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TW202301058A - 用於基於壓力的質量流量比率控制的方法及設備 - Google Patents

用於基於壓力的質量流量比率控制的方法及設備 Download PDF

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TW202301058A
TW202301058A TW111120631A TW111120631A TW202301058A TW 202301058 A TW202301058 A TW 202301058A TW 111120631 A TW111120631 A TW 111120631A TW 111120631 A TW111120631 A TW 111120631A TW 202301058 A TW202301058 A TW 202301058A
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pressure drop
drop element
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TW111120631A
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君華 丁
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美商Ｍｋｓ儀器股份有限公司
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Abstract

一種用於將單個質量流分成與總流成期望比率的次級流的系統及方法。每條次級流動管線均包括壓降元件、絕對壓力感測器和壓差感測器。流量與壓力之間的非線性關係可以被變換成絕對壓力和壓力差的與流量具有線性關係的函數。

Description

用於基於壓力的質量流量比率控制的方法及設備
本案關於一種用於基於壓力的質量流量比率控制的方法及設備。
半導體裝置的製造通常需要將多達十幾種氣體仔細地同步和精確測量地輸送至處理工具，例如真空腔室。在製造過程中使用各種方案，並且可能需要許多分開的處理步驟，在該等處理步驟中半導體裝置被清潔、拋光、氧化、掩膜、蝕刻、摻雜、金屬化等等。所使用的步驟、它們的特定順序、以及所關於的材料都有助於製作特定的裝置。
因此，晶片製造設施通常被組織成包括進行化學氣相沈積、電漿沈積、電漿蝕刻、濺射和其他類似的氣體製造過程的領域。處理工具(例如化學氣相沈積反應器、真空濺射機、電漿蝕刻器、或電漿增強的化學氣相沈積)必須被供應以各種製程氣體。純氣體必須以無污染物的、精確計量的量供應至工具。
在典型的晶片製造設施中，氣體被儲存在儲罐中，該等儲罐經由管路或管道連接至氣體箱。氣體箱將無污染物的、精確計量的量的純惰性氣體或反應性氣體從製造設施的儲罐輸送至製程工具。氣體箱或氣體計量系統包括多個氣體路徑，該等氣體路徑具有比如閥、壓力調節器和轉換器等氣體計量單元、質量流量控制器、以及過濾器/淨化器。每條氣體路徑都具有其自己的用於連接到單獨的氣體源的入口，但是所有的氣體路徑都匯合於用於連接到製程工具的單個出口。
可能期望將組合的製程氣體劃分到多個製程腔室或其他目的地。在這種情況下，氣體箱的單個出口藉由次級流動路徑(管線或通道)連接至多個位置。流量比率控制器(FRC)用於測量並且控制次級流動管線中的次級流量的相對比率，並且確保流體以具有已知精確值的次級流量精確地輸送到製程腔室。
由於線性的感測器響應和低壓降特性，熱式流量感測器多年來已用於質量流量比率控制(FRC)。然而，熱式流量感測器容易產生零點漂移。此外，在某些應用中，化學反應可能改變感測器的熱式感測器毛細管表面並且導致感測器漂移。
在美國專利10,698,426中已經展示了基於壓力的流量比率控制(PBFRC)。在這個系統中，熱式流量感測器被基於壓力的感測器取代，該等基於壓力的感測器基於在流量限制器上游和下游感測到的壓力來確定流量。為了減少壓力感測器的數量，在FRC的入口處共用一個共用壓力感測器，並且根據這個共用的感測到的壓力藉由遞迴計算來計算鄰近每個流量限制器且就在其上游的壓力。根據上游壓力和感測到的下游壓力來計算流率(flow rate)。
基於壓力的流量感測器克服了由熱式流量感測器產生的問題，但它們有其自己的問題。壓力感測器信號與流率之間的關係可能是高度非線性的，並且因此當用在流量比率控制應用中時需要知道氣體性質。為了克服這一困難，每個流量感測器中的壓降元件(流量限制器)可以被配置成在每條管線的次級流率與上游壓力和下游壓力的函數之間產生線性響應。為此，可以選擇層流元件。
FRC應用獨有的另一困難在於，壓降元件上的壓差可能是非常低的，並且它可能在絕對壓力感測器的誤差帶、即壓力讀數的1%內。低壓差可能因層流壓降元件而惡化。為了克服這一問題，每條流動管線中的壓力感測器之一被壓差感測元件取代，該壓差感測元件與壓降元件上游和下游的壓力連通。壓差感測器針對小的壓差測量值提供了比絕對壓力感測器更高的準確度，並且該準確度與絕對壓力無關。與由兩個絕對壓力感測器獲得的壓差相比，單個壓差測量值不太可能落入誤差範圍內。與單個絕對壓力感測器相結合，壓差感測器提供了更準確的流量測量值，特別是在低壓降條件下。
