专利名称：制造和使用质量流量设备的系统和方法
技术领域：
本公开通常涉及流量系统，尤其涉及制造和使用质量流量设备的方法。
背景技术：
人们已经努力发展精确流体质量流量控制器，尤其是控制诸如有毒和高活性气体的流体质量流速的流量控制器，所述流体是制造半导体设备时使用的类型。在半导体制造领域中，在蚀刻和气相沉积工艺中使用各种气体。这些气体可能对人体有害，并且暴露到环境大气条件下时可能是高活性的。已经开发了质量流量控制器，它测量和控制上述类型流体的流速，其中测量是基于流体热性质。已经开发了其它流体质量流量控制器，它是基于测量跨越流量限流器或管口(orifice)的压差。这里所讨论类型的现有技术质量流量控制器的精度不适合于流量控制器的许多应用。
半导体制造工艺可能要求将非常精确量的流体(主要是气体)排入加工室。例如，可能要求流速范围从高达20升/分钟到低达几十分之一立方厘米/分钟(CCM)。而且，在半导体制造中用来控制活性气体的流量控制器的响应时间和稳定流速，可能要求控制器在小于1秒钟内(优选为比1秒小得多)能够对“ON”信号起反应并且稳定在所需流速，。加工本身在任何地方可能持续几秒到几小时。目前流体质量流量控制器以上述速度进行反应和稳定的能力是难以实现的。
与现有技术压力传感器和使用这种压力传感器的流体质量流量控制器相关的另一问题是它们设计中固有的死区量。典型地，这种质量流量控制器带有单个入口/出口，它们开口在与每个压力转换器相关的中空室中。因此，中空室某些区域中的流体流量可能受到严重限流，导致很大的未扫掠的内部体积，长湿气干燥时间和弱清洗能力。
与现有技术流体质量流量控制器相关的另一问题就是对于各种处理流体需要校准控制器。典型地，使用惰性或无毒校准流体对现有技术流体质量流量控制器进行校准，所述校准流体需要导出转换系数或转换数据组。由于校准每个控制器装置使用有毒或高活性处理流体对于操作人员来说成本过高并且危险，典型地，现有技术流体质量流量控制器用诸如氮或氩等惰性流体进行校准，或用性质类似于处理流体性质的、受质量流量控制器控制的流体进行校准。使用校准流体和转换系数的这种处理将误差带入质量流量控制器操作中，这种处理耗时并因此昂贵。现有技术流体质量流量控制器的不准确性、初始安装时要求校准控制器的费用和时间、以及更换程序，实质上增加了许多制造工艺成本，包括制作半导体器件的成本，对于这一点，已经非常期望流体质量流量控制器的某些改进。
因此，对于压力传感器和包括这些压力传感器的流体质量流量控制器，已经认识到一些迫切需要，所述流体质量流量控制器尤其是如上所述的制造工艺中使用的类型。这些迫切需要包括百分之几的控制器给定值内的控制器精度(小于百分之一是理想的)；在“正常”温度之上或之下和各种位置或姿态下运行(也就是，正面朝上、旁边或颠倒)而不丧失精度，例如由基于热的质量流量控制器体现的；在宽流速范围内精确测量和控制；从打开到实现稳定流量状况的快速反应时间；制造节约；以及简单�？榛到峁梗溆兄谖ち髁靠刂破鳎⒂兄谕牙肓魈辶髁糠峙湎低扯谋淞髁靠刂破骼从糜谥圃旃ひ�。流体质量流量控制器中其它理想特征包括制造时无需校准每个完整控制器装置，或维护后无需重新校准该装置；保障可靠容易地交换流量限流器或管口部件；维护或卸下流量限流器之后，容易验证流量控制器的可操作性和精度；对于很多种有毒和/或活性流体能够准确控制流速的能力，尤其是在半导体制造工艺中使用的数百种气态流体；容易修改用于不同气体或液态流体流速的控制器工作数据。
因此，需要制造质量流量设备的系统和方法，所述设备能够跨越不同压力和温度范围精确测量或控制一种或多种流体。
发明内容
通过新颖的制造质量流量设备的系统和方法，推动技术进步，所述设备与至少一种流体一起使用。在一个实施例中，所述方法包含选择限流器，其中所述限流器与补偿参数相关。用与所述流体相关的特性数据处理补偿参数，以产生设备参数。将设备参数下载到设备中，使设备能够在环境条件范围内监控流体流量。在另一个实施例中，一种向质量流量设备提供信息的方法包含，识别与限流器相关的限流器信息和与至少一个传感器相关的传感器信息。所述限流器信息和传感器信息分别定义限流器特性和传感器特性。识别与流体相关的特性信息。用特性信息处理所识别的限流器信息和传感器信息，以产生用于所述设备的可操作数据，使设备能够控制流体。将可操作数据保存到设备可访问的存储器中。
在又一个实施例中，用于控制至少一种流体流量的设备包含限流器、处理器、阀、至少一个传感器和存储器，限流器用于限制流体流量，用于控制流体流量的处理器可访问阀，所述至少一个传感器用于产生表示流体流量的流量数据，所述存储器对于处理器来讲是可访问的。所述存储器包括与所述限流器、传感器和流体相关的设备数据以及由处理器进行处理的指令。所述指令用于从传感器中接收流量数据，根据接收的流量数据和设备数据计算流速，并启动所述阀。启动程度与所计算的流速相关。
