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专利名称 | 微质量流量控制装置和方法 |
申请号 | CN98802455.1 | 申请日期 | 1998-02-11 |
法律状态 | 权利终止 | 申报国家 | 中国 |
公开/公告日 | 2000-03-15 | 公开/公告号 | CN1247605 |
优先权 | 暂无 | 优先权号 | 暂无 |
主分类号 | 暂无 | IPC分类号 | 暂无查看分类表>
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申请人 | 工程测量公司 | 申请人地址 | 美国科罗拉多
变更
专利地址、主体等相关变化,请及时变更,防止失效 |
权利人 | 工程测量公司 | 当前权利人 | 工程测量公司 |
发明人 | 查尔斯·E·米勒;杰里·C·怀斯;小理查德·B·巴尔斯利;路易斯·T·优希达;迈克尔·斯坦巴克 |
代理机构 | 永新专利商标代理有限公司 | 代理人 | 吴静波 |
摘要
一种微质量流量控制器10,包括一具有一振动阀26的声波抑制节流器28,该振动阀以时间调制顺序反复打开和关闭该节流器28,从而在一时段中把该声波抑制节流器28中的气体的质量流量设定在没有气流与最大质量流率之间。在一双压电晶片压电致动器40上阴极真空喷镀介电层78后用不锈钢或其他金属镀层80包住。该致动器40上有一盖件46,通过驱动该致动器40把在一湿粘合剂86中的该盖件46推靠到一阀座70,使该盖件与该阀座70重合,直到该粘合剂86固化。
技术领域\n本发明一般涉及流体流量控制器,特别涉及在非常低流率和低压 下流动的气体的质量流量控制器。\n现有技术\n有许多流量控制器,包括类型不同、流动气体的测量原理也不同 的不计其数的质量流量控制器。但是,用于流率非常低的气体的现有 流量控制技术在精确性、可靠性和耐用性方面尚有很大改进余地,尽 管对这类用于流率非常低的气体的流量控制器的需求在不断增长。例 如,在半导体工业中,非常精确的供气气流流入通常工作在真空下的 反应炉中,然后材料薄膜喷镀在基体上而形成半导体装置。\n当前在半导体工业中控制供气所使用的最常见质量流量控制技 术为一可变孔加上一节流器和节流器周围的一支管、该支管中的一加 热器和该支管中位于该加热器下游的一热电偶。加热器把热量赋予在 支管中流动的气体,然后气体把热量带给热电偶而加热热电偶,使热 电偶生成表示热电偶温度的电压。可变孔打得越开,在支管中流动的 气体越多,气体从加热器带到热电偶的热量越多,热电偶的温度越高, 热电偶上的电压越高。在测量设备中对热电偶电压进行测量和处理即 可知道气体流量并进行调节,以便把可变孔的开合保持在一定气体流 率所要求的大小上。\n这类现有流量控制系统的问题是可靠性差、响应慢、动态范围有 限。可靠性差大多是由于堵塞之类的硬性故障和过分漂移之类、从而 需要对测量设备不断进行校准的软性故障引起的。这类故障大大增加 了停机时间,从而反应炉的半导体装置产量下降。控制问题起因于热 电偶对流量变化的响应慢,通常约为一秒,从而开合信号向可变孔的 反馈慢,造成特定气体流率所要求的孔的超调量和调量不足。为保持 流率测量和控制的重复性和线性,工作压力必须为14065.2千克力/ 平方米-17581.5千克力/平方米(20-25p.s.i).,即使如此,使用这 一技术也只能获得±1%、通常更多是±6%的线性和重复性。这类控 制器的动态范围(也称为调节比,即可测量最大流率或阀的最大设定 点与可测量最小流率或最小设定点之比)最多约为100∶1。\n在半导体工业中提高气体质量流量控制器的精确性和可靠性不 仅能提高质量控制、从而提高半导体装置的质量,而且还可减少用于 校准和清洁的停机时间、提高气体利用率、提高产量。动态范围的加 大可扩大控制器的使用范围和通用性,其气流可用于各种不同沉积和 半导体装置结构。许多其他应用场合也要求提高气流控制的精确性和 重复性、可靠性和动态范围。\n本发明概述\n因此,本发明的一般目的是提供一种改进的用于流率非常低的气 体的流量控制器。\n本发明一更具体的目的是提供一种在非常低流率下比现有流量 控制技术更精确、更可靠的气体流量控制器。\n本发明另一更具体的目的是提供一种在非常低流率下比现有控 制技术动态范围或调节比更大的气体流量控制器。\n本发明的另一个目的是提供一种用于非常低流率气流的流量控 制器,它精确到足以计量和控制非常低气流流率。