JP4974000B2

JP4974000B2 - 質量流量制御装置及び実ガスの質量流量制御方法

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Publication number: JP4974000B2
Application number: JP2007257436A
Authority: JP
Inventors: 明史林; 良行古川; 崇夫後藤; 真郷杉本
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-10-01
Also published as: JP2009087126A

Description

本発明は、半導体製造装置で使用されるプロセスガスなどの質量流量を一定の範囲に制御する質量流量制御装置及び実ガスの質量流量制御方法に関する。

半導体製造装置では、シリコン基板の表面への成膜や基板内部のエッチング又はクリーニングを行うために、種々のプロセスガス、例えばＮ_２ガスやＨｅガスなどの不活性ガスや、Ｈ_２ガスなどの還元性ガス、フッ化水素ガス（以下、ＨＦガスという）などの腐食性ガスが使用されている。集積回路の小型化及び高集積化を実現するために、質量流量制御装置により、流量センサで実ガスの流量を検出し、その流量信号に基づいてガス流路を開閉する流量制御弁の開度を調整する。この質量流量制御装置では、センサ感度は校正ガス（例えばＮ_２ガス）に対応して定められているので、流入ガス（実ガス）の流量を測定し、この測定値に質量流量換算係数（コンバージョンファクタ）を乗じて実ガスに対応した流量に制御することが行われている。しかるに、各種プロセスガスのうち、例えばＨＦガスは、温度や圧力が変動すると２個以上の同一分子が共有結合以外の分子間相互作用によって結合し、１個の分子のように行動する性質をもつので、２分子会合体（Ｈ_２Ｆ_２）や６分子会合体（Ｈ_６Ｆ_６）などの多分子会合体を生成し易くなる。多分子会合体が生成されると、ガスの物性が変化するので、質量流量（以下単に流量という）を高精度で制御することができないという不具合が発生する。

そこで、従来は、高精度の流量検出を行うために、ＨＦガスの物性が温度や圧力に依存することを考慮して、ＨＦガスの温度又は圧力を調整することが行われている。例えば流量制御装置を加熱して、ＨＦ分子の会合を解離させ、一分子状態にしたＨＦガスを流量制御装置により流量制御することが提案されている（特許文献１参照）。

また、クラスター化した（会合体が形成された）ＨＦガスを会合が起こりうる圧力よりも低い分圧以下に希釈してＨＦガスの分子の会合を解離させ、単分子状態にして流量制御装置により流量制御することが提案されている（特許文献２参照）。

特開２００４−２６４８８１号公報（第５頁、図１）特開２００６−３１４９８号公報（第２１−２２頁、図５）

しかしながら特許文献１及び２に記載されているように流量制御装置に加熱手段や希釈ガス供給手段を付設した場合は、半導体製造装置の設備費が増大するという問題がある。また加熱装置を設けてＨＦガスを単分子状態とするためには、流量制御装置を約８５℃程度まで加熱することが必要となるが、流量制御装置に組み込まれている制御用電子部品が高温に曝されないようにするために、加熱装置が設置されている配管系から離間して設置する必要があり、複雑な設備になるといった問題も発生する。

したがって本発明の目的は、制御の対象となるガスの種類や性状によらず、ガス流量を高精度にかつ低コストで制御できる流量制御装置、および実ガスの質量流量制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の質量流量制御装置は、実ガスが流入する流入管部と、前記実ガスの温度を検出する温度センサと、前記実ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記実ガスの質量流量を検出する流量センサと、前記実ガスの流出量を制御する流量制御弁と、前記各センサの出力に基づいて前記流量制御弁の開度を調整する制御回路と、を有する質量流量制御装置であって、
前記制御回路は、圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である環境補正係数により流量設定信号（流量制御の目標値）を補正し、補正された流量設定信号と流量センサからの流量信号を比較するディジタル演算回路を有することを特徴とするものである。

また、本発明の質量流量制御装置は、実ガスが流入する流入管部と、前記実ガスの温度を検出する温度センサと、前記実ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記実ガスの質量流量を検出する流量センサと、前記実ガスの流出量を制御する流量制御弁と、前記各センサの出力に基づいて前記流量制御弁の開度を調整する制御回路と、を有する質量流量制御装置であって、
前記制御回路は、圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である環境補正係数により前記流量センサからの流量信号を補正し、流量設定信号（流量制御の目標値）と環境補正係数により補正された流量センサからの流量信号とを比較するディジタル演算回路を有することを特徴とするものである。

