流量测量装置和流量控制装置的制作方法

本发明涉及对用于半导体的气体材料和液体材料等流体的流量进行测量的流量测量装置。

背景技术：

近来的流量测量装置在将来自用于确定流量的各种传感器(例如压力、温度等)的传感器信号的值进行A/D转换并数字化后，通过利用了CPU的软件计算所述各传感器信号的值，由此计算出测量流量。

这样得到的测量流量当然是数字值，但是根据用户的不同，存在想要以模拟信号得到所述测量流量的要求。

为了应对该要求，使用D/A转换器，将数字值转换为模拟信号。

其中，能够利用CPU标准具有的PWM输出功能，以简单且低价格的方式构成的D/A转换器，是PWM型D/A转换器。

从所述CPU可以输出具有与表示测量流量的数字值对应的占空比的PWM信号，所述PWM型D/A转换器使用低通滤波器使所述PWM信号平滑化，并将其转换为模拟信号。

可是，该方式存在以下的问题。

第一，PWM信号通过低通滤波器时存在残余波纹(残留リップル)和响应速度的问题。如果为了减小波纹、使模拟信号值稳定化而加大低通滤波器的时间常数，则产生响应速度变差、测量流量的变化不能立即反映到模拟信号值变化中的问题。所述波纹减小和响应速度提高是折衷选择的关系，以往认为使双方同时成立是困难的。

第二，来自CPU的PWM输出电压在数字电源电压和数字公共电压之间变化时，数字电源电压和数字公共电压不仅电压精度低，还存在受噪声等影响而容易变动的问题。由于对高电平和低电平的电压不稳定的PWM信号进行平滑化处理后得到的是模拟信号，所以模拟信号的值也随其变得不稳定，由此成为瓶颈而变得难以得到高精度的模拟输出值。

此外，所述两个问题在近来的半导体工序等中使用的流量测量装置中尤其明显。这是因为，在所述用途的流量测量装置中，要求用于测量微小流量和微小流量变化的精度，并且为了提高生产率而要求响应速度。现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2003-273026号

技术实现要素：

本发明是用于一举解决所述的问题而做出的发明，本发明的目的在于提供一种流量测量装置，其不会牺牲所述PWM型D/A转换器具有的简单性和低价格性，并且能够使要求的响应速度和精度的双方成立。

本发明的流量测量装置，其具备模拟转换部，所述模拟转换部将表示测量流量的值的数字流量信号转换为表示所述测量流量的值的模拟流量信号，所述模拟转换部包括：PWM信号生成电路，能输出预定的三个以上的规定电压电平，根据所述数字流量信号表示的测量流量的值，从所述三个以上的规定电压电平中选择两个规定电压电平，另一方面根据所述数字流量信号表示的测量流量的值，设定占空比，并生成使所述两个规定电压电平分别成为高电平和低电平的PWM信号；以及转换电路，使从所述PWM信号生成电路输出的PWM信号平滑化并转换为所述模拟流量信号。

另外，在此所述的PWM信号是广义的信号，也包括作为狭义的PWM信号的一定周期的信号以及周期变动的PFM信号。

按照这种流量测量装置，由于PWM信号的高电平和低电平的差对应于规定电压电平的数量减小，PWM信号的高电平和低电平的变化幅度也变小，所以残余波纹电压也对应于所述变化幅度减小。因此，不会牺牲输出响应速度，并且能够使波纹的影响减小。

如果根据与数字电源电压及数字公共电压不同的、另外设定的模拟定电压和模拟公共电压设定所述规定电压电平，则输出的PWM信号的高电平和低电平稳定，因此能够得到更高精度的模拟流量信号。

如果所述PWM信号生成电路选择相邻的两个规定电压电平，则因为能使输出的全部PWM信号的高电平和低电平的变化幅度减小，所以波纹减小这种本发明的效果变得显著。而且如果所述相邻的规定电压电平被设定为全部大体相等，则在输出的全部PWM信号中，能使所述高电平和低电平的变化幅度成为最小，所述效果更为显著。

