專利名稱：流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置的制作方法
本申請(qǐng)涉及美國(guó)專利US6,348,098和2002年7月19日申請(qǐng)的題為“Liquid Flow Controller and Precision Dispense Apparatus andSystem”的臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/097,053，本申請(qǐng)要求2002年7月19日申請(qǐng)的題為“Liquid Flow Measuring And Proportional Fluid FlowControl Device”的臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/397,162的優(yōu)選權(quán)，在此以引用參考的方式將其公開(kāi)的內(nèi)容并入本申請(qǐng)中。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及流量測(cè)量領(lǐng)域，特別是侵蝕性的超高純的化學(xué)制品(比如通常用于半導(dǎo)體制造的化學(xué)制品)的流量的感測(cè)。本發(fā)明允許基于由流動(dòng)限制產(chǎn)生的差壓確定流體流量。壓力信號(hào)通過(guò)基于DSP的電子電路處理，通過(guò)微處理器量化，并通過(guò)基于PC的圖形用戶接口或其它的顯示器傳遞給終端用戶。由于流動(dòng)限制和壓力傳感器的腔體的尺寸使得差壓傳感器高度精確，并且允許在限制區(qū)中測(cè)量壓力以便產(chǎn)生較大的壓力差。這種最大化的壓力差增加了最終流率測(cè)量的靈敏度和精度。此外，這些關(guān)鍵區(qū)域的尺寸減小了由于測(cè)量造成的總的壓力損失，在測(cè)量相對(duì)較低的流率的侵蝕性的、高純度的流體時(shí)，相對(duì)于已有的設(shè)計(jì)具有進(jìn)一步的改善并且具有實(shí)質(zhì)的好處。
在半導(dǎo)體的制造的過(guò)程中，許多不同的流體必須精確地分配并淀積在被處理的襯底上，比如去電離水、光致抗蝕劑、電介質(zhì)上的旋涂劑、聚酰亞胺、顯影劑和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)漿液，等等。例如，在這種常規(guī)的應(yīng)用設(shè)備中，要處理的晶片位于適合的噴嘴之下，該噴嘴分配預(yù)定量的液體或漿液以涂敷或處理晶片。預(yù)定量取決于泵的旋轉(zhuǎn)、管的直徑和流體盛放環(huán)境的其它的特征，而不取決于在晶片上淀積的流體的絕對(duì)量或質(zhì)量。典型地，將晶片旋轉(zhuǎn)以將淀積的液體均勻地分散在晶片的整個(gè)表面上。顯然，在這個(gè)過(guò)程中分配的速度和分配的液體量是關(guān)鍵的。
比如在晶片處理工藝之間停止通過(guò)噴嘴的流體流動(dòng)時(shí)，可能從噴嘴流出小液滴并落在噴嘴下面放置的晶片上。這可能破壞在晶片上形成的圖形，造成必須放棄或重新處理該晶片。為了避免在噴嘴上形成有害的液滴，通常使用外部反吸或阻止/反吸閥。阻止/反吸閥的閥通常是雙空氣壓縮控制閥對(duì)，一個(gè)閥阻止流體流到噴嘴，另一閥從分配段或噴嘴的出口端反向汲取液體。這不僅有助于防止液體的形成并滴落在端口，而且還有助于防止液體的暴露的表面干燥并減小在出口處流體污染，這種干燥可能導(dǎo)致噴嘴阻塞。
在紊流問(wèn)題發(fā)生時(shí)更大的晶片涂層(例如，300毫米直徑或更大)也是一個(gè)問(wèn)題。晶片的旋轉(zhuǎn)速度通常用于將涂敷液從它所應(yīng)用的晶片的中心徑向朝外地傳送到晶片的邊緣。然而，這種方法在晶片上產(chǎn)生了紊流空氣流并且可能導(dǎo)致不均勻的涂層。以更大的晶片減小旋涂速度減小了在晶片表面上的紊流，但可能帶來(lái)新的問(wèn)題。應(yīng)用這種減小的速度，流體在晶片上更慢地流動(dòng)，由此在流體開(kāi)始凝固或干燥成為問(wèn)題之前將流體傳送到晶片的邊緣。
泵通常用于在半導(dǎo)體制造操作中分配液體。然而，適合于這種應(yīng)用的泵昂貴并且由于過(guò)度磨損要求經(jīng)常更換。
因此，理想的是提供一種閥系統(tǒng)，這種閥系統(tǒng)能夠進(jìn)行流體的精確且可再生的分配而無(wú)前文所述的缺陷。這種閥系統(tǒng)應(yīng)該不受流體溫度變化的影響或者上游流體壓力的影響。此外，本發(fā)明可廣泛地應(yīng)用于任何流體控制裝置，特別是希望或要求精確的流體流量控制的地方。

發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)本發(fā)明已經(jīng)克服了已有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置。該裝置使用比例閥響應(yīng)在流動(dòng)限制元件中測(cè)量的壓力損失控制流體流量。在限制流量元件的入口處或附近和在出口處或附近感測(cè)壓力，并且將在其間所得的壓力降轉(zhuǎn)換為所控制的流體的流率。壓力降可以被連續(xù)地或持續(xù)地監(jiān)測(cè)，一個(gè)或多個(gè)閥被調(diào)整為獲得所需的流率。該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于具有較大范圍的粘性的流體，并且它能夠精確且重復(fù)地分配這種流體，同時(shí)涉及的操作員最少。它以成本效率合算且靈活的方式提供了精確的、可重復(fù)的且能夠快速地響應(yīng)實(shí)時(shí)處理變化的性能。在優(yōu)選的實(shí)施例中，壓力降元件的設(shè)計(jì)可以恢復(fù)由于限制元件引起的大部分壓力損失。
本發(fā)明的另一實(shí)施例包括具有流體入口和流體出口的比例流量閥；用于調(diào)整所說(shuō)的比例流量閥的所說(shuō)的比例流量閥的傳動(dòng)裝置；具有與所說(shuō)的比例流量閥的所說(shuō)的流體入口流體連通的限制流量元件流體入口和限制流量元件流體出口的限制流量元件，所說(shuō)的限制流量元件在所說(shuō)的限制流量元件流體入口和限制流量元件流體出口之間形成壓力降；上游壓力傳感器；下游壓力傳感器；和與所說(shuō)的上游壓力傳感器和所說(shuō)的下游壓力傳感器連通的控制器。該控制器進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)處理器；一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器；和在所說(shuō)的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)并通過(guò)所說(shuō)的一個(gè)或多個(gè)處理器可執(zhí)行的一組計(jì)算機(jī)可讀指令。該計(jì)算機(jī)可讀指令組可包括可被執(zhí)行以接收上游壓力信號(hào)、接收下游壓力信號(hào)并基于所說(shuō)的上游壓力信號(hào)和所說(shuō)的下游壓力信號(hào)計(jì)算流體流率的指令。
本發(fā)明的另一實(shí)施例可以包括一種裝置，該裝置包括在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)并通過(guò)所說(shuō)的一個(gè)或多個(gè)處理器可執(zhí)行的一組計(jì)算機(jī)可讀指令，所說(shuō)的計(jì)算機(jī)可讀指令組包括如下指令可被執(zhí)行以計(jì)算流體流量并基于模糊邏輯計(jì)算在閥輸出中的總體變化。
本發(fā)明的另一實(shí)施例可以包括一種裝置，該裝置包括在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)并通過(guò)所說(shuō)的一個(gè)或多個(gè)處理器可執(zhí)行的一組計(jì)算機(jī)可讀指令，所說(shuō)的計(jì)算機(jī)可讀指令組包括如下指令可被執(zhí)行以計(jì)算流體流量并基于模糊邏輯計(jì)算在閥輸出中的總體變化。在閥輸出中的總體變化可以通過(guò)如下地計(jì)算比較誤差與第一組隸屬函數(shù)(membership function)以產(chǎn)生第一組模糊輸入；比較流率的變化與第二組隸屬函數(shù)以產(chǎn)生第二組模糊輸入，其中來(lái)自第一組模糊輸入和第二組模糊輸入的每個(gè)模糊輸入都與輸入的真實(shí)度關(guān)聯(lián)；將一組規(guī)則應(yīng)用到第一組模糊輸入和第二組模糊輸入以產(chǎn)生一組模糊輸出，其中每個(gè)模糊輸出與輸出的真實(shí)度關(guān)聯(lián)；將每個(gè)模糊輸出與在閥輸出值中的離散變化關(guān)聯(lián)；以及基于一個(gè)或多個(gè)模糊輸出的輸出真實(shí)度和與一個(gè)或多個(gè)模糊輸出中的每個(gè)關(guān)聯(lián)的閥輸出中的離散變化計(jì)算閥輸出中的總體變化。
本發(fā)明的實(shí)施例相對(duì)于PID控制器具有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢蕴峁└蟮姆€(wěn)定性。
本發(fā)明的實(shí)施例相對(duì)于PID控制器具有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗捎糜诟蟮墓ぷ鳁l件組上，因?yàn)槟：壿嬁梢员痪幊桃钥紤]工作環(huán)境的變化。


附圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的包括限制流量元件和比例閥的殼體的透視圖；附圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的同心文丘里管的附圖；附圖3所示為附圖1的同心文丘里管的橫截面視圖；附圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的另一種離心扁平通道文丘里管的附圖；附圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的一種比例閥的分解視圖；附圖6所示為附圖5的閥的透視圖；附圖7所示為附圖5的閥的改進(jìn)的閥芯的橫截面視圖；附圖7A所示為附圖7的閥芯的一部分的橫截面的放大視圖；附圖8所示為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的改進(jìn)的閥芯的側(cè)視圖；附圖9所示為根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施例的改進(jìn)的閥芯的側(cè)視圖；附圖10所示為根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施例的改進(jìn)的閥芯的側(cè)視圖；附圖11所示為根據(jù)實(shí)例7的熱交換器管入口和出口水溫和所測(cè)量的流率的曲線圖；附圖12所示為根據(jù)實(shí)例8的熱交換器管入口和出口水溫和所測(cè)量的流率的曲線圖；附圖13所示為說(shuō)明流量限制元件、比例閥和電子系統(tǒng)的本發(fā)明的一種實(shí)施例的圖形；附圖14所示為根據(jù)實(shí)例10的流率與時(shí)間的曲線圖；附圖15所示為根據(jù)實(shí)例11的流率與壓力的曲線圖；附圖16所示為根據(jù)實(shí)例11的流率與2ΔP/ρ的曲線圖；附圖17所示為根據(jù)實(shí)例11的系數(shù)C′與運(yùn)動(dòng)粘度的曲線圖；附圖18所示為根據(jù)實(shí)例11的“K”與溫度的曲線圖；附圖19所示為根據(jù)實(shí)例11的流率與壓力降的曲線圖；附圖20所示為根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的流程圖；附圖21所示為根據(jù)本發(fā)明的電子系統(tǒng)的信號(hào)處理和控制部分的方塊圖；附圖22所示為在文丘里管中流體流量與壓力降、橫截面面積和流體特性相關(guān)的理論描述；附圖23A和23B所示為在計(jì)算閥輸出的總體變化中可使用的隸屬函數(shù)的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
首先轉(zhuǎn)到附圖1，所示為在殼體5中組裝的根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置。所示的流體控制裝置比如步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)的比例閥10具有流體入口線12和流體出口線13以將液體最終分配給使用點(diǎn)，比如可能是晶片(未示)的襯底。與流體入口線12的流體連通的是限制流量元件15。可取地，限制流量元件15是如下文更詳細(xì)地討論的文丘里管。第一壓力傳感器24比如壓力換能器設(shè)置在限制流量元件15的入口處或其附近以感測(cè)第一壓力，第二壓力傳感器25比如換能器設(shè)置在限制流量元件15的出口處或其附近以感測(cè)第二壓力?？商鎿Q地，可以使用單個(gè)差壓感測(cè)器件?？扇〉氖?，壓力傳感器的與流體接觸的部分由惰性材料(相對(duì)于在所應(yīng)用中的流體)制成，比如藍(lán)寶石。測(cè)量流體流的兩個(gè)壓力；第一個(gè)壓力是流體入口的流體壓力，即正好在流量傳感器中感應(yīng)的壓力降之前的壓力，以及第二個(gè)壓力測(cè)量在感應(yīng)的壓力降的點(diǎn)上進(jìn)行。在優(yōu)選的實(shí)施例中，壓力降由流體線的減小的橫截面產(chǎn)生。這種突然減小的橫截面造成流體速度在這部分增加，由此減小了流體壓力。減小的橫截面的入口和出口被仔細(xì)地設(shè)計(jì)以便恢復(fù)產(chǎn)生的壓力降的附加的壓力損失，在壓力線擴(kuò)展并且流體速度恢復(fù)時(shí)壓力降的主要部分都被恢復(fù)了。這種設(shè)計(jì)通常被稱為文丘里管型，只要第二次壓力測(cè)量在該裝置的喉部的限制點(diǎn)直接之前獲取即可。這樣可以產(chǎn)生最大壓力差信號(hào)。該系統(tǒng)的其它實(shí)施例可能通過(guò)使用計(jì)量孔板、毛細(xì)管、一系列平行的毛細(xì)管或多孔介質(zhì)獲取壓力降。這種限制流量元件對(duì)流體應(yīng)該具有化學(xué)惰性，可以由Teflon、PFA、MFA、FEP、PVDF和超高分子重量的聚乙烯制成。在本實(shí)施例中的壓力傳感器包括藍(lán)寶石膜、從TenzorLLC(Basking Ridge，New Jersey)可購(gòu)買的薄膜壓阻型壓力傳感器和從Lucas Novasensor(Fremont，CA)可購(gòu)買的帶有防護(hù)壁以確保與在半導(dǎo)體芯片的制造中使用的流體的化學(xué)兼容性的p/nNPI-19A-701GH的SST膜壓力傳感器。其它的實(shí)施例可使用帶有防護(hù)壁的陶瓷或硅薄膜的薄膜壓阻型壓力傳感器或各種形式的差壓傳感器。比例閥傳動(dòng)裝置17啟動(dòng)閥10。電子板16安裝在所示的殼體5中。
附圖2和3所示為根據(jù)本發(fā)明的限制流量元件15的一種實(shí)施例。元件15具有流體入口111和與入口111間隔開(kāi)的流體出口112。流體入口111與基本恒定橫截面的第一入口部分111A連通。第一入口部分111A在逐漸減小到更小的橫截面的第一收斂部分111B(如圖所示)處結(jié)束。第一收斂部分111B與更小的橫截面的第二收斂部分111C流體連通，第二收斂部分111C又與文丘里管的喉部114流體連通。第一收斂部分115從喉部114逐漸減小以使它朝基本恒定的橫截面的流體出口部分122擴(kuò)張并與出口112連通。容納第一壓力傳感器24(附圖3)的第一壓力傳感器腔117與第一壓力傳感器抽頭119流體連通，而第一壓力傳感器抽頭119又與文丘里管結(jié)構(gòu)的上游的第一入口部分111A連通。容納第二壓力傳感器25(附圖3)的第二壓力傳感器腔120與第二壓力傳感器抽頭121連通，而第二壓力傳感器抽頭121又與限制管的下游的喉部114連通。壓力抽頭具有從0.09至0.5英寸的范圍的長(zhǎng)度并具有從0.01至0.5英寸的范圍的直徑。每個(gè)壓力傳感器通過(guò)保持器126保持在相應(yīng)的空腔中并且以O(shè)-圈127密封。可取的是，小橫截面114的直徑是大直徑111A的0.7或更小。
附圖4所示為限制流量元件15的變型實(shí)施例，其中元件是離心扁平通道文丘里管。流體入口111′與收斂的入口部分111A′流體連通，該入口部分111A′由于減小的壁而突然變窄到收斂的入口部分111B′。收斂的入口部分111B′與喉部114′流體連通，該喉部114′然后在發(fā)散出口部分115′朝外發(fā)散，最終到達(dá)流體出口112′。容納第一壓力傳感器(未示)的第一壓力傳感器腔117′與第一壓力傳感器抽頭119′連通，該第一壓力傳感器抽頭119′又與文丘里管限制管的上游的收斂的入口部分111A′流體連通。容納第二壓力傳感器(未示)的第二壓力傳感器腔120′與第二壓力傳感器抽頭121′流體連通，而第二壓力傳感器抽頭121′又與在限制管的下游的喉部114′連通。每個(gè)壓力傳感器通過(guò)保持器保持在它的相應(yīng)的腔中并且以O(shè)-圈密封。
流體通過(guò)流體入口12進(jìn)入該裝置。流體從流體入口12傳遞到限制流量元件15，在流量限制元件15中流體通過(guò)調(diào)節(jié)流體分布的第一部分。在流量限制的這部分中的流體的壓力通過(guò)經(jīng)壓力抽頭119與第一部分進(jìn)行流體連通的第一壓力傳感器24測(cè)量。在附圖2和3的實(shí)施例中，流體進(jìn)入第一收斂部分111B，然后進(jìn)入增加流體速度并降低流體的壓力的第二收斂部分111C中。流體進(jìn)入該裝置的喉部114，在喉部114中通過(guò)第二壓力傳感器25測(cè)量流體的壓力，該第二壓力傳感器25通過(guò)第二壓力抽頭121與在喉部114中的流體進(jìn)行流體連通。流體通過(guò)第一收斂部分115從流量元件的喉部流出。流量元件部分的第一收斂部分115連接到流體出口12。
流體從流量限制元件15的出口進(jìn)入在它的入口處的比例閥。參考附圖5，所示的適合的比例閥10具有流體流動(dòng)的路徑，該流體流動(dòng)路徑包括入口300、閥閥芯302、閥座和流體出口305。閥閥芯302與在一端的膜304上的凹陷和在另一端上的底座308中的膜304A和彈簧305接觸。這是常閉閥。閥芯302限制通過(guò)閥座的流體的流量。傳感器307設(shè)置在傳感器襯墊306上以確定步進(jìn)電機(jī)311的導(dǎo)桿310的“復(fù)位”位置。為調(diào)節(jié)在流體路徑中的流體的流率，步進(jìn)電機(jī)311旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿310。導(dǎo)桿310的運(yùn)動(dòng)使膜304和304a錯(cuò)位，將閥芯302從在閥座中的密封位置移動(dòng)，使流體流動(dòng)通過(guò)閥座和閥芯302。在步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)桿從膜收回并將彈簧308返回而使膜304和304a錯(cuò)位，移動(dòng)閥芯以限制在流動(dòng)路徑中的流體流量。在本實(shí)施例中的閥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是步進(jìn)電機(jī)，但也可以是線性馬達(dá)或其它的機(jī)械傳動(dòng)裝置、氣動(dòng)傳動(dòng)裝置、音圈或其它的力傳動(dòng)裝置。傳動(dòng)裝置與電子器件連通，這些電子器件響應(yīng)流率設(shè)定點(diǎn)和實(shí)際的流率改變發(fā)送給傳動(dòng)裝置的指令。在閥的變型實(shí)施例中，步進(jìn)電機(jī)確保閥的關(guān)閉，閥是常開(kāi)的，并且彈簧與步進(jìn)電機(jī)相反地作用。
