專利名稱：具有多傳感器的流量儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于控制流體流量的儀器。具體而言，本發(fā)明涉及在半導體器件制造中的高純流體的流量的控制。
背景技術：
諸如質(zhì)量流量控制器、壓力傳送器和溫度傳感器之類的儀器被用于諸如微處理器和專用集成電路(ASIC’s)之類的半導器器件的制造中。所述儀器包括傳感器，用于測量和控制在半導體制造過程中使用的各種流體的流量。使流體與多種單獨傳感器連接是麻煩的，增加了在傳感器周圍的流體密封件的數(shù)量，并增加了由于在各種傳感器處的不同處理條件所引起的流體泄漏和/或誤差的可能性。因此需要一種簡化儀器安裝并減少傳感器連接的數(shù)量的方法。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種控制流體流量的儀器和方法。所述儀器包括流動主體，流動主體包括入口、出口和流量限制器，所述流量限制器連接從入口至出口的流體流動。
所述儀器包括第一多傳感器，第一多傳感器具有在入口中的第一檢測表面，用于檢測流體的壓力和溫度。所述儀器還包括第二多傳感器，第二多傳感器具有在出口中的第二檢測表面，用于檢測流體的壓力和溫度。
所述第一和第二多傳感器被連接到儀器中的電路中。所述電路根據(jù)第一和第二多傳感器的輸出產(chǎn)生流體流量輸出。流體流量輸出包括作為入口和出口中的檢測溫度中的至少一個溫度的函數(shù)的溫度修正。
通過閱讀以下的具體描述并參見相關的附圖，本發(fā)明的這些和各種其它特征將更明顯。


圖1示出了流體流量儀器的第一實施例。
圖2示出了多傳感器的實施例。
圖3示出了多傳感器承載板的實施例。
圖4示出了包括閥的流體流量儀器的第二實施例。
具體實施例方式
在以下描述的實施例中，公開了用于控制流體流量的方法和儀器。所述儀器包括入口多傳感器和出口多傳感器，每個傳感器檢測傳送流體流量的流量限制器兩端的壓力和溫度。每個多傳感器包括在共用檢測表面處進行檢測的壓力傳感器和溫度傳感器。所述檢測表面被浸在流動流體中，被檢測的溫度是流動流體的溫度和壓力傳感器的溫度。被檢測的溫度可被用于對壓力傳感器提供溫度修正，并提供用于計算質(zhì)量流量的溫度讀數(shù)。通過使用多傳感器并通過將多種功能放在單個儀器中，管路連接和電氣連接的數(shù)量被減少，以簡化安裝。
在以下示出的實施例中，用于檢測清潔流體(氣體或液體)流量的儀器是精確的，不必依賴于將出口壓力降低至大氣壓(利用打開的出口或來自儀器的排氣的校準)，不要求氣體處于或接近校準條件(與校準條件相同的壓力、溫度或密度)，并且不要求旁路裝置，其中在旁路裝置流量以成比例的分支(leg)被分為主流量和檢測流量。在以下說明的裝置中，可構造一種儀器，其中多傳感器浸潤材料是藍寶石，用于抗腐蝕性和與多種不同的清潔流體的兼容性。在以下說明的裝置中，傳感器不需要諸如硅油或Fluorinert之類的隔離流體，因此，即使在多傳感器被機械損壞的故障狀態(tài)下，也不存在隔離流體污染清潔處理流體的危險。
圖1示出了流體流量儀器100的第一實施例，其可被用于測量或檢測流體流102。儀器100包括流動主體104，流動主體104包括入口106、出口108和流量限制器110，流量限制器110連接從入口106至出口108的流體流102。流量限制器110優(yōu)選是具有多個孔的多孔材料制成的圓柱形塊。入口106和出口108優(yōu)選包括螺紋接頭112、114，例如Swagelok(VCO)接頭，以便于連接到流體管。儀器100可被用于制造廠以傳送在制造半導體器件中使用的非常小量的清潔流體的精確測量的流量。
儀器100包括第一多傳感器120，第一多傳感器120具有在入口106中的第一檢測表面122。第一檢測表面122檢測入口106中的流體流102的壓力P1和溫度T1。儀器100包括第二多傳感器124，第二多傳感器124具有在出口108中的第二檢測表面126。第二檢測表面126檢測出口108中的壓力P2和溫度T2。
