單晶硅輻照退火裝置溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李普+武文超+葛源

摘 要：本文依據(jù)單晶硅輻照退火工藝要求，針對(duì)退火裝置溫度控制的要求，設(shè)計(jì)一套溫度控制系統(tǒng)，采用自適應(yīng)模糊PID溫度控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的溫度自動(dòng)控制；設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全聯(lián)鎖電路以保證退火過程的安全性和有效性；通過對(duì)升溫速率、恒溫定值、恒溫時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置與修改，滿足不同的溫度控制要求，具有靈活的適用性，可廣泛應(yīng)用于相關(guān)的溫控工藝中。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行，調(diào)試結(jié)果滿足使用要求，確保退火裝置安全、可靠的運(yùn)行和任務(wù)的完成。

關(guān)鍵詞：溫度控制；PID控制；單晶硅

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.016

1 引言

利用中子進(jìn)行單晶硅輻照嬗變摻雜時(shí)會(huì)導(dǎo)致單晶體中產(chǎn)生輻照缺陷，影響單晶硅的電學(xué)性能。在工藝制備過程中，為了消除這種中子輻照缺陷，通常對(duì)中子輻照后的單晶硅采用退火工藝，以恢復(fù)其電學(xué)性能。由于單晶硅輻照退火工藝過程中，退火溫度高，對(duì)環(huán)境潔凈度要求嚴(yán)格，因此單晶硅退火過程在耐高溫的專用單晶硅輻照退火裝置中進(jìn)行，通過溫度控制系統(tǒng)勻速升溫至設(shè)定值，并保持恒溫?cái)?shù)個(gè)小時(shí)，以恢復(fù)單晶硅電學(xué)性能。為了保證退火的有效性和裝置的安全性，退火過程中對(duì)退火裝置內(nèi)溫度控制的要求較為嚴(yán)格，即要滿足退火裝置內(nèi)溫度分布一致、升溫勻速、穩(wěn)定恒溫等各種要求，又要具備安全聯(lián)鎖等功能，因此退火裝置溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響到單晶硅電學(xué)性能的優(yōu)劣，是單晶硅輻照退火工藝中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文依據(jù)單晶硅輻照退火裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和退火工藝要求，針對(duì)退火裝置溫度控制的要求，設(shè)計(jì)一套溫度控制系統(tǒng)，采用先進(jìn)成熟的溫度控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的溫度自動(dòng)控制，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全聯(lián)鎖電路以保證退火過程的安全性和有效性。

2 單晶硅輻照退火裝置溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

單晶硅輻照退火裝置選用高溫?cái)U(kuò)散爐，由管狀爐體、發(fā)熱體（加熱絲）、保溫材料等組成，退火裝置是一根管狀爐膛，輻照后的單晶硅放置于爐膛內(nèi)，通過加熱絲的加熱功率控制爐內(nèi)溫度，這種管狀爐膛兩端的散熱較快、中間的散熱較慢，在相同的加熱條件下，存在兩端溫度低、中間溫度高的情況，爐膛內(nèi)溫度的不均勻性，會(huì)影響退火工藝的效果和爐體的安全性，因此為了保證爐內(nèi)溫度均勻，設(shè)計(jì)中對(duì)電加熱絲采取分段控制的方式，每段電加熱絲采用一個(gè)獨(dú)立的控制回路，兩端的電加熱絲電流高于中間的電加熱絲電流，使?fàn)t膛各段保持相同的溫升速率，以保證爐內(nèi)溫度均勻。

溫度控制系統(tǒng)硬件主要包括控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、溫度檢測(cè)裝置。根據(jù)單晶硅輻照退火工藝溫度控制范圍寬、精度要求高的特點(diǎn)，選用現(xiàn)階段技術(shù)先進(jìn)且成熟的自適應(yīng)模糊PID控制器，其優(yōu)點(diǎn)是控制精度高、可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的精確自動(dòng)控制；調(diào)功器是溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠根據(jù)控制信號(hào)的大小輸出相對(duì)應(yīng)的電流以控制加熱功率；在退火過程中，需要實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測(cè)退火裝置的溫度，因此在爐膛上對(duì)應(yīng)每段電加熱絲的位置分別設(shè)置一個(gè)測(cè)溫元件作為溫度反饋環(huán)節(jié)，測(cè)溫元件選用高溫型K分度號(hào)熱電偶，能滿足退火裝置使用溫度范圍700℃～1250℃的要求以及測(cè)量快速響應(yīng)的要求。

