專利名稱：用于質(zhì)量流量控制器的控制器增益調(diào)度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開的實(shí)施方式一般地涉及流體流量的測(cè)量和控制，且更具體 地涉及基于模型的用于質(zhì)量流量控制器的控制器增益調(diào)度。
背景技術(shù)：
質(zhì)量流量控制器(MFC)為設(shè)定、測(cè)量并控制流經(jīng)設(shè)備的例如為氣體 或蒸汽的流體的流率和量的設(shè)備。設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)這些設(shè)備，以高精度地在預(yù) 定流率范圍內(nèi)控制氣流。
例如為半導(dǎo)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(zhì)量)。通常，精確的流體流率和量(流體的總 質(zhì)量)對(duì)于確保最佳的結(jié)果是關(guān)鍵的。應(yīng)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(jì)量、干法蝕刻以移除材料、 在半導(dǎo)體中使用的離子及等離子束以及制藥工業(yè)等等。質(zhì)量流量控制器尤 其適于這些以及其它的作業(yè)。
參照?qǐng)D1，質(zhì)量流量控制器系統(tǒng)10典型地將質(zhì)量流量控制器12與流動(dòng) 通道14接合。選定的流體通過入口 16進(jìn)入通道，流經(jīng)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(nèi)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(diǎn)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(xì) 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(diǎn)22下游的第二匯合接合點(diǎn)28處重新結(jié)合。所述第二接合點(diǎn)28使流 經(jīng)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(jīng)控制閥50，所述控制閥50反過來控制流體流量，如在附圖標(biāo)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(shè)置在旁路管26內(nèi)的第一和第二接合點(diǎn)22及28之間，以便產(chǎn)生流經(jīng)兩 個(gè)接合點(diǎn)之間的旁路管26的層流。由于流經(jīng)旁路管的層流和毛細(xì)管的內(nèi)部 毛細(xì)管尺寸，流經(jīng)毛細(xì)管和旁路管的質(zhì)量流量將在儀器的整個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)的
4流率范圍內(nèi)保持在精確的旁流比。
設(shè)計(jì)傳感器40以提供表示流經(jīng)傳感器管24的流體的流率的信號(hào)。由 于旁流比在整個(gè)儀器預(yù)先設(shè)計(jì)的流率范圍內(nèi)保持恒定，所以由傳感器40提 供的信號(hào)表示流經(jīng)旁路和傳感器管24及26兩者的混合流量(即流經(jīng)質(zhì)量 流量控制系統(tǒng)10的混合流量)。傳感器40的信號(hào)輸出被應(yīng)用于處理器60。
已知用于基于溫度測(cè)量結(jié)果而測(cè)量流量的傳感器，同時(shí)已知用于基于 壓力測(cè)量結(jié)果而測(cè)量流量的其它傳感器。典型的基于溫度的傳感器具有兩 個(gè)傳感器線圈44、 46，上游線圈用于向流經(jīng)毛細(xì)管的氣體或蒸汽注入熱量， 而下游的另一個(gè)線圈用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(shè)置是已知的，其包括采用一個(gè)或三個(gè)線圈的傳感 器。
控制器12還包括用于響應(yīng)于來自處理器60的信號(hào)而控制流體流動(dòng)的 控制閥50。所述處理器60被構(gòu)造成并設(shè)置成將由傳感器40探測(cè)的實(shí)際流 量與通常由使用者和/或被控制的過程確定的設(shè)定點(diǎn)(SP)值比較，并向閥 50提供信號(hào)，以將閥50設(shè)置在正確的位置以產(chǎn)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(cè)到流體流動(dòng)太快，那么處理器60將 向控制閥50發(fā)出信號(hào)以降低流率，反之亦然。
處理器60可被構(gòu)造成以至少兩種閥的設(shè)計(jì)控制閥。 一種闊的設(shè)計(jì)包括 常開閥，其中，閥保持打開直到電信號(hào)被發(fā)送到控制閥。另一種設(shè)計(jì)為常 閉閥設(shè)計(jì)，其中，閥被關(guān)閉直到電信號(hào)被發(fā)送到控制閥。
質(zhì)量流量控制器也已經(jīng)被設(shè)計(jì)成對(duì)來自于控制器上游的壓力波動(dòng)不敏 感。在授予Ali Shajii等并轉(zhuǎn)讓給本受讓人的美國專利No. 6712084中描述 了壓力不敏感的質(zhì)量流量控制器(兀MFC或piMFC)的一個(gè)例子。受專利 權(quán)保護(hù)的兀MFC也包括基于熱能的流量傳感器，且類似于至此結(jié)合圖1所 描述的MFC，并且還包括被接合以測(cè)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(cè)得的表示 流經(jīng)設(shè)備的流體的壓力的信號(hào)。在受專利權(quán)保護(hù)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(diào)工作，以及使用由壓力傳感器70所 測(cè)得的壓力測(cè)量結(jié)果獲得對(duì)壓力不敏感的控制。受專利權(quán)保護(hù)的KMFC的 目的在于使輸出流量36對(duì)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(cè)量結(jié)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(dòng)主體相連的溫度傳感器80以用于測(cè)量流入控制器的 流體的溫度。
