(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１の空洞および第２の空洞と、
少なくとも第１の圧力ポートおよび第２の圧力ポートと、
前記第１の空洞を前記第１の圧力ポートに印加される第１の流体圧にさらす第１の隔離膜と、
前記第２の空洞を前記第２の圧力ポートに印加される第２の流体圧にさらす少なくとも第２の隔離膜と、
前記第１の空洞および前記第２の空洞の一方において絶対圧にさらされる少なくとも１つの絶対圧検知素子と、
前記第１の空洞と前記第２の空洞との間の差圧にさらされる少なくとも１つの差圧検知素子とを具備し、
前記少なくとも１つの絶対圧検知素子と前記少なくとも１つの差圧検知素子は、ピエゾ抵抗半導体圧力センサーを具備する絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項２】
前記第１の空洞および前記第２の空洞の少なくとも一方は液体で満たされる請求項１に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項３】
少なくとも前記第１の空洞および前記第２の空洞は単一の本体内に形成される請求項１に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項４】
少なくとも前記第１の空洞および前記第２の空洞は別々の本体内に形成される請求項１に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項５】
前記第１の空洞および前記第２の空洞の少なくとも一方に熱的に結合される少なくとも１つの感温素子を更に具備する請求項１に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項６】
前記絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーは、前記感温素子を用いて、任意のゲージ温度係数を補償する請求項５に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項７】
変換器本体に結合される回路基板を更に具備する請求項１に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項８】
前記回路基板は、前記絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーのための較正データを含むデータを記憶するメモリを更に具備する請求項７に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項９】
前記回路基板は、その挙動が前記絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーによってもたらされる圧力信号の較正に影響を及ぼす計測増幅器および回路を更に具備する請求項８に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項１０】
前記回路基板は、前記絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーがさらされる任意の正味の重力および加速力の大きさおよび方向を示すことができる加速度計を更に具備する請求項７に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項１１】
前記第１の隔離膜および前記第２の隔離膜のうちの少なくとも１つは、可撓性の波形金属ダイヤフラムである請求項１に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項１２】
前記第１の隔離膜および前記第２の隔離膜のうちの少なくとも１つは、前記絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーの取り付け面から盛り上がっている厳密に指定された外形を有する請求項１に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項１３】
前記絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーの、プロセス流体に暴露した全ての表面が耐腐食性合金から形成される請求項１に記載の絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー。
【請求項１４】
層流素子と、
少なくとも第１の空洞および第２の空洞と、少なくとも第１の圧力ポートおよび第２の圧力ポートと、前記第１の空洞を前記第１の圧力ポートに印加される第１の流体圧にさらす第１の隔離膜と、前記第２の空洞を前記第２の圧力ポートに印加される第２の流体圧にさらす第２の隔離膜と、前記第１の空洞および前記第２の空洞の一方において絶対圧にさらされる少なくとも１つの絶対圧検知素子と、前記第１の空洞と前記第２の空洞との間の差圧にさらされる少なくとも１つの差圧検知素子とを含む、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーと、
