质量流量控制器以及在不关闭质量流量控制器的情况下自动调零流量传感器的方法

质量流量控制器以及在不关闭质量流量控制器的情况下自动调零流量传感器的方法
【专利摘要】一种MFC，包括：比例阀；质量流量传感器；第一流量线路，其从所述比例阀的出口通过所述质量流量传感器连接到退出线路；第二流量线路，其在位于所述质量流量传感器的上游的第一接头处和位于所述质量流量传感器的下游的第二接头处接合所述第一流量线路；切换阀，其放置在所述第一接头或所述第二接头处，以接合所述第一流量线路和所述第二流量线路，使得所述切换阀能够调节通过所述第一流量线路或所述第二流量线路的气体的流量；控制设备，其与所述比例阀和所述质量流量传感器连接，以提供反馈控制回路，用于基于所述质量流量传感器所测量的信号来调节所述比例阀，其中，所述控制设备包括用于当所述流量通过所述第二流量线路时保持流量退出所述退出线路的速率基本上恒定的程序。
【专利说明】质量流量控制器以及在不关闭质量流量控制器的情况下自动调零流量传感器的方法

【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及流体流量控制的领域，具体地，气体流量控制，更具体地，本发明涉及质量流量控制器以及用于自动调零其中所包括的质量流量传感器的方法。

【背景技术】
[0002]从I标准立方厘米每分钟(sccm)下至0.1sccm的典型范围中的气体的小质量流量速率的控制是挑战性的。然而，这一般在各种工业和分析应用(例如半导体制造和气相色谱仪)中是需要的。控制器典型地包括感测设备和控制设备。挑战来自感测方面和控制方面两者。本发明解决关于感测方面的问题。
[0003]图1示出传统质量流量控制器(MFC)的示意图。在其最简化形式中，MFC 100包括比例阀(PV) 101、质量流量传感器(FS) 102和用于创建反馈回路的控制电子电路(即控制设备)103。质量流量传感器102测量流量速率并且将电信号发送到控制设备103，控制设备103基于所接收到的信号来确定流量速率。确定一般基于与控制设备中存储的标准曲线的比较。基于这些确定，控制设备103然后调节比例阀101，以产生期望的流量速率。
[0004]在图1中，质量流量传感器102示出为处于比例阀101的下游。在一些设计中，质量流量传感器102可以处于比例阀101的上游。此外，存在具有旁路管形式的质量流量传感器的其它MFC，旁路管经由主通道穿过固定部分的什么流。当期望扩展测量范围时，典型地使用旁路管设计。
[0005]如上所述，质量流量传感器(例如图1所示的102)产生依赖流量的电信号，其由控制电子电路使用以确定对于比例阀(例如图1所示的101)的适当调节，以便控制气体流量。质量流量传感器所产生的电信号的精度对于流量的精确控制是关键的。因此，需要校准，以建立这些信号与典型地以标准立方厘米每分钟(sccm)或其它等效单位所表达的实际质量流量速率之间的关系。
[0006]质量流量传感器的校准开始于确定零流量条件(即，“零偏移(zero-offset) ”值)下的传感器信号。然后，测量用于若干预定的非零流量速率的信号，并且从这些信号的值减去零偏移值，以构建校准曲线。一旦这样的校准曲线得以创建，其通常就存储在MFC中的非易失性存储器中，并且恒定地供反馈回路控制参考。
[0007]当流量速率并不太小时，上述设置和校准通常工作得良好。对于小质量流量速率，质量流量传感器难以精确地测量信号，这是因为这些信号接近零偏移，并且无论质量流量传感器类型如何，也难以保持稳定的零偏移。
[0008]取决于MFC设计，零偏移可能对很多变量(例如温度、压力、传感器安装方位等)是敏感的。最常见并且重要的是传感器的温度灵敏度，随后是压力灵敏度。归因于各种原因，例如传感器内部应力释放，传感器也可能呈现出长期漂移。因此，对于商用产品，零偏移通常分别由其温度系数、压力系数和时间系数来表征。
[0009]目前，可以通过对温度补偿电路的仔细设计或通过将质量流量传感器保持在受控热区带中来减小温度灵敏度。可以通过对于压力的附加校准来解决压力灵敏度。
[0010]另一策略是每当可能并且必要时就自动调零质量流量传感器。在一些商用器械(例如安捷伦7890A气相色谱仪)中实施该策略。通过在短时间段(例如在每一轮的结束时1.5-6秒)内关闭MFC比例阀以创建零(或近零)流量条件来执行自动调零。在关闭期间，质量流量传感器进行测量，新获取的传感器信号用于更新零偏移值。自动调零是一种用于校正长期漂移或其它改变(例如突然改变)的有效方式。此外，自动调零也是一种用于解决温度和压力变化的可行方法。
