电动控制内窥镜

[color=#990000]摘要：目前真空冷冻干燥过程中已普遍使用了电容压力计，使得与电容压力计相配套的压力控制器和电动进气调节阀这两个影响压力控制精度和重复性的主要环节显着尤为突出。为解决控制精度问题，本文介绍了国产最新型的2通道24位高精度PID压力控制器和步进电机驱动电动针阀的功能、技术指标及其应用。经试验验证，上游控制模式中使用电动针阀和高精度控制器可将压力精确控制在±1%以内，并且此控制器还可以同时用于冷冻干燥过程中皮拉尼真空计的监控，以进行初次冻干终点的自动判断。[/color][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size] 压力控制是真空冻干过程中的一个重要工艺过程，其控制精度严重影响产品质量，对于一些敏感产品的冷冻干燥尤为重要。因此，为使冷冻干燥过程可靠且可重复地进行，必须在干燥室内准确、重复地测量和控制压力，这是考察冷冻干燥硬件设备能力的重要指标之一。同时因为一次干燥时的压力或真空度，直接影响产品升华界面温度，因此准确平稳的控制压力，对于一次干燥过程至关重要。但在实际真空冷冻干燥过程中，在准确压力控制方面目前国内还存在以下问题： （1）压力控制器不匹配问题：尽管冷冻干燥工艺和设备都配备了精度较高的电容压力计，其精度可达到满量程的0.2%~0.5%，但目前国内大多配套采用PLC进行电容压力计直流电压信号的测量和控制，PLC的A/D和D/A转换精度明显不够，严重影响压力测量和控制精度。A/D和D/A转换精度至少要达到16位才能满足冷冻干燥过程的需要。 （2）进气控制阀不匹配问题：对于冷冻干燥中的真空压力控制，其压力恒定基本都在几帕量级，因此一般都采用上游进气控制模式，即在真空泵抽速一定的情况下，通过电动调节阀增加进气流量以降低压力，减少进气流量以增加压力。但目前国内普遍还在使用磁滞很大的电磁阀来进行调节，严重影响压力控制精度和重复性，而目前国际上很多已经开始使用步进电机驱动的低磁滞电动调节阀。 为解决上述冷冻干燥过程中压力控制存在的问题，本文将介绍国产最新型的2通道24位高精度PID压力控制器、电动针阀的功能、技术指标及其应用。经试验考核和具体应用的验证，上游控制模式中使用电动针阀和高精度PID压力控制器可将压力精确控制在±1%以内，并且2通道PID控制器还可以同时用于冷冻干燥过程中皮拉尼真空计的监控和记录。[size=18px][color=#990000]二、国产2通道24位高精度PID压力控制器[/color][/size] 为充分利用电容压力计的测量精度，控制器的数据采集和控制至少需要16位以上的模数和数模转化器。目前我们已经开发出VPC-2021系列高精度24位通用性PID控制器，如图1所示。此系列PID控制器功能强大远超国外产品，但价格只有国外产品的八分之一。[align=center][img=冷冻干燥压力控制,550,286]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211608584555_3735_3384_3.png!w650x338.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1 国产VPC-2021系列温度/压力控制器[/color][/align] 压力控制器其主要性能指标如下： （1）精度：24位A/D，16位D/A。 （2）多通道：独立1通道或2通道。2通道可实现双传感器同时测量及控制。 （3）多种输出参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制。 （4）多功能：正向、反向、正反双向控制。 （5）PID程序控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。可存储20组分组PID，支持20条程序曲线（每条50段）。 （6）通讯：两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。 在冷冻干燥的初级冻干终点判断中，VPC-2021系列中的2通道控制器可同时接入电容压力计和皮拉尼压力计，其中电容压力计用作真空压力控制，皮拉尼计用来监视冻干过程中水汽的变化，当两个真空计的差值消失时则认为初级冻干过程结束。整个过程的典型变化曲线如图2所示。[align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,586,392]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211609304857_1459_3384_3.png!w586x392.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2. 初级干燥过程中的典型电容压力计和皮拉尼压力计的测量曲线[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、国产步进电机驱动电子针阀[/color][/size] 为实现进气阀的高精度调节，我们在针阀基础上采用数控步进电机开发了一系列不同流量的电子针阀，其磁滞远小于电磁阀，如图3所示，价格只有国外产品的三分之一，详细技术指标如图4所示。[align=center][img=冷冻干燥压力控制,400,342]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211609435684_1917_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列电子针阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610002292_1250_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 国产NCNV系列电子针阀技术指标[/color][/align][size=18px][color=#990000]四、国产PID控制器和电子针阀考核试验[/color][/size] 考核试验采用了1Torr量程的电容压力计，电子针阀作为进气阀以上游模式进行控制试验。首先开启真空泵后使其全速抽气，然后在68Pa左右对PID控制器进行 PID参数自整定。自整定完成后，分别对12、27、40、53、67、80、93和 107Pa 共 8 个设定点进行了控制，整个控制过程中真空度的变化如图 5所示。 [align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,418]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610175473_9598_3384_3.png!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 多点压力控制考核试验曲线[/color][/align] 将图5曲线的控制效果以波动率来表达，则得到如图6所示的不同真空压力下的波动率。从图6可以看出，整个压力范围内只有在12Pa控制时波动率大于1%，显然将68Pa下自整定得到的PID参数应用于12Pa压力控制并不太合适，还需要进行单独的PID 参数自整定。[align=center][color=#990000][img=冷冻干燥压力控制,690,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112211610294377_3818_3384_3.png!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6. 多点压力恒定控制波动率[/color][/align][align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：真空浓缩过程中，浓缩温度和压强是核心控制参数。本文针对目前浓缩仪器和设备中压强控制存在精度差、波动性大等问题，提出了详细解决方案，并提出采用新型双通道超高精度多功能PID控制器和高速电动阀门来实现浓缩过程中温度和压强的同时准确测量和控制。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000]1、问题提出[/color][/size] 真空浓缩的工作原理是将样品在冷冻干燥、离心浓缩和旋转蒸发等状态下，同时采用真空和加热技术使样品中的溶剂快速蒸发、样品体系得到快速浓缩或干燥。由于不同样品对温度有不同的敏感性，同时压强与温度之间存在强相关性，所以在真空浓缩过程中，如何准确控制浓缩温度和压强，就成了使用者最关心的问题。在目前各种常用的真空浓缩设备中，普遍还存在以下几方面问题： （1）压强测量和控制精度普遍不高，特别是低压情况下更是如此，这主要是所采用的传感器和控制器精度不够。压强控制精度不高同时会对温度带来严重影响。 （2）浓缩仪器和设备普遍采用的是下游压强控制方式，即在容器和真空泵之间安装调节阀来实时调控容器的排气速率。这种下游方式适用于较高压强的准确控制，但对10mbar以下的低压则很难实现控制的稳定准确。 （3）目前绝大多数电动调节阀采用的是电动执行机构，从闭合到全开的时间基本都在10秒以上，这种严重滞后的阀门调节速度也很难保证控制精度和稳定性。 （4）由于浓缩过程中有水汽两相介质排出，很多时候介质还带有腐蚀性，这就对下游调节阀耐腐蚀性提出了很高的要求。[size=18px][color=#990000]2、解决方案[/color][/size][color=#990000]2.1 采用高精度压强传感器[/color] 对于真空浓缩过程，压强传感器是保证整个浓缩过程可控性的核心，强烈建议采用高精度压强传感器以保证真空度的测量和控制准确性。一般真空浓缩过程基本都采用机械式真空泵，低压压强（绝压）不会超过0.01mbar，高压压强接近一个大气压，因此高精度压强传感器建议采用电容薄膜规，如图1所示，其绝对测量精度可以达到±0.2%。 如果浓缩仪器和设备使用的压强范围比较宽，建议采用两只不同量程的传感器进行覆盖，如10Torr和1000Torr。[align=center][color=#990000][img=真空浓缩,600,450]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041456355439_1975_3384_3.png!w600x450.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 电容薄膜式真空压力计[/color][/align] 如果采用其他类型的真空度传感器，也需要达到一定的精度要求。[color=#990000]2.2 采用高精度双通道PID控制器[/color] 在真空压力测量和控制中，为了充分利用上述电容薄膜压力计的测量精度，控制器的数据采集和控制至少需要16位的模数和数模转化器。目前已经推出了测控精度为24位的通用性PID控制器，如图2所示。[align=center][color=#990000][img=真空浓缩,690,358]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041457090941_3284_3384_3.png!w690x358.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 国产VPC-2021系列温度/压力控制器[/color][/align] 对于真空浓缩的过程控制，此系列PID控制器具有以下特点： （1）高精度：24位A/D采集，16位D/A输出。 （2）多通道：独立的1通道和2通道。2通道可实现温度和压强的同时测量及控制。 （3）多功能：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制，可进行正反向控制（双向控制模式）。 （4）PID控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。20组分组PID。 （5）双传感器切换：每一个通道都可支持温度高低温和高低真空度的双传感器切换，两通道可形成总共接入四只传感器的控制组合。 （6）程序控制：可自行建立和存储最多20种浓缩程序，进行浓缩时只需选择调用即可开始（程序控制模式）。[color=#990000]2.3 增加上游进气控制和双向控制模式[/color] 目前普遍采用的下游控制模式比较适合压强接近大气压的浓缩过程，但对10mbar以下的低压浓缩过程，就需要引入上游进气控制模式，即在浓缩容器上增加进气通道，通过电子针阀控制进气通道的进气流量来实现压强的准确控制。 如图3所示，目前已有各种流量的国产电子针阀可供选择，结合下游的真空泵抽气，通过上游模式可实现高真空（低压）的精确控制。[align=center][color=#990000][img=真空浓缩,599,513]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041457210338_3059_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列电子针阀[/color][/align] 为同时满足低压和高压全量程准确控制，可以采用如图4所示的双传感器和双向控制模式。 在图4所示的控制模式中，就需要用到上述VPC-2021系列双通道控制器的正反向控制和双传感器自动切换功能，即在不同气压控制过程中，控制器自动切换相应量程的真空计，并选择相应的电子针阀和高速电动球阀进行控制。[align=center][img=真空浓缩,690,548]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041457335020_3012_3384_3.png!w690x548.