例如，所述部件可以利用現(xiàn)場加工直接在瑞士式螺桿機(jī)上制作。

4)無需焊接，從而消除污染和金屬腐蝕誘發(fā)的源頭。

5)能夠生成具有均勻的環(huán)形間隙(d)的直流動(dòng)路徑。

6)最終的魯棒件直接從加工工具下來，并且容易對其進(jìn)行機(jī)械加工后的鈍化和清洗處理。

圖3示出了根據(jù)已公開的實(shí)施例的安裝在匹配的錐形孔320中以建立窄的環(huán)形流動(dòng)間隙330的所述無線限制器210。如圖所示，所述無線限制器210具有長氣體流動(dòng)長度340(l)，并形成相對于所述氣體流動(dòng)長度340非常小的環(huán)形流動(dòng)間隙330(d)(即，大的l/d比)。如圖所示，所述環(huán)形流動(dòng)間隙330非常光滑，從而不向流體中引入湍流效應(yīng)。

圖4舉例示出了質(zhì)量流量控制器100中的熱質(zhì)量流量計(jì)14，所述無線限制器的實(shí)施例可納入其中。所述質(zhì)量流量控制器100包括塊110，其是一種可在其上安裝mfc部件的平臺。熱質(zhì)量流量計(jì)140和包含閥170的閥組件150安裝在位于流體入口120和流體出口130之間的所述塊110上。

所述熱質(zhì)量流量計(jì)140包括通常大部分流體流經(jīng)的旁路142以及少部分流體流經(jīng)的熱流量傳感器146。所述旁路142針對已知流體調(diào)節(jié)，以確定以各種已知的流速在所述質(zhì)量流量傳感器中流動(dòng)的流體和在所述旁路142中流動(dòng)的流體之間的適當(dāng)關(guān)系，這樣通過所述流量計(jì)的總流量可從傳感器輸出信號確定。根據(jù)公開的實(shí)施例，利用本文所公開的所述無線限制器的實(shí)施例，可在所述質(zhì)量流量控制器100內(nèi)形成所述旁路142。

在已知條件下，所述質(zhì)量流量傳感器部和旁路142可與所述控制閥170和控制電子裝置160匹配，然后再次調(diào)節(jié)。所述控制電子設(shè)備160包括至少一個(gè)處理元件，例如但不限于處理器。所述控制電子裝置160和所述控制閥170的響應(yīng)然后被表征，使得所述系統(tǒng)對設(shè)定點(diǎn)或輸入壓力的變化的整體響應(yīng)是已知的，并且可利用該響應(yīng)來控制該系統(tǒng)以提供期望的響應(yīng)。

熱式流量傳感器146包含在傳感器殼體102(移除示出的部分以展示傳感器146)內(nèi)，所述傳感器殼體102被安裝在安裝板或基座108上。傳感器146是一個(gè)小直徑管，通常被稱為毛細(xì)管，包含傳感器入口部146a、傳感器出口部146b、和傳感器測量部146c，兩個(gè)電阻性線圈或繞組147、148設(shè)置在傳感器測量部146c周圍。在操作中，向所述兩個(gè)電阻性繞組147、148提供電流，所述兩個(gè)電阻性繞組147、148與所述傳感器測量部146c熱接觸。所述電阻性繞組147、148中的電流將在測量30部146中流動(dòng)的流體加熱至其溫度高于流過所述旁路142的流體的溫度。繞組147和148的電阻隨溫度變化而變化。當(dāng)流體流過傳感器導(dǎo)管，熱量從上游電阻147向下游電阻148傳遞，溫度差與通過所述傳感器的質(zhì)量流率成比例。

從所述兩個(gè)電阻性繞組147、148得到與流經(jīng)所述傳感器的流體相關(guān)的電信號。所述電信號可以通過多種不同的方式得到，例如從所述電阻性繞組的電阻差或從提供給每個(gè)電阻性繞組使其保持特定在溫度的能量的差得到。例如，在共同擁有的美國專利6845659中描述了各種方式的例子，其能夠確定與熱質(zhì)量流量計(jì)中的流體流率相關(guān)的電信號，上述專利通過引用引入本申請。經(jīng)過信號處理從所述電阻性繞組147、148得到的所述電信號包括傳感器輸出信號。

所述傳感器輸出信號與所述質(zhì)量流量計(jì)中的質(zhì)量流相關(guān)，從而可在測量所述電信號時(shí)確定所述流體流量。所述傳感器輸出信號通常首先與傳感器146的流量相關(guān)聯(lián)，然后傳感器146的流量與所述旁路142中的所述質(zhì)量流關(guān)聯(lián)，從而確定通過所述流量計(jì)的總流量并相應(yīng)地控制所述控制閥170。所述傳感器輸出信號和所述流體流之間的相關(guān)性是復(fù)雜的，取決于多種操作條件，包括流體種類、流率、入口和/或出口壓力、溫度等。