[0011]然而，因为流量控制中断可能产生不利效果，所以针对自动调零校准关闭MFC比例阀的需要意味着仅可以在主动测量或分析处理之间安全地执行自动调零。此外，MFC中的比例阀通常并不是绝对关闭阀。结果，特定量的泄漏总是存在，并且任何泄漏将在零偏移中引入误差。为了在自动调零处理期间绝对确保零流量，在MFC的上游或下游或两侧需要附加的绝对关闭阀。这些附加的绝对关闭阀增加了总体系统成本和复杂性。
[0012]颁发给Wang等人的美国专利N0.5，542，286公开了一种校正气相色谱仪中的流量和压力传感器漂移的方法。在所描述的实施例之一中，当并不使用GC时，输入阀关闭，使得内部流量减少到零。然后使用流量传感器来测量所指示的流量的速率。在不应中断流量的情况下，描述在校准期间可用于将流量引导离开流量传感器的三通阀。
[0013]在’286专利的装置中，流量控制器用于控制进入入口的总流量。通过控制色谱柱和隔膜吹扫(s印turn purge)调节器的压力来控制柱和隔膜吹扫流量所需的低流量速率。因为这种特定设计以及装置使用流量传感器来控制总流量，所以当流量传感器被旁路时，来自流量控制器的总流量的改变可能产生。’ 286专利没有解决用于在校准期间将总流量保持在恒定值的方式。
[0014]存在校准期间控制无法使用压力值控制比例阀的低气体流量是重要的应用。对于需要低流量速率的精确和精准控制的应用，需要在持续足够地控制流量的同时校准传感器。


【发明内容】

[0015]本发明一方面涉及质量流量控制器(MFC)。根据本发明一个实施例的MFC包括:比例阀，其具有连接到第一外部线路的第一端口 ；质量流量传感器；第一流量线路，其从所述比例阀的第二端口通过所述质量流量传感器连接到第二外部线路，其中，所述第一外部线路和所述第二外部线路中的一条是用于对流体源的连接的进入线路，而所述第一外部线路和所述第二外部线路中的另一条是所述MFC的退出线路；第二流量线路，其在位于所述质量流量传感器的上游的第一接头处和位于所述质量流量传感器的下游的第二接头处接合所述第一流量线路；切换阀，其放置在所述第一接头或所述第二接头处，以接合所述第一流量线路和所述第二流量线路，使得所述切换阀可以调节通过所述第一流量线路或所述第二流量线路的气体的流量；控制设备，其中，所述控制设备与所述比例阀和所述质量流量传感器连接，以提供反馈控制回路，用于基于所述质量流量传感器所测量的信号来调节所述比例阀，其中，所述控制设备包括用于当所述流量通过所述第二流量线路时保持流量退出所述退出线路的速率基本上恒定的程序。
[0016]在一些实施例中，所述控制设备与所述切换阀连接，用于控制所述切换阀的切换动作。在一些实施例中，所述切换阀连接到分离控制设备，用于控制所述切换功能。在一些实施例中，所述比例阀处于所述流量传感器的上游，而在其它实施例中，所述比例阀处于所述流量传感器的下游。
[0017]在一些实施例中，所描述的任何MFC可以还包括温度传感器和/或压力传感器。在一些实施例中，所述温度传感器可以集成在所述压力传感器或所述流量传感器中。
[0018]本发明另一方面涉及用于制造质量流量控制器的方法，所述质量流量控制器包括:比例阀，其经由第一流量线路连接到质量流量传感器；控制设备，其用于基于所述质量流量传感器所测量的信号来控制所述比例阀。根据本发明一个实施例的方法包括:在第一接头处将第二流量线路的第一端连接到所述第一流量线路；将所述第二流量线路的第二端连接到切换阀；在第二接头处将所述切换阀连接到所述第一流量线路，其中，所述第一接头和所述第二接头中的一个位于所述质量流量传感器的上游，而另一个位于所述质量流量传感器的下游，其中，所述切换阀被配置为:调节通过所述第一流量线路或所述第二流量线路的气体流量。所述方法可以还包括:修改所述控制设备中的程序，使得所述控制设备被配置为:当所述流体流过所述第二流量线路时，使用伪信号来控制所述比例阀。所述方法可以还包括:将所述切换阀连接到控制设备，所述控制设备可以是用于控制所述比例阀的同一设备或可以是用于所述切换阀的分离电子电路控制件。
[0019]本发明另一方面涉及用于执行根据本发明实施例的质量流量控制器的自动调零的方法。根据本发明一个实施例的方法可以包括以下步骤:控制所述切换阀，使得气体流过所述第二流量线路并且旁路所述质量流量传感器；在气体流过所述第二流量线路的同时，使用所述质量流量传感器来测量零流量信号；基于所述零流量信号来更新所述质量流量控制器的零偏移。在一些实施例中，所述方法可以在自动调零处理期间保持出口流量速率基本上恒定，自动调零处理可以通过从所述控制电子电路(即所述控制设备)发送到所述比例阀的信号而得以实现。