一種用於將質量流分成次級流的系統包括入口和次級流動管線，該入口被配置成接收入口流，該等次級流動管線連接至該入口。每條次級流動管線包括被配置成以次級流率運載次級流的流動路徑、流動路徑中的壓降元件、以及被配置成基於控制信號控制次級流率的閥。每條次級流動管線中的流率由壓力感測器和壓差感測元件感測，該壓力感測器被配置成提供表示壓降元件處的壓力的壓力信號，該壓差感測元件與該壓降元件上游和下游的壓力連通、被配置成提供表示該壓降元件上的壓差的壓差信號。控制器被配置成基於該壓力信號和該壓差信號計算每條次級流動管線的次級流率、並且進一步被配置成為每個閥產生該控制信號，以獲得次級流率與總流率的期望比率。
每個壓差元件可以包括隔膜，該隔膜的一面暴露於壓降元件上游的壓力並且相反的面暴露於壓降元件下游的壓力。
在一種配置中，在每個次級流動管線中，壓力感測器在壓降元件的上游，並且閥在壓降元件的下游。每條流動管線的在上游的壓力感測器可以是由所有次級流動管線共用的共用壓力感測器。
在其他配置中，閥被定位在壓降元件的上游。壓力感測器可以被定位在閥與壓降元件之間或在壓降元件的下游。
壓降元件可以被配置成在次級流率與壓降元件處的壓力和壓降元件上的壓差的函數之間產生線性響應。為此，壓降元件可以是層流元件。
可以在每條流動管線中設置被配置成測量每條次級流動管線中的流體的溫度的溫度感測器，或者可以設置共用溫度感測器。
控制器可以被配置成根據以下關係來計算和控制每個次級流率的比率：
Figure 02_image001
在將質量流分成次級流的方法中，控制器基於壓力信號和壓差信號確定每條流動管線的次級流率，並且控制器為每個閥產生控制信號並且將該控制信號施加到該閥，以獲得次級流率與總流率的期望比率。
示例性實施方式的描述如下。
所揭露的裝置、系統和方法之一種用途係用於氣體計量系統，該等氣體計量系統用於將無污染物的、精確計量的量的製程氣體和淨化氣體輸送到半導體處理工具、腔室、和/或其他系統、設備和裝置。本發明揭露的裝置、系統和方法提供了在不干擾任何上游質量流量控制器性能的情況下進行操作的益處。本發明揭露的裝置、系統和方法提供了允許使用壓力感測器來將單個質量流分成期望比率的次級流的益處。該等裝置、系統和方法提供了將氣體或液體的單個流分成期望比率的、具有已知的、精確的相對值的多個次級流，而不需要相對高的上游壓力或不需要知道氣體或包括該等流的氣體的益處。
圖1係依賴於熱式流量感測器的先前技術的流量比率控制器100之示意圖。為了對比所示，該流量比率控制器從一組質量流量控制器101接收單個質量流103。該組質量流量控制器101控制進入到流量比率控制器100的入口管線或歧管104中的流體流102。該等流體可以是混合物，包括從現有的氣體儲存裝置(例如氣體儲罐)中抽取的製程氣體和淨化氣體二者。儘管未示出，但流體102可以藉由附加的部件(例如過濾器、淨化器、以及壓力轉換器和控制器)來被監測或控制。質量流102形成由入口104接收的入口流103。在其他實施方式中，入口流包括從單個質量流量控制器、氣體儲存容器或其他源接收到的單種流體102。入口流在入口104中以流率Q t行進。氣體102和質量流量控制器101的量可以是可變的。氣體102可以來源於任何可能的源或氣體儲存裝置。即使各種氣體102的性質係已知的，但混合物103的性質和入口流率Q t可能由於不同的處理方案而是未知的。
入口104連接至次級流動管線105a、105b、…、105N。入口流被分成次級流。該等次級流在次級流動管線105的流動路徑內以次級流率Q 1、Q 2、…、Q N行進。流量比率控制器可以根據其運行所在的系統的需要而具有任何數量的次級流動管線和次級流。次級流動管線105內的次級流率Q 1、Q 2、…、Q N的總和必須等於入口流率Q，如在以下等式中表達的：
Figure 02_image003
。 每個次級流率Q 1、Q 2、…、Q N與入口流率Q t之間的比率可以由以下等式定義：
Figure 02_image005
其中
Figure 02_image007
係次級流動管線 i的流量比率。一旦可以確定次級流率Q 1、Q 2、…、Q N與入口流率Q t之間的比率，則它們就可以受到準確的控制。基於每條次級流動管線105上的流量感測器106提供的信號來確定次級流量比率，該等流量感測器提供指示測量到的次級流量的信號。
次級流量可以由位於每條次級流動管線105上的閥107來控制。控制器被程式設計為接收由流量感測器106提供的信號、確定當前的次級流量比率並且將控制信號發送到閥107中的至少一個閥，從而致使該等閥改變次級流動管線105中的次級流量，以獲得期望的次級流量比率。控制器可以被程式設計為從主機控制器或藉由使用者介面接收期望的次級流率比率，即，質量流量比率設定點( r spi ， i = 1 、 2…N)。
控制器被程式設計為接收指示由流量感測器106提供的測量到的次級流量的信號，並且計算次級流動管線中次級流的流量比率。控制器還被程式設計為基於計算出的次級流量比率與期望的次級流量比率之間的差使用反饋控制演算法(例如PID或其他反饋控制演算法)來計算控制信號。控制器還被程式設計為將計算出的控制信號發送到閥107中的至少一個閥。控制信號指示至少一個閥107調節至少一個次級流量。控制器藉由將控制信號發送到閥107中的至少一個閥來調節通過次級流動管線105中的至少一個次級流動管線的次級流量，直到實際的次級流量比率等於期望的次級流量比率。