流量限制器110在入口106和出口108之間在流體流102中產(chǎn)生壓降，也稱作壓差(P1-P2)。
第一和第二多傳感器120、124連接到儀器100中的電路130。電路130優(yōu)選根據(jù)在入口106中檢測的壓力P1和在出口108中檢測的壓力P2之間的差(P1-P2)在線路155上產(chǎn)生流體流量輸出。在線路155上的流體流量輸出優(yōu)選包括作為在入口106和出口108分別檢測的溫度T1、T2中的至少一個溫度的函數(shù)的溫度修正，流體流量輸出優(yōu)選代表質(zhì)量流量。在一個優(yōu)選的布置中，電路130可編程以為每種應用提供希望的函數(shù)。函數(shù)(functional)算法可通過在線路155上收到的命令或通過從線路155下載應用程序到電路130并將應用程序儲存在電路130中的永久性存儲器中來進行選擇(從存儲在電路130中的程序(routine))。
入口106通過多傳感器承載板132被密封并與電路130隔離開。第一孔134穿過多傳感器承載板132。第一多傳感器120具有填充第一孔134的中心頸部136和入口106外側(cè)的輸出引線部分138。中心頸部136優(yōu)選被密封到第一孔134。這種布置提供了流體隔離，從而流動流體102不會與連接到引線部分138和電路130的多個引線140接觸和腐蝕多個引線140。
出口108通過多傳感器承載板132被密封并與電路130分離。第二孔144穿過多傳感器承載板132。第二多傳感器124具有填充第二孔144的中心預部146和位于出口108外側(cè)的輸出引線部分148。中心頸部146優(yōu)選被密封到第二孔144。這種密封布置提供流體隔離，從而流動流體102不會與連接到引線部分148和電路130的多個引線150接觸并腐蝕該多個引線150。
在另一個優(yōu)選的布置中，第一和第二多傳感器120、124具有從各個第一和第二檢測表面延伸到各個第一和第二電連接端部138、140的各個第一和第二中心傳感器軸136、146。多傳感器承載板132具有第一和第二通孔134、144，第一和第二通孔134、144被密封到各個第一和第二中心傳感器軸136、146上，并在流體和第一和第二電連接端部之間提供流體隔離。
如圖1可看出，多傳感器120、124僅用在136、146處的兩個傳感器密封提供四種流體性能的測量，即壓力P1、P2和溫度T1、T2。儀器100僅使用一個入口連接件112和一個出口連接件114以測量這四種流體性能。多傳感器120、124的使用允許在儀器100中的用于流動主體104的非常緊湊的“覆蓋區(qū)域”。在一個優(yōu)選的布置中，流動主體104具有不超過大約106mm的入口接頭之間的鋪設長度“A”，并具有不超過大約38mm的橫切鋪設長度的寬度。流量儀器(不包括螺紋接頭)的總的“覆蓋區(qū)域”優(yōu)選大約為38×106mm。
在一個優(yōu)選的布置中，電路130也在線路155上產(chǎn)生絕對壓力輸出AP1、AP2，作為分別在入口和出口檢測的壓力P1、P2的函數(shù)。在另一優(yōu)選的布置中，電路130也在線路155上產(chǎn)生溫度輸出T，作為溫度T1、T2之一或兩者的函數(shù)。溫度輸出根據(jù)應用的需要可以是T1、T2、T1和T2的平均值、T1和T2的差值或比值T1/T2。電路130優(yōu)選包括計算電路152，計算電路152計算輸出FLOW、T、AP1、AP2并提供輸出給調(diào)制解調(diào)器154，調(diào)制解調(diào)器154在標準工業(yè)通信協(xié)議，如HART、PROFIBUS、FOUNDATION FIELDBUS，CONTROLLER AREA NETWORK(CAN)或其它標準串行通信協(xié)議中的單一串行總線路155上提供所有的輸出。在一個優(yōu)選的布置中，串行總線路155優(yōu)選包括二線，4-20mA工業(yè)標準回路，其為流量儀器提供所有的電激勵或功率，并具有疊加在4-20mA回路電流上的雙向HART串行通信信號。在進一步優(yōu)選的布置中，電路130被布置以具有相對二線4-20mA回路的內(nèi)在的安全界面，電路130及其與多傳感器120、124的連接被容納在防爆室中。在一些應用中，也可提供多模擬輸出。