\n本发明的另一个具体目的是提供一种非常精确的流量控制器,用 来控制极不稳定气体、例如氯气和其他卤族元素和反应性或腐蚀性很 强的气体的非常低的气流流率。\n本发明的其他目的、优点和新颖特征的一部分在下述说明中给 出、一部分本技术领域普通技术人员从下述说明中一眼就可看出,或 可通过本发明的实施而理解。这些目的和优点可用本装置、特别结合 权利要求中的内容实现和获得。\n为实现上述和其他目的,按照本说明书实施和宽泛说明的本发明 目的,本发明微质量流量控制器可包括一具有一振动阀的声波抑制节 流器,该振动阀以时间调制顺序反复打开和关闭该节流器,从而在一 时段中把该声波抑制节流器中的气体的质量流量设定在没有气流与 最大质量流率之间或在没有气流与最大质量流率之间变动。在一双压 电晶片压电阀致动器上阴极真空喷镀介电层后用不锈钢或其他金属 镀层包住。该阀致动器上有一盖件,通过驱动该阀致动器把在湿粘合 剂中的该盖件推靠到一阀座上,使该盖件与该阀座重合,直到该粘合 剂固化。为实现上述和其他目的,按照本说明书实施和宽泛说明的本 发明目的,本发明方法包括下列步骤:以受时间调制的振动方式,顺 序开始和停止一在一节流器中流动的流体的受声波抑制的流动,从而 在该阀上强加一工作周期,该工作周期为打开时间与总时间之比,其 中,总时间为打开时间和关闭时间之和。\n更具体地,本发明提供一种流体流量控制装置,包括:由一分隔 物隔开的一进口气室和一出口,该分隔物有一伸展在所述进口气室与 出口之间的孔,所述进口气室与一气源连通,该气源使气体在所述进 口气室中的进口气室压力比所述出口中的出口压力足够大,从而在从 进口气室到出口的该孔中形成一声波抑制气流;一可打开或关闭所述 孔的阀,所述阀包括一盖件和一与所述盖件连接的阀致动器,该阀致 动器响应电控制信号在一打开位置与一关闭位置之间移动所述盖件, 在该打开位置,使气流在所述盖件和分隔物之间顺畅流向所述孔并使 声波抑制气流流过该孔,在该关闭位置,使气流无法流过该孔;一与 阀致动器连接的控制器,从而使得该阀致动器在一时间调制周期中以 大体上数字方式在打开位置与关闭位置之间来回振动该阀,该时间调 制周期把在该孔中流动的流体的有效质量流率设定在一最大流率设 定点与一最小流率设定点之间,如果阀始终处于该打开位置将出现该 最大流率设定点,如果阀始终处于该关闭位置将出现该最小流率设定 点。\n所述孔包括一缩颈节流部。所述缩颈节流部位于所述进口、位于 所述出口、或者位于所述进口与所述出口之间。\n另一方面,本发明还提供一种控制一流体的质量流率的方法,包 括:以大体上数字的、受时间调制的振动方式,顺序开始和停止一在 一节流器中流动的流体的受声波抑制的流动,从而在该流动流体上强 加一工作周期,该工作周期为该流体在一周期中流动时间与总时间之 比,总时间为流体在该周期中以受声波抑制方式流过节流器的时间与 不流动时间之和:其中,该质量流率为在该流体不间断的情况下该节 流器中最大流率与该工作周期的乘积。\n再一方面,本发明提供一种控制气体的质量流率的方法,包括: 在入口气室和出口之间设置一个横截面面积为A的孔;在所述入口气 室中以入口气室压力P1提供气体,入口气室压力P1足够的大,以使 受声波抑制的气流从所述入口气室经横截面面积为A的所述孔流向 所述出口;根据下式确定通过受声波抑制的孔的气体的瞬时最大质量 流率 \n其中,T1是气体的绝对温度,C*是取决于气体种类的矫正系数; 通过以数字的、受时间调制的振动方式停止和开始受声波抑制的流 动,产生在一个时间周期中以瞬时最大质量流率中所需的部分通过所 述孔的气体的实际质量流率 该方式使得气体以所述受声波抑制 的最大质量流率M流动所述时间周期中t的仅仅一部分,其中,所述 时间周期中t的一部分等于瞬时最大质量流率 的所述所需部分。\n又另一方面,本发明还提供一种质量流率控制装置,用于将以所 需的质量流率 从一个气室经一个孔流向一个出口的气流设定在各 种状态,其中,入口气室压力P1和气体温度T1是可测量的并且气体 类型是已知的,所述装置包括:可数字式打开和关闭的阀与所述孔的 组合,所述阀具有(i)盖件,所述盖件设置成当关闭时,所述阀阻 止所述气体流过所述孔,当完全打开时,所述气体流在所述孔的一个 横截面区域A受声波抑制;以及(ii)与所述盖件连接的阀致动器, 所述阀致动器能够瞬时地响应控制信号在关闭和完全打开位置之间 移动所述盖件,使得气流在所述一个横截面区域A被有效地停止或者 受声波抑制;以及一个控制器,所述控制器产生所述控制信号以便在 受时间调制的工作周期中在所述关闭和打开位置之间振动所述阀,所 述阀产生所述所需的质量流率 所述工作周期是所需的质量流率 与最大瞬时质量流率 之比,即 其中:\n\n而C*对所述气体类型是恒定的。