(57)【要約】  質量流量制御器（ＭＦＣ）、ＭＦＣを較正する方法、およびＭＦＣを動作させる方法が開示されている。ＭＦＣを較正する方法は、較正ガスを用いて質量流量制御器を異なる流量で動作させたときに、熱式質量流量センサから２つの信号に関するデータを得るステップと、対応する流量値に関連した２つの信号に関するデータを記憶するステップとを含む。ＭＦＣを動作させる方法は、熱式質量流量センサから２つの信号に関するデータを得るステップと、較正データにアクセスして、処理ガスの未知の流量を求めるステップとを含み、この処理ガスは、較正ガスと同じガスでも、または較正ガスとは異なる別のガスでもよい。
2013528846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２、第３、および第４のノードと、前記第１のノードと前記第２のノード間に接続された第１の抵抗要素と、前記第２のノードと前記第３のノード間に接続された第２の抵抗要素と、前記第１のノードと前記第４のノード間に接続された第１の感知素子と、前記第４のノードと前記第３のノード間に接続された第２の感知素子とを含むブリッジ回路と、
前記第２のノードと前記第４のノード間の電圧差を示す第１の出力を供給する第１の処理部分と、
前記第１のノードと前記第３のノード間の電圧を示す第２の出力を供給する第２の処理部分と、
較正ガスの流量値を較正データでマッピングする較正データを含むルックアップテーブルであって、前記較正データが、前記較正データの前記較正ガスの前記流量値に対応する前記第１の出力の値と、前記第２の出力の値とに基づいた、ルックアップテーブルと、
処理ガスが質量流量制御器によって制御される際に、前記ルックアップテーブルにアクセスし、前記較正データと、前記第１および第２の出力とに基づいて、前記処理ガスの流量値を計算するように構成された制御部分と
を備える、質量流量制御器。
【請求項２】
前記ルックアップテーブルが、前記較正ガスの前記流量値を、前記較正ガスの特定の流量値それぞれについて、前記特定の流量値における前記第１の出力を示す値と、前記特定の流量値における前記第２の出力を示す値とを含む較正データでマッピングする、請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項３】
前記ルックアップテーブルが、特定の流量値それぞれについて、前記特定の流量値における前記第２の出力を示す調節された値と、前記特定の流量値における前記第１の出力を示す調節された値との比に基づいた較正比を含み、前記調節された値が、ゼロオフセット値を除去するように調節された値である、請求項２に記載の質量流量制御器。
【請求項４】
前記ルックアップテーブルが、特定の流量値それぞれについて、前記特定の流量値における前記第２の出力を示す調節された値と、前記特定の流量値における前記第１の出力を示す調節された値とによって定義される較正ベクトルの振幅を含み、前記調節された値が、ゼロオフセット値を除去するように調節された値である、請求項２に記載の質量流量制御器。
【請求項５】
前記処理部分がそれぞれ、増幅器と、アナログデジタル変換器とを含む、請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項６】
前記制御部分が、ＦＰＧＡ、プロセッサ、およびメモリからなる群から選択された構成要素を含む、請求項１に記載の質量流量制御器。
【請求項７】
ガス流量が変動するにつれてそれぞれ変動する第１の信号、および第２の信号を供給する熱式質量流量センサと、
較正ガスの流量値を較正データにマッピングする較正データを含むルックアップテーブルであって、前記較正データが、較正ガスの流量値に対応する前記第１の信号値と、前記第２の信号値とに基づいた、ルックアップテーブルと、
処理ガスが制御される際に、前記ルックアップテーブルにアクセスし、前記較正データと、前記第１および第２の信号とに基づいて、前記処理ガスの流量値を計算するように構成された制御部分と
を備える、質量流量制御器。
【請求項８】
前記ルックアップテーブルが、複数のデータ組を含み、各データ組が、
較正ガスの流量を示す流量値と、
前記流量における前記熱式質量流量センサからの前記第１の信号を示す第１の値と、
前記流量における前記熱式質量流量センサからの前記第２の信号を示す第２の値と
を含む、請求項７に記載の質量流量制御器。
【請求項９】
各データ組が、ゼロオフセット電圧について補正されたときの前記第２の値と、ゼロオフセット電圧について補正されたときの前記第１の値との比に基づいた較正比を含む、請求項８に記載の質量流量制御器。
【請求項１０】
各データ組が、ゼロオフセット電圧について補正されたときの前記第２の値と、ゼロオフセット電圧について補正されたときの前記第１の値とによって定義されるベクトルの大きさに基づいた振幅値を含む、請求項９に記載の質量流量制御器。
【請求項１１】
前記熱式質量流量センサが、ブリッジ回路を含み、前記第１の信号が、前記ブリッジ回路の第２のノードと第４のノード間の差電圧であり、前記第２の信号が、前記ブリッジ回路の前記第１のノードと前記第３のノード間のトップ電圧である、請求項７に記載の質量流量制御器。
