多路高精度擴(kuò)散爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張瀚文，張 博，杜 巖，李 棟，孟國營(yíng)

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083）

擴(kuò)散爐是集成電路生產(chǎn)工序的重要設(shè)備之一，它的主要用途是對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜，它與半導(dǎo)體工藝互相依存、互相促進(jìn)、共同發(fā)展[1]。在擴(kuò)散爐工藝參數(shù)中，溫度的控制精度不僅直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，也影響著擴(kuò)散爐本身的效能。所以研究擴(kuò)散爐爐溫的控制，對(duì)集成電路的生產(chǎn)具有重大意義。當(dāng)前國內(nèi)外溫控設(shè)備以單路控制居多，只能控制一路加熱設(shè)備，多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)還是相對(duì)滯后的[2]。本系統(tǒng)的研究實(shí)現(xiàn)了多路溫度控制，并達(dá)到了1‰的精度要求。

擴(kuò)散爐溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由檢測(cè)部分、CPU以及加熱控制構(gòu)成對(duì)被控對(duì)象的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中檢測(cè)部分采用三路熱電偶對(duì)擴(kuò)散爐內(nèi)三處位置進(jìn)行溫度檢測(cè)，并采用熱電阻作為冷端溫度補(bǔ)償，通過多路開關(guān)將幾路檢測(cè)信號(hào)分時(shí)傳給放大器和A/D轉(zhuǎn)換器。CPU采用51單片機(jī)，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)基于Smith預(yù)估的PID運(yùn)算得出結(jié)果控制擴(kuò)散爐的加熱裝置達(dá)到對(duì)擴(kuò)散爐爐溫控制的目的。采用兩塊19264液晶顯示模塊和按鍵組成人機(jī)交互界面。

圖1 擴(kuò)散爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中提出了高精度的控制要求，主要采取了以下幾項(xiàng)措施來提高系統(tǒng)的控制精度：

（1）在輸入前向通道加入了零點(diǎn)漂移的檢測(cè)，并通過軟件修正零點(diǎn)漂移。

（2）在輸入前向通道加入放大倍數(shù)漂移的檢測(cè)，并通過軟件對(duì)其修正。

（3）在各模擬信號(hào)輸入端加入兩級(jí)RC濾波。

（4）在檢測(cè)信號(hào)放大前加入跟隨器。

（5）系統(tǒng)輸出控制采用盡量小的控制周期，避免過大的沖擊。

（6）采用基于Smith預(yù)估的PID控制，減小系統(tǒng)震蕩。

1 溫度信號(hào)輸入及處理

1.1 熱電偶及溫度補(bǔ)償

傳感器選用S（鉑銠合金）型熱電偶，其測(cè)溫范圍為0～1 800℃，輸出電壓為0～20 mV。為消除環(huán)境磁場(chǎng)的干擾，熱電偶輸出的電壓信號(hào)經(jīng)兩級(jí)濾波后再送入多路選擇開關(guān)輸入端。濾波電路采用L型RC低通濾波電路，使其截止頻率等于或略小于主要干擾50 Hz工頻，即可確定R、C的值，計(jì)算如下所示：

熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償采用熱電阻Pt100完成，考慮到溫度控制系統(tǒng)距爐體有一定的距離，而熱電阻需要與熱電偶的冷端處于同一溫度下，所以Pt100采用三線制連接，連接方式如圖2所示。

圖2 熱電阻三線制接法

消除誤差的測(cè)量方法：

（1）先測(cè)Vc，用公式：i=Vc/R2得到流過Rt的電流i。

（2）測(cè)量Vb，由于4051后接跟隨器，輸入阻抗非常大，所以流過從Rt到Vb測(cè)量端的電流可忽略不計(jì)，即有：（r+R2）×i=Vb，可以得出引線電阻r的值。

（3）測(cè)量Va，由（Rt+2r+R2）×i=Va可以解出Rt的值。

其中，金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示：

當(dāng)前電阻=當(dāng)前溫度×0.003 85×100+100

選擇R1和R2時(shí)應(yīng)注意：

（1）R1為限流電阻，將電流限制在5 mA以下用來防止Rt中電流過大使其溫度升高給測(cè)量帶來誤差。

（2）R2應(yīng)選精密電阻，并且要避免Va、Vb和Vc在7135轉(zhuǎn)換范圍的最低10%和最高10%，即應(yīng)保證Va、Vb和Vc在1.5～13.5 mV，避免電壓較低或較高時(shí)影響轉(zhuǎn)換精度。