\n附图的简要说明\n作为本说明书一部分的附图示出本发明优选实施例,并与下述说 明一起用来解释本发明原理。附图中:\n图1为本发明一微质量流量控制器的示意图,阀体的一部分剖视, 以揭示内部的阀致动器、阀座、声波喷嘴和其他控制部件;\n图2为图1微质量流量控制器实施例的正视图;\n图3为图1微质量流量控制器实施例的端视图;\n图4为沿图3中4-4线剖取的微质量流量控制器的剖面图;\n图5例示出受时间调制的电压信号和阀的工作周期以及相应的数 字振动阀的位置;\n图6为与一驱动电路串联的层叠弯曲阀致动器各部件的放大正视 示意图,示出如何生成阀打开弯矩;\n图7与图6相似,但示出如何生成阀关闭弯矩;\n图8为与一驱动电路并联的层叠弯曲阀致动器各部件的放大正视 示意图,示出如何生成阀打开弯矩;\n图9与图8相似,但示出如何生成阀关闭弯矩;\n图10为图1微质量流量控制器的阀盖、阀座和声波孔的放大剖 面图(其简示图见图4);\n图11为阀盖、阀座和声波孔在中间制作阶段把阀盖安装和座落 到阀座上的更放大剖面图;\n图12为图1-10控制器一例示性控制电路的方框图;\n图13为与图11类似的放大剖面图,但用一声波喷嘴代替声波孔;\n图14为与图4类似的剖面图,但示出阀致动器另一实施例,该 阀致动器包括多个相叠压电晶片;\n图15为阀致动器另一实施例的剖面图,该阀致动器包括一磁致 伸缩杆;以及\n图16为阀致动器又一实施例的剖面图,该阀致动器包括一螺线 管。\n本发明最佳实施方式\n图1示出适用于控制和计量在非常低的压力下的非常小流量气体 的本发明一微质量流量控制器10,该流量控制器主体的一部分剖视, 以揭示下文详述的阀、阀座、声波孔和其他控制部件。但是,总的来 说,气体从一未示出的气源经一进口接头12如箭头14所示流入控制 器10的一进口气室24。气体从该进口气室24经一控制阀26流入孔 28中在声速下受抑制,然后如箭头36所示流过一出口接头34。\n当在孔28中流动的气体在声速下受抑制时,气体的质量流率 与 在进口气室24中的压力P1与气体的温度T1的平方根之比成正比。确 切说,质量流率可由下式确定:\n\n其中:\nP1=进口气室24中的压力;\nC*=决定于气体种类的矫正系数;\nA=孔28的横截面面积;以及\nT1=进口气室24中的气体的绝对温度(°K)。\n由于孔的面积A是固定的,测量孔径D通过计算(A=πD2/4)就可 确定,矫正系数C*对于具体气体可由经验数据确定,按式(1)计算 气体质量流率 所需进行的动态测量就只有进口气室的压力P1和温 度T1了,这如本领域普通技术人员所熟知的,是较简单的实时测量。\n但是,本发明的一个重要特征是组合使用时间调制的控制阀26 和声波抑制的孔28把质量流率控制成小于全时间声波抑制流动。确 切说,控制阀26的交替开合受时间的调制,从而生成一小于全时间 打开(最大流率设定点)、大于全时间关闭(最小流率设定点)的阀 工作周期。因此,对于任何进口气室压力P1和温度T1受时间调制的 控制阀26可通过设定时间调制或控制阀26的工作周期把有效质量流 率 控制在最大设定点 与最小设定点 之间,这在下文详述。\n下面主要参见图4同时参见图1-3,控制阀26的优选实施例包 括一细长、层叠弯曲的阀致动器40,该阀致动器在施加其上的电压 为一种极性时如虚线40’所示向前弯曲,而在电压极性相反时如虚线 40″所示向后弯曲,这在下文详述。因此,当电压在一种极性与相反 极性之间交替变化时细长阀致动器40的顶端42如双头箭头44所示 来回振动。当阀致动器40向前弯曲或弯曲到关闭位置40’时,阀致 动器40上顶端42旁的一盖件46关闭孔28而防止气体流过孔28, 从而关闭控制阀26。另一方面,当阀致动器40向后弯曲或弯曲到打 开位置40″时,盖件46移离孔28,从而打开控制阀26,气体可流过 孔28。该打开位置40″充分打开,使得流入孔28的气流在盖件46与 阀座70之间不受阻挡或抑制,从而在孔28处的有效压力为滞止气室 压力P1。当控制阀26打开、孔28前方的压力P1与孔28后方的出口 导管压力P2之差足够大时,只须约一微秒(≈1μsec)时间孔28中便 可达到声波抑制状态。