SU926631A1

SU926631A1 - Device for regulating diffusion electric furnace temperature

Info

Publication number: SU926631A1
Application number: SU802985481A
Authority: SU
Inventors: Вадим Иванович Иванов; Александр Юльевич Лукичев; Андрей Елизарович Морозов; Борис Сергеевич Мухин; Валентин Борисович Никулин; Анатолий Моисеевич Петров; Анатолий Иванович Савин
Original assignee: Предприятие П/Я В-8495; Московский институт электронной техники
Priority date: 1980-06-23
Filing date: 1980-06-23
Publication date: 1982-05-07

Description

1one

Изобретение относитс к автоматике и может использоватьс , в автоматических диффузионных электропечах, например в диффузионных электропечах дл проведени технологических процессов микроэлектроники.The invention relates to automation and can be used in automatic diffusion electric furnaces, for example, in diffusion electric furnaces for carrying out technological processes in microelectronics.

Известно устройство дл регулировани температуры диффузионных установок , содержащее регул тор мощности , к выходу которого подключены три нагревательных элемента, три . термопарных датчика температуры, подключенных ко входам усилителей посто нного трка, и задатчик температуры 1 .A device for regulating the temperature of diffusion installations is known, which contains a power regulator, to the output of which three heating elements are connected, three. thermocouple temperature sensors connected to the inputs of the constant-current amplifiers, and temperature setter 1.

