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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Temperatursteuerung in Systemen, worin ein Gerät während eines
Tests (DUT, device under test) mittels einer thermischen Behandlungsvorrichtung,
die Wärme
der Vorrichtung durch Konvektion, Leitung oder Strahlung zuführt oder
ableitet, thermisch behandelt (auf einen thermischen Zustand aufgeheizt
oder abgekühlt)
wird. Insbesondere offenbart diese Erfindung ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum dynamischen Bestimmen eines optimalen Temperaturprofils
für die
Behandlungsvorrichtung, so dass das DUT so schnell wie möglich behandelt
wird, ohne entweder die Behandlungsvorrichtung oder das DUT unakzeptablen
Temperaturen auszusetzen.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Die
Natur des Wärmetransfers
ist es, dass ein Unterschied in der Temperatur zwischen zwei Massen bestehen
muss, bevor Wärme
zwischen ihnen fließen
wird. Je größer der
Temperaturunterschied ist, desto größer wird der Wärmefluss
sein. Dieses Phänomen
funktioniert gleichermaßen
für Massen,
die getrennt aber benachbart sind und für Massen, die benachbarte Teile
eines monolithischen Ganzen sind.
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Die
Transfergeschwindigkeit von Wärme
innerhalb einer Masse mit einem internen Temperaturunterschied wird
von dem Widerstand der Masse gegenüber dem Wärmefluss gesteuert, seiner
thermischen Leitfähigkeit.
Jede Substanz zeigt eine unterschiedliche und vorhersagbare thermische
Leiffähigkeit.
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Es
folgt, dass zum Ändern
der Temperatur des Massezentrums (des „Kerns") auf eine gewünschte Temperatur, die Außenfläche der
Masse (die „Haut") einer Temperatur über der
gewünschten
Kerntemperatur für
eine Zeitspanne ausgesetzt werden muss, die angemessen ist, um einen
ausreichenden Wärmetransfer
zu ermöglichen,
unter der Voraussetzung der thermischen Leitfähigkeit der Masse.
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Das
vorangegangene Konzept wird deutlich durch das Allerweltsbeispiel
des Bratens von Fleisch in einem herkömmlichen Ofen dargestellt.
Das Fleisch wird für
eine gegebene Zeitspanne, die durch sein Gewicht vorgegeben ist,
auf einer vergleichsweise hohen Ofen-Lufttemperatur gebraten, so
dass eine gewünschte
niedrigere Innen- oder „Kern"-Temperatur erreicht
wird. Der Temperaturunterschied bewirkt, dass Wärme zu dem Kern des Fleisches
fließt,
wodurch seine Temperatur erhöht
wird.
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Wie
vorher angegeben wurde, verbraucht der Wärmetransfer in oder aus dem
Kern einer Masse eine endliche Menge Zeit. Diese Zeit hat einen
Wert, so dass es einen Anreiz gibt, das thermische Ziel (z.B. Die gewünschte Kerntemperatur)
so schnell wie möglich
zu erreichen. Eine einfache Lösung
zum Beschleunigen des Wärmetransfers
ist es, den Temperaturunterschied zwischen der Haut des Objekts
und seinem Kern zu erhöhen.
Der größere Unterschied
wird zu einem schnelleren Wärmetransfer
führen.
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Jedoch
ist zu verstehen, dass viele zu erwärmende oder zu kühlende Objekte
praktische thermische Grenzen haben, die respektiert werden müssen, wenn
das Objekt durch den Erwärmungs-
oder Kühlprozess nicht
beschädigt
oder zerstört
werden soll. Die bekanntesten Grenzen, die beachtet werden müssen, sind
die Maximal- und Minimaltemperaturen, die die Haut der Masse ertragen
kann, und der maximale Haut-Kern-Temperaturunterschied (thermischer
Spannung), der ertragen werden kann.
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Daher
gibt es eine Grenze bei der Wärmemenge,
die zu der Haut eines DUT während
des Erwärmungs-
oder Kühlprozesses
hinzugefügt
oder davon entfernt werden kann, ohne die thermischen Grenzen des Objekts
zu überschreiten.
Das Steuern der Hauttemperatur eines DUT bis zu dieser Grenze wird
die maximale Geschwindigkeit von Wärmetransfer zu/von dem Objektkern
ermöglichen,
während
die Grenzen der Objekthaut noch berücksichtigt werden. Falls es
auch eine Grenze des thermischen Unterschieds gibt, dann kann die Hauttemperatur
weiter eingeschränkt
sein, so dass sie innerhalb dieser Grenze bleibt.
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Ein
anderer Faktor, der berücksichtigt
werden muss, ist die so genannte „Latenz" des Erwärmungs- oder Kühlprozesses.
Wie weiter unten ausführlicher
diskutiert wird, wird der Kern die gewünschte Temperatur haben, aber
die Haut wird eine extremere Temperatur haben, während die Masse zwischen den
zwei Bereichen einen Temperaturgradienten aufweist, falls die Haut
eines DUTs bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Kern die gewünschte Temperatur
erreicht, einer extremeren Temperatur ausgesetzt wird, als jene,
die in dem Objektkern benötigt
wird. Falls keine weitere Wärme
hinzugefügt
oder abgeleitet wird, wird die Gesamtmasse mit der Zeit die Temperatur
ausgleichen. Die ausgeglichene Temperatur wird extremer sein als
die gewünschte
Kerntemperatur.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf das Beispiel des Bratens von Fleisch, kann
der Ofen ausgeschaltet werden, wenn die Kerntemperatur einen Wert
erreicht hat, der etwas kleiner ist als der gewünschte Wert, falls eine gegebene
Innen- oder Kerntemperatur gewünscht
wird, und das Fleisch bei einer höheren Temperatur als der gewünschten
Kerntemperatur gebraten wird. Nachdem der Ofen ausgeschaltet ist,
wird die Kerntemperatur auf den gewünschten Wert steigen, während der
Hautbereich den letzten Temperaturüberschuss in dem thermischen
Ausgleichsprozess auf den Kern transferiert. Es sollte angefügt werden,
dass jedoch während dieser
Ansatz beim Braten von Fleisch nützlich
sein kann, wo die möglichen
Toleranzen vergleichsweise hoch sind, er in den meisten thermischen
Behandlungsanwendungen mit begrenzteren möglichen Toleranzen, und wo
es allgemein eine kleine experimentelle Basis für die Anwendung dieser Technik
gibt, nicht nützlich
ist.
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Zum Ändern der
Kerntemperatur eines DUT, der einer Behandlung ausgesetzt ist, wird
die Haut des Objekts typischerweise einer leitfähigen oder konvektiven gesteuerten
Temperaturmasse ausgesetzt, die Wärme zu der Haut transferiert,
oder davon ableitet. Es ist die Temperatur dieser externen Masse,
die gesteuert werden muss, so dass der gewünschte Warmtransfer zu/von
dem Objektkern erreicht wird. Aufgrund der thermischen Leitfähigkeit
und Masse des Objekts gibt es oft eine beträchtliche thermische Latenz
in dem Transferprozess. Ein verlässlicher
Weg zum Erreichen der gewünschten
Kerntemperatur ohne „Überschiessen" ist das Steuern
der thermischen Umgebung der Haut, so dass, wenn der Objektkern
die gewünschte
Temperatur erreicht, die Objekt-Hauttemperatur gezwungen wird, die
gleiche Temperatur zu erreichen. Wenn die gewünschte Temperatur erreicht
ist, geht der Temperaturunterschied zwischen dem Kernbereich und
dem Hautbereich gegen Null und der Wärmetransfer hört im Wesentlichen
auf. Siehe 1, die die Antwort eines beispielhaften
herkömmlichen
thermischen Behandlungssystems zeigt.