根據(jù)所需的響應(yīng)、線性和密封面積可以使用各種閥芯設(shè)計(jì)。例如，附圖7所示為已經(jīng)被修改以使錐形302A具有復(fù)合角(在附圖7A中所示為7.5度和16度)的錐形302A的標(biāo)準(zhǔn)Parker/Partek閥芯302。復(fù)合角使流動(dòng)響應(yīng)相對(duì)于閥芯的位置更加線性，因此控制更加容易。附圖8所示為在密封面具有減小的直徑(相對(duì)于附圖7的閥芯302)的閥芯302′和設(shè)置在密封面附近的角落上以減小變化的室303。附圖9所示為改進(jìn)的閥芯302″，該閥芯包括復(fù)合角并對(duì)于較低的流量應(yīng)用也具有更大的桶304直徑。附圖10所示為具有恒定的錐形角度(無(wú)復(fù)合角)但具有用于較低的流量應(yīng)用的更大的桶直徑的閥芯302″。通過(guò)這種閥芯改進(jìn)并且并入帶有適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)裝置的最新組件并將傳動(dòng)裝置/閥組件嵌入到具有流量傳感器、計(jì)算和控制邏輯和傳動(dòng)裝置/閥組件的流量控制系統(tǒng)中，可以使利用膜片/閥芯設(shè)計(jì)的大部分已有的開(kāi)/關(guān)型高純度閥成為比例閥。
再次參考附圖1，傳動(dòng)裝置17連接到閥10。每個(gè)壓力傳感器24、25(或單個(gè)差壓感測(cè)裝置)與計(jì)算機(jī)處理器或控制器連通，比如具有比例、積分和微分(PID)反饋分量或模糊邏輯控制的控制器。模糊邏輯控制涉及被成為模糊、規(guī)則評(píng)估和逆模糊化的三個(gè)步驟。模糊化是這樣的過(guò)程對(duì)模擬輸入變量(比如流率誤差和流率相對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù))量化到一小組邏輯值是真的程度。規(guī)則評(píng)估涉及獲取模糊輸入變量，并基于規(guī)則組或條件產(chǎn)生一組模糊輸出。逆模糊化是將原始模糊輸出組合到復(fù)合系統(tǒng)的輸出中的過(guò)程。下文結(jié)合附圖20討論模糊邏輯控制的一種系統(tǒng)和方法。這種輸出可用于控制閥或加熱器。在每個(gè)傳感器24、25在它的相應(yīng)的流體線上采樣壓力時(shí)，它將采樣的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器?？刂破鞅容^該值，并如下文更詳細(xì)地討論地計(jì)算在限制流量元件15上的壓力降?；趬毫档膩?lái)自控制器的信號(hào)發(fā)送給傳動(dòng)裝置17，傳動(dòng)裝置17因此調(diào)節(jié)流體控制閥10。可以進(jìn)行溫度和運(yùn)動(dòng)粘度校正。
控制器可以基于流體的兩個(gè)離散壓力信號(hào)的壓力差和溫度計(jì)算流率，并比較所測(cè)量的流率和先前輸入的設(shè)定點(diǎn)流率并調(diào)節(jié)比例閥以實(shí)現(xiàn)流率設(shè)定點(diǎn)。控制器也對(duì)從循環(huán)開(kāi)始流經(jīng)流體流量控制裝置的總的體積進(jìn)行求和，并在所分配的總的體積等于通過(guò)終端用戶輸入的體積設(shè)定點(diǎn)時(shí)密封閥。在另一實(shí)施例中，輸入流率設(shè)定點(diǎn)以及時(shí)間值設(shè)定點(diǎn)(替代總的體積設(shè)定點(diǎn))。實(shí)施循環(huán)直到從分配開(kāi)始所測(cè)量的時(shí)間等于所輸入的設(shè)定點(diǎn)，并完全地關(guān)閉閥以完成循環(huán)。
液體可兼容的比例閥10提供了流體流的流率調(diào)節(jié)。組件由兩個(gè)主部件構(gòu)成閥10和傳動(dòng)裝置17。在優(yōu)選實(shí)施例中，閥10是膜片和閥芯型裝置，它能夠在使由閥產(chǎn)生的壓力降最小的同時(shí)有效地控制流率。閥膜允許閥芯的固定和運(yùn)動(dòng)，該閥芯通過(guò)它在孔板中的位置調(diào)節(jié)流率。標(biāo)準(zhǔn)Parker/Partek(Tucson，AZ)PV-10閥的閥芯已經(jīng)被修改為在較寬的流動(dòng)范圍上提供一種流率的良好比例特性，如上文參考附圖7-10所討論。在另一實(shí)施例中，可以使用沒(méi)有額外閥芯修改的標(biāo)準(zhǔn)St.Gobain Performance Plastics(Garden Grove，CA)HPM。傳動(dòng)裝置提供了膜片以及閥芯的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，傳動(dòng)裝置與閥體隔離，它是EAD(Dover NH)的步進(jìn)電機(jī)p/n L1MGE-10X03，并以基本步幅或微步幅工作以提供更加精確的膜片/閥芯組件的運(yùn)動(dòng)。其它適合的傳動(dòng)裝置包括線性馬達(dá)、音圈和氣動(dòng)結(jié)構(gòu)。
附圖21所示為可以計(jì)算液體的流率的控制器的一種實(shí)施例。在附圖21的實(shí)施例中，控制器可以包括中央處理單元2100和數(shù)字信號(hào)處理器2102。中央處理單元2100和數(shù)字信號(hào)處理器2102每個(gè)都可以包括或存取計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器(例如，RAM、ROM、EPROM、Flash、外部磁性存儲(chǔ)裝置或本領(lǐng)域公知的其它的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器)。在附圖21的實(shí)例中，中央處理單元2100可以存取在板上的Flash存儲(chǔ)器2104，而數(shù)字信號(hào)處理器2102可以存取在板上的Flash存儲(chǔ)器2106。Flash存儲(chǔ)器2104和Flash存儲(chǔ)器2106每個(gè)都可以存儲(chǔ)被相應(yīng)的處理器可執(zhí)行的一組計(jì)算機(jī)可讀指令2108和2110。數(shù)字信號(hào)處理器2102和中央處理單元2100通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)或定制的接口控制器2111進(jìn)行通信。
控制器也可以包括從溫度傳感器接收溫度信號(hào)的溫度傳感器輸入2112、基于中央處理單元2100的輸出產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2113、壓力傳感器輸入2114和用于特定的實(shí)施方案的任何其它輸入或輸出(例如模擬和數(shù)字輸出、診斷端口等)。
在操作中，控制器可以使用來(lái)自單個(gè)壓力傳感器的輸入信號(hào)和來(lái)自熱敏電阻的溫度信號(hào)以計(jì)算液體的最終流率。可替換地，來(lái)自單個(gè)差壓傳感器的輸出可用于計(jì)算最終流量。每個(gè)壓力信號(hào)通過(guò)模擬到數(shù)字芯片進(jìn)行處理，然后進(jìn)行信號(hào)放大，并將所得的信號(hào)輸送給數(shù)字信號(hào)處理器2102。這個(gè)處理器以比中央處理單元2100更高的頻率操作以允許對(duì)壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行濾波，并且不給控制環(huán)響應(yīng)施加過(guò)大的延遲。需要信號(hào)的濾波以減小任何外部噪聲(來(lái)自壓力傳感器、來(lái)自系統(tǒng)或外部)，并可以進(jìn)行更加精確的壓力測(cè)量。在比較兩個(gè)壓力信號(hào)時(shí)這是有用的。然后獲得了差壓信號(hào)。
中央處理單元2100執(zhí)行指令2108以基于差壓測(cè)量和流體溫度計(jì)算流率。溫度影響流體的壓力讀數(shù)、密度和粘度，而這些又影響流率的計(jì)算。通過(guò)預(yù)加載的校正曲線記錄并關(guān)聯(lián)差壓信號(hào)到初級(jí)流率。校正曲線取決于流體流動(dòng)路徑的絕對(duì)尺寸、限制區(qū)的尺寸和壓力傳感器的響應(yīng)。每個(gè)流量控制系統(tǒng)都有單個(gè)曲線。對(duì)于模擬流體，對(duì)該曲線已經(jīng)進(jìn)行了歸一化。所得的初級(jí)流率進(jìn)一步通過(guò)在所測(cè)量的溫度下進(jìn)行流體的密度和粘度修正。這種存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將密度和粘度的依賴關(guān)系與所測(cè)量的流體的溫度關(guān)聯(lián)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，作為多相液體的溫度的函數(shù)的密度和粘度被以表格的形式或數(shù)學(xué)函數(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。優(yōu)選實(shí)施例利用Motorola p/n MC68HC912DG128(Shaumberg，IL)的微處理器用于最終的計(jì)算。然后記錄感興趣的流體的最終的流率。
應(yīng)該注意，雖然計(jì)算機(jī)可讀指令存儲(chǔ)在多個(gè)存儲(chǔ)器之間并通過(guò)多個(gè)處理器執(zhí)行，但是這些指令可以存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中并通過(guò)一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也會(huì)理解的是，計(jì)算機(jī)可讀指令可以作為軟件、固件和/或硬件實(shí)施。
