CN111367333B - 高精度分布式水冷温控装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高精度分布式水冷温控装置及方法，其中，温控装置包括温控水箱、第一水管、第二水管、出水泵、分水集水箱和多个冷却组件；冷却组件包括第三水管、第四水管和冷却水套；温控水箱内设置有空压机和加热器；第一水管连通于温控水箱和分水集水箱之间；第二水管连通于温控水箱和分水集水箱之间；本发明提出的高精度分布式水冷温控装置保证了各冷却水套对于光刻设备的降温均匀性和一致性；同时，通过调节加热器和空压机，能够对冷却水的温度实现精准控制调节，也保证了光刻机对冷却降温时的温度的准确性的要求；此外，由于采用循环水冷的方式，相比传统风冷，更能满足光刻机对冷却降温方式的洁净度和平稳性的要求。

Description

高精度分布式水冷温控装置及方法
技术领域
本发明涉及测控技术领域，特别涉及一种高精度分布式水冷温控装置及方法。
背景技术
在半导体光刻领域，光刻设备对温度的均匀性和稳定性要求非常高；随着光刻设备的曝光分辨率的提高，采用传统的温控装置(如电热丝加热、风扇制冷)的方法难以满足光刻设备对温度均匀性、准确性的要求；且风冷还会给光刻设备带来不同一定的震动和灰尘污染，不满足光刻设备对洁净度和平稳性要求。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种高精度分布式水冷温控装置及方法，旨在解决现有的温控装置难以满足光刻设备对温度均匀性、温度准确性以及洁净度和平稳性的要求的问题。
为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：
一种高精度分布式水冷温控装置，包括温控水箱、第一水管、第二水管、出水泵、分水集水箱和多个冷却组件；所述冷却组件包括第三水管、第四水管和冷却水套；
所述温控水箱内设置有空压机和加热器；所述第一水管连通于所述温控水箱和所述分水集水箱之间；所述第二水管连通于所述温控水箱和所述分水集水箱之间；所述第一水管和所述温控水箱之间还连通设置有出水泵；
所述冷却水套包括冷却管和冷却套；所述冷却管与所述冷却套贴合设置；所述冷却管开设有出水口和进水口；所述进水口通过所述第三水管连通于所述分水集水箱；所述出水口通过所述第四水管连通于所述分水集水箱；所述冷却套贴合于待冷却对象的外表面。
优选的，还包括控制计算机、显示器和设置于待冷却对象的温度传感器；所述控制计算机包括彼此通信连接处理器和RS232通讯接口；所述温度传感器的信号输出端与所述RS232通讯接口的信号输入端连接；所述RS232通讯接口信号的输出端和所述处理器的信号输入端连接；所述处理器的信号输出端和所述显示器的信号输入端连接。
优选的，还包括流量采集组件；所述流量采集组件包括流量传感器和流量采集模块；所述流量传感器设置于所述第三水管或所述第四水管；所述流量传感器的信号输出端与所述流量采集模块的信号输入端连接；所述流量采集模块的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接。
优选的，所述流量采集模块包括依次连接的射极跟随电路、后置滤波电路和模数转换芯片；所述射极跟随电路包括依次连接的前置滤波电路、限幅电路和第一运算放大器；所述流量传感器的信号输出端连接于所述射极跟随电路的信号输入端；所述射极跟随电路的信号输出端连接于所述后置滤波电路的信号输入端；所述后置滤波电路的信号输出端连接于所述模数转换芯片的CH0-CH7通道；所述模数转换芯片的信号输出端连接于所述处理器的信号输入端。
优选的，还包括流量控制组件；所述流量控制组件包括比例电磁阀、驱动放大器和流量控制模块；所述比例电磁阀连通设置于所述第三水管；所述驱动放大器的信号输出端连接于所述比例电磁阀；所述流量控制模块的信号输出端通信连接于所述驱动放大器的信号输入端。