【請求項１２】
質量流量制御器を較正する方法であって、
前記質量流量制御器の弁を第１の位置まで開けて、較正ガスを前記質量流量制御器を通して流すことを可能とするステップと、
前記弁が前記第１の位置にあるときの、質量流量制御器を通る較正ガスの流量を測定するステップと、
前記弁が前記第１の位置にあるときの、前記質量流量制御器の熱式質量流量センサのブリッジ回路の２つのノード間の電圧を示す第１の測定値を得るステップと、
前記質量流量制御器の前記熱式質量流量センサの前記ブリッジ回路の他の２つのノード間の電圧を示す第２の測定値を得るステップと、
前記測定した流量、前記第１の測定値、および前記第２の測定値を示す情報を、前記質量流量制御器のメモリ内に記憶し、それによって前記第１のノードにおける前記電圧、前記２つのノード間の前記電圧、および前記較正ガスの前記流量に関する記憶した情報を供給するステップと
を含む、方法。
【請求項１３】
前記第１の測定値を得るステップが、前記ブリッジ回路の第２のノードと第４のノードとの間における電圧測定値を得るステップを含み、前記第２の測定値を得るステップが、前記ブリッジ回路の第１のノードと第３のノード間の電圧測定値を得るステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の測定値を示す前記情報が電圧値であり、前記第２の測定値を示す前記情報が別の電圧値である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
いかなるゼロオフセットについても前記第１および第２測定値を補正するステップと、
前記補正した第２の測定値と、前記補正した第１の測定値との比に基づいた較正比値を記憶するステップと
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
質量流量制御器を動作させる方法であって、
未知の流量において、ブリッジ回路の第２のノードと第４のノード間の差電圧と、前記ブリッジ回路の第１のノードと第３のノード間のトップ電圧とを示すデータを得るステップと、
ゼロオフセットトップ電圧と、前記差電圧との比に基づいた動作比Ｒを求めるステップと、
前記動作比Ｒに対応する較正比Ｒｃを有する較正データにおいて、流量値（ｆｃａｌ）を識別し、前記較正比Ｒｃが、較正トップ電圧と較正差電圧との比に基づくステップと、
飽和係数ＳＦを得、前記飽和係数ＳＦが、較正ベクトルＶｃａｌと動作ベクトルＶとの振幅比によって、ＳＦ＝ａｂｓ（Ｖｃａｌ）／ａｂｓ（Ｖ）となるように定義され、前記較正ベクトルの方向が、前記較正比Ｒｃによって定義され、前記動作ベクトルの方向が、前記動作比Ｒによって定義されるステップと、
前記未知の流量ｆ＝ｆｃａｌ／ＳＦを計算するステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、質量流量制御器に関する。特に、限定するものではないが、本発明は、質量流量制御器を制御する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な質量流量制御器（ＭＦＣ）は、熱エッチングまたはドライエッチングなどの工業プロセスにおいて、ガス流量を設定し、測定し、かつ制御する閉ループ装置である。ＭＦＣの重要部分は、装置中を流れるガスの質量流量を測定するセンサである。ＭＦＣは、センサからの出力信号を所定の設定点と比較し、制御弁を調節して、ガスの質量流量を所定の設定点で維持する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
図面に示される本発明の例示的な実施形態について、以下で要約する。前記およびその他の実施形態について、「発明を実施するための形態」の項でより完全に説明する。しかし、本発明を、この「発明の概要」、または「発明を実施するための形態」に記載の形態に限定する意図はないことを理解されたい。数多くの改変形態、等価物、および代替構成が、特許請求の範囲に記載の本発明の趣旨および範囲内に含まれることが、当業者には認識できよう。
【０００４】
一実施形態では、本発明は、第１、第２、第３、および第４のノードを含むブリッジ回路を備える質量流量制御器として特徴付けることができる。この実施形態では、第１の抵抗要素が、第１のノードと第２のノード間に接続され、第２の抵抗要素が、第２のノードと第３のノード間に接続され、第１の感知素子が、第１のノードと第４のノード間に接続され、第２の感知素子が、第４のノードと第３のノード間に接続されている。さらに、第１の処理部分が、第２のノードと第４のノード間の電圧差を示す第１の出力を供給し、第２の処理部分が、第１のノードと第３のノード間の電圧を示す第２の出力を供給する。ルックアップテーブルが、較正ガスの流量値を較正データでマッピングする較正データを含み、この較正データは、較正データの較正ガスの流量値に対応する第１の出力値と、第２の出力値とに基づき、また、制御部分が、処理ガスが質量流量制御器によって制御される際に、ルックアップテーブルにアクセスし、較正データと、第１および第２の出力とに基づいて処理ガスの流量値を計算するように構成される。