附圖20所示為流率計(jì)算的流程圖。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，附圖20的方法可以以一個(gè)或多個(gè)處理器通過(guò)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器(例如，RAM、ROM、FLASH、磁性存儲(chǔ)裝置或本領(lǐng)域公知的其它的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器)中存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)可讀指令實(shí)施。在步驟2002中控制器可以讀取溫度(例如，通過(guò)附圖21的溫度輸入2112)。在步驟2004中，控制器可以存取溫度傳感器表格以計(jì)算溫度偏差。在步驟2006中，控制器可以讀取壓力信號(hào)(例如，通過(guò)附圖21的壓力傳感器輸入2114)，以及在步驟2008中，校正溫度偏移的壓力信號(hào)。然后控制器計(jì)算P1，P2并基于壓力信號(hào)和與每個(gè)壓力傳感器關(guān)聯(lián)的算法計(jì)算差壓(步驟2010)。
在步驟2012中，控制器可以基于差壓計(jì)算初始流率并通過(guò)預(yù)加載的校正曲線將它與初級(jí)流率關(guān)聯(lián)。校正曲線取決于流體流動(dòng)路徑的絕對(duì)尺寸、限制區(qū)的尺寸和壓力傳感器的響應(yīng)。每個(gè)流量控制系統(tǒng)可以有單個(gè)曲線。在優(yōu)選的實(shí)施例中，對(duì)于模擬流體，已經(jīng)對(duì)曲線進(jìn)行了歸一化。此外，在步驟2012中，控制器可以基于粘度和密度修正初始流率。在步驟2014中，控制器可以基于流率校正調(diào)節(jié)流率以計(jì)算最終流率。在步驟2016中，控制器可以基于設(shè)定點(diǎn)確定校正流率多少。基于流率的計(jì)算，在步驟2018中控制器可以產(chǎn)生信號(hào)以調(diào)節(jié)閥。
調(diào)節(jié)閥多少的計(jì)算可能涉及模糊邏輯。模糊邏輯的應(yīng)用涉及三個(gè)步驟，即模糊化、規(guī)則評(píng)估和逆模糊化。模糊化是這樣的過(guò)程對(duì)輸入變量量化到一小組邏輯值為真的程度。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，與流率相關(guān)的變量和與流率隨時(shí)間的變化相關(guān)的變量都可以與隸屬函數(shù)比較以確定每個(gè)隸屬函數(shù)的真實(shí)度。
作為實(shí)例，控制器可以將流率誤差和流量隨時(shí)間的變化(dF/dt)與隸屬函數(shù)進(jìn)行比較。在本領(lǐng)域中可以以任何方式計(jì)算流率誤差和dF/dt。誤差可以被劃分為三類負(fù)、零和正。附圖23A所示為誤差的隸屬函數(shù)的一種實(shí)施例。在附圖23A中，線2302表示負(fù)誤差隸屬函數(shù)，2304表示中性零誤差隸屬函數(shù)，以及2306表示正誤差隸屬函數(shù)。dF/dt也被劃分為三類降低、平穩(wěn)和增加。附圖23B所示為這三類誤差的隸屬函數(shù)。在附圖23B中，線2308表示降低dF/dt，線2310表示平穩(wěn)dF/dt，以及線2312表示增加dF/dt。應(yīng)該注意，在附圖23A和23B中所示的隸屬函數(shù)僅僅是作為例子提供，隸屬函數(shù)可以采用任何形式。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以給每個(gè)變量定義附加的或更少的隸屬函數(shù)。
誤差值和dF/dt可以與隸屬函數(shù)比較以確定真實(shí)度。例如，如果誤差值在點(diǎn)2314上，則每個(gè)誤差隸屬函數(shù)的真實(shí)度如下負(fù)0％、零90％和正10％。類似地，如果dF/dt在點(diǎn)2316上，則每個(gè)dF/dt隸屬函數(shù)的真實(shí)度將是降低0％、穩(wěn)定80％和增加20％。因此，模糊化過(guò)程確定某一狀態(tài)對(duì)于給定的輸入變量有多真實(shí)。其它的輸入例如包括溫度、溫度的變化率、壓力、壓力的變化率或可轉(zhuǎn)換為流率和/或流率的變化的任何其它變量。
規(guī)則評(píng)估涉及獲取模糊輸入(例如，負(fù)0％、零90％、正10％、降低0％、穩(wěn)定80％和增加20％)并產(chǎn)生一組模糊輸出。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，可以改變模糊輸出以應(yīng)用到被給定了一組規(guī)則的流量閥。規(guī)則組的一種實(shí)施例如表1所示。
表1

使用上述的規(guī)則并繼續(xù)先前的實(shí)例，誤差＝負(fù)0％、90％、正10％和dF/dt＝減小0％、平穩(wěn)80％和增加20％的模糊輸入可能導(dǎo)致如下的模糊輸出和真實(shí)度無(wú)變化＝80％真實(shí)(規(guī)則5)小減量＝20％真實(shí)(規(guī)則6)小減量＝10％真實(shí)(規(guī)則8)大減量＝10％真實(shí)(規(guī)則9)在這種情況下，模糊輸入的最小的真實(shí)度用作模糊輸出的真實(shí)度。例如，對(duì)于規(guī)則5，選擇80％，因?yàn)檎`差＝零是90％并且dF/dt＝平穩(wěn)是80％。對(duì)于模糊輸入具有0％的真實(shí)度的規(guī)則(例如，誤差＝負(fù)或dF/dt＝減小的規(guī)則)沒(méi)有作為模糊輸出的真實(shí)度為0％示出。在本發(fā)明的其它的實(shí)施例中，模糊輸出的真實(shí)度的分配可以是一種選擇和最佳化。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，具有最低真實(shí)度的模糊輸出可能被刪除。模糊輸出可以以任何其它的方式被選擇，比如僅選擇具有高于某一值的真實(shí)度的模糊輸出。因此，在大減量具有只有10％的真實(shí)度時(shí)將刪除規(guī)則9的大減量。然而，在小減量的模糊輸出的最高真實(shí)度是20％時(shí)將不刪除規(guī)則8的小減量的模糊輸出。
表2提供了產(chǎn)生模糊輸出的更復(fù)雜的規(guī)則表的另一實(shí)例。在表2的情況下，可以將誤差與5個(gè)隸屬函數(shù)(即大負(fù)、小負(fù)、零、小正和大正)進(jìn)行比較，并可以將dF/dt與5個(gè)隸屬函數(shù)(即大負(fù)、小負(fù)、零、小正和大正)進(jìn)行比較?；谀：斎雂F/dt和誤差的真實(shí)度，可以產(chǎn)生如下七個(gè)模糊輸出非常大的增加、較大的增加、較小的增加、無(wú)變化、較小的減小、加大的減小和非常大的減小。
逆模糊化是將模糊輸出組合以產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的過(guò)程。為了舉例，使用利用表1的實(shí)例的模糊輸出。每個(gè)模糊輸出與在該系統(tǒng)中的離散變化相關(guān)。例如，表3示出了表1的模糊輸出如何與離散輸出關(guān)聯(lián)(例如值的百分比變化)。
表3

如表3所示，對(duì)于大減量的模糊輸出，閥輸出的百分比變化應(yīng)該是20％，對(duì)于小減量應(yīng)該是-10，等。模糊輸出乘以表3的適當(dāng)?shù)某?shù)并加在一起。因此，對(duì)于表1的模糊輸出并刪除具有10％的真實(shí)度的大減量的模糊輸出的實(shí)例，流量閥的總的變化如下變化＝(0*80％-10％*20％-20*10％)/(80％+20％+10％)＝-3.6基于這個(gè)值，控制器試圖關(guān)閉閥3.6％。這可以通過(guò)在例如附圖20的步驟2016中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拈y控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，閥控制信號(hào)可以被發(fā)送給閥驅(qū)動(dòng)器，該閥驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生模擬閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)閥打開(kāi)或關(guān)閉。
實(shí)例1這個(gè)實(shí)例說(shuō)明使用本發(fā)明的一種實(shí)施例測(cè)量并控制液體流量以便給化學(xué)機(jī)械平面化襯底處理輸送離散體積的流體。更具體地說(shuō)，這個(gè)實(shí)例示出了本發(fā)明的一種實(shí)施例如何用于測(cè)量并控制液體流量以便能夠?qū)伖庖旱碾x散體積輸送給襯底?；瘜W(xué)機(jī)械拋光在光學(xué)透鏡的制造方面有用。化學(xué)機(jī)械平面化在半導(dǎo)體器件的制造方面有用。拋光液可以是酸性或堿性，并且可能包含比如二氧化硅或氧化鋁的磨料。用于拋光二氧化硅的流體包括氫氧化鉀的水溶液的硅漿；用于拋光銅金屬的流體包括氧化劑比如過(guò)氧化氫、抑制劑比如苯并三唑和有機(jī)酸比如乙酸的水溶液。
本發(fā)明的裝置的入口連接到盛拋光液的壓力或重力供料容器。流量裝置的出口連接到在拋光工具的噴嘴上。拋光工具具有通過(guò)旋轉(zhuǎn)拋光墊或帶要拋光的襯底。該襯底與連同拋光液的化學(xué)作用一起從襯底去除材料的拋光墊接觸。拋光液通過(guò)噴嘴被輸送給在工具上的襯底；輸送給襯底的拋光液的流量通過(guò)流量裝置和它的電子器件控制。流量裝置的電子器件可以連接到工具的控制器以使工具能夠控制拋光液分配在襯底上的時(shí)序。工具也可以包含可用于控制拋光液到襯底的輸送的時(shí)序的拋光端點(diǎn)檢測(cè)器。在流量裝置的電子器件的信號(hào)處理器消除了由在包含拋光液中的壓力容器的壓力變化引起的拋光液體積和輸送速率的變化。與蠕動(dòng)泵相比，拋光液的輸送以恒定的速率進(jìn)行。結(jié)果是控制了輸送給襯底的拋光液的體積和輸送速率，這就使化學(xué)品的浪費(fèi)最小，并且使得襯底的拋光更加均勻且可重復(fù)。