因此,阀致动器40可以并且最好是以数字方 式工作,在关闭位置40’与打开位置40″之间来回急速闪动。\n用图10所示、下文详述的一阀致动器驱动电路可如上所述施加 相反或第二极性电压把阀致动器40驱动到向后弯曲打开位置40″; 施加第一极性电压驱动到关闭位置40’。因此,在每一关闭/打开振 动周期中通过分别改变第一极性电压和第二极性电压在阀致动器40 上的保持时间就可控制阀致动器40在关闭位置40’或打开位置40″ 上的停留时间。例如,如图5所示,电压受时间调制而在一周期t的 25%(即0.25t)中保持第二极性,在余下的75%(即0.75)中保 持第一极性,阀致动器40从而在打开位置40″上历时该周期的25%, 在关闭位置40’上历时该周期的75%。因此,在该例中控制阀26的 工作周期为0.25,该工作周期定义为打开时间与总时间之比。如上 所述,由于从关闭位置40’的实际上无气流到打开位置40″的声波气 流是瞬间的、只须实际上可忽略不计的约1-5微秒(1~5μsec),因 此实际质量流率 等于由上式(1)所得的孔28的质量流率 乘以 工作周期,即\n\n例如,如从式(1)算出一种在进口气室压力测量值P1和温度测 量值T1下的气体在流过孔28时的质量流率 为每分钟10标准立方厘 米(10sccm),而控制阀26经时间调制的工作周期为0.25,则可从 上述式(2)算出实际或有效质量流率 为:\n\n当然,对于同一气体、进口气室压力P1和温度T1,在零与1之间改变 阀的工作周期就可造成有效质量流率 在比方说0与10sccm之间的 线性变动。\n此外,如气体压力P1和温度T1由于某种原因发生变化、从而从式 (1)确定的孔28中的质量流率 变动,则可相应变动工作周期补偿 质量流率 的这一变动而保持所需有效质量流率 例如,如上述 例子中的进口气室压力P1和/或温度T1发生变化而从式(1)得出的 孔28中的质量流率 为12sccm而不是10sccm,但要求保持先前确 立的有效质量流率 则可改变电压的时间调制而获得 0.208的工作周期,从而把有效质量流率 保持在2.5sccm上。因 此,本发明时间调制控制器10可极灵敏、极精确地控制在非常低流 率下流动的气体的质量流率。\n当然,用于调制声波的孔28的开合的阀致动器和驱动机构多种 多样,下面说明若干例子,但阀盖的优选实施例为图1和4所示层叠 压电晶体阀致动器40。对层叠压电晶体阀致动器40的详细说明结合 图6和7进行。该压电晶体阀致动器40包括两层叠在一起的细长压 电弯曲装置52、54,铜、铝或其他金属之类的导电材料56夹在这两 个弯曲件52、54之间。压电弯曲件在施加电压时具有膨胀或收缩的 特性。在图6和7所示的阀致动器40中,压电弯曲件52随施加第一 极性的正电压如收缩箭头58所示收缩,而压电弯曲件54随施加第一 极性电压如膨胀箭头60所示膨胀。图6所示这一正电压造成阀致动 器40向前弯曲到阀关闭位置40’。但当如图7所示电压极性反转而 施加相反或第二极性电压时,作用相反,从而压电弯曲件52如膨胀 箭头62所示膨胀,而压电弯曲件54如收缩箭头64所示收缩。图7 所示这一相反或第二极性电压造成阀致动器40向后弯曲到阀打开位 置40″。\n在例示性控制电路50中,一最好为直流(DC)的电源51提供电 压。电源51的负极经第一负支路55与压电弯曲件52连接,而该负 支路用一开关61与第一引线53连接;电源51的负极也可经第二负 支路57与压电弯曲件54连接,而该负支路用一开关71与第二引线 59连接。同时,电源51的正极经第一正支路63与压电弯曲件54连 接,而该正支路用一开关65与第二引线59连接;电源51的正极也 可经第二正支路67与压电弯曲件52连接,而该正支路用一开关69 与第一引线53连接。因此,合上开关69、71并打开开关61、65施 加第一极性就可如图6所示把双压电晶片阀致动器40弯曲到关闭位 置40’。打开开关69、71并合上开关61、65就如图7所示把双压电 晶片阀致动器40弯曲到打开位置40″。开关61、65、69、71可为公 知的晶体管、继电器或任何其他普通并关,它们可用一计算机或CPU 控制,包括如上所述实现所需工作周期和有效质量流率 的开合停 留时间。这类CPU174示出在图12方框图中,这在下文交代。\n两压电弯曲件52、54之间的金属导电材料56把所施加的电压分 布到通常用半导体材料制成的压电弯曲件52、54的整个长度上。