专利名称：用于测量质量流控制器中的气体的温度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及质量流控制器。特别地，而不是作为限制，本发明涉及用于测量质量流控制器中的气体的温度的方法和装置。
背景技术：
典型的质量流控制器(MFC)为闭环设备，其设定、测量并控制诸如热刻蚀或干法刻蚀之类的工业过程中的气流。MFC的一个重要部分为测量流经设备的气体的质量流率的传感器。MFC将来自传感器的输出信号与预定设置点比较并调整控制阀以将气体的质量流率保持在预定设置点。
MFC的一些特征趋向于随温度漂移。例如，当没有气体流经设备时，质量流传感器输出可以随温度变化，该现象被称为“零点漂移”。如果已知流经MFC的气体的温度，MFC可以补偿诸如零点漂移之类的温度取决误差。从而，为了使得MFC的性能对温度较不敏感，人们希望MFC能够测量气体温度。然而，为MFC增加温度传感器增加了其复杂性和造价。
因此，很明显，本领域需要一种用于测量MFC中的气体的温度的改进的方法和装置。
发明内容
以下对以图的形式示出的本发明的示意性实施例进行概述。在具体实施方式
部分更充分地描述这些和其他实施例。然而，应该理解，其目的并非意在将本发明限制于在发明内容或具体实施方式
中所描述的形式。本领域中的一般技术人员可以认识到存在落入如在权利要求中所表述的本发明的精神和范围内的众多修改、等价物和备选结构。
本发明可以提供一种用于测量质量流控制器中的气体的温度的方法和装置。一个示意性实施例为一种方法，其包括向质量流控制器的热质量流传感器提供基本恒定的电流，将所述热质量流传感器设计为测量气体的质量流率；测量所述热质量流传感器的输入电压以获得当前输入电压，所述输入电压随热质量流传感器的一对感测元件之间的温度差而变化；通过取决于气体的质量流率的当前输入电压的分量计算经调节的输入电压；以及基于所述经调节的输入电压计算所述气体的温度。
另一示意性实施例为测量质量流控制器中的气体的温度的温度-测量子系统，所述温度-测量子系统包括包括一对感测元件的热质量流传感器，所述热质量流传感器被设计为测量流经质量流控制器的气体的质量流率，所述热质量流传感器的输入电压随所述一对感测元件间的温度差而变化；电流源，将其配置为向所述热质量流传感器提供基本恒定的电流；以及控制逻辑，将其配置为测量所述热质量流传感器的输入电压以获得当前输入电压、通过取决于气体的质量流率的当前输入电压的分量计算经调节的输入电压、以及基于所述经调节的输入电压计算气体的温度。
另一示意性实施例为质量流控制器，其包括设计为测量流经质量流控制器的气体的质量流率的热质量流传感器，所述热质量流传感器包括一对感测元件，所述热质量流传感器的输入电压随所述一对感测元件间的温度差而变化；配置为向所述热质量流传感器提供基本恒定的电流的电流源；包括气体可以流经其中的主流量通路和传感器通路的分路器；用于控制通过分路器的气体的质量流率的控制阀；质量流控制逻辑，将其配置为将预定设置点与如由热质量流传感器测得的气体的质量流率进行比较，以及调节控制值以将所述气体的质量流率维持在预定设置点；以及温度-测量控制逻辑，其被配置为测量所述热质量流传感器的输入电压以获得当前输入电压、通过取决于气体的质量流率的当前输入电压的分量计算经调节的输入电压、以及基于经调节的输入电压计算所述气体的温度。
下面更加详细地描述这些以及其他实施例。
本发明的各目的和优点以及对其更全面的理解是显而易见的，并且当结合附图通过参照下述具体实施方式
和所附权利要求时更易于理解，在附图中 图1为根据本发明的示意性实施例的质量流控制器的功能框图； 图2为测量根据本发明的示意性实施例的质量流控制器中的气体的温度的温度-测量子系统的功能框图； 图3为用于测量根据本发明的示意性实施例的质量流控制器中的气体的温度的方法的流程图； 图4为用于测量根据本发明的另一示意性实施例的质量流控制器中的气体的温度的方法的流程图；以及 图5A-5C为用于测量根据本发明的其他示意性实施例的质量流控制器中的气体的温度的方法的流程图。
