具有单体构造及导电性聚合物电极的磁性流量计的制作方法

专利名称：具有单体构造及导电性聚合物电极的磁性流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及监测及测量管道中的流体流量，且具体而言涉及应用于半导体 ，f业中的磁性流量计。
背景技术：
磁性流量计("magflow meter")的工作原理是基于法拉第的电压感应 定律，根据电压感应定律，在导电介质流过磁场时，会产生与导电介质流过磁 场的速度成正比的电动势(EMF)。通常，在磁性流量计情形中，流动介质是 流过一段受到横向磁通作用的管道的导电介质。当导电流体流过所述管道时， 由安装于管道壁上并与介质实体接触的电极来检测所产生的EMF。为防止EMF 出现短路，管道壁是由非导电性材料构成。
因其在宽广范围(通常为30:1)内具有低的测量误差(可达到读数的0.2 %)且其在工作时不需要使用运动部件(不同于汽轮计或桨轮技术)或流量限 制(不同于差压计)，磁性流量计已在制程控制行业(化学、食品及饮料、纸 浆及造纸、水处理)中得到应用。通过恰当选择电极及管道壁的材料，还可将 磁性流量计配置成能耐受流体流介质的强化学品的不利影响。
先前的设计是利用由非导电材料制成的管道来提供所需的电隔离。所述电 极在安装时使尖端与内壁齐平。其他设计则是在金属外壳内采用由非导电衬层 构成的管道，其中使电极尖端凸入流体流中。
各种现有技术的设计均具有某些缺点，这些缺点使得磁性流量计的全部优 点无法实现。大多数磁性流量计是在金属外壳内利用介电套管。而为金属外壳 配备介电衬层是造价很高的工艺。当前的磁性流量计总成比较复杂，在安装电 极及电磁总成时，需要将硬件焊接或以其他方式附装至金属外壳上。况且，这 些方法通常是教示使用金属电极，而这与其他行业中的应用及过程是不相容 的。

发明内容
尽管磁性流量计具有诸多技术优点，然而其通常尚未使用或应用于半导体 行业中。据认为，这是由于在所述行业中常常使用超纯且具有高度腐蚀性的液
体(例如HC1及NH"H等酸及碱)及气体。纯度必须保持至低于十亿分之一 ("PPB")的水平。为保持此种纯度水平，与腐蚀性流体相接触的材料必须 既不会受到腐蚀，也不会产生任何离子污染。因此，完全由例如PTFE或PFA (或同一类中的其他聚合物)等非金属性且非腐蚀性润湿材料制成的流量计特 别受到偏爱。这一要求便使磁性流量计无法得到应用，因为与液体接触的电极 必须能够传导EMF信号且因此通常由例如316不锈钢、哈司特镍合金 (hasteloy)或铂等金属构成。
此外，磁性流量计通常是大且笨重的装置，不符合半导体行业中的小尺寸 及流率要求。这种尺寸的主要的驱动因素在于，在所述加工行业中要求能在宽 广的压力及温度范围内正确工作，而此需要由例如陶瓷等昂贵材料或由带PTFE 或PFA衬层的金属管来制成管道。
在以下实例性实施例中，本发明是一种磁性流量计，其中流动管道完全由 绝缘的非导电性材料构成，不需要金属外壳。所述非导电性管道具有流动截面， 所述流动截面界定润湿周缘，以容纳沿垂直于所述流动截面的轴线流动的流 体。所述管道装有一对磁极，该对磁极以沿直径相对的配置形式跨越所述流动 截面。所述磁极界定实质与所述流动轴线相交的第一横向轴线。在所述管道的 侧面上还设置有一对电极，其界定第二横向轴线，所述第二横向轴线与所述流 动轴线及由磁极形成的第一横向轴线二者相交。所述电极由能耐受流体流中腐 蚀性介质的导电性聚合物材料制成。所述电极贯穿管道的润湿周缘，以接触在 管道内流动的流体。
本发明各实施例的优点在于，所述管道是由介电材料制成，而不包含金属 外壳，因而能降低对所述管道加衬层的成本及复杂度。而且，将所述管道制作 成能容易且直接地接受电极及电磁总成，从而进一步降低成本及组装复杂度。
本发明各实施例的另一优点在于，导电聚合物(或塑料)电极能耐受化学 侵蚀。如在美国第5，449，017号专利案中所揭示，所述导电聚合物(或塑料)
电极可由适用于所测量的特定介质的聚合物材料构成，包括但不限于PTFE或 PFA的掺合物。这些电极还带有模制于电极总成中的屏蔽件，以降低背景电噪 声。
