專利名稱：遠(yuǎn)程區(qū)域中的壓力調(diào)節(jié)的制作方法
^E域中的勵(lì)調(diào)節(jié)
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)是以下美國(guó)專利申請(qǐng)的部分延續(xù)并且要求該專利申請(qǐng)的優(yōu)先
權(quán)2004年3月9日提交的共同待決的申請(qǐng)序列號(hào)No.10/796,723 (代理人 案號(hào)MKS-136)，標(biāo)題為"System and Method for Controlling Pressure in Remote Zones"。該共同待決的申請(qǐng)序列號(hào)No.l(V796，723被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的 受讓人。
背景技術(shù)：
在一些操作中，可能需要對(duì)遠(yuǎn)程區(qū)域內(nèi)的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如， 一些 機(jī)器和裝置可能包括在該裝置運(yùn)行期間被增壓或抽空的腔。這樣機(jī)器的例 子包括化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)(CMP)，但不限于此。
測(cè)量腔內(nèi)的壓力傳感器只能對(duì)測(cè)量腔內(nèi)部的壓力進(jìn)行測(cè)量，而不能對(duì) 相對(duì)于該傳感器遠(yuǎn)程配置的區(qū)域內(nèi)的壓力進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果，那些只使用位 于測(cè)量腔內(nèi)的壓力傳感器來(lái)進(jìn)行壓力測(cè)量的壓力控制系統(tǒng)不得不假定測(cè)量 腔內(nèi)的壓力等于遠(yuǎn)程區(qū)域中的壓力。然而，測(cè)量腔內(nèi)的壓力往往不等于區(qū) 域壓力。例如，當(dāng)在測(cè)量腔內(nèi)出現(xiàn)局部壓力瞬態(tài)時(shí)，測(cè)量腔內(nèi)的壓力可能 不等于區(qū)域壓力。這可能導(dǎo)致該壓力控制系統(tǒng)的性能的顯著退化。
因此，需要一種能夠精確地控制位于遠(yuǎn)程區(qū)域內(nèi)部的壓力的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于對(duì)區(qū)域內(nèi)的壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)包括壓力傳感器、閥門(mén) 系統(tǒng)、區(qū)域壓力估計(jì)器和控制器。壓力傳感器用于對(duì)可經(jīng)由導(dǎo)管連接至所 述區(qū)域并且遠(yuǎn)離所述區(qū)域的外殼(例如測(cè)量腔)內(nèi)的壓力進(jìn)行測(cè)量。所述 閥門(mén)系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)流體流入和流出外殼并且調(diào)節(jié)流體經(jīng)由導(dǎo)管流入所述區(qū) 域中。所述閥門(mén)系統(tǒng)包括至少一個(gè)用于對(duì)流入所述外殼的流體的輸入流率
(flowrate)進(jìn)行調(diào)節(jié)的入口比例閥、和至少一個(gè)用于對(duì)從所述外殼流出的 流體的輸出流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的出口比例閥。區(qū)域壓力估計(jì)器用于根據(jù)壓力傳 感器測(cè)量的壓力和所述導(dǎo)管的已知特性來(lái)計(jì)算所述區(qū)域內(nèi)的估計(jì)壓力。所 述控制器用于通過(guò)操作所述入口比例閥和所述出口比例閥來(lái)調(diào)節(jié)所述區(qū)域 內(nèi)的壓力，以便根據(jù)所述區(qū)域壓力估計(jì)器估計(jì)的壓力和所述區(qū)域的壓力設(shè) 定點(diǎn)來(lái)控制所述輸入流率和所述輸出流率。
描述了一種通過(guò)控制流體流入和流出每個(gè)外殼i并且控制流體經(jīng)由每個(gè) 導(dǎo)管i流入每個(gè)區(qū)域i來(lái)對(duì)可分別經(jīng)由導(dǎo)管i連接至i個(gè)外殼的i個(gè)區(qū)域中的每一 個(gè)內(nèi)的壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)(i=l,…，N)。所述系統(tǒng)包括壓力測(cè)量系 統(tǒng)、閥門(mén)系統(tǒng)、區(qū)域壓力估計(jì)器和控制器。所述壓力測(cè)量系統(tǒng)用于測(cè)量i個(gè) 外殼中的每一個(gè)內(nèi)的流體的壓力。對(duì)于每個(gè)外殼i，所述閥門(mén)系統(tǒng)包括至少 一個(gè)用于對(duì)流入所述外殼i的流體的輸入流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的入口比例閥、和至 少一個(gè)用于對(duì)從所述外殼i流出的流體的輸出流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的出口比例閥。
