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JP3551906B2 - Mass flow controller - Google Patents

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JP3551906B2
JP3551906B2 JP2000271828A JP2000271828A JP3551906B2 JP 3551906 B2 JP3551906 B2 JP 3551906B2 JP 2000271828 A JP2000271828 A JP 2000271828A JP 2000271828 A JP2000271828 A JP 2000271828A JP 3551906 B2 JP3551906 B2 JP 3551906B2
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JP
Japan
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flow rate
control
valve
flow
signal
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JP2000271828A
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田中  誠
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Proterial Ltd
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Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス等の比較的小流量の流体の質量流量を制御する質量流量制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体製品等を製造するためには、半導体ウエハ等に対して例えばCVD成膜やエッチング操作が繰り返し行われるが、この場合に微量の処理ガスを精度良く制御する必要から例えばガスの精密な流量制御が可能な質量流量制御装置が用いられている。
この種の質量流量制御装置は、微量ガスの質量流量を検出するセンサ部と、流量制御弁と、これを制御する制御回路部とにより主に構成されている。上記センサ部は、全ガス量の僅かな比率の量が通過するセンサ管に電熱コイルを巻回してなるセンサを有しており、大部分のガスはバイパスを流れるようになっている。そして、このセンサ部での検出値に基づいて制御回路部は流量制御弁の弁開度を制御し、設定値のガス流量を流すようになっている。また、弁開度を制御するには、全体のガス流量自体が非常に少ないことから例えば数10μm程度のストローク範囲内で精度良く弁開度を制御しなければならず、このためにアクチュエータとして小さなストローク範囲内で大きな推力変化を生ぜしめることができることから、一般的には積層型圧電素子体や電磁石型アクチュエータが用いられており、これにより設定値に基づいて弁体の弁開度を操作するようになっている。
【0003】
そして、バルブの弁開度すなわち操作量を制御してガス流量をコントロールする方式としては、位置PID制御方式や速度型PID制御方式等が知られており、また、ガス流量の制御に際しては、急激なガス流の流れ込みにより半導体処理室内に製品の欠陥の原因となるパーティクルが巻き上がらないように制御する必要があるので、パーティクルの発生原因となるオーバシュートの発生は極力抑制しつつも、できるだけ迅速で且つ時間遅れのない制御が必要となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した質量流量制御装置の制御回路系は、設定信号や実際に流れる流量が変化した時の追従性が良好であることから、従来はアナログ回路で組まれていたが、通信機能の付加や流量の高精度化の要請により、マイクロコンピュータ等を搭載して各種データを演算しつつ処理を行なうようになってきた。
このマイクロコンピュータ等を搭載した質量流量制御装置では、通常はセンサ部から出力されてくるセンサ信号と外部より入力される所望の流量を設定する流量設定信号とをデジタル信号に変換した後にマイクロコンピュータに取り込み、これらの両者の信号を比較してバルブの開度(弁開度)を決定し、この開度を開度指令信号として流量制御弁に出力するようになっている。すなわち、上記比較処理や開度決定処理は上記マイクロコンピュータによりデジタル形態で演算される。
そして、このような弁開度の制御は、所定の間隔、例えば10msec毎にサイクリックに繰り返し行なうことで、フィードバックループ制御を行なうようになっている。このような、デジタル形態に基づく処理は、PID制御定数を流量制御弁の特性に適合するように設定し直したり、種々の記憶及び判断機能を伴う処理を行なう時は非常に有効となる。
【0005】
しかしながら、前述したようにこのデジタル形態の処理の場合には、センサ信号をデジタル変換するための遅れが必然的に生じ、また、完全な連続処理が可能なアナログ処理と異なり、不連続な処理となるので、例えばバルブ電圧には階段状の指令電圧が与えられることになり、アナログ制御と比較して制御性或いは応答性に劣る場合があった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、アナログ処理の利点とデジタル処理の利点とを併せ持った理想的な応答性を発揮することができる質量流量制御装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、流体を流す流体通路に介設された流量制御弁を、外部より入力される流量設定信号と流量センサ手段からのセンサ信号とに基づいてコントロールすることにより前記流体の質量流量を制御する質量流量制御装置において、前記流量制御弁の応答性の制御に関してデジタル演算回路系とアナログ回路系とを有しており、前記アナログ回路系は、前記流量設定信号と前記センサ信号とを比較する比較部と、この比較部の出力に基づいた大きさの前記バルブ電圧を出力するバルブ駆動部と、前記比較部に接続されて前記比較部に用いる制御定数を切り換えて選択する制御定数切換部とを有し、前記センサ信号と前記流量設定信号とを比較して前記流量制御弁のバルブ電圧を決定するフィードバック制御を行い、前記デジタル演算回路系は、前記流量設定信号に基づいて前記制御定数切換部を制御する切換部制御信号を出力するように構成したものである。