また、本発明の質量流量制御装置は、実ガスが流入する流入管部と、前記実ガスの温度を検出する温度センサと、前記実ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記実ガスの質量流量を検出する流量センサと、前記実ガスの流量を制御する流量制御弁と、前記各センサの出力に基づいて前記流量制御弁の開度を調整する制御回路と、を有する質量流量制御装置であって、
前記制御回路は、圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である環境補正係数により流量設定信号（流量制御の目標値）を補正するディジタル演算回路と、前記流量センサからの流量信号と前記ディジタル演算回路で補正された流量設定信号を比較する比較部と、を有する構成とすることもできる。

本発明において、前記制御回路はＰＩＤ制御を行う制御部を有するとともに、前記流量センサと前記比較部との間に、制御定数抵抗切換部を接続することができる。

本発明において、前記温度センサ及び前記圧力センサを、前記流入管部に設置することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の実ガスの質量流量制御方法は、実ガスの質量流量を所望の設定値に制御する実ガスの質量流量制御方法であって、
所望の実ガスの質量流量に対応する流量設定信号および流量センサからの流量信号を読み込むステップと、
実ガスの圧力に対応する圧力信号および温度に対応する温度信号を読み込むステップと、
圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である複数の環境補正係数が格納された記憶部から、前記圧力信号および前記温度信号に基づいてそれに対応する環境補正係数を算出するステップと、
前記環境補正係数に基づいて前記流量設定信号を補正し補正設定値を演算するステップと、
前記補正設定値を前記流量センサに実ガスを流した場合の出力特性に基づいて補正し最終補正設定値を演算するステップと、
前記最終補正設定値と流量センサから出力される流量信号とを比較してその差を駆動信号として駆動回路に出力するステップと、
前記駆動信号に基づいてバルブ駆動電圧が出力され流量制御弁を駆動するステップと、
を有することを特徴とするものである。

また、本発明の実ガスの質量流量制御方法は、環境補正係数に基づいて補正される値を流量センサからの流量信号に対応する流量値とし、前記流量信号を前記流量センサに実ガスを流した場合の出力特性に基づいて補正し補正流量信号を演算するステップと、前記環境補正係数に基づいて前記補正流量信号を補正し最終補正流量信号を演算するステップと、前記最終補正流量信号と前記流量設定信号とを比較してその差を駆動信号として出力するステップと、前記駆動信号に基づいてバルブ駆動電圧が出力されバルブを駆動するステップと、を有することもできる。

また、本発明の実ガスの質量流量制御方法は、実ガスの質量流量を所望の設定値に制御する実ガスの質量流量制御方法であって、
所望の実ガスの質量流量に対応する流量設定信号および流量センサからの流量信号を読み込むステップと、
実ガスの圧力に対応する圧力信号および温度に対応する温度信号を読み込むステップと、
圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である複数の環境補正係数が格納された記憶部から、前記圧力信号および前記温度信号に基づいてそれに対応する環境補正係数を算出するステップと、
前記環境補正係数に基づいて前記流量設定信号を補正し補正設定値を演算するステップと、
前記補正設定値を前記流量センサに実ガスを流した場合の出力特性に基づいて補正し最終補正設定値を演算するステップと、
前記最終補正設定値はアナログ値に変換され比較部において流量センサから出力された流量信号と比較され、その差を駆動信号として出力するステップと、
前記駆動信号に基づいてバルブ駆動電圧が出力されバルブを駆動するステップと、
を有するものである。
さらに、前記最終補正設定値に基づいて制御定数抵抗切り替え信号が出力され制御定数抵抗を切換えるステップを有することが望ましい。

本発明の質量流量制御装置および実ガスの質量流量制御方法によれば、実ガスの温度及び圧力に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である環境補正係数により前記流量センサからの流量信号又は流量設定信号（流量制御の目標値）を補正し、補正された設定信号と流量センサからの流量信号を比較するか、あるいは流量設定信号（流量制御の目標値）と補正された流量センサからの流量信号とを比較して流量制御弁の駆動を制御するので、制御の対象となるガスの種類や性状によらずガス流量を高精度で制御することができる。特にＨＦガスのような温度・圧力条件によって性状が大きく変化するガスであっても特別な設備を付設しなくても実ガスの温度及び圧力に対応した正確な流量を算出し制御することができ、もって、設備の低コスト化を実現することができる。

以下本発明の実施の形態を添付図面により説明する。
図１は、本発明の実施の形態1に係わる質量流量制御装置の概略図、図２はデータテーブルの内容を示す図、図３は実施の形態１における制御フローの一例を示すフローチャート、図４は校正ガスにおける流量設定信号とガス流量の関係を示す図、図５は実ガスにおける流量設定信号とガス流量の関係を示す図、図６は実施の形態１における制御フローの他の例を示すフローチャート、図７は実ガスにおける流量センサからの流量信号とガス流量の関係を示す図、図８は本発明の実施の形態２に係わる質量流量制御装置の概略図、図９は実施の形態２における制御フローを示すフローチャート、図１０は本発明の実施の形態３に係わる質量流量制御装置の概略図、図１１は実施の形態３における制御フローを示すフローチャートである。

