CN103092230B - 一种扩散炉智能温控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩散炉智能温控系统，它包括若干可控硅、触发电路、温控仪、PLC控制器、热电偶、舟控制装置、质量流量计、冷端组件、气体混合控制器和触摸屏。本发明采用具有结构紧凑、控温精度高和性能稳定特点的温控仪，通过分别设置在扩散炉炉体内各个温区内和炉壁上的热电偶采集扩散炉各个温区的温度，能够对扩散炉的多温区进行同步测控；采用上述温控仪后，本发明对扩散炉的各个温区实现了单回路和串级控制，不仅具有集成度高、精度高、稳定性好、功能强大和功耗低等特点，而且降低了硬件成本，减少了编程人员的工作量。

Description

一种扩散炉智能温控系统

技术领域

本发明涉及扩散炉温控装置，具体地说是一种扩散炉智能温控系统。

背景技术

高温氧化扩散炉是半导体制造业中对硅片进行热生长氧化的一种重要设备。在高温氧化扩散炉体内硅片与外部供给的高纯氧气反应，使硅片上生成一层氧化层。这层氧化层的质量、稳定性和介质特性等性能对MOS工艺中的栅结构至关重要。温度是影响氧化层特性的关键工艺参数，影响氧化层生长速度、均匀性等特性。氧化工艺要求硅片上各个区间与各个硅片都处于一致均匀、稳定的温度场中，对炉膛恒温区间的温度一致性、稳定性要求极高；并且为了使各个硅片特性一致，在不同工艺温度之间的变化过程中，要求所有硅片所处温度尽量一致变化。针对高温氧化扩散设备，多数厂家采用美国Brooks、日本岛电SHIMADEN和日本理化RKC等国际名牌的温度调节仪表。此类仪表为通用型温度仪表，多是单回路仪表，如果实现一个温区的串级控制，则需要两个仪表串联。扩散炉至少需要三个温区，如要串级控制，则需要6个仪表。该类仪表价格昂贵，一台就需要几千，高的近万元。这样实现高精度的扩散炉的控制仅需要的仪表成本就高达几万。

常规的扩散炉控制系统一般采用工业控制机+PLC+温度调节仪表，在工艺要求温度精度较高的场合，采用两个仪表实现串级控制，图中用虚线标出的是串级副环控制图。其中炉内永久热电偶做主控制回路，炉壁热电偶做副控制回路。这样如果有三段温区，则需要6个温度调节仪表，为保证精度该仪表原则上采用进口调节仪表。这样对于分离仪表控制方案，不仅价格昂贵，而且需要许多的补偿导线，仪表之间连线也多。这种方案不仅硬件成本高，而且在控制功能上受到很多限制：主要体现在对各分离单元单独进行控制，整个系统无法实施综合、协调控制，更无法对数字气体质量流量计的控制，难以实现最高精度。多只温控表的使用，一方面使温控系统电路结构复杂，故障率增加，另一方面由于温控表为单回路控温方式，因此造成各加热区温度波动较大，影响了电子产品氧化质量。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种扩散炉智能温控系统，其具有集成度高、功耗低和成本低等特点。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种扩散炉智能温控系统，包括可控硅、触发电路、温控仪、PLC控制器、热电偶、舟控制装置和质量流量计，其特征是，还包括冷端组件、气体混合控制器和工控机或触摸屏，

所述可控硅包括分别与设置在扩散炉炉体内的若干个电阻丝连接的若干个可控硅，所述触发电路分别与可控硅和温控仪连接；所述热电偶包括若干个炉内热电偶和若干个炉壁热电偶，所述炉内热电偶分别设置在扩散炉炉体内各个温区并分别通过冷端组件与温控仪连接，所述炉壁热电偶分别设置在各个温区的扩散炉炉壁上并分别通过冷端组件与温控仪连接；所述PLC控制器分别与温控仪和扩散炉的舟控制装置连接，所述气体混合控制器分别与温控仪和质量流量计连接，所述质量流量计设置在扩散炉的气体输入管道中，所述质量流量计和扩散炉炉体之间的气体输入管道中还设置有气动阀，所述气动阀的控制端与PLC控制器连接；所述工控机或触摸屏与PLC控制器连接。