【０００５】
別の例示的な実施形態は、ガス流量が変動するにつれてそれぞれ変動する第１の電圧および第２の電圧を供給する熱式質量流量センサと、較正ガスの流量値を較正データにマッピングする較正データを含むルックアップテーブルであって、この較正データは、較正ガスの流量値に対応する第１の信号値と、第２の信号値とに基づいた、ルックアップテーブルと、処理ガスが制御される際に、ルックアップテーブルにアクセスし、較正データと、第１および第２の信号とに基づいて、処理ガスの流量値を計算するように構成された制御部分とを備える、質量流量制御器を含む。
【０００６】
別の例示的な実施形態は、質量流量制御器を較正する方法であって、質量流量制御器の弁を第１の位置まで開けて、較正ガスを質量流量制御器中に流すことを可能とするステップと、弁が第１の位置にあるときの、質量流量制御器中の較正ガスの流量を測定するステップと、弁が第１の位置にあるときの、質量流量制御器の熱式質量流量センサのブリッジ回路の第１のノードにおける電圧を示す第１の測定値を得るステップと、質量流量制御器の熱式質量流量センサのブリッジ回路の他の２つのノード間の電圧を示す第２の測定値を得るステップと、測定した流量、第１の測定値、および第２の測定値を示す情報を、質量流量制御器のメモリ内に記憶し、それによって第１のノードにおける電圧、２つのノード間の電圧、および較正ガスの流量に関して記憶した情報を供給するステップとを含む、方法である。
【０００７】
上記およびその他の実施形態について、本明細書においてさらに詳細に説明する。
【０００８】
本発明の様々な目的および利点、ならびにより完全な理解が、以下の「発明を実施するための形態」、および添付の特許請求の範囲を、添付の図面と併せて参照することによって、明白となり、より容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の例示的な実施形態による質量流量制御器の機能ブロック図である。
【図２】図１の質量流量制御器とともに使用することができる例示的な回路のブロック図である。
【図３】図１の質量流量制御器とともに使用することができる回路の別の実施形態のブロック図である。
【図４】本発明の別の例示的な実施形態による質量流量制御器のガス流量を制御する方法の流れ図である。
【図５Ａ】コンバージョンファクタＣＦで調節していない差電圧対流量を示すグラフである。
【図５Ｂ】コンバージョンファクタＣＦで調節していないトップ電圧対流量を示すグラフである。
【図６Ａ】差電圧対流量／ＣＦの商を示すグラフである。
【図６Ｂ】トップ電圧対流量／ＣＦを示すグラフである。
【図７】第１のノードにおけるトップ電圧対差電圧を示すグラフである。
【図８】スケーリングした差電圧対流量を示すグラフである。
【図９】スケーリングしたトップ電圧対流量を示すグラフである。
【図１０】スケーリングしたトップ電圧対差電圧を示すグラフである。
【図１１】広い動作範囲にわたって熱式質量流量センサを使用する方法を示す流れ図である。
【図１２】図１１に示す方法をグラフ表示した図である。
【図１３Ａ】較正データを示す表である。
【図１３Ｂ】動作データを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、図面を参照すると、いくつかの図を通して、適切な場合には、同じまたは類似の要素が同じ参照符号によって示され、特に図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態によるＭＦＣ１００の機能ブロック図である。これらの構成要素の例示された配置は論理的なものであり、実際のハードウェア図を意味するものではない。したがって、これらの構成要素は、実際の実装において組み合わせることができ、さらには分離、削除、および／または補足することができる。当業者には理解されるように、図１に示す構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらのいかなる組合せでも実施することができる。さらに、本明細書に照らして、個々の構成要素の構造は、当業者には周知である。
【００１１】
図示のように、本実施形態では、ＭＦＣ１００のベース１０５は、ガスが中を流れるバイパス１１０を含む。バイパス１１０は、主要経路１１５およびセンサ管１２０に一定比率のガスを送る。したがってセンサ管１２０を通る流体（例えば、ガスまたは液体）の流量は、ＭＦＣ１００の主要経路中を流れる流体の流量を示す。
【００１２】
この実施形態では、センサ管１２０は、ＭＦＣ１００の熱式質量流量センサ１２３の一部である小径管である。また、図示のように、感知素子１２５および１３０が、センサ管１２０の外側に結合されている（例えば、巻き回されている）。例示的な一実施形態では、感知素子１２５および１３０は、抵抗温度計素子（例えば、導線コイル）であるが、その他の種類のセンサ（例えば、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）および熱電対）もやはり使用することができる。