本发明的一个方面解决了电磁性流量计中的信号衰减问题。当电极接触电 解流体(例如水或酸抑或碱)时，流体与电极之间的电连接并不是简单的电阻。 而是，流体/电极界面会形成复阻抗(具有无功分量的阻抗)，所述复阻抗也 是例如以下等几种物理性质或因素的函数其所接触的流体的导电率，以及电 极的尺寸及材质。对于标准金属电极，所述复阻抗会与用于将电极连接至电子 元件的电连接装置的电容形成分压器。因此，提供给放大器衰减的电压，此种 衰减是所述连接装置的电容相对于流体/电极界面的复阻抗的函数。分压器效 应的支配性在小型磁性流量计中尤其显著，这是因为在小型磁性流量计中，电 极比较紧凑且在流体/电极界面上具有较高的复阻抗。
本发明各实施例之一的另一优点是利用可对电极屏蔽电路(电极及布线) 进行电驱动的电极构造，从而减小电缆相对于流体/电极界面的复阻抗的有效 电缆阻抗，以提供更精确的电动势测量值。
结合附图来考虑下文对本发明各实施例的详细说明，可更全面地理解本发
明，附图中


图1为现有技术磁性流量计的剖面图2为本发明的垂直于流动通道的截面图，其中示意性地显示各附件；
图3A为本发明的垂直于流动通道的截面图3B为本发明的等角投影图
图3C为本发明的垂直于流动通道的截面图3D为本发明的垂直于流动通道的截面图4A为本发明的经过流动通道平面的截面图4B为本发明的经过流动通道平面的截面图5为一现有技术电极总成的示意图5A为现有技术电极总成的示意图5B为现有技术电极总成的示意图；以及 图6为根据本发明的电极总成的示意图。
尽管本发明适合具有各种修改及替代形式，但在附图中以举例方式显示并 将详细说明其具体细节。然而，应了解，并非打算将本发明限定为所述的特定 实施例。相反，本发明打算涵盖所有仍归属于随附权利要求书所界定的本发明 精神及范围内的所有修改形式、等效形式及替代形式。
具体实施例方式
本发明大体而言涉及一种用于在半导体制造工厂中测量腐蚀性化学流体 的流速的设备及系统。尽管本发明未必仅限于此一应用，然而借助对此具体背 景中的实例性实施例的论述将能更好地了解本发明。
磁性流量计用于测量导电液体的体积流率。其根据由下式表示的法拉第电
压感应原理工作
<formula>formula see original document page 9</formula>其中emf是电动势(伏特)，B是磁通密度(高斯)，L是导电液体的展 向长度或厚度(例如，cm) ， emf即在所述展向长度或厚度上产生，且U是所 计量的导电液体的局部速度(例如cm/s)。
参见图l,其显示在先的技术磁性流量计1，磁性流量计1包含外壳2， 外壳2界定具有中央流动轴线4的管道3、润湿周缘5，并容纳实质上平行于 流动轴线4流动的流体流6。 一对磁极7位于外壳2的周缘上，在其间产生磁 场B。 一对电极8设置于外壳2的两侧上并贯穿润湿周缘5,以便接触流体流6。 电极8连接至读出装置9，以用于检测电动通量emf。
现在参见图2，其以截面图形式显示根据本发明的磁性流量计10的一实例 性实施例。流量计10包括配置用于容纳流体流40的单体外壳20，其被表示为 中空圆筒，所述中空圆筒界定管道30以及润湿周缘37。磁极50安装于外壳 20的顶部及底部上。由于外壳20是由介电材料构成，因而各磁极50安装于形 成于外壳20的壁内的有底孔52中。有底孔52之所以如此形成，是因为其并 不穿透润湿周缘37,而是终止于外壳20内，由此界定底部57。各有底孔52 沿通过流动轴线35的第一横向轴线95对齐。
图2中的实施例还显示一对电极70与磁极50位于同一平面上并相对于磁 极50呈大约90度。各电极70安装于穿透外壳20及润湿周缘37的通孔72中， 由此在各通孔72与管道30之间形成流体连通。电极70沿第二横向轴线105 对齐，第二横向轴线105与流动轴线35及第一横向轴线95 二者相交。此种90 度的取向尽管较佳，然而并非是使磁性流量计工作所必需的。图2中的截面显 示在电极70之间感测到的磁场60与电动通量("EMF")场90之间的关系。
电极70还连接至读出装置80，以用于感测由EMF90引起的电势。可对读 出装置80加以配置，以在显示电压之前将电压变换成工程单位(例如cm/s)。