可 用作阀致动器的细长压电弯曲件可从俄亥俄州(Cincinnati,Ohio) 的Morgan Matrax公司购得。\n在图6和7所示电连接中,压电弯曲件52、54与驱动电路50串 联。压电弯曲件52、54也可如图8和9所示与驱动电路50’并联而 获得同样效果,此时电压降低,但驱动电路50’所需电流增大。在并 联连接中,除了与压电弯曲件52连接的第一引线53和与压电弯曲件 54连接的第二引线59,还有与金属层56连接的第三引线73。电源 51的负极或是(i)用一开关77经一支路75同时与第一和第二引线 53、59连接;或是(ii)用一开关81经一支路79与第三引线73连 接。同时,电源51的正极或是(i)用一开关85经一支路83与第三 引线连接;或是(2)用一开关89经一支路87同时与第一和第二引 线53、59连接。因此,合上开关77、85并打开开关81、89施加第 一极性就可如图8所示把双压电晶片阀致动器40弯曲到关闭位置 40’。相反,合上开关81、89并打开开关77、85施加相反或第二极 性就如图9所示把双压电晶片阀致动器40弯曲到打开位置40″。这 些开关也可用图12简示的CPU174控制。\n最好是(但并非非如此不可),通过从一极性到相反极性瞬时变 化的电压,阀致动器40可受驱动从打开位置40″驱动到关闭位置40’。 因此驱动信号电压最好如图5中驱动信号周期的垂直位置74所示使 得从一极性瞬时转变到相反极性,从而实现阀从打开位置40″到关闭 位置40’的几乎是瞬时的转变。对于孔28中低压、声速下的自由气 流和本发明流量控制器所要生成的质量流率来说,阀盖件68只须移 离阀座约0.006英寸(0.1524mm),图5中电压转变信号的垂直位置 80几乎可瞬时地做到这一点。\n孔28中的声波抑制气流如上所述要求式(1)精确确定质量流率 为了在图1、4和10所示孔28之类孔中保持声波抑制气流,须 满足两个条件。首先,孔前方的滞止压力P1与孔后方的滞止压力P2 之比必须在至少约1.4比1.5(P1/P2≥1.4比1.5)的范围内、最好 保持在至少2.0(P1/P2≥2.0),以确保满足声波抑制气流条件。其次, 气体分子的平均自由路径λ必须小于孔28的直径。以氦气为例,对 于低达相当于3毫米汞柱(3 torr)的压力,平均自由路径λ约为 0.002英寸(0.0508mm)。因此,对于低达相当于3毫米汞柱的压力 (3torr)以下约2109.78千克力/平方米(3 p.s.i.a.)范围内的绝 对压力,至少为0.002英寸、最好约为0.005英寸的较大孔28是非 常可行的。当然也可在更高气室压力P1下工作,根据式(1),这可增 大最大质量流率 但是,压力和流率的增大减小了精确控制极低质 量流率的能力。因此,为了更精确控制低于100scmm、最好甚至比方 说在0.1-10scmm范围内的极低流率的气流,要求本发明控制器10 工作在低达绝对压力为703.26-2109.78千克力/平方米(1- 3p.s.i.a.)的低进口气室压力下。半导体反应炉的供气通常就工作 在如此低的压力下,因此进口气室的低工作压力是非常可行的,从而 如上所述把P1/P2保持在至少2.0上不成问题。同时,能使用约为0.005 英寸直径的较大孔的另一个优点是避免了现有技术中因使用支路反 馈型控制器而孔径受限所发生的堵塞问题。\n低达比方说2109.78千克力/平方米(3p.s.i.a.)以下的气室工 作绝对压力的另一个优点是在阀盖件46座落在阀座70上时减小了控 制阀26中的泄漏流率。但是,本发明的另一个特征是阀盖件46的结 构和制作方法。确切说,从图10中可看得最清楚(还可继续参见图 1-4),金属层56夹在两细长压电弯曲件52、54之间后用环氧树脂 之类的粘合剂(未示出)粘合。弯曲件52、54在所示实施例中各约 厚0.0075英寸(0.1905mm)。最好是(但并非非如此不可),在压电 弯曲件52、54的表面上镀一薄层镍之类的金属72以防腐蚀,而且, 更重要的是用作下一层78的基体。金属层72可用物理蒸汽沉积(PVD) 或任何其他合适的电镀工艺喷镀。\n然后,本发明的一重要部分是一介电层78与一包住整个双压电 晶片压电弯曲结构的防腐蚀金属层80的组合,以保护它不受用本发 明质量流量控制器10所计量和控制的反应性和腐蚀性极强的气体、 例如氯气或其他卤素或腐蚀性气体的侵蚀。