作为更具体的实施方式，可以举出下述方式：所述PWM信号生成电路包括：一次PWM信号生成电路，根据所述数字流量信号的值，生成一次PWM信号，并且从所述三个以上的规定电压电平中选择两个规定电压电平；以及二次PWM信号生成电路，能输出所述三个以上的规定电压电平，并生成二次PWM信号，所述二次PWM信号是将所述一次PWM信号的高电平和低电平分别转换为所述两个规定电压电平而得到的所述PWM信号。

根据所述PWM信号生成电路的输出阻抗与所述转换电路的输入阻抗的平衡，有时转换电路的时间常数变化，产生不能保持测量流量与PWM信号的占空比线性关系的情况。为了用软件解决该问题，优选的是，所述PWM信号生成电路将根据所述PWM信号生成电路的输出阻抗与所述转换电路的输入阻抗的平衡产生的、用于所述转换电路的平滑化的时间常数的变动作为参数，设定占空比。

保持所述PWM信号生成电路的输出阻抗与所述转换电路的输入阻抗的平衡，或者即使未平衡，在模拟流量信号的精度满足规格等条件下，在所述PWM信号生成电路中，如果将相邻的规定电压电平和占空比的设定方式一般化，则成为如下所述的。

即，对所述数字流量信号的值q与所述规定电压电平V₀、V₁···、V_k···V_n进行比较，检索使V_j≥s·q＞V_j-1的j，并输出占空比成为(s·q－V_j-1)/(V_j－V_j-1)、低电平成为V_j-1、以及高电平成为V_j的PWM信号，n是2以上的整数，V_k＞V_k-1，j是1以上n以下的整数，s是规定的系数。

在所述PWM信号生成电路的输出阻抗与所述转换电路的输入阻抗的平衡未充分保持的情况下，优选的是，所述PWM信号生成电路根据所述PWM信号生成电路的输出阻抗与所述转换电路的输入阻抗的平衡产生的、所述转换电路的平滑化时间常数的变动，将所述PWM信号的占空比设定为从所述(s·q－V_j-1)/(V_j－V_j-1)偏离了的值。

此外，本发明还提供一种流量控制装置，其包括：所述的流量测量装置；流量调节阀；以及控制部，以使通过所述流量测量装置测量到的测量流量接近规定的目标流量的方式控制所述流量调节阀。

此外，不仅是流量测量装置，本发明也可以广泛应用于数字-模拟转换装置。在该情况下，本发明具备模拟转换部，所述模拟转换部接受数字信号并将其转换为表示所述数字信号的值的模拟信号，所述模拟转换部包括：PWM信号生成电路，能输出预定的三个以上的规定电压电平，根据所述数字信号表示的值，从所述三个以上的规定电压电平中选择两个规定电压电平，另一方面根据所述数字信号表示的值，设定占空比，并生成使所述两个规定电压电平分别成为高电平和低电平的PWM信号；以及转换电路，使从所述PWM信号生成电路输出的PWM信号平滑化并转换为所述模拟信号。作为数字信号的值，可以举出与流体的流量测量和流量控制有关的值，即流体的成分浓度、流体的温度、阀的开度、流体压力等。

按照本发明，由于PWM信号的高电平和低电平的差对应于规定电压电平的数量减小，模拟流量信号中的残余波纹电压也相应减小，所以不会牺牲输出响应速度，并且能够得到高精度的模拟流量信号。此外，如果根据与数字电源电压及数字公共电压不同的、另外设定的模拟定电压和模拟公共电压来设定所述规定电压电平，则由于输出的PWM信号的高电平和低电平稳定，所以能够得到更高精度的模拟流量信号。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的流量测量装置的示意图。

