专利名称：热流量计型质量流测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及测量流体流量的装置和方法，更具体地，涉及使用热线流量计测量气体流量的装置和方法。
背景技术：
在半导体制造工业，需要精确控制以气体状态输送到反应室中的一种或者多种反应物材料的质量、温度和压力。有些反应物，例如氮气，相对来说在发生反应所需的温度和压力下容易以可控的方式进行输送。但其他反应物可能具有较高的腐蚀性、有毒性、自燃性、或者在向反应室输送时所需的温度和/或压力下的不稳定性。反应物的这些特性使得很难实现将它们精确、可控地输送到反应室中。
在此行业中广泛使用质量流控制器(下面称为“MFC”)来控制反应物的输送。已经开发出了基于热和压力的两大类型的MFC来处理大量反应物的不同输送需求。质量流控制器一般包括用于测量气体经过控制器的流速的质量流测量装置，用于控制气体经过控制器的流量的阀，以及连接到质量流测量装置和阀的计算机。使用理想流速控制计算机，计算机将该流速与质量流测量装置测量到的实际流速进行比较。如果实际流速不等于理想流速，进一步控制计算机打开或者关闭阀直到实际流速等于理想流速。
热质量流控制器的工作原理是，热量从流道壁传递到在流道内以层流方式流动的流体的速率是流体温度与流道壁温度之间差值、流体比热(specific heat)和流体质量流速的函数。因此，如果流体性能和流体、管子的温度已知，便能够确定(层流态下的)流体质量流速。
另一方面，基于压力的MFC通过在流体流路上建立两个蓄压器，例如通过限制流路的直径，来创建粘性流条件。所述限制可以包括节流孔或者喷嘴。在限流孔上游的蓄压器内，流体具有压力P1和密度ρ1，可以使用在粘性扼流条件(viscous chock flowcondition)下的已知的孔来确定流量。
还已知有使用热线流量计(hot wire anemometer)来测量气体流速。在热线流量计中，气体通常经过单一的热线，降低线的温度。确定热线阻抗的改变并与气体流速相关联。更先进的技术是使用位于第一热线下游的第二热线。气体经过该系统时，降低上游线的温度并提高下游线的温度。然后温度差作为输出信号进行记录。
然而，仍然需要一种包括能测量质量流速的新型的、改进的装置和方法的质量流控制器。优选地，该新型的、改进的装置和方法将使用热线流量计来测量质量流速。此外，该新型的、改进的装置和方法将优选使用能与被测量气体相容的材料，不会受到旋涡分离的负面影响，对气体类型不敏感，并且对环境温度的改变也不敏感。此外，该新型的、改进的装置和方法将优选地对流速的改变作出快速响应，并且能测量大范围的流速。
发明内容
本发明提供一种新型的、改进的质量流测量装置，该装置包括由管状侧壁限定的流路；穿过侧壁伸入到流路中的探头，该探头的第一部分位于流路中，探头的第二部分伸到侧壁外面；固定在探头上的加热元件；以及用于防止在流路中流动的流体接触到加热元件的密封件。
根据本发明的一个方面，密封件设置在侧壁和探头之间，加热元件固定在探头的第二部分上。根据另一方面，探头由不锈钢和铝当中的一种制造。
根据本发明的再一方面，加热元件包括固定在探头第二部分上的第一和第二加热元件，并且第二加热元件比第一加热元件离开侧壁更远。
根据本发明的再一方面，探头包括穿过侧壁伸入到流路中的第一和第二探头，并且加热元件包括分别固定在第一和第二探头上的第一和第二加热元件。根据一个方面，第一和第二探头中的一个比第一和第二探头中的另一个伸入到流路中更远。
根据本发明的另一方面，流路包括共享一个入口的相互平行的第一和第二流路，并且其中第二流路被端壁封闭；探头包括伸入到第一流路中的第一探头和伸入到第二流路中的第二探头；加热元件包括位于第一探头上的第一加热元件和位于第二探头上的第二加热元件；密封件包括用于防止在第一流路中流动的流体接触第一加热元件的第一密封件和用于防止在第二流路中流动的流体接触第二加热元件的第二密封件。