このように、少なくともセンサ信号と流量設定信号(以下、単に「設定信号」とも称す)とを比較してこの結果によりバルブ電圧を決定するフィードバックループをアナログ回路系で行なうようにすることにより、完全に連続的で、且つ応答性に優れた制御を行なうことができ、しかも、応答性に関する他の複雑な制御はデジタル回路系により行なうようにしているので、応答制御の高精度化を達成でき、従って、デジタル処理の利点とアナログ処理の利点とを同時に達成することが可能となる。
【0007】
この場合、前記アナログ回路系は、前記流量設定信号と前記センサ信号とを比較する比較部と、この比較部の出力に基づいた大きさの前記バルブ電圧を出力するバルブ駆動部とを有する。
また、前記比較部には、制御定数を切り換えて選択する制御定数切換部が接続して設けられる。
に、前記デジタル演算回路系は、前記流量設定信号に基づいて前記制御定数切換部を制御する切換部制御信号を出力する。
【0008】
また、例えば請求項に規定するように、前記デジタル演算回路系は、前記流量設定信号と前記センサ信号とに基づいて前記流量センサ手段のゼロ点ずれの補正と直線ずれの補正とを行なって補正された流量設定信号を出力するようにしてもよい。
更に、例えば請求項に規定するように、前記デジタル演算回路系は、流量ゼロの状態から所定の流量に設定流量を変化させる時に、前記流量制御弁が開き始めて流体が流れ出す直前のバルブ電圧である初期バルブ電圧を求めるようにしてもよい。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る質量流量制御装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図1は本発明に係る質量流量制御装置を示す概略構成図、図2は図1に示す制御定数切換部を示す構成図、図3は流量センサ手段のゼロ点ずれと直線ずれの補正制御を説明するための設定信号とセンサ信号との関係を示すグラフ、図4はバルブ電圧と流量との関係を示すグラフである。
【0010】
ここでは流体として、例えばガス流体を流す場合を例にとって説明する。
図示するようにこの質量流量制御装置2は、例えばステンレススチール等により成形された流体通路4を有しており、この流体通路4のガス流体の流れ方向の上流側には大部分の流量を流すバイパス6が設けられ、下流側にはガス流体の流量を制御するために弁体として例えばダイヤフラム8を備えた流量制御弁10が設けられる。そして、この制御装置2は、流量制御弁10の応答性に関する制御の内の、上記流量制御弁10の弁開度の制御をフィードバックループで行なうアナログ回路系ANと、このフィードバックループ以外の応答性に関する他の制御を行なうデジタル演算回路系DEを有している。
【0011】
まず、アナログ回路系ANについて説明すると、上記バイパス6の両端側には、流量センサ手段12の一部を構成するセンサ管14が接続されており、これにバイパス4と比較して小量のガス流体を流し得るようになっている。このセンサ管14には制御用の一対の電熱コイル16が巻回されており、これに接続されたセンサ制御回路18によりガス流体の質量流量を検出し、検出流量をセンサ信号として出力するようになっている。このように、流量センサ手段12は、センサ管14、電熱コイル16及びセンサ制御回路18とにより主に構成される。このセンサ制御回路18は、例えばガス流体の流れに伴って発生する熱移動を、電気抵抗の変化としてホイートストンブリッジにより検出するようになされて、アナログ回路で構成されている。
【0012】
ここでの検出流量は、前述のようにセンサ信号S1として出力され、
アナログ回路により組まれた比較部22へ入力されるようになっている。この比較部22には、外部より入力される設定信号(流量設定信号)S0に、デジタル演算回路系DEにて所定の補正処理を加えて補正することにより形成された補正後の設定信号S0−1がアナログ化されて入力されている。また、この比較部22には、所定の制御定数を選択的に作用させるための制御定数切換部20が接続されている。この制御定数切換部20は、例えばPID制御の制御定数を適切に選択的に切り換えるものであり、例えば最大流量までの流量レンジを複数の領域に分割し、設定流量に対応した領域の制御定数を選択的に用いるようになっている。具体的には、図2に示すように抵抗値の異なる複数、例えば10個の制御定数抵抗R1〜R10とこれにそれぞれ直列接続された切り換えスイッチSW1〜SW10の回路を並列に設けてアナログ回路として構成されており、上記切り換えスイッチSW1〜SW10を後述するデジタル演算回路系からの切換部制御信号により選択的に切り換えるようになっている。この場合、例えば流量ゼロから最大流量までのレンジを10個の領域に等分して、それぞれの領域に対して最適な制御定数となるような抵抗R1〜R10を適用している。例えば最大流量の0〜10%の範囲内では抵抗R1を選択し、11〜20%の範囲内では抵抗R2を選択するという具合に設定流量が10%変化する毎に制御定数として異なる抵抗値を選択するようになっている。尚、図2において、コンデンサ38は上記各抵抗R1〜R10と組み合わせて時定数を決定するための容量である。
【0013】
また、比較部22では、上記センサ信号S1と上記設定信号S0−1とを比較してその差に上記制御定数を加味して比較信号S2を出力している。この比較部22からの比較信号S2は、同じくアナログ回路により構成されたバルブ駆動部26へ入力するようになっており、このバルブ駆動部26は、この比較信号の大きさに応じて上記流量制御弁10に向けて駆動電圧としてバルブ電圧を出力するようになっている。
このようにして、フィードバックループをなすアナログ回路系ANが構成されることになる。
また、上記流量制御弁10は上記ダイヤフラム8を上下駆動するためのアクチュエータとして小さなストローク範囲内で大きな推力変化を生ずる例えば積層型の圧電素子29を有しており、バルブ駆動部26からの駆動信号で制御される。上記アクチュエータとして、圧電素子29に代えて、例えば電磁石を用いたソレノイドを用いるようにしてもよい。
【0014】
