流体控制装置、流体控制装置的控制方法、以及流体控制系统与流程

本发明涉及一种流体控制装置、流体控制装置的控制方法、以及流体控制系统，尤其涉及一种适应小型化的流体控制装置及其控制方法以及具备该流体控制装置的流体控制系统。

背景技术

在半导体制造装置或化工厂中，为了控制原料气体、蚀刻气体等流体，利用各种类型的流量计或压力计以及流体控制装置。其中，压力式流量控制装置被广泛利用，原因为能够通过将压电元件驱动型的控制阀和节流部(例如，流孔板(orificeplate)、临界喷嘴(criticalnozzle))组合起来的比较简单的结构而高精度地控制各种流体的流量。

在压力式流量控制装置中，利用如下原理进行流体控制：当满足临界膨胀条件p1/p2≧约2(p1：节流部上游侧的气体压力，p2：节流部下游侧的气体压力)时，通过节流部的气体的流量由上游压力p1来决定，而不由下游压力p2来决定。临界膨胀条件根据气体的种类或温度而不同。满足临界膨胀条件时，流量qc由例如以下公式赋予。

qc＝s·c·p1/t1^1/2

在此，s为流孔(orifice)截面面积，c为由气体物性决定的常数(流量因数：flowfactor)，t1为上游气体温度。根据上述公式可知，流量qc与上游压力p1成比例。因此，仅通过对设置在流孔上游侧的控制阀进行开闭调整等来控制上游压力p1，就能够高精度地控制下游流动的气体的流量。

另外，已知有不仅节流部上游侧，节流部下游侧也设置有压力传感器的压力式流量控制装置。在这样的压力式流量控制装置中，即使在上游压力p1和下游压力p2的差值小，不满足上述临界膨胀条件的情况下，也能够根据规定的计算公式qc＝kp2^m(p1-p2)ⁿ(这里，k为取决于流体种类和流体温度的比例常数，m、n为基于实际流量导出的指数)，算出流量qc。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2012-107871号公报

专利文献2：日本专利特开2016-21219号公报

用于半导体制造的处理气体的种类呈逐年増加的趋势，随之而来，气体供给线路的数量以及使用的流体控制装置的数量也越来越多。但是，在半导体制造装置上连接有多种设备，难以确保在半导体制造装置的附近设置多个流体控制装置的空间。因此，近年来，正在开发比现有大幅度细长化的极薄型(例如，宽度约10mm)的流体控制装置。

在专利文献1中公开了一种流量控制系统，其相对于多个流量测量器，安装了将多个流量测量器集中管理的控制设备。在专利文献1中记载的流量控制系统中，通过将多个流量测量器的结构的一部分共通化并使控制设备持有，使流量测量器各自的厚度变薄。另外，在各个流量测量器上存储有相关的流量算出相关数据，控制设备利用从流量测量器的存储部获得的流量算出相关数据和测量数据，算出流量测量值。

另外，在专利文献2中记载了如下结构：为实现流量控制装置的小型化，通过夹置在流量控制装置和用户信息处理装置之间的中继器，将诊断用数据发送到诊断用装置。

但是，即使尽可能使流量控制装置薄型化，若将与流量控制装置相连接的控制设备设置在半导体制造装置的附近，也无法充分缩减设置空间。例如，在上述具备上游压力传感器和下游压力传感器的压力式流量控制装置中，由于内部元件的小型化存在极限，因此不易在半导体制造装置的附近确保控制设备用的空间。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述课题而完成的，其主要目的是，提供一种能够适应小型化、薄型化的流体控制装置及其控制方法以及具备该流体控制装置的流体控制系统。

根据本发明的实施方式的流体控制装置，具备流体控制模块和外部控制模块，所述流体控制模块具有流路、所述流路上的控制阀、驱动所述控制阀的阀驱动电路、设置于所述流路上的流体测量器、以及处理从所述流体测量器输出的信号的第一处理器，所述外部控制模块具有第二处理器，所述第二处理器处理所述第一处理器输出的信号，所述第二处理器根据从所述第一处理器输出的所述流体测量器的信号而输出阀控制信号，所述阀控制信号不通过所述第一处理器，而是被直接输入到所述阀驱动电路，所述阀驱动电路根据来自所述第二处理器的所述阀控制信号而输出驱动所述控制阀的驱动电压。