前記層流素子内の流体の温度を提供する感温素子と、
前記流体の前記温度と、前記絶対圧と、前記差圧と、流体特性および層流素子特性の知識とを前記層流素子を通り抜ける質量流量を示す信号に変換する処理素子とを具備し、
前記少なくとも１つの絶対圧検知素子と前記少なくとも１つの差圧検知素子は、ピエゾ抵抗半導体圧力センサーを具備する質量流量計。
【請求項１５】
前記層流素子内の前記流体の前記温度を提供する前記感温素子は、前記絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー内に組み込まれる請求項１４に記載の質量流量計。
【請求項１６】
前記層流素子内の前記流体の前記温度を提供する前記感温素子は、前記第１の空洞および前記第２の空洞の少なくとも一方に熱的に結合される請求項１５に記載の質量流量計。
【請求項１７】
前記絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーは、前記感温素子を用いて、任意のゲージ温度係数を補償する請求項１５に記載の質量流量計。
【請求項１８】
層流素子と、
少なくとも第１の空洞および第２の空洞と、少なくとも第１の圧力ポートおよび第２の圧力ポートと、前記第１の空洞を前記第１の圧力ポートに印加される第１の流体圧にさらす第１の隔離膜と、前記第２の空洞を前記第２の圧力ポートに印加される第２の流体圧にさらす第２の隔離膜と、前記第１の空洞および前記第２の空洞の一方において絶対圧にさらされる少なくとも１つの絶対圧検知素子と、前記第１の空洞と前記第２の空洞との間の差圧にさらされる少なくとも１つの差圧検知素子とを含む、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーと、
前記層流素子内の流体の温度を提供する感温素子と、
バルブドライブ信号に応答して、前記層流素子を通り抜ける流体の流量を制御する比例制御バルブと、
前記流体の前記温度と、前記絶対圧と、前記差圧と、流体特性および層流素子特徴の知識とを前記層流素子を通り抜ける質量流量を示す信号に変換し、前記層流素子を通り抜ける所望の流量を示す設定点信号を受信し、前記層流素子を通り抜ける質量流量を示す前記信号が前記受信された設定点信号に実質的に一致するように、前記バルブドライブ信号を制御する制御電子回路とを具備し、
前記少なくとも１つの絶対圧検知素子と前記少なくとも１つの差圧検知素子は、ピエゾ抵抗半導体圧力センサーを具備する質量流量コントローラー。
【請求項１９】
前記層流素子内の前記流体の前記温度を提供する前記感温素子は、前記絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー内に組み込まれる請求項１８に記載の質量流量コントローラー。
【請求項２０】
前記絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーは、前記感温素子を用いて、任意のゲージ温度係数を補償する請求項１９に記載の質量流量コントローラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、流体の質量流量を制御するための方法およびシステムに関し、より詳細には、ガスおよび他の圧縮性流体用の質量流量コントローラーおよび質量流量計の動作に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの産業プロセスが種々のプロセス流体の厳密な制御を必要とする。例えば、半導体産業では、質量流量計と、それらの質量流量計を用いるコントローラーとを用いて、プロセスチャンバーに導入されるプロセス流体の量を厳密に測定、制御する。そのようなデバイス内の質量流量に対して、熱、超音波飛行時間、コリオリおよび圧力に基づく技術を含む種々の技術を検討することができる。
【０００３】
圧力に基づく質量流量計は、明確に定められた流れ絞りを用いて、測定する流量に応じた圧力降下を作り、流体特性および流れ絞りの情報と組合せて、温度、結果として生じた圧力降下および（圧縮性流体の場合には）絶対圧の測定値を用いることによって質量流量を計算する。
【０００４】
「流体」という用語は、本明細書において、流動することができる任意の状態にある任意のタイプの物質を示すために用いられる。「気体」という用語は、本明細書において、理想気体または非理想気体、蒸気および超臨界流体のような、その密度が絶対圧に実質的に依存する任意の流体を示すために用いられる。「液体」という用語は、本明細書において、その密度が絶対圧に実質的に依存しない任意の流体を示すために用いられる。
【発明の概要】
【０００５】
開示した実施形態は、少なくとも第１の空洞および第２の空洞と、少なくとも第１の圧力ポートおよび第２の圧力ポートと、第１の空洞を第１の圧力ポートに印加される第１の流体圧にさらす第１の隔離膜と、第２の空洞を第２の圧力ポートに印加される第２の流体圧にさらす第２の隔離膜と、第１の空洞および第２の空洞の一方において絶対圧にさらされる少なくとも１つの絶対圧検知素子と、第１の空洞と第２の空洞との２つの間の差圧にさらされる少なくとも１つの差圧検知素子とを備える、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーを含む。