［実施の形態１］
図１に示す質量流量制御装置１は、実ガス（例えばＨＦガス）が流入する流入管部２と、流入した実ガスの流路を分岐させるバイパス部３１と実ガスの質量流量を検出する流量センサ５を有するセンサ管３２及び流量制御弁６を含む流量制御部３と、流量が所定値になるように調整された実ガスが流出する流出管部４と、流量制御弁６の駆動を制御する制御回路９とを備えている。また流入管部２には、流入した実ガスの温度を検出する温度センサ７及び実ガスの圧力を検出する圧力センサ８が設けられている。流量制御弁６は、スペーサ６２を介して流出管部４へのガス流出量を制御する金属ダイアフラム６３を駆動するアクチュエータ６１を有する。

制御回路９は、流量制御弁６の駆動回路１８に供給する指令電圧（駆動信号）を算出するプログラムを含む複数のプログラムを実行するディジタル演算回路１０と、流量設定信号（例えば０〜５Ｖの範囲の直流電圧）を所定ビットのディジタル量に変換してディジタル演算回路１０に入力するＡ／Ｄコンバータ回路１１と、ディジタル演算回路１０で算出された流量値をアナログ信号（例えば０〜５Ｖの範囲の直流電圧）に変換するＤ／Ａコンバータ回路１２と、ディジタル演算回路１０から出力された駆動信号をアナログ信号（例えば０〜５Ｖの範囲の直流電圧）に変換するＤ／Ａコンバータ回路１７と、温度センサ７で検出された温度信号をディジタル量に変換してディジタル演算回路１０に入力するＡ／Ｄコンバータ回路１３と、圧力センサ８で検出された圧力信号をディジタル量に変換してディジタル演算回路１０に入力するＡ／Ｄコンバータ回路１４とを有する。

制御回路９においては、流量センサ５の流量信号は、増幅回路１５で増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ回路１６でディジタル信号に変換されてディジタル演算回路１０に供給される。ディジタル演算回路１０では、上記流量信号に基づいて駆動信号が算出され、その駆動信号はＤ／Ａコンバータ回路１７でアナログ信号（例えば０〜５Ｖの直流電圧）に変換された後、駆動回路１８に出力される。駆動回路１８は、入力された駆動信号に基づいて流量制御弁６にバルブ駆動電圧を出力し、アクチュエータ６１を駆動して金属ダイアフラム６３の開度が調節される。このようにして流量制御弁６の開度がフィードバック制御により調整されて流量（流出管部４へのガス流出量）を流量設定信号（流量制御の目標値）に一致させることができる。

（制御フロー１）
上記の流量制御装置１は、実ガスの使用条件（温度、圧力）に対応した環境補正係数を導出し、制御回路で、この環境補正係数により流量設定信号又は流量センサからの流量信号を補正してから流量制御弁の駆動回路に駆動信号を出力する点に特徴があるので、その詳細を図２〜６により説明する。

まずディジタル演算回路１０は、異なる温度及び圧力ごとに複数の環境補正係数ＣＦが保存されたデータテーブル（図２参照）及び複数の演算処理プログラム（不図示）が格納されたＲＯＭ１１０と、このデータテーブルから環境補正係数ＣＦを読み出して流量設定信号ＳＰ（流量制御の目標値）を補正するプログラムを実行するＣＰＵ１２０がバス１４０に接続されている。またバス１４０には演算処理で得られるデータ（後述の補正設定値や最終補正設定値など）を一時的に記憶するＲＡＭ１３０も接続されている。なお、バス１４０には、上述したＡ／Ｄコンバータ回路やＤ／Ａコンバータ回路が接続されてアナログ信号／ディジタル信号の入出力を行うことができる。

図２に示すデータテーブルは、異なる温度Ｔm（mは１以上の整数で、Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３‥と右列になるほど温度が高くなる）ごとに、複数の圧力Ｐｎ（ｎは１以上の整数で、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３‥と下行になるほど圧力が高くなる）に対応して、校正ガス（例えばＮ_２ガス）の流量に対する実ガスの流量の比率である、複数の環境補正係数ＣＦ_m,n（ＣＦ_1,1、、ＣＦ_1,2、ＣＦ_1,3‥）がテーブル化されたものである。例えばＨＦガスの場合、これらの環境補正係数は、理論的には１以下の値であり、圧力が低い（例えば２０ｋＰａ以下）場合は、略１．０となり、それより高圧力側では、１．０未満となり、また高温になるほど、同じ圧力であっても環境補正係数の数値は大きくなる。図２においてテーブル化された各環境補正係数ＣＦの値は、質量流量制御装置で設定可能な最大流量（１００％の流量）が出力されるように実ガスを流したときに、測定された実測値から算出された値である。