2.2 電氣控制設(shè)計(jì)

退火工藝加熱功率高，加熱時(shí)間長(zhǎng)，為保證爐內(nèi)溫度均勻性，將爐內(nèi)的一根電加熱絲通過兩個(gè)中間抽頭分成獨(dú)立的三段，每段加熱絲設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的電氣控制回路控制加熱。

根據(jù)退火工藝對(duì)升溫速率和恒溫時(shí)間的要求， 通過理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，選取了相應(yīng)容量的變壓器為主回路提供供電電壓，三段加熱絲采用變壓器的三組隔離輸出以滿足電氣控制回路的獨(dú)立性。調(diào)功器為主回路提供加熱電流，以控制加熱功率。

為了保證加熱過程的可控性，避免故障情況下對(duì)退火裝置的損壞，設(shè)計(jì)了電氣安全聯(lián)鎖控制，主要內(nèi)容如下：

（1）三段加熱回路的啟動(dòng)設(shè)計(jì)了邏輯組合電路，將三段加熱回路供電狀態(tài)信號(hào)、電氣設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)、系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行了“與”邏輯，只有在供電正常、電氣設(shè)備工作正常、系統(tǒng)無(wú)報(bào)警情況下，加熱主回路才能完成合閘，開始加熱。

（2）在加熱過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供電狀態(tài)信號(hào)、電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)、控制器及調(diào)功器狀態(tài)信號(hào)、熱電偶斷偶等故障信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)任何一個(gè)報(bào)警信號(hào)時(shí)，該電氣回路觸發(fā)報(bào)警并同時(shí)停止三段加熱器的加熱，保持退火裝置的安全。對(duì)以上故障設(shè)置了自保持電路，只有當(dāng)故障消除后，加熱主回路才能重新完成合閘，再次啟動(dòng)加熱。

（3）電氣控制設(shè)置了超溫保護(hù)電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)溫度，當(dāng)溫度超過設(shè)定值5℃而加熱器未停止加熱時(shí)，及時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，并停止加熱。

2.3 自適應(yīng)模糊PID溫度控制

單晶硅輻照退火裝置溫度變化范圍較大，一般從幾十?dāng)z氏度至上千攝氏度，其溫度系統(tǒng)大遲滯和非線性的特點(diǎn)尤其明顯，由于退火工藝對(duì)升溫速率和恒溫精度的要求較高，且難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此傳統(tǒng)的PID控制難以使溫度控制達(dá)到最優(yōu)。針對(duì)溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，采取自適應(yīng)模糊PID溫度控制方法實(shí)現(xiàn)溫度高精度自動(dòng)控制。

控制器通過采集退火裝置加熱段熱電偶的實(shí)際溫度信號(hào)，與設(shè)定溫度值相比較，根據(jù)誤差值e和PID參數(shù)的初始值，控制加熱器的輸出功率；在運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)際溫度，并計(jì)算誤差值e和誤差變化率ec，通過模糊推理，得出PID參數(shù)的修正值△kp、△ki、△kd，并在控制器中實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的實(shí)時(shí)修正，通過PID參數(shù)修正，以控制加熱器的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)在不同運(yùn)行條件下對(duì)溫度的高精度自動(dòng)控制。

3 調(diào)試及應(yīng)用

溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在單晶硅生產(chǎn)輻照工藝中進(jìn)行了功能及性能的各項(xiàng)調(diào)試，包括溫度報(bào)警聯(lián)鎖及保護(hù)功能，斷偶保護(hù)功能，升溫、恒溫、降溫性能試驗(yàn)，拉溫試驗(yàn)等，經(jīng)調(diào)試試驗(yàn)，系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)滿足退火工藝要求。

調(diào)試完成后，該溫度控制系統(tǒng)已投入生產(chǎn)，長(zhǎng)期運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

單晶硅輻照退火裝置溫度控制系統(tǒng)采取了分段控制方式和自適應(yīng)模糊PID溫度控制技術(shù)，溫度控制精度高、溫度均勻性好；設(shè)計(jì)靈活，各項(xiàng)控制參數(shù)可設(shè)置，能夠適應(yīng)不同的工藝過程；增加了電氣安全聯(lián)鎖電路，提高了整個(gè)溫度控制過程的安全性，可廣泛應(yīng)用于各種加熱控溫裝置的溫度控制。

作者簡(jiǎn)介：李普（1984-），女，助理研究員，主要從事反應(yīng)堆儀表與控制系統(tǒng)維護(hù)、科研和設(shè)計(jì)工作。