专利名称：具有压力包容元件的夹紧阀的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及流体流量和控制，具体地涉及具有一压力包容/保持元件的夹紧阀。
背景技术：
流体输送系统通常包括三部分流体推进部分、流量测量和控制部分以及用户界面部分。由于典型的低流速、使用有磨损作用的化学流体、使用有腐蚀作用的化学流体，以及对免除污染、精确、紧凑及实时流体输送和/或混合系统的需要，许多行业例如半导体、药物以及生物技术等都遇到过流体输送的问题。
例如，在半导体行业中化学-机械平坦化(CMP)是一个关键的工艺，它包括一个通过在晶片表面与抛光垫之间施加含有悬浮固体颗粒的超纯流体和一反应剂而使半导体晶片表面变平的加工过程。在大多数应用中，抛光垫以一个受控的速度相对于半导体旋转以使所述表面变平。过度抛光晶片会导致改变或者除去临界晶片结构。与此相反，如果抛光不足又会导致产生不合格的晶片。晶片的抛光速率在极大程度上取决于抛光操作期间的流体输送速度和流体输送总量。
用于半导体行业中并且要求精确控制流体流量以及对环境无污染的另一工艺是影印过程。如本领域中已知的，影印是一个对晶片表面施加已知的抗蚀剂或者光致抗蚀剂等光敏聚合物的过程。将含有待制作在晶片表面上的结构图案的光掩膜置于由抗蚀剂覆盖的晶片和一光源之间。光通过削弱或者加强抗蚀聚合物而与抗蚀剂发生反应。在抗蚀剂暴露于光线之下后，通过施加除去被削弱抗蚀剂的流体化学药剂而使晶片显影。精确且可重复的抗蚀剂传输是正确转印图案所必需的。抗蚀剂必须不受污染，因为表面上的任何“污物”都将导致最终图案产生缺陷。
可以对这个过程进行如下改动，即向晶片表面施加许多新的流体，从而产生将成为成品半导体的一整体部分的薄膜。这些薄膜的主要作用是用作电导线之间的绝缘体。可使用多种化学组分和物理性质评价多种“旋涂”材料。平版印刷工艺与旋涂沉积的主要差异在于，薄膜上的任何缺陷(例如空隙、气泡或者颗粒)现在将永久地印入半导体的结构中并且可能导致无功能的质量流量测量和控制装置以及半导体制造商的经济损失。
这两种过程都在称为“跟踪装置”的工具中发生。该跟踪装置用于对静止或者低速旋转的晶片施加精确容量的流体。附加的化学处理步骤可以用于将液体转变成适当的结构。进行液体施加后，晶片旋转速度迅速提高并且晶片表面上的流体被抛出边缘。从晶片中心到边缘残留有非常薄且厚度一致的流体。影响流体厚度的一些变量包括抗蚀剂或者介质粘度、抗蚀剂或者电介质中的溶剂浓度、抗蚀剂/电介质的分配量、分配速度等。
在施加液体后，跟踪装置还将提供附加的处理步骤，该步骤中利用也能除去薄膜中溶剂的烘焙方法将液体变成聚合物。该跟踪装置还控制晶片周围的环境以防止湿度或温度的变化及化学污染物对薄膜的性能产生影响。除了由空隙、气泡和颗粒造成的缺陷最小之外，跟踪系统的性能还由输送到晶片表面的液体的准确性和可重复性来确定。
因此，流体控制元件是这种系统的一关键部件以确保加工流体的准确传输。为了解决现有技术中的缺陷，需要一种有效、紧凑并且不受污染的流体控制装置。
发明内容
根据本发明的一方面，控制阀包括一弹性流管和一具有一柱塞的致动器，该柱塞可操作地连接在该致动器上。该柱塞邻近所述流管，并且一参考表面/基准表面通常与一压头(ram)相对设置以使得该弹性管在该柱塞和参考表面之间可挤压，以控制流经流管的流体的流量。流管的材料较软以使得它在柱塞和参考表面之间能够被挤压以控制流量。在某些情形下，软的流管材料由于强度低而可能具有较低的压力等级。绕流管的至少一部分设置一压力包容元件以提高其压力等级。在本发明的典型实施例中，压力包容元件可以包括例如一编织套管、多个环或者一个或多个绕所述流管设置的刚性元件。在一典型实施例中，第一和第二元件以一种“蛤壳”方式夹入所述流管。
