CN1216322C - 压力式流量控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种压力式流量控制装置，包括节流孔；设置于节流孔上游侧的控制阀；设置于控制阀与节流孔之间的压力检测器；根据压力检测器的检测压力P1以Q＝KP1(其中K为常数)计算流体的流量Q并以流量指令信号Qs与上述计算出的流量信号Q二者之差作为控制信号Qy向上述控制阀的驱动部输出的控制装置。在将下游侧压力P2与节流孔的上游侧压力P1之比保持在被控制流体的临界压比以下的状态下，通过上述控制阀的开闭来调整节流孔上游侧的压力P1，对节流孔下游侧的流体流量Q进行控制的压力式流量控制装置，是以直接接触型金属隔膜阀作为上述节流孔，以阀座与膜片之间的环形间隙作为可变式的节流孔，并且可通过节流孔驱动装置调整上述间隙的大小。

Description

压力式流量控制装置
技术领域
本发明涉及一种气体等流体的压力式流量控制装置的改进，该装置主要用于半导体制造设备中的气体供给系统的流量控制。
背景技术
作为半导体制造设备中的气体供给系统的流量控制装置，过去一直广泛使用质量流控制装置，近年来，作为替代装置，开发出压力式流量控制装置(特开平8-335117号，特开平8-338546号等)。
图11是本申请的发明人先行公开的上述特开平8-338546号的压力式流量控制装置，在节流孔5的上游侧压力P1与下游侧压力P2之比P2/P1保持在临界压力比以下的状态下，对节流孔下游侧的流体的流量以Qc＝KP1(其中K为常数)进行计算，将该计算流量Qc与设定流量Qs之差作为控制信号Qy向控制阀2的阀驱动部3输入，从而对控制阀2的开度进行调整，以此调节节流孔5的上游侧压力P1而使计算流量Qc＝设定流量Qs(即控制信号Qy＝0)，从而将节流孔5的下游侧的流量控制为等于上述设定流量Qs。
另外，在图11中，1是压力式流量控制装置，2是控制阀，3是控制阀驱动部，4是压力检测器，5是节流孔，7是控制装置，7a是温度补偿电路，7b是流量计算电路，7c是比较电路，7d是放大电路，21a和21b是放大电路，22a和22b是A/D转换电路，24是反相放大器，25是阀，Qc是计算流量的信号，Qs是设定流量的信号，Qy是控制信号(Qc-Qs)。
上述压力式流量控制装置通过对控制阀2进行开闭控制来调整节流孔上游侧压力P1，从而能够高精度地将节流孔下游侧流量Q控制为任意流量，具有优异的实用效果。
但是，该压力式流量控制装置由于节流孔5的直径一定，故存在着只能适用于特定的流量范围而不能进行流量范围的切换等问题。
此外，为了改变流量范围，需要更换自如地插装节流孔5，同时需要预先准备多个不同口径的节流孔5。但是，在这种情况下，节流孔5的加工精度的分散性将直接导致流量的控制误差。
而且，要准备多个不同口径的节流孔，在经济性和控制精度方面也存在问题。
另一方面，对于使用所谓音速喷嘴(或节流孔)的恒流量的流量控制装置，为了改变流量范围而开发出了可变截面型喷嘴(或节流孔)(实开昭56-41210号，实公昭60-42332号等)。
但是，这些可变截面型节流孔均为机理类似于针阀的节流孔，在结构上将使流体流路内的盲区增加。其结果，气体的置换性变坏而将导致尘埃增加，难以应用在半导体制造装置用的气体供给系统中。
发明内容