[0020]根据以下描述和所附权利要求，本发明的其它方面和优点将是明显的。

【专利附图】

【附图说明】
[0021]附图示出本发明若干实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。
[0022]图1示出传统质量流量控制器(MFC)的示意图。
[0023]图2示出说明本发明实施例的原理的示意图。
[0024]图3A示出根据本发明一个实施例的正常流量状态下的MFC，其中，切换阀(SV)关闭。
[0025]图3B示出根据本发明一个实施例的自动调零状态下的MFC，其中，切换阀(SV)打开。
[0026]图3C示出包括压力传感器(PS)和/或温度传感器(TS)的本发明实施例。
[0027]图4A示出根据本发明一个实施例的正常流量状态下的MFC，其中，切换阀(SV)关闭。
[0028]图4B示出根据本发明一个实施例的自动调零状态下的MFC，其中，切换阀(SV)打开。
[0029]图4C示出包括压力传感器(PS)和/或温度传感器(TS)的本发明实施例。
[0030]图5 (A)和图5⑶示出根据本发明一个实施例的MFC的自动调零的结果。
[0031]图6A示出各种流量速率的本发明MFC的自动调零的结果。
[0032]图6B示出图6A中的图表的扩展区域以示出近零区域。
[0033]图7示出根据本发明一个实施例的用于制造MFC的方法。
[0034]图8示出根据本发明一个实施例的用于自动调零MFC的方法。

【具体实施方式】
[0035]本发明实施例涉及MFC和在无需中断输出流量而关闭MFC比例阀的情况下自动调零质量流量传感器的方法。本发明实施例提供真实零流量，使得在以基本上恒定的速率来控制出口处的流量的同时，可以获得精确的零偏移。因为无需在自动调零期间关闭气体流量，所以甚至在主动控制时段(即正常操作模式)期间，本发明实施例也允许在任何时间进行自动调零。因此，本发明实施例可以用作用于补偿因很多不同原因(例如长期漂移、温度改变、压力改变等)导致的零偏移转变的单独手段。
[0036]虽然本发明实施例可以用于流体(即液体和气体)控制，但以下描述可以使用“气体”流量控制来说明本发明实施例。然而，对“气体”的这种引用仅是为了说明的清楚，本领域技术人员应理解，该描述也可以应用于“液体”流量控制。
[0037]如在此使用的那样，术语“基本上恒定”指的是这样的值:在比流量控制处于切换离开位置的时间长10倍的时间段上，该值改变或变化不多于总计或平均流量中的5%，优选地不多于3%，更优选地不多于1%。
[0038]根据本发明实施例，MFC配备旁路气体流量线路和切换阀。旁路流量线路允许气体流量旁路质量流量传感器(或“流量传感器”)，切换阀用于控制气体的流量(即，旁路质量流量传感器或不旁路质量流量传感器)。
[0039]如示出旁路电路200的图2所示,旁路流量线路207可以从质量流量传感器202的上游的第一位置到质量流量传感器的下游的第二位置与主流量线路206连接。切换阀205可以位于第一接头(第一位置)处或第二接头(第二位置)处，在此，主流量线路206和旁路流量线路207相遇。切换阀205用于引导气体流过主线路206 (因此流过质量流量传感器202)或流过旁路流量线路207 (因此旁路质量流量传感器202)。当气体流量引导到旁路流量线路207时，质量流量传感器202将经历零气体流量，这允许质量流量传感器执行自动调零。
[0040]如上所述，在MFC中，比例阀可以处于质量流量传感器的上游或质量流量传感器的下游。根据本发明实施例，MFC可以具有在第一接头的上游或第二接头的下游的比例阀201，如图2所示。因此，本发明实施例可以包括MFC，该MFC具有在质量流量传感器的上游或下游的切换阀以及在接头的上游或下游的比例阀，在此，主流量线路和旁路流量线路相遇。
[0041]如在此使用的那样，术语“上游”和“下游”用在其关于流体流量的正常意义中。例如，在气相色谱仪中，上游更靠近气体源，下游更远离气体源。
[0042]以下示例将描述这些实施例中的一些。为了说明的清楚性，以下示例将假设比例阀处于上游。然而，本领域技术人员应理解，该描述也应用于具有在下游位置处的比例阀的替换实施例。
