CN116623158A - 一种等离子体化学气相沉积炉快速控压系统及快速控压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体化学气相沉积炉快速控压系统，包括一PID控制器、分别与该PID控制器电连接的一压力传感器和一驱动电机、以及一分别与该压力传感器和驱动电机电连接的控压控制器。本发明控压系统在控压开始时先将碟阀阀门关闭并输入工艺气体，所述压力传感器每50毫秒检测一次炉内实时压力，当炉内的实时压力与目标压力的误差范围在50毫托时，所述控压控制器根据预设的目标压力查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值并驱动电机到最贴近的阀门开度，再通过PID控制器细调实时压力至目标压力，省去大量重复的控压操作，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体化学气相沉积炉，特别是涉及一种等离子体化学气相沉积炉快速控压系统及快速控压方法。
背景技术
太阳能以来源丰富、无污染和自由采取这些独有的优势成为人类对可再生能源进行利用的共识。目前，太阳能光伏发电已得到各国政府重视，并已把太阳能光伏发电列为21世纪重要电力来源。
太阳能电池生产过程中，在制绒、扩散、刻蚀步骤后，需要利用等离子体化学气相沉积方法在硅片的表面制备减反射膜(亦称等离子体增强化学气相沉积薄膜)，减反射膜的主要作用是减少光反射，以提高太阳能电池的发电效率，因此减反射膜的制备在太阳能电池生产过程中尤为重要。
制备减反射膜用到的设备是等离子体化学气相沉积炉，请参阅图1，现有的等离子体化学气相沉积炉10包括一沉积腔体11、进气管12、碟阀13、排气管14、离子源15、靶材16和工件17。所述进气管13设置在所述沉积腔体11的一侧壁上并贯穿该侧壁，所述碟阀13设置于所述进气管12上用以控制所述沉积腔体11内部的压力，所述离子源15与所述进气管12相连用以将输入的工艺气体转换成等离子体，所述排气管14用以连接一真空泵将炉内废气抽出，所述靶材16设置于所述沉积腔体11内并处于所述等离子体移动路径有一定夹角，所述工件17设置于所述沉积腔体11内并处于所述等离子体经所述靶材16反射后的路径上。
制备不同参数的减反射膜需要调节所述等离子体化学气相沉积炉的炉内压力至不同的目标压力，但现有技术所采用的PID调节方法需要从0开始调节炉内实时压力至目标压力，并且PID调节方法需要先比较实时压力与目标压力之间的偏差值，再调整炉内实时压力，经过反复多次的“比较-调整”直至达到目标压力。因而需要较长的时间才能将炉内压力调节到目标压力，不利于不同参数减反射膜的生产。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种等离子体化学沉积炉快速控压系统。
本发明快速控压系统的详细技术方案如下：
一种等离子体化学气相沉积炉快速控压系统，包括一PID控制器、分别与该PID控制器电连接的一压力传感器和一驱动电机；所述压力传感器检测沉积炉内部的气压，所述驱动电机控制沉积炉碟阀的阀门开度程度；还包括一分别与该压力传感器和驱动电机电连接的控压控制器，所述控压控制器在炉内实时压力快速升压到接近预设的目标压力时，根据预设的目标压力查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值，控制所述驱动电机调节沉积炉碟阀至所述最贴近的阀门开度值，当所述压力传感器检测到炉内压力达到最贴近的阀门开度值对应的炉内压力时，控压控制器切换至所述PID控制器进行微调。
与现有技术相比，本发明的快速控压系统能省去大量重复的控压操作，有效提高生产效率并满足不同的生产需求。
进一步地，所述炉内压力和阀门开度关系表通过以下方法建立：
将所述碟阀的阀门开度预先均分为若干等值递增的阀门开度值，通过所述控压控制器根据预设的阀门开度值调节碟阀的阀门开度，并通过所述压力传感器检测沉积炉内与该预设的阀门开度值对应的实时压力，从而获得该炉内压力和阀门开度关系表。
进一步地，炉内的实时压力与目标压力的误差范围在50毫托时，所述控压控制器根据预设的目标压力，依次按照10毫托、50毫托、100毫托、250毫托、500毫托、750毫托、1000毫托的误差范围查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值。
进一步地，所述PID控制器计算目标压力与实时压力的偏差值并根据该偏差值在预设的PID参数中选择合适的PID参数，并启动PID控制。
进一步地，所述PID参数包括比例放大系数Kp，积分系数Ki和微分系数Kd，所述PID参数根据实际经验参数或者炉内压力的动态特性进行调整；所述PID控制为积分分离PID控制、比例积分控制、微分先行PID控制或带死区的PID控制。