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图4 双向控制和双传感器自动切换模式示意图[/color][/align][color=#990000][/color][color=#990000]2.4 采用高速电动球阀[/color] 所谓高速阀门一般是指阀门从全闭到全开的动作时间小于1s，这对于气体流量和压力控制非常重要。特别是对于真空浓缩过程，气压控制的快速响应可保证浓缩的准确性、安全性和提高蒸发速率。 目前已经开发出国产高速电动球阀，如图5所示。NCBV系列微型化的高速电动球阀和蝶阀，是目前常用慢速电动阀门的升级产品，与VPC2021系列温度/压力控制器相结合，可构成快速准确的真空压力闭环控制系统。[align=center][img=真空浓缩,377,500]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041457527127_514_3384_3.png!w377x500.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图5 国产NCBV系列高速电动球阀[/color][/align][color=#990000][/color][color=#990000]2.5 采用真空控压型调节器[/color] 在目前的真空浓缩仪器和设备中，浓缩是在密闭容器中发生，通过加热和真空手段将蒸发气体冷凝和排出，真空泵是对一个密闭容器进行抽气，并通过抽气流量调节来实现密闭容器内的气压恒定在设定值，这是一个典型的流量控制型恒压模式。这种控流型调压方式相当于一个开环控制方式，容器内部自生气体，且自生气体并没有很明显的规律（如线性变化），这非常不利于容器内部压强的准确控制。对于这种控流型调压方式，如图2所示，会在浓缩容器的前端增加一个进气通道，并对进气流量进行调节以使容器内部真空度控制在稳定的设定值。 对于有些真空浓缩仪器和设备，并不允许增加额外的进气通道，这里就可以用到如图6所示的控压型调节器。[align=center][img=真空浓缩,690,372]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112041458102995_3900_3384_3.png!w690x372.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图6 控压型调节器在浓缩过程真空度控制中的应用[/color][/align] 控压型真空压力调节器实际上一个内置真空压力传感器、微控制器、空腔和两个电动阀门的集成式装置。在真空压力控制过程中，内置传感器测量空腔内压力，如果压力小于设定值，则进气口处阀门打开直到等于设定值，如果压力大于设定值则抽气口处阀门打开直到等于设定值，从而始终保证空腔内压力始终保持在设定值上，而调节器空腔与浓缩容器连通，即调节器空腔压力始终等于浓缩容器压力。 由此可见，控压型调节器是一个自带进气阀的独立真空压力调节装置。如图6所示，控压型调压器也可以外接传感器，设定值可以手动设置，也可以通过PID控制器设置。[align=center]=======================================================================[/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：化学药液流量的精密控制是半导体湿法清洗工艺中的一项关键技术，流量控制要求所用调节针阀一是开度电动可调、二是具有不同的口径型号、三是高的响应速度，四是具有很好的耐腐蚀性，这些都是目前提升半导体清洗设备性能需要解决的问题。为此，本文提出了相应的解决方案，解决方案的核心是采用具有系列口径的高速和耐腐蚀的电动针阀。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][img=高速耐腐蚀电动针阀流量控制在前道化学清洗机中的应用,550,271]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304261136485023_8685_3221506_3.jpg!w690x341.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 湿法蚀刻清洗工艺（如RCA清洗）是半导体制造工艺步骤中数量最多的工艺，湿法清洗的目的是去除晶圆上前一道工序的残留或者副产物，使之不进入后续工序。一般通过化学药液与晶圆表面去除物的反应，或改变不同特性化学清洗液处理以后的晶圆表面亲水性，达到去除残留物的目的。其中，化学反应强烈程度与温度、浓度、化学药液的反应量密切相关，而蚀刻量是检测此化学反应强烈程度的重要手段。因此，刻蚀量是湿法刻蚀工艺中最重要的工艺控制参数之一，而影响蚀刻量的三大因素分别是化学药液温度、化学药液浓度和化学药液流量，其中药液浓度和流量都与流量控制密切相关。典型的化学药液循环系统结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.化学药液循环系统结构示意图,690,247]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304261138411498_3193_3221506_3.jpg!w690x247.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 化学药液循环系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 针对当前和未来的湿法刻蚀清洗工艺，用于药液流量控制的针阀需要满足以下几方面要求：[/size][size=16px] （1）首先针阀要求是可电控针阀，如图1所示，由电动针阀、流量计和PID控制器可组成闭环控制回路，通过电动针阀的开度精细变化，可极大保证药液流量控制的精度。[/size][size=16px] （2）制程工艺中对药液流量有不同的要求，所以电子针阀需具有不同口径和流量范围。[/size][size=16px] （3）电动针阀要求具有极快的响应速度，能实现快速的打开和闭合，以减少初段流量稳定时间和末端流量控制时的“水锤效应”影响。[/size][size=16px] （4）在清洗过程中所采用的化学药液，往往具有很强的腐蚀性。尽管管路和阀门所采用的不锈钢材料具有很好的抗腐蚀性，但各种阀门密封件往往抗腐蚀性很差，所以要求电动针阀的接液密封件也需要具有很强的耐腐蚀性。[/size][size=16px] 药液流量控制中上述对调节阀的要求，都是目前半导体清洗设备中需要解决的问题。为此，本文提出了相应的解决方案，解决方案的核心是采用具有系列口径的高速和耐腐蚀的电动针阀。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了满足上述湿法清洗工艺化学药液流量控制对调节阀的需要，本文提出的解决方案是采用具有一系列不同口径、高速和耐腐蚀的电动针阀。系列电动针阀如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.强耐腐蚀性的高速电动针阀,450,385]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304261139215269_3851_3221506_3.png!w599x513.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 NCNV系列耐腐蚀高速电动针阀[/b][/color][/size][/align][size=16px] 用于流量调节的NCNV系列数控电动针阀将步进电机的精度和可重复性优势与针阀的线性和分辨率相结合，其结果是具有1s以内的开闭合时间，小于2%滞后、2%线性、1%重复性和0.2%分辨率的可调流量控制，是目前常用电磁比例阀的升级产品。电动针阀直接用模拟电压信号控制，与PID控制器和流量计相结合，可构成快速准确的闭环控制系统。[/size][size=16px] NCNV系列数控电动针阀的其他技术特点如下：[/size][size=16px] （1）多规格节流面积：具有从低流量的直径0.9mm到高流量的直径4.10mm的多种规格针阀节流面积，可满足不同的流量控制需要。[/size][size=16px] （2）宽压力范围：入口环境可覆盖宽泛的压力范围（5或7bar）。步进电机的刚度和功率确保针阀在相同的输入指令下打开，与压力无关。[/size][size=16px] （3）快速响应：整个行程时间小于1秒，可提供及时快速的流量调节和控制。[/size][size=16px] （4）耐腐蚀性：阀体采用不锈钢，密封件采用FFKM全氟醚橡胶，超强的耐腐蚀性，可用于各种腐蚀性气体和液体。[/size][size=16px] （5）电源电压为24V，控制信号为0~10V模拟电压，也可采用RS485直接控制。[/size][b][size=18px][color=#339999]3. 总结[/color][/size][/b][size=16px] 综上所述，通过采用上述系列的电动针阀，可以很好的实现湿法清洗中化学药液流量的精密调节。特别是与相应的流量计、压力传感器和具有串级和比值控制功能的高精度PID控制器相结合组成闭环控制系统，可实现各种药液配比流量的高精度控制。[/size][size=16px][/size][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][align=center][/align][align=center][b][color=#339999][/color][/b][/align]

[color=#ff0000]摘要：氢气供应系统作为燃料电池系统的重要组成部分，其空气侧与氢气侧之间压力差的动态控制对于整个燃料电池系统可靠性尤为重要。本文针对氢燃料电池系统氢气压力控制中存在的问题，推荐使用精密电动针阀，并详细介绍了电动针阀的特点和技术参数。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][img=高精度快响应电动针阀在氢燃料电池系统氢气压力控制中的应用,690,518]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101053487958_1868_3384_3.png!w690x518.jpg[/img][/align][size=18px][color=#ff0000]1. 问题的提出[/color][/size]　　氢气供应系统作为燃料电池系统的重要组成部分，与电堆、空气供应系统、水热管理系统和电子电力系统协同工作，保证氢气流量、压力的稳定供应，并实现氢气循环利用。燃料电池氢气供应系统简化结构如图1-1所示。高压储氢罐是系统的氢气来源，氢气经过减压阀，压力降至适宜系统使用的范围，通常情况为几巴左右。氢气进气阀用于控制进入电堆的氢气量，进而控制电堆氢气回路的压力，目前常用的氢气进气阀为比例调节阀、开关阀或多个开关阀组。[align=center][color=#ff0000][img=燃料电池氢气供应系统简化图,690,66]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101055206617_6144_3384_3.png!w690x66.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1-1 燃料电池氢气供应系统简化图[/color][/align]　　由于燃料电池自身膜电极的厚度逐渐降低，其机械强度相应下降，因此空气侧及氢气侧压力的动态控制对于整个燃料电池系统可靠性尤为重要，一般要求是氢气侧压力要等于或者稍高于空气侧压力，并且在调节两侧压力时要确保同升同降，以减少对质子膜的损害。然而，在目前氢燃料电池电源系统中，对于这两侧压差的控制存在以下几方面的问题：　　（1）采用开关阀进行氢气进气的控制，使得整个氢气回路中的波动太大而不易控制；　　（2）采用电磁比例阀尽管可以按照一定比例进行类似PID模式进行压力控制，但电磁比例阀由于存在较大磁滞现象，会带来控制不稳定的严重问题。　　本文针对氢燃料电池系统氢气压力控制中存在的问题，推荐使用精密电动针阀，并详细介绍了电动针阀的特点和技术参数。[size=18px][color=#ff0000]2. 电动针阀[/color][/size]　　电动针阀如图2-1所示。[align=center][img=各种规格电动针阀,599,513]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101055582033_8168_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图2-1 各种规格电动针阀[/color][/align][size=18px][color=#ff0000]2.1. 技术指标[/color][/size][align=center][color=#ff0000][img=电动针阀技术指标,690,453]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101057223127_3501_3384_3.jpg!w690x453.jpg[/img][/color][/align][color=#ff0000][/color][align=center][color=#ff0000]图2-2 电动针阀技术指标[/color][/align][align=center] [img=电动针阀尺寸,690,421]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101057371906_4688_3384_3.jpg!w690x421.jpg[/img][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000]图2-3 电动针阀尺寸[/color][/size][/align][size=18px][color=#ff0000]2.2. 