进一步地，所述冷端组件内设置有温度传感器，所述温度传感器与温控仪连接。

进一步地，所述扩散炉炉体内设置5个温区，所述每个温区相应设置一个电阻丝、一个炉内热电偶和一个炉壁热电偶。

进一步地，所述温控仪包括处理器、数据采集电路、输出控制电路、RS485接口、网络接口、存储模块和电源模块；所述数据采集电路包括热电偶数据采集电路和冷端组件温度采集电路，所述热电偶数据采集电路包括依次串联接的低通滤波电路、A/D转换模块和磁耦隔离电路，所述低通滤波电路与热电偶连接，所述磁耦数字隔离电路与处理器连接，所述冷端组件温度采集电路包括与温度传感器连接的A/D转换模块，所述与温度传感器连接的A/D转换模块通过磁耦隔离电路与温控仪连接；所述输出控制电路包括4-20mA电流输出电路、PWM脉冲输出电路、控制回路输出电路和报警继电器输出电路，所述4-20mA电流输出电路包括磁耦隔离电路、D/A转换模块和V/I转换电路，所述D/A转换模块通过磁耦隔离电路与处理器连接，所述V/I转换电路与D/A转换模块连接，所述PWM脉冲输出电路、控制回路输出电路和报警继电器输出电路分别通过光电隔离电路与处理器连接；所述RS485接口包括分别通过磁耦隔离电路与处理器连接的主、从RS485接口；所述网络接口和存储模块分别与处理器连接；所述电源模块为温控器提供工作电源。

进一步地，所述存储模块包括铁电存储器和EEPROM存储器，所述铁电存储器用于存储实时数据记录，所述EEPROM存储器用以参数掉电保护。

本发明的有益效果是，本发明采用的温控仪具有结构紧凑、控温精度高和性能稳定的特点，能够对扩散炉的多温区进行同步测控；采用上述温控仪后，本发明不仅具有集成度高、精度高、稳定性好、功能强大和功耗低等特点，而且降低了硬件成本，减少了技术人员对温控仪进行设置的工作量。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明所述温控仪的原理框图；

图中，1可控硅、2触发电路、3温控仪、4PLC控制器、51炉内热电偶、52炉壁热电偶、6舟控制装置、7质量流量计、8冷端组件、9气体混合控制器、10触摸屏、11扩散炉炉体、12电阻丝、13气体输入管道、14气动阀。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种扩散炉智能温控系统，包括可控硅1、触发电路2、温控仪3、PLC控制器4、热电偶、舟控制装置6、质量流量计7、冷端组件8、气体混合控制器9和触摸屏10。所述扩散炉炉体内设置5个温区，所述每个温区相应设置一个电阻丝12、一个炉内热电偶51和一个炉壁热电偶52，所述可控硅1包括分别与设置在扩散炉炉体11内的,5个电阻丝12连接的5个可控硅，所述触发电路2分别与可控硅1和温控仪3连接；所述热电偶包括5个炉内热电偶51和5个炉壁热电偶52，所述炉内热电偶51分别设置在扩散炉炉体1内的5个温区并分别通过冷端组件8与温控仪3连接，所述炉壁热电偶52分别设置在5个温区的扩散炉炉壁上并分别通过冷端组件8与温控仪3连接；所述PLC控制器4分别与温控仪3和扩散炉的舟控制装置6连接，所述气体混合控制器9分别与温控仪3和质量流量计7连接，所述质量流量计7设置在扩散炉的气体输入管道13中，所述质量流量计7和扩散炉炉体11之间的气体输入管道中还设置有气动阀14，所述气动阀14的控制端与PLC控制器4连接；所述触摸屏10与PLC控制器4连接。

进一步地，所述冷端组件内设置有温度传感器，所述温度传感器可以采用PT100热电阻，所述PT100热电阻与温控仪连接。

图2是本发明所述温控仪的原理框图。如图2所示，本发明所述的温控仪包括处理器、数据采集电路、输出控制电路、RS485接口、网络接口、存储模块和电源模块；所述数据采集电路包括热电偶数据采集电路和冷端组件温度采集电路，所述热电偶数据采集电路包括依次串联接的低通滤波电路、A/D转换模块和磁耦隔离电路，所述低通滤波电路分别与炉内热电偶和炉壁热电偶连接，所述磁耦数字隔离电路与处理器连接，所述冷端组件温度采集电路包括与温度传感器连接的A/D转换模块，所述与温度传感器连接的A/D转换模块通过磁耦隔离电路与温控仪连接；所述输出控制电路包括4-20mA电流输出电路、PWM脉冲输出电路、控制回路输出电路和报警继电器输出电路，所述4-20mA电流输出电路包括磁耦隔离电路、D/A转换模块和V/I转换电路，所述D/A转换模块通过磁耦隔离电路与处理器连接，所述V/I转换电路与D/A转换模块连接，所述PWM脉冲输出电路、控制回路输出电路和报警继电器输出电路分别通过光电隔离电路与处理器连接，用以分别控制触发电路、可控硅和报警继电器；所述RS485接口包括分别通过磁耦隔离电路与处理器连接的主、从RS485接口；所述网络接口和存储模块分别与处理器连接；所述电源模块为温控器提供工作电源。

