流体质量流量控制器和流体流量计及测量和控制方法

1.一种流体质量流量控制器，用于控制向一工序的流体流量，所 述质量流量控制器包括：
一本体，该本体中包括一流体流通道；
一置于所述本体的流通道中的限流器；
一用于感测所述限流器上游的流通道中的流体压力的第一压力 传感器，及一用于感测所述限流器下游的流通道中的流体压力的第二 压力传感器；
一温度传感器，用于感测流过所述质量流量控制器的流体的温 度；
一位于所述流量控制器的上游的控制阀，用于控制通过所述流通 道的流体流量；及
一控制电路，该控制电路可操作地与所述控制阀、第一和第二压 力传感器以及温度传感器连接，用于在由所述第一和第二压力传感器 分别感测的压力之差所确定的跨限流器的压差、限流器下游的流通道 中的流体压力，以及流过所述质量流量控制器的所述流体的温度的基 础上，控制流过所述流量控制器的流体的质量流量。
2.如权利要求1中所述的质量流量控制器，其中：
所述控制电路包括一微控制器，该微控制器可操作地与所述第一 和第二压力传感器、所述温度传感器、所述流量控制阀及一存储器连 接，该存储器中包括具体说明对于通过所述限流器的质量流速、跨所 述限流器的所述流体的压差、在所述限流器下游流动的流体的压力和 温度的数据，所述微控制器可操作以提供：1)表示在一特定的压差、 下游压力和温度下通过所述流量控制器的所述流体的流速的输出信 号；2)操作所述控制阀以在与所述微控制器相联通的给定点流体流 速的基础上将流过所述流量控制器的所述流体的流量限定在一预定 量。
3.如权利要求2所述的质量流量控制器，包括：
一与所述微控制器连接的接口，该接口可操作为与一源连接，该 源用于接收对于至少一个预定的流体组成的相对跨限流器的压差以 及在流量控制器中所述限流器下游的压力的流体质量流速的数据 组。
4.如权利要求2所述的质量流量控制器，其中：
所述微控制器包括一存在所述存储器中的数据组，用于在预定的 温度、跨限流器的流体压差以及限流器下游的流体压力下检验该检验 流体的流量控制速度。
5.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中：
所述限流器包括一多孔塞。
6.如权利要求5所述的质量流量控制器，其中：
所述限流器包括一具有预定孔隙度的烧结金属塞。
7.如权利要求6所述的质量流量控制器，其中：
所述限流器的预定孔隙度对应于在所述限流器上游的一预定压 力和所述限流器下游的一预定压力下的一预定流体的多个预定质量 流速。
8.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中：
所述本体包括一个第一本体部件和一个第二本体部件，该第二本 体部件在所述第一本体部件与所述第二本体部件的配合面上可松开 地与所述第一本体部件连接，所述限流器安装在形成于一个所述本体 部件中的沉孔中，并可在所述本体部件彼此分离后拆除。
9.如权利要求8所述的质量流量控制器，其中：
其中所述第一和第二压力传感器中的一个安装在所述第一本体 部件上，所述第一和第二压力传感器中的另一个安装在所述第二本体 部件上，每个所述第一和第二压力传感器与一个在所述本体中和所述 流体通道相交的通道相连。
10.如权利要求9所述的质量流量控制器，其中：
所述控制阀安装在所述第一本体部件上，包括一置于所述流通道 中的关闭元件。
11.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中：
所述控制电路包括一微控制器，该微控制器包括一数字信号处理 器，一与所述数字信号处理器连接的存储器，一置于所述控制阀与所 述微控制器之间的阀驱动电路，及一与用于向所述微控制器传送至少 一个数据和指令的至少一个网络连接的接口。
12.如权利要求11所述的质量流量控制器，其中：
所述存储器包括一数据组，该数据组代表在跨限流器的一定范围 内的压差和所述限流器下游的流通道中的一定范围内的压力下，一特 定流体相对于一给定温度下的质量流速。
13.如权利要求12所述的质量流量控制器，包括：
所述存储器中的多个数据组代表在跨限流器的压差和限流器下 游的所述流体压力的基础上，相对于多个所述流体温度下的预定质量 流速。
14.如权利要求12所述的质量流量控制器，包括：
所述存储器中的多个数据组代表跨限流器的压差和限流器下游 的所述流体的压力的基础上，对于多种不同组成的流体的预定质量流 速。
15.用于测量已知流体组成的质量流量的流体流量计，所述流量 计包括：
一本体，该本体包括从其中穿过的一流体流通道；
一置于所述本体的流通道中的限流器；
一用于感测所述限流器上游的所述流通道中的流体压力的第一 压力传感器，及一用于感测所述限流器下游的所述流通道中流体压力 的第二压力传感器；