根据本发明的再一方面，流路包括狭窄部分，探头伸入到流路中的该狭窄部分。
在其他方面和优点中，本发明的质量流测量装置的材料与被测量的气体相容，不会受到旋涡分离(vertex shedding)的负面影响，对气体类型不敏感，并且对环境温度的变化也不敏感。此外，本发明的这种新型的、改进的质量流测量装置能对流速的改变作出快速响应，并且能够测量大范围的流速。
从下面的详细说明中，对于本领域技术人员来说，本发明的其他方面和优点将变的特别明显，其中本发明的典型实施方式得到显示和描述，显示和描述的方式是简单地通对用于实施本发明的最佳实施例进行描述。可以理解，本发明可以具有其他以及不同的实施方式，并且其若干细节在各种明显的方面都能够进行修改，所有这些都没有背离本发明。因此，附图和说明书实际上是说明性的，而不是限制性的。
下面参考附图，其中具有相同标记数字的元件在整个说明书中表示相同元件，其中图1是根据本发明设计的质量流测量装置的典型实施方式的截面图；图2是图1中质量流测量装置的透视图；图3是图1中质量流测量装置的透视图，显示拿掉部分探头外壳；图4是图1中质量流测量装置的透视图，显示拿掉了全部探头外壳；图5是图1中质量流测量装置的透视图；图6是图1中质量流测量装置和现有技术中质量流测量装置的流量-时间曲线图，表明本发明的质量流测量装置对于流速的变化响应快速；图7是图1中质量流测量装置针对流量A-F的微分功率-流量的曲线图，表明本发明的质量流测量装置能够测量大范围的流速；图8是根据本发明设计的质量流测量装置的另一种典型实施方式的截面图；图9是根据本发明设计的质量流测量装置的再一种典型实施方式的截面图；图10是根据本发明设计的探头外壳的另一种典型实施方式的第一部分的俯视图；图11是图10中外壳的第一部分的侧视图；图12是图10中外壳的第一部分的端视图；图13是图10中外壳的第一部分的相反端视图，显示了与第一部分连接的外壳的第二部分以及从外壳中伸出的探头；图14是图13中外壳和探头的透视图；图15是图13中外壳和探头的相反端视图，显示的是安装在限定流路的管状侧壁上而使探头伸入到流路中；图16是图13中外壳和探头的第一部分的局部剖视侧视图，显示的是安装在限定流路的管状侧壁上而使探头伸入到流路中，并且其中在环绕探头的流路中装配有多孔塞；以及图17是图16中外壳、探头、侧壁和塞子的端视图。
具体实施例方式
参照图1，根据本发明设计的质量流测量装置10的一种典型实施方式使用热线流量计的物理性质来测量质量流速。该质量流测量装置10，例如，能被用作质量流控制器的一部分，用以在半导体制造工业中控制反应物的输送。质量流测量装置10大体上包括由管状侧壁14限定的流路12，以及穿过侧壁14伸入到流路12中的第一和第二探头16、18，探头16、18的第一部分16a、18a位于流路12内，探头16、18的第二部分16b、18b伸出到侧壁14外。该装置10还包括分别固定在第一和第二探头16、18上的第一和第二加热元件20、22，以及用于防止流过流路12的流体接触加热元件20、22的密封件24、26。
探头16、18优选由与流过流路12的气体类型相容的材料制造，并且密封件24、26能确保加热元件20、22不会接触气体，从而不需要与气体材料相容。如果该装置10用在半导体制造工业，则优选地，探头16、18由铝或者不锈钢中的一种制得。
在图1的典型实施方式中，密封件24、26设置在侧壁14与探头16、18之间，而加热元件20、22则固定在探头16、18的第二部分16b、18b上。密封件包括，例如，位于探头16、18与侧壁14之间的焊缝24、26。可替换地，加热元件20、22可以固定在探头16、18的第一部分16a、18a上，并且使用材料相容衬套以流体密封的方式覆盖。