區(qū)域壓力估計(jì)器耦合到壓力測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)于每個(gè)區(qū)域i，區(qū)域壓力估計(jì) 器從壓力傳感器系統(tǒng)接收測(cè)量的外殼i內(nèi)的壓力，并且根據(jù)所測(cè)量的外殼i 內(nèi)的壓力和導(dǎo)管i和區(qū)域i的已知特性來(lái)計(jì)算所述區(qū)域i內(nèi)的估計(jì)壓力。所 述控制器用于通過(guò)操作每個(gè)外殼i的入口比例閥和出口比例閥來(lái)控制每個(gè) 區(qū)域i內(nèi)的壓力，以便根據(jù)所述區(qū)域i的壓力設(shè)定點(diǎn)和所述區(qū)域壓力估計(jì)器 估計(jì)的區(qū)域i內(nèi)的壓力來(lái)控制流體流入所述外殼i的所述輸入流率和流體從 所述外殼i流出的所述輸出流率。
描述了一種通過(guò)控制流體流入和流出每個(gè)外殼i并且控制流體經(jīng)由每 個(gè)導(dǎo)管i流入每個(gè)區(qū)域i來(lái)對(duì)可分別經(jīng)由i個(gè)導(dǎo)管連接至i個(gè)外殼的i個(gè)區(qū)域 中的每一個(gè)內(nèi)的壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的方法(i=l，…，N)。所述方法包括測(cè) 量i個(gè)外殼中的每一個(gè)內(nèi)的流體的壓力。所述方法還包括根據(jù)測(cè)量的外殼i 中的壓力和導(dǎo)管i和區(qū)域i的已知特性來(lái)計(jì)算每個(gè)區(qū)域i內(nèi)的估計(jì)壓力。所 述方法還包括對(duì)于每個(gè)區(qū)域i，操作每個(gè)外殼i的入口比例閥和出口比例 閥，以便根據(jù)所述區(qū)域i的壓力設(shè)定點(diǎn)和估計(jì)的所述區(qū)域i內(nèi)的壓力來(lái)控制 流體流入所述外殼i的所述輸入流率和流體從所述外殼i流出的所述輸出流 率，從而根據(jù)壓力設(shè)定點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)所述區(qū)域i內(nèi)的壓力。


圖l的總體功能方框圖示出了一種根據(jù)本公開(kāi)所述的一個(gè)實(shí)施例的壓 力控制系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程區(qū)域中的壓力；以及
圖2更詳細(xì)地示出了在本公開(kāi)中所述的壓力控制系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中 使用的分別可經(jīng)由i個(gè)導(dǎo)管(i=l，， N)連接至i個(gè)外殼的多個(gè)(i個(gè)) 區(qū)域和壓力測(cè)量和流體控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
在本公開(kāi)中，術(shù)語(yǔ)"區(qū)域"意指封閉的體積。描述了一種使用基于觀 測(cè)器的方案來(lái)控制遠(yuǎn)程區(qū)域中的壓力的系統(tǒng)和方法，其中所述基于觀測(cè)器 的方案精確地估計(jì)其壓力被控制的每個(gè)遠(yuǎn)程區(qū)域的壓力。通過(guò)在壓力控制 系統(tǒng)中使用估計(jì)的遠(yuǎn)程區(qū)域的壓力，閉環(huán)控制性能可以得到顯著地提高。 例如，克服了那些出現(xiàn)在測(cè)量腔內(nèi)但沒(méi)有出現(xiàn)在遠(yuǎn)程區(qū)域中的局部壓力瞬 態(tài)。
圖l的功能方框圖示出了一種根據(jù)本公開(kāi)所述的一個(gè)實(shí)施例的壓力控 制系統(tǒng)IOO，其調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程區(qū)域Zi中的壓力(i = l，…，N)。如圖l 所示，所有的區(qū)域Zi由單個(gè)受壓流體源40給料，并且所有的區(qū)域Zi向單個(gè)真 空排出裝置(vacuum exhaust) 30排放。在總體上，壓力控制系統(tǒng)100包括 壓力測(cè)量和流體控制系統(tǒng)110(在圖2中更詳細(xì)地示出)、區(qū)域壓力估計(jì)器120 和控制器130。
壓力控制系統(tǒng)100可以使用區(qū)域壓力估計(jì)器120來(lái)遠(yuǎn)程控制每個(gè)遠(yuǎn)程區(qū) 域Zi中的壓力?；诮?jīng)由導(dǎo)管Fi (圖2所示)連接到區(qū)域Zi的外殼bi (圖2所 示)內(nèi)部的測(cè)量壓力來(lái)估計(jì)遠(yuǎn)程區(qū)域Zi內(nèi)的壓力，并且基于區(qū)域壓力估計(jì)器 120所估計(jì)的壓力來(lái)控制流體流入和流出外殼。典型地，外殼可以是壓力測(cè) 量腔，雖然還可以使用任何能封閉流體的其它類型的封閉體積。
壓力測(cè)量和流體控制系統(tǒng)110可以包括壓力測(cè)量系統(tǒng)和流體控制系統(tǒng)。 IIO中的壓力測(cè)量系統(tǒng)可以包括例如多個(gè)壓力傳感器，每個(gè)壓力傳感器都連 接到外殼，并且用于測(cè)量該外殼內(nèi)部的壓力。IIO中的流體控制系統(tǒng)可以包 括對(duì)流體流入和流出每個(gè)外殼的流率進(jìn)行控制的閥門(mén)系統(tǒng)。
區(qū)域壓力估計(jì)器120可以從壓力測(cè)量系統(tǒng)接收壓力測(cè)量值，并且還可以(例如從用戶、操作員或其他人員)接收系統(tǒng)100的物理參數(shù)，該物理參數(shù) 可以包括例如導(dǎo)管和區(qū)域的已知特性。區(qū)域壓力估計(jì)器120還被配置成使用 壓力測(cè)量值和物理參數(shù)來(lái)計(jì)算并且提供每個(gè)區(qū)域的壓力估計(jì)值，其使用下 面詳細(xì)描述的計(jì)算方法。