介电层78使外部保护金 属层80与压电弯曲件52、54和中间金属板或金属带56电绝缘,从 而上述电路50、50’不短路。介电层78最好既坚韧又稳定,还具有 柔性而不脆,从而可用作外部保护金属层80的良好基体,但不妨碍 双压电晶片40的振动。介电层的优选材料为称为ParyleneTM(商标) 的塑料,它可用阴极真空喷涂成厚度最好小于0.001英寸(0.0254mm) 的薄层。也可用氧化铝之类的其他介电材料用物理蒸汽沉积(PVD) 或化学蒸汽沉积(CVD)获得层78。\n外镀层80的优选金属为不锈钢SS316,因为它是一种用于氯气、 其他卤素之类极不稳定、反应性极强的气体或其他反应性极强的腐蚀 性气体的公认的、符合工业标准的材料。SS136不锈钢层最好也薄到 不额外增加双压电晶片阀致动器40的质量或妨碍双压电晶片阀致动 器的振动。小于约0.001英寸(0.0254mm)的厚度可有效地保护不受 反应性极强的气体的腐蚀,同时又满足上述要求,它可用阴极真空喷 涂、PVD、CVD或任何其他合适工艺喷镀。但是,最好是(但并非非 如此不可),在喷镀镀层80之前安装阀致动器40顶端42旁的阀盖件 46,以便镀层80也保护用来安装盖件46的粘合剂86。\n阀座70由孔28开口周围的凸缘面构成。阀盖件46最好为一比 方说用不锈钢制成的金属圆盘或薄片,用环氧树脂之类粘合剂86粘 在阀致动器40上。阀盖件46和阀座70表面最好精抛光成镜面。然 后把最好为环氧树脂的粘合剂86涂到介电层78上待安装盖件46的 部位。然后,经抛光的盖件46放置到未固化的粘合剂86上。在粘合 剂86干燥或固化前阀致动器40和盖件46最好精确装进壳体16中其 工作位置上,从而使盖件46精确重合在阀座70的抛光表面上。因此, 当阀致动器40安装在图4所示位置上时,用驱动电路50或50’如上 所述施加稳定(不间断或不振动)电压极性,从而把双压电晶片阀致 动器40驱入关闭位置40’。从图11可看得最清楚,保持该电压和极 性,从而用箭头30所示一力把盖件46紧推到阀座70上。通过挤压 未固化的粘合剂86和保持该力30,阀盖件46在阀座70上的紧压力 足以使盖件46上抛光表面114的方向与孔28周围的并排抛光阀座面 70保持一致,直到粘合剂86干燥或固化,这样做的优点是,当阀致 动器40位于关闭位置40’上时表面114与阀座70重合并精确密合, 从而形成非常有效的密封。例如,如图11所示,当阀致动器40的位 置使得抛光表面114重合在阀座面70上时,纵向轴线88可不与抛光 阀座面所在平面91平行。因此纵向轴线88与孔28的纵向轴线95之 间的角93可小于或大于90°和/或平面91与阀致动器40之间的角 97可大于0°。但是,在阀致动器40的关闭力30的作用下,未固化 的粘合剂86受挤压而可如图11所示容纳这一不平行,从而粘合剂 86在盖件46底部的厚度99小于在盖件46顶部的厚度101。这一差 别也可在横向或其他方向上。粘合剂86一旦固化,盖件46与阀致动 器40之间的方向和空间关系保持不变。从图4可见,主体20中的一 销103和阀致动器安装插头107中的一相配孔105每当阀致动器装在 主体20中时使阀致动器40与主体20、从而阀座70和孔28的相对 方向保持不变。因此,粘合剂86一旦固化,可从主体20中取出阀致 动器40,以便如上所述用不锈钢镀层80包住阀致动器40。\n控制器10可构作有任何合适的壳体,尽管图1-4示出一合适实 施例。进口气室24穿过主体部90,主体部90上还有供进口接头12 和出口接头34螺纹连接以及安装阀致动器40的结构。\n阀致动器40因其远端100装在一插入在插头107中的护圈112 中而呈悬臂。阀致动器40用一接插件116与一电子处理板102电连 接。\n孔28的构作方式多种多样,尽管在图1-4所示优选结构中,孔 28的形式为做成一端壁124,其上带有穿过该端壁124的孔28。\n可用现有压力计测量压力P1和P2。图4所示测量进口压力P1的现 有压力计194装在主体部90中的内部压力连接导管106中,由导线 130与处理板116连接。可用另一个由一T形接头(未示出)与出口 接头34连接的现有压力计(未示出)或其他现有方式测量下游压力 P2。由于计算声波抑制孔中质量流率 的式(1)中的P1为绝对压力 而不是计示压力,因此须用一外部压力计(未示出)测量大气压后与 由压力传感器194测得的压力值相加而得出绝对压力P1,这是公知的。\n为精确确定声波抑制的孔28中的质量流率 式(1)还需要气 体的温度。