一方、上記デジタル演算回路系DEは、例えばデジタル動作するマイクロコンピュータ等よりなる。このデジタル演算回路系DEには、外部の例えば半導体製造装置などより出力されてくる設定信号を入力するようになっている。この設定信号は、通常は0〜5Vのアナログ信号であり、A/Dコンバータ28にてデジタル信号へ変換した後に、上記デジタル演算回路系DEへ入力される。このデジタル演算回路系DEでは、この設定信号に対して上記流量センサ手段12の特性に応じた補正、例えばゼロ点ずれ補正や直線ずれ補正等を施して、補正後の設定信号を出力するようになっている。
この補正後の設定信号は、デジタル信号として出力されるので、D/Aコンバータ30にてアナログ信号に変換されて上記比較部22へ入力されることになる。
また、センサ制御回路18からのセンサ信号S1はA/Dコンバータ40にてデジタル信号に変換した後に上記デジタル演算回路系DEに入力され、上記設定信号S0に施した補正の正負を逆にした補正を施した後、D/Aコンバータ42にてアナログ信号に変換されて、流量出力信号S5として外部へ出力される。
そして、上記デジタル演算回路系DEは、外部との間で、必要に応じてデジタル通信を行なうために、インタフェース32に接続されている。更に、このデジタル演算回路DEは、上述したような補正の他に、制御定数切換部20に向けて切換部制御信号を出力したり、バルブ駆動部26に向けて、後述するように流量ゼロの状態から所定の流量への設定信号が入力された時に、バルブ電圧を流体が流れ出す直前の電圧まで一気に強制的に印加するように指令する信号を出力したり、センサ信号を常時モニタして関連するデータを必要に応じてアップデートするようになっている。
【0015】
次に、以上のように構成された質量流量制御装置を用いて行われる制御方法の一例を具体的に説明する。
まず、外部のガス使用系などから出力された設定信号S0がこの装置2へ入力されるとそれに応じて流量制御弁10が開いてガス流体が流れ出す。そして、流体通路4にガス流体が流れると、この一部は流量センサ手段12のセンサ管14を流れ、大部分はバイパス6を流れて行き、流体制御弁10によりその流量が制御されつつガス使用系、例えば半導体製造装置へ向かう。
センサ管14を流れるガス流体の流量はブリッジ回路を用いた定電流方式のセンサ制御回路18により検出されて流体通路4全体に流れる質量流量が求められ、この流量がセンサ信号S1として比較部22に向けて出力される。
【0016】
一方、例えば0〜5Vのアナログ信号として外部より入力される設定信号S0は、A/Dコンバータ28にてデジタル信号へ変換された後に、デジタル演算回路系DEに入力され、ここで種々の補正が加えられる。そして、このデジタル演算回路系DEからは、所定の補正が加えられた補正後の設定信号S0−1が出力され、この信号S0−1はD/Aコンバータ30にてアナログ信号へ変換された後に、上記比較部22へ入力される。
この比較部22では、上記センサ信号S1と上記補正後の設定信号S0−1とを、制御定数切換部20によって切り換え選択されるPID制御に最適な制御定数を加味してアナログ処理で比較し、この結果を比較信号S2としてバルブ駆動部26に向けて出力する。このバルブ駆動部26は、この比較信号S2に基づくバルブ電圧S3を流量制御弁10の圧電素子29に印加し、このダイヤフラム8の弁開度を調整することになる。
このように、ガス流体の流量は、センサ信号S1を出力するセンサ制御回路18、比較部22(制御定数切換部20を含む)、バルブ駆動部26及び流量制御弁10に至る閉じた系でフィードバック制御されることになる。この場合、この閉じたフィードバックループは、前述のように全体がアナログ回路系ANにより構成されているので、従来装置のように部分的にデジタル制御系を用いて間欠的、例えば10msec毎に制御する場合と異なり、フィードバック制御を連続的に行なうことができるので、制御精度の向上を図ることが可能となる。
【0017】
また、従来装置のように、デジタル処理でフィードバック制御を行なうには、アナログ状態の各信号をデジタル変換したり、或いは逆にデジタル信号を最終的にはアナログ信号に変換したりしなければならないので、変換操作の都度、遅延が生じて制御に遅延が生ずることは避けられなかったが、本実施例の場合には上述のようにフィードバックループの制御は全てアナログ処理で行なっているので、制御に遅延が生ずることはなく、迅速で且つ高い精度で流量制御を行なうことが可能となる。
尚、ここで設定信号S0に各種の補正を施す必要がない場合には、この設定信号S0を直接的に比較部22へ入力してもよい。また、同様に、PID制御の制御定数が固定の場合には、制御定数切換部20は不要となる。
【0018】
上述のように、流量制御弁10の応答性に関する制御の内、センサ信号S1の検出からバルブ電圧S3の出力に至るフィードバックループに関する制御はアナログ処理で行なうようにしたが、他の処理、例えば流量センサ手段12のゼロ点ずれの補正、直線ずれの補正、制御定数の切り換えの指令を発する操作及び、流れ出し開始直前のバルブ電圧の設定操作等は、デジタル演算回路系DEで行なうようにし、特に、制御定数の切り換え指令を発する操作は、記憶、比較判断が必要な処理であり、これをアナログ回路で行なうには実装サイズ、及びコスト面で現実的ではない、という理由から、デジタル演算回路系DEで必ず行なうようにする。
【0019】
次に、以上の各補正或いは操作について説明する。
まず、制御定数の切り換え指令を発する操作については、適用されている流量制御弁10の最大流量であるフルスケールに対してどの程度の流量を設定信号S0が示しているかをデジタル演算回路系DEが判定し、図2中においてその流量に見合った抵抗値(制御定数に対応)を選択するように切換部制御信号S4を出力し、該当する抵抗のスイッチSWをオンする。図2においては、設定信号S0(0〜5V)がフルスケールの流量の10〜20%の範囲内の流量を示していたので、スイッチSW2を閉じて抵抗R2の抵抗値を制御定数として選択している場合を示している。尚、上記フルスケールの流量に対する分割領域数は、図示例の10領域に限定されないのは勿論である。
【0020】
次に、流量センサ手段12のゼロ点ずれの補正、直線ずれの補正について説明する。