一用于感测流过所述流体流量计的流体的温度的温度传感器；
一控制电路，该控制电路可操作地与所述第一和第二压力传感器 以及所述温度传感器连接，用于在感测分别由所述第一和第二压力传 感器感测的所述流体压力之差所确定的跨限流器压差、限流器下游的 所述流通道中的所述流体压力，以及流经所述流体流量计的所述流体 的温度的基础上，测量经过所述流量计的流体的质量流量。
16.如权利要求15所述的流量计，其中：
所述控制电路包括一微控制器，该微控制器包括一信号处理器和 一与所述信号处理器连接的存储器，所述存储器包括一数据组，该数 据组代表在跨限流器的一定范围的压差和限流器下游的所述流通道 中的一定范围的压力下，一特定流体相对于一给定温度下的质量流 速。
17.如权利要求16所述的流量计，包括：
所述存储器内的多个数据组代表在跨限流器的压差和限流器下 游的所述流体的压力的基础上，相对于多个所述特定流体温度下的预 定质量流速。
18.如权利要求16所述的流量计，包括：
所述存储器内的多个数据组代表在跨限流器的压差和限流器下 游的所述流体的压力的基础上，相对于多种不同成分的流体下的预定 质量流速。
19.用于控制向一工序的流体流速的方法，包括：
提供一流体质量流量控制器，该流体质量流量控制器具有一本 体，一穿过所述本体的流通道，一置于所述流通道中的限流器，一用 于所述限流器上游的感测所述流通道中流体压力的第一压力传感 器，一用于感测所述限流器下游的所述流通道中流体压力的第二压力 传感器，一用于感测流过所述流体质量流量控制器的流体温度的温度 传感器，及一位于所述流量控制器的上游的控制阀，其用于控制通过 所述流通道和所述限流器的所述流体流量；
用所述第一和第二压力传感器测量多个流过所述流通道的所述 流体的压力；
在由所述第一和第二压力传感器测量的所述多个压力之差的基 础上确定跨限流器的压差；
测量流过所述流体质量流量控制器的所述流体的温度；
在所述跨限流器压差、由所述第二压力传感器测量的所述压力以 及由所述温度传感器测量的所述温度的基础上，确定流过所述控制器 的所述流体的质量流速；及
操作所述控制阀以改变流过所述流通道的流体的流量，直到流过 所述流通道的流体的质量流速基本上位于所述流体的质量流速的一 预定的给定点。
20.如权利要求19所述的方法，其中：
所述压力的测量是在约760乇至约0乇的范围内进行的。
21.如权利要求19所述的方法，其中：
流过所述流通道的所述流体的质量流速是通过将跨限流器的流 体压差和所述流通道中的所述下游压力与在跨限流器的所述流体的 各种压差和限流器下游的所述流体的各种压力的预定质量流速的一 个数据组进行对比而确定的。
22.如权利要求19所述的方法，包括：
将所述跨限流器的压差与在所述测量温度下的所述流通道中的 压力进行对比。
23.如权利要求19所述的方法，包括：
通过使所述经选择的流体流过所述限流器并在多个下游压力下 测量上游和下游压力，而获得由所述控制器控制的经选择流体的流速 的数据组。
24.如权利要求23所述的方法，包括下列步骤：
利用变化率测量设备测量所述流体的流速。
25.用于测量流体的质量流速的方法，包括：
提供一个本体，该本体包括一流通道和一置于其中的限流器；
使所述流体流过所述限流器，并在所述限流器的上游和下游测量 流过所述流通道的流体压力；
测量流过所述流通道的所述流体的温度；
在所述限流器的上游和下游的流体的压力之差的基础上确定跨 限流器的压差；
将流过所述限流器的所述压差、所述流通道下游的所述压力与流 过所述流通道的流体在跨限流器的各种压差和限流器下游的所述流 体的各种压力下的质量流速的数据组进行对比。
26.如权利要求25所述的方法，其中：
所述限流器下游的所述压力在约0乇至760乇范围内。
27.如权利要求25所述的方法，包括：
提供一个流体质量流量计，所述流量计包括所述本体，一用于感 测所述限流器上游的所述流通道中流体压力的第一压力传感器，及一 用于感测所述限流器下游的所述流通道中的压力的第二压力传感 器。
28.如权利要求25所述的方法，包括：
将跨限流器的压差和所述限流器下游的流通道中的所述压力与 在所述测量的温度以上或以下的经选择的温度下的多个质量流速的 数据组进行对比。