图1是制造流量控制器的实例方法的流程图。
图2-6图解实例质量流量控制器和可以使用图1方法装配的各种部件。
图7是图解制造图2-6质量流量控制器的方法的另一实施例的流程图。
图8是图解根据图7方法获得流体特性数据的方法的流程图。
图9是图解可以由图8方法获得的实例流体特性特征的三维图。
图10是图解根据图7方法用于获得某些部件参数的特定方法的流程图。
图11是图解根据图7方法用于表征传感器的特征的特定方法的流程图。
图12是图解根据图7方法用于表征限流器的特征的特定方法的流程图。
图13是图解可以由图12方法获得的实例数据点的图。
图14是概括图2-6流量控制器的装配的流程图，其用于特定流体和流速。
具体实施例方式
本公开通常涉及流量系统，尤其涉及制造和使用质量流量设备的方法。然而应该理解，下面的公开中提供了许多不同实施例或实例，用于实施本发明的不同特征。在下面的简述本公开中，描述部件和装置的具体实例。当然，这些只是实例，而无意限定。另外，本公开可以在不同实例中重复附图标记和/或字母。这种重复是为了简明和清楚，而本质上不是规定所述不同实例和/或结构之间的关系。
参考图1，图解了制造流量控制设备(图2-6)的方法10。应该理解，方法10可以同样适用于在流体流量系统中使用的其它设备或部件，例如流量测量设备。正如稍后更详细地描述，在可以影响流体特性的环境条件范围内，流量控制设备可操作来控制一种或多种流体流量。例如，流体压力和/或温度变化、以及设备输入和输出压力可以通过设备影响流体流量。而且，由于流体特性的差异，一种流体特性可以不同于另一种流体特性进行改变。因此，如果设备要保持特殊流体的期望流速，该设备应该调节流体流量来响应这些变化。在方法10的步骤12中，通过用实验方法确定不同压力和/或温度下的流体特性，编制流体特性数据。例如，随着压力从真空(例如，0磅/平方英寸(psi)或0托)增加到一个大气压(例如14.7磅/平方英寸或760托)，在不同压力点可以获得数据。可以在不同温度点获得附加数据来进一步确定流体特性。
在步骤12中编制流体特性数据之后，方法10继续到步骤14，其中可以为流体控制设备的不同部件获得参数，部件例如传感器和限流器。正如稍后更详细地描述，传感器使流体流量的某些特性(例如压力或温度)能够得到检测，而限流器用来根据预定限流器特性改变流体流量。在本实例中，获得多个传感器和限流器的参数，并与具体传感器或限流器相关联。例如，可以得到指定限流器的一组参数，然后在数据库中与分配给所述限流器的唯一序列号相关联。
在步骤16中，选择一个限流器和一个或多个传感器用于流量控制设备。因为每个传感器和限流器与一组参数相关联，因此所选部件的特性是已知的，当制造所选部件时，无需特别关注。继续到步骤18，用流体特性数据处理限流器参数。在另一实施例中，也可以用流体特性数据处理传感器参数。在本实例中，流量控制设备打算以单流体方式使用，但是应该理解，可以处理多个流体的流体特性数据。所述处理产生定义关于流体的设备特性的设备参数。在步骤20中可以将设备参数下载给设备(例如下载给所述设备可访问的存储器)。因此，使用一个或多个阀，设备可以使用传感器、限流器和流体之间的已知关系来控制流体流量。只要传感器/限流器参数和流体特性数据是已知的，方法10就能够使用不同传感器/限流器组合来建立设备，并使其与许多不同流体一起运行。
现在参考图2，图解了流体质量流量控制器21，例如可以使用图1方法创建它。质量流量控制器21包括两部分�？榛�(body)22，所述�？榛�22通常包含矩形块状第一机身部分24和第二机身部分26，通过分别位于协作平面24a和26a上的常规机械紧固件(未图示)，它们可以合适地相互连接在一起。机身部分24和26分别装备有合适的连接器25和27，用于与流体供应系统的适当导管进行连接，尤其用于以气态形式供应例如有毒或活性流体以便在半导体制造中使用例如半导体制造系统29(图3)。
作为实例，如图3中所示，质量流量控制器21可以放入半导体制造系统29，该半导体制造系统包括源压力容器28，用于在压力下供应流体例如六氟化钨、氯、六氟化硫或任一大于200的流体，例如它们可以用在制造工艺中。源压力容器28经由适当导管30连接到流量控制器21。清洗导管32也连接到导管30和未图示的清洗气源，需要时，用于清洗流量控制器到达适当接收器或洗涤器34。然而流量控制器21运行期间，经由导管33进入半导体制造室或容器36的流体精确流量得到控制。例如依靠一个或多个真空泵37，室36典型地保持在基本降低的压力下。如图3中所示，通过实例以简化形式图示流量控制器21所放入的系统29，以便图解流量控制器的一个优选应用。应该理解，流量控制器21可以用在其它系统中。