在某一实施方式中，来自所述流体测量器的信号，在向所述外部控制模块输出之前进行a/d转换。

在某一实施方式中，所述第二处理器生成pwm信号并将其作为所述阀控制信号，所述阀驱动电路生成与所述pwm信号的占空比相应的驱动电压。

在某一实施方式中，所述控制阀为压电元件驱动型阀，所述阀驱动电路基于所述阀控制信号而使压电致动器升压或降压。

在某一实施方式中，所述流体控制模块和所述外部控制模块分别具备差动传输接口部，且通过多条电缆以差动传输方式进行数字通信。

在某一实施方式中，所述第二处理器以接收来自外部装置的信息信号的方式构成，所述外部控制模块和所述外部装置的通信通过ethercat进行，所述外部控制模块上设置有rj45连接器。

在某一实施方式中、所述流体控制模块上设置有存储器，所述存储器中存储有与所述流体控制模块相关联的个体信息，所述第二处理器能够读取所述个体信息。

在某一实施方式中，所述流体测量器为流量传感器或压力传感器。

在某一实施方式中，所述流体测量器包含：节流部，所述节流部设置在所述流路上；第一压力传感器，所述第一压力传感器设置在所述节流部的上游侧并且设置在所述控制阀的下游侧；和第二压力传感器，所述第二压力传感器设置在所述节流部的下游侧。

在某一实施方式中，所述流体控制模块还具备温度传感器，所述温度传感器用于测量所述控制阀和所述节流部之间的气体温度。

在某一实施方式中、所述流体控制模块包含：流孔内置阀，所述流孔内置阀包含作为所述节流部的流孔部件；和与所述流孔内置阀连接的电磁阀及所述电磁阀的驱动电路，所述外部控制模块不通过所述第一处理器，而是直接将控制所述电磁阀开闭的信号输出到所述电磁阀的驱动电路。

在根据本发明的实施方式的流体控制系统中，多条气体供给线路相对于一条公共气体供给线路并列配置，在所述多条气体供给线路的各条上，以所述流体控制模块与所述外部控制模块形成一对一的关系的方式，设置有上述任一流体控制装置。

另外，在某一实施方式中，流体控制装置具有流体控制模块和外部控制模块，所述流体控制模块具有流路、流体控制用的控制阀、控制所述控制阀开闭度的阀驱动电路、设置在所述流路上的流体测量器、和接收来自所述流体测量器的输出的第一处理器，所述外部控制模块与所述流体控制模块分开配置，且通过多条电缆与所述流体控制模块可通信地连接，所述外部控制模块具有第二处理器，所述第二处理器以接收来自所述第一处理器的信号的方式构成，且所述外部控制模块以将由所述第二处理器生成的信息信号输出到外部装置，或将来自外部装置的信息信号输入到所述第二处理器的方式构成，所述第二处理器从所述第一处理器接收所述流体测量器的信号，基于所述流体测量器的所述信号而生成阀控制信号，所述阀控制信号不通过所述第一处理器，而是直接输入到所述阀驱动电路，在所述阀驱动电路中转换为驱动电压而驱动所述控制阀。

根据本发明的实施方式的流体控制装置的控制方法，流体控制装置具备：流体控制模块，所述流体控制模块具有第一处理器；和外部控制模块，所述外部控制模块具有第二处理器，所述流体控制装置的控制方法包含：从设置于所述流体控制模块的流量测量器输出流量的信号的步骤；通过所述第一处理器将所述流量测量器输出的流量的信号输出到所述第二处理器的步骤；第二处理器基于所述输出的流量的信号而输出阀控制信号的步骤；不通过所述第一处理器地将所述输出的阀控制信号输出到配置于所述流体控制模块的阀驱动电路的步骤；和基于所述阀控制信号，所述阀驱动电路输出驱动电压，对设置在流路上的控制阀进行驱动的步骤。

发明效果

根据本发明的实施方式，能够提供一种小型轻薄的流体控制装置，另外，还能够提供安全设计的流体控制装置，能确保控制的安全性。

附图说明

图1为表示根据本发明的实施方式的流体控制装置与半导体制造装置相连接的方式的图。

图2为表示根据本发明的实施方式的流体控制装置的结构的图。

图3为表示根据本发明的实施方式的流体控制装置的电路图。

图4为表示根据本发明的实施方式的压电驱动电路的一个例子的图。

图5为表示施加给压电驱动电路的脉冲信号(数字信号)的占空比与施加给压电元件的驱动电压的关系的曲线图。

图6为表示连接器等的俯视图，该连接器设置在构成根据本发明的实施方式的流体控制装置的外部控制模块的外包装上。

标号说明

1气体源

2气体供给线路

3处理腔室

4真空泵

5信息处理装置

10流体控制装置

12控制阀

12a隔膜阀

12b压电致动器

14节流部

16流孔内置阀

18电磁阀

fc流体控制模块

e外部控制模块

p1上游压力传感器

p2下游压力传感器

t温度传感器

具体实施方式

以下一面参照附图，一面对本发明的实施方式进行说明，但是本发明并不限定于以下实施方式。

图1表示流体控制系统，该流体控制系统组装了基于本发明实施方式的流体控制装置。在图1所示的流体控制系统中，相对于与半导体制造装置的处理腔室3相连接的一条公共气体供给线路，并列设置有n条气体供给线路2，且设置有与n条气体供给线路2对应的n个流体控制装置10。