优选的，所述流量控制模块包括彼此连接的数模转换芯片和第二运算放大器；所述数模转换芯片的信号输入端与所述处理器的信号输出端连接；所述数模转换芯片的信号输出端与所述第二运算放大器的信号输入端连接；所述第二运算放大器的信号输出端与所述驱动放大器的信号输入端通信连接。
优选的，所述冷却套呈圆管状；所述冷却管均匀缠绕于所述冷却套的外壁；所述冷却套贴合套设于待冷却对象的外表面。
优选的，所述冷却套呈平板状；所述冷却管呈蛇形均匀嵌设于所述冷却套内部；所述冷却套贴合于待冷却对象的外表面。
本发明还提出一种高精度分布式水冷温控方法，应用如上所述的高精度分布式水冷温控装置，所述方法包括：
获取待冷却对象的预期温度值Tset；
获取所述温度传感器检测到实际温度值T；
计算得到温度偏差值ErrorT，其中：
ErrorT＝Tset-T；
根据所述温度偏差值，以带smith预估算法的PID控制算法计算得到控制信号值；
发送所述控制信号值至所述流量控制模块；
所述流量控制模块根据所述控制信号值控制所述比例电磁阀的开闭程度以调节所述第三水管的水流量；
重复上述步骤直至所述温度偏差值ErrorT不大于预设值。
优选的，所述smith预估算法的控制律为：
其中，d是纯滞后周期数，d＝τ/T，T是采用周期，T>0，τ是延迟时间，τ>0，D(z)是无滞后PI控制律，是预估模型，T(z)是输出温度，ErrorT(z)表示温度误差。
与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果：
通过设置多个冷却水套，各冷却水套均包括冷却管和冷却套，冷却套贴合于待冷却对象的表面，以对待冷却对象进行降温；同时，由于多个冷却水套均由一个分水集水箱进行供水循环，而分水集水箱是由一个温控水箱进行集中供水循环，能够保证分水集水箱内的冷却水温度均匀，从而保证流通于各冷却水套中的冷却水的温度一致，从而保证了各冷却水套对于光刻设备的降温均匀性和一致性；同时，通过调节加热器和空压机，能够对冷却水的温度实现精准控制调节，也保证了光刻机对冷却降温时的温度的准确性的要求；此外，由于采用循环水冷的方式，相比传统风冷，更能满足光刻机对冷却降温方式的洁净度和平稳性的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一种高精度分布式水冷温控装置一实施例的结构示意图；
图2为本发明一种高精度分布式水冷温控装置一实施例的水冷水套的结构示意图；
图3为本发明一种高精度分布式水冷温控装置另一实施例的水冷水套的结构示意图；
图4为本发明一种高精度分布式水冷温控装置另一实施例的水冷水套的结构示意图；
图5为本发明一种高精度分布式水冷温控方法的流程示意图；
图6为本发明一种高精度分布式水冷温控装置一实施例的流量采集模块的电路结构示意图；
图7为本发明一种高精度分布式水冷温控装置一实施例的流量控制模块的电路结构示意图；
图8为本发明一种高精度分布式水冷温控方法的控制原理图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
110 冷却套 120 冷却管
121 出水口 122 进水口
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种高精度分布式水冷温控装置及方法。
请参考附图1-附图4，一种高精度分布式水冷温控装置的一实施例，本高精度分布式水冷温控装置包括温控水箱、第一水管、第二水管、出水泵(未示出)、分水集水箱和多个冷却组件(本实施例中优选为3个，图1中只示出2个)；冷却组件包括第三水管、第四水管和冷却水套。
温控水箱内设置有空压机和加热器，温控水箱内存有冷却水，空压机用于对冷却水进行降温，加热器用于对冷却水进行加热；第一水管连通于温控水箱和分水集水箱之间；第二水管连通于温控水箱和分水集水箱之间；第一水管和温控水箱之间还连通设置有出水泵；分水集水箱内包括分水箱和集水箱，分水箱与第一水管连通，集水箱与第二水管连通，第一水管用于将温控水箱内的冷却水输送至分水箱，第二水管用于将集水箱内的冷却水输送至温控水箱，以形成冷却水的循环流动。
