具有壓力包容元件的夾緊閥的制作方法

專利名稱：具有壓力包容元件的夾緊閥的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及流體流量和控制，具體地涉及具有一壓力包容/保持元件的夾緊閥。
背景技術：
流體輸送系統通常包括三部分流體推進部分、流量測量和控制部分以及用戶界面部分。由于典型的低流速、使用有磨損作用的化學流體、使用有腐蝕作用的化學流體，以及對免除污染、精確、緊湊及實時流體輸送和/或混合系統的需要，許多行業例如半導體、藥物以及生物技術等都遇到過流體輸送的問題。
例如，在半導體行業中化學-機械平坦化(CMP)是一個關鍵的工藝，它包括一個通過在晶片表面與拋光墊之間施加含有懸浮固體顆粒的超純流體和一反應劑而使半導體晶片表面變平的加工過程。在大多數應用中，拋光墊以一個受控的速度相對于半導體旋轉以使所述表面變平。過度拋光晶片會導致改變或者除去臨界晶片結構。與此相反，如果拋光不足又會導致產生不合格的晶片。晶片的拋光速率在極大程度上取決于拋光操作期間的流體輸送速度和流體輸送總量。
用于半導體行業中并且要求精確控制流體流量以及對環境無污染的另一工藝是影印過程。如本領域中已知的，影印是一個對晶片表面施加已知的抗蝕劑或者光致抗蝕劑等光敏聚合物的過程。將含有待制作在晶片表面上的結構圖案的光掩膜置于由抗蝕劑覆蓋的晶片和一光源之間。光通過削弱或者加強抗蝕聚合物而與抗蝕劑發生反應。在抗蝕劑暴露于光線之下后，通過施加除去被削弱抗蝕劑的流體化學藥劑而使晶片顯影。精確且可重復的抗蝕劑傳輸是正確轉印圖案所必需的。抗蝕劑必須不受污染，因為表面上的任何“污物”都將導致最終圖案產生缺陷。
可以對這個過程進行如下改動，即向晶片表面施加許多新的流體，從而產生將成為成品半導體的一整體部分的薄膜。這些薄膜的主要作用是用作電導線之間的絕緣體。可使用多種化學組分和物理性質評價多種“旋涂”材料。平版印刷工藝與旋涂沉積的主要差異在于，薄膜上的任何缺陷(例如空隙、氣泡或者顆粒)現在將永久地印入半導體的結構中并且可能導致無功能的質量流量測量和控制裝置以及半導體制造商的經濟損失。
這兩種過程都在稱為“跟蹤裝置”的工具中發生。該跟蹤裝置用于對靜止或者低速旋轉的晶片施加精確容量的流體。附加的化學處理步驟可以用于將液體轉變成適當的結構。進行液體施加后，晶片旋轉速度迅速提高并且晶片表面上的流體被拋出邊緣。從晶片中心到邊緣殘留有非常薄且厚度一致的流體。影響流體厚度的一些變量包括抗蝕劑或者介質粘度、抗蝕劑或者電介質中的溶劑濃度、抗蝕劑/電介質的分配量、分配速度等。
在施加液體后，跟蹤裝置還將提供附加的處理步驟，該步驟中利用也能除去薄膜中溶劑的烘焙方法將液體變成聚合物。該跟蹤裝置還控制晶片周圍的環境以防止濕度或溫度的變化及化學污染物對薄膜的性能產生影響。除了由空隙、氣泡和顆粒造成的缺陷最小之外，跟蹤系統的性能還由輸送到晶片表面的液體的準確性和可重復性來確定。
因此，流體控制元件是這種系統的一關鍵部件以確保加工流體的準確傳輸。為了解決現有技術中的缺陷，需要一種有效、緊湊并且不受污染的流體控制裝置。

發明內容
根據本發明的一方面，控制閥包括一彈性流管和一具有一柱塞的致動器，該柱塞可操作地連接在該致動器上。該柱塞鄰近所述流管，并且一參考表面/基準表面通常與一壓頭(ram)相對設置以使得該彈性管在該柱塞和參考表面之間可擠壓，以控制流經流管的流體的流量。流管的材料較軟以使得它在柱塞和參考表面之間能夠被擠壓以控制流量。在某些情形下，軟的流管材料由于強度低而可能具有較低的壓力等級。繞流管的至少一部分設置一壓力包容元件以提高其壓力等級。在本發明的典型實施例中，壓力包容元件可以包括例如一編織套管、多個環或者一個或多個繞所述流管設置的剛性元件。在一典型實施例中，第一和第二元件以一種“蛤殼”方式夾入所述流管。
