專利名稱：一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及擴(kuò)散爐溫控裝置，具體地說是一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高溫氧化擴(kuò)散爐是半導(dǎo)體制造業(yè)中對硅片進(jìn)行熱生長氧化的一種重要設(shè)備。在高溫氧化擴(kuò)散爐體內(nèi)硅片與外部供給的高純氧氣反應(yīng)，使硅片上生成一層氧化層。這層氧化層的質(zhì)量、穩(wěn)定性和介質(zhì)特性等性能對MOS工藝中的柵結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。溫度是影響氧化層特性的關(guān)鍵工藝參數(shù)，影響氧化層生長速度、均勻性等特性。氧化工藝要求硅片上各個區(qū)間與各個硅片都處于一致均勻、穩(wěn)定的溫度場中，對爐膛恒溫區(qū)間的溫度一致性、穩(wěn)定性要求極高；并且為了使各個硅片特性一致，在不同工藝溫度之間的變化過程中，要求所有硅片所處溫度盡量一致變化。針對高溫氧化擴(kuò)散設(shè)備，多數(shù)廠家采用美國Brooks、日本島電SHIMADEN和日本理化RKC等國際名牌的溫度調(diào)節(jié)儀表。此類儀表為通用型溫度儀表，多是單回路儀表，如果實現(xiàn)一個溫區(qū)的串級控制，則需要兩個儀表串聯(lián)。擴(kuò)散爐至少需要三個溫區(qū)，如要串級控制，則需要6個儀表。該類儀表價格昂貴，一臺就需要幾千，高的近萬元。這樣實現(xiàn)高精度的擴(kuò)散爐的控制僅需要的儀表成本就高達(dá)幾萬。常規(guī)的擴(kuò)散爐控制系統(tǒng)一般采用工業(yè)控制機(jī)+PLC+溫度調(diào)節(jié)儀表，在工藝要求溫度精度較高的場合，采用兩個儀表實現(xiàn)串級控制，圖中用虛線標(biāo)出的是串級副環(huán)控制圖。其中爐內(nèi)永久熱電偶做主控制回路，爐壁熱電偶做副控制回路。這樣如果有三段溫區(qū)，則需要6個溫度調(diào)節(jié)儀表，為保證精度該儀表原則上采用進(jìn)口調(diào)節(jié)儀表。這樣對于分離儀表控制方案，不僅價格昂貴，而且需要許多的補償導(dǎo)線，儀表之間連線也多。這種方案不僅硬件成本高，而且在控制功能上受到很多限制:主要體現(xiàn)在對各分離單元單獨進(jìn)行控制，整個系統(tǒng)無法實施綜合、協(xié)調(diào)控制，更無法對數(shù)字氣體質(zhì)量流量計的控制，難以實現(xiàn)最高精度。多只溫控表的使用，一方面使溫控系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率增加，另一方面由于溫控表為單回路控溫方式，因此造成各加熱區(qū)溫度波動較大，影響了電子產(chǎn)品氧化質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)，其具有集成度高、功耗低和成本低等特點。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)，包括可控硅、觸發(fā)電路、溫控儀、PLC控制器、熱電偶、舟控制裝置和質(zhì)量流量計，其特征是，還包括冷端組件、氣體混合控制器和工控機(jī)或觸摸屏，所述可控硅包括分別與設(shè)置在擴(kuò)散爐爐體內(nèi)的若干個電阻絲連接的若干個可控硅，所述觸發(fā)電路分別與可控硅和溫控儀連接；所述熱電偶包括若干個爐內(nèi)熱電偶和若干個爐壁熱電偶，所述爐內(nèi)熱電偶分別設(shè)置在擴(kuò)散爐爐體內(nèi)各個溫區(qū)并分別通過冷端組件與溫控儀連接，所述爐壁熱電偶分別設(shè)置在各個溫區(qū)的擴(kuò)散爐爐壁上并分別通過冷端組件與溫控儀連接；所述PLC控制器分別與溫控儀和擴(kuò)散爐的舟控制裝置連接，所述氣體混合控制器分別與溫控儀和質(zhì)量流量計連接，所述質(zhì)量流量計設(shè)置在擴(kuò)散爐的氣體輸入管道中，所述質(zhì)量流量計和擴(kuò)散爐爐體之間的氣體輸入管道中還設(shè)置有氣動閥，所述氣動閥的控制端與PLC控制器連接；所述工控機(jī)或觸摸屏與PLC控制器連接。進(jìn)一步地，所述冷端組件內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器，所述溫度傳感器與溫控儀連接。進(jìn)一步地，所述擴(kuò)散爐爐體內(nèi)設(shè)置5個溫區(qū)，所述每個溫區(qū)相應(yīng)設(shè)置一個電阻絲、一個爐內(nèi)熱電偶和一個爐壁熱電偶。