进一步地，所述存储模块包括铁电存储器和EEPROM存储器，所述铁电存储器用于存储实时数据记录，所述EEPROM存储器用以参数掉电保护。

本发明所述温控仪的工作原理：

温控仪按要求通过上位机设置好有关参数，包括需要控制的炉体温区数，仪表根据工艺要求对温度各区进行相应温控，实现解耦与PID自整定控制，可实现升、降、恒温控制，控制方式为电流或PWM脉冲方式；同时实时接收上位机命令；可根据上位机下达指令通过气体混合控制器或数字质量流量计测控各路气体的流量，也可以用网路接口实现网路控制系统。某区温度超温和越线则进行相应报警提示和跳闸动作。

本发明所述温控仪的主要功能块如下：

一、电源部分

温控仪的电源模块采用外部直流24V电源供电，经高频滤波电路后，供给两个DC-DC隔离模块：1、选用上海元册厂家5W DC-DC隔离模块输出24V供给模拟部分；2、选上海元册2W的DC-DC隔离模块输出5V供给单片机系统；3、主从RS485两电源各用DC-DC模块获得，输入电源从供给单片机系统的电源获取，这样使得温控仪与外界的充分隔离，提高了抗干扰能力，确保安全可靠。

二、输入通道

1、10路热电偶输入

10路热电偶模拟信号采集部分有低通滤波通道，A/D转换芯片，磁耦数字隔离。A/D转换芯片选用24位的CS5534芯片。该CS5534芯片是美国CIRRUS LOGIC公司推出，采用电荷平衡技术和极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大器，其增益可选择为1X、2X、4X、8X、16X、32X及64X，内部有一个完整的自校正系统，可以进行自校准和系统校准，消除A/D本身的零点误差和漂移误差。CS5534芯片具有四通道差分的模拟输入，由内置多路开关来选择转换哪一通道的物理信号。信号经过一个可编程增益放大器后，

进入四阶4阶的ΔΣ调制器，其后跟随一个数字滤波器。它提供20种可供选择的输出字速率，通信方式为SPI总线方式。

为防止干扰采用2片4通道ADUM1510、1片3通道ADUM1310磁耦隔离器进行数字隔离。

本发明的温控仪选用3片CS5534芯片，组成10路差分输入，相邻两个可组成串级控制。三个芯片片选使用独立ADUM的通道，传输数据线复用；其中一片CS5534用剩余的2路输入差分输入信号通道的零点和满量程校准。

2、外部温度补偿

扩散炉仪表控制柜距离扩散炉炉体大约5米左右，为节省热电偶或补偿导线，我们可以在扩散炉炉体的某个区作为冷端，采用PT100检测冷端温度。冷端温度检测电路采用美国AD公司生产的24位AD7711，该芯片线性度好，可用来在三线式和四线式RTD配置中提供激励，所以特别适合铂电阻的测量。我们用三线制连接PT100。该电路测试精度高于0.1%。通讯为串行方式。

三、输出电路

温控仪的输出部分分为四种类输出：

1、模拟通道输出：输出电路采用选用AD公司的8通16位的AD5668芯片，该芯片是AD公司近几年生产的芯片，功能完善，准确度高。该芯片有内部有基准，为了更加可靠我们用REF02芯片作为外部基准。输出形式按4-20mA的输出标准设计。单片机经74HC14驱动给四通道的ADUM1410进行磁耦隔离输出给AD5668，电压信号经运算放大器LM358和BCX52驱动后变成4-20mA电流信号。

2、PWM脉冲输出

单片机输出经光电隔离，再经过74HC14驱动给达林顿ULN2803输出。

3、控制通道输出

控制通道为5路，单片机通过光电隔离来控制达林顿三极管MJD122G的开关，MJD122G是20W，输出电流8A，可控制DC0-100V中间继电器，控制5路加热电压。