[0043]图3A和图3B示出本发明一个实施例的示意图，其中，切换阀位于质量流量传感器的上游。图3A和图3B分别示出在闭环状态和开环状态下的该MFC。参照图3A，该示例中的质量流量控制器300包括连接到控制电子电路(即控制设备)303的比例阀(PV) 301和质量流量传感器(FS)302。控制设备典型地具有计算和结果存储能力。其可以处于单一组件中，或功能可以是分布式的。用于MFC的控制设备一般包括某种用于输入和/或输出控制值的用户接口。根据本发明实施例，控制设备可以包括用于在MFC处于自动调零处理的同时保持MFC出口处的流量基本上恒定的程序。例如，在系统正执行自动调零的同时，该程序可以将信号从控制设备发送到比例阀，以主动控制比例阀的功能。
[0044]此外，切换阀(SV) 305部署在比例阀301与质量流量传感器302之间(即，质量流量传感器的上游)。切换阀305包括入口端口 305a，其经由流量线路分段304连接到比例阀301。此外，切换阀305具有两个出口端口 305b和305c。切换阀305上的出口端口 305b经由流量线路分段306连接到质量流量传感器302，而出口端口 305c连接到旁路流量线路307，旁路流量线路307旁路质量流量传感器302并且直接与MFC的退出线路308连接。
[0045]如图3A所示，切换阀305处于闭环状态下，其中，切换阀305中的入口端口 305a连接到出口端口 305b，使得允许气体流量从比例阀301经由切换阀305流到质量流量传感器 302。
[0046]这种闭环状态对应于当进行测量并且执行比例阀的主动控制时的情况。在该状态下，质量流量传感器302执行流量速率的测量，并且将所测量的信号发送到控制设备303。控制设备303使用这些信号和所存储的校准曲线来控制比例阀301。在切换阀305的这种闭环状态下，MFC 300处于操作模式下，其中，质量流量传感器302和控制电子电路303形成反馈回路，以控制比例阀301，使得控制期望的质量流量速率。
[0047]如上所述，MFC的校准对于对抗可能影响质量流量传感器所测量的信号的精度的各种因素(例如质量流量传感器信号的漂移)是必须的。具体地说，应随时校准来自质量流量传感器302的零偏移值，以避免错误读数。当需要该校准时，我们可以将切换阀305切换到开环状态，如图3B所示。
[0048]如图3B所示，切换阀305处于开环状态下，其中，切换阀305具有连接到另一出口端口 305c的入口端口 305a，出口端口 305c导联到旁路流量线路分段307，然后导联到退出线路308。在该开环状态下,气体流量旁路质量流量传感器302。因为气体流量旁路质量流量传感器302，所以质量流量传感器302处于零流量状态下。这允许质量流量传感器302进行零偏移的测量，零偏移然后可以用于校准零流量。
[0049]如图3B所示，在该实施例的情况下，无需在零偏移校准期间关闭比例阀301。因此，无需附加的绝对关闭阀。此外，除了在切换阀的切换期间的简短片刻之外，气体流量未受中断，系统压力将不改变。这使得系统更容易准备零偏移测量或返回正常测量。
[0050]根据本发明一些实施例，MFC可以还包括温度传感器(TS) 309a和/或压力传感器(PS) 309b，如图3C所示。温度传感器309a和压力传感器309b可以是本领域公知的任何合适的传感器。压力传感器309b例如可以放置在合适的位置(例如切换阀305的下游)处的流量线路306上。温度传感器309a可以放置在流量线路306上的任何地方。或者，温度传感器309a可以集成在压力传感器309b或质量流量传感器302中。通过这些温度传感器309a和/或压力传感器30%，可以在自动调零处理期间以及操作模式期间考虑温度和压力的变化。
[0051]本领域技术人员应理解，不同类型的质量流量传感器是可用的，并且可以用于本发明实施例，例如热型质量流量传感器或差压型流量传感器。在使用差压传感器测量跨越良好定义的流量电阻器的△ F以基于△ F和流量电阻器的特性来推导体积流量速率的差压型质量流量传感器的情况下，可以无需图3C所示的压力传感器30%。代之，差压传感器可以用于该目的。
[0052]如以上参照图2所注意到的那样，切换阀205可以放置在质量流量传感器202的上游或下游。虽然图3A-图3C所示的实施例具有在质量流量传感器302的上游的切换阀305，但图4A-图4C示出具有在质量流量传感器的下游的切换阀的替换实施例。
[0053]如图4A所示，MFC 400包括连接到控制电子电路(即控制设备)403的比例阀401和的质量流量传感器402。气体源连接到比例阀401，比例阀401然后经由第一流量线路406连接到质量流量传感器402。在质量流量传感器402的下游，第一流量线路406在切换阀405的第一输入端口 405a处连接到切换阀405。
