用于自动自调节质量流量控制器的阀基准的系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]1.发明领域
[0002]本发明总体涉及质量流量控制器(mass flow controller ；MFC)的操作。
[0003]2.相关技术
[0004]许多工业过程需要对各种工艺流体进行精确控制。例如，在半导体工业中，质量流量控制器被用于精确地测量和控制被引入到工艺腔室中的工艺流体的量。术语流体在本文中用于描述能够流动的处于任何状态的任何类型的物质。例如，应当理解的是，所述术语流体可应用于包括其受控流动可受关注的物质的任何组合的液体、气体、蒸汽，以及料浆。
[0005]MFC消费者往往监测作为品质和性能度量的开启特性(例如，达到设定点所需的时间，以及过冲量)。一般地不允许过冲。
[0006]消费者想要装置与装置之间的再现性。为了确保MFC正确地工作，调谐所述MFC。调谐是一种过程，通过该过程特定MFC特性被校正，以便当每个装置受到相同输入时，每一装置可提供相同的工作。例如，当给出具体设定点时，期望所有的MFC在某一时间量(例如，300ms+/-50ms)内达到该设定点。如果MFC中的一者以150ms的时间达到设定点，而另一者以400ms的时间达到设定点，则对于消费者来说获得尽可能迅速的MFC将没有意义。
[0007]调谐MFC是一种需要专业化设置和经验丰富的操作员的困难操作。此外，操作条件的变化和MFC的物理特性的细微变化可需要昂贵的现场检修以在几个月的操作之后重新调谐装置。
[0008]因此，所公开的发明力图提供对上述问题的一个或多个方案。例如，在一个实施例中，所公开的发明包括一种MFC，该MFC配置成执行用于监测开启响应特性的算法并且自动自调节调谐参数。
【附图说明】
[0009]在下文参照附图详细描述了本发明的说明性实施例，所述附图以引用方式并入本文，并且其中:
[0010]图1是示意图，其示出根据所公开的实施例的质量流量控制器的部件；
[0011]图2是曲线图，其示出根据所公开的实施例的初始调谐和应力循环的示例；
[0012]图3A是流程图，其描绘根据所公开的实施例的用于自动自调节调谐参数的过程；
[0013]图3B是流程图，其描绘根据所公开的实施例的用于自动自调节调谐参数的过程的替代性实施例；以及
[0014]图4是框图，其描绘根据所公开的实施例的在质量流量控制器中执行的改进的控制算法。
【具体实施方式】
[0015]所公开的实施例和其优点通过参照附图中的图1-4将被最好地理解，其中相同的数字用于表示各个附图中的相同和相应的部件。对于本领域中的普通技术人员，在审查以下附图和详细描述后，所公开实施例的其他特征和优点将为或者将变得显而易见。所有此类附加特征和优点旨在被包括在所公开的实施例的范围内。此外，所示附图仅为示例性的，并且不旨在声称或者暗示对其中可实施不同实施例的环境、架构、设计或者工艺的任何限制。
[0016]图1示出根据所公开的实施例的质量流量控制器100的部件。在一个实施例中，质量流量控制器100包括机体110，所述机体110是质量流量控制器的部件安装在其上的平台。热质量流量计140和阀组件150在流体入口 120和流体出口 130之间安装在所述机体110上。在其他实施例中，所述热质量流量计140可直接螺栓至所述阀组件150，而未使用所述机体110。所述阀组件150包括控制阀170。在某些实施例中，所述控制阀170可为电磁阀或者压电阀中的一者。所述热质量流量计140包括旁路142和热流量传感器146，通常大部分流体流经旁路142，以及较小部分的流体流经热流量传感器146。
[0017]热流量传感器146被容纳在传感器外壳102 (部分不出，部分被移除以不出传感器146)内，所述传感器外壳102安装在安装板或者基部108上。传感器146是小直径管道，一般被称为毛细管，其具有传感器入口部分146A、传感器出口部分146B和传感器测量部分146C，绕传感器测量部分146C设置有两个电阻线圈或电阻绕组147、148。在操作中，提供电流至所述两个电阻绕组147、148，所述电阻绕组147、148与所述传感器测量部分146C热接触。电阻绕组147、148中的电流将在测量部分146中流动的流体加热至一温度，所述温度高于流经旁路142的流体的温度。绕组147、148的电阻随温度变化。当流体流经传感器导管时，热量被从上游电阻器147朝向下游电阻器148运输，温差与通过所述传感器的质量流量速率成比例。
[0018]与通过传感器的流体流量相关的电信号源自所述两个电阻绕组147、148。该电信号可以以多种不同的方式取得，诸如从所述电阻绕组的电阻差取得，或者从提供至每一电阻绕组以将每一绕组维持在特定温度的能量值差取得。可确定与热质量流量计中的流体的流量速率相关的电信号的各种方式的示例在，例如，共同拥有的美国专利N0.6，845，659中描述，所述美国专利以引用方式并入本文。来源于电阻绕组147、148的电信号在信号处理之后包括传感器输出信号。
[0019]所述传感器输出信号与质量流量计中的质量流量相关，使得当测量到电信号时可确定流体流量。所述传感器输出信号一般首先与传感器146中的流量相关联，所述传感器146中的流量则与旁路142中的质量流量相关联，从而可确定通过流量计的总流量以及可相应地控制控制阀170。传感器输出信号和流体流量之间的关联是复杂的，并且取决于多种操作条件，包括流体种类、流量速率、入口和/或出口压力、温度等等。
[0020]旁路142可随后安装至传感器，以及使用已知流体调谐所述旁路142以确定在质量流量传感器中流动的流体与在分流器中以各种已知流量速率流动的流体之间的适当关系，以便可根据传感器输出信号来确定通过所述流量计的总流量。在一些质量流量控制器中，未使用旁路，并且全部流量穿过所述传感器。所述质量流量传感器部分和旁路142可随后配合至所述控制阀和控制电子设备部分，以及随后在已知条件下再次调谐。所述控制电子设备和所述控制阀的响应随后表征，使得系统对于设定点或者输入压力的变化的总响应是已知的，并且所述响应可用于控制系统来提供期望的响应。
[0021]此外，所述质量流量控制器100可包括压力传感器112，所述压力传感器112在一些点处联接至流动路径以测量所述流动路径中的压力，所述点一般地位于(但不限于)旁路142的上游。压力传感器112提供指示压力的压力信号。
[0022]控制电子设备160用于根据指示期望质量流量速率的设定点以及来自所述质量流量传感器的、指示在传感器导管中流动的流体的实际质量流量速率的电流量信号，来控制所述控制阀170的位置。在某些实施例中，随后使用传统的反馈控制方法(例如，比例控制、积分控制、比例-积分(PD控制、微分控制、比例-微分(PD)控制、积分-微分(ID)控制以及比例-积分-微分(PID)控制)来控制在所述质量流量控制器中的流体的流量。其他实施例可采用基于模型的控制器，所述基于模型的控制器不使用任何PID类型的控制。控制信号(例如，控制阀驱动信号)基于误差信号产生，所述误差信号是指示流体的期望质量流量速率的设定点信号和由质量流量传感器感测的、与实际质量流量速率相关的反馈信号之间的差。所述控制阀位于主流体流动路径(一般在旁路和质量流量传感器的下游)中，并且可被控制(例如，开启或关闭)以改变流经所述主流体流动路径的流体的质量流量速率，所述控制由质量流量控制器提供。
[0023]在所示的示例中，流量速率以电压信号的形式由电导线158提供至闭合回路系统控制器160。所述信号经放大、处理，