具体实施例方式 在本发明的示意性实施例中，通过从已经存在于MFC中的质量流率传感器中导出气体温度测量，避免质量流控制器(MFC)中的单独温度传感器的附加费用和复杂性。气体-温度信息可以被用于补偿零点漂移并还可以改善MFC的温度不灵敏性。
现在参照附图，其中，适当地在全部若干附图中以相同的附图标记表示相同或类似的元件，并且具体参照图1，其为根据本发明的示意性实施例的MFC 100的功能框图。在一些实施例中，MFC 100为压力不灵敏质量流控制器(PIMFC)。MFC 100的基座(base)105包括气体流经其中的分路器110。分路器110引导恒定比例的气体通过主通路115和传感器管120。传感器管120在该实施例中为小口径管，其为MFC 100的热质量流传感器123的一部分。感测元件125和130缠绕在传感器管120的外侧上。在一个示意性实施例中，感测元件125和130为阻抗-温度计元件。感测元件125和130的电阻随温度而变化。
感测元件125和130与桥式电路135电连接。电流源(图1中未示出)为感测元件125和130提供基本恒定的电流，引起传感器管120发热。通过传感器管120的气流引起热被从上游感测元件125传递到下游感测元件130。由于该温度差的阻抗的变化在桥式电路135中产生可测量输出电压(在图1中未示出)。
尽管在图1中未示出，可以对桥式电路135的输出电压进行放大，并将该电压馈送到控制控制阀140的操作的比较器、处理器或其他控制电路。MFC 100将桥式电路135的输出电压与特定的质量流率设置点进行比较，并调节控制阀140以维持所述特定设置点。在此，桥式电路135的输出电压将有时被称为热质量流传感器123的输出电压。
桥式电路135的输入(激励)电压145以近似成比例的方式随感测元件125和130之间的温度差而变化。在此，输入电压145将有时被称为热质量流传感器123的输入电压。在该实施例中，将输入电压145馈送到放大器电路150，并将经放大的输入电压155馈送到模拟-数字(A/D)转换器160。A/D转换器160将经放大的输入电压155转换成数字值(digital number)，所述数字值由根据控制逻辑170的处理器165来读取并处理。在一些实施例中，控制逻辑170被存储在处理器165的内置闪存中。通常，处理器165和控制逻辑170的功能可以以硬件、固件、软件或其任意组合的方式实施。
控制逻辑170被配置为测量输入电压145、通过取决于气体的质量流率的所测量的输入电压的分量来计算经调节的输入电压、以及基于所述经调节的输入电压来计算气体的温度。在一些实施例中，一旦已知气体的温度，控制逻辑170就基于所计算的气体温度补偿在零流量情况下的热质量流传感器123的输出电压的随温度的变化。即在一些实施例中，将控制逻辑170被配置为基于从热质量流传感器123导出的温度信息补偿MFC 100中的零点漂移。
实际上，基座105的温度是实际被测量的温度，但是，经验表明流经MFC 100的气体的温度和基座105的温度之间的差别是可忽略的。因此，可以使用在本具体实施方式
中所描述的技术精确地测量气体本身的温度。
图2为测量根据本发明的示意性实施例的MFC中的气体的温度的温度-测量子系统200的功能框图。在图2中，电流源205为桥式电路135提供基本恒定的电流，所述桥式电路135在图2中被示出为众所周知的惠斯登电桥(Wheatstone bridge)。桥式电路135包括其间连接有元件的四个节点(235、213、240和223)。在这些元件中，有两个固定阻抗元件210和215(分别为R1和R2)。在一个示意性实施例中，固定阻抗元件210和215均为10k欧姆的精密电阻器。在图2中，将与图1中的感测元件125和130相关的温度取决阻抗分别示出为阻抗220和225(S1和S2)。本领域中的那些一般技术人员将注意到感测元件125和130具有一个公共节点，节点223。
如上所述，输出电压230被用于测量通过MFC 100的质量流率以控制控制阀140的操作。在该示意性实施例中，输出电压230为节点223相对于节点213的电势。为了着重于描述对使用热质量流传感器123的输入电压145用于气体温度的测量，在图2中未示出输出电压230如何被放大和处理的细节。