进一步地，所述比例控制，在PID控制器刚启动时启用；所述带死区的PID控制，在所述偏差值趋近于0时启用；所述积分分离PID控制，在所述偏差值大于预设的阈值时启用；所述微分先行PID控制，在需要调整目标压力的预设值时启用。
本发明还提供一种等离子体化学沉积炉的快速控压方法，包括步骤：
当炉内实时压力快速升压到接近预设的目标压力时，根据预设的目标压力查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值，调节沉积炉碟阀至所述最贴近的阀门开度值；实时检测炉内压力，当炉内压力达到最贴近的阀门开度值对应的炉内压力时，由该等离子体化学沉积炉的PID控制器进行微调。
进一步地，所述炉内压力和阀门开度关系表通过以下方法建立：将所述碟阀的阀门开度预先均分为若干等值递增的阀门开度值，根据预设的阀门开度值调节碟阀的阀门开度，实时检测炉内与该预设的阀门开度值对应的实时压力，从而获得该炉内压力和阀门开度关系表。
进一步地，炉内的实时压力与目标压力的误差范围在50毫托时，根据预设的目标压力，依次按照10毫托、50毫托、100毫托、250毫托、500毫托、750毫托、1000毫托的误差范围查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为现有技术等离子体化学气相沉积炉结构示意图；
图2为本发明等离子体化学气相沉积炉快速控压系统结构示意图；
图3为本发明快速控压方法步骤流程图。
具体实施方式
请参阅图2，本发明等离子体化学气相沉积炉快速控压系统200包括设置于等离子体化学气相沉积炉10上的一PID控制器210、分别与该PID控制器210电连接的一压力传感器220和一驱动电机230以及一分别与该压力传感器220和驱动电机230电连接的控压控制器240。所述压力传感器220设置在沉积炉内腔以检测沉积炉内部的气压，所述驱动电机230与沉积炉碟阀电连接以控制沉积炉碟阀的阀门开度程度。
如图3所示，为了快速准确的升压，本方案将升压的过程划分为两个阶段。
第一升压阶段：将沉积炉抽成真空，然后将碟阀关闭并输入工艺气体，所述压力传感器220每50毫秒检测一次炉内实时压力，当炉内的实时压力与目标压力的误差范围在50毫托时，所述控压控制器240根据预设的目标压力查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值，控制所述驱动电机230调节沉积炉碟阀至所述最贴近的阀门开度值。
其中，所述炉内压力和阀门开度关系表通过以下方法建立：
将所述碟阀的阀门开度预先均分为若干等值递增的阀门开度值，所述控压控制器240根据预设的阀门开度值调节碟阀的阀门开度，并通过所述压力传感器220检测沉积炉内与该预设的阀门开度值对应的实时压力，从而获得该炉内压力和阀门开度关系表。
在本实施例中，所述控压控制器240将碟阀的阀门开度均分为50等份，所述驱动电机230为步进电机，所述步进电机230驱动碟阀的阀门开度全程为32000个脉冲，所述控压控制器240调节的一等份阀门开度为640个脉冲。
所述控压控制器根据预设的目标压力，依次按照10毫托、50毫托、100毫托、250毫托、500毫托、750毫托、1000毫托的误差范围查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值。
第二调压阶段：当所述压力传感器220检测到炉内压力达到最贴近的阀门开度值对应的炉内压力时，所述控压控制器240切换至所述PID控制器210进行微调。
所述PID控制器210计算目标压力与由压力传感器220检测的当前实时压力的偏差值，并根据该偏差值在预设的PID参数中选择合适的PID参数。
所述PID参数包括比例放大系数Kp，积分系数Ki和微分系数Kd，所述PID参数预先根据实际经验参数或者炉内压力的动态特性进行设定；所述PID控制器通过比例控制、积分分离PID控制、比例积分控制、微分先行PID控制或带死区的PID控制方式对沉积炉内压力进行微调。
假设在第k(k为正整数)个采样时刻，预设的目标压力值为r(k)，而压力传感器220在炉内采集到的实时压力值为y(k)，该实时压力值y(k)被反馈到所述PID控制器后，所述PID控制器计算出该第k个时刻沉积炉的压力偏差e(k)：
e(k)＝r(k)-y(k)；
PID控制器根据计算得到的压力偏差e(k)值，在预先设定好的PID参数中选择合适的PID参数Kp、Ki和Kd。
同时，PID控制器根据e(k)值的范围，合理选择启动积分分离PID控制(PD控制)、比例积分控制(PI控制)、微分先行PID控制或带死区的PID控制方式：
(1)当压力偏差e(k)值较大时，采用PD控制，即暂时取消积分作用，以避免过大的超调，又可以使快速控压系统有较快的反应；