探头16、18和加热元件20、22均连接到控制器(未图示)，从而监视探头16、18温度的计算机处理器能为加热元件20、22提供能量，使探头16、18保持恒定的温度，测量提供给加热元件20、22的能量量值，以及至少部分地基于提供给加热元件20、22的能量来计算通过流路12的质量流量。这种至少部分地基于提供给加热元件20、22的能量的质量流计算方法由流量计物理性质(anemometer physics)确定，这对于热线流量计领域的技术人员来说是已知的，因此在此不作描述。
在图1的典型实施方式中，第一探头16比第二探头18伸入到流路12中更远，从而第二探头18能被用来消除环境(外部)温度的改变，从而该装置10对环境温度改变不敏感。例如，如果控制器测量到供应给第一和第二加热元件20、22的能量与探头16、18伸入到流路12中的长度不成比例，则控制器通过编程将会认定探头16、18之一的温度改变是由环境温度的改变所导致的，而不是由流量改变所导致。
在图1所示的典型实施方式中，第一和第二探头16、18大致位于流路12中的相同纵向位置。此外，在流路12中第一探头16处在第二探头18的横向相对侧。这种布置优选地可以防止，例如，如果探头16、18是依次(串联)设置的情况，探头16、18中的一个受到来自探头16、18中另一者的涡旋分离的负面影响。
图2是图1中质量流测量装置10的透视图。该装置10包括探头16、18和加热元件20、22的外壳28、30，该外壳连接到侧壁14的外表面。在图3中，拿掉了部分探头外壳28、30，在图4中拿掉了全部探头外壳。在图5中还拿掉了探头以显示侧壁14的安装板34内的孔32。
如图1中清楚显示，流路12包括由板34限定的狭窄部分36，探头16、18伸入到流路12的该狭窄部分36内。狭窄部分36使得气体流速在探头16、18处增加，从而增加了探头16、18的流量敏感度。
图6是图1中质量流测量装置10的流量-时间的曲线图(线“B”)，和现有技术的质量流测量装置的流量-时间的曲线图(线“A”)，表明了本发明的质量流测量装置10对于流速改变的响应比现有技术的质量流测量装置更加快速。图7是图1中质量流测量装置10对于不同流量A-F的微分功率-流量的曲线图，表明了本发明的质量流测量装置10能测量大范围的流速。
作为图1至图5的质量流测量装置10的一种应用实施例，质量流测量装置10能组合到质量流控制器(MFC)中。众所周知，MFC是用于控制来自气源的气体流速，并且能被用到，例如，半导体制造工业中来将反应气体精确输送到反应室中以制造半导体晶片。MFC通常包括用于控制经过质量流测量装置10的流路的流量的阀，以及控制装置，该控制装置通过编程从用户接收预定的理想流速，从质量流测量装置10接收实际流量的指示，如果实际流速不等于理想流速，则操作所述阀以便增加或者降低实际流量。
图8显示根据本发明设计的质量流测量装置50的另一种典型实施方式。该质量流测量装置50包括由管状侧壁54限定的流路52，以及穿过侧壁54伸入到流路52中的探头56，探头56的第一部分56a位于流路52内，探头56的第二部分56b伸出到侧壁54之外。该装置50还包括固定在探头56的第二部分56b上的第一和第二加热元件58、60，第二加热元件60的位置比第一加热元件58离开侧壁54更远。这两个加热元件58、60使得装置对环境温度的改变不敏感。密封件62防止流过流路52的流体接触加热元件58、60。
图9显示根据本发明设计的质量流测量装置100的另一种典型实施方式。该装置100包括由共享一个入口110的管状侧壁106、108限定的相互平行的第一和第二流路102、104。第二流路由端壁112封闭。第一探头114伸入到第一流路102内，第二探头116伸入到第二流路104内，第一加热元件118位于第一探头114上，第二加热元件120位于第二探头116上。该装置100还包括用于防止流过第一流路102的流体接触第一加热元件118的第一密封件122，以及用于防止流过第二流路104的流体接触第二加热元件120的第二密封件124。
