JP2009192220A - 流量センサおよびこれを用いた質量流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大流量用であっても大型化することなく、廉価でコンパクトな高性能流量センサおよびこれを用いた質量流量制御装置を提供する。
【解決手段】流量センサ８は、流体をバイパス流路１２と、ブリッジ回路の一部を形成する発熱抵抗線が巻回されたセンサ流路１４とに所定の分流比で分岐して流し、前記センサ流路１４に前記流体が流れることによって生ずる熱の移動を前記ブリッジ回路の不平衡として捉えることにより、前記流体の全体の流量をセンサ出力として求める流量センサにおいて、前記バイパス流路は、略直線状の一辺と、該一辺と接する曲線で形成される複数の細流路７４から構成され、前記細流路７４の等価水力直径（ｄ）と、前記細流路７４の長さ（Ｔ）の常用対数との比が０．２７以下である。そして、この流量センサは質量流量制御装置に内蔵される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガス等の比較的小流量の流体の質量流量を計測する流量センサおよびこれを用いた質量流量制御装置に関する。

一般に、半導体集積回路等の半導体製品等を製造するためには、半導体ウエハ等に対して例えばＣＶＤ成膜やエッチング操作等が種々の半導体製造装置において繰り返し行われるが、この場合に微量の処理ガスの供給量を精度良く制御する必要から例えばマスフローコントローラのような質量流量制御装置が用いられている。
ここで一般的な質量流量制御装置の構成について、図６及び図７を参照して説明する。図６はガス配管に介設された従来の質量流量制御装置の一例の概略構成図を示し、図７は質量流量制御装置の流量センサの回路図である。

図示するように、この質量流量制御装置２は、液体や気体等の流体を流す流体通路、例えばガス管４の途中に介設されて、この質量流量を制御するようになっている。尚、このガス管４の一端に接続される半導体製造装置内は例えば真空引きされている。この質量流量制御装置２は、例えばステンレススチール等により成形された流路６を有しており、この両端が上記ガス管４に接続される。この質量流量制御装置２は流路６の前段側に位置する流量センサ部８と後段側に位置する流量制御弁機構１０とよりなる。

まず、上記流量センサ部８は、上記流路６のガス流体の流れ方向の上流側に設けられて複数のバイパス管を束ねてなるバイパス群１２を有している。上記バイパス群１２の両端側には、これを迂回するようにセンサ管１４が接続されており、これにバイパス群１２と比較して小量のガス流体を一定の比率で流し得るようになっている。すなわち、このセンサ管１４には全ガス流量に対して一定の比率の一部のガスを常に流すようになっている。このセンサ管１４には直列に接続された制御用の一対の抵抗線Ｒ１、Ｒ４が巻回されており、これに接続されたセンサ回路１６により質量流量値を示す流量信号Ｓ１を出力するようになっている。

この流量信号Ｓ１は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる質量流量制御手段１８へ導入されて、上記流量信号Ｓ１に基づいて現在流れているガスの質量流量が求められると共に、その質量流量が外部より入力される流量設定信号Ｓｉｎで表される質量流量に一致するように、上記流量制御弁機構１０を制御することになる。この流量制御弁機構１０は、上記流路６の下流側に設けられた流量制御弁２０を有しており、この流量制御弁２０はガス流体の質量流量を直接的に制御するための弁体として例えば金属板製の屈曲可能になされたダイアフラム２２を有している。

そして、このダイアフラム２２を弁口２４に向けて適宜屈曲変形させて移動させることによって、上記弁口２４の弁開度を任意に制御し得るようになっている。そして、このダイアフラム２２の上面は、例えば積層圧電素子（ピエゾ素子）よりなるアクチュエータ２６の下端部に接続されており、これにより、その弁開度が上記したように調整できるようになっている。このアクチュエータ２６は、上記質量流量制御手段１８からの駆動信号を受けてバルブ駆動回路２８が出力するバルブ駆動電圧Ｓ２により動作する。

上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４とセンサ回路１６との関係は、図７に示されている。すなわち、上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４の直列接続に対して、２つの基準抵抗Ｒ２、Ｒ３の直列接続回路が並列に接続されて、いわゆるブリッジ回路を形成している。そして、このブリッジ回路に、一定の電流を流すための定電流源３０が接続されている。また、上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４同士の接続点と上記基準抵抗Ｒ２、Ｒ３同士の接続点とを入力側に接続して差動回路３２が設けられており、上記両接続点の電位差を求めて、この電位差を流量信号Ｓ１として出力するようになっている。

