專利名稱：用于質量流量控制器的控制器增益調度的制作方法
技術領域：
本發(fā)明公開的實施方式一般地涉及流體流量的測量和控制，且更具體 地涉及基于模型的用于質量流量控制器的控制器增益調度。
背景技術：
質量流量控制器(MFC)為設定、測量并控制流經設備的例如為氣體 或蒸汽的流體的流率和量的設備。設計和校準這些設備，以高精度地在預 定流率范圍內控制氣流。
例如為半導體制造的一些制造過程需要精確控制傳送給處理室或工具 的氣體或蒸汽的流率和量(質量)。通常，精確的流體流率和量(流體的總 質量)對于確保最佳的結果是關鍵的。應用范圍包括流入處理室以用于隨 后在工件上的噴鍍的氣體或蒸汽的精確量的計量、干法蝕刻以移除材料、 在半導體中使用的離子及等離子束以及制藥工業(yè)等等。質量流量控制器尤 其適于這些以及其它的作業(yè)。
參照圖1，質量流量控制器系統(tǒng)10典型地將質量流量控制器12與流動 通道14接合。選定的流體通過入口 16進入通道，流經控制器12并以被精 確控制的方式通過出口 18離開控制器。流體流量路徑20在內部將控制器 12分成旁路路徑和傳感器路徑。具體地，在第一分叉接合點22處， 一小部 分流體從主路徑20中分離并在旁路管26的主旁路路徑和傳感器40的毛細 傳感器管24的傳感器路徑之間分開。傳感器管24和旁路管26在位于第一 接合點22下游的第二匯合接合點28處重新結合。所述第二接合點28使流 經傳感器及旁路的管24及26的流體重新混合。重新混合后的流體30然后 流經控制閥50，所述控制閥50反過來控制流體流量，如在附圖標記36處 所示，所述流體30通過出口 18離開控制器12。層流或流量分流元件32通 常設置在旁路管26內的第一和第二接合點22及28之間，以便產生流經兩 個接合點之間的旁路管26的層流。由于流經旁路管的層流和毛細管的內部 毛細管尺寸，流經毛細管和旁路管的質量流量將在儀器的整個預先設計的
4流率范圍內保持在精確的旁流比。
設計傳感器40以提供表示流經傳感器管24的流體的流率的信號。由 于旁流比在整個儀器預先設計的流率范圍內保持恒定，所以由傳感器40提 供的信號表示流經旁路和傳感器管24及26兩者的混合流量(即流經質量 流量控制系統(tǒng)10的混合流量)。傳感器40的信號輸出被應用于處理器60。
已知用于基于溫度測量結果而測量流量的傳感器，同時已知用于基于 壓力測量結果而測量流量的其它傳感器。典型的基于溫度的傳感器具有兩 個傳感器線圈44、 46，上游線圈用于向流經毛細管的氣體或蒸汽注入熱量， 而下游的另一個線圈用于測量兩個線圈之間的溫度損失。這種溫差代表流 率。其它溫度傳感器的設置是已知的，其包括采用一個或三個線圈的傳感 器。
控制器12還包括用于響應于來自處理器60的信號而控制流體流動的 控制閥50。所述處理器60被構造成并設置成將由傳感器40探測的實際流 量與通常由使用者和/或被控制的過程確定的設定點(SP)值比較，并向閥 50提供信號，以將閥50設置在正確的位置以產生由SP值確定的所需流量。 因此，如果處理器60從傳感器40檢測到流體流動太快，那么處理器60將 向控制閥50發(fā)出信號以降低流率，反之亦然。
處理器60可被構造成以至少兩種閥的設計控制閥。 一種闊的設計包括 常開閥，其中，閥保持打開直到電信號被發(fā)送到控制閥。另一種設計為常 閉閥設計，其中，閥被關閉直到電信號被發(fā)送到控制閥。