根据本发明的其它方面，一质量流量测量和控制装置包括一外壳、一位于该外壳中的流量测量装置和一包括与该流量测量装置流体连通的一弹性流管的夹紧阀。该夹紧阀包括具有一可操作地连接于其上的柱塞的致动器。该柱塞邻近该弹性管设置，并且一参考表面通常与该柱塞相对设置以使得该弹性管在所述柱塞和参考表面之间可挤压。绕该弹性管的至少一部分设置有一压力包容元件。
质量流量测量和控制器质量流量测量和控制装置还包括一接收来自流量测量装置的测量输出信号的控制器。该控制器响应设定点信号和测量输出信号而向夹紧阀致动器提供一控制输出信号。在某些典型实施例中，夹紧阀位于外壳内。在其它实施例中，夹紧阀弹性管和压力包容元件延伸到外壳外。夹紧阀弹性管可以位于流量测量装置的上游或下游。
通过阅读下面的详细描述并参照附图，本发明的其它目的和优点将变得明显，其中图1是一示意性示出根据本发明一典型实施例的夹紧阀的结构图；图2示意性示出一根据本发明一实施例的包括一编织套管压力包容元件的夹紧阀；图3概念性地示出图2所示夹紧阀的一部分，其中去除了编织套管的一部分；图4示意性示出一根据本发明另一实施例的包括多个绕夹紧管设置以保持压力的环的夹紧阀；图5示意性示出一根据本发明另一实施例的包括一蛤壳状压力包容元件的夹紧阀；图6为图5所示的蛤壳状压力包容元件的一部分的透视图；图7示出图5中所示的阀，其中蛤壳状压力包容元件的一部分被去除；以及图8和图9是示出应用一根据本发明一典型实施例的夹紧阀的流量测量和控制质量流量测量和控制装置的方框图。
尽管本发明可以有各种变型和替换形式，但是已在附图中通过示例示出其具体实施例并在此进行详细描述。然而，应该意识到，在此对具体实施例进行的描述并非适于将本发明局限于所公开的特定形式，恰恰相反，本发明将覆盖落入所附权利要求限定的本发明的精神和范围之内的所有修改、等同技术和替换形式。
具体实施例方式
下面将对本发明的示意性实施例进行描述。为了清楚起见，在说明书中并没有描述一实际应用方式的所有特征。当然，应该意识到，在任一这种实际实施例的开发过程中，必须做出大量针对实际应用的决定以达到开发者的具体目的，例如满足系统相关或者商业相关的约束，而这些约束随具体的应用而变化。此外，应当意识到，这样的开发工作可能是复杂并且耗时的，但是对于受益于本公开文件的本领域一般技术人员而言，它将是一项常规工作。
图1概念性地示出一根据本发明一实施例的夹紧阀100。一致动器122位于一弹性管126附近。一可以具有活塞或者压头形式的阀柱塞124通过该致动器122移动以选择性地相对于参考表面128挤压或者夹紧管子126，从而改变流体流经的开口129的大小。所述流管126由较软的材料制成，因此它可以在柱塞124和参考表面128之间被压缩以控制流量。在某些情形下，软的流管材料由于强度低而可能具有较低的压力等级。绕管子126的至少一部分设置有一压力包容元件130以改善管子126的压力等级。
许多例如与半导体、药物和生物技术行业相关的应用领域都要求流体输送系统的流程(由加工流体润湿的所有表面)由纯度很高的、化学惰性/稳定的材料构造以保护所用化学药品的纯度。塑料是可取的，因为如果金属离子由于多种机械和化学工艺从金属流管中沥出或者排出，半导体晶片制作过程中使用的超纯化学制品可能会受到污染。塑性材料对较大范围内的加工材料都具有抗腐蚀性。因此，具有高纯度等级的塑料被用于这些行业中，因为这通常能防止将不希望的离子转移到加工材料中。此外，塑料流管制造过程中必有的光滑表面加工降低了细菌附着到管子上以及利用有机材料污染流体的能力。
