圧力式流量制御装置
【課題】 非臨界膨張条件にある流体中の同一点の流体圧力と流体温度を同時に測定してオリフィス通過流量を高精度に制御できる圧力式流量制御装置を実現する。
【解決手段】 流量制御用のオリフィス４と、オリフィス４の上流側配管に設けられたコントロールバルブ２２と、オリフィス４とコントロールバルブ２２の間に設けて上流側圧力Ｐ１を検出する上流側圧力センサ１０と、オリフィス４の下流側配管に設けて下流側圧力Ｐ２を検出する下流側圧力センサ１２と、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２によりオリフィス通過流量を流量式Ｑｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎによって演算しながらコントロールバルブの開閉によりオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置であって、上流側圧力センサ１０又は下流側圧力センサ１２は圧力を受けたときに電気抵抗が変化する抵抗素子から構成され、この圧力センサとしての抵抗素子を同時に温度センサとしても用いる。
【解決手段】 流量制御用のオリフィス４と、オリフィス４の上流側配管に設けられたコントロールバルブ２２と、オリフィス４とコントロールバルブ２２の間に設けて上流側圧力Ｐ１を検出する上流側圧力センサ１０と、オリフィス４の下流側配管に設けて下流側圧力Ｐ２を検出する下流側圧力センサ１２と、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２によりオリフィス通過流量を流量式Ｑｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎによって演算しながらコントロールバルブの開閉によりオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置であって、上流側圧力センサ１０又は下流側圧力センサ１２は圧力を受けたときに電気抵抗が変化する抵抗素子から構成され、この圧力センサとしての抵抗素子を同時に温度センサとしても用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主として半導体製造設備や化学プラント等で使用される圧力式流量制御装置に関し、更に詳細には、流体の圧力を計測する圧力センサを抵抗素子で構成し、同時にこの抵抗素子を流体温度計測用の温度センサとして使用する圧力式流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造設備や化学プラントなどでは、原料となる複数のガスを所定の流量で供給し、原料ガスを反応炉の中で化学反応させて目的ガスを生成する場合が多い。このような場合に、原料ガスの供給流量が正確でないと化学反応に過不足が生じ、目的ガスの中に原料ガスが残留する事態が生じる。特に、この原料ガスが引火性の場合には爆発の危険性が付きまとう。
【０００３】
従来、ガス流量を正確に制御するために、配管内にオリフィスを配置し、このオリフィスを通過する理論流量として出来るだけ精度の良い流量式が選択されてきた。特に、ガス流の非圧縮性を考慮して、オリフィスを通過するガス流の流速を音速領域に設定して流量制御する方法が使用されている。
【０００４】
この流量制御方法では、オリフィスの上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２の圧力比Ｐ２／Ｐ１を約０．５の臨界値より小さくしたとき、オリフィスを通過するガスの流速が音速に達し、この音速領域で理論流量式が高精度にＱｃ＝ＫＰ１によって表現される性質が利用されている。ここで、比例係数Ｋは流体の種類と流体温度に依存することが分かっている。
【０００５】
この理論流量式によりオリフィス通過流量を制御するには、オリフィスの上流側圧力Ｐ１と上流側の流体温度Ｔを正確に測定することが必要となる。上流側圧力Ｐ１はダイヤフラムで受圧され、圧力伝達媒体を経由して抵抗素子で測定される。他方、流体温度Ｔはオリフィスを組み込んだ弁装置にサーミスタを別個に配置することにより測定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３３８５４６号
【特許文献２】特開２０００−３２２１３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、上流側圧力はダイヤフラムに直接接触して作用し、圧力伝達媒体を経由して圧力センサである抵抗素子で計測されるから、流体圧を正確に測定することができる。他方、温度センサであるサーミスタは流体に直接接触せず、前述した弁装置内のオリフィス近傍位置に配置されている。流体はオリフィスを継続的に通過するから、オリフィス近傍位置は流体と熱平衡状態に到達して温度が等しくなっていると考えられ、オリフィス近傍位置に配置されたサーミスタは流体温度を正確に再現できると考えられたからである。
【０００８】
ところが、弁装置は一般に金属により形成されるから、熱伝導性は極めて高い。流体からオリフィス位置で吸引された熱は、弁装置の外側表面へと急速に熱伝達し、この温度傾斜によりオリフィスから少し離れた位置の温度でも、流体温度と同一ではない。サーミスタは有限の幾何学的寸法を有しているから、サーミスタがオリフィス近傍に配置されたとしても、その測定温度は流体温度から僅かにずれていると考えられる。従って、このサーミスタ温度を流体温度として流量を計算した場合には、Ｑｃ＝ＫＰ１による演算流量に誤差を誘導する第１の原因となる。
【０００９】
また、Ｑｃ＝ＫＰ１の演算に使用される上流側圧力Ｐ１と流体温度Ｔは、理論的には上流側流体の同一点における圧力と温度である。このことは流量式Ｑｃ＝ＫＰ１を導出する過程において、同一点の圧力Ｐと温度Ｔが使用されていることからも理解できる。
【００１０】
ところが、従来の圧力式流量制御装置では、前述したように、抵抗素子により流体圧力を測定し、別に配置されたサーミスタにより流体温度を測定している。抵抗素子とサーミスタが極小化されたとしても、両者は別体であるから、必然的に圧力と温度の測定点は異なってくる。両者が有限の大きさを有し、しかも取付位置が異なっている実情では、圧力と温度の測定位置が多少とも離間し、前記流量式に第２の誤差を誘導する原因となる。
【００１１】
従って、本発明に係る圧力式流量制御装置の温度測定装置は、流体圧力を測定する位置と同一位置の流体温度を直接測定することにより、流量式の理論的要請を満足させて、オリフィスを通過する流体の流量を高精度に制御することを目的とする。この目的を達成するために、本発明は下記の発明群から構成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、流量制御用のオリフィスと、オリフィスの上流側配管に設けられたコントロールバルブと、オリフィスとコントロールバルブの間に設けて上流側圧力Ｐ１を検出する上流側圧力センサと、オリフィスの下流側配管に設けて下流側圧力Ｐ２を検出する下流側圧力センサと、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２によりオリフィス通過流量を流量式Ｑｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎ（Ｋは流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量をこの流量式でフィットすることにより導出された値）によって演算しながらコントロールバルブの開閉によりオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置であって、前記上流側圧力センサ又は下流側圧力センサは圧力を受けたときに電気抵抗が変化する抵抗素子から構成され、この圧力センサとしての抵抗素子を同時に温度センサとしても用いることを特徴とする圧力式流量制御装置である。
【００１３】
第２の発明は、前記抵抗素子において、受圧面に４個の抵抗が配置され、この４個の抵抗を４辺とするブリッジ回路が形成され、このブリッジ回路の入力端子間に定電流電源が接続され、出力端子間の電圧変化で流体圧力を検出し、前記入力端子間の電圧変化で流体温度を検出する圧力式流量制御装置である。