原始傳感器輸出與流體流量相關(guān)聯(lián)的過程需要調(diào)節(jié)和/或校準(zhǔn)所述質(zhì)量流量控制器，這是一個(gè)高成本、勞動(dòng)密集的過程，通常需要一個(gè)或多個(gè)熟練的操作人員和專用設(shè)備。例如，可通過使已知數(shù)量的已知流體流經(jīng)所述傳感器部以及調(diào)節(jié)某些信號處理參數(shù)以提供準(zhǔn)確地表示流體流量的響應(yīng)，從而來調(diào)節(jié)所述質(zhì)量流量傳感器。例如，所述輸出可以被歸一化，從而使所述傳感器輸出的規(guī)定的電壓范圍，例如0v至5v，對應(yīng)于所述傳感器從零值到最高值的流率范圍。所述輸出可以被線性化，從而使所述傳感器輸出中的變化線性地對應(yīng)于流率的變化。例如，如果輸出被線性化，使所述流體輸出翻倍會(huì)導(dǎo)致所述電輸出翻倍。當(dāng)確定流量或壓力變化后，可以確定所述傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即所出現(xiàn)的對壓力或流率變化的不準(zhǔn)確影響，這樣，這種影響可以得到補(bǔ)償。

當(dāng)最終用戶使用的流體類型與調(diào)節(jié)和/或校準(zhǔn)中使用的類型不同時(shí)，或者當(dāng)最終用戶利用的操作條件，例如入口和出口的壓力、溫度、流率范圍等，不同于調(diào)節(jié)和/或校準(zhǔn)中利用的條件時(shí)，所述質(zhì)量流量控制器的操作通常會(huì)降級。出于這個(gè)原因，所述流量計(jì)可利用附加流體(被稱為“替代流體”)和/或改變了的操作條件來調(diào)節(jié)或校準(zhǔn)，所述改變了的操作條件用于提供存儲(chǔ)在查找表中的令人滿意的響應(yīng)。本文引用了wang等人的美國專利7272512“流量傳感器信號轉(zhuǎn)換(flowsensorsignalconversion)”，該專利屬于本發(fā)明的受讓人，描述了一種利用不同氣體的特性來調(diào)整響應(yīng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)不要求針對每個(gè)不同的工藝流體使用替代流體來校準(zhǔn)裝置。

使用公開的無線限制器的實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，它大大地簡化了預(yù)測除校準(zhǔn)氣體外的工藝氣體的性能的過程，由此允許提高工藝氣體的準(zhǔn)確性。所述無線限制器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠定位所述錐形圓柱從而保持非常均勻的小環(huán)形間隙。這使得多氣體質(zhì)量流控制器或多氣體質(zhì)量流儀表模型成為可能，并改進(jìn)了工藝氣體性能的預(yù)測。

此外，所述質(zhì)量流量控制器100可以包括在某個(gè)點(diǎn)耦合至流動(dòng)路徑的壓力換能器112，通常在但不限于所述旁路142的上游，以測量所述流動(dòng)路徑中的壓力。壓力換能器112提供壓力信號來指示壓力。根據(jù)公開的實(shí)施例，所述壓力換能器112用于在衰減率測量中測量壓力。在一些實(shí)施例中，所述壓力換能器112可以是具有上游壓力傳感器的壓差換能器從而得到氣體密度。

根據(jù)指示期望質(zhì)量流率的設(shè)定點(diǎn)和來自所述質(zhì)量流量傳感器的指示所述傳感器導(dǎo)管中流動(dòng)的流體的實(shí)際質(zhì)量流率的電流信號，控制電子設(shè)備160控制所述控制閥170的位置。然后使用傳統(tǒng)反饋控制方法，如比例控制、積分控制、比例-積分(pi)控制、微分控制、比例-微分(pd)控制、積分-微分(id)控制、和比例-積分-微分(pid)控制，來控制所述質(zhì)量流量控制器中流體的流量?；谡`差信號生成控制信號(例如，控制閥驅(qū)動(dòng)信號)，誤差信號即指示所述流體的所述期望質(zhì)量流率的設(shè)定點(diǎn)信號與所述質(zhì)量流量傳感器感測到的所述實(shí)際質(zhì)量流率相關(guān)的反饋信號之間的差值。該控制閥設(shè)置在主流體流動(dòng)路徑(通常位于所述旁路和質(zhì)量流量傳感器的下游)，并且可以被控制(例如，打開或關(guān)閉)，用于改變流經(jīng)所述主流體流動(dòng)路徑的流體的質(zhì)量流率，所述控制由所述質(zhì)量流量控制器執(zhí)行。

