液体流动控制器和精密分配设备及系统的利记博彩app

专利名称：液体流动控制器和精密分配设备及系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及液体流动控制设备及装置。
背景技术：
在半导体的制造过程中，多种不同的流体必须被精密且精确地分 配和沉积在待处理的衬底上，所述流体诸如去离子水、光致抗蚀剂、 旋涂电介质(spin on dielectrics )、旋涂玻璃(spin on glass )、聚统亚 胺、显影剂以及化学机械抛光(CMP)悬浮液，以上仅作为几个例子。 例如，在用于所述应用的传统设备中，待处理的晶片被布置在用于分 配预定量的液体或悬浮液以涂覆或处理晶片的适合喷嘴下面。不仅根 据沉积在所述晶片上的流体的绝对量或质量，而且还根据泵循环、管 尺寸以及流体收容环境的其他特征假定出预定量。通常之后使得晶片 转动以便于将所沉积的液体均匀地分配在所述晶片的整个表面上。显 然，在该过程中所分配液体的分配速率和分配量是重要的。
当通过喷嘴的流体流动停止时(诸如在晶片处理之间)，存在来 自于喷嘴的液体形成小液滴并且落在布置于喷嘴下面的晶片上的可能 性。这可能会毁坏形成在所述晶片上的图案，从而需要丢弃或重新处 理所述晶片。为了避免在喷嘴上形成有害小液滴，通常使用反吸阀或 止动/反吸阀。后面所提及的这种阀一般为双气动控制阀对，其中一个 阀止住液体朝向喷嘴的流动，而另一个阀从喷嘴的分配端或出口将液 体抽回。这不仅有助于防止小液滴形成和在出口处滴落，而且还有助 于防止液体暴露表面的干燥，液体暴露表面的干燥可能导致喷嘴堵塞 并且减少出口处的流体污染。
由于扰动问题的出现，使得较大晶片(例如，直径为300mm或更 大)的涂覆也成问题。通常，晶片的转动速度用于从涂覆流体被施加 的晶片中心朝向晶片的边缘径向向外地扩散涂覆流体。然而，该方法
会在晶片上形成扰动空气流并且可导致不均匀的涂覆。减小较大晶片 的转动速度会减小晶片表面的扰动，但是可引发新问题。随着速度减 小，流体更緩慢地流过晶片，从而在流体开始建立或干燥之前流体扩 散到晶片边缘上会成为问题。
通常，在半导体制造操作中使用泵来分配液体。然而，适用于这 样应用的泵是昂贵的并且由于过度磨损而需要频繁更换。另外，这样 的泵的占地面积可能太大而被认为不适用于最需要的应用。
可使用包括压差测量的诸如NT 6500 (Entegris Corp., Chaska， MN)的液体流动控制器，但是它们不适用于具有不同流速和/或粘性 的宽范围。用于提供易调节压力降的模块解决方法是希望的。
因此，所希望的是提供一种流动测量和分配系统，所述系统在没 有前述缺点的情况下可精密、可再现地分配流体。另外，本发明可适 用于期望或需要流体流动精密控制的情况中。
另外，所希望的是提供用于精确、可重复地分配流体的无马达的 泵系统。
另外，所希望的是提供气动比例流动阀，所述气动比例流动阀为 线性或基本为线性的，能够显示最小压力降以及显示出最小滞后或无 滞后。

发明内容
本发明已克服了现有技术的问题，本发明包括用于监测(最好数 字地)和/或控制施加于气动载荷(诸如比例流体控制阀)的压力并且 使用来自于流体测量装置的响应于流率的测量输入的设备和控制系 统，所述液体测量输入用于控制施加于气动载荷的压力以使得气动载 荷可增加或减小(以便于按比例地打开或关闭气动阀)，从而将流体 的流率改变为期望流率。气动载荷也可被调节(以便于按比例地打开 或关闭气动阀)从而适应流体的温度和粘性的变化。
本发明的实施例提供了一种流体测量装置，所述流体测量装置根 据在与成比例流体控制阀流体相通的摩擦流动元件上形成的压力降产 生流动测量信号。可在所述摩擦流动元件的入口处或入口附近和出口 处或出口附近测量流体压力，所述测量信号可被放大并且在它们之间 形成的压力降可被转化为被控制的流体的流率输出。所述流率输出可
被送到控制器，所述控制器可使得一个或多个阀被调制从而获得期望 的流率。
具体地，提出一种流体流动控制设备，包括具有流体入口和流 体出口的比例流体控制阀；与所述比例流体控制阀连通的用于调制所 述比例流体控制阀的气动比例控制阀；摩擦流动元件，所述摩擦流动 元件具有与所述比例流体控制阀的所述流体出口连通的摩擦流动元件 流体入口和与所述摩擦流动元件流体入口间隔的摩擦流动无件流体出 口 ，所述摩擦流动无件在所述摩擦流动元件流体入口和所述摩擦流动 元件流体出口之间产生压力降；用于测量所述压力降的压力降测量装 置；与所述压力降测量装置连通和所述气动比例控制阀连通的用于响 应于所述被测量的压力降以控制经过所述比例流体控制阀的流体流的 控制器；其特征在于，所述摩擦流动元件包括螺旋线團。
也提出一种控制流体从分配器分配到使用点的方法，其包括提 供具有第一流体入口和第一流体出口的比例流体控制阀；提供与所述 第一流体入口连通的摩擦流动元件，所述摩擦流动元件产生压力降； 检测所述摩擦流动元件上的所述压力降；以及响应于所述检测的压力 降调制所述比例流体控制阀；其特征在于，所述摩擦流动元件包括螺 旋线圈。
本发明提供适合于多种流体以及具有宽范围粘性的流体的控制系 统。它以节省成本和灵活的方式提供了精确和可重复的流体流动控制 和分配性能，快速地响应于实时加工偏差并且具有最小的操作者投 入。
本发明还涉及一种具有改进的线性和减小的滞后的成比例流体控 制阀，用于使用所述阀的液体流体控制器和无马达泵系统。所述阀允 许以基本为线性的方式进行流体的平滑、和緩的流动，并且具有最小 的转数。所述阀最好是气动驱动的。在温度不是问题的情况下，所迷 阀可通过任何适合的装置被驱动，诸如步进马达、线性马达、音團或 其他力致动器。
本发明还涉及在流动测量装置上游并且与流动测量装置流体相通 的辅助输入模块，所述辅助输入模块可被包含于无马达泵系统中以调 节在被输送于流动测量装置之前的流体。该模块可从不增压源(诸如 筒)中填充。所述模块还可对来自于增压进给线(房屋供给或增压筒)的不适当或过度的液体压力进行补偿。所述模块还可用于本系统中所 用的流体去除泡沫。
本发明提供一种无马达泵系统，所述无马达泵系统适合于各种液 体和供给源以使其可允许半导体加工中的多个分配点的标准化并且使 消费者以模块方式调节诸如过滤和温度控制等附加特征。
本发明还提供通用的模制阀体，所述模制阀体与机加工阀相比需 要更少的零件。在一个实施例中，模制岡体特别被设计成用于流动控 制并且包含两个具有精心定位以使得空间的使用最优化的流动路径的 传感器外壳。所述传感器外壳可作为插入件被独立地形成，从而使得 在各个方位的安装。通过将气动和机械部件安置在阀腔的相对端部 中，系统的差压可相反发展并且阀上游的差压可被记录以便于监测供 给压力。
本发明的一个实施例可包括被储存在所述计算机可读存储器上并 且可由一个或多个处理器执行的一组计算机可读指令，这组计算机可 读指令包括用于接收上游压力信号、接收下游压力信号、计算误差信 号以及根据上游压力信号、下游压力信号和误差信号计算阀控制信号 的可执行指令。
本发明的另一个实施例， 一种装置包括储存在所述计算机可读存 储器上并且可由一个或多个处理器执行的一组计算机可读指令，这组
计算机可读指令包括用于接收上游压力信号、接收下游压力信号、计 算误差信号、根据与所述阀相关的阀增益曲线为特定阀确定阀增益、 并且根据上游压力信号、下游压力信号、误差信号和阀增益计算阀控 制信号的可执行指令，其中所述岡增益根据所述特定阀的位置改变。
本发明的另一个实施例为一种装置，所述装置包括储存在所述计 算机可读存储器上并且可由一个或多个处理器执行的一组计算机可读 指令，这组计算机可读指令包括用于接收上游压力信号、接收下游压 力信号、根据用于上游压力信号和下游压力信号的比例值、积分值和 微分值计算误差信号、将误差增益加到误差信号、根据与所述阀相关 的阀增益曲线为特定阀确定阀增益、根据上游压力信号、下游压力信 号、误差信号和阀增益计算阀控制信号、根据一组过去位置值适当地 调节阀控制信号的可执行指令，其中所述阀增益根据所述特定阀的位 置改变。


图l是本发明 一个实施例的框图2是本发明一个实施例所涉及的包含无马达泵或分配模块的气 动和流体控制部分的外壳的透视图3是本发明一个实施例所涉及的辅助输入模块的分解装配图4是本发明一个实施例所涉及的微分放大电路的示意图5是本发明一个实施例所涉及的岡增益的曲线图6是本发明一个实施例所涉及的控制系统的流程图7是本发明一个实施例所涉及的压力传感器外壳组件的分解