如果先前不知道關於由入口104接收到的流體或流體混合物(包括入口質量流)的知識，那麼為了計算流量比率，流量感測器106的信號與它們監測的次級流量之間的關係需要是線性的。線性函數f(x)具有以下性質：
Figure 02_image009
和
Figure 02_image011
，其中 k係常數。該等性質對用於在不知道流體103的性質的情況下分離(isolate)和計算次級流量比率的數學計算係必要的。
如果
Figure 02_image013
，其中Q 1係次級流動管線105a中的次級流的流率且f1(x1)係由流量感測器106a提供的信號x1的線性函數，並且如果
Figure 02_image015
，其中Q 2係次級流動管線105b中的次級流的流率且f2(x2)係流量感測器106b的信號x2的不同的線性函數，則兩個次級流率Q 1與Q 2之間的比率r可以按如下等式表達：
Figure 02_image017
因為函數f1(x1)和f2(x2)的線性性質，因此上述等式可以如下變換：
Figure 02_image019
其中x0係常數，因此
Figure 02_image021
=
Figure 02_image023
係常數。 y1 = x1/x0和 y2 = x2/x0係變換後的感測器信號。函數
Figure 02_image025
和
Figure 02_image027
都包括基於流體性質的相同變數。因為函數
Figure 02_image025
除以函數
Figure 02_image027
產生
Figure 02_image021
，因此基於函數
Figure 02_image025
和
Figure 02_image027
中發現的未知流體性質的變數被抵消、並且不再需要用來計算流量比率 r 。因此，流量比率
Figure 02_image029
等同於變換後的感測器信號的比率
Figure 02_image031
。這種關係允許基於由流量感測器106提供的信號來確定次級流率的比率。即使先前沒有關於入口104內的氣體或流體103和/或入口流率Q t的任何資訊，也可以確定次級流率的比率。
在流量比率控制器中，例如在圖1中所描繪的流量比率控制器中，用於確定次級流率的比率的變換的數學限制需要使用流量感測器106，其中在流量感測器106的信號與它們在次級流動管線105中測量到的流量之間具有線性響應。典型地在流量比率控制器中使用的熱式流量傳感器具有這樣的線性響應。
熱式流量傳感器具有與測量到的流率有線性函數關係的感測器輸出。另外，熱式流量傳感器具有低壓降，該低壓降有益於需要流量比率控制的某些情況。然而，使用熱式流量感測器存在缺點。具體地，熱式流量感測器的測量值具有長期漂移，這給使用熱式流量感測器的流量比率控制器引入了不準確性。而且，如果與某些反應性氣體種類(例如HBr和Cl2)組合使用，則熱式流量感測器的高溫度可能導致不期望的化學反應。這種反應可能進一步降低熱式感測器的準確性。
基於壓力的質量流量測量技術和感測器提供了一種針對基於熱學的質量流量感測器的替代性方案。典型的基於壓力的流量感測器在流量限制器的上游和下游具有絕對壓力感測器。使用壓力感測器的流量比率控制器就零點漂移、耐腐蝕性和高溫能力方面可以具有比現有的基於熱學的流量比率控制器更好的性能。然而，基於壓力的質量流量測量通常在壓力感測器輸出與流率之間具有高度非線性的關係。這種關係可能是極其複雜的並且包括流體性質作為重要的變數。例如，在未阻流條件下噴嘴的流率(Q)藉由以下等式來確定：
Figure 02_image033
其中C’係排放係數，A係噴嘴的喉部面積，Pu係噴嘴上游的壓力，Pd係噴嘴下游的壓力，R係通用氣體常數，T係流體溫度，M係流體分子量，並且
Figure 02_image035
係氣體的比熱的比率。因為該等以及其他高度非線性的關係，因此為了使用來自壓力感測器的測量值直接確定流量比率，通常需要流體性質。然而，如果在運載流的每條管線中放置壓降元件(例如層流元件)，則在元件上游的壓力、元件下游的壓力、以及流量之間產生了新的關係。
在質量流量比率控制應用中，流量比率控制器可以不知道入口流的氣體性質。該等性質包括但不限於氣體比熱、氣體分子量和氣體黏度，該等性質對於確定每條次級流動通道中的絕對次級流率係必須的。入口質量流也可以由至少兩種組分的未知混合物組成。
次級流率一般可以藉由以下等式來確定： Q = f(
Figure 02_image037
, d, L, mw , r, µ , T, Pu, Pd) 其中 Q係次級流率，並且 f()係壓降元件的尺寸(
Figure 02_image037
、 d、 L)、流體性質( mw 、 r 、 µ)、流體溫度( T)、上游壓力( Pu)和下游壓力( Pd)的函數。對於層流元件，函數 f()可以具有以下形式： Q = f(
Figure 02_image037
, d, L, mw , r, µ , T, Pu, Pd) = k(
Figure 02_image037
, d, L, mw , r, µ, T) *(Pu 2- Pd 2) 其中 k()係不含壓力(即 Pu和 Pd)的函數。換句話說，上游壓力和下游壓力對流率 Q的影響可以與其他因數分開。