在圖示的例子中，電導(dǎo)體158將流率作為電壓信號提供給閉環(huán)系統(tǒng)控制器160。信號被放大、處理并提供給所述控制閥組件150以改變所述流量。為此，所述控制器160將來自所述質(zhì)量流量傳感器140的信號與預(yù)定值相比較并相應(yīng)地調(diào)節(jié)所述比例閥170來取得所需的流量。

圖5a和5b舉例示出了基于壓力的質(zhì)量流量控制器500a和500b，所公開的無線限制器的實(shí)施例可納入于其中。

在所描述的實(shí)施例中，基于壓力的質(zhì)量流量控制器500a包括，除其他項(xiàng)目外，電力供給器連接器502、顯示器接口504、通信接口506(例如，rs485通信接口連接器)、控制電子設(shè)備508(例如，cpu)、流體通道512、一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器514和壓力傳感器520、流量控制閥組件522和層流限制器510。所述層流限制器510被配置成確保小流量通道內(nèi)的分層流動(dòng)，所述流體內(nèi)的剪切力形成壓力降。根據(jù)公開的實(shí)施例，所述質(zhì)量流量控制器500a將本文所公開的所述無線限制器的實(shí)施例用作所述層流限制器510。

類似于基于壓力的質(zhì)量流量控制器500a，基于壓力的質(zhì)量流量控制器500b包括流量控制閥530、第一壓力換能器532和第二壓力換能器534。如圖表所示，所述第一壓力換能器532被配置成測量所述層流限制器510的上游壓力，且所述第二壓力換能器534被配置成測量所述層流限制器510的下游壓力。

基于壓力的質(zhì)量流量控制器500a和500b的操作原理是：流體流率的變化導(dǎo)致所述層流限制器510上游和/或下游的流體壓力的變化，所述流體流率可從所述層流限制器510中計(jì)算出。例如，如圖5a描述，基于壓力的質(zhì)量流量控制器500a利用第一壓力傳感器520測量所述層流限制器510上游的所述流體通道512中的流體壓力，并利用第二壓力傳感器520測量所述層流限制器510下游的所述流體通道512中的流體壓力?；谒鰧恿飨拗破?10上游的所述壓力測量和所述層流限制器510下游的壓力測量之間的壓力變化，所述基于壓力的質(zhì)量流量控制器500a被配置成計(jì)算所述質(zhì)量流率，并利用所述控制電子設(shè)備508和所述流量控制閥組件522控制流量。

雖然上圖描述了質(zhì)量流量控制器中所述公開實(shí)施例的使用情況，為了嚴(yán)格確定流率，所述公開實(shí)施例可僅用于質(zhì)量流量計(jì)。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識到，可通過去除比例入口閥和任何不必要的控制電子設(shè)備來改變圖5b所示的基于壓力的質(zhì)量流量控制器，從而形成質(zhì)量流量計(jì)。

圖6所示圖表描繪了使用本文公開的無線限制器的壓差(dp)相對于流率的例子。在描繪的示例中，調(diào)節(jié)比為50：1的關(guān)小流量計(jì)與10scmm無線限制器一同使用。所述關(guān)小調(diào)節(jié)比表示流量計(jì)能夠以可接受的準(zhǔn)確度進(jìn)行測量的流量范圍。sccm表示每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方厘米，是指示標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的cc/cm的流量測量項(xiàng)。

本發(fā)明的描述用于闡釋和說明，并非面面俱到或限制本發(fā)明的范圍。

在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。被選擇和描述的實(shí)施例用于解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，并使其他本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明經(jīng)過各種修改后的各種實(shí)施例，使得本發(fā)明適用于所設(shè)想的特定用途。在權(quán)利要求的范圍旨在廣泛涵蓋公開的實(shí)施例和任何這樣的修改。

本文所使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“所述”也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有說明。需要進(jìn)一步理解術(shù)語“包括”當(dāng)在本說明書和/或權(quán)利要求中使用時(shí)，指定存在所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、和/或部件，但不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或其構(gòu)成的組。對應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)作和所有手段的等同物或以下權(quán)利要求中的步驟加功能元件旨在包括用于結(jié)合其他特別要求保護(hù)的元件來執(zhí)行所述功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或動(dòng)作。