图8A是本发明一个实施例所涉及的比例阀的端视图8B是沿着图8A中的线B-B得到的截面图8C是沿着图8A中的线C-C得到的截面图8D是沿着图8A中的线D-D得到的截面图8E是本发明一个实施例所涉及的图8A的比例阀的分解图9A是常规Furon阀的滞后的曲线图9B是常规SMC阀的滞后的曲线图9C是图8A-8E的阀的滞后的曲线图10是五种不同粘性的压力降相对于流率的曲线图11是示例9所涉及的2-丙醇质量流率相对于时间的曲线图12是本发明所涉及的阀的另一个实施例的分解图13是图12的集成阀和传感器外壳的透视图14A是图12的阀的流体入口侧的横截面的透视图14B是图12的阀的流体出口侧的横截面的透视图15是图12的阀的堆叠阀单元的透视图16是本发明的一个实施例所涉及的具有单一传感器外壳的阀的 透视图17是本发明的一个实施例所涉及的没有传感器外壳的阀的透视
图18是本发明的一个实施例所涉及的单一传感器外壳的透视图19是本发明的一个实施例所涉及的双传感器外壳的透视图20是本发明的一个实施例所涉及的流动控制器和开/关阀组件的
透视图21是本发明的一个实施例所涉及的感测装置的透视图； 图22是本发明的一个实施例所涉及的流动控制器和流量计组件的 透视图23A是本发明的一个实施例所涉及的采用下游压力差动构造的 阀的横截面的透视图23B是本发明的一个实施例所涉及的采用上游压力差动构造的
阀的横截面的透视图24A和图24B是本发明的一个实施例所涉及的阀的透视图； 图25A和图25B是本发明的另 一 个实施例所涉及的阀的截面图； 图26是本发明的另一个实施例所涉及的阀的截面图； 图27A-27C是与本发明的流体控制阀类似的可在商业上得到的阀
的几个截面图；以及图27D是本发明的一个实施例的截面图28A和28B是本发明的另 一个实施例所涉及的处于关闭和部分打
开的位置的阀的截面图29是本发明的一个实施例所涉及的停止帮助功能的定时/控制
图30是表示本发明的一个实施例所涉及可产生阀驱动信号的控制 器的框图31是表示控制器的控制逻辑电路的一个实施例的框图；以及 图32是表示压力控制电路的一个实施例的框图。
具体实施例方式
首先参见图l，其中示出了本发明的一个优选实施例所涉及的液体 流动控制器的框图。所示的诸如气动流体控制阀的流体控制装置10具 有用于将液体最终分配到使用点(诸如可是晶片(未示出)的衬底) 的液体输入管线12和液体输出管线13。液体输出管线13与摩擦流动元 件15流通，以使离开流体控制阀IO的所有液体进入摩擦流动元件15. 可与流体控制阀10外壳成一体的诸如压力传感器的第一压力传感器24 位于摩擦流动元件15的入口处或者附近(诸如在流体控制阀10的出口 处或者附近)以检测第一压力，诸如压力传感器的第二压力传感器25 位于摩擦流动元件15的出口处或者附近以检测第二压力。或者，可使
用一个差动压力检测装置。压力传感器中接触流体的部分最好由惰性 材料(相对于在本申请中用于的流体)制成，诸如蓝宝石，或者涂有
一种与其接触的流体相容的材料，诸如全氟聚合物。图7中示出了适合 的压力传感器的细节。这样，传感器外壳60具有流体入口61和与入口 61分隔的流体出口62。压力和温度传感器64在外壳60中由全氟弹性体O 形團63密封。如图所示，诸如利用多个不锈钢螺栓或者销使得端盖65 与外壳60接合。传感器64检测在入口61和出口62之间的流通路径中的 压力和温度，并且将表示所检测的压力和温度的信号送至控制器。
再次参见图1 ，诸如螺线管的气动比例控制阀20以气动的方式与流 体控制阀10相连。每一个压力传感器24、 25 (或者一个差动压力检测 装置)与计算机处理器或者控制电路30相通，诸如具有比例、积分和 微分(PID)反馈部件的控制器。当每一个传感器24、 25在其各自的流 体管线中对压力和温度采样时，它将采样数据送至控制器30。如下面 详细描述的，控制器30比较数值并且计算摩擦流动元件15上的压力 降。来自于控制器30的基于压力降的信号被送至气动比例控制阀20， 该信号因此调制流体控制阀IO，最好在补偿温度和/或粘度和/或密度 后。
更具体地说，对于被分配的流体，最好利用一种诸如去离子水或 者异丙醇的适合的流体作为流体标准使得该系统被校准。例如，在根 据该步骤使得该系统被校准后，最好以试验的方式，使得被分配的流 体的特征被自动输入或者确定，诸如粘度和密度，以使被分配的流体 可与该步骤比较并且建立一种关系。基于这种关系，在摩擦流动元件 上的测量的压力降与流速相关，与所希望的或者目标流速相比，因此 利用气动比例控制阀20调制流体控制阀10。
另外，优选的是一种使用者可编程的比例阀的反吸阀21与诸如螺 线管的比例控制阀(可与气动比例控制阀20相同或者不同)相通并且 被控制器(或者一个不同的控制器)控制。当流体分配停止或者在途 中时它被驱动，从而减小或者消除当流体分配操作中断时可能落在晶 片上的不希望的小液滴的形成，并且将流体从分配喷嘴抽回以其在大 气中的暴露达到最小或者防止其暴露在大气中。因此控制反吸阀打开 和关闭的速度和程度。最好，反吸阀21位于流体控制阀10的下游。
通过控制流体控制阀10和/或反吸阀21上的压力，可控制各种流体
分配参数。例如，在被分配的液体是一种低粘度的液体的情况下，可
利用压力精心地调制流体控制阀10以确保液体的均勻的分配。类似 地，液体分配的速度可被控制，也可控制反吸阀21从分配点反吸液体 的速度。在所用的特定的流体控制阀10的压力与体积的关系被表征 后，利用本发明的系统可达到不受限制的灵活性。实际上，分配压力 是分配质量(例如均匀性)的良好指示器，但"理想，，的分配压力分 布图对于所有的应用是不存在的并且在所有流体控制阀中是不一致 的。在得知流体控制阀的特征后，本发明的控制系统允许处理工程师 调节分配压力以对于特定的处理应用达到"理想分布图，，。
图8A-8E示出了本发明的一个优选实施例所涉及的集成流体控制 阀10和传感器组件。该阀基本上是线性的，意味着当在致动隔膜上的 压力增大时，流体流动因此增加。另外，该阀具有最小的滞后。最好， 压力(和温度)传感器位于流体流中并且外壳60与阀主壳体70成为一 体，(从而检测流体压力和温度)就在摩擦流动元件的入口之前。
特别参见图8B、 8C、 8D和8E,阀顶盖71包括两个同心环84、 85， 两个同心环84、 85之间限定一个环形沟槽以接收合成橡胶0形圏72,合 成橡胶O形團72与气动环74—起将阀气动隔膜73密封在外壳中。相对的 带螺紋的阀按钮76夹着阀顶隔膜77和阀底隔膜78，并且受到弹簧80偏 压。内部组件与拧到不锈钢螺丝75上的带螺紋的按钮76固定在一起。 外部组件与阀底盖82、不锈钢销或者螺栓83以及阀顶盖71固定在一 起。带有适合的管等的用于与气动比例控制阀20气动连接的推动部件 与阀顶盖71接合。如图27A-D中所示，流体控制阀10中的流动路径(对 于进口和出口 )不在同一条线上以进一步降低压力降和非扫过容积。 进出阀的流动路径偏移使得泥浆或者其他流体容易流动并且具有最小 的沉积量。
流体进入阀入口12和在线性通道12A中流动直至其通过其中的输 入孔99到达环形腔90。流体趋于在腔90中盘旋，接着在施加气动压力 以打开阀后，越过隔膜77和78流入到窄的环形通道92中(图8B、 8D )， 并且进入腔89中。通过线性路径13A朝向出口 (通过输出孔85)的盘旋 流体流动路径形成在腔89中。为了使得腔89和90之间的压力损失达到 最小并且为了利用所产生的压力降使得该装置中的流体的扫掠作用达 到最佳，带圆角或者倒角的肩部93 (例如，0.04")可被引入到阀的密
封表面。最好，流体输入路径12A和流体输出路径13A分别沿着腔89和 90的切向(不是通过中心轴线)设置，以有助于流体均匀流动并且减 小压力降和沉积。
通过控制进入直的推动部件86的压力，阀气动隔膜73偏斜的量被 控制。气动腔88中的压力越大，气动隔膜73偏斜的量越大，推动顶部 阀按钮使得隔膜77和78偏斜，弹簧80压缩，并且使得隔膜78离开部分 限定通道92 (图8D)的阀座或者肩部93，使得阀打开。特别是，该阀 被设计成这样的形式，即，使得弹簧80和气动压力相互对抗。弹簧80 推动所有三个隔膜，使得底部隔膜78通过抵靠肩部93而密封主阀体。 当气动压力被引入时，它对抗弹簧80。在施加足够的压力后，弹簧不 再能够使阀保持关闭。弹簧压缩，使得隔膜在压缩弹簧的方向上偏斜。 气动压力越大，弹簧80压缩的量越大，并且阀打开的程度越大。
除了反吸选择，流体控制阀关闭的速度也可有效地控制在喷嘴的 分配端或者输出端口处的液体高度，并且在许多情况下将能够完全取 代反吸阀选择。由于该阀设计的两个流体隔膜，因此这是可能的。当 该阀关闭时，气动腔中的压力减轻并且弹簧载荷接收并且迫使阀底部 流体隔膜78 (图8D)在阀座设置位置处接合。当流体隔膜78接合时， 流体隔膜77朝向气动腔向外弯曲。该位移可产生小的反吸效应。