一般的には、図3に示すように、流量センサ手段12の実際の特性(実線)は、設定信号(設定流量)とセンサ信号(検出流量)との関係は、理想的な直線(破線)にはならず、曲線状となり、しかもゼロ点が原点よりもずれるような特性を有しており、この特性は、個々の流量制御弁10や流量センサ手段12によっても異なる。そのため、流量センサ手段12や流量制御弁10の特性を工場出荷段階で予め測定してこれをデジタル演算回路系DEの記憶部(図示せず)に予め記憶しておき、実際の制御動作時には流量制御の誤差を抑制するために、設定信号S0に対して上記したゼロ点ずれ補正と直線ずれの補正を行なう。
ゼロ点ずれ補正は、実際の特性(実線)を矢印Aに示すように下方向へシフトさせることにより、原点を通る特性曲線(一点鎖線)とする。そして、直線ずれの補正は、上記一点鎖線の特性曲線と破線で示す理想の特性とのずれを矢印Bで示すような変位量として求め、この変位量を加味して設定信号S0を補正する。
これにより、より制御精度の高い流量制御を行なうことが可能となる。
【0021】
次に、流れ出し開始直前のバルブ電圧の設定操作について説明する。
まず、図4に示すようにバルブ電圧と流量との関係は直線性がなく、全閉状態(0V)から少しずつ電圧を上昇させた時、電圧を上げても流量が変化せずにゼロの状態を示している領域がある。図4では50Vまではほとんどガスが流れていない。
その理由は、駆動電圧を上昇させると弁体(ダイヤフラム8)を開ける方向に力が発生するが、その力は直ぐには変位とならず、弁体が弁座を押さえる力(面圧)を小さくすることに使われる。そして、この面圧がゼロになってからの電圧上昇が変位となって現れる。尚、この流量制御弁は、バルブ電圧が150Vの時に最大流量(フルスケール)で2000cc/分のガスが流れる特性を有している。
マスフローコントローラのような質量流量制御装置のバルブアクチュエーターには、上記した積層型圧電素子以外にも、ソレノイド、熱膨張等が使われるが、全閉時の漏れ止め性能を要求されるため、何れのアクチュエーターでも、ある程度の面圧をかける設計がされている。また、バルブの機械的な位置ずれ、周囲温度が変わることによる部品の熱膨張差による位置ずれを吸収して、少々の位置ずれでは、漏れが発生しないためにも、このような設計、調整が必要である。
【0022】
このように、図4に示す場合には、略50Vが、流れ出しバルブ電圧となっている。
このような特性下において、流量ゼロの状態から所定の流量に設定流量を変化させた時、常にバルブ電圧ゼロの状態からPID制御を行なっていくと、ガスが流れ始めるまでに多くの時間を要するので制御に遅れが生じてしまう。そこで、この制御遅れを防止するために、流量ゼロの状態から所定の流量値まで急激に流量を変化させるような設定信号S0が入力された場合には、上記流れ出しバルブ電圧、例えば略50Vよりも僅かな電圧値、例えば5Vだけ少ない電圧、例えば45Vを初期バルブ電圧として圧電素子29へ出力させるようにバルブ駆動部26へデジタル演算回路系DEより指令を出すようになっている。そして、その後、直ちにPID制御へ移行する。従って、この場合には、流量ゼロから最大流量(流量100%)まで急激に流量を変化させる場合にも、初期バルブ電圧として45Vの駆動電圧を出力することになる。このような制御を行なうことにより、オーバシュートの発生を確実に抑制することができ、しかも迅速に所望の流量に安定的に設定することができる。
【0023】
この場合、上記初期バルブ電圧を求めるに際しては、デジタル演算回路系DEでは、予め求められた流れ出しバルブ電圧、例えば50Vの所定の割合、例えば9割として45V(=50V×0.9)として求めてもよいし、或いは、流れ出しバルブ電圧、例えば50Vよりも所定の量、例えば5Vだけ小さい電圧値を初期バルブ電圧として求めるようにしてもよい。
いずれにしても、流量制御弁10の特性は個々の制御弁に固有のものであるので、工場出荷段階等で上記流れ出しバルブ電圧を予め求めておく。
また、この場合、流量制御弁10の経年変化等によって、流れ出しバルブ電圧も変化する場合が生ずるので、デジタル演算回路系DEはこれを常時モニタし、アップデートするのは勿論である。
【0024】
ここで、上述したような本発明装置と従来装置の制御特性を実際に測定したので、その評価結果について説明する。
図5は本発明装置と従来装置(デジタル回路のみ)の制御特性を示すグラフである。図5(A)は従来装置の特性曲線を示し、図5(B)は本発明装置の特性曲線を示す。図5(A)に示すように従来装置の場合には、設定信号を入力してから約2秒程度の制御遅れが発生しているが、図5(B)に示す本発明装置の場合には、制御遅れは約0.7秒程度であり、制御遅れを大幅に改善できたことが判明した。
尚、本実施例ではガス状の流体を流す場合を例にとって説明したが、これに限定されず、液状の流体を流す場合にも本発明を適用できるのは勿論である。
【0025】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の質量流量制御装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
センサ信号と流量設定信号とを比較してこの結果によりバルブ電圧を決定するフィードバックループをアナログ回路系で行なうようにすることにより、完全に連続的で、且つ応答性に優れた制御を行なうことができ、しかも、応答性に関する他の複雑な制御はデジタル回路系により行なうようにしているので、制御の高精度化を達成でき、従って、デジタル処理の利点とアナログ処理の利点とを同時に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る質量流量制御装置を示す概略構成図である。
【図2】図1に示す制御定数切換部を示す構成図である。
【図3】流量センサ手段のゼロ点ずれと直線ずれの補正制御を説明するための設定信号とセンサ信号との関係を示すグラフである。
【図4】バルブ電圧と流量との関係を示すグラフである。
【図5】本発明装置と従来装置(デジタル回路のみ)の制御特性を示すグラフである。
【符号の説明】
2 質量流量制御装置
4 流体通路
6 バイパス
10 流量制御弁
12 流量センサ手段
14 センサ管
18 センサ制御回路
20 制御定数切換部
22 比較部
26 バルブ駆動部
AN アナログ回路系
DE デジタル演算回路系
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a mass flow controller for controlling a mass flow of a fluid having a relatively small flow such as a gas.