圖2係展示了上游壓力、下游壓力、以及氣體N2在具有層流元件的通道中的流量之間的關係301的三維圖200。圖200顯示了元件上游的壓力Pu、元件下游的壓力Pd、以及通道內的流率Q之間的關係301並且包括特定的資料點302。Q、Pu和Pd之間的關係301仍然是高度非線性的：
Figure 02_image040
其中 k(
Figure 02_image037
, d, L, mw , r, µ, T)係根據層流元件的幾何尺寸
Figure 02_image042
、流體性質( mw 、 r 、 µ)和氣體溫度 T的函數。對於函數 k(
Figure 02_image037
, d, L, mw , r, µ, T),∈係層流元件的孔隙率(如果層流元件係多孔介質的話)， d係環形旁通或束管層流元件的內直徑，並且 L係層流元件的長度。然而， k()的所有該等變數都可以在流量比率控制器的次級流動管線上保持恒定；因此，假設氣體溫度不變，則 k()可以被當作數學常數。如果 k()係常數，那麼具有層流元件的通道中的流率線性相關於元件上游的壓力的平方與元件下游的壓力的平方之間的差。使用以下示例性向量變換順序，可以從兩個壓力Pu和Pd匯出向量變數，該向量變數與流量Q線性相關。這兩個向量可以如下定義： (1) 經修改的壓力向量
Figure 02_image044
Figure 02_image046
Figure 02_image048
經修改的壓力向量係由上游壓力和下游壓力的標量變數組成的列向量，其中
Figure 02_image050
係向量轉置運算子，以及 (2) 變換向量
Figure 02_image052
Figure 02_image054
變換向量係標量常數函數
Figure 02_image056
的行向量。可以使用以上兩個向量將Q、Pu和Pd之間的關係改寫為
Figure 02_image058
Figure 02_image060
[ k(
Figure 02_image037
,d,L,mw,r,µ,T)
Figure 02_image062
Figure 02_image064
其中
Figure 02_image066
係用於矩陣/向量的點積運算子。經改寫的流率 Q與經修改的壓力向量
Figure 02_image044
具有線性關係，經修改的壓力向量係從每條次級流動通道的上游壓力 Pu和下游壓力 Pd匯出的。換句話說，在基於壓力的流量比率控制器中使用層流元件作為壓降元件提供了流率Q與經修改的壓力向量變數
Figure 02_image044
之間的線性響應。這允許對未知的入口流體進行質量流量比率控制。
上述等式可以如下地擴展：
Figure 02_image068
從這個形式可以看出，在流量給定的情況下，隨著平均壓力
Figure 02_image070
增大，在限制器上的壓降
Figure 02_image072
減小。例如，在一個通道相對於其他通道具有低比率設定點的情況下可能發生這種情況。穿過其他通道的高流量可以引起高入口壓力，並且因此引起所有通道中的高平均壓力；穿過低設定點通道的低流量引起非常小的壓降。
對於使用兩個絕對壓力感測器進行的流量測量，小壓降產生了問題。對於低流量和低壓降的情況，壓降元件上的壓差
Figure 02_image072
可能較小，並且也可能在絕對壓力感測器的誤差帶內，即壓力讀數的1%內。換句話說，兩個絕對壓力感測器可能針對低流量測量無法提供準確的壓差測量
Figure 02_image072
。
流量比率控制器的每個通道中的每個流量限制器上的壓差是否會由絕對壓力感測器 Pu和 Pd足夠準確地測量在很大程度上取決於應用。考慮雙通道流量比率控制器的以下兩種情況：
在第一種情況下，總入口流量 Qt= 200 sccm並且比率設定點係1 : 1。在這種情況下，Q1 = Q2 = 100 sccm。通道1上的壓力狀況可以是( Pu + Pd1)/2 = 10 Torr且 Pu- Pd1= 2 Torr。2 Torr的壓差會超過10 Torr的1%的誤差範圍，因此測量和控制係可接受的。
在第二種情況下，總入口流量 Qt= 1100 sccm並且比率設定點係1 : 10。Q1則被控制到100 sccm，且Q2被控制到1000 sccm。控制Q2的控制閥會保持非常開放，以得到1000 sccm，但高流率會引起大的壓降並且因此引起高的上游壓力Pu。通道1中的閥會被保持成近似關閉，以使來自高的上游壓力的流量最小化。結果是，通道1中的狀況可能是平均壓力為(Pu + Pu1)/2 = 100 Torr且壓差為Pu - Pd1 = 0.2 Torr。0.2 Torr的壓差大幅小於平均壓力和上游壓力感測器的壓力的1%。因此，這兩個絕對壓力感測器可能針對準確流量比率控制無法提供準確的壓差Pu - Pd1。
為了克服低壓差的問題，絕對壓力感測器之一被壓差感測器取代。於是比率計算公式可以如下：
對於兩個絕對壓力感測器，即Pu和Pd：
Figure 02_image074
其中k i係流動通道I的氣體性質和壓降元件的特徵的函數，並且
Figure 02_image076
係總流量，為
Figure 02_image078
。
對於一個絕對壓力感測器和一個壓差感測器，即Pu和DP，用
Figure 02_image080
取代
Figure 02_image082
：
Figure 02_image084
Figure 02_image086