【０００６】
一実施形態では、第１の圧力ポートおよび第２の圧力ポートは、第１の隔離膜および第２の隔離膜を完全に包囲するシールまたは封止面である。適切なシールまたは封止面を含む隔離膜のための硬質カバーおよび硬質管または自在管を含む、数多くの他のタイプの圧力ポートが同様に可能であり、適している。
【０００７】
一実施形態では、第１の隔離膜および第２の隔離膜は、可撓性の波形金属ダイヤフラムである。可撓性の金属ベローズおよび弾性ダイヤフラムまたはベローズのような、数多くの他のタイプの隔離膜が同様に可能であり、適している。
【０００８】
１つのそのような実施形態では、それらのポートは隔離膜を完全に包囲する封止面からなり、隔離膜は、変換器本体の取り付け面からわずかに盛り上がっている厳密に指定された外形を有する可撓性の波形金属ダイヤフラムである。
【０００９】
一実施形態では、第１の空洞および第２の空洞がシリコーン系オイルで満たされる。
【００１０】
一実施形態では、絶対圧および差圧検知素子は、シリコン歪みゲージを用いる微細加工されたシリコン素子からなる。金属膜歪みゲージを備える適切に支持されたダイヤフラム、或いは、キャパシタンス圧力ゲージのような、数多くの他のタイプの圧力検知素子も同様に適している。
【００１１】
幾つかの実施形態では、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーは、温度センサーも含むことができる。絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーは、温度センサーを用いて任意のゲージ温度係数を補償するように構成することができ、かつ／または、この統合型圧力トランスデューサーを使用するデバイスは、その流量が測定されている流体の温度の代わりとして、センサーによって報告される温度を使用するように構成することができる。
【００１２】
幾つかの実施形態では、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーは、変換器本体に取り付けられる回路基板も備える。回路基板は、限定はしないが、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーのための較正データのようなデータを記憶するメモリ構成要素を備えることができる。回路基板は、被測定圧に及ぶ重力または加速度の影響を自動的に補正できるようにする１または複数の加速度計を備えることができる。また、回路基板は、絶対圧検知素子および差圧検知素子、並びに他の構成要素の出力信号を増幅する計測増幅器または他の増幅器も備えることができる。
【００１３】
上記の概要は、単に、本明細書において開示される特定の実施形態の例を提供するだけであり、特許請求の範囲を網羅することや、制限することは意図していない。開示される実施形態の他の実施形態および利点は、詳細な説明において更に説明されることになる。
【００１４】
本発明の例示の実施形態は、添付図面の図を参照して以下で詳細に説明される。これらの図は、引用することによって本明細書の一部をなす。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】特許請求される発明の一実施形態による、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーの断面図である。
【図２】特許請求される発明の一実施形態による、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーの正面図である。
【図３】特許請求される発明の一実施形態による、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーの背面図である。
【図４】開示される実施形態による絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーの実施形態を組み込むことができる質量流量コントローラーの一例を示す図である。
【図５】開示される実施形態による絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーの実施形態を組み込むことができる質量流量計の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
示した図は、例示にすぎず、種々の実施形態を実施することができる環境、アーキテクチャ、設計またはプロセスに関する限定を主張することも意味することも何ら意図していない。
【００１７】
気体用の、圧力に基づく質量流量コントローラー（ＭＦＣ：mass flow controller)および質量流量計（ＭＦＭ：mass flow meter）は通常、何らかの形の流量制限器と、流量制限器の上流および下流の両方の圧力を計算できるようにするのに適切な場所に配置される２つ以上の圧力変換器とを利用する。
【００１８】
例えば、圧力に基づく多くのＭＦＭは、その性能が、速度ヘッド（気体を制限器内でその速度まで加速するために圧力降下が必要とされる）ではなく、主に層流特性によって決定される、層流素子として知られるタイプの流量制限器を使用する。最初に、層流素子を通り抜ける理想気体の流量を以下のように計算することができる。