技术领域\n本发明涉及一种流体质量流量控制器，特别是用于控制在半导体 器件等的制造过程中使用的有毒或高活性气体的流量，还包括在数据 基础上操作控制器的方法，该数据将控制器操作与跨控制器的限流器 部分的流体压差以及由控制器观察的下游流体压力相互关联起来。\n背景技术\n已经进行了一些努力来开发精确流体质量流量控制器，特别是例 如在半导体器件的制造过程中所使用的用于控制流体如有毒和高活 性气体的质量流速的流量控制器。在半导体制造领域，多种气体用在 蚀刻和蒸发沉淀工序中，这些气体对于人体是有毒的，且当暴露于例 如大气条件下时还是高反应性的。已经开发了质量流量控制器用来测 量和控制上述类型流体的流速，其中测量是基于流体的热特性进行 的。还开发了基于测量跨限流器或小孔的压差的其它流体质量流量控 制器。这里所述类型的现有技术流体质量流量控制器的精度对于许多 流量控制器的应用是不够的。\n半导体制造工艺要求向工艺腔室中排放非常精确量的流体(主要 是气体)。例如，可能需要高达20升每分钟，低至几十分之一立方厘 米每分钟的流速。另外，用于控制半导体制造中的活性气体的流量控 制器的响应时间和稳定速度可能要求控制器能够对“ON”信号作出反 应，并在所需的0.5到1.0秒内的流体流速下保持稳定。工艺过程自身 可能持续几秒钟到几个小时，通常要求流体流量控制器的关闭响应时 间小于1秒。热基流体质量流量控制器很难达到以这样的速度反应和 稳定的能力。\n与这里所述的一般类型的现有技术流体质量流量控制器相关的 另一个问题在于，需要对各种工艺流体控制器进行校准。现有技术流 体质量流量控制器一般用惰性或无毒校准流体进行校准，这需要研究 转换系数或者转换数据组。由于用有毒或高活性气体校准每个控制仪 器在成本上不允许且对于操作人员很危险，现有技术质量流量控制器 一般基于惰性流体，如氮气或氩气，或者性质类似于将由质量流量控 制器控制的工艺流体性质的流体进行校准。使用校准流体和转换系数 的这种方法会将错误带入质量流量控制器的操作中，耗时因而昂贵。 现有技术质量流量控制器的不精确以及在初始设置和替换过程中校 准控制器所需的成本和时间，都相当大地增加了许多制造工艺的成 本，包括半导体器件的制造，以至于强烈需要对流体质量流量控制器 进行某些改进。\n因此，已经确定了对于特别是在上述制造过程中所使用类型的流 体质量流量控制器所迫切需要的改进。这些需要的改进包括，在控制 器给定点的百分之几范围内的控制器精度(至少需要百分之一)，如 由热基质量流量控制器经历的在高于或低于“正常”温度及各种位置 或姿态(即右侧朝上，向侧面，或顶部朝下)操作而不损失精度，对 于很宽范围流速的精确测量和控制，从打开到实现稳定的流量状态的 快速响应时间，制造经济以及不复杂的模块机械结构，以利于流量控 制器的维护，并有利于在用于制造过程的流体流量分配系统之外改变 流量控制器。流体质量流量控制器中所需的其它特征包括不需要在制 造时校准每个完成的控制器装置或者在维护之后校准仪器，提供一个 可靠的易于互换的限流器或孔口部件，易于在维护或更换限流器之后 校验流量控制器的可操作性和精度，以及对于多种有毒和/或活性气 体特别是在半导体制造工艺中使用的数百种气态形式的流体的精确 控制流速的能力，以及易于改变用于不同气体或液态流体的流速的控 制器工作数据。为此，提出了本发明。\n发明内容\n本发明提供一种改进的流体质量流量控制器和操作方法。特别 地，提供一种改进的质量流量控制器和操作方法，用于控制半导体器 件等的制造过程中使用的气态流体的流量。\n根据本发明的一个方面，提供了一种流体质量流量控制器，它通 过测量跨限流器的压差和限流器下游的压力，从而提供在一特定温度 下一特定流体的实际质量流量的读数。这种测量可仅用两个压力传感 器或压力换能器在被测量流体的一个很宽的温度范围内完成。\n本发明还提供一种改进的流体质量流量控制器，特别适于控制包 括在半导体制造过程中使用的有毒和活性气体的质量流速，其中流量 控制器包括快速响应时间在所需的给定点流速下稳定，且在给定点条 件下精确到小于百分之一误差。控制器还可操作而在最大和最小流速 之比为100比1的比率量级下，在很宽范围的这种流速下测量质量流 速。该质量流量控制器不需要用工艺流体或校准流体校准，因而在流 量测量过程中不需要转换系数。\n本发明还提供一种改进的流体质量流量控制器，该流量控制器通 过测量跨限流器的流体压差和限流器下游的压力来操作，其利用一定 范围的压差和下游压力下的选定流体的质量流量数据，所述控制器暴 露于该选定的流体且在其中工作。本发明的质量流量控制器和流量计 还可在由用于有毒和活性气体的所谓安全输送系统所经历的从高于 大气压到真空条件的很宽范围的入口压力下工作。另外，本发明包括 一流体质量流量控制器，它可结合一控制系统操作，该控制系统包括 一适当的处理器电路，如数字信号处理器，一非易失性存储器，用于 存储上述数据并可在需要时接收额外成组的数据。\n本发明还提供一种流体质量流量控制器，它具有机械上不复杂的 结构，形式上是模块式的，特别适于快速更换一可更换限流器，一个 或多个压力传感器及与控制器相关的一个单个流量控制阀。