该控制器可包括大大减小阀与阀的响应时间之间的差异的空闲特 征。根据给定的阀的打开压力要求，空闲压力可被调节以产生相同的 单元之间的响应时间。空闲压力是当阀没有被驱动以产生流动时被提 供到气动腔的压力。这样，如果特定的阀的打开需要40-psi气动压力， 而另一个需要30-psi气动压力，那么空闲压力可被分别设定为15-psi和 5-psi。因此，在基本相等的时间内，两个阀的打开需要25-psi的气动压 力变化。阀的空闲特征也用作在最小设定需要下该系统的氮吹扫。该 阀可保持打开以使得最小量的吹扫气体，最好氮，从气动比例控制阀 排出以在系统外壳内提供安全吹扫，特别是在设置电子器件的地方。
图30是表示可产生用于节流/打开气动比例控制阀20的阀驱动信号 的控制器2700的一个实施例的框图。控制器2700可包括电源2702、内 务操作处理器2704、压力电路2705、辅助功能电路2706、控制阀驱动 器2708、反吸阀驱动器2709、匹配界面2710、 1/0电路2711和控制处理 器2712。控制处理器2712可包括可存储一组计算机可读指令2716的闪
15 速存储器2714，计算机可读指令2716可执行以基于从结合图6所述的压 力电路接收的压力信号产生阀控制信号。控制器2700的各个部件可通 过数据总线2718连通。应该注意的是，尽管所示的计算机可读指令2716 为在一个处理器处的软件，但计算机可读指令可以软件、固件、硬件 的形式或者本领域已知的任何适合编程方式实现。另外，指令可被分 配在多个存储器中并且可由多个处理器执行。
在操作中，电源2702可为控制器2700的各个部件供电。压力电路 2705可从上游和下游压力传感器读取压力并且将上游和下游压力信号 提供给控制处理器2712。控制器处理器2712可基于从压力电路2705接 收的压力信号计算阀控制信号，并且控制阀驱动器2708又可基于该阀 控制信号产生阀驱动信号。可按照下面参照图6描述的方法产生阀控制 信号。该方法可以软件或者存储在由控制处理器2712存取的计算机可 读存储器(例如，RAM、 ROM、 FLASH、磁存储器或者本领域已知 的其他计算机可读存储器)上的其他计算机可读指令形式实现。
关于控制器2700的其他部件，内务操作处理器2704可是执行包括 与其他装置直接连通或者本领域已知的其他任何可编程功能的多种功 能的通用处理器。通用处理器的一个示例是Intel 8051处理器。辅助功 能电路2706可与其他装置连接。反吸阀驱动器2709可控制反吸阀(例 如，图1的反吸阀21)。匹配界面2710和I/O电路2711可提供能够使得数 据与控制器2700之间连通的各种装置。其他部件可包括可执行本领域 已知的装置监测功能的监控单元2720、各种电可擦可编程只读存储器 或者其他存储器、扩展端口或者本领域已知的其他计算机部件。
图31是表示可产生用于节流/打开气动比例控制阀20的阀驱动信号 的控制器2700的控制逻辑电路的一个实施例的框图。所示的控制器 2700的几个部件包括控制处理器2712、匹配界面2710和监控单元2720。 另外，示出了扩展端口2802。扩展端口2802可用于增加子插件以扩展 控制器2700的功能。
在图31的实施例中，内务操作处理器2704的功能被分成三个部 分处理部分2806、存储器装置部分2808和双端口RAM部分2810。存 储器装置部分2808可包括各种存储器，包括闪速存储器、RAM、 EE和 本领域已知的其他计算机可读存储器。为内务操作处理器2704提供闪 速存储器的一个优点是它允许通过例如匹配界面2710容易进行固件更
新下载。另外，存储器装置部分2808可包括芯片选择和地址解码的功 能。应该注意的是，存储器装置部分2808、双端口RAM部分2810和处 理部分2806中的每一个可体现在一个处理器中。
控制处理器2712可包括闪速存储器2714，闪速存储器2714可存储 一组计算机可执行指令2716，计算机可执行指令2716可被执行以基于 从结合图6所述的压力电路接收的压力信号产生阀控制信号。在本发明 的一个实施例中，控制处理器2712和内务操作处理器的处理部分2808 可通过与双端口RAM部分2810的相互存取共享数据。控制处理器2712 和内务操作处理器的处理部分2808可由一个系统时钟2812 (例如， 20MHz的时钟)或者不同的时钟驱动。
图32示出了压力控制电路2705的一个实施例。压力控制电路2705 可包括分别来自于上游和下游压力传感器的上游压力输入2902和下游 压力输入2卯4。输入上游和下游信号在被A/D转换器2905和2卯6转换成 数字信号之前可被放大和滤波。如图32中所示，压力控制电路2705还 可产生压差信号，压差信号可被A/D转换器2908转换成数字信号。压力 控制电路可被校准电路2910校准，校准电路2910可包括硬件和/或软件 以基于被施加在压力传感器上的已知压力补偿传感器读数的变化。
另外，压力控制电路2705可用于接收上游和下游输入温度信号(例 如，在输入2920和2922处)，上游和下游输入温度信号可被A/D转换器 放大和变为数字信号。压力传感器24、 25 (或者压差传感器)中的一 个或者两个分别可包括用于在它们各自的位置处(例如，在摩擦流动 元件入口或者出口处或者附近，视情况而定)检测流体温度的温度检 测装置，温度检测装置可将输入温度信号提供给输入2920和2922。或 者，温度传感器可与压力传感器分离。检测的温度与控制器连通，在 控制器中，计算适合的流体流动修正被计算并且基于该计算将一个信 号送至气动比例阀20以修正温度变化。该操作是优选的，这是因为压 力传感器自身可产生热量，热量可被流体吸收的并且可影响该系统中 的流体流动特性；在传感器表面处的局部温度变化可改变传感器的输 出。本发明的其他实施例可基于例如恒定电流装置(诸如压力传感器 本身)上的电压降修正温度误差。
图4示出了压力控制电路2705的另一个实施例。如在图4中示意性 示出的，压力传感器24、 25最好使用两个仪器用放大器 一个用于上
游压力，另一个用于下游压力。数字增益和偏移控制用于自动或者人 工校准每一个传感器。这些两个模拟压力信号可被模拟数字转换器转 换并且仅通过减去这些数值在软件中得到压差。该技术的一个缺陷是 分解度和共模受到影响。模拟数字转换器必须转换每一个信号并且利 用数学方法去除共模。模拟数字转换器的分解度增大是优选的以获得
所需的压差。例如，如果下游压力是15psi并且该流速的压差为0.1psi， 上游压力将为15.1psi。如果满刻度压力为30psi，该压力转换为5.00Vdc (15psi = 2.50Vdc)，每一个转换器必须能够测量峰值压力(30psi)。 由于15.1psi为2.517Vdc，压差信号为0.017Vdc (超出5.00Vdc )。通过 增加与每一个模拟数字转换器电连通的第三放大器，共模被去除并且 模拟数字转换器仅必须分解最大压差，最大压差远小于共模。这样， 在上述示例中的最大压差等于转换成5.00Vdc的5psi。这使得分解度增 加6倍。
压差放大器的增益也可被增大，这还进一步增大压差信号的分解 度。这也可利用一个压差传感器来实现，但在一个实施例中，独立的 上游和下游的压力信号没有被确定。
用于上游和下游压力的模拟数字转换器最好也被包括。这些分离 的压力接着可被用于监测上游和下游压力和确定处理变化(例如，滤 波变化)。它们也可独立用于一个压力控制，这可用于粘度计算。
图6是表示用于流动控制阀10的调制的控制算法的一个实施例的 流程图。该算法可由执行被存储在计算机可读存储器(例如，RAM、 ROM、磁存储装置或者本领域已知的其他任何计算机可读存储器)上 的一组计算机指令的控制器(例如，图1的控制器30)来实现并且可包 括从模糊逻辑得到的技术和来自于自适应控制装置的元件。这样，该 控制器是基于动态模型的线性控制系统。自适应或者智能控制可用于 较大的精度，在需要的情况下。该自适应控制可使用非线性优化程序 以提高控制系统的整个操作并且在本领域的已知技术内 图30中示出 了控制器的一个实施例。
更具体地说，参见图6，控制器在步骤902可例如从与上游和下游 压力传感器相关的模拟数字控制器(例如，A/D转换器2905和2906)读 取上游和下游压力信号。在这点上，上游和下游压力信号可是表示由 压力传感器产生的模拟电压的电压抽样(即，数字抽样)。在步骤904，
控制器还可基于温度传感器读数读取温度或者基于流过传感器的电流
信号进行温度修正。在步骤906，控制器可对上游和下游压力信号滤 波，并且在步骤908，将压力信号转换成压力值，压力值可被存储在存 储器中(步骤卯9)。