實(shí)例2這個(gè)實(shí)例說(shuō)明使用本發(fā)明的一種實(shí)施例測(cè)量并控制液體流量以使離散體積的液體前體可以被輸送給蒸餾器以形成氣體。更具體地說(shuō)，這個(gè)實(shí)例示出了本發(fā)明的一種實(shí)施例如何用于測(cè)量并控制輸送給蒸餾器的液體前體的流量。
液體前體是在蒸餾器中被加熱以形成氣體的化學(xué)制品。氣體然后被輸送給在反應(yīng)室中的被加熱的襯底，在那里進(jìn)一步分解或在襯底上發(fā)生反應(yīng)。氣體可用于在襯底上形成金屬、半導(dǎo)體或電介質(zhì)的薄膜(化學(xué)氣相淀積或原子層化學(xué)氣相淀積處理)。也可用于蝕刻襯底的表面，或者它可用于干燥襯底。液體前體可以是純液體比如水、2-丙醇或四乙基原硅酸酯、TEOS。液體前體也可以包含固體比如在溶劑比如四氫呋喃中溶解的二叔戊酰甲烷鍶(Sr(DPM)2)。某些液體前體比如銅(I)六氟代戊二醇乙烯三甲硅烷(hexafluoropentanedionatevinyltrimethylsilane)((VTMS)Cu(hface))對(duì)熱敏感并且通過(guò)在某些液體流量計(jì)中使用的熱傳感器可能被分解。液體前體通常以每分鐘大約0.1克至大約每分鐘50克的速率輸送給蒸餾器。在光學(xué)器件比如透鏡和光纖的涂敷中薄膜是比較重要的。在平板、微處理器和存儲(chǔ)器件的制造中薄膜和薄膜蝕刻也是比較重要的。
本發(fā)明的流量器件在它的入口處連接到液體前體的壓力源。流量器件的出口連接到蒸餾器。流量器件的閥可以在蒸餾器的上游或下游。蒸餾器的出口連接到工具的處理室，該處理室包含要通過(guò)蒸汽處理的襯底。為進(jìn)行要求多個(gè)前體的處理，可以使用多個(gè)流量裝置。流量裝置的電子器件可以連接到工具的控制器。這可以使處理工具可以遠(yuǎn)程地控制從壓力源通過(guò)流量計(jì)并進(jìn)入加熱的蒸餾器的液體流量。在化學(xué)氣相淀積處理中有用的蒸餾器的實(shí)例包括被加熱的金屬燒結(jié)、被加熱的金屬的屏蔽、被加熱的閥和被加熱的管。
在盛放液體前體的容器中的壓力變化可能導(dǎo)致到蒸餾器的液體流量的變化。在熱流元件中的液體前體的熱分解可能導(dǎo)致到蒸餾器的流體流量不精確。到蒸餾器的較差的流量控制可能導(dǎo)致由蒸餾器的飽和引起的液體的不完全的汽化。不完全的汽化將使小液滴進(jìn)入處理室并在襯底上造成缺陷。實(shí)施本發(fā)明的結(jié)果是不需要熱流量元件來(lái)控制提供給蒸餾器的前體流量和可重復(fù)且受控的液體流量，而且與上游壓力的波動(dòng)無(wú)關(guān)。
實(shí)例3這個(gè)實(shí)例說(shuō)明使用本發(fā)明的一種實(shí)施例測(cè)量并控制液體流量以便給無(wú)電電鍍的襯底輸送流體。更具體地說(shuō)，這個(gè)實(shí)例示出了本發(fā)明的一種實(shí)施例如何用于測(cè)量并控制液體流量以便能夠在襯底上分配一系列化學(xué)制品以在電鍍過(guò)程中形成金屬膜。這種過(guò)程消除了槽式電鍍過(guò)程共有的化學(xué)品的廢酸洗液。用于電鍍的金屬和金屬合金的溶液包括(但不限于)銀、銅、鉑、鈀、金和錫。通常要求催化劑以使襯底在電鍍?nèi)芤褐谢罨＿@些催化劑包括膠態(tài)鈀、碳、石墨、膠態(tài)錫-鈀和導(dǎo)電聚合物比如聚吡咯。在一些催化劑和電鍍?nèi)芤褐械馁F金屬比較昂貴，而需要使在電鍍的過(guò)程中的浪費(fèi)最小以實(shí)現(xiàn)電鍍過(guò)程的成本效率合算。這些溶液中的某些溶液中的金屬是有毒的，而需要使在電鍍過(guò)程中的浪費(fèi)最小以減小環(huán)境排放以及廢物處理和處置成本。
對(duì)于在電鍍過(guò)程中使用的每種化學(xué)制品，本發(fā)明的裝置在它的入口處連接到化學(xué)制品的壓力泵送機(jī)構(gòu)或重力輸送源。該裝置的出口在它的出口處連接到噴嘴以將每種化學(xué)制品輸送到襯底。通過(guò)使用熱交換器、冷凝器或電阻加熱元件，溶液的溫度可以在輸送給襯底之前降低或增加。例如，銅金屬可以通過(guò)無(wú)電電鍍工藝通過(guò)如下過(guò)程淀積在襯底上通過(guò)第一流動(dòng)裝置使襯底與包含膠態(tài)鈀的活化劑溶液接觸，使用第二流動(dòng)裝置應(yīng)用水漂洗襯底，通過(guò)第三流動(dòng)裝置使被催化的襯底與鹽酸活化劑溶液接觸，通過(guò)第四流動(dòng)裝置使襯底與包含二價(jià)銅離子源、還原劑比如甲醛、絡(luò)合劑比如EDTA和底液比如氫氧化鉀的一定體積的銅溶液接觸。從第二流動(dòng)裝置以水清洗襯底。
流量裝置的電子器件可以連接到電鍍工具的控制器以調(diào)節(jié)時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和通過(guò)每個(gè)流量裝置的液體流的順序。結(jié)果是在處理中的每個(gè)步驟中將每種化學(xué)制品的所測(cè)量的體積快速且精確地輸送給襯底。通過(guò)僅將足夠確保完全反應(yīng)的化學(xué)制品輸送給襯底，使化學(xué)制品的浪費(fèi)和材料成本最小。由化學(xué)制品的廢酸洗液引起的襯底的污染被減少了。因?yàn)榱髁吭烷y的快速動(dòng)作減小了周期時(shí)間的緣故，所以增加了處理過(guò)程的總的生產(chǎn)量。
實(shí)例4這個(gè)實(shí)例說(shuō)明使用本發(fā)明的一種實(shí)施例測(cè)量并控制液體流量以使流體輸送給襯底以形成保形涂層。更具體地說(shuō)，這個(gè)實(shí)例示出了本發(fā)明的一種實(shí)施例如何用于測(cè)量并控制到襯底的液體流量以便以液體材料能夠?qū)崿F(xiàn)襯底的精確涂敷。在旋涂的過(guò)程中電介質(zhì)材料、光致抗蝕劑、抗反射涂層、聚酰亞胺、助粘劑比如六甲基二硅氮烷、鐵電材料和溶膠凝膠都通常作為液體或膏劑淀積在襯底上。通過(guò)固定或可動(dòng)的噴嘴將這種材料輸送給靜止或慢速旋轉(zhuǎn)的襯底。在材料已經(jīng)輸送給襯底之后，以從大約100至5000rpm的范圍的高速度旋轉(zhuǎn)以給襯底均勻地涂敷液體材料的薄膜。這些材料中的許多材料都比較昂貴，并且重要的是在涂敷過(guò)程中使它們的使用和浪費(fèi)最小化?？芍貜?fù)的涂層要求輸送給襯底的材料的體積一致。
本發(fā)明的流量裝置的入口連接到包含涂敷流體的壓力或重力輸送容器。流量裝置的出口連接到在涂敷工具的噴嘴上。涂敷工具具有安裝到旋轉(zhuǎn)卡盤上的襯底。涂敷流體通過(guò)噴嘴輸送給在工具上的襯底；涂敷流體到噴嘴的流量通過(guò)流量裝置和它的閥控制。流量裝置的電子器件可以連接到工具的控制器以使工具能夠控制流體涂敷到襯底上的時(shí)序和速率。通過(guò)電子器件與流量裝置連通，涂敷工具可以按照噴嘴位置和襯底旋轉(zhuǎn)速率的函數(shù)改變到襯底的流體流率以便實(shí)現(xiàn)所需的涂層。流量裝置的微處理器和控制邏輯消除了由在包含涂敷流體的容器中的壓力變化引起的涂敷流體體積和輸送速率的變化。結(jié)果是受控的體積的涂敷流體輸送給襯底。這個(gè)結(jié)果使化學(xué)制品浪費(fèi)最小，并且產(chǎn)生了更加均勻且可重復(fù)的襯底涂層。
實(shí)例5這個(gè)實(shí)例說(shuō)明使用本發(fā)明的一種實(shí)施例測(cè)量并控制液體流量以使流體輸送給襯底以與襯底反應(yīng)。更具體地說(shuō)，這個(gè)實(shí)例示出了本發(fā)明的一種實(shí)施例如何用于測(cè)量并控制在襯底上反應(yīng)液體的流量。這種反應(yīng)液體的實(shí)例包括(但不限于)正或負(fù)光致抗蝕劑顯影劑、光致抗蝕劑消除劑、酸比如氫氟酸、氧化劑比如臭氧去離子化水或腐蝕劑比如過(guò)氧乙酸。
本發(fā)明的流量裝置的入口連接到包含反應(yīng)流體的壓力或重力輸送容器。流量裝置出口連接到在工具上的噴嘴或噴霧嘴。反應(yīng)流體通過(guò)噴嘴輸送給在工具上的襯底；到工具上的噴嘴的反應(yīng)流體的流量通過(guò)流量裝置和它的閥控制。流量裝置的電子器件可以連接到工具的控制器以使工具能夠控制到襯底的反應(yīng)流體的時(shí)序和速率。反應(yīng)流體的電子器件可以通過(guò)工具控制器連接到反應(yīng)端點(diǎn)檢測(cè)器，在那里在接近或達(dá)到反應(yīng)端點(diǎn)時(shí)反應(yīng)流體的流率減小或停止。腐蝕過(guò)程的實(shí)例是使用過(guò)氧乙酸從電鍍晶片的邊緣清除銅。結(jié)果是使用本發(fā)明的實(shí)施例將反應(yīng)流體的受控體積輸送給襯底并精確地控制處理端點(diǎn)的控制。
實(shí)例6本實(shí)例說(shuō)明了本發(fā)明的一種實(shí)施例與化學(xué)制品傳感器串聯(lián)使用以測(cè)量并控制液體流量和組分。更具體地說(shuō)，本實(shí)例說(shuō)明了本發(fā)明的一種實(shí)施例如何與一個(gè)或多個(gè)化學(xué)制品傳感器組合以便能夠控制流體流量和流體組分。這種控制理想的應(yīng)用包括(但不限于)電鍍槽、RCA清潔槽、臭氧水槽和氫氟酸槽。將這種傳感器與本發(fā)明的一種實(shí)施例組合的其它的應(yīng)用包括保持化學(xué)制品槽的純度。例如，污染比如顆粒、有機(jī)材料或金屬離子在循環(huán)槽中的累積可以要求槽周期性地排出被污染的流體并以未污染的流體的等量體積更換。可替換地，這種槽可以切換到清潔器或顆粒過(guò)濾器以清除污染，同時(shí)維持恒定的流率以便保護(hù)當(dāng)前的處理和產(chǎn)品，直到消除污染。