ここで、上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４は、温度に応じてその抵抗値が変化する素材よりなっており、ガスの流れ方向の上流側に抵抗線Ｒ１が巻回され、下流側に抵抗線Ｒ４が巻回されている。また、基準抵抗Ｒ２、Ｒ３は略一定の温度に維持されているものとする。
このように構成された質量流量制御装置２において、センサ管１４にガス流体が流れていない場合には、両抵抗線Ｒ１、Ｒ４の温度は同じになっていることから、ブリッジ回路は平衡して差動回路３２の検出値である電位差は、例えばゼロである。

ここで、センサ管１４にガス流体が質量流量Ｑで流れると仮定すると、このガス流体は上流側に位置する抵抗線Ｒ１の発熱によって温められてその状態で下流側の抵抗線Ｒ４が巻回されている位置まで流れることになり、この結果、熱の移動が生じて抵抗線Ｒ１、Ｒ４間に温度差、すなわち両抵抗線Ｒ１、Ｒ４間の抵抗値に差が生じて、この時発生する電位差はガスの質量流量に略比例することになる。従って、この流量信号Ｓ１に所定のゲインをかけることによってその時に流れているガスの質量流量を求めることができる。また、この検出されたガスの質量流量が、流量設定信号Ｓｉｎ（実際は電圧値）で表される質量流量と一致するように、例えばＰＩＤ制御法により上記流量制御弁２０の弁開度が制御されることになる。

ところで、上記した流量センサ部８は、複数の細管からなるバイパス群１２と、バイパス群１２から分岐されたセンサ管１４を有し、バイパス群１２とセンサ管１４との分流比を一定となし、センサ管１４で検出された流量から全体の流量を測定しているので、バイパス管の数を増減することによって、センサ管との分流比を変更し、小流量域から大流量域をカバーする流量センサとして構成される。したがって、大流量用の流量センサになるほど細管の数が（例えば、数百本）増し、大型化するとともに、バイパス群を製造するためのコストが嵩むという問題がある。

これに対して、特許文献１には、スリーブ内に同心的に挿入されるコアを中心に平板、波板を巻き付けて構成されスリーブ内に固定される層流エレメントが提案され、廉価で製造容易な信頼性の高い層流バイパスとされている。また、特許文献２には、表面に複数のリブを突設した第１帯状体と平坦な第２帯状体とを筒状に巻き込んで形成させた層流素子が開示されている。

実公平３−１７２２６号公報（第１頁から第３頁） 特開平１１−１０１６７３号公報（第２頁から第３頁、図４）

しかしながら、特許文献１に記載の技術によれば、センサパイプ入口は上流側に層流化に十分なだけの助走距離を持たせた後に設置する必要があるので、小型化することが困難であるとともに、流量の測定可能な範囲（以下、流量レンジという）を変更するにあたっては、波板の山高さやピッチを変える必要があり、流量レンジごとの波板を必要とするのでコスト高であるという問題があった。

また、特許文献２に記載の技術においては、層流素子の流量と出力信号との直線性を得るために層流素子の長さを大きくすることが必要とされ、よって、質量流量制御装置が大型化してしまうという問題があった。

本発明は、上記の事項に留意してなされたもので、大流量用であっても大型化することなく、廉価でコンパクトな高性能流量センサおよびこれを用いた質量流量制御装置を提供することを目的としている。

請求項１に係る発明は、流体をバイパス流路と、ブリッジ回路の一部を形成する発熱抵抗線が巻回されたセンサ流路とに所定の分流比で分岐して流し、前記センサ流路に前記流体が流れることによって生ずる熱の移動を前記ブリッジ回路の不平衡として捉えることにより、前記流体の全体の流量をセンサ出力として求める流量センサにおいて、前記バイパス流路は、略直線状の一辺と、該一辺と接する曲線で形成される複数の細流路から構成され、前記細流路の等価水力直径（ｄ）と、前記細流路の長さ（Ｔ）の常用対数との比が０．２７以下であることを特徴とする流量センサである。