控制器130還可以接收每個(gè)遠(yuǎn)程區(qū)域Zi的壓力設(shè)定點(diǎn)，并且可以使用區(qū) 域壓力估計(jì)值(來(lái)自區(qū)域壓力估計(jì)器120)和壓力設(shè)定點(diǎn)來(lái)控制所述流體控 制系統(tǒng)。具體而言，控制器130可以控制所述閥門(mén)系統(tǒng)，使得流入和流出每 個(gè)外殼的流體的流率是這樣的，以至于根據(jù)壓力設(shè)定點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)區(qū)域內(nèi) 的壓力。
在舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，對(duì)于每個(gè)外殼，所述閥門(mén)系統(tǒng)包括至少一個(gè) 用于對(duì)流入所述外殼的流體的輸入流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的入口比例閥、和至少一 個(gè)用于對(duì)從所述外殼流出的流體的輸出流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的出口比例閥。所述 控制器130用于通過(guò)操作所述入口比例閥和所述出口比例阓來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)區(qū) 域內(nèi)的壓力，以便根據(jù)所述區(qū)域壓力估計(jì)器估計(jì)的壓力和壓力設(shè)定點(diǎn)來(lái)控 制所述輸入流率和所述輸出流率。
如圖1示意性所示，控制器130可以向塊110內(nèi)的閥門(mén)系統(tǒng)發(fā)送輸入流量 指令信號(hào)和輸出流量指令信號(hào)(在圖2中更詳細(xì)地描述)，以便分別根據(jù)該 輸入流量指令信號(hào)和該輸出流量指令信號(hào)來(lái)控制輸入流率和輸出流率。在 示例性實(shí)施例中，所述控制器可以用于實(shí)施對(duì)流入和流出每個(gè)外殼的輸入 流率和輸出流率進(jìn)行PI (比例-積分)控制(以下更詳細(xì)地描述)，當(dāng)然還可
以使用其它控制方法。盡管將所述控制系統(tǒng)和方法描述為比例-積分(PI) 型控制系統(tǒng)和方法，但是還可以使用許多其它類型的控制系統(tǒng)和方法，包 括但不限于比例型反饋控制系統(tǒng)和方法、積分型反饋控制系統(tǒng)和方法、比 例-微分(PD)型反饋控制系統(tǒng)和方法、以及比例-積分-微分(PID)型反饋 控制系統(tǒng)和方法。
圖2更加詳細(xì)地示出了多個(gè)(i個(gè))區(qū)域，它們可分別經(jīng)由i個(gè)導(dǎo)管Fi (i =1，， N)連接至i個(gè)外殼bj，通過(guò)控制流體流入和流出每個(gè)外殼i并且控 制流體經(jīng)由每個(gè)導(dǎo)管i流入每個(gè)區(qū)域i來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)區(qū)域i內(nèi)的壓力。圖2還示出 了在本公開(kāi)所述的壓力控制系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中使用的壓力測(cè)量和流體控 制系統(tǒng)。
如圖2所示，圖l中的塊10內(nèi)所示的遠(yuǎn)程區(qū)域Zi分別可經(jīng)由多個(gè)(i個(gè)) 導(dǎo)管Fi連接至多個(gè)(i個(gè))外殼bi (i=l，， N)。壓力測(cè)量和流體控制系統(tǒng) IIO包括多個(gè)(i個(gè))外殼或測(cè)量腔"bi"，這里，i=l N，并且i對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)程 區(qū)域Zi的數(shù)量。每個(gè)測(cè)量腔bi包括一個(gè)用于對(duì)流入bi的流體的輸入流率進(jìn)行 調(diào)節(jié)的入口閥112、和一個(gè)用于對(duì)從bi流出的流體的輸出流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的出 口閥116。每個(gè)測(cè)量腔bj位于流體流動(dòng)線路上，該流體流動(dòng)線路從受壓流體 源40經(jīng)由入口歧管"L"到外殼bi的入口閥112，并且從外殼bj的出口閥116 出來(lái)經(jīng)由節(jié)流器歧管(在圖2中，顯示為"man")到達(dá)真空排出裝置30。壓 力傳感器114 (典型的是變送器)可操作地連接到每個(gè)測(cè)量腔bi，以便測(cè)量 bi內(nèi)的壓力。
如前面所述，所有的區(qū)域Zi由單個(gè)受壓流體源40給料，并且所有的區(qū)域 Zi向單個(gè)真空排出裝置30排放。在一個(gè)實(shí)施例中，節(jié)流器歧管可以是文丘里 歧管，雖然還可以使用其它類型的節(jié)流器。遠(yuǎn)程區(qū)域Zi (在圖2中，顯示在 塊10的內(nèi)部)可以具有剛性壁或柔性壁，并且遠(yuǎn)程區(qū)域Zj可以是耦合的或非 耦合的。具有柔性壁的遠(yuǎn)程區(qū)域可以具有膨脹和收縮的體積。具有柔性壁 的區(qū)域的體積可以相互作用，例如相互擠壓。