【００１４】
第３の発明は、シリコン基板に抵抗が拡散形成された抵抗素子を用いる圧力式流量制御装置である。
【００１５】
第４の発明は、第１の発明において、前記流量式の指数ｍ、ｎがｍ＝ｎ＝０．５である圧力式流量制御装置である。
【発明の効果】
【００１６】
第1の発明によれば、オリフィス通過流速が音速よりも低い非臨界膨張条件下において、上流側圧力センサまたは下流側圧力センサの少なくとも一方を抵抗素子で構成するから、この抵抗素子により流体圧力と流体温度の両方が同時に測定でき、従来から必要であった温度センサが不要となり、しかも流体の同一点の圧力と温度を同時に測定できる。従って、回路構成の簡単化と流量制御の高性能化を同時的に満足し、装置全体の低価格化に貢献できる。
【００１７】
第２の発明によれば、受圧面に４個の抵抗を配置し、この４個の抵抗を４辺とするブリッジ回路から抵抗素子を構成するから、ブリッジ回路の入力端子間に定電流電源を接続すると、出力端子間電圧で流体圧力を検出し、入力端子間電圧（ブリッジ電圧）で流体温度を検出することが可能となる。従って、従来から圧力センサとして利用されてきた抵抗素子を圧力温度センサとして圧力式流量制御回路に用いて、部品点数の減少と価格低減に貢献することができる。
【００１８】
第３の発明によれば、従来から存する拡散型半導体圧力トランスジューサを温度トランスジューサとしても機能させることができ、この新規な拡散型半導体圧力温度トランスジューサを圧力式流量制御装置に組み込んで、部品点数の低減による装置サイズの低減化と同一点の圧力と温度を同時測定する事による圧力式流量制御装置の高性能化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】臨界条件を利用した圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。
【図２】抵抗素子からなる圧力温度センサ１０の要部断面斜視図である。
【図３】図２に示す抵抗素子の等価回路図である。
【図４】圧力温度センサ１０の圧力特性と温度特性測定用の実験装置図である。
【図５】３種類の圧力温度センサのブリッジ電圧―温度特性図である。
【図６】３種類の圧力温度センサの同一温度におけるブリッジ電圧―圧力特性図である。
【図７】本発明の圧力式流量制御装置の制御系の詳細ブロック構成図である。
【図８】本発明に係る非臨界膨張条件を利用した圧力式流量制御装置の流量制御の構成図である。
【図９】本発明に係る非臨界膨張条件を利用した改良型圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明者等は、流体中の同一位置における流体圧力と流体温度を同時に計測するために鋭意研究した結果、圧力センサと温度センサを別体で配置することを止め、圧力センサを同時に温度センサとして利用できないかという着想を得て本発明を想到するに到ったものである。
【００２１】
本発明者等は、従来より流体の流量制御を行なう場合に、圧力センサとして抵抗素子を使用している。この抵抗素子は、圧力を受けたときに抵抗が変化する性質を利用したもので、一般的には４個の抵抗をシリコン基板上に形成し、この４個の抵抗を４辺としたホイートストンブリッジが構成されている。
【００２２】
この圧力センサの原理は次の通りである。ホイートストンブリッジの入力端子間に接続された定電流電源により抵抗には定電流が流れる。圧力を受けると抵抗の抵抗値が変化するから、ブリッジの出力端子間の電圧が変化し、この出力端子間の電圧により流体圧力を測定することができる。
【００２３】
この圧力センサを同時に温度センサとして利用するために、本発明者等は、ホイートストンブリッジの入力端子に着目した。入力端子間には定電流電源が接続されているものの電圧電源は接続されていないから、入力端子間の電圧は抵抗変化に応じて当然に変化する。
【００２４】
本発明者等は、この抵抗素子を恒温槽に配置して、温度を変化させながら入力端子間の電圧を測定した結果、温度変化に対して広範囲に電圧が変化することを発見した。また、温度を一定に保持しながら圧力だけを変化させたとき、入力端子間の電圧はほとんど変化しないか、又は本発明装置が許す誤差範囲内の変化しか示さなかった。
【００２５】
以上の結果から、抵抗素子の入力端子間電圧により流体温度を測定することが可能であることが実証された。そこで、以下では、この入力端子間電圧をブリッジ電圧とも称し、流体温度測定に専用的に使用する。また、従来通り、出力端子間電圧は流体圧力の測定用に使用されるので、この抵抗素子は流体の同一点に対し機能する圧力センサ且つ温度センサであり、総合して圧力温度センサと称することもできる。
【００２６】
以下に、本発明に係る圧力式流量制御装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【００２７】
図１は臨界膨張条件を利用した圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。この圧力式流量制御装置２は、供給される流体が臨界膨張条件にある場合、即ちオリフィス４から流出する流体の速度が音速である場合を前提としているため、流量はＱｃ＝ＫＰ１で表される。
【００２８】
この圧力式流量制御装置２には、オリフィス孔４ａを形成したオリフィス４、上流側配管６、下流側配管８、上流側の圧力温度センサ１０、制御回路１６、バルブ駆動部２０及びコントロールバルブ２２が配置されている。
【００２９】
圧力温度センサ１０は抵抗素子から構成され、後述するようにホイートストンブリッジの出力端子間電圧で上流側の流体圧力を検出し、またその入力端子間電圧（ブリッジ電圧とも云う）で流体中の同一点の流体温度を検出するように構成されている。
【００３０】
制御回路１６は電子回路とマイクロコンピュータと内蔵プログラムを中心に構成されているが、電子回路だけで構成してもよいし、電子回路とパーソナルコンピュータで構成してもよい。この制御回路１６は、図示しない増幅回路やＡ／Ｄ変換器などの電子回路系と、実験流量式による流量Ｑｃを演算する流量演算手段１７と、流すべき設定流量Ｑｓを指令する流量設定手段１８と、演算流量Ｑｃと設定流量Ｑｓの流量差ΔＱ（＝Ｑｓ−Ｑｃ）を計算する比較手段１９から構成されている。流量差ΔＱはＱｃ−Ｑｓにより算出されてもよい。
【００３１】
この圧力式流量制御装置２の上流側には、高圧ガスを内蔵するガスタンク２４と、この高圧ガスのガス圧力を適度に調整するレギュレータ２６と、このガスを供給側配管２７からコントロールバルブ２２に供給するバルブ２８が接続されている。
【００３２】
また、圧力式流量制御装置２の下流側には、流量制御されたガスを流通させる制御側配管２９と、このガスをチャンバー３２に供給するバルブ３０と、真空ポンプ３４が連結されている。チャンバー３２は供給される原料ガスから目的ガスを生成する反応室で、例えばＨ２とＯ２の原料ガスからＨ２Ｏの水分ガスを生成する反応室である。
【００３３】
次に、この圧力式流量制御装置２の制御動作を説明する。上流側では供給側配管２７に所定圧力のガスが供給され、更にバルブ駆動部２０により開閉制御されるコントロールバルブ２２により上流側配管６への供給流量が制御される。同時に、下流側では真空ポンプ３４により下流側配管８が低圧に設定されている。
【００３４】
真空ポンプ３４による排気で、下流側配管８内の下流側圧力Ｐ２は上流側圧力Ｐ１よりもかなり小さく設定され、少なくともＰ２／Ｐ１＜約０．５の臨界膨張条件が常に満足されるように自動的に設定されるから、オリフィス孔４ａから流出するガス速度は音速となっている。従って、オリフィス４の通過流量はＱｃ＝ＫＰ１で表現される。
【００３５】
上流側圧力Ｐ１は圧力温度センサ１０により計測される。正確な圧力測定をするため、ガス圧力は耐食性に優れたダイヤフラムで直接受圧され、圧力伝達媒体を経由して圧力温度センサ１０のセンサ部分で圧力計測されるように構成されている。しかも、ガス流を撹乱しないように、そのセンサ部分は極めて小さく設計されている。従って、センサ部分はガス温度Ｔに等しくなっている。
【００３６】
図２は抵抗素子からなる圧力温度センサ１０の要部断面斜視図である。リードピン３６、３６を有したヘッダー３５の上にガラス台座３７が配置され、このガラス台座３７の上に脚部３８ａ、３８ａで両端支持されたシリコン基板３８が固定されている。シリコン基板３８の下面には隙間状の空間部３９が形成され、この空間部３９に連続して貫通孔４１が穿孔されている。