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Das
typische herkömmliche
Verfahren, das zum Erreichen dieses Typs von konvergenter Steuerung verwendet
wird, ist, die Temperatur der thermischen Umgebung zu messen, die
auf die Objekthaut einwirkt, und auch die Temperatur des DUT-Kerns
zu messen. Wenn bestimmt wird, ob Wärme zur thermischen Umgebung
hinzugefügt
oder davon entfernt werden soll, ist es der Durchschnitt der beiden
Temperaturen, der mit dem Temperaturziel verglichen wird, um das
zu bestimmen. Folglich wird die Umgebung um die Menge thermisch übersteuert,
mit der sich der DUT-Kern von der gewünschten Temperatur unterscheidet.
Wenn sich der DUT-Kern der gewünschten
Temperatur annähert,
macht es der Durchschnitt der beiden Temperaturen notwendig, dass
sich die DUT-Umgebung der gewünschten
Kerntemperatur mit der gleichen Geschwindigkeit annähert.
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Das
oben beschriebene Temperatur-Durchschnittsverfahren hat den wesentlichen
Nachteil, dass es kein Verfahren hat, die thermischen Beschränkungen
der Vorrichtung, in der die thermische Umgebung erzeugt wird, zu
berücksichtigen,
noch respektiert es die thermischen Grenzen des zu behandelnden
DUTs. Es ist für
das Durchschnittsverfahren durchaus möglich, eine zusätzliche
Erwärmung/Abkühlung anzufordern, wenn
entweder die Haut der behandelten Vorrichtung oder die Behandlungsvorrichtung
selbst schon an oder über
seinen Grenzen sind. Ein wesentlicher Schaden an Eigentum und Risiken
für Bediener
ergeben sich aus der unbeschränkten
Verwendung solcher Durchschnittsverfahren.
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Daher
ist es erforderlich, um diese Art von Durchschnittsverfahren effektiv
zu verwenden, dass die Ausgabe von dem Steuersystem, die die Durchschnittstemperatur
verwendet um eine Aufheizung oder eine Kühlung anzufordern, beschränkt ist,
falls diese Ausgabe ein Hinzufügen
oder Entfernen von Wärme
in einer Weise anfordert, die bewirken würde, dass die Grenzen der thermischen
Behandlungsvorrichtung, oder des DUT, überschritten werden würden. Falls
das Temperatursteuersystem eine einfache "Ein/Aus"-Thermostat-Steuerung ist, wird eine
externe Beschränkung
der Steuersystemausgabe ausreichend sein. Falls jedoch das verwendete
Steuerverfahren ein fortschrittlicheres Verfahren ist, das um eine
geschlossene Rückkopplungsschleife
entwickelt ist, die es dem Steuersystem erlaubt, seine Steuerausgabe
basierend auf den Ergebnissen seines früheren Betriebs anzupassen oder
zu modifizieren, dann kann die externe Beschränkung der Steuerausgaben verhängnisvoll
sein.
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Fast
alle Präzisions-Temperatursteuersystem
schließen
ein Verfahren ein, das auf eine Weise eine Prozessergebnis-Rückkopplung
eines Regelkreises verwendet zum adaptiven Regeln der Temperatur
während
sie an die thermische Antwort der zu steuernden Umgebung/Vorrichtung
angepasst wird. Die Rückkopplungsschleife
und die zeitliche Analyse der Rückkopplungsdaten
sind die Essenz einer Regelkreis-Temperatur-Prozesssteuerung.
Es ist daher klar, dass jedes System, das solch ein Steuerverfahren
verwendet, wesentliche leiden würde,
falls seine Ausgabe extern beschränkt oder "abgeschnitten" (ge-clipped) werden würde, da das
externe Abschneiden der Ausgabe zu einer wesentlichen Änderung
an dem Ergebnis der Steuersystemausgabe führen würde. Um diese Art von Modifikation
des Ausgabesignals durch ein externes System auszuhalten, müssten genaue
Daten bezüglich
der Stärke
und des Zeitpunkt des Abschneidens in das Haupt-Steuersystem eingespeist
werden. Sogar wenn das gemacht werden würde, wäre das System, das mit diesen
zusätzlichen
Daten fertig werden würde,
bestenfalls umfangreich und schwerfällig. Demzufolge sind "Abschneide"-Steuersysteme ungeeignet
für Regelkreis-Thermosysteme, außer in sehr
eingeschränkten
Situationen.
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Das
US-Patent Nr. 4,816,647 für Payne,
ausgegeben am 28. März
1989, mit dem Titel "Power
control for appliance having a glass ceramic cooking surface" offenbart ein Leistungs-Steuersystem
für eine
Haushalt-Kochanwendung mit einer Glaskeramik-Kochoberfläche und wenigstens einer Heizungseinheit,
die unter der Kochoberfläche
angeordnet ist, die mit einer Mehrzahl von Nutzer-auswählbaren
Leistungseinstellungen betreibbar ist. Wenigstens eine der Leistungseinstellungen
weist zugeordnete vorgegebene Maximum- und Minimum-Bezugstemperaturen
auf, die ein Temperaturband definieren, das für den Dauer-Temperaturbereich
für die
Glaskeramik-Stützoberfläche, die
der Heizungseinheit benachbart ist, repräsentativ ist, wenn normale
Ladungen mit dieser Leistungseinstellung geheizt werden. Das Leistungssteuersystem
weist eine Anordnung zum Erfassen der Temperatur der Glaskeramik-Kochoberfläche auf,
die der Heizeinheit benachbart ist, und geeignet ist, die Heizeinheit
mit einem Leistungspegel zu betreiben, der ein anderer ist als der
Leistungspegel, der der Nutzer-ausgewählten Leistungseinstellung
entspricht, wenn die erfasste Glaskeramik-Stützoberfläche außerhalb des vorgegebenen Bezugs-Temperaturbands ist,
das der ausgewählten
Leistungseinstellung zugeordnet ist, um die Temperatur schneller
in das Band zu bringen, und dadurch zu bewirken, dass die Heizeinheit auf Änderungen
der Nutzer-ausgewählten
Leistungseinstellung schnell antwortet.
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Basierend
auf dem vorangegangenen, wird ein verbessertes Verfahren und eine
verbesserte Vorrichtung zum Steuern der Temperatur der thermischen
Behandlungsvorrichtung benötigt.
So ein verbessertes Verfahren und so eine Vorrichtung würden einen
beschleunigten Wärmetransfer,
indem die Temperatur der thermischen Umgebung über die gewünschte Kerntemperatur der behandelten
Vorrichtung angehoben wird, und einen Mechanismus zum Erreichen
einer thermischen Konvergenz der Umgebung und der Kerntemperatur
der behandelten Vorrichtung, um ein "Überschiessen" zu vermeiden, schaffen.
Diese Ziele werden idealerweise erreicht, ohne die verschiedenen
thermischen Grenzen zu übersteigen,
die von der Behandlungsvorrichtung oder der behandelten Vorrichtung
vorgegeben sind; und würden
die Regelungs-Rückkopplungsschleife
des Temperatursteuersystems nicht stören.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung erfüllt
die oben genannten Bedürfnisse,
indem ein Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Objekts, das
im unabhängigen
Patentanspruch 1 definiert ist, ein Speichermedium, das ein Computerprogramm
enthält,
wie im unabhängigen
Patentanspruch 8 definiert ist, und eine Vorrichtung zur Verwendung
mit einem Temperatursteuersystem, das in Patentanspruch 15 definiert
ist, bereitgestellt wird. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den
abhängigen
Patentansprüchen
definiert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Graphik, die die zyklische Temperaturantwort eines typischen
herkömmlichen
thermischen Behandlungssystems (und zu behandelndem DUT) als Funktion
der Zeit darstellt.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines DUT, die innerhalb einer thermischen
Behandlungskammer (Ofen) angeordnet ist.
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3 ist
ein Logik-Flussdiagramm, das die Prozessschritte darstellt, die
einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
des Verfahrens der Erfindung zugeordnet sind.
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3a-3d sind
Logik-Flussdiagramme, die die individuellen Prozessschritte des
Verfahrens auf 3 darstellen.
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4 ist
eine Graphik, die die zyklische Temperaturantwort eines Temperatursteuersystems
darstellt, das das Verfahren der Erfindung verglichen mit dem in 1b dargestellten
herkömmlichen
System anwendet.