如气体储藏在室温下,可用室温计算质量流率 但是, 如要更精确计算质量流率 一热电偶组件154或任何其他普通温度 测量传感器可装在主体部90上而如图3-4所示穿入进口气室24中。\n控制器10除了如上所述能非常精确和可靠地控制流率和压力极 低的有效质量流率 还可用来计量即测量在任何时段中流过控制 器10的气体质量M。如有效质量流率 在该时段中保持不变,用有 效质量流率 乘以该时段就可得出气体质量M。如有效质量流率 在该时段中变动,如所公知,当然可把该时段分成许多小时间增量, 对这些时间增量中的质量进行加和得到质量M,或在该时段上积分得 出质量M。\n图13示出一稍加修正的微质量流量控制器,该微质量流量控制 器使用一声波喷嘴156而不是声波孔。如所公知,声波喷嘴有一向横 截面最小的一喉部160会聚的进口部158,然后是一发散出口部162。 喷嘴比孔的优越之处在于,能量在发散出口部162被回收,在喉部 160保持声波抑制气流所需进口压力P1与出口压力P2之比可小于在一 孔中的声波抑制气流所需的该比。例如,P1/P2=1.15/1.20通常足以 在喷嘴中保持声波抑制气流。因此在要求出口压力P2尽可能接近进口 压力P1或需要节能的情况下要求使用喷嘴156而非孔28。在其他方 面,图13所示经修正的控制器的各部件和工作情况与上述图1-11 所示控制器10相同。\n图12例示出实现本发明微质量流量控制器10的一合适电子线路 的方框图。首先,如方框170所示,可用0-10v一电压或4-20mA 一电流之类一模拟信号提供所需有效质量流率 设定点。该设定点 信号在方框172放大并从模拟信号转换成数字信号后传送到一微处 理器或中央处理器(CPU)174。压力计194的电压模拟信号在方框 176放大并从模拟信号转换成数字信号后传送到CPU174。如上所述, 压力计194测量的压力值不是绝对压力P1,因此现有大气压传感器 178的大气压信号在方框180放大并从模拟信号转换成数字信号后传 送到CPU174,以便把压力计194的计示压力转变成进口气室绝对压 力P1。如上所述使用从一热电偶154输入的气体温度T1,T1信号在方 框182放大并从模拟信号转换成数字信号后传送到CPU174。也可把 一假定的室温或任何其他温度矫正编程送进CPU174。\n如上所述,用式(1)确定质量流率 还需要孔28的横截面面积, 这当然可从孔径算出,孔径可用任何精确测径器或其他公知方法测量 并编程送进CPU174。余下的矫正系数C*如上所述对于任何气体可由 经验数据确定或用其他公知方法推导后输入CPU174。\nCPU174读取所有上述信号、进行合适计算和数据整理分析后设定 获得所需有效质量流率 所需工作周期,把该工作周期信号输出到 一包括驱动电路50、50’的阀致动器驱动器184或现有的相应装置并 在方框188输出实际有效质量流率 的数字信号。由CPU174生成的 工作周期信号可基本上为如上所述对控制阀26的开合位置进行所需 时间调制的数字开/关信号。该工作周期如上所述基本上为在一周期 中阀打开时间与总时间(打开时间与关闭时间之和)之比,可用所需 有效质量流率 除以由式(1)算出的声波喷嘴中的质量流率 加以 确定。因此,\n由CPU174生成的实际质量流率 可用于任何所需的数字或模拟 显示、设备控制、记录、分析或其他所需功能。在图12中,示出在 方框186经放大和数/模转换在方框188生成一表示实际质量流率 的模拟输出信号。如上所述,控制器10的计量功能可用实际质量流 率 在任何时段上加和或积分实现。如所公知,可用CPU174或一使 用方框188所输出的 的外部电路进行这一计量。\n如所公知,CPU也可编程成提供上述其他功能和计算。例如, CPU174还可编程成把方框154中的温度信号转换成式(1)所需绝对 气体温度T1(°K)。当然,CPU174也可如上所述编程成在所需任何 长时间上反复使用这些或其他输入计算质量流率 确定工作周期等 等。\n由于控制器10可工作在比方说175.82-2109.78千克力/平方米 (0.25-3p.s.i.a.)的低于大气压的绝对压力下,因此如上所述克 服了控制阀26的泄漏问题,并且可使用较大孔而防止堵塞。为了提 高流率控制能力或提高流率控制的灵敏性,可使用多个并联的时间调 制、声波抑制的控制阀26(未示出),需要时,它们与同一进口气室 24连通,因此所使用的所有声波抑制孔只需一个压力传感器194测 量用于式(1)中的同一进口气室压力P1(当然还有大气压传感器)。 