【００３７】
シリコン基板３８の上面には４個の抵抗４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄが熱拡散法で形成されている。この抵抗は、表面に応力が加えられると、この応力に相応して電気抵抗が変化する性質を有している。従って、定電流を流すと、応力に相応して電圧が変化し、この電圧変化により圧力測定が可能になる。
【００３８】
ガス圧力（流体圧力）は図示しないダイヤフラムで受圧されて圧力伝達媒体（流体）に圧力Ｐを生起させ、圧力伝達媒体に生じた圧力Ｐがシリコン基板３８の上面を押圧して、圧力Ｐが抵抗４１ａ〜４１ｄに作用する。一方、空間部３９を真空にすると、シリコン基板３８は流体圧力Ｐだけで変形するから、流体の絶対圧力がシリコン基板３８に作用し、絶対圧力センサとして機能する。また、貫通孔４１が大気に開放されていると、流体圧力Ｐと大気圧の差圧がシリコン基板３８を変形させるから、流体のゲージ圧力がシリコン基板３８に作用し、ゲージ圧力センサとして機能する。
【００３９】
図３は図２に示す抵抗素子の等価回路図である。抵抗４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄはホイートストンブリッジの４辺を構成し、一方の対角点Ｃ・Ｄには入力端子４２ａ・４２ｂが連結され、この入力端子間に定電流電源４３が接続されている。また、他方の対角点Ａ・Ｂには出力端子４４ａ、４４ｂが連結されている。
【００４０】
４個の抵抗４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは圧力Ｐを受けて抵抗値が変化する。定電流電源４３から矢印方向に定電流Ｉが流され、前記抵抗変化によりＡＢ間の電位差が変化し、出力端子４４ａ・４４ｂの間に流体圧力に相応した電圧ＶＰが生じる。この明細書では、電圧ＶＰを出力端子間電圧と呼び、流体圧力の検出電圧の意味で圧力電圧とも称する。
【００４１】
この抵抗素子を流体温度測定にも利用するために、本発明者等は他方の対角点Ｃ・Ｄに着目した。定電流Ｉにより点ＣＤ間にも電位差が発生し、この電位差は入力端子４２ａ・４２ｂの間で検出できるから、入力端子間電圧又はブリッジ電圧とも称される。本発明者等はこのブリッジ電圧ＶＴが流体温度によってかなり変化すると予測した。
【００４２】
図４は圧力温度センサ１０の圧力特性と温度特性測定用の実験装置図である。抵抗素子からなる圧力温度センサ１０を装填した圧力式流量制御装置２が恒温槽ＣＴの内部に配設され、基準圧力発生器ＰＧと真空ポンプＤＰがバルブＶ１、Ｖ２を介して配管系ＰＳに接続されている。
【００４３】
まず、バルブＶ１を閉鎖し、バルブＶ２を開放して、真空ポンプＤＰにより配管系ＰＳを真空状態、即ち内部圧力を０（ｋＰａ・ａｂｓ）に設定する。この状態で恒温槽ＣＴの内部温度を２５℃から１００℃まで変化させながら、各温度毎に圧力温度センサ１０を作動させる。Ｎｏ．１、Ｎｏ．２及びＮｏ．３の３種類の圧力温度センサに対し、絶対圧ゼロの状態で、各温度毎にブリッジ電圧ＶＴが測定された。
【００４４】
図５は３種類の圧力温度センサのブリッジ電圧―温度特性図である。この特性図は絶対圧がゼロの真空状態で得られ、横軸は温度Ｔ（℃）、縦軸はブリッジ電圧ＶＴ（Ｖ）を示す。
【００４５】
３種類の圧力温度センサ１０はＮｏ．１、Ｎｏ．２及びＮｏ．３で示され、恒温槽ＣＴの温度は２５℃から１００℃まで変化された。温度Ｔ(℃)に対するブリッジ電圧ＶＴ（Ｖ）の依存性は、Ｎｏ．１は実線、Ｎｏ．２は鎖線及びＮｏ．３は破線で示され、ほぼ直線になっている。
【００４６】
Ｎｏ．１、Ｎｏ．２及びＮｏ．３において、２５℃でのブリッジ電圧ＶＴは７．２９５Ｖ、７．３８０Ｖ及び７．２７１Ｖであり、１００℃でのブリッジ電圧ＶＴは８．９６６Ｖ、９．０７６Ｖ及び８．９２５Ｖであった。圧力温度センサによる個性の違いは、同一温度で約０．１５Ｖ程度あるが、個々のセンサで直線性は極めて高い。
【００４７】
２５℃から１００℃までの７５℃の温度差で、ブリッジ電圧ＶＴの変化量は２．２２８Ｖ（Ｎｏ．１）、２．２０５Ｖ（Ｎｏ．２）及び２．２６１Ｖ（Ｎｏ．３）である。従って、１℃当たりのブリッジ電圧ＶＴの変化量は、２２．２８ｍＶ（Ｎｏ．１）、２２．０５ｍＶ（Ｎｏ．２）及び２２．６１ｍＶ（Ｎｏ．３）とかなり大きいことが分かる。１℃の変化でブリッジ電圧ＶＴは約２０ｍＶも変化するから、ブリッジ電圧ＶＴにより温度Ｔを測定できることが示される。
【００４８】
図６は３種類の圧力温度センサの同一温度におけるブリッジ電圧―圧力特性図である。圧力温度センサ１０のブリッジ電圧ＶＴが圧力によってどの程度変化するかが測定された。もし、ブリッジ電圧が圧力にほとんど依存しないならば、ブリッジ電圧ＶＴは温度測定に使用できることが実証される。
【００４９】
図６には、温度を２５℃に保持した場合と１００℃に保持した場合の２通りの実験結果が示されている。両者とも、圧力Ｐを０〜７００（ｋＰａ・ａｂｓ）まで変化させた場合について、ブリッジ電圧ＶＴが測定された。
【００５０】
２５℃において圧力Ｐを０から７００（ｋＰａ・ａｂｓ）まで変化させると、ブリッジ電圧ＶＴは７．２９５Ｖ→７．２８５Ｖ（Ｎｏ．１）、７．２７１Ｖ→７．２６１Ｖ（Ｎｏ．２）及び７．３８０Ｖ→７．３７０Ｖ（Ｎｏ．３）まで変化した。従って、７００（ｋＰａ・ａｂｓ）の圧力変化に対して、３種類の圧力温度センサともにブリッジ電圧ＶＴの変化量は−１０ｍＶと極めて微小な変化を示したに過ぎなかった。
【００５１】
また、１００℃において圧力Ｐを０から７００（ｋＰａ・ａｂｓ）まで変化させると、ブリッジ電圧ＶＴは８．９６６Ｖ→８．９５６Ｖ（Ｎｏ．１）、８．９２５Ｖ→８．９１５Ｖ（Ｎｏ．２）及び９．０７６Ｖ→９．０６７Ｖ（Ｎｏ．３）まで変化した。従って、７００（ｋＰａ・ａｂｓ）の圧力変化に対して、３種類の圧力温度センサのブリッジ電圧ＶＴの変化量は−１０ｍＶ、−１０ｍＶ及び−９ｍＶとなり、センサの個性の違いが現れるものの、前述と同様に極めて微小な変化を示すに過ぎなかった。
【００５２】
以上をまとめると、７００（ｋＰａ・ａｂｓ）の圧力変化に対して、２５℃では−１０ｍＶ、１００℃では約−１０ｍＶのブリッジ電圧ＶＴの変化が見られる。ブリッジ電圧ＶＴは７５℃の温度変化に対して約２Ｖも変化するのであるから、１０ｍＶはその０．５％に過ぎない。
【００５３】
誤差についてもう少し議論する。ガス流体の実使用圧力を３５０（ｋＰａ・ａｂｓ）とすると、ブリッジ電圧ＶＴの変動は１０ｍＶ／２＝５ｍＶとなる。Ｎｏ．１の圧力温度センサでは１℃当たり２２．２８ｍＶも変化するから、前記の５ｍＶは５／２２．８より０．２２４℃の温度誤差を与えるに過ぎない。
【００５４】
この０．２２４℃の温度誤差は、ガス温度補正では所要の計算により０．０４％の誤差を与えるに過ぎない。また圧力センサとしてのゼロ点温度ドリフトを１℃当たり０．１％とすると、０．２２４℃の温度誤差に対して０．１％×０．２２４＝約０．０２％の誤差を誘導する。従って、前記０．２２４℃の温度誤差は０・０４％＋０．０２％＝０．０６％から０．０６％の誤差を誘引するに過ぎない。この圧力式流量制御装置の誤差は例えば１％以下のように設計されるから、０．０６％の誤差は全体誤差に埋没する程度に過ぎないものである。
【００５５】
従って、抵抗素子を用いた圧力温度センサは、圧力と温度を相関関係無く同時に測定でき、圧力センサであると同時に温度センサとしても機能することができる。従って、前述したように、抵抗素子の出力端子間電圧（圧力電圧）ＶＰで圧力測定を行い、入力端子間電圧、即ちブリッジ電圧ＶＴ（温度電圧とも云う）で温度測定を行なえるから、抵抗素子は圧力温度センサと呼ぶに相応しい素子であると言う事ができる。
【００５６】
図７は本発明の圧力式流量制御装置の制御系の詳細ブロック構成図である。上述した圧力温度センサ１０は流体の上流側圧力Ｐ１とその同一点の流体温度Ｔを同時に測定する。この圧力温度センサ１０の圧力Ｐ１に相当する圧力電圧（出力端子間電圧）ＶＰが固定増幅回路４５と可変増幅回路４７により増幅され、Ａ／Ｄ変換器４８を介してＣＰＵ５１に入力されて圧力Ｐ１に変換される。また、可変増幅回路４６を通して上流側圧力Ｐ１を外部に表示する。