在另一優(yōu)選的布置中，限制器110可被設定尺寸，使得通過限制器110的流體流102處于層流的范圍內(nèi)。這種使用層流范圍的布置在壓降(P1-P2)和流體流102的質(zhì)量流量之間提供線性關系。從而避免了校準和使用流量儀器的困難，所述流量儀器在壓降和流量之間提供平方根關系。流量限制器110優(yōu)選包括諸如硅或金屬之類的多孔材料的塊。流量限制器的特定材料被選擇以與流體兼容和具有多孔性。
根據(jù)流體是液體或氣體以及應用的管路和電氣界面需要，可構造儀器100的各種構造。在一個優(yōu)選的布置中，在多孔材料塊110中的流體的速度被選擇為在這樣的速度范圍內(nèi)，使得在線路155上的流體流量輸出是入口壓力的函數(shù)，并且基本獨立于出口壓力。在另一個優(yōu)選的布置中，儀器100在線路155上具有的質(zhì)量流量輸出基本上是入口壓力的線性函數(shù)。在另外一個優(yōu)選的布置中，多孔材料塊110中的流體流動是層流。在線路155上的流體流量輸出可以是入口壓力P1和出口壓力P2之間的差的函數(shù)。
在一個優(yōu)選的實施例中，電路155可被編程以在線路155上提供選自壓力、溫度和流體流動變量組中的單個或多個輸出。
多傳感器120、124可被制造，例如Frick等的美國專利6,089,097的圖7-10所示，該專利的內(nèi)容在此通過引用被全文并入。多傳感器的另一例子在以下參照圖2被說明。
圖2示出了多傳感器170的實施例的分解圖。多傳感器170包括第一層172和第二層174，第一層172和第二層174由耐腐蝕性、電絕緣材料如合成單晶鋁(藍寶石)或石英等構成。在圖2的分解視圖中，第一層172和第二層174的內(nèi)表面被示出。第一和第二層172的背(外)側(cè)在圖2中看不到，位于組裝的多傳感器170的外部，優(yōu)選是扁平的、沒有特征的。
多傳感器170具有細長的形狀，從檢測區(qū)域176通過頸部區(qū)域178延伸到引線端區(qū)域180。頸部區(qū)域178也被稱作中心傳感器軸178，優(yōu)選外部被涂鍍金屬(如同3所示)，以便被焊接到多傳感器承載板132上，這在下面參照圖3更詳細地說明。檢測區(qū)域176中的扁平的背表面(圖2中未示出)包括與溫度傳感器182和電容式壓力傳感器相對的檢測表面，所述電容式壓力傳感器包括金屬電容器極板(也稱作電極)184、186。臺面或凸起部190(在圖2中圖示為點狀外觀)圍繞電容器極板186和溫度傳感器182。電容器極板186和溫度傳感器182處于由臺面190包圍的淺腔192中。在兩個層172和174結合在一起時臺面190和淺腔192的布置在電容器極板184和186之間提供間距。
溫度傳感器182通過引線194、196電連接至引線端區(qū)域180中的引線焊盤198、200。引線194、196穿過頸部區(qū)域178。
電容器極板184通過引線202電連接至第一層間觸點204。當兩層172、174被結合在一起時，層172上的第一層間觸點204與層174上的第二層間觸點206電接觸。第二層間觸點206通過引線208被連接至引線焊盤210。電容器極板186通過引線212被電連接至引線焊盤214。引線202、212穿過頸部區(qū)域178。