また図２に記載された温度の中間の温度Ｔ_ｘ（Ｔ_ｍとＴ_ｍ+1の間の温度）、および図２に記載された圧力の中間の圧力Ｐ_ｙ（Ｐ_ｎとＰ_ｎ+1の間の圧力）のときの環境補正係数ＣＦ_x、yを算出する場合は、式（１）に示すように直線補間によって環境補正係数を算出することができる。式（１）において、ＣＦ_x,nは、温度Ｔ_ｘ（Ｔ_ｍ＜Ｔ_Ｘ＜Ｔ_ｍ＋１）、圧力Ｐ_ｎにおける環境補正係数を示し、式（２）から求められる。また、ＣＦ_x,n+1は温度Ｔ_ｘ（Ｔ_ｍ＜Ｔ_Ｘ＜Ｔ_ｍ＋１）、圧力Ｐ_ｎ＋1における環境補正係数を示し、式（３）から求められる。ここで、式（２）および式（３）のＣＦ_m+1,n、ＣＦ_m,n 、ＣＦ_m+1,n+1、ＣＦ_m,n+1は、それぞれ温度温度Ｔ_m+1、圧力Ｐ_ｎにおける環境補正係数、温度温度Ｔ_m、圧力Ｐ_ｎにおける環境補正係数、温度温度Ｔ_m+1、圧力Ｐ_ｎ＋1における環境補正係数、温度温度Ｔ_m、圧力Ｐ_ｎ＋1における環境補正係数を示す。

次に、図１に示す質量流量制御装置１において、制御可能な最大流量（以下、フルスケール流量という）を１００ｓｃｃｍとし、流出管部４に流出させる実ガスの目標流量を８０ｓｃｃｍに設定した場合の制御手順を図３と図４、５により説明する。

図３に示す制御フローにおいて、ＳＴＥＰ１では、目標流量（８０ｓｃｃｍ）に対応する流量設定信号ＳＰをＲＡＭ１３０に読み込む。例えばフルスケールの流量範囲に相当する電圧が０〜５Ｖの範囲にある場合には、流量設定信号ＳＰとして４Ｖ｛＝５Ｖ×（８０／１００）｝の値を読み込む。また、流量センサ５からの流量信号ＦＯをＲＡＭ１３０に読み込む。

ＳＴＥＰ２では、温度センサ７で検出された実ガスの温度（例えばＴ_２）に対応する温度信号と圧力センサ８で検出された実ガスの圧力（例えばＰ_３）に対応する圧力信号をＲＡＭ１３０に読み込む。

ＳＴＥＰ３では、ＣＰＵ１２０が図２に示すデータテーブルから上記の温度信号及び圧力信号に対応する環境補正係数ＣＦを読み出しその値をＲＡＭ１３０に読み込む。あるいは上記温度信号及び圧力信号に対応する環境補正係数ＣＦがデータテーブルにない場合には、前述した通りの直線補間による演算処理を行って環境補正係数ＣＦ（例えば０．９）を算出して求め、その値をＲＡＭ１３０に読み込む。

ＳＴＥＰ４では、ＣＰＵ１２０が、ＲＡＭ１３０から読み出した流量設定信号ＳＰ（＝４Ｖ）に同じくＲＡＭ１３０から読み出した環境補正係数ＣＦ（＝０．９０）を除する（環境補正係数ＣＦで補正する）ことにより、補正設定値ＳＰ１（＝４．４Ｖ）を算出する。この補正により、流量設定信号ＳＰは実ガスを流した場合のフルスケール流量に対する目標流量（８０ｓｃｃｍ）の割合に対応する値である補正設定値ＳＰ１に変更される。補正設定値ＳＰ１は、実ガスの温度および圧力により定まる環境補正係数ＣＦを使って補正されるので、従来の、実ガスごとに環境条件によらず固定された質量流量換算係数（コンバージョンファクタ）による補正に比べて環境条件による誤差因子が取り除かれ高精度で変更される。