【００５７】
圧力温度センサ１０は抵抗素子から構成され、圧力がゼロでも圧力電圧Ｖ０を出力する場合があり、このＶ０をゼロ点ドリフト電圧という。この場合には、オフセット用Ｄ／Ａ変換器４９を介して、電圧−Ｖ０をオフセット端子４５ａに出力して、ゼロ点ドリフトを強制的にゼロに設定する。
【００５８】
他方、圧力温度センサ１０は流体温度Ｔに相当するブリッジ電圧ＶＴを出力し、このブリッジ電圧ＶＴを固定増幅器５６及びＡ／Ｄ変換器５８を介してＣＰＵ５１に出力する。このブリッジ電圧ＶＴは温度変換手段５０により流体温度Ｔに変換される。
【００５９】
この流体温度Ｔは温度ドリフト補正手段６０とガス温度補正手段６８に入力される。温度ドリフト補正手段６０では、ゼロ点補正手段６２とスパン補正手段６６により流体温度Ｔに対応した補正がメモリ手段６４のデータを活用しながら行なわれる。また、ガス温度補正手段６８では、演算流量Ｑｃの比例係数Ｋの補正が流体温度Ｔを用いて行なわれる。
【００６０】
このようにして、正確な上流側圧力Ｐ１と比例定数Ｋが算出され、これらデータから演算流量ＱｃがＱｃ＝ＫＰ１として演算される。この演算流量ＱｃはＤ／Ａ変換器７２と固定増幅回路７４を介して出力され、図示しない外部表示装置に表示される。
【００６１】
流量設定手段１８から目的流量として入力された設定流量Ｑｓは、固定増幅回路７６とＡ／Ｄ変換器７８を介して比較手段１９に入力される。一方、ガス温度補正手段６８から演算流量Ｑｃが比較手段１９に入力され、流量差ΔＱがΔＱ＝Ｑｃ−Ｑｓとして計算され、バルブ駆動部２０に出力される。
【００６２】
バルブ駆動部２０は、この流量差ΔＱをゼロにするようにコントロールバルブ２２の弁開度を開閉調整し、この開閉によって上流側圧力Ｐ１が制御される。この結果、ΔＱはゼロとなり、演算流量Ｑｃは設定流量Ｑｓに一致するように自動制御される。
【００６３】
本発明では、従来から圧力センサとして使用されてきた抵抗素子が温度センサとしても機能するという意外な発見から、一つの抵抗素子を圧力温度センサとして活用する道を開いたものである。従って、ブロック構成図から分るように、１個の圧力温度センサで圧力と温度の測定が可能となり、回路構成の簡単化と低価格化を同時に達成することに成功した。
【００６４】
図８は、本発明に係る非臨界膨張条件を利用した圧力式流量制御装置の構成図である。この圧力式流量制御装置２は、供給される流体が非臨界膨張条件にある場合、即ちオリフィス４から流出する流体の流体速度が音速より低い場合を前提としている。
【００６５】
流体が非臨界膨張条件にあるとき、オリフィス通過流量の理論流量式の一つは、非圧縮性流体に対して成立するベルヌーイの定理から導出したもので、Ｑ＝ＫＰ２１／２（Ｐ１−Ｐ２）１／２で与えられる。但し、オリフィスの通過前後で流体温度は変化しないことを前提とする。図８では、この理論流量式を使用して、ガス流量を制御する。
【００６６】
この流量式では、オリフィス通過量Ｑは上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２の両方を使用して演算される。しかし、流体温度Ｔは上流側又は下流側のいずれを使用してもよいから、上流側に本発明の圧力温度センサ１０を配置し、下流側には圧力センサ１２だけを配置する。従って、圧力温度センサ１０により上流側圧力Ｐ１と流体温度Ｔが測定され、圧力センサ１２により下流側圧力Ｐ２が常に計測され、演算流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ２１／２（Ｐ１−Ｐ２）１／２で算出する。
【００６７】
図１との相違点は、下流側圧力Ｐ２を圧力センサ１２により測定して制御回路１６に入力する電子回路系及びソフト系が付加されることである。作用効果は図１とほぼ同様であるから、その詳細を省略する。
【００６８】
図９は、本発明に係る非臨界膨張条件を利用した改良型圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。この圧力式流量制御装置２は、供給される流体が非臨界膨張条件にある場合を前提としているが、改良された理論流量式を使用する。
【００６９】
実際のガス流体は膨張性と圧縮性を有しているため、非圧縮性を前提としたベルヌーイの定理は近似的にしか成立しない。従って、Ｑｃ＝ＫＰ２１／２（Ｐ１−Ｐ２）１／２で表される流量式は近似式でしかない。本発明者等は、この近似式を改良して実際の流量を高精度に再現できる流量式を検討した。
【００７０】
この改良された流量式として、Ｑｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎを使用することにした。従来は、指数として二つのパラメータｍ、ｎを使用し、実際の流量をこの流量式でフィットすることにより、ｍとｎを導出した。これらのパラメータｍ、ｎを使用することにより、実際の流量を高精度に再現する事ができた。
【００７１】
この実施形態では、改良された流量式を用いて流量演算手段１７を構成しており、この点を除けば図８に示す実施形態と全く同様である。即ち、上流側には本発明に係る圧力温度センサ１０が配置され、下流側には圧力センサ１２が配置されている。その他の構成と作用効果は図１と同様であるから、その説明は省略する。
【００７２】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例・設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。
【符号の説明】
【００７３】
２は圧力式流量制御装置、４はオリフィス、４ａはオリフィス孔、６は上流側配管、８は下流側配管、１０は上流側の圧力温度センサ、１２は下流側の圧力センサ、１６は制御回路、１７は流量演算手段、１８は流量設定手段、１９は比較手段、２０はバルブ駆動部、２２はコントロールバルブ、２４はガスタンク、２６はレギュレータ、２７は供給側配管、２８はバルブ、２９は制御側配管、３０はバルブ、３２はチャンバー、３４は真空ポンプ、３５はヘッダー、３６はリードピン、３７はガラス台座、３８はシリコン基板、３８ａは脚部、３９は空間部、４１ａ〜４１ｄは抵抗、４２ａ・４２ｂは入力端子、４３は定電流電源、４４ａ・４４ｂは出力端子、４５は固定増幅回路、４５ａはオフセット端子、４６は可変増幅回路、４７は可変増幅回路、４８はＡ／Ｄ変換器、４９はオフセット用Ｄ／Ａ変換器、５０は温度変換手段、５１はＣＰＵ、５６は固定増幅回路、５８はＡ／Ｄ変換器、６０は温度ドリフト補正手段、６２はゼロ点補正手段、６４はメモリ手段、６６はスパン補正手段、６８はガス温度補正手段、７２はＤ／Ａ変換器、７４は固定増幅回路、７６は固定増幅回路、７８はＡ／Ｄ変換器、ＣＴは恒温槽、Ｐ１は上流側圧力、Ｐ２は下流側圧力、ＰＧは基準圧力発生器、Ｑｃは演算流量、Ｑｓは設定流量、ΔＱは流量差、Ｖ０はゼロ点出力ドリフト電圧、Ｖ１・Ｖ２はバルブ、ＶＰは圧力電圧、ＶＴはブリッジ電圧（温度電圧）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は主として半導体製造設備や化学プラント等で使用される圧力式流量制御装置に関し、更に詳細には、流体の圧力を計測する圧力センサを抵抗素子で構成し、同時にこの抵抗素子を流体温度計測用の温度センサとして使用する圧力式流量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造設備や化学プラントなどでは、原料となる複数のガスを所定の流量で供給し、原料ガスを反応炉の中で化学反応させて目的ガスを生成する場合が多い。このような場合に、原料ガスの供給流量が正確でないと化学反応に過不足が生じ、目的ガスの中に原料ガスが残留する事態が生じる。特に、この原料ガスが引火性の場合には爆発の危険性が付きまとう。
【０００３】
従来、ガス流量を正確に制御するために、配管内にオリフィスを配置し、このオリフィスを通過する理論流量として出来るだけ精度の良い流量式が選択されてきた。特に、ガス流の非圧縮性を考慮して、オリフィスを通過するガス流の流速を音速領域に設定して流量制御する方法が使用されている。
【０００４】