各個(gè)區(qū)域Zi之間的耦合可以出現(xiàn)多種形式。由于體積膨脹/收縮以及體 積與體積之間的相互作用，因此在具有柔性壁(因而可以膨脹和收縮)的 區(qū)域上，可以出現(xiàn)體積耦合。例如， 一個(gè)區(qū)域膨脹并擠壓另一個(gè)區(qū)域，從 而增加了第二區(qū)域內(nèi)的壓力，進(jìn)而出現(xiàn)了相互作用。
如果真空壓力水平漂移引起了出口流動(dòng)變化，并且在極端情況下導(dǎo)致 流動(dòng)在堵塞和非堵塞之間變換，那么可能出現(xiàn)在排出裝置處的出口耦合。 這在文丘里泵使高的流量注入到文丘里線路的情形下尤其緊要。在這種情 況下，區(qū)域的壁可以是剛性的或柔性的。
如果一個(gè)區(qū)域中的設(shè)定點(diǎn)被設(shè)定得足夠高，使得非常大的沖入流量進(jìn) 入它的歧管，那么可能出現(xiàn)入口耦合，這導(dǎo)致線路壓力下降，也就是瞬時(shí) 特性。該管線壓力下降可以影響由所述源給料的所有其它區(qū)域。同樣，區(qū) 域的壁可以是剛性的或柔性的。
可以將只具有一個(gè)區(qū)域和若干剛性壁的系統(tǒng)看作是"非耦合的單區(qū)域 系統(tǒng)"?？梢詫⒍鄠€(gè)這樣的剛性區(qū)域看作是"非耦合的多區(qū)域系統(tǒng)"的例子，其中多個(gè)這樣的剛性區(qū)域由獨(dú)立入口給料并且向獨(dú)立的排出裝置排放。可 以將具有可膨脹或收縮的柔性壁的單個(gè)區(qū)域看作是"耦合的單區(qū)域系統(tǒng)"。
圖1和圖2所示的示例性實(shí)施例可以是"耦合的多區(qū)域系統(tǒng)"，其中可以基于 入口、出口和體積耦合來(lái)對(duì)耦合度進(jìn)行量化。
區(qū)域壓力估計(jì)器120可以通過(guò)使用壓力傳感器114的壓力測(cè)量值、每個(gè) 外殼(例如測(cè)量腔)和每個(gè)區(qū)域的物理參數(shù)以及(下文描述的)基于模型 的算法來(lái)估計(jì)每個(gè)區(qū)域Zi的壓力，其中所述基于模型的算法用于精確地估計(jì) 區(qū)域Zi的壓力。作為一個(gè)直接的結(jié)果，使用閉環(huán)中的區(qū)域壓力估計(jì)器120來(lái) 控制區(qū)域Zi內(nèi)的壓力的壓力控制系統(tǒng)可以克服那些出現(xiàn)在測(cè)量腔內(nèi)但沒(méi)有 出現(xiàn)在區(qū)域Zi中的局部壓力瞬態(tài)。這樣，壓力控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制性能可以 得到顯著的提高。
區(qū)域壓力估計(jì)器120可以容易地集成到高級(jí)控制系統(tǒng)中，并且區(qū)域壓力 估計(jì)器120可以對(duì)展現(xiàn)出入口壓力/流量、出口壓力/流量和區(qū)域體積相互作 用的靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)耦合的多個(gè)區(qū)域Zi進(jìn)行補(bǔ)償。區(qū)域壓力估計(jì)器120對(duì)遠(yuǎn)程 區(qū)域Zi的尺寸或體積沒(méi)有限制。區(qū)域壓力估計(jì)器120對(duì)壓力設(shè)定點(diǎn)的不同范 圍有效，并且當(dāng)區(qū)域壓力估計(jì)器120并入到高級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，將確保一致的 瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。
控制算法
控制器130被配置成接收i個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)區(qū)域的壓力設(shè)定點(diǎn)、從區(qū)域 壓力估計(jì)器120接收i個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)區(qū)域的區(qū)域壓力估計(jì)值、以及通過(guò)操 作對(duì)流體流入和流出連接到區(qū)域i的測(cè)量腔的流量進(jìn)行控制的入口比例閥和 出口比例閥來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)區(qū)域中的壓力。
如前面所述，控制器130可以將輸入流量指令信號(hào)發(fā)送到外殼bi的入口 比例閥而將輸出流量指令信號(hào)發(fā)送到外殼bi的出口比例閥，以便分別根據(jù)所 述輸入流量指令信號(hào)和所述輸出流量指令信號(hào)來(lái)控制流入外殼bi的輸入流 率和從外殼bi流出的輸出流率。
如前面所述，對(duì)于一個(gè)或多個(gè)外殼bi，控制器可以實(shí)施對(duì)輸入流率和輸 出流率的PI控制，雖然也可以使用其它類型的比例閥控制。在實(shí)施P啦制時(shí)， 從控制器到外殼bi的入口比例閥的輸入流量指令信號(hào)可以由下式給出 而從控制器到外殼bi的出口比例閥的輸出流量指令信號(hào)可以由下式給
出
<formula>formula see original document page 14</formula>
在上述方程中，gw表示流入外殼i的輸入流率，Q。w，,表示從外殼bi流出 的輸出流率，K/^表示該輸入流率的比例增益，幽表示該輸入流率的積分增 益，W。W表示該輸出流率的比例增益，K/。W表示該輸出流率的積分增益，
表示區(qū)域z,內(nèi)的估計(jì)壓力，尸,表示從一個(gè)壓力設(shè)定點(diǎn)到另一個(gè)壓力設(shè)定點(diǎn)的