在去離子水中溶解的臭氧用于從各種襯底的表面清除有機(jī)材料。在臭氧發(fā)生器輸出氣體濃度和水流率方面的波動(dòng)導(dǎo)致了在溶解的臭氧濃度的變化。這種溶解的臭氧濃度的變化導(dǎo)致了以臭氧水氧化襯底表面所要求的時(shí)間的變化，由此造成了處理結(jié)果和清潔次數(shù)不一致。
為維持在溢流清潔槽中溶解的臭氧的濃度，本發(fā)明的一種實(shí)施例在它的入口處連接到去離子水源并且它的出口連接到氣體接觸器。氣體接觸器是能夠?qū)怏w溶解在液體中的質(zhì)量傳遞裝置。這種裝置的實(shí)例和對(duì)它們的操作的描述在W.L Gore，Elkton，MD，and MykrolisCorporation，Billerica，MA中可得到。來(lái)自臭氧發(fā)生器的臭氧氣體被輸送給氣體接觸器的外殼側(cè)，在那里它溶解進(jìn)流經(jīng)氣體接觸器的管子的去離子水。在水中溶解的臭氧的濃度通過(guò)連接到氣體接觸器的流體出口的溶解臭氧濃度監(jiān)測(cè)儀(從IN USA，Needham，MA，可購(gòu)買到)測(cè)量。溶解臭氧濃度監(jiān)測(cè)儀的輸出信號(hào)用作到本發(fā)明的流量裝置的電子器件和微處理器的輸入信號(hào)。本發(fā)明的電子器件、微處理器和控制邏輯在預(yù)先設(shè)定的極限內(nèi)改變通過(guò)氣體接觸器的水的流率，以便將溶解的臭氧的濃度維持在預(yù)定的濃度范圍內(nèi)。例如，如果從臭氧發(fā)生器輸出的臭氧氣體的濃度降低，則通過(guò)氣體接觸器的水的流量可以通過(guò)流量裝置減小以維持溶解的臭氧的濃度。
可替換地，本發(fā)明的流量裝置的電子器件可用于通過(guò)使用它的模擬輸出或RS845輸出或其它適合的裝置改變臭氧發(fā)生器氣體流量，同時(shí)通過(guò)氣體接觸器與流量裝置的上游的水壓力無(wú)關(guān)地維持固定的水流率。例如如果溶解的臭氧的濃度超過(guò)預(yù)定的閾值，同時(shí)水的流量恒定，則降低給發(fā)生器輸送的功率以將溶解的臭氧的濃度減回到它的適當(dāng)?shù)乃?。結(jié)果是通過(guò)使用本發(fā)明的一種實(shí)施例控制了到襯底的恒定組分的化學(xué)混合物的制備和輸送。
實(shí)例7本實(shí)例說(shuō)明了使用具有熱交換器的文丘里管系統(tǒng)重復(fù)地加熱、測(cè)量和控制液體流量以在室溫到隨后的處理的高溫下能夠分配體積液體。
按照在共同未決的申請(qǐng)USSN 60/326357(申請(qǐng)日10/01/2001，標(biāo)題“CLOSED LOOP HEAT EXCHANGE APPARATUS”，在此以引用參考的方式將其包括在本申請(qǐng)中)中公開(kāi)的方法制備的2.25英寸內(nèi)徑、18英寸長(zhǎng)的外殼和管熱交換器在它的外殼側(cè)連接到在1.46升每分鐘的流率流動(dòng)的加熱到70攝氏度的水源。在23攝氏度的水源在它的入口處連接到本發(fā)明的一種實(shí)施例。在本實(shí)施例的閥的出口連接到熱交換器的管側(cè)的入口配件處。到管測(cè)定水入口和熱交換器的管側(cè)的出口的溫度通過(guò)J-型熱電偶測(cè)量并使用Agilent數(shù)據(jù)記錄儀記錄數(shù)據(jù)。通過(guò)流量裝置的電子器件和膝上型計(jì)算機(jī)控制到熱交換器的管子的液態(tài)水分配循環(huán)的流率和時(shí)序。每分鐘的分配周期是水以大約20毫升每秒的流率輸送到管子15秒，水流停止45秒。多個(gè)分配周期的熱交換器入口水溫度、管子出口水溫度和所測(cè)量的流率的曲線圖在附圖11中示出。結(jié)果顯示通過(guò)使用本發(fā)明的實(shí)施例并應(yīng)用熱交換器，可重復(fù)輸送被加熱到從23至67+/-0.9攝氏度的液體的300毫升體積。這種系統(tǒng)可以用于調(diào)節(jié)在單個(gè)晶片清潔、無(wú)電電鍍、顯影劑或抗蝕劑清除過(guò)程中使用的流體的溫度。
實(shí)例8本實(shí)例說(shuō)明了使用文丘里管流量系統(tǒng)以便能夠以精確控制的溫度在固定的流率下輸送固定的液體體積。
按照在共同未決的申請(qǐng)USSN 60/326357(申請(qǐng)日10/01/2001，標(biāo)題“CLOSED LOOP HEAT EXCHANGE APPARATUS”，在此以引用參考的方式將其包括在本申請(qǐng)中)中公開(kāi)的方法制備的2.25英寸內(nèi)徑、8英寸長(zhǎng)的外殼和管狀熱交換器在它的管殼側(cè)連接到在0.5升每分鐘的流率流動(dòng)的加熱到26.8攝氏度的水源。在23.4攝氏度的水源在它的入口處連接到本發(fā)明的一種實(shí)施例。在本實(shí)施例的閥的出口連接到熱交換器的管側(cè)的入口配件處。到管測(cè)定水入口和熱交換器的管側(cè)的出口的溫度通過(guò)J-型熱電偶測(cè)量并使用Agilent數(shù)據(jù)記錄儀記錄數(shù)據(jù)。通過(guò)流量裝置的電子器件和膝上型計(jì)算機(jī)控制到熱交換器的管子的液態(tài)水分配循環(huán)的流率和時(shí)序。每分鐘的分配周期是水以大約20毫升每秒的流率輸送到管子5秒，水流停止10秒。多個(gè)分配周期的熱交換器入口水溫度、管子出口水溫度和所測(cè)量的流率的曲線圖在附圖12中示出。結(jié)果顯示通過(guò)使用本發(fā)明的實(shí)施例并應(yīng)用熱交換器，可重復(fù)輸送保持在26.035+/-0.095 C的溫度的液體的100毫升體積。這種系統(tǒng)可以用于精確地維持流體比如光致抗蝕劑的溫度。
實(shí)例9本實(shí)例說(shuō)明了使用毛細(xì)管系統(tǒng)測(cè)量并控制液體流量以便能夠輸送并控制有機(jī)液體的低體積流量。
具有0.058英寸和大約14個(gè)扭彎的40英寸長(zhǎng)度PFA管用作壓降元件。入口流體(例如2-丙醇)的溫度應(yīng)該是大約23攝氏度并且通過(guò)在流量限制元件的表面上的熱敏電阻測(cè)量，其溫度輸入到如附圖21所示的電子器件系統(tǒng)的溫度傳感器輸入模塊中。2-丙醇是在帶有氮?dú)饣驓鍤饷科椒接⒋绱蠹s20英鎊的壓力的容器中。2-丙醇流率通過(guò)控制器設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)。設(shè)定點(diǎn)可通過(guò)外部工具控制器經(jīng)RS485或輔助模擬輸入模塊輸入到電子器件系統(tǒng)的微處理器，如附圖21所示。結(jié)果是以在從大約0.008克每秒(0.16克每分鐘)到大約0.5克每秒(9.6克每分鐘)的范圍的流率輸送液體。這種流量系統(tǒng)能夠控制適合于化學(xué)氣相淀積處理的流率的液體。
實(shí)例10本實(shí)例說(shuō)明了通過(guò)文丘里管系統(tǒng)使用一種算法以在上游輸送壓力變化的過(guò)程中維持恒定的體積分配。
使用如下部件組裝本發(fā)明的器件的流量裝置的實(shí)施例同心文丘里管，Teflon，3/8英寸Flaretek配件，流量元件，LucasNovaSensor，F(xiàn)remont，CA的兩個(gè)NPI-19系列壓力傳感器和比例控制閥EAD步進(jìn)電機(jī)，這種步進(jìn)電機(jī)具有改進(jìn)的導(dǎo)桿(型號(hào)LIMGE-10×03)和用于確定步進(jìn)電機(jī)和閥引導(dǎo)位置的Sager電定位傳感器(型號(hào)EE-SX77OPR)。閥體是Parker生產(chǎn)的帶有改進(jìn)的閥芯的PV-10型。壓力傳感器的閥與電子器件硬件連接。使用圖形用戶接口將流量裝置的電器器件的流率和壓力輸出記錄在IBM兼容計(jì)算機(jī)中。
文丘里管流量元件的入口連接到壓力水源。水盛放在通過(guò)Micropump，Vancouver，WA的405A型液體泵和壓力開(kāi)關(guān)壓力輸送的壓載箱中。在壓載箱中的壓力允許在每平方英寸計(jì)量的20和33英鎊之間循環(huán)。在Mettler Toledo PR8002秤上測(cè)量來(lái)自流量裝置的液體分配質(zhì)量并記錄在IBM兼容計(jì)算機(jī)中。
流量裝置的分配時(shí)間是分配大約10秒并關(guān)閉大約20秒。對(duì)于100、150和200毫升的總的分配體積，在每平方英寸20和33英鎊之間變化的壓載箱中的壓力下，重復(fù)10、15和20毫升每秒的編程的流率總共23次。
一部分結(jié)果在附圖14中示出。結(jié)果顯示了用于調(diào)節(jié)通過(guò)溫度和壓力傳感器輸入到微處理器的通過(guò)限制流量元件的流體流量的電子器件控制系統(tǒng)。微處理器具有如下的能力存儲(chǔ)并訪問(wèn)在多種流體的運(yùn)動(dòng)粘度和溫度之間的所存儲(chǔ)的表格或函數(shù)關(guān)系的能力，以及計(jì)算溫度校正的壓力降的能力。結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明流量裝置和電子器件系統(tǒng)能夠在液體的上游壓力變化時(shí)輸送液體的一致的體積的能力。在微處理器中，計(jì)算、求和每單元時(shí)間分配的流體的總的體積并與設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較。通過(guò)控制邏輯對(duì)分配時(shí)間進(jìn)行校正以調(diào)節(jié)在系統(tǒng)中的壓力變化并維持分配體積和流率。從23次分配的稱量數(shù)據(jù)中確定的分配體積是100.97、151.23和201.50毫升，分配百分比的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.4。
實(shí)例11本實(shí)例說(shuō)明了通過(guò)本發(fā)明的一種實(shí)施例的一種算法使用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)流體校準(zhǔn)在多種流體中使用的流量裝置。對(duì)于文丘里管流量計(jì)，在此使用建立的方程式計(jì)算任何液體的體積流率。附圖22所示為在文丘里管中流體流量與壓力降、橫截面面積和流體粘度相關(guān)的理論的描述。