\n本发明还提供一种限流器，对于该限流器，流量对于压差和下游 压力的数据可作为多种流体的数据组而获得，特别适于与根据本发明 的以压力为基础的流体质量流量控制器或流量计，而且适用于其它应 用，且特别适于与有毒或活性气体一起使用。\n此外，本发明构想一种通过测量跨限流器的压差和限流器下游的 流体压力，特别是但不限于下游压力低于大气压的操作条件而测量和 /或控制质量流速的方法。本发明还构想一种操作流体质量流量控制 器的方法，其不需要用校准流体校准控制器，而是使用用于各种工艺 流体的控制器限流器部件的预定数据组，工艺流体可能包括有毒或高 反应性的流体。\n本发明还设想一种流体质量流量控制器，包括一微控制器或处理 器装置，其适于从两个压力传感器、一个温度传感器和指令信号输入 接收信号，同时向与流体质量流量控制器的相关控制阀提供一个适当 的模拟输出信号。此外，微控制器还可操作而支持RS485通信以及支 持用于从一远程地点接收数据并向一串联EEPROM提供和输入数据的 各种网络通信。因此，本发明构想一种操作流体质量流量控制器的方 法，其中表征用于不同流体的流量限流器的数据组可通过一网络远程 获取，以用于在各种流体上快速改变控制器的操作。\n具体地，本发明提出一种流体质量流量控制器，用于控制向一工 序的流体流量，所述质量流量控制器包括：一本体，该本体中包括一 流体流通道；一置于所述本体的流通道中的限流器；一用于感测所述 限流器上游的流通道中的流体压力的第一压力传感器，及一用于感测 所述限流器下游的流通道中的流体压力的第二压力传感器；一温度传 感器，用于感测流过所述质量流量控制器的流体的温度；一位于所述 流量控制器的上游的控制阀，用于控制通过所述流通道的流体流量； 及一控制电路，该控制电路可操作地与所述控制阀、第一和第二压力 传感器以及温度传感器连接，用于在由所述第一和第二压力传感器分 别感测的压力之差所确定的跨限流器的压差、限流器下游的流通道中 的流体压力，以及流过所述质量流量控制器的所述流体的温度的基础 上，控制流过所述流量控制器的流体的质量流量。\n所述控制电路包括一微控制器，该微控制器可操作地与所述第一 和第二压力传感器、所述温度传感器、所述流量控制阀及一存储器连 接，该存储器中包括具体说明对于通过所述限流器的质量流速、跨所 述限流器的所述流体的压差、在所述限流器下游流动的流体的压力和 温度的数据，所述微控制器可操作以提供：1)表示在一特定的压差、 下游压力和温度下通过所述流量控制器的所述流体的流速的输出信 号；2)操作所述控制阀以在与所述微控制器相联通的给定点流体流 速的基础上将流过所述流量控制器的所述流体的流量限定在一预定 量。\n包括：一与所述微控制器连接的接口，该接口可操作为与一源连 接，该源用于接收对于至少一个预定的流体组成的相对跨限流器的压 差以及在流量控制器中所述限流器下游的压力的流体质量流速的数 据组。\n所述微控制器包括一存在所述存储器中的数据组，用于在预定的 温度、跨限流器的流体压差以及限流器下游的流体压力下检验该检验 流体的流量控制速度。\n所述限流器包括一多孔塞。\n所述限流器包括一具有预定孔隙度的烧结金属塞。\n所述限流器的预定孔隙度对应于在所述限流器上游的一预定压 力和所述限流器下游的一预定压力下的一预定流体的多个预定质量 流速。\n所述本体包括一个第一本体部件和一个第二本体部件，该第二本 体部件在所述第一本体部件与所述第二本体部件的配合面上可松开 地与所述第一本体部件连接，所述限流器安装在形成于一个所述本体 部件中的沉孔中，并可在所述本体部件彼此分离后拆除。\n其中所述第一和第二压力传感器中的一个安装在所述第一本体 部件上，所述第一和第二压力传感器中的另一个安装在所述第二本体 部件上，每个所述第一和第二压力传感器与一个在所述本体中和所述 流体通道相交的通道相连。\n所述控制阀安装在所述第一本体部件上，包括一置于所述流通道 中的关闭元件。\n所述控制电路包括一微控制器，该微控制器包括一数字信号处理 器，一与所述数字信号处理器连接的存储器，一置于所述控制阀与所 述微控制器之间的阀驱动电路，及一与用于向所述微控制器传送至少 一个数据和指令的至少一个网络连接的接口。\n所述存储器包括一数据组，该数据组代表在跨限流器的一定范围 内的压差和所述限流器下游的流通道中的一定范围内的压力下，一特 定流体相对于一给定温度下的质量流速。\n包括：所述存储器中的多个数据组代表在跨限流器的压差和限流 器下游的所述流体压力的基础上，相对于多个所述流体温度下的预定 质量流速。\n包括：所述存储器中的多个数据组代表跨限流器的压差和限流器 下游的所述流体的压力的基础上，对于多种不同组成的流体的预定质 量流速。