期望的壓力軌跡，Pt-Pzj表示跟蹤誤差?？梢允褂么罅考夹g(shù)來(lái)構(gòu)造壓力軌跡
A，包括但不限于多項(xiàng)式和初階或高階微分方程的解。
盡管在本公開(kāi)的特定實(shí)施例中說(shuō)明和描述了PI型控制系統(tǒng)和方法，但是 應(yīng)該意識(shí)到本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到許多變化和修改，例如包括基于模型 的前饋?lái)?xiàng)。因此，所附的權(quán)利要求旨在覆蓋那些落入本公開(kāi)真正精神和范 圍內(nèi)的所有變化和修改。
下面對(duì)操作區(qū)域壓力估計(jì)器120來(lái)估計(jì)每個(gè)區(qū)域中的壓力的基于模型
的計(jì)算方法的一個(gè)例子進(jìn)行描述。如下所述，這種基于模型的計(jì)算方法可
以基于測(cè)量腔的動(dòng)態(tài)特性，也可以基于遠(yuǎn)程區(qū)域Zi的動(dòng)態(tài)特性和體積耦合。
測(cè)量腔的動(dòng)態(tài)特性
每個(gè)測(cè)量bi內(nèi)部的有效壓力被定義為
<formula>formula see original document page 14</formula>
其中A,是測(cè)量腔中的壓力傳感器114測(cè)量的第Z個(gè)區(qū)域的壓力，P^是標(biāo) 準(zhǔn)溫度和壓力(STP)條件下的壓力，Q,"，,表示輸入流量，而0。,,和込,,表示 輸出流量。具體地，Q。，,是從第z'個(gè)測(cè)量腔b,到文丘里歧管的流量，込.,是流向 第z'個(gè)區(qū)域的流量。在(1)中，K6，,表示第/個(gè)區(qū)域的測(cè)量腔b,的體積。
流向節(jié)流器或文丘里歧管"man"的輸出流量可以被表示為
<formula>formula see original document page 14</formula>
其中《—,表示測(cè)量腔中的用于向文丘里歧管給料的固定孔Q的直徑，
Pman表示連接到真空排出裝置30的文丘里歧管內(nèi)的壓力。取決于固定孔口的 壓力差，經(jīng)由孔口的流動(dòng)可能是堵塞的或非堵塞的。
區(qū)域的動(dòng)態(tài)特性和體積耦合
流向每個(gè)區(qū)域Zi的流量可以由下面的動(dòng)態(tài)方程來(lái)描述(從納維-斯托克 斯方程導(dǎo)出)
,-(^-:)C,勿-1 V/ = 1，2"..，AT (3) & r由
其中QzJ和Pz^i分別表示第i個(gè)區(qū)域內(nèi)的入口流量和壓力，Ctube，i和T tube,i是 與將測(cè)量腔bi連接到區(qū)域Zi的導(dǎo)管Fi相關(guān)的常數(shù)。具體而言，Ctube,i代表導(dǎo)管
Fi的傳導(dǎo)性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位是[(mVs)/(s-Pa)]，而t tube，i代表穿過(guò)該導(dǎo)管的流
量平衡時(shí)間常數(shù)，同樣是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位。
每個(gè)區(qū)域Zi內(nèi)的壓力動(dòng)態(tài)特性可以如下描述
<formula>formula see original document page 15</formula> (4)
其中每個(gè)區(qū)域Zi的體積由V&表示，并且由多個(gè)區(qū)域Zj之間的耦合所弓
起的動(dòng)態(tài)體積相互作用在數(shù)學(xué)上可以用下式描述
<formula>formula see original document page 15</formula>其中R。,是標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)條件下的每個(gè)區(qū)域的初始體積，^是 體積膨脹/收縮時(shí)間常數(shù)，^代表膨脹/收縮系數(shù)，^代表區(qū)域i和區(qū)域j之間 的耦合系數(shù)。假定質(zhì)量/慣性影響是可以忽略不計(jì)的。
區(qū)域壓力估計(jì)器
如前面所介紹的那樣，控制器130的控制目標(biāo)是調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程區(qū)域Zi內(nèi)的壓 力。然而，bi的壓力傳感器114被容納在測(cè)量腔bi內(nèi)，而不是在區(qū)域Zi內(nèi)。如 圖2所示，測(cè)量腔bi是通過(guò)導(dǎo)管Fi與遠(yuǎn)程區(qū)域Z腐開(kāi)的。
可以以許多方式來(lái)發(fā)展壓力控制算法的基于觀測(cè)器的模型。例如，在 上面的方程中，可以使用流量傳感器(例如，風(fēng)速計(jì)、基于熱的傳感器、 基于壓力的傳感器等)來(lái)確定流量Qw另一種方式可以是通過(guò)以離散形式
重寫(xiě)區(qū)域流量方程來(lái)推導(dǎo)中間流量觀測(cè)器:
<formula>formula see original document page 16</formula>其中^:)表示流到第i個(gè)區(qū)域的流量估計(jì)值的第n個(gè)采樣，Pb是由流動(dòng)線 路壓力傳感器114測(cè)量的壓力。
然后，可以得到(5)中的表示式的離散解，如下所示
<formula>formula see original document page 16</formula>(8)
其中《;)表示第i個(gè)區(qū)域的壓力估計(jì)值的第n個(gè)采樣，《？是從(6)中定