如果考慮在附圖22中的項(xiàng) 作為“幾何系數(shù)”，1可以替代它，并且流量系數(shù)C以單個(gè)組合的校準(zhǔn)系數(shù)C′替代。所得的等式歸一化為Q＝C′(2ΔP/ρ)n的形式，這里指數(shù)n是大約為0.5并通過(guò)試驗(yàn)確定。
使用具有兩個(gè)壓力傳感器的流量計(jì)并置于具有壓力標(biāo)準(zhǔn)和流量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試臺(tái)上。在至少兩種流體中測(cè)量流體流量作為壓力傳感器差的輸出的函數(shù)。附圖15所示為三種流體的這種測(cè)量的結(jié)果水、2-丙醇和甘油18％/2-丙醇82％w/w混合。使用具有預(yù)指數(shù)(pre-exponential)系數(shù)和指數(shù)的冪函數(shù)擬合每種流體數(shù)據(jù)組。
由于C′＝Q/(2ΔP/ρ)n，可以繪制Q與2ΔP/ρ的曲線以獲得如附圖16所示的C′的值并從每種流體的流率、流體密度和壓力降數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系中確定校準(zhǔn)系數(shù)和指數(shù)。例如，使用冪函數(shù)數(shù)學(xué)關(guān)系的每種流體的數(shù)據(jù)的最佳擬合得到具有預(yù)指數(shù)系數(shù)C′和指數(shù)n的函數(shù)。在附圖16中水的預(yù)指數(shù)C′是4.0001并且指數(shù)n是0.5342。
雖然在附圖16中三個(gè)曲線的冪曲線擬合等式的指數(shù)n是大約0.54，每種流體的C′校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)指數(shù)系數(shù)都不相同。這些系數(shù)相對(duì)于每種流體運(yùn)動(dòng)粘度v繪制，如附圖17所示，并確定在每種流體的校準(zhǔn)系數(shù)C′和運(yùn)動(dòng)粘度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。例如，最佳擬合的直線產(chǎn)生了C′的值作為如附圖17所示的運(yùn)動(dòng)粘度的函數(shù)。
確定系數(shù)C′的值的能力使得人們可以計(jì)算在所研究的流量和運(yùn)動(dòng)粘度范圍內(nèi)流經(jīng)特定的文丘里管流量計(jì)的任何流體的流率(假設(shè)流動(dòng)是紊流)。
在這種流量模型的優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)確定包含C′系數(shù)和可變流體特性的新的系數(shù)“K”，可以進(jìn)一步改進(jìn)以補(bǔ)償流體特性(μ和ρ)的與溫度相關(guān)的變化，由此流量方程變?yōu)镼＝KΔPn，這里K＝C′(2/ρ)n。
對(duì)于同心文丘里管流量傳感器，在H2O和IPA的“K”和溫度之間的關(guān)系在附圖18中示出。這些數(shù)據(jù)在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的國(guó)際判定表中可得到。從這些數(shù)據(jù)中在每種流體的校準(zhǔn)系數(shù)“K”和運(yùn)動(dòng)粘度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系作為溫度的函數(shù)確定。例如，對(duì)于IPA和水，本發(fā)明優(yōu)選的這些數(shù)據(jù)的最佳擬合多項(xiàng)式將K作為溫度的函數(shù)給出，如附圖18所示。
為了校驗(yàn)這個(gè)模型，可以將相對(duì)于壓力降數(shù)據(jù)的流率與所計(jì)算的流率進(jìn)行比較。對(duì)于水和IPA，對(duì)于水使用24.0℃而對(duì)于IPA使用23.6℃的溫度和K的情況，在附圖19中示出。僅基于C′計(jì)算甘油/IPA的結(jié)果(沒(méi)有溫度校正)。
如果具有特定的文丘里管計(jì)量設(shè)計(jì)的足夠的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，即該設(shè)計(jì)是十分好的特征設(shè)計(jì)，則如果流量方程“Q＝C′(2ΔP/ρ)n”的“n”是常數(shù)，并且系數(shù)方程“C′＝b-mv”的斜率“m”也是常數(shù)，則在公知的溫度下使用單種流體以單個(gè)流率應(yīng)該可以校準(zhǔn)該設(shè)計(jì)的其它文丘里管流量計(jì)。一旦校準(zhǔn)了流量計(jì)，則在已經(jīng)將其作為溫度的函數(shù)的運(yùn)動(dòng)粘度和密度輸入到電子電路或微處理器的存儲(chǔ)器中的其它流體中可以使用該裝置。
為容納由于制造公差引起的文丘里管流量計(jì)的尺寸的偏差，從該系數(shù)方程b＝C′+mv中可以確定唯一的未知數(shù)，即在系數(shù)方程中的“b”的值；由于“m”的值(斜率)是已知的，并且C′＝Q/(2ΔP/ρ)n(Q和ΔP來(lái)自流率vs，壓力降數(shù)據(jù)點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)粘度v和密度ρ分別是校準(zhǔn)流體的運(yùn)動(dòng)粘度和密度)，則b＝Q/(2ΔP/ρ)n+mv。
權(quán)利要求
1.流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置，包括具有流體入口和流體出口的比例流量閥；用于調(diào)整所說(shuō)的比例流量閥的所說(shuō)的比例流量閥的傳動(dòng)裝置；具有與所說(shuō)的比例流量閥的所說(shuō)的流體入口流體連通的限制流量元件流體入口和限制流量元件流體出口的限制流量元件，所說(shuō)的限制流量元件在所說(shuō)的限制流量元件流體入口和限制流量元件流體出口之間形成壓力降；測(cè)量所說(shuō)的壓力降的裝置；基于所說(shuō)的壓力降計(jì)算流率的裝置；和與所說(shuō)的壓力降測(cè)量裝置和所說(shuō)的傳動(dòng)裝置連通以響應(yīng)所說(shuō)的所測(cè)量的壓力降控制通過(guò)所說(shuō)的比例流量閥的流體流量的控制器。
2.權(quán)利要求1的流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置，其中所說(shuō)的限制流量元件產(chǎn)生附加的壓力降。
3.權(quán)利要求1的流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置，其中所說(shuō)的限制流量元件包括文丘里管。
4.權(quán)利要求1的流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置，進(jìn)一步包括感測(cè)所說(shuō)的流體的溫度的裝置，以及其中所說(shuō)的控制器響應(yīng)所說(shuō)的感測(cè)的溫度校正所說(shuō)的計(jì)算的流率。
5.權(quán)利要求3的流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置，其中所說(shuō)的測(cè)量所說(shuō)的壓力降的裝置包括感測(cè)所說(shuō)的文丘里管的所說(shuō)的流體上游的壓力的第一壓力換能器和感測(cè)在所說(shuō)的文丘里管的最限制部分中的所說(shuō)的流體的壓力的第二壓力換能器。
6.一種控制從分配器到使用點(diǎn)的流體的分配的方法，包括提供具有流體入口和流體出口的比例流體流量閥；提供與所說(shuō)的流體入口流體連通的限制流量元件，所說(shuō)的限制流量元件產(chǎn)生壓力降；感測(cè)在所說(shuō)的限制流量元件上的所說(shuō)的壓力降；和響應(yīng)所說(shuō)的感測(cè)的壓力降調(diào)節(jié)所說(shuō)的比例流體流量閥。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其中提供傳動(dòng)裝置以調(diào)節(jié)所說(shuō)的比例流體流量閥。
8.權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括提供響應(yīng)所說(shuō)的測(cè)量的壓力降的控制器以控制所說(shuō)的傳動(dòng)裝置。
9.權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)所說(shuō)的比例流體流量閥的模糊邏輯控制規(guī)則。
10.權(quán)利要求1的流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置，進(jìn)一步包括在所說(shuō)的傳動(dòng)閥上設(shè)置的定位傳感器。
11.權(quán)利要求1的流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置，其中所說(shuō)的限制流量元件至少恢復(fù)所測(cè)量的壓力降的10％。
12.權(quán)利要求1的流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置，其中所說(shuō)的控制器使用模糊邏輯規(guī)則。
13.權(quán)利要求1的流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置，其中所說(shuō)的控制器使用所存儲(chǔ)的流體特性數(shù)據(jù)以測(cè)量并控制流體流量。