驱动模块[/color][/size]　　数控电动针阀配备有步进电机驱动电路模块，以提供所需电源和控制信号，並以将直流信号转换为双极步进电机的步进控制，同时也可提供RS485串口通讯的直接控制。[align=center][color=#ff0000][img=驱动模块及其尺寸,690,220]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101058555517_9466_3384_3.jpg!w690x220.jpg[/img][/color][/align][color=#ff0000][/color][align=center][color=#ff0000]图2-4 驱动模块及尺寸[/color][/align][size=18px][color=#ff0000]2.3. 特点[/color][/size]　　新一代用于比例流量调节的数控电动针阀将步进电机的精度和可重复性优势与针阀的线性和分辨率相结合，其结果是具有小于2%滞后、2%线性、1%重复性和0.2%分辨率的可调流量控制，是目前常用电磁比例阀的升级换代产品。与各种PID控制算法和压力控制器相结合，可构成快速准确的氢气压力控制装置。　　电动针阀具有以下几方面的特点： （1） 多规格节流面积：从低流量的直径0.9mm（0~50L/min气体）到高流量的直径4.10mm（0到660 L/min气体）的多种规格针阀节流面积，可满足不同的应用需要。　　（2） 高度线性：小于2%的线性度，简化了查表或外部控制硬件和软件的配套，简化了命令输入和流量输出之间的关系。　　（3） 高重复性：通过每次达到0.1%的相同流量，可提供长期稳定的一致性。　　（4） 宽压力范围：通过5或7bar的压力，取决于孔的大小，入口环境可覆盖宽泛的压力范围。电机的刚度和功率确保阀门在相同的输入指令下打开，与压力无关。　　（5） 低迟滞：小于2%的迟滞使积分和编程变得简单，在增加和减少达到设定点时能提供一致的流量。　　（6） 高分辨率：0.2%的分辨率允许电动针阀根据调节指令的微小变化进行最小流量调整，提供了出色的可控性。　　（7） 快速响应：整个行程时间小于1秒，由此可提供及时快速的流量调节和控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][/align][align=center][img=,690,355]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101059518215_4501_3384_3.jpg!w690x355.jpg[/img][/align][align=center][/align][align=center][/align]

[size=16px][color=#339999]摘要：为了解决室温至液氮温区温控系统中需要昂贵的低温电动阀门进行液氮介质流量调节的问题，本文提供了三种不同精度的液氮温区内的低温温度控制解决方案。解决方案的技术核心是通过采用电动针阀和电气比例阀在室温环境下来快速调节外部气源流量或压力大小以实现低温温度的精准控制，不再需要具备耐低温性能的低温阀门。同时，在上述两种技术方案的基础上增加了电加热形式的第三种解决方案，可实现更高精度的低温温度快速控制。[/color][/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][img=电动针阀和电气比例阀在流动液氮气体低温温度控制中的应用,600,336]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302270648384200_9124_3221506_3.jpg!w690x387.jpg[/img][/size][/align][b][size=24px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 对于液氮温度范围内的低温温度控制， 目前常用的方法为以下两种：[/size][size=16px] （1）直接浸泡式：即试验件完全浸泡在液氮内进行降温冷却和相应的温度控制，但采用这种方式时试验件的冷却温度无法在较宽泛的低温温区内进行控制和调节，只能在接近-196℃的温度附近通过控制液氮气压来进行小范围的调节和控制。另外，直接浸泡法往往未等试验件达到冷却保温时间，液氮已基本完全挥发。同时，这种操作方式较为简陋，对实际操作人员要求较高，稍有不慎将会有安全事故发生。[/size][size=16px] （2）液氮吹扫法：即直接采用流量可控的液氮或液氮气体进行吹扫来进行试验件低温温度调节和控制。在采用吹扫法进行低温温度控制时，液氮或液氮气体的流量大小直接关系到试验件温度的稳定性和可靠性。同时，低温介质的流量控制一直是行业的难点和痛点，这要求低温管路上的流量控制阀内的各个元器件均需要很好的耐低温特性，且价格十分昂贵。有些简陋的低温控制采用了低温开关阀进行通断式控制，尽管降低了阀门成本，但这种开关控制模式的控制精度极差。另外，低温介质的出口与试验件或热交换器内的空气直接接触，空气中的水蒸气遇冷急剧结冰，随着降温时间增长，低温介质的出口很容易被结冰堵塞。现亟需研发一种核心控制器件在常温状态下便可实现超低温控制的试验装置。[/size][size=16px] 为了解决上述液氮吹扫法中存在的问题，本文提供了三种不同精度的液氮温区宽量程温度控制解决方案。解决方案的技术核心是通过调节室温环境下的气源流量或压力大小来实现低温温度的精准控制，不再需要控制阀门具有耐低温性能。同时，在上述两种技术方案的基础上将增加电加热形式的第三种解决方案，由此可实现更高精度的低温温度控制。[/size][size=24px][color=#339999][b]2. 原理和分析[/b][/color][/size][size=16px] 在传统液氮低温温度控制的吹扫法中，普遍是直接调节液氮低温介质的吹扫流量，同时结合温度传感器和PID控制器形成闭环控制回路，通过对流量的控制最终实现低温温度控制。[/size][size=16px] 通过分析上述的传统液氮吹扫法可以发现，实现低温介质吹扫的基本原理是在液氮罐（杜瓦瓶）内形成较高的气压迫使液氮或液氮气体溢出到设定管路内形成低温介质流动，最终再通过调节流动速度来进行低温温控。因此，液氮罐中的高压气体是所有这些的关键，只要能调节气体压力，同样能在固定管路内形成不同流速的低温介质而达到控温目的。同时，这种调节液氮罐内气体压力的方式可在室温环境中实现，这样就可以避免在直接低温介质流量控制中需要使用特殊且昂贵的电动低温调节阀。[/size][size=16px] 基于上述分析，本文设计了以下三种低温温度控制方案，并可实现不同的控制精度。[/size][size=24px][color=#339999][b]3. 进气流量控制方案[/b][/color][/size][size=16px] 对于任何具有一定空间大小的容器而言，其内部压力都可以归结为进气和出气流量所达到的一种动态平衡状态。因此，如果要对液氮罐内的气体压力进行控制，有效的方法之一就是对液氮罐的进出气体流量分别进行调节使其达到动态平衡。[/size][size=16px] 需要注意的是，在实际低温温度控制系统中，液氮罐的出液口或出气口往往直接与试验件的冷却管路连接，若在液氮罐出口处对低温介质流量进行直接控制又会需要使用低温阀门，因此这时可以基出口孔径不变而不对流量进行调节，只调节液氮罐的进气流量。具体方案如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用电动针阀调节流量的低温冷却试验装置温控系统结构示意图,690,354]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302270650154160_155_3221506_3.jpg!w690x354.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 采用电动针阀调节流量的低温冷却试验装置温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图1可以看出，高压气体（一般为氮气）经过减压阀形成固定压力的气体，此室温高压气体流经电动针阀和进气管进入杜瓦瓶中的液氮中。室温高压气体进入液氮后使液氮形成蒸发而挥发为气体，挥发气体在使密闭杜瓦瓶中压力逐渐升高的同时，通过出气管流经试验装置中的热交换器后排出。由此可见，通过调节安装在进气管路上的电动针阀，针阀开度越大，进气口流速越快，液氮挥发越激烈，杜瓦瓶中的压力越高，最终使得流经热交换器的低温介质流速越快，相应的降温速度也越快。此方案的另一个主要特点是电动针阀可以在室温下工作。[/size][size=16px] 由此可见，这种在室温下通过调节进气流量的解决方案是通过电动针阀、温度传感器和PID程序控制器构成了一个低温闭环控制回路，从而可实现低温温度的定点控制或程序控制。但这种方案存在的问题是控温精度较差，一般会有2~5℃的温度波动，主要原因如下：[/size][size=16px] （1）由于一定流量的高压气体使得杜瓦瓶内的压力产生变化，压力的改变又使得冷却介质的流量发生改变，这个升华过程和压力变化过程比较复杂，这使得进气流量与压力以及压力与温度并不是一个简单的线性关系，这都是造成温度控制不准的主要因素。除非整个调节过程的速度非常快，但实际往往是个慢速过程。[/size][size=16px] （2）这种仅仅采用低温介质进行温度控制的技术手段存在降温快而升温慢的弊端，一旦实际温度超过设定点温度，往往需要试验件缓慢散冷才能实现回温，这也是造成低温温度控制很难实现较高精度的另一个主要原因。[/size][size=24px][color=#339999][b]4. 进气压力控制方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了解决上述流量控制过程中存在的压力不稳定问题，本文提出的另一个解决方案就是直接对杜瓦瓶中的压力进行控制，即采用对高压气体进气口压力的调节和控制来实现杜瓦瓶内部压力的精确控制。具体方案如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用电气比例阀调节压力的低温冷却试验装置温控系统结构示意图,690,358]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302270651039090_5722_3221506_3.jpg!w690x358.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 采用电气比例阀调节压力的低温冷却试验装置温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图2可以看出，高压气体经电气比例阀在进气口处按照设定值进行压力控制，由此保证杜瓦瓶中的压力始终处于准确受控状态。通过电气比例阀、温度传感器和PID程序控制器构成的双闭环串级控制回路（其中电气比例阀为辅助控制回路，PID控制器与温度传感器和电气比例阀构成主控回路），通过调节比例阀的输出压力进而控制杜瓦瓶内的气体压力，杜瓦瓶中的压力越大，使得流经热交换器的低温介质流速越快，相应的降温速度也越快。由此，通过PID控制器自动根据设定点或设定程序来调节杜瓦瓶中的气体压力，从而可实现低温温度的更准确控制，规避了复杂得升华过程带来的控制不确定性。[/size][size=16px] 与前述流量控制方案相比，压力控制方案的结构同样十分简单，提高了温控系统的控温精度，同时还保留了可在室温下进行调节的优势。[/size][size=16px] 压力控制方案的另一个突出优势是可以进行大尺寸试验件的低温控制，这主要是由于大尺寸液氮杜瓦瓶内的压力控制要远比流量控制更为简便和准确，而流量控制方案会受到电动针阀口径大小对流量调节范围的限制，大口径针阀较慢的响应速度也会给温度控制带来误差。[/size][size=16px] 尽管压力控制方案是流量控制方案的升级，也提高了控温精度，但还是没有解决单一冷却方式存在的冷却快但回温慢的弊端，还存在控温精度比较有限和控温速度较慢的问题。[/size][size=24px][color=#339999][b]5. 电加热辅助进气压力控制方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了彻底解决单一冷却方式存在的冷却块但回温慢造成控温精度不高和速度较慢的问题，本文提出了另一个优化方案，即在进气压力控制方案的基础上，在试验件上增加电热器以提供加热功能，由此提供一个主动加热装置配合冷却系统形成冷热双作用系统，在试验件温度低于设定值时自动主动加热形成微调，这样既可以实现温度快速回温达到设定值提高控制速度，同时还可以大幅度提高控温精度。具体方案如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用电气比例阀调节压力以及辅助电热器的低温冷却试验装置温控系统结构示意图,690,387]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302270651428613_3754_3221506_3.jpg!w690x387.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 辅助电加热式电气比例阀调节压力的低温冷却试验装置温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图3所示，优化方案是在图2所示方案的基础上增加了电热器，即增加了一路纯加热功能的温度控制。同时，为了配套此加热功能的实现，除增加了一只温度传感器之外，另外还采用了VPC2021-2系列的双通道PID调节器。由此形成了两个独立控制回路，一个回路控制进气压力实现低温温度的粗调，另一回路控制加热实现低温温度的细调，由此同时保证控温速度和精度。[/size][size=24px][color=#339999][b]6. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本文提出的解决方案，彻底解决了以往液氮温区低温控制中需要配备昂贵电动低温调节阀的问题，也解决了低温开关阀控温精度很差的问题。[/size][size=16px] 本文所述的三个解决方案，可适用和满足液氮温区内宽量程范围内不同要求的温度控制，在实际应用中可根据具体情况选择使用。其中控制流量和控制压力的方案可适用的温度控制范围为0℃~-150℃，而辅助加热器功能后控制压力方案的可控温度范围为150℃~-150℃，这里的上限温度主要受加热器耐低温特性决定。[/size][size=16px] 上述所有低温控温方案仅适用于液氮气体的吹扫形式，因此温度不是很低，但为更低温度的液氮介质直接流动冷却以及温度控制提供了技术上的借鉴。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align]