[0002]
[Prior art]
Generally, in order to manufacture a semiconductor product or the like, for example, a CVD film formation or an etching operation is repeatedly performed on a semiconductor wafer or the like. A mass flow controller capable of controlling the flow is used.
This type of mass flow controller mainly includes a sensor unit for detecting a mass flow rate of a trace gas, a flow control valve, and a control circuit unit for controlling the same. The sensor section has a sensor formed by winding an electric heating coil around a sensor tube through which a small percentage of the total gas amount passes, and most of the gas flows through the bypass. The control circuit controls the valve opening of the flow control valve based on the value detected by the sensor, so that the gas flow of the set value flows. Further, in order to control the valve opening, since the entire gas flow rate itself is very small, the valve opening must be accurately controlled within a stroke range of, for example, about several tens of μm. Since a large change in thrust can be generated within the stroke range, a laminated piezoelectric element or an electromagnet type actuator is generally used, and the valve opening of the valve is operated based on a set value. It has become.
[0003]
As a method of controlling the gas flow rate by controlling the valve opening degree, that is, the operation amount of the valve, a position PID control method, a speed-type PID control method, and the like are known. It is necessary to control the generation of particles that cause product defects in the semiconductor processing chamber due to the inflow of an unusual gas flow. And control without time delay is required.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the control circuit system of the mass flow rate control device described above has been conventionally configured with an analog circuit because of good tracking performance when a setting signal or an actual flow rate changes, but an additional communication function is added. In response to demands for higher accuracy in flow rates and flow rates, microcomputers and the like have been mounted to perform processing while calculating various data.
A mass flow controller equipped with this microcomputer or the like usually converts a sensor signal output from a sensor unit and a flow rate setting signal input from outside to set a desired flow rate into a digital signal, and then converts the digital signal into a microcomputer. The opening degree of the valve (valve opening degree) is determined by comparing these two signals, and the opening degree is output to the flow control valve as an opening degree command signal. That is, the comparison processing and the opening degree determination processing are calculated in digital form by the microcomputer.
The control of the valve opening is cyclically and repeatedly performed at predetermined intervals, for example, every 10 msec, thereby performing feedback loop control. Such processing based on a digital form is very effective when resetting the PID control constant so as to conform to the characteristics of the flow control valve, or when performing processing involving various storage and judgment functions.
[0005]
However, as described above, in the case of this digital processing, a delay for digitally converting the sensor signal occurs inevitably, and unlike analog processing capable of complete continuous processing, discontinuous processing is performed. Therefore, for example, a step-like command voltage is applied to the valve voltage, and controllability or responsiveness may be inferior to analog control in some cases.
The present invention has been devised in view of the above problems and effectively solving the problems. An object of the present invention is to provide a mass flow controller capable of exhibiting ideal responsiveness having both advantages of analog processing and digital processing.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 controls the flow control valve provided in the fluid passage through which the fluid flows based on a flow rate setting signal input from the outside and a sensor signal from the flow rate sensor means, thereby controlling the flow rate of the fluid. In the mass flow control device for controlling the mass flow rate, the control circuit has a digital operation circuit system and an analog circuit system for controlling the responsiveness of the flow control valve, and the analog circuit system includes the flow rate setting signal and the sensor signal. A valve driving unit that outputs the valve voltage having a magnitude based on the output of the comparing unit; and a control that switches and selects a control constant that is connected to the comparing unit and used for the comparing unit. A constant switching unit, performs feedback control to determine the valve voltage of the flow control valve by comparing the sensor signal and the flow rate setting signal, Calculation circuit system, which is constituted so as to output a switching unit control signal for controlling the control constant switching unit based on the flow rate setting signal.
As described above, at least the sensor signal is compared with the flow rate setting signal (hereinafter, also simply referred to as “setting signal”), and the feedback loop for determining the valve voltage based on the result is performed by the analog circuit system, so that the complete Control can be performed continuously and with excellent responsiveness, and since other complicated control relating to responsiveness is performed by a digital circuit system, it is possible to achieve high precision of response control, Therefore, the advantages of digital processing and the advantages of analog processing can be achieved at the same time.
[0007]
In this case, before Symbol analog circuitry includes a comparator for comparing the flow rate setting signal and said sensor signals, and a valve driving unit which outputs the valve voltage of a magnitude based on the output of the comparator portion of .
In addition, a control constant switching unit that switches and selects a control constant is connected to the comparison unit.
In a further, pre SL digital arithmetic circuit system, you output switching unit control signal for controlling the control constant switching unit based on the flow rate setting signal.
[0008]
Further, for example, as defined in claim 2 , the digital arithmetic circuit system performs correction of a zero point shift and correction of a linear shift of the flow rate sensor means based on the flow rate setting signal and the sensor signal. A corrected flow rate setting signal may be output.
Further, for example, as defined in claim 3 , when the set flow rate is changed from a zero flow state to a predetermined flow rate, the digital operation circuit system uses the valve voltage immediately before the fluid starts flowing when the flow control valve starts to open. A certain initial valve voltage may be obtained.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a mass flow controller according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a mass flow rate control device according to the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram showing a control constant switching section shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a graph showing a relationship between a setting signal and a sensor signal for explanation, and FIG. 4 is a graph showing a relationship between a valve voltage and a flow rate.
[0010]
Here, a case will be described as an example where a gas fluid flows as the fluid.
As shown in the drawing, the mass flow controller 2 has a fluid passage 4 formed of, for example, stainless steel or the like, and most of the flow is caused to flow upstream of the fluid passage 4 in the gas flow direction. A bypass 6 is provided, and on the downstream side, a flow control valve 10 having, for example, a diaphragm 8 as a valve body for controlling the flow rate of the gas fluid is provided. The control device 2 includes an analog circuit AN that controls the valve opening degree of the flow control valve 10 in a feedback loop, among the controls related to the responsiveness of the flow control valve 10, and a responsiveness other than the feedback loop. And a digital operation circuit system DE for performing other control related to the above.