在工作中，MFC經(jīng)由例如為輸出流率a追蹤流量設(shè)定點(diǎn)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(gè)絕 對(duì)壓強(qiáng)的入口氮?dú)獾囊阎?zhǔn)條件下確定，以在流量設(shè)定點(diǎn)變化時(shí)具有良 好的控制性能。對(duì)于在不同于校準(zhǔn)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(jīng)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(dāng)設(shè)定點(diǎn)改變時(shí)的超調(diào)(overshoot)。該問題與當(dāng)入口氣體從氮?dú)廪D(zhuǎn)換 為例如為氦的輕質(zhì)氣體或入口氣體壓力從高壓力變到低壓力時(shí)的低控制器 增益設(shè)定有關(guān)。第二種常見的控制性能問題為如圖2B中所示的當(dāng)設(shè)定點(diǎn)改 變時(shí)的振蕩。該問題與當(dāng)入口氣體從氮?dú)廪D(zhuǎn)換為例如為六氟化硫(SF6)的 重質(zhì)氣體或入口氣體壓力從低壓力變到高壓力時(shí)的高控制器增益設(shè)定有 關(guān)。在需要仔細(xì)的、高精度的流體流率的時(shí)間控制的半導(dǎo)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(jīng)MFC的氣體 壓力和氣體類型而克服不同響應(yīng)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(jīng)驗(yàn)地確定閥增益項(xiàng)來克服控制問題，所述流體流量 被在多個(gè)預(yù)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(yīng)變化而分流。換句話說，通過將流體流量與閥位移相關(guān)聯(lián)而確定設(shè)置作 為基于工作的函數(shù)的增益。使用預(yù)定的流率，Lull推導(dǎo)出用于給定條件(即 閥位移)的適當(dāng)?shù)牧髀剩⑦m當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)儀器的增益。人們認(rèn)為，通過利用 來自于不同預(yù)定流率的數(shù)據(jù)，閥增益項(xiàng)會(huì)更準(zhǔn)確。然而，該方法不必要地 復(fù)雜化了。
因此，本領(lǐng)域需要能夠提供更可靠的流體流量控制的MFC，其中，實(shí) 際的流量更平穩(wěn)地落于設(shè)定點(diǎn)上，而沒有超調(diào)或者振蕩的控制響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
一種具有反饋控制器增益的質(zhì)量流量控制器，包括構(gòu)造成探測(cè)流經(jīng) 所述控制器的流體流量的傳感器；設(shè)置成調(diào)節(jié)流經(jīng)所述控制器的流體流量 的閥；以及構(gòu)造成按照所述傳感器所測(cè)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(shè)置在反饋系統(tǒng)內(nèi)，且所述處理器基于至少一 個(gè)校準(zhǔn)氣體參數(shù)與至少一個(gè)工作氣體參數(shù)的比值而實(shí)時(shí)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(guān)于工作條件而保持基本上恒定， 從而在不同于校準(zhǔn)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(zhǔn)條件的工作條件下的現(xiàn)有技術(shù)的MFC的不合
需要的控制響應(yīng)的曲線圖3為用于MFC的控制器增益調(diào)度方法的框圖；以及
圖4為示出在不同于校準(zhǔn)條件的工作條件下使用控制器增益調(diào)度方法
的重要的控制性能改善曲線圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D3中示出的實(shí)施方式，MFC控制系統(tǒng)100的框圖包括負(fù)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(jié)合的 關(guān)聯(lián)。在所述反饋控制環(huán)中，^>102 (理想的設(shè)定點(diǎn)流率)為輸入。在附圖 標(biāo)記116處表示的所獲得的實(shí)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(shí)域變量都被轉(zhuǎn)換成如2(s)和^^)的拉普拉斯域變量，這是
