Устройство для регулирования температуры диффузионных электропечей

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветсиикСоциапмстичесиикРеспублик и 926631(23) Приоритет СССР по делан изобретений н открытий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДИФФУЗИОННЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ ермопарных т тепловоетов, Кроочная по" ызванная градиента охлаждаю- потока Изобретение относится к автоматике и может использоваться. в автоматических диффузионных электропечах,например в диФфузионных электропечахдля проведения технологических процессов микроэлектроники,Известно устройство для регулирования температуры диффузионных установок, содержащее регулятор мощности, к выходу которого подключенытри нагревательных элемента, тритермопарных датчика температуры,подключенных ко входам усилителейпостоянного тока, и задатчик температуры 1.Недостаток данного устройства "низкая точность регулирования температуры, обусловленная влиянием из"менения расхода газовой смеси, пропускаемой через рабочую камеру, натемпературное поле внутри нееВы"равнивание температурного профиляпосле изменения расхода происходитмедленно, так как на величины темпе".ратур в точках установкидатчиков температуры влияполе нагревательных элемеме того, имеет место остагрещность регулирования,наличием в рабочей камеретемпературы, связанного сщим действием проходящегогаза,Наиболее близким к предлагаемому 0по технической сущности являетсяустройство для регулирования температуры диффузионных электропечей,содержащее три термопарных датчикатемпературы, подключенные через 5соответствующие усилители постоянного тока и последовательно соединенные коммутатор и аналого-цифровой преобразователь к первому входупервого вычислительного блока, вы"ход которого соединен с первым входом цифрового регулятора температуры печи, ко второму входу которого подключен задатчик температуры печи, 9266а выход цифрового регулятора температуры через регулятор мощности подключен к трем нагревательным элементам, исполнительный элемент ввода лодочки, синхронизатор, выходом соединенный с третьим входом цифрового регулятора температуры печи и вторым входом первого вычислительного блока, блоки управления расходом каждого из компонентов газовой смеси и со о ответственно датчики расхода компонентов газовой смеси 123.Недостоток известного устройства - относительно невысокая точность регулирования температуры, обусловленная рядом факторов;- большой динамической ошибкой регулирования, возникающей при изменении расходов компонентов газовой смеси. В этом случае происходит из- щ менение распределения потока мощности, отбираемой от нагревательных элементов рабочей камеры, и, как :ледствие этого, изменение продольно. го температурного профиля камеры. 2 Б автоматическое в результате действия системы выравнивание температурного профиля существенно замедляется вследствие влияния теплового поля нагревательных элементов и оболочки зо рабочей камеры на температуру в точ" ках установки термопарных датчиков;- большой динамической ошибкой регулирования, возникающей при программном изменении заданной температуры рабочей камеры, При изменении заданной температуры в силу непосредственного влияния нагревательных элементов на термопарные датчики температуры измеренные ими значения температуры значительно быстрее приближаются к заданным, чем среднее значение температуры в рабочей камере. При этом автоматический переход от одного значения заданной температуры рабочей камеры к другому значительно замедляется; большой статистической ошибкой. регулирования температуры. Данная ошибка возникает вследствие наличия в рабочей камере электропечи градиента температуры, обусловленного влиянием потока, проходящего внутри нее газовой смеси с одной стороны и действием нагревательных элементов с другой стороны, При этом установившееся значение температуры в точках установки термопарных датчи 31 4ков отличается от температуры в потоке газовой смеси;- большой неравномерностью установившегося продольного температурногопрофиля рабочей камеры, Неравномерность обусловлена тем, что газоваясмесь прогревается постепенно помере прохождения по рабочей камере.