兩層172、174優(yōu)選通過臺面190的拋光的藍寶石表面和層172之間的直接結合而被結合在一起。直接結合是優(yōu)選的，因為不需要結合材料以將層172、174結合在一起，檢測區(qū)域176中的傳感器170的整個外表面由藍寶石形成，所述藍寶石對半導體制造中使用的許多流體具有耐腐蝕性。暴露的藍寶石檢測表面可以與流體直接接觸，不需要增加隔離流體和隔離膜。在兩層172和174被結合在一起后，玻璃料可沿著邊緣216被涂敷，以在腔192中密封真空，從而多傳感器檢測絕對壓力AP。
在操作中，多傳感器170包括電容器極板184、186，電容器極板184、186互相間隔開以形成壓力檢測電容。圍繞檢測區(qū)域176的壓力偏轉(zhuǎn)檢測區(qū)域中的層172、174，以便有效地改變電容器極板184、186之間的間距，并改變作為檢測壓力的函數(shù)的電容。檢測區(qū)域176被浸在流體中，溫度傳感器182檢測流流體和壓力傳感器兩者的溫度。在優(yōu)選的布置中，溫度傳感器182檢測多傳感器170的溫度和周圍流體的溫度，并被電路130使用以對電容式壓力傳感器的輸出進行溫度修正，并同時修正用于溫度的質(zhì)量流量計算。
多傳感器170的外部檢測表面是藍寶石，并直接接觸流體。層172、174形成藍寶石多傳感器殼，電容式壓力傳感器和溫度傳感器形成在藍寶石多傳感器殼內(nèi)。溫度傳感器182和電容式壓力傳感器在殼內(nèi)并被保護以免接觸流體。藍寶石多傳感器殼使壓力傳感器和溫度傳感器與流體隔離在優(yōu)選的布置中，多傳感器170被設定尺寸，以具有100磅/平方英尺(psi)的范圍上限，以提供強度和精度的良好組合，用于典型的半導體處理設備中的清潔流量范圍。
圖3示出了在多傳感器承載板253內(nèi)多傳感器250的優(yōu)選的安裝。多傳感器250包括涂鍍金屬的頸部區(qū)域254，頸部區(qū)域254是可焊接的表面，優(yōu)選電積鎳。應力釋放板256優(yōu)選由電鑄金屬片構成，并通過圓形焊接接頭258被焊接到頸部區(qū)域254。電鑄金屬片應力釋放板256通過圓形焊接接頭260被焊接到多傳感器承載板252上。這種布置提供流體密封，從而處于壓力P下的加壓流體262可到達檢測表面264，同時引線266與多傳感器承載板252后面的流體262流體隔離。
圖4示出了包括閥302的流體流量儀器300的第二實施例。流體流量儀器300在許多方面類似于圖1所示的儀器100，然而，儀器300包括電驅(qū)動閥302和修改的電路304，該電路304控制閥302以調(diào)節(jié)作為流量輸出FLOW的函數(shù)的流量。電路304提供閉合的控制回路，該控制回路完全在儀器300中。圖4中使用的與圖1中的附圖標記相同的附圖標記表示相同的或可比的特征。
電路304接收由用戶選擇的流體流動設定點308。設定點308可以是手動調(diào)節(jié)或從控制系統(tǒng)接收的表示具體應用的期望流體流量的電輸入。電路304包括總和點310，其將流量設定點308與檢測的流量312相比較，并在314提供差值信號(也被稱作誤差信號)。計算電路152控制作為差值信號314的函數(shù)的閥302的打開，以調(diào)節(jié)在閥出口316處的流體102的流量。
閥302被連接到流動主體以從出口108接收流體。電路304用作控制電路，控制電路將電信號連接到閥302并控制作為流量輸出和流量設定點308的函數(shù)的流量。用于控制閥302的打開的算法可以是比例、積分和微分控制作用的任意組合，通常被稱作P、PI、PD、PID控制。
如圖4所示的布置僅在入口106和閥出口316處具有兩個連接至用戶管路的螺紋連接。在圖4所示的布置優(yōu)選在單一的緊湊的封裝中提供流體流量檢測、線壓力和出口壓力檢測、流體溫度檢測和流動的閥控制。