[0011]
First, the analog circuit system AN will be described. A sensor tube 14 which constitutes a part of the flow rate sensor means 12 is connected to both ends of the bypass 6. The fluid can flow. A pair of electric heating coils 16 for control are wound around the sensor tube 14. A mass flow rate of the gas fluid is detected by a sensor control circuit 18 connected to the coil, and the detected flow rate is output as a sensor signal. Has become. As described above, the flow sensor unit 12 is mainly configured by the sensor tube 14, the electric heating coil 16, and the sensor control circuit 18. The sensor control circuit 18 is configured to detect, for example, heat transfer generated due to a flow of a gas fluid as a change in electric resistance by a Wheatstone bridge, and is configured by an analog circuit.
[0012]
The detected flow rate is output as the sensor signal S1 as described above,
The data is input to the comparison unit 22 formed by an analog circuit. The comparison unit 22 corrects a setting signal ( flow setting signal) S0 input from the outside by applying a predetermined correction process to the digital operation circuit system DE to correct the setting signal S0− 1 is analogized and input. Further, a control constant switching unit 20 for selectively applying a predetermined control constant is connected to the comparison unit 22. The control constant switching unit 20 appropriately and selectively switches, for example, the control constant of PID control. For example, the control constant switching unit 20 divides the flow range up to the maximum flow rate into a plurality of areas, and sets the control constant of the area corresponding to the set flow rate. It is used selectively. Specifically, as shown in FIG. 2, a plurality of, for example, ten control constant resistances R1 to R10 having different resistance values, and circuits of changeover switches SW1 to SW10 respectively connected in series thereto are provided in parallel to form an analog circuit. The switching switches SW1 to SW10 are selectively switched by a switching unit control signal from a digital operation circuit system described later. In this case, for example, the range from zero flow rate to the maximum flow rate is equally divided into ten regions, and the resistances R1 to R10 are applied so as to provide optimal control constants for each region. For example, a resistor R1 is selected in a range of 0 to 10% of the maximum flow rate, and a resistor R2 is selected in a range of 11 to 20%. You have to choose. In FIG. 2, the capacitor 38 is a capacitor for determining a time constant in combination with the resistors R1 to R10.
[0013]
The comparing section 22 compares the sensor signal S1 with the setting signal S0-1 and outputs a comparison signal S2 by taking the difference into account with the control constant. The comparison signal S2 from the comparison unit 22 is input to a valve drive unit 26 also constituted by an analog circuit. The valve drive unit 26 controls the flow control according to the magnitude of the comparison signal. A valve voltage is output as a drive voltage toward the valve 10.
Thus, an analog circuit system AN forming a feedback loop is configured.
The flow control valve 10 has, for example, a laminated piezoelectric element 29 that generates a large change in thrust within a small stroke range as an actuator for vertically driving the diaphragm 8. Is controlled by As the actuator, for example, a solenoid using an electromagnet may be used instead of the piezoelectric element 29.
[0014]
On the other hand, the digital operation circuit system DE includes, for example, a microcomputer that operates digitally. A setting signal output from an external device such as a semiconductor manufacturing device is input to the digital operation circuit system DE. This setting signal is usually an analog signal of 0 to 5 V, and after being converted into a digital signal by the A / D converter 28, is input to the digital operation circuit system DE. The digital operation circuit system DE performs a correction according to the characteristics of the flow rate sensor means 12, for example, a zero point shift correction and a linear shift correction, on the setting signal, and outputs the corrected setting signal. Has become.
Since the corrected setting signal is output as a digital signal, it is converted into an analog signal by the D / A converter 30 and input to the comparing unit 22.
Further, the sensor signal S1 from the sensor control circuit 18 is converted into a digital signal by the A / D converter 40 and then input to the digital operation circuit system DE, where the correction applied to the setting signal S0 is reversed. After that, the signal is converted into an analog signal by the D / A converter 42 and output to the outside as the flow rate output signal S5.
The digital operation circuit system DE is connected to an interface 32 for performing digital communication with the outside as necessary. Further, in addition to the above-described correction, the digital arithmetic circuit DE outputs a switching unit control signal to the control constant switching unit 20 or outputs a switching zero signal to the valve driving unit 26 as described later. When a setting signal to a predetermined flow rate is input from the state, a signal is output to instruct the valve voltage to be applied at a stretch to a voltage immediately before the fluid starts flowing out, or a sensor signal is constantly monitored and related. The data is updated as needed.
[0015]
Next, an example of a control method performed by using the mass flow controller configured as described above will be specifically described.
First, the gas fluid flows out flow control valve 10 opens in response thereto the setting signal S 0 output from an external gas used system is input into the device 2. When the gas fluid flows through the fluid passage 4, a part of the gas flows through the sensor pipe 14 of the flow rate sensor unit 12, and most of the gas flows through the bypass 6. To systems, for example, semiconductor manufacturing equipment.
The flow rate of the gas fluid flowing through the sensor tube 14 is detected by a constant current type sensor control circuit 18 using a bridge circuit, and the mass flow rate flowing through the entire fluid passage 4 is obtained. This flow rate is sent to the comparison unit 22 as a sensor signal S1. Output to
[0016]
On the other hand, for example, a setting signal S0 input from the outside as an analog signal of 0 to 5 V is converted into a digital signal by the A / D converter 28 and then input to the digital operation circuit system DE, where various corrections are performed. Added. Then, the digital operation circuit system DE outputs a corrected setting signal S0-1 to which a predetermined correction has been applied. After the signal S0-1 is converted into an analog signal by the D / A converter 30, Are input to the comparison unit 22.