因为第二流路104由端壁112所封闭，所以流过第二流路104的流量总是为零。因此，第二探头116的温度仅仅在环境温度改变或者流过装置100的气体类型改变时才会改变。因此，图9的实施方式100对环境温度的改变以及对流过装置100的气体类型不敏感。
图15显示根据本发明设计的质量流测量装置200的另一典型实施方式。该质量流测量装置200包括由管状侧壁204限定的流路202，以及闯过侧壁204伸入到流路202中的探头206，探头206的第一部分206a位于流路202内，探头206的第二部分206b伸出到侧壁204之外。该装置200还包括固定在探头206的第二部分206b上的第一和第二加热元件208、210，第二加热元件210比第一加热元件208离开侧壁204更远。这两个加热元件208、210使得装置对环境温度的改变不敏感。密封件(未图示)防止流过流路202的流体接触加热元件208、210。流路202包括狭窄部分216，探头206伸入到流路202的狭窄部分216内。狭窄部分216使气体速度在探头206上增加，从而提高了探头206的流量不敏感度。
图15的装置200还包括用于探头206和加热元件208、210的外壳220，该外壳连接到侧壁204的外表面。图13-14显示外壳220和探头206。外壳220包括利用合适的紧固件如螺栓(未图示)连接在一起的第一部分222和第二部分224。第一部分222(在图10-12中也有显示)包括从紧固板228延伸的主体226，紧固板228上为探头206定义有穿孔230。紧固板228包括用于接收合适紧固件如螺栓234的孔232，用于将外壳220的第一部分222连接到流路202的侧壁204上，如图15所示(侧壁204包括用于接收螺栓的螺纹孔236)。主体226还包括用于接收紧固件的孔234，用于将第二部分224连接到外壳220的第一部分222，如图13-15所示。
图16-17显示图15的装置200，但进一步包括装配到流路202中环绕探头206的多孔性材料的塞子240。该塞子240有助于分散探头206周围的气流，由与流过流路的气体相容的材料制成，包括贯穿其中的足够大的能让气体流过的孔或者通路。在一种典型实施方式中，塞子240由铝或者不锈钢制成。
因此，根据本发明设计的新型的改进的质量流测量装置和方法已经予以了说明。具体而言，本发明产生一种新型的改进的，而且是简单有效的设计，用于提供质量流测量装置和方法。说明书中所述的典型实施方式通过说明性而非限制性的方式予以了描述，在不背离本发明的如权利要求所述的最宽方面的精神和范围的前提下，本领域技术人员可以进行各种修改、组合和替换。这里所披露的本发明的质量流测量装置和方法及其所有元件都包含在权利要求书中的至少一个权利要求的范围内。在这里公开的测量装置和方法中所给出的任何元件或因素都包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种质量流测量装置，包括由管状侧壁限定的流路；穿过侧壁伸入到流路中的探头，该探头的第一部分位于流路中，该探头的第二部分伸出到侧壁之外；固定在探头上的加热元件；以及用于防止流过流路的流体接触加热元件的密封件。
2.如权利要求1所述的质量流测量装置，其特征在于，密封件位于侧壁与探头之间，加热元件固定在探头的第二部分上。
3.如权利要求1所述的质量流测量装置，其特征在于，探头由不锈钢和铝之一制造。
4.如权利要求1所述的质量流测量装置，其特征在于，加热元件包括固定在探头第二部分上的第一和第二加热元件，且第二加热元件比第一加热元件离开侧壁更远。
5.如权利要求1所述的质量流测量装置，其特征在于，探头包括穿过侧壁伸入到流路中的第一和第二探头，且加热元件包括分别固定在第一和第二探头上的第一和第二加热元件。
6.如权利要求5所述的质量流测量装置，其特征在于，第一和第二探头中的一个比第一和第二探头中的另一个伸入到流路中更远。
7.如权利要求5所述的质量流测量装置，其特征在于，第一和第二探头大致位于流路中的相同纵向位置。