進(jìn)一步地，所述溫控儀包括處理器、數(shù)據(jù)采集電路、輸出控制電路、RS485接口、網(wǎng)絡(luò)接口、存儲模塊和電源模塊；所述數(shù)據(jù)采集電路包括熱電偶數(shù)據(jù)采集電路和冷端組件溫度采集電路，所述熱電偶數(shù)據(jù)采集電路包括依次串聯(lián)接的低通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊和磁耦隔離電路，所述低通濾波電路與熱電偶連接，所述磁耦數(shù)字隔離電路與處理器連接，所述冷端組件溫度采集電路包括與溫度傳感器連接的A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述與溫度傳感器連接的A/D轉(zhuǎn)換模塊通過磁耦隔離電路與溫控儀連接；所述輸出控制電路包括4-20mA電流輸出電路、PWM脈沖輸出電路、控制回路輸出電路和報警繼電器輸出電路，所述4-20mA電流輸出電路包括磁耦隔離電路、D/A轉(zhuǎn)換模塊和V/I轉(zhuǎn)換電路，所述D/A轉(zhuǎn)換模塊通過磁耦隔離電路與處理器連接，所述V/I轉(zhuǎn)換電路與D/A轉(zhuǎn)換模塊連接，所述PWM脈沖輸出電路、控制回路輸出電路和報警繼電器輸出電路分別通過光電隔離電路與處理器連接；所述RS485接口包括分別通過磁耦隔離電路與處理器連接的主、從RS485接口 ；所述網(wǎng)絡(luò)接口和存儲模塊分別與處理器連接；所述電源模塊為溫控器提供工作電源。進(jìn)一步地，所述存儲模塊包括鐵電存儲器和EEPROM存儲器，所述鐵電存儲器用于存儲實時數(shù)據(jù)記錄，所述EEPROM存儲器用以參數(shù)掉電保護(hù)。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用的溫控儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、控溫精度高和性能穩(wěn)定的特點，能夠?qū)U(kuò)散爐的多溫區(qū)進(jìn)行同步測控；采用上述溫控儀后，本發(fā)明不僅具有集成度高、精度高、穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)大和功耗低等特點，而且降低了硬件成本，減少了技術(shù)人員對溫控儀進(jìn)行設(shè)置的工作量。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明:圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述溫控儀的原理框圖；圖中，I可控硅、2觸發(fā)電路、3溫控儀、4PLC控制器、51爐內(nèi)熱電偶、52爐壁熱電偶、6舟控制裝置、7質(zhì)量流量計、8冷端組件、9氣體混合控制器、10觸摸屏、11擴(kuò)散爐爐體、12電阻絲、13氣體輸入管道、14氣動閥。
具體實施例方式如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)，包括可控硅1、觸發(fā)電路
2、溫控儀3、PLC控制器4、熱電偶、舟控制裝置6、質(zhì)量流量計7、冷端組件8、氣體混合控制器9和觸摸屏10。所述擴(kuò)散爐爐體內(nèi)設(shè)置5個溫區(qū)，所述每個溫區(qū)相應(yīng)設(shè)置一個電阻絲12、一個爐內(nèi)熱電偶51和一個爐壁熱電偶52,所述可控娃I包括分別與設(shè)置在擴(kuò)散爐爐體11內(nèi)的，5個電阻絲12連接的5個可控硅，所述觸發(fā)電路2分別與可控硅I和溫控儀3連接；所述熱電偶包括5個爐內(nèi)熱電偶51和5個爐壁熱電偶52，所述爐內(nèi)熱電偶51分別設(shè)置在擴(kuò)散爐爐體I內(nèi)的5個溫區(qū)并分別通過冷端組件8與溫控儀3連接，所述爐壁熱電偶52分別設(shè)置在5個溫區(qū)的擴(kuò)散爐爐壁上并分別通過冷端組件8與溫控儀3連接；所述PLC控制器4分別與溫控儀3和擴(kuò)散爐的舟控制裝置6連接，所述氣體混合控制器9分別與溫控儀3和質(zhì)量流量計7連接，所述質(zhì)量流量計7設(shè)置在擴(kuò)散爐的氣體輸入管道13中，所述質(zhì)量流量計7和擴(kuò)散爐爐體11之間的氣體輸入管道中還設(shè)置有氣動閥14，所述氣動閥14的控制端與PLC控制器4連接；所述觸摸屏10與PLC控制器4連接。