如上所述，控制逻辑170使用输入电压145，即节点235相对于节点240的电势，来计算MFC 100中的气体的温度。下面提供关于根据输入电压145计算气体温度的进一步细节。
图3为用于测量根据本发明的示意性实施例的MFC中的气体的温度的方法的流程图。在305，电流源205向热质量流传感器123提供基本恒定的电流。在310，控制逻辑170测量热质量流传感器123的输入电压145以获得当前输入电压。在315，控制逻辑170通过取决于流经MFC 100的气体的质量流率的当前输入电压的分量计算经调节的输入电压。在320，控制逻辑170基于经调节的输入电压计算气体的温度。该过程在325结束。
图4为用于测量根据本发明的另一示意性实施例的MFC中的气体的温度的方法的流程图。在图4的实施例中，方法按照如在图3中示出的过程进行到块320。在405，控制逻辑170基于在320所计算的气体温度补偿处于零流量情况(零点漂移)下的热质量流传感器123的输出电压230的随温度的变化。在410，过程结束。
图5A-5C为用于测量根据本发明的另一示意性实施例的MFC中的气体的温度的方法的流程图。
首先看图5A。在505，电流源205向热质量流传感器123提供基本恒定的电流。在510，控制逻辑170测量在第一预定流量情况下的热质量流传感器123的输入电压145以获得第一电压V1。在一个实施例中，第一预定流量情况为零流量情况(即，没有气体流经MFC 100)。在515，控制逻辑170测量在第二预定流量情况下的输入电压145以获得第二电压V2。在一个实施例中，第二预定流量情况为最大(100％)流量情况。
在520，控制逻辑170从第一电压中减去第二电压以获得电压差ΔV＝V1-V2。在525，当MFC 100的基座105处于预定的上限温度TU时，控制逻辑170测量输入电压145以获得第三电压V3。在一个实施例中，预定的上限温度为55℃。在530，当MFC 100的基座105处于预定的低温TL时，控制逻辑170测量输入电压145以获得第四电压V4。在一个实施例中，预定的下限温度为35℃。
本领域中的那些一般技术人员将认识到可以预先执行图5A中的块510-530，并且可以将V1、V2、V3、V4、TU和TL存储在存储器中用于随后在计算气体温度时使用。
接下来参见图5B。在535，控制逻辑170测量输入电压145以获得当前(现在的)输入电压TP。在540，控制逻辑170确定对应于MFC 100的当前操作点的最大流量分数(FMF)。例如，如果MFC 100现在以其最大质量流率的80％操作，对应的最大流量分数或FMF将为0.8。
在545，控制逻辑170按照下式计算针对热质量流传感器123的经调节的输入电压VA VA＝VP+ΔV·(FMF)2。
在550，基于V3、V4、TU和TL，控制逻辑170将经调节的输入电压VA映射到包括TL和TU的TL和TU之间的对应气体温度TG。在一个实施例中，按照下述线性关系执行该映射 TG＝(VA-V4)/m+TL， 其中，m＝(V3-V4)/(TU-T1)。
最后，参见图5C。在该示意性实施例中，方法按照如在图5A中示出的过程进行到块530，以及按照如在图5B中示出的过程进行到块550。在560，基于所计算的气体温度TG，控制逻辑170补偿处于也被称为零点漂移的零流量情况下的热质量流传感器123的输出电压230的随温度的变化。
在一个示意性实施例中，当质量流为零时，对基座105的温度Tz进行测量和记录。也对在温度TU、VZU的零流量情况下的输出电压230和在温度TL、VZL的零流量情况下的输出电压230进行测量和记录。之后通过将下述量加到已存储的VZ对对应于零流量的输出电压230VZ进行更新，并将结果存储为新的VZ (TG-TZ)·ρ， 其中，ρ＝(VZU-VZL)/(TU-TL)。
在565，图5C中的过程结束。