При этом градиент температуры отнагревательных элементов к газовомупотоку в рабочей камере больше в еезоне со стороны впуска газовой смеси, Кроме того, за счет переносатепла потоком газовой смеси возникает взаимное влияние секций рабочейкамеры,Цель изобретения - повышение точности устройства и повышение точнос,ти регулирования температуры лодочки,Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство введены блокзадания расходов, второй вычислительный блок, второй коммутатор,второй аналого-цифровой преобразователь и по числу датчиков расхода компонентов - цифроаналоговые преобразователи и блоки сравнения, причемвыходы блока задания расходов подключены через последовательно соедиченные соответствующие цифроаналоговые преобразователи и блоки сравнения ко входам соответствующих блоов управления расходом компонентовгазовой смеси и входам второго вычислительного блока, выход которогоподключен к четвертому входу цифрового регулятора температуры, а выходы каждого из датчиков расходаподключены ко вторым входам соответствующих блоков сравнения и черезпоследовательно соединенные второйкоммутатор и второй аналого-цифровойпреобразователь - к третьему входупервого вычислительного блока.Для повышения точности регулирования температуры лодочки дополнительно введены датчик и регулятор скорости ввода лодочки, датчик перемещения лодочки, преобразователь кодрегулирующее воздействие и эадатчиктемпературы лодочки, причем выходдатчика скорости, механически связанного с исполнительным элементомввода лодочки, соединен с первымвходом регулятора скорости, выходкоторого соединен со входом исполнительного элемента ввода лодочки,выход датчика перемещения лодочкиподключен к четвЕртому входу первого5 9266 вычислительного блока, второй выход которого через преобразователь кодрегулирующее воздействие соединен со входом регулятора скорости, а к пятому входу первого выцислительно- % го блока подключен выход задатчика температуры лодочки, вход которого соединен с выходом синхронизации.На чертеже представлена структурная схема устройства для регулирова ния температуры диффузионных электропечей.Выход трех термопарных датчиков 1-3 температуры подключены соответственно ко входам трех. усилителей 15 4-6 постоянного тока, выходы которых через включенные последовательно первый коммутатор 7 и первый аналого-цифровой преобразователь 8 подключены к первому входу первого 20 вычислительного блока 9, выход которого подключен к первому входу цифрового регулятора 10 температуры печи. Выход цифрового регулятора 10 температуры печи через регулятор 11 2 мощности подключен к трем нагревательным элементам 12-14, Второй вход цифрового регулятора 10 темпе,ратуры печи подключен к выходу задатчика 15 температуры печи, третий - 30 к выходу синхронизатора 16, который подключен также ко второму входу пер" вого вычислительного блока 9Выходы блоков 17 управления расходами каждого из компонентов газовой смеси через соответствующие датчики 18 расхода компонентов подключены к рабочей камере 19. Электрические выходы датчиков 18 расхода компонентов подключены ко вторым входам 40 блоков 20 сравнения, вторые входы которых через цифроаналоговые преобразователи 21 подключены к выходам блока 22 задания расходов, подключенным также к соответствующим входам второго вычислительного блока 23. Третий вход первого вычислительного блока 9 через включенные последовательно второй коммутатор 24 и второй аналого-цифровой преобразователь 25 подключен к электрическим выходам датчиков 18 расхода компонентов. Второй выход первого вычислительного блока 9 через преобразователь 26 код-регулирующее воздействие подключен ко второму входу регулятора 27 скорости ввода лодочки, первыйВ 1 вход которого подключен к выходудатчика 28 скорости ввода лодочки,механицески связанного с исполнительным элементом 29 ввода лодочки. Выход датЧика 30 перемещения лодочкиподключен к четвертому входу первоговычислительного блока 9, пятый входкоторого подключен к задатцику 31температуры лодочки. Вход задатчика31 температуры лодочки подключен квыходу синхронизатора 16.Устройство работает следующим образом.Выходные сигналы термопарных датчиков 1-3 усиливаются усилителями4-6 постоянного тока и церез первыйкоммутатор 7 поочередно периодическиподаются на вход первого аналогоцифрового преобразователя 8. Приэтом цифровые коды 1 Т,1,пт 11 Т,1.пфпериодически вводятся в йер"выи вычислительный блок 9 (и - номер рабочего периода). Выходные сиг.налы датчиков 18 расхода компонентов через второй коммутатор 24 поочередно периодически подаются на вход второго аналого-цифрового преобразователя 25, При этом с его выхода в первый вычислительный блок 9 периодически вводятся цифровые коды 11 р,р,п И р я 1и преобразуются в нем по формуле:и:м 1. -дз+В Я йСДФ1 Л р Р 11 / где 1=1,2.,3 - номер термопарного дат-чика;1=1 ш - номер датчика расхода;п - номер рабочего периода,определяемого выходным сигналом синхронизатора 16;Ая - коэффициенты, определяющие динамическиехарактеристики устройства;коэффициенты, определяющие влиянием переноса тепла потоком .