[color=#990000]摘要：目前亚硫酸法澄清工艺中普遍采用调节阀来控制磷酸液体的流量，但调节阀普遍存在耐腐蚀性差、响应速度慢和自动化水平低的问题。本文介绍了一种基于针型阀的新型耐腐蚀电动调节阀，采用了步进电机推进和FFKM全氟醚橡胶密封技术，具有可用于真空下的良好密封性能和微秒量级的响应速度，可采用直流电压信号或RS 485直接驱动，并已在蔗糖生产线得到了应用。[/color][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size]目前的蔗糖生产过程中普遍采用亚硫酸法澄清工艺，其中的磷酸自动控制系统要求能够进行磷酸的自动配比，并根据蔗汁流量实时连续自动调节磷酸添加量以保证磷酸添加的准确性。磷酸添加量控制是通过对浓度85%磷酸液体的流量进行调节，但存在以下迫切需要解决的难题：（1）耐腐蚀性差：85%浓度的磷酸液是一种无机中强酸，具有一定的腐蚀性，而目前绝大多数电动流量调节阀的耐腐蚀性普遍较差，无法用于硫酸流量调节。（2）自动化水平低：目前磷酸流量调节中大多还采用耐腐蚀的手动调节阀，磷酸添加准确性和及时性差影响产品质量，无法准确掌握磷酸使用情况。（3）精度差和响应速度慢：尽管也有用于流量调节电/气动球阀和蝶阀，但普遍口径太大，调节精度差，响应速度慢，无法满足磷酸流量ppm级调节精度要求。[size=18px][color=#990000]二、耐腐蚀精密电动调节阀[/color][/size]上海依阳实业有限公司开发的NCNV系列耐腐蚀数控电动针阀是一种灵巧型的电子式双向计量针阀，采用高精度直线步进电机驱动阀轴。[align=center][img=耐腐蚀电动调节阀,400,297]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112281632323226_702_3384_3.png!w603x449.jpg[/img][/align]主要技术指标如下：（1）接触材料：不锈钢；（2）密封材料：全氟醚橡胶（FFKM）；（3）响应时间：0.8s（全关到全开）；（4）流体：气体和液体；（5）压力范围：-1~7bar；（6）阀芯节流内径：0.9~4.1mm；（7）流量范围：0.1~2000L/m；（8）线性度：±0.1~±11%（9）重复精度：±0.1%（全量程）；（10）使用温度范围：0~84℃；（11）控制信号：0~10VDC或RS485；（12）工作电源：24V（≤12W）。[align=center][/align][align=center]=======================================================================[/align]

[color=#990000]摘要：针对目前MOCVD设备和工艺中真空压力控制方面存在的问题，如多数设备仅能使用下游控制模式、节流阀响应速度不够、节流阀耐腐蚀问题和压力控制器采集精度不高，本文提出了相应的解决方案，以进行MOCVD设备的改进和提高工艺和产品质量。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000]一、问题提出[/color][/size]在半导体行业内，MOCVD具有许多显著特点，可用于大面积生长，可精确控制成分和厚度，具有高重复性和生长速率，可覆盖复杂基板形状，可快速切换气路制备陡峭的多层界面，适用于原位退火等。但在MOCVD设备的开发和工艺调试中，需要研究和选择与生产相关的生长参数，这些参数包括反应室形状、工作压力、生长温度、基座转速、气体流速和入口温度等。MOCVD的工作压力一般为10 mtorr-500 torr范围内，工作压力的精密控制决定了反应室的流动稳定性，但在目前的真空压力控制中还存在以下问题：（1）如图1所示，目前的MOCVD设备基本都采用下游模式对工作压力进行控制，即在排气端安装节流阀进行排气流量调节实现反应室内的压力控制，但这仅适用于压力较高的工艺，如工作压力100~500torr范围。但对于有些工艺的低压要求，采用下游控制模式会造成工作压力波动较大，无法准确控制，从而影响产品质量。对于低工作压力的精密控制最好采用上游控制模式，即控制进气端的流量实现反应室的压力稳定。[align=center][img=MOCVD压力控制,600,265]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202050858525574_7248_3384_3.png!w690x305.jpg[/img][/align][align=center][color=#990000]图1 MOCVD典型压力控制系统示意图[/color][/align]（2）MOCVD工艺过程始终伴随着温度变化，而温度变化会严重影响工作压力的稳定性和可控性，因此要求在温度变化过程中同时实现工作压力的准确控制，这就要求进气和排气控制阀的响应速度越快越好，控制阀从全开到全闭至少要控制在5秒内，1秒以内更佳。（3）有些MOCVD工作气体带有腐蚀性，相应的阀门也需具有较强的抗腐蚀性以提高设备的连续正常工作寿命。（4）目前绝大多数控制都采用PLC模组，但极少PIC控制器能达到24位的模数转换精度，对于工作压力的精密控制，建议采用24位精度的PID控制器以充分发挥电容式压力传感器的高精度测量优势。本文将针对目前MOCVD设备和工艺中存在的上述问题，提出相应的解决方案。[size=18px][color=#990000]二、压力精密控制方案[/color][/size]在MOCVD工作压力范围内，一般要求在一定范围内，反应室内的工作压力可以在任意设定点上准确恒定。为了满足低压和高压的不同压力范围精密控制，所提出的压力控制方案是在原有的下游控制模式上增加上游控制模式，真空压力控制系统结构如图2所示，具体内容如下：[align=center][color=#990000][img=MOCVD压力控制,600,330]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202050900060793_95_3384_3.png!w690x380.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 MOCVD真空压力控制系统结构示意图[/color][/align]（1）在反应室的进气口和排气口分别安装步进电机驱动的电子针阀和电动球阀，电子针阀直接安装在进气口处，电动球阀安装在排气口和真空泵之间。对于MOCVD设备，可增加一个气囊以对进入的工作气体进行按比例混合后再经电子针阀进入反应室。当在高压下进行控制时，可固定电子针阀的开度，仅调节下游的电动球阀；在低压下进行控制时，可固定电动球阀的开度，仅调节上游的电子针阀。由此可满足不同压力控制的需要。（2）电子针阀和电动球阀都有高速型节流阀，电子针阀的响应速度为0.8秒，电动球阀有两种响应速度型号，分别是5秒和1秒。针阀和球阀的阀体采用不锈钢，密封件采用FFKM全氟醚橡胶，超强耐腐蚀性，可用于各种腐蚀性气体和液体。（3）在MOCVD中一般采用1000torr或10torr量程的电容压力计进行压力测量，其精度可达±0.2%。也可采用更高精度±0.05%的真空压力传感器进行测量。由此，方案中采用专用的24位A/D采集的高精度PID真空压力控制器，以匹配高精度电容式压力传感器的测量精度，并保证控制精度。综上所述，通过以上方案的实施，可以在整个真空压力范围内，将压力波动控制在±1%以内，并会快速响应反应室的温度变化实现压力的快速恒定，同时耐腐蚀性密封件将大幅度提高阀门的使用寿命。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=16px][color=#000099]摘要：超高真空度的控制普遍采用具有极小开度的可变泄漏阀对进气流量进行微小调节。目前常用的手动可变泄漏阀无法进行超高真空度的自动控制且不准确，电控可变泄漏阀尽管可以实现自动控制但价格昂贵。为了实现自动控制且降低成本，本文提出了手动可变泄漏阀与低漏率电控针阀组合的解决方案，结合真空压力PID控制器可实现超高真空度自动控制。[/color][/size][align=center][size=16px][/size][/align][size=16px][/size][align=center][color=#000099]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align] [b][size=18px][color=#000099]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 超高真空一般是指10-7Pa~10-2Pa范围的真空度，相应的超高真空技术应用也十分广泛，特别是对于芯片级原子钟（CSACs）、电容膜片规（CDGs）、显微镜、质谱仪和和新型金属有机化学[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]沉积（MOCVD）等需要超高真空环境的设备，其真空度控制的稳定性通常非常重要。[/size][size=16px] 超高真空度控制的基本原理如图1所示，可采用开环和闭环两种控制形式，基本控制原理是固定真空泵的抽速，通过调节进气流量来实现不同真空度的控制。对于超高真空控制，要求进气量非常微小，所以一般采用可变泄漏阀（varible leakage valve）进行调节进气量。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=01.超高真空度控制系统结构示意图和各种可变泄漏阀,650,493]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304272211542322_7977_3221506_3.jpg!w690x524.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图1 超高真空度控制的基本原理和各种可变泄漏阀[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，目前常用的可变泄漏阀有手动和自动两种形式，但在实际应用中存在以下两方面的问题：[/size][size=16px] （1）手动可变泄漏阀只能组成开环控制回路，需要人工调节泄漏阀开度并同时观察真空计读数进行超高真空度控制。这种开环控制方法很难实现真空度的稳定，气源和真空腔体内稍有扰动就会带来严重的波动，另外就是在多个真空度点控制时很难操作和控制。[/size][size=16px] （2）自动可变泄漏阀是在手动泄漏阀上配置了一个电子致动器和PID控制器，与真空计可构成闭环控制回路，可实现超高真空度的精密控制，但存在的问题是价格昂贵，自动可变泄漏阀要比手动泄漏阀贵三倍左右。[/size][size=16px] 针对目前可变泄漏阀具体使用中存在的上述问题，本文提出了如下解决方案。[/size][size=18px][color=#000099][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案的基本思路是采用价格相对较低的手动可变泄漏阀以提供微小的很定进气流量，然后再配备低漏率的电控针阀对此微小进气流量进行电动调节，以实现最终超高真空度的自动控制，由此构成的超高真空度控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=02.手动泄漏阀和电动针阀组合式超高真空度控制系统结构示意图,600,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304272212262679_3036_3221506_3.jpg!w690x308.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图2 手动泄漏阀和电动针阀组合式超高真空度控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 由图2所示的控制系统可以看出，整个系统由手动泄漏阀、电控针阀、真空计和PID真空压力控制器构成，并形成闭环控制系统。在具体控制过程中，首先将手动泄漏阀调节到某一固定位置使其保持恒定的微小进气流量，真空压力控制器根据采集到的真空计信号与设定值比较后对电控针阀进行动态调节。由于电控针阀自身有很小的真空漏率，所以电控针阀的开度变化相当于是对手动泄漏阀进气流量的进一步调节，由此电动针阀与手动泄漏阀配合可实现对进入腔体的流量进行调节而最终实现超高真空度的控制。[/size][size=16px] 在图2所示的控制系统中，真空计采用了组合式皮拉尼真空计，真空度测试范围可以从一个大气压到5×10-8Pa，全量程真空度对应的模拟信号输出为0~10V。此真空计信号可以直接被真空压力PID控制器接收，PID控制器具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比技术指标，并带有程序控制和RS485通讯功能，可很好的进行超高真空度的全量程自动控制。[/size][size=16px] 此解决方案除了可以满足小型真空腔室的超高真空度控制之外，也可以用于较大腔室的控制，所需的只是改变手动可变泄漏阀开度大小。[/size][align=center][size=16px][color=#000099]~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][/color][/size][/align]

