摘 要： 針對傳統的擴散爐溫度控制系統的精度低、生產工藝控制能力差的現狀，設計實現了擴散爐多路高精度溫度檢測控制系統。系統采用三路熱電偶采集擴散爐內溫度值并通過基于Smith預估的PID控制，控制三組加熱裝置的啟停，以達到對爐溫的控制，控制精度可達1‰，并采用液晶顯示模塊和按鍵組成人機交互界面。
關鍵詞： 單片機；擴散爐；溫度控制；熱電偶；Smith預估器
擴散爐是集成電路生產工序的重要設備之一，它的主要用途是對半導體進行摻雜，它與半導體工藝互相依存、互相促進、共同發展[1]。在擴散爐工藝參數中，溫度的控制精度不僅直接影響著產品質量，也影響著擴散爐本身的效能。所以研究擴散爐爐溫的控制，對集成電路的生產具有重大意義。當前國內外溫控設備以單路控制居多，只能控制一路加熱設備，多路溫度監控系統的研發還是相對滯后的[2]。本系統的研究實現了多路溫度控制，并達到了1‰的精度要求。
擴散爐溫度控制系統硬件結構如圖1所示，由檢測部分、CPU以及加熱控制構成對被控對象的閉環控制系統。其中檢測部分采用三路熱電偶對擴散爐內三處位置進行溫度檢測，并采用熱電阻作為冷端溫度補償，通過多路開關將幾路檢測信號分時傳給放大器和A/D轉換器。CPU采用51單片機，讀取A/D轉換結果與設定值進行比較，經基于Smith預估的PID運算得出結果控制擴散爐的加熱裝置達到對擴散爐爐溫控制的目的。采用兩塊19264液晶顯示模塊和按鍵組成人機交互界面。
在系統設計過程中提出了高精度的控制要求，主要采取了以下幾項措施來提高系統的控制精度：
（1）在輸入前向通道加入了零點漂移的檢測，并通過軟件修正零點漂移。
（2）在輸入前向通道加入放大倍數漂移的檢測，并通過軟件對其修正。
（3）在各模擬信號輸入端加入兩級RC濾波。
（4）在檢測信號放大前加入跟隨器。
（5）系統輸出控制采用盡量小的控制周期，避免過大的沖擊。
（6）采用基于Smith預估的PID控制，減小系統震蕩。
消除誤差的測量方法：
（1）先測Vc，用公式：i=Vc/R2得到流過Rt的電流i。
（2）測量Vb，由于4051后接跟隨器，輸入阻抗非常大，所以流過從Rt到Vb測量端的電流可忽略不計，即有：（r+R2）×i=Vb，可以得出引線電阻r的值。
（3）測量Va，由（Rt+2r+R2）×i=Va可以解出Rt的值。
其中，金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關系式表示：
當前電阻=當前溫度×0.003 85×100+100
選擇R1和R2時應注意：
（1）R1為限流電阻，將電流限制在5 mA以下用來防止Rt中電流過大使其溫度升高給測量帶來誤差。
（2）R2應選精密電阻，并且要避免Va、Vb和Vc在7135轉換范圍的最低10%和最高10%， 即應保證Va、Vb和Vc在1.5～13.5 mV，避免電壓較低或較高時影響轉換精度。
1.2 偏移校正電路
在模擬電路中，由于受溫度變化，電源電壓不穩以及干擾等因素的影響，導致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動產生誤差的現象。其中，主要誤差是由零點偏移和放大倍數偏移引起的。顯然，放大電路級數愈多、放大倍數愈大，輸出端的漂移現象愈嚴重。嚴重時，有可能使輸入的微弱信號湮沒在漂移之中，無法分辯，從而達不到預期的傳輸效果[3]。因此，降低零點漂移和放大倍數偏移是高精度測溫系統必須考慮的一個重要因素。
本系統采用測量零點獲得偏移量并通過軟件補償的方法來減少零點偏移對測量結果的影響。硬件上，直接將多路選擇開關的一個輸入端通過一個電阻接地；軟件上，每隔一定的周期對實際零點采樣一次，將其與系統本身零點比較，得出差值即偏移值，在每路測量值上加入此偏移值即可。