控制器在步骤910和911可计算上游和下游压力的积分和微分值及 其任何修正。积分和微分值的计算可根据本领域已知的任何方法来执 行。控制器也可计算(步骤912)和存储(步骤914)上游和下游压力 的差值。在步骤916，控制器可基于上游和下游压力的积分和微分值计 算误差信号，并且在步骤918，存储错误信号的数值。在本发明的一个 实施例中，在步骤920，误差增益可被加到误差信号。这可有助于补偿 处于低压时的低信号值。
在步骤922，控制器可读取阀增益。阀增益曲线的一个实施例被示 出在图5中。该曲线调整被以与当前位置成比例地施加到阀上的信号增 益。在软件中执行的增益曲线使得系统对阀与阀的变化进行修正。除 了^"正特定阀中的变化，该阀增益曲线也可补偿过冲、下沖和响应时 间。在图5中示出了用于两个阀的阀增益曲线，阀A(线500)和阀B(线 501)。用于每一个阀(或者阀的种类)的曲线可被试验确定并且被存 储在控制器的存储器中。该曲线可用于基于当前阀位置调节阀控制信 号的增益。
在图5的曲线图中，X轴表示阀位置，Y轴表示增益。在本发明的一 个实施例中，利用(4)点形成每一个曲线最大增益；最小增益；斜 坡起始点和斜坡终点。最大增益通常起始于阀的不工作位置并且延伸 到斜坡起始点。最小增益起始于斜坡终点并且终止于阀行程的100% 点。实际斜坡是从斜坡起始点和斜坡终点的增益的线性减小。控制器 可读取各个阀的阀增益曲线和因此调节阀控制信号。例如，当阀A在线
502和504之间时，控制器可在步骤922读取阀曲线，并且调节控制信号 的数值以说明高增益。当阀A位于线502和504之间以克服使得阀保持关 闭的作用力时，该曲线使得阀信号的增益保持较高。在阀实际上打开 的点处，控制器可调节控制信号以说明基于阀增益曲线和阀位置的减 小的增益。控制器可调节控制阀信号以说明在沿着阀增益曲线的任何 点处的阀增益。应该注意的是，图5中所示的阀增益曲线仅是利用示例
提供的，并且控制器可基于存储在由控制器存取的任何计算机可读存 储器中的任何阀增益曲线调节阀控制信号。
在步骤924，可基于误差信号和压力值形成控制信号，并且所述控 制信号被写到数字模拟转换器(例如，控制阀驱动器)。数字模拟转 换器可产生模拟阀驱动信号以驱动阀。本发明的实施例也可包括用于 减慢阀控制信号的阀集成步骤(例如，步骤926)和自适应调节步骤(例 如，步骤928)。自适应调节步骤可读取预定的多个可用于调节当前阀 控制信号的被存储的在前位置值。
另外，控制器还可执行监测步骤930，监测步骤930可是自适应调 节的一部分。该功能实时地编辑数据，诸如点过冲、下冲、调整时间、 回路稳定性和百分误差。在设置模式过程中，被编辑的数据由控制器 分析并且控制器调节控制阀以使得性能达到最佳(即，执行自适应调 节步骤928)。
应该注意的是，控制器也可调节阀控制信号以补偿粘度变化。由 于流体的粘度改变用于类似流速的AP测量，因此必须进行修正。 一种 修正方法是将当前的AP和流速与诸如异丙醇或者水的标准的AP和流 速进行比较。接着使用者可输入差值。另一种方法是测量内部参数并 且将它们与预定的类似参数比较并且在内部补偿差值。第三方法使用 关于不同流体的工厂产生曲线；多个曲线可被存储在控制器中并且由 使用者选择。
各个控制参数可被设定以在多种应用中确保反吸阀的适合操作。 例如，反吸阀"停止时间"调节ON到OFF压力过渡的时间。这是使得 阀隔膜从其全延伸位置移动到反吸位置的时间。使其移动得过快可导 致流体柱将气泡拉到柱或者空穴中。反吸阀"工作时间"调节OFF到 ON压力过渡的时间。这是使得阀隔膜的端部从反吸位置移动到其全延 伸位置的时间。使其移动得过快可导致流体柱"膨胀"，这可有害地 改变实际分配速度。具有其他两个设定反吸On和Off压力设定。这两 个调节确定用于产生所需的反吸量的阀将移动的距离。在该压力中的 差异越大将增加反吸量。使用On压力和Off压力具有两个原因适应类 似类型的不同阀中的差异；以及调节不同阀和其他系统结构中的非线 性。这整个作用也可被延迟以将控制阀的停止作用和反吸作用分离。 在一些应用中，如图29中所示，反吸阀也可用于在具有在流体停止作
用中被驱动的分离反吸位置的流体的停止作用中帮助控制阀。该帮助 功能也可被编程为停止作用的百分比，下载作为停止开始或者停止结 束的一部分。正常反吸位置接着用于如果被编程在延迟后的反吸。现
参见图2，其中示出了装有本发明的各个部件的外壳IOO。最好，电子 部件，诸如LED板105和主印刷电路板106，以及气动比例阀歧管110与 流体隔离，诸如摩擦流动元件15和流体控制阀10。流体在流体入口 (未 示出)进入主流体控制阀IO。接着，流体被引导通过阀并且进入摩擦 流动元件15，在所示的实施例中，摩擦流动元件15包括较短的直部 15B，接着直部15B被螺旋巻绕并且终止于另一个较长的直部15A，在 直部15A处进行第二压力(和温度)检测。摩擦流动元件15可是管或者 导管或者一束平行中空纤维管，例如具有足以在流体流过其时能够产 生可测量的压力降的尺寸。其他适合的摩擦流动元件包括诸如在聚合 物材料、多孔薄膜、玻璃料和过滤器的块中的盘旋沟道。最好，摩擦 流动元件避免90度的圉，这是因为90度的圉可能会促进堵塞或者可导 致剪切的过大的湍流。尽管摩擦流动元件15可是直的，但最好摩擦流 动元件15是螺旋管以节省空间，其直径和长度部分取决于流率。这样， 摩擦流动元件15的直径和长度是所需压力降的一个函数以使"噪声" 变得可以忽略。对于给定的流体、管的长度和系统状态，管的直径越 小，压力降越大。对于给定的管的几何条件，当流体的粘度增大时压 力降将增大。例如，在分配去离子水的情况下，对于流体控制阀10的 尺寸，摩擦流动元件15为外径为l/4英寸的管，壁厚为0.047"，长度为 40"，可形成每分钟近2升的最大流速，还取决于系统状态，例如，供 给流体压力、供给气动压力和该装置外部的系统压力降。对于给定的 分配/流动条件，仅通过改变摩擦流动元件15的几何尺寸可使得流动范 围达到最佳。最好，摩擦流动元件的内径与在元件15下游的管或者其 他流动路径的内径相同或者基本相同以使得流出元件15的流体的过渡 达到最小或者被消除。通过摩擦流动元件15的流体流可是层流或者湍 流。因此流体路径如下流体进入流体控制阀10的流体入口 ，流经阀 (并经过压力和温度传感器)并且进入摩擦流动元件15的入口，流经 摩擦流动元件15并且从摩擦流动元件15的出口流出(并经过位于摩擦 流动元件15的出口的上游和下游的压力和温度传感器)。在本发明的 一个实施例中，本设计的灵活性使得摩擦流动元件15容易互换，例如
21基于流动和/或流体特性。
用于产生压力降的其他类型的装置可形成不合需要的副作用并且 更适合工业处理应用。这些负作用包括不受控制和过大的输入和输出 压力损失、局部的逆流或者涡流的区域和截留区域。这些可选择的压 力降元件包括文氏管、流动喷嘴、孔系(薄板正方形边缘、四分之一 圓周边缘、偏心和部分)、离心和线性电阻。
下面的示例说明 一 组摩擦流动元件的技术指标
内径为0.0625"的螺旋管，长20英寸，具有2.5圏，通常水在室温下 的流率为0.5cc/sec和5cc/sec之间。
内径为0.156"的螺旋管，长40英寸，具有5.5團，通常水在室温下的 流率为lcc/sec和30cc/sec之间。
内径为0.250"的螺旋管，长20英寸，具有2.5團，通常水在室温下的 流率为0.5 lpm和5 lpm之间。
内径为0.375"的螺旋管，长20英寸，具有2.5圏，通常水在室温下的 流率为2 Ipm和lO lpm之间。
在某些应用中，进入流体入口12 (图1和图8C)的流体压力可能太 低或者太高。为了调节流体压力，图3中所示的辅助输入模块200可用 在分配模块的上游。辅助输入模块200具有主体或者存储容器90和固定 在模块基座92和盖93之间的四个常闭(由于弹簧97的偏压)提升阀91。 如图中所示，四个流体配件94和94A被拧在基座92上。 一个配件是压力 端口，另一个是真空端口、另一个(94A)是流体入口，另一个是排气 孔。四个推动配件95被固定在盖93上并且提供氮以驱动提升阀91，提 升阀91又将打开流到打开94和94A。如图中所示，流体出口98被设置在 主体90的底部上。利用托架101将水平传感器96固定在主体90上并且水 平传感器96检测模块主体或者存储容器90中的流体水平。过滤器(未 示出)可被设置在主体90中。
为了使得模块200充有加压流体源，输入和排气阀可被基本上同时 打开，并且加压流体在一定时间内流入模块200中或者直至达到某一流 体水平，如由水平传感器96检测的。排气阀可用于在输入阀使得流体 进入存储容器90中时使得压力均衡。输入和排气阀接着关闭，流体供 给压力阀打开，并且当需要使得流体流到系统时流体控制阀10打开。