【数１】
0006522624.tif 000002
ただし、Ｑｓは質量流量であり、Ｋは気体の温度、粘度および圧縮率と、層流素子の形状によって決まる値であり、Ｐｕは層流素子の上流の絶対圧であり、Ｐｄは層流素子の下流の絶対圧である。
【００１９】
デバイスレンジの小さなパーセンテージに等しい流量をもたらすのに、相対的に大きな上流圧が必要なので、この特性は、Ｐｄが低い値であるときに、すなわち、下流圧が上流圧よりはるかに小さいときに極めて有利である。例えば、流量制限器が、真空にするのに、フルスケールにおいて1000Torr(約20PSIA)の圧力降下をもたらす場合には、真空への100Torrの圧力降下は、フルスケール流量の１％を与えるにすぎない。相対的に低い流量の場合であっても、結果として生成される圧力降下が相対的に大きいので、これは、真空への低い流量に関して良好な測定を可能にする。
【００２０】
しかしながら、出口圧が増加するとき、層流素子の圧力降下は実質的に減少する。本発明の例では、例えば、層流素子の下流が大気圧(760Torr)である場合、フルスケール流量の１％の圧力降下は、6.55Torrまでしか降下しない。これは、素子の下流が真空である場合に同じ流量における素子の圧力降下の７％未満であり、この構成のために必要とされる変換器レンジの１％よりはるかに小さい。その特性は、出口において真空である場合の性能に比べて、高い出口圧において流量計の精度を実質的に劣化させる。
【００２１】
さらに、そのようなＭＦＭを用いる質量流量コントローラー（ＭＦＣ）も、同じ問題に直面する。
【００２２】
層流素子を用いる圧力に基づく一般的なＭＦＣおよびＭＦＭは、２つの独立した絶対圧変換器を使用し、１つは層流素子の上流にあり、１つは素子の下流にある。しかしながら、このようにして、広い出口圧レンジにわたって良好に作動するように組み立てられたＭＦＣの場合、２つの圧力変換器が厳密に一致することが不可欠である。これらの２つの圧力変換器は、正確にゼロに合わせる必要があるだけでなく、一致する利得および一致する非線形性を有する必要もある。２つの変換器の利得または非線形性に多少なりとも違いがあると、２つの変換器のゼロに何らかの違いがある場合と同様に、出口圧が変化するにつれて、流量計のゼロにシフトが生じることになる。
【００２３】
臨界流ノズル、オリフィスまたは他の非層流素子を用いる圧力に基づくＭＦＣおよびＭＦＭは、低い流量において使用されるとき、そして更には適度に高い出口圧において使用されるときに、更なる劣化を受ける。
【００２４】
圧力に基づく一般的なＭＦＣおよびＭＦＭは、２つの異なる方策を用いて、この問題に対処してきた。
【００２５】
第１の手法は、通常、計測学仕様のＭＦＭにおいて使用され、極めて高精度で、高額の変換器を使用することである。一例として、MolBox（商標）（ＤＨＩ（商標）によって製造される圧力に基づく質量流量計のエレクトロニクス部分）は、Paro Scientific社によって製造される２つの水晶振動子式DigiQuartz（商標）圧力変換器を使用する。これらの圧力変換器は、精度および安定性があることでよく知られているか、コストがかなり高い高性能の変換器である。そのような変換器は、海底数千メートル下方から１ｃｍ未満の水深の変化を検出することができる津波検出器および層流素子として水晶能力を用いる少なくとも１つのＮＩＳＴ（商標）（National Institute of Science & Technology）層流計のような、他の極めて高精度の適用例においても使用される。
【００２６】
多くの安価で小型の、圧力に基づくＭＦＣ（Horiba D200（商標）シリーズ等）およびＭＦＭは、はるかに安価な絶対圧変換器を使用し、主として、高い出口圧における精度仕様を大幅に緩和することに頼る。例えば、Ｄ２００シリーズは、出口圧が13.3kPa未満(〜100Torr)であるとき、0.5%設定値までフルスケールの0.05%の精度を保証するが、出口圧が13.3kPa〜53.3kPa(〜400Torr)であるとき、フルスケールの0.1%の精度しか、そして２％設定値までしか保証しない。
【００２７】
いずれの方策を用いるデバイスとも、変換器の定期的な「風袋引き（taring）」（すなわち、両方の変換器が同じ圧力にさらされるときに、同一の圧力示度を提供するように、一方または両方の変換器のゼロオフセットを調整すること）に頼る。実際の動作時の出口圧における適切な風袋引きは、風袋引きのために用いられる出口圧におけるこれらのデバイスの性能を著しく改善することができる。しかし、多くのＭＦＣおよびＭＦＭ適用例が、相対的に広い出口圧レンジにわたる（例えば、真空から400Torrまでの）性能を必要とする。風袋引きは、そのレンジ内の１つの圧力、すなわち、風袋引きが行われた圧力においてのみ適切な補正を確実にすることができる。変換器間の利得または非線形性に多少なりとも違いがあると、出口圧が、風袋引きが実行された圧力から外れるにつれて、大きな誤差を導入することになる。
【００２８】