8.如权利要求7所述的质量流测量装置，其特征在于，在流路中第一探头位于第二探头的横向相对侧。
9.如权利要求1所述的质量流测量装置，其特征在于流路包括共享单个入口的相互平行的第一和第二流路，并且其中第二流路由端壁所封闭；探头包括伸入到第一流路中的第一探头和伸入到第二流路中的第二探头；加热元件包括位于第一探头上的第一加热元件和位于第二探头上的第二加热元件；以及密封件包括用于防止流过第一流路的流体接触第一加热元件的第一密封件和用于防止流过第二流路的流体接触第二加热元件的第二密封件。
10.如权利要求9所述的质量流测量装置，其特征在于，密封件位于侧壁与探头之间，并且加热元件固定在探头的第二部分上。
11.如权利要求1所述的质量流测量装置，其特征在于，流路包括狭窄部分，探头伸入到流路的该狭窄部分中。
12.一种质量流控制器，包括如权利要求1所述的质量流测量装置，且还包括阀，其用于控制经过质量流测量装置的质量流；以及连接到质量流测量装置和阀的处理器，该处理器通过编程来接收所需流速，将该所需流速与通过质量流测量装置所测量到的实际流速进行比较，如果实际流速不等于所需流速，则操作所述阀直到实际流速等于所需流速。
13.一种测量质量流的方法，包括使用管状侧壁限定流路；使探头穿过侧壁伸入到流路中，且使得探头的第一部分位于流路内，探头的第二部分伸出到侧壁之外；监视探头的温度；将加热元件固定在探头上；为加热元件提供能量，使探头保持恒定温度；测量提供给加热元件的能量量值；至少部分地基于提供给加热元件的能量来计算出经过流路的质量流；以及提供密封件来防止流过流路的流体接触加热元件。
14.如权利要求13所述的方法，其中密封件位于侧壁与探头之间，加热元件固定在探头的第二部分上。
15.如权利要求13所述的方法，其中加热元件包括固定在探头第二部分上的第一和第二加热元件，且第二加热元件比第一加热元件离开侧壁更远。
16.如权利要求13所述的方法，其中探头包括穿过侧壁伸入到流路中的第一和第二探头，且加热元件包括分别固定在第一和第二探头上的第一和第二加热元件。
17.如权利要求16所述的方法，其中第一和第二探头中的一个比第一和第二探头中的另一个伸入到流路中更远。
18.如权利要求16所述的方法，其中第一和第二探头大致位于流路中的相同纵向位置。
19.如权利要求1所述的方法，其中流路包括共享单个入口的相互平行的第一和第二流路，并且其中第二流路由端壁所封闭；探头包括伸入到第一流路中的第一探头和伸入到第二流路中的第二探头；加热元件包括位于第一探头上的第一加热元件和位于第二探头上的第二加热元件；以及密封件包括用于防止流过第一流路的流体接触第一加热元件的第一密封件和用于防止流过第二流路的流体接触第二加热元件的第二密封件。
20.如权利要求13所述的方法，其中流路具有狭窄部分，探头伸入到流路的该狭窄部分中。
21.如权利要求13所述的方法，其中探头由不锈钢和铝之一制造。
22.如权利要求13所述的方法，其中在流路中设置有塞子，塞子的材料对于测量的流体而言是多孔性的，并且探头伸入到该多孔性材料内。
23.如权利要求22所述的方法，其中塞子由不锈钢和铝之一制造。
24.如权利要求1所述的质量流测量装置，还包括位于流路中的塞子，塞子的材料对于测量的流体而言是多孔性的，并且探头伸入到该多孔性材料内。
25.如权利要求24所述的质量流测量装置，其特征在于，塞子由不锈钢和铝之一制造。
全文摘要
一种质量流测量装置，包括由管状侧壁限定的流路；穿过侧壁伸入到流路中的探头，该探头的第一部分位于流路中，该探头的第二部分伸出到侧壁之外；固定在探头上的加热元件；以及用于防止流过流路的流体接触加热元件的密封件。
文档编号G01F1/68GK1823263SQ200480020298
公开日2006年8月23日 申请日期2004年5月17日 优先权日2003年5月16日
发明者阿里·沙吉, 尼古拉斯·E·科滕斯泰特, 莱昂纳德·R·米亚特, 杰弗里·V·阿纳斯塔斯 申请人:Mks仪器公司