Устройство для регулирования расхода газа

Союз СоветскикСоцкалксткческккРеспублкк ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51)М, Кл. с присоединением заявки И 6 05 О 7/00 ГбсуАарстккиьЙ кам ктет СССР(23) П риоритет ио делам кзобретений и открытий(72) Авторы изобретения А. А. Агеев, Л, И. Дьяконов, Д. Д. Матвеев, Б, И. Синчук иВ. Л. Сорокина Государственный ордена Октябрьской Революции научно - исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленностй "Гиредмег(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ГАЗА 1Изобретение относится к регулированиюрасхода газов в потоке текущей среды и можетбыть использовано в системах автоматического регулирования и управления газовыми потоками, в частности, при получении сложных полупроводниковых структур с различным профилем и составом примесей легируюших компонентов.Известно устройство для регулирования рас. хода газа, содержащее измеритель расхода газов, стабилизатор давления, программное усто ройство с реверсивным двигателем, запорные элементы, постоянный дроссель, установленный между стабилизатором давления и измерителем расхода, сопротивление которого значительно превышает коммуникационное сопротивление, а15 задатчик стабилизатора давления соединен муф той с реверсивным электродвигателем, подключенным к пневмозлектрическому преобразова. телю, управляемому пневматическим генератором импульсов с регулируемой скважностью импульсов 11) .К недостаткам данного устройства относятся сложность настройки, невозможность получения ступенчатой характеристики по расходу, высокая погрешность регулирования, достигающая л 5% прц изменении давления в выходной ли. ниц на 0,005 МПа, а наличие люфтов и затираний в движущихся частях увеличивает погрешность регулирования до 10%.Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для регулирования расхода газов, содержащее последовательно установленные стабилизатор давления, дроссель, регулирующий орган и измеритель расхода, выход которого подключен совместно с одним из выходов программатора на вход регулятора, а выход регулятора через преобразователь соединен с входом элемента ИЛИ, задатчики давления, связанные с элементами ИЛИ, управляющие входы которых подключены к программатору, выходы всех элементов ИЛИ объединены и подсоединены к исполнительному механизму регулирующего органа (2)Недостатком известного устройства является наличие ошибки регулирования (до 4%) из -за гистерсзиса клапана и измсцсннн расходной характеристики ца 8 .10. от цзмспецня лавле-, Э 951246ния в выходной линии на 0,005 МПа, что связано с высокой чувствительностью клапанак колебаниям давления,Цель изобретения - повышение точностиустройства, за счет чего повышается точностьрегулирования расхода газа,Указанная цель достигается тем, что в устройство для регулирования расхода газа, содержащее последовательно установленные в газовой магистрали стабилизатор давления,10дросссль, регулирующий орган и измерительрасхода, .выход которого подключен к одномувходу регулятора, к другому входу которогоподключен первый выход программатора, выходрегулятора через преобразователь соединен спервым входом первого элемента ИЛИ, второйвход которого подключен ко второму выходупрограмматора, выходы, задатчиков давлениясоединены с первыми входами соответствующихвторых элементов ИЛИ, вторые входы которыхсвязаны с соответствующими третьими выхода.ми программатора, введены датчик перепада .давления, три элемента памяти, два элементаИЛИ и блок суммирования, причем выходдатчика перепада давления соединен через первый элемент памяти с первым входом блокасуммирования, выходы вторых элементов ИЛИчерез второй элемент памяти подключен ко второму входу блока суммирования и через третийэлемент ИЛИ - ко входу третьего элемента па 30мяти, к выходу первого элемента ИЛИ и к выходу четвертого элемента ИЛИ, первый входкоторого связан с выходом блока суммирования,а второй вход - с четвертым выходом программатора, пятый выход которого соединен совторым входом третьего элемента ИЛИ, а выход третьего элемента памяти подключен к регулирующему органу.На чертеже представлена функциональнасхема устройства.Устройство содержит стабилизатор давления1, регулируемый дроссель 2, регулирующий орган 3, измеритель расхода 4, программатор 5,регулятор 6, преобразователь 7, первый элемент ИЛИ 8, третий элемент памяти 9 подклю 45чек к исполнительному механизму 10 регулирующего органа, третий элемент ИЛИ 11 и второй элемент памяти 12, блок суммирования 13,датчик 14 перепада давления на регулирующеморгане 3, первый элемент памяти 15. Стабилизатор давления 16 обеспечивает питание сжатымвоздухом (или азотом) задатчики давления17, 18 и 19, вторые, элементы ИЛИ 20, 21 и22, четвертый элемент ИЛИ 23,Регулирование расхода осуществляется следующим образом,Технологический газ (например, Н,) подводится к стабилизатору 1, с помощью которого задается рабочее давление в пределах 0,0140,05 МПа. Затем газ постчпает в дроссель 2,регулирующий орган 3 и черезизмерительрасхода 4 подается к источнику легирования.