圖3係展示了基於壓力的流量比率控制器300的示例性實施方式之示意圖，其中上游絕對壓力感測器和下游絕對壓力感測器各自都用上游絕對壓力感測器和壓差感測器來取代。圖3中的流量比率控制器300可以是多通道氣體輸送裝置的一部分，並且選擇性地接收單種氣體或多種氣體的混合物，包括例如來自氣體供應器(例如氣體儲罐)的製程氣體和淨化氣體。流量比率控制器300被配置成接收來自壓力感測器306和壓差感測器308的壓力信號，以確定並且精確地控制通過次級流動管線305的次級流量比率。每個差感測器都跨層流元件309連接。這樣的感測器典型地包括在相反的面均暴露於氣體壓力的隔膜，兩個端口連接到該隔膜。流量比率控制器300可以被配置成從溫度感測器311獲得氣體溫度信號。溫度感測器311被配置成提供表示入口流的溫度的氣體溫度信號。在替代性實施方式中，溫度感測器311可以位於每條次級流動管線305上。所提供的(多個)溫度信號可以用於將 k(∈ , d, L, mw , r, µ, T)歸一化並且用在流量比率控制器300的校準過程中。
流量比率控制器300和相關聯的方法提供了將氣體或液體的單個質量流以期望的次級流量比率分成具有已知的、精確的相對值的多個次級流，而不需要相對高的上游壓力並且不需要知道氣體性質。壓力感測器306和壓差感測器308產生分別表示在壓降元件309的上游測量到的壓力和在該壓降元件上測量到的壓力的信號。
入口304連接至次級流動管線305a、305b、…、305N。流體的入口流被分成以流率Q 1、Q 2、…、Q N在次級流動管線305的路徑中行進的次級流。入口304內入口流的入口流率Q t等於次級流動管線305內的次級流率Q 1、Q 2、…、Q N的總和：Q t=
Figure 02_image088
。流量比率控制器可以根據其運行所在的系統的需要而具有任何數量的次級流動管線305。次級流動管線的出口可以連接至同等數量的位置，例如僅一個製程工具中的處理腔室，或者在兩個或更多個製程工具中的位置。每條次級流動管線的出口都可以連接至系統所需的任何裝置或目的地。
每個上游壓力感測器306都產生與壓降元件上游的壓力相對應的信號，並且該信號可以用作每條次級流動管線305的變數 Pui的輸入。每個壓差感測器308都產生與壓降元件上的壓差相對應的信號，並且該信號可以用作每條次級流動管線305的變數 DPi的輸入。因此，次級流動線路305內的次級流率Q 1、Q 2、…、Q N與壓力信號
Figure 02_image090
* Dp i或向量
Figure 02_image092
的函數呈線性相關，為：
Figure 02_image094
* DP i或者
Figure 02_image096
Figure 02_image098
， i = 1 、 2 、 … 、 N
該等線性關係允許使用由壓力感測器306i和308i提供的信號來確定次級流動管線305內的次級流率Q 1、Q 2、…、Q N與入口流率、即
Figure 02_image100
之間的每個比率。即使先前沒有關於流體303、流體303的性質和流體303在入口304內的絕對真實流率Q t的任何資訊，這也是可行的。流體303可以是集中流體成分的混合物，並且流體成分可以是已知的或未知的。
控制器310可以是具有記憶體和處理器的電腦，例如微處理器。替代性地，控制器310可以是任何能夠執行數學過程的類似裝置。控制器310被程式設計為接收由上游壓力感測器306和壓差感測器308提供的信號。控制器310進一步被程式設計為使用來自上游壓力感測器306和壓差感測器308的信號，以匯出針對每條次級流動管線305的經變換的感測器響應向量
Figure 02_image102
、…、
Figure 02_image104
。經變換的感測器響應向量
Figure 02_image106
、…、
Figure 02_image104
各自與它們的次級流動管線中的次級流的流率Q 1、Q 2、…、Q N具有線性關係。控制器310可以被配置成使用經變換的感測器響應向量
Figure 02_image106
、…、
Figure 02_image104
，以確定次級流動管線305的次級流率Q 1、Q 2、…、Q N的比率。每個次級流率比率都可以在每個次級流動管線305a、305b、…、305N的次級流率Q 1、Q 2、…、Q N與入口流率 Q t 之間確定，其中 Q t =
Figure 02_image088
。
每個次級流動管線305都包括閥307，該閥被配置成控制次級流動管線305內的次級流率Q 1、Q 2、…、Q N。閥307可以位於壓力感測器306和308的上游或下游。控制器310可以被配置成將控制信號發送到控制閥307，以便獲得目標或期望的次級流量比率。控制器310可以被配置成基於來自壓力感測器306和308的壓力信號確定當前的次級流率Q 1、Q 2、…、Q N的比率。控制器310隨後可以將控制信號發送到閥307中的至少一個閥，並且響應於控制信號，閥307中的該至少一個閥將改變其次級流動管線305的次級流量。藉由包括將控制信號發送到閥307中的至少一個閥的反饋回路，控制器310調節至少一個次級流動管線305的次級流量，直到次級流率比率等於期望比率。