14.一種使用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)流體校準(zhǔn)流體流量裝置的方法，包括提供具有第一和第二壓力傳感器的流量計(jì)；通過(guò)計(jì)算在由所說(shuō)的第一和第二壓力傳感器感測(cè)的壓力之間的第一壓力差測(cè)量通過(guò)所說(shuō)的流量計(jì)的第一流體的流體流量；通過(guò)計(jì)算在由所說(shuō)的第一和第二壓力傳感器感測(cè)的壓力之間的第二壓力差測(cè)量通過(guò)所說(shuō)的流量計(jì)的第二流體的流體流量；基于在流率、流體密度和所計(jì)算的所說(shuō)的第一和第二流體的壓力差之間的關(guān)系確定校準(zhǔn)系數(shù)；確定每種所說(shuō)的流體的運(yùn)動(dòng)粘度和所說(shuō)的校準(zhǔn)系數(shù)之間的關(guān)系；和存儲(chǔ)所說(shuō)的關(guān)系。
15.權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括比較所說(shuō)的存儲(chǔ)的關(guān)系和所測(cè)量的第三流體的差壓并基于所說(shuō)的比較確定所說(shuō)的第三流體的流率。
16.權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括校正溫度變化的所說(shuō)的關(guān)系。
17.一種裝置，包括具有流體入口和流體出口的比例流量閥；用于調(diào)整所說(shuō)的比例流量閥的所說(shuō)的比例流量閥的傳動(dòng)裝置；具有與所說(shuō)的比例流量閥的所說(shuō)的流體入口流體連通的限制流量元件流體入口和限制流量元件流體出口的限制流量元件，所說(shuō)的限制流量元件在所說(shuō)的限制流量元件流體入口和限制流量元件流體出口之間形成壓力降；上游壓力傳感器；下游壓力傳感器；與所說(shuō)的上游壓力傳感器和所說(shuō)的下游壓力傳感器連通的控制器，所說(shuō)的控制器進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)處理器；一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器；在所說(shuō)的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)并通過(guò)所說(shuō)的一個(gè)或多個(gè)處理器可執(zhí)行的一組計(jì)算機(jī)可讀指令，所說(shuō)的計(jì)算機(jī)可讀指令組包括可如下地執(zhí)行的指令接收上游壓力信號(hào)；接收下游壓力信號(hào)；和基于所說(shuō)的上游壓力信號(hào)和所說(shuō)的下游壓力信號(hào)計(jì)算流體流率。
18.權(quán)利要求17的裝置，其中控制器與所說(shuō)的傳動(dòng)裝置進(jìn)行通信，并且所說(shuō)的計(jì)算機(jī)可讀指令組進(jìn)一步包括可執(zhí)行以計(jì)算閥輸出的總體變化的指令。
19.權(quán)利要求17的裝置，其中控制器可進(jìn)一步執(zhí)行以基于閥輸出的變化產(chǎn)生閥控制信號(hào)。
20.權(quán)利要求19的裝置，其中控制器進(jìn)一步包括可操作以基于閥控制信號(hào)產(chǎn)生閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)并將閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳遞給傳動(dòng)裝置的閥驅(qū)動(dòng)器。
21.權(quán)利要求18的裝置，其中可執(zhí)行以計(jì)算閥輸出的總體變化的指令進(jìn)一步包括可執(zhí)行如下操作的指令比較與流率相關(guān)的變量和第一組隸屬函數(shù)以產(chǎn)生第一組模糊輸入；和比較與流率變化相關(guān)的變量和第二組隸屬函數(shù)以產(chǎn)生第二組模糊輸入；其中來(lái)自第一組模糊輸入和第二組模糊輸入中的每個(gè)模糊輸入與輸入真實(shí)度相關(guān)。
22.權(quán)利要求21的裝置，其中可執(zhí)行以計(jì)算閥輸出的總體變化的指令進(jìn)一步包括可執(zhí)行如下操作的指令將一組規(guī)則應(yīng)用于第一組模糊輸入和第二組模糊輸入以產(chǎn)生一組模糊輸出，其中每個(gè)模糊輸出與輸出真實(shí)度相關(guān)。
23.權(quán)利要求22的裝置，其中可執(zhí)行以計(jì)算閥輸出的總體變化的指令進(jìn)一步包括可執(zhí)行如下操作的指令將每個(gè)模糊輸出與閥輸出值的離散變化關(guān)聯(lián)；和基于一個(gè)或多個(gè)模糊輸出的輸出真實(shí)度和與一個(gè)或多個(gè)模糊輸出中的每個(gè)關(guān)聯(lián)的閥輸出值的離散變化計(jì)算閥輸出的總體變化。
24.一種裝置，包括在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)并通過(guò)所說(shuō)的一個(gè)或多個(gè)處理器可執(zhí)行的一組計(jì)算機(jī)可讀指令，所說(shuō)的計(jì)算機(jī)可讀指令組包括可執(zhí)行如下操作的指令計(jì)算流體流率；和基于模糊邏輯計(jì)算在閥輸出中的總體變化。
25.權(quán)利要求24的裝置，其中可執(zhí)行以計(jì)算閥輸出的總體變化的指令進(jìn)一步包括可執(zhí)行如下操作的指令比較與流率相關(guān)的變量和第一組隸屬函數(shù)以產(chǎn)生第一組模糊輸入；和比較與流率變化相關(guān)的變量和第二組隸屬函數(shù)以產(chǎn)生第二組模糊輸入；其中來(lái)自第一組模糊輸入和第二組模糊輸入中的每個(gè)模糊輸入與輸入真實(shí)度相關(guān)。
26.權(quán)利要求25的裝置，其中可執(zhí)行以計(jì)算閥輸出的總體變化的指令進(jìn)一步包括可執(zhí)行如下操作的指令將一組規(guī)則應(yīng)用于第一組模糊輸入和第二組模糊輸入以產(chǎn)生一組模糊輸出，其中每個(gè)模糊輸出與輸出真實(shí)度相關(guān)。
27.權(quán)利要求25的裝置，其中可執(zhí)行以計(jì)算閥輸出的總體變化的指令進(jìn)一步包括可執(zhí)行如下操作的指令將每個(gè)模糊輸出與閥輸出值的離散變化關(guān)聯(lián)；和基于一個(gè)或多個(gè)模糊輸出的輸出真實(shí)度和與一個(gè)或多個(gè)模糊輸出中的每個(gè)關(guān)聯(lián)的閥輸出值的離散變化計(jì)算閥輸出的總體變化。
28.一種裝置，包括在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)并通過(guò)所說(shuō)的一個(gè)或多個(gè)處理器可執(zhí)行的一組計(jì)算機(jī)可讀指令，所說(shuō)的計(jì)算機(jī)可讀指令組包括可執(zhí)行如下操作的指令計(jì)算流體流率；和基于模糊邏輯如下地計(jì)算在閥輸出中的總體變化比較誤差與第一組隸屬函數(shù)以產(chǎn)生第一組模糊輸入；比較流率的變化與第二組隸屬函數(shù)以產(chǎn)生第二組模糊輸入，其中來(lái)自第一組模糊輸入和第二組模糊輸入的每個(gè)模糊輸入都與輸入的真實(shí)度關(guān)聯(lián)；將一組規(guī)則應(yīng)用到第一組模糊輸入和第二組模糊輸入以產(chǎn)生一組模糊輸出，其中每個(gè)模糊輸出與輸出的真實(shí)度關(guān)聯(lián)；將每個(gè)模糊輸出與在閥輸出值中的離散變化關(guān)聯(lián)；以及基于一個(gè)或多個(gè)模糊輸出的輸出真實(shí)度和與一個(gè)或多個(gè)模糊輸出中的每個(gè)關(guān)聯(lián)的閥輸出中的離散變化計(jì)算閥輸出中的總體變化。
29.權(quán)利要求28的裝置，其中計(jì)算機(jī)可讀指令組進(jìn)一步包括可執(zhí)行以降低與特定的輸出真實(shí)度相關(guān)的模糊輸出的指令。
30.權(quán)利要求28的裝置，其中計(jì)算機(jī)可讀指令組進(jìn)一步包括可執(zhí)行以使輸出真實(shí)度基于輸入真實(shí)度的指令。
31.權(quán)利要求28的裝置，其中特定的模糊輸出的輸出真實(shí)度等于特定的模糊輸出所基于的特定的模糊輸入組的最低的輸入真實(shí)度。
32.權(quán)利要求28的裝置，其中計(jì)算機(jī)可讀指令組進(jìn)一步包括可執(zhí)行以基于計(jì)算的閥輸出的總體變化產(chǎn)生閥控制信號(hào)的指令。
全文摘要
一種涉及流體流量測(cè)量和比例流體流量控制裝置，其中的流體流測(cè)量和控制裝置用于基于限制流元件(15)產(chǎn)生的壓力降測(cè)量流率。該裝置包括一個(gè)具有流體入口和流體出口的比例流量閥(10)和用于調(diào)節(jié)比例流量閥(10)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(17)。限制流元件(15)包括與比例流量閥(10)連通的流體入口和流體出口，并在限制流元件入口和出口之間產(chǎn)生壓力降。該裝置還包括用于測(cè)量壓力降的裝置(24、25)、用于基于壓力降計(jì)算流率的裝置(16)，和與壓力降測(cè)量裝置(24、25)連通的控制裝置(未圖示)以及相應(yīng)測(cè)量的壓力降控制通過(guò)比例流量閥(10)的流體流的傳動(dòng)裝置。
文檔編號(hào)G01P5/14GK1682235SQ03821993
公開(kāi)日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2003年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月19日
發(fā)明者克里斯多夫·瓦貢, 卡爾·J·尼邁耶, 徐介華, 克雷格·L·布羅德, 威廉姆·巴塞 申請(qǐng)人:米克羅利斯公司