Недостаток данного устройства низка точность регулировани температуры , обусловленна вли нием изменени расхода газовой смеси, пропускаемой через рабочую камеру, на температурное поле внутри нее. Выравнивание температурного профил после.изменени расхода происходит медленно, так как на величины температур в точках установки тер.мопарных датчиков температуры вли ет тепловое поле нагревательных элементов. Кроме того, имеет место остаточна погрешность регулировани , вызванйа наличием в рабочей камере градиента температуры, св занного с охлаждающим действием проход щего потока газа.The disadvantage of this device is low accuracy of temperature control, due to the influence of changes in the flow rate of the gas mixture passed through the working chamber on the temperature field inside it. The equalization of the temperature profile after the change in the flow rate occurs slowly, since the thermal field of the heating elements influences the temperature values at the installation points of the thermopath temperature sensors. In addition, there is a residual regulation error caused by the presence in the working chamber of a temperature gradient associated with the cooling effect of the passing gas stream.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности вл етс устройство дл регулировани температуры диффузионных электропечей, содержащее три термопарных датчика температуры, подключенные через соответствующие усилители посто нного тока и последовательно соеди- . ненные коммутатор и аналого-цифровой преобразователь к первому входу первого вычислительного блока, выход которого соединен с первым входом цифрового регул тора температуры печи, ко второму входу которого подключен задатчик температуры пеми, 3 а выход цифрового регул тора температуры через регул тор мощности подключен к трем нагревательным элементам , исполнительный элемент ввода лодочки, синхронизатор, выходом соединенный с третьим входом цифрового регул тора температуры печи и вторым входом первого вычислительного блока блоки управлени расходом каждого из компонентов газовой смеси и соответственно датчики расхода компонентов газовой смеси 123. Недостоток известного устройства - относительно невысока точност регулировани температуры, обусловленна р дом факторов: -большой динамической ошибкой регулировани , возникающей при изме нении расходов компонентов газовой смеси. 6 этом случае происходит изменение распределени потока мощности , отбираемой от нагревательных элементов рабочей камеры, и, как следствие этого, изменение продольн го температурного профил камеры. Автоматическое в результате дейст}и системы выравнивание температу ного профил существенно замедл етс вследствие вли ни теплового пол нагревательных элементов и оболочки рабочей камеры на температуру в точ ках установки термопарных датчиков; -большой динамической ошибкой регулировани , возникающей при программном изменении заданной темпера туры рабочей камеры. При изменении заданной температуры в силу непосредственного вли ни нагревательных элементов на термопарные датчики температуры измеренные ими значени температуры значительно быстрее приближаютс к заданным, чем среднее значение температуры в рабо чей камере. При этом автоматический переход от одного значени заданной температуры рабочей камеры к другому значительно замедл етс ; - большой статистической ошибкой регулировани температуры. Данна ошибка возникает вследствие наличи в рабочей камере электропечи градиен та температуры, обусловленного вли нием потока, проход щего внутри нее газовой смеси с одной стороны и действием нагревательных элементов с другой стороны. При этом установившеес значение температуры в точках установки термоплрных датчи1 ков отличаетс от температуры в по- токе газовой смеси; - большой неравномерностью установившегос продольного температурного профил рабочей камеры. Неравномерность обусловлена тем, что газова смесь прогреваетс постепенно по мере прохождени по рабочей камере. При этом градиент температуры от нагревательных элементов к газовому потоку в рабочей камере больше в ее зоне со стороны влуска газовой смеси . Кроме того, за счет переноса тепла потоком газовой смеси возникает взаимное вли ние секций рабочей камеры. Цель изобретени - повышение точности устройства и повышение точнос и регулировани температуры лодочки. Поставленна цель достигаетс тем, что в устройство введены блок задани расходов, второй вычислительный блок, второй коммутатор, второй аналого-цифровой преобразователь и по числу датчиков расхода компонентов - цифроаналоговые преобразователи и блоки сравнени , причем, выходы блока задани расходов подключены через последовательно соединенные соответствующие цифроаналоговые преобразователи и блоки сравнени ко входам соответствующих управлени расходом компонентов газовой смеси и входам второго вычислительного блока, выход которого подключен к четвертому входу цифрового регул тора температуры, а выходы каждого из датчиков расхода подключены ко вторым входам соответствующих блоков сравнени и через последовательно соединенные второй коммутатор и второй аналого-цифровой преобразователь - к третьему входу первого вычислительного блока. Дл повышени точности регулировани температуры лодочки дополнительно введены датчик и регул тор скорости ввода лодочки, датчик перемещени лодочки, преобразователь кодрегулирующее воздействие и задатчик температуры лодочки, причем выход датчика скорости, механически св занного с исполнительным элементом . ввода лодочки, соединен с первым входом регул тора скорости, выход которого соединен со входом исполнительного элемента ввода лодочки, выход датчика перемещени лодочки подключен к четвертому входу первогоClosest to the proposed technical entity is a device for controlling the temperature of diffusion electric furnaces, which contains three thermocouple temperature sensors connected through appropriate amplifiers of direct current and connected in series. The first switch and analog-to-digital converter to the first input of the first computing unit, the output of which is connected to the first input of the digital furnace temperature controller, to the second input of which the temperature controller is connected, 3 and the output of the digital temperature controller through the power controller is connected to three heating elements, the executive element of the input of the boat, the synchronizer, the output connected to the third input of the digital temperature controller of the furnace and the second input of the first computing unit blocks controlling the flow rate of each of the components of the gas mixture and, accordingly, the flow sensors of the components of the gas mixture 123. The disadvantage of the known device is the relatively low temperature control accuracy due to a number of factors: - a large dynamic control error occurring when the flow rates of the gas mixture components change. In this case, there is a change in the distribution of the power flow taken from the heating elements of the working chamber, and, consequently, a change in the longitudinal temperature profile of the chamber. The automatic alignment of the temperature profile as a result of operation and the system is significantly slowed down due to the influence of the thermal field of the heating elements and the shell of the working chamber on the temperature at the installation points of the thermocouple sensors; - a large dynamic adjustment error that occurs when the program changes the set temperature of the working chamber. With a change in the set temperature, due to the direct influence of the heating elements on the thermocouple temperature sensors, their measured temperature values approach the set values much faster than the average temperature in the working chamber. In this case, the automatic transition from one value of the desired temperature of the working chamber to another is significantly slowed down; - a large statistical error in temperature control. This error arises due to the presence in the working chamber of an electric furnace of a temperature gradient due to the influence of the flow, the gas mixture passing inside it on one side and the action of heating elements on the other side. At the same time, the steady-state temperature value at the points of installation of thermoplastic sensors differs from the temperature in the flow of the gas mixture; - large irregularity of the steady longitudinal temperature profile of the working chamber. The irregularity is due to the fact that the gas mixture warms up gradually as it passes through the working chamber. In this case, the temperature gradient from the heating elements to the gas flow in the working chamber is greater in its zone from the side of the gas mixture. In addition, due to the heat transfer by the flow of the gas mixture, the mutual influence of the sections of the working chamber occurs. The purpose of the invention is to improve the accuracy of the device and to increase the accuracy and control of the temperature of the boat. The goal is achieved by introducing a cost setting block, a second computing block, a second switch, a second analog-to-digital converter, and digital-to-analog converters and comparison blocks according to the number of component consumption sensors, and the outputs of the cost-setting block are connected via serially connected corresponding digital-analog converters and comparison units to the inputs of the respective control of the flow rate of the components of the gas mixture and the inputs of the second computing unit, the output which is connected to the fourth input of the digital temperature controller, and the outputs of each of the flow sensors are connected to the second inputs of the respective comparison units and through the serially connected second switch and the second analog-to-digital converter to the third input of the first computing unit. To improve the accuracy of controlling the temperature of the boat, an additional sensor and regulator of the boat input speed, a boat displacement sensor, a converter for controlling the influence and a temperature controller of the boat were introduced, with the output of the speed sensor mechanically connected to the actuator. the input of the boat, connected to the first input of the speed controller, the output of which is connected to the input of the actuating element of the boat input, the output of the boat displacement sensor is connected to the fourth input of the first