газовой смеси вдоль рабочей камеры на величины температур в тоцках установки термопарных датчиков;С 1 коэффициенты, определяющие относительноевлияние компонентовгазовой смеси на температуру ее потока.7 9266Выходные сигналы датчиков 18 рас хода компонентов подаются также на первые входы блоков 20 сравнения, на вторые входы которых подаются выходные сигналы цифроаналоговых 5 преобразователей 21, соответствующие цифровым кодам Ир 1 Х , подаваемым на их входы с выходов блока 22 задания расходов. В соответствии с выходными сигналами блоков 10 20 сравнения в блоках 17 управления расходами компонентов газовой смеси производится управление расходами подаваемых в рабочую камеру 19 компонентов газовой смеси, С выходов 15 блока 22 задания расходов числа Иэ,1,Ии ввоДЯтсЯ также во второи вычислительный блок 23, цифровой код на выходе которого определяется по формуле: 20 ээс:Е, се эээр,ер "э, е,п-)В цифровом регуляторе 10 темпера 25туры печи выходные коды первого ивторого вычислительных блоков поформуле:К, -ы - й, ЙОо 1 п СРП1 1 э30сравниваются с цифровым кодом задатчика 15 температуры печи. Выходнойцифровой код И задатчика 15 темО,ппературы печи формируется в соответ.ствии с заданным законом изменениясредней температуры рабочей камеры19 и сигналом синхронизатора,Определенныетаким образом цифровые коды мощности Хи (1=1,2,3)подаются на вход регулятора 11 мощности, где в соответствии с нимирегулируется величина мощности, подводимой к нагревательным элементам 12-14,Устройство для регулирования температуры диффузионных электропечейработает в двух основных режимах:в режиме программного изменениятемпературы рабочей камеры и в режиме стабилизации ее температуры.50В режиме стабилизации температуры при программном переходе от одного заданного набора расходов компонентов газовой смеси к другому изменяются выходные коды блока 22 за-55дания расходов. Одновременно изменяется выходной код второго вычислительного блока 23 и в соответствиис ний в цифровом регуляторе 10 тем 31пературы печи производится корректировка мощностей, подводимых кнагревательным элементам 12-14, Данная корректировка происходит на следующем после изменения заданныхрасходов такте работы устройства.В то же время происходит реальноеизменение газовой смеси в рабочейкамере 19, но идет медленнее в силуинерционности блоков 17 управлениярасходами компонентов газовой смеси.При этом корректировка мощности,подводимой к нагревательным элементам 12-14, упреждает изменение теплового потока, вызванное изменяющимися расходами компонентов газовойсмеси и компенсирует его влияниеПо мере изменения расходов изменяются также выходные сигналы датчиков 18 расхода компонентов. Этоприводит к изменению чисел Мр о ,1вводимых во второй вычислительныйблок 23, где корректируются числаХ; и, обусловливающие обратную связь1в контурах регулирования температурызон рабочей камеры, а также к корректировке мощностей, подводимых к на-.гревательным элементам 12-14. В совокупности обе указанные корректировки ведут первоначально к быстромуизменению мощностей, а затем к ихплавному установлению по мере изменения расходов в новых значениях.Причем при завершении перехода нановую комбинацию расходов компенсируется и статическая ошибка регулирования, обусловленная наличием в рабочей камере 19 градиентов температурыот нагревательных элементов 12-14к проходящему внутри рабочей камерыпотоку газовой смеси. Влияние продольного переноса тепла учитываетсяв коэффициентах В, вводимых в первый вычислительный блок,В режиме программного изменениятемпературы рабочей камеры 19 изменяется выходной код И о и задатчика15 температуры печи, Это в свою очередь вызывает изменение выходногокода цифрового регулятора температуры печи и, соответственно, величинмощностей, подводимых к нагревательным элементам 12-14, При этом начи-.нает изменяться температура рабочейкамеры 19,.Внутри газового потока в этот момент возникают большиеградиенты температуры, приводящие,в случае использования известногоустройства, к большой динамическойпогрешности регулирования. При работе предлагаемого устройства в этотlмомент данная динамическая погрешность корректируется с учетом коэффициентов В; в первом вычислительном блоке,Регулирование температуры лодочкиосуществляется следующим образом,В момент ввода и вывода лодочкииз рабочей камеры 19 устройство для 10регулирования температуры диффузион- .