質量流量控制器也已經被設計成對來自于控制器上游的壓力波動不敏 感。在授予Ali Shajii等并轉讓給本受讓人的美國專利No. 6712084中描述 了壓力不敏感的質量流量控制器(兀MFC或piMFC)的一個例子。受專利 權保護的兀MFC也包括基于熱能的流量傳感器，且類似于至此結合圖1所 描述的MFC，并且還包括被接合以測量閥50上游流體的壓力的壓力傳感器 70 (在圖1中由虛線示出)。壓力傳感器70向處理器60提供所測得的表示 流經設備的流體的壓力的信號。在受專利權保護的兀MFC中，通過傳感器 40、處理區(qū)60和控制閥50之間的協(xié)調工作，以及使用由壓力傳感器70所 測得的壓力測量結果獲得對壓力不敏感的控制。受專利權保護的KMFC的 目的在于使輸出流量36對上游或下游的壓力干擾不敏感?；趥鞲衅鞯妮?入以及上游壓力的測量結果使用算法(在處理器60中處理)控制控制閥50。
5兀MFC還包括與流動主體相連的溫度傳感器80以用于測量流入控制器的 流體的溫度。
在工作中，MFC經由例如為輸出流率a追蹤流量設定點SP的反饋控 制環(huán)控制所述閥的打開。MFC的控制器增益通常在例如為在室溫下40個絕 對壓強的入口氮氣的已知校準條件下確定，以在流量設定點變化時具有良 好的控制性能。對于在不同于校準條件的條件下工作的MFC,例如在不同 的氣體類型、不同的入口氣體壓力或不同的入口氣體溫度的條件下，經常 出現(xiàn)兩種常見的控制性能問題。第一種常見的控制性能問題為如圖2A中所 示的當設定點改變時的超調(overshoot)。該問題與當入口氣體從氮氣轉換 為例如為氦的輕質氣體或入口氣體壓力從高壓力變到低壓力時的低控制器 增益設定有關。第二種常見的控制性能問題為如圖2B中所示的當設定點改 變時的振蕩。該問題與當入口氣體從氮氣轉換為例如為六氟化硫(SF6)的 重質氣體或入口氣體壓力從低壓力變到高壓力時的高控制器增益設定有 關。在需要仔細的、高精度的流體流率的時間控制的半導體制造過程中， 這些控制問題是非常難以解決的。
在授予Lull的美國專利No. 6,962,164中論述了根據(jù)流經MFC的氣體 壓力和氣體類型而克服不同響應的這種問題的一種方法。Lull試圖通過基 于流體流量的變化而經驗地確定閥增益項來克服控制問題，所述流體流量 被在多個預定流率下閥位移(在基于熱能的MFC中使用的閥的位移)的相 應變化而分流。換句話說，通過將流體流量與閥位移相關聯(lián)而確定設置作 為基于工作的函數(shù)的增益。使用預定的流率，Lull推導出用于給定條件(即 閥位移)的適當?shù)牧髀?，并適當?shù)卣{節(jié)儀器的增益。人們認為，通過利用 來自于不同預定流率的數(shù)據(jù)，閥增益項會更準確。然而，該方法不必要地 復雜化了。
因此，本領域需要能夠提供更可靠的流體流量控制的MFC，其中，實 際的流量更平穩(wěn)地落于設定點上，而沒有超調或者振蕩的控制響應。

發(fā)明內容
一種具有反饋控制器增益的質量流量控制器，包括構造成探測流經 所述控制器的流體流量的傳感器；設置成調節(jié)流經所述控制器的流體流量 的閥；以及構造成按照所述傳感器所測得的流體流量的函數(shù)來控制所述閥的處理器。所述傳感器和閥設置在反饋系統(tǒng)內，且所述處理器基于至少一 個校準氣體參數(shù)與至少一個工作氣體參數(shù)的比值而實時修正反饋控制器增 益，以使得反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)無關于工作條件而保持基本上恒定， 從而在不同于校準條件的工作條件下具有一致的控制性能。


圖1為基于熱能的MFC的框圖2為示出在不同于校準條件的工作條件下的現(xiàn)有技術的MFC的不合
需要的控制響應的曲線圖3為用于MFC的控制器增益調度方法的框圖；以及
圖4為示出在不同于校準條件的工作條件下使用控制器增益調度方法