控制器310可以被配置成接收期望的次級流率比率或流率比率設定點。控制器310可以使用次級流率Q 1、Q 2、…、Q N與來自壓力感測器306和308的信號之間的任何所揭露的數學關係，以確定：當前的次級流率Q 1、Q 2、…、Q N；當前的次級流率比率；目標次級流率比率(即質量流量比率設定點( r spi, i=1 、 2 、 … 、 N))；將產生目標次級流率比率的次級流率Q 1、Q 2、…、Q N；以及發送到閥307中的至少一個閥的、將引起目標的次級流率比率的控制信號。控制器310可以包括反饋控制模組，該反饋控制模組基於計算出的次級流率比率和期望的次級流量比率為次級流動通道中的每個閥計算控制信號並且將該控制信號發送到該閥，以將每條次級流動通道中的流率比率調節到期望的流率比率設定點。控制器310還可以被配置成計算入口流量Q t。
因為流量比率控制器300使用絕對壓力感測器306和壓差感測器308來測量流率並且因此測量流率比率，因此其具有幾個優於現有的熱式質量流量比率控制器的優點。首先，該流量比率控制器提供了利用次級流率與壓力感測器306和308的經變換的信號之間的線性關係來執行基於壓力的質量流量比率控制的能力。其次，基於壓力的流量感測器比先前技術的基於熱學的流量感測器更穩定。基於壓力的流量感測器還比基於熱學的流量感測器更耐腐蝕。此外，基於壓力的流量感測器比基於熱學的流量感測器更加能夠用於高溫應用。
在一個實施方式中，壓降元件309係層流元件。除了層流元件的其他壓降元件309可以用在流量比率控制器300中，只要存在等效於(2 Pu - DP) ∙ DP的函數即可，該函數與次級流率Q具有線性關係。一個示例性替代方案係臨界流量噴嘴/孔口，在該臨界流量噴嘴/孔口中次級流量與噴嘴上游的壓力呈直接線性相關。然而，可能由臨界流量噴嘴引起的高的壓降在流量比率控制器的某些應用中可能是一個關注點。將層流元件用作壓降元件309的一個益處在於，該等壓降元件與臨界流量噴嘴/孔口相比具有低壓降。實際上，即使使用層流元件，也最好保持低壓層流範圍，以實現高解析度。為此，上游壓力和壓降應足夠低，低於臨界流量點，以避免阻流。
利用壓差感測器，通常較佳的是，控制閥被定位在流量限制件和壓力感測器的上游(如圖3)，因為該配置引起較大的壓差DP，以實現較好的解析度。也最好將絕對壓力感測器定位在限制件的上游測量較大的壓力 Pu，而不是定位在限制件的下游測量較低的壓力 Pd(儘管可以測量 Pd來替代 Pu)。
流量控制閥也可以被定位在流動限制件和壓力感測器的下游。在這種情況下，可以借助壓差感測器和上游壓力感測器或下游壓力感測器來進行壓力測量。然而，就感測上游壓力而言，上游壓力感測器可以如美國專利10,698,426中那樣並且如圖4所展示的被共用。在此，每個通道405的控制閥407被定位在限制器409的下游。在限制器上的壓差由壓差感測器408測量。如前所述，共用溫度感測器411可以被所有通道共用，或者單獨的溫度感測器可以被定位在每個通道上。絕對壓力感測器406可能被定位成在每個通道中的流量限制件的上游、鄰近流量限制件。然而，為了降低壓力感測器的數量，單個壓力感測器406可以被所有通道共用，如圖4所示。如在專利10,698,426中那樣，可以藉由遞迴計算來計算緊鄰每個流量限制器並在其上游的實際壓力。
圖5A至圖5C係在本發明的實施方式中可以用作壓降元件的幾個層流元件之圖。可以將幾種不同類型的層流元件用作壓降元件。可能類型的層流元件包括波紋狀層流元件501、束管層流元件502、以及環形層流元件503。其他層流元件包括平行板層流元件和壓縮式層流元件，例如燒結的多孔金屬過濾器或其他多孔介質。層流元件係以優異的一致性精確設計的。層流元件即使在低壓範圍內也保持流量、上游壓力、以及下游壓力之間的關係。每個層流元件都包括週邊殼體500a、500b、500c，該等週邊殼體迫使流行進穿過元件的內部。每個層流元件的內部包括(多個)阻塞部，該等阻塞部在行進穿過元件的流體中引起層流。對於波紋狀層流元件501而言，其內部填充有帶有脊部和凹槽的分層金屬板504。對於束管層流元件502而言，其內部填充有管505，該等管的長度平行於流動方向。對於環形層流元件503而言，其內部包括實心筒體506，該筒體的長度平行於流動方向，從而在週邊殼體500c與中心筒體506之間產生環形間隙507。本發明可以使用層流元件的任何變體和構造(包括但不限於在圖5中所展示的那些)，只要該等層流元件能夠在次級流動管線中引起層流即可。
對於層流元件而言，函數
Figure 02_image108
與通道中的流量具有線性關係。由於這種線性關係，流量比率控制器可以使用與在層流元件的上游測量到的壓力和在層流元件上測量到的壓力相對應的信號，以確定並且控制由未知氣體或氣體混合物組成的未知流體的次級流量比率。在將層流壓降元件用於流量比率控制中時，如圖3所示，強線性關係允許實現精確的流量比率測量和控制。
適合的絕對壓力感測器306係MKS Baratron絕對電容壓力計，其截面在圖6A中示出。感測器囊包含隔膜601和聯接至電子器件604的陶瓷上金屬式電極結構603。隔膜的參考側605(背側)被排空至非常高度的真空、比要測量的壓力低很多。參考側的高度的真空借助內部化學吸氣劑泵607在壓力計的壽命期間得以保持。隔膜601的測量側藉由擋板613上的端口611連接至系統。壓力藉由測量金屬隔膜與鄰近的固定雙電極之間的電容變化來確定。適合的壓差感測器係MKS Baratron電容差壓力計，其截面在圖6B中示出。壓力藉由測量金屬感測隔膜615與鄰近的固定雙電極617之間的電容變化來確定。感測隔膜的一側連接至「低壓端口」P2，而隔膜的另一側連接至擋板619上的「高壓端口」P1。隔膜撓曲並且被感測，作為與兩個壓力的差成比例的電信號。