この流量制御方法では、オリフィスの上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２の圧力比Ｐ２／Ｐ１を約０．５の臨界値より小さくしたとき、オリフィスを通過するガスの流速が音速に達し、この音速領域で理論流量式が高精度にＱｃ＝ＫＰ１によって表現される性質が利用されている。ここで、比例係数Ｋは流体の種類と流体温度に依存することが分かっている。
【０００５】
この理論流量式によりオリフィス通過流量を制御するには、オリフィスの上流側圧力Ｐ１と上流側の流体温度Ｔを正確に測定することが必要となる。上流側圧力Ｐ１はダイヤフラムで受圧され、圧力伝達媒体を経由して抵抗素子で測定される。他方、流体温度Ｔはオリフィスを組み込んだ弁装置にサーミスタを別個に配置することにより測定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３３８５４６号
【特許文献２】特開２０００−３２２１３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、上流側圧力はダイヤフラムに直接接触して作用し、圧力伝達媒体を経由して圧力センサである抵抗素子で計測されるから、流体圧を正確に測定することができる。他方、温度センサであるサーミスタは流体に直接接触せず、前述した弁装置内のオリフィス近傍位置に配置されている。流体はオリフィスを継続的に通過するから、オリフィス近傍位置は流体と熱平衡状態に到達して温度が等しくなっていると考えられ、オリフィス近傍位置に配置されたサーミスタは流体温度を正確に再現できると考えられたからである。
【０００８】
ところが、弁装置は一般に金属により形成されるから、熱伝導性は極めて高い。流体からオリフィス位置で吸引された熱は、弁装置の外側表面へと急速に熱伝達し、この温度傾斜によりオリフィスから少し離れた位置の温度でも、流体温度と同一ではない。サーミスタは有限の幾何学的寸法を有しているから、サーミスタがオリフィス近傍に配置されたとしても、その測定温度は流体温度から僅かにずれていると考えられる。従って、このサーミスタ温度を流体温度として流量を計算した場合には、Ｑｃ＝ＫＰ１による演算流量に誤差を誘導する第１の原因となる。
【０００９】
また、Ｑｃ＝ＫＰ１の演算に使用される上流側圧力Ｐ１と流体温度Ｔは、理論的には上流側流体の同一点における圧力と温度である。このことは流量式Ｑｃ＝ＫＰ１を導出する過程において、同一点の圧力Ｐと温度Ｔが使用されていることからも理解できる。
【００１０】
ところが、従来の圧力式流量制御装置では、前述したように、抵抗素子により流体圧力を測定し、別に配置されたサーミスタにより流体温度を測定している。抵抗素子とサーミスタが極小化されたとしても、両者は別体であるから、必然的に圧力と温度の測定点は異なってくる。両者が有限の大きさを有し、しかも取付位置が異なっている実情では、圧力と温度の測定位置が多少とも離間し、前記流量式に第２の誤差を誘導する原因となる。
【００１１】
従って、本発明に係る圧力式流量制御装置の温度測定装置は、流体圧力を測定する位置と同一位置の流体温度を直接測定することにより、流量式の理論的要請を満足させて、オリフィスを通過する流体の流量を高精度に制御することを目的とする。この目的を達成するために、本発明は下記の発明群から構成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、流量制御用のオリフィスと、オリフィスの上流側配管に設けられたコントロールバルブと、オリフィスとコントロールバルブの間に設けて上流側圧力Ｐ１を検出する上流側圧力センサと、オリフィスの下流側配管に設けて下流側圧力Ｐ２を検出する下流側圧力センサと、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２によりオリフィス通過流量を流量式Ｑｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎ（Ｋは流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量をこの流量式でフィットすることにより導出された値）によって演算しながらコントロールバルブの開閉によりオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置であって、前記上流側圧力センサ又は下流側圧力センサは圧力を受けたときに電気抵抗が変化する抵抗素子から構成され、この圧力センサとしての抵抗素子を同時に温度センサとしても用いることを特徴とする圧力式流量制御装置である。
【００１３】
第２の発明は、前記抵抗素子において、受圧面に４個の抵抗が配置され、この４個の抵抗を４辺とするブリッジ回路が形成され、このブリッジ回路の入力端子間に定電流電源が接続され、出力端子間の電圧変化で流体圧力を検出し、前記入力端子間の電圧変化で流体温度を検出する圧力式流量制御装置である。
【００１４】
第３の発明は、シリコン基板に抵抗が拡散形成された抵抗素子を用いる圧力式流量制御装置である。
【００１５】
第４の発明は、第１の発明において、前記流量式の指数ｍ、ｎがｍ＝ｎ＝０．５である圧力式流量制御装置である。
【発明の効果】
【００１６】
第1の発明によれば、オリフィス通過流速が音速よりも低い非臨界膨張条件下において、上流側圧力センサまたは下流側圧力センサの少なくとも一方を抵抗素子で構成するから、この抵抗素子により流体圧力と流体温度の両方が同時に測定でき、従来から必要であった温度センサが不要となり、しかも流体の同一点の圧力と温度を同時に測定できる。従って、回路構成の簡単化と流量制御の高性能化を同時的に満足し、装置全体の低価格化に貢献できる。
【００１７】
第２の発明によれば、受圧面に４個の抵抗を配置し、この４個の抵抗を４辺とするブリッジ回路から抵抗素子を構成するから、ブリッジ回路の入力端子間に定電流電源を接続すると、出力端子間電圧で流体圧力を検出し、入力端子間電圧（ブリッジ電圧）で流体温度を検出することが可能となる。従って、従来から圧力センサとして利用されてきた抵抗素子を圧力温度センサとして圧力式流量制御回路に用いて、部品点数の減少と価格低減に貢献することができる。
【００１８】
第３の発明によれば、従来から存する拡散型半導体圧力トランスジューサを温度トランスジューサとしても機能させることができ、この新規な拡散型半導体圧力温度トランスジューサを圧力式流量制御装置に組み込んで、部品点数の低減による装置サイズの低減化と同一点の圧力と温度を同時測定する事による圧力式流量制御装置の高性能化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】臨界条件を利用した圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。
【図２】抵抗素子からなる圧力温度センサ１０の要部断面斜視図である。
【図３】図２に示す抵抗素子の等価回路図である。
【図４】圧力温度センサ１０の圧力特性と温度特性測定用の実験装置図である。
【図５】３種類の圧力温度センサのブリッジ電圧―温度特性図である。
【図６】３種類の圧力温度センサの同一温度におけるブリッジ電圧―圧力特性図である。
【図７】本発明の圧力式流量制御装置の制御系の詳細ブロック構成図である。
【図８】本発明に係る非臨界膨張条件を利用した圧力式流量制御装置の流量制御の構成図である。
【図９】本発明に係る非臨界膨張条件を利用した改良型圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明者等は、流体中の同一位置における流体圧力と流体温度を同時に計測するために鋭意研究した結果、圧力センサと温度センサを別体で配置することを止め、圧力センサを同時に温度センサとして利用できないかという着想を得て本発明を想到するに到ったものである。
【００２１】
本発明者等は、従来より流体の流量制御を行なう場合に、圧力センサとして抵抗素子を使用している。この抵抗素子は、圧力を受けたときに抵抗が変化する性質を利用したもので、一般的には４個の抵抗をシリコン基板上に形成し、この４個の抵抗を４辺としたホイートストンブリッジが構成されている。
【００２２】
この圧力センサの原理は次の通りである。ホイートストンブリッジの入力端子間に接続された定電流電源により抵抗には定電流が流れる。圧力を受けると抵抗の抵抗値が変化するから、ブリッジの出力端子間の電圧が変化し、この出力端子間の電圧により流体圧力を測定することができる。