冷却水套包括冷却管120和冷却套110；冷却管120与冷却套110贴合设置；冷却管120开设有出水口121和进水口122；进水口122通过第三水管连通于分水集水箱的分水箱；出水口121通过第四水管连通于分水集水箱的集水箱；冷却套110贴合于待冷却对象的外表面，以对待冷却对象进行降温。这里的待冷却对象的数量为多个，且待冷却对象和冷却水套一一对应。冷却套110贴合于对应的待冷却对象。
通过设置多个冷却水套，各冷却水套均包括冷却管120和冷却套110，冷却套110贴合于待冷却对象的表面，以对待冷却对象进行降温；同时，由于多个冷却水套均由一个分水集水箱进行供水循环，而分水集水箱是由一个温控水箱进行集中供水循环，能够保证分水集水箱内的冷却水温度均匀，从而保证流通于各冷却水套中的冷却水的温度一致，从而保证了各冷却水套对于光刻设备的降温均匀性和一致性；同时，通过调节加热器和空压机，能够对冷却水的温度实现精准控制调节，也保证了光刻机对冷却降温时的温度的准确性的要求；同时，通过设置分水集水箱，使得可根据实际情况增减换冷却组件，便于根据待冷却对象的数量进行搭建；此外，由于采用循环水冷的方式，相比传统风冷，更能满足光刻机对冷却降温方式的洁净度和平稳性的要求。
此外，如附图1所示，本高精度分布式水冷温控装置还包括控制计算机、显示器和设置于待冷却对象的温度传感器(未示出)；控制计算机包括彼此通信连接处理器和RS232通讯接口；温度传感器的信号输出端与RS232通讯接口的信号输入端连接；RS232通讯接口信号的输出端和处理器的信号输入端连接；处理器的信号输出端和显示器的信号输入端连接。这里的温度传感器选择精度达到0.01℃的福禄克5611热敏电阻传感器，通过上述技术方案，能够实时测量待冷却对象的稳定，并将温度显示于显示器，以便精准掌控待冷却对象的温度情况。
同时，如附图1所示，本高精度分布式水冷温控装置还包括流量采集组件；流量采集组件包括流量传感器和流量采集模块；流量传感器设置于第三水管或第四水管(本实施例中优选为设置于第三水管)；流量传感器的信号输出端与流量采集模块的信号输入端连接；流量采集模块的信号输出端与处理器的信号输入端连接。这里的流量传感器的具体型号为Atrato 760。通过上述技术方案，使得实时测量第三水管中的流量并以此掌控整个冷却水套中的水流量。
同时，如附图6所示，上述流量采集模块包括依次连接的射极跟随电路、后置滤波电路和模数转换芯片；其中，射极跟随电路包括依次连接的前置滤波电路、限幅电路和第一运算放大器；这里的前置滤波电流包括电容C4和R8，并以此构成RC滤波电路；限幅电路由二极管构成，以将输入信号的幅值限制在0～+5V以内；第一运算发大器的型号为MC33204；这里的射极跟随电路是为了防止采集电路对输入信号的影响。这里的模数转换芯片的具体型号为MAX197；流量传感器的信号输出端连接于射极跟随电路的信号输入端；射极跟随电路的信号输出端连接于后置滤波电路的信号输入端；后置滤波电路的信号输出端连接于模数转换芯片的CH0-CH7通道；模数转换芯片的信号输出端连接于处理器的信号输入端。
此外，如附图1所示，本高精度分布式水冷温控装置还包括流量控制组件；流量控制组件包括比例电磁阀、驱动放大器和流量控制模块；比例电磁阀连通设置于第三水管；驱动放大器的信号输出端连接于比例电磁阀；流量控制模块的信号输出端通信连接于驱动放大器的信号输入端。这里的比例电磁阀的具体型号为burket的PV34-60；通过上述技术方案，使得能够对第三水管内的水流量进行调节从而控制待冷却对象的温度。
同时，如附图7所示，上述流量控制模块包括彼此连接的数模转换芯片和第二运算放大器；这里的第二运算放大器的具体型号为OP227；数模转换芯片的信号输入端与处理器的信号输出端连接；数模转换芯片的信号输出端与第二运算放大器的信号输入端连接；第二运算放大器的信号输出端与驱动放大器的信号输入端通信连接。流量控制模块用于控制比例电磁阀的开度。
