CN111176356B - 离子源恒流控制装置、方法以及离子源系统 - Google Patents

离子源恒流控制装置、方法以及离子源系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及离子源技术领域，特别涉及一种离子源恒流控制装置、方法以及离子源系统。所述方法包括如下步骤：在离子源工作过程中，实时检测离子源电源的实时电流值；计算所述实时电流值与给定电流值的电流差值，根据所述电流差值计算流量调整值；输出所述流量调整值控制输入离子源的气体流量大小，使得离子源电源恒流输出。上述技术方案，通过对离子源电源的实时电流检测，并与给定电流值进行计算差值，结合负载的情况，对输入离子源的气体流量进行控制调整，消除电流偏差，使得实际输出的电流值达到用户要求的给定电流值，实现动态的平衡和恒流输出的目的。

Description

离子源恒流控制装置、方法以及离子源系统
技术领域
本申请涉及离子源技术领域，具体而言，本申请涉及一种离子源恒流控制装置、方法以及离子源系统。
背景技术
离子源是一门用途广、类型多、涉及科学多、工艺技术性强、发展十分迅速的应用科学技术。以霍尔离子源为例，作为一种十分常用、简单耐用的离子源类型，多应用于薄膜沉积领域，光学部件的镀膜等。
参考图1所示，离子源通过永磁体产生霍尔效应的磁场，阳极在一个强轴向磁场的协作下将工艺气体等离子化，等离子化后的气体通过阳极的加速，将气体离子分离并形成离子束。霍尔离子源的离子电流与气体流量几乎成比例，可获得较大离子电流，强磁场一般使用永磁体。
离子源在运行的时候，需要保持离子源电源以一定恒定的电压和电流工作，而电压和电流是根据负载(气体)变化而变化，但是由于运行过程，外部环境以及离子源自身发热量的变化，气体量不变的情况下，离子源电源的输出电流会产生变化，从而影响了离子源的稳定性，影响镀膜工艺。
发明内容
本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷之一，特别是离子源电源的输出电流会产生变化，影响了离子源的稳定性，影响镀膜工艺的问题。
为了实现上述目的，本申请提供以下技术方案：
一种离子源恒流控制装置，包括：电流传感器、气体流量计以及气体流量控制器；
所述电流传感器连接在所述离子源电源上；
所述气体流量计连接在离子源的气体管道上；
所述气体流量控制器连接所述气体流量计；
所述电流传感器在离子源工作过程中，实时检测离子源电源的实时电流值，将所述实时电流值反馈至离子源；
所述离子源计算所述实时电流值与给定电流值的电流差值，根据所述电流差值计算流量调整值，以及将所述流量调整值输出至气体流量计；
所述气体流量计根据所述流量调整值控制输入离子源的气体流量大小，使得离子源电源恒流输出。
在一个实施例中，所述离子源以设定周期监测所述实时电流值，并在所述实时电流值超出所述给定电流值调整范围时，计算所述流量调整值，发送至所述气体流量控制器。
在一个实施例中，所述离子源采用PID调节技术对电流差值进行控制，计算所述流量调整值。
一种离子源恒流控制方法，包括如下步骤：
在离子源工作过程中，实时检测离子源电源的实时电流值；
计算所述实时电流值与给定电流值的电流差值，根据所述电流差值计算流量调整值；
输出所述流量调整值控制输入离子源的气体流量大小，使得离子源电源恒流输出。
在一个实施例中，所述根据所述电流差值计算流量调整值的步骤，包括：
根据所述电流差值计算比例系数和积分系数；
根据所述比例系数和积分系数进行PID调节得到所述流量调整值。
在一个实施例中，在根据所述电流差值计算比例系数和积分系数的步骤之前，还包括：
判断所述电流差值是否大于预设阈值，若是，根据所述电流差值计算比例系数并根据所述比例系数确定所述流量调整值，若否，执行根据所述电流差值计算比例系数和积分系数的步骤。
在一个实施例中，所述的离子源恒流控制方法还包括：
在离子源启动时，对离子源启动时间进行计时；
在计时到达指定时间后，判断所述离子源电源的电压和电流是否达到正常工作状态，若是，开始实时检测离子源电源的实时电流值。
在一个实施例中，所述在离子源工作过程中，实时检测离子源电源的实时电流值的步骤，包括：
在离子源电源的电压和电流达到正常工作状态后，以设定间隔检测一次离子源电源的实时电流值；