\n本发明也提出用于测量已知流体组成的质量流量的流体流量 计，所述流量计包括：一本体，该本体包括从其中穿过的一流体流通 道；一置于所述本体的流通道中的限流器；一用于感测所述限流器上 游的所述流通道中的流体压力的第一压力传感器，及一用于感测所述 限流器下游的所述流通道中流体压力的第二压力传感器；一用于感测 流过所述流体流量计的流体的温度的温度传感器；一控制电路，该控 制电路可操作地与所述第一和第二压力传感器以及所述温度传感器 连接，用于在感测分别由所述第一和第二压力传感器感测的所述流体 压力之差所确定的跨限流器压差、限流器下游的所述流通道中的所述 流体压力，以及流经所述流体流量计的所述流体的温度的基础上，测 量经过所述流量计的流体的质量流量。\n所述控制电路包括一微控制器，该微控制器包括一信号处理器和 一与所述信号处理器连接的存储器，所述存储器包括一数据组，该数 据组代表在跨限流器一定范围的压差和限流器下游的所述流通道中 的一定范围的压力下，一特定流体相对于一给定温度下的质量流速。\n所述存储器内的多个数据组代表在跨限流器的压差和限流器下 游的所述流体的压力的基础上，相对于多个所述特定流体温度下的预 定质量流速。\n所述存储器内的多个数据组代表在跨限流器的压差和限流器下 游的所述流体的压力的基础上，相对于多种不同成分的流体下的预定 质量流速。\n本发明还提出用于控制向一工序的流体流速的方法，包括：\n提供一流体质量流量控制器，该流体质量流量控制器具有一本 体，一穿过所述本体的流通道，一置于所述流通道中的限流器，一用 于所述限流器上游的感测所述流通道中流体压力的第一压力传感 器，一用于感测所述限流器下游的所述流通道中流体压力的第二压力 传感器，一用于感测流过所述流体质量流量控制器的流体温度的温度 传感器，及一位于所述流量控制器的上游的控制阀，其用于控制通过 所述流通道和所述限流器的所述流体流量；\n用所述第一和第二压力传感器测量多个流过所述流通道的所述 流体的压力；\n在由所述第一和第二压力传感器测量的所述多个压力之差的基 础上确定跨限流器的压差；\n测量流过所述流体质量流量控制器的所述流体的温度；\n在所述跨限流器压差、由所述第二压力传感器测量的所述压力以 及由所述温度传感器测量的所述温度的基础上，确定流过所述控制器 的所述流体的质量流速；及\n操作所述控制阀以改变流过所述流通道的流体的流量，直到流过 所述流通道的流体的质量流速基本上位于所述流体的质量流速的一 预定的给定点。\n所述压力的测量是在约760乇至约0乇的范围内进行的。\n流过所述流通道的所述流体的质量流速是通过将跨限流器的流 体压差和所述流通道中的所述下游压力与在跨限流器的所述流体的 各种压差和限流器下游的所述流体的各种压力的预定质量流速的一 个数据组进行对比而确定的。\n包括：将所述跨限流器的压差与在所述测量温度下的所述流通道 中的压力进行对比。\n包括：通过使所述经选择的流体流过所述限流器并在多个下游压 力下测量上游和下游压力，而获得由所述控制器控制的经选择流体的 流速的数据组。\n包括：利用变化率测量设备测量所述流体的流速。\n提出用于测量流体的质量流速的方法，包括：\n提供一个本体，该本体包括一流通道和一置于其中的限流器；使 所述流体流过所述限流器，并在所述限流器的上游和下游测量流过所 述流通道的流体压力；\n测量流过所述流通道的所述流体的温度；\n在所述限流器的上游和下游的流体的压力之差的基础上确定跨 限流器的压差；\n将流过所述限流器的所述压差、所述流通道下游的所述压力与流 过所述流通道的流体在跨限流器的各种压差和限流器下游的所述流 体的各种压力下的质量流速的数据组进行对比。\n所述限流器下游的所述压力在约0乇至760乇范围内。\n提供一个流体质量流量计，所述流量计包括所述本体，一用于感 测所述限流器上游的所述流通道中流体压力的第一压力传感器，及一 用于感测所述限流器下游的所述流通道中的压力的第二压力传感 器。\n将跨限流器的压差和所述限流器下游的流通道中的所述压力与 在所述测量的温度以上或以下的经选择的温度下的多个质量流速的 数据组进行对比。\n在结合附图阅读了下面的详细说明后，本领域技术人员将进一步 理解本发明的上述优点和优良特征以及其它重要方面。\n附图说明\n图1是本发明流体质量流量控制器的一定程序示意性的视图；\n图2是图1中所示控制器的一个纵向大致中心剖视图，示出通常与 之相关联的流体流量电路的某些特征；\n图3是根据本发明在图1和2中的流量控制器中使用的限流器的详 细剖视图；\n图4是一图表，表示作为均处于大约0乇到大约2000乇的相对低压 范围内的跨限流器压差和下游压力的函数的气态流体的质量流速；\n图5是根据本发明的限流器另一实施例及相关支承器件的纵向剖 视图；\n图6是与图4相似的图表，表示作为跨限流器的压差和下游压力的 函数的另一种限流器的特性；\n图7A和7B是完成图1和2中所示流体质量流量控制器的操作的某 些步骤的流程图。