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5a und 5b sind
Graphiken der Temperatur einer thermischen Plattform und der entsprechenden
Antwort eines beispielhaften DUT, wenn es unter Verwendung veränderbarer
Temperaturunterschiedsgrenzen während
eines Ansteigenlassen bzw. Abfallenlassen behandelt wird.
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6 ist
eine perspektivische Ansicht eines Mikrocomputersystems mit einem
Computeralgorithmus, der das Verfahren aus 3 einschließt.
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7 ist
ein funktionales Blockdiagramm eines beispielhaften thermischen
Behandlungssystems, das den Mikrocomputer und den Algorithmus aus 6 einschließt.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Es
wird jetzt auf die Zeichnungen Bezug genommen, worin gleiche Bezugszeichen
durchgehend gleiche Teile bezeichnen.
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2 stellt
ein beispielhaftes thermisches Behandlungssystem 100 dar,
wie es in Verbindung mit der hierin offenbarten Erfindung verwendet
wird. Ferner ist in 2 ein so genanntes "Gerät während Test" (device under test,
DUT) 101 gezeigt, das von dem System 100 thermisch
getestet oder behandelt wird, und das im Allgemeinen einen Außen- oder "Haut"-Bereich 103 und
einen Innen- oder "Kern"-Bereich (nicht gezeigt)
aufweist. Zum Zwecke dieser Offenbarung wird die Innentemperatur
des DUT 101 als "Kern"-Temperatur bezeichnet
und die Außenflächentemperatur
des DUT 101 wird als "Haut"-Temperatur bezeichnet.
Es ist anzumerken, dass der Begriff "Kern" nicht
nahelegt, dass das Innere des DUT notwendigerweise durch ein benötigtes einziges
Kernmaterial definiert ist, das von der umgebenden Material verschieden
ist, obwohl solch eine Unterscheidung nichtsdestotrotz in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist. In ähnlicher
Weise legt der Begriff "Haut" nicht nahe, dass
der Außenbereich
oder die Oberfläche
des DUT notwendigerweise durch ein benötigtes einziges Material definiert
ist, dass von der davon eingeschlossenen Substanz verschieden ist.
Stattdessen definieren diese Begriffe nur die relative thermische
Positionen auf oder innerhalb des DUT.
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Für konvektive
Umgebungen, wie diejenigen, die innerhalb des thermischen Behandlungsofens
aus 2 existieren, ist die Haut 103 der Abschnitt
des Außenbereichs
des DUT, der dem konvektiven Fluid ausgesetzt ist, das typischerweise
aber nicht notwendigerweise Luft ist.
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Für leitfähige Umgebungen,
wie zum Beispiel eine thermische Plattform, ist die Haut 103 der
Abschnitt des Außenbereichs
des DUT, der mit der Oberfläche
der thermisch leitfähigen
Masse in Kontakt ist, durch die Wärme zu/von dem DUT transferiert
wird.
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Für strahlende
Umgebungen, ist die Haut der Abschnitt des Außenbereichs des DUT, der der
Strahlungsquelle ausgesetzt ist, die die Quelle für Wärmetransfer
ist.
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Es
sei angemerkt, dass, während
die folgende Diskussion konvektive Temperaturkammern und Kammer-Lufttemperaturen
betrifft, es verständlich
ist, dass die gleichen Prinzipien allgemein auf thermische Plattformen
(und die Plattformtemperatur) sowie strahlende Wärmequellen, Luftzuführsysteme
und ähnliche
Vorrichtungen anwendbar sind. Auf ähnliche Weise wird die folgende
Diskussion den Prozess des Heizens einer DUT beschreiben, aber die
Konzepte sind gleichermaßen
und gleichzeitig auf das Kühlen
einer DUT anwendbar.
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Die
DUT 101 ist innerhalb einer thermischen Behandlungskammer
(Ofen) 102 eines für
das Testen und Behandeln bekannten Typs angeordnet. Haupt- und Neben-Temperatursonden 104, 106 sind
ebenfalls innerhalb der Kammer 102 zum jeweiligen Messen
einer Umgebungstemperatur bzw. einer DUT-Kerntemperatur installiert,
wie weiter unten beschrieben wird. Ein Temperatursteuersystem (TCS) 107 und
ein Mikrocomputer 500 sind ebenfalls funktionsfähig an der
Kammer 102 angeordnet, so dass eine Steuerung der Umgebung
innerhalb der Kammer über
die Kammerheiz- und Kühlelemente
(nicht gezeigt) bereitgestellt wird. Eine zusätzliche Diskussion des Mikrocomputers 500 und
der thermischen Behandlungssystem-Architektur wird nachstehend mit
Bezugnahme auf die 6 bzw. 7 präsentiert.
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Die
in 2 dargestellte DUT 101 ist ein integrierter
Schaltkreis, obwohl verständlich
ist, dass eine große
Vielfalt unterschiedlicher Vorrichtungstypen getestet und/oder behandelt
werden kann.
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Unter
Bezugnahme jetzt auf 3, ist ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
des Steuerverfahrens der Temperatur einer DUT gemäß der Erfindung
dargestellt. Insbesondere stellt 3 ein Verfahren
zum Bestimmen einer Umgebungstemperatur für eine DUT in einem thermischen
Test- oder Behandlungssystem dar, so dass die DUT eine spezifische
Innentemperatur erreichen oder eine spezifische Änderungsgeschwindigkeit (Hochfahr-Geschwindigkeit)
der Innentemperatur so schnell wie möglich erfahren wird, ohne die
verschiedenen Temperaturbeschränkungen,
die von dem Verwender angegeben sind, zu verletzen. Es sollte angemerkt werden,
dass dieses Verfahren kein Steuersystemverfahren ist wie jene, die
in herkömmlichen "PID-Regelkreisen" oder "Fuzzy-Logik"-Steuersystemen angewendet werden. Solche
Steuersysteme und ihre zugeordneten Algorithmen sind hauptsächlich mit
der Anwendung von Wärme-
und Kühlquellen
an eine Umgebung beschäftigt,
um eine gewünschte
Temperatur unter verschiedenen Bedingungen am Besten zu erreichen.
Jene Steuersysteme und Algorithmen sind zum Beispiel für das Ein-
und Ausschalten von Heizern und zum Einführen von Kühlmitteln, wie zum Beispiel
Kryo-Kühlmitteln,
in die Umgebung verantwortlich, so dass die gewünschte Umgebungstemperatur
erreicht wird.
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Stattdessen
sind das erfindungsgemäße Verfahren
und der erfindungsgemäße Algorithmus
zum Bereitstellen von Informationen an ein solches Steuersystem
entworfen, so dass der PID-Kreis oder die Fuzzy-Logik gesteuert
werden, was die Umgebungstemperatur sein soll. Da Wärmetransfer
nur auftritt, wenn es einen Temperaturunterschied zwischen zwei
Körper,
oder zwei Teilen desselben Körpers,
gibt, ist die optimale Umgebungstemperatur selten die gleiche wie
die erwünschte
DUT-Temperatur, insbesondere während
thermischer Übergänge des
DUT. Das Verfahren und der Algorithmus, die hierin beschrieben sind,
definieren ein Verfahren zum Bestimmen einer wirksamen, und sich
häufig ändernden,
Umgebungstemperatur zum Erreichen des erwünschten thermischen Ergebnisses
des DUT.
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In
diesem Kontext ist der Begriff "Sollwert" analog zu dem Begriff "Umgebungstemperatur". Der Sollwert ist
die Temperatur, die das Temperatursteuersystem (PID-Kreis, usw.)
innerhalb der thermischen Umgebung aufrechterhalten will. Es wird
auch angenommen, für
die Zwecke dieser Diskussion, dass das richtige Temperatursteuersystem
zur Verwendung mit der Erfindung ausgewählt wurde. Zum Beispiel kann
ein Sigma Systems Model C4-Temperatursteuersystem
zum Beeinflussen der Steuerung des DUT verwendet werden, obwohl
verständlich
ist, dass andere Arten und Konfigurationen von Temperatursteuersystemen
verwendet werden können.