[0054]第二流量线路407在其第一端处，在比例阀401与质量流量传感器402之间的位置(第一接头)处连接到第一流量线路406。第二流量线路407的第二端经由切换阀405的第二输入端口 405b连接到切换阀405。切换阀405还包括输出端口 405c，其连接到退出线路408。
[0055]如图4A所示，切换阀405将第一流量线路406连接到退出线路408。在该状态(闭环状态)下，气体可以从源通过比例阀401经由第一流量线路406流到质量流量传感器402和切换阀405，并且最终流到退出线路408。在该操作模式下，MFC 400可以通过基于从质量流量传感器402接收到的信号控制比例阀401来调节气体流量。
[0056]如图4B所示，当需要自动调零时，切换阀405切换到开环状态，其中，气体从源通过比例阀401流到第二流量线路407，然后流到切换阀405。该路径旁路质量流量传感器402。因此，质量流量传感器402处于零流量状态下。零流量状态的质量流量传感器402所进行的测量将提供零偏移，其可以用于在操作模式下校准读数。
[0057]根据本发明一些实施例，图4A或图4B所示的MFC 400可以还包括温度传感器409a和/或压力传感器409b，如图4C所示。压力传感器409b a例如可以放置在包括切换阀405的下游的任何合适的位置处的第一流量线路406或第二流量线路407上。相似地，温度传感器409a可以放置在第一流量线路406或第二流量线路407上的任何地方。或者，温度传感器409a可以集成在压力传感器409b或质量流量传感器402中。通过这些温度传感器409a和压力传感器40%，可以在自动调零处理期间以及操作模式期间考虑温度和压力的变化。此外，在自动调零处理期间，当流量临时切换离开流量传感器时，压力传感器读数可以用于控制流量。这将在稍后详细描述。
[0058]以上描述示出本发明一些示例性实施例。这些示例仅是为了说明而不是意味着限制本发明的范围。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明范围的情况下，这些示例的其它变形和修改是可能的。例如，虽然以上示例都具有在质量流量传感器的上游的比例阀，但本发明还包括具有在质量流量传感器的下游的比例阀的实施例。
[0059]在本发明实施例的情况下，自动调零可以在任何时间(例如按固定频率(例如每60秒一次)或服从任何合适的调度)发生。执行自动调零的频率可以取决于可导致零偏移转变的因素所产生的变化的速率。或者，也可以按需触发自动调零。例如，温度传感器可以可选地包括于MFC内部或附近，以监控环境温度改变。如果检测到温度变化超过预定阈值，则可以激活自动调零处理。
[0060]本发明实施例的一个优点是:在自动调零处理期间，在MFC的出口处的气体流量不受干扰。因此，在自动调零处理期间，比例阀可以持续运作或由控制设备调节，以维持比例阀的正常操作。各种方法可以用于允许在自动调零处理期间主动地控制比例阀。例如，在自动调零处理期间，“伪”信号可以从控制设备发送到比例阀，仿佛系统仍然处于正常操作模式下。
[0061]可以用于在自动调零处理期间控制比例阀的伪信号可以来自很多源，包括质量流量传感器、比例阀和压力传感器。例如，伪信号可以是自动调零开始之前基于质量流量传感器的历史读数的预测(投影)值，或伪信号可以是自动调零开始之前质量流量传感器的最后读数。预测(或投影)可以使用任何合适的形式，例如线性投影。除了使用来自质量流量传感器的信号之外，伪信号也可以基于来自其它设备的读数，例如比例阀驱动信号、温度传感器信号或压力传感器信号。
[0062]例如，可以通过正好在三通切换阀打开以旁路质量流量传感器之前读取闭环(正常操作模式)比例阀驱动的值来获得伪信号。该最后读数可以用于创建比例阀设备的“固定占空比”一即，在自动调零处理期间固定或维持比例阀操作。也就是说，对于流量通过三通切换阀的动作而在质量流量传感器周围偏离的时间的持续时段，比例阀驱动可以锁定在该值。或者，可以投影(外推)自动调零处理期间比例阀读数应该是什么，并且在自动调零处理期间使用该投影的(外推的)值来控制比例阀。投影或外推可以基于简单线性函数或任何合适的函数。
[0063]在其它示例中，伪信号可以基于压力传感器或温度传感器信号。在该方法中，控制设备可以基于压力或温度传感器信号来控制比例阀驱动。例如，可以在切换到自动调零模式之前或在根据需要而进入短切换的持续时间的合适投影的情况下使用来自压力传感器的压力信号。