[align=center][img=,690,371]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311949282951_4033_3384_3.png!w690x371.jpg[/img][/align][color=#ff0000]摘要：针对密封腔体内真空度（压强）的准确控制，本文基于薄膜电容真空计、电动针阀、电动球阀、真空泵和高精度PID控制器组成的真空控制系统，设计了上下游两种模式的控制试验方案。依据对两种试验方案分别进行了试验，考核了10Pa~600Torr真空度范围内十几个设定点的恒定控制精度，并用波动率描述了考核试验结果。试验结果显示在整个真空度量程范围内，恒定控制的波动率小于±1%。[/color][color=#ff0000][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000]1. 考核试验方案[/color][/size]　　在真空腔体的真空度（压强）控制过程中，会针对具体要求对真空度进行准确的定点控制或程序曲线控制，并配套使用真空计、电动针阀、电动球阀（电动蝶阀）、真空泵和高精度PID控制器。　　在真空度具体控制过程中，一般会根据具体工艺要求在上游控制和下游控制这两种模式中选择一种。一般而言，在低真空（高压）下会选择下游控制模式，在高真空（低压）下会选择上游控制模式。　　为了考察真空度（压强）控制模式和控制系统的控制精度，分别设计了两个考核试验方案。[color=#ff0000]1.1. 配备电动针阀的上游控制模式[/color]　　上游控制模式考核试验方案如图1-1所示。　　在上游模式中主要考核1Torr以下的高真空度恒定控制，所以采用了1Torr量程的薄膜电容真空计。真空腔体的进气由24位高精度的PID控制器控制电动针阀来进行调节，真空腔体的出气则由真空泵进行抽取。在真空泵抽气速率恒定的情况下，通过自动调节电动针阀的开度来实现腔体内真空度的控制。[align=center][img=1-01.上游控制模式试验方案示意图,400,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311953076843_6825_3384_3.png!w690x710.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图1-1 上游控制模式试验方案示意图[/color][/align]　　实施上述设计方案的考核试验装置如图1-2所示。[align=center][color=#ff0000][img=1-02.上游控制模式考核试验装置,690,466]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311953439851_1379_3384_3.png!w690x466.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1-2 上游控制模式考核试验装置[/color][/align][color=#ff0000]1.2. 配备电动球阀的下游控制模式[/color]　　下游控制模式考核试验方案如图1-3所示。　　在下游模式中主要考核小于一个大气压（760Torr以下）的低真空度恒定控制，所以采用了1000Torr量程的薄膜电容真空计。真空腔体的进气由手动阀门保持一恒定开度，真空腔体的出气则由真空泵进行抽取，但通过24位高精度的PID控制器控制电动球阀来调节出气速度。在进气和真空泵抽气速率都恒定的情况下，通过自动调节电动球阀的开度来实现腔体内真空度的控制。[align=center][color=#ff0000][img=1-03.下游控制模式试验方案示意图,400,428]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311954050798_6215_3384_3.png!w666x713.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1-3 下游控制模式试验方案示意图[/color][/align]　　实施上述设计方案的考核试验装置如图1-4所示。[align=center][color=#ff0000][img=1-04.下游控制模式考核试验装置,690,425]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311954267687_6095_3384_3.png!w690x425.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1-4 下游控制模式考核试验装置[/color][/align][size=18px][color=#ff0000]2. 试验和结果[/color][/size][color=#ff0000]2.1. 上游控制模式试验和结果[/color]　　在上游模式试验过程中，首先开启真空泵后使其全速抽气，然后在68Pa左右对PID控制器进行PID参数自整定。自整定完成后，分别对12、27、40、53、67、80、93和107Pa共8个设定点进行了控制，整个控制过程中真空度的变化如图2-1所示。[align=center][color=#ff0000][img=2-1. 上游考核试验曲线,690,418]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311955268759_6495_3384_3.png!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2-1 上游控制模式真空度定点控制考核试验曲线[/color][/align]　　将上述不同真空度恒定控制点处的控制效果以波动率来表达，则得到如图2-2所示的不同真空度下的控制波动率。从波动率图可以看出，采用1Torr真空计控制1Torr以下真空度时，波动率会随着真空度的升高（压强降低）而增大，主要因为以下几方面的原因：[align=center][color=#ff0000][img=2-2. 上游模式真空度恒定控制波动度,690,388]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311955531485_5277_3384_3.png!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2-2 上游模式真空度恒定控制波动率[/color][/align]　　（1）在整个控制过程中，始终采 用的是在68Pa真空度恒定点处自整定后的PID参数，显然将此PID参数应用于12Pa恒定点控制并不太合适，还需进行单独的PID参数。　　（2）在PID参数自整定后，并未对PID进行更进一步的精细调节，直接采用了自整定获得的PID参数，这也是影响波动率的一个原因。　　（3）1Torr真空计的量程为0.0001~1Torr，即0.013~133.32Pa，对应的模拟信号输出为0~10V。在上述实际测量中，最低真空度恒定点107Pa时的模拟信号为8.026V，最高真空度恒定点12Pa时的模拟信号为0.900V，那么对于一定采集精度的控制器而言，测量和控制0.900V时的测控误差显然会较大。[color=#ff0000]2.2. 下游控制模式试验和结果[/color]　　在下游模式试验过程中，首先开启真空泵后使其全速抽气，并将进气阀调节到微量进气的位置，然后在300Torr左右对PID控制器进行PID参数自整定。自整定完成后，分别对70、200、300、450和600Torr共5个设定点进行了控制，整个控制过程中真空度的变化如图2-3所示。[align=center][color=#ff0000][img=2-3. 下游考核试验曲线,690,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311956082491_876_3384_3.png!w690x411.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2-3 下游控制模式真空度定点控制考核试验曲线[/color][/align]　　将上述不同真空度恒定控制点处的控制效果以波动率来表达，则得到如图2-4所示的不同真空度下的控制波动率。从波动率图可以看出，采用1000Torr真空计控制1000Torr以下真空度时，波动率会随着真空度的升高（压强降低）而略有增大，与上游控制模式中的现象一致。[align=center][color=#ff0000][img=2-4. 下游模式真空度恒定控制波动度,690,427]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311956206407_9051_3384_3.png!w690x427.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图2-4 下游模式真空度恒定控制波动率[/color][/align][size=18px][color=#ff0000]3. 结论[/color][/size]　　通过上下游两种控制模式的考核试验，可得出以下结论：　　（1） 配备有目前型号电动针阀、电动球阀和PID控制器的真空度（压强）控制系统，在采用了薄膜电容真空计条件下，恒定真空度（压强）控制的波动率可轻松的保持在±1%以内；　　（2） 由于真空控制系统中进气或出气流量与真空度并不是一个线性关系，因此在整个测控范围内采用一组PID参数并不一定合适，为了使整个测控范围内的波动率稳定，还需采用2组以上PID参数。　　（3） 今后还需开展进一步的研究和试验工作，希望控制波动度能降低到±0.5%以下，而且提高控制响应速度，以满足更苛刻的真空工艺要求。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [align=center][img=,690,305]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/07/202107311952439870_640_3384_3.jpg!w690x305.jpg[/img][/align]

[size=16px][color=#339999]摘要：针对晶体生长和CVD等半导体设备中对0.1%超高精度真空压力控制的要求，本文对相关专利技术进行了分析，认为采用低精度的真空度传感器、调节阀门和PID控制器，以及使用各种下游控制方法基本不太可能实现超高精度的长时间稳定控制。要满足超高精度要求，必须采用0.05%左右精度的传感器和相应精度的PID控制器，结合1s以内开合时间的高速电动针阀和电动球阀，同时还需采用上游进气控制模式。另外，本文提出的超高精度解决方案中，还创新性的提出了进气混合后的减压恒压措施，消除进气压力波动对超高精度控制的影响。[/color][/size][align=center][size=16px][img=彻底讲清如何实现各种单晶炉的0.1%超高精度真空压力控制,690,290]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071124469579_383_3221506_3.jpg!w690x290.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在晶体生长和CVD等半导体设备领域，普遍要求对反应腔室的真空压力进行快速和准确控制。目前许多半导体工艺设备的真空压力基本在绝对压力10~400Torr的真空度范围内，通过使用下游节流阀（电动球阀或电动蝶阀）的开度自动变化来调节抽气速率基本能达到1%以内的控制精度。但对于有些特殊晶体生长等生产工艺，往往会要求在0.1~10Torr真空度范围内进行控制，并要求实现0.1%的更高精度控制。[/size][size=16px] 最近有用户提出对现有晶体生长炉进行技术升级的要求，希望晶体炉的真空压力控制精度从当前的1%改造升级到0.1%，客户进行改造升级的依据是宁波恒普真空科技股份有限公司的低造价的压力控制系统，且技术指标是“公司研发的压力传感器和控制阀门及配套的自适应算法，可将压力稳定控制在±0.3Pa（设定压力在100~500Pa间）”。[/size][size=16px] 我们分析了宁波恒普在真空压力控制方面的两个相关专利，CN115113660A（一种通过多比例阀进行压力控制的系统及方法）和CN217231024U（一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统），认为采用所示的专利技术可能无法实现100~500Pa全量程范围内0.1%的长时间稳定的控制精度，最多只可能在个别真空点和个别时间段内勉强内达到。本文将对这两项专利所设计的控制方法进行详细技术分析说明无法达到0.1%控制精度的原因，并提出相应的解决方案。[/size][b][size=18px][color=#339999]2. 