图2是表示同实施方式的模拟转换部的电路图。

图3是用于说明同实施方式的模拟转换部的动作的电路图。

图4是用于说明同实施方式的模拟转换部的动作的电路图。

图5是用于说明同实施方式的模拟转换部的动作的电路图。

图6是表示同实施方式的一次PWM信号、各开关元件和二次PWM信号变化的关联的波形图。

图7是表示同实施方式的一次PWM信号、各开关元件和二次PWM信号变化的关联的波形图。

图8是表示同实施方式的测量流量和一次PWM信号的占空比的关系的关系图。

图9是表示同实施方式的二次PWM信号的波形的波形图。

图10是表示在同实施方式中，由于RC滤波电路的时间常数变化，测量流量和占空比偏离线性关系的图。

图11是表示在同实施方式中，由于RC滤波电路的时间常数变化，测量流量和占空比偏离线性关系的图。

图12是表示本发明的另一实施方式的模拟转换部的电路图。

图13是表示本发明的又一实施方式的模拟转换部的电路图。

图14是表示本发明的又一实施方式的模拟转换部的电路图。

图15是表示本发明的又一实施方式的流量控制装置的示意图。

附图标记说明

100 流量测量装置

4 模拟转换部

5 PWM信号生成电路

51 一次PWM信号生成电路

52 二次PWM信号生成电路

6 转换电路

具体实施方式

如图1所示，本实施方式的流量测量装置100，例如用于测量在半导体制造装置中使用的气体材料的流量，流量测量装置100具备：流量传感器主体1，将用于流量测量的传感器作为主体；以及信息处理装置2，接收来自所述流量传感器主体1的传感器输出信号并根据其值计算测量流量。

所述流量传感器主体1为压差式传感器，包括：内部流道R，测量流量的气体材料流过该内部流道R；流体阻力元件(例如节流孔等)，设置在所述内部流道R上；压力传感器P，设置在所述流体阻力元件的前后；以及温度传感器T，用于测量流体温度；等等。另外，作为所述流量传感器主体，也可以采用热式或其它形式的传感器。

信息处理装置2由数字/模拟混合电路构成，所述数字/模拟混合电路由CPU、AD转换器、存储器等构成，如图1所示，信息处理装置2具备流量计算部3，所述流量计算部3将与来自所述流量传感器主体1的压力和温度有关的输出信号通过AD转换器数字化，对数字化了的各输出信号的值实施由规定的程序规定的计算，由此计算并测量流量，并生成表示所述测量流量的值的数字流量信号。

所述流量计算部3以规定的取样间隔不断地计算流量，作为计算出的流量的测量流量输出到所述存储器，依次存储测量流量的值，并且例如在未图示的显示器上对所述测量流量的值进行数字显示或图显示。另外，关于其计算式，在此省略说明。

此外，本实施方式的信息处理装置2，还具备模拟转换部4，所述模拟转换部4将所述数字流量信号转换为模拟流量信号。

如图2所示，所述模拟转换部4包括：PWM信号生成电路5，根据所述数字流量信号表示的测量流量的值，生成PWM信号(二次PWM信号)；以及转换电路6，使所述二次PWM信号平滑化并将其转换为所述模拟流量信号。

所述PWM信号生成电路5包括：一次PWM信号生成电路51，生成由所述测量流量的值确定的占空比(关于占空比设定算法将在后面进行叙述)的一次PWM信号；以及二次PWM信号生成电路52，具有预定的三个规定电压电平，生成二次PWM信号，将所述一次PWM信号的高电平和低电平转换为在所述三个规定电压电平中选择的相邻的两个规定电压电平而得到所述二次PWM信号。

所述一次PWM信号生成电路51，属于与数字电源(电压V_d)和数字公共COMd连接的数字电路系统，在此，按照规定的程序动作的CPU承担所述功能。在本实施方式中使用的CPU，具有能输出被指定了的占空比的PWM信号的第一PWM信号输出口51a和第二PWM信号输出口51b。

此外，如上所述，生成由所述测量流量的值确定占空比(关于占空比设定算法将在后面进行叙述)的一次PWM信号，并从第一PWM信号输出口51a和第二PWM信号输出口51b中的任意一方输出。所述一次PWM信号的高电平成为数字电源电压V_d，低电平成为数字公共COMd的电压。另外，在CPU不具有PWM信号输出功能的情况下，例如可以利用从模拟三角波生成PWM信号这样的公知的电路。

在所述一次PWM信号生成电路51中，所述一次PWM信号仅从第一PWM信号输出口51a和第二PWM信号输出口51b中的任意一方输出，从第一PWM信号输出口51a和第二PWM信号输出口51b中的另一方输出被固定为高或低(占空比为100％或0％)的选择信号。以由测量流量的值确定的方式通过程序规定所述一次PWM信号从第一PWM信号输出口51a和第二PWM信号输出口51b中的哪一方输出。