通过上述技术方案，可实现对各个待冷却对象的温度一致性进行控制，具体为：上述各待冷却对象均对应设置有温度传感器，且待冷却对象和冷却水套是一一对应的关系，且每个冷却水套中均对应设置有流量传感器、比例电磁阀和驱动放大器；即各个待冷却对象均由一个独立的控制链路进行控制，温度传感器将各待冷却对象的温度数据实时发送至处理器，处理器根据实时温度至和标准设定值进行比较，并根据比较结果发送相应的控制信号至各待冷却对象对应的驱动放大器，驱动放大器控制相应的比例电磁阀的开度以调节相应的第三水管的流量进而调节待冷却对象的温度，使各待冷却对象的温度值偏差均保持在不大于预设值(本实施例为±0.05℃)。
同时，本高精度分布式水冷温控装置还包括控制柜(未示出)、调压旋钮开关(未示出)、调温旋钮开关(未示出)和温度控制器(未示出)；上述显示器、控制计算机和温控水箱均设置于控制柜中，其中，温控水箱设置于控制柜的下部，温控计算机设置于控制柜的中部，显示器、调压旋钮开关和调温旋钮开关均设置于控制柜的上部，温度控制器设置于温控水箱的外部，且空压机和加热器均连接于温度控制器的信号输出端，温度控制器的信号输入端连接于处理器的信号输出端，调温旋钮开关的信号输出端连接于处理器的信号输入端；调压旋钮开关的信号输出端连接于处理器的信号输入端；通过上述技术方案，使得各部件的结构布置更加合理，同时，调压旋钮开关用于手动调节各冷却管120中的水流量，调温旋钮开关用于调节温控水箱中冷却水的温度。
此外，冷却套110的形状根据待冷却对象的不同有多种不同的形状，如附图2所示，本实施例中冷却套110呈圆管状；冷却管120均匀缠绕于冷却套110的外壁；冷却套110贴合套设于待冷却对象的外表面。这种冷却套110适合于待冷却对象为圆柱体的情况。
同时，如附图3所示，冷却套110呈碗状，冷却管120均匀缠绕于冷却套110的外壁；冷却套110贴合套设于待冷却对象的外表面。这种冷却套110适合于待冷却对象为碗状的情况。
同时，如附图4所示，冷却套110呈平板状；冷却管120呈蛇形均匀嵌设于冷却套110内部；冷却套110贴合于待冷却对象的外表面。这种冷却套是由互相平行且位于上下的两块冷却板组成，冷却管与两块冷却板均接触，且冷却管与冷却板之间的间隙填充有导热硅脂；这种冷却套110适合于待冷却对象的外壁为平面状的情况。
通过将冷却套110设置为多种不同的形状，可根据不同形状的待冷却对象，选择合适的冷却套110。同时，上述冷却套110铝制冷却套110，上述冷却管120为紫铜冷却管120，更利于换热。
此外，本发明还提出一种高精度分布式水冷温控方法，本方法应用于如上述所述高精度分布式水冷温控装置，如附图5所示，本方法包括如下步骤：
步骤S110：获取待冷却对象的预期温度值Tset。
步骤S120：获取温度传感器检测到实际温度值T。
步骤S130：计算得到温度偏差值ErrorT，其中：
ErrorT＝Tset-T。
步骤S140：根据温度偏差值，以带smith预估算法的PID控制算法计算得到控制信号值。
步骤S150：发送控制信号值至流量控制模块。
步骤S160：流量控制模块根据控制信号值控制比例电磁阀的开闭程度以调节第三水管的水流量。
步骤S170：重复上述步骤直至温度偏差值ErrorT不大于预设值。、具体的，这里的预设值优选为±0.05℃。
附图8为本方法的控制原理图，通过本方法可保证各待冷却对象温度的均匀性；具体的：处理器采用多线程运行，每一个线程监控一路待冷却对象的温度及冷却水的流量，通过温度误差来调节冷却水的流量。当待冷却对象的温度高于标准设定值(如30℃)时，增大流量；当待冷却对象的温度低于标准设定值时，降低流量；使各待冷却对象的温度值偏差不大于预设值(即±0.05℃)。
此外，上述smith预估算法的控制律为：
其中，d是纯滞后周期数，d＝τ/T，T是采用周期，T>0，τ是延迟时间，τ>0，D(z)是无滞后PI控制律，是预估模型，T(z)是输出温度，ErrorT(z)表示温度误差。