[0064]总之，可以用于在自动调零期间控制比例阀的各种控制信号(伪信号)可以来自任何合适的传感器或设备(例如质量流量传感器、比例阀、压力传感器或温度传感器)。信号可以是正好在切换到自动调零模式之前的设备或传感器的读数，并且控制信号(伪信号)被锁定在这些值。或者，伪信号可以是投影的(外推的)信号。相似地，伪信号可以是固定读数(例如正好在切换之前的读数)以及任何合适的调制信号的组合。
[0065]图5A和图5B示出如图3A-3C所示的来自使用根据本发明一个实施例的MFC的自动调零处理的测试运行的结果。使用Agilent VEE(Visual Engineering Environment,视觉工程环境)程序来修改控制程序。在该测试中，气体流量从质量流量传感器偏离达到简短持续时间。在示出切换到自动调零处理期间来自质量流量传感器的读数的图5A中，噪声线501是原始质量流量传感器读数，平滑图线502是质量流量传感器信号的滤波版本。在图5B中，示出比切换持续时间(即自动调零持续时间)长10倍的时段的质量流量传感器读数。图5B中的结果示出该时段期间流量维持基本上恒定。
[0066]通常，使用本发明实施例，可以在短持续时间(例如几秒)的情况下执行自动调零处理，以使得气体流量偏离质量流量传感器。持续时间可以是例如3秒或更短，优选地2秒或更短，更优选地短于I秒。例如，图5中的测试示出短于I秒的相当短时段对于自动调零处理是足够的。
[0067]用于自动调零的一个重要特性是结果的可重复性。已经在各种条件下测试本发明实施例，零偏移读数的变化典型地在百分之几之内。
[0068]在另一实验中，使用图4A-图4C所示的MFC。图6A示出使用2秒自动调零持续时间范围从Ssccm下至Osccm的用于不同气体流量速率的质量流量传感器数据。在这些测试中，流量穿过质量流量传感器达到8秒，然后偏向到旁路流量线路达到2秒。根据结果清楚的是，无论流量速率如何，用于自动调零的2秒持续时间足够为自动调零创建稳定的零流量条件。图6B示出零流量速率附近的扩展区域。该曲线图示出质量流量传感器使用本发明的MFC所检测到的零流量速率。图6B还示出比例阀的泄漏速率(大约0.024sccm)。
[0069]根据以上实验，清楚的是，本发明实施例具有若干优点。本发明的MFC可以提供用于可靠自动调零处理的真实零流量速率。自动调零处理可以十分简短(毫秒至秒的范围)，并且无需中断系统中的气体流量。此外，本发明实施例可以用于在自动调零处理期间维持恒定流量。
[0070]本发明一些实施例涉及用于制造上述MFC的方法。图7示出用于制造MFC的本发明示例性方法，所述MFC包括经由第一流量线路连接到质量流量传感器的比例阀。MFC还包括控制设备，其与所述比例阀和所述质量流量传感器连接，以形成反馈控制回路，用于基于所述质量流量传感器所测量的信号来调节所述比例阀。所述方法可以包括:修改传统MFC或从各种组件制造MFC。
[0071]如图7所示，根据本发明一个实施例的方法700包括:在第一接头处将第二流量线路的第一端连接到所述第一流量线路(步骤702);将所述第二流量线路的第二端连接到切换阀(步骤704);在第二接头处将所述切换阀连接到所述第一流量线路(步骤706)。所述第一接头和所述第二接头中的一个位于质量流量传感器的上游，而另一个位于质量流量传感器的下游，如图2所示。
[0072]如在此使用的那样，第一流量线路和第二流量线路的“连接”或“接合”可以是本领域公知的任何手段，例如使用T适配器或Y适配器。当切换阀(例如3通切换阀)放置在这些接头中的一个之处时，这两条流量线路连接到切换阀上的适当端口。这些技术是本领域公知的。
[0073]所述方法可以还包括:将所述切换阀连接到控制设备(步骤708)。所述切换阀可以连接到所述控制设备，所述控制设备还控制所述流量传感器和/或所述比例阀。或者，所述切换阀可以连接到分离控制设备，用于控制所述切换阀的功能。与本发明实施例一起使用的切换阀能够在两条流量线路之间切换，如图2所示。合适的切换阀可以是3通切换阀；然而，本领域技术人员应理解，可以代之使用两个双通阀来实现相同的目的。相似地，也可以使用锁存(latching)电磁阀。在该描述中，为了说明的清楚，使用3通阀。然而，这些示例并不意味着限制本发明的范围。在该描述中，术语“切换阀”可以用作包括3通切换阀或将会实现相同目的的其它阀配置的普通术语。
[0074]图7所示的方法可以应用于修改传统MFC。本发明一些方法涉及从各种组件制造MFC。例如，一种这样的方法可以包括以下步骤:
[0075].提供比例阀并且将其入口连接到气体源。
[0076]?提供第一流量线路，其中，其各端之一连接到所述比例阀出口，而另一端连接到3通切换阀的公共端口。
[0077].提供第二流量线路，其中，其各端之一连接到所述3通切换阀的第一输出端口(其可以是NO端口(常开端口)或NC端口(常闭端口)之一)，而另一端连接到质量流量传感器的输入端口，所述质量流量传感器测量在所述比例阀出口的下游的位置处的所述第二流量线路中的流量。
[0078].提供第三流量线路，其中，其各端之一连接到所述3通切换阀的第二出口端口(其将是所述NC端口或所述NO端口中的另一个)，而另一端连接到所述MFC的退出线路，所述MFC的退出线路连接到所述质量流量传感器的出口。
[0079]?提供所述比例阀的开环控制，使得当所述切换阀打开达到短时间段时，控制所述切换阀的公共端口处的期望的质量流量。此外，所述控制设备可以提供所述比例阀的开环控制，使得当所述切换阀打开达到短时间段时，控制所述切换阀的公共端口处的期望的质量流量。用于切换阀打开(即自动调零处理)的典型时间持续时段可以短于3秒，优选地短于I秒，在此期间，质量流量传感器测量新零偏移。
[0080].此外，可以可选地提供调度或触发机构以控制3通切换阀。
[0081]相似地，方法的另一示例可以包括以下步骤:
[0082].提供比例阀并且将其入口连接到气体源。
[0083].提供第一流量线路，其中，其各端之一连接到所述比例阀出口。
[0084].提供质量流量传感器，其测量所述比例阀出口的下游的位置处的所述第一流量线路中的流量。
[0085].提供第二流量线路，其中，其各端之一在所述比例阀出口的下游以及所述质量流量传感器的上游的位置处连接到所述第一流量线路。
[0086].提供切换阀(例如3通切换阀)，其使得其常闭端口(NC端口)或常开端口(NO端口)连接到所述第二流量线路的另一端，并使得所述切换阀的另一端口(即NO端口或NC端口)连接到所述质量流量传感器的下游的所述第一流量线路的另一端。
[0087]?提供控制电子电路(即控制设备)，以随着所述切换阀关闭而提供所述比例阀与所述质量流量传感器之间的反馈控制。
[0088]?提供所述比例阀的开环控制，使得当所述切换阀打开达到短时间段时，控制所述切换阀的公共端口处的期望的质量流量。此外，所述控制设备可以提供所述比例阀的开环控制，使得当所述切换阀打开达到短时间段时，控制所述切换阀的公共端口处的期望的质量流量。用于切换阀打开(即自动调零处理)的典型时间持续时段可以短于3秒，在此期间，质量流量传感器测量新零偏移。
[0089].此外，可以可选地提供调度或触发机构以控制3通切换阀。
[0090]本发明一些实施例涉及根据本发明实施例的用于自动调零MFC的方法。如图8所示，用于执行MFC的自动调零的方法800可以包括以下步骤:控制所述切换阀，使得气体流过所述第二流量线路并且旁路所述质量流量传感器(步骤802);在气体流过所述第二流量线路的同时，使用所述质量流量传感器来测量零流量信号(步骤804);基于所述零流量信号来更新所述质量流量控制器的零偏移(步骤806)。
[0091]本发明实施例可以包括以下优点中的一个或多个。本发明提供可以在不关闭气体流量的情况下校准的质量流量控制器。此外，本发明提供用于校准零偏移的方法；该校准可以用于通过通用方法来补偿因很多不同原因导致的质量流量传感器信号的漂移。可以在最小修改的情况下在现有设施中实现这些方法。
[0092]虽然在前面的说明书中已经公开了本发明若干实施例，但本领域技术人员应理解，本发明的很多修改以及其它实施例将落入本发明所属的构思，具有在前面描述和关联附图中提出的教导的优点。因此要理解，本发明不限于在此所公开的特定实施例，本发明的很多修改和其它实施例旨在包括于本发明的范围内。此外，虽然在此采用特定术语，但它们仅用于普通和描述性的意义上，而并非限制所描述的发明的目的。
【权利要求】
1.一种质量流量控制器，包括: 比例阀，其具有连接到第一外部线路的第一端口； 质量流量传感器； 第一流量线路，其从所述比例阀的第二端口通过所述质量流量传感器连接到第二外部线路，其中，所述第一外部线路和所述第二外部线路中的一条是用于对流体源的连接的进入线路，而所述第一外部线路和所述第二外部线路中的另一条是退出线路； 第二流量线路，其在位于所述质量流量传感器的上游的第一接头处和位于所述质量流量传感器的下游的第二接头处接合所述第一流量线路； 切换阀，其放置在所述第一接头或所述第二接头处，以接合所述第一流量线路和所述第二流量线路，使得所述切换阀能够调节通过所述第一流量线路或所述第二流量线路的流体的流量；以及 控制设备，其中，所述控制设备与所述比例阀和所述质量流量传感器连接，以提供反馈控制回路，用于基于所述质量流量传感器所测量的信号来调节所述比例阀，其中，所述控制设备包括用于当所述流量通过所述第二流量线路时保持流量退出所述退出线路的速率实质上恒定的程序。