本发明是为了解决现有的压力式流量控制装置中存在的上述问题而提出的，即(甲)节流孔为固定直径而不能进行流量范围的切换，(乙)由于节流孔的加工困难，加工精度的分散性直接导致流量的控制误差，不能实现高精度且稳定的流量控制，以及(丙)现有的可变截面型节流孔因气体的置换性差而产生的尘埃较多，难以用在半导体制造装置用的气体供给系统中等，并且提供这样一种压力式流量控制装置，即能够简单地调整节流孔的截面积，不仅能够在宽的流量范围内实现高精度的流量控制，而且在气体的置换性和防止尘埃产生方面也具有优异性能，还可应用在半导体制造装置用的气体供给系统中。
为此，本申请的发明人首先想到，将具有适用于半导体制造装置用的气体供给系统的设备所不可或缺的高清洁性与高气体置换性这两种特性的直接接触型金属隔膜阀作为可变截面型节流孔使用。其次，对该直接接触型金属隔膜阀的流体通路是否具有与所谓超音速节流孔(或喷嘴)大体等价的流量控制功能进行了调查。
图1是将上述直接接触型金属隔膜阀作为可变式的节流孔使用的流量控制实验装置的结构，图1中，2是压力控制阀，3是控制阀的驱动部，4是压力检测器，5是可变式的节流孔(直接接触型金属隔膜阀)，6是节流孔驱动部，7’是控制电路，8a是气体入口，8b是气体出口，9是质量流量计(质量流计)，10是真空室，10a是真空计，11是真空泵。
上述控制阀2中使用与特开平8-338546号所公开的同样的直接接触型金属隔膜阀，并且，其控制阀驱动部3中使用压电器件型驱动装置。而作为控制阀2的驱动部3，除此之外还可以使用磁致伸缩器件型驱动装置或螺线管型驱动装置、电动机型驱动装置、空气气压型驱动装置、热膨胀型驱动装置等。
此外，上述压力检测器4中使用半导体应变检测器，具体地说，就是与特开平8-338546号的场合同样，压力检测器4一体地组装在压力控制阀2的阀本体中。
并且，上述可变式的节流孔5中如后所述地使用直接接触型金属隔膜阀，其节流孔驱动部6中设置有采用脉冲电机和滚珠丝杠机构的线性执行元件(以下称作脉冲电机型驱动部)。
上述控制电路7’将来自压力检测器4的节流孔上游侧的压力检测信号QP1与设定压力QPs进行比较，并且向控制阀驱动部3输入控制信号Qy以使二者之差向零的方向变化，对控制阀2进行开闭控制。
形成上述可变式的节流孔5的直接接触型金属隔膜阀如图2所示，由具有流体入口12a、阀座12b、阀室12c和流体出口12e等的不锈钢制作的阀本体12、不锈钢或镍钴合金制作的膜片13以及向下方推压膜片13的脉冲电机型节流孔驱动部6等形成。
即，当脉冲电机14处于初始位置时，通过滚珠丝杠机构19经导向滑块18和膜片压块16克服弹簧17、15的弹力而向下推压上述膜片13，使其处于与阀座12b接触的状态(闭阀状态)。
其次，当向脉冲电机14输入节流孔控制信号Qz时，脉冲电机14沿通过滚珠丝杠机构19将导向滑块18向上拉起的方向旋转，靠弹簧15的弹力将膜片压块16向上推压。
其结果，由于膜片13向上方进行弹性复位而自阀座12b上离开，在阀座12b与膜片13之间形成环形的流体通路(节流孔)。
另外，本实施形式如图2所示，使用50000脉冲/转的步进电机作为脉冲电机14。而所使用的滚珠丝杠机构19其螺距为0.5mm/转。
其结果，每向脉冲电机14输入一个脉冲可使膜片位移10nm，能够以极高的精度控制节流孔的开度。另外，图2中，20是联轴器，21是轴承，22是滚珠丝杠机构的主轴。
上述质量流计9是用来测量可变式的节流孔5的下游侧的气体流量Q的，并且输出流量检测信号Qx。
此外，上述真空室10、真空计10a以及真空泵11等是构成半导体制造装置的部分，上述真空室10内的压力通常保持数torr程度的真空。
进行可变式的节流孔5的流量特性试验时，首先输入适当的节流孔控制信号Qz，将可变式的节流孔5的开度设定为既定值，然后向气体入口8a供给压力为6.0kg/cm2 G的氮气N2。之后，将压力设定信号Qps设定为0～3(kgf/cm2 abs)之间的适当值以控制压力控制阀2开闭，同时用质量流计9测量可变式的节流孔5的下游侧的N2的流量。