1.2 偏移校正電路

在模擬電路中，由于受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)以及干擾等因素的影響，導(dǎo)致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動(dòng)產(chǎn)生誤差的現(xiàn)象。其中，主要誤差是由零點(diǎn)偏移和放大倍數(shù)偏移引起的。顯然，放大電路級(jí)數(shù)愈多、放大倍數(shù)愈大，輸出端的漂移現(xiàn)象愈嚴(yán)重。嚴(yán)重時(shí)，有可能使輸入的微弱信號(hào)湮沒在漂移之中，無法分辯，從而達(dá)不到預(yù)期的傳輸效果[3]。因此，降低零點(diǎn)漂移和放大倍數(shù)偏移是高精度測(cè)溫系統(tǒng)必須考慮的一個(gè)重要因素。

本系統(tǒng)采用測(cè)量零點(diǎn)獲得偏移量并通過軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p少零點(diǎn)偏移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。硬件上，直接將多路選擇開關(guān)的一個(gè)輸入端通過一個(gè)電阻接地；軟件上，每隔一定的周期對(duì)實(shí)際零點(diǎn)采樣一次，將其與系統(tǒng)本身零點(diǎn)比較，得出差值即偏移值，在每路測(cè)量值上加入此偏移值即可。

為減少放大倍數(shù)偏移給系統(tǒng)測(cè)量精度的影響，在系統(tǒng)運(yùn)行的起始階段，將多路選擇開關(guān)的一個(gè)輸入接口和線狀銅電阻分壓電路相連接，以此作為不受溫度變化影響的基準(zhǔn)輸入點(diǎn)A0，在系統(tǒng)其他時(shí)間段里仍然對(duì)其采樣作為A1，由CPU計(jì)算A1與A0的比值作為其他各點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的比例系數(shù)。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

8路模擬值通過多路選擇開關(guān)分時(shí)地進(jìn)行放大和A/D轉(zhuǎn)換，為滿足本設(shè)計(jì)的高精度要求，放大器選用線性度好、溫度穩(wěn)定性好、精度高的儀表放大器AD622，考慮到溫度變化速度較慢，A/D轉(zhuǎn)換器選用雙積分式的ADC7135，其分辨率達(dá)1/20 000，具有精度高、抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)。

7135的轉(zhuǎn)換精度與基準(zhǔn)電壓有很大的關(guān)系，為保證轉(zhuǎn)換精度，采用AD780作為基準(zhǔn)電壓芯片，AD780溫度系數(shù)為5 ppm/℃，穩(wěn)定性好，輸出電壓為3 V。另外，AD780的3 V輸出電壓還用于熱電阻檢測(cè)電路的供電，提高了冷端溫度測(cè)量的精度。

當(dāng)熱電偶燒斷時(shí)，相應(yīng)的一路輸入電壓為零，CPU會(huì)認(rèn)為是溫度過低而提高電爐溫度，造成事故。為了避免這種情況，將3 V電壓用于檢測(cè)熱電偶是否燒斷，將熱電偶的正極接一個(gè)上拉電阻到3 V，當(dāng)熱電偶燒斷時(shí)，電壓被拉到3 V，超出了7135的轉(zhuǎn)換范圍，7135的over range輸出高電平，在over range引腳上接一個(gè)發(fā)光二極管和蜂鳴器，可達(dá)到熱電偶燒斷時(shí)報(bào)警的作用。