義的流量估計(jì)值中獲得的，或者在可得到時(shí)，《y可以由直接的流量測(cè)量值
Qz來(lái)替代，并且《(，;)是從(7)中獲得的。
總之，描述了一種通過(guò)對(duì)壓力被控制的遠(yuǎn)程區(qū)域的壓力進(jìn)行精確估計(jì) 來(lái)控制遠(yuǎn)程區(qū)域中的壓力的系統(tǒng)和方法?？梢栽诟鞣N應(yīng)用中，使用上述的 壓力控制系統(tǒng)和方法，包括但不限于CMP機(jī)。
盡管已經(jīng)對(duì)用于控制遠(yuǎn)程區(qū)域中的壓力的系統(tǒng)和方法的特定實(shí)施例進(jìn) 行了描述，但是應(yīng)該理解這些實(shí)施例中所暗示的構(gòu)思還可以用于其它實(shí)施 例。本申請(qǐng)的保護(hù)范圍完全地限于現(xiàn)在所附的權(quán)利要求。
在這些權(quán)利要求中，引用的單數(shù)形式的元件并不意味著是"一個(gè)并且 僅僅一個(gè)"，而是"一個(gè)或者多個(gè)"，除非另有具體說(shuō)明。與本發(fā)明全文中 所述的各種實(shí)施例中的對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知或者以后是已 知的元件相等價(jià)的所有結(jié)構(gòu)和功能元件都將通過(guò)援引并入此處，并且都由 權(quán)利要求所涵蓋。此外，這里所公開(kāi)的任何事物都不是要奉獻(xiàn)給公眾，而
不論這些內(nèi)容是否己經(jīng)明確地記載在權(quán)利要求中。沒(méi)有要求保護(hù)的元件將
基于35 U.S.C. §112的第六段的規(guī)定進(jìn)行解釋，除非該元件沒(méi)有使用短語(yǔ) "用于...的裝置"進(jìn)行清楚地?cái)⑹?，或者在方法?quán)利要求中，該元件沒(méi)有 使用短語(yǔ)"用于...的步驟"進(jìn)行敘述。
權(quán)利要求
1、一種用于對(duì)區(qū)域內(nèi)的壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括壓力傳感器，其用于對(duì)可經(jīng)由導(dǎo)管連接至所述區(qū)域并且遠(yuǎn)離所述區(qū)域的外殼內(nèi)的壓力進(jìn)行測(cè)量；閥門(mén)系統(tǒng)，其用于調(diào)節(jié)流體流入和流出所述外殼并且調(diào)節(jié)流體經(jīng)由所述導(dǎo)管流入所述區(qū)域中，所述閥門(mén)系統(tǒng)包括至少一個(gè)用于對(duì)流入所述外殼的流體的輸入流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的入口比例閥、和至少一個(gè)用于對(duì)從所述外殼流出的流體的輸出流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的出口比例閥；區(qū)域壓力估計(jì)器，其用于根據(jù)所述壓力傳感器測(cè)量的壓力和所述導(dǎo)管的已知特性來(lái)計(jì)算所述區(qū)域內(nèi)的估計(jì)壓力；以及控制器，其用于通過(guò)操作所述入口比例閥和所述出口比例閥來(lái)調(diào)節(jié)所述區(qū)域內(nèi)的壓力，以便根據(jù)所述區(qū)域壓力估計(jì)器估計(jì)的壓力和所述區(qū)域的壓力設(shè)定點(diǎn)來(lái)控制所述輸入流率和所述輸出流率。
2、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還用于將輸入流量指令信號(hào)發(fā)送到所述入口比例閥而 將輸出流量指令信號(hào)發(fā)送到所述出口比例閥，以便分別根據(jù)所述輸入流量 指令信號(hào)和所述輸出流量指令信號(hào)來(lái)控制所述輸入流率和所述輸出流率。
3、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還用于實(shí)施對(duì)所述輸入流率和所述輸出流率的PI(比例 -積分)控制；其中所述輸入流量指令信號(hào)由下式給出<formula>formula see original document page 2</formula>其中所述輸出流量指令信號(hào)由下式給出<formula>formula see original document page 2</formula>；并且其中^表示所述輸入流率， a",表示所述輸出流率，Wn表示所述輸入流率的比例增益，^表示所述輸入流率的積分增益，W。w表示所述輸出流率的比例增益，w。w表示所述輸出流率的積分增益，《表示所述區(qū)域內(nèi)的估計(jì)壓力，《表示所述壓力設(shè)定點(diǎn)的壓力軌跡，以及《-《表示跟蹤誤差。
4、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括連接到所述入口比例閥的受壓流體源和連接到所述出口比例閥的真空排出裝置。
5、 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，還包括位于所述出口比例閥和所述真空 排出裝置之間的節(jié)流器。
6、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述區(qū)域具有柔性壁，并且其中所 述區(qū)域壓力估計(jì)器進(jìn)一步用于根據(jù)所述導(dǎo)管的已知特性和所述壓力傳感器 測(cè)量的壓力來(lái)計(jì)算所述區(qū)域的估計(jì)體積，以便計(jì)算所述外殼內(nèi)的估計(jì)壓力。