\n具体实施方式\n在下面的描述中，相同的元件分别在说明书和附图中用相同的标 号表示。附图不一定成比例，且为了清楚和简洁，某些特征可能是以 概括或示意的形式表示。\n参照图1和2，示出根据本发明的一改进的流体质量流量控制器， 大致以数字20表示。质量流量控制器20包括一个两部分模块本体22， 该模块本体22包括分别在配合平面24a和26a通过常规机械紧固件28 而彼此连接的大致矩形块状本体部件24和26。本体部件24和26设有适 当的流体传导连接器部分25和27，用于将流体质量流量控制器与用于 一系统的导管连接，该系统特别用于供应例如在半导体制造中使用的 气态有毒或反应流体。\n作为例子，如图2中所示，质量流量控制器20可设置在一制造系 统中，该系统包括一用于压力流体，如六氟化钨、氯气或六氟化硫的 源压力容器29。源压力容器29通过一适当的管路30与流量控制器20连 接，一清洁管路32同样与管路30和一未图示的清洁气体源连接，用于 在需要时将清洁流量控制器到一适当的接收器或涤气器34。但在流量 控制器20的操作过程中，对通过管路33进入一半导体制造腔室或容器 36中的流体进行精确的流量控制。通常例如由一个或多个真空泵37将 腔室36保持在一个大大降低的压力下。如图2中所示，流量控制器20 置于其中的该系统是作为例子以简化形式图示的，用于表示流量控制 器的一个优选应用。\n主要参照图2，本体部件24支承一电控流量控制阀40，该控制阀 40由未图示的常规机械紧固件可拆卸地安装在本体部件24的表面24b 上。阀40包括一电致动关闭元件41，该关闭元件41可操作而节流从本 体部件24的一内部通道42到本体部件24的一第二内部通道44之间的 流体的流量。阀40还包括一用于关闭元件41的致动器43。致动器43最 好是使用螺线管或压电材料的用于快速响应和精细控制关闭元件41 的类型。一第一压力传感器46同样可拆卸地安装在本体部件24上，并 与本体部件24中的一通道47相通，该通道47又与通道44相通。一第二 压力传感器48可拆卸地安装在本体部件26上，并与一向本体部件26中 的纵向通道50内部开放的通道49相通，该通道50还与导向制造腔室36 的管路33连接。压力传感器46和48可以是例如可从Honeywell Data Instruments Division购买的一种类型。控制阀40及压力传感器46 和48可以设置在图1中用于流量控制器20的一可拆卸盖51上。\n再参照图3，本体部件24包括一形成在其中的圆柱形沉孔54，该 沉孔54与用于接收一限流器56的通道44同心。限流器56支承在一管状 套管58中，该套管58可安装在一适当的管状适配器60中，该适配器60 支承在密封环62之间的沉孔54中。因此，很容易通过分开本体部件24 和26，拆除限流器及其支承套管58来拆除限流器56，并用具有相同流 量特性或经选择的其它流量特性的适当替换限流器更换限流器56。限 流器56最好包括一烧结的金属柱塞形元件，该柱塞形元件具有预定的 孔隙度，通过对足以在其中产生一个可由压力传感器46和48感测的压 差的流量进行限制而允许流体从中流过。限流器56例如可以由被适当 压缩和烧结而提供所需孔隙度和限流特性的不锈钢或镍颗粒制造。限 流器56有利地设置在位于控制阀40下游的流量控制器20中。\n再次参照图1，流量控制器20由一包括一微控制器的控制电路或 系统操作，该微控制器的特征在于它是一个数字信号处理器70，该处 理器70可操作地与一非易失性存储器如EEPROM72、一电源74和一适当 的阀驱动电路76相连。微控制器70可操作地与阀40相连，通过驱动器 76实现关闭元件41的运动。微控制器70还可操作地与压力传感器46和 48及一温度传感器78相连，该传感器78定位成用于感测在预定位置流 过控制器20的流体的温度。微控制器70还可操作地与一适当的接口80 相连，该接口80用于接收来自各种信息源的指令信号、数据组和程序 变化。\n微控制器70最好是一个可从Texas Instruments Incorporated 获得的TM320 LF2407定点微控制器。压力传感器46和48在正/负0.5 伏范围内工作，作为向承担自身A/D和D/A转换器的微控制器70的模拟 输入，具有14到16位的分辨率。其它模拟输入将用于温度传感器78， 是具有12位分辨率的0到5伏给定点指令信号输入。微控制器70还提供 模拟输出信号，用于通过驱动器76控制阀40的操作。