在这种高纯度应用中，管子126优选地由高纯度弹性体或者塑料制成。一种适合的高纯度弹性体是硅树脂(交联聚硅氧烷)，因为它是化学稳定的并且具有适合的化学特性。其它适合的管件材料是PVC(聚氯乙稀，聚乙烯)、聚丙烯和碳氟橡胶(氟(化)橡胶)。多种氟化聚合物，例如PVDF(聚偏氟乙烯)和PTFE(聚四氟乙烯)也是适合的。例如，PFA(聚四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚)、一种包含PFA材料的混合物和硅树脂都是在高纯度应用中适合于管子126的材料。此外，在阀100的典型实施例中，没有停滞流体能够聚集的位置，而且也没有能够在流体中产生微粒的滑动和摩擦部分，从而使此处公开的设计特别适合于高纯度应用。
管子的柔性使得管壁能够适应壁内任何捕获的颗粒或者不理想的部位以提供紧密的密封。流程是直通的，从而使压力下降和扰动最小化。流体只与流管126接触，以防止其它阀部件的磨损和腐蚀并防止高纯度应用中例如半导体抛光操作中对加工流体造成污染。
图2示出根据本发明一实施例的夹紧阀200，其中，压力包容元件包括一环绕流管126的编织套管230。在一些实施例中，编织套管环绕整个流管126。图3示意性示出部分夹紧阀201，其中去除了编织套管230的一部分232。在图3所示的实施例中，编织套管230的去除部分232邻近阀柱塞124，因此阀柱塞124直接与流管126相接触，而不是与压力包容套筒230接触。
通常，编织套管230不会干扰阀201的操作。然而，如果阀柱塞126以足以使材料发生永久变形的长度推靠在套筒材料上，那么某些用于编织套管230的材料会形成永久固定的形状。套筒这种变形构形会导致控制问题。例如，这类变形产生时可能使阀具有通常闭合的构形，在该构形中柱塞126长时间地压紧流管126和套筒230。在图示位置上移走套筒230的部232允许柱塞126直接接触流管126，同时使编织套管230保留压力包含特性。套筒材料可以通过机械切削(剪刀、刀具等)、热切割(以防止材料松散)等获得希望的几何形状。因此，套筒230用作管126的“保持器”。套筒230还为流管126提供了压力包容，并且使容纳在夹紧阀体部内的流管126部分保持增加的压力等级。
图4示出根据本发明另一示例实施例的夹紧阀300。在夹紧阀300中，压力包容元件包括多个绕流管126设置的环330。在一具体实施例中，1mm宽的聚丙烯环在致动器122每一侧间隔设置于流管126上。
在其它实施例中，压力包容元件包括一个或多个绕流管126设置的刚性元件。例如，流管126可以插入穿过一个由这种刚性结构限定的孔以提供压力包容。在这一实施例中，压力包容元件环绕流管。然而，整个管件由压力包容元件接纳并不是必需的。如果多于一半的管子被环绕，就可以实现一定的压力包容。
图5示出根据本发明一典型实施例的利用一包括两部分的刚性元件的夹紧阀400。该夹紧阀400包括一包含上部元件431和下部元件432的“蛤壳”状压力包容元件430。图6示出下部元件432；上部元件431与它类似。图7示出只有压力包容元件430的上部元件431位于适当位置的阀400。上、下部元件431、432均限界定一通常与流管126的形状相对应的槽440，以使得当上、下部元件431、432夹入流管126时，槽440接纳流管126以提供压力包容。
在图示实施例中，上、下部元件431、432还限定一接纳致动器122下部的开口442。上、下部元件431、432通过任何适当的方式保持在一起以形成压力包容元件430。针对一使用0.25英寸硅树脂管用作夹紧管12并具有“蛤壳”状压力包容元件430的实施例进行试验，夹紧管126直到压力超过200psig时才会爆裂。如上所述，两部分组成的蛤壳状设置是典型的；刚性压力包容元件可以包含单个元件或者若干个元件。