的重要的控制性能改善曲線圖。
具體實施例方式
參照圖3中示出的實施方式，MFC控制系統(tǒng)100的框圖包括負反饋控 制環(huán)。反饋控制系統(tǒng)一般地包括輸入和輸出，以及將輸出和輸入相結合的 關聯(lián)。在所述反饋控制環(huán)中，^>102 (理想的設定點流率)為輸入。在附圖 標記116處表示的所獲得的實際流率2為輸出。在下面的描述中，例如為2(0 和2wW的所有時域變量都被轉換成如2(s)和^^)的拉普拉斯域變量，這是
在控制領域中所使用的常用手段。
控制系統(tǒng)100的物理模型包括在附圖標記104處表示的控制器^")，以 及以在附圖標記110處表示的閥^W。反饋控制器尺W產生在附圖標記108 處表示的控制命令電流刷以調節(jié)閥的打開，使得閥的輸出、實際的流率2(》 追蹤理想的設定點流率^^)102。此處，我們假設，流量傳感器提供快速準 確的測量，以使得流量傳感器的動態(tài)(dynamic)與閥的動態(tài)相比可被忽略。 如果傳感器的動態(tài)不能忽略，那么可將流量傳感器的動態(tài)與閥的動態(tài)結合 作為整個閥的動態(tài)模型「(》。
閥IIO可通過閥傳遞函數(shù)描述為
(l) 脊寧^(Mj,r,尸)4)
其中，t(M，y，『，"為取決于工作條件的閥增益函數(shù)，所述工作條件例如為入口氣體分子量^f、入口氣體熱容量比率r、入口氣體壓力P以及入口氣
體溫度r。 F(》為獨立于這些工作條件的閥動態(tài)傳遞函數(shù)。
一般地，反饋控制器W》104可定義為
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，A為控制器增益，而G("為獨立于所述工作條件的控制器動態(tài)傳遞函
數(shù)o
反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)^W為<formula>formula see original document page 8</formula>閉環(huán)傳遞環(huán)數(shù)"W決定反饋控制系統(tǒng)的控制性能。如果閉環(huán)傳遞函數(shù)恒定， 那么即使工作條件變化，反饋控制系統(tǒng)的控制性能也保持不變。為了在不
同的工作條件下具有恒定的閉環(huán)傳遞函數(shù)ciW，控制器《W必須基于工作
條件調節(jié)其自身以使得對"("的凈效應恒定。因此，需要用于MFC的控制 器增益調度方法，以便于在不同的工作條件下具有一致的控制性能。
根據(jù)本發(fā)明，用于控制器增益&的增益調度由如下的校準氣體參數(shù)與
工作氣體參數(shù)的比值而確定<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，u為在校準條件下確定的最佳控制器增益。校準氣體參數(shù)為校準氣
體分子量Mm/、校準氣體熱容量比率^/、校準氣體溫度^、校準氣體壓力
4/。工作氣體參數(shù)為入口氣體分子量M、入口氣體熱容量比率r、入口氣
體溫度r以及入口氣體壓力z5。
對于方程(4)的控制器增益調度方法，閉環(huán)傳遞函數(shù)CZW在不同工作
條件下(例如不同的M、 y、 r、尸)保持恒定，其可被證明如下
<formula>formula see original document page 8</formula>從上述方程中可看出，閉環(huán)傳遞函數(shù)ci(》確實獨立于例如為入口工作
氣體分子量m、入口工作氣體熱容量比率z、入口工作氣體溫度r以及入u