根據本發明的其它方面，一質量流量測量和控制裝置包括一外殼、一位于該外殼中的流量測量裝置和一包括與該流量測量裝置流體連通的一彈性流管的夾緊閥。該夾緊閥包括具有一可操作地連接于其上的柱塞的致動器。該柱塞鄰近該彈性管設置，并且一參考表面通常與該柱塞相對設置以使得該彈性管在所述柱塞和參考表面之間可擠壓。繞該彈性管的至少一部分設置有一壓力包容元件。
質量流量測量和控制器質量流量測量和控制裝置還包括一接收來自流量測量裝置的測量輸出信號的控制器。該控制器響應設定點信號和測量輸出信號而向夾緊閥致動器提供一控制輸出信號。在某些典型實施例中，夾緊閥位于外殼內。在其它實施例中，夾緊閥彈性管和壓力包容元件延伸到外殼外。夾緊閥彈性管可以位于流量測量裝置的上游或下游。


通過閱讀下面的詳細描述并參照附圖，本發明的其它目的和優點將變得明顯，其中圖1是一示意性示出根據本發明一典型實施例的夾緊閥的結構圖；圖2示意性示出一根據本發明一實施例的包括一編織套管壓力包容元件的夾緊閥；圖3概念性地示出圖2所示夾緊閥的一部分，其中去除了編織套管的一部分；圖4示意性示出一根據本發明另一實施例的包括多個繞夾緊管設置以保持壓力的環的夾緊閥；圖5示意性示出一根據本發明另一實施例的包括一蛤殼狀壓力包容元件的夾緊閥；圖6為圖5所示的蛤殼狀壓力包容元件的一部分的透視圖；圖7示出圖5中所示的閥，其中蛤殼狀壓力包容元件的一部分被去除；以及圖8和圖9是示出應用一根據本發明一典型實施例的夾緊閥的流量測量和控制質量流量測量和控制裝置的方框圖。
盡管本發明可以有各種變型和替換形式，但是已在附圖中通過示例示出其具體實施例并在此進行詳細描述。然而，應該意識到，在此對具體實施例進行的描述并非適于將本發明局限于所公開的特定形式，恰恰相反，本發明將覆蓋落入所附權利要求限定的本發明的精神和范圍之內的所有修改、等同技術和替換形式。
具體實施例方式
下面將對本發明的示意性實施例進行描述。為了清楚起見，在說明書中并沒有描述一實際應用方式的所有特征。當然，應該意識到，在任一這種實際實施例的開發過程中，必須做出大量針對實際應用的決定以達到開發者的具體目的，例如滿足系統相關或者商業相關的約束，而這些約束隨具體的應用而變化。此外，應當意識到，這樣的開發工作可能是復雜并且耗時的，但是對于受益于本公開文件的本領域一般技術人員而言，它將是一項常規工作。
圖1概念性地示出一根據本發明一實施例的夾緊閥100。一致動器122位于一彈性管126附近。一可以具有活塞或者壓頭形式的閥柱塞124通過該致動器122移動以選擇性地相對于參考表面128擠壓或者夾緊管子126，從而改變流體流經的開口129的大小。所述流管126由較軟的材料制成，因此它可以在柱塞124和參考表面128之間被壓縮以控制流量。在某些情形下，軟的流管材料由于強度低而可能具有較低的壓力等級。繞管子126的至少一部分設置有一壓力包容元件130以改善管子126的壓力等級。
許多例如與半導體、藥物和生物技術行業相關的應用領域都要求流體輸送系統的流程(由加工流體潤濕的所有表面)由純度很高的、化學惰性/穩定的材料構造以保護所用化學藥品的純度。塑料是可取的，因為如果金屬離子由于多種機械和化學工藝從金屬流管中瀝出或者排出，半導體晶片制作過程中使用的超純化學制品可能會受到污染。塑性材料對較大范圍內的加工材料都具有抗腐蝕性。因此，具有高純度等級的塑料被用于這些行業中，因為這通常能防止將不希望的離子轉移到加工材料中。此外，塑料流管制造過程中必有的光滑表面加工降低了細菌附著到管子上以及利用有機材料污染流體的能力。