已知夹紧阀的致动通常是双稳定的-开和关。某些已知的夹紧阀具有一带多转向手柄的手动致动器，但是这类阀对闭环流量控制没有益处。其它的夹紧阀在成批加工中用于分配，其中，分配的材料量由阀打开的时间控制。这不允许以连续方式动态地控制流速。
可以通过在阀致动器上施加可变电流或者电压而控制只具有两种状态的阀。在一实施例中，利用脉冲宽度调制(PWM)控制阀。通过产生其频率大于阀的机械响应频率的一方波信号来实现PWM。信号的占空比可变以便确定发送给质量流量测量和控制装置的适当电压或电流。例如，如果PWM信号在0-12V之间运行，那么0％占空比为0V，50％占空比为6V，并且100％占空比为12V。因为信号频率高于阀的机械响应频率，所以会进行“平均”。阀的位置由供给的平均电流确定。因此供给的电压与信号的脉冲宽度成比例。
如果信号频率太低，阀将有时间对开启和闭合信号进行完全反应，从而产生一脉冲流输出，而这通常是不希望发生的。典型的夹紧阀致动器是一螺线管，它包括一具有确定闭合螺线管所需电流的预载调节器的弹簧元件。调节阀弹簧上的预载可以改善阀的控制范围。在其它实施例中，螺线管柱塞元件替换为弹簧悬置柱塞。弹簧悬置柱塞使由于摩擦而产生的非线性阀响应最小，这使得在可用的螺线管致动夹紧阀中常见的滞后和死区/不工作区域最小。
PWM控制的螺线管的一替换方案是使用步进电动机致动器，该致动器通过一涡轮型装置将受控的确定转角转换给一线性压头驱动件。可以将步进控制器设计成用以产生与模拟信号输入成比例的特定数目的步骤。后冲以及由此造成的阀滞后可由使后冲最小的多种适当的涡轮设计最小化。步进电动机通常对可能导致夹紧管件中产生变化的温度和压力波动具有抗扰性。步进电动机是一控制位置的装置，因此分档器不受夹紧管中变化的干扰。夹紧管和夹紧阀一起成为系统的一整体部件，将电流供给阀致动器，该阀致动器对夹紧管施加夹紧管子的力。如果管的特性由于温度或压力而改变，那么管子的闭合量并且由此流速将通过螺线管产生变化。此外，步进致动器能够保持在最终位置，从而为获取流体传输周期开始时的设定点提供快速响应。
图8和9示意性示出一使用根据本发明的夹紧阀100的流量测试和控制质量流量测量和控制装置110。该测量和控制质量流量测量和控制装置110包括一具有流体入口102和出口103的外壳101。一流量测量装置112位于该外壳101内。在一典型实施例中，流量测量装置112包括一科里奥利质量流量计。
在高纯度应用中，流量计112优选地具有一由高纯度塑性材料制成的流管，以防止由于意外的(例如金属)离子转移到加工材料中而对加工流体造成的污染。适合的高纯度塑性材料包括PFA、PVDF和PTFE。如上所述，夹紧阀100也可以包含由高纯度塑性材料制成的部件，以防止离子转移到加工材料中去。在图8的方框图中，示出阀100完全位于外壳101内。在某些实施例中，部分阀或者整个阀如图2、4和5中所示安装在外壳101的外侧表面上。
控制器114接收设定点信号和来自流量计112的输出信号。控制器114调节并处理来自流量计的信号，并且向夹紧阀100输出一控制信号，以便基于对设定点和测量的流速的比较而改变加工材料的流速。进入控制器114的设定点输入通常是一电信号例如0-5v或者4-20mA的信号或一数字信号。也可以使用气压设定点界面。适合的设定点发生器是可以从宾夕法尼亚州Red Lion Controls of York，Pennsylvania公司获得的P48进程控制器。
控制器114也可以具有一通常被称为阀超驰(valve override)的特征，其中，一额外的信号发送至控制器114。该超驰信号使控制器114忽略设定点并且完全打开或者闭合阀100。该特征通常用于切断流体的流动或者净化系统。在图8中，示出控制器114位于外壳101内，从而提供一完全成一整体的流量控制系统。然而，在其它实施例中，控制器114位于外壳101外部。