在一些實施方式中，每條次級流動通道都需要被校準，以便為流量比率控制應用提供流率測量。校準氣體(例如N2)可以用於確定第i個次級流動通道(i = 1、2、…N)中
Figure 02_image110
的係數，以用於流量計算等式：
Figure 02_image112
，或者
Figure 02_image096
Figure 02_image098
， i = 1 、 2 、 … 、 N
在校準過程期間，可以為整個操作範圍收集多個校準點(Pui、DP i、Qi)。此外，溫度感測器可以用來確定入口流和/或次級流的T。校準點可以用於確定
Figure 02_image114
的係數。
替代性流量計算方法涉及在校準期間針對每條次級流動通道以類似於圖3所示的方式構建變數Pui、DPi、Qi的3D圖。流量比率控制器310、410可以將3D圖用作查閱資料表，以基於測量到的第i個流動通道的上游壓力 Pui和壓差DP i來確定流率Qi。如果入口氣體係未知氣體，則流量比率控制器300、400可以將入口氣體當做校準氣體(例如，N2)並且使用校準後的係數
Figure 02_image116
或(Pui, DP i, Qi)的3D圖來計算作為校準氣體的次級流率 Qi並且隨後計算對應的流量比率
Figure 02_image007
。因為每條次級流動管線中的流量 Qi與經修改的壓力向量
Figure 02_image118
具有線性關係，因此對應的流量比率
Figure 02_image007
即使在計算出的流率 Qi係基於校準氣體而不是實際氣體也是準確的。
圖7係展示了使用絕對壓力感測器和壓差感測器將入口流分成期望比率的次級流的方法的示例性實施方式之流程圖700。流程圖700中所示的方法可以使用具有以圖3和圖4所展示的方式配置的壓降元件、閥、壓力感測器、控制器和其他元件的流量比率控制器來執行。第一步驟701係在入口通道處接收入口流。包括入口流的流體、流體性質和入口內的流率可以是未知的。在下一個步驟702中，將入口流分成次級流。次級流被連接至入口的次級流動管線的路徑運載。次級流以次級流率在次級流動管線中行進。對於每條次級流動管線，執行以下步驟703和704。在步驟703中，第一壓力感測器測量在次級流動管線內在壓降元件上游或下游的壓力，並且在步驟704中，壓差感測器測量在次級流動管線內在壓降元件上的壓力。
下一個步驟705由控制器執行。控制器使用測量到的絕對壓力和壓降元件上的壓差來確定流率和次級流率比率。這是可能的，因為利用次級流動管線通道內的層流元件，次級流率與絕對壓力和壓差的函數(具體地，在一個實施方式中為
Figure 02_image120
* DP)呈線性相關。在最後的步驟706中，控制器為位於次級流動管線上的閥中的至少一個閥計算控制信號並且將該控制信號發送到該至少一個閥，以控制次級流動管線中的次級流率中的至少一個次級流率，以獲得特定的或期望的次級流率比率。控制器可以使用反饋控制演算法藉由循環回到步驟703來完成步驟706。控制信號根據所確定的次級流率比率和期望的次級流率比率來控制閥中的至少一個閥。流程圖700中示出的方法可以在流量比率控制器操作期間連續地執行，並且用來實現具有極高準確度的期望的次級流率比率序列。
總體上，控制器處理絕對流量比率Q i/Q t。然而，在僅有兩個次級流的情況下，控制器可以處理相對流量比率Q 1/Q 2或Q 2/Q 1。無論在哪種情況下都獲得次級流率與總流率的期望比率。
雖然已經具體示出和描述了示例性實施方式，但是熟悉該項技術者將理解，可以在不背離由所附請求項涵蓋的實施方式之範圍的情況下在其中做出在形式和細節方面的各種改變。
100:流量比率控制器 101:質量流量控制器 102:流體 103:質量流 104:入口 105:次級流動管線 106:流量感測器 107:閥 300:流量比率控制器 300:三維圖 301:關係 302:資料點 303:流體 304:入口 305:次級流動管線 306:壓力感測器 307:閥 308:壓差感測器 309:壓降元件 310:FRC控制器 311:溫度感測器 405:次級流動管線 406:絕對壓力感測器 407:控制閥 408:壓差感測器 409:限制器 410:PBFRC控制器 411:共用溫度感測器 501:波紋狀層流元件 502:束管層流元件 503:環形層流元件 504:金屬板 505:管 506:筒體 507:環形間隙 601:隔膜 603:陶瓷上金屬式電極結構 604:電子器件 605:參考側 607:內部化學吸氣劑泵 611:端口 613:擋板 615:金屬感測隔膜 617:固定雙電極 619:擋板 700:流程圖 105a:次級流動管線 105b:次級流動管線 105N:次級流動管線 106a:流量感測器 106b:流量感測器 106N:流量感測器 305a:次級流動管線 305b:次級流動管線 305N:次級流動管線 500a:週邊殼體 500b:週邊殼體 500c:週邊殼體 P1:高壓端口 P2:低壓端口 Q1:次級流率 Q2:次級流率 QN:次級流率 Qt:入口流率 x1:信號 x2:信號
根據示例性實施方式的以下更具體的說明，上述內容將是明顯的，如在該等附圖中展示的，其中，在所有不同的視圖中，相同的附圖標記指代相同的部分。該等圖不一定是按比例繪出，而是著重展示實施方式。