在優(yōu)選的布置中，設定點308(其是輸入)和輸出T、AP1、AP2、FLOW都在諸如HART、PROFIBUS、FOUNDATION FIELDBUS，CONTROLLERAREA NETWORK(CAN)等的標準工業(yè)通信協(xié)議或其它標準串行通信協(xié)議的單一串行總線上。在一個優(yōu)選的布置中，串行總線優(yōu)選包括二線、4-20mA回路，該回路為流體流量儀器提供所有的電激勵或功率，并具有疊加在4-20mA回路電流上的雙向HART串行通信信號。在另外的優(yōu)選布置中，電路304被設置為具有相對于二線4-20mA回路的內(nèi)在的安全界面，電路304及其與多傳感器120、124的連接被容納在防爆殼體中。在一些應用中，可提供多個模擬輸出。
應當理解，盡管前面的說明已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實施例的許多特點和優(yōu)點以及本發(fā)明的各種實施例的具體結構和功能，這種公開只是為了示例，在本發(fā)明的最寬的范圍內(nèi)，可在細節(jié)上特別是部件的結構和布置上進行改變，所述的范圍由權利要求表達的術語的最廣泛的一般含義表示。例如，在不偏離本發(fā)明的范圍和宗旨的條件下，根據(jù)流體流量儀器的特定的應用，可以改變特定的元件，而保持基本相同的功能。在不偏離本發(fā)明的范圍和宗旨的條件下，本發(fā)明的教導可以用于其它的流體流量計。
權利要求
1.一種用于檢測流體流量的儀器，包括流體主體，流體主體包括入口、出口和流量限制器，所述流量限制器連接從入口至出口的流體流動；第一多傳感器，第一多傳感器具有在入口中的第一檢測表面，用于檢測流體的入口壓力和溫度；第二多傳感器，第二多傳感器具有在出口中的第二檢測表面，用于檢測流體的出口壓力和溫度；和連接到第一和第二多傳感器的電路，所述電路基于第一和第二多傳感器的輸出產(chǎn)生流體流量輸出，流體流量輸出包括作為入口和出口中的檢測溫度中的至少一個溫度的函數(shù)的溫度修正。
2.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，流量限制器包括連接從入口至出口的流體的多孔材料塊。
3.根據(jù)權利要求2所述的儀器，其特征在于，多孔材料塊中的流體的速度處于這樣的速度范圍，以使得流體流量輸出是入口壓力的函數(shù)，并且大體上獨立于出口壓力。
4.根據(jù)權利要求3所述的儀器，其特征在于，所述流體流量輸出大體上是入口壓力的線性函數(shù)。
5.根據(jù)權利要求3所述的儀器，其特征在于，所述多孔材料塊中的流體流是層流。
6.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，所述流體流量輸出是入口壓力和出口壓力的函數(shù)。
7.根據(jù)權利要求6所述的儀器，其特征在于，所述流體流量輸出是入口壓力和出口壓力之間的差值的函數(shù)。
8.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，所述電路產(chǎn)生選自壓力、溫度和流動變量組中的多個輸出。
9.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，所述電路產(chǎn)生溫度輸出。
10.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，所述第一和第二多傳感器具有各個第一和第二中心傳感器軸，所述第一和第二中心傳感器軸從各個第一和第二檢測表面延伸到各個第一和第二電連接端部，所述儀器還包括具有第一和第二通孔的多傳感器承載板，所述第一和第二通孔密封到各個第一和第二中心傳感器軸上，在流體和第一和第二電連接端部之間提供隔離。
11.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，所述第一檢測表面包括藍寶石。
12.根據(jù)權利要求11所述的儀器，其特征在于，所述第二檢測表面包括藍寶石。