ных электропечей работает в режиместабилизации температуры рабочейкамеры 19,В соответствии с сигналом синхронизатора 16 и заданным законом изменения температуры лодочки в задатчике 31 температуры лодочки вырабатывается цифровой код Ит Л,заданнойтемпературы лодочки и вводится в первый вычислительный блок 9, в который также вводится цифровой код М Л,пс выхода датчика 30 перемещения ло-,дочки в первом вычислительном блоке9 по формуле 25-К йТцп 1 1 п1,ОЛ,О где1. Устройство для регулирования температуры диффузионных электропечей, содержащее три термопарных датчика температуры, подключенные через соответствующие усилители постоянного тока и последовательно соединенные коммутатор и аналого-цифровой преобразователь к первому входу . первого вычислительного блока, выход которого соединен с первым входом цифрового регулятора температуры печи, ко второму входу которого подключен задатчик температуры печи, а выход цифрового регулятора температуры через регулятор мощности подключен к трем нагревательным элементам, исполнительный элемент ввода лодочки, синхронизатор выходом соединенный с третьим входом цифрового регулятора температуры печи и вторым входом первого вычислительного блока, блоки управления расходом каждого из компонентов газовой смеси и соответственно датчики расхода компонентов номера отрезков кусочно-линейной аппроксимации температурного профиля рабочей камеры,К 1;, К 1 - коэффициенть 1 кусочно-линейной аппроксимации, определяемые необходимой ско-ростью ввода лодочки.Коэффициенты К 1 и Кподобраны 40 экспериментально при измерении температурного профиля конкретной, используемой рабочей камеры с нагревательными элементами.Цифровой код Х с и преобразованный преобразователем 26 код-регули-. рующее воздействие, подается в регулятор 27 скорости ввода лодочки, где сравнивается с выходным сигналом датчика 28 скорости ввода лодоч 50 ки, Пропорциональный результату срав нения выходной сигнал регулятора 27 скорости ввода лодочки подается на вход исполнительного элемента 29 ввода лодочки, в результате чего55 лодочка движется со скоростью, при которой обеспечивается заданное в задатчике 31 температуры лодочки программное изменение средней темпе ратуры, Аналогично в соответствии с заданным в эадатчике 31 температуры лодочки законом остывания производится управление выводом лодочки из рабочей камеры.Кроме того, полученные в первом вычислительном блоке цифровые коды И;,и корректируются в нем по.формуле: Н,:й. +Э 1 м -м 1,п 1,п 1 1 тл,п тл,пгде В; - коэффициенты, определяющиевлияние вводимой лодочкидо температуры зон рабочейкамеры,При этом компенсируется искажение температурного профиля рабочей камеры 19 и не возникают переходные процессы при регулировании ее температуры.Управляемый в результате действия устройства разогрев лодочки при ее вводе позволяет путем выбора скорости ее разогрева существенно уменьшить неравномерность разогрева ее концовПри применении предлагаемого устройства погрешность регулирования температуры рабочей камеры уменьшается в 1,5-2 раза, Погрешность регулирования температуры лодочки с пластинами уменьшается в 2-ч раза. формула изобретениягазовой смеси, о т л и ч а ю щ е е - с я тем, что, с целью повышения точ" ности устройства, в него введены блок задания расходов, второй вычислительный блок, второй коммутатор, второй аналого-цифровой преобразователь и по числу датчиков расхода компонентов - цифроаналоговые преобразователи и блоки сравнения, причем выходы блока задания расходов подключены через последовательно соединенные соответствующие цифроаналоговые преобразователи и блоки сравнения ко входам соответствующих блоков управления расходом компонентов газовой смеси и входам второго вычислительного блока, выход которого подключен к четвертому входу цифрового регулятора температуры, а выходы каждого из датчиков расхода подключены ко вторым входам соответствующих. блоков сравнения и через последовательно соединенные второй коммутатор и второй аналого-циФровой преобразователь - к третьему входу первого вычислительного блока.2. Устройство по п.1, о т л и, - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности регулирования температуры лодочки, в него введеныдатчик и регулятор скорости вводалодочки, датчик перемещения лодочки,преобразователь код-регулирующеевоздействие и задатчик температурылодочки, причем выход датчика скорости, механически связанного с исполнительным элементом ввода лодочки,соединен с первым входом регулятора 1 О скорости, выход которого соединенсо входом исполнительного элементаввода лодочки, выход датчика перемещения лодочки подключен к четвертому входу первого вычислительного 15 блока, второй выход которого черезпреобразователь код-регулирующеевоздействие соединен со входом регулятора скорости, а к пятому входупервого вычислительного блока под ключен выход эадатчика температурылодочки, вход которого соединен свыходом синхронизатора. Источники информации,25 принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРМ 191121, кл. С 05 0 23/19, 1972.2, Авторское свидетельство СССРМ 687978, кл. 6 05 0 23/19 1977.926631 Составитель Л,Птенцлинская Техред Ж. Кастелев а ектор М. Демч Редактор раж 90 одписное Заказ 2981 НИ 113035, Мос лиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная И Государственно делам изобретени ква, Ж, Раущс комитета СССРи открытийя наб д, 4/5