ここで、前記曲線がｙ＝ｆ（ｘ）、ａ及びｂにて前記一辺と接するとき、曲線長さｌは数式１で表わすことができる。

すなわち、前記曲線と前記一辺とで囲まれた細流路の周囲長さＬは、数式２で表わすことができる。

また、前記曲線と前記一辺とで囲まれた細流路の断面積Ｓは、数式３で表わすことができる。

そして、等価水力直径ｄ＝４×Ｓ／Ｌとし、前記細流路の長さをＴとしたとき、式４を満足するように構成する。

上記の構成によれば、バイパス流路が、式４を満足する複数の細流路が構成されている場合、バイパス流路を流動する流体の整流効果が向上し、バイパス流路長さを短くすることができる。よって、コンパクトな流量センサを構成することができる。また、これを用いた質量流量制御装置は、大流量用であっても大型化することなく、廉価でコンパクトになすことができる。

この場合、例えば請求項２に規定するように、平板と波板とを巻回して前記細流路を構成し、前記波板は略正弦波状であることが好ましい。また、本発明は、請求項１又は２に記載の流量センサを備えてなる質量流量制御装置である。

本発明の流量センサ及びこれを用いた質量流量制御装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
バイパス流路が、式４を満足する複数の細流路が構成されている場合、バイパス流路を流動する流体の整流効果が向上し、バイパス流路長さを短くすることができる。よって、コンパクトな流量センサを構成することができる。また、これを用いた質量流量制御装置は、大流量用であっても大型化することなく、廉価でコンパクトになすことができる。

以下に、本発明に係る流量センサ及びこれを用いた質量流量制御装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る質量流量制御装置の一例を示す断面図である。尚、図６及び図７において示した構成部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。

図示するように、この質量流量制御装置４０は、液体や気体等の流体を流す流体通路に継手部４１を介して接続されて、この質量流量（以下、単に「流量」とも称す）を制御するようになっている。尚、この継手部４１の一端に接続される半導体製造装置内は例えば真空引きされている。具体的には、この質量流量制御装置４０は、例えばステンレススチール等の本体４０ａの内部に流路６を有しており、流体入口６Ａと中間流路６Ｂとの間に流量センサ部８が、中間流路６Ｂと流体出口６Ｃとの間に流量制御弁機構１０が設けられている。

上記流量センサ部８は、バイパス群１２Ａ、センサ管１４、センサ回路１６等を有しており、ここで検出した流量信号Ｓ１を質量流量制御手段１８に向けて出力するようになっている。
バイパス群１２Ａは、円筒状のバイパスホルダ７３に後述する波状板７０と平板７１とを巻回して収納したもので、継手部４１側からスプリング６３によって押圧され、流路６内に形成された段部６１にシールリング６２を介して、バイパスホルダ７３の端部を気密にして固定されている。
センサ管１４は、本体４０ａの流路６において、バイパス群１２Ａの上流側及び下流側に形成された分岐穴４０ｂ、４０ｃに接続された例えば内径０．５ｍｍ程度の細管である。

上記流量制御弁機構１０は、流量制御弁２０、これを駆動するアクチュエータ２６を有している。
流量制御弁２０は、本体４０ａに螺合され弁口２４を有する弁座２３と、弁座２３に対向する弁体２１との間の弁開度を調整するように動作可能となっている。
アクチュエータ２６は、電磁コイル２６ａと、電磁コイル２６ａによって上下動可能なプランジャ２６ｂを有し、プランジャ２６ｂの下端はフラットスプリング２７を介して弁体２１に接続されている。

この流量制御弁機構１０は、電磁コイル２６ａが励磁されていない状態では、フラットスプリング２７によって、弁座２３と弁体２１とは離間している、所謂ノーマリーオープンの流量制御弁である。
そして、質量流量制御手段１８から直接バルブ駆動電圧Ｓ２が電磁コイル２６ａに印加され、バルブ駆動電圧Ｓ２によって電磁コイル２６ａが励磁され、プランジャ２６ｂには下降方向の電磁力が生じる。フラットスプリング２７は、この力に抗する弾性力を有し、前記電磁力と前記弾性力とがバランスする位置に弁体２１を駆動させ、弁開度が調整されている。

そして、上記質量流量制御手段１８は、これへ例えばホストコンピュータ等の外部より入力される流量設定信号Ｓ０で示される流量と上記流量信号Ｓ１で示される流量とが一致するように上記流量制御弁２０の弁開度を例えばＰＩＤ制御法で制御し得るようになっている。尚、図示例では、上記流量制御弁機構１０は上記流量センサ部８の下流側に設定されているが、これを上記流量センサ部８の上流側に位置させるようにしてもよい。