同样参考图3-6，第一机身部分24支撑电控流量控制阀40，其通过常规机械紧固件40a可拆除地安装在第一机身部分24的表面24b上。流量控制阀40优选为预装配、模块化结构，以便它在预定位置上能够容易安装在第一机身部分24上，由此一旦安装上，无需对流量控制阀40进行调节。这优于现有技术系统，在现有技术系统中阀40不是模块化，因此必须进行调节，这典型地需要相对大量时间。阀40包括电驱动关闭部件41(图4)，其可操作来调节第一机身部分24的从第一内通道42到第二内通道44的流体流量。第一内通道42与导管30进行流通，用于从源压力容器28中接收流体。阀40还包括执行机构43，其用于在全开和全闭位置之间移动关闭部件41。执行机构43优选为螺线管或压电型，用于以高度分辨率在全开和全闭位置之间快速和精确地控制关闭部件41的位置。第一压力转换器46也安装在第一机身部分24的表面24b上，并与形成在第一机身部分24中的第二内通道44和第三内通道47进行流通。第二压力转换器48安装在第二机身部分26的表面26b上，并与形成在第二机身部分26中的第一内通道49和第二内通道50进行流通。第二内通道50还流通地连接到通向制造室36的导管33。可以提供可移动的盖(未图示)，用于覆盖流体质量流量控制器21的部件。
如图5中最清楚地图示，圆柱形空腔(depression)52优选地形成在每个机身部分24和26中。每个空腔52优选地带有底壁54和沿圆周延伸的侧壁56，侧壁56从底壁延伸。杯状隔膜58固定地放在每个空腔中。每个杯状隔膜具有下隔膜壁60和环形侧壁64，下隔膜壁60优选地紧靠并平行于底壁54延伸，以便形成测量间隙62，环形侧壁64优选地靠近并平行于侧壁56延伸，以便形成环形流路66。测量间隙62的高度约为0.003-0.020英寸，优选地高度约为0.010英寸，而环形流路66的高度最好更大。隔膜壁60可以是平的或波状的，优选地形成为一种厚度，当受到流体压力时，所述厚度显示出弹性。隔膜壁60的厚度可以根据流体压力范围进行改变，由于所述压力范围，暴露隔膜壁。对于相对小的压力范围，隔膜壁可以相对�。欢杂谙喽源蟮难沽Ψ段В裟た梢韵喽院�。对于高度腐蚀环境，隔膜58、尤其是隔膜壁60优选地用防腐材料构造，例如不锈钢、蓝宝石、铬镍铁合金、氧化铝、陶瓷等等。压力转换器46和48可以是电阻性应变计(resistive strain gage)或电容型，用于测量隔膜壁60中的弯曲量，由此测量质量流量控制器21内的流体压力。
由于上述排列，当穿过测量间隙62的流体流量受到限制时，穿过环形流路66的流体流量实质未受阻，由此限制了可能出现在环形流路66中的湍流流量，并降低现有技术解决方案中普遍存在的噪声。测量间隙62和环形流路66也保证通过这些容积的流体得到清洗。因此，消除了这些容积内的死区，导致更好的清洁能力和更快的干燥时间。优选地，因为由于第一机身部分中通常较高的流体压力，第一机身部分中的流体流速通常低于第二机身部分中的流体压力，所以第一机身部分24的环形流路66的宽度小于第二机身部分26的环形流路66的宽度。如此，可以减少关闭或启动流体流量的延迟时间。
机身部分24、26优选地用导热材料构造，例如不锈钢、铝等等，因此用来加热或冷却流经它们的流体。由于隔膜壁60位于相对靠近它的各自机身部分24或26，隔膜壁60的温度较少受到流体温度影响，由此使测量精度高于现有技术系统。
现在参考图6A，图解了根据本发明又一实施例的压力传感器70，其中前述实施例中的相同部件用相同附图标记表示。除了主内通道72之外，压力传感器70的结构类似于前述机身部分24和26，主内通道72穿过机身部分74在第一导管连接器76和第二导管连接器78之间延伸。主内通道72流通地连接到第一内通道75和第二内通道77。如前述实施例，第一内通道75和第二内通道77依次与测量间隙2和环形流路66流通。这个实施例特别有利于测量以相对高的流速前进的流体压力，这里一些流体绕过压力测量室，因此减少了可能另外出现的湍流应该理解，可以用类似方式修改质量流量控制器21的机身部分24和26，以便包括用于测量和控制相对高流速的主内通道72。
现在参考图6B，图解了根据本发明再一实施例的压力传感器80，其中与前述实施例中相同的部件用相同附图标记表示。除了用第一内通道82和第四内通道86替代主内通道72之外，压力传感器80的结构类似于压力传感器70，第一内通道82与第二内通道84流通，第四内通道86与第三内通道88流通。如前述实施例，第二内通道84和第三内通道88还与测量间隙62和环形流路66流通。这个实施例优选地用于测量以比前述实施例更低的流速前进的流体压力。