4、保护输出

当某区温度超过规定值，通过报警继电器输出电路输出信号，进行相应的报警提示。

四、控制核心

温控仪的处理器采用ST系列的工业级STM32F107VCT6嵌入式单片机。该STM32F107VCT6芯片是ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，具有极强的抗干扰能力，宽电压2-3.5V电压范围，硬件集成了乘除算法，便于进行复杂的浮点运算。该STM32F107VCT6芯片具有100个管脚，16路PWM输出，满足仪表的需要，有5个USART接口，增加了以太网10/100MAC模块，为网络通讯打下基础。STM32F107VCT6芯片外接一片该芯片为256KB的FM25256铁电存储器作为实时数据记录，可通过上位机软件设置记录时间。该温控仪仪器的参数设定值放在EEPROM24C02存储器中。

五、RS485通讯端口

温控仪有主从两路RS485通讯接口，与质量流量计控制器或数字质量流量计通讯的是主通讯口，与上位机为从通讯口，均采用ADUM1311磁耦隔离。从通讯口协议采用MODBUS协议，包含RTU和ASCII两种传输模式。零位主通讯口预存几个名牌气体流量计通讯协议，特殊情况可以订货指定协议。

六、网络接口

为满足控制网络系统需要，该温控仪设计了以太网络接。STM32F107芯片内部集成了MAC控制模块，该模块符合IEEE802.3协议，外部接DP83848芯片很容易实现以太网的控制。并且ST公司提供了MAC相关的一些驱动程序，这就为温控仪的设计提供了很大的方便。

Claims (4)

1.一种扩散炉智能温控系统，包括可控硅、触发电路、温控仪、PLC控制器、热电偶、舟控制装置和质量流量计，其特征是，还包括冷端组件、气体混合控制器和工控机或触摸屏，所述可控硅包括分别与设置在扩散炉炉体内的若干个电阻丝连接的若干个可控硅，所述触发电路分别与可控硅和温控仪连接；所述热电偶包括若干个炉内热电偶和若干个炉壁热电偶，所述炉内热电偶分别设置在扩散炉炉体内各个温区并分别通过冷端组件与温控仪连接，所述炉壁热电偶分别设置在各个温区的扩散炉炉壁上并分别通过冷端组件与温控仪连接；所述PLC控制器分别与温控仪和扩散炉的舟控制装置连接，所述气体混合控制器分别与温控仪和质量流量计连接，所述质量流量计设置在扩散炉的气体输入管道中，所述质量流量计和扩散炉炉体之间的气体输入管道中还设置有气动阀，所述气动阀的控制端与PLC控制器连接；所述工控机或触摸屏与PLC控制器连接；

所述温控仪包括处理器、数据采集电路、输出控制电路、RS485接口、网络接口、存储模块和电源模块；所述数据采集电路包括热电偶数据采集电路和冷端组件温度采集电路，所述热电偶数据采集电路包括依次串联接的低通滤波电路、A/D转换模块和磁耦隔离电路，所述低通滤波电路与热电偶连接，所述磁耦隔离电路与处理器连接，所述冷端组件温度采集电路包括与温度传感器连接的A/D转换模块，所述与温度传感器连接的A/D转换模块通过磁耦隔离电路与温控仪连接；所述输出控制电路包括4-20mA电流输出电路、PWM脉冲输出电路、控制回路输出电路和报警继电器输出电路，所述4-20mA电流输出电路包括磁耦隔离电路、D/A转换模块和V/I转换电路，所述D/A转换模块通过磁耦隔离电路与处理器连接，所述V/I转换电路与D/A转换模块连接，所述PWM脉冲输出电路、控制回路输出电路和报警继电器输出电路分别通过光电隔离电路与处理器连接；所述RS485接口包括分别通过磁耦隔离电路与处理器连接的主、从RS485接口；所述网络接口和存储模块分别与处理器连接；所述电源模块为温控器提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种扩散炉智能温控系统，其特征是，所述冷端组件内设置有温度传感器，所述温度传感器与温控仪连接。

3.根据权利要求1所述的一种扩散炉智能温控系统，其特征是，所述扩散炉炉体内设置5个温区，所述每个温区相应设置一个电阻丝、一个炉内热电偶和一个炉壁热电偶。

4.根据权利要求1所述的一种扩散炉智能温控系统，其特征是，所述存储模块包括铁电存储器和EEPROM 存储器，所述铁电存储器用于存储实时数据记录，所述EEPROM存储器用以参数掉电保护。