此外,各阀的孔径可不同和/或工作在不同的受控工作周期下,以便 精确控制流率。\n如上所述,控制阀26中的气流达到声波状态只需约1-5微秒, 阀致动器40在约1微秒内就可关闭控制阀26,因此阀致动器40的 合适工作范围可为约1毫秒(1msec)的周期即约一千赫芝(1KHz) 的频率,尽管显然应防止工作在共振频率下。也可用不同保护镀层 80包住阀致动器40,例如,在不要求使用不锈钢的情况下使用氮化 硅或其他材料,防止在控制器10中流动的气体的污染。很容易获得 400∶1的调节比,甚至可超过1000∶1。控制器10的响应时间可为30 毫秒,通过限制控制阀26中的容积甚至可进一步缩短响应时间。控 制器10的控制测量的重复性和线性可在0.25%以内。\n在图1-4所示流量控制器实施例中,一护盖16装在主体90上 盖住并从而保护电子元件,例如电源板18、处理板116、压力传感器 194、阀致动器安装插头107、导线130等等。阀致动器装在主体90 中一与进口气室24横交的内室20中。在盖16中穿过的一电接插件 22用来连接外部电子电源或外部设备(未示出)。\n尽管上述双压电晶片阀致动器40为优选阀致动器,但也可使用 其他阀致动器。例如,图14所示流量控制器实施例200,其孔28、 进口气室24和阀盖件46以及大多数其他部件与上述实施例10相同。 但阀致动器202完全不同。该阀致动器包括一由任何具有结构记忆性 的弹性材料、例如弹簧钢、塑料、合成材料等制成的细长薄片204。 薄片204的远端208装在主体90中一插头206中,穿过室20到达阀 座70和孔28旁的一位置。盖件46装在薄片204的顶端210上。在 该实施例中,薄片在插头206中安装、定位成:它被推向阀座70, 当被推离阀座70时,该推力一旦撤除,由于薄片204制作材料的弹 性结构记忆,它会弹回盖件46而与阀座70接触。可用一作用在该薄 片204上的轴向致动器驱动器220提供把薄片204推离阀座70的外 力。在图14所示轴向致动器驱动器220一实施例中,该轴向致动器 驱动器220包括多个相叠压电晶片222,如箭头224所示,它们在施 加一个极性的电压时膨胀,在施加相反极性电压时收缩。压电晶片 222最好电串联、叠置在一随压电晶片222膨胀和收缩的不锈钢圆筒 226中。圆筒226与薄片204接触。因此,当压电晶片222膨胀时, 它们把薄片204推离阀座70。压电晶片222收缩时,薄片204的弹 性记忆使它弹回阀座70。当然,薄片也可安装成与阀座间距,圆筒 226可装在薄片204上而把薄片推离阀座70和把薄片拉回阀座70。\n在图15所示阀致动器另一实施例230中,呈悬臂式弹簧式的薄 片204与阀盖件46一起向孔28关闭位置偏置,用一磁致伸缩杆232 驱离该关闭位置。一调节螺丝234用来设定磁致伸缩杆232的移动范 围。当然,也可反过来,薄片204与盖件46一起通常处于打开位置, 用磁致伸缩杆232把它拉向关闭位置。\n图16所示阀致动器另一实施例240包括一螺线管装置,该装置 包括一用电磁线圈246拉动的铁芯244。铁芯244端部上的一磁性圆 片把悬臂式弹簧式的薄片204和盖件46拉离孔28。当电压撤除或极 性相反时可用一偏置磁铁248使铁芯244复位。当然也可用实施例 240使得薄片204和盖件46通常位于打开位置或通常位于关闭位置。\n当然在本发明范围内有许多阀致动器可用来把盖件推向和移离 阀座和孔。\n上述说明只例示出本发明原理。而且,由于本领域普通技术人员 很容易作出种种修正和改动,因此本发明不限于所示所述结构和过程 细节。因此,所有合适的修正和相当结构和工艺都落在由权利要求限 定的范围内。
法律信息
- 2011-04-20
未缴年费专利权终止
IPC(主分类): G05D 7/06
专利号: ZL 98802455.1
申请日: 1998.02.11
授权公告日: 2004.07.21
- 2004-07-21
- 2000-05-17
- 2000-03-15
引用专利(该专利引用了哪些专利)
序号 | 公开(公告)号 | 公开(公告)日 | 申请日 | 专利名称 | 申请人 | 该专利没有引用任何外部专利数据! |
被引用专利(该专利被哪些专利引用)
序号 | 公开(公告)号 | 公开(公告)日 | 申请日 | 专利名称 | 申请人 | 该专利没有被任何外部专利所引用! |