вычислительного блока, второй выход которого через преобразователь кодрегулирующее воздействие соединен со входом регул тора скорости, а к п тому входу первого вычислительного блока подключен выход задатЧика температуры лодочки, вход которого соединен с выходом синхронизации.the computational unit, the second output of which is connected via a converter with a code regulating action to the input of the speed controller, and the output of the temperature sensor of the boat, the input of which is connected to the output of synchronization, is connected to the fifth input of the first computing unit.

На чертеже представлена структурна схема устройства дл регулировани температуры диффузионных электропечей .The drawing shows a block diagram of a device for controlling the temperature of diffusion electric furnaces.

Выход трех термопарных датчиков 1-3 температуры подключены соответственно ко-входам трех,усилителей 4-6 посто нного тока, выходы которых через включенные последовательно первый коммутатор 7 и первый аналого-цифровой преобразователь 8 подключены к первому входу первого вычислительного блока 9 выход которого подключен к первому входу цифрового регул тора 10 температуры печи. Выход цифрового регул тора 10 температуры печи через регул тор 11 мощности подключен к трем нагревательным элементам 12-1, Второй вход цифрового регул тора 10 темпе:ратуры печи подключен к выходу задатчика 15 температуры печи, третий к выходу синхронизатора 16, который подключен также ко второму входу первого вычислительного блока 9. Выходы блоков 17 управлени расходами каждого из компонентов газовой смеси через соответствующие датчики 18 расхода компонентов подключены к рабочей камере 19. Электрические выходы датчиков 18 расхода компонентов подключены ко вторым входам блоков 20 сравнени , вторые входы которых через цифроаналоговые преобразователи 21 подключены к выходам блока 22 задани расходов, подключенным также к соответствующим входам второго вычислительного блока . 23. Третий вход первого вычислительного блока 9 через включенные последовательно второй коммутатор 2 и второй аналого-цифровой преобразователь 25 подключен к электрическим выходам датчиков 18 расхода компонентов .The output of three thermocouple temperature sensors 1-3 is connected respectively to the co-inputs of three, 4-6 DC amplifiers, the outputs of which are connected through the first switch 7 and the first analog-digital converter 8 connected in series to the first input of the first computing unit 9 whose output is connected to the first input of the digital controller 10 of the furnace temperature. The output of the digital controller 10 of the furnace temperature through the power controller 11 is connected to three heating elements 12-1, the second input of the digital controller 10 tempo: the furnace's oven is connected to the output of the furnace temperature setter 15, the third to the output of the synchronizer 16, which is also connected to the second the input of the first computational unit 9. The outputs of the flow control units 17 of each of the components of the gas mixture through the respective sensors 18 of the components flow are connected to the working chamber 19. The electrical outputs of the sensors 18 of the flow components a connected to the second inputs of the comparing unit 20, whose second inputs through digital to analog converters 21 are connected to the outputs of block 22 specifying costs connected also to respective inputs of the second computational unit. 23. The third input of the first computing unit 9 is connected through the second switch 2 and the second analog-to-digital converter 25 connected to the electrical outputs of the sensors 18 of the components.

Второй выход первого вычислительного блока 9 через преобразователь 26 код-регулирующее воздействие подключен ко второму входу регул тора 27 скорости ввода лодочки, первыйThe second output of the first computing unit 9 through the converter 26 is a code-regulating influence connected to the second input of the controller 27 of the boat entry speed, the first