【００２３】
この圧力センサを同時に温度センサとして利用するために、本発明者等は、ホイートストンブリッジの入力端子に着目した。入力端子間には定電流電源が接続されているものの電圧電源は接続されていないから、入力端子間の電圧は抵抗変化に応じて当然に変化する。
【００２４】
本発明者等は、この抵抗素子を恒温槽に配置して、温度を変化させながら入力端子間の電圧を測定した結果、温度変化に対して広範囲に電圧が変化することを発見した。また、温度を一定に保持しながら圧力だけを変化させたとき、入力端子間の電圧はほとんど変化しないか、又は本発明装置が許す誤差範囲内の変化しか示さなかった。
【００２５】
以上の結果から、抵抗素子の入力端子間電圧により流体温度を測定することが可能であることが実証された。そこで、以下では、この入力端子間電圧をブリッジ電圧とも称し、流体温度測定に専用的に使用する。また、従来通り、出力端子間電圧は流体圧力の測定用に使用されるので、この抵抗素子は流体の同一点に対し機能する圧力センサ且つ温度センサであり、総合して圧力温度センサと称することもできる。
【００２６】
以下に、本発明に係る圧力式流量制御装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【００２７】
図１は臨界膨張条件を利用した圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。この圧力式流量制御装置２は、供給される流体が臨界膨張条件にある場合、即ちオリフィス４から流出する流体の速度が音速である場合を前提としているため、流量はＱｃ＝ＫＰ１で表される。
【００２８】
この圧力式流量制御装置２には、オリフィス孔４ａを形成したオリフィス４、上流側配管６、下流側配管８、上流側の圧力温度センサ１０、制御回路１６、バルブ駆動部２０及びコントロールバルブ２２が配置されている。
【００２９】
圧力温度センサ１０は抵抗素子から構成され、後述するようにホイートストンブリッジの出力端子間電圧で上流側の流体圧力を検出し、またその入力端子間電圧（ブリッジ電圧とも云う）で流体中の同一点の流体温度を検出するように構成されている。
【００３０】
制御回路１６は電子回路とマイクロコンピュータと内蔵プログラムを中心に構成されているが、電子回路だけで構成してもよいし、電子回路とパーソナルコンピュータで構成してもよい。この制御回路１６は、図示しない増幅回路やＡ／Ｄ変換器などの電子回路系と、実験流量式による流量Ｑｃを演算する流量演算手段１７と、流すべき設定流量Ｑｓを指令する流量設定手段１８と、演算流量Ｑｃと設定流量Ｑｓの流量差ΔＱ（＝Ｑｓ−Ｑｃ）を計算する比較手段１９から構成されている。流量差ΔＱはＱｃ−Ｑｓにより算出されてもよい。
【００３１】
この圧力式流量制御装置２の上流側には、高圧ガスを内蔵するガスタンク２４と、この高圧ガスのガス圧力を適度に調整するレギュレータ２６と、このガスを供給側配管２７からコントロールバルブ２２に供給するバルブ２８が接続されている。
【００３２】
また、圧力式流量制御装置２の下流側には、流量制御されたガスを流通させる制御側配管２９と、このガスをチャンバー３２に供給するバルブ３０と、真空ポンプ３４が連結されている。チャンバー３２は供給される原料ガスから目的ガスを生成する反応室で、例えばＨ２とＯ２の原料ガスからＨ２Ｏの水分ガスを生成する反応室である。
【００３３】
次に、この圧力式流量制御装置２の制御動作を説明する。上流側では供給側配管２７に所定圧力のガスが供給され、更にバルブ駆動部２０により開閉制御されるコントロールバルブ２２により上流側配管６への供給流量が制御される。同時に、下流側では真空ポンプ３４により下流側配管８が低圧に設定されている。
【００３４】
真空ポンプ３４による排気で、下流側配管８内の下流側圧力Ｐ２は上流側圧力Ｐ１よりもかなり小さく設定され、少なくともＰ２／Ｐ１＜約０．５の臨界膨張条件が常に満足されるように自動的に設定されるから、オリフィス孔４ａから流出するガス速度は音速となっている。従って、オリフィス４の通過流量はＱｃ＝ＫＰ１で表現される。
【００３５】
上流側圧力Ｐ１は圧力温度センサ１０により計測される。正確な圧力測定をするため、ガス圧力は耐食性に優れたダイヤフラムで直接受圧され、圧力伝達媒体を経由して圧力温度センサ１０のセンサ部分で圧力計測されるように構成されている。しかも、ガス流を撹乱しないように、そのセンサ部分は極めて小さく設計されている。従って、センサ部分はガス温度Ｔに等しくなっている。
【００３６】
図２は抵抗素子からなる圧力温度センサ１０の要部断面斜視図である。リードピン３６、３６を有したヘッダー３５の上にガラス台座３７が配置され、このガラス台座３７の上に脚部３８ａ、３８ａで両端支持されたシリコン基板３８が固定されている。シリコン基板３８の下面には隙間状の空間部３９が形成され、この空間部３９に連続して貫通孔４１が穿孔されている。
【００３７】
シリコン基板３８の上面には４個の抵抗４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄが熱拡散法で形成されている。この抵抗は、表面に応力が加えられると、この応力に相応して電気抵抗が変化する性質を有している。従って、定電流を流すと、応力に相応して電圧が変化し、この電圧変化により圧力測定が可能になる。
【００３８】
ガス圧力（流体圧力）は図示しないダイヤフラムで受圧されて圧力伝達媒体（流体）に圧力Ｐを生起させ、圧力伝達媒体に生じた圧力Ｐがシリコン基板３８の上面を押圧して、圧力Ｐが抵抗４１ａ〜４１ｄに作用する。一方、空間部３９を真空にすると、シリコン基板３８は流体圧力Ｐだけで変形するから、流体の絶対圧力がシリコン基板３８に作用し、絶対圧力センサとして機能する。また、貫通孔４１が大気に開放されていると、流体圧力Ｐと大気圧の差圧がシリコン基板３８を変形させるから、流体のゲージ圧力がシリコン基板３８に作用し、ゲージ圧力センサとして機能する。
【００３９】
図３は図２に示す抵抗素子の等価回路図である。抵抗４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄはホイートストンブリッジの４辺を構成し、一方の対角点Ｃ・Ｄには入力端子４２ａ・４２ｂが連結され、この入力端子間に定電流電源４３が接続されている。また、他方の対角点Ａ・Ｂには出力端子４４ａ、４４ｂが連結されている。
【００４０】
４個の抵抗４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは圧力Ｐを受けて抵抗値が変化する。定電流電源４３から矢印方向に定電流Ｉが流され、前記抵抗変化によりＡＢ間の電位差が変化し、出力端子４４ａ・４４ｂの間に流体圧力に相応した電圧ＶＰが生じる。この明細書では、電圧ＶＰを出力端子間電圧と呼び、流体圧力の検出電圧の意味で圧力電圧とも称する。
【００４１】
この抵抗素子を流体温度測定にも利用するために、本発明者等は他方の対角点Ｃ・Ｄに着目した。定電流Ｉにより点ＣＤ間にも電位差が発生し、この電位差は入力端子４２ａ・４２ｂの間で検出できるから、入力端子間電圧又はブリッジ電圧とも称される。本発明者等はこのブリッジ電圧ＶＴが流体温度によってかなり変化すると予測した。
【００４２】
図４は圧力温度センサ１０の圧力特性と温度特性測定用の実験装置図である。抵抗素子からなる圧力温度センサ１０を装填した圧力式流量制御装置２が恒温槽ＣＴの内部に配設され、基準圧力発生器ＰＧと真空ポンプＤＰがバルブＶ１、Ｖ２を介して配管系ＰＳに接続されている。
【００４３】
まず、バルブＶ１を閉鎖し、バルブＶ２を開放して、真空ポンプＤＰにより配管系ＰＳを真空状態、即ち内部圧力を０（ｋＰａ・ａｂｓ）に設定する。この状態で恒温槽ＣＴの内部温度を２５℃から１００℃まで変化させながら、各温度毎に圧力温度センサ１０を作動させる。Ｎｏ．１、Ｎｏ．２及びＮｏ．３の３種類の圧力温度センサに対し、絶対圧ゼロの状態で、各温度毎にブリッジ電圧ＶＴが測定された。
【００４４】
図５は３種類の圧力温度センサのブリッジ電圧―温度特性図である。この特性図は絶対圧がゼロの真空状態で得られ、横軸は温度Ｔ（℃）、縦軸はブリッジ電圧ＶＴ（Ｖ）を示す。
【００４５】