专利技术分析[/color][/size][/b][size=16px] 宁波恒普公司申报的发明专利“一种通过多比例阀进行压力控制的系统及方法”，其压力控制系统结构如图1所示，所采用的控制技术是一种真空压力动态平衡控制方法中典型的下游控制模式，即固定进气流量，通过调节排气流量实现真空压力控制。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.通过双比例阀进行压力控制的系统的示意图,500,244]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071128351485_5277_3221506_3.jpg!w690x338.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 通过双比例阀进行压力控制的系统的示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在动态平衡法控制中，这种下游模式的特点是： （1）非常适用于10~760Torr范围内的高气压精确控制，抽气流量的变化可以很快改变真空腔体内部气压的变化，不存在滞后性，这对于高精度的高压气体控制非常重要，因此这种下游控制模式也是目前国内外绝大多数晶体炉的真空压力控制方法。 （2）并不适用于0.1~10Torr范围内低气压控制，这是因为在低气压控制过程中，抽气速率对低气压变化的影响较为缓慢，存在一定的滞后性，调节抽气速率很难实现低气压范围内的真空度高精度控制。因此，对于低气压高真空的精密控制普遍采用的是上游控制模式，即调节进气流量，利用了低气压对进气流量非常敏感的特性。 宁波恒普公司所申报的发明专利“一种通过多比例阀进行压力控制的系统及方法——CN 115113660A”，如图1所示，所采用的下游控制模式是通过分程（或粗调和细调）形式来具体实现，即通过次控制阀开度改变抽气口径大小后，再用主控制阀开度变化进行细调，本质还是为了解决抽气速率的精细化调节问题。 这种抽气速率分段调节的类似方法在国内用的比较普遍，较典型的如图2所示的浙江晶盛公司专利“一种用于碳化硅炉炉腔压力控制的控压装置——CN210089430U”，采用的就是多个分支管路进行下游模式控制，多个分支管路组合目的就是调节抽气口径大小。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=02.下游控制整体结构示意图,500,450]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071129101289_1324_3221506_3.jpg!w690x621.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图2 下游多支路真空压力控制结构示意图[/color][/size][/b][/align][size=16px] 宁波恒普公司另一个实用新型专利CN217231024U（一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统），如图3所示，也是采用下游控制模式。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=03.晶体生长炉的压力串级控制系统的结构示意图,450,361]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071132344137_9996_3221506_3.jpg!w690x555.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图3 下游串级控制系统结构示意图[/color][/size][/b][/align][size=16px] 在晶体生长和其他半导体工艺的真空压力控制中，国内外普遍都采用下游控制模式而很少用上游控制模式，主要原因如下：[/size][size=16px] （1）绝大多数工艺对气氛环境的要求是高气压（低真空）范围内控制，如10~500Torr（绝对压力），且控制精度能达到1%即可。这种要求，最适合的控制方法就是下游模式。[/size][size=16px] （2）绝大多数半导体工艺都需要输入多种工作气体，而且各种工作气体还要保持严格的质量和比例，所以进气控制基本都采用气体质量流量计。如果在质量和比例控制之后，再对进气流量进行控制，一是没有必要，二是会增加技术难度和设备成本。[/size][size=16px] （3）在下游控制模式中安装节流阀（电动蝶阀）比较方便，可以在真空泵和腔体之间的真空管路上安装节流阀，而且对节流阀的拆卸和清洗维护也较方便。[/size][size=16px] 国内有些厂家在下游模式中采用上述分程控制方法的动机主要是为了规避使用高速和高精度但价格相对较贵的下游节流阀（电动蝶阀），这种高速高精度下游节流阀主要是具有1秒以内的全程闭合时间，直接使用这种高速蝶阀就可以在高气压范围内实现低真空度控制。而绝大多数国产真空用电动球阀和电动蝶阀尽管价格便宜，但响应速度普遍在几十秒左右，这使得压力控制的波动性很大。所以为了使用国产慢速电动蝶阀，且保证控制精度，只能在下游管路上想办法。[/size][size=16px] 如果采用高速电动球阀或电动蝶阀，且真空计和控制器达到一定精度，则采用任何形式的下游模式控制方式都可以在低气压范围内轻松实现1%的控制精度，但无法达到0.1%的控制精度。而如果采用低速阀门和上述专利所述的控制方法，也有可能达到1%控制精度，但更是无法实现更高精度0.1%的真空压力控制。[/size][b][size=18px][color=#339999]3. 超高精度真空压力控制方法及其技术[/color][/size][/b][size=16px] 晶体生长炉的真空压力控制也是一种典型的闭环PID控制回路，回路中包括真空泵、真空计、电动阀门和PID控制器。其中真空泵提供真空源，真空计作为真空压力测量传感器，电动阀门作为执行器调节进气或出气流量，PID控制器接收传感器信号并与设定值进行比较和PID计算后输出控制信号给执行器。[/size][size=16px] 这里我们重点讨论在0.1~10Torr的低气压（高真空）范围内实现0.1%超高精度的控制方法和相关技术。依据动态平衡法控制理论以及大量的实际控制试验和成功应用经验，如果要实现上述低压范围内（0.1~10Torr）的高精度控制，必须满足以下几个条件，且缺一不可：[/size][size=16px] （1）真空泵要具备覆盖此真空度范围的抽取能力，并尽可能保持较大的抽速，由此在高温加热过程中的气体受热膨胀压力突增时，能及时抽走多余的气体。[/size][size=16px] （2）真空计和PID控制器要具有相应的测量和控制精度。[/size][size=16px] （3）采用上游控制模式，并需采用高速电动针阀自动和快速的调节进气流量大小。[/size][size=16px] 国内外晶体生长炉和半导体工艺的真空压力控制，普遍采用的是薄膜电容真空计，价格在一万元人民币左右的这种进口真空计，测量精度基本在0.25%左右。这种真空计完全可以实现0.5 ~ 1%的控制精度，但无法满足更高精度控制（如0.1%）中的测量要求，更高精度的真空度测量则需要采用0.05%以上精度的昂贵的薄膜电容真空计。[/size][size=16px] 同样，对于PID控制器，也需要相应的测量精度和控制精度。如对于0.25%精度的真空计，采用16位AD、12位DA和0.1%最小输出百分比的PID控制器，可以实现1%以内的控制精度，这在相关研究报告中进行过专门分析和报道。若要进行更高精度的控制，则在采用0.05%精度真空计基础上，还需采用24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比的PID控制器。[/size][size=16px] 宁波恒普公司在其官网的压力控制技术介绍中提到，采用恒普自己研发的压力传感器和控制阀门及配套的自适应算法，在绝对压力100~500Pa范围内可将国内外现有技术的±3Pa压力波动（控制精度在1%左右）提升到±0.3Pa（控制精度在0.1%左右），控制精度提高了一个数量级。我们分析认为：在绝对压力100~500Pa的低压范围内，如果不能同时满足上述的三个条件，基本不太可能实现0.1%的超高精度控制。[/size][b][size=18px][color=#339999]4. 超高精度真空压力控制技术方案[/color][/size][/b][size=16px] 对于超高精度真空压力控制解决方案，我们只关心前述条件的第二和第三点，不再涉及真空泵内容。[/size][b][color=#339999] （1）超高精度真空计的选择[/color][/b][size=16px] 目前国际上能达到0.05%测量精度的薄膜电容真空计有英福康和MKS两个品牌，如图4所示。这类超高精度的真空计都有模拟信号0~10V输出，数模转换是20位。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=04.超高精度薄膜电容真空计,550,240]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071130184466_8776_3221506_3.jpg!w690x302.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图4 超高精度0.05%薄膜电容真空计 （a）INFICON Cube CDGsci；（b）MKS AA06A[/color][/size][/b][/align][size=16px][b][color=#339999] （2）超高精度PID控制器的选择[/color][/b] 从上述真空计指标可以看出，真空计的DAC输出是20位的0~10V模拟型号，那么真空压力控制器的数据采集精度ADC至少要20位。为此，解决方案选择了目前最高精度的工业用PID控制器，如图5所示，其中24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比。所选控制器具有单通道和双通道两种规格，这样可以分别用来满足不同真空度量程的控制，双通道控制器可以用来同时采集两只不同量程的真空计而分别控制进气阀和抽气阀实现真空压力全量程的覆盖控制。另外PID控制器还具有标准的RS485通讯和随机配套计算机软件。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=05.高速电动阀门和超高精度PID调节器,650,237]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071130375986_9640_3221506_3.jpg!w690x252.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图5 超高精度PID真空压力控制器和高速电动阀门[/color][/size][/b][/align][size=16px][b][color=#339999] （3）高速电动阀门选择[/color][/b] 高速电动阀门主要包括了真空用电动针阀和电动球阀，都有极小的漏率。如图5所示，其中电动针阀用于微小进气流量的快速调节，电动球阀用于大排气流量的快速调节，它们的全程开启闭合速度都小于1s，控制电压都为0~10V模拟信号。[b][color=#339999] （4）超高精度0.1%压力控制技术方案[/color][/b] 基于上述关键部件的选择，特别是针对0.1~10Torr范围内的0.1%超高精度真空压力控制，本文提出的控制系统具体技术方案如图6所示。[/size][align=center][b][size=16px][color=#339999][img=06.超高精度真空压力控制系统结构示意图,600,325]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304071131004546_6716_3221506_3.jpg!w690x374.jpg[/img][/color][/size][/b][/align][align=center][b][size=16px][color=#339999]图6 超高精度真空压力控制系统结构示意图[/color][/size][/b][/align][size=16px] 如前所述，在0.1~760Torr的真空压力范围内，分别采用了量程分别为10Torr和1000Torr的两只超高精度真空计，并分别对应上游和下游控制模式来进行覆盖控制，真空源为真空泵。[/size][size=16px] 在10~750Torr范围内，采用下游控制模式，即控制器的第一通道用来控制电动针阀的进气开度保持固定，第二通道用来检测真空计信号，并根据真空压力设定值自动PID调节电动球阀的开度变化实现准确控制。[/size][size=16px] 在0.1~10Torr范围内，采用上游控制模式，即控制器的第二通道用来控制电动球阀的进气开度保持固定（一般为全开），第二通道用来检测真空计信号，并根据真空压力设定值自动PID调节电动针阀的开度变化实现准确控制。[/size][size=16px] 由于电动针阀调节的是总进气流量，所以在具体工艺中需要将多种工作气体先进行混合后再流经电动针阀，而且多种工作气体通过相应的气体质量流量计（MFC）来控制各种气体所占比例，然后进入混气罐。在0.1~10Torr范围内的超高精度控制中，进气压力的稳定是个关键因素。为此，解决方案中增加了一个减压恒压罐，并采用正压控制器对混合后的气体进行减压，使恒压罐内的压力略高于一个大气压且恒定不变。[/size][size=16px] 解决方案中的超高精度PID控制器具有RS485接口并采用标准的MODBUS通讯协议，可以通过配套的计算机软件直接对控制器进行各种设置和操作运行，并显示、存储和调用各种控制参数的变化曲线，这非常便于整个工艺控制过程的调试。工艺参数和过程调试完毕后，可连接PLC上位机进行简单的编程就能与工艺设备控制软件进行集成。[/size][size=16px] 综上所述，本文设计的解决方案，结合相应的超高精度和高速的传感器、电动阀门和PID控制器，能够彻底解决超高精度且长时间的真空压力控制难题，可以满足生产工艺需要。[/size][b][size=18px][color=#339999]5. 总结[/color][/size][/b][size=16px] 晶体生长和半导体材料的生产过程往往需要较长的时间，工艺过程中的真空压力控制精度必须还要考虑长时间的控制精度，仅仅某个真空度下或短时间内达到控制精度并不能保证工艺的稳定和产品质量。[/size][size=16px] 在本文的解决方案中，特别强调了一是必须采用相应高精度和高速的传感器、执行器和控制器，二是必须采用相应的上游或下游控制方式，否则，如果仅靠复杂PID控制算法根本无法通过低精度部件实现高精度控制，特别是在温度对真空压力的非规律性严重影响下更是如此，这在太多的温度和正压控制中得到过证明，也是一个常识性概念。[/size][size=16px] 对于超高精度的真空压力控制，本文创新性的提出了稳定进气压力的技术措施，其背后的工程含义也是先粗调后细调，尽可能消除外界波动对控制精度的影响，这在长时间内都要求进行超高精度稳定控制中尤为重要。[/size][size=16px] 这里需要说明的是，实现超高精度控制的代价就是昂贵的硬件装置，如超高精度的电容真空计。尽管在高速电动阀门和超高精度PID控制器上已经取得技术突破并降低了价格，但在薄膜电容真空计方面国内基本还处于空白阶段。除非在超高精度电容真空计上的国内技术取得突破，可以使得造价大幅降低，否则将不可避免使得真空压力控制系统的成本增大很多，而目前在国内还未看到这种迹象。[/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align]