如果对于适合的操作，来自于源的流体压力太低，那么在充填循
环后可施加压力以提升供给压力。这可被连续施加或者仅当需要时施 加。类似地，当流体供给压力的波动发生时在需要的情况下可施加压 力。
如果非加压源被使用，输入和真空阀可被基本上同时打开。真空 阀用于将流体从流体源中抽入。
模块200也可用作消除泡沫的装置。特别是，对于加压流体源，该 循环的充填部分如上述的。在存储容器90被充填到所需水平后，入口 和排气口被关闭并且在使用者可编程的时间内或者所需的时间内真空 被施加在流体上，从而从中消除气泡。
在另一个实施例中，例如在空间减小是高的优选的情况下，可使 用在图12-23中所示的阀。与图8的阀类似，圓12的阀顶盖71'包括两个 同心环84'、 85'，两个同心环84'、 85'之间限定一个环形沟槽以接收合 成橡胶O形圈72'，合成橡胶O形圏72'与顶部气动环74'—起将阀气动隔 膜73'密封在外壳中。相对的带螺紋的阀按钮76'夹着阀顶隔膜77'和阀底 隔膜78'，并且受到弹簧80'偏压。内部组件与拧到不锈钢螺丝、螺栓或 者销75'上的带螺紋的按钮固定在一起。外部组件与阀底盖82'、不锈钢 销或者螺栓83'以及阀顶盖71'固定在一起。带有适合的管等的用于与气 动比例控制阀20气动连接的推动部件与阀顶盖71'接合。如图27D中所 示，流体控制阀10中的流动路径(对于进口和出口)不在同一条线上 以进一步降低压力降和非扫过容积。进出阀的流动路径偏移使得泥浆 或者其他流体容易流动并且具有最小的沉积量。
阀外壳70'最好为模制设计，并且传感器外壳与阀集成在一起。与 图8的传感器外壳60不同，集成实施例仅需要一个传感器端盖65'，大大 减小所包括的部件数量，并且消除可能导致灾难性故障的机加工毛 边。
在图12- 14中所示的阀外壳的实施例中，流体进入阀入口12'和在 线性通道12A'中流动直至其通过其中的输入孔99'到达环形腔90'。流体 趋于在腔90'中盘旋，接着在打开阀后，越过两个流体隔膜流入到窄的 环形通道中，并且进入第二腔中，这与前面参照图8B和8D所示的在前 实施例的情况类似。通过线性路径13A'朝向出口 (未示出)的盘旋流 体流动路径形成在第二腔89'中。如前面所述，为了使得腔89'和90'之间 的压力损失达到最小并且为了利用所产生的压力降使得该装置中的流
体的扫掠作用达到最佳，带圓角或者倒角的肩部(例如，0.04英寸)可 被引入到阀的密封表面。最好，流体输入路径12A'和流体输出路径13A' 分别沿着腔89'和90'的切向(不是通过中心轴线)设置，以有助于流体 均匀流动并且减小压力降和沉积。如图中所示，入口12'和出口13'可具 有外螺紋，例如以便于与适合的软管相连。
第一传感器外壳60'位于第一和第二腔90'和89'的下游的流动路径 13A'。传感器外壳60'与第二腔89'和出口13'流通。压力和/或温度传感 器64'被密封在外壳60'中，诸如利用全氟代弹性体(KALREZ) O形團 63'。端盖65'与外壳60'接合，诸如利用所示的多个螺栓或者销66'。传 感器64'检测在传感器外壳60'的入口和出口之间的流体路径中的压力 和/或温度，并且将表示检测值的信号送至控制器。
阀的该实施例还包括第二传感器外壳160'，第二传感器外壳160'的 构造最好与传感器外壳60'相同。如图13中所示，第二传感器外壳60'与 入口 112'和与入口 112'间隔开的出口 113'流通。
因此，该实施例的阀作用如下，特别参见图14A和14B。流入阀的 流体进入入口 12'并且流经通道12A'流到第 一阀腔90'，流体被装在第一 阀腔90'中直至阀打开。在阀打开后，流体从笫一阀腔90'通过一个孔流 到第二阀腔89'。流体从第二阀腔89'通过出口离开并且进入第一传感器 外壳60'，流体的压力和/或温度在第 一传感器外壳60'中被检测并且被记 录和/或送至控制器。流体通过出口13'离开阀组件并且通过摩擦流动元 件，最好为盘管(未示出)，并且如图14B中所示，接着再次通过入口 112'进入阀组件。流体流到第二传感器外壳160'，在第二传感器外壳160' 中压力和/或温度再次被检测并且被记录和/或送至控制器。在离开第二 传感器外壳160'后，流体通过精心设置以使得空间利用率达到最佳的流 动路径流过阀组件，并且返回它初始进入的装置的同一面。
通过设计该阀组件以4更在一侧上具有气动特征并且在另一侧具有 阀机械特征，多个阀组件可被叠置在一个单元中，进一步降低所占空 间和成本。这样，如图13中所示，传感器外壳60'和160'具有相同的尺 寸和构造，并且传感器外壳60'与出口113'的间距与传感器外壳160'和入 口112'的间距相同。因此，如果这样两个阀体垂直叠置，那么阀腔将垂 直对准，并且传感器外壳将垂直对准。这样一种可叠置的阀组件的一 个示例被示出在图15中，其中中间盖171'被设计以具有顶盖71'和底盖
82'的内部细节以接受阀的气动侧部件和才几械侧部件。可叠置的阀的实 施例特别用于多个存在空间限制的分配点。附加的优点包括部件复制 的消除，如仅需要一个比例歧管，仅需要一个LED和主PC板，仅需要 一个壳体和缆线组，以及仅需要一组氮供给线和配件。应用包括化学 混合(比例控制)、独立流体的同步分配、对于两个分配点的独立分 配、积分独立或者从属控制，以及连续不中断分配。
该阀组件的常规设计能够保持基本上的通用性。例如，图16示出 了具有阀和一个传感器外壳的组件。该阀的各个部件的尺寸设定最好 与图13的阀一致以如果需要的话保持可叠置的性能，并且如果需要的 话可增加附加的传感器外壳，诸如在图18中所示的。实际上，通过提 供图18的可移除的传感器外壳插件作为独立部件，具有一个或者多个 传感器外壳的装置可被构成，其中传感器外壳被倒置(相对于阀腔) 以有助于促进气泡去除。
各个部件可被制成为模制插件。例如，图17示出了没有传感器外 壳的阀。图19示出了双传感器外壳插件。传感器外壳的入口112'、 212' 和出口13'、 113'形成有外螺紋以便于连接阀。用于阀组件的传感器外 壳部分的插件能够提供许多不同的组件结构，并且根据当其被安装的 取向能够与使得传感器外壳倒置的插件更换以有助于促进气泡去除， 如上所述。类似地，气动和机械部件的互换性使得模制阀的入口和出 口对于上游或者下游压力控制是颠倒的。通过将气动和机械部件安装 在阀腔的相对两端，该系统的压差可反向作用并且阀上游的压差可被 记录，而不是下游的压差。这使得使用者监测系统单元的供给压力而 不是比较靠近分配点的下游压力。图23A和23B中分别示出了下游构造 和上游构造。这些图说明模制阀设计的通用性在于，气动部件和机械 部件可根据需要阀上游或者下游的压力降而被安装在阀的任何一侧。 传感器的位置还提供了消费者的系统状况的监测，不仅是该装置的状 况的监测。
图24A和24B示出了用于流动控制器的模制部件，所述模制部件能 够通过位于该装置的底部上的三个端口 (排气口、入口和出口)与 Mykrolis LHVD型过滤器配合。该设计能够接受LHVD型过滤装置。
常规的气泡传感器可用于本发明中。气泡传感器将调制信号送至 控制器，控制器将其转变为空气百分比。如果该百分比超过预定水平， 使用者可被通知。适合的气泡传感器可是光感的或者电容的，并且具 有二进制输出(通与断)，从而通和断的数量可被计数并且随着时间 的推移被转变为流体气穴中的空气百分比。
图25A和25B示出了没有气泡收集区域的阀设计。流体通过阀的入 口进入接着与上升到顶部的所有气泡一起直流。流动路径的其余部分 是类型直径路径，并且所有传感器空穴的细节都在该路径的下方以使 空气不能被收集(常规阀具有产生气体不能逸出的空穴的特征)。与 前面的实施例相比，该设计还取消了三个部件，包括流体隔膜、阀盖 和按钮，以降低装配成本、部件成本和复杂性。两个重要的流体密封 位置也被取消，包括隔膜舌和沟槽密封之一以及两个流体隔膜之间的 干涉配合。
该阀通过在流体隔膜401和气动隔膜402之间施加气动压力起作用 以克服偏压关闭的阀的预加载的压缩弹簧驱动阀打开。由于气动隔膜 402大于流体隔膜401并且利用螺钉403和按钮404使得两个隔膜相互约 束，压力将在气动隔膜402上产生较大的载荷并且强迫阀打开。通过倒 刺配件405 (图25B)和管道(例如，聚乙烯)406提供压力。利用O形 圏407和所示的气动隔膜舌和沟槽密封气动压力腔410。利用0形圏412 密封传感器411和利用传感器盖413固定传感器411。
在另一个实施例中，为了减小卯度回转，该设计可如图26所示被 变型，其中传感器腔被移动到阀的一侧。偏移的流动路径取消回转， 并且取消未扫过区域。由于在气动侧没有O形圏，该阀具有低滞后，并 且相互优化隔膜的设计和尺寸设定。由于提升阀设计，也可达到极好 的线性；在其工作过程中流体流速基本上与施加在阀上的压力成正 比。