2.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中，所述切换阀放置在所述第一接头处。
3.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中，所述切换阀放置在所述第二接头处。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的质量流量控制器，还包括:压力传感器。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的质量流量控制器，还包括:温度传感器。
6.如权利要求5所述的质量流量控制器，其中，所述温度传感器与所述流量传感器或所述压力传感器集成在一起。
7.如权利要求1-6中的任一项所述的质量流量控制器，其中，所述比例阀处于所述质量流量传感器的上游。
8.一种用于制造质量流量控制器的方法，所述质量流量控制器包括:比例阀，其经由第一流量线路连接到质量流量传感器；控制设备，其用于基于所述质量流量传感器所测量的信号来控制所述比例阀；所述方法包括: 在第一接头处将第二流量线路的第一端连接到所述第一流量线路； 将所述第二流量线路的第二端连接到切换阀； 在第二接头处将所述切换阀连接到所述第一流量线路，其中，所述第一接头和所述第二接头中的一个位于所述质量流量传感器的上游，而另一个位于所述质量流量传感器的下游，其中，所述切换阀被配置为:调节通过所述第一流量线路或所述第二流量线路的流体流量; 修改所述控制设备中的程序，使得所述控制设备被配置为:当所述流体流过所述第二流量线路时，使用伪信号来控制所述比例阀。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一接头位于所述质量流量传感器的上游，所述第二接头位于所述质量流量传感器的下游。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述第二接头位于所述质量流量传感器的上游，所述第一接头位于所述质量流量传感器的下游。
11.如权利要求8-10中的任一项所述的方法，其中，所述比例阀处于所述质量流量传感器的上游。
12.一种用于执行如权利要求1-7中的任一项所述的质量流量控制器的自动调零的方法，包括: 控制所述切换阀，使得流体流过所述第二流量线路并且旁路所述质量流量传感器； 保持流体流过所述第二流量线路以及流出退出线路的速率实质上恒定； 在流体流过所述第二流量线路的同时，使用所述质量流量传感器来测量零流量信号；以及 基于所述零流量信号来更新所述质量流量控制器的零偏移值。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第二接头位于所述质量流量传感器的上游，所述第一接头位于所述质量流量传感器的下游。
14.如权利要求11-13中的任一项所述的方法，其中，通过从所述控制设备发送到所述比例阀的信号来实现:保持流体流过所述第二流量线路以及流出所述退出线路的速率基本上恒定。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述信号基于在控制所述切换阀使得流体流过所述第二流量线路并且旁路所述质量流量传感器之前所述质量流量传感器所进行的测量。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述信号基于在控制所述切换阀使得流体流过所述第二流量线路并且旁路所述质量流量传感器之后所述压力传感器和/或所述温度传感器所进行的测量。
17.如权利要求12-16中的任一项所述的方法，其中，所述比例阀处于所述质量流量传感器的上游。
【文档编号】G01F25/00GK104380101SQ201280070436
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2012年2月22日 优先权日:2012年2月22日
【发明者】官晓胜, R·C·亨德森 申请人:安捷伦科技有限公司