[b]特种气体报警联动控制[/b]特种气体探测系统确认气体泄露时，应自动启动相应的事故排风装置，自动关闭相关部位的气体切断阀，并应能接受反馈信号。侦测到泄露时，应自动启动泄露泄露现场的声光报警装置，该声光报警应有别于火灾报警装置，并应自动启动应急广播系统。还应该关闭有关部位的电动防火门、防火卷帘门，自动释放门禁，可联动闭路电视监控系统，启动相应区域的摄像机并自动录像。泄露信号应传至安全显示屏，并用文字提示现场人员。以上所述，均属于特种气体报警联动控制。[img=,690,690]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909161545335134_8577_3989203_3.jpg!w690x690.jpg[/img][b]联动控制方案：[/b]泄漏侦测报警、欠压侦测报警、高温侦测报警、火焰侦测报警、烟雾侦测报警、地震侦测报警等报警信号均要远程发送到控制系统中心，控制系统中心根据所接收的信号，通过PLC或EDC程序判定要做出应对的动作，比如：启动现场的声光报警装置、开启控制中心的声光报警、开启消防广播、落下防火卷闸门、切断气瓶柜供气、关闭阀门箱供气、阀门盘的切断阀门、给相应的管理人员手机发送信息、发送信号给附近的消防管理站等等。

[font=宋体] 新冠病毒肆虐高峰时期，市场上各种消毒杀菌用品吸引眼球，让人目不暇接，不知道如何区分和选择。以小型手持电动喷雾器为例， K5 Pro纳米雾化杀菌枪的价格从每把10多元到50多元，疫情严重期间卖到八九十元一把。现在普遍卖十几元一把，个别商家号清仓价，才5、6元左右一把。众多的K5 Pro纳米雾化杀菌枪，外观都差不多，大体上分为按键控制、电子触摸控制以及MCU控制三类。下面解析按键控制型K5 Pro电动喷雾消毒枪，绘制出电路图，供维修参考使用。[/font][font=宋体][b]一、外观[/b][/font][font=宋体]外包装纸盒印刷比较漂亮，纳米喷雾杀菌枪字样很醒目，但这是扯淡的。[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010655260975_909_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]尾部，白色“M”按键是开机及档位控制键，在它的下面是“充电”、“低档”、“高档”LED工作指示灯：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010657067148_223_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体][b]二、拆解[/b][/font][font=宋体]卸下外壳8颗固定螺丝：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010657457847_1976_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]分开喷雾枪外壳，结构很简单，内部元件标示如下：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010658185380_3743_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]气泵压出的高压气体分为两路，一路进入酒精瓶，将酒精压出；另一路直接进入喷头。在喷头内，酒精液体被高压气流撕为微小液滴、喷雾而出：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010658425551_7090_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]电路板采用单面覆铜板，用插针座连线，方便维修：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010659084624_4208_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]电路板正面，电子元件少，属于半机械控制类型，气泵运行档位通过电路板上黑色按钮开关切换：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010659295625_3685_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]开关采用两开一关自锁按钮开关，：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010700051841_5111_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]供电的蓝色外皮18650锂电池，没有任何标示，容量及寿命未知：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010700254038_2796_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]气泵采用直流电机驱动，外壳上也没有任何标示：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010700474232_6301_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]喷雾头用透明塑料制作：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010701083643_9215_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]蓝光灯板背面，8颗蓝光LED灯珠并联焊接：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010701298805_6810_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体]蓝光LED仅仅起到好观察喷雾作用，至于商家说蓝光杀菌，纯粹是夸大其词：[/font][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010701566452_4143_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][font=宋体][b]三、电路分析[/b][/font][font=宋体]根据PCB上的电子元件分布，绘出电路图如下：[/font][img=,690,315]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010702171501_8865_1807987_3.jpg!w690x315.jpg[/img][font=宋体][b]电路工作原理：[/b]电路中，LTH7是单节锂电池充电管理IC，与周围的元件构成充电电路。按下开关K，接通低档控制电路，D3（低档）LED灯亮，三极管Q饱和导通，D4（高档）LED灯不亮，VC电源通过二极管D5给气泵电机供电，电机低速转动。再按一下开关K，接通高档控制电路，D3（低档）LED灯灭，三极管Q截止，D4（高档）LED灯亮，VC电源直接给气泵电机供电，电机高速转动。在电机工作时，8只蓝光LED发光，R6是限流电阻。[/font][font=宋体][b]结束语：[/b][/font][font=宋体] [/font][font=宋体]通过拆解，这个机械按键式电动喷雾枪的电路简单可靠，工作时，电池才用电。停机时，没有待机电流，电池比较耐用。酒精瓶中的酒精被气泵气压出，停机没有气压，没有倾斜溢流的问题。那8个蓝光LED辅助用于判断喷雾范围，广告里说有纳米蓝光消毒功能那就胡扯了。[/font]

[align=center][size=16px] [img=常压原子力显微镜实现从超高真空到1bar的可变压力精密控制解决方案,690,446]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111648213082_8409_3221506_3.jpg!w690x446.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#000099][b]摘要：针对原子力显微镜对真空度和气氛环境精密控制要求，本文提出了精密控制解决方案。解决方案基于闭环动态平衡法，在低真空控制时采用恒定进气流量并调节排气流量的方法，在高真空和超高真空控制时则采用恒定排气流量并调节进气流量的方法。原子力显微镜真空度控制系统主要由高速电控针阀、电动可变泄漏阀、高速电控球阀、电容真空计、电离真空计和超高精度PID调节器构成，在超高真空至一个大气压范围内可达到很高的控制精度。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#000099][b]=================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#000099][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 环境可控型原子力显微镜（AFM）是一种可以选择真空环境、气氛环境、液体环境以及变温环境等不同工作环境，并基于检测被测样品与探针之间的弱相互作用来研究包括材料表面形貌和物理化学性质的精密仪器。原子力显微镜要具备真空和气氛环境功能，主要出于以下应用需求：[/size][size=16px] （1）众所周知，原子之间的相互作用力非常微小的，AFM在工作时，为了维持两者之间的作用力，探针和样品之间的距离非常近，通常只有几个纳米或几十个纳米，这就对仪器周围环境的要求非常之高。目前市场上的原子力显微镜都是在普通空气环境中进行操作，但由于空气中活跃着各种气体分子、存在各种机械振动以及电磁干扰的缘故，要想获得极高的分辨率还是比较困难的，要想利用原子力显微镜真正获得原子级别的分辨率，还是需要在真空和超高真空环境下进行工作。[/size][size=16px] （2）随着微纳尺度下研究的逐步深入，在诸多研究中，需要在真空环境或者同一气氛环境（如氮气、氧气、湿度以及酒精蒸汽等）中，对样品表面同一实验区域原位开展多种不同的探测实验（如摩擦能量耗散测量，需要在不破坏工作环境的前提下更换其他具有不同功能的探针，实现原位探测）。 [/size][size=16px] （3）在有些微纳尺度研究中，不同真空度和不同气氛下的力谱测量结果显示AFM针尖和所研究材料之间的粘附力显著依赖于所暴露的真空压力和气体。[/size][size=16px] 总之，为了使原子力显微镜具有环境可控功能，关键是解决原子力显微镜的真空度和环境气氛精密控制问题，为此本文提出以下解决方案。[/size][size=18px][color=#000099][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案的基本思路是在采用多个进气管路来选择具体工作气体的基础上，采用了两种技术途径来改变和精密控制原子力显微镜内的真空度。[/size][size=16px][color=#000099][b]2.1 回填技术[/b][/color][/size][size=16px] 在文献1所报道的如图1所示的环境压力原子力显微镜中，采用的就是回填技术，即先对环境压力腔室抽真空至超高真空度，然后通过泄漏阀的调节向环境压力腔室内回填所需的工作气体，使腔室内的压力达到所需的真空度。整个真空回填系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=带有制备室和环境压力室的超高真空度原子力显微镜,690,485]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111651309750_3730_3221506_3.jpg!w690x485.