вход которого подключен к выходу датчика 28 скорости ввода лодочки, механически св занного с исполнительным элементом 29 ввода лодочки. Выход датчика 30 перемещени лодочки подключен к четвертому входу первого вычислительного блока 9, п тый вход которого подключен к задатчику 31 температуры лодочки. Вход задатчика 31 температуры лодочки подключен к выходу синхройизатора 16.the input of which is connected to the output of the sensor 28 of the input speed of the boat, mechanically connected with the actuating element 29 of the input of the boat. The output of the boat movement sensor 30 is connected to the fourth input of the first computing unit 9, the fifth input of which is connected to the boat temperature setpoint 31. The input of the setpoint 31 of the temperature of the boat is connected to the output of the synchronizer 16.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Выходные сигналы термопарных датчиков 1-3 усиливаютс усилител ми Ц-6 посто нного тока и через первый коммутатор 7 поочередно периодически подаютс на вход первого аналогоцифрового преобразовател 8. При этом цифровые коды .о.л NY П) v периодически ввод тс в первый вычислительный блок 9 (п - номер рабочего периода). Выходные сигналы датчиков 18 расхода компонентов через второй коммутатор 2 поочередно периодически подаютс на вход второго аналого-цифрового преобразовател 25. При этом с его выхода в первый вычислительный блок 9 периодически ввод тс цифровые коды Р,е,п Р, m п преобразуютс в нем по формуле:The output signals of thermocouple sensors 1-3 are amplified by amplifiers C-6 of direct current and alternately periodically transmitted through the first switch 7 to the input of the first analog-digital converter 8. At the same time, digital codes NY of NY) v are periodically input to the first computing unit 9 (n - the number of the working period). The output signals of the component consumption sensors 18 through the second switch 2 are alternately periodically fed to the input of the second analog-to-digital converter 25. From this, digital codes P, e, p P, m n are converted into it into the first computing unit 9 by formula:

;«,.Ьи,..е/«); ". Bu, .. f /")

где ,2-,3 номер термопарного датчика- ,where, 2-, 3 number of thermocouple sensor-,

...т - номер датчика расхода;... t - flow sensor number;

п - номер рабочего периода определ емого выхсэдным сигналом синхронизатора 16;n is the number of the working period determined by the synchronizer 16 output signal;

As - коэффициенты, определ ющие динамические характеристики устройства- ,As are the coefficients determining the dynamic characteristics of the device;

Bi - коэффициенты, определ ющие вли нием переноса тепла потоком газовой смеси вдоль рабочей камеры на в.еличины температур в точках установки термопарных датчиков;Bi are the coefficients that determine the effect of heat transfer by the flow of the gas mixture along the working chamber on the magnitude of temperature at the installation points of thermocouple sensors;