图28A和28B示出了流体控制阀的另一个实施例，其中O形圈使得 流体隔膜与气动隔膜分离。这防止在两个隔膜上过大加载，两个隔膜 上过大加载将导致较低的阀寿命期待。在没有空气被收集的高点的情 况下保持流体控制阀的流动路径(在该传感器密封在流体控制阀体的 侧面上的情况下可收集的微量除外)。流体控制阀的流动路径被设计 有一个流体隔膜并且在阀内没有高点(不包括压力传感器密封方法) 在空气可正常被收集的流体流动路径中不是直接的。在流体控制阀关 闭并且空气能够减压后，被收集在流体控制阀内的空气可对分配结束
有害。收集在流体控制阀中的空气也会对分配的开始产生不良影响。 收集在流体控制阀中的空气也可有助于附加的空气被溶解在流体中或 者可在晶片上产生缺陷的微气泡形成。
该阀通过在气动隔膜402'和气动密封O形圈415'之间在气动腔410' 上施加气动压力起作用，以克服偏压关闭的阀的预加载的压缩弹簧800' 驱动阀打开。施加在气动隔膜402'的表面区域上的压力使其偏斜，还迫 使流体隔膜401'偏斜并且当利用螺钉403'和按钮404'被限制在气动隔膜 402'上时打开。气动密封O形圈415'通过不使任何气动压力到达流体隔 膜来防止气动压力在两个隔膜上产生过大的载荷。压力通过倒刺配件 405'和适合的管道被提供。传感器腔500可位于阀密封的上方。该设计 防止空气被收集在流体腔、入口通道、出口通道和传感器腔的通道以 及传感器腔(如果存在的话)中。流体输入通道与阀流体腔90'的内径 相切，这是由于切向流动防止未扫过区域。所有高点在流体路径内， 或者不高于流体路径。不提供尖的流动路径的角部。流体流动平緩。
其各种设计和灵活性提供具有阀的传感器的多种组合的模块式组 件并且提供各种构造，能够使阀、检测装置、流量计、流动控制器、 压力控制器和温度控制器形成。这样，图20示出了包括第一阀300、第 二阀300'和与摩擦流动元件15流通的第一和第二传感器310、 310'的堆 叠的流动控制器和开/关阀组件。图21示出了四个检测装置310、 310'、 320和320'的堆叠组件。图22示出了一种流动控制器和流量计组件。
图24A、 24B示出了用于流动控制器的模制阀设计的另一个实施 例，所述模制阀能够通过位于该装置的底部上的三个端口与LHVD (低 容纳量)型过滤器配合。端口610是过滤器的排气口，端口612是过滤 器的入口，以及端口614是过滤器的出口。
根据本发明的另一个实施例，可使用一种阀辅助功能。在使用螺 线管的常规阀中，可使用针阀改变施加在每一个阀上的压力变化，通 常緩慢消散压力。通过在该程序的停止部分中减小施加在阀的反吸部 分上的变化速度，反吸阀有助于截止阀。根据本发明，如图29中所示， 在控制阀(截止阀)关闭时间中，如图中所示，反吸阀压力可被减小 以帮助控制阀。在控制阀关闭时间结束后，在反吸阀的压力保持恒定 的地方提供反吸延迟。在该预定延迟后，施加在反吸阀上的压力再次 减小直至反吸阀压力达到预定水平，使得反吸阀返回其正常或者静止
位置。该程序有助于防止液滴从喷嘴掉出。在另一个实施例中，反吸 辅助作用可被延迟以在控制阀作用后的一段时间启动，或者可^皮缩短 以使反吸阀的作用仅发生在控制阀的停止作用的开始阶段。尽管上述 内容用于致动方法，但它落入使用任何阀致动方法的本发明的范围 内，诸如马达。 示例l
该系统被设置以使已知的压差和固定的分配时间可被输入到控制 器，并且随后分配可从膝上型计算机被触发。形成的输出的去离子水 流被收集在容器中并且利用精密秤称重以确定其质量。利用与流体材 料的已知密度结合的每一个分配质量，每一次分配的体积被计算。被 分配的体积与已知分配时间结合导致流动速度的确定。五个不同的粘
性被检查，范围在0.92到9.5厘泊之间。图10中以图表的形式示出了所 述结果。 示例2
对于滞后测试三种不同的阀，包括两种市售的阀，以及图8A-8D 中所示的本发明的阀。阀的致动压力上下变化并且测试系统内的压力 在阀致动压力范围内上下逐步测量并且绘制为电压。特别是，测试机 构是阀的关闭系统和下游压力传感器，阀在恒定压力下，当阀通过其 关闭范围移动到完全打开并且再次回到关闭时，压力传感器监测阀下 游的压力变化。
结果以曲线图的形式示出在图9A、 9B和9C中。在每一组中，距离 右边最远的曲线表示压力从低变到高的数据，靠左的曲线是压力从高 变到低的结果。曲线之间的差表示滞后量。这样，当在致动压力的步 骤中压力上下变化时，如果没有滞后，两个曲线将精确地叠加。图9C 示出了本发明具有远小于市售阀的滞后。
示例3
该示例说明了测量和控制液体流以能够输送不连续的用于化学机 械平面化衬底处理的流体量的本发明的一个实施例。特别是，该示例 证明本发明的一个实施例如何可用于测量和控制液体流以能够将不连 续的抛光流体量输送到衬底。
化学机械抛光用于光学透镜的制造。化学机械平面化用于半导体 装置的制造。抛光流体可是酸性的或者碱性的并且可包含诸如硅石或
者氧化铝的磨料。用于抛光二氧化硅的流体包括在氢氧化钟水溶液中
的硅石浆；用于抛光铜金属的流体包括诸如过氧化氢的氧化剂、诸如 苯并三唑的抑制剂和诸如醋酸的有机酸的水溶液。
本发明的实施例的入口与装有抛光流体的加压或者重力供给容器 相连。流动装置出口与抛光工具上的孔相连。抛光工具具有利用转动 垫或者带抛光的衬底。衬底与抛光垫接触，抛光垫随同抛光流体的化 学作用一起从衬底上去除材料。抛光流体通过喷嘴被输送到工具上的 衬底；利用流动装置及其电子器件控制抛光流体流到喷嘴。流动装置 的电子器件可与工具控制器相连以能够使工具控制抛光流体分配到衬 底上的时限。该工具也可包含抛光终点检测器，抛光终点检测器也可 用于控制抛光流体输送到衬底上的时限。流动装置的电子器件中的信 号处理器消除了抛光流体体积的变化和输送速度，这是由于装有抛光 流体的加压容器中的压力变化而造成的。与蠕动泵相比，抛光流体以 恒定的速度输送。结果是，抛光液体到衬底的可控制量和输送速度， 从而使得化学浪费达到最小并且导致更均匀的和可重复的衬底抛光。
示例4
该示例说明了本发明的 一 个实施例用于测量和控制流体流以使不 连续的液体前体量可被输送到用于形成气体的蒸发器中。特别是，该 示例证明本发明的一个实施例如何可用于测量和控制液体前体流到蒸 发器。
液体前体是在用于形成气体的蒸发器中被加热的化学物质。气体 接着被输送到反应室中的加热衬底上，气体在反应室中进一步分解并 且在衬底上反应。该气体可用于形成在衬底上的金属薄膜、半导体或 者电介质(化学气相沉积或者原子层化学气相沉积方法)，它可用于 对衬底表面的蚀刻，或者它可用于干燥衬底。液体前体可是诸如水、2-丙醇或者四乙基原硅酸酯、TEOS的纯液体。液体前体也可包含溶解在 诸如四氢呋喃的溶剂中的固体，诸如锶-二叔戊酰甲烷，Sr(DPM)2。 一些液体前体，诸如铜 (I) ( hexafluoropentanedionate vinyltrimethylsilane ) ， ( VTMS ) Cu ( hfac )，是热敏的并且可被用 于一些液体流量计中的热传感器分解。液体前体通常以每分钟O.l克至 每分钟50克的速度被输送到蒸发器。薄膜在诸如透镜和光纤的光学装 置的涂层中是重要的。薄膜和薄膜蚀刻对与平板、微处理器和存储器
的制造也是重要的。
本发明的一种流动装置的一个实施例在其入口处与液体前体的加 压源相连。流动装置的出口与蒸发器相连。用于流动装置的阀可在蒸 发器的上游或者下游。蒸发器的出口与工具的处理室相连，工具的处 理室装有将被蒸气处理的衬底。对于需要多种前体的处理，可使用多 个流动装置。流动装置的电子器件可与工具的控制器相连。这使得工 具远程控制从加压源通过流量计并且进入被加热的蒸发器的液体流。
用于化学气相沉积方法的蒸发器的示例包括加热的金属玻璃料、加热 的金属网、加热的阀和加热的管道。
在装有液体前体的容器中的压力变化可导致流到蒸发器的液体流 的变化。液体前体在热流动元件中的热分解可导致流到蒸发器的不精 确液体流。对于蒸发器的不良流动控制可导致液体的不完全汽化，这 是由于蒸发器饱和导致的。不完全汽化将导致液体液滴进入处理腔并 且在衬底上形成缺陷。实施本发明的实施例的结果是取消热流动元件 控制前体流并且形成流到蒸发器的可重复的并且控制的液体流并且不 受上游压力波动的影响。
示例5
该示例说明了本发明的 一个实施例用于测量和控制流体流以使流 体输送到用于化学镀的衬底。特别是，该示例证明本发明的一个实施 例如何可用于测量和控制流体流以将一系列化学物质分配到衬底上从 而在镀敷过程中形成金属薄膜。这样一种工艺消除了池镀工艺常用的 化学物质的抽出。
