熱陣列系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種熱陣列系統(tǒng)。在熱陣列系統(tǒng)中，每個(gè)熱元件連接在多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的第一電力節(jié)點(diǎn)和第二電力節(jié)點(diǎn)之間，并且每個(gè)熱元件與可尋址開(kāi)關(guān)電串聯(lián)，該開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以激活和停用所述熱元件。
【專(zhuān)利說(shuō)明】熱陣列系統(tǒng)
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001]本申請(qǐng)要求于2011年8月30日提交的序列號(hào)61/528，939和于2012年4月19日提交的序列號(hào)61/635，310的臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，這些專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容全文弓I入本文以供參考。本申請(qǐng)還涉及題目為“高清晰度加熱器和操作方法(High Definition Heater andMethod of Operation) 加熱器的高清晰度并行控制系統(tǒng)(High Definition ParallelControl Systems for Heaters)，，、“熱陣列系統(tǒng)(Thermal Array System)，，、“熱陣列系統(tǒng)(Thermal Array System) ”、“控制熱陣列的系統(tǒng)和方法(System and Method forControlling A Thermal Array) ”以及“控制熱陣列的系統(tǒng)和方法(System and Method forControlling A Thermal Array) ”的與本申請(qǐng)同時(shí)提交并共同轉(zhuǎn)讓的共同未決申請(qǐng),這些專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容全文引入本文以供參考。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及一種熱陣列系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

在克服相關(guān)技術(shù)的缺點(diǎn)以及其它限制中，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，每個(gè)熱元件連接在多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的第一電力節(jié)點(diǎn)和第二電力節(jié)點(diǎn)之間，并且每個(gè)熱元件與可尋址開(kāi)關(guān)電串聯(lián)，該開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以激活和停用所述熱元件。
[0003]本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)閱讀下面的描述，本申請(qǐng)的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)，參照所附加的并形成本說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖和權(quán)利要求書(shū)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0004]圖1a是一個(gè)具有調(diào)諧層和根據(jù)本
【發(fā)明內(nèi)容】
的一種形式的原理構(gòu)造的加熱器的局部側(cè)視圖；
[0005]圖1b是具有調(diào)諧層或調(diào)諧加熱器和根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的加熱器的另一種形式的分解側(cè)視圖；
[0006]圖1c是加熱器的分解透視圖，其示出按照本發(fā)明的原理，基底加熱器的示例性四個(gè)(4)區(qū)域和調(diào)諧加熱器的十八個(gè)(18)區(qū)域；
[0007]圖1d是具有補(bǔ)充調(diào)諧層和根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的高清晰度加熱器系統(tǒng)的另一種形式的側(cè)視圖；
[0008]圖2示出了雙向熱陣列的示意圖；
[0009]圖3a示出了多并聯(lián)的熱陣列的示意圖；
[0010]圖3b示出了多并聯(lián)的和雙向的熱陣列的示意圖；
[0011]圖4是多并聯(lián)的和雙向的熱陣列的另一示意圖；
[0012]圖5示出了具有可尋址開(kāi)關(guān)的熱陣列的示意圖；
[0013]圖6A是一個(gè)示出控制熱陣列的方法的流程圖；[0014]圖6B是說(shuō)明來(lái)自6A的控制方法的時(shí)序圖；
[0015]圖7A是說(shuō)明熱陣列的另一種控制方法的流程圖；
[0016]圖7B是用于所述方法的一個(gè)實(shí)施例的四個(gè)節(jié)點(diǎn)拓?fù)洌?br> [0017]圖8是說(shuō)明用于測(cè)量熱陣列模式的電氣特性的方法的流程圖；
[0018]圖9a是說(shuō)明一種用于校準(zhǔn)熱陣列的方法的流程圖；
[0019]圖9b是說(shuō)明一種用于計(jì)算熱陣列的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)的方法的流程圖；
[0020]圖10示出了控制器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下描述在本質(zhì)上僅是示例性的，并不用來(lái)限制本
【發(fā)明內(nèi)容】
、應(yīng)用或用途。例如，本發(fā)明的以下形式旨在提供一種在半導(dǎo)體加工中使用的卡盤(pán)，并且在某些情況下為靜電卡盤(pán)。然而，應(yīng)當(dāng)理解，此處提供的加熱器和系統(tǒng)可以應(yīng)用在多種應(yīng)用中，并不限于半導(dǎo)體的加工應(yīng)用。
[0022]參考圖la，本發(fā)明的一種形式是加熱器50，其包括具有至少一個(gè)加熱器電路54嵌入其中的基底加熱器層52?；准訜崞鲗?2具有至少一個(gè)穿過(guò)其中的孔56 (或?qū)?，該孔形成用于將加熱器電路54連接到電源(未示出)?；准訜崞鲗?2提供初級(jí)加熱，而設(shè)置為靠近加熱層52的調(diào)諧加熱層60 (如所示)，提供由加熱器50所提供的熱量分布的調(diào)諧。調(diào)諧層60包括嵌入其中并獨(dú)立控制的多個(gè)單獨(dú)加熱元件62。至少一個(gè)孔64形成為穿過(guò)調(diào)諧層60，用于將多個(gè)單獨(dú)加熱元件62連接到電源和控制器(未示出)。進(jìn)一步如圖所示，將路由層66布置在基底加熱器52和調(diào)諧層60之間，并限定了內(nèi)腔68。第一組電引線70延伸穿過(guò)加熱器層孔56將加熱器電路54連接到電源。第二組電引線72將多個(gè)加熱元件62連接到電源并且延伸穿過(guò)路由層66的內(nèi)腔68，除了在基底加熱器層52中的孔55。應(yīng)當(dāng)理解，路由層66是可選的，并且可以采用沒(méi)有路由層66的加熱器50，而取而代之的僅僅具有基底加熱器層52和調(diào)諧加熱層60。
[0023]在另一種形式中，不提供熱分布的微調(diào)，調(diào)諧層60可以可替換地用于測(cè)量卡盤(pán)12中的溫度。這種形式提供了溫度依賴性電阻電路的多個(gè)特定區(qū)域或離散位置。這些溫度傳感器的每個(gè)可以分別地通過(guò)多路切換裝置讀取，將在以下以示例性形式更詳細(xì)闡明，使得基本上要使用多個(gè)傳感器，其相對(duì)于測(cè)量每個(gè)單獨(dú)的傳感器所需的信號(hào)線數(shù)量。溫度傳感反饋可以提供必需的控制決策的信息，例如，用于控制背面冷卻氣體壓力的特定區(qū)域來(lái)調(diào)節(jié)從襯底26到卡盤(pán)12的熱通量。這種相同的反饋也可以用來(lái)替換或增加靠近基底加熱器50安裝的溫度傳感器，用于經(jīng)由輔助冷卻液熱交換器來(lái)控制基底加熱區(qū)54的溫度或平衡板冷卻液溫度(未示出)。
[0024]在一種形式中，基底加熱器層50和調(diào)諧加熱層60由封閉加熱器電路54和調(diào)諧層加熱元件62以通常在250° 1:以下的中等溫度應(yīng)用的聚酰亞胺材料形成。此外，聚酰亞胺材料可以摻雜材料，以便增加熱導(dǎo)率。
[0025]在其它形式中，基底加熱器層50和/或調(diào)諧加熱層60是由一種成層方法形成，其中，所述層通過(guò)使用與厚膜、薄膜、熱噴涂或溶膠凝膠等相關(guān)聯(lián)的方法在襯底上或另一層上涂敷或積聚材料而形成。
[0026]在一種形式中，基底加熱器電路54由鉻鎳鐵合金(Inconel?)形成，并且調(diào)諧層加熱元件62是鎳材料。在另一種形式中，調(diào)諧層加熱元件62是由具有足夠溫度系數(shù)的電阻的材料形成，使得所述元件同時(shí)用作加熱器和溫度傳感器，通常是指“雙線控制”。這樣的加熱器和它們的材料公開(kāi)在美國(guó)專(zhuān)利N0.7，196，295和未決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)N0.11/475，534中，這與本申請(qǐng)共同轉(zhuǎn)讓并且其公開(kāi)內(nèi)容在這里全文引入作為參考。
[0027]采用雙線控制，本發(fā)明的各種形式包括溫度、功率、和/或基于所述層加熱元件62熱阻抗的控制，通過(guò)施加到在熱阻抗調(diào)諧層60中的單獨(dú)元件的每個(gè)的電壓和/或電流的常識(shí)或測(cè)量，通過(guò)乘法和除法轉(zhuǎn)換成電能和電阻，在第一種情況下，對(duì)應(yīng)等同于這些元件中的每個(gè)的熱通量輸出，并在第二種情況下，對(duì)應(yīng)等同于已知的元件溫度的關(guān)系。所有這些可用于計(jì)算和監(jiān)視每個(gè)元件上的熱阻抗負(fù)載以允許操作者或控制系統(tǒng)檢測(cè)并補(bǔ)償特定區(qū)域熱變化，所述變化可以起因于，但不限于由于使用或者維護(hù)、處理誤差以及設(shè)備老化引起的腔室或卡盤(pán)的物理變化。可選地，在熱阻抗調(diào)諧層60中，每個(gè)所述單獨(dú)控制的加熱元件可以分配對(duì)應(yīng)于相同的或不同的特定溫度的設(shè)定點(diǎn)電阻，則修改或閘控在襯底上的相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生的熱通量通過(guò)基底加熱器層52以在半導(dǎo)體加工期間控制襯底溫度。
[0028]在一種形式下，基底加熱器50接合于卡盤(pán)51，例如，通過(guò)使用有機(jī)硅粘合劑或甚至壓敏粘合劑。因此，加熱器層52提供初級(jí)加熱，調(diào)諧層60精確地調(diào)諧或調(diào)整加熱分布，例如，將均勻的或所需的溫度曲線提供給卡盤(pán)51，然后是襯底(未示出)。
[0029]在本發(fā)明的另一種形式中，調(diào)諧層加熱元件62的熱膨脹系數(shù)(CTE)與調(diào)諧加熱層襯底60的CTE相匹配，從而改善調(diào)諧層加熱元件62在暴露于應(yīng)變負(fù)載時(shí)的熱敏性。許多用于雙線控制的合適材料顯示出與電阻溫度設(shè)備(RTD)相似的特性，包括對(duì)溫度和應(yīng)變的電阻靈敏度。將調(diào)諧層加熱元件62的CTE匹配到調(diào)諧加熱層襯底60減少了對(duì)實(shí)際加熱元件的應(yīng)變。并且，當(dāng)工作溫度增加時(shí)，應(yīng)變水平趨于增加，因此CTE匹配變得不止是一個(gè)因素。在一種形式中，調(diào)諧層加熱元件62是CTE約為15ppm/°C的高純度鎳鐵合金，包圍它的聚酰亞胺材料具有約為16ppm/°C的CTE。在這種形式中，將調(diào)諧加熱層60結(jié)合到其它層的材料表現(xiàn)出彈性特性，這種特性物理地使調(diào)諧加熱層60從卡盤(pán)12的其它構(gòu)件脫離。應(yīng)當(dāng)理解的是，也可以使用具有可比較的CTE的其他材料，同時(shí)保持在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0030]現(xiàn)在參見(jiàn)圖lb-d，示出具有基底加熱器層和調(diào)諧層的加熱器的一個(gè)示例性的形式(如以上圖1a中的一般性描述),且一般地由附圖標(biāo)記80表不。加熱器80包括基板82 (也稱為冷卻板)，該基板在一個(gè)形式中為厚度約為16mm的鋁板。在一種形式中借助于所示的彈性接合層86，基底加熱器84固定到基板82。彈性材料粘合劑可以是公開(kāi)于美國(guó)專(zhuān)利N0.6，073，577的一種，其在此全文引入作為參考。根據(jù)本發(fā)明的一種形式，襯底88布置在基底加熱器84的頂部并且是厚度約Imm的鋁材料。襯底限定熱導(dǎo)率，以耗散所需量的基底加熱器84的功率。由于基底加熱器84具有相對(duì)高的功率，沒(méi)有必要量的熱導(dǎo)率，該基底加熱器84將在相鄰部件上留下“示位”標(biāo)(來(lái)自電阻電路跡線)，從而降低了整個(gè)加熱器系統(tǒng)的性能。
[0031]如上所述，一種調(diào)諧加熱器90設(shè)置在襯底88的頂部并且借助于彈性接合層94固定至卡盤(pán)92。在一種形式中，卡盤(pán)92是厚度約為2.5mm的氧化招材料。應(yīng)當(dāng)理解,此處所述的材料和尺寸都僅是示例性的，因此本發(fā)明不限于在此所述的特定形式。此外，調(diào)諧加熱器90具有比基底加熱器84低的功率，并且如上所述，襯底88用來(lái)耗散來(lái)自基底加熱器84的功率，使得“示位”標(biāo)不會(huì)在調(diào)諧加熱器90上形成。[0032]基底加熱器84和調(diào)諧加熱器90更詳細(xì)地示于圖lc，其中，示出了一種示例性四個(gè)
(4)區(qū)域用于基底加熱器84，和十八個(gè)(18)區(qū)域用于調(diào)諧加熱器90。在一種形式中，加熱器80適用于使用450mm的卡盤(pán)尺寸，然而，由于其能夠以高度調(diào)整熱量分布，加熱器80可使用較大或較小的卡盤(pán)尺寸。另外，高清晰度加熱器80可以圍繞卡盤(pán)的外圍使用，或在穿過(guò)卡盤(pán)的預(yù)定位置上，而不是如這里所述的堆疊/平面結(jié)構(gòu)。再進(jìn)一步，高清晰度加熱器80可以用于處理套件、腔壁、上蓋、氣體管道、以及噴頭，以及其它半導(dǎo)體加工設(shè)備內(nèi)的部件。還應(yīng)理解，本文所示和所述的加熱器和控制系統(tǒng)可用于許多應(yīng)用，并且因此該示例性的半導(dǎo)體加熱器卡盤(pán)應(yīng)用不應(yīng)該解釋為限制本發(fā)明的范圍。
[0033]本發(fā)明還設(shè)想基底加熱器84和調(diào)諧加熱器90不限于加熱功能。應(yīng)該理解，一個(gè)或更多的這些構(gòu)件分別稱為“基底功能層”和“調(diào)諧層”，也可以可選地是溫度傳感器層或其它功能構(gòu)件，同時(shí)保持在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0034]如圖ld，可以在卡盤(pán)12的頂面上為雙調(diào)諧能力提供次級(jí)調(diào)諧層加熱器99的夾雜物。次級(jí)調(diào)諧層可以可選地用作溫度傳感層而不是加熱層，同時(shí)保持在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，可以采用任何數(shù)量的調(diào)諧層加熱器，而不應(yīng)限于在這里所示出和所描述的。
[0035]現(xiàn)在參考圖2，提供熱陣列系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括控制器110。控制器110可以是控制電路或基于控制器的微處理器?？刂破?10可以配置為接收傳感器測(cè)量并執(zhí)行基于所述測(cè)量的控制算法。在一些實(shí)施例中，控制器可以測(cè)量一個(gè)或多個(gè)熱陣列元件的電氣特性。此外，控制器110可以包括和/或控制多個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)基于所述測(cè)量值來(lái)將多少功率提供給陣列的每個(gè)熱元件。
[0036]在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)三相功率輸入(如附圖標(biāo)記112、114、116所指示的)將功率提供給陣列。輸入功率可以連接到整流電路118，以提供正直流(DC)電力線120和負(fù)直流電力線122。該功率可通過(guò)六個(gè)電力節(jié)點(diǎn)分配至熱陣列?？刂破?10可以配置為控制多個(gè)開(kāi)關(guān)，使得在正電源線120可以路由到六個(gè)電力節(jié)點(diǎn)中的任何一個(gè)，負(fù)電源線122也能路由到多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)中的任何一個(gè)。
[0037]在示出的實(shí)施方案中，電力節(jié)點(diǎn)配置成兩組節(jié)點(diǎn)。第一組節(jié)點(diǎn)包括電力節(jié)點(diǎn)136a、電力節(jié)點(diǎn)136b和電力節(jié)點(diǎn)136c，第二組包括電力節(jié)點(diǎn)138a、電力節(jié)點(diǎn)138b和電力節(jié)點(diǎn)138c。在所示的實(shí)施方案中，熱元件配置成矩陣布置，配有三組熱元件，每組包含六個(gè)熱元件。然而，如同這里描述的每個(gè)實(shí)施例，可以使用更多或更少的節(jié)點(diǎn)，且另外，熱元件的數(shù)量可以隨著節(jié)點(diǎn)的數(shù)目對(duì)應(yīng)地增加或減少。
[0038]熱元件的第一組160都連接到節(jié)點(diǎn)138a。類(lèi)似地，熱元件的第二組170都連接到電力節(jié)點(diǎn)138b，而熱元件的第三組180都連接到電力節(jié)點(diǎn)138c。熱元件可以是加熱器元件。該加熱器元件可以由導(dǎo)電材料形成，例如，具有溫度依賴性的電阻。更為具體地，熱元件可以是具有電氣特性的加熱器元件，例如與溫度相關(guān)的電阻、電容或電感。雖然，熱元件通常還可以分類(lèi)為耗散元件，例如電阻元件。因此，在每個(gè)所述實(shí)施方案中的熱元件可以具有上述的任何特征。
[0039]在各組中，六個(gè)熱元件配置成成對(duì)的熱元件。例如，在第一組160，第一對(duì)熱元件146a包括第一熱兀件164和第二熱兀件168。第一熱兀件164配置成與第二熱兀件168電并聯(lián)連接。此外，第一熱元件164與單向電路162電串聯(lián)連接。單向電路162可以配置以允許電流沿一個(gè)方向而不能沿相反的方向流經(jīng)熱元件164。同樣地，單向電路162是以其最簡(jiǎn)單的形式示為二極管。
[0040]，示為二極管的第一單向電路162的陰極連接到節(jié)點(diǎn)136a，陽(yáng)極通過(guò)熱元件164連接到節(jié)點(diǎn)138a。以類(lèi)似的方式，第二單向電路166示為二極管，其陰極通過(guò)第二熱元件168連接到節(jié)點(diǎn)138a，其陽(yáng)極連接到節(jié)點(diǎn)136a，從而顯示出相對(duì)于第二單向電路166的第一單向電路162的單向性質(zhì)。注意，二極管作為單向電路的實(shí)施方案僅可以用于一伏電源，但是，各種其它電路可以設(shè)計(jì)包括例如用于為更高的電源電壓工作的硅控整流器(SCR)的電路。之后將更詳細(xì)的說(shuō)明這些單向電路的實(shí)施方案，但其可以與這里所述的任何實(shí)施方案相結(jié)合使用。
[0041]以類(lèi)似的方式，第二熱元件168與第二單向電路166電串聯(lián)連接，其以最簡(jiǎn)單的形式示為二極管。第一熱元件164和第一單向電路162平行于電力節(jié)點(diǎn)138a和電力節(jié)點(diǎn)136a之間的第二熱元件168和第二單向電路166。因此，如果控制器110將正電壓施加到節(jié)點(diǎn)136a，將負(fù)電壓施加到節(jié)點(diǎn)138a，那么功率將施加在第一對(duì)146a的第一熱元件164和第二熱元件168。如上所述，第一單向電路162沿第二單向電路166的相反方向取向。這樣，當(dāng)將正電壓施加到節(jié)點(diǎn)138a和將負(fù)電壓施加到節(jié)點(diǎn)136a時(shí)，第一單向電路162允許電流流經(jīng)第一熱元件164，但在將正電壓提供給節(jié)點(diǎn)136a和將負(fù)電壓提供給節(jié)點(diǎn)138a時(shí)阻止電流流動(dòng)。相反，當(dāng)將正電壓施加到節(jié)點(diǎn)136a和將負(fù)電壓施加到138a，允許電流流過(guò)第二熱元件168，然而，當(dāng)切換極性時(shí)，第二單向電路166阻止電流流過(guò)第二熱元件168。
[0042]另外，一組中的每一對(duì)熱元件連接到第一組電力節(jié)點(diǎn)136a、136b、136c的不同電力節(jié)點(diǎn)。因此，第一組160的第一對(duì)熱元件146a連接在節(jié)點(diǎn)136a和138a之間。第二對(duì)熱元件146b連接在電力節(jié)點(diǎn)136b和電力節(jié)點(diǎn)138a之間，而組160的第三對(duì)熱元件146c連接在電力節(jié)點(diǎn)136c和電力節(jié)點(diǎn)138a之間。同樣，控制器110可以配置成通過(guò)將電力節(jié)點(diǎn)138a連接到電源或回路以選擇元件組的電源，然后，通過(guò)將節(jié)點(diǎn)136a、136b或136c其中一個(gè)分別連接到電源或回路，可以選擇一對(duì)熱元件(146a，146b，146c)。此外，基于在節(jié)點(diǎn)138a和節(jié)點(diǎn)136a、136b和/或136c之間所提供的電壓的極性，控制器110可以選擇將電源提供到每對(duì)的第一元件或每對(duì)的第二元件。
[0043]以同樣的方式，第二組熱元件170連接在第二組節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)138b和節(jié)點(diǎn)136a、136b和136c之間。這樣，組170的第一對(duì)146d熱元件可以使用電力節(jié)點(diǎn)136a選擇，而組170的第二對(duì)146e和第三對(duì)146f熱元件可以分別由節(jié)點(diǎn)136b和136c選擇。
[0044]類(lèi)似地，第二組熱元件180連接在第二組節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)138c和節(jié)點(diǎn)136a、136b和136c之間。組180的第一對(duì)146g熱元件可以使用電力節(jié)點(diǎn)136a選擇，而組170的第二對(duì)146h和第三對(duì)146i熱元件可以分別由節(jié)點(diǎn)136b和136c選擇。
[0045]對(duì)于所示實(shí)施方案，控制器110操縱多個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)將正電源線120連接到第一組電力節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)，將負(fù)電源線122連接到第二組電力節(jié)點(diǎn)，或者可選地，將正電源線120連接到第二組電力節(jié)點(diǎn)，將負(fù)電源線122連接到第一組電力節(jié)點(diǎn)122。同樣，控制器110將控制信號(hào)124提供到第一極性控制開(kāi)關(guān)140和第二極性控制開(kāi)關(guān)142。第一極性控制開(kāi)關(guān)140將第一組電力節(jié)點(diǎn)連接到正電源線120或負(fù)電源線122，而第二極性開(kāi)關(guān)142將第二組電力節(jié)點(diǎn)連接到正電源線120或負(fù)電源線122上。
[0046]此外，控制器110將控制信號(hào)126提供到第一組電源開(kāi)關(guān)130、132和134。這些開(kāi)關(guān)130、132和134將開(kāi)關(guān)140的輸出(正電源線120或負(fù)電源線122)分別連接到第一節(jié)點(diǎn)136a、第二節(jié)點(diǎn)136b和第三節(jié)點(diǎn)136c。此外，控制器110提供控制信號(hào)128至第二組電源開(kāi)關(guān)150、152和154。這些開(kāi)關(guān)150、152和154將開(kāi)關(guān)142的輸出(正電源線120或負(fù)電源線122)分別連接到第一節(jié)點(diǎn)138a、第二節(jié)點(diǎn)138b和第三節(jié)點(diǎn)138c。
[0047]現(xiàn)在參考圖3a，提供了一種多并聯(lián)的熱陣列系統(tǒng)200。該系統(tǒng)200包括控制系統(tǒng)210。該控制系統(tǒng)可包括類(lèi)似于在本申請(qǐng)文件中描述的那些的微處理器、開(kāi)關(guān)，以及其他離散部件以實(shí)現(xiàn)這里所述的邏輯。熱元件以多并聯(lián)的方式在電力節(jié)點(diǎn)對(duì)上排列。對(duì)于所示的實(shí)施方案中，提供了六個(gè)電力節(jié)點(diǎn)(212、214、216、218、220、222)。此外，每個(gè)熱元件在一對(duì)電力節(jié)點(diǎn)之間連接。更具體地，每個(gè)熱元件在不同對(duì)的電力節(jié)點(diǎn)之間連接。這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)連接在本身和每個(gè)其它電力節(jié)點(diǎn)之間的熱元件。
[0048]因此，熱元件230連接在節(jié)點(diǎn)212和節(jié)點(diǎn)222之間，熱元件232連接在節(jié)點(diǎn)212和節(jié)點(diǎn)220之間，熱元件234連接在節(jié)點(diǎn)212和節(jié)點(diǎn)218之間，熱元件236連接在節(jié)點(diǎn)212和節(jié)點(diǎn)216，以及熱元件238連接在節(jié)點(diǎn)212和節(jié)點(diǎn)214之間。這樣，節(jié)點(diǎn)212通過(guò)熱元件(230、232、234、236 或 238)連接到其它節(jié)點(diǎn) 214、216、218、220 和 222 的每一個(gè)。
[0049]類(lèi)似地，熱元件240連接在節(jié)點(diǎn)214和節(jié)點(diǎn)222之間，熱元件242連接在節(jié)點(diǎn)214和節(jié)點(diǎn)220之間，熱元件244連接在節(jié)點(diǎn)214和節(jié)點(diǎn)218之間，并且熱元件246連接在節(jié)點(diǎn)214和節(jié)點(diǎn)216之間。應(yīng)當(dāng)指出，連接在節(jié)點(diǎn)214和節(jié)點(diǎn)212之間的熱元件已經(jīng)標(biāo)識(shí)為熱元件238。另外，每一個(gè)其他對(duì)元件之間的連接由連接在節(jié)點(diǎn)216和節(jié)點(diǎn)222之間的熱元件250，連接在節(jié)點(diǎn)216和節(jié)點(diǎn)220之間的熱元件252，連接在節(jié)點(diǎn)216和節(jié)點(diǎn)218之間的熱元件254，連接在節(jié)點(diǎn)218和節(jié)點(diǎn)222之間的熱元件260，連接在節(jié)點(diǎn)218和節(jié)點(diǎn)220之間的熱元件262，和連接在節(jié)點(diǎn)220和節(jié)點(diǎn)222之間的熱元件270提供。
[0050]控制器210配置為將電源連接、回路連接，或開(kāi)路提供到每個(gè)節(jié)點(diǎn)。另外，可以認(rèn)識(shí)到，多并聯(lián)的拓?fù)滹@著不同于圖2中提供的矩陣拓?fù)洹６嗖⒙?lián)拓?fù)湟?guī)定熱元件網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于加熱用電分布以及理解用于熱感測(cè)的所有元件的相互作用整體考慮。例如，如果將電源提供到節(jié)點(diǎn)212并將回路連接提供到節(jié)點(diǎn)222，主電源路徑通過(guò)熱元件230。然而，次級(jí)路徑將在網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)其它元件中的每個(gè)回到節(jié)點(diǎn)222存在。同樣，控制器210在將電源和回路提供到任何配置的節(jié)點(diǎn)時(shí)必須考慮提供給主路徑的熱元件的電力以及通過(guò)次級(jí)路徑提供給所有的其它元件的電力。基于具有不同特性的每個(gè)熱元件，或者通過(guò)設(shè)計(jì)、環(huán)境影響、或制造公差，此任務(wù)非常復(fù)雜。
[0051]對(duì)于這種拓?fù)?，在不使用具有如上所述的SCR、二極管和其它元件的開(kāi)關(guān)電路的情況下，控制方案可以采用六個(gè)(6)導(dǎo)線和十五個(gè)(15)元件。相對(duì)于這一控制方案的導(dǎo)線的最大元件數(shù)目是E= 1/2 (N X(N-1))。盡管每一導(dǎo)線可以連續(xù)供電，將獨(dú)立的電壓施加給任何節(jié)點(diǎn)組合，但這個(gè)系統(tǒng)很難控制。根據(jù)本發(fā)明的這種形式，導(dǎo)線選擇性地連接到電源、回路或者為開(kāi)路，使用指定時(shí)間段的這些組合的序列，以便產(chǎn)生所需的平均熱分布。例如，一種組合可以是將A和B連接到電源，C和D連接到回路，而E和F為開(kāi)路；另一組合可以是將A和C連接到電源，將D連接到回路，而B(niǎo)、E和F為開(kāi)路。這些組合或模式，然后在不同的時(shí)間段按順序施加到調(diào)諧層加熱元件中，例如，將第一模式施加在第一時(shí)間A，第二模式施加在第二時(shí)間t2，等等，使得所得的時(shí)間順序在調(diào)諧層加熱器中產(chǎn)生所需平均熱分布。在一種形式中，使用的定時(shí)序列時(shí)間間隔比加熱器的熱時(shí)間常數(shù)短得多，使得加熱器中溫度波動(dòng)保持為足夠低的水平。在給出的六個(gè)導(dǎo)線實(shí)施例中，有N-導(dǎo)線的301種可能的非冗余模式，其中非冗余模式是指在至少一個(gè)元件中能夠產(chǎn)生功率的一種，且不會(huì)在系統(tǒng)中的相同的元件上作為另一模式產(chǎn)生相同的功率。如果移除開(kāi)路電路相關(guān)聯(lián)的模式，那么N-導(dǎo)線的非冗余模式(mode)的數(shù)目是Modes = 2^-1。因此，對(duì)于相同的六個(gè)導(dǎo)線，十五個(gè)元件系統(tǒng)中，有31種無(wú)冗余，非零(null)模式。所得六個(gè)節(jié)點(diǎn)、十五個(gè)元件系統(tǒng)的模式矩陣[PxM]，或者是(15x301)或者是(15乘31)，需要矩陣方程[PE] = [PxM].[Modes]的解，其中，Pe為從元件輸出的功率向量(熱通量)。在開(kāi)路的情況下，多平行模式的數(shù)目=(3N - 2n+1-1) /2 (非冗余)。如果使用全開(kāi)路包容性矩陣和產(chǎn)生高度易錯(cuò)和難以實(shí)現(xiàn)的模式向量，由于必須在給定時(shí)間窗口中產(chǎn)生的模式數(shù)量，該[PxM]矩陣是不確定的和可能是病態(tài)的。此外，解并不是總可以用于所有期望的功率向量。通過(guò)基于矩陣條件選擇模式子集，可以減少?gòu)?fù)雜性和誤差。評(píng)估選定的模式子集的矩陣條件的一種方法是在[PxM]的矩陣的子集上執(zhí)行奇值分解，將子集相互比較并選擇具有最大非零奇值和最小非零奇值的最小比率的組。只可以使用非負(fù)模式，這是因?yàn)楣β手荒芴砑拥皆撓到y(tǒng)，因此該矩陣可以用來(lái)解決非負(fù)最小平方問(wèn)
題.,、,].[Mo也s']-[P, ]|丨，其中M0des ^ O。檢查所述解的殘基，得到的解誤差的測(cè)
量。有限數(shù)量的這些解將是相近似的，但是隨著導(dǎo)線和元件數(shù)量的增加，使系統(tǒng)變得更受限制，用于每個(gè)部件的低誤差獨(dú)立功率解的范圍降低。應(yīng)當(dāng)注意，提出的方法是用于元件的功率控制，并且，由于不確定的拓?fù)?，具有低TCR的穩(wěn)定電阻元件將產(chǎn)生最小誤差的解，但這并不排除使用高TCR元件或使用單獨(dú)的溫度感測(cè)平面以使該系統(tǒng)在溫度控制下。
[0052]現(xiàn)在參照?qǐng)D3b，提供多并聯(lián)的和雙向的熱陣列系統(tǒng)300。熱陣列系統(tǒng)300包括控制系統(tǒng)310。該控制系統(tǒng)310可以包括在申請(qǐng)中描述的那些部件類(lèi)似的微處理器、開(kāi)關(guān)、以及其他離散部件來(lái)實(shí)現(xiàn)這 里所述的邏輯。如在圖2中，熱元件在電力節(jié)點(diǎn)對(duì)上以多并聯(lián)的方式排列。由于是雙向的，兩倍數(shù)量的元件能夠以相同數(shù)量的節(jié)點(diǎn)控制。對(duì)于所示的實(shí)施例中，六個(gè)電力節(jié)點(diǎn)(312、314、316、318、320、222)。此外，每一對(duì)熱元件連接在一對(duì)電力節(jié)點(diǎn)之間，其中成對(duì)熱元件的每個(gè)熱元件具有不同的極性。更具體地，每對(duì)熱元件連接在不同對(duì)的電力節(jié)點(diǎn)之間。這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一對(duì)在其自身和每一個(gè)其它電力節(jié)點(diǎn)之間連接的熱元件，其中每一對(duì)中的熱元件通過(guò)不同極性的電源啟用。
[0053]因此，熱元件對(duì)350連接在節(jié)點(diǎn)312和節(jié)點(diǎn)322之間。熱元件對(duì)350包括第一熱元件332和第二熱元件334。第一熱元件332配置成與第二熱元件334電并聯(lián)連接。此外，第一熱元件332與單向電路330電串聯(lián)連接。單向電路330可以配置成允許電流在一個(gè)方向上而不是相反的方向上流經(jīng)熱元件332。同樣地，單向電路330是以其最簡(jiǎn)單的形式示出
為二極管。
[0054]第一單向電路330示為二極管，其陰極連接到節(jié)點(diǎn)312和其陽(yáng)極通過(guò)熱元件332連接到節(jié)點(diǎn)314。以類(lèi)似的方式，第二單向電路336示為二極管，其陰極連接到節(jié)點(diǎn)314和其陽(yáng)極通過(guò)第二熱元件334連接到節(jié)點(diǎn)312，從而顯示出相對(duì)于第二單向電路336的第一單向電路330的單向性質(zhì)。
[0055]這樣，當(dāng)將正電壓施加到節(jié)點(diǎn)322并且將負(fù)電壓施加到節(jié)點(diǎn)312時(shí)，第一單向電路330允許電流流經(jīng)第一熱元件332，但在將正電壓提供給節(jié)點(diǎn)312和將負(fù)電壓提供到節(jié)點(diǎn)322時(shí)阻止電流流動(dòng)。相反，當(dāng)將正電壓施加到節(jié)點(diǎn)312和將負(fù)電壓施加到322時(shí)，允許電流流經(jīng)第二熱元件334，然而，當(dāng)切換極性時(shí)，第二單向電路336阻止流經(jīng)第二熱元件334的電流。
[0056]熱元件對(duì)352連接在節(jié)點(diǎn)312和節(jié)點(diǎn)320之間，熱元件對(duì)354連接在節(jié)點(diǎn)312和節(jié)點(diǎn)318之間，熱元件對(duì)356連接在節(jié)點(diǎn)312和節(jié)點(diǎn)316之間，且熱元件對(duì)358連接在節(jié)點(diǎn)312和節(jié)點(diǎn)314之間。這樣，節(jié)點(diǎn)312通過(guò)熱元件對(duì)(350、352、354、356或358)連接到其它節(jié)點(diǎn)314、316、318、320和322中的每一個(gè)。類(lèi)似地，熱元件對(duì)360連接在節(jié)點(diǎn)314與節(jié)點(diǎn)322之間，熱元件對(duì)362連接在節(jié)點(diǎn)314和節(jié)點(diǎn)320之間，熱元件對(duì)364連接在節(jié)點(diǎn)314和318之間，且熱元件對(duì)366連接在節(jié)點(diǎn)314和節(jié)點(diǎn)316之間。應(yīng)注意的是，節(jié)點(diǎn)314和節(jié)點(diǎn)312之間的連接已經(jīng)通過(guò)熱元件對(duì)358識(shí)別。
[0057]另外，每一個(gè)其他元件對(duì)之間的連接由連接在節(jié)點(diǎn)316和節(jié)點(diǎn)322之間的熱元件對(duì)370，連接在節(jié)點(diǎn)316和節(jié)點(diǎn)320之間的熱元件對(duì)372，連接在節(jié)點(diǎn)316和節(jié)點(diǎn)318之間的熱元件對(duì)374，連接在節(jié)點(diǎn)318和節(jié)點(diǎn)322之間的熱元件對(duì)380，連接在節(jié)點(diǎn)318和節(jié)點(diǎn)320之間的熱元件對(duì)382，以及連接在節(jié)點(diǎn)320和節(jié)點(diǎn)322之間的熱元件對(duì)390提供。
[0058]控制器310配置成將電源連接、回路連接或開(kāi)路提供到每個(gè)節(jié)點(diǎn)。如上所述，多并聯(lián)拓?fù)涮峁嵩W(wǎng)絡(luò)相對(duì)于加熱用電分布以及理解用于熱感測(cè)的所有元件的相互作用整體考慮。例如，如果電力提供給節(jié)點(diǎn)312和將回路連接提供給節(jié)點(diǎn)322時(shí)，主電源路徑通過(guò)熱元件對(duì)350。然而，次級(jí)路徑將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)其它元件回到節(jié)點(diǎn)322。同樣，在將供電和回路提供到節(jié)點(diǎn)的任何配置時(shí)，控制器310必須考慮提供給主路徑的熱元件的電力以及通過(guò)次級(jí)路徑提供到所有其它元件的電力。
[0059]現(xiàn)在參照?qǐng)D4，提供雙向的和多并聯(lián)的熱元件系統(tǒng)的另一種實(shí)施方案。系統(tǒng)400包括控制器410，其控制多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)。對(duì)于所示的實(shí)施方案中，控制器410控制六個(gè)電力節(jié)點(diǎn)412、414、416、418、420和422。如先前所描述的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)熱元件連接到其它節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)。此外，在雙向情況下，每個(gè)元件是通過(guò)兩個(gè)熱元件連接每一個(gè)其它元件，其中熱元件中的一個(gè)以第一極性連接所述節(jié)點(diǎn)對(duì)，而第二熱元件以相反的極性連接所述元件對(duì)。
[0060]在系統(tǒng)400中，每一單向電路430示出為元件的組合，包括SCR432、二極管436和穩(wěn)壓二極管434。單向元件430與每一熱元件(例如,熱元件438)電串聯(lián)連接。如圖所示，熱元件438和單向電路430在節(jié)點(diǎn)414和節(jié)點(diǎn)412之間電串聯(lián)連接。如果將正電源電壓提供給節(jié)點(diǎn)414和將回路提供給節(jié)點(diǎn)412，則使電流流過(guò)熱元件438和SCR432。熱元件438連接在節(jié)點(diǎn)414和SCR432的陽(yáng)極之間。SCR432的陽(yáng)極連接到熱元件438和二極管436的陽(yáng)極。二極管436的陰極連接到穩(wěn)壓二極管434的陰極。此外，穩(wěn)壓二極管434的陽(yáng)極連接到SCR432的源極和節(jié)點(diǎn)412。
[0061]當(dāng)柵極電流流向SCR時(shí)，SCR432觸發(fā)。當(dāng)電流流經(jīng)二極管436的方向并超過(guò)穩(wěn)壓二極管434的電壓間隙，SCR接收柵極電流。雖然，SCR的柵極電流可以通過(guò)裝置的另一種結(jié)構(gòu)觸發(fā)。另外，觸發(fā)可以是除電的之外的方式，例如光學(xué)或磁性。一旦激活SCR且傳導(dǎo)電流，直到電流停止才關(guān)閉。盡管這種結(jié)構(gòu)是為了示例性目的而示出，應(yīng)該注意，附加的單向結(jié)構(gòu)也是可用的。例如，附加的元件可用于連接到SCR和二極管，例如，提供緩沖器以防止SCR的意外觸發(fā)。
[0062]因此，包括熱元件和單向電路熱配置，例如440，配置在每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，例如，在節(jié)點(diǎn)414和節(jié)點(diǎn)412之間。此外，在雙向結(jié)構(gòu)中，具有相反極性的兩個(gè)熱配置可以連接在多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間。例如，熱配置440連接在節(jié)點(diǎn)414和節(jié)點(diǎn)412之間，但與單向電路430的極性相反。從圖中可以看出，SCR433的陰極連接到節(jié)點(diǎn)414，而SCR432的陰極連接到節(jié)點(diǎn)412。因此，每個(gè)將僅在相反極性的情況下傳導(dǎo)。
[0063]在控制器410中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以連接到一對(duì)開(kāi)關(guān)，如附圖標(biāo)記492所示。一對(duì)開(kāi)關(guān)可以是晶體管，例如以半橋配置的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。第一晶體管490可以是在激活時(shí)將節(jié)點(diǎn)412連接到回復(fù)電壓的低控制開(kāi)關(guān)，而第二晶體管491可以是在激活時(shí)將節(jié)點(diǎn)412連接到電源電壓的高控制開(kāi)關(guān)。第一晶體管490可具有通過(guò)分流器498連接到負(fù)電壓線的源極和連接到多個(gè)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)的漏極。另一個(gè)晶體管491可以具有連接到節(jié)點(diǎn)412的源極和連接到正電壓節(jié)點(diǎn)的漏極。此外，第一晶體管490和第二晶體管491各自可以具有連接到控制電路的柵極或?qū)崿F(xiàn)控制邏輯的微處理器。還應(yīng)注意，控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)裝置(例如半橋配置)可以應(yīng)用于在此應(yīng)用的任何拓?fù)洹?br> [0064]每個(gè)其它節(jié)點(diǎn)還具有一對(duì)相應(yīng)的晶體管。具體地，節(jié)點(diǎn)414連接到晶體管對(duì)493，節(jié)點(diǎn)416連接到晶體管對(duì)494，節(jié)點(diǎn)418連接到晶體管對(duì)495，節(jié)點(diǎn)420連接到晶體管對(duì)496，節(jié)點(diǎn)422連接到晶體管對(duì)497。雖然控制電路410可以獨(dú)立地提供回路、電源或開(kāi)路的組合至各個(gè)節(jié)點(diǎn)，至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)將連接到電源電壓，至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)將連接到回路。供應(yīng)電源，回路(例如接地)，以及開(kāi)路條件的各種組合可以提供給節(jié)點(diǎn)。每個(gè)組合是用于提供給熱元件陣列供電的可能的模式。
[0065]對(duì)于每種模式或節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的組合，電流將流過(guò)分流器498，并可以由控制電路410測(cè)量。此外，微處理器可以測(cè)量分流器兩端的電壓或通過(guò)分流器的電流來(lái)確定熱元件陣列的電氣特性，如網(wǎng)絡(luò)電阻。例如，網(wǎng)絡(luò)電阻可用于控制每個(gè)模式應(yīng)用的時(shí)間量，或用于修改其他電路參數(shù)，例如輸入電壓、占空比、電流或其它的電氣特性。
[0066]現(xiàn)在參考圖5，提供了具有可尋址開(kāi)關(guān)的熱陣列系統(tǒng)500?？刂破?10可以連接到正節(jié)點(diǎn)514和負(fù)節(jié)點(diǎn)516。電源512連接在正節(jié)點(diǎn)514和負(fù)節(jié)點(diǎn)516之間。每個(gè)熱元件與在正節(jié)點(diǎn)514和負(fù)節(jié)點(diǎn)516之間的可尋址開(kāi)關(guān)電串聯(lián)連接。
[0067]每個(gè)可尋址開(kāi)關(guān)可以是離散元件的電路，包括例如晶體管、比較器和SCR的或集成的裝置，例如，微處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)，或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)。信號(hào)可以通過(guò)正節(jié)點(diǎn)514和/或負(fù)節(jié)點(diǎn)516提供給可尋址開(kāi)關(guān)524。例如，功率信號(hào)可以是頻率調(diào)制、振幅調(diào)制、占空比調(diào)制或者載波信號(hào)，提供指示當(dāng)前激活的(多個(gè))開(kāi)關(guān)身份的開(kāi)關(guān)標(biāo)識(shí)。此外，可以在相同的通信介質(zhì)上提供各種命令(例如，接通、切斷或校準(zhǔn)命令)。在一個(gè)實(shí)施例中，三個(gè)標(biāo)識(shí)符可以傳送給所有的可尋址開(kāi)關(guān)，允許控制27個(gè)可尋址開(kāi)關(guān)，從而各自啟用或禁用27個(gè)熱元件。每個(gè)熱元件522和可尋址開(kāi)關(guān)524形成一個(gè)連接在正節(jié)點(diǎn)514和負(fù)節(jié)點(diǎn)516之間的可尋址模塊520。每個(gè)可尋址開(kāi)關(guān)可以從電力線接收功率和信息，因此，也可以分別連接到第一節(jié)點(diǎn)514和/或第二節(jié)點(diǎn)516。
[0068]可尋址模塊中的每一個(gè)可以具有唯一的標(biāo)識(shí)(ID)，并且可以基于每個(gè)標(biāo)識(shí)符來(lái)劃分成組。例如，在第一行中的所有的可尋址模塊(520、530、532、534、536、538、540、542、544)可以具有第一標(biāo)識(shí)符或標(biāo)識(shí)符xl。類(lèi)似地，在第二行中的所有可尋址模塊(546、548、550、552、554、556、558、560、562)可以具有標(biāo)識(shí)符x2，而在第三行中的模塊(564、566、568、570、572、574、576、578、580)具有標(biāo)識(shí)符x3。以相同的方式，可尋址模塊的前三列582 (520、530、532、546、548、550、564、566、568)可以具有標(biāo)識(shí)符zl。同時(shí)，第二個(gè)三列584可以具有標(biāo)識(shí)符z2，而第三個(gè)三列586可以具有標(biāo)識(shí)符z3。類(lèi)似地，為了尋址組內(nèi)的每個(gè)模塊，每個(gè)可尋址模塊在每一組內(nèi)具有唯一 y標(biāo)識(shí)符。例如，在組526中，尋址模塊534具有標(biāo)識(shí)符yl，可尋址模塊536具有標(biāo)識(shí)符y2，以及可尋址模塊538具有標(biāo)識(shí)符y3。
[0069]現(xiàn)在參照?qǐng)D6A，提供了一種方法600用于控制熱元件陣列。該方法開(kāi)始于框610。在框612，控制器為陣列的每個(gè)熱元件計(jì)算設(shè)定點(diǎn)。例如，電阻設(shè)定點(diǎn)可以為每個(gè)熱元件設(shè)置，使得該元件的測(cè)量電阻可以用作觸發(fā)器來(lái)停止為該元件供電。在框614，計(jì)算每個(gè)熱元件的時(shí)間窗口。該時(shí)間窗口可以是分配給特定熱元件供電的時(shí)間。雖然，如果加熱元件電阻高于設(shè)定點(diǎn)，控制器可在時(shí)間窗口的剩余部分保持休眠，或可以直接移至下一窗口以對(duì)下一熱元件供電。然而，理想的是，對(duì)每個(gè)熱元件用最小的等待時(shí)間，使得功率不是恒定地提供到系統(tǒng)以達(dá)成測(cè)量目的，因而加熱元件超過(guò)加熱應(yīng)用所需要的。
[0070]在框616中，控制器確定是否已到達(dá)當(dāng)前熱元件的時(shí)間窗口的結(jié)束。如果已經(jīng)到達(dá)當(dāng)前熱元件的時(shí)間窗口的結(jié)束，方法沿線路620至框622。在框622中，控制器遞增至陣列內(nèi)的下一熱元件，并行進(jìn)到框616，在那里該過(guò)程繼續(xù)。如果時(shí)間窗口沒(méi)有到達(dá)結(jié)束，則方法沿線路618至框624。在框624中，控制器可同時(shí)向熱元件供電和測(cè)量熱元件的電氣特性。在框626中，控制器基于所測(cè)量的特性確定熱元件是否已經(jīng)超過(guò)熱元件設(shè)定點(diǎn)。如果已經(jīng)超過(guò)該設(shè)定點(diǎn)，該方法可以等待，直到定時(shí)窗口完成，或者，在一定的延遲后，繼續(xù)沿線路628到框622。在框622中，熱元件遞增到下一熱元件并且過(guò)程行進(jìn)到框616。如果熱元件基于所測(cè)量的特性沒(méi)有超過(guò)該設(shè)定點(diǎn)，所述過(guò)程沿線路630到框616，在那里該過(guò)程繼續(xù)。
[0071]現(xiàn)在參照?qǐng)D6B,提供了說(shuō)明方法600的一種情況的時(shí)序圖。在第一時(shí)間窗口 650期間考慮第一元件。第一元件的電阻用線路654表示。而且，應(yīng)當(dāng)注意的是，熱元件的電阻可以與熱元件相互關(guān)聯(lián)。第一熱元件的設(shè)定點(diǎn)通過(guò)線路652表示。隨著電力被施加給熱元件，熱元件的溫度在第一時(shí)間窗口 650期間升高。然而，在第一時(shí)間窗口 650過(guò)去之前，第一熱元件溫度過(guò)低，不能達(dá)到設(shè)定點(diǎn)652。
[0072]在第二時(shí)間窗口 656期間，控制器將電力提供到第二元件以測(cè)量電阻658。在這種情況下，溫度因而電阻658剛好高于元件的設(shè)定點(diǎn)660。由于電阻太高，則確定元件過(guò)熱。因此，立即在第二時(shí)間窗口 656的剩余部分將第二熱元件關(guān)掉。該控制器可以在第二時(shí)間窗口 656的剩余部分保持休眠，或者可在預(yù)定義的時(shí)間延遲之后，移動(dòng)到第三時(shí)間窗口 662。
[0073]在第三時(shí)間窗口 662，對(duì)第三元件進(jìn)行供電和監(jiān)測(cè)。該第三元件的電阻開(kāi)始時(shí)低于第三元件666的設(shè)定點(diǎn)。隨著為第三元件供電，電阻增大(由線路664表示)，直到電阻到達(dá)第三元件666的設(shè)定點(diǎn)(由點(diǎn)668表示)。當(dāng)在時(shí)間窗口結(jié)束之前到達(dá)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉元件，并且控制器可在第三時(shí)間窗口 662的剩余部分期間保持休眠。如果，如在這個(gè)例子中，僅有三個(gè)熱元件，第一時(shí)間窗口可以重復(fù)，以附圖標(biāo)記670表示。在這里，第一元件的電阻672開(kāi)始低于第一元件設(shè)定點(diǎn)674。然而，第一元件從時(shí)間窗口 650的最后的起始點(diǎn)加熱。因此，在時(shí)間窗口 670結(jié)束之前，第一元件的電阻672最終在點(diǎn)676處到達(dá)第一設(shè)定點(diǎn)674。第一元件從上次激活中已經(jīng)保留了它的一些能量，所施加的功率在時(shí)間窗口 670結(jié)束之前就足以達(dá)到設(shè)定點(diǎn)并關(guān)閉。因此，控制器可在時(shí)間窗口 670的其余部分中或在直接導(dǎo)向第二元件的時(shí)間窗口的預(yù)定時(shí)間延遲之后保持休眠。然后，各時(shí)間窗口將基于每個(gè)熱元件的條件和環(huán)境影響進(jìn)行重復(fù)。
[0074]控制方法示出了在各種熱條件下的三個(gè)正TCR調(diào)諧層加熱元件的行為。盡管可以使用其它實(shí)施方案，例如負(fù)TCR加熱元件，在這種情況下，設(shè)定點(diǎn)將接近于較高的電阻水平。控制方法通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn):控制的方法是通過(guò)計(jì)算在時(shí)間窗口內(nèi)分配給每一個(gè)元件的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所述電阻利用當(dāng)元件被通電時(shí)所獲得的電壓和/或電流信息來(lái)分配。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，元件電阻可通過(guò)僅測(cè)量電流或電壓推斷，只要已知的電壓源或電流源分別提供功率。加熱元件通電增加其溫度，因此其電阻上升，而它是主動(dòng)加電的。使用前面獲得的校準(zhǔn)信息，采樣的有效電阻與加熱元件的先前分配的設(shè)定點(diǎn)作對(duì)比。只要電阻保持低于指定設(shè)定點(diǎn)，該元件保持通電直到所分配的時(shí)間窗口結(jié)束；或者，如果元件電阻是高于還是上升到高于其目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)電阻，所述元件立即關(guān)閉并在分配的時(shí)間窗口的剩余部分中保持關(guān)閉。每個(gè)元件依次啟動(dòng)，然后再次開(kāi)始并且不斷重復(fù)該循環(huán)。
[0075]時(shí)間窗口并不需要是固定的持續(xù)時(shí)間。重要的是，該系統(tǒng)耗散每個(gè)元件中足夠的能量，使得在元件再次變成激活之前第一測(cè)量所需的最低“接通持續(xù)時(shí)間”不會(huì)比由系統(tǒng)消耗的能量貢獻(xiàn)更多的能量，并且可以在最大“接通持續(xù)時(shí)間”期間提供充足的能量，使控制系統(tǒng)的每個(gè)元件的平均溫度可以在其激活窗口期間提高以承擔(dān)控制。在分配時(shí)間窗口期間，當(dāng)在調(diào)諧層中的所有加熱元件一致地達(dá)到其各自的設(shè)定點(diǎn)，達(dá)成穩(wěn)態(tài)控制。通過(guò)選擇最小設(shè)定點(diǎn)范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)諧加熱器層、足夠的供應(yīng)功率、短時(shí)間窗口持續(xù)時(shí)間、快速采樣和元件的最小所需數(shù)量的控制效率。
[0076]現(xiàn)在參照?qǐng)D7a，提供另一種用于控制熱陣列的方法。本方法開(kāi)始于框710，在此，計(jì)算出每個(gè)模式的電阻設(shè)定點(diǎn)，以及每個(gè)熱元件的功率命令。在框712，確定每個(gè)模式的時(shí)間周期。在框714中，模式設(shè)置成第一模式或初始模式。在框716，控制器向加熱器陣列施加電流模式。在框718，控制器等待繼續(xù)提供模式所定義的功率的時(shí)間周期的結(jié)束。在框720，模式增加。在框722，控制器確定當(dāng)前模式是否為序列的最后模式。如果當(dāng)前模式不大于序列中的模式的總數(shù)量，則方法沿線724至框716，在此，施加當(dāng)前模式并且該方法繼續(xù)進(jìn)行。
[0077]再次參考框722，如果當(dāng)前模式是大于序列中的模式的總數(shù)量，該方法沿線726至框728。在框728，控制器確定系統(tǒng)是否需要確定熱元件的溫度，例如通過(guò)測(cè)量熱元件的特性。該控制系統(tǒng)可以基于各種算法(包括序列的預(yù)定數(shù)目)、基于時(shí)間周期或者基于識(shí)別的環(huán)境特征來(lái)測(cè)量熱特性。如果溫度確實(shí)需要測(cè)量，則方法沿線734至框736，在此，如本申請(qǐng)中其它地方描述的那樣來(lái)確定溫度。然后，該方法沿線738至框732?？蛇x地，如果溫度不需要在框728中測(cè)量，該方法沿線730流動(dòng)至框732。在框732，該控制器直到分配的序列時(shí)間已經(jīng)過(guò)去才結(jié)束等待。重要地，該系統(tǒng)要等待分配的時(shí)間序列，否則另外的加熱可先于預(yù)期地添加到系統(tǒng)，這會(huì)影響算法的穩(wěn)定性。然后該方法行進(jìn)到框740。
[0078]在框740中，控制器根據(jù)測(cè)量確定功率命令是否已經(jīng)改變。因此，在框736中基于控制器所執(zhí)行的測(cè)量，一種算法(如PID算法)調(diào)整功率命令，如框742表示。在框742中算法可確定調(diào)整的功率命令，并將所述功率命令已經(jīng)改變的信息提供至塊740。如果所述功率命令在框740中已經(jīng)改變，則方法沿線746至框712，其中，重新計(jì)算每個(gè)模式的時(shí)間周期。然后，該方法繼續(xù)進(jìn)行。如果系統(tǒng)特性還沒(méi)有發(fā)生改變，則方法沿線744至框714，在此，控制系統(tǒng)重置至第一模式，并且該方法繼續(xù)。
[0079]提供了一種用于如下系統(tǒng)的具體實(shí)施例，其具有帶有六個(gè)熱元件752的四個(gè)節(jié)點(diǎn)750，如圖7b所示。多并聯(lián)的陣列可以由η線電源接口組成，連接到多個(gè)加熱器，使得控制線的每個(gè)可能的配對(duì)具有連接在它們之間的單個(gè)加熱器?？梢匀菀椎乜闯?，可以如此連接的加熱器數(shù)量等于η (n-1)/2。
[0080]關(guān)于圖7b所討論的設(shè)計(jì)假設(shè)一種歸一化的系統(tǒng)，其中，加熱器電阻均為I歐姆，且控制線在I伏特，O伏特下驅(qū)動(dòng)，或者是開(kāi)路(高阻抗)。然而，該系統(tǒng)可以使用這里所提出的方程式來(lái)縮放至具有其它電壓和電阻的系統(tǒng)。
[0081]在一種實(shí)施方案中，該方法將控制分為兩個(gè)部分，即，一個(gè)恒定部分和一個(gè)偏差部分，其中，所有加熱器的恒定部分是相同的，和所有加熱器的偏差部分是相同且對(duì)稱的?？赡艿兀谄渌刂品謪^(qū)中可以在控制中提供更大的靈活性。例如，可將系統(tǒng)劃分為兩個(gè)不同的恒定部分和一個(gè)偏差部分，以允許兩個(gè)不同的控制區(qū)域處于不同的平均功率電平下。并且，可將系統(tǒng)劃分為一個(gè)獨(dú)立的恒定部分和兩個(gè)偏差部分，以在加熱器的子集中達(dá)到更大范圍的控制。注意，無(wú)論如何劃分，仍可以應(yīng)用控制向量，其中可以違反對(duì)c的約束條件，而盡管不能保證穩(wěn)定控制，但控制仍是可能的。
[0082]在該方法的一種實(shí)施方案中，有利地，可以保持不同組的控制常數(shù)以及它們之間的動(dòng)態(tài)切換以更好地為系統(tǒng)行為匹配不同的工作狀態(tài)。
[0083]可以構(gòu)造用于該系統(tǒng)的一種模式表。可計(jì)算用于每個(gè)電源和加熱器，用于電力應(yīng)用到陣列的每個(gè)唯一組合的功率。這些值可以存儲(chǔ)在模式表中。
[0084]以下是一個(gè)4節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的模式(mode)表?！皀an”所在的位置指示開(kāi)路線路。例如，Mode#ll接地連接在Vl和V4 (產(chǎn)生零功率)，電源連接在V3 (產(chǎn)生2.67瓦特)，且V2為開(kāi)路。
【權(quán)利要求】
1.一種熱系統(tǒng)，包括: 多個(gè)熱元件； 控制系統(tǒng)，其具有多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)，其中，每個(gè)熱元件連接在所述多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的第一電力節(jié)點(diǎn)和第二電力節(jié)點(diǎn)之間，每個(gè)熱元件與可尋址開(kāi)關(guān)電串聯(lián)，該可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以激活和停用所述熱元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)包括微處理器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)包括具有比較器和固態(tài)開(kāi)關(guān)的電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)由包括開(kāi)關(guān)標(biāo)識(shí)的信號(hào)激活。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述信號(hào)是經(jīng)由可尋址開(kāi)關(guān)通過(guò)所述第一和第二電力節(jié)點(diǎn)接收。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以基于所述信號(hào)的振幅來(lái)激活和停用所述加熱器元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以基于所述信號(hào)的調(diào)制來(lái)激活和停用所述熱元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以基于所述信號(hào)的占空比來(lái)激活和停用所述熱元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以基于所述信號(hào)上發(fā)射的載波信號(hào)來(lái)激活和停用所述熱元件。
10.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以分析串行信號(hào)以確定開(kāi)關(guān)標(biāo)識(shí)命令。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信接口從所述控制系統(tǒng)接受。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述熱元件是耗散元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述熱元件是電阻元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述熱元件是由具有溫度依賴性電阻的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)經(jīng)配置以測(cè)量所述電阻元件的電阻來(lái)計(jì)算所述電阻元件的溫度。
16.—種加熱器,包括: 基板； 基底加熱器，其固定到所述基板； 襯底，其固定到所述基底加熱器； 調(diào)諧加熱器，其固定在所述襯底上，所述調(diào)諧加熱器包括多個(gè)加熱器元件； 卡盤(pán)，其固定到所述調(diào)諧加熱器；和 控制系統(tǒng)，其具有多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)，其中，每個(gè)加熱器元件連接在所述多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的第一電力節(jié)點(diǎn)和第二電力節(jié)點(diǎn)之間，每個(gè)加熱器元件與可尋址開(kāi)關(guān)電串聯(lián)，所述開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以激活和停用所述加熱器元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)包括微處理器。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)包括具有比較器和固態(tài)開(kāi)關(guān)的電路。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)由包括開(kāi)關(guān)標(biāo)識(shí)的信號(hào)激活。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述信號(hào)經(jīng)由所述可尋址開(kāi)關(guān)通過(guò)所述第一和第二電力節(jié)點(diǎn)接收。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以基于所述信號(hào)的振幅來(lái)激活和停用所述加熱器元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以基于所述信號(hào)的調(diào)制來(lái)激活和停用所述加熱器元件。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以基于所述信號(hào)的占空比來(lái)激活和停用所述加熱器元件。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以基于所述信號(hào)上發(fā)射的載波信號(hào)來(lái)激活和停用所述加熱器元件。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述可尋址開(kāi)關(guān)經(jīng)配置以分析串行信號(hào)來(lái)確定開(kāi)關(guān)標(biāo)識(shí)命令。
【文檔編號(hào)】H05B1/02GK103931270SQ201280052548
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月30日
【發(fā)明者】卡爾·T·斯汪森, 菲利普·S·施密特 申請(qǐng)人:沃特洛電氣制造公司