与微控制器70的 通信可通过一RS4854-有线通信链接和/或一CAN(控制器区域网络) 来完成。微控制器70还能够支承一个用于仿真和排错的JTAG接口和一 个用于编程的加电引导输入程序。存储器72最好是一组具有至少4千 字节的EEPROM。\n微控制器70需要在用于压力传感器46和48的输入与用于控制阀 40的输出信号之间以每秒约100次的速度执行一个闭环控制功能。在 控制环发挥作用的同时通过接口80完成通信，尽管当不能保持控制环 更新时可进行新的数据传送或传送到存储器72。\n本发明的一个重要方面在于下面的发现，在质量流量控制器20的 正常操作范围内，流体的流速不仅是跨限流器56的压差的函数，而且 是基本上对应于制造腔室36中压力的绝对下游压力的函数。图4例如 示出作为跨限流器56的压差(乇)的函数，以及作为通道50、管路33 和制造腔室36中的下游压力(乇)的函数，以标准的立方厘米每分钟 (SCCM)为单位的流量的典型特性。图4中的图表显示，在图表中所 示压力范围内流过限流器的流体的流量特性可与由数字90表示的三 维表面相符。流动特性或表面90是针对一特定温度的。在图4的图表 中，对于所测试流体的质量流量特性90是在25℃下进行的。如图4中 所示，在较低温度下进行的测量例如将提供由表面92和94表示的流量 特性。由表面92表示的流量特性所针对的温度低于由表面94表示的流 量特性的温度，而由表面94确定的流量特性所处的温度低于开发流量 特性表面92所测量的温度。\n从图4中还将注意到，特别对于图表中所示压力范围来讲，跨限 流器的质量流速随下游压力而变化。例如，如果下游压力为大约0.0 乇，跨限流器的压差大约是1575.0乇，则对于所测试的特定限流器的 流速大约是280SCCM。但如果下游压力为760.0乇(标准大气压)，则 对于跨限流器的相同压差的流速大约为500SCCM。因此特别是以气态 形式流过限流器的流体的性质不仅取决于温度和压差，而且取决于限 流器下游的压力。\n图4中所示在不同的温度、跨限流器压差及下游压力下的流量特 性，是针对烧结金属型限流器的，如限流器56。可替换地，从图6中 看到，用数字95表示在25℃下对于边缘锋利的圆形小孔的相似的流量 特性。图4和6中所示的特定流量特性是针对氮气的，虽然对于这里所 述的限流器类型来讲，所示的其它气体是根据图4和6中所示的一般流 量特性而工作的。\n因此，对于与质量流量控制器如控制器20结合使用的特定类型限 流器，以及对于液态或气态形式的各种流体，包括在半导体制造中使 用的处理气体或蒸气来讲，可研究出与图4和6中的图表相符的流量特 性。\n可以不同的方式研究出代表三维流量特性，如图4中的表面90、 92和94的数据点，并输入流量控制器20的存储器72中。当在给定点模 式下操作时，流量控制器的微控制器70可编程到阀40的指令操作中， 以通过用压力传感器46和48感测跨限流器的压差，以反复确定实际流 速，直到流速基本上等于作为给定点编程到微控制器70中或者依照输 入微控制器中的指示的流速，而将流过流量控制器20的流量调节到接 近给定点。可用常规的流量测量设备来获得代表特定气体表面90、92 和94的数据点。\n还可用质量流量测量设备的变化速度来获得数据点。另外，可使 用这种流量测量设备来检验在其设计规格内流量控制器如流量控制 器20的工作，这种设备还可用于检验一个特定限流器是否处于其设计 规格内。当为这里所述类型的限流器和流量控制器建立了设计规格 后，可以用质量流量测量设备或其它质量流量测量设备并使用惰性气 体来检验每一个的性能，从而当分别在整个流量控制器或限流器上进 行检验测试的过程中，不需要使用有毒和高反应性的气体。例如，可 以在30磅每平方英寸(206.8kPa)输入压力下以50、100、500和 3000SCCM的流速来检验选定数量的数据点，对于流量控制器如控制器 20，或者对于限流器如限流器56来讲，排放压力是大气压。还可将代 表流量控制器20的设计规格的数据点输入存储器72中，以检验当用上 述流量测量设备的速度改变测试时流量控制器的可操作性。适当的速 度改变或者所谓上升速度的质量流量测量设备可通过购买得到。\n另外，流体质量流量控制器20还可通过其接口80与一网络连接， 该网络适于与一数据源连接，该数据源用于已经结合与流量控制器20 类型相同的控制器测试过的任何流体。通过这种方式，将由流量控制 器20控制的任何气体都可仅通过简单地查询存储在适当处理器中的 数据库而将其流量特性输入存储器72中。例如，流量控制器20的供应 商可具有存储在与之相连系用于多种气体的适当处理器和存储器中 的经选择的数据组，每个数据组基本上对应于分别向任一种类型限流 器提供图4和6中所示流量特性的数据组类型。