圧力に基づくＭＦＣまたはＭＦＭの性能を著しく改善する１つの方法は、絶対圧変換器のうちの１つを、素子にわたる圧力降下を直接報告することができる差圧変換器と置き換えることである。これは、制限器の上流および下流において同一の圧力にさらされるときに、依然として差圧変換器のゼロを定期的に調整する必要があるので、風袋引きを完全には不要にしない。しかし、２つの変換器の利得または非線形性の不一致が、流量ゼロ時の差圧変換器からの示度に影響を及ぼさないので、計算された流量がこれらの不一致から受ける影響を大幅に低減する。
【００２９】
１つの変換器からのドリフトのみが差圧測定に寄与するので、差圧変換器を使用すると、時間または温度にわたる変換器の未補正ゼロドリフトの影響も著しく低減される。
【００３０】
本明細書において使用可能な差圧変換器は通常、何らかの「コモンモード」感度（すなわち、絶対圧の関数としてのゼロの小さなシフト）を有するので、差圧変換器を使用しても、差圧変換器の圧力に対する感度を完全には除去しない。しかし、このコモンモード感度は通常小さく、容易に、かつ安価に測定することができ、概ね完全に補償することができ、変換器の温度または寿命のいずれにわたってもほとんど変化しないはずである。
【００３１】
しかしながら、差圧変換器と、別の絶対圧変換器との両方を用いることにも以下の欠点がある。
【００３２】
コスト。圧力変換器のコストの大きな要因のうちの１つは、単に、接液材と、その製造および処理とに関するコストである。検知素子が、被検知媒質から隔離されることを必要とする環境（大部分の半導体産業の適用例のように）の場合に、変換器のコストは、必要とされるダイヤフラムまたは他の隔離膜の数によって大きく左右される。ウエット／ウエット差圧変換器は、２つの高純度のダイヤフラムと、被検知媒質にさらされる関連付けられるシールとを有するので、差圧変換器が取って代わる絶対圧変換器より、購入および設置の両方に関して実質的により高いコストがかかる。
【００３３】
サイズ。一般的な差圧変換器は絶対圧変換器より大きく、通常、一般的な低レンジＭＦＣまたはＭＦＭの標準的なフォームファクターにおいて不都合である配管接続を必要とする。
【００３４】
信頼性。あらゆるシールおよび隔離膜につき、故障が起こり得る箇所がもたらされる。それ以外の全てが等しいとき、３つの圧力変換器シールおよび３つの隔離膜を備えるシステムは、２つのみのシールおよび隔離膜を備える同等のシステムより、５０％以上高いシールおよび隔離膜故障を被るおそれがある。
【００３５】
これらの問題のうちの幾つかを克服するために、本開示は、圧力に基づく流量計および流量コントローラーにおいて使用するのに適した絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーを提供する。開示される実施形態による絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーの一実施形態の一例が図面に示される。
【００３６】
以下の検討は主に気体流量計に当てはまるが、液体流量計が、たとえ、絶対圧に対して相対的に反応しにくいことに起因して、通常は差圧変換器のみを用いて別の方法において十分に機能するにしても、本明細書において開示される絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーは、液体流量コントローラーにおいても役に立つ場合がある（制御システムに対して有用な情報をもたらすことができる）。さらに、以下の検討はＭＦＣおよびＭＦＭに向けられるが、同じ問題のうちの少なくとも幾つかは、気体用の、圧力に基づく容積式流量計（ＧＦＭ）にも影響を及ぼす。
【００３７】
図１〜図３は各々、特許請求される発明の一実施形態による、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００の断面図、正面図および背面図を示す。絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００の例示的なサイズは、５０ｍｍ×２６ｍｍとすることができる。
【００３８】
図１〜図３を参照すると、一実施形態では、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００は、圧力ポート２１６および隔離膜２１４を介して流量計の上流の圧力にさらされる少なくとも２つの空洞２１０を有する本体２０８を含む。
【００３９】
一例として、一実施形態では、圧力ポート２１６は、本体の面に機械加工されるシールディテールであり、隔離膜２１４は、可撓性の波形金属ダイヤフラムであり、空洞２１０は、シリコーンオイルまたは他の適切な液体で満たされる。
【００４０】
一実施形態では、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００は、液体で満たされた空洞２１０のうちの１つにおける絶対圧を報告するための絶対圧検知素子２２０を含む。一実施形態では、絶対圧検知素子２２０は、ピエゾ抵抗半導体圧力センサーとすることができるが、他の技術を用いることもできる。
【００４１】