【００１３】
図示のように、感知素子１２５および１３０は、感知素子回路１３５に電気的に接続されている。一般に、感知素子回路１３５は、（感知素子１２５、１３０からの信号１４６、１４８に応答して）２つの出力信号１５０、１５２を供給するように構成され、これらの信号はそれぞれ、別個にかつ／またはともに、センサ管１２０中の流量を示し、したがってＭＦＣ１００の主要経路１１５中の流量を示す。
【００１４】
（例えば、較正ガスが処理ガスと同じである）多くの実装形態では、流量が第１の範囲内にあるとき、第１の出力信号１５０が、ＭＦＣ１００中のより正確な流量指示を供給し、流量が第２の範囲内にあるとき、第２の出力信号１５２が、ＭＦＣ１００中のより正確な流量指示を供給する。例えば、一実施形態では、流量が低範囲（例えば、０から２．０ｓｃｃｍ（標準立法センチメートル毎分））にある場合、第１の出力信号１５０は、第２の信号１５２よりも正確な流量指示を供給し、流量が高範囲（例えば、２．０ｓｃｃｍから２０．０ｓｃｃｍ）にある場合、第２の出力信号１５２は、第１の出力信号１５０よりも正確な流量指示を供給する。
【００１５】
高流量では、信号１５０、１５２は、実質的に、ＭＦＣ１００によって制御される処理ガスの種類に、より依存することが判明している。より具体的には、処理ガスが較正ガス（すなわち、ＭＦＣ１００を較正するために使用されるガス）とは異なる場合、信号１５０、１５２は、追加の処理なしでは、正確な流量指示を供給しないことがしばしばある。したがって、図５〜１３を参照しながら本明細書でさらに説明する他の実施形態では、ＭＦＣ１００は、較正データが、処理ガスとは異なる較正ガスに基づく場合であっても、ＭＦＣ１００の正確な流量指示が得られるように、ＭＦＣ１００によって、較正データ（例えば、単一の較正ガスに基づいた較正データ）を、第１の出力信号１５０および第２の出力信号１５２とともに利用することを可能とする新規な方法を利用している。さらに、ＭＦＣ１００が、図５〜１３を参照しながら説明する方法に従って動作する場合、動作範囲の大部分、または動作範囲全体にわたって両信号を同時に用いて、正確な流量指示を得ることができる。
【００１６】
したがって、一般に、ＭＦＣ１００は、熱センサからの単一の流量信号を処理する典型的な従来技術によるＭＦＣよりも広い流量範囲にわたって、流量を正確に測定し、かつ制御することが可能となる。
【００１７】
図１に示すように、出力信号１５０、１５２は、処理部分１６０、１６０’によって処理して、第１および第２の出力信号１５０、１５２の処理済表示１５０’、１５２’を生成することができる。例えば、処理済表示１５０’、１５２’は、出力信号１５０、１５２それぞれのデジタル表示でよい。より具体的には、処理部分１６０、１６０’は、アナログデジタル変換器を用いて、出力信号１５０、１５２を増幅し、出力信号１５０、１５２のデジタル表示に変換することができる。
【００１８】
当業者には容易に認識されるように、処理部分１６０、１６０’はまた、ＭＦＣ１００の物理的特性、および／またはＭＦＣ１００中を流れる流体（例えば、ガス）の特性に基づいて、（例えば、信号それぞれを所定の較正係数によって調節することによって）信号１５０、１５２それぞれを調節することができる。
【００１９】
この実施形態の制御論理１７０は一般に、出力信号１５０、１５２の一方、または両方に基づいて、制御弁１４０の位置を制御するように構成される。いくつかの実施形態（例えば、図５〜１３を参照しながら説明する実施形態）では、制御論理１７０は、信号１５０、１５２の両方を同時に利用して、質量流量制御器１００の流量を制御することができる。他の実施形態（例えば、較正ガスが処理ガスと同じである場合）では、制御論理１７０は、ＭＦＣ１００が第１の範囲内の質量流量を供給する（例えば、設定点信号に応答する）ときには、（例えば、第１の出力信号の処理済表示１５０’に応答することによって）第１の出力信号１５０を利用し、ＭＦＣ１００が第２の範囲内の質量流量を供給するときには、（例えば、第２の出力信号の処理済表示１５２’に応答することによって）第２の出力信号１５２を利用するように構成される。
【００２０】
必ずしもそうである必要はないが、第１の信号１５０が低流量に関して使用され、第２の信号１５２が高流量に関して使用される実施形態（例えば、較正ガスと処理ガスとが同じである実施形態）の多くの変形形態では、制御論理１７０が、第１の出力信号１５０を利用する範囲と、第２の出力信号１５２を利用する範囲とは、重なり合う。したがって、これらの実施形態では、以下の３つの流量範囲、すなわち１）第１の出力信号だけが利用される流量範囲、２）第１および第２の出力信号の両方が同時に利用される流量範囲（例えば、第１の出力信号に関連する流量範囲と、第２の出力信号に関連する流量範囲とが重なり合う）、３）第２の出力信号だけが利用される別の流量範囲、が存在し得る。