在這種高純度應用中，管子126優選地由高純度彈性體或者塑料制成。一種適合的高純度彈性體是硅樹脂(交聯聚硅氧烷)，因為它是化學穩定的并且具有適合的化學特性。其它適合的管件材料是PVC(聚氯乙稀，聚乙烯)、聚丙烯和碳氟橡膠(氟(化)橡膠)。多種氟化聚合物，例如PVDF(聚偏氟乙烯)和PTFE(聚四氟乙烯)也是適合的。例如，PFA(聚四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚)、一種包含PFA材料的混合物和硅樹脂都是在高純度應用中適合于管子126的材料。此外，在閥100的典型實施例中，沒有停滯流體能夠聚集的位置，而且也沒有能夠在流體中產生微粒的滑動和摩擦部分，從而使此處公開的設計特別適合于高純度應用。
管子的柔性使得管壁能夠適應壁內任何捕獲的顆粒或者不理想的部位以提供緊密的密封。流程是直通的，從而使壓力下降和擾動最小化。流體只與流管126接觸，以防止其它閥部件的磨損和腐蝕并防止高純度應用中例如半導體拋光操作中對加工流體造成污染。
圖2示出根據本發明一實施例的夾緊閥200，其中，壓力包容元件包括一環繞流管126的編織套管230。在一些實施例中，編織套管環繞整個流管126。圖3示意性示出部分夾緊閥201，其中去除了編織套管230的一部分232。在圖3所示的實施例中，編織套管230的去除部分232鄰近閥柱塞124，因此閥柱塞124直接與流管126相接觸，而不是與壓力包容套筒230接觸。
通常，編織套管230不會干擾閥201的操作。然而，如果閥柱塞126以足以使材料發生永久變形的長度推靠在套筒材料上，那么某些用于編織套管230的材料會形成永久固定的形狀。套筒這種變形構形會導致控制問題。例如，這類變形產生時可能使閥具有通常閉合的構形，在該構形中柱塞126長時間地壓緊流管126和套筒230。在圖示位置上移走套筒230的部232允許柱塞126直接接觸流管126，同時使編織套管230保留壓力包含特性。套筒材料可以通過機械切削(剪刀、刀具等)、熱切割(以防止材料松散)等獲得希望的幾何形狀。因此，套筒230用作管126的“保持器”。套筒230還為流管126提供了壓力包容，并且使容納在夾緊閥體部內的流管126部分保持增加的壓力等級。
圖4示出根據本發明另一示例實施例的夾緊閥300。在夾緊閥300中，壓力包容元件包括多個繞流管126設置的環330。在一具體實施例中，1mm寬的聚丙烯環在致動器122每一側間隔設置于流管126上。
在其它實施例中，壓力包容元件包括一個或多個繞流管126設置的剛性元件。例如，流管126可以插入穿過一個由這種剛性結構限定的孔以提供壓力包容。在這一實施例中，壓力包容元件環繞流管。然而，整個管件由壓力包容元件接納并不是必需的。如果多于一半的管子被環繞，就可以實現一定的壓力包容。
圖5示出根據本發明一典型實施例的利用一包括兩部分的剛性元件的夾緊閥400。該夾緊閥400包括一包含上部元件431和下部元件432的“蛤殼”狀壓力包容元件430。圖6示出下部元件432；上部元件431與它類似。圖7示出只有壓力包容元件430的上部元件431位于適當位置的閥400。上、下部元件431、432均限界定一通常與流管126的形狀相對應的槽440，以使得當上、下部元件431、432夾入流管126時，槽440接納流管126以提供壓力包容。
在圖示實施例中，上、下部元件431、432還限定一接納致動器122下部的開口442。上、下部元件431、432通過任何適當的方式保持在一起以形成壓力包容元件430。針對一使用0.25英寸硅樹脂管用作夾緊管12并具有“蛤殼”狀壓力包容元件430的實施例進行試驗，夾緊管126直到壓力超過200psig時才會爆裂。如上所述，兩部分組成的蛤殼狀設置是典型的；剛性壓力包容元件可以包含單個元件或者若干個元件。