在控制領(lǐng)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(biāo)記104處表示的控制器^")，以 及以在附圖標(biāo)記110處表示的閥^W。反饋控制器尺W產(chǎn)生在附圖標(biāo)記108 處表示的控制命令電流刷以調(diào)節(jié)閥的打開，使得閥的輸出、實(shí)際的流率2(》 追蹤理想的設(shè)定點(diǎn)流率^^)102。此處，我們假設(shè)，流量傳感器提供快速準(zhǔn) 確的測(cè)量，以使得流量傳感器的動(dòng)態(tài)(dynamic)與閥的動(dòng)態(tài)相比可被忽略。 如果傳感器的動(dòng)態(tài)不能忽略，那么可將流量傳感器的動(dòng)態(tài)與閥的動(dòng)態(tài)結(jié)合 作為整個(gè)閥的動(dòng)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(dú)立于這些工作條件的閥動(dòng)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(dú)立于所述工作條件的控制器動(dòng)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(diào)節(jié)其自身以使得對(duì)"("的凈效應(yīng)恒定。因此，需要用于MFC的控制 器增益調(diào)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(diào)度由如下的校準(zhǔn)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(zhǔn)條件下確定的最佳控制器增益。校準(zhǔn)氣體參數(shù)為校準(zhǔn)氣
體分子量Mm/、校準(zhǔn)氣體熱容量比率^/、校準(zhǔn)氣體溫度^、校準(zhǔn)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(duì)于方程(4)的控制器增益調(diào)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(shí)獨(dú)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?yàn)槿缟纤?，f(j和g("兩者都獨(dú)立于這些
工作條件。
關(guān)于入口氣體分子量m和入口氣體熱容量比率/的信息都儲(chǔ)存在形成 質(zhì)量流量控制器一部分的處理器的存儲(chǔ)器中。當(dāng)質(zhì)量流量控制器處于工作 條件下時(shí)，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(cè) 得，而入口氣體壓力由質(zhì)量流量控制器內(nèi)部的壓力傳感器測(cè)得。然后，質(zhì) 量流量控制器根據(jù)方程(4)的控制器增益調(diào)度方法實(shí)時(shí)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(zhǔn)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(zhǔn)條件下相比沒有很大程度 的變化，或者如果由于在質(zhì)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(diào)度中的氣體溫度效應(yīng)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(zhǔn)條件下相比沒有很 大程度的變化，或者如果由于質(zhì)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(diào)度中的氣體壓力效應(yīng)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(zhǔn)條件下相 比都沒有很大程度的變化，或者如果由于質(zhì)量流量控制器中缺少測(cè)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(diào)度中的它們的效應(yīng)的因子提出
(8) ," t。'
還可以將控制器增益調(diào)度中的氣體類型的效應(yīng)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(zhǔn)條件下相同的話。
應(yīng)當(dāng)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(jīng)針對(duì)基于溫度的MFC而描述了圖1，但是所述控制器增益 調(diào)度方法針對(duì)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(gè)或多個(gè)的校準(zhǔn)氣體參數(shù)與工作 氣體參數(shù)的比值而實(shí)時(shí)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(guān)于工作條件而保持基本上恒定，從而在不同于校準(zhǔn)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(diào)度的控制性能獨(dú)立于工作條件，因?yàn)椴槐亟⒂糜?不同工作條件的一組預(yù)定的流率、使這些流率與閥位移測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)、 以及從所述預(yù)定的組插值。不用基于工作條件而調(diào)換不同的增益公式/方程。 該方法更精確地導(dǎo)出控制器增益，因?yàn)槠洳换谝幌盗械木€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(jì)算出，而不是基于預(yù)定工作條 件，這很大地改進(jìn)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(gè)參考示例比較的、使用用于兀MFC的 控制器增益調(diào)度的控制性能的示例。在圖4的兩個(gè)圖表中，在X軸上以秒 作單位表示時(shí)間。對(duì)于流體輸出(&)和設(shè)定點(diǎn)(指標(biāo)目標(biāo)值SP)，第一Y 軸被用于以標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每秒(sccm)作單位表示流率。對(duì)于流體壓力(P)， 第二Y軸被用于以絕對(duì)壓強(qiáng)(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(shè)定點(diǎn)匹配。 如從流經(jīng)兀MFC的輕質(zhì)氣體(流體)的圖4A和重質(zhì)氣體(流體)的圖4B 可看出的那樣，所述控制器增益調(diào)度方法基本上已經(jīng)消除了所有的超調(diào)及 振蕩問題。