【００２１】
例えば、フルスケール流量において、（第１の出力信号１５０が、第２の出力信号１５２よりも正確な流量指示を与える）第１の範囲が、フルスケール流量の０から２５％をカバーし、（第２の出力信号１５２が、第１の出力信号１５０よりも正確な流量指示を供給する）第２の範囲が、フルスケール流量の１５％から１００％をカバーすることができる。上記範囲は単なる例示にすぎず、低範囲、高範囲、および重なり合う範囲は、感知素子回路の構成（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）を含めて、いくつかの要因に依存して変動し得ることを認識されたい。
【００２２】
引き続きこの例を参照すると、制御論理１７０は、設定点信号がフルスケールの１５％未満を要求している場合は、第１の出力信号１５０（例えば、処理済表示１５０’）だけを用いて弁１４０を制御し、設定点信号がフルスケールの２５％超を要求している場合は、第２の出力信号１５２（例えば、処理済表示１５２’）を用いて弁１４０を制御するように構成することができる。また、設定点信号が１５％から２５％の間（両端を含む）の流量を要求している場合には、両出力信号１５０、１５２を同時に利用する。また、いくつかの変形形態では、重なり合う範囲（例えば、１５％から２５％）が低範囲から高範囲へと移行するにつれて、第１の出力信号１５０の使用は徐々に減少する（一方、第２の出力信号１５２の使用は徐々に増大する）。
【００２３】
再び先の例を引き続き参照すると、ＭＦＣが、フルスケール流量の２０％で動作する場合、各信号の５０％を使用することができる（例えば、各信号１５０、１５２（または表示１５０’、１５２’）に５０％を乗じ、次いで互いに加算して制御弁用の制御信号を生成する）。また、設定点信号がフルスケールの１７％である場合、第１の出力信号１５０の８０％と、第２の出力信号の２０％とを互いに合算して制御弁１４０用の制御信号を生成することができる。こうした百分率は、ＭＦＣ１００の潜在的な動作特性の単なる例示にすぎないことを認識されたい。
【００２４】
感知素子回路１３５は、様々な回路構成によって実現することができる。例えば図２を参照すると、図１を参照しながら説明した感知素子回路１３５を実現するために使用することができる例示的な感知素子回路２３５を含むＭＦＣ（例えば、ＭＦＣ１００）の一部分２００の機能ブロック図である。図示のように、電流源２０５が、４つのノード（２３０、２１３、２４０、および２２３）を含むブリッジ回路に実質的に一定の電流を供給し、これらのノード間に素子が接続されている。
【００２５】
上記素子のうち、２つは固定抵抗素子２１０および２１５（それぞれＲ1およびＲ2）である。例示的な一実施形態では、固定抵抗素子２１０および２１５はどちらも、１０キロオームの高精度抵抗器である。この実施形態においてブリッジ回路の脚を形成する抵抗２２０および２２５（Ｓ1およびＳ2）は、感知素子１２５および１３０にそれぞれ対応する温度依存型の抵抗（例えば、コイル）である。感知素子１２５と１３０とは、共通の１つのノード、すなわちノード２２３を有することが当業者には理解されよう。
【００２６】
この実施形態の電流源２０５は、感知素子２２０および２２５に実質的に一定の電流を供給し、その結果センサ管１２０が加熱することになる。ガスの流動によって温度差が生じ、このガス流動のためセンサの平均温度が低減するので、第２のノード２１３と第４のノード２２３間の第１の出力電圧と、第１のノード２３０と第３のノード２４０間の第２の出力電圧２５２とに変動が生じる。
【００２７】
出力電圧２５０は、感知素子２２０と２２５間の温度差に概ね比例して変動し、電圧２５２は、平均温度に基づいて、非線形に変動する。図示のように、出力電圧２５０、２５２は、処理要素に送って処理する（例えば、差動増幅器に送って、デジタル化、較正、正規化する）ことができ、それによって制御論理が、第１および第２の出力信号２５０、２５２を利用して制御弁を制御することができる。（例えば、図１１、１２、１３Ａ、および１３Ｂを参照しながら）本明細書でさらに論じるように、メモリ２８０は、較正データをルックアップテーブルの形で含むことができ、このルックアップテーブルは、２つの信号２５０、２５２の処理済表示に基づいたデータを、較正ガスの流量値にマッピングするものであり、動作中、処理ガスを制御する際に、このルックアップテーブルにアクセスして、実際の流量値を求める。
【００２８】
この例示的な実施形態では、流量が低流量範囲（例えば、０から２ｓｃｃｍ）内にあるとき、第１の出力信号２５０が、ＭＦＣ１００中の正確な流量指示となる。また、本出願人は、流量が高流量範囲（例えば２から２０ｓｃｃｍ）内にあるとき、第２の出力信号２５２が、ＭＦＣ１００中のより正確な流量指示となることを見出した。
【００２９】