С помощью дросселя 2 задается верхнийпредел регулирования расхода. При этом регулирующий орган 3 должен быть полностьюоткрыт, Вручную осуществляют регулировкудросселя 2 до тех пор, пока показания измерителя расхода 4 (теплового расходомера) непревышают на 15 - 20% максимальное значениедиапазона изменения расхода газа-носителяпо технологической программе. После этогоприступают к выбору и установке величин рас.хода в соответствии с технологическойпрограммой легирования и в зависимостиот типа получаемых структур полупровод.ников, т. е. получением эпитаксиальныхслоев с резко или плавно изменяющейсяпо определенному закону концентрациейпримесей или же комбинированных,Устройство позволяет осуществить плав.ное, ступенчатое или комбинированное регулирование расхода,Для настройки устройства и подготовкиего к работе имеются байпасные линии, ккоторым можно подключить любой газ на"Сброс" включением клапанов, установленныхна технологических линиях, Автоматическоерегулирование расхода газа - носителя осуществляется с помощью электронного программа. тора 5 подачей в определенной последователь. ности управляющих команд на элементы ИЛИ и клапаны, включающие и отключающие подачу технологических газов на "Сброс" или для ведения процесса.Настройка устройства на наклонном участке программы осуществляется при включенных клапане на "Сброс" газа - носителя и элементе ИЛИ 8, Выход измерителя расхода 4 (теплового расходомера) совместно с аналоговым выходом программатора 5 подключены к входу регулятора 6, выход которого 0 - 5 МПа подается на вход аналогового преобразователя 7, где преобразовывается в пневмосигнал 0,02 - 0,1 МПа. Затем управляющий сигнал через элемент ИЛИ 8 и элемент памяти 9 поступает на исполнитель. ный механизм 10 регулирующего органа 3,С помощью ручек настройки программатора 5 на исполнительном механизме 10 устанавливается управляющее давление пропорциональное расходу газа-носителя в момент включения наклонного участка программы, а на панели управления программатора 5 набирается угол наклона и скорость изменения расхода газа - носителя.Для получения резких переходов в полупроводниковых эпитаксиальных струкгурах применяется ступенчатое изменение газа- носителя, подаваемого в источние легирования. В зави.5 952 симости от числа переходов используется раз. личное количество ступеней расхода газа-носи. теля. Набор любого вида программ осуществля. ется последовательностью включения логических элементов ИЛИ,8, 11, 20, 21, 22 и 23. При отсутствии сигнала с программатора 5 пневмовыходы элементов ИЛИ 8, 11, 20 и 21 и 23 закрыты.Для настройки первой ступени расхода газа- . носителя ручным включением открываются 10 элементы ИЛИ 11 и 20. С помощью пневмозадатчика 17 устанавливается на исполнительном механизме 10 давление. соответствующее данной ступени расхода газа - носителя, которое контролируется с помощью измерителя расхода 4 или проверяется по расходной характеристике регулирующего органа 3. Одновременно сигнал задатчика 17 через элемент 12 подается на один из входов блока суммирования 13,На другой вход этого блока поступает сигнал с датчика перепада давления 14 через элемент памяти 15, На выходе блока суммирования 13 устанавливается давление, соответствующее поданному управляющему сигналу задатчика 17 и перепаду давления на регулирую 25 щем органе 3, Затей вручную отключается элемент ИЛИ 11, включается элемент ИЛИ 23 и проверяется значение расхода на данной ступени. В случае необходимости проводится корректировка расхода газа - носителя задатчиком 17.30Для гашения автоколебаний, возникающих в системе, в элементе сравнения блока суммирования 13 вводятся две обратные связи - положительная и отрицательная. Автоколебания, возникающие в случаях нарушения системы, затормаживаются с помощью постоянного дросселя, включенного в линию положительной обратной связи (на чертеже не показан). Аналогичным образом осуществляется установка уровней расхода газа - носителя на остальныхступенях. Для этого последовательно (тоже вручную) включаются элементы 21 и 22 и с помощью задатчиков 8 и 19 производят ре-. гулировку расхода газа - носители. Для запоминания управляющих сигналов, подаваемых на исполнительный механизм 10 и входы блока суммирования 13, используются элементы памяти 9,12 и 15. После завершения операций подготовки устройства регулирования к работе от отдельного задатчика (на чертеже не показан) подается единичный команднъй дискретный сигнал элементов памяти 9, 12 и 15. В них запоминается то давление, которое было на выходе в момент подачи командного сигнала и отвеча 55 ющее расходу газа - носителя в начале следующего процесса легирования. Это позволяет избежать больших перерегулирований и автоколебаний по расходу газа, повысить точность вы 46 бхода на заданный уровень ручным включениемэлемента ИЛИ на чертеже не показан).Длительность и момент каждого отдельногоцикла включения уровней расхода газа - носителянабирается и осуществляется с помощью программатора 5, который выдает дискретныеуправляющие сигналы на элементы ИЛИ 11,20 и 22, а также элемент ИЛИ 8, которыйвключается на участке плавного изменениярасхода газа - носителя.