(2)当压力偏差e(k)值较小时，采用PI控制，即暂时取消微分作用，以保证快速控压系统的控制精度；
(3)当压力偏差e(k)→0时，采用带死区的PID控制，即当偏差值小于死区值时，将偏差值视为0，停止调节压力，以避免快速控压系统频繁动作而引入震动，此时，沉积炉内部的实时压力进入动态稳定工作状态；
所述死区值的选择根据炉内压力的动态特性进行设定。
(4)当需要调整目标控压压力值r(k)时，采用微分先行PID控制，即只对实际压力值y(k)进行微分控制，以避免目标控压压力值升降时引起的系统震荡，改善系统的动态特性。
相对于现有技术，本发明的等离子体化学气相沉积炉快速控压系统及快速控压方法，无需从零开始调节炉内压力，而是快速将沉积炉的炉内实时压力快速提高到目标压力附近，并通过炉内压力与阀门开度关系表以及PID控制器进一步精准控制炉内实时压力到目标压力，省去了大量调压控压操作时间，极大地提高了控压效率，有益于等离子体化学气相沉积炉设备快速投产减反射膜产品。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (9)
1.一种等离子体化学气相沉积炉快速控压系统，包括一PID控制器、分别与该PID控制器电连接的一压力传感器和一驱动电机；所述压力传感器检测沉积炉内部的气压，所述驱动电机控制沉积炉碟阀的阀门开度程度；其特征在于：
还包括一分别与该压力传感器和驱动电机电连接的控压控制器，所述控压控制器在炉内实时压力快速升压到接近预设的目标压力时，根据预设的目标压力查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值，控制所述驱动电机调节沉积炉碟阀至所述最贴近的阀门开度值，当所述压力传感器检测到炉内压力达到最贴近的阀门开度值对应的炉内压力时，所述控压控制器切换至所述PID控制器进行微调。
2.根据权利要求1所述的等离子体化学气相沉积炉快速控压系统，其特征在于：所述炉内压力和阀门开度关系表通过以下方法建立：将所述碟阀的阀门开度预先均分为若干等值递增的阀门开度值，通过所述控压控制器根据预设的阀门开度值调节碟阀的阀门开度，并通过所述压力传感器检测沉积炉内与该预设的阀门开度值对应的实时压力，从而获得该炉内压力和阀门开度关系表。
3.根据权利要求2所述的等离子体化学气相沉积炉快速控压系统，其特征在于：所述炉内实时压力快速升压到与目标压力的误差范围在50毫托时，所述控压控制器根据预设的目标压力，依次按照10毫托、50毫托、100毫托、250毫托、500毫托、750毫托、1000毫托的误差范围查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值。
4.根据权利要求1所述的等离子体化学气相沉积炉快速控压系统，其特征在于：所述PID控制器计算目标压力与实时压力的偏差值并根据该偏差值在预设的PID参数中选择合适的PID参数，并启动PID控制。
5.根据权利要求4所述的等离子体化学气相沉积炉快速控压系统，其特征在于：所述PID参数包括比例放大系数Kp，积分系数Ki和微分系数Kd，所述PID参数预先根据实际经验参数或者炉内压力的动态特性进行设定；所述PID控制为积分分离PID控制、比例积分控制、微分先行PID控制或带死区的PID控制。
6.根据权利要求5所述的等离子体化学气相沉积炉快速控压系统，其特征在于：所述带死区的PID控制，在所述偏差值趋近于0时启用；所述积分分离PID控制，在所述偏差值大于预设的阈值时启用；所述微分先行PID控制，在需要调整目标压力的预设值时启用。
7.一种等离子体化学沉积炉的快速控压方法，其特征在于，包括步骤：
当炉内实时压力快速升压到接近预设的目标压力时，根据预设的目标压力查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值，调节沉积炉碟阀至所述最贴近的阀门开度值；实时检测炉内压力，当炉内压力达到最贴近的阀门开度值对应的炉内压力时，由该等离子体化学沉积炉的PID控制器进行微调。
8.根据权利要求7所述的快速控压方法，其特征在于，所述炉内压力和阀门开度关系表通过以下方法建立：将所述碟阀的阀门开度预先均分为若干等值递增的阀门开度值，根据预设的阀门开度值调节碟阀的阀门开度，实时检测炉内与该预设的阀门开度值对应的实时压力，从而获得该炉内压力和阀门开度关系表。
9.根据权利要求8所述的快速控压方法，其特征在于：所述炉内实时压力与目标压力的误差范围在50毫托时，根据预设的目标压力，依次按照10毫托、50毫托、100毫托、250毫托、500毫托、750毫托、1000毫托的误差范围查找一炉内压力和阀门开度关系表中对应的最贴近的阀门开度值。
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