工作氣體壓力尸的工作條件，因為如上所述，f(j和g("兩者都獨立于這些
工作條件。
關于入口氣體分子量m和入口氣體熱容量比率/的信息都儲存在形成 質量流量控制器一部分的處理器的存儲器中。當質量流量控制器處于工作 條件下時，所述入口氣體的信息被檢索出，入口氣體溫度由溫度傳感器測 得，而入口氣體壓力由質量流量控制器內部的壓力傳感器測得。然后，質 量流量控制器根據(jù)方程(4)的控制器增益調度方法實時修正控制器增益t 這樣，如方程(5)所證明的那樣，閉環(huán)傳遞函數(shù)"W保持恒定。因此，在 工作條件下的控制性能與校準條件下的控制性能相同，盡管這兩種條件在 大多數(shù)情形下不同。
如果在工作條件下的入口氣體溫度與在校準條件下相比沒有很大程度 的變化，或者如果由于在質量流量控制器中缺少溫度傳感器而不能獲得入 口氣體溫度，那么可如下式將控制器增益調度中的氣體溫度效應的因子提 出
一 、(M，y，尸)
同樣，如果在工作條件下的入口氣體壓力與在校準條件下相比沒有很 大程度的變化，或者如果由于質量流量控制器中缺少壓力傳感器而不能獲 得入口氣體壓力，那么可如下式將控制器增益調度中的氣體壓力效應的因
子提出
一 、(M，j/,r)
如果在工作條件下的入口氣體溫度和入口氣體壓力與在校準條件下相 比都沒有很大程度的變化，或者如果由于質量流量控制器中缺少測量傳感 器而不能獲得入口氣體溫度和入口氣體壓力，那么可如下式將控制器增益 調度中的它們的效應的因子提出
(8) ," t。'
還可以將控制器增益調度中的氣體類型的效應的因子、即m和y提出， 如果它們不可獲得，或者如果所述氣體在工作條件下與在校準條件下相同的話。
應當注意的是，不管控制閥為常閉閥還是常開閥，前述分析均成立。
另外，盡管已經針對基于溫度的MFC而描述了圖1，但是所述控制器增益 調度方法針對例如為基于壓力的MFC的其它類型的MFC也能起作用。最 后，顯而易見的是，控制器基于如下的一個或多個的校準氣體參數(shù)與工作 氣體參數(shù)的比值而實時修正反饋控制器增益入口氣體分子量；入口氣體 熱容量的比率；入口氣體溫度以及入口氣體壓力；以使得反饋系統(tǒng)的閉環(huán) 傳遞函數(shù)無關于工作條件而保持基本上恒定，從而在不同于校準條件的工 作條件下具有一致的控制性能。
使用控制器增益調度的控制性能獨立于工作條件，因為不必建立用于 不同工作條件的一組預定的流率、使這些流率與閥位移測量結果相關聯(lián)、 以及從所述預定的組插值。不用基于工作條件而調換不同的增益公式/方程。 該方法更精確地導出控制器增益，因為其不基于一系列的線性數(shù)據(jù)插值法。 相反，控制器增益基于流體參數(shù)而直接被計算出，而不是基于預定工作條 件，這很大地改進了在不同工作條件下的控制性能。
圖4示出了作為與圖2中的一個參考示例比較的、使用用于兀MFC的 控制器增益調度的控制性能的示例。在圖4的兩個圖表中，在X軸上以秒 作單位表示時間。對于流體輸出(&)和設定點(指標目標值SP)，第一Y 軸被用于以標準立方厘米每秒(sccm)作單位表示流率。對于流體壓力(P)， 第二Y軸被用于以絕對壓強(磅每平方英寸)(psia)作單位表示壓力。如 圖2所示，在兀MFC的工作中，兀MFC試圖使流體流量輸出與設定點匹配。 如從流經兀MFC的輕質氣體(流體)的圖4A和重質氣體(流體)的圖4B 可看出的那樣，所述控制器增益調度方法基本上已經消除了所有的超調及 振蕩問題。
已經詳細的描述了本發(fā)明的實施方式，對于本領域技術人員來說，將 易于進行各種修改及改進。這樣的修改及改進應當包括在本發(fā)明的范圍內。 因此，前述的說明僅為示例，而不作為限定。本發(fā)明僅僅由如隨后的權利 要求及其同等內容所定義的范圍而限定。