用于镀敷的金属或者金属合金溶液包括，但不限于，银、铜、铂、 钯、金和锡。通常需要催化剂使得衬底相对于镀敷溶液的活化。这些 催化剂包括胶质钯、石墨、锡-钯胶和诸如聚吡咯的导电聚合物。在这 些催化剂和镀敷溶液中的贵金属是昂贵的并且在镀敷过程中需要使浪 费达到最小以使得镀敷方法成本有效。在这些溶液中的金属是有毒的 并且在镀敷过程中需要使浪费达到最小以减小环境排放以及废料处理 和处理费用。
对于用于镀敷方法中的每一种化学物质，本发明的一个实施例在 入口处与加压的、泵供给或者重力供给的化学物质源相连。本发明的 实施例的出口在其出口处与用于将每一种化学物质输送到衬底的喷嘴
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相连。在输送到衬底之前利用热交换器、冷却器或者电阻加热器元件 使得溶液的温度降低或者升高。例如，可利用第一流动装置使得衬底 与包含胶质钯的活化剂溶液接触、利用笫二流动装置用水清洗衬底、 利用第三流动装置使得被催化的衬底与盐酸活化溶液接触、利用第四 流动装置使得衬底与一定量的包含二价铜离子源、诸如甲醛的还原
剂、诸如EDTA的络合剂和诸如氢氧化钟的碱的铜溶液接触，利用一种 化学镀的方法使得铜金属被沉积在衬底上。利用来自于第二流动装置 的水清洗衬底。
流动装置的电子器件可与镀敷工具的控制器相连以调节液体流过 每一个流动装置的时限、持续时间和顺序。结果是在该方法中对于每
一步将每一种化学物质的测量体积快速和精确的输送到衬底。通过仅 将足以保证充分反应的化学物质输送到衬底上可使得化学物质的浪费
和材料成本达到最小。由于化学物质抽出而导致的衬底的污染被降 低。该方法的总输出增加，这是由于流动元件和阀的快速动作以减小 循环时间。 示例6
该示例说明了本发明的一个实施例用于测量和控制流体流以 <吏流 体输送到衬底以形成保形涂层。特别是，该示例证明本发明的一个实 施例如何可用于测量和控制流体流到衬底上以能够利用液体材料精确 地涂覆衬底。
利用旋涂方法使得电介质材料、光致抗蚀剂、防反射涂层、聚酰 亚胺、诸如hexamethyldisilazane的粘接促进剂、铁电材料和溶胶凝胶 通常以液体或者浆液的形式沉积在衬底上。这样的材料被固定的或者 可移动的喷嘴输送到静止的或者緩慢转动的衬底。在材料已经^L输送 到衬底上后，它以100至5000rpm的高速转动以利用液体金属的薄膜均 匀地涂覆衬底。许多这样的材料是昂贵的并且使得它们在涂覆过程中 的使用量和浪费是重要的。可重复的涂层需要被输送到衬底的材料的 恒定体积。
本发明的流动装置的一个实施例的入口与装有涂覆流体的加压或 者重力供给容器相连。流动装置出口与在涂覆工具上的喷嘴相连。涂 覆工具具有安装在转动卡盘上的衬底。涂覆流体通过喷嘴被输送到衬 底上；利用流动装置及其阀控制涂覆流体到喷嘴的流动。流动装置的
电子器件可与工具控制器相连以能够使该工具控制涂覆流体流到衬底 上的时限和速度。通过与流动装置电连通，涂覆工具可改变作为喷嘴 位置和衬底转速的函数的流体流到衬底上的速度以达到所需的涂覆。 流动装置的信号处理器消除了由于装有涂覆流体的容器中的压力变化 而导致的涂覆流体体积和输送速度的变化。结果是可控制量的涂覆流 体被输送到衬底。该结果使得化学浪费达到最小并且使得这样的衬底 的涂覆更均匀和可重复的。
示例7
该示例说明了本发明的 一 个实施例用于测量和控制流体流以使流 体输送到衬底以与衬底反应。特别是，该示例证明本发明的一个实施 例如何可用于测量和控制反应性的流体流到衬底上。这样的反应性液 体的示例包括，但不限于，正或者负光致抗蚀显影剂、光致抗蚀剥离 剂、诸如氢氟酸的酸、诸如臭氧去离子水的氧化剂或者诸如过氧乙酸 的蚀刻剂。
本发明的流动装置的一个实施例的入口与装有反应性流体的加压 或者重力供给容器相连。流动装置出口与工具上的注口或者喷嘴相 连。反应性流体通过喷嘴被输送到工具上的衬底；反应性流体流到工 具上的喷嘴受到流动装置及其阀的控制。流动装置的电子器件可与工 具控制器相连以能够使该工具控制涂覆流体流到衬底上的时限和速 度。流动装置的电子器件可通过工具的控制器与反应终点检测器相 连，从而当反应终点被接近或者达到时降低反应性流体的流速或者停 止流动。蚀刻剂方法的 一 个示例是利用过氧乙酸从镀敷的晶片边缘去 除铜。结果是可控制体积的反应性流体输送到衬底并且利用本发明的 一个实施例精确控制方法终点。
示例8
该示例示出了本发明的 一 个实施例与化学传感器结合使用以测量 和控制液体流动和组分。特别是，该示例证明本发明的一个实施例如 何可与一个或者多个化学传感器结合以能够控制流体流和流体组分。
在需要这样的控制的应用包括，但不限于，镀敷池、RCA清洁池、臭 氧水池和氢氟酸池。这样的传感器和本发明的一个实施例的结合的其 他应用包括保持化学池的纯度。例如，再循环池中的杂质的堆积，诸 如颗粒、有机材料或者金属离子，可需要池被周期性地放出被污染的
流体和用等量的未污染的流体代替。或者，该池可被切换到纯化器或 者颗粒过滤器以去除杂质同时保持恒定的流速以保护当前的工艺和产 品 直至污染被去除。
溶解在去离子水中的臭氧用于从各种衬底的表面去除有机材料。 臭氧发生器输出气体浓度和水流速的波动导致被溶解的臭氧浓度中的 变化。这样的溶解臭氧浓度变化导致利用臭氧水使得衬底表面氧化所 需的时间变化并且导致不 一致的方法结果和清洁时间。
为了保持在溢流清洁池中的被溶解的臭氧的浓度，本发明的一个 实施例在其入口处与去离子水的源相连和在其出口处与气体接触器相 连。气体接触器是能够将气体溶解在液体中的质量转换装置。这样的
装置的示例和它们操作的i兌明可从W. L. Gore， Elkton， MD， and Mykrolis Corporation, Bedford, MA获得。来自于臭氧发生器的臭氧气 体被输送到气体接触器的壳侧，在那里它溶解在流过气体接触器的管 的去离子水中。溶解在水中的浓缩臭氧被与气体接触器的流体出口相 连的溶解臭氧浓度监测器测量，溶解臭氧浓度监测器可从IN USA， Needham， MA获得。来自于溶解臭氧浓度监测器的输出信号用作进入 本发明的流动装置的电子器件中的输入信号。本发明的电子器件将在 预设的限度内改变通过气体接触器的水的流速，以使得溶解的臭氧的 浓度保持在预定的浓度范围内。例如，如果从臭氧发生器输出的臭氧 气体的浓度降低，那么可利用流动装置降低通过气体接触器的水流以 保持溶解的臭氧的浓度。
或者，本发明的流动装置的电子器件可通过适合的方式改变臭氧 发生器气体流速或者功率水平同时保持通过气体接触器的固定水流 速，而与流动装置上游的水压无关。例如，如果溶解臭氧的浓度超过 预定阈值同时水流是恒定，发生器的过滤可被降低以使得溶解臭氧的 浓度回降至其适合的水平。
结果是利用本发明的实施例控制恒定的组分的化学混合物的制备 和输送到衬底。
示例9
该示例说明本发明的 一个实施例用于测量和控制流体流动以允许 有机液体的低体积流的输送控制。
内径为0.058英寸和14圏的40英寸长的PFA管用作压力降元件。输
入流体、2-丙醇的温度大约为23摄氏度并且来自于以每平方英寸20磅加 压的源容器。2-丙醇流速由控制器设定点(SO)确定并且阀时限由外 部计算机控制。利用本发明的一个实施例输送的2-丙醇的质量在Ohaus Analytical Phis Balance上测量并且利用种的RS232的端口使得质量被 记录为第二计算机上的时间的函数。2-丙醇质量相对于时间的曲线图被 示出在图ll中。图ll中还示出了每一个分配段的最佳拟合线；每一个 段的最佳拟合线中的限度是2-丙醇的流速，用每秒克表示。结果显示一 个流动系统能够以每秒0.0083克(每分钟0.16克)至每秒0.49克(每分 钟9.6克)的流速输送液体。这样一个流动系统能够以适用于化学气相 沉积方法的流速控制液体。
权利要求
1.一种比例流体控制阀，其包括流体入口；与所述流体入口流通的第一环形腔，与所述第一环形腔流通的环形流体通道，与所述环形流体通道流通的第二环形腔；以及与所述第二环形腔流通的流体出口。
2. 如权利要求l所述的比例流体控制阀，其特征在于，还包括与 气动入口流通的气动腔以及在所述第一环形腔中的至少一个隔膜，从述阀。
3. 如权利要求2所述的比例流体控制阀，其特征在于，还包括被 偏压在所述隔膜上并且使得所述阀保持常闭位置直至所述偏压被所述 气动压力克服的弹簧。
4. 如权利要求l所述的比例流体控制阀，其特征在于，还包括 与所述流体出口流通的第一传感器外壳，所述第一传感器外壳具有传 感器外壳流体出口；与所述传感器外壳流体出口流通的第二传感器外 壳。