При автоматическом управлении процессомлегирования включается клапан на линии пода.чи газа - носителя к источнику легирования (нчертеже не показан) от программатора 5.Если программа легирования начинается, например, с плавного изменения расхода газа - носителя, то на вход регулятора 6 подаютсясигналы от измерителя расхода 4 и аналоговойчасти программатора 5. Затем после преобразования электрического сигнала в пневматическийв электропневмопреобразователе. 7, последнийпоступает через элемент ИЛИ 8 и элемент памяти 9 на исполнительный механизм 1 О. Этотсигнал также подается через элементы 11 и 12на вход блока суммирования 13. На другойвход блока суммирования 13 поступает сигналс датчика перепада давления 14 через элементпамяти 15.На выходе блока суммирования 13 формируется сигнал, отвечающий расходу газа - носителя в данный момент времени. Таким образомосуществляется подготовка к последующемуэтапу регулирования,После окончания аналоговой программы отключается элемент ИЛИ 8 и включаются элементы ИЛИ 11 и, например, 20, Пневмоситналот задатчика 17 поступает через элемент ИЛИ11 на исполнительный механизм 10, которыйс помощью регулирующего органа 3 устанавливает расход газа - носителя, близкий к,заданному. За время задержки (около 1 с) включения элемента ИЛИ 23 на выходе блока суммирования формируется сигнал, определяемыйперепадом давления на регулирующем органе 3и выходным давлением задатчика 17. Затемотключается элемент ИЛИ 11 и включаетсяэлемент ИЛИ 23. Если происходят изменениядавления в технологической линии, то нарушаев-.ся равновесие схемы блока суммирования 13и на выходе его устанавливается новое значениесигнала.При увеличении давления на выходе тсхноло.гичсской линии выходной сигнал блока сумматора 13 уменьшается и регулирующий орган 3увеличивает расход. При умснынении давленияв технологической линии выходной сигнал бло.ка суммирования 3 увеличивается и расход .газа - носителя, уменьпается. Таким образом.осуществляется корректировка расхода иааа9512 носителя на горизонтальных участках програм мы и при переключениях на новую ступень расхода. После завершения программы легирования от программатора 5 подается команда на запоминание подводимых давлений воздуха к элементам памяти 9, 12 и 15. Запоминание осуществляется подачей сигнала Р. Это необ. ходимо для того, чтобы избежать перерегули.рований при последующих циклах легирования и переключении рабеты газовой системы с од. 10 ного реактора на другой, так как линия тех.нологического газа к источнику легирования перекрывается на других этапах наращивания эпитаксиальных структур.Данное изобретение по сравнению с извест. 15 ным устройством позволяет повысить точность регулирования расхода технологического газа с, 8 - 10% до 2,0%.Изобретение может бьиь использовано для дистанционного, автоматического и программно- що го управления расходом газов в различных технологических процессах, в частности при получении полупроводниковых материалов и где требуется осуществление сложной программы изменения расхода газа в процессе производства.д Разработка устройства для регулирования расхода газов начата с целью использования его в схемах регулирования и управления газовым потоком прп получении эпитаксиальных структур полупроводников, 30 46 8сель,. регулирующий орган и измеритель расхода; выход которого подключен к одному входу регулятора, к другому входу которого подключен первый выход программатора, выход регулятора через преобразователь соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого подключей ко второму выходу программатора, выходы задатчиков давления соединены с первыми входами соответствующих вторых элементов ИЛИ, вторые входы которых связаны с соответствующими третьими выходами программатора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью новы.щения точности устройства, оно содержит датчик перепада давления, три элемента памяти, два . элемента ИЛИ и блок суммирования, причемвыход датчика перепада давления соединен через первый элемент памяти.с первым входом блока суммирования, выходы вторых элементов ИЛИ через второй элемент памяти подключены ко второму входу блока суммирования и через третий элемент ИЛИ - ко входу третьего элемента памяти, к выходу первого элемента ИЛИ и к выходу четвертого элемента ИЛИ, первый вход которого связан с выходом блока суммирования, з второй вход - с четвертым выходом программатора, пятый выход которого соединен со вторым входом третьего элемента ИЛИ а, выход третьего элемента памяти подключен к регу.лирующему органу.Формула изобретения Устроиство для регулирования расхода газа,содержащее последовательно установленные вгазовой магистрали стабилизатор давления, дросИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР Р 232537,кл. 6 05 О 7/00, 1978.2. Проект Института Гиредмет В С 2977,1979 (прототип).951246 Составитель Л. Златоехред А. Бабинец рректор О. Билак лы Редакт Подписное каз 5944/5 ираж 914 о комитета ССС открытийущская набд,4/5 ВНИИПИ Государственно по делам изобретений 33035, Москва, Ж 35, Ра