進(jìn)一步地，所述冷端組件內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器，所述溫度傳感器可以采用PT100熱電阻，所述PTlOO熱電阻與溫控儀連接。圖2是本發(fā)明所述溫控儀的原理框圖。如圖2所示，本發(fā)明所述的溫控儀包括處理器、數(shù)據(jù)采集電路、輸出控制電路、RS485接口、網(wǎng)絡(luò)接口、存儲模塊和電源模塊；所述數(shù)據(jù)采集電路包括熱電偶數(shù)據(jù)采集電路和冷端組件溫度采集電路，所述熱電偶數(shù)據(jù)采集電路包括依次串聯(lián)接的低通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊和磁耦隔離電路，所述低通濾波電路分別與爐內(nèi)熱電偶和爐壁熱電偶連接，所述磁耦數(shù)字隔離電路與處理器連接，所述冷端組件溫度采集電路包括與溫度傳感器連接的A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述與溫度傳感器連接的A/D轉(zhuǎn)換模塊通過磁耦隔離電路與溫控儀連接；所述輸出控制電路包括4-20mA電流輸出電路、PWM脈沖輸出電路、控制回路輸出電路和報警繼電器輸出電路，所述4-20mA電流輸出電路包括磁耦隔離電路、D/A轉(zhuǎn)換模塊和V/I轉(zhuǎn)換電路，所述D/A轉(zhuǎn)換模塊通過磁耦隔離電路與處理器連接，所述V/I轉(zhuǎn)換電路與D/A轉(zhuǎn)換模塊連接，所述PWM脈沖輸出電路、控制回路輸出電路和報警繼電器輸出電路分別通過光電隔離電路與處理器連接，用以分別控制觸發(fā)電路、可控硅和報警繼電器；所述RS485接口包括分別通過磁耦隔離電路與處理器連接的主、從RS485接口 ；所述網(wǎng)絡(luò)接口和存儲模塊分別與處理器連接；所述電源模塊為溫控器提供工作電源。進(jìn)一步地，所述存儲模塊包括鐵電存儲器和EEPROM存儲器，所述鐵電存儲器用于存儲實時數(shù)據(jù)記錄，所述EEPROM存儲器用以參數(shù)掉電保護(hù)。本發(fā)明所述溫控儀的工作原理:溫控儀按要求通過上位機(jī)設(shè)置好有關(guān)參數(shù)，包括需要控制的爐體溫區(qū)數(shù)，儀表根據(jù)工藝要求對溫度各區(qū)進(jìn)行相應(yīng)溫控，實現(xiàn)解耦與PID自整定控制，可實現(xiàn)升、降、恒溫控制，控制方式為電流或PWM脈沖方式；同時實時接收上位機(jī)命令；可根據(jù)上位機(jī)下達(dá)指令通過氣體混合控制器或數(shù)字質(zhì)量流量計測控各路氣體的流量，也可以用網(wǎng)路接口實現(xiàn)網(wǎng)路控制系統(tǒng)。某區(qū)溫度超溫和越線則進(jìn)行相應(yīng)報警提示和跳閘動作。本發(fā)明所述溫控儀的主要功能塊如下:一、電源部分溫控儀的電源模塊采用外部直流24V電源供電，經(jīng)高頻濾波電路后，供給兩個DC-DC隔離模塊:1、選用上海元冊廠家5W DC-DC隔離模塊輸出24V供給模擬部分；2、選上海元冊2W的DC-DC隔離模塊輸出5V供給單片機(jī)系統(tǒng)；3、主從RS485兩電源各用DC-DC模塊獲得，輸入電源從供給單片機(jī)系統(tǒng)的電源獲取，這樣使得溫控儀與外界的充分隔離，提高了抗干擾能力，確保安全可靠。二、輸入通道1、10路熱電偶輸入
10路熱電偶模擬信號采集部分有低通濾波通道，A/D轉(zhuǎn)換芯片，磁耦數(shù)字隔離。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用24位的CS5534芯片。該CS5534芯片是美國CIRRUS LOGIC公司推出，采用電荷平衡技術(shù)和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測量放大器，其增益可選擇為1X、2X、4X、8X、16X、32X及64X，內(nèi)部有一個完整的自校正系統(tǒng)，可以進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，消除A/D本身的零點誤差和漂移誤差。CS5534芯片具有四通道差分的模擬輸入，由內(nèi)置多路開關(guān)來選擇轉(zhuǎn)換哪一通道的物理信號。信號經(jīng)過一個可編程增益放大器后，進(jìn)入四階4階的Λ Σ調(diào)制器，其后跟隨一個數(shù)字濾波器。它提供20種可供選擇的輸出字速率，通信方式為SPI總線方式。為防止干擾采用2片4通道ADUM1510、1片3通道ADUM1310磁耦隔離器進(jìn)行數(shù)字隔離。本發(fā)明的溫控儀選用3片CS5534芯片，組成10路差分輸入，相鄰兩個可組成串級控制。三個芯片片選使用獨立ADUM的通道，傳輸數(shù)據(jù)線復(fù)用；其中一片CS5534用剩余的2路輸入差分輸入信號通道的零點和滿量程校準(zhǔn)。2、外部溫度補償擴(kuò)散爐儀表控制柜距離擴(kuò)散爐爐體大約5米左右，為節(jié)省熱電偶或補償導(dǎo)線，我們可以在擴(kuò)散爐爐體的某個區(qū)作為冷端，采用PT100檢測冷端溫度。冷端溫度檢測電路采用美國AD公司生產(chǎn)的24位AD7711，該芯片線性度好，可用來在三線式和四線式RTD配置中提供激勵，所以特別適合鉬電阻的測量。我們用三線制連接PT100。該電路測試精度高于
0.1%。通訊為串行方式。三、輸出電路溫控儀的輸出部分分為四種類輸出:1、模擬通道輸出:輸出電路采用選用AD公司的8通16位的AD5668芯片，該芯片是AD公司近幾年生產(chǎn)的芯片，功能完善，準(zhǔn)確度高。該芯片有內(nèi)部有基準(zhǔn)，為了更加可靠我們用REF02芯片作為外部基準(zhǔn)。輸出形式按4-20mA的輸出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。單片機(jī)經(jīng)74HC14驅(qū)動給四通道的ADUM1410進(jìn)行磁耦隔離輸出給AD5668，電壓信號經(jīng)運算放大器LM358和BCX52驅(qū)動后變成4-20mA電流信號。2、PWM脈沖輸出單片機(jī)輸出經(jīng)光電隔離，再經(jīng)過74HC14驅(qū)動給達(dá)林頓ULN2803輸出。3、控制通道輸出控制通道為5路，單片機(jī)通過光電隔離來控制達(dá)林頓三極管MJD122G的開關(guān)，MJD122G是20W，輸出電流8A，可控制DC0-100V中間繼電器，控制5路加熱電壓。4、保護(hù)輸出當(dāng)某區(qū)溫度超過規(guī)定值，通過報警繼電器輸出電路輸出信號，進(jìn)行相應(yīng)的報警提
/Jn ο四、控制核心溫控儀的處理器采用ST系列的工業(yè)級STM32F107VCT6嵌入式單片機(jī)。該STM32F107VCT6芯片是ARM Cortex_M3內(nèi)核的32位微控制器，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，寬電壓2-3.5V電壓范圍，硬件集成了乘除算法，便于進(jìn)行復(fù)雜的浮點運算。該STM32F107VCT6芯片具有100個管腳，16路PWM輸出，滿足儀表的需要，有5個USART接口，增加了以太網(wǎng)10/100MAC模塊，為網(wǎng)絡(luò)通訊打下基礎(chǔ)。STM32F107VCT6芯片外接一片該芯片為256KB的FM25256鐵電存儲器作為實時數(shù)據(jù)記錄，可通過上位機(jī)軟件設(shè)置記錄時間。該溫控儀儀器的參數(shù)設(shè)定值放在EEPR0M24C02存儲器中。五、RS485通訊端口溫控儀有主從兩路RS485通訊接口，與質(zhì)量流量計控制器或數(shù)字質(zhì)量流量計通訊的是主通訊口，與上位機(jī)為從通訊口，均采用ADUM1311磁耦隔離。從通訊口協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，包含RTU和ASCII兩種傳輸模式。零位主通訊口預(yù)存幾個名牌氣體流量計通訊協(xié)議，特殊情況可以訂貨指定協(xié)議。六、網(wǎng)絡(luò)接口為滿足控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要，該溫控儀設(shè)計了以太網(wǎng)絡(luò)接。STM32F107芯片內(nèi)部集成了 MAC控制模塊，該模塊符合IEEE802.3協(xié)議，外部接DP83848芯片很容易實現(xiàn)以太網(wǎng)的控制。并且ST公司提供了 MAC相關(guān)的一些驅(qū)動程序，這就為溫控儀的設(shè)計提供了很大的方便。
權(quán)利要求
1.一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)，包括可控硅、觸發(fā)電路、溫控儀、PLC控制器、熱電偶、舟控制裝置和質(zhì)量流量計，其特征是，還包括冷端組件、氣體混合控制器和工控機(jī)或觸摸屏，所述可控硅包括分別與設(shè)置在擴(kuò)散爐爐體內(nèi)的若干個電阻絲連接的若干個可控硅，所述觸發(fā)電路分別與可控硅和溫控儀連接； 所述熱電偶包括若干個爐內(nèi)熱電偶和若干個爐壁熱電偶，所述爐內(nèi)熱電偶分別設(shè)置在擴(kuò)散爐爐體內(nèi)各個溫區(qū)并分別通過冷端組件與溫控儀連接，所述爐壁熱電偶分別設(shè)置在各個溫區(qū)的擴(kuò)散爐爐壁上并分別通過冷端組件與溫控儀連接； 所述PLC控制器分別與溫控儀和擴(kuò)散爐的舟控制裝置連接，所述氣體混合控制器分別與溫控儀和質(zhì)量流量計連接，所述質(zhì)量流量計設(shè)置在擴(kuò)散爐的氣體輸入管道中，所述質(zhì)量流量計和擴(kuò)散爐爐體之間的氣體輸入管道中還設(shè)置有氣動閥，所述氣動閥的控制端與PLC控制器連接；所述工控機(jī)或觸摸屏與PLC控制器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)，其特征是，所述冷端組件內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器，所述溫度傳感器與溫控儀連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)，其特征是，所述擴(kuò)散爐爐體內(nèi)設(shè)置5個溫區(qū)，所述每個溫區(qū)相應(yīng)設(shè)置一個電阻絲、一個爐內(nèi)熱電偶和一個爐壁熱電偶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)，其特征是，所述溫控儀包括處理器、數(shù)據(jù)采集電路、輸出控制電路、RS485接口、網(wǎng)絡(luò)接口、存儲模塊和電源模塊；所述數(shù)據(jù)采集電路包括熱電偶數(shù)據(jù)采集電路和冷端組件溫度采集電路，所述熱電偶數(shù)據(jù)采集電路包括依次串聯(lián)接的低通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊和磁耦隔離電路，所述低通濾波電路與熱電偶連接，所述磁耦數(shù)字隔離電路與處理器連接，所述冷端組件溫度采集電路包括與溫度傳感器連接的A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述與溫度傳感器連接的A/D轉(zhuǎn)換模塊通過磁耦隔離電路與溫控儀連接；所述輸出控制電路包括4-20mA電流輸出電路、PWM脈沖輸出電路、控制回路輸出電路和報警繼電器輸出電路，所述4-20mA電流輸出電路包括磁耦隔離電路、D/A轉(zhuǎn)換模塊和V/I轉(zhuǎn)換電路，所述D/A轉(zhuǎn)換模塊通過磁耦隔離電路與處理器連接，所述V/I轉(zhuǎn)換電路與D/A轉(zhuǎn)換模塊連接，所述PWM脈沖輸出電路、控制回路輸出電路和報警繼電器輸出電路分別通過光電隔離電路與處理器連接；所述RS485接口包括分別通過磁耦隔離電路與處理器連接的主、從RS485接口 ；所述網(wǎng)絡(luò)接口和存儲模塊分別與處理器連接；所述電源模塊為溫控器提供工作電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)，其特征是，所述存儲模塊包括鐵電存儲器和EEPROM存儲器，所述鐵電存儲器用于存儲實時數(shù)據(jù)記錄，所述EEPROM存儲器用以參數(shù)掉電保護(hù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種擴(kuò)散爐智能溫控系統(tǒng)，它包括若干可控硅、觸發(fā)電路、溫控儀、PLC控制器、熱電偶、舟控制裝置、質(zhì)量流量計、冷端組件、氣體混合控制器和觸摸屏。本發(fā)明采用具有結(jié)構(gòu)緊湊、控溫精度高和性能穩(wěn)定特點的溫控儀，通過分別設(shè)置在擴(kuò)散爐爐體內(nèi)各個溫區(qū)內(nèi)和爐壁上的熱電偶采集擴(kuò)散爐各個溫區(qū)的溫度，能夠?qū)U(kuò)散爐的多溫區(qū)進(jìn)行同步測控；采用上述溫控儀后，本發(fā)明對擴(kuò)散爐的各個溫區(qū)實現(xiàn)了單回路和串級控制，不僅具有集成度高、精度高、穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)大和功耗低等特點，而且降低了硬件成本，減少了編程人員的工作量。
文檔編號G05D23/22GK103092230SQ20131000513
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月7日
發(fā)明者李聰, 周志群, 張志偉 申請人:濟(jì)南大學(xué)