再次参考图4、5A和5B，第一机身部分24优选地包括第一圆柱形沉孔(counterbore)110，其与第一机身部分24的第三内通道47同心，而第二机身部分26优选地包括第二圆柱形沉孔112，其面对第一沉孔110并与第二机身部分26的第一内通道49同心。流量限流器114优选地位于第一沉孔110和第二沉孔112中。流量限流器114优选地包含材料圆盘118，其可以支撑在管状套筒116中。套筒116可以安装在合适的管状适配器中，并支撑在密封环113a和113b之间的沉孔110、112中。因此，通过分离机身部分24和26，拆除流量限流器114，并用具有相同流量特性或不同流量特性的适当替代限流器取代所述限流器，可以容易地从机身22中拆除流量限流器114。圆盘118优选地包含具有预定孔隙率的烧结金属材料，通过限制流量，允许流体流经所述材料以便创建越过所述材料的压差，所述压差可以由压力转换器46和48检测。例如，流量限流器114可以用适当压缩和烧结的不锈钢或镍颗粒来制造，以便提供期望孔隙率和限流特性。流量限流器114被有益地放置在控制阀40下游的流量控制器21中。应该理解，流量限流器114可以用其它材料构造和/或具体化为螺旋毛细管、喷孔或其它限流器设备。
根据本发明，可以布置流量限流器114用作限流器和流体过滤器，以便除去单独的上游或下游流体过滤器。对于典型限流器，确定受控压降而无需考虑过滤特性。对于典型过滤器，确定过滤特性而无需考虑受控压降。因此，对于将流经它的特殊流体，本发明的流量限流器114可以构造成具有受控压降和规定的过滤特性。
在2002年8月28日申请的、申请号为No.60/406511的美国临时专利申请中，描述了可以与流量控制器21一起使用的流量限流器的其它实施例，因此在此引入其全文作为参考。
槽(未图示)可以位于第一机身部分24中，以允许温度探测器136(图3)插入靠近沉孔110的空间以便检测流量限流器114的温度。从温度探测器136中获取的温度信号可以用在控制电路(图3)中，以便允许根据实际流体温度使用限流器特性信息。
再次参考图2和3，优选地，流量控制器21还包含安装在一对隔开的印刷电路板(PCB)120、122上的控制电路或系统，它们固定到伸出机身22的安装支架124上。控制电路包括特征为数字信号处理器(DSP)130的微控制器或微处理器和数据输入设备134，该数字信号处理器130可操作地连接到非易失存储器132，例如EEPROM。处理器130可操作地连接到阀40，用于实现关闭部件41(图3)在关闭和打开位置之间的移动。处理器130还经由信号放大器138和140分别可操作地连接到压力转换器46和48，并且可操作地连接到温度传感器136，可以定位温度传感器136以便在预定位置检测流经控制器21的流体温度。微控制器130还可操作地连接到适当接口，例如插接连接器142(图1)，用于从各种源中接收命令信号、数据组和程序修改。可以提供指示器发光二极管(LED)144，当流量控制器21运行时其用于显示。
处理器130优选为Texas Instruments Incorporated公司现有的TMS320LF2406定点微控制器。然而应该理解，可以使用其它定点或浮点处理器而不脱离本发明的本质和范围。压力传感器46和48优选地运行在正/负0.5V范围内，用14-16位分辨率作为处理器130的模拟输入，它们携带自己的A/D和D/A转换器。其它模拟输入将用于温度传感器136，并且它们是具有12位分辨率的0到5V设定点命令信号输入(未图示)。处理器130也可以提供模拟输出信号，用于通过阀驱动器(未图示)控制阀40的运行。尽管可以使用其它通信方式，与处理器130的通信可以通过RS485四线制通信链路和/或CAN(控制器区域网)进行。优选地，处理器130还能够支持用于仿真和调试的Joint Test Action Group(JTAG)接口和用于编程的加电引导装入过程功能。优选地，存储器132包含至少32K的串行电可擦除只读存储器(EEPROM)。
优选地，处理器130运行闭环控制函数，以每秒约200次的速度在压力传感器46、48的输入和用于控制阀40的输出信号之间执行此函数。虽然未保持控制环更新时可以提供新数据传递或传递到存储器1 32，但是当控制环运行时，执行通过接口142的通信。
流量控制器21的每个部件可以包括诸如序列号的识别码。例如，流量控制器21可以具有唯一序列号，如阀40、转换器46、48、限流器114、PCB120、122、DSP130、存储器132和温度传感器136。这些序列号可以进入数据库或其它存储设备，以便能够容易识别与具体流量控制器21相关的部件。正如稍后更详细地描述，数据库还可以包括关于每个部件的信息，正如在2001年10月12日申请的、申请号为No.60/329031的美国临时专利申请中所述，因此引入其公开全文以作参考。