另外，真空室10与前述相同，具有9.26l的容积，通过真空泵11保持在约1torr的真空度。
图3表示在通过节流孔控制信号Qz使可变式的节流孔5的环形间隙(流体通路)面积与φ＝0.14mm的圆孔形节流孔的截面积等价的情况下，上游侧压力(即压力设定值Qps)与节流孔下游侧的气体流量Q(sccm)之间的关系。
这里的sccm表示换算为标准状态时的流量cc/min。
图4表示在改变节流孔控制信号Qz而使可变式的节流孔5的环形间隙的面积与φ＝0.25mm的圆孔形节流孔的截面积等价的情况下，节流孔5上游侧的压力(即压力设定值Qps)与节流孔下游侧的气体流量(sccm)之间的关系。
由图3和图4可知，当可变式的节流孔5下游侧压力P2为1torr≈133.3Pa时，可认为在可变式的节流孔上游侧的压力P1为0.5kgf/cm2abs以上的区域内，流量Q与上游侧压力P1之间的关系大体为Q＝KP1。
换言之，可知：即使是前述图2所示结构的直接接触型金属隔膜阀的阀座与膜片之间的环形流体通路(间隙)，也具有与所谓固定式节流孔大体相等的压力·流量控制特性。
图5表示可变式的节流孔5的流量特性，即前述图1的试验装置中，在可变式的节流孔5的上游侧压力P1保持在0.5kgf/cm2 abs，下游侧压力P2保持在1torr真空度的状态下，对可变式的节流孔5的工作行程L(膜片13的间隙长度)与节流孔下游侧流量Q之间的关系进行测量的结果。
可以看出，在工作行程L为0～约0.12mm的范围内，行程L(mm)与流量Q(sccm)大致成线性的比例关系，且该关系能够经常性地再现。
图6表示，可变式的节流孔5的行程L(mm)与将节流孔视为圆孔而从图5的各流量值计算出的节流孔口径φmm之间的关系曲线，可以看出，行程L(mm)与节流孔口径φmm之间的关系为可经常性再现的关系。
即，由上述图5和图6可知，由于可变式的节流孔5的行程L(mm)与流量Q(sccm)或行程L(mm)与节流孔口径φ(mm)总是具有一定的对应关系，因此，可通过改变行程L(mm)而将可变式的节流孔的口径φ(mm)或流量Q(sccm)准确地切换为所期望的值，可充分发挥作为可变式的节流孔的功能。
本发明是依据以上述图2所示的直接接触型金属隔膜阀作为可变式的节流孔5时的压力·流量特性试验的结果而开发的，权利要求1的发明为一种压力式流量控制装置，包括：节流孔5；设置于节流孔5上游侧的控制阀2；设置于控制阀2与节流孔5之间的压力检测器4；以及根据压力检测器4的检测压力P1以Q＝KP1，其中K为常数，计算流体的流量Q，同时以流量指令信号Qs与上述计算出的流量信号Q二者之差作为控制信号Qy而向上述控制阀2的驱动部3输出的控制装置7；并在将节流孔的下游侧压力P2与上游侧压力P1之比P2/P1保持在控制流体的临界压比以下的状态下，通过上述控制阀2的开闭来调整节流孔上游侧的压力P1并对节流孔下游侧的流量Q进行控制，而且在该装置中，是以直接接触型金属隔膜阀作为上述节流孔5，将其阀座12b与膜片13之间的环形间隙作为可变式的节流孔5的。
在上述的压力式流量控制装置中，可变式的节流孔5为通过脉冲电机型节流孔驱动部调节环形间隙的可变式的节流孔。
在上述的压力式流量控制装置中，可变式的节流孔5为通过压电器件型驱动部调节环形间隙的可变式的节流孔5。
在上述的压力式流量控制装置中，膜片13的工作行程L为0～0.12mm的范围。