已知夾緊閥的致動通常是雙穩定的-開和關。某些已知的夾緊閥具有一帶多轉向手柄的手動致動器，但是這類閥對閉環流量控制沒有益處。其它的夾緊閥在成批加工中用于分配，其中，分配的材料量由閥打開的時間控制。這不允許以連續方式動態地控制流速。
可以通過在閥致動器上施加可變電流或者電壓而控制只具有兩種狀態的閥。在一實施例中，利用脈沖寬度調制(PWM)控制閥。通過產生其頻率大于閥的機械響應頻率的一方波信號來實現PWM。信號的占空比可變以便確定發送給質量流量測量和控制裝置的適當電壓或電流。例如，如果PWM信號在0-12V之間運行，那么0％占空比為0V，50％占空比為6V，并且100％占空比為12V。因為信號頻率高于閥的機械響應頻率，所以會進行“平均”。閥的位置由供給的平均電流確定。因此供給的電壓與信號的脈沖寬度成比例。
如果信號頻率太低，閥將有時間對開啟和閉合信號進行完全反應，從而產生一脈沖流輸出，而這通常是不希望發生的。典型的夾緊閥致動器是一螺線管，它包括一具有確定閉合螺線管所需電流的預載調節器的彈簧元件。調節閥彈簧上的預載可以改善閥的控制范圍。在其它實施例中，螺線管柱塞元件替換為彈簧懸置柱塞。彈簧懸置柱塞使由于摩擦而產生的非線性閥響應最小，這使得在可用的螺線管致動夾緊閥中常見的滯后和死區/不工作區域最小。
PWM控制的螺線管的一替換方案是使用步進電動機致動器，該致動器通過一渦輪型裝置將受控的確定轉角轉換給一線性壓頭驅動件。可以將步進控制器設計成用以產生與模擬信號輸入成比例的特定數目的步驟。后沖以及由此造成的閥滯后可由使后沖最小的多種適當的渦輪設計最小化。步進電動機通常對可能導致夾緊管件中產生變化的溫度和壓力波動具有抗擾性。步進電動機是一控制位置的裝置，因此分檔器不受夾緊管中變化的干擾。夾緊管和夾緊閥一起成為系統的一整體部件，將電流供給閥致動器，該閥致動器對夾緊管施加夾緊管子的力。如果管的特性由于溫度或壓力而改變，那么管子的閉合量并且由此流速將通過螺線管產生變化。此外，步進致動器能夠保持在最終位置，從而為獲取流體傳輸周期開始時的設定點提供快速響應。
圖8和9示意性示出一使用根據本發明的夾緊閥100的流量測試和控制質量流量測量和控制裝置110。該測量和控制質量流量測量和控制裝置110包括一具有流體入口102和出口103的外殼101。一流量測量裝置112位于該外殼101內。在一典型實施例中，流量測量裝置112包括一科里奧利質量流量計。
在高純度應用中，流量計112優選地具有一由高純度塑性材料制成的流管，以防止由于意外的(例如金屬)離子轉移到加工材料中而對加工流體造成的污染。適合的高純度塑性材料包括PFA、PVDF和PTFE。如上所述，夾緊閥100也可以包含由高純度塑性材料制成的部件，以防止離子轉移到加工材料中去。在圖8的方框圖中，示出閥100完全位于外殼101內。在某些實施例中，部分閥或者整個閥如圖2、4和5中所示安裝在外殼101的外側表面上。
控制器114接收設定點信號和來自流量計112的輸出信號。控制器114調節并處理來自流量計的信號，并且向夾緊閥100輸出一控制信號，以便基于對設定點和測量的流速的比較而改變加工材料的流速。進入控制器114的設定點輸入通常是一電信號例如0-5v或者4-20mA的信號或一數字信號。也可以使用氣壓設定點界面。適合的設定點發生器是可以從賓夕法尼亞州Red Lion Controls of York，Pennsylvania公司獲得的P48進程控制器。
控制器114也可以具有一通常被稱為閥超馳(valve override)的特征，其中，一額外的信號發送至控制器114。該超馳信號使控制器114忽略設定點并且完全打開或者閉合閥100。該特征通常用于切斷流體的流動或者凈化系統。在圖8中，示出控制器114位于外殼101內，從而提供一完全成一整體的流量控制系統。然而，在其它實施例中，控制器114位于外殼101外部。