使用流量控制器如流量 控制器20，并需要用带有特定气体的控制器开始的经授权的客户，只 需查询供应源，并通过一网络如互联网将所需数据组直接下载到微控 制器70及其存储器72。\n微控制器70的操作大致与图7A和7B中的流程图相符，不再进行详 细描述。微控制器或处理器70可操作而执行闭环控制和通信功能。闭 环控制最好在100次每秒的速度下进行，且需要进行查表或多项式运 算。全部代码都写成“C”。图7A的流程图中概括了微控制器或处理 器70的功能。图7A中的步骤100表示一个10毫秒中断，以起动处理器 70的关键功能。在步骤102中，处理器获得64个下游压力XD1的样本， 并对这些样本取平均值。在步骤104中，处理器70获得64个上游压力 XD2的样本，并对这些样本取平均值。步骤106对由软件标识CV1SN识 别的用于控制阀40的32个模拟输出信号取平均值。步骤108表示在信 号模式下处理器70的操作，从而在步骤110中获得32个0到5伏给定点 指令信号输入，在步骤112中获得32个0到5伏模拟输出信号。步骤114 表示模拟输入短路接地。步骤116表示处理器从温度传感器78获得32 个以TE1表示的信号样本，并对这些样本取平均值。步骤118将信号输 入转换成压力、流量和温度的英制单位。图7A中的步骤120例如用图4 中的表面90、92和94进行流量例行程序的计算。新处理器在步骤122 中进行到控制模式。\n图7B示出如何用成组的所谓三维映象，如表面90、92和94，为各 操作温度等进行流量例行程序的计算，从而作为跨限流器56的压差、 流通道50中的下游压力以及由传感器78感测的温度等变量的函数来 计算流量。一组流量在一定范围的下游压力下流过，并获得限流器56 的流速。该数据组代入三维曲线的一阵列中。所谓映象可以认为是相 对于x轴上的压差XD2-XD1和y轴上的排放或下游压力XD1绘制的在z轴 上的流量。\n最佳配合过程产生了不同的y值。通常，例如可以在XD1等于1、 50、100、300、500和700乇的情况下形成x-z曲线。然后在另一操作 温度下重复该过程。然后将校准数据从浮点数是非曲映射成处理器中 使用的定点量。将这些表下载到处理器中，并在流量计算过程中调 用。图7B的步骤124中获得校准数据是通过在最靠近由传感器78感测 的温度之上或之下的温度获得校准映象或表面而实现的。在步骤126 和128，通过在校准数据(CAL DATA)中为两个曲线内插压差XD2-XD1 而计算流量。当前校准温度下的流量是通过在校准流量数据点之间内 插而计算的。在步骤130和132中，当前CAL DATA温度下的流量是通过 在流量(0)和流量(1)之间内插用于流量(0)和流量(1)的XD1值和y轴 值而计算的。通过在流量温度(0)和流量温度(1)之间内插TE1值和经 选择的用于两个CAL DATA组的温度而计算流量。\n简要参照图5，如前所述，限流器56可结合其它流量控制器和相 关装置来操作。限流器56例如可以可拆卸地安装在常规装置，如面密 封接头配件中。配件110包括一纵向通孔112，该通孔112在一端为沉 孔，以提供一个接收柱塞限流器56及其管状支承套管58的孔114。套 管58可以是轻压配合在孔114中。作为例子，与流量控制器20结合使 用的限流器可以是一个直径大约为0.18英寸(4.57mm)长度大约为 0.18英寸(4.57mm)的柱塞，并可由多孔烧结不锈钢、镍或哈斯特洛伊 耐蚀镍基合金C-22制成。实心钢套管58可以由316L不锈钢制造。可以 设想，限流器56的制造公差可以是这样，只需要在排放到大气中的30 磅每平方英寸(206.8kPa)表压的限流器上游压力下，通过检验例如 50、100、500和3000SCCM的质量流速来检验限流器的性能特性。\n因此，对于限流器56或流量控制器20不需要校准或校准转换系 数。当进行使用时，可通过经过这些装置流过预定量的惰性气体，利 用前述用于检验性能的流量测量设备或类似的设备的改变速率来检 验流量控制器20和/或限流器56的可操作性。然后可将限流器和/或流 量控制器置于或返回到使用中，并确保各装置按照如图4中所示的流 量特性来工作。\n相信对于本领域技术人员来说，容易理解上面列出的质量流量控 制器20和限流器56的结构和工作，以及流量控制器的操作方法。另 外，流量控制器20用作流量计，并可用作将流体流速控制在一个给定 点条件下的流量计。\n尽管此处详细描述了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将 认识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可对本发明作各种 替换和修改。