在一些实施例中，上述计算由处理器165在数字域中执行。在这样的实施例中，将输入电压145和输出电压230数字化，并按照A/D转换器160的“读数(count)”执行上述计算。例如，在数字实现中，上述给定的斜率m对应于TG计算中每摄氏度的读数。类似地，在数字实现中，上述斜率ρ对应于在VZ更新中的每摄氏度的读数。
本领域中的那些一般技术人员将认识到通过适当地缩放馈送到A/D转换器160的经放大的输入电压155以及通过选择具有足够分辨率的A/D转换器160可以获得期望的温度测量精确性。在一个实施例中，每摄氏度的读数在5到7的范围内。本领域中的那些一般的技术人员也将认识到，在上述描述中，也可以用华氏度替代摄氏度来测量温度。
在一些数字实现中，通过取得多个采样(例如，100个)并对所述采样求平均来测量电压。
使用长时间滤波器(long-time filter)可以对如上所述的气体压力的变化对温度计算的影响进行校正。还可以使用具有例如5到10秒的时间常数的长时间滤波器补偿由于环境情况对基座105造成的温度变化。
综上所述，本发明提供了用于测量质量流控制器中的气体的温度的方法和装置等。本领域中的那些一般技术人员易于认识到可以在本发明中、本发明的应用及其配置中进行若干变化和置换以达到与通过在此描述的实施例所达到的结果基本相同的结果。因此，不旨在将本发明限制于所公开的示意性形式。许多变化、变形和替代结构落入如在权力要求中表述的所公开的发明的范围和精神之中。
权利要求
1、一种用于测量质量流控制器中的气体的温度的方法，所述方法包括
向所述质量流控制器的热质量流传感器提供基本恒定的电流，所述热质量流传感器被设计为测量所述气体的质量流率；
测量所述热质量流传感器的输入电压以获得当前输入电压，所述输入电压随所述热质量流传感器的一对感测元件之间的温度差而变化；
通过取决于所述气体的质量流率的所述当前输入电压的分量来计算经调节的输入电压；以及
基于所述经调节的输入电压计算所述气体的温度。
2、如权利要求1所述的方法，还包括
基于所计算出的温度补偿处于零流量情况下的所述热质量流传感器的输出电压的随温度的变化。
3、如权利要求1所述的方法，其中，将所述输入电压馈送到模拟-数字(A/D)转换器，并且根据所述A/D转换器的输出将所述当前输入电压获得为数字值。
4、如权利要求1所述的方法，其中，通过取决于所述气体的质量流率的所述当前输入电压的分量来计算经调节的输入电压的步骤包括
在测量所述输入电压以获得所述当前输入电压的步骤之前
测量在第一预定流量情况下的所述输入电压以获得第一电压；以及
测量在第二预定流量情况下的所述输入电压以获得第二电压；
从所述第一电压中减去所述第二电压以获得电压差；
确定与所述质量流控制器的当前操作点相对应的最大流量的分数；以及
通过将所述电压差和所述最大流量的分数的平方的乘积与所述当前输入电压相加来计算所述经调节的输入电压。
5、如权利要求4所述的方法，其中，所述第一预定流量情况为零流量情况，并且所述第二预定流量情况为最大流量情况。
6、如权利要求1所述的方法，其中，基于所述经调节的输入电压计算所述气体的温度的步骤包括
在测量所述输入电压以获得所述当前输入电压的步骤之前
测量当所述质量流控制器的基座处于预定的上限温度时的所述输入电压以获得第一电压；以及
测量当所述质量流控制器的基座处于预定的下限温度时的所述输入电压以获得第二电压；以及
基于所述第一和第二电压以及所述预定的上限和下限温度，将所述经调节的输入电压映射到包括所述预定的下限和上限温度的所述预定的下限和上限温度之间的温度。
7、如权利要求6所述的方法，其中，所述映射为线性的。
8、一种用于测量质量流控制器中的气体的温度的方法，所述方法包括
向所述质量流控制器的热质量流传感器提供基本恒定的电流，将所述热质量流传感器设计为测量所述气体的质量流率，所述热质量流传感器的输入电压随所述热质量流传感器的一对感测元件之间的温度差而变化；
测量在第一预定流量情况下的输入电压以获得第一电压；
测量在第二预定流量情况下的输入电压以获得第二电压；
从所述第一电压中减去所述第二电压以获得电压差；
测量当所述质量流控制器的基座处于预定的上限温度时的输入电压以获得第三电压；