Der Aufbau und der Betrieb solcher Temperatursteuersysteme ist in
dem Fachgebiet bekannt und wird folglich hierin nicht weiter diskutiert.
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Zur
Vereinfachung der Analyse wird jede Latenz, die dem ausgewählten Temperatursteuersystem beim
Erreichen des gewählten
Sollwerts zugeordnet ist, als Null angenommen (d.h. es wird angenommen, dass
der Sollwert, die Umgebungstemperatur, und folglich die DUT-Hauttemperatur
die gleiche sind). Es wird jedoch auch anerkannt, dass die Hauttemperatur
des DUT und die Umgebungstemperatur tatsächlich unterschiedlich sein
müssen,
damit ein Wärmetransfer
stattfindet. Dieser Unterschied ist nichts, das leicht verfolgt oder
berechnet wird. Folglich nimmt die folgende Diskussion an, dass
dieser Temperaturunterschied physikalisch existiert und ausreichend
stark ist, so dass der Wärmetransfer
von der Umgebung auf die Haut beeinflusst wird.
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Wie
vorher angegeben, ist das grundsätzliche
Konzept des erfindungsgemäßen Verfahrens
das Bereitstellen eines "Sollwerts", der sich häufig ändern kann,
an das Temperatursteuersystems, der wahrscheinlich von dem vom Nutzer
angegebenen (z.B. DUT-Kern) Sollwert verschieden ist, und dass:
1) die Geschwindigkeit der thermischen Test- oder Behandlungsroutine
maximieren wird; 2) die Grenzen des DUT bezüglich sowohl der absoluten
Hauttemperaturbeschränkung
und des thermischen Spannung (Haut/Kern-Unterschied) respektieren
wird; 3) die thermischen Beschränkungen
der verwendeten Test- oder Behandlungsausrüstung respektieren wird; und
4) die thermische Gleichförmigkeit
des DUT maximieren wird, wenn der Nutzer-spezifizierte Sollwert
in dem DUT-Kern erreicht wird. Wie hierin verwendet, wird der nutzer-spezifizierte
Sollwert als programmierter Sollwert oder "PSP" bezeichnet
und der erzeugte Sollwert, der von dem Algorithmus an das Temperatursteuersystem
bereitgestellt wird, wird als Steuer-Sollwert oder "CSP" bezeichnet.
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Wie
weiter unten beschrieben ist, werden das erfindungsgemäße Verfahren
und der erfindungsgemäße Algorithmus
periodisch bestimmen, dass der CSP geändert werden muss, so dass
die Ziele des Systems erreicht werden. Praktisch berechnet die Algorithmus-Erfindung
den CSP oft erneut und stellt das Ergebnis seiner Berechnungen als
neuen CSP an das TCS bereit. Während
eines guten Teils des thermischen Tests, insbesondere während Zeitspannen
eines thermischen Übergangs,
kann der konstant aufgefrischte CSP als besser als ein sich bewegender
Sollwert betrachtet werden.
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Zwei
Themen, die die Verwendung der Erfindung beim Bereitstellen eines
sich bewegenden CSP an das TCS betreffen, sind der Entwurf und der
Betrieb der Erfindung. Zuerst beruhen fast alle Temperatursteuersysteme
auf einer Reihe von Rückkopplungsdaten
von einem Regelkreis zum Bestimmen des Bedarfs an Aufheizung und
Abkühlung.
Die Systeme verwenden eine Art von Algorithmus zum Vergleichen der
Ergebnisse, mit der Zeit, der letzten Ausgabe(n) mit den Rückkopplungsdaten,
und verwenden diese Informationen für eine laufende berichtigende
Aktion und zum Vorwegnehmen zukünftiger
Erfordernisse, so dass diese Erfordernisse in der laufenden Ausgabe
geeignet eingeschlossen werden können.
Je stabiler die Steuerumgebung ist, desto erfolgreicher wird das
Temperatursteuersystem wahrscheinlich sein. Folglich ist es wünschenswert, dass
ein Algorithmus, der einen sich bewegenden CSP an das TCS bereitstellt,
es mit einer langsamen und konstanten Frequenz macht.
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Zweitens,
implementieren die meisten Temperatursteuersysteme eine Art von "proportional" oder "Einschwingband" (der "P"-Term eines PID-Systems zum Beispiel),
in dem das Steuersystem die Wärme-
oder Kühlmenge
in einer proportionalen oder proportional-ähnlichen Weise reduziert, wenn
sich dem gewünschten Sollwert
angenähert
wird. Die proportionale Reduktion wird weiter verändert von
dem System, wenn es versucht, die Effekte thermischer Verluste,
thermischer Latenz usw. zu kompensieren und die gesteuerte Umgebung
auf den gewünschten
Sollwert einschwingen zu lassen. Diese Systeme können sehr komplex in ihrer
Methodologie werden und oft ist eine beträchtliche Anstrengung zum Erzeugen
von Routinen nötig,
die nicht in inakzeptabler Weise oszillieren werden oder andere
Abweichungen zeigen, wenn sich dem Sollwert angenähert wird.
Es ist daher wichtig zu erkennen, dass jedes System, das den Sollwert
für eine
solche Steuerroutine bereitstellt, keine Faktoren beitragen darf,
die Oszillationen oder andere Probleme verursachen können, oder die,
unter bestimmten Umständen,
existierende Oszillationen verstärken
oder diese begünstigen.
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Die
Erfindung ist auf beide dieser Themen gerichtet durch (i) die proportionale
Reduktion des CSP/PSP-Unterschieds, wenn sich die DUT-Kerntemperatur
dem PSP annähert,
und (ii) das Auslöschen
der Bewegung des CSP nachdem der PSP erreicht wurde.
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Aus
Diskussionszwecken werden verschiedene zusätzliche Annahmen gemacht. Zuerst
wird angenommen, dass wenigstens zwei Temperatursensoren (z.B. Haupt- und Neben-Sonden 104, 106 aus 2) verfügbar sind.
Diese Sensoren können
von jedem Typ sein, der fähig
ist, Temperatur-bezogene Daten an das Steuergerät zurückzugeben, wie detaillierter
nachstehend mit Bezug auf 7 diskutiert
wird. Von der Hauptsonde wird angenommen, dass sie innerhalb des
Kammer-Luftstroms ist und eine Darstellung der Temperatur der Kammer-Innenumgebung
zurückgibt.
Die Hauptsonde ist die Sonde, die von dem TCS zum Steuern der Temperatur
der Ausrüstung
verwendet wird, die die thermische Umgebung für die DUT bereitstellt. Die
Nebensonde kann eine Sonde sein, oder eine Reihe von gemittelten
Sonden sein, die innerhalb des DUT angeordnet sind, innerhalb einer
Ersatz-Masse mit ähnlicher
thermischer Charakteristik, oder anderweitig mit repräsentativen
Temperaturdaten gespeist sein. Eine Ersatz-Masse wird oft verwendet,
da viele Arten von DUTs die Einführung
einer Sonde in ihren Kernbereich ohne einen Schaden an dem DUT nicht
erlauben. Folglich wird das Platzieren des wirklichen DUT in der
Test- oder Behandlungsumgebung zusammen mit einem thermischen "Klon", der die innere
Nebensonde aufweist, die beste verfügbare Annäherung an DUT-Kerntemperaturdaten sein.
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Zweitens
wird angenommen, dass der erfindungsgemäße Algorithmus eine Eingabe
von dem Verwender und/oder dem thermischen Behandlungssystem in
der Form der folgenden Informationen empfängt:
- 1.