10
權利要求
1、一種具有反饋控制器增益的質量流量控制器，包括構造成探測流經所述控制器的流體流量的傳感器；設置成調節(jié)流經所述控制器的流體流量的閥；以及構造成按照所述傳感器所測得的流體流量的函數(shù)來控制所述閥的處理器；其中，所述傳感器和閥設置在反饋系統(tǒng)內，且所述處理器基于至少一個校準氣體參數(shù)與至少一個工作氣體參數(shù)的比值而實時修正反饋控制器增益，以使得反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)無關于工作條件而保持基本上恒定，從而在不同于校準條件的工作條件下具有一致的控制性能。
2、 根據(jù)權利要求1的質量流量控制器，其特征在于，所述至少一個校 準氣體參數(shù)和所述至少一個工作氣體參數(shù)從以下參數(shù)的一個或多個中選 擇入口氣體分子量^^ 入口氣體熱容量比率y;入口氣體溫度r;以及入口氣體壓力尸。
3、 根據(jù)權利要求2的質量流量控制器，其特征在于，還包括用于探測入口氣體溫度r的溫度傳感器以及用于探測入口氣體壓力尸的壓力傳感器，其中，所述控制器按照如下的函數(shù)實時修正控制器增益h一 t(M,y，r,尸) 其中，^為在校準條件下確定的控制器增益，ji^,為校準氣體分子量，為校準氣體熱容量比率，T^為校準氣體溫度，i^為校準氣體壓力，以及/U ) 為取決于工作條件的閥增益函數(shù)，所述工作條件例如為入口氣體分子量M、入口氣體熱容量比率y、入口氣體溫度r以及入口氣體壓力尸。
4、 根據(jù)權利要求2的質量流量控制器，其特征在于，還包括用于探測入口氣體壓力戶的壓力傳感器，并假設入口溫度r與在校準條件下相比沒有很大程度的變化和/或假設它不可獲得，其中，所述控制器按照如下的函 數(shù)實時修正控制器增益A::
5、 根據(jù)權利要求2的質量流量控制器，其特征在于，還包括用于探測入口氣體溫度r的溫度傳感器，并假設入口壓力戶與在校準條件下相比沒 有很大程度的變化和/或假設它不可獲得，其中，所述控制器按照如下的函數(shù)實時修正控制器增益A::,=K(d"匸,)
6、 根據(jù)權利要求2的質量流量控制器，其特征在于，假設入口溫度r 和入口壓力尸與在校準條件下相比沒有很大程度的變化和/或假設它們不可 獲得，所述控制器按照如下的函數(shù)實時修正控制器增益h一 、(m,"
7、 根據(jù)權利要求2的質量流量控制器，其特征在于，所述閥為常閉的。
8、 根據(jù)權 要求2的質量流量控制器，其特征在于，所述閥為常開的。
全文摘要
一種具有反饋控制器增益的質量流量控制器，包括構造成探測流經所述控制器的流體流量的傳感器；設置成調節(jié)流經所述控制器的流體流量的閥；以及構造成按照所述傳感器所測得的流體流量的函數(shù)來控制所述閥的處理器。所述傳感器和閥設置在反饋系統(tǒng)內，且所述處理器基于至少一個校準氣體參數(shù)與至少一個工作氣體參數(shù)的比值而實時修正反饋控制器增益，以使得反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)無關于工作條件而保持基本上恒定，從而在不同于校準條件的工作條件下具有一致的控制性能。
文檔編號G01F1/68GK101636641SQ200780044834
公開日2010年1月27日 申請日期2007年7月12日 優(yōu)先權日2006年12月7日
發(fā)明者丁軍華 申請人:Mks儀器公司