所述二次PWM信号生成电路52属于模拟电路系统，具备：一对开关元件521、522(在此是P型和N型的MOSFET)，串联配置在模拟定电压源(电压V_ref)和模拟公共COM模拟公共COMa(电压V_com)之间；以及彼此等值的一对电阻元件523、524，串联设置在所述开关元件521、522间，生成中间电压V_m＝(V_ref－V_com)/2。另外，模拟定电压源的电压V_ref在这里被设定为与数字电源电压V_d相同或比其略小的值，但是不限于此。

更具体说明时，所述第一开关元件521的第一端子(P型MOSFET的源极端子)与所述模拟定电压源连接，所述第一开关元件521的第二端子(P型MOSFET的漏极端子)与第一电阻元件523的一端连接，并且所述第一开关元件521的控制端子(P型MOSFET的门极端子)与第一PWM信号输出口51a连接。

第二开关元件522的第一端子(N型MOSFET的漏极端子)与第二电阻元件524的一端连接，第二开关元件522的第二端子(N型MOSFET的源极端子)与模拟公共COMa连接，并且第二开关元件522的控制端子(N型MOSFET的门极端子)与第二PWM信号输出口51b连接。

此外，将连接所述电阻元件523、524的连接线，作为所述二次PWM信号生成电路52的输出口52a。

在所述构成的二次PWM信号生成电路52中，例如当第一开关元件521接通(第一PWM信号输出口51a为低电平)、第二开关元件522断开(第二PWM信号输出口51b为低电平)时(参照图3)，所述输出口52a的电压成为模拟定电压源极的电压V_ref。

此外，当第一开关元件521断开(第一PWM信号输出口51a为高电平)、第二开关元件522接通(第二PWM信号输出口51b为高电平)时(参照图4)，所述输出口52a的电压成为模拟公共COMa的电压V_com。

此外，当第一开关元件521接通(第一PWM信号输出口51a为低电平)、第二开关元件522接通(第二PWM信号输出口51b为高电平)时(参照图5)，所述输出口52a的电压正好成为模拟定电压源极的电压V_ref与模拟公共COMa的电压V_com的中间的值V_m＝(V_ref－V_com)/2。

另外，在图3～图5中，将开关元件521、522的符号从图2所示的符号进行了通用化的表示。

所述三个输出电压(从高的一方起依次为)V_ref、V_m、V_com是前述三个规定电压电平。

因此，在所述一次PWM信号生成电路51中，如果从第一PWM信号输出口51a输出一次PWM信号，从第二PWM信号输出口51b输出高电平的选择信号，则如图6所示，由于在所述二次PWM信号生成电路52中第二开关元件522维持接通状态，另一方面第一开关元件521与一次PWM信号的接通/断开相反地断开/接通，因此从所述输出口52a输出频率和一次PWM信号相同、占空比(高/低)反转、高电平转换为V_m、低电平转换为V_com的二次PWM信号。

此外，在所述一次PWM信号生成电路51中，如果从第二PWM信号输出口51b输出一次PWM信号、从第一PWM信号输出口51a输出低电平的选择信号，则如图7所示，由于在所述二次PWM信号生成电路52中第一开关元件521维持接通状态，另一方面第二开关元件522配合一次PWM信号的接通/断开而接通/断开，所以从所述输出口52a输出频率和一次PWM信号相同、占空比(高/低)反转、高电平转换为V_ref、低电平转换为V_m的二次PWM信号。

所述转换电路6包括：RC滤波电路61，由电阻元件611和电容器612构成，所述电阻元件611具有用于将所述二次PWM信号平滑化为所希望的电平所需要的值；以及缓冲电路62，与所述RC滤波电路61连接，用于减小输出阻抗。RC滤波电路61的输入口，与所述二次PWM信号生成电路52的输出口52a连接。

接着，说明所述流量测量装置100的模拟转换部4的动作。

首先，模拟转换部4的一次PWM信号生成电路51，通过按照规定的程序(算法)动作，接收所述数字流量信号，计算出与所述测量流量的值对应的一次PWM信号的占空比，并且设定将所述一次PWM信号从第一PWM信号输出口51a和第二PWM信号输出口51b中的哪个输出口输出。