在各条气体供给线路2上，来自气体源1的气体(原料气体、蚀刻气体等)，由流体控制装置10控制流量和压力并供给到处理腔室3。真空泵4与处理腔室3相连接，半导体制造处理中，能够将处理腔室3内抽真空。另外，在各条气体供给线路2上设置有下游阀(开闭阀)vn，通过设置在打开状态的下游阀vn，仅需要的气体被供给到处理腔室3。

在本实施方式中，多个流体控制装置10分别以一对一的关系具备流体控制模块fcn和外部控制模块en。流体控制模块fcn和外部控制模块en相互分开配置，并且流体控制模块fcn和外部控制模块en通过高速数字通信用电缆cn连接。电缆cn具有例如0.5m～3m的长度，据此，能够在与设置在处理腔室3附近的流体控制模块fcn相分离的位置，设置外部控制模块en。

另外，外部控制模块e1～en通过ethercat(注册商标)与信息处理装置(外部装置)5网络连接。外部控制模块e1～en上设置有与ethercat相对应的rj45连接器10a，能够通过与其连接的ethercat电缆与信息处理装置5进行通信。信息处理装置5可以为，例如，具备用户输入装置的通用的计算机等。

图2为表示一对流体控制模块fc及外部控制模块e的图。如参照图1进行说明的那样，流体控制模块fc和外部控制模块e通过数字通信用电缆cn连接，更具体地，通过分别设置的lvds(lowvoltagedifferentialsignaling)接口部25、35，以差动传输方式进行数字信号通信。

lvds具有能够进行高速的数据传输的优点，进一步地，具有能够在控制噪音的同时进行远距离传输的优点。因此，若使用lvds，则即使在将流体控制模块fc和外部控制模块e分开设置时，也能够实现相互间高可靠性且高速的通信。

在上述结构中，流体控制模块fc具有气体流路11，并且具备夹置在气体流路中的节流部14、设置在节流部14上游侧的第一压力传感器p1及温度传感器t、设置在第一压力传感器p1的上游侧的控制阀12、设置在节流部14的下游侧的第二压力传感器p2。第一压力传感器p1能够测量控制阀12和节流部14之间的流路的压力，第二压力传感器p2能够测量节流部14的下游侧(例如，节流部14和下游阀vn(参照图1)之间的流路)的压力。

在本实施方式中，流体控制模块fc具有与压力式流量控制装置相同的结构，作为设置在流路上的流体测量器，具备第一压力传感器p1及第二压力传感器p2。但是，不限于此，流体控制模块fc也可以具有如下结构：具备其他方式的流体测量器(例如，流量传感器)，用来代替第一及第二压力传感器p1，或追加到第一及第二压力传感器p1。

另外，在图示的流体控制模块fc上，设置有与节流部14一体形成的流孔内置阀16，电磁阀18与流孔内置阀16相连接。流孔内置阀16为典型地由流体动作阀(aov等)构成的开闭阀，使用电磁阀18来控制作动(驱动)流体向流孔内置阀16的供给，由此来开闭流孔内置阀16。通过流孔内置阀16，例如，可以实现间歇性的气体流动，或可以向处理腔室进行高速且可靠的气体隔断动作。在本实施方式中，节流部14通过流孔内置阀16所具有的流孔部件来实现，但不限于此，也可代替流孔内置阀16，为流孔板、临界喷嘴等节流部与阀独立设置的方式。

在流体控制模块fc中，虽然流路由配管形成，但除此之外，还可以作为设置在金属制块体上的孔而形成。第一压力传感器p1及第二压力传感器p2也可以为，例如，内置硅单晶的传感器芯片和隔膜的压力传感器。温度传感器也可以为，例如热敏电阻。控制阀12也可以为，例如，由金属制隔膜阀12a和作为驱动部的压电致动器12b构成的压电驱动型阀。