现在参考图7，图解了制造图2-6流量控制器21的方法200。使用步骤210-228，方法200可操作用来将各种流量控制器部件从未装配状态变为装配状态，步骤210-228分成预装配、装配和后装配阶段。只图解预装配、装配和后装配阶段，并用来阐明一种装配方法。可以理解，下述步骤的顺序可以改变，并且可以自动操作一些步骤。而且，某些步骤可以利用批处理模式来处理多个同类型部件在步骤210-218中，方法200中的预装配包括获取给流量控制器21编程所需的各种信息并将该信息保存在一个或多个数据库中。这些步骤包括确定流体特性(步骤210)和物理部件参数，该物理部件用在流量控制器21中(步骤212-216)。
现在参考图7的步骤210并附带参考图8，用实验方法为多种流体确定流体特性数据。通过压力和温度变化可以改变流体特性。通常，在某些质量流速/压差比的情况下，保持在恒温并流经管口(例如限流器)的流体可表现出质量流速和压差间的相对线性关系(例如下游压力/上游压力)。这个线性区称为“扼流”区，例如，当质量流速与压差之比在1.6∶1之上时，所述线性区可以出现。扼流期间，流体速度达到声速(例如音速)，并进一步增加上游压力，上游压力的增加不会造成穿过管口的流体速度相应增加。然而，随着上游压力增加，质量流速可以继续线性增加。这是因为增加的上游压力导致更大的流体密度，而这直接影响质量流速。因为线性关系，与控制非扼流区(例如，当质量流速与压差之比在1.6∶1之下时)流体相比，可以相对容易地设计和使用流量控制器来控制扼流区流体的质量流速。
在非扼流区，流速和压差之间的关系可能是非线性的，因此更难控制。然而，在某些工业中，例如半导体加工工业，可能对非扼流区中的流量控制特别感兴趣。而且，在某些应用中，一些流体可能只能用在非扼流区中，因此扼流区中的控制可能很不相关。例如，流体可能从非扼流区中的气态改变为扼流区中的液态，因此使用气态流体可能需要非扼流区操作。因此，非扼流区流体的精确测量和控制是所希望的，如图8中所示，应该收集数据给各种各样的流体特性建模。在识别压力和温度变化如何影响穿过给定尺寸限流器(以SCCM测量)的流体流量中，这个数据是重要的。由于不同流体具有不同特性，所以应该确定可以由流量控制器21使用的每个流体特性。
现在只参考图8，收集流体特性数据的方法229从选择和安装一定数量(例如12个)限流器的步骤230开始。在步骤232中，一种或多种流体流经限流器，以便得到表示对于压差、下游压力和温度的某些组合的流体特性的数据点。为了图解，测试流体可以包括使流体经受从真空变化到一个大气压的压力，并在指定压力点收集数据(例如，本实例中的14个点)。应该注意，如同使用扼流区的少数数据点可以预测流体特性一样，这些数据点大部分可位于非扼流区。通过改变流体温度可以得到附加数据。可以在各种限流器上执行这些改变，以便确定关于特定限流器设计的流体特性。因此，如果3个温度和12个限流器与14个压力测量一起使用，可以采样总共14×3×12＝504个数据点，以确定单种流体特性。然后以类似方式确定另外流体特性。在本实例中，用数千个数据点如此确定总共32种流体。这些数据点可以用来确定穿过给定限流器的流体在扼流区和非扼流区的流量。
继续图8的方法，在步骤234中，记录用测试方法获取的数据。然后在步骤236中分析所记录数据，以产生最佳拟合和插值方程，以便在三维图(图9)上确定附加点。这些分析为每种流体产生多项式系数，它们可以得到插值来给特定气体特性提供特定限流器。在步骤238中，多项式系数保存在数据库中。
本发明一方面在于发现，在质量流量控制器21的正常操作范围内，流体流速不但是跨越流量限流器114的压差的函数，而且是实质与制造室36中压力对应的绝对下游压力的函数。在2000年9月20日申请的、申请号为No.09/666039的美国专利申请中详细讨论了这个关系，因此其公开全文在此引入以作参考。
现在参考图9，通过曲线图239图解了流速和绝对下游压力之间的关系，表示流速(用z轴242表示，以SCCM为单位)与下游压力(用y轴244表示，以托为单位)和压差(用x轴240表示，以托为单位)之间的相关性。曲线图239还包括三个曲面246、248、250，每个曲面表示不同流体温度。
当跨越流量限流器的质量流速随着压差、绝对下游压力和温度改变时，应该注意，上游压力、下游压力和流速之间的关系不是线性关系。例如，如果下游压力约为0.0托和跨越流量限流器的压差约为1575.0托，则测试的特定限流器的流速约为280SCCM(由数据点252表示)。然而，如果下游压力为760.0托，那么对于跨越流量限流器的相同压差(例如1575.0托)，流速约为500SCCM(由数据点254表示)。