また、開示される実施形態では、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００は、液体で満たされた空洞間の差圧を報告するための差圧検知素子２３０を含む。一実施形態では、差圧検知素子２３０は、第２のピエゾ抵抗半導体圧力変換器とすることができるが、他の技術を用いることもできる。
【００４２】
図１は、液体で満たされた空洞２１０の各々の中に位置する１つの圧力検知素子を示すが、特定の実施形態では、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００は、液体で満たされた同じ空洞２１０内に絶対圧検知素子２２０および差圧検知素子２３０の両方が位置するように作製することができる。
【００４３】
別の実施形態では、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００は、液体で満たされた各空洞２１０内に、差圧検知素子２３０に加えて、絶対圧検知素子２２０を備えるように作製することができる。この実施形態によれば、１つの絶対圧検知素子と、１つの差圧検知素子とを組み合わせただけでは検出できない幾つかの圧力変換器障害（長期ドリフトまたは未補償ゼロまたはスパン温度係数誤差等）を検出できるようになる。
【００４４】
一実施形態では、変換器本体２０８の背面に回路基板２０４が取り付けられる。特定の実施形態では、回路基板２０４は、フラッシュメモリおよびフレキシブルケーブルコネクタ２１２を含む。また、回路基板２０４は、任意の変換器特有のバランス抵抗器または他のトリム抵抗器を取り付ける場所も提供することができる。特定の実施形態では、回路基板２０４は、埋め込まれた圧力変換器の出力を増幅するために必要とされる計測増幅器と、必要とされるドライブ回路のうちの幾つかまたは全てと、定電流ドライブによって必要とされるか、または、定電圧ドライブで変換器温度を検知するために必要とされる電流検知抵抗器と、変換器較正または他の所望のデータのための記憶装置等を設けることもできる。回路基板２０４は、本体内に含まれる圧力検知素子２２０、２３０との電気的接続をもたらす、変換器本体２０８からのピンによって支持することができる。幾つかの実施形態では、回路基板２０４は、ねじ頭を取り付ける変換器周囲にクリアランスを与えるために、１または複数のノッチ２０２または穴を含むことができる。
【００４５】
特定の実施形態では、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００は、温度センサー２４０を含むことができる。温度センサー２４０は、任意のゲージ温度係数を補償するために、かつ流量が計算されることになる流体の温度に代わるものとして用いることができる。一実施形態では、温度センサー２４０は、平均測定値を得るために、図１に示すように、変換器本体２０８に埋め込むことができる。限定はしないが、温度センサー２４０の例は、熱電対、サーミスター、ＲＴＤまたは別の集積回路デバイスを用いることを含む。
【００４６】
他の実施形態では、温度は、絶対圧検知素子２２０または差圧検知素子２３０のうちの１つまたは複数に埋め込まれた歪みゲージブリッジの抵抗を測定し、被測定抵抗を温度に変換することによって求めることができる。
【００４７】
一実施形態では、隔離膜２１４は、高純度ステンレス鋼若しくはHastelloy（商標）のような任意の適切な金属、または、他の適切な材料から製造される薄い可撓性ダイヤフラムからなり、厳密に指定された外形（例えば、±０．１５ｍｍに指定された外形）を有するように製造され、変換器本体２０８の面からわずかに突出するように位置決めされる。この実施形態は、低い流量レンジの場合に、バルブを閉じた後に長いブリードダウン時間に直面する気体流量コントローラーにおいて有用である。このブリードダウン時間は、上流制御バルブと層流素子との間の容積を占有する気体から生じ、その気体は層流素子を通して排出しなければならない。開示される実施形態によれば、厳密に制御される隔離膜形状を与えることによって、この容積を依然として最小化し、それゆえ、ブリードダウン時間を最小化しながら、変換器構造が取り付けられるデバイスを容易に製造できるようになる。
【００４８】
別の実施形態では、圧力ポート２１６は、隔離膜の大部分を覆う硬質カバーを含むように製造することができ、膜とカバーとの間にごく小さく、厳密に制御された間隙を設け、容積および結果として生じるブリードダウン時間を同様に最小化する。
【００４９】
他の実施形態では、圧力ポートは、変換器本体２０８の取り付け面と同一平面をなすことができるか、或いは取り付け面から後退することができる。
【００５０】
さらに、幾つかの実施形態では、限定はしないが、ベローズのような他の材料またはデバイスを隔離膜として用いることができる。
【００５１】
特定の実施形態では、変換器本体２０８は、気体／液体経路に露出される全ての表面に関して、限定はしないが、Hastelloy(商標）または316L VIM-VARのような耐腐食性合金から形成することができる。他の表面は、任意の従来のステンレス鋼から形成することができる。
【００５２】