為減少放大倍數偏移給系統測量精度的影響，在系統運行的起始階段，將多路選擇開關的一個輸入接口和線狀銅電阻分壓電路相連接，以此作為不受溫度變化影響的基準輸入點A0，在系統其他時間段里仍然對其采樣作為A1，由CPU計算A1與A0的比值作為其他各點采樣數據的比例系數。
1.3 A/D轉換電路
8路模擬值通過多路選擇開關分時地進行放大和A/D轉換，為滿足本設計的高精度要求，放大器選用線性度好、溫度穩定性好、精度高的儀表放大器AD622，考慮到溫度變化速度較慢，A/D轉換器選用雙積分式的ADC7135，其分辨率達1/20 000，具有精度高、抗干擾強的特點。
7135的轉換精度與基準電壓有很大的關系，為保證轉換精度，采用AD780作為基準電壓芯片，AD780溫度系數為5 ppm/℃，穩定性好，輸出電壓為3 V。另外，AD780的3 V輸出電壓還用于熱電阻檢測電路的供電，提高了冷端溫度測量的精度。
當熱電偶燒斷時，相應的一路輸入電壓為零，CPU 會認為是溫度過低而提高電爐溫度，造成事故。為了避免這種情況，將3 V電壓用于檢測熱電偶是否燒斷，將熱電偶的正極接一個上拉電阻到3 V，當熱電偶燒斷時，電壓被拉到3 V，超出了7135的轉換范圍，7135的over range輸出高電平，在over range引腳上接一個發光二極管和蜂鳴器，可達到熱電偶燒斷時報警的作用。
7135數字量輸出是各位依次輸出BCD碼，這樣不僅硬件上需要較多的I/O口，軟件中還要將五位BCD碼轉換成二進制數，實現較繁瑣。所以本系統利用51單片機的計數器來獲得7135的積分時間，從而得到7135的模擬電壓輸入值。在信號積分開始時BUSY（忙）輸出變為高電平，第二次積分停止時BUSY復位，將BUSY與單片機的INT0引腳相連、將7135的時鐘信號與單片機的T0引腳相連，并將51單片機的定時器方式控制寄存器TMOD中T0的GATE位置1，即當BUSY為１時，計數器正常工作，當BUSY為0時，計數器被禁止工作，這樣，可以得到7135一次轉換的兩次積分的總時間，由于第一次積分為20 000個時鐘周期，所以，A/D轉換的結果即為計數器的計數值減去20 000。采用這種方法，必須保證7135的時鐘脈沖與單片機T0口的計數脈沖相同，它們均由4060分頻器獲得，為保證抗工頻干擾性能強，一般選取50 Hz的倍數作為時鐘頻率，本系統采用250 Hz時鐘信號，由分頻器4060分頻獲得。
2 輸出控制
輸入通道為三路，輸出也同樣為三路，以保證被控對象各點溫度都靠近設定值，而不會出現溫度分布不均的現象。采用交流過零型固態繼電器作為加熱絲的控制開關。CPU通過控制固態繼電器的通斷比來控制加熱的程度。固態繼電器正常工作需要保證控制端電流大于5 mA，而51單片機所允許的最大灌電流只有10 mA，所以，需要加上拉電阻和驅動，選用74HC574芯片作為驅動。
由于擴散爐加熱均勻，可將其近似看做一個具有純滯后的一階慣性系統，傳遞函數為：
此時滯后環節被移到了閉環外，這樣就消除了純滯后環節對系統穩定性的影響。用Simulink仿真對傳統PID單回路控制與基于Smith預估的PID控制進行對比，控制曲線如圖3所示，其中PID控制器參數通過Ziegler-Nichols法得到：Kp=0.245 9，Ki=0.015 9，Kd=0.912 7。
本文所討論的擴散爐多路高精度溫度控制系統對擴散爐溫度實現了有效控制，不僅能對溫度及系統參數進行實時顯示，而且溫度的控制達到了1‰的精度。該系統設計合理、自動化程度高、可靠性好，可有效地保證生產的高效、安全進行，實現了摻雜工藝過程溫度控制的自動化，從而減輕操作人員的勞動強度并且提高了生產效率。同時，比較理想地解決了加熱不均勻和精度不夠等問題，具有很高的經濟效益和社會效益。
參考文獻
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