7135數(shù)字量輸出是各位依次輸出BCD碼，這樣不僅硬件上需要較多的I/O口，軟件中還要將五位BCD碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，實(shí)現(xiàn)較繁瑣。所以本系統(tǒng)利用51單片機(jī)的計(jì)數(shù)器來獲得7135的積分時(shí)間，從而得到7135的模擬電壓輸入值。在信號(hào)積分開始時(shí)BUSY（忙）輸出變?yōu)楦唠娖剑诙畏e分停止時(shí)BUSY復(fù)位，將BUSY與單片機(jī)的INT0引腳相連、將7135的時(shí)鐘信號(hào)與單片機(jī)的T0引腳相連，并將51單片機(jī)的定時(shí)器方式控制寄存器TMOD中T0的GATE位置1，即當(dāng)BUSY為1時(shí)，計(jì)數(shù)器正常工作，當(dāng)BUSY為0時(shí)，計(jì)數(shù)器被禁止工作，這樣，可以得到7135一次轉(zhuǎn)換的兩次積分的總時(shí)間，由于第一次積分為20 000個(gè)時(shí)鐘周期，所以，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果即為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值減去20 000。采用這種方法，必須保證7135的時(shí)鐘脈沖與單片機(jī)T0口的計(jì)數(shù)脈沖相同，它們均由4060分頻器獲得，為保證抗工頻干擾性能強(qiáng)，一般選取50 Hz的倍數(shù)作為時(shí)鐘頻率，本系統(tǒng)采用250 Hz時(shí)鐘信號(hào)，由分頻器4060分頻獲得。

2 輸出控制

輸入通道為三路，輸出也同樣為三路，以保證被控對(duì)象各點(diǎn)溫度都靠近設(shè)定值，而不會(huì)出現(xiàn)溫度分布不均的現(xiàn)象。采用交流過零型固態(tài)繼電器作為加熱絲的控制開關(guān)。CPU通過控制固態(tài)繼電器的通斷比來控制加熱的程度。固態(tài)繼電器正常工作需要保證控制端電流大于5 mA，而51單片機(jī)所允許的最大灌電流只有10 mA，所以，需要加上拉電阻和驅(qū)動(dòng)，選用74HC574芯片作為驅(qū)動(dòng)。

由于擴(kuò)散爐加熱均勻，可將其近似看做一個(gè)具有純滯后的一階慣性系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為：

由于滯后時(shí)間的存在，系統(tǒng)的控制問題變得十分困難，滯后嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。長(zhǎng)期以來，純滯后系統(tǒng)就一直是工業(yè)過程中的難控制系統(tǒng)，人們也對(duì)它進(jìn)行了大量的研究。對(duì)于純滯后系統(tǒng)，常用的控制方法主要是PID控制、Dahlin控制算法和Smith預(yù)估算法[5]。本系統(tǒng)采用Smith預(yù)估算法來改善由于滯后時(shí)間產(chǎn)生的超調(diào)和振蕩。

一個(gè)單回路控制系統(tǒng)的控制器傳遞函數(shù)為D（s），被控對(duì)象傳遞函數(shù)為Gp（s）e-τs，其中Gp（s）為不含滯后部分。則系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

Smith補(bǔ)償?shù)脑硎牵簩⒖刂破鞑⒙?lián)一個(gè)傳函為Gp（s）（1-e-ts）的補(bǔ)償環(huán)節(jié)[5]，此時(shí)系統(tǒng)傳函變成：

此時(shí)滯后環(huán)節(jié)被移到了閉環(huán)外，這樣就消除了純滯后環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。用Simulink仿真對(duì)傳統(tǒng)PID單回路控制與基于Smith預(yù)估的PID控制進(jìn)行對(duì)比，控制曲線如圖3所示，其中PID控制器參數(shù)通過Ziegler-Nichols法得到：Kp=0.245 9，Ki=0.015 9，Kd=0.912 7。

圖3 PID控制與基于Smith預(yù)估的PID控制曲線

本文所討論的擴(kuò)散爐多路高精度溫度控制系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)散爐溫度實(shí)現(xiàn)了有效控制，不僅能對(duì)溫度及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，而且溫度的控制達(dá)到了1‰的精度。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、自動(dòng)化程度高、可靠性好，可有效地保證生產(chǎn)的高效、安全進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了摻雜工藝過程溫度控制的自動(dòng)化，從而減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度并且提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，比較理想地解決了加熱不均勻和精度不夠等問題，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]程朝陽.擴(kuò)散爐開發(fā)現(xiàn)狀[J].中國集成電路，2002（3）：63-64.

[2]趙萍，王明明，黨楊濤.擴(kuò)散爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中的FPGA設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（1）：7-11.

[3]薛開昶，王應(yīng)吉.幾種放大器的程控增益電路設(shè)計(jì)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，27（3）：138-142.

[4]王宏華，樊桂林.含有純滯后對(duì)象的控制方法[J].江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，15（6）：87-92.

[5]宋云霞，朱學(xué)峰.大時(shí)滯過程控制方法及應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2001，28（4）：9-15.