以下进行具体说明。

在测量流量q为最大可能测量流量Q_max的一半以下的情况下，一次PWM信号生成电路51用下述数学式(数学式1)设定一次PWM信号的占空比DT₁。

[数学式1]

${\mathrm{DT}}_1=1-\frac{q}{Q_{max}/2}$

此外，将所述一次PWM信号从所述第一PWM信号输出口51a输出，另一方面从第二PWM信号输出口51b输出将占空比设为1(100％)的高电平的选择信号。

如上所述，由于在接收了所述一次PWM信号和选择信号的二次PWM信号生成电路52中，第二开关元件522维持接通状态，另一方面第一开关元件521根据一次PWM信号的高/低而断开/接通，所以从所述输出口52a输出频率和一次PWM信号相同、占空比(高/低)反转、高电平转换为V_m、低电平转换为V_com的二次PWM信号。

另一方面，在测量流量q超过最大可能测量流量Q_max的一半的情况下，一次PWM信号生成电路51用下述数学式(数学式2)设定一次PWM信号的占空比DT₁。

[数学式2]

${\mathrm{DT}}_1=1-\frac{q-Q_{\max }}{Q_{max}/2}$

此外，将所述一次PWM信号从所述第二PWM信号输出口51b输出，另一方面从第一PWM信号输出口51a输出将占空比设为0(0％)的低电平的选择信号。

如上所述，由于在接收了所述一次PWM信号和选择信号的二次PWM信号生成电路52中，第一开关元件521维持接通状态，另一方面第二开关元件522配合一次PWM信号的高/低而接通/断开，所以从所述输出口52a输出频率和一次PWM信号相同、占空比(高/低)反转、高电平转换为V_ref、低电平转换为V_m的二次PWM信号。

所述转换电路6接收如此生成的二次PWM信号，通过RC滤波电路61将其平滑化后，通过缓冲电路62对输出阻抗进行转换，作为模拟流量信号输出。

图8表示了对应于数字流量信号表示的测量流量，从第一PWM信号输出口51a和第二PWM信号输出口51b各PWM信号输出口输出的信号的占空比的变化。此外，图9表示了对应于数字流量信号表示的测量流量的、二次PWM信号的变化。

因此，按照这种构成的流量测量装置100，由于PWM信号的变化幅度成为1/2，残留的波纹电压也成为1/2，可以使残余波纹与输出响应速度的折衷选择成为1/2。

此外，由于根据与数字电源极电压V_d及数字公共电压不同的、另外设定的模拟定电压V_ref和模拟公共电压V_com，设定规定电压，所以输出的PWM信号的高电平和低电平稳定，能够避开来自数字电路的影响，能够得到高精度的模拟流量信号。

另外，本发明不限于所述实施方式。

例如，在相对于二次PWM信号生成电路52的输出阻抗，RC滤波电路61的输入阻抗(由于向后级缓冲电路62的偏置电流和向电容器的漏电流导致的偏移问题和平滑功能等的关系)不能取得足够大的情况下，更具体而言，在相比于二次PWM信号生成电路52的电阻元件523、524的值，RC滤波电路61的电阻值不能取得足够大的情况下，RC滤波电路61的电路时间常数发生变化，如图8所示在使PWM信号的占空比与测量流量呈线性地变化时，有时模拟流量信号的值(电压值)会偏离数字流量信号的值。

图10、图11表示了偏离量。判明了RC滤波器的电阻值小的图11一方，偏离变大。

因此，为了使其一致，也可以根据数字测量流量的值，通过不是线性的例如多元函数和内存映射来决定PWM信号的占空比。

此外，如图12所示，可以通过在二次PWM信号生成电路52和转换电路6之间放入缓冲器B等，使二次PWM信号生成电路52的输出阻抗与转换电路6的输入阻抗取得平衡。但是，有时会因所述缓冲器B的响应速度、特性变动、偏移等，引起模拟流量信号的值的精度变差。反过来而言，可以知道，按照没有缓冲器B的所述实施方式，能够保证响应速度，能够得到可提高精度的效果。

在所述实施方式中，规定电压电平有三个电压，即：除了模拟定电压V_ref和模拟公共电压V_com以外，还存在设置了将其分成两部分的中间电压V_m，所述规定电压电平也可以是四个以上。