现在参考图7的步骤212并附带参考图10A和10B，获得了用于PCB120、122和DSP130的参数。例如，可以使用“钉床”函数(bed of nails)(BON)测试来确定与DSP相关的放大器增益值SP1、SP2。类似地，BON测试可以用来确定PCB120、122的电压，例如从+5伏(V)、+3.3V和/或+3.0V(它们是DSP参考电压)的理想值开始变化。所述变化影响流量控制器21的性能，因此为了实现理想程度的流体控制应该重视所述变化。正如下文中所述，对于理想部件值和实际部件值之间的变化，这些参数能够进行校正。
现在专门参考图10A，使用下述方法259可以测试模拟或数字输入/输出(I/O)板。在步骤260中，选择和安装板进行测试。在步骤262中使用通过/故障标准来测量与所述板相关的电压，并记录结果。在步骤264中，使用通过/故障标准来测试数字通道，并记录结果。在步骤266中同样测试阀驱动信号(例如，用来驱动图2阀40的信号)作为通过/故障。然后在步骤268中将每个测试结果和与测试板相关的序列号一起保存在数据库中。
现在专门参考图10B，使用下述方法269可以测试DSP板。在步骤270中，选择和安装板进行测试。在步骤272中测量3V模拟一数字参考电压并记录。在步骤274中，测量并记录与每个放大器A1、A2(图3)相关的增益SP1、SP2，现在是与温度传感器136(图3)相关的增益。然后在步骤276中给DSP编程，在步骤278中测试模拟输入电路。在步骤280中测试与DSP板相关的流量电路。然后在步骤282中将每个测试结果和与测试板相关的序列号一起保存在数据库中。现在参考图7步骤214，并具体参考图11方法283，下面表征这些转换器46、48的特征。在步骤284中，选择转换器和相关部件，并将它们安装在固定设备上。然后分别在步骤286和在步骤288中使每个转换器以25％增量逐步承受从0％到100％范围的压力和然后压力往下降承受从100％到0％的压力，以便获得响应曲线和磁滞值。例如，每个转换器可以受到从0到50磅/平方英寸范围内的压力(使用12.5磅/平方英寸增量)，然后往下降从50到0磅/平方英寸。然后在步骤290中，所述响应可以曲线拟合为多项式系数A0、A1和A2，可以将与有关转换器相关的序列号和所述多项式系数一起保存。然后DSP130可以使用所述系数计算由每个转换器46、48检测的绝对压力。如上所述，这个方法有助于识别转换器偏差，并且使流量控制器21在确定绝对压力时能够解决(account for)所述偏差。
现在参考图7的步骤216并附带参考图12的方法291，对于许多不同尺寸限流器中的每一个可以进行“短路测试”，例如步骤210中使用的12个限流器。短路测试至少用于两个目的，即对“标准”限流器确定特性和建立基准，依照所述基准可以测量其它限流器(例如，各个制造商在不同时期生产的成批限流器)。
在本实例中，为了确定限流器特性，可以标识限流器的12个不同尺寸(用SCCM)。对于每个尺寸，可以选择一定数量限流器(例如100个)并进行测试，以确定平均流速。在本实例中，收集两个数据点用于一组三种流体，所述一组三种流体是在步骤210中进行性能表征的流体子集。例如，第一测试可以测量限流器在额定流量时的压降。这确定了系数Q1，它的值为0-99(理想值为50)。然后进行第二测试来测量限流器在部分额定流量(例如一半)时的压降。使用Q1、零截距和第二测试结果可以确定系数Q2，该系数Q2值也为0-99(理想值为50)。因此，Q1和Q2表征了限流器特性。一旦已经确定限流器特性，则可以识别容许范围，例如+10％或-10％。该容许范围可以识别流量范围，所述流量范围通过装配的流量控制器可以得到校正。装配流量控制器21中使用的任何限流器将进行短路测试，并且将落入可接受范围(例如具有0-99范围内的Q1和Q2值)或被拒绝。
现在专门参考图12，在步骤292中选择并安装限流器进行测试。在步骤294中，流体(例如氮)以额定流量(例如100SCCM)流经所述限流器。在步骤296中测量并记录上游压力和下游压力。在步骤298中，将压力降低到部分上游压力(例如一半)，再次测量并记录上游压力和下游压力。使用前面获取(图7的步骤210)的流体特性数据，在步骤300中为所述限流器确定Q1和Q2值。应该注意，如果Q1和Q2值位于容许范围之外，则所述限流器不合格或被拒绝。在限流器上进行短路测试之后，限流器可以表示为二维阵列中的数据点，所述阵列具有压力和线性坐标轴(图13)。
现在参考图13，曲线图302包括图解信息的106个数据点304，在测量一组典型的100SCCM限流器的压力和非线性特性中可以标绘这些点。曲线图302包括表示压降的x轴306(其范围为1140-1380托)和表示非线性的y轴308(其范围为10.5-13.5)。因此，每个数据点表示具有压降和非线性特殊组合的限流器。这个数据可以用来为每个限流器确定Q1和Q2值。例如，在曲线图302中，值为Q1＝50、Q2＝50的限流器的压力值为1273托，非线性为满刻度的12.1％。