The comparison unit 22 compares the sensor signal S1 with the corrected setting signal S0-1 by analog processing in consideration of the optimal control constant for the PID control switched and selected by the control constant switching unit 20, This result is output as a comparison signal S2 to the valve drive unit 26. The valve drive unit 26 applies a valve voltage S3 based on the comparison signal S2 to the piezoelectric element 29 of the flow control valve 10 to adjust the valve opening of the diaphragm 8.
As described above, the flow rate of the gas fluid is fed back in a closed system that reaches the sensor control circuit 18 that outputs the sensor signal S1, the comparison unit 22 (including the control constant switching unit 20), the valve driving unit 26, and the flow control valve 10. Will be controlled. In this case, since the closed feedback loop is entirely constituted by the analog circuit AN as described above, the closed feedback loop is controlled intermittently, for example, every 10 msec using a digital control system as in the conventional device. Unlike the case, since the feedback control can be continuously performed, the control accuracy can be improved.
[0017]
Also, in order to perform feedback control by digital processing as in a conventional device, it is necessary to convert each signal in an analog state into a digital signal, or conversely, to convert a digital signal into an analog signal finally. However, it is inevitable that a delay occurs in the control due to the conversion operation every time the conversion operation is performed. However, in the case of the present embodiment, since the control of the feedback loop is all performed by analog processing as described above, There is no delay, and the flow rate can be controlled quickly and with high accuracy.
If it is not necessary to apply various corrections to the setting signal S0, the setting signal S0 may be directly input to the comparing unit 22. Similarly, when the control constant of the PID control is fixed, the control constant switching unit 20 becomes unnecessary.
[0018]
As described above, of the control relating to the responsiveness of the flow control valve 10, the control relating to the feedback loop from the detection of the sensor signal S1 to the output of the valve voltage S3 is performed by analog processing. The operation of issuing a command to correct the zero point deviation, the correction of the linear deviation, the switching of the control constant, and the operation of setting the valve voltage immediately before the start of the flow of the sensor means 12 are performed by the digital operation circuit system DE. The operation of issuing the control constant switching command is a process that requires storage and comparison judgment, and it is not practical in terms of mounting size and cost if it is performed by an analog circuit. Be sure to do it.
[0019]
Next, each of the above corrections or operations will be described.
First, for the operation of issuing a control constant switching command, the digital operation circuit system DE determines how much the setting signal S0 indicates with respect to the full scale, which is the maximum flow rate of the applied flow control valve 10. Then, the switching unit control signal S4 is output so as to select a resistance value (corresponding to a control constant) corresponding to the flow rate in FIG. 2, and the switch SW of the corresponding resistance is turned on. In FIG. 2, since the setting signal S0 (0 to 5V) indicates a flow rate within the range of 10 to 20% of the full scale flow rate, the switch SW2 is closed and the resistance value of the resistor R2 is selected as a control constant. Is shown. It should be noted that the number of divided regions for the full-scale flow rate is not limited to the ten regions in the illustrated example.
[0020]
Next, the correction of the zero point deviation and the correction of the linear deviation of the flow rate sensor unit 12 will be described.
Generally, as shown in FIG. 3, the actual characteristic (solid line) of the flow rate sensor means 12 is such that the relationship between the set signal (set flow rate) and the sensor signal (detected flow rate) is an ideal straight line (broken line). , And has a characteristic that the zero point is shifted from the origin, and this characteristic differs depending on the individual flow control valve 10 and the flow sensor means 12. Therefore, the characteristics of the flow rate sensor means 12 and the flow rate control valve 10 are measured in advance at the time of factory shipment and stored in advance in a storage unit (not shown) of the digital operation circuit system DE. In order to suppress the control error, the above-described zero point shift correction and straight line shift correction are performed on the setting signal S0.
In the zero point shift correction, an actual characteristic (solid line) is shifted downward as indicated by an arrow A to obtain a characteristic curve (dash-dot line) passing through the origin. Then, the correction of the straight line deviation is obtained by calculating the deviation between the characteristic curve indicated by the one-dot chain line and the ideal characteristic indicated by the broken line as a displacement amount indicated by an arrow B, and correcting the setting signal S0 in consideration of the displacement amount.
This makes it possible to perform flow control with higher control accuracy.
[0021]
Next, an operation of setting the valve voltage immediately before the start of the flow will be described.
First, as shown in FIG. 4, the relationship between the valve voltage and the flow rate is not linear, and when the voltage is gradually increased from the fully closed state (0 V), even if the voltage is increased, the flow rate does not change and becomes zero. There is an area indicating the status. In FIG. 4, almost no gas flows up to 50V.
The reason is that when the drive voltage is increased, a force is generated in the direction of opening the valve body (diaphragm 8), but the force does not immediately displace, and the force (surface pressure) by which the valve body presses the valve seat is reduced. Used to do. Then, a voltage rise after the surface pressure becomes zero appears as a displacement. The flow control valve has a characteristic that gas flows at a maximum flow rate (full scale) of 2000 cc / min when the valve voltage is 150 V.
For a valve actuator of a mass flow controller such as a mass flow controller, in addition to the above-described laminated piezoelectric element, a solenoid, thermal expansion, and the like are used. Actuators are also designed to apply some surface pressure. In addition, such design and adjustment must be made in order to absorb mechanical displacement of the valve and misalignment due to the difference in thermal expansion of parts due to changes in the ambient temperature. is necessary.
[0022]
Thus, in the case shown in FIG. 4, approximately 50 V is the outflow valve voltage.