Claims

C1 is the coefficients determining the relative influence of the components of the gas mixture on the temperature of its flow. 7 The output signals of the components flow sensor 18 are also supplied to the first inputs of the comparison units 20, to the second inputs of which output signals of the digital-to-analog converters 21 corresponding to the digital codes Njp, -, ..., are supplied. supplied to their inputs from the outputs of the block 22 task costs. In accordance with the output signals of the comparison units 20, in the units 17 for controlling the flow rates of the components of the gas mixture, the flow rates of the components of the gas mixture supplied to the working chamber 19 are controlled. From the outputs of block 22, specifying the flow rates of the number, l, ri .-. 3p, vn, n is also entered into the second computing unit 23, the digital code at the output of which is determined by the formula: Gsr,., (No., e, e , p.) In the digital controller 10 of the furnace temperature, the output codes of the first and second computational units are as follows:. t ,,,,. compared with the digital code setpoint 15 of the furnace temperature. The output digital code NQ., The furnace temperature setter 15 is formed in accordance with a given law of variation of the average temperature of the working chamber 19 and the synchronizer signal. In this way, digital power codes Njj (, 2,3) are applied to the input of power controller 11, where they regulate the amount of power applied to the heating elements 12-14. The device for regulating the temperature of diffusion electric furnaces operates in two main modes: in the mode of programmatically changing the temperature of the working chamber and in the mode of stabilizing its temperature. In the temperature stabilization mode, when the program transitions from one given set of flow rates of the components of the gas mixture to another, the output codes of flow setting 22 change. At the same time, the output code of the second computational unit 23 is changed, and in accordance with the nil in the digital controller 10 of the furnace temperature, the power applied to the 12-Tt heating elements is adjusted. This adjustment takes place on the next step after the change in the given expenses, the tact of the device operation. At the same time, there is a real change in the gas mixture in the working chamber 19, but it is slower due to the inertia of the units 17 for controlling the flow rates of the components of the gas mixture. In this case, the adjustment of the power supplied to the heating elements 12-14 prevents the change in the heat flux caused by the changing costs of the components of the gas mixture and compensates for its effect. As the costs change, the output signals of the component flow sensors 18 also change. This leads to a change in the numbers Np g, entered into the second computing unit 231 where the numbers N- are corrected, causing feedback in the temperature control circuits of the working chamber zones, as well as to the correction of the power supplied to the heating elements 12-14. Together, these two adjustments lead initially to a rapid change in capacity, and then to their smooth establishment as the costs change in new values. Moreover, when the transition to the new cost combination is completed, the static regulation error due to the presence in the working chamber 19 of temperature gradients from the heating elements 12-14 to the flow of the gas mixture passing inside the working chamber is compensated. The effect of longitudinal heat transfer is taken into account in the coefficients of B -, - introduced into the first computational unit. In the mode of programmatically changing the temperature of the working chamber 19, the output code N o of the furnace temperature setter 15 is changed. This in turn causes a change in the output code of the digital temperature controller of the furnace and, accordingly, the values of power supplied to the heating elements 12-14. At the same time, the temperature of the working chamber 19 starts to change. Inside the gas flow, at this moment, large temperature gradients arise, leading, in the case of the use of a known device, to a large dynamic adjustment error. During the operation of the proposed device at this moment, this dynamic error is corrected for the coefficients B in the first computational unit. The temperature control of the boat is as follows. At the moment the boat enters and leaves the working chamber 19, the device for controlling the temperature of the diffusion electric furnaces operates in the mode of stabilizing the temperature of the working chamber 19. In accordance with the signal of the synchronizer 16 and the given law of change in the temperature of the boat in the temperature gauge 31 of the boat, a digital code NJ-dc of a predetermined temperature of the boat and entered into a new computational unit 9, into which a digital code UL is also entered, from the output of the sensor 30 for moving the boat in the first computational unit 9 using the formula in 4, rV number of pieces of piecewise linear approximation of the temperature profile of the working chamber, coefficients of piecewise linear approximation determined by the necessary speed of the boat input. The coefficients Kj and K are selected experimentally when measuring the temperature profile of a particular working chamber with heating elements. A digital code, converted by the converter 26 to a code regulating effect, is fed to the boat input speed controller 27, where it is compared with the output signal of the boat input speed sensor 28. A output proportional to the result of comparing the output speed of the boat input speed controller 27 is fed to the input of the boat input actuator 29, as a result of which the boat moves at a speed at which the programmed change in the average temperature set in the boat temperature setter 31 is provided. Similarly, in accordance with the cooling law set in the unit 31 of the boat temperature, the cooling of the boat from the working chamber is controlled. In addition, the digital codes N -, n obtained in the first computing unit are corrected in it by the formula: N,. N1. .I). (Where Dт, are the coefficients that determine the effect of the input boat to the temperature of the working chamber zones. This compensates for the distortion of the temperature profile of the working chamber 19 and does not cause transients when adjusting its temperature. The heating controlled by the device When you enter the boat allows you to significantly reduce the uneven heating of its ends by selecting the speed of its heating. When using the proposed device, the error in controlling the temperature of the working chamber is reduced by 1, The accuracy of controlling the temperature of the boat with the plates is reduced by a factor. Formula 1. A device for controlling the temperature of diffusion electric furnaces containing three thermocouple temperature sensors connected through appropriate DC amplifiers and a serially connected switch and analog-to-digital converter to the first input. the computing unit, the output of which is connected to the first input of the digital temperature controller of the furnace, to the second input of which the gauges are connected to the furnace temperature, and the output of the digital temperature controller through the power regulator is connected to three heating elements, the boat input actuator, a synchronizer, an output connected to the third input of the digital furnace temperature controller and the second input of the first computational unit, each unit gas mixture and, accordingly, flow sensors components

gas mixture, characterized in that, in order to improve the accuracy of the device, a cost setting unit, a second computing unit, a second switch, a second analog-to-digital converter, and digital-analogue converters and comparison blocks are introduced into the device, expenses are connected via serially connected corresponding digital-to-analog converters and units of comparison to the inputs of the corresponding units controlling the flow rate of the components of the gas mixture and the inputs the second computing unit, the output of which is connected to the fourth input of the digital temperature controller, and the outputs of each of the flow sensors are connected to the second inputs of the corresponding comparison units and through the second switch connected in series and the second analog-to-digital converter to the third input of the first computing unit.

2. The device according to claim 1, about tl and. so that, in order to improve the accuracy of regulation

temperature of the boat, a sensor and a speed controller for entering the boat, a boat displacement sensor, a code-regulating converter are entered into it

impact and temperature setting device of the boat, with the output of the speed sensor, mechanically connected with the actuating element of the boat input, connected to the first input of the regulator

speed, the output of which is connected to the input element of the input element of the boat, the output of the boat displacement sensor is connected to the fourth input of the first computational

The unit, the second output of which is connected via a converter with a code-regulating action, is connected to the input of the speed controller, and connects the output of the boat temperature setter, the input of which is connected to the synchronizer output, to the fifth input of the first calculating unit.

Sources of information taken into account in the examination

1. Authors certificate of the USSR, cl. G 05 D 23/19, 1972.

2. USSR author's certificate No. 687973, cl. G 05 D 23/19. 1977.