在所述实时电流值超出所述给定电流值调整范围时，执行计算所述流量调整值的步骤。
在一个实施例中所述的离子源恒流控制方法，还包括：
设定所述离子源电源的输出电流最大值；
当离子源电源的实时电流值超出所述输出电流最大值时，将所述离子源电源的输出电流限定为所述输出电流最大值。
一种离子源系统，该离子源系统包括：离子源、离子源电源以及上述的离子源恒流控制装置；
或者
该离子源系统包括离子源，所述离子源被配置为用于执行上述的离子源恒流控制方法的步骤。
上述技术方案，通过对离子源电源的实时电流检测，并与给定电流值进行计算差值，结合负载的情况，对输入离子源的气体流量进行控制调整，消除电流偏差，使得实际输出的电流值达到用户要求的给定电流值，实现动态的平衡和恒流输出的目的。
进一步的，基于PID调节方式计算流量调整值，对气体流量进行实时控制，实现对输出电流值准确的动态调整。
进一步的，设定了输出电流最大值，当达到最大值时，控制离子源电源的输出电流值在最大值内，对输出电流进行限制，避免电流突变影响了元器件的安全和性能。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是传统霍尔离子源的结构示意图；
图2离子源恒流控制装置的示意图；
图3是离子源恒流控制方法流程图；
图4是PID调节示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
在离子源运行时，需要要保持稳定的电压和电流，电压和电流是根据负载(气体)变化而变化，由于运行过程，外部环境以及离子源自身发热量的变化，电压或者电流也会慢慢变化，容易影响镀膜工艺。基于以上情况，本申请对负载进行控制调整，从而调整离子源电源的电流值，实现恒流输出的目的。
参考图2所示，本申请提供的离子源恒流控制装置，包括：电流传感器、气体流量计以及气体流量控制器；
所述电流传感器连接在所述离子源电源上；
所述气体流量计连接在离子源的气体管道上；
所述气体流量控制器连接所述气体流量计；
所述电流传感器在离子源工作过程中，实时检测离子源电源的实时电流值，将所述实时电流值反馈至离子源；
所述离子源计算所述实时电流值与给定电流值的电流差值，根据所述电流差值计算流量调整值，以及将所述流量调整值输出至气体流量计；
所述气体流量计根据所述流量调整值控制输入离子源的气体流量大小，使得离子源电源恒流输出。
具体的，储气罐中存储气体，通过气体管道传输，气体流量计控制流量大小控制，然后输入离子源进行使用；离子源电源提供离子源所需电能，电流传感器实时检测离子源的实时电流值反馈给离子源，用户可以设定离子源的给定电流值，即离子源工作中所需要达到的恒流电流值；离子源依据实时电流值与给定电流值之间的电流差值计算出气体调整值，输出到气体流量控制器，再通过气体流量计控制流量大小，以实现控制离子源电流，从而最终实现恒流输出目的。
例如：用户设定离子源的给定电压和电流参数为200V和5A，电流传感器检测实时电流值并反馈到离子源；离子源以100ms的周期监测一次输出的电流的实际输出值，当发现离子源电源的电流输出没有达到用户设定的5A时，就计算出流量调整值，发命令给气体流量控制器要求加大气体量的输出，气体流量控制器会控制气体流量计来控制气体流量量，离子源电源的电流随着气体的增加而慢慢增加，从而达到5A左右。
上述实施例的离子源恒流控制装置，通过对离子源电源的实时电流检测，并与给定电流值进行计算差值，结合负载的情况，对输入离子源的气体流量进行控制调整，消除电流偏差，使得实际输出的电流值达到用户要求的给定电流值，实现动态的平衡和恒流输出的目的。
下面进一步阐述离子源恒流控制装置的其他实施例。
在一个实施例中，所述离子源以设定周期监测所述实时电流值，并在所述实时电流值超出所述给定电流值调整范围时，计算所述流量调整值，发送至所述气体流量控制器。
一般情况下，当实时电流值大于给定电流值时，气体流量计降低通过气体流量大小，当实时电流值小于给定电流值时，气体流量计提高通过气体流量大小。
例如，设定给定电流调整范围为5A的+-0.3A范围内，当离子源电源的输出电流在5A的+-0.3A范围内时，不再调整气体流量，当离子源运行一段时间候，由于自身的特性在同样的气体流量下，离子源电源的输出电流会降低，此时通过周期性的监测发现输出电流在5A的+-0.3A范围之外时，例如掉到4.5A，则启动流量调整流程，通过气体流量控制器来加大气体的流量，从而使得输出电流重新上升到5A左右。