参见图3A，其以截面图形式显示本发明的另一实施例，其中磁性流量计 IO是由绝缘的非污染性、化学惰性材料主体或本体110制成。本文中所用术语 "绝缘的"是指主体或本体IIO的如下性质其既为非导电性，又能在化学上 耐受及对腐蚀性化学流体流40呈惰性，从而"隔离"流体流40。管道30形成 为穿过绝缘主体IIO流动。 一对电磁线圈130容纳于主体(或本体)110内。 在此种配置中，磁极50由电磁线圈130驱动，而电磁线圈130通过磁回路100 相连。图3A还显示以电极连接器120端接电极70。各电极连接器120分别连 接至仪用电缆125，仪用电缆125随后又路由至读出装置80 (未显示)。
图3B显示被遮蔽且受到保护而不受环境影响的本发明另一实施例的等角 投影图。流动通道30穿过绝缘主体(或本体)110形成，在绝缘主体110内容 纳有各种组件(磁极50、电磁线圈130、被屏蔽电极70以及磁回路100)。通 过将这些组件容纳于绝缘主体110内，可保护这些组件免受制造环境中典型作 业(例如灰尘、维护时冲洗下的物质以及化学溅出物)的影响。制造成本及复 杂度也会显著降低。
参见图3C，其显示包含外壳20C的内部部分140的本发明另一实施例。内 部部分140被外部部分150A及150B覆盖。此种布局使电磁线圈130能够安装 于外壳20C中并随后得到覆盖，从而保护其免受环境影响。
本发明之一类似实施例显示于图3D中。所述实施例显示外部部分150A与 150B配置成蛤壳布局形式。在所述实施例中，外部部分150A及150B相结合地 外接内部部分140。电极连接器120随后连接至电极70，以形成气密性密封来 保护内部组件不受环境影响。
参见图4A，其以截面图形式显示图3C所示实施例的侧视图。所述图显示 流动管道30沿流动轴线35通过内部部分140。还可看到电极70的一端75位 于流动管道30的润湿周缘37上。应注意，端部75与流体流40进行流体接触。
本发明的另一相关实施例显示于图4B中，其包含形成为收敛/扩张流道160 形式的流动管道30。管道30的此种几何形状用于在流体流经过磁场60时限制 流体流40，从而增大流速U。由于所产生的电动通量与U成正比，因而收敛/ 扩张流道160用于产生更大的电动通量90，从而提髙读出装置80所检测到的 信号对噪声比。
现在参见图5A及5B,其绘画般地示意性显示现有技术电极总成165。总 成165包含中央导电部件190，中央导电部件190通过电连接装置215连接至 放大器250的反相输入端253。放大器250的非反相输入端257连接至电接地 点230。中央导电部件190穿过外壳2及介电衬层193，并借助绝缘套管191 与外壳2电隔离。中央导体190在流体/导体界面198处接触电解流体195 (例 如水或酸抑或碱)。在流体195与中央导体190之间形成具有有功分量201与 无功分量202的复阻抗200。复阻抗200与电连接装置215的阻抗形成分压器。 因此，不正确的或衰减的电压提供至信号放大器220。此种"分压器效应"是 连接装置215的寄生电容260 (在图6中以虚线形式的电容器表示)与复阻抗 200的函数。分压器效应的支配性在具有金属探针的紧凑式磁性流量计中尤其 显著，这是因为其电极较小且因此界面198处的复阻抗200较高。此外，阻抗 200是几种物理性质的函数，包括流体195的导电率、中央导体190的尺寸、 以及中央导体190的材质。由于流体的导电率容易与流率不相干地发生变化， 因而衰减量可为动态的。
本发明电极总成167的实施例显示于图6中。总成165包含电屏蔽电极170。 电极170具有纵向轴线180，中央导电部件190即沿纵向轴线180定位。中央 导体190与环形导电部件225形成同心布局。中央导电部件与环形导电部件二 者均通过电连接装置215 (215A， 215B)连接至信号放大器220。环形导电部 件225与中央导电部件190通过第一绝缘部件210相互电隔离。屏蔽部件240 环绕并与环形导电部件225同心。屏蔽部件240连接至电接地点230。信号放 大器220的示意图显示运算放大器250,其非反相输入端257连接至中央导体