ＳＴＥＰ５では補正設定値ＳＰ１（図４を参照）をさらに補正して最終補正設定値ＳＰ２（図５を参照）を算出する。両図において、横軸は流量設定信号、縦軸はガス流量を示し、直線Ｘ（一点鎖線）は校正ガスにより直線化された流量センサに校正ガスを流した場合の特性を示し、曲線Ｙ（太い実線）は制御対象となる実ガスを流した場合の特性を示し、これらの特性は各圧力、温度条件ごとにＲＯＭ１１０に記憶されている。図４に示すとおり、校正ガスで流量センサからの流量信号と流量の関係が線形（一次曲線）になるように直線化された流量センサに実ガスを流したとき、実ガスが一次曲線的な流量特性を有する場合には、補正設定値ＳＰ１は実際の流量Ｑ_Ａに対応した値となる。しかるに、図５に示すように実ガスは二次曲線的な特性（曲線Ｙ）を有するので、補正設定値ＳＰ１に対応する流量はＱ_Ａ’となり（Ｓ_１から下ろした直線と曲線Ｙとの交点Ｓ_２における流量）、実際の流量Ｑ_Ａと一致しない。そこで、交点Ｓ_１から延長した直線と曲線Ｙとの交点Ｓ_３における最終補正設定値ＳＰ２を算出して、これをＲＡＭ１３０に読み込む。

ＳＴＥＰ６で、最終補正設定値ＳＰ２と流量信号ＦＯ（流量センサの出力）に基づいて流量制御弁の駆動電圧が算出される。すなわちＣＰＵ１２０において、ＲＡＭ１３０から読み出した最終補正設定値ＳＰ２と流量信号ＦＯとが比較され、これらの電圧の差（駆動信号）が出力される。

次いでＳＴＥＰ７で、Ｄ／Ａコンバータ回路１７により駆動信号が直流電圧に変換され、駆動回路１８に出力される。駆動回路１８は、入力された駆動信号に基づいて流量制御弁６にバルブ駆動電圧を出力して、アクチュエータ６１を駆動し金属ダイアフラム６３の位置が調節され流量制御弁６の開度が制御される。

この制御回路においては、流量設定信号ＳＰが環境補正係数ＣＦに基づいて実際の使用状態に対応するように実際の温度および圧力に依存して補正されるので、質量流量制御装置が組み込まれる設備の変更を伴わずに実際の使用条件に応じた高精度の流量制御を行うことができる。

なお、図１の質量流量制御装置においては、流量センサ５からの流量信号はディジタル演算回路１０により上記のＳＴＥＰ４、ＳＴＥＰ５と逆の演算が行なわれて流量値が算出され、流量値はＤ／Ａコンバータ回路１２によりアナログ信号に変換され、表示装置などの外部機器（不図示）に出力することができる。

（制御フロー２）
図１の制御装置によれば、制御回路９（ＲＯＭ１１０）に別のプログラムを内蔵することにより、図６に示す制御フローを実行することができる。この制御フローでは、ＳＴＥＰ１１〜１３及び１７は各々、図３に示すＳＴＥＰ１〜３及び７と同じなので、図３と異なるＳＴＥＰについてのみ説明する。

ＳＴＥＰ１４では、流量センサ５からの流量信号ＦＯを補正して補正流量信号ＦＯ１を算出する。図７において、横軸は流量センサからの流量信号、縦軸はガス流量を示し、直線Ｘ（一点鎖線）は校正ガスにより直線化された流量センサに校正ガスを流した場合の特性を示し、曲線Ｙ（太い実線）は制御対象となる実ガスを流した場合の特性を示し、これらの特性は各圧力、温度条件ごとにＲＯＭ１１０に記憶されている。上述の制御フロー１で説明したとおり、実ガスは二次曲線的な特性（曲線Ｙ）を有するので、流量センサからの流量信号ＦＯは流量Ｑ_Ａ”（交点S_４における流量）と一致し、実際の流量Ｑ_Ａと一致しない。そこで、流量センサからの流量信号ＦＯは実際の流量Ｑ_Ａに対応する補正流量信号ＦＯ１（流量Ｑ_Ａと直線Ｘとの交点Ｓ_５におけるセンサからの流量信号）に補正される。

ＳＴＥＰ１５では、補正流量信号ＦＯ１にＣＦ（＝０．９）を乗じて最終補正流量信号ＦＯ２を算出する。このようにＳＴＥＰ１４およびＳＴＥＰ１５の補正により、流量センサに実ガスを流したときに出力される流量センサからの流量信号ＦＯは、流量設定信号ＳＰに対応する値に変更される。

ＳＴＥＰ１６では、ＣＰＵ１２０により、流量設定信号ＳＰと最終補正流量信号ＦＯ２とが比較され、２つの出力電圧の差が出力され、次いでＳＴＥＰ１７で、その差電圧がアナログ値に変換された後、駆動信号として駆動回路１８に出力されて、駆動回路１８からバルブ駆動電圧が出力されて流量制御弁６の開度が制御される。