図４は、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００の一実施形態を組み込むことができる圧力に基づく質量流量コントローラー４００の一例を概略的に示す。圧力に基づく質量流量コントローラー４００は、流体流量の変化が、流体制限器の上流および／または下流の流体圧の変化を引き起こし、そこから流体流量を計算することができるという原理に基づいて動作する。
【００５３】
図示される実施形態では、質量流量コントローラー４００は、数ある中でも、電源コネクタ４０２と、ディスプレイインターフェース４０４と、通信インターフェース４０６（例えば、ＲＳ４８５通信インターフェースコネクタ）と、制御電子回路４６０と、流体通路４２２と、１または複数の温度センサー／検知素子４２４と、流量制御バルブアセンブリ４５０と、開示される絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００の少なくとも１つの実施形態とを含む。
【００５４】
質量流量コントローラー４００は、デバイスに流体を導入するための入口４２０と、（例えば、処理チャンバーに）流体が出る出口４３０とを更に含む。流体は、流体通路４２２に沿って、質量流量コントローラー４００の中を流れる。幾つかの実施形態では、流体通路４２２は、ヒーターと、流体通路４２２に沿って温度を検知するための１または複数の温度センサー（温度センサー４２４および／または特定の実施形態では温度センサー２４０等）とを用いて一定の温度に保持される。
【００５５】
図示される実施形態では、流量制御バルブアセンブリ４５０は、入口４２０付近の流体通路４２２に沿って配置される。流量制御バルブアセンブリ４５０は、質量流量コントローラー４００を通り抜ける流体の量を制御するために調整可能である比例制御バルブを含む。
【００５６】
さらに、質量流量コントローラー４００は層流素子４４０を含む。層流素子４４０は、細い流路内の層流を確実にするように構成され、流体内に剪断力に起因する圧力降下を引き起こす。さらに、幾つかの実施形態では、１または複数の温度センサー４２４および／または温度センサー２４０は、層流素子４４０内の流体の温度を提供するように構成することができる。
【００５７】
絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００は、流量制御バルブアセンブリ４５０の下流の流体通路４２２に結合される。絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００は、上記で説明されたように、少なくとも１つの絶対圧検知素子と、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００の少なくとも２つの空洞間の差圧にさらされる少なくとも１つの差圧検知素子とを用いて、絶対圧と、層流素子にわたる差圧降下とを求める。
【００５８】
一実施形態では、質量流量コントローラー４００は制御電子回路４６０を含み、この制御電子回路は、ロジック、回路、メモリおよび１または複数の処理素子（プロセッサ）から構成することができる。制御電子回路４６０は、所望の質量流量を示す設定点に従って、流量制御バルブアセンブリ４５０内のバルブの位置を制御する。例えば、一実施形態では、制御電子回路４６０は、温度センサー４２４および／または温度センサー２４０のような温度検知素子から層流素子４４０内の流体の温度と、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００から絶対圧および差圧と、層流素子を通り抜ける所望の流量を示す設定点信号とを受信する。制御電子回路４６０は、受信された情報を用いて、絶対圧差圧および温度依存性の流体特性および層流素子の特性の両方に関する知識を、層流素子を通り抜ける質量流量を示す信号に変換する。例えば、一実施形態では、制御電子回路４６０は、ハーゲン−ポアズイユの式を用いて、圧力降下を容積流量に関連付けるように構成され、その後、所与の温度および圧力における密度補正を用いて、容積流量が質量流量に変換される。その後、制御電子回路４６０は、層流素子を通り抜ける質量流量を示す信号が、受信された設定点信号と実質的に一致するように、比例制御バルブを制御するためのバルブドライブ信号を生成する。例えば、一実施形態では、制御バルブドライブ信号は、流体の所望の質量流量を示す設定点信号と、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００を用いて制御電子回路４６０によって求められる実際の質量流量に関連付けられるフィードバック信号との間の差である誤差信号に基づいて生成される。
【００５９】
図５は、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００の一実施形態を組み込むことができる圧力に基づく質量流量計５００の一例を示す概略図である。圧力に基づく質量流量計５００は、質量流量計５００および制御電子回路１６０が、デバイスを通り抜ける流体の質量流量を求めるだけで、流体の量を制御しないことを除いて、質量流量コントローラー４００の構成要素に類似の構成要素を含む。その場合に、質量流量計５００は、質量流量コントローラー４００において説明されたような、流量制御バルブアセンブリ４５０を備えていない。
【００６０】