7、 一種通過(guò)控制流體流入和流出每個(gè)外殼i并且控制流體經(jīng)由每個(gè)導(dǎo)管 硫入每個(gè)區(qū)域i來(lái)對(duì)可分別經(jīng)由導(dǎo)管漣接至i個(gè)外殼的i個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)內(nèi) 的壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)，其中i-l，…，N，所述系統(tǒng)包括壓力測(cè)量系統(tǒng)，其用于測(cè)量所述i個(gè)外殼中的每一個(gè)內(nèi)的所述流體的壓力；閥門(mén)系統(tǒng)，對(duì)于每個(gè)外殼i，所述閥門(mén)系統(tǒng)包括至少一個(gè)用于對(duì)流入所 述外殼i的流體的輸入流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的入口比例閥、和至少一個(gè)用于對(duì)從所 述外殼硫出的流體的輸出流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的出口比例閥；區(qū)域壓力估計(jì)器，其耦合到所述壓力測(cè)量系統(tǒng)并且對(duì)于每個(gè)區(qū)域i，所 述區(qū)域壓力估計(jì)器從所述壓力測(cè)量系統(tǒng)接收測(cè)量的所述外殼i內(nèi)的壓力，并 且根據(jù)所測(cè)量的所述外殼i內(nèi)的壓力和所述導(dǎo)管i和所述區(qū)域i的已知特性來(lái) 計(jì)算所述區(qū)域i內(nèi)的估計(jì)壓力；以及控制器，其用于通過(guò)操作每個(gè)外殼i的所述入口比例閥和所述出口比例 閥來(lái)控制每個(gè)區(qū)域i內(nèi)的壓力，以便根據(jù)所述區(qū)域i的壓力設(shè)定點(diǎn)和所述區(qū)域 壓力估計(jì)器估計(jì)的所述區(qū)域i內(nèi)的壓力來(lái)控制流體流入所述外殼i的所述輸 入流率和流體從所述外殼i流出的所述輸出流率。
8、 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述壓力測(cè)量系統(tǒng)包括多個(gè)壓力傳 感器，分別連接每個(gè)壓力傳感器，以測(cè)量所述i個(gè)外殼內(nèi)的壓力。
9、 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中對(duì)于每個(gè)區(qū)域i，所述控制器還用于將輸入流量指令信號(hào)發(fā)送到外 殼i的所述入口比例閥而將輸出流量指令信號(hào)發(fā)送到外殼i的所述出口比例 閥，以便分別根據(jù)所述輸入流量指令信號(hào)和所述輸出流量指令信號(hào)來(lái)控制 流入外殼i的所述輸入流率和從外殼i流出的所述輸出流率。
10、 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中對(duì)于所述外殼i中的至少一個(gè)，所述控制器還用于實(shí)施對(duì)所述至少 一個(gè)外殼的所述輸入流率和所述輸出流率的PI控制；其中從所述控制器到外殼i的所述入口比例閥的所述輸入流量指令信號(hào)包括<formula>formula see original document page 4</formula>其中從所述控制器到外殼i的所述出口比例閥的所述輸出流量指令信號(hào)由下式給出其中仏,表示流入外殼i的所述輸入流率， g。",，,表示從外殼i流出的所述輸出流率，w切表示所述輸入流率的比例增益， w,力表示所述輸入流率的積分增益， "。w表示所述輸出流率的比例增益， W。",表示所述輸出流率的積分增益，P:,表示所述區(qū)敏內(nèi)的估計(jì)壓力，/;表示從一個(gè)壓力設(shè)定點(diǎn)到另一個(gè)壓力設(shè)定點(diǎn)的期望壓力軌跡，以及戶,-尸2，,表示跟蹤誤差。
11、 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括連接到所述i個(gè)外殼的所述入口比例閾的受壓流體源和連接到所述i個(gè)外殼的所述出口比例閥的真空排出裝 置。
12、 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，還包括位于每個(gè)出口比例閥和所述真空排出裝置之間的節(jié)流器。
13、 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，還包括位于所述受壓流體源和所述入口比例閥之間的壓力歧管。
14、 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述節(jié)流器包括文丘里管。
15、 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述i個(gè)區(qū)域中的至少一些區(qū)域具有 剛性壁。
16、 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述i個(gè)區(qū)域中的至少一些區(qū)域具有 柔性壁，這使得具有所述柔性壁的所述區(qū)域能夠膨脹和收縮。
17、 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述區(qū)域壓力估計(jì)器還用于計(jì)算 具有柔性壁的每個(gè)區(qū)域的估計(jì)體積，以便對(duì)連接到具有柔性壁的所述區(qū)域 的所述外殼內(nèi)的估計(jì)壓力進(jìn)行計(jì)算。