在上述的压力式流量控制装置中，阀座12b与膜片13之间的环形间隙、即流体通路的面积与直径为0.14～0.25mm的圆孔的截面积相等。
在上述的压力式流量控制装置中，脉冲电机型节流孔驱动部6由步进电机14和滚珠丝杠机构19构成。
附图的简要说明
图1是本发明中使用的可变式的节流孔(直接接触型金属隔膜阀)的流量控制试验装置的结构图。
图2是本发明中使用的可变式的节流孔的纵向剖视图。
图3是以图1的试验装置测得的压力-流量测量值的一例。
图4是以图1的试验装置测得的压力-流量测量值的另一例。
图5表示可变式的节流孔的上游侧压力P1和下游侧压力P2为一定值时的膜片的行程L(mm)与流量Q(sccm)之间的关系。
图6表示可变式的节流孔的上游侧压力P1和下游侧压力P2为一定值时的膜片的行程L(mm)与依据流量Q(sccm)计算出的节流孔口径φ(mm)之间的关系。
图7是本发明所涉及的压力式流量控制装置的结构图。
图8是压力控制阀的纵向剖视图。
图9是本发明实施例所涉及的可变式的节流孔之主要部分的纵向剖视图。
图10是图9的局部放大图。
图11是现有的压力式流量控制装置的结构图。
编号的简单说明
1是压力式流量控制装置，2是压力控制阀，3是控制阀驱动部，4是压力检测器，5是可变式的节流孔，6是节流孔驱动部，7是压力控制装置，7a是控制装置，8a是气体入口，8b是气体出口，9是质量流计(质量流量计)，10是真空室，10a是真空计，11是真空泵，12是阀本体，12a是流体入口，12b是阀座，12c是阀室，12d是压力检测器安装孔，12e是流体出口，13是金属膜片，14是脉冲电机，15是弹簧，16是膜片压块，17是弹簧，18是导向滑块，19是滚珠丝杠，20是联轴器，22是主轴，QP1是压力检测信号，QPs是设定压力信号，Qz是节流孔的控制信号，Qy是控制阀的控制信号，Qs是流量设定的信号，Qos是节流孔的开度设定信号。
实施发明的最佳方式
下面，结合附图对本发明的实施形式进行说明。
图7是本发明所涉及的压力式流量控制装置的结构图，图7中，1是压力式流量控制装置，2是压力控制阀，3是控制阀驱动部，4是压力检测器，5是可变式的节流孔，6是节流孔驱动部，7是控制装置，8a是气体入口，8b是气体出口，10是真空室，10a是真空计，11是真空泵，Qy是控制阀的控制信号，Qp1是压力检测信号，Qz是节流孔的控制信号，Qs是流量设定信号，Qos是节流孔的开度设定信号。
图7中，压力控制阀2使用与前述特开平8-338546号的场合同样的、图8所示结构的直接接触型金属隔膜阀。
此外，使用半导体应变检测器作为压力检测器4，并将其插在压力控制阀2的压力检测器安装孔12d内而固定。
并且，使用前述图2所示的直接接触型金属隔膜阀及脉冲电机型节流孔驱动部作为可变式的节流孔5及其节流孔驱动部6。而该可变式的节流孔5及节流孔驱动部6的结构与前述图2的情况相同，在此将其说明予以省略。
而作为节流孔驱动部6，除了脉冲电机节流孔驱动部之外，也可以使用压电器件型驱动部或螺线管型驱动部。
其次，对该压力式流量控制装置的动作进行说明。
首先，向控制装置7输入流量设定信号Qs和节流孔的开度设定信号Qos。
然后，当向气体入口8a供给既定压力P1的气体时，与压力检测器4测出的上游侧压力P1相当的压力检测信号Qp1输入控制装置7，在控制装置7内进行流量Q＝KP的运算。
从控制装置7输出与上述流量设定信号Qs和计算出的流量Q二者之差相当的控制阀的控制信号Qy，控制压力控制阀2向使上述Qs与Q之差减小的方向开闭。
进而，在通过改变可变式的节流孔5的口径来改变流量控制范围的情况下，改变节流孔的开度信号Qos的设定。由此，节流孔的控制信号Qz发生变化，其结果，由节流孔驱动部6使膜片13的工作行程L改变，节流孔的口径φ(mm)改变。