また、アクチュエータ２６は、電磁コイル２６ａによるものに限らず、上述した積層圧電素子によるものでもよいことはもちろんである。

次に、バイパス群の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図２はバイパス群の正面図で、図２（ａ）が本発明にかかる一実施例の正面図、図２（ｂ）は比較例の正面図である。図３は図２（ａ）の部分拡大図を、図４は実施例と比較例との比較試験装置の模式図、図５は実施例と比較例の流量と流量信号との関係の直線性を比較するグラフを示している。

図２（ａ）に示すように、バイパス群１２Ａは、例えば厚さ０．０３ｍｍのステンレス製薄板をピッチＰ＝１．６８ｍｍ、高さＨ＝０．２５ｍｍの略正弦波曲線に成形した波状板７０と、同じくステンレス製の平板７１とを重ね合わせて円柱状のコア７２を中心に巻回し、内径がφ１５．４ｍｍの円筒状のバイパスホルダ７３に収納している。そして、波状板７０と平板７１とで囲まれ２５００セル／インチ^２の密度で形成された空間が細流路７４をなし軸方向（図の紙面奥方向）に延びている。

細流路７４は、図３に示すように、波状板７０と平板７１とが接する近傍部分が漸近部７７となっており、細流路７４の流体が流動する断面積と比較して、流体に接する面積（図３に示す細流路７４の周長さ）が大きくなっている。したがって、細流路７４の壁面から流体が受ける摩擦抵抗が大きくなるので、層流化効果を受け、バイパス群１２Ａとセンサ管１４との分流比が安定化することができると考えられる。波状板７０は、矩形や三角形状ではなく、平板７１と漸近部７７を形成するような形状であれば、正弦波曲線に限らず、半円形を連続的に繋げた波状や、二次元、三次元曲線の一部を連続的に繋げて波状に形成してもよい。

これに対して、図２（ｂ）に示すように、比較例におけるバイパス群１２Ｃは、厚さ０．０３ｍｍのステンレス製薄板をピッチＰ＝１．６８ｍｍ、高さＨ＝０．４ｍｍの略正弦波曲線に成形した波板７０Ｃと平板Ｃに囲まれた細流路７４Ｃが正三角形に近い形状をなしており、流体に接する面積が小さく、層流化効果が小さいことが判った。

＜実施例＞
図２（ａ）に示したバイパス群１２Ａと、図２（ｂ）に示したバイパス群１２Ｃとをそれぞれ質量流量制御装置４０に組み込み、図４に示すように、圧力制御弁８０と、質量流量制御装置４０と、事前に検定された質量流量計８１とを直列に配管し、上流側から一定圧力のガスを最大流量１０ＳＬＭの流量で供給しつつ、質量流量制御装置４０の流量制御における直線性を比較した。

供給ガスは、０．０５ＭＰａの窒素ガスを用い、質量流量制御装置４０への流量設定信号ＳＰを最大流量（フルスケール流量）Ｑ_ＦＳの２０％から１００％まで順次変化させた際の質量流量Ｑ_ＳＰを質量流量計８１で測定した。

図５に示す実施例と比較例の流量と流量信号との関係の直線性を比較するグラフは、図２（ａ）に示したバイパス群１２Ａと図２（ｂ）に示したバイパス群１２Ｃの層流化の効果を表わしたものである。
ここで、横軸ＳＰは、最大流量（フルスケール流量）Ｑ_ＦＳに対する比率であり、縦軸の直線性は、測定された質量流量Ｑ_ＳＰを次の数式５に代入して求めた値である。

Ｑ_ＳＰ：測定された質量流量
Ｑ_ＦＳ：質量流量制御装置の最大流量
ＳＰ：最大流量（フルスケール流量）Ｑ_ＦＳに対する比率

そして、図５（ａ）が図２（ｂ）に示したバイパス群１２Ｃ（比較例）による実験結果、図５（ｂ）から図５（ｅ）が図２（ａ）に示したバイパス群１２Ａ（実施例）による実験結果であり、略正弦波形状の波板と平板とを外径φ１５．４ｍｍに巻回したもので、表１に示す形状のものである。

図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すると、図５（ａ）がＳＰ＝４０％付近で約３．５％の直線性を示しているのに対して、図５（ｂ）では、ＳＰが２０から１００のいずれの流量においても直線性が０．５％を上回ることがなく良好な直線性を示すことが判る。
更に、図５（ｃ）に示すように、細流路の長さ（Ｔ）を１６ｍｍに設けても層流化効果にほとんど影響を与えず、良好な直線性を示すことが判る。