在一个实施例中，本申请提供的离子源恒流控制装置，所述离子源采用PID调节技术对电流差值进行控制，计算所述流量调整值。
通过PID调节，使得整个调整过程形成闭环，能够将输出电流一直保持在恒流状态，保持离子源工作稳定。
下面结合附图阐述离子源恒流控制方法的实施例。该控制方法可以由离子源设备上实现，也可以由基于前述实施例提供的离子源恒流控制装置的离子源上上实现，还可以采用其他结构硬件中的设备来实现，在此不做限定。
参考图3所示，本申请提供的离子源恒流控制方法，可以包括如下步骤：
S110，在离子源工作过程中，实时检测离子源电源的实时电流值；
具体来说，可以由离子源接收连接在离子源电源上电流传感器检测的实时电流值。
S130，计算所述实时电流值与给定电流值的电流差值，根据所述电流差值计算流量调整值；
具体的，离子源可以计算实时电流值与给定电流值的电流差值，然后根据电流差值计算需要调整的流量对应电流量，再计算电流量所对应的流量调整值。
S150，输出所述流量调整值控制输入离子源的气体流量大小，使得离子源电源恒流输出；
具体的，离子源可以输出流量调整值到连接在离子源的气体管道上的气体流量计，控制输入离子源的气体流量大小，达到离子源电源恒流输出的目的。
在一个实施例中，参考图4，对于步骤S130的根据所述电流差值计算流量调整值的步骤，可以包括如下：
根据所述电流差值计算比例系数和积分系数；根据所述比例系数和积分系数进行PID调节得到所述流量调整值。
具体的，PID调节是根据输出电流和用户给定电流的电流差值、比例系数KP和积分系数KI有关，电流差值越大，调整的幅度越大，KP是比例系数，KP越大，调整的幅度越大；KI是对电流差值的积分累计，可以消除余差。
上述实施例，基于PID调节方式计算流量调整值，对气体流量进行实时控制，实现对输出电流值的动态调整。
另外，在一个实施例中，考虑到基于PID调节中，在离子源启动、结束或其他因素引起突变时，短时间内输出电流可能有较大偏差，容易造成 PID运算的积分累积，引起超调或者振荡。
为此，在步骤S130的根据所述电流差值计算比例系数和积分系数的步骤之前，还可以包括：
判断所述电流差值是否大于预设阈值，若是，根据所述电流差值计算比例系数并根据所述比例系数确定所述流量调整值，若否，执行根据所述电流差值计算比例系数和积分系数的步骤。
上述实施例的方案，通过PID调节引入积分消除静差，能够提高控制精度，但有可能在离子源启动、结束或其他因素引起突变时产生干扰而导致超调或者振荡；为了避免上述干扰影响，当电流差值较大时，取消积分作用，以避免超调量增大；而在电流差值较小时，引入积分消除静差，提高控制精度。
再者，在一个实施例中，考虑到离子源在启动时，离子源电源的输出电压和电流会慢慢上升直至达到正常工作状态，因此，在该阶段不应进行控制调整。
即本申请的离子源恒流控制方法的步骤S110的实时检测离子源电源的实时电流值之前，还可以包括：
在离子源启动时，对离子源启动时间进行计时；在计时到达指定时间后，判断所述离子源电源的电压和电流是否达到正常工作状态，若是，开始实时检测离子源电源的实时电流值。
在一个实施例中，对于步骤S110的在离子源工作过程中，实时检测离子源电源的实时电流值的步骤，可以包括如下：
在离子源电源的电压和电流达到正常工作状态后，以设定间隔检测一次离子源电源的实时电流值；在所述实时电流值超出所述给定电流值调整范围时，执行计算所述流量调整值的步骤。
上述实施例的方案，通过构建闭环的控制调整方案，在进行PID调节时，先设定离子源一个相对合适的电流调整范围，当未超出该调整范围，或者调整后的电流值达到该调整范围时即进行调整，从而可以在确保恒流基本效果的同时，减少调整次数，提高效率。
在一个实施例中，对于本申请提供的离子源恒流控制方法，还可以包括如下步骤：
设定所述离子源电源的输出电流最大值；当离子源电源的实时电流值达到所述输出电流最大值时，将所述离子源电源的输出电流控制在所述输出电流最大值内。
上述实施例的方案，设定了输出电流最大值，当达到最大值时，控制离子源电源的输出电流值在最大值内，对输出电流进行限制，避免电流突变影响了元器件的安全和性能。