夾緊閥100調節通過質量流量測量和控制裝置110中的流量，并且還提供一抵抗管路壓力變化的緩沖。閥100或者如圖8所示位于質量流量計112的上游，或者如圖9中實施例所示位于下游。通常，優選地使閥100位于在使用期間將會出現壓力最大變化的一側。這有助于使流量計112免予產生壓力變化和波動。
以上公開的特定實施例只是示意性的，因為可以以不同但對于從本說明中受益的本領域技術人員而言卻屬于明顯等同的方式改變和實施本發明。另外，除了下面權利要求書中所述的內容之外，對此處所示的構造或設計的細節并沒有進行限制。因此很明顯，可以替換或者改變以上公開的特定實施例，并且認為所有這些變型都落入本發明的范圍和精神之內。因此，在此所尋求的保護由下面的權利要求提出。
權利要求
1.一種控制閥，包括一彈性流管；一致動器；一可操作地連接在該致動器上并鄰近所述流管設置的柱塞；一參考表面，該參考表面一般與所述柱塞相對設置以使得所述彈性管在所述柱塞和該參考表面之間可擠壓以控制經過所述流管的流體流量；和一繞該流管的至少一部分設置的壓力包容元件。
2.根據權利要求1所述的控制閥，其特征在于，該壓力包容元件包括一編織套管。
3.根據權利要求1所述的控制閥，其特征在于，該壓力包容元件包括多個環。
4.根據權利要求1所述的控制閥，其特征在于，該壓力包容元件包括一接納所述流管的至少一部分的剛性元件。
5.根據權利要求4所述的控制閥，其特征在于，該剛性元件包括夾入所述流管的第一和第二元件。
6.一質量流量測量和控制裝置，包括一外殼；一位于該外殼中的流量測量裝置；和一夾緊閥，該夾緊閥包括一與該流量測量裝置流體連通的彈性流管；一具有一柱塞的致動器，該柱塞可操作地連接在該致動器上并鄰近所述彈性管；和一參考表面，該參考表面一般與該柱塞相對設置，以使得所述彈性管在所述柱塞和參考表面之間可擠壓；和一繞該彈性管的至少一部分設置的壓力包容元件。
7.根據權利要求6所述的質量流量測量和控制裝置，還包括一接收來自流量測量裝置的測量輸出信號的控制器，該控制器響應一設定點信號和該測量輸出信號而向所述夾緊閥致動器提供一控制輸出信號。
8.根據權利要求6所述的質量流量測量和控制裝置，其特征在于，所述夾緊閥位于所述外殼內。
9.根據權利要求6所述的質量流量測量和控制裝置，其特征在于，所述夾緊閥彈性管和壓力包容元件延伸至所述外殼外。
10.根據權利要求6所述的質量流量測量和控制裝置，其特征在于，所述夾緊閥彈性管位于所述流量測量裝置的下游。
11.根據權利要求6所述的質量流量測量和控制裝置，其特征在于，所述夾緊閥彈性管位于所述流量測量裝置的上游。
12.一種控制閥，包括一彈性流管；一致動器，該致動器具有一可操作地連接在該致動器上并鄰近所述流管的柱塞，和一通常與該柱塞相對設置以使得所述彈性管在所述柱塞和參考表面之間可擠壓以控制經過所述流管的流體流量的參考表面；和所述流管的壓力包容裝置。
全文摘要
一控制閥(400)包括一彈性流管和一致動器(122)。一柱塞可操作地連接在該致動器上并且位于所述流管附近。一參考表面通常與該柱塞相對設置以使得所述彈性管在所述柱塞和該參考表面之間可擠壓以控制經過所述流管的流體流量。一壓力包容元件(430)環繞所述流管的至少一部分。該壓力包容元件可以包括，例如一編織套管、繞所述流管設置的環、或者夾入所述流管的第一壓力保持元件(431)和第二壓力保持元件(432)。
文檔編號F16K37/00GK1678853SQ03807393
公開日2005年10月5日 申請日期2003年3月28日 優先權日2002年4月1日
發明者J·C·迪爾, G·E·帕夫拉斯 申請人:美國艾默生電氣公司