［実施の形態２］
本発明の質量流量制御装置は、図１に示す構成に限定されず、例えば図８に示す構成とすることができる。同図において、図１と同一部分は同一の参照符号で示す。図８の質量流量制御装置１は、制御回路９に、ディジタル演算回路１０とは別に比較部２０を設け、そこで流量センサ５からの流量信号ＦＯと、ディジタル演算回路１０で算出された最終補正設定値ＳＰ２を比較する以外は図１と同様の構成であり、重複する部分の説明を省略する。

（処理手順３）
この質量流量制御装置１の制御フローを図９により説明する。同図おいては、ＳＴＥＰ２１〜２５は各々、図３に示すＳＴＥＰ１〜５と同じなので、図３と異なるＳＴＥＰについてのみ説明する。

ＳＴＥＰ２６では、ＲＡＭ１３０から読み出した最終補正設定値ＳＰ２をＤ／Ａコンバータ回路１９でアナログ値に変換する。

ＳＴＥＰ２７では、比較回路２０で、アナログ値に変換された最終補正設定値ＳＰ２と流量センサ５からの流量信号ＦＯとが比較され、その差電圧（駆動信号）が出力される。この駆動信号は駆動回路１８に出力されて、流量制御弁６の開度が制御される。

この制御回路においても、流量設定信号ＳＰが環境補正係数に基づいて実ガスに対応するように補正されているので、高精度の流量制御を行うことができる。また、この制御回路によれば、流量センサからの流量信号ＦＯをディジタル変換することなく、アナログ信号で最終補正設定値ＳＰ２と連続して比較し駆動回路に駆動信号を出力するので、図１に示すようにディジタル演算回路により駆動信号の演算を行い出力する場合に生じる制御周期遅れが発生せず、Ｄ／Ａコンバータの分解能によらず連続した制御を行なうことができる。

［実施の形態３］
また、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば図１０に示すように、温度センサ７と圧力センサ８は、質量流量制御装置１と別体で設けてもよい。この場合、温度センサ７と圧力センサ８は、流入管部２の上流側に設けられた例えば流路ブロック２２などの流路構成部材に設置することができる。また、流出管部４の下流側に設けることもできる。このような構成によれば、環境補正係数を使用して流量設定信号を補正し流量センサ５からの流量信号と比較して駆動信号を出力する処理を、例えばパーソナルコンピュータなどの外部機器で負担することによって、従来の質量流量制御装置をそのまま適用して、実ガスの環境条件（温度、圧力）によらず高精度の流量制御を行なうことができる。なお、図１０において、図１と同一部分は同一の参照符号で示し、その説明を省略する。

また、図１０の質量流量制御装置１のディジタル演算回路１０においては、フィードバック制御（例えばＰＩＤ制御）が行われるが、適切な制御定数抵抗（比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲイン）を設定するために、比較部２０と増幅回路１５との間に制御定数抵抗切換部２１が接続されている。制御定数抵抗切換部２１は、比較回路２０と増幅回路１５との間に並列に接続された複数（例えば１０個）の抵抗Ｒ１、Ｒ２、…Ｒ１０と、各抵抗に直列に接続された切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２、…ＳＷ１０とを有する。これらの抵抗Ｒ１、Ｒ２、…Ｒ１０は、流量のフルスケールを複数の領域に等分に分割し、各領域に応じて最適な応答性が得られる抵抗値をもつように設定されている。抵抗の選択は、ディジタル演算回路１０から出力され、各流量領域に対応する制御信号により所望の切換スイッチを作動させることにより行われる。このように流量に応じて比較回路２０に入力される流量センサの時定数を変化させるので、フィードバック制御の応答性を高めることができる。

（処理手順４）
この流量制御装置１の制御フローを図１１により説明する。同図においては、ＳＴＥＰ３１〜３５、３７〜３９は各々、図９に示すＳＴＥＰ２１〜２５、２６〜２８と同じなので、図３と異なるＳＴＥＰ３６についてのみ説明する。

ＳＴＥＰ３６では、ディジタル演算回路１０において最終補正設定値ＳＰ２に基づく制御定数抵抗の切換信号Ｓｃを求め、その信号を切換スイッチに供給する動作が行われる。

図１、図８及び図１０に示す流量制御装置において、主要部は次の構造とすることができる。流量センサとしては、熱式流量計又は差圧式流量計を使用できる。例えば熱式流量計の場合は、センサ管３２の上流側及び下流側に巻回した２つの検出用抵抗線５１、５２と２つの基準用抵抗線でブリッジ回路５３を構成し、このブリッジ回路５３から出力電圧（抵抗変化）を取り出すように構成される。したがって、ガス流量がゼロのときはセンサ管の中間点を基準として対称な温度分布曲線となり、ガスが流動すると上流側の抵抗線の温度が下流側の抵抗線の温度よりも低下して、非対称な温度分布曲線となるので、この温度変化を検出することにより、ガス流量を検出することができる。差圧式流量計では、ガスをオリフィスに導入し、かつ上流側の圧力が下流側の圧力の２倍以上になるようにすることにより、オリフィスを通過するガスの流速は音速になるので、流量は上流側の圧力で定まることを利用する。