Under such characteristics, when the set flow rate is changed from the zero flow state to the predetermined flow rate, if the PID control is always performed from the zero valve voltage state, much time is required until the gas starts to flow. Therefore, a delay occurs in the control. Therefore, in order to prevent this control delay, when a setting signal S0 that rapidly changes the flow rate from a zero flow state to a predetermined flow rate value is input, the flow-out valve voltage, for example, about 50 V The digital operation circuit system DE issues a command to the valve drive unit 26 to output a small voltage value, for example, a voltage smaller by 5 V, for example, 45 V, to the piezoelectric element 29 as an initial valve voltage. Then, the process immediately shifts to the PID control. Therefore, in this case, even when the flow rate is rapidly changed from zero flow rate to the maximum flow rate (100% flow rate), a drive voltage of 45 V is output as the initial valve voltage. By performing such control, the occurrence of overshoot can be reliably suppressed, and the flow rate can be quickly and stably set to a desired flow rate.
[0023]
In this case, when the initial valve voltage is obtained, the digital operation circuit system DE obtains the flow valve voltage determined in advance, for example, a predetermined ratio of 50 V, for example, 90% as 45 V (= 50 V × 0.9). Alternatively, a voltage value that is smaller by a predetermined amount, for example, 5 V, than the outflow valve voltage, for example, 50 V, may be obtained as the initial valve voltage.
In any case, since the characteristics of the flow control valve 10 are unique to each control valve, the flow-out valve voltage is obtained in advance at the factory shipment stage or the like.
Also, in this case, the flow-out valve voltage may change due to the aging of the flow control valve 10 or the like, so that the digital operation circuit system DE constantly monitors and updates this.
[0024]
Here, the control characteristics of the device of the present invention and the conventional device as described above were actually measured, and the evaluation results will be described.
FIG. 5 is a graph showing the control characteristics of the device of the present invention and the conventional device (only digital circuit). FIG. 5A shows the characteristic curve of the conventional device, and FIG. 5B shows the characteristic curve of the device of the present invention. As shown in FIG. 5 (A), in the case of the conventional device, a control delay of about 2 seconds has occurred after the setting signal was input, but in the case of the device of the present invention shown in FIG. 5 (B). It was found that the control delay was about 0.7 seconds, and the control delay was significantly improved.
In this embodiment, the case where a gaseous fluid flows is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to a case where a liquid fluid flows.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the mass flow controller of the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited.
By then comparing the sensor signal and the flow rate setting signal to a feedback loop to determine the valve voltage by this result to perform an analog circuit system, fully continuous, and to perform excellent control in response In addition, since other complicated control relating to the response is performed by a digital circuit system, high precision control can be achieved, and therefore, the advantage of digital processing and the advantage of analog processing can be achieved at the same time. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a mass flow controller according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a control constant switching unit illustrated in FIG. 1;
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a setting signal and a sensor signal for explaining a correction control of a zero point shift and a straight line shift of a flow sensor.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a valve voltage and a flow rate.
FIG. 5 is a graph showing control characteristics of the device of the present invention and a conventional device (only a digital circuit).
[Explanation of symbols]
2 Mass flow controller 4 Fluid passage 6 Bypass 10 Flow control valve 12 Flow sensor means 14 Sensor tube 18 Sensor control circuit 20 Control constant switching unit 22 Comparison unit 26 Valve driving unit AN Analog circuit system DE Digital operation circuit system

Claims (3)

流体を流す流体通路に介設された流量制御弁を、外部より入力される流量設定信号と流量センサ手段からのセンサ信号とに基づいてコントロールすることにより前記流体の質量流量を制御する質量流量制御装置において、前記流量制御弁の応答性の制御に関してデジタル演算回路系とアナログ回路系とを有しており、
前記アナログ回路系は、前記流量設定信号と前記センサ信号とを比較する比較部と、この比較部の出力に基づいた大きさの前記バルブ電圧を出力するバルブ駆動部と、前記比較部に接続されて前記比較部に用いる制御定数を切り換えて選択する制御定数切換部とを有し、前記センサ信号と前記流量設定信号とを比較して前記流量制御弁のバルブ電圧を決定するフィードバック制御を行い、
前記デジタル演算回路系は、前記流量設定信号に基づいて前記制御定数切換部を制御する切換部制御信号を出力するように構成したことを特徴とする質量流量制御装置。
Mass flow control for controlling a mass flow rate of the fluid by controlling a flow rate control valve provided in a fluid passage for flowing the fluid based on a flow rate setting signal input from outside and a sensor signal from a flow rate sensor means. in the device, Propelled by one and a digital arithmetic circuitry and the analog circuitry with respect to the control of the response of the flow control valve,
The analog circuit system is connected to a comparison unit that compares the flow rate setting signal and the sensor signal, a valve driving unit that outputs the valve voltage having a magnitude based on an output of the comparison unit, and the comparison unit. A control constant switching unit for switching and selecting a control constant used for the comparison unit, and performing feedback control for determining the valve voltage of the flow control valve by comparing the sensor signal and the flow setting signal,
The mass flow controller according to claim 1, wherein the digital operation circuit system is configured to output a switching unit control signal for controlling the control constant switching unit based on the flow rate setting signal .
前記デジタル演算回路系は、前記流量設定信号と前記センサ信号とに基づいて前記流量センサ手段のゼロ点ずれの補正と直線ずれの補正とを行なって補正された流量設定信号を出力することを特徴とする請求項1記載の質量流量制御装置。The digital operation circuit system corrects a zero point shift and a straight line shift of the flow rate sensor unit based on the flow rate setting signal and the sensor signal, and outputs a corrected flow rate setting signal. to claim 1 Symbol placement of the mass flow controller. 前記デジタル演算回路系は、流量ゼロの状態から所定の流量に設定流量を変化させる時に、前記流量制御弁が開き始めて流体が流れ出す直前のバルブ電圧である初期バルブ電圧を求めることを特徴とする請求項1または2記載の質量流量制御装置。The digital arithmetic circuit system obtains an initial valve voltage which is a valve voltage immediately before the fluid starts flowing when the flow control valve starts to open when the set flow rate is changed from a state of zero flow rate to a predetermined flow rate. Item 3. The mass flow controller according to Item 1 or 2 .
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