5. 如权利要求4所述的比例流体控制阀，其特征在于，所述第一 环形腔、第二环形腔、第一传感器外壳和所迷第二传感器外壳是一个 整体模制部件。
6. 如权利要求4所述的比例流体控制阀，其特征在于，还包括在 所述第一传感器外壳和所述第二传感器外壳之间的摩擦流动元件。
7. 如权利要求l所述的比例流体控制阀，其特征在于，所述流体 入口限定第一水平面，所述流体出口限定笫二水平面，所述第一和第 二水平面不相交。
8. —种堆叠的阀组件，其包括第一比例流体控制阀，所述第一 比例流体控制阀包括第 一流体入口 、与所述第 一流体入口流通的笫一 环形腔、与所述第一环形腔流通的第一环形流体通道、与所述第一环 形流体通道流通的第二环形腔、与所述第二环形腔流通的第一流体出 口、与所述第一流体出口流通的第一传感器外壳、所述第一传感器外 壳具有第一传感器外壳流体出口、与所述第一传感器外壳流体出口流 通的第二传感器外壳；以及与所述第一比例流体控制阀垂直对准的第 二比例流体控制阀，并且所述第二比例流体控制阀包括第二流体入口、与所述第二流体入口流通的第二环形腔、与所述第二环形腔流通 的第三环形流体通道、与所述第二环形流体通道流通的第四环形腔、 与所述第四环形腔流通的第二流体出口、与所述第二流体出口流通的 第三传感器外壳、所述第三传感器外壳具有第三传感器外壳流体出 口、与所述第三传感器外壳流体出口流通的第四传感器外壳，其特征 在于，所述第一和第二传感器外壳分别与所述第三和第四传感器外壳 垂直对准。
9. 如权利要求8所述的堆叠的阀组件，其特征在于，还包括在所 述第一和第二传感器外壳之间的第一限流元件和在所述第三和第四传 感器外壳之间的第二限流元件。
10. —种阀，包括具有气动腔的阀壳；在所述气动腔中的适于 在压力施加在所述气动腔上后偏斜的气动隔膜；第一阀腔；在所迷第 一阀腔中的第一隔膜；第二阀腔；在所述第二阀腔中第二隔膜；以及 偏压所述第二隔膜以防止所述第一阀腔和第二阀腔之间的流通直至所 述偏压由所述压力施加而克月艮。
11. 如权利要求10所述阀，其特征在于，所述第一和第二阀腔是 环形的，并且所述第一腔与线性流体输入路径流通，所述第二环形腔 与线性流体输出路径流通。
12. 如权利要求ll所述阀，其特征在于，还包括在所述线性流体 输入路径中的压力传感器。
13. 如权利要求ll所述阀，其特征在于，流体从所述流体输入路 径进入所述第一环形腔并且保持在其中直至施加在所述气动隔膜上的 气动压力克服所述弹簧的偏压。
14. 如权利要求ll所述阀，其特征在于，所述第一流体输入路径 限定笫一水平面，所述流体输出路径限定第二水平面，并且所述第一 和第二平面不相交。
15. —种阀，其包括具有气动腔的阀壳；在所述气动腔中的适 于在压力施加在所述气动腔上后偏斜的气动隔膜；阀腔；在所述阀腔 中的阀隔膜，所述阀隔膜被固定在所述气动隔膜上；以及偏压所述气 动隔膜和所迷阀隔膜以防止流体从所述阀腔中流出直至所述偏压被所 述压力施加克服。
16. 如权利要求15所述的阀，其特征在于，还包括传感器腔。
17. 如权利要求16所述的阀，其特征在于，所述传感器腔位于所 述阀隔膜密封的位置处的上方。
18. 如权利要求15所述的阀，其特征在于，还包括与所述阀腔相 切的流体入口 。
19. 如权利要求15所述的阀，其特征在于，所述阀腔与流体入口 和流体出口流通，所述流体入口限定第一水平面，所述流体出口限定 第二水平面，并且所述第一和第二水平面不相交。
20. —种装置，其包括储存在所述计算机可读存储器上并且可由 一个或多个处理器执行的一组计算机可读指令，这组计算机可读指令 包括用于接收上游压力信号、接收下游压力信号、计算误差信号、根 据与所述阀相关的阀增益曲线为特定阀确定阀增益、并且根据上游压 力信号、下游压力信号、误差信号和阀增益计算阀控制信号的可执行 指令，其中所述阀增益根据所述特定阀的位置改变。
21. 如权利要求20所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指和下游压力信号的可执行的指令。
22. 如权利要求20所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指 令还包括根据用于上游压力信号和下游压力信号的比例值、积分值和 微分值计算误差信号的可执行的指令。
23. 如权利要求20所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指 令还包括在误差信号上增加误差增益的可执行的指令。
24. 如权利要求20所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指 令还包括基于一组过去的位置值适当调节阀控制信号的可执行的指 令。
25. 如权利要求20所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指 令还包括将阀控制信号转变为模拟阀驱动信号以及连通阀驱动信号以 驱动所述气动比例控制阀的可执行的指令。
26. —种装置，其包括储存在所述计算机可读存储器上并且可由 一个或多个处理器执行的一组计算机可读指令，这组计算机可读指令 包括用于接收上游压力信号、接收下游压力信号、根据用于上游压力 信号和下游压力信号的比例值、积分值和微分值计算误差信号、将误 差增益加到误差信号、根据与所述阀相关的阀增益曲线为特定阀确定 阀增益、根据上游压力信号、下游压力信号、误差信号和阀增益计算 阀控制信号、根据一组过去位置值适当地调节阀控制信号的可执行指 令，其中所述闹增益根据所述特定阀的位置改变。
27. —种流体流动控制设备，其包括具有流体入口和流体出口的比例流体控制阀；动比例控制阀；摩擦流动元件，所述摩擦流动元件具有与所述比例流体控制阀的 所述流体出口连通的摩擦流动元件流体入口和与所述摩擦流动元件流 体入口间隔的摩擦流动元件流体出口，所述摩擦流动元件在所述摩擦 流动元件流体入口和所述摩擦流动元件流体出口之间产生压力降；上游压力传感器；下游压力传感器；与所述上游压力传感器、所述下游压力传感器和所述气动比例控 制阀连通的控制器，所述控制器还包括 一个或者多个处理器； 计算机可读存储器；以及被储存在所述计算机可读存储器上并且可由一个或多个处理器执 行的一组计算机可读指令，这组计算机可读指令包括用于接收上游压 力信号、接收下游压力信号、计算误差信号以及根据上游压力信号、 下游压力信号和误差信号计算阀控制信号的可执行指令。
28. 如权利要求27所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指和下游压力信号的可执行的指令。
29. 如权利要求27所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指 令还包括根据用于上游压力信号和下游压力信号的比例值、积分值和 微分值计算误差信号的可执行的指令。
30. 如权利要求29所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指 令还包括在误差信号上增加误差增益的可执行的指令。
31. 如权利要求27所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指 令还包括将一个或者多个阀增益曲线保留在存储器中、基于与该阀相 关的阀增益曲线确定用于特定阀的阀增益以及当计算阀控制信号时考 虑阀增益的可执行的指令。
32. 如权利要求27所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指 令还包括基于一组过去的位置值适当调节阀控制信号的可执行的指 令。
33. 权利要求27所述的设备，其特征在于，该组计算机可读指令 还包括将阀控制信号转变为模拟阀驱动信号以及连通阀驱动信号以驱 动所述气动比例控制阀的可执行的指令。
全文摘要
本发明涉及一种用于(优选为数字地)监测和/或控制施加于气动载荷(诸如比例流体控制阀)的压力并且使用来自于流体测量装置的响应于流率的测量输入的设备和控制系统。所述液体测量输入用于控制施加于气动载荷的压力以使得气动载荷可增加或减小(以便于按比例地打开或关闭气动阀)，从而将流体的流率改变为期望流率。气动载荷也可被调节(以便于按比例地打开或关闭气动阀)从而适应流体的温度和粘性的变化。
文档编号G05B15/02GK101109470SQ200710141379
公开日2008年1月23日 申请日期2003年7月18日 优先权日2002年7月19日
发明者G·贡内拉, I·加什盖, J·马尔斯, M·拉弗迪尔, R·F·麦克罗林 申请人:诚实公司