另外，流体控制模块fc具有电路基板，该电路基板上设置有：a/d转换器(a/d转换电路)22、小型处理器(第一处理器)20、存储器(例如eeprom)24、lvds接口部25。在该结构中，第一压力传感器p1、第二压力传感器p2及温度传感器t的输出(即，流体测量器的输出)被输入到a/d转换器22，转换为数字信号并输入到小型处理器20。小型处理器20能够通过lvds接口部25及第一电缆l1，将数据信号sd输出到外部控制模块e。

并且，流体测量器可以取各种结构，但在本说明书中，流体测量器的输出是指，除了数字信号等信号以外，还包含电压等，包含从流体测量器输出的全部。另外，图2中示出有a/d转换器22和小型处理器20分开的方式，但是，a/d转换器22也可以内置在小型处理器20中。这种情况下，来自流体测量器的输出通过小型处理器内的a/d转换器，作为数字信号被输入到处理部。

另外，流体控制模块fc的电路基板上设置有：用于对控制阀12进行控制的阀驱动电路26、用于控制电磁阀18的电磁阀驱动电路28。但是，阀驱动电路26及电磁阀驱动电路28并不与上述小型处理器20连接，如后述那样，以从外部控制模块e直接接收数字的阀控制信号sv1、sv2的方式构成。

另一方面，外部控制模块e的电路基板上设置有通信/控制处理器(第二处理器)30和ethercat通信电路32，其中，通信/控制处理器(第二处理器)30以通过lvds接口部35从流体控制模块fc的小型处理器20接收数字数据信号sd的方式构成。另外，如图所示，外部控制模块e上也设置有与外部电源(例如，dc24v)相连接的电源电路34。

图3为表示图2所示的流体控制模块fc及外部控制模块e上的基板上的具体的电路结构示例的图。在流体控制模块fc的电路基板上，设置有a/d转换器(a/d转换电路)22、小型处理器(第一处理器)20、存储器24、lvds接口部25，在外部控制模块e的电路基板上，设置有通信/控制处理器30、ethercat通信电路32、lvds接口部35、电源电路34。

参照图2及图3可知，在本实施方式的流体控制装置10中，流体控制模块fc和外部控制模块e通过多条数字通信用电缆l1～l3及电源电缆l4连接。更具体地，通过第一电缆l1、第二电缆l2、第三电缆l3、以及电源电缆l4连接，其中，第一电缆l1用于在小型处理器20和通信/控制处理器30之间进行数据信号的传输，第二电缆l2用于从通信/控制处理器30向阀驱动电路(在此为压电驱动电路)26进行流量控制信号的传输，第三电缆l3用于从通信/控制处理器30向电磁阀驱动电路28进行开闭信号的传输，电源电缆l4用于从电源电路34向流体控制模块fc进行以规定电压的电力供给。

在此结构中，通信/控制处理器30能够通过第一电缆l1从小型处理器20接收数字的压力信号或温度信号。另外，通信/控制处理器30也能够通过小型处理器20及第一电缆l1接收存储于流体控制模块fc的存储器(在此为eeprom)24中的流体控制模块个体信息。为了进行双向高速数字通信，作为第一电缆l1，可以使用例如长度为0.5～3m的合适的电缆。

并且，在存储于存储器24，且基于处理器20的控制而从通信/控制处理器30读取的流体控制模块个体信息中，包含例如，序列号、流量范围、流量补正、压力传感器的温度特性等。通信/控制处理器30能够利用读取的流体控制模块个体信息恰当地算出当前流量。

通信/控制处理器30基于接收的压力信号、温度信号、流体控制模块个体信息生成数字的流量控制信号。更具体地，通信/控制处理器30首先基于压力信号、温度信号等的输入的数据信号，算出当前的流量。流量例如在满足临界膨胀条件时可以基于上游压力及气体温度，在不满足临界膨胀条件时可以基于上游压力、下游压力及气体温度，并根据上述规定的计算公式求出。在此计算过程中，通过利用流体控制模块个体信息进行补正，能够更准确地算出该流体控制模块的流量。

通信/控制处理器30通过ethercat通信电路32从外部装置接收设定流量信号，并将算出的当前流量(运算流量)和设定流量进行比较，以消除差分的方式生成阀控制信号。

在此，作为阀控制信号，通信/控制处理器30生成作为脉冲变频的数字信号的pwm信号。pwm信号可以按照如下方式生成：基于设定流量与运算流量的比较，通过设定流量与运算流量一致的反馈控制，来调节pwm信号的占空比。

生成的pwm信号经由lvds接口部35，通过第二电缆l2被传输到流体控制模块fc，经由lvds接口部25被输入到阀驱动电路26。如此，阀控制信号(pwm信号)不通过小型处理器25，而是通过与第一电缆l1不同的第二电缆l2被直接输入到阀驱动电路26。作为第二电缆l2，可以使用例如长度为0.5～3m的合适的电缆。