熱式流量計を使用する場合、センサ部に流れるガス流量が大きくなると、熱交換ができないので、温度差が得られない（流量を測定できない）という不具合を防止するために、センサ管３２と並列にバイパス管３１を設けることにより、センサ管３２に流れるガスの流量が調整される。バイパス管は、キャピラリー管、エッチング加工されたステンレス鋼板の積層体、リストリクターなどで形成することができる。

流量制御弁としては、駆動源として圧電体を積層した圧電アクチュエータを備えたもの、ヒーターによる熱膨張を利用するサーマル式のもの、あるいは電磁弁など種々の形式のものを使用できる。これらのうちでは、図１に示すように、微小な変位を精度よく制御することが可能でかつ大きな加重を発生することが可能であるので、圧電アクチュエータ６１でスペーサ６２を介して金属ダイアフラム６３を変位させる（図示しない弁座に当接又はそれから離間させる）形式のものが好適であり、流量制御装置の小型化を図ることができる。

本発明の実施の形態1に係わる質量流量制御装置の機器構成を示す図である。データテーブルの内容を示す図である。実施の形態１における制御フローの一例を示すフローチャートである。校正ガスを流した場合の流量設定信号とガス流量の関係を示す図である。実ガスを流した場合の流量設定信号とガス流量の関係を示す図である。実施の形態１における制御フローの他の例を示すフローチャートである。実ガスを流した場合の流量センサからの流量信号とガス流量の関係を示す図である。本発明の実施の形態２に係る質量流量制御装置の機器構成を示す図である。実施の形態２における制御フローを示すフローチャートである。本発明の実施の形態３に係る質量流量制御装置の機器構成を示す図である。実施の形態３における制御フローを示すフローチャートである。

符号の説明

１：質量流量制御装置、２：流入管部、３：流量制御部、３１：バイパス部、３２：センサ管、４：流出管部、５：流量センサ、５１：検出用抵抗体、５２：検出用抵抗体、５３：ブリッジ回路、６：流量制御弁、６１：アクチュエータ、６２：スペーサ、６３：金属ダイアフラム、７：温度センサ、８：圧力センサ、９：制御回路、１０：ディジタル演算回路、１１、１３、１４、１６：Ａ／Ｄコンバータ回路、１２、１７、１９：Ｄ／Ａコンバータ回路、１５：増幅回路、１８：駆動回路、２０：比較部、２１：制御定数抵抗切換部、２２：流路ブロック、１１０：ＲＯＭ、１２０：ＣＰＵ、１３０：ＲＡＭ、１４０：バス