测量当所述质量流控制器的基座处于预定的下限温度时的输入电压以获得第四电压；
测量所述输入电压以获得当前输入电压；
确定与所述质量流控制器的当前操作点相对应的最大流量的分数；
通过将所述电压差和所述最大流量的分数的平方的乘积与所述当前输入电压相加来计算经调节的输入电压；以及
基于所述第三和第四电压以及所述预定的上限和下限温度，将所述经调节的输入电压映射到包括所述预定的下限和上限温度的所述预定的下限和上限温度之间的当前气体温度。
9、如权利要求8所述的方法，还包括
基于所述当前气体温度补偿在零流量情况下的所述热质量流传感器的输出电压的随温度的变化。
10、如权利要求8所述的方法，其中，所述第一预定流量情况为零流量情况，并且所述第二预定流量情况为最大流量情况。
11、一种测量质量流控制器中的气体的温度的温度-测量子系统，所述温度-测量子系统包括
包括一对感测元件的热质量流传感器，将所述热质量流传感器设计为测量流经所述质量流控制器的气体的质量流率，所述热质量流传感器的输入电压随所述一对感测元件之间的温度差而变化；
电流源，将其配置为向所述热质量流传感器提供基本恒定的电流；以及
控制逻辑，将其配置为
测量所述热质量流传感器的所述输入电压以获得当前输入电压；
通过取决于所述气体的质量流率的所述当前输入电压的分量来计算经调节的输入电压；以及
基于所述经调节的输入电压计算所述气体的温度。
12、如权利要求11所述的温度-测量子系统，其中，将所述控制逻辑配置为基于所计算出的温度来补偿在零流量情况下的所述热质量流传感器的输出电压的随温度的变化。
13、如权利要求11所述的温度-测量子系统，还包括
放大器，其放大所述输入电压以生成经放大的输入电压；以及
模拟-数字转换器，其将所述经放大的输入电压转换为数字值。
14、如权利要求11所述的温度-测量子系统，其中，所述热质量流传感器包括
当气体流经所述质量流控制器时，基本恒定比例的所述气体流经其中的管；
分别在沿所述管的第一和第二位置处绕所述管的外侧周围缠绕的第一和第二阻抗-温度计元件；以及
具有第一、第二、第三和第四节点的桥式电路，将第一预定阻抗组件连接在所述第一和第二节点之间，将第二预定阻抗组件连接在所述第二和第三节点之间，将所述第一阻抗-温度计元件连接在所述第一和第四节点之间，将所述第二阻抗-温度计元件连接在所述第四和第三节点之间。
15、如权利要求11所述的温度-测量子系统，其中，所述第三节点处于预定的参考电势，并且在所述第一节点处相对于所述第三节点测量所述输入电压。
16、如权利要求11所述的温度-测量子系统，其中，在计算所述经调节的输入电压时，将所述控制逻辑配置为
在测量所述输入电压以获得所述当前输入电压的步骤之前，测量在第一预定流量情况下的输入电压以获得第一电压；
在测量所述输入电压以获得所述当前输入电压的步骤之前，测量在第二预定流量情况下的输入电压以获得第二电压；
从所述第一电压中减去所述第二电压以获得电压差；
确定与所述质量流控制器的当前操作点相对应的最大流量的分数；以及
通过将所述电压差和所述最大流量的分数的平方的乘积与所述当前输入电压相加来计算所述经调节的输入电压。
17、如权利要求16所述的温度-测量子系统，其中，所述第一预定流量情况为零流量情况，并且所述第二预定流量情况为最大流量情况。
18、如权利要求11所述的温度-测量子系统，其中，在计算所述气体的温度时，将所述控制逻辑配置为
在测量所述输入电压以获得所述当前输入电压的步骤之前，测量当所述质量流控制器的基座处于预定的上限温度时的输入电压以获得第一电压；
在测量所述输入电压以获得所述当前输入电压的步骤之前，测量当所述质量流控制器的基座处于预定的下限温度时的输入电压以获得第二电压；以及
基于所述第一和第二电压以及所述预定的上限和下限温度，将所述经调节的输入电压映射到包括所述预定的下限和上限温度的所述预定的下限和上限温度之间的温度。
19、如权利要求18所述的温度-测量子系统，其中，将所述控制逻辑配置为将所述经调节的输入电压线性映射到包括所述预定的下限和上限温度的所述预定的下限和上限温度之间的温度。