18、 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述i個(gè)區(qū)域中的至少一些區(qū)域是耦 合的。
19、 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述i個(gè)區(qū)域中的至少一些區(qū)域是非 耦合的。
20、 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述i個(gè)區(qū)域中的至少一些區(qū)域具有柔性壁，這使得具有所述柔性 壁的所述區(qū)域能夠膨脹和收縮，其中所述i個(gè)區(qū)域中的至少一些區(qū)域是耦合的，并且 其中所述i個(gè)導(dǎo)管的所述已知特性包括與將線路i連接到所述區(qū)域i的每個(gè)導(dǎo)管湘關(guān)的常數(shù)Qube，i和T tube,i， Qube,i代表所述導(dǎo)管的傳導(dǎo)性，T tube，i代表 穿過(guò)所述導(dǎo)管的流量平衡時(shí)間常數(shù)；并且其中所述i個(gè)區(qū)域的所述已知特性包括每個(gè)區(qū)域i在STP (標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力)條件下的初始體積(Fz。，,)、體積膨脹/收縮時(shí)間常數(shù)(rv)、區(qū)域i的膨脹/收縮系數(shù)(n,)、以及區(qū)域i和區(qū)域j之間的耦合系數(shù)(&)，其中j-l，…， N。
21、如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中對(duì)于每個(gè)區(qū)域i，所述區(qū)域壓力估計(jì)器被編程為用于計(jì)算所述區(qū)域i的所述估計(jì)壓力的第n個(gè)采樣Pj;)、所述區(qū) 域i的估計(jì)體積的第n個(gè)采樣《丁、以及流入所述外殼i的估計(jì)輸入流率的第n個(gè)采樣&、 并且其中<formula>formula see original document page 6</formula>其中A,表示由連接到外殼i的所述壓力傳感器測(cè)量的壓力， 其中込,表示所述流體流入?yún)^(qū)域i的輸入流率，它被給定為不同于流體流 入外殼i的所述輸入流率^,和流體從外殼硫出的所述輸出流率0^。
22、 一種包括如權(quán)利要求21所述系統(tǒng)的機(jī)器，還包括分別連接至所述i 個(gè)外殼的所述i個(gè)區(qū)域。
23、 如權(quán)利要求22所述的機(jī)器，還包括含有所述i個(gè)區(qū)域的CMP承載頭。
24、 一種通過(guò)控制流體流入和流出每個(gè)外殼i并且控制流體經(jīng)由每個(gè)導(dǎo) 管i流入每個(gè)區(qū)域i來(lái)對(duì)可分別經(jīng)由導(dǎo)管i連接至i個(gè)外殼的i個(gè)區(qū)域中的每 一個(gè)內(nèi)的壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的方法，其中i-l，…，N，所述方法包括-測(cè)量i個(gè)外殼中的每一個(gè)內(nèi)的所述流體的壓力；根據(jù)測(cè)量的所述外殼i中的壓力和所述導(dǎo)管i和所述區(qū)域i的已知特性 來(lái)計(jì)算每個(gè)區(qū)域i內(nèi)的估計(jì)壓力；以及對(duì)于每個(gè)區(qū)域i，操作每個(gè)外殼i的入口比例閥和出口比例閥，以便根 據(jù)所述區(qū)域i的壓力設(shè)定點(diǎn)和估計(jì)的所述區(qū)域i內(nèi)的壓力來(lái)控制流體流入所 述外殼i的所述輸入流率和流體從所述外殼i流出的所述輸出流率，從而根 據(jù)所述壓力設(shè)定點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)所述區(qū)域i內(nèi)的壓力。
全文摘要
一種壓力控制系統(tǒng)，其通過(guò)控制流體流入和流出每個(gè)外殼來(lái)對(duì)一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程區(qū)域內(nèi)的壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，每個(gè)遠(yuǎn)程區(qū)域分別經(jīng)由導(dǎo)管連接至外殼。流體的壓力是在每個(gè)外殼內(nèi)測(cè)量的。根據(jù)測(cè)量的外殼內(nèi)的壓力和導(dǎo)管和區(qū)域的已知特性，計(jì)算每個(gè)區(qū)域內(nèi)的估計(jì)體積。對(duì)于每個(gè)區(qū)域，操作每個(gè)外殼的入口比例閥和出口比例閥，以便根據(jù)壓力設(shè)定點(diǎn)和估計(jì)壓力來(lái)控制流體流入各個(gè)外殼的輸入流率和流體從外殼流出的輸出流率。
文檔編號(hào)F16K31/12GK101356481SQ200680050842
公開(kāi)日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2006年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月17日
發(fā)明者G·希爾, 西達(dá)爾斯·P·那加爾卡蒂, 阿里·沙吉 申請(qǐng)人:Mks儀器公司