阀驱动电路26基于接收到的阀控制信号对压电致动器进行升压/降压。图4为表示阀驱动电路26的结构示例的电路图，在本实施方式中，阀驱动电路26由斩波器式升压/降压转换器构成。

在斩波器式升压转换器中，在电源用晶体管(fet0)保持在on状态而供给电力的状态下，升压用晶体管(fet1)为on时，能量被蓄积到电抗器(l)中，为off时蓄积的能量叠加到输入电压并输出。接着，压电致动器的电容器通过输出的电压而被充电，且被设定为与该充电量相应的驱动电压。

在上述电路中，向升压用晶体管(fet1)的门输入作为阀控制信号的pwm信号，该pwm信号的占空比越大，电抗器中蓄积的能量的量越多。其结果，实现了升压用晶体管(fet1)的反复on-off和与占空比相应的升压，压电致动器的驱动电压上升。同样地，当想要使压电致动器的驱动电压降低时，通过将占空比小的pwm信号输入到图示的降压用晶体管(fet2)的门，能够进行与占空比相应的压电致动器的降压。

图5为表示从外部控制模块e输出并由阀驱动电路26接收到的pwm信号的占空比与施加在压电致动器上的驱动电压的关系的曲线图。由图5可知，压电致动器的驱动电压设定为与pwm信号的占空比大致成比例。因此，通过输出具有与所需的压电致动器的驱动电压(即，压电驱动阀的开闭度)相对应的占空比的pwm信号，外部控制模块e能够直接对控制阀12的开闭动作进行控制。并且，阀驱动电路26为模拟电路，pwm信号的占空比与阀驱动电压的关系也会因流体控制模块fc的个体而有差异。因此，也可以是表示上述关系的信息作为个体信息存储于存储器24，且外部控制模块e根据需要读取。

再次参照图2及图3，本实施方式的外部控制模块e的控制/通信处理器30通过第三电缆l3，向电磁阀驱动电路28直接输出数字的开闭信号sv2。即，电磁阀18的开闭动作不通过设置于流体控制模块fc的小型处理器20，而是由外部控制模块e直接控制。

在如上构成的流体控制装置10中，流体控制模块fc的小型处理器25只要对从第一及第二压力传感器或温度传感器的输出进行传输控制，或对存储器中存储的个体信息进行传输控制即可。因此，能够将电路基板乃至流体控制模块fc小型化。另外，将包含个体差异的模拟电路安装在流体控制模块fc侧，并将个体信息存储在存储器，因此，例如在外部控制模块e发生故障时，与新的外部控制模块e替换时，只通过从流体控制模块fc读取个体信息，即可容易地进行高精度的流体控制。

另外，在流体控制模块fc中，若为进行阀控制的方式，则由于是在与外部控制模块e通信断线时，流体控制模块fc侧能够随意进行控制的设计，所以可能会失去控制。对此，在本实施方式的流体控制装置10中，即使流体控制模块fc与外部控制模块e断线，由于控制阀或电磁阀的控制由外部控制模块e进行，所以控制会强制停止，比较安全。

如此能够促进流体控制模块fc的小型化，也可以具有例如10mm以下宽度的方式构成，进一步地，能够减少连接流体控制模块fc与外部控制模块e的硬件的数量，由此能够大幅削减半导体制造装置的附近的设置空间。

另外，与流体控制模块fc通过电缆分开配置的外部控制模块e可以具有比流体控制模块fc更大的尺寸，所以能够设置ethercat通信用的rj45连接器，并且能够使其适应于同外部装置的高速通信。

图6为表示设置在外部控制模块e的外包装(端面)上的连接器等的俯视图。在外部控制模块e上可以设置，如图所示，rj45连接器10a、显示设备10b、外部控制模块e的地址设定用的旋转开关10c、表示正常/异常状态的指示灯10d等。外部控制模块e可以设置在与半导体制造装置分开的位置，由于没有尺寸的限制，所以也能够容易地搭载横向宽度d为约13.5mm的rj45连接器10a。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但是可以进行各种改変。例如，通过更换为通信方式不同的外部控制模块，即使在使用相同的流体控制模块的情况下，也能够适应于各种各样的通信方式。作为通信方式，除了上述的ethercat通信之外，可以采用devicenet通信、rs485通信等。

另外，在实施方式中，使用压力传感器进行流量的测量，但当然也可使用流量传感器进行流量的测量。

产业上的可利用性

根据本发明的实施方式的流体控制装置，例如，由于与半导体制造的气体供给线路相连接而进行流体控制，所以优选利用。