次に、図３を参照すると、図１を参照しながら説明した感知素子回路１３５を実現するために使用することができる別の実施形態の感知素子回路３３５を含むＭＦＣの一部分３００の機能ブロック図である。図示のように、可変電流源３０５が、抵抗３６０を介して、４つのノード（３３０、３１３、３４０、および３３３）を含むブリッジ回路に電流を供給し、これらのノード間に素子が接続されている。この実施形態では、トップ電圧３３０が監視され、トップ電圧３３０が実質的に一定のまま維持されるように電流源３０５が調節される。
【００３０】
この実施形態の電流源３０５は、抵抗素子３６０を介して感知素子３２０および３２５に可変電流を供給し、その結果センサ管１２０が加熱することになる。センサ管１２０を通るガスの流動によって、熱が上流の感知素子１２５から下流の感知素子１３０へと伝達されることになる。この温度差による抵抗の変動によって、第２のノード３１３と第４のノード３２３間で測定可能な第１の出力電圧と、抵抗３６０の両端間の電圧降下を示す第２の出力電圧３５２とが生じる。
【００３１】
出力電圧３５０は、感知素子３２０と３２５間の温度差に概ね比例して変動し、電圧３５２は、非線形に変動する。動作に際しては、トップ電圧３３０は、実質的に一定に維持され、その結果、電流源３０５によって供給される電流が変動するにつれて、電圧３５２も変動する。図示のように、出力電圧３５０、３５２は、処理要素に送って処理する（例えば、増幅、デジタル化、較正、および正規化する）ことができ、それによって制御論理が、第１および第２の出力信号３５０、３５２を利用して制御弁を制御することができる。
【００３２】
この例示的な実施形態では、流量が低流量範囲（例えば、０から２ｓｃｃｍ）内にあるとき、第１の出力信号３５０が、ＭＦＣ１００を通るより正確な流量指示を供給する。また、本出願人は、流量が高流量範囲（例えば２から２０ｓｃｃｍ）内にあるとき、第２の出力信号３５２が、ＭＦＣ１００中のより正確な流量指示となることを見出した。
【００３３】
図４は、本発明の例示的な一実施形態による、ＭＦＣ内の流体（例えば、ガスまたは液体）の流量を測定し、制御する方法の流れ図である。図示のように、この方法は、質量流量制御器（例えば、ＭＦＣ１００）の熱式質量流量センサ（例えば、熱式質量流量センサ１２３）から、第１の入力（例えば、第１の出力信号１５０またはその表示１５０’）を受け取るステップ（ブロック４０５）と、熱式質量流量センサ（例えば、熱式質量流量センサ１２３）から、第２の、別個の入力（例えば、第２の出力信号１５２またはその表示１５２’）を受け取るステップ（ブロック４１０）とを含む。図示のように、質量流量制御器の弁の位置は、ガス流量が第１の流量範囲内にあるとき、第１の入力に応答して制御され（ブロック４１５）、ガス流量が第２の流量範囲内にあるとき、第２の入力に応答して制御される（ブロック４２０）。
【００３４】
先に論じたように、多くの実施形態では、第１の信号を用いて弁を制御する範囲は、第２の信号を用いて弁を制御する範囲と重なり合う。したがって、いくつかの動作モードでは、両入力信号を同時に用いて、制御弁を制御することができる。
【００３５】
再度図２を簡単に参照すると、第２のノード２１３と第４のノード２２３間の差電圧は、質量流量制御器を通る熱流を示す。質量流量のより正確な測定値を得るために、一定のガス圧力における熱容量（Ｃｐ）を利用する。多くの実施形態では、センサ２３５は、あるガス（例えば、窒素）で較正され、較正ガスの熱容量と、動作ガスの熱容量との比（例えば、Ｃｐ（Ｎ2）／Ｃｐ（ガス））を導出することができ、この比はコンバージョンファクタ（ＣＦ）と呼ばれる。コンバージョンファクタ（ＣＦ）は、（例えば、周知の熱容量の比として）分析的に導出することができ、または実際のガス試験（ｌｉｖｅ  ｇａｓ  ｔｅｓｔｉｎｇ）から得ることもできる。
【００３６】
次に、図５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ、および７を参照すると、図５Ａは、ＣＦで調節していない差電圧２５０対流量を示し、図５Ｂは、ＣＦで調節していない第１のノード２３０におけるトップ電圧対流量を示し、図６Ａは、差電圧２５０対流量／ＣＦの商を示し、図６Ｂは、第１のノード２３０におけるトップ電圧対流量／ＣＦを示し、図７は、第１のノード２３０におけるトップ電圧（飽和係数（「ＳＦ」）によってスケーリング済）対差電圧２５０（ＳＦによってスケーリング済）を示す。
【００３７】
図６Ａに示すように、グラフのｘ軸は「流量／ＣＦ」であり、図示のように、流量／ＣＦに関して、低流量（例えば、０から２ｓｃｃｍ、または０から３ｓｃｃｍ）では、異なるガスで同様の傾斜を有している。したがって、電圧を読み取り、図６Ａの較正曲線を用いて流量／ＣＦ値を得、次いでその流量／ＣＦ値にコンバージョンファクタＣＦを乗じることによって実際の流量を得ることによって、質量流量をより正確に示すように差電圧（例えば、出力電圧２５０）を変換することができる。
【００３８】