13.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，所述第一和第二檢測表面與流體流直接接觸。
14.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，所述第一和第二多傳感器各自包括藍寶石多傳感器殼，壓力傳感器和溫度傳感器形成在每個藍寶石多傳感器殼內(nèi)部。
15.根據(jù)權利要求14所述的儀器，其特征在于，所述藍寶石多傳感器殼將壓力傳感器和溫度傳感器與流體隔離。
16.根據(jù)權利要求14所述的儀器，其特征在于，所述溫度傳感器檢測流體的溫度和壓力傳感器的溫度。
17.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，所述第一和第二多傳感器檢測絕對壓力。
18.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，所述流量限制器包括具有多個孔的多孔金屬。
19.根據(jù)權利要求17所述的儀器，其特征在于，管包括具有多個孔的多孔硅。
20.根據(jù)權利要求1所述的儀器，其特征在于，還包括連接到流動主體的閥；和連接到閥的控制電路，其控制作為出口流體流量和流量設定點的函數(shù)的流體流量。
21.根據(jù)權利要求20所述的儀器，其特征在于，所述控制電路用比例控制算法控制閥。
22.根據(jù)權利要求20所述的儀器，其特征在于，所述控制電路用比例-積分控制算法控制閥。
23.根據(jù)權利要求20所述的儀器，其特征在于，所述控制電路用比例-積分-微分控制算法控制閥。
24.根據(jù)權利要求20所述的儀器，其特征在于，所述控制電路用比例-微分控制算法控制閥。
25.根據(jù)權利要求20所述的儀器，其特征在于，所述流動主體具有不超過大約106mm的入口接頭之間的鋪設長度。
26.根據(jù)權利要求25所述的儀器，其特征在于，所述流動主體具有橫切鋪設長度的不超過大約28mm的寬度。
27.一種通過儀器控制流體流量的方法，包括通過流量限制器連接從入口至出口的流體流動；用具有在入口中的第一檢測表面的第一多傳感器檢測流體的入口壓力和溫度；用具有在出口中的第二檢測表面的第二多傳感器檢測流體的出口壓力和溫度；將第一和第二多傳感器連接到產(chǎn)生流體流量輸出的電路；和根據(jù)選自入口壓力和出口壓力的壓力產(chǎn)生流體流量輸出，流體流量輸出包括作為入口和出口中的檢測溫度中的至少一個溫度的函數(shù)的溫度修正。
28.根據(jù)權利要求27所述的方法，其特征在于，還包括由多孔材料塊形成流量限制器。
29.根據(jù)權利要求28所述的方法，其特征在于，還包括選擇具有這樣的孔尺寸的多孔材料塊，所述孔尺寸使得在多孔材料塊中的流體的速度處于這樣的速度范圍，從而使流體流量輸出是入口壓力的函數(shù)，并大體上獨立于出口壓力。
30.根據(jù)權利要求29所述的方法，其特征在于，所述流體流量輸出大體上是入口壓力的線性函數(shù)。
全文摘要
一種用于控制流體流量的儀器。所述儀器具有位于入口(106)和出口(108)之間的流量限制器(110)。第一和第二多傳感器(120，124)具有在入口和出口中的檢測表面(122，126)，它們檢測流體流動的壓力和溫度?；芈?130)根據(jù)入口中的壓力和出口中的壓力之間的差產(chǎn)生質(zhì)量流量輸出(155)。質(zhì)量流量輸出包括作為入口和出口中的檢測溫度中的至少一個溫度的函數(shù)的溫度修正。
文檔編號G05D7/06GK1777790SQ200480004935
公開日2006年5月24日 申請日期2004年3月11日 優(yōu)先權日2003年3月12日
發(fā)明者馬克·S·舒馬赫, 大衛(wèi)·A·布羅登, 大衛(wèi)·E·維克隆德 申請人:羅斯蒙德公司