下面阐述离子源系统的实施例。
参考图2，本申请提供的离子源系统，可以包括：离子源、离子源电源以及上述任一实施例提供的离子源恒流控制装置。
该实施例的离子源系统，通过离子源恒流控制装置来控制离子源电源输出恒流，使得实际输出的电流值达到用户要求的给定电流值，实现动态的平衡和恒流输出的目的。而且基于PID调节方式计算流量调整值，对气体流量进行实时控制，实现对输出电流值准确的动态调整。
另外，本申请提供的离子源系统，其离子源被配置为用于执行上述任一实施例提供的离子源恒流控制方法的步骤。
对于本申请提供的离子源系统，可以包括上述任一实施例的离子源恒流控制装置，其离子源也可以采用上述任一实施例的离子源恒流控制方法，对于上述实施例中的离子源恒流控制装置及离子源恒流控制方法涉及的技术方案及其技术效果，亦可适应于在离子源系统实施例中，特此声明。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种离子源恒流控制装置，应用于霍尔离子源，其特征在于，包括：电流传感器、气体流量计以及气体流量控制器；
所述电流传感器连接在所述离子源电源上；
所述气体流量计连接在离子源的气体管道上，气体流量计控制流量大小，然后输入离子源进行使用；
所述气体流量控制器连接所述气体流量计；
所述电流传感器在离子源工作过程中，实时检测离子源电源的实时电流值，将所述实时电流值反馈至离子源；
所述离子源计算所述实时电流值与给定电流值的电流差值，根据所述电流差值计算流量调整值，以及将所述流量调整值输出至气体流量计；
所述气体流量计根据所述流量调整值控制输入离子源的气体流量大小，使得离子源电源恒流输出。
2.根据权利要求1所述的离子源恒流控制装置，其特征在于，所述离子源以设定周期监测所述实时电流值，并在所述实时电流值超出所述给定电流值调整范围时，计算所述流量调整值，发送至所述气体流量控制器。
3.根据权利要求1所述的离子源恒流控制装置，其特征在于，所述离子源采用PID调节技术对电流差值进行控制，计算所述流量调整值。
4.一种离子源恒流控制方法，应用于霍尔离子源，其特征在于，包括如下步骤：
在离子源工作过程中，实时检测离子源电源的实时电流值；
计算所述实时电流值与给定电流值的电流差值，根据所述电流差值计算流量调整值；
输出所述流量调整值控制输入离子源的气体流量大小，使得离子源电源恒流输出。
5.根据权利要求4所述的离子源恒流控制方法，其特征在于，所述根据所述电流差值计算流量调整值的步骤，包括：
根据所述电流差值计算比例系数和积分系数；
根据所述比例系数和积分系数进行PID调节得到所述流量调整值。
6.根据权利要求5所述的离子源恒流控制方法，其特征在于，在根据所述电流差值计算比例系数和积分系数的步骤之前，还包括：
判断所述电流差值是否大于预设阈值，若是，根据所述电流差值计算比例系数并根据所述比例系数确定所述流量调整值，若否，执行根据所述电流差值计算比例系数和积分系数的步骤。
7.根据权利要求4所述的离子源恒流控制方法，其特征在于，还包括：
在离子源启动时，对离子源启动时间进行计时；
在计时到达指定时间后，判断所述离子源电源的电压和电流是否达到正常工作状态，若是，开始实时检测离子源电源的实时电流值。
8.根据权利要求7所述的离子源恒流控制方法，其特征在于，所述在离子源工作过程中，实时检测离子源电源的实时电流值的步骤，包括：
在离子源电源的电压和电流达到正常工作状态后，以设定间隔检测一次离子源电源的实时电流值；
在所述实时电流值超出所述给定电流值调整范围时，执行计算所述流量调整值的步骤。
9.根据权利要求4所述的离子源恒流控制方法，其特征在于，还包括：
设定所述离子源电源的输出电流最大值；
当离子源电源的实时电流值超出所述输出电流最大值时，将所述离子源电源的输出电流限定为所述输出电流最大值。
10.一种离子源系统，其特征在于，该离子源系统包括：离子源、离子源电源以及权利要求1至3任一项所述的离子源恒流控制装置；
或者
该离子源系统包括离子源，所述离子源被配置为用于执行权利要求4至9任一项所述的离子源恒流控制方法的步骤。
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