已經(jīng)詳細(xì)的描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，將 易于進(jìn)行各種修改及改進(jìn)。這樣的修改及改進(jìn)應(yīng)當(dāng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。 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(quán)利 要求及其同等內(nèi)容所定義的范圍而限定。
10
權(quán)利要求
1、一種具有反饋控制器增益的質(zhì)量流量控制器，包括構(gòu)造成探測(cè)流經(jīng)所述控制器的流體流量的傳感器；設(shè)置成調(diào)節(jié)流經(jīng)所述控制器的流體流量的閥；以及構(gòu)造成按照所述傳感器所測(cè)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(shè)置在反饋系統(tǒng)內(nèi)，且所述處理器基于至少一個(gè)校準(zhǔn)氣體參數(shù)與至少一個(gè)工作氣體參數(shù)的比值而實(shí)時(shí)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(guān)于工作條件而保持基本上恒定，從而在不同于校準(zhǔn)條件的工作條件下具有一致的控制性能。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的質(zhì)量流量控制器，其特征在于，所述至少一個(gè)校 準(zhǔn)氣體參數(shù)和所述至少一個(gè)工作氣體參數(shù)從以下參數(shù)的一個(gè)或多個(gè)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(quán)利要求2的質(zhì)量流量控制器，其特征在于，還包括用于探測(cè)入口氣體溫度r的溫度傳感器以及用于探測(cè)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(shí)時(shí)修正控制器增益h一 t(M,y，r,尸) 其中，^為在校準(zhǔn)條件下確定的控制器增益，ji^,為校準(zhǔn)氣體分子量，為校準(zhǔn)氣體熱容量比率，T^為校準(zhǔn)氣體溫度，i^為校準(zhǔn)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(quán)利要求2的質(zhì)量流量控制器，其特征在于，還包括用于探測(cè)入口氣體壓力戶的壓力傳感器，并假設(shè)入口溫度r與在校準(zhǔn)條件下相比沒有很大程度的變化和/或假設(shè)它不可獲得，其中，所述控制器按照如下的函 數(shù)實(shí)時(shí)修正控制器增益A::
5、 根據(jù)權(quán)利要求2的質(zhì)量流量控制器，其特征在于，還包括用于探測(cè)入口氣體溫度r的溫度傳感器，并假設(shè)入口壓力戶與在校準(zhǔn)條件下相比沒 有很大程度的變化和/或假設(shè)它不可獲得，其中，所述控制器按照如下的函數(shù)實(shí)時(shí)修正控制器增益A::,=K(d"匸,)
6、 根據(jù)權(quán)利要求2的質(zhì)量流量控制器，其特征在于，假設(shè)入口溫度r 和入口壓力尸與在校準(zhǔn)條件下相比沒有很大程度的變化和/或假設(shè)它們不可 獲得，所述控制器按照如下的函數(shù)實(shí)時(shí)修正控制器增益h一 、(m,"
7、 根據(jù)權(quán)利要求2的質(zhì)量流量控制器，其特征在于，所述閥為常閉的。
8、 根據(jù)權(quán) 要求2的質(zhì)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(zhì)量流量控制器，包括構(gòu)造成探測(cè)流經(jīng)所述控制器的流體流量的傳感器；設(shè)置成調(diào)節(jié)流經(jīng)所述控制器的流體流量的閥；以及構(gòu)造成按照所述傳感器所測(cè)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(shè)置在反饋系統(tǒng)內(nèi)，且所述處理器基于至少一個(gè)校準(zhǔn)氣體參數(shù)與至少一個(gè)工作氣體參數(shù)的比值而實(shí)時(shí)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(guān)于工作條件而保持基本上恒定，從而在不同于校準(zhǔn)條件的工作條件下具有一致的控制性能。
文檔編號(hào)G01F1/68GK101636641SQ200780044834
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2007年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月7日
發(fā)明者丁軍華 申請(qǐng)人:Mks儀器公司