夹紧阀100调节通过质量流量测量和控制装置110中的流量，并且还提供一抵抗管路压力变化的缓冲。阀100或者如图8所示位于质量流量计112的上游，或者如图9中实施例所示位于下游。通常，优选地使阀100位于在使用期间将会出现压力最大变化的一侧。这有助于使流量计112免予产生压力变化和波动。
以上公开的特定实施例只是示意性的，因为可以以不同但对于从本说明中受益的本领域技术人员而言却属于明显等同的方式改变和实施本发明。另外，除了下面权利要求书中所述的内容之外，对此处所示的构造或设计的细节并没有进行限制。因此很明显，可以替换或者改变以上公开的特定实施例，并且认为所有这些变型都落入本发明的范围和精神之内。因此，在此所寻求的保护由下面的权利要求提出。
权利要求
1.一种控制阀，包括一弹性流管；一致动器；一可操作地连接在该致动器上并邻近所述流管设置的柱塞；一参考表面，该参考表面一般与所述柱塞相对设置以使得所述弹性管在所述柱塞和该参考表面之间可挤压以控制经过所述流管的流体流量；和一绕该流管的至少一部分设置的压力包容元件。
2.根据权利要求1所述的控制阀，其特征在于，该压力包容元件包括一编织套管。
3.根据权利要求1所述的控制阀，其特征在于，该压力包容元件包括多个环。
4.根据权利要求1所述的控制阀，其特征在于，该压力包容元件包括一接纳所述流管的至少一部分的刚性元件。
5.根据权利要求4所述的控制阀，其特征在于，该刚性元件包括夹入所述流管的第一和第二元件。
6.一质量流量测量和控制装置，包括一外壳；一位于该外壳中的流量测量装置；和一夹紧阀，该夹紧阀包括一与该流量测量装置流体连通的弹性流管；一具有一柱塞的致动器，该柱塞可操作地连接在该致动器上并邻近所述弹性管；和一参考表面，该参考表面一般与该柱塞相对设置，以使得所述弹性管在所述柱塞和参考表面之间可挤压；和一绕该弹性管的至少一部分设置的压力包容元件。
7.根据权利要求6所述的质量流量测量和控制装置，还包括一接收来自流量测量装置的测量输出信号的控制器，该控制器响应一设定点信号和该测量输出信号而向所述夹紧阀致动器提供一控制输出信号。
8.根据权利要求6所述的质量流量测量和控制装置，其特征在于，所述夹紧阀位于所述外壳内。
9.根据权利要求6所述的质量流量测量和控制装置，其特征在于，所述夹紧阀弹性管和压力包容元件延伸至所述外壳外。
10.根据权利要求6所述的质量流量测量和控制装置，其特征在于，所述夹紧阀弹性管位于所述流量测量装置的下游。
11.根据权利要求6所述的质量流量测量和控制装置，其特征在于，所述夹紧阀弹性管位于所述流量测量装置的上游。
12.一种控制阀，包括一弹性流管；一致动器，该致动器具有一可操作地连接在该致动器上并邻近所述流管的柱塞，和一通常与该柱塞相对设置以使得所述弹性管在所述柱塞和参考表面之间可挤压以控制经过所述流管的流体流量的参考表面；和所述流管的压力包容装置。
全文摘要
一控制阀(400)包括一弹性流管和一致动器(122)。一柱塞可操作地连接在该致动器上并且位于所述流管附近。一参考表面通常与该柱塞相对设置以使得所述弹性管在所述柱塞和该参考表面之间可挤压以控制经过所述流管的流体流量。一压力包容元件(430)环绕所述流管的至少一部分。该压力包容元件可以包括，例如一编织套管、绕所述流管设置的环、或者夹入所述流管的第一压力保持元件(431)和第二压力保持元件(432)。
文档编号F16K37/00GK1678853SQ03807393
公开日2005年10月5日 申请日期2003年3月28日 优先权日2002年4月1日
发明者J·C·迪尔, G·E·帕夫拉斯 申请人:美国艾默生电气公司