Claims

実ガスが流入する流入管部と、前記実ガスの温度を検出する温度センサと、前記実ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記実ガスの質量流量を検出する流量センサと、前記実ガスの流出量を制御する流量制御弁と、前記各センサの出力に基づいて前記流量制御弁の開度を調整する制御回路と、を有する質量流量制御装置であって、
前記制御回路は、圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である環境補正係数により流量設定信号（流量制御の目標値）を補正し
、補正された流量設定信号と流量センサからの流量信号を比較するディジタル演算回路を有することを特徴とする質量流量制御装置。
実ガスが流入する流入管部と、前記実ガスの温度を検出する温度センサと、前記実ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記実ガスの質量流量を検出する流量センサと、前記実ガスの流出量を制御する流量制御弁と、前記各センサの出力に基づいて前記流量制御弁の開度を調整する制御回路と、を有する質量流量制御装置であって、
前記制御回路は、圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である環境補正係数により前記流量センサからの流量信号を補正し、流量設定信号（流量制御の目標値）と環境補正係数により補正された流量センサからの流量信号とを比較するディジタル演算回路を有することを特徴とする質量流量制御装置。
実ガスが流入する流入管部と、前記実ガスの温度を検出する温度センサと、前記実ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記実ガスの質量流量を検出する流量センサと、前記実ガスの流量を制御する流量制御弁と、前記各センサの出力に基づいて前記流量制御弁の開度を調整する制御回路と、を有する質量流量制御装置であって、
前記制御回路は、圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である環境補正係数により流量設定信号（流量制御の目標値）を補正するディジタル演算回路と、前記流量センサからの流量信号と前記ディジタル演算回路で補正された流量設定信号を比較する比較部と、を有することを特徴とする質量流量制御装置。
前記制御回路はＰＩＤ制御を行う制御部を有するとともに、前記流量センサと前記比較部との間に、制御定数抵抗切換部が接続されていることを特徴とする請求項３に記載の質量流量制御装置。
前記温度センサ及び前記圧力センサは、前記流入管部に設置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の質量流量制御装置。
実ガスの質量流量を所望の設定値に制御する実ガスの質量流量制御方法であって、
所望の実ガスの質量流量に対応する流量設定信号および流量センサからの流量信号を読み込むステップと、
実ガスの圧力に対応する圧力信号および温度に対応する温度信号を読み込むステップと、
圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である複数の環境補正係数が格納された記憶部から、前記圧力信号および前記温度信号に基づいてそれに対応する環境補正係数を算出するステップと、
前記環境補正係数に基づいて前記流量設定信号を補正し補正設定値を演算するステップと、
前記補正設定値を前記流量センサに実ガスを流した場合の出力特性に基づいて補正し最終補正設定値を演算するステップと、
前記最終補正設定値と流量センサから出力される流量信号とを比較してその差を駆動信号として駆動回路に出力するステップと、
前記駆動信号に基づいてバルブ駆動電圧が出力され流量制御弁を駆動するステップと、
を有することを特徴とする実ガスの質量流量制御方法。
実ガスの質量流量を所望の設定値に制御する実ガスの質量流量制御方法であって、
所望の実ガスの質量流量に対応する流量設定信号および流量センサからの流量信号を読み込むステップと、
実ガスの圧力に対応する圧力信号および温度に対応する温度信号を読み込むステップと、
圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である複数の環境補正係数が格納された記憶部から、前記圧力信号および前記温度信号に基づいてそれに対応する環境補正係数を算出するステップと、
前記流量信号を前記流量センサに実ガスを流した場合の出力特性に基づいて補正し補正流量信号を演算するステップと、
前記環境補正係数に基づいて前記補正流量信号を補正し最終補正流量信号を演算するステップと、
前記最終補正流量信号と前記流量設定信号とを比較してその差を駆動信号として出力するステップと、
前記駆動信号に基づいてバルブ駆動電圧が出力され流量制御弁を駆動するステップと、
を有することを特徴とする実ガスの質量流量制御方法。
実ガスの質量流量を所望の設定値に制御する実ガスの質量流量制御方法であって、
所望の実ガスの質量流量に対応する流量設定信号および流量センサからの流量信号を読み込むステップと、
実ガスの圧力に対応する圧力信号および温度に対応する温度信号を読み込むステップと、
圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である複数の環境補正係数が格納された記憶部から、前記圧力信号および前記温度信号に基づいてそれに対応する環境補正係数を算出するステップと、
前記環境補正係数に基づいて前記流量設定信号を補正し補正設定値を演算するステップと、
前記補正設定値を前記流量センサに実ガスを流した場合の出力特性に基づいて補正し最終補正設定値を演算するステップと、
前記最終補正設定値はアナログ値に変換され比較部において流量センサから出力された流量信号と比較され、その差を駆動信号として出力するステップと、
前記駆動信号に基づいてバルブ駆動電圧が出力され流量制御弁を駆動するステップと、
を有することを特徴とする実ガスの質量流量制御方法。
実ガスの質量流量を所望の設定値に制御する実ガスの質量流量制御方法であって、
所望の実ガスの質量流量に対応する流量設定信号および流量センサからの流量信号を読み込むステップと、
実ガスの圧力に対応する圧力信号および温度に対応する温度信号を読み込むステップと、
圧力と温度に依存し、校正ガスの流量に対する実ガスの流量の比率である複数の環境補正係数が格納された記憶部から、前記圧力信号および前記温度信号に基づいてそれに対応する環境補正係数を算出するステップと、
前記環境補正係数に基づいて前記設定信号を補正し補正設定値を演算するステップと、
前記補正設定値を前記流量センサに実ガスを流した場合の出力特性に基づいて補正し最終補正設定値を演算するステップと、
前記補正設定値に基づいて制御定数抵抗切り替え信号が出力され制御定数抵抗を切換えるステップと、
前記補正設定値がアナログ値に変換され比較部において流量センサから出力された流量信号と比較され、その差を駆動信号として出力するステップと、
前記駆動信号に基づいてバルブ駆動電圧が出力され流量制御弁を駆動するステップと、
を有することを特徴とする実ガスの質量流量制御方法。