[圖1]係展示了先前技術的熱式流量比率控制器之示意圖，該熱式流量比率控制器從一組質量流量控制器接收單個質量流。
[圖2]係展示了上游壓力、下游壓力、以及氣體N2在具有層流元件的通道中的流量之間的關係之三維圖。
[圖3]係基於壓力的流量比率控制器的示例性實施方式之示意圖示。
[圖4]係具有共用的絕對壓力感測器的另一實施方式之示意圖示。
[圖5A至圖5C]係在本發明的示例性實施方式中可以用作壓降元件的幾個層流元件之圖。
[圖6A和圖6B]分別係絕對壓力感測器和壓差感測器之截面視圖。
[圖7]係展示了使用絕對壓力感測器和壓差感測器將單個質量流分成期望比率的次級流的方法的示例性實施方式之流程圖。
300:流量比率控制器
304:入口
305a:次級流動管線
305b:次級流動管線
305N:次級流動管線
306a:壓力感測器
306b:壓力感測器
306N:壓力感測器
307a:閥
307b:閥
307N:閥
308a:壓差感測器
308b:壓差感測器
308N:壓差感測器
309a:壓降元件
309b:壓降元件
309N:壓降元件
310:FRC控制器
311:溫度感測器
Q1:次級流率
Q2:次級流率
QN:次級流率
Qt:入口流率

Claims (22)

  1. 一種用於將質量流分成次級流的系統，包括： 入口，該入口被配置成接收入口流； 次級流動管線，該次級流動管線連接至該入口，每條次級流動管線包括： 流動路徑，該流動路徑被配置成以次級流率運載次級流； 壓降元件，該壓降元件位於該流動路徑中； 閥，該閥被配置成基於控制信號控制該次級流率； 壓力感測器，該壓力感測器被配置成提供表示該壓降元件處的壓力的壓力信號；以及 壓差感測元件，該壓差感測元件與該壓降元件上游和下游的壓力連通並且被配置成提供表示在該壓降元件上的壓差的壓差信號；以及 控制器，該控制器被配置成基於該壓力信號和該壓差信號計算每條次級流動管線的次級流率、並且進一步被配置成為每個閥產生該控制信號，以獲得次級流率與總流率的期望比率。
  2. 如請求項1所述之系統，其中，該壓差元件包括隔膜，該隔膜的一面暴露於該壓降元件上游的壓力並且相反的面暴露於該壓降元件下游的壓力。
  3. 如請求項1所述之系統，其中，在每條次級流動管線中，該壓力感測器在該壓降元件的上游，並且該閥在該壓降元件的下游。
  4. 如請求項3所述之系統，其中，每條流動管線的在上游的壓力感測器係由所有次級流動管線共用的共用壓力感測器。
  5. 如請求項1所述之系統，其中，該閥被定位在該壓降元件的上游。
  6. 如請求項5所述之系統，其中，該壓力感測器被定位在該閥與該壓降元件之間。
  7. 如請求項5所述之系統，其中，該壓力感測器被定位在該壓降元件的下游。
  8. 如請求項1所述之系統，其中，該壓降元件被配置成在該次級流率與該壓降元件處的壓力和該壓降元件上的壓差的函數之間產生線性響應。
  9. 如請求項1所述之系統，其中，該壓降元件係層流元件。
  10. 如請求項1所述之系統，進一步包括：溫度感測器，該溫度感測器被配置成測量每條次級流動管線中的流體的溫度。
  11. 如請求項1所述之系統，其中，該控制器被配置成根據以下關係來計算和控制每個次級流率的比率：
    Figure 03_image001
  12. 一種用於將質量流分成期望比率的次級流的方法，包括： 在入口處接收入口流； 將該入口流分到連接至該入口的次級流動管線中，每條次級流動管線包括： 流動路徑，該流動路徑被配置成以次級流率運載次級流； 壓降元件，該壓降元件位於該流動路徑中； 閥，該閥被配置成基於控制信號控制該次級流率； 壓力感測器，該壓力感測器被配置成提供表示該壓降元件處的壓力的壓力信號；以及 壓差感測元件，該壓差感測元件與該壓降元件上游和下游的壓力連通並且被配置成提供表示在該壓降元件上的壓差的壓差信號；以及 控制器基於該壓力信號和該壓差信號確定每條次級流動管線的次級流率；以及 該控制器為每個閥產生該控制信號並且將該控制信號施加到該閥，以獲得次級流率與總流率的期望比率。
  13. 如請求項12所述之方法，其中，該壓差元件包括隔膜，該隔膜的一面暴露於該壓降元件上游的壓力並且相反的面暴露於該壓降元件下游的壓力。
  14. 如請求項12所述之方法，其中，在每條次級流動管線中，該壓力感測器在該壓降元件的上游，並且該閥在該壓降元件的下游。
  15. 如請求項14所述之方法，其中，每條流動管線的在上游的壓力感測器係由所有次級流動管線共用的共用壓力感測器。
  16. 如請求項12所述之方法，其中，該閥被定位在該壓降元件的上游。
  17. 如請求項16所述之方法，其中，該壓力感測器被定位在該閥與該壓降元件之間。
  18. 如請求項16所述之方法，其中，該壓力感測器被定位在該壓降元件的下游。
  19. 如請求項12所述之方法，其中，該壓降元件被配置成在該次級流率與該壓降元件處的壓力和該壓降元件上的壓差的函數之間產生線性響應。
  20. 如請求項12所述之方法，其中，該壓降元件係層流元件。
  21. 如請求項12所述之方法，進一步包括：測量每條次級流動管線中的流體的溫度。
  22. 如請求項12所述之方法，其中，該控制器根據以下關係計算和控制每個次級流率的比率：
    Figure 03_image003
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