DUT-Sollwert (z.B. erwünschte
Kerntemperatur)
- 2. Hoch- und Tief-Temperaturgrenzen des System-Temperatursteuergeräts (TCS)
- 3. Hoch- und Tief-Temperaturgrenzen der verwendeten Temperaturausrüstung (wie
zum Beispiel einer Kammer, Plattform, oder anderem)
- 4. Hoch- und Tief-Temperaturgrenzen des DUT
- 5. Maximal zulässiger
Temperaturunterschied (Spannung) in Grad in des DUT an ihrer Tief-Temperaturgrenze
- 6. Maximal zulässiger
Temperaturunterschied (Spannung) in Grad in des DUT an ihrer Hoch-Temperaturgrenze
- 7. Die Breite, in Grad, des Proportional- oder Einschwingbands
des Temperatursteuersystems
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Es
sei angemerkt, dass alle oben aufgezählten Informationen entweder
leicht berechenbar, von dem DUT-/TCS-Hersteller erhältlich,
oder aus einer Instrumentierung bestimmbar sind, die typischerweise
dem thermischen Behandlungssystem zugeordnet ist. Folglich werden
diese Informationen hierin nicht weiter diskutiert.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 3 weist das erfindungsgemäße Verfahren 300 im
Allgemeinen eine Reihe von Prozessschritten auf, wovon einige in
der Reihenfolge vertauscht, oder parallel oder in Reihe mit anderen
Schritten ausgeführt
werden können.
Ferner müssen,
unter bestimmten Umständen,
nicht alle Schritte ausgeführt
werden und alternative Schritte können viele der gezeigten Schritte
ersetzen. Zusätzlich können bestimmte
mathematische Berechnungen, die als Teil des Verfahrens 300 durchgeführt werden,
durch andere Berechnungen ersetzt werden, so dass das gleiche Ergebnis
erreicht wird. Zum Beispiel kann der Unterschied zwischen zwei Skalarwerten
erhalten werden, indem der zweite Wert von dem ersten subtrahiert wird,
oder alternativ der erste von dem zweiten subtrahiert wird und der
Absolutwert genommen wird oder das Vorzeichen des Ergebnis gewechselt
wird. Der in 3 erklärte Ansatz dient daher nur
der Erklärung
von nur einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
einfachen Worten wird von dem Verfahren 300 aus 3 der
CSP um eine Menge über
den PSP verschoben (zu einer höheren
Temperatur, falls wir das DUT heizen), die gleich dem Unterschied
zwischen dem PSP und der Nebensondentemperatur multipliziert mit
einem vorgewählten
ersten Setupparameter (F34) ist. Der CSP wird dann mit verschiedenen
Grenzen verglichen und weiter reduziert, falls er jene Grenzen übersteigt.
Insbesondere wird der CSP mit dem Systembetriebsbereich (definiert
durch die Gesamtsumme der Hoch- und Tieftemperaturbeschränkungen
des DUT, des TCS und der thermischen Behandlungsvorrichtung) verglichen.
Falls der CSP außerhalb
des Systembetriebsbereichs ist, dann wird der CSP ausreichend reduziert,
so dass er innerhalb dieser Grenzen ist.
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Auf ähnliche
Weise wird die zulässige
DUT-Spannung bestimmt, indem die Hoch- und Tief-DUT-Spannungsgrenzen
basierend auf einem Vergleich der Nebensondentemperatur mit dem
DUT-Bereich in Proportion gesetzt werden. Falls der CSP die Kombination
der Nebensondentemperatur plus der zulässigen DUT-Spannung übersteigt, dann wird der CSP
reduziert, so dass er gleich der Nebensondentemperatur plus der
zulässigen
DUT-Spannung bei dieser Temperatur ist. Dieser "finale" CSP-Wert wird dann an das Temperatursteuersystem
weitergegeben.
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Detaillierte Beschreibung
des Verfahrens und des zugeordneten Algorithmus
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Eine
detaillierte Beschreibung des Verfahrens 300 aus 3 wird
jetzt mit Bezugnahme auf die 3a bis 3d und
die hierin bereitgestellten Definitionen und Annahmen gegeben. Während die
folgende Diskussion in Verfahrensbegriffen gegossen ist, die innerhalb
des "Intelligent
2 Probe Control" (nachstehend "I2PC")-Computerprogramm-Ausführungsbeispiels
angewendet werden, ist es verständlich,
dass andere Algorithmen, Firmware, oder sogar Hardware-Ausführungsbeispiele
des offenbarten Verfahrens mit gleichem Erfolg angewendet werden
können.
Es wird auch angemerkt, dass, während
die Begriffe "Bestimmen" und "Berechnen" in der Beschreibung
des folgenden Verfahrens verwendet werden, diese Begriffe nicht
auf die spezifischen Prozesse beschränkt sind. Zum Beispiel wird
in Erwägung
gezogen, dass anstelle des Berechnens eines spezifischen Werts,
so ein Wert von dem DUT- oder
TCS-Hersteller bereitgestellt, oder anderweitig erhalten werden
kann, ohne dass es einer expliziten Rechnung bedarf.
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In
dem ersten Prozessschritt 302 (3a) wird
ein zulässiger
oder Systembetriebsbereich (SOR) für das Temperatursteuersystem
bestimmt. Dieser Prozessschritt 302 weist verschiedene
Teilschritte 304, 306 und 308, wie folgt,
auf. Im Teilschritt 304 wird ein unteres System-Gesamtbetriebslimit
(LAOL) als das höchste der
folgenden bestimmt: (a) das untere Limit des Systemtemperatursteuergeräts; (b)
das untere Limit der Temperaturvorrichtung; oder (c) das untere
Limit des DUT. Ähnlich
wird in Teilschritt 306 ein oberes System-Gesamtbetriebslimit
(UAOL) als das niedrigste der folgenden bestimmt: (a) das obere
Limit des Systemtemperatursteuergeräts; (b) das obere Limit der
Temperaturvorrichtung; oder (c) das obere Limit des DUT. Schließlich wird
in Teilschritt 308 der Systembetriebsbereich (SOR) als
Bereich zwischen und einschließlich
des LAOL und des UAOL definiert, die in den Teilschritten 304 und 306 bestimmt
wurden.
-
Beachte,
dass in dem Ausführungsbeispiel
ein gültiger
SOR als einer definiert ist, wo das LAOL eine tiefere Temperatur
als das UAOL ist. Falls diese Bedingung nicht erfüllt ist,
bricht der Algorithmus ab und ein geeigneter Fehlerkode wird erzeugt.
-
Als
Nächstes
wird in dem zweiten Prozessschritt 310 (3b)
der zulässige
oder DUT-Betriebsbereich (DOR) bestimmt, indem die zulässige DUT-Spannung
bei der gegenwärtigen
Nebensondentemperatur berechnet wird. In dem ersten Teilschritt 312 des
zweiten Prozessschritts 301 wird die zulässige untere DUT-Grenzspannung
von der zulässigen
oberen DUT-Grenzspannung subtrahiert, so dass der DUT-Spannungsbereich
bestimmt wird. Im Teilschritt 314 wird die untere DUT-Grenztemperatur von
der oberen DUT-Grenztemperatur subtrahiert, so dass der DUT-Bereich in Grad bestimmt
wird. Als Nächstes
wird die Nebensondentemperatur von der oberen DUT-Grenztemperatur
in Teilschritt 316 subtrahiert. Der Prozentanteil des DUT-Temperaturbereichs,
der von der Nebensondentemperatur repräsentiert wird, wird dann im
Teilschritt 318 berechnet, indem das Ergebnis des Teilschritts 316 durch
das Ergebnis des Teilschritts 314 dividiert wird. Die gegenwärtig zulässige DUT-Spannung (DCPS) wird
bei der gegenwärtigen
Nebensondentemperatur (z.B. der des DUT-Kerns) bestimmt, indem das
Ergebnis von Teilschritt 312 mit dem Ergebnis von Teilschritt 318 multipliziert
wird und dieses Produkt von der zulässigen Hoch-Grenzspannung für den DUT im Teilschritt 319 subtrahiert
wird.
-
Als
Nächstes
wird das obere DUT-Betriebslimit (DUOL) berechnet, indem die DCPS
zu der gegenwärtigen
Nebensondentemperatur (DUT-Kern) in Teilschritt 320 addiert
wird. Auf ähnliche
Weise wird das untere DUT-Betriebslimit (DLOL) bestimmt, indem die
DCPS von der gegenwärtigen
Nebensondentemperatur in Teilschritt 322 subtrahiert wird.