190,而反相输入端253连接至环形导电部件225。跳线连接270将反相输入端 253连接至运算放大器输出端280。图6所示实施例在运行时将固有电容260 驱动至低的阻抗，从而减小因与复阻抗200之间的相互作用而引起的动态误差。
导电部件190及225可由导电塑料制成，如在美国第5， 316, 035号及第 5，M9，017号专利案中所揭示，这两个美国专利案均以引用方式并入本文中。 此处，术语"塑料"笼统地指聚合物、含氟聚合物或其他特别适合耐受磁性流 鼂计内部及外部腐蚀性大气环境的劣化影响的介电材料。"塑料"材料的实例 包括但不限于聚二氟亚乙烯(polyvinylidine fluoride, PVDF)、聚醚醚酮 (polyetheretherketone, PEEK)、全氟烷氧基(perfluoroalkoxy， PFA)、 聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene， PTFE)、以及所属领域的技术人员 所知的具有适宜化学品耐受性的其他材料。当在本申请案中提及"导电塑料" 时，所述塑料被填充以导电材料微粒或纤维，这些微粒或纤维是整体地添加并 分布于整个塑料中。如此浸渍的导电材料可包括但不限于碳或铁，抑或同时包 括二者。此种塑料可使用于中央及环形导电塑料感测元件190及225中、以及 屏蔽部件240中。
尽管上文所详细呈现及论述的特定磁性流量计实施例完全能够实现所述 的目的和提供所述的优点，然而应理解，其仅仅是对本发明的例示。对于所属 领域的一般技术人员而言，本发明在实施时可作出的且仍属于本文所提供说明 的范围内的各种其他修改及改动是显而易见的。
权利要求
1.一种磁性流量计，其特征是包含外壳，其具有穿过其形成的管道，所述管道具有流动轴线；一对磁极，其以沿直径相对的关系设置于所述管道的两侧上，所述一对磁极位于实质上与所述流动轴线相交的第一横向轴线上并与所述第一横向轴线对齐；一对经电屏蔽的电极，其以沿直径相对的关系设置于所述管道的两侧上，所述电极是与所述管道流体连通并界定第二横向轴线，所述第二横向轴线实质上与所述第一横向轴线及所述流动轴线二者相交；其中所述经屏蔽的电极中的每一个均具有纵向轴线，并由中央导电部件、环形导电部件以及屏蔽部件构成，所述屏蔽部件是由至少一种导电材料制成并以与位于所述纵向轴线上的所述中央导电部件实质同心的方式布置，且所述环形部件位于所述中央导电部件与所述屏蔽部件之间；所述中央导电部件与所述环形导电部件相隔第一填隙绝缘部件；以及所述中央导电部件及所述环形导电部件适于耦接至信号放大器，所述屏蔽部件适于耦接至电接地点。
2. 如权利要求l所述的磁性流量计，其特征是所述信号放大器包含放大器，所述放大器具有反相输入端、非反相输入端 以及输出端；所述中央导电感测部件及所述环形导电部件分别连接至所述放大器的所 述反相输入端及所述非反相输入端以及所述反相输入端电连接至所述放大器输出端。
3. 如权利要求2所述的磁性流量计，其特征是所述中央导电部件及所述 环形导电部件是由导电塑料构成。
4. 一种磁性流量计，其特征是包含 外壳，其具有包含流动轴线的管道；一对磁极，其以沿直径相对的关系设置于所述管道的两侧上，所述一对磁 极与第一横向轴线对齐，所述第一横向轴线实质上与所述流动轴线相交一对电极，其以沿直径相对的关系设置于所述管道的两侧上，所述电极与 第二横向轴线对齐，所述第二横向轴线实质上与所述第一横向轴线及所述流动轴线二者相交，所述电极包含导电塑料感测部件，所述导电塑料感测部件由聚 醚醚酮与含氟聚合物材料所组成的群组中的至少一者构造而成。
5. 如权利要求4所述的磁性流量计，其特征是所述电极中的每一个均以 屏蔽布局构造而成，所述屏蔽布局具有纵向轴线、中央导电部件、环形导电部 件以及屏蔽部件，所述屏蔽部件是由至少一种导电材料制成并以与位于所述纵 向轴线上的所述中央导电部件实质同心的方式布置，且所述环形部件位于所述 中央导电部件与所述屏蔽部件之间；所述中央导电部件与所述环形导电部件相隔第一填隙绝缘部件；以及 所述中央导电部件及所述环形导电部件适于耦接至信号放大器，所述屏蔽 部件适于耦接至电接地点。