３種類の圧力温度センサ１０はＮｏ．１、Ｎｏ．２及びＮｏ．３で示され、恒温槽ＣＴの温度は２５℃から１００℃まで変化された。温度Ｔ(℃)に対するブリッジ電圧ＶＴ（Ｖ）の依存性は、Ｎｏ．１は実線、Ｎｏ．２は鎖線及びＮｏ．３は破線で示され、ほぼ直線になっている。
【００４６】
Ｎｏ．１、Ｎｏ．２及びＮｏ．３において、２５℃でのブリッジ電圧ＶＴは７．２９５Ｖ、７．３８０Ｖ及び７．２７１Ｖであり、１００℃でのブリッジ電圧ＶＴは８．９６６Ｖ、９．０７６Ｖ及び８．９２５Ｖであった。圧力温度センサによる個性の違いは、同一温度で約０．１５Ｖ程度あるが、個々のセンサで直線性は極めて高い。
【００４７】
２５℃から１００℃までの７５℃の温度差で、ブリッジ電圧ＶＴの変化量は２．２２８Ｖ（Ｎｏ．１）、２．２０５Ｖ（Ｎｏ．２）及び２．２６１Ｖ（Ｎｏ．３）である。従って、１℃当たりのブリッジ電圧ＶＴの変化量は、２２．２８ｍＶ（Ｎｏ．１）、２２．０５ｍＶ（Ｎｏ．２）及び２２．６１ｍＶ（Ｎｏ．３）とかなり大きいことが分かる。１℃の変化でブリッジ電圧ＶＴは約２０ｍＶも変化するから、ブリッジ電圧ＶＴにより温度Ｔを測定できることが示される。
【００４８】
図６は３種類の圧力温度センサの同一温度におけるブリッジ電圧―圧力特性図である。圧力温度センサ１０のブリッジ電圧ＶＴが圧力によってどの程度変化するかが測定された。もし、ブリッジ電圧が圧力にほとんど依存しないならば、ブリッジ電圧ＶＴは温度測定に使用できることが実証される。
【００４９】
図６には、温度を２５℃に保持した場合と１００℃に保持した場合の２通りの実験結果が示されている。両者とも、圧力Ｐを０〜７００（ｋＰａ・ａｂｓ）まで変化させた場合について、ブリッジ電圧ＶＴが測定された。
【００５０】
２５℃において圧力Ｐを０から７００（ｋＰａ・ａｂｓ）まで変化させると、ブリッジ電圧ＶＴは７．２９５Ｖ→７．２８５Ｖ（Ｎｏ．１）、７．２７１Ｖ→７．２６１Ｖ（Ｎｏ．２）及び７．３８０Ｖ→７．３７０Ｖ（Ｎｏ．３）まで変化した。従って、７００（ｋＰａ・ａｂｓ）の圧力変化に対して、３種類の圧力温度センサともにブリッジ電圧ＶＴの変化量は−１０ｍＶと極めて微小な変化を示したに過ぎなかった。
【００５１】
また、１００℃において圧力Ｐを０から７００（ｋＰａ・ａｂｓ）まで変化させると、ブリッジ電圧ＶＴは８．９６６Ｖ→８．９５６Ｖ（Ｎｏ．１）、８．９２５Ｖ→８．９１５Ｖ（Ｎｏ．２）及び９．０７６Ｖ→９．０６７Ｖ（Ｎｏ．３）まで変化した。従って、７００（ｋＰａ・ａｂｓ）の圧力変化に対して、３種類の圧力温度センサのブリッジ電圧ＶＴの変化量は−１０ｍＶ、−１０ｍＶ及び−９ｍＶとなり、センサの個性の違いが現れるものの、前述と同様に極めて微小な変化を示すに過ぎなかった。
【００５２】
以上をまとめると、７００（ｋＰａ・ａｂｓ）の圧力変化に対して、２５℃では−１０ｍＶ、１００℃では約−１０ｍＶのブリッジ電圧ＶＴの変化が見られる。ブリッジ電圧ＶＴは７５℃の温度変化に対して約２Ｖも変化するのであるから、１０ｍＶはその０．５％に過ぎない。
【００５３】
誤差についてもう少し議論する。ガス流体の実使用圧力を３５０（ｋＰａ・ａｂｓ）とすると、ブリッジ電圧ＶＴの変動は１０ｍＶ／２＝５ｍＶとなる。Ｎｏ．１の圧力温度センサでは１℃当たり２２．２８ｍＶも変化するから、前記の５ｍＶは５／２２．８より０．２２４℃の温度誤差を与えるに過ぎない。
【００５４】
この０．２２４℃の温度誤差は、ガス温度補正では所要の計算により０．０４％の誤差を与えるに過ぎない。また圧力センサとしてのゼロ点温度ドリフトを１℃当たり０．１％とすると、０．２２４℃の温度誤差に対して０．１％×０．２２４＝約０．０２％の誤差を誘導する。従って、前記０．２２４℃の温度誤差は０・０４％＋０．０２％＝０．０６％から０．０６％の誤差を誘引するに過ぎない。この圧力式流量制御装置の誤差は例えば１％以下のように設計されるから、０．０６％の誤差は全体誤差に埋没する程度に過ぎないものである。
【００５５】
従って、抵抗素子を用いた圧力温度センサは、圧力と温度を相関関係無く同時に測定でき、圧力センサであると同時に温度センサとしても機能することができる。従って、前述したように、抵抗素子の出力端子間電圧（圧力電圧）ＶＰで圧力測定を行い、入力端子間電圧、即ちブリッジ電圧ＶＴ（温度電圧とも云う）で温度測定を行なえるから、抵抗素子は圧力温度センサと呼ぶに相応しい素子であると言う事ができる。
【００５６】
図７は本発明の圧力式流量制御装置の制御系の詳細ブロック構成図である。上述した圧力温度センサ１０は流体の上流側圧力Ｐ１とその同一点の流体温度Ｔを同時に測定する。この圧力温度センサ１０の圧力Ｐ１に相当する圧力電圧（出力端子間電圧）ＶＰが固定増幅回路４５と可変増幅回路４７により増幅され、Ａ／Ｄ変換器４８を介してＣＰＵ５１に入力されて圧力Ｐ１に変換される。また、可変増幅回路４６を通して上流側圧力Ｐ１を外部に表示する。
【００５７】
圧力温度センサ１０は抵抗素子から構成され、圧力がゼロでも圧力電圧Ｖ０を出力する場合があり、このＶ０をゼロ点ドリフト電圧という。この場合には、オフセット用Ｄ／Ａ変換器４９を介して、電圧−Ｖ０をオフセット端子４５ａに出力して、ゼロ点ドリフトを強制的にゼロに設定する。
【００５８】
他方、圧力温度センサ１０は流体温度Ｔに相当するブリッジ電圧ＶＴを出力し、このブリッジ電圧ＶＴを固定増幅器５６及びＡ／Ｄ変換器５８を介してＣＰＵ５１に出力する。このブリッジ電圧ＶＴは温度変換手段５０により流体温度Ｔに変換される。
【００５９】
この流体温度Ｔは温度ドリフト補正手段６０とガス温度補正手段６８に入力される。温度ドリフト補正手段６０では、ゼロ点補正手段６２とスパン補正手段６６により流体温度Ｔに対応した補正がメモリ手段６４のデータを活用しながら行なわれる。また、ガス温度補正手段６８では、演算流量Ｑｃの比例係数Ｋの補正が流体温度Ｔを用いて行なわれる。
【００６０】
このようにして、正確な上流側圧力Ｐ１と比例定数Ｋが算出され、これらデータから演算流量ＱｃがＱｃ＝ＫＰ１として演算される。この演算流量ＱｃはＤ／Ａ変換器７２と固定増幅回路７４を介して出力され、図示しない外部表示装置に表示される。
【００６１】
流量設定手段１８から目的流量として入力された設定流量Ｑｓは、固定増幅回路７６とＡ／Ｄ変換器７８を介して比較手段１９に入力される。一方、ガス温度補正手段６８から演算流量Ｑｃが比較手段１９に入力され、流量差ΔＱがΔＱ＝Ｑｃ−Ｑｓとして計算され、バルブ駆動部２０に出力される。
【００６２】
バルブ駆動部２０は、この流量差ΔＱをゼロにするようにコントロールバルブ２２の弁開度を開閉調整し、この開閉によって上流側圧力Ｐ１が制御される。この結果、ΔＱはゼロとなり、演算流量Ｑｃは設定流量Ｑｓに一致するように自動制御される。
【００６３】
本発明では、従来から圧力センサとして使用されてきた抵抗素子が温度センサとしても機能するという意外な発見から、一つの抵抗素子を圧力温度センサとして活用する道を開いたものである。従って、ブロック構成図から分るように、１個の圧力温度センサで圧力と温度の測定が可能となり、回路構成の簡単化と低価格化を同時に達成することに成功した。
【００６４】
図８は、本発明に係る非臨界膨張条件を利用した圧力式流量制御装置の構成図である。この圧力式流量制御装置２は、供給される流体が非臨界膨張条件にある場合、即ちオリフィス４から流出する流体の流体速度が音速より低い場合を前提としている。
【００６５】
流体が非臨界膨張条件にあるとき、オリフィス通過流量の理論流量式の一つは、非圧縮性流体に対して成立するベルヌーイの定理から導出したもので、Ｑ＝ＫＰ２１／２（Ｐ１−Ｐ２）１／２で与えられる。但し、オリフィスの通過前後で流体温度は変化しないことを前提とする。図８では、この理論流量式を使用して、ガス流量を制御する。
【００６６】
この流量式では、オリフィス通過量Ｑは上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２の両方を使用して演算される。しかし、流体温度Ｔは上流側又は下流側のいずれを使用してもよいから、上流側に本発明の圧力温度センサ１０を配置し、下流側には圧力センサ１２だけを配置する。従って、圧力温度センサ１０により上流側圧力Ｐ１と流体温度Ｔが測定され、圧力センサ１２により下流側圧力Ｐ２が常に計測され、演算流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ２１／２（Ｐ１−Ｐ２）１／２で算出する。