また、図５（ｄ）に示すように、実施例３においても良好な直線性を示している。図５（ｄ）に示す実施例４において、ＳＰ＝４０％付近で２％弱の直線性を示した。しかしながら、流量センサとしての実用上の精度には、ほとんど影響を与えない。

ここで、数式１から数式４に立ち返って考察する。
実施例、比較例ともに、正弦波形状の波板を使用しているから、表１に示した形状から数式１から数式４に代入してｄ／ｌｏｇ（Ｔ）を計算すると表２のようになる。

したがって、ｄ／ｌｏｇ（Ｔ）が０．２７以下であれば、バイパス流路長さを短く、コンパクトな流量センサを構成できることがわかる。これは、細流路７４の壁面から流体が受ける摩擦抵抗が大きくなり、層流化効果を受け、バイパス群１２Ａとセンサ管１４との分流比が安定化することができると考えられる。

また、ガス圧力を０．１ＭＰａから０．３ＭＰａ、ガス種をＨｅ、ＳＦ６において比較試験を行ったが、バイパス群１２Ｃと比較してバイパス群１２Ａの層流効果が同様に顕著であることが確認された。そして、バイパス群１２Ａを用いた流量センサを組み込んで、最大流量３９ＳＬＭの質量流量制御装置をコンパクトに提供することが可能となった。

なお、流量センサに更なる高精度を求める場合には、好ましくはｄ／ｌｏｇ（Ｔ）は０．２４以下である。ただし、ｄ／ｌｏｇ（Ｔ）が小さくなるほど、流体の圧力損失が大きくなるので、その下限は、０．１５程度に留めると良い。

また、製造上難がある点や圧力損失の課題は残るものの、中実線を複数束ね、バイパスホルダに収納して、中実線同士の隙間で細流路を構築すれば、更に細流路長さの短いコンパクトなバイパス群が可能となると考えられる。

本発明に係る質量流量制御装置の一例を示す断面図である。 バイパス群の正面図で、図２（ａ）が本発明にかかる一実施例の正面図、図２（ｂ）は比較例の正面図である。 図２（ａ）の部分拡大図である。 実施例と比較例との比較試験装置の模式図である。 実施例と比較例の流量と流量信号との関係の直線性を比較するグラフである。 ガス配管に介設された従来の質量流量制御装置の一例を示す概略構成図である。 質量流量制御装置の流量センサ部の回路図である。

符号の説明

２：質量流量制御装置、４：ガス管（流体通路）、６：流路、６Ａ：流体入口、６Ｂ：流体出口、８：流量センサ部、１０：流量制御弁機構、
１２、１２Ａ、１２Ｃ：バイパス群、
１４：センサ管、１６：センサ回路、１８：質量流量制御手段、２０：流量制御弁、２１：弁体、
２２：ダイアフラム、２３：弁座、２４：弁口、２６：アクチュエータ、２６ａ：電磁コイル、２６ｂ：プランジャ、２７：フラットスプリング、２８：バルブ駆動回路、３０：定流電源、３２：差動回路、
４０：質量流量制御装置、４０ａ：本体、４０ｂ、４０ｃ：分岐穴、４１：継手部、
６１：段部、６２：シールリング、
７０、７０Ｃ：波状板、７１、７１Ｃ：平板、７２：コア、７３：バイパスホルダ、７４、７４Ｃ：細流路、７７：漸近部、
８０：圧力制御弁、８１：質量流量計、
Ｓ０ 流量設定信号
Ｓ１ 流量信号
Ｓ２ バルブ駆動電圧
Ｓ３ タンクバルブ開閉信号
Ｓ４ 圧力信号
Ｓ１０ 校正信号

Claims (3)

1. 流体をバイパス流路と、ブリッジ回路の一部を形成する発熱抵抗線が巻回されたセンサ流路とに所定の分流比で分岐して流し、前記センサ流路に前記流体が流れることによって生ずる熱の移動を前記ブリッジ回路の不平衡として捉えることにより、前記流体の全体の流量をセンサ出力として求める流量センサにおいて、
   前記バイパス流路は、略直線状の一辺と、該一辺と接する曲線で形成される複数の細流路から構成され、前記細流路の等価水力直径（ｄ）と、前記細流路の長さ（Ｔ）の常用対数との比が０．２７以下であることを特徴とする流量センサ。
2. 前記バイパス流路は、平板と波板とを巻回して前記細流路を構成し、前記波板は略正弦波状であることを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
3. 請求項１又は２に記載の流量センサを備えてなる質量流量制御装置。

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