另外，图7的实施形式中未对工作行程L进行所谓的反馈控制，但是显然也可通过对节流孔驱动部6的工作行程L进行检测并将该检测值向控制装置7反馈，从而对行程L实施反馈控制。
另外，图7的实施形式中，如图11所示的现有的压力式流量控制装置那样，没有设置基于气体温度的补偿电路以及在节流孔5的下游侧压力P2升高而P2/P1的值接近临界值时(或达到临界值以上时)报警的报警电路或令气体的供给停止的电路，但显然也可以设置这些电路。
并且，图7的控制装置7中，当然地设置有使流量Q的计算值Q＝KP1与图3或图4等的压力-流量曲线相吻合的补偿电路和进行这种补偿所必需的数据存储装置。
实施例
图9表示构成本发明中使用的可变式的节流孔5的直接接触型金属隔膜阀的阀本体12的主要部分，图10是图9中B部分的局部放大图。
将阀本体12中设置的阀室12c的内径φ1设定为15mm，将流体流入通路的内径φ2设定为0.4mm，并且，将阀座12b的外径设定为3mmφ，将流体流出通路的内径设定为2.5mmφ。
发明的效果
本发明的构成是，作为压力式流量控制装置的可变式的节流孔使用直接接触型金属隔膜阀，流量控制范围的切换是通过改变膜片的工作行程来实现。
其结果，例如，与现有的使用针式可变式的节流孔的情况相比，不仅节流孔的结构得以简化，而且流体通路内完全没有部件的机械滑动部，可认为几乎不产生尘埃。
此外，由于使用直接接触型金属隔膜阀作为可变式的节流孔，因此，流体流路内的盲区可大幅度减少，同时在流体流路内不存在产生气体啮入的间隙。其结果，可使气体的置换性大幅度提高。
并且，能够通过改变膜片的工作行程而简单且准确地改变节流孔的口径(即流量范围的改变)。其结果，与现有的更换口径不同的节流孔的情况相比，压力流量控制装置的控制性大幅度提高。如上所述，本发明作为象半导体制造装置的气体供给系统那样处理超高纯度气体的压力式流量控制装置，特别具有优异的实用效果。

Claims (6)

1.一种压力式流量控制装置，包括：
节流孔；
设于节流孔上游侧的控制阀；
设置于控制阀与节流孔之间的压力检测器；以及
根据压力检测器的检测压力P1以Qc＝KP1，其中K为常数，计算流体的流量，同时以流量指令信号Qs与上述计算出的流量信号Qc二者之差作为控制信号Qy向上述控制阀的驱动部输出的控制装置；
在将节流孔的下游侧压力P2与上游侧压力P1之比P2/P1保持在控制流体的临界压比以下的状态下，通过上述控制阀的开闭来调整节流孔上游侧的压力P1并对节流孔下游侧的流量Q进行控制；
其特征在于，上述节流孔为直接接触型金属隔膜阀，以其阀座与膜片之间的环形间隙作为可变式的节流孔。
2.如权利要求1所述的压力式流量控制装置，其特征在于，上述可变式的节流孔为通过脉冲电机型节流孔驱动部调节环形间隙的可变式的节流孔。
3.如权利要求1所述的压力式流量控制装置，其特征在于，上述可变式的节流孔为通过压电器件型驱动部调节环形间隙的可变式的节流孔。
4.如权利要求1所述的压力式流量控制装置，其特征在于，上述膜片的工作行程L为0～0.12mm的范围。
5.如权利要求1所述的压力式流量控制装置，其特征在于，上述阀座与膜片之间的环形间隙即流体通路的面积与直径为0.14～0.25mm的圆孔的截面积相等。
6.如权利要求2所述的压力式流量控制装置，其特征在于，上述脉冲电机型节流孔驱动部由步进电机和滚珠丝杠机构构成。
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