Schließlich
wird in Teilschritt 324 der DOR als der Temperaturbereich
zwischen und einschließlich
das DUOL und das DLOL definiert.
-
In
dem dritten Prozessschritt 326 (3c) werden
Systemparameter evaluiert, so dass bestimmt wird, ob der I2PC-Algorithmus
betrieben werden kann um einen gültigen
CSP zu erreichen. Es sollte angemerkt werden, dass in dem Ausführungsbeispiel
ein Abschnitt des DOR mit einem Abschnitt des SOR überlappen
muss, damit alle Limits (Grenzen) aller Vorrichtungen respektiert
werden. Falls die Kerntemperatur des DUT, plus oder minus der zulässigen Spannung
bei dieser Temperatur, einen Bereich definiert (z.B. den DOR), der
außerhalb
des Bereichs ist, der von dem SOR (z.B. den Grenzen des DUT, der
Vorrichtung, und des Temperatursteuersystems) definiert ist, dann
wird es nicht möglich
sein, einen Sollwert zu bestimmen, der innerhalb beider Bereiche
ist, und der folglich die Grenzen von sowohl der zulässigen DUT-Spannung
als auch jenen, die dem Rest des Temperatursteuersystems zugeordnet
sind, respektiert.
-
Wieder
unter Bezugnahme auf 3c werden jeweils das DUOL und
das DLOL mit dem UAOL bzw. LAOL in den Teilschritten 328a, 328b bzw.
den Teilschritten 329a, 329b des Prozessschrittes 326 verglichen. Falls
entweder: (i) das DUOL kleiner als das UAOL ist und größer als
das LAOL ist; oder (ii) das DLOL größer als das LAOL und kleiner
als das UAOL ist, dann kann ein gültiger CSP von dem Algorithmus
berechnet werden. Falls keine dieser Bedingungen erfüllt wird,
dann wird von dem Algorithmus ein Fehlerkode erzeugt. Es wird verstanden,
dass, während
ein paralleler Ansatz dieser Vergleiche in 3c dargestellt
ist, dieser durch andere Vergleichsverfahren und Logikbeziehungen
ersetzt werden kann.
-
Im
vierten Prozessschritt 330 des Verfahrens 300 (3d),
wird der Steuersollwert (CSP) berechnet. Anfänglich wird der Nebensondenwert
von dem PSP subtrahiert und der Absolutwert dieses Betrags wird
in Teilschritt 332 genommen. Im Teilschritt 334 wird
der oben genannte Absolutwert mit einem ersten Einstellfaktor (F34)
multipliziert. Siehe Anhang A. In Schritt 336 wird der
Wert eines zweiten Einstellfaktors (F35) zu dem Ergebnis addiert
oder davon subtrahiert, wie es geeignet ist. Der erste Einstellfaktor
wirkt als ein skalierender Faktor oder Multiplikator für den Proportional-Anteil des CSP, während der
zweite Faktor einen thermischen Übersteuerungswert
(in Grad) darstellt. In dem Ausführungsbeispiel
sind die ersten und zweiten Einstellparameter numerische Werte,
die vorgewählt
oder von dem Bediener eingegeben sind, obwohl es verstanden werden
kann, dass diese Parameter dynamisch während des Temperatur-Behandlungsprozesses
von anderen Algorithmus oder einer anderen Quelle bereitgestellt
werden können,
falls gewünscht.
Typische Wert für
den ersten Einstellfaktor F34 sind in dem Bereich von 0,0 bis 5,0
(Vorgabewert = 2). Typische Werte für den zweiten Einstellfaktor
sind -20,0 bis +20,0°C
(Vorgabe = 5,0°C)
oder -36,0 bis +36,0°F
(Vorgabe 9°F).
Die vorangegangenen Werte dienen nur der Illustration; andere Werte
können
gewählt
werden.
-
In
den Teilschritten 338 und 339, wird das Ergebnis
von Teilschritt 336 mit Null verglichen und falls größer als
Null, zu dem PSP addiert, so dass der so genannte "unbeschränkte" CSP bestimmt wird.
Als Nächstes wird
das Ergebnis von Teilschritt 339 mit dem UAOL und dem DUOL
im Teilschritt 340 verglichen. Der CSP wird als der kleinere
dieser drei Werte (z.B. unbeschränkter
CSP, UAOL und DUOL) angesetzt. Zuletzt wird das Ergebnis von Teilschritt 340 oben
mit dem LAOL und dem DLOL im Teilschritt 342 verglichen.
Der CSP wird dann als der größere dieser
drei Werte angesetzt. Das ist der "End"-CSP.
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In
dem End-Prozessschritt 344 des Verfahrens 300 aus 3,
wird der "End"-CSP an das Temperatursteuersystem
weitergegeben, um dadurch verwendet zu werden.
-
Es
wird ferner angemerkt, dass das Verfahren 300 (und der
zugeordnete Algorithmus), die hierin offenbart sind, einige Betriebsmerkmale
aufweisen, die Vorteile über
herkömmliche
Systeme und Verfahren bieten. Insbesondere wird von dem erfindungsgemäßen Algorithmus
(i) die Überschuss-Heizung/-Kühlung reduziert,
wenn sich der DUT-Kern dem PSP annähert; und (ii) eine Bewegung
des Sollwerts automatisch gestoppt und in eine normale PID-Regelung
eingetreten, wenn entweder der PSP erreicht ist (innerhalb der Toleranz des
Einschwingband-Temperaturtoleranzparameters
F31, der nachstehend beschrieben ist), oder wenn eine vorgegebene
Zeitspanne ohne einer signifikanten Änderung der DUT-Kerntemperatur abläuft. Diese
Merkmale werden mit zusätzlichen
Details nachstehend diskutiert.
-
Automatische
Reduktion der Überschuss-Heizung/-Kühlung – Da der
CSP den PSP um eine Menge übersteigt,
die dem Unterschied zwischen der Nebensonde und dem PSP entspricht,
wird die Menge, um die der CSP den PSP übersteigt, automatisch reduziert,
wenn sich die DUT-Kerntemperatur dem PSP annähert. Das Verwenden des CSP
zum Bewirken, dass die thermische Umgebung den PSP übersteigt,
führt zu
einem schnelleren thermischen Transfer zu/von dem DUT zu dem erhöhten Unterschied.
Vorausgesetzt, dass sich die DUT-Hauttemperatur der Umgebungstemperatur
annähert,
ist der DUT-Kern der Hauptempfänger
des erhöhten
Wärmetransfers.
-
Wenn
der DUT-Kern fortfährt,
die Temperatur aufgrund seines erhöhten Unterschieds zu steigern, fängt die
Nebensondentemperatur (DUT-Kern) an, sich dem PSP anzunähern. Wenn
das auftritt, wird der Unterschied zwischen dem PSP und der Nebensondentemperatur
kleiner und der CSP ist entsprechend reduziert. Das alles wird auftreten
mit einer kontinuierlichen Reduktion der CSP-Führung des PSP und folglich
der Umgebungstemperatur, so dass die DUT-Hauttemperatur reduziert
wird, wenn die Kerntemperatur steigt. Das Ergebnis ist, dass die
Haut- und Kerntemperaturen fast übereinstimmen,
wenn der Sollwert erreich wird. Der Einstellparameter F35 erlaubt
dem Bediener, die dem DUT inhärente
thermische Latenz, die der Wärmekapazität des/der
DUT-Materials/-Materialien entspricht, sowie die thermische Leitfähigkeit
des Materials zwischen dem DUT-Haut- und -Kernbereich, zu berücksichtigen.
-
Automatisches
Beenden der Sollwertbewegung – Die
oben beschriebenen Teilschritte 336 und 338 reduzieren
oder vergrößern den
Vorsprung des CSP über
den PSP um den zweiten Einstellparameter F35, so dass, wenn der
CSP/PSP-Unterschied gleich oder kleiner als die Stärke des
Einstellparameters ist, der PSP und der CSP den gleichen Wert haben.