【００６７】
図１との相違点は、下流側圧力Ｐ２を圧力センサ１２により測定して制御回路１６に入力する電子回路系及びソフト系が付加されることである。作用効果は図１とほぼ同様であるから、その詳細を省略する。
【００６８】
図９は、本発明に係る非臨界膨張条件を利用した改良型圧力式流量制御装置による流量制御の構成図である。この圧力式流量制御装置２は、供給される流体が非臨界膨張条件にある場合を前提としているが、改良された理論流量式を使用する。
【００６９】
実際のガス流体は膨張性と圧縮性を有しているため、非圧縮性を前提としたベルヌーイの定理は近似的にしか成立しない。従って、Ｑｃ＝ＫＰ２１／２（Ｐ１−Ｐ２）１／２で表される流量式は近似式でしかない。本発明者等は、この近似式を改良して実際の流量を高精度に再現できる流量式を検討した。
【００７０】
この改良された流量式として、Ｑｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎを使用することにした。従来は、指数として二つのパラメータｍ、ｎを使用し、実際の流量をこの流量式でフィットすることにより、ｍとｎを導出した。これらのパラメータｍ、ｎを使用することにより、実際の流量を高精度に再現する事ができた。
【００７１】
この実施形態では、改良された流量式を用いて流量演算手段１７を構成しており、この点を除けば図８に示す実施形態と全く同様である。即ち、上流側には本発明に係る圧力温度センサ１０が配置され、下流側には圧力センサ１２が配置されている。その他の構成と作用効果は図１と同様であるから、その説明は省略する。
【００７２】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例・設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。
【符号の説明】
【００７３】
２は圧力式流量制御装置、４はオリフィス、４ａはオリフィス孔、６は上流側配管、８は下流側配管、１０は上流側の圧力温度センサ、１２は下流側の圧力センサ、１６は制御回路、１７は流量演算手段、１８は流量設定手段、１９は比較手段、２０はバルブ駆動部、２２はコントロールバルブ、２４はガスタンク、２６はレギュレータ、２７は供給側配管、２８はバルブ、２９は制御側配管、３０はバルブ、３２はチャンバー、３４は真空ポンプ、３５はヘッダー、３６はリードピン、３７はガラス台座、３８はシリコン基板、３８ａは脚部、３９は空間部、４１ａ〜４１ｄは抵抗、４２ａ・４２ｂは入力端子、４３は定電流電源、４４ａ・４４ｂは出力端子、４５は固定増幅回路、４５ａはオフセット端子、４６は可変増幅回路、４７は可変増幅回路、４８はＡ／Ｄ変換器、４９はオフセット用Ｄ／Ａ変換器、５０は温度変換手段、５１はＣＰＵ、５６は固定増幅回路、５８はＡ／Ｄ変換器、６０は温度ドリフト補正手段、６２はゼロ点補正手段、６４はメモリ手段、６６はスパン補正手段、６８はガス温度補正手段、７２はＤ／Ａ変換器、７４は固定増幅回路、７６は固定増幅回路、７８はＡ／Ｄ変換器、ＣＴは恒温槽、Ｐ１は上流側圧力、Ｐ２は下流側圧力、ＰＧは基準圧力発生器、Ｑｃは演算流量、Ｑｓは設定流量、ΔＱは流量差、Ｖ０はゼロ点出力ドリフト電圧、Ｖ１・Ｖ２はバルブ、ＶＰは圧力電圧、ＶＴはブリッジ電圧（温度電圧）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量制御用のオリフィスと、オリフィスの上流側配管に設けられたコントロールバルブと、オリフィスとコントロールバルブの間に設けて上流側圧力Ｐ１を検出する上流側圧力センサと、オリフィスの下流側配管に設けて下流側圧力Ｐ２を検出する下流側圧力センサと、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２によりオリフィス通過流量を流量式Ｑｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎ（Ｋは流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量をこの流量式でフィットすることにより導出された値）によって演算しながらコントロールバルブの開閉によりオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置であって、前記上流側圧力センサ又は下流側圧力センサは圧力を受けたときに電気抵抗が変化する抵抗素子から構成され、この圧力センサとしての抵抗素子を同時に温度センサとしても用いることを特徴とする圧力式流量制御装置。
【請求項２】
前記抵抗素子において、受圧面に４個の抵抗が配置され、この４個の抵抗を４辺とするブリッジ回路が形成され、このブリッジ回路の入力端子間に定電流電源が接続され、出力端子間の電圧変化で流体圧力を検出し、前記入力端子間の電圧変化で流体温度を検出する請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
【請求項３】
シリコン基板に抵抗が拡散形成された抵抗素子を用いる請求項２に記載の圧力式流量制御装置。
【請求項４】
前記流量式の指数ｍ、ｎが、ｍ＝ｎ＝０．５であることを特徴とする請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
【請求項１】
流量制御用のオリフィスと、オリフィスの上流側配管に設けられたコントロールバルブと、オリフィスとコントロールバルブの間に設けて上流側圧力Ｐ１を検出する上流側圧力センサと、オリフィスの下流側配管に設けて下流側圧力Ｐ２を検出する下流側圧力センサと、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２によりオリフィス通過流量を流量式Ｑｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎ（Ｋは流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量をこの流量式でフィットすることにより導出された値）によって演算しながらコントロールバルブの開閉によりオリフィス通過流量を制御する圧力式流量制御装置であって、前記上流側圧力センサ又は下流側圧力センサは圧力を受けたときに電気抵抗が変化する抵抗素子から構成され、この圧力センサとしての抵抗素子を同時に温度センサとしても用いることを特徴とする圧力式流量制御装置。
【請求項２】
前記抵抗素子において、受圧面に４個の抵抗が配置され、この４個の抵抗を４辺とするブリッジ回路が形成され、このブリッジ回路の入力端子間に定電流電源が接続され、出力端子間の電圧変化で流体圧力を検出し、前記入力端子間の電圧変化で流体温度を検出する請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
【請求項３】
シリコン基板に抵抗が拡散形成された抵抗素子を用いる請求項２に記載の圧力式流量制御装置。
【請求項４】
前記流量式の指数ｍ、ｎが、ｍ＝ｎ＝０．５であることを特徴とする請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１１６９０４（Ｐ２００９−１１６９０４Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５３４２（Ｐ２００９−２５３４２）
【出願日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【分割の表示】特願２００２−３０１４２１（Ｐ２００２−３０１４２１）の分割
【原出願日】平成１４年１０月１６日（２００２．１０．１６）
【出願人】（０００２０５０４１）
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【分割の表示】特願２００２−３０１４２１（Ｐ２００２−３０１４２１）の分割
【原出願日】平成１４年１０月１６日（２００２．１０．１６）
【出願人】（０００２０５０４１）
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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