しかし、より高い流量範囲では、図６Ａに示す較正曲線は非線形になり、その非線形性は異なるガスによって少なくとも部分的に異なり、その理由は、こうした非線形性は、ガスの熱伝導率、センサ管、およびセンサの種類（例えば、コイルの構成および幾何形状）に依存するからである。したがって、比較的予測可能であり、対象となる大部分のガスで周知の熱容量とは異なり、熱伝導率は予測不可能である。また、多くのガスについて、より高い流量での較正曲線を得るための（本明細書に開示のシステムおよび方法以外の）実行可能な既知の唯一の方策は、実際のガス試験を実施することであるが、これにはコストがかかり、典型的には実際的でない。
【００３９】
しかし、本出願人は、比較的高い流量において、複数のガス種について正確な質量流量の読取りを実現する実行可能な技術を見出した。特に、本出願人は、ブリッジ回路の第２のノード２１３と第４のノード２２３間の電圧差を含む第１の測定チャネルと、ブリッジ回路の第１のノード２３０の電圧（本明細書ではトップ電位とも呼ばれる）を含む第２の測定チャネルとの間に明確に規定された関係が存在することを発見した。具体的には、本出願人は、２つのいかなる任意のガス（ガス１およびガス２）についても、差電圧２５０と、ブリッジの第１のノード２３０における電圧とが、広い流量範囲にわたって以下の式を満たすことを見出した。
Ｄ１（ｆ）＝Ｄ２（ＳＦ＊ｆ）／ＳＦ                        式（１）
Ｔ１（ｆ）−Ｔ１（０）＝（Ｔ２（ＳＦ＊ｆ）−Ｔ２（０）／ＳＦ
式（２）
式中、ｆは流量であり、Ｄ１およびＤ２は、ガス１およびガス２それぞれの差電圧関数であり（例えば、Ｄ１はガス１のノード２１３と２２３間の電圧差であり、Ｄ２はガス２のノード２１３と２２３間の電圧差である）、Ｔ１およびＴ２は、ガス１およびガス２それぞれのトップ電圧関数（第１のノード２３０における電位）であり、Ｔ（０）は、流量ゼロ時の第１のノード２３０におけるトップ電圧であり、ＳＦは、ガス１およびガス２の熱伝導率の関数である飽和係数である。
【００４０】
上記式は、グラフの流量軸と電圧軸との両方を、ガス特有の係数である飽和係数ＳＦ（すなわち、ＳＦは各ガスによって異なる）によってスケーリングすることによって視覚的に表すことができる。例えば、図８、９、および１０は、図６Ａ、６Ｂ、および７のグラフを式１および式２に従ってスケーリングした版をそれぞれ示す。図示のように、ＳＦによってスケーリングすると、データを、較正（例えば、窒素）データと整合するようにスケーリングすることができる。
【００４１】
図１１を参照すると、広い動作範囲にわたって熱式質量流量センサを使用する方法を示す流れ図である。図示のように、センサは、（例えば、センサがエンドユーザに提供される前に）較正ガス（例えば、窒素）を用いて較正される（ブロック１１０２）。多くの動作モードにおいて、較正データは、流量ｆｃａｌ（ただし、添字「ｃａｌ」は較正ガスによる較正データであることを示す。以下同じ。）の関数として、差電圧Ｄｃａｌ（ｆｃａｌ）（例えば、電圧２５０）と、ブリッジの第１のノード（例えば、ノード２３０）におけるトップ電圧Ｔｃａｌ（ｆｃａｌ）とに基づいたデータを含む。例えば、多くの実装形態における較正データは、各流量値について、差電圧２５０およびトップ電圧２３０の両方を示すデータを含む。こうしたデータは、ルックアップテーブルの形でメモリ（例えばメモリ２８０）内に記憶することができる。
【００４２】
例えば図１３Ａを簡単に参照すると、較正データは、Ｎ個のデータ組に編成することができ、各データ組は、流量値、その流量値における差電圧を示す値、およびその流量値におけるトップ電圧を示す値を含むことができる。較正データは、ブリッジ回路からの２つの信号に依存するものの、異なる形を取ることができることが確実に企図され、したがって図１３Ａ（および図１３Ｂ）の特定のデータ形式は、本発明の範囲から逸脱することなく変えることができることを認識されたい。
【００４３】
図示のように、較正データは、ルックアップテーブルの形でメモリ（例えば、メモリ２８０）内に配置することができ、このルックアップテーブルは、較正ガスの流量値を、熱式質量流量センサ（例えば、センサ１２３）からの２つの出力値（例えば、出力１５０、１５２、または出力２５０、２５２）に基づいた較正データでマッピングするものである。さらに、Ｎ個のデータ組はそれぞれ、トップ電圧と差電圧との比に基づいた較正比を含むことができる。図１３Ａに図示するように、この較正比は、トップ電圧のゼロオフセット電圧について補正することができ、したがって特定の流量値ｆｃａｌでは、較正比は、（Ｔｃａｌ（ｆｃａｌ）−Ｔｃａｌ（０））／Ｄｃａｌ（ｆｃａｌ）として定義される。説明を簡単にするために図１３Ａには示していないが、差電圧に基づいた値もやはり、差電圧のゼロオフセット電圧について補正することができることが企図される。
【００４４】
必ずしもそうする必要はないが、図１３Ａに示すように、ｓｑｒｔ［（Ｔｃａｌ（ｆｃａｌ）−Ｔｃａｌ（０））2＋Ｄｃａｌ（ｆｃａｌ）2］として定義される振幅値もやはり、計算する（かつ、動作前に記憶しておく）ことができる。代替実施形態では、振幅値は、質量流量制御器が動作してから計算することができ、こうした代替実施形態では、較正データに振幅値を含める必要はない。
【００４５】