现在单独参考图7并继续到步骤218，在步骤210-216中获取的数据可以被输入到一个或多个数据库中。应该理解，一些数据可能只获得一次。例如，用于给定流体的流体特性数据只需要获得一次，并保存在数据库中。然后流体特性数据对于未来的使用是有效的。类似地，虽然在给定的测试循环期间可能测试多个部件，但每个部件(例如，PCB、DSP、转换器、限流器等)可能测试一次。表示部件的数据通过诸如序列号的唯一标识可以与具体部件相关联。应该注意，制造期间或之后可以标识一些部件参数，然后与所述部件捆装载一起。这使得能够获取带有预定参数的部件，因此在装配流量控制器21期间消除了确定参数的必要性。
在步骤220中，为流量控制器21选择PCB、DSP、转换器、限流器、阀等。因为每个部件和预定参数相关联，所以不需要选择满足高特殊标准的部件。例如，如果使用特定流体，不需要选择满足窄限制的部件，而只要每个选定部件的参数落入预定容许值范围内。这使得能够通过尺寸来选择限流器，而不是尽力找到具有特定Q1和Q2值的限流器。
在步骤222中，用流体特性数据处理限流器和转换器参数，以产生设备参数。所述处理编译在前述步骤中获取的信息，使得处理器能够解决(account for)电压偏差、限流器特性、转换器参数和特定流体的流态类型(behavior pattern)。使用A0、A1、A2、Bbackpressure、Intercept(截距)和类似信息，产生最佳拟合。由于对于具体流量控制器来说，这个信息依照流体可以不同，因此可以对每种流体进行所述处理，所述流体受到流量控制器控制。
在步骤224(其可以与图7中图解的步骤222并行)中，如上所述在物理上装配的设备，在步骤226中，将设备参数下载到设备中。在步骤228的后装配阶段中，在所述设备上进行验证测试以确保校正操作。现在参考图14，方法309概述了图7步骤220-228中所述的关于图2-6流量控制器21的装配方法。在步骤310中，确定流量控制器21的必要条件(例如BC13满刻度流量为500SCCM，其中入口压力为25磅/平方英寸，进入处理室的出口工作在100毫托)。在步骤312中，为限流器114确定限流器尺寸(例如1000SCCM氮)。应该注意，一旦记录了Q1和Q2参数，可以使用任何1000SCCM单位。选择阀40使其带有能够流动流体的管口，但是除了这个参数以外不需要再表征这个阀。在步骤314中，选择要使用的转换器46、48和基本模块。如果所需流速低于250SCCM氮当量，同样为低流量模式选择入口�？椤６杂�3SLM氮当量之上的流速，入口和出口�？槎加Ω镁哂懈吡髁勘涮�。这些选择不影响焊接到这些�？榈淖黄魈匦�。应该为流量控制器21记录每个转换器的曲线拟合系数。
在步骤316中，选择PCB(例如I/O板和DSP板)，并记录电压和增益值用于流量控制器21。在步骤318中，将记录数据保存在与流量控制器21相关联的设备数据库文件中。在步骤320中，从限流器数据库中获取多项式数据用于所选气体和限流器尺寸。在步骤322中，处理程序取出记录在设备数据库文件中的收集数据，并从限流器数据库中取出多项式数据，产生数据文件以便设定用于运行流量控制器21的参数。然后将数据文件下载到存储器132中，以允许DSP控制流量控制器21的流量。在步骤324中，用于氮流量控制的参数也可以下载到流量控制器21的气体表中。在步骤326中，使用最终的流量控制器21由流动氮来检验流量控制器21的操作，以保证设备的响应和精度。
虽然已经参考本发明优选实施例对其进行具体图示和描述，但是本领域技术人员能够理解，可以在本发明中进行各种形式和细节修改而不脱离其本质和范围。因此，应该以符合本发明的较宽方式来解释权利要求书。
权利要求
1.一种构造质量流量设备的方法，所述设备至少使用一种流体，所述方法包含选择限流器，其中所述限流器与补偿参数相关；用与所述流体相关的特性数据处理补偿参数，以产生设备参数；将设备参数下载到设备中，其中所述设备参数使设备能够在环境条件范围内监控流体流量。
2.如权利要求1所述的方法进一步包含通过用实验方法确定在多个绝对下游压力、压差和温度下的流体特性来获取特性数据。
3.如权利要求2所述的方法，其中使用具有已知流速的测试限流器测定用实验方法确定的特性。
4.如权利要求1所述的方法，其中从多个限流器中依照尺寸选择所述限流器。
5.如权利要求1所述的方法进一步包含执行限流器测试以确定所选限流器的补偿参数。
6.如权利要求5所述的方法，其中执行限流器测试包括通过在额定压力下测试限流器获得第一值；通过在小于额定压力下测试限流器获得第二值；和使用该第一值和第二值确定所述补偿参数，其中该第一值和第二值能够表征限流器特性。