以某透镜系统的热响应参数为例，采样周期T＝2.5，延迟时间τ＝25获得d＝10。得到该透镜系统预估算法控制律如下：

Claims (6)

1.一种高精度分布式水冷温控装置，其特征在于，包括温控水箱、第一水管、第二水管、出水泵、分水集水箱和多个冷却组件；所述冷却组件包括第三水管、第四水管和冷却水套；
所述温控水箱内设置有空压机和加热器；所述第一水管连通于所述温控水箱和所述分水集水箱之间；所述第二水管连通于所述温控水箱和所述分水集水箱之间；所述第一水管和所述温控水箱之间还连通设置有出水泵；
所述冷却水套包括冷却管和冷却套；所述冷却管与所述冷却套贴合设置；所述冷却管开设有出水口和进水口；所述进水口通过所述第三水管连通于所述分水集水箱；所述出水口通过所述第四水管连通于所述分水集水箱；所述冷却套贴合于待冷却对象的外表面；
还包括控制计算机、显示器和设置于待冷却对象的温度传感器；所述控制计算机包括彼此通信连接处理器和RS232通讯接口；所述温度传感器的信号输出端与所述RS232通讯接口的信号输入端连接；所述RS232通讯接口信号的输出端和所述处理器的信号输入端连接；所述处理器的信号输出端和所述显示器的信号输入端连接；
还包括流量采集组件；所述流量采集组件包括流量传感器和流量采集模块；所述流量传感器设置于所述第三水管或所述第四水管；所述流量传感器的信号输出端与所述流量采集模块的信号输入端连接；所述流量采集模块的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接；
所述流量采集模块包括依次连接的射极跟随电路、后置滤波电路和模数转换芯片；所述射极跟随电路包括依次连接的前置滤波电路、限幅电路和第一运算放大器；所述流量传感器的信号输出端连接于所述射极跟随电路的信号输入端；所述射极跟随电路的信号输出端连接于所述后置滤波电路的信号输入端；所述后置滤波电路的信号输出端连接于所述模数转换芯片的CH0-CH7通道；所述模数转换芯片的信号输出端连接于所述处理器的信号输入端；
所述冷却套呈圆管状；所述冷却管均匀缠绕于所述冷却套的外壁；所述冷却套贴合套设于待冷却对象的外表面。
2.根据权利要求1所述的一种高精度分布式水冷温控装置，其特征在于，还包括流量控制组件；所述流量控制组件包括比例电磁阀、驱动放大器和流量控制模块；所述比例电磁阀连通设置于所述第三水管；所述驱动放大器的信号输出端连接于所述比例电磁阀；所述流量控制模块的信号输出端通信连接于所述驱动放大器的信号输入端。
3.根据权利要求2所述的一种高精度分布式水冷温控装置，其特征在于，所述流量控制模块包括彼此连接的数模转换芯片和第二运算放大器；所述数模转换芯片的信号输入端与所述处理器的信号输出端连接；所述数模转换芯片的信号输出端与所述第二运算放大器的信号输入端连接；所述第二运算放大器的信号输出端与所述驱动放大器的信号输入端通信连接。
4.根据权利要求1所述的一种高精度分布式水冷温控装置，其特征在于，所述冷却套呈平板状；所述冷却管呈蛇形均匀嵌设于所述冷却套内部；所述冷却套贴合于待冷却对象的外表面。
5.一种高精度分布式水冷温控方法，其特征在于，应用如权利要求3所述的高精度分布式水冷温控装置，所述方法包括：
获取待冷却对象的预期温度值；
获取所述温度传感器检测到实际温度值；
计算得到温度偏差值，其中：
；
根据所述温度偏差值，以带smith预估算法的PID控制算法计算得到控制信号值；
发送所述控制信号值至所述流量控制模块；
所述流量控制模块根据所述控制信号值控制所述比例电磁阀的开闭程度以调节所述第三水管的水流量；
重复上述步骤直至所述温度偏差值不大于预设值。
6.根据权利要求5所述的一种高精度分布式水冷温控方法，其特征在于，所述smith预估算法的控制律为：
，
其中，是纯滞后周期数，/>是采用周期，/>是延迟时间，是无滞后PI控制律，/>是预估模型，/>是输出温度，表示温度误差。
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