図１１に示すように、センサ（例えば、センサ１２３）を一旦較正し、流量なしで使用し、第１のノード（例えば、ノード２３０）におけるトップ電圧Ｔ（０）、ならびに差電圧Ｄ（０）（例えば、電圧２５０）を（例えば、オペレータの要求によって、または周期的な形で自動的に）測定してゼロオフセットデータを得る（ブロック１１０４）。Ｄ（０）およびＴ（０）は、温度に依存し、どちらも温度変化に伴って大幅にドリフトすることがある。Ｄ（０）に関して、ゼロに等しいことが好ましいが、温度のためゼロでないことがあり、したがって実際の値を測定し、以下に示すＤ値全てから減じることができる（しかし、分かりやすいように、この減算は以下には示さない）。Ｔ（０）もやはり、温度とともにドリフトし、したがって下記に示すようにトップ電圧Ｔから減算される。動作に際しては、未知のガス流量「ｆ」について、差電圧Ｄ（ｆ）と、第１のノードにおけるトップ電圧Ｔ（ｆ）とを測定し（ブロック１１０６）、トップ電圧と差電圧との比に基づいて動作比（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  ｒａｔｉｏ）Ｒを計算し、したがって動作比は、Ｒ＝（Ｔ（ｆ）−Ｔ（０））／Ｄ（ｆ）として定義される（ブロック１１０８）。図１３Ｂを簡単に参照すると、例えば、測定した差電圧Ｄ（ｆ）およびトップ電圧Ｔ（ｆ）をメモリに記憶することができ、制御部分（制御論理２７０を含めて）を用いて動作比Ｒを得ることができる。
【００４６】
図示のように、動作比Ｒが得られると、Ｒcal＝（Ｔｃａｌ（ｆｃａｌ）−（Ｔｃａｌ（０））／Ｄｃａｌ（ｆｃａｌ）によって定義される同じ較正比を有する較正データの流量ｆｃａｌが、（例えば、メモリ内のルックアップテーブルから、較正データを検索し、取得することによって）得られる（ブロック１１１０）。言い換えれば、較正データにアクセスし、動作比Ｒに等しい、対応する較正比Ｒcal（Ｒcal＝Ｒ）を有する流量値ｆｃａｌを識別し、次いで、飽和係数ＳＦ、すなわちＳＦ＝振幅／ｓｑｒｔ［（Ｔ（ｆ）−Ｔ（０））2＋Ｄ（ｆ）2）］を計算し（ブロック１１１２）、未知の流量ｆ、すなわちｆ＝ｆｃａｌ／ＳＦを計算する（ブロック１１１４）。したがって、処理ガスが質量流量制御器によって制御される際に、制御部分（例えば、制御論理２７０を含めて）は、予め生成された較正データと、２つの動作出力（例えば、出力１５０、１５２、または出力２５０、２５２）とに基づいて、処理ガスの流量値を計算することができる。
【００４７】
図１２を参照すると、図１１に示す方法のグラフ表示が示されている。図示のように、差電圧Ｄと、第１のノード２３０におけるトップ電圧Ｔとを有する測定流量「ｆ」が、流量ゼロ点を原点としてベクトルＶによって表されている。動作比Ｒ＝（Ｔ−Ｔ（０））／Ｄは、ベクトルＶの方向を表す。図示のように、ベクトルＶｃａｌも、同じ原点および方向を有し、動作比Ｒと同じ比Ｒｃの較正点に向いている。ベクトルＶｃａｌとベクトルＶとの振幅比は、飽和係数、すなわちＳＦ＝ａｂｓ（Ｖｃａｌ）／ａｂｓ（Ｖ）であり、流量ｆが、ｆ＝ｆｃａｌ／ＳＦによって判明する。したがって、本明細書に開示の構造および方法によって、未知の熱伝導率を有する未知のガスについて、広い流量範囲にわたって流量を有効に測定することが可能となる。この例はまた、飽和点を上回る流量を測定する可能性も示している。
【００４８】
低流量では、雑音、およびトップ電圧差（Ｔ（ｆ）−（Ｔ（０））の値が非常に小さいため生じるエラーを低減させるために、差電圧だけを用いる標準の技術を使用して流量を計算することができる。
【００４９】
他の変形形態では、流量が増大していても、第１のノード（例えば、ノード２３０）における電圧を用いて計算することができる。高レベルの流量で、飽和係数ＳＦを非常に正確に測定することができるので、高流量で得られたＳＦ値を記憶し、次いでその値を低流量における計算に使用することが可能である。さらに、ＳＦは、今後の測定のための基準（開始値）として、不揮発性メモリ内に記憶することができる。また、時間にわたるＳＦのいかなる有意な変化も、ガス構成またはセンサ動作の問題を示すものとなり得る。
【００５０】
さらに、いくつかの実施形態では、図１１および１２を参照しながら説明した方法に、いくつかの経験的補正をさらに適用して、非常に高い流量での精度を高めることができる。
【００５１】
結論として、本発明は、とりわけ、質量流量制御器内のガスを測定する方法および装置を提供する。本明細書に記載の実施形態によって実現される結果と実質的に同じ結果を実現するために、本発明、その使用、およびその構成に数多くの変形および置換えを行うことができることが、当業者には容易に認識できよう。したがって、本発明は、開示の例示的な形態に限定する意図はない。数多くの変形形態、改変形態、および代替構成が、特許請求の範囲に記載の開示の発明の範囲および趣旨に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【国際調査報告】
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