7.如权利要求6所述的方法，其中第一值和第二值是所述补偿参数。
8.如权利要求6所述的方法进一步包含找到补偿参数与特性数据的最佳拟合。
9.如权利要求1所述的方法进一步包含选择至少一个与传感器参数相关的传感器，其中通过计算响应曲线和磁滞值来确定传感器参数，通过在压力范围内测试传感器获得响应曲线和磁滞值。
10.如权利要求1所述的方法，其中环境条件范围包括多个绝对下游压力
11.如权利要求1所述的方法，其中环境条件范围包括多个压差。
12.如权利要求1所述的方法，其中环境条件范围包括多个温度。
13.如权利要求1所述的方法进一步包含从多个流体中选择所述流体，以便用与所选流体相关的特性数据只处理部件和补偿参数。
14.一种给质量流量设备提供用于控制流体的信息的方法，所述方法包含识别与限流器相关的限流器信息和与至少一个传感器相关的传感器信息，其中所述限流器信息和传感器信息分别定义限流器特性和传感器特性；识别与流体相关的特性信息；用特性信息处理所识别的限流器信息和传感器信息，以产生所述设备的操作数据，其中操作数据使设备能够控制流体；将操作数据保存到可访问设备的存储器中。
15.如权利要求14所述的方法进一步包含通过执行测试检验来操作数据，其中所述测试使用至少一种已知流体值以测量所述设备的精度级。
16.如权利要求14所述的方法进一步包含从至少一个数据库中检索所述限流器、传感器和特性信息。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述特性信息包括在绝对下游压力、压差和温度范围内表示流体特性的数据。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述流体的质量流速和所述设备的压差之间的关系是非线性的。
19.一种控制至少一种流体流量的设备，所述设备包含限流器，用于限制流体流量；处理器；处理器可访问的阀用于控制流体流量；至少一个传感器，用于产生表示流体流量的流量数据；处理器可访问的存储器，其中所述存储器包括与所述限流器、传感器和流体相关的设备数据；由处理器进行处理的指令，用于从传感器中接收流量数据，根据接收的流量数据和设备数据计算流速，并启动所述阀，其中启动程度与所计算的流速相关。
20.如权利要求19所述的设备，其中所述设备数据包括处理的信息，其识别限流器物理参数和流体特性特征之间的关系。
21.如权利要求19所述的设备进一步包含可操作的用于接收传感器的机身，其中所述传感器包括底面和侧面，所述机身限定流通的第一通道和第二通道，用于为穿过所述设备的所述流体提供流路；布置在第一通道和第二通道之间的空腔，实质上由传感器填充，其中由第一间隙和第二间隙定义穿过所述空腔的所述流路，第一间隙由空腔侧面和传感器侧面定义，第二间隙由空腔底面和传感器底面定义，以便流体以实质上未扫掠的方式从第一通道流入空腔和再从空腔流入第二通道。
22.一种针对至少一种流体流量来表征限流器的方法，所述方法包含在额定流体流量下测量限流器的第一压降；根据所测量的压降计算第一系数；在部分额定流量下测量限流器的第二压降；根据该第二压降计算第二系数，其中第一系数和第二系数表征限流器性能
23.如权利要求22所述的方法，其中还根据第一系数和零截距来计算第二系数。
24.如权利要求22所述的方法，其中部分额定流量是额定流量的一半。
25.如权利要求22所述的方法进一步包含如果至少第一系数和第二系数之一位于预定范围之外，则排除所述限流器。
26.如权利要求22所述的方法进一步包含在二维阵列中将限流器表示为数据点，所述阵列具有表示压力的第一轴和表示线性的第二轴，其中第一系数和第二系数之一与第一轴相关，而第一系数和第二系数中的另一个与第二轴相关。
全文摘要
提供一种制造质量流量设备(21)的系统和方法，所述设备与一种或多种流体一起使用。所述方法包括，为给定限流器(114)获取要计算的流体的流体特性。获得在设备(21)中使用的部件参数，部件例如为处理器(130)、限流器(114)和一个或多个传感器(46、48)，以确定任何所需校正用于计算。用流体特性数据处理限流器(114)和部件参数，以确定用于设备(21)的操作参数。将操作数据下载到设备(21)中，使处理器(130)能够监视和控制流体流量。可以进行验证测试以确保设备(21)正确运行。
文档编号G01F1/00GK1606721SQ02820096
公开日2005年4月13日 申请日期2002年10月11日 优先权日2001年10月12日
发明者W·W·惠特, W·H·惠特, D·T·穆德, C·B·达维斯, B·冯泰恩 申请人:霍里巴斯特克公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