Von dem Punkt im Temperaturübergang
an, wird sich das System als ein Ein-Sonden-System verhalten, dass
sich auf die Hauptsonde im Luftstrom der beispielhaft hierin beschriebenen
Kammer verlässt.
Wenn der PSP von der Nebensonde erreicht ist, plus oder minus dem
Wert des Einschwingbandparameters F31, wird der I2PC-Algorithums
zum Vorteil einer normalen PID-Regelung verlassen. Folglich, braucht
das Temperatursteuersystem, wenn es zusammen mit der Erfindung verwendet
wird, nicht einen sich bewegenden Sollwert vermitteln oder kompensieren,
während
versucht wird ihn auf den nutzerdefinierten Sollwert einzustellen,
während
er sich innerhalb des Einschwingbands befindet.
-
Zusätzlich wird
der I2PC-Algorithmus im dem Fall verlassen, dass der PSP (+/- F31)
von der Nebensonde nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne
(d.h. "Zeitablauf") erreicht wird.
Diese Bedingung wird angewendet, um zu verhindern, dass der Algorithmus
unbeschränkt
ausgeführt
wird in dem Fall, wo der PSP praktisch nicht erreicht werden kann,
wie zum Beispiel wenn die maximale Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung
innerhalb einer Testplattform nicht ausreichend hoch ist, um abgestrahlte
Wärme oder
andere Verluste von dem DUT auszugleichen, oder wo Kalbrationsfehler
innerhalb der Temperatursonden oder anderer Ausrüstung existieren. In einem
Ausführungsbeispiel
berechnet der I2PC-Algorithmus die Änderung der Nebensondentemperatur
mit der Zeit; falls sich die Nebensondentemperatur nicht um eine
vorgegebene Menge innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verändert, wird
der I2PC verlassen. Es wird angemerkt, dass andere "Zeitablauf"-Schematas verwendet
werden können,
wie zum Beispiel das Messen der Zeit vom Eintritt des letzten nutzerspezifizierten
Sollwerts an, oder der Zeit vom Erreichen eines bestimmten Prozentsatzes
der gewünschten
Sollwerttemperatur an. Ferner, während
die vorangegangene Zeitablauffunktion in die Firmware der erfindungsgemäßen Vorrichtung
hart verdrahtet ist, wird verstanden, dass andere Verfahren, wie
zum Beispiel Zeitablaufparameter, die von dem Nutzer über Software
eingegeben werden können,
verwendet werden können.
-
Der
vorangegangene Ansatz erlaubt eine sehr aggressive thermische Übersteuerung
des Systems (z.B. Umgebungstemperatur größer als die DUT-Kerntemperatur
und der PSP) zum Erreichen einer gewünschten Temperatur innerhalb
eines hoch-latenten DUT. Zum Erlauben einer stabilen PID-Regelung
jedoch, wenn einmal das DUT den PSP +/- F31 erreicht oder dadurch
gegangen ist, erlauben unterbrochene I2PC-Einstellungen, dass eine normale PID-Regelung
ohne dem Risiko von Störungen
durch den I2PC-Algorithmus weitermacht. Beachte, dass der I2PC-Algorithmus
mit jedem neuen Sollwert, der von dem Nutzer spezifiziert wird,
wieder aufgenommen wird. Wenn ein neuer Sollwert spezifiziert wird,
erkennt der erfindungsgemäße Algorithmus
(1) dass ein neuer Sollwert eingegeben wurde, und (2) der Rampen-Prozess benötigt wird
(d.h. ob die Rampe hochfahren oder runterfahren ist), so dass er
weiß,
in welcher Richtung der CSP eingestellt werden muss.
-
Es
sollte auch angemerkt werden, dass der erfindungsgemäße Ansatz
einen stabilen und vorhersehbaren Betrieb des Temperatursteuersystems
als Ganzem erlaubt. Insbesondere da der CSP von dem I2PC-Algorithmus
auf jeder "Schleife" des Rückkopplungsverarbeitung
innerhalb des TCS (oder mit einem anderen herkömmlichen Intervall, das von
dem Nutzer angegeben ist) berechnet wird, ergibt sich eine gewöhnliche Änderung
des CSP. Wie oben diskutiert, wird der Betrieb des TCS (und jeder
zugeordneten PID- oder Fuzzy-Logik-Vorrichtung) allgemein verbessert,
wenn Korrekturen in solch einer periodischen Weise angewendet werden.
-
4 stellt
die zyklische Temperaturantwort eines beispielhaften Temperatursteuersystems
dar, das das erfindungsgemäße Verfahren
anwendet, im Vergleich mit derjenigen herkömmlichen Systems, das in 1a dargestellt
ist. Wie in 4 dargestellt ist, erreicht
der erfindungsgemäße I2PC-Algorithmus
aufgrund der hauptsächlichen
Verwendung einer erfindungsgemäßen thermischen Übersteuerung
eine viel schnellere Änderung
der DUT-Kerntemperatur als das herkömmliche System. Beachte, dass
das herkömmliche
System thermische Übersteuerung
nicht verwendet, aber die Umgebungs (z.B. Kammer oder Plattform)-Temperatur hoch-
oder herunterfährt
auf den PSP, was zu einem viel kleineren Temperaturunterschied zwischen
der Umgebung und dem DUT-Kern führt,
und dadurch die Antwortzeit des Systems verlangsamt wird. In einem
zyklischen Testszenario, wo eine oder mehrere DUTs während vieler
thermischen Zyklen getestet oder behandelt werden müssen, sind
die Zeitersparnis und Wirtschaftlichkeit, die gemäß der Erfindung
geleistet werden, beträchtlich.
Zusätzlich,
wie vorher angemerkt, respektiert der erfindungsgemäße Algorithmus
die kritischen thermischen Unterschiedsgrenzen, die dem thermischen
Behandlungssystem, seinem Steuergerät und das DUT selbst zugeordnet
sind, während
dieses Ergebnis erreicht wird.
-
Anhang
A stellt ein Ausführungsbeispiel
des oben genannten erfindungsgemäßen Algorithmus
dar.
-
Beschreibung von veränderbaren
Unterschiedsgrenzen
-
Unter
Bezugnahme auf die 5a und 5b werden
ein verbessertes Verfahren und ein verbesserter Algorithmus zum
Steuern der Temperaturunterschiedsgrenzen eines Geräts während des
Tests (DUT) beschrieben. Wie in den 5a und 5b gezeigt
ist, ändert
sich die Unterschiedstemperatur, die zwischen der thermischen Umgebung
(in dem Beispiel eine thermische Kammer) und der DUT-Kerntemperatur
existiert, als Funktion der DUT-Kerntemperatur. Dieser Ansatz wird
basierend auf der physikalischen Eigenschaft vieler DUTs verwendet,
dass sich die maximale zulässige
Unterschiedstemperatur innerhalb des DUT als Funktion der Temperatur
der DUTs verändert.
Diese Eigenschaft ergibt sich großteils aus thermisch induzierten
Spannungen, die innerhalb der Materialien des DUT auftreten, die
die DUT beschädigen
oder beeinträchtigen
können,
falls die oben genannten Unterschiedstemperaturbeschränkungen überschritten
werden (d.h. thermischer "Schock"). Zum Beispiel bei
-17,78°C
(0°F) kann
ein gegebner DUT fähig
sein, eine Unterschiedstemperatur von ΔT1 °C (°F) ohne übermäßige thermische Spannung auszuhalten,
während
bei 37,78°C
(100°F), der
maximale zulässige
Unterschied ΔTu °C (°F) ist. In
dem beispielhaften Hochfahren in 5a, ist
der zulässige
Temperaturunterschied bei tiefen Temperaturen wesentlich größer als
der bei hohen Temperaturen, wodurch angezeigt wird, das das zu testende
DUT bei hohen Temperaturen in der Aufwärm-/Abkühlgeschwindigkeit stärker beschränkt ist.