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图1 带有制备室和环境压力室的超高真空度原子力显微镜[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=原子力显微镜真空压力回填系统结构示意图,550,361]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111651565751_1942_3221506_3.jpg!w460x302.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图2 原子力显微镜真空压力回填系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图2所示，回填系统主要由以下几部分构成：（1）涡轮分子泵、（2）旋转低真空泵、（3）一氧化碳气体管线的碳过滤器、（4）压力计、（5）冷阱、（6）AP室气体计量的泄漏阀和（7）AP室初始排空闸阀。[/size][size=16px] 环境压力室真空压力范围为超高真空1×10[sup]-7[/sup]mBar~1Bar，在打开泄漏阀之前，环境压力室与准备室和离子泵隔离。由于真空室压力最高可达1巴，因此关闭离子压力计，使用全量程压力计（冷阴极压力计和对流压力计的组合）监控压力。[/size][size=16px] 从图2可以看出，在文献1所描述气体回填系统是一个真空压力的开环控制系统，我们分析此真空度控制系统并未进行更详细的描述，甚至可能根本无法真正实现文中所述的从超高真空度到一个大气压的1%精度内的准确控制，主要原因如下：[/size][size=16px] （1）首先，文献1中所采用的真空度传感器是超高真空用离子压力计和全量程压力计（冷阴极压力计和对流压力计的组合），这些真空计本身的精度就无法达到1%以内的测量精度。[/size][size=16px] （2）文献1采用了调节泄漏阀的开环控制形式向AFM环境压力腔内回填气体来进行真空度调节，根本就无法做到实施的反馈控制，关闭泄漏阀后，腔体自身漏率的存在一定会使腔内压力逐渐回升，这种回升在超高真空度范围内会非常明显，会明显影响超高真空度的稳定性。[/size][size=16px] （3）泄漏阀是一种漏率极低的调节阀门，其微小的进气流量仅适合10[sup]-3[/sup]~10[sup]-10[/sup]mBar范围内的高真空和超高真空度调节。对于10[sup]-3[/sup]mBar~1Bar的低真空控制，泄漏阀的作用非常有限，或者需要非常长的进气时间才能达到所需真空度，因此对于低真空范围内的进气控制，一般都会采用进气流量较大的针阀。[/size][size=16px][color=#000099][b]2.2 闭环控制和不同流量阀技术[/b][/color][/size][size=16px] 针对上述文献1中所用的回填技术存在的问题，本文提出的解决方案将逐项予以解决，一方面采用闭环控制技术，即由真空计、电动进气流量调节阀和真空压力PID控制器过程闭环控制回路，对所设定的不同真空度进行准确控制。另一方面是针对不同的真空度范围，分别采用了微小进气流量的电动可变泄漏阀和较大流量的电动针阀。由此构成的真空控制系统结构如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#000099][b][img=原子力显微镜真空压力闭环控制系统结构示意图,690,364]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310111652283772_3144_3221506_3.jpg!w690x364.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#000099][b]图3 原子力显微镜真空压力闭环控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图3所示，整个真空压力闭环控制系统分为以下四条气体管路，各自功能如下：[/size][size=16px] 抽气管路：抽气管路主要由电动球阀、干泵和分子泵组成，其中干泵和分子泵的作用是提供相应的真空源，而电动球阀则是用于调节使用干泵时管道内的抽气速率。[/size][size=16px] 大流量进气管路：大流量进气管路主要由电动针阀组成，其作用是以较大的流量形式调节腔体的进气流量。[/size][size=16px] 微小流量进气管路：微小流量进气管路主要由电动可变泄漏阀组成，其作用是以极小的流量形式调节腔体的进气流量。[/size][size=16px] 进气管路：进气管路的作用是连接气源和为腔体提供多种压力恒定的工作气体，图3中并未绘出。进气管路中也可以通过增加混气罐来进行各种进气的混合。[/size][size=16px] 通过上述四条管路以及相应的真空度传感器和真空压力控制器，图3所示的闭环控制系统可实现从超高真空度至一个大气压的全量程真空压力精确控制，具体控制的过程如下：[/size][size=16px] （1）低真空度范围（10mBar~1Bar）：在低真空度范围内，双通道真空压力控制器的第一通道采集1000Torr电容真空计（测量精度0.25%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动球阀，通过快速改变电动球阀的开度调节排气流量，从而在低真空度范围内实现1%内的控制精度。需要注意的是在低真空度范围控制时，大流量进气管路上的电动针阀要保持恒定开度。[/size][size=16px] （2）高真空度范围（0.01mBar~10mBar）：在高真空度范围内，双通道真空压力控制器的第二通道采集10Torr电容真空计（测量精度0.25%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动针阀，通过快速改变电动针阀的开度调节进气流量，从而在高真空度范围内实现1%内的控制精度。需要注意的是在高真空度范围控制时，抽气管路上的电动球阀要始终处于全开状态。[/size][size=16px] （3）高真空度范围（10[sup]-10[/sup]mBar~0.01mBar）：在超高真空度范围内，真空压力控制器采集电离真空计（测量精度15%）的真空度测量信号，与设定值比较后驱动电动可变泄漏阀，通过快速改变泄漏阀的进气流量，从而在超高真空度范围内实现15%内的控制精度。需要注意的是在超高真空度范围控制时，抽气管路上的电动球阀要始终处于全开状态，大流量进气管路上的电动针阀处于关闭状态，而分子泵处于工作状态。[/size][size=16px] 在真空压力的控制过程中，要实现高精度控制，以下部件需要达到相应的技术指标要求：[/size][size=16px] （1）真空度传感器：真空度传感器的测量精度是决定控制精度的关键指标之一，本解决方案在低真空和高真空范围内采用了精度可达0.25%的薄膜电容真空计，而在超高真空范围内采用了精度最高可达15%的电离真空计。[/size][size=16px] （2）阀门：各种进气和排气阀门调节精度和速度也是决定控制精度的关键指标，解决方案所采用的电动针阀、电动球阀和电动可变泄漏阀都具有非常好的调节精度，响应速度都小于1秒以内，其中可变泄漏阀的响应速度可以到达十几微秒，完全可以满足超高真空度的进气控制。[/size][size=16px] （3）真空压力控制器：真空压力控制器的采集精度、调节输出精度和线性化处理功能也是决定控制精度的关键指标，解决方案采用了VPC2021系列超高精度PID调节器，具有24位AD、16位DA、0.01%最小输出百分比和八点拟合处理功能，可很好的实现全量程真空度的精密控制。[/size][size=18px][color=#000099][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文提出的解决方案可很好的实现环境可控原子力显微镜从超高真空至一个大气压全真空度范围内任意真空压力设定点的准确控制，也可以按照设定的真空度变化曲线进行程序控制。另外，此解决方案可以推广应用到各种显微镜的真空度和气氛环境的精密控制。[/size][size=18px][color=#000099][b]4. 参考文献[/b][/color][/size][size=16px] [1] Choi， Joong Il Jake， et al. "Ambient-pressure atomic force microscope with variable pressure from ultra-high vacuum up to one bar." Review of Scientific Instruments 89.10 （2018）.[/size][size=16px][/size][align=center][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/align][size=16px][color=#000099][b][/b][/color][/size]

[align=center][img=,599,441]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/06/202106200929562418_9505_3384_3.png!w599x441.jpg[/img][/align][size=18px][color=#990000]一、简介[/color][/size] 真空压力控制器是指以气体管道或容器中的真空度（压力或压强）作为被控制量的反馈控制仪器，其整个控制回路是闭环的，控制回路由真空度传感器、真空压力控制器和电动调节阀组成。 依阳公司的VPC2021系列控制器是一种强大的多功能高度智能化的真空压力测量和过程控制仪器，采用了24位数据采集和人工智能PID控制技术，可与各种型号的真空压力传感器（真空计）、流量计、温度传感器、电动调节阀门和加热器等连接，可实现高精度真空压力（压强）、流量和温度等参量的定点和程序控制，是一种替代国外高端产品的高性能和高性价比控制器。[size=18px][color=#990000]二、主要技术指标[/color][/size] （1）测量精度：±0.05%FS（24位A/D）。 （2）输入信号：32种信号输入类型（电压、电流、热电偶、热电阻），可连接众多真空压力传感器。 （3）控制输出：4种控制输出类型（模拟信号、固态继电器、继电器、可控硅），可连接众多电动调节阀。 （4）控制算法：PID控制和自整定（可存储和调用20组PID参数）。 （5）控制方式：定点和程序控制，最大可支持9条控制曲线，每条可设定24段程序曲线。 （6）控制周期：50ms。 （7）通讯方式：RS 485和以太网通讯。 （8）供电电源：交流（86-260V）或直流24V。 （9）外形尺寸： 96×96×136.5mm （开孔尺寸92×92mm）。[size=18px][color=#990000]三、特点和优势[/color][/size] （1）高精度24位数据采集，使得此系列控制器具有高精度的控制能力。 （2）具有各种不同类型信号的输入功能，可覆盖多种测量传感器，既可连接真空计用来控制真空压力和压强，也可用来控制其它变量，如连接流量计用来控制流量、连接温度传感器用来进行温度控制等。 （3）可连接和控制几乎所有的电动调节阀和数字控制阀门，也可连接控制各种加热装置，结合传感器由此组成可靠的闭环控制系统。 （4）控制器体积小巧和使用灵活，即可独立做为面板型控制器使用，也可集成在测试系统整机中使用。 （5）采用了标准的MODBUS通讯协议，便于控制器与上位机通讯和进行二次开发。 （6）具有2路输出功能，可实现真空压力的两种控制模式，一种是可变气流量（上游控制）压强控制模式，另一种是可变通导（下游控制）流量调节模式。[align=center][color=#990000][img=,300,253]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/06/202106200932222782_1134_3384_3.png!w300x253.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]上游控制压强模式[/color][/align][align=center][color=#990000][img=,300,252]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/06/202106200932370447_2503_3384_3.png!w300x252.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]下游控制压强模式[/color][/align][align=center][color=#990000][img=,300,249]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/06/202106200932454481_7140_3384_3.png!w300x249.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]上游和下游同时控制的双向模式[/color][/align][size=18px][color=#990000]四、外形和开孔尺寸[/color][/size][align=center][img=,690,317]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/06/202106200932536698_9309_3384_3.png!w690x317.jpg[/img][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]