したがって、開示される実施形態は、気体および液体両方に関して圧力に基づく質量流量計および質量流量コントローラーにおいて用いるのに適した絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサーの種々の実施形態を提供する。
【００６１】
これまで、最良の形態であると見なされるものおよび／または他の例を説明および図示してきたが、本発明において種々の変更を加えることができること、本明細書において開示される主題が種々の形および例において実施できること、そして、それらの教示が数多くの適用例において適用することができ、そのうちの幾つかのみが本明細書に示されたことを理解されたい。当業者は、本開示が種々の変更および／または改善を受け入れることができることを認識されよう。そのような変更は、本教示の真の範囲内に含まれることを意図している。
【００６２】
例えば、複数の図面が、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００を、他の小型の市販のＭＦＣに類似のフォームファクターを有する質量流量コントローラーとともに使用するために適用可能である、本体の同じ面上に両方の圧力ポート（波形ダイヤフラム）を備える単一の機械本体として示すが、開示される実施形態による他の構成は、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００の両端に、或いは、隣接する面に圧力ポートを有することもできる。さらに、特定の実施形態では、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００は、液体で満たされた自在管によって接続される２つの個別の機械的単位（おそらく、長方形または円筒形のいずれか）として製造される場合がある。
【００６３】
さらに、特定の実施形態では、絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー２００は３つ以上の空洞を含む。例えば、２つの層流素子および単一の３空洞絶対圧および差圧変換器の周囲に２入力単出力混合流量コントローラーを組み立てることができる。幾つかの実施形態では、３ポート統合型圧力トランスデューサーが、１つの空洞内の（両方の層流素子の下流において圧力にさらされる）絶対圧変換器と、各層流素子の上流の圧力にさらされる別の空洞と、層流素子のうちの１つにわたる圧力降下を各々報告する２つの差圧変換器とを有することができる。
【００６４】
数量が特定されていないもの（"a", "an" and "the"）は、本明細書において用いられるとき、文脈が複数形を含まないことを明確に示していない限り、複数形も同様に含むように意図されている。「備える」という用語は、この明細書および／または特許請求の範囲において用いられるとき、明記した特徴、完全体、ステップ、作用、要素および／または構成要素が存在することを明示しているが、１または複数の他の特徴、完全体、ステップ、作用、要素、構成要素、および／または、それらの群が存在することまたは追加されることを排除していないことが更に理解されるであろう。添付の特許請求の範囲における全ての手段またはステップに機能を加えた要素の対応する構造、材料、作用および均等物は、その機能を、具体的に請求項に記載されている他の請求項に記載の要素と組み合わせて実行するための任意の構造、材料または作用を含むように意図されている。本発明の説明は、例示および説明の目的で提示されており、網羅的であることも、開示した形態の発明に限定されることも意図するものではない。
【００６５】
上記の通り、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が当業者に明らかであろう。実施形態は、本発明の原理および実用的な用途を説明するとともに、他の当業者が、考慮されている特定の使用に適するように様々な変更を有する様々な実施形態について本発明を理解することを可能にするために選ばれて記載されている。請求項の範囲は、開示した実施形態および任意のそのような変更を広く包含するように意図されている。
【符号の説明】
【００６６】
１６０    制御電子回路
２００    絶対圧差圧統合型圧力トランスデューサー
２０２    ノッチ
２０４    回路基板
２０８    変換器本体
２１０    空洞
２１２    フレキシブルケーブルコネクタ
２１４    隔離膜
２１６    圧力ポート
２２０    絶対圧検知素子
２３０    差圧検知素子
２４０    温度センサー
４００    質量流量コントローラー
４０２    電源コネクタ
４０４    ディスプレイインターフェース
４０６    通信インターフェース
４２０    入口
４２２    流体通路
４２４    温度センサー
４３０    出口
４４０    層流素子
４５０    流量制御バルブアセンブリ
４６０    制御電子回路
５００    質量流量計
【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５】
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