In dem Ausführungsbeispiel
werden die zulässigen
unteren und oberen Temperaturunterschiede basierend auf den absoluten
unteren und oberen Temperaturgrenzen des DUT berechnet; das heißt, die
zulässigen
Temperaturunterschiede ΔT1
und ΔTu
bei den absoluten unteren und oberen Temperaturgrenzen für den DUT
(DOR aus Schritt 310 oben) werden als Endpunkt zum "Ummanteln" des gesamten Temperaturbereichs
verwendet. Dieser Ansatz wird als konservativ betrachtet bezüglich aller
zulässigen Temperaturunterschiede
zwischen den oberen und unteren absoluten Temperaturgrenzen. Während eine
lineare Extrapolation zwischen diesen Endpunkten in dem Ausführungsbeispiel
verwendet wird, wird verstanden, das andere funktionale Bezeigungen
(f(T) in Gl. 1 oben) genauso verwendet werden können. Beachte, dass im Gegensatz
zu Schritt 310 des oben beschriebenen Verfahrens, indem
die Absoluten Temperaturgrenzen des DUT (und folglich der DOR) bestimmt
werden, die Spezifikation variabler Unterschiedstemperaturgrenzen den
Unterschied zwischen dem DUT-Kern und der Behandlungsumgebungstemperatur
(z.B. Lufttemperatur in der Behandlungskammer) zu begrenzen oder
kontrollieren versuchen will. Die oben genannte Änderung des zulässigen Temperaturunterschieds
wird vorzugsweise erreicht unter Verwendung eines Algorithmus, der
die DUT-Kerntemperatur periodisch abtastet (durch eine Eingabe,
die von der Nebensonde empfangen wird) und den zulässigen Unterschied
für diese
Temperatur basieren auf der anfänglichen
Eingabe des Nutzers aus (i) unteren und oberen zulässigen Unterschiedstemperaturen ΔT1 und ΔTu und (ii)
der Funktion f(T) berechnet. Diese berechnete Grenze wird dann auf
das System über
den CSP aufgeprägt,
die eingestellt ist, um den Unterschied innerhalb der vorgeschriebenen
Grenzen aufrechtzuerhalten.
-
Beschreibung des Computersystems
und des thermischen Behandlungssystems
-
6 stellt
eine beispielhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Algorithmus
dar, wie er in einem Mikrocomputersystem 500 installiert
ist. Wie in 6 gezeigt ist, weist das Mikrocomputersystem 500 eine
Anzeige 502, eine Eingabevorrichtung 503, eine
nicht-flüchtige
Speichervorrichtung (z.B. ein Magnetplatten-Laufwerk) 504,
und einen Ausgabeanschluss 506 auf. Zusätzlich weist das System einen
zentralen Prozessor 509 und einen internen Speicher 510 auf
(siehe 7). Der oben genannte Temperatursteueralgorithmus
in der Form eines Computerprogramms (I2PC), der in Objektkode ausgeführt ist,
ist idealerweise auf dem Plattenlaufwerk 504 (oder einem
diskreten Speichermedium wie einer zugeordneten Floppy-Disk 520)
gespeichert, oder in den internen Speicher des Computersystems 500 geladen,
wo es von dem Prozessor und zugeordneten Geräten wie zum Beispiel einem
DMA-Modul zur Ausführung
aufgerufen werden kann. Der Ausgabeanschluss 506 ist mit
dem Temperatursteuersystem 107 aus 2 gekoppelt,
wobei das letztere die CSP von dem Algorithmus/Prozessor in der
Form von Daten empfängt,
die über
den Ausgabeanschluss 506 und einer zugeordneten Datenverbindung,
wie zum Beispiel einem Seriellen Anschluss, einer IEEE-4888 (Mehrzweck-Instrumentenbus,
General Purpose Instrument Bus)- oder einer Ethernet-Verbindung übermittelt
werden. Während
der Temperatursteueralgorithmus in dem Ausführungsbeispiel innerhalb der
Speichervorrichtungen des Mikrocomputersystems 500 angeordnet
ist, kann der Algorithmus vollständig
oder teilweise auch innerhalb des Temperatursteuergeräts der zugeordneten
thermischen Behandlungsvorrichtung (z.B. Temperaturkammer, thermischer
Plattform, thermischer Spannvorrichtung, oder thermischem Luftstrom),
oder eine andere nichtflüchtige
programmierbare Speichervorrichtung, wie zum Beispiel einem EEPROM,
die dem Temperatursteuersystem zugeordnet ist, angeordnet sein.
-
Unter
Bezugnahme jetzt auf 7, wird eine beispielhafte thermische
Behandlungssystemarchitektur beschrieben, die das Mikrocomputersystem
aus 6 verwendet. Wie vorher angemerkt wurde, können die Temperatursensoren 104, 106 jede
Art von Temperatursensoren sein, die Daten erzeugen, die der Temperatur der
zu messenden Umgebung oder Komponente entsprechen, wie zum Beispiel
ein Widerstands-Temperaturdetektor (RTD) oder ein Thermopaar. Das
thermische Behandlungssystem 100 gemäß der Erfindung verwendet zwei
500 Ω-Platin-RTD-Sonden, obwohl andere
genauso verwendet werden können.
-
Während des
Betriebs werden Temperaturdaten, die von den Sonden 104, 106 erhalten
werden, sowie jene, die von dem TCS 107 erzeugt werden,
an den Mikrocomputer 500 und Algorithmus weitergegeben,
wobei der CSP periodisch von dem Algorithmus berechnet wird und über die
Datenschnittstelle 604 zurück an das TCS weitergegeben
wird. Es wird von einem Fachmann verstanden, dass zahlreiche alternative
Konfigurationen, die Hardware, Software und/oder Firmware einschließen, bei
der Ausführung
der hierin beschriebenen Erfindung angewendet werden können. Zum
Beispiel könnte
eine thermische Plattform durch die Behandlungskammer 102 aus 7 ersetzt
werden. In ähnlicher
Weise könnte
ein Algorithmus, der das erfindungsgemäße Verfahren aufweist, innerhalb
des internen Speichers eines digitalen Signalprozessors gespeichert sein,
der innerhalb des TCS 107 oder innerhalb eines entfernten
Netzwerkcomputers angeordnet ist, im Gegensatz zum Verwenden des
Mikrocomputersystems 500 aus 7.
-
Anhang A
-
Definitionen:
-
- P0
- = Zustandsvariable,
die zum Initialisieren des I2PC-Vorgangs verwendet wird
- P1
- = Temperatur der Hauptsonde
(wie eingerichtet durch F17-20)
[Beachte: P1 kann auch als
Steuerungsmode zum Initiieren der Steuerung allein durch die Hauptsonde
(normale PID-Regelung) verwendet werden]
- P2
- = Temperatur der Nebensonde
(wie eingerichtet durch F21-F24)
- PSP
- = Programmierter Sollwert,
vom Nutzer eingegeben
- CSP
- = Steuer (virtueller)-Sollwert
erzeugt vom Algorithmus
- NSP
- = Neuer Sollwert;
Zustandsvariable, der Existenz eines neuen Sollwerts für I2PC verfolgt
und ob der neue Sollwert ein "Hochfahr"- oder "Herunterfahr"-Anfrage ist
– NSP =
0 = kein neuer Sollwert oder Sollwert erreicht bei P2 – I2PC nicht
verwenden
– NSP
= 1 = neuer erfasster Sollwert – Hochfahren
– NSP =
2 = neuer erfasster Sollwert – Herunterfahren
- F34
- = erster Einstellparameter;
verwendet als ABS(PSP-P2)-Multiplikator
- F35
- = zweiter Einstellparameter;
I2PC-Übersteuerungs/Untersteuerungsmenge
in Grad
-
Beispielhafte Programmbeschreibung
-
- 1. I2PC [Grundlegende I2PC-Routine zum Berechnen
des "unbegrenzten" CSP, der zur Steuerung
verwendet werden wird]:
- 2. Neuer Sollwerteintrag [Unmittelbar nach Eintrag eines neuen
Sollwerts im PO (I2PC)-Modus]:
- 3. Steuerungsbeginn [Das ist der Einstieg für die I2PC-Routine für jeden
Steuerzyklus]: