多路高精度扩散炉温度控制系统的设计

张瀚文，张 博，杜 岩，李 栋，孟国营

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083）

扩散炉是集成电路生产工序的重要设备之一，它的主要用途是对半导体进行掺杂，它与半导体工艺互相依存、互相促进、共同发展[1]。在扩散炉工艺参数中，温度的控制精度不仅直接影响着产品质量，也影响着扩散炉本身的效能。所以研究扩散炉炉温的控制，对集成电路的生产具有重大意义。当前国内外温控设备以单路控制居多，只能控制一路加热设备，多路温度监控系统的研发还是相对滞后的[2]。本系统的研究实现了多路温度控制，并达到了1‰的精度要求。

扩散炉温度控制系统硬件结构如图1所示，由检测部分、CPU以及加热控制构成对被控对象的闭环控制系统。其中检测部分采用三路热电偶对扩散炉内三处位置进行温度检测，并采用热电阻作为冷端温度补偿，通过多路开关将几路检测信号分时传给放大器和A/D转换器。CPU采用51单片机，读取A/D转换结果与设定值进行比较，经基于Smith预估的PID运算得出结果控制扩散炉的加热装置达到对扩散炉炉温控制的目的。采用两块19264液晶显示模块和按键组成人机交互界面。

图1 扩散炉温度控制系统结构图

在系统设计过程中提出了高精度的控制要求，主要采取了以下几项措施来提高系统的控制精度：

（1）在输入前向通道加入了零点漂移的检测，并通过软件修正零点漂移。

（2）在输入前向通道加入放大倍数漂移的检测，并通过软件对其修正。

（3）在各模拟信号输入端加入两级RC滤波。

（4）在检测信号放大前加入跟随器。

（5）系统输出控制采用尽量小的控制周期，避免过大的冲击。

（6）采用基于Smith预估的PID控制，减小系统震荡。

1 温度信号输入及处理

1.1 热电偶及温度补偿

传感器选用S（铂铑合金）型热电偶，其测温范围为0～1 800℃，输出电压为0～20 mV。为消除环境磁场的干扰，热电偶输出的电压信号经两级滤波后再送入多路选择开关输入端。滤波电路采用L型RC低通滤波电路，使其截止频率等于或略小于主要干扰50 Hz工频，即可确定R、C的值，计算如下所示：

热电偶的冷端温度补偿采用热电阻Pt100完成，考虑到温度控制系统距炉体有一定的距离，而热电阻需要与热电偶的冷端处于同一温度下，所以Pt100采用三线制连接，连接方式如图2所示。

图2 热电阻三线制接法

消除误差的测量方法：

（1）先测Vc，用公式：i=Vc/R2得到流过Rt的电流i。

（2）测量Vb，由于4051后接跟随器，输入阻抗非常大，所以流过从Rt到Vb测量端的电流可忽略不计，即有：（r+R2）×i=Vb，可以得出引线电阻r的值。

（3）测量Va，由（Rt+2r+R2）×i=Va可以解出Rt的值。

其中，金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：

当前电阻=当前温度×0.003 85×100+100

选择R1和R2时应注意：

（1）R1为限流电阻，将电流限制在5 mA以下用来防止Rt中电流过大使其温度升高给测量带来误差。

（2）R2应选精密电阻，并且要避免Va、Vb和Vc在7135转换范围的最低10%和最高10%，即应保证Va、Vb和Vc在1.5～13.5 mV，避免电压较低或较高时影响转换精度。

1.2 偏移校正电路

在模拟电路中，由于受温度变化，电源电压不稳以及干扰等因素的影响，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动产生误差的现象。其中，主要误差是由零点偏移和放大倍数偏移引起的。显然，放大电路级数愈多、放大倍数愈大，输出端的漂移现象愈严重。严重时，有可能使输入的微弱信号湮没在漂移之中，无法分辩，从而达不到预期的传输效果[3]。因此，降低零点漂移和放大倍数偏移是高精度测温系统必须考虑的一个重要因素。

本系统采用测量零点获得偏移量并通过软件补偿的方法来减少零点偏移对测量结果的影响。硬件上，直接将多路选择开关的一个输入端通过一个电阻接地；软件上，每隔一定的周期对实际零点采样一次，将其与系统本身零点比较，得出差值即偏移值，在每路测量值上加入此偏移值即可。

为减少放大倍数偏移给系统测量精度的影响，在系统运行的起始阶段，将多路选择开关的一个输入接口和线状铜电阻分压电路相连接，以此作为不受温度变化影响的基准输入点A0，在系统其他时间段里仍然对其采样作为A1，由CPU计算A1与A0的比值作为其他各点采样数据的比例系数。

1.3 A/D转换电路

8路模拟值通过多路选择开关分时地进行放大和A/D转换，为满足本设计的高精度要求，放大器选用线性度好、温度稳定性好、精度高的仪表放大器AD622，考虑到温度变化速度较慢，A/D转换器选用双积分式的ADC7135，其分辨率达1/20 000，具有精度高、抗干扰强的特点。

7135的转换精度与基准电压有很大的关系，为保证转换精度，采用AD780作为基准电压芯片，AD780温度系数为5 ppm/℃，稳定性好，输出电压为3 V。另外，AD780的3 V输出电压还用于热电阻检测电路的供电，提高了冷端温度测量的精度。

当热电偶烧断时，相应的一路输入电压为零，CPU会认为是温度过低而提高电炉温度，造成事故。为了避免这种情况，将3 V电压用于检测热电偶是否烧断，将热电偶的正极接一个上拉电阻到3 V，当热电偶烧断时，电压被拉到3 V，超出了7135的转换范围，7135的over range输出高电平，在over range引脚上接一个发光二极管和蜂鸣器，可达到热电偶烧断时报警的作用。

7135数字量输出是各位依次输出BCD码，这样不仅硬件上需要较多的I/O口，软件中还要将五位BCD码转换成二进制数，实现较繁琐。所以本系统利用51单片机的计数器来获得7135的积分时间，从而得到7135的模拟电压输入值。在信号积分开始时BUSY（忙）输出变为高电平，第二次积分停止时BUSY复位，将BUSY与单片机的INT0引脚相连、将7135的时钟信号与单片机的T0引脚相连，并将51单片机的定时器方式控制寄存器TMOD中T0的GATE位置1，即当BUSY为1时，计数器正常工作，当BUSY为0时，计数器被禁止工作，这样，可以得到7135一次转换的两次积分的总时间，由于第一次积分为20 000个时钟周期，所以，A/D转换的结果即为计数器的计数值减去20 000。采用这种方法，必须保证7135的时钟脉冲与单片机T0口的计数脉冲相同，它们均由4060分频器获得，为保证抗工频干扰性能强，一般选取50 Hz的倍数作为时钟频率，本系统采用250 Hz时钟信号，由分频器4060分频获得。

2 输出控制

输入通道为三路，输出也同样为三路，以保证被控对象各点温度都靠近设定值，而不会出现温度分布不均的现象。采用交流过零型固态继电器作为加热丝的控制开关。CPU通过控制固态继电器的通断比来控制加热的程度。固态继电器正常工作需要保证控制端电流大于5 mA，而51单片机所允许的最大灌电流只有10 mA，所以，需要加上拉电阻和驱动，选用74HC574芯片作为驱动。

由于扩散炉加热均匀，可将其近似看做一个具有纯滞后的一阶惯性系统，传递函数为：

由于滞后时间的存在，系统的控制问题变得十分困难，滞后严重时甚至会破坏系统的稳定性。长期以来，纯滞后系统就一直是工业过程中的难控制系统，人们也对它进行了大量的研究。对于纯滞后系统，常用的控制方法主要是PID控制、Dahlin控制算法和Smith预估算法[5]。本系统采用Smith预估算法来改善由于滞后时间产生的超调和振荡。

一个单回路控制系统的控制器传递函数为D（s），被控对象传递函数为Gp（s）e-τs，其中Gp（s）为不含滞后部分。则系统传递函数为：

Smith补偿的原理是：将控制器并联一个传函为Gp（s）（1-e-ts）的补偿环节[5]，此时系统传函变成：

此时滞后环节被移到了闭环外，这样就消除了纯滞后环节对系统稳定性的影响。用Simulink仿真对传统PID单回路控制与基于Smith预估的PID控制进行对比，控制曲线如图3所示，其中PID控制器参数通过Ziegler-Nichols法得到：Kp=0.245 9，Ki=0.015 9，Kd=0.912 7。

图3 PID控制与基于Smith预估的PID控制曲线

本文所讨论的扩散炉多路高精度温度控制系统对扩散炉温度实现了有效控制，不仅能对温度及系统参数进行实时显示，而且温度的控制达到了1‰的精度。该系统设计合理、自动化程度高、可靠性好，可有效地保证生产的高效、安全进行，实现了掺杂工艺过程温度控制的自动化，从而减轻操作人员的劳动强度并且提高了生产效率。同时，比较理想地解决了加热不均匀和精度不够等问题，具有很高的经济效益和社会效益。

[1]程朝阳.扩散炉开发现状[J].中国集成电路，2002（3）：63-64.

[2]赵萍，王明明，党杨涛.扩散炉温度自动控制系统中的FPGA设计[J].电子设计工程，2009，17（1）：7-11.

[3]薛开昶，王应吉.几种放大器的程控增益电路设计[J].陕西科技大学学报（自然科学版），2009，27（3）：138-142.

[4]王宏华，樊桂林.含有纯滞后对象的控制方法[J].江苏理工大学学报，1994，15（6）：87-92.

[5]宋云霞，朱学峰.大时滞过程控制方法及应用[J].化工自动化及仪表，2001，28（4）：9-15.