20、如权利要求11所述的温度-测量子系统，其中，所述控制逻辑包括所存储的可由处理器执行的程序指令。
21、一种测量质量流控制器中的气体的温度的温度-测量子系统，所述温度-测量子系统包括
设计为测量流经所述质量流控制器的气体的质量流率的热质量流传感器，所述热质量流传感器包括
当气体流经所述质量流控制器时，基本恒定比例的所述气体流经其中的管；
分别在沿所述管的第一和第二位置处绕所述管的外侧周围缠绕的第一和第二阻抗-温度计元件；以及
具有第一、第二、第三和第四节点的桥式电路，将第一预定阻抗组件连接在所述第一和第二节点之间，将第二预定阻抗组件连接在所述第二和第三节点之间，将所述第一阻抗-温度计元件连接在所述第一和第四节点之间，将所述第二阻抗-温度计元件连接在所述第四和第三节点之间，在所述第一节点处的相对于所述第三节点的所述热质量流传感器的输入电压随所述第一和第二阻抗-温度计元件之间的温度差而变化；
配置为向所述热质量流传感器提供基本恒定的电流的电流源；以及
控制逻辑，将其配置为
测量在第一预定流量情况下的输入电压以获得第一电压；
测量在第二预定流量情况下的输入电压以获得第二电压；
从所述第一电压中减去所述第二电压以获得电压差；
测量当所述质量流控制器的基座处于预定的上限温度时的输入电压以获得第三电压；
测量当所述质量流控制器的基座处于预定的下限温度时的所述输入电压以获得第四电压；
测量所述输入电压以获得当前输入电压；
确定与所述质量流控制器的当前操作点相对应的最大流量的分数；
通过将所述电压差和所述最大流量的分数的平方的乘积与所述当前输入电压相加来计算经调节的输入电压；以及
基于所述第三和第四电压以及所述预定的上限和下限温度，将所述经调节的输入电压映射到包括所述预定的下限和上限温度的所述预定的下限和上限温度之间的当前气体温度。
22、如权利要求21所述的质量流控制器，其中，将所述控制逻辑配置为基于所述当前气体温度补偿在零流量情况下的所述热质量流传感器的输出电压的随温度的变化。
23、如权利要求21所述的质量流控制器，还包括
放大器，其将所述输入电压放大以生成经放大的输入电压；以及
模拟-数字转换器，其将所述经放大的输入电压转换为数字值。
24、一种质量流控制器，包括
设计为测量流经所述质量流控制器的气体的质量流率的热质量流传感器，所述热质量流传感器包括一对感测元件，所述热质量流传感器的输入电压随所述一对感测元件之间的温度差而变化；
配置为向所述热质量流传感器提供基本恒定的电流的电流源；
所述气体可以流经其中的包括主流量通路和传感器通路的分路器；
控制通过所述分路器的所述气体的质量流率的控制阀；
质量流控制逻辑，将其配置为
将由所述热质量流传感器测得的所述气体的质量流率与预定设置点比较；以及
调节所述控制阀以将所述气体的质量流率保持在所述预定设置点；以及
温度-测量控制逻辑，将其配置为
测量所述热质量流传感器的所述输入电压以获得当前输入电压；
通过取决于所述气体的质量流率的所述当前输入电压的分量来计算经调节的输入电压；以及
基于所述经调节的输入电压计算所述气体的温度。
25、如权利要求24所述的质量流控制器，其中，将所述温度-测量控制逻辑配置为基于所计算出的温度补偿在零流量情况下的所述热质量流传感器的输出电压的随温度的变化。
全文摘要
描述了用于测量质量流控制器中的气体的温度的方法和装置。一个实施例在不取决于单独温度传感器的情况下从质量流控制器的质量流传感器中导出气体-温度信息。该实施例向质量流控制器的热质量流传感器提供了基本恒定的电流，将所述热质量流传感器设计为测量气体的质量流率；测量热质量流传感器的输入电压以获得当前输入电压，所述输入电压随热质量流传感器的一对感测元件之间的温度差而变化；通过取决于气体的质量流率的当前输入电压的分量计算经调节的输入电压；以及基于经调节的输入电压计算气体的温度。
文档编号F16K17/38GK101652591SQ200880010691
公开日2010年2月17日 申请日期2008年2月28日 优先权日2007年3月1日
发明者伊藤祐之, M·J.·佐洛克 申请人:先进能源工业公司