6. 如权利要求4所述的磁性流量计，其特征是所述导电塑料包含经碳微 粒或碳纤维浸渍的含氟聚合物。
7. —种磁性流量计，其特征是包含外壳，其由绝缘的非污染性、化学惰性材料形成，所述外壳具有内部部分、 至少 一外部部分以及供流体流过的管道，所述管道具有流动轴线；所述外壳具有一对沿直径相对的底孔，所述底孔形成于所述外壳中并邻近 所述管道，所述底孔是与实质上与所述流动轴线相交的第一横向轴线对齐，其 中所述有底孔中的每一个均配置用于紧固磁极；所述外壳具有一对沿直径相对的通孔，所述通孔贯穿所述外壳形成并与所 述管道流体连通，所述通孔是与实质上与所述第一横向轴线及所述纵向轴线二 者相交的第二横向轴线对齐，其中所述通孔中的每一个均配置用于紧固电极； 一对磁极，其适于分别插入至所述一对有底孔中的每一个内； 一对电极，其中所述电极适于分别插入所述一对通孔中的每一个内； 其中所述一个或多个外部部分适于封闭所述一对电极及所述一对磁极。
8. 如权利要求8所述的磁性流量计，其特征是所述磁极包含通过磁回路 进行连接的电磁铁，所述外壳适于封闭所述磁回路，且所述电极具有导电塑料 感测部件。
9. 如权利要求7所述的磁性流量计，其特征是所述电极包含经碳浸渍的 聚合物材料。
10. 如权利要求7所述的磁性流量计，其特征是所述绝缘材料是由非污染 性聚合物形成。
11. 一种用于磁性流量计的外壳，其特征是包含本体，其由绝缘的非污染性、化学惰性材料制成，所述本体具有内部部分、至少一外部部分、以及供流体流过的管道，所述管道具有流动轴线；所述本体中形成有一对沿直径相对的有底孔，所述有底孔位于第一横向轴线上并与所述第一横向轴线对齐，所述第一横向轴线实质上与所述管道的所述流动轴线相交，其中所述第一对有底孔适于接纳一对磁极；所述本体具有一对沿直径相对的通孔，所述通孔贯穿所述本体形成并接达所述管道，从而界定实质上与所述纵向轴线及所述第一横向轴线二者相交的第二横向轴线，所述一对通孔适于接纳一对电极；以及 所述至少一外部部分适于覆盖所述一对有底孔。
12. 如权利要求ll所述的外壳，其特征是所述非污染性材料是选自由如 下组成的群组聚四氟乙烯、聚二氟亚乙烯、聚醚醚酮、全氟烷氧基以及其他 氟碳聚合物。
13. 如权利要求ll所述的外壳，其特征是所述第二对沿直径相对的通孔 的所述第二横向轴线是实质上垂直于所述第一对沿直径相对的通孔的所述第 一横向轴线。
14. 一种在腐蚀性流体流动回路内使用磁性流量计来测量化学腐蚀性流体 的流量的方法，其特征是包含在所述流体流动回路中连接所述磁性流量计，所述磁性流量计包含 绝缘的非污染性、化学惰性外壳，其具有流动截面以及垂直于所述流动截面的纵向轴线，所述外壳界定供流体流过的管道；一对磁极，其沿直径彼此相对并设置于所述绝缘外壳的所述纵向轴线的相对侧上；一对电极，其沿直径彼此相对并设置于所述绝缘外壳的所述纵向轴线的相 对侧上，所述电极由含氟聚合物材料构成；形成通过所述纵向轴线的磁场，从而在所述电极之间感应电压差；以及 测量所述电极之间的所述电压差，并使所述电压差与所述腐蚀性流体的流 体流动速度相关联。
15. —种磁性流量计，其特征是包含绝缘的非污染性、化学惰性外壳，具有贯穿其形成的管道，所述管道具有 流动轴线；用于产生磁场的装置，所述磁场实质垂直于所述流动轴线；以及 用于检测实质垂直于所述流动轴线的电动通量的装置，其中所述通量检测 装置适于得到屏蔽以使通量检测最大化，并由含氟聚合物材料构造而成，所述 含氟聚合物材料经适合于感测所述电动通量的导电材料浸渍。
全文摘要
本发明揭示一种用于测量腐蚀性流动流的磁性流量计量装置及方法。所述装置利用单体构造，其中流动管道完全由绝缘的非导电材料构成，而无需使用金属外壳。电极中与所述流动流接触的部分是由能耐受腐蚀性介质的适宜的导电性聚合物材料制成。所述电极还具有模制于电极总成中的屏蔽件，以减小背景电噪声。本发明还利用能主动地驱动电极屏蔽电路(电极以及布线)的电性配置，以提供对电动势的更精确测量。
文档编号G01F1/58GK101189492SQ200680011065
公开日2008年5月28日 申请日期2006年2月2日 优先权日2005年2月4日
发明者D·L·韦尔斯, R·T·钦诺克 申请人:安堤格里斯公司