图13表示了使规定电压电平为四个的具体例子，图14表示了使规定电压电平为五个的具体例子。

在图13中，二次PWM信号生成电路52包括具有彼此相等的电阻值(R)的四个电阻元件和三个开关元件H、M、L。此外，在一次PWM信号生成电路51中设有控制所述各开关元件H、M、L的三个第一PWM信号输出口51a、51b、51c。

所述一次PWM信号生成电路51按照规定的程序(算法)如下动作。

(1)如图13的下表所示，当数字测量流量超过最大可能测量流量Q_max的2/3时，一次PWM信号生成电路51通过使开关元件H接通、开关元件L断开，并且根据一次PWM信号使开关元件M接通/断开，由此在二次PWM信号生成电路52中生成高电平为V_ref、低电平为2/3V_ref的二次PWM信号。

(2)当数字测量流量是最大可能测量流量Q_max的1/3～2/3时，一次PWM信号生成电路51通过使开关元件M接通并且根据一次PWM信号使开关元件H、L接通/断开，由此在二次PWM信号生成电路52中生成高电平为2/3V_ref、低电平为1/3V_ref的二次PWM信号。

(3)当数字测量流量小于最大可能测量流量Q_max的1/3时，一次PWM信号生成电路51通过使开关元件H断开、使开关元件L接通，并且使开关元件M根据一次PWM信号接通/断开，由此在二次PWM信号生成电路52中生成高电平为1/3V_ref、低电平为V_com(0)的二次PWM信号。

在图14中，二次PWM信号生成电路52包括具有彼此相等的电阻值(2·R)的两个电阻元件、具有该电阻元件的一半的电阻值(R)的两个电阻元件、以及四个开关元件H1、H2、L1、L2。此外，在一次PWM信号生成电路51中，设有控制所述各开关元件H1、H2、L1、L2的四个第一PWM信号输出口51a、51b、51c、51d。

此外，由一次PWM信号生成电路51和二次PWM信号生成电路52构成的PWM信号生成电路5，通过以如下表所示地进行动作，由此

(1)当数字测量流量超过最大可能测量流量Q_max的3/4时，生成高电平为V_ref、低电平为3/4V_ref的二次PWM信号。

(2)当数字测量流量是最大可能测量流量Q_max的3/4～1/2时，生成高电平为3/4V_ref、低电平为1/2V_ref的二次PWM信号。

(3)当数字测量流量小于最大可能测量流量Q_max的1/2且为最大可能测量流量Q_max的1/4以上时，生成高电平为1/2V_ref、低电平为1/4V_ref的二次PWM信号。

(4)当数字测量流量小于最大可能测量流量Q_max的1/4时，生成高电平为1/4V_ref、低电平为V_com(0)的二次PWM信号。

可以对将规定电压电平及将其数值一般化了时的、PWM信号生成电路5的功能进行整理如下。

将数字流量信号的值q与所述规定电压电平V₀、V₁···、V_k···V_n(n是2以上的整数，V_k＞V_k-1)进行比较，检索使V_j≥s·q＞V_j-1的j(j是1以上n以下的整数，s是规定的系数)，并输出占空比成为(s·q－V_j-1)/(V_j－V_j-1)、低电平成为V_j-1和高电平成为V_j的PWM信号。

此时，为了从数字流量信号的值q求出占空比，采用(s·q－V_j-1)/(V_j－V_j-1)这样的线性形式，但是如上所述地，当因阻抗的不同发生偏离时，代替所述线性形式，可以通过例如多元函数、内存映射来决定占空比。

此外，可以不使相邻的规定电压电平的值全部相等，也不一定必须通过相邻的规定电压电平来规定二次PWM信号的高电平和低电平。

此外，可以使用所述流量测量装置100构成流量控制装置200。如图15所示，具体的构成例如包括：流量测量装置100；流量调节阀VM；以及控制部9，以使由所述流量测量装置100测量到的测量流量接近规定的目标流量的方式对所述流量调节阀VM进行反馈控制。

可以相互组合本发明的各个实施方式(实施例)中所记载的技术特征形成新的技术方案。