單晶硅輻照退火裝置溫控系統設計與應用

李普+武文超+葛源

摘 要：本文依據單晶硅輻照退火工藝要求，針對退火裝置溫度控制的要求，設計一套溫度控制系統，采用自適應模糊PID溫度控制技術實現高精度的溫度自動控制；設計相應的安全聯鎖電路以保證退火過程的安全性和有效性；通過對升溫速率、恒溫定值、恒溫時間等參數的設置與修改，滿足不同的溫度控制要求，具有靈活的適用性，可廣泛應用于相關的溫控工藝中。經過系統調試與運行，調試結果滿足使用要求，確保退火裝置安全、可靠的運行和任務的完成。

關鍵詞：溫度控制；PID控制；單晶硅

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.016

1 引言

利用中子進行單晶硅輻照嬗變摻雜時會導致單晶體中產生輻照缺陷，影響單晶硅的電學性能。在工藝制備過程中，為了消除這種中子輻照缺陷，通常對中子輻照后的單晶硅采用退火工藝，以恢復其電學性能。由于單晶硅輻照退火工藝過程中，退火溫度高，對環境潔凈度要求嚴格，因此單晶硅退火過程在耐高溫的專用單晶硅輻照退火裝置中進行，通過溫度控制系統勻速升溫至設定值，并保持恒溫數個小時，以恢復單晶硅電學性能。為了保證退火的有效性和裝置的安全性，退火過程中對退火裝置內溫度控制的要求較為嚴格，即要滿足退火裝置內溫度分布一致、升溫勻速、穩定恒溫等各種要求，又要具備安全聯鎖等功能，因此退火裝置溫控系統的設計直接影響到單晶硅電學性能的優劣，是單晶硅輻照退火工藝中一個關鍵環節。

本文依據單晶硅輻照退火裝置的結構特點和退火工藝要求，針對退火裝置溫度控制的要求，設計一套溫度控制系統，采用先進成熟的溫度控制技術實現高精度的溫度自動控制，并設計相應的安全聯鎖電路以保證退火過程的安全性和有效性。

2 單晶硅輻照退火裝置溫度控制系統設計

2.1 系統總體設計

單晶硅輻照退火裝置選用高溫擴散爐，由管狀爐體、發熱體（加熱絲）、保溫材料等組成，退火裝置是一根管狀爐膛，輻照后的單晶硅放置于爐膛內，通過加熱絲的加熱功率控制爐內溫度，這種管狀爐膛兩端的散熱較快、中間的散熱較慢，在相同的加熱條件下，存在兩端溫度低、中間溫度高的情況，爐膛內溫度的不均勻性，會影響退火工藝的效果和爐體的安全性，因此為了保證爐內溫度均勻，設計中對電加熱絲采取分段控制的方式，每段電加熱絲采用一個獨立的控制回路，兩端的電加熱絲電流高于中間的電加熱絲電流，使爐膛各段保持相同的溫升速率，以保證爐內溫度均勻。

溫度控制系統硬件主要包括控制器、執行機構、溫度檢測裝置。根據單晶硅輻照退火工藝溫度控制范圍寬、精度要求高的特點，選用現階段技術先進且成熟的自適應模糊PID控制器，其優點是控制精度高、可靠性高，能夠實現溫度的精確自動控制；調功器是溫度控制系統的執行機構，能夠根據控制信號的大小輸出相對應的電流以控制加熱功率；在退火過程中，需要實時、快速監測退火裝置的溫度，因此在爐膛上對應每段電加熱絲的位置分別設置一個測溫元件作為溫度反饋環節，測溫元件選用高溫型K分度號熱電偶，能滿足退火裝置使用溫度范圍700℃～1250℃的要求以及測量快速響應的要求。

2.2 電氣控制設計

退火工藝加熱功率高，加熱時間長，為保證爐內溫度均勻性，將爐內的一根電加熱絲通過兩個中間抽頭分成獨立的三段，每段加熱絲設計一個獨立的電氣控制回路控制加熱。

根據退火工藝對升溫速率和恒溫時間的要求， 通過理論計算和試驗驗證，選取了相應容量的變壓器為主回路提供供電電壓，三段加熱絲采用變壓器的三組隔離輸出以滿足電氣控制回路的獨立性。調功器為主回路提供加熱電流，以控制加熱功率。

為了保證加熱過程的可控性，避免故障情況下對退火裝置的損壞，設計了電氣安全聯鎖控制，主要內容如下：

（1）三段加熱回路的啟動設計了邏輯組合電路，將三段加熱回路供電狀態信號、電氣設備工作狀態信號、系統報警信號進行了“與”邏輯，只有在供電正常、電氣設備工作正常、系統無報警情況下，加熱主回路才能完成合閘，開始加熱。

（2）在加熱過程中，實時監測供電狀態信號、電氣設備狀態信號、控制器及調功器狀態信號、熱電偶斷偶等故障信號，當出現任何一個報警信號時，該電氣回路觸發報警并同時停止三段加熱器的加熱，保持退火裝置的安全。對以上故障設置了自保持電路，只有當故障消除后，加熱主回路才能重新完成合閘，再次啟動加熱。

（3）電氣控制設置了超溫保護電路，實時監測爐內溫度，當溫度超過設定值5℃而加熱器未停止加熱時，及時觸發報警信號，并停止加熱。

2.3 自適應模糊PID溫度控制

單晶硅輻照退火裝置溫度變化范圍較大，一般從幾十攝氏度至上千攝氏度，其溫度系統大遲滯和非線性的特點尤其明顯，由于退火工藝對升溫速率和恒溫精度的要求較高，且難以建立精確的數學模型，因此傳統的PID控制難以使溫度控制達到最優。針對溫度控制系統的特點和要求，采取自適應模糊PID溫度控制方法實現溫度高精度自動控制。

控制器通過采集退火裝置加熱段熱電偶的實際溫度信號，與設定溫度值相比較，根據誤差值e和PID參數的初始值，控制加熱器的輸出功率；在運行過程中，實時檢測實際溫度，并計算誤差值e和誤差變化率ec，通過模糊推理，得出PID參數的修正值△kp、△ki、△kd，并在控制器中實現對PID參數的實時修正，通過PID參數修正，以控制加熱器的輸出功率，從而實現在不同運行條件下對溫度的高精度自動控制。

3 調試及應用

溫度控制系統設計完成后，在單晶硅生產輻照工藝中進行了功能及性能的各項調試，包括溫度報警聯鎖及保護功能，斷偶保護功能，升溫、恒溫、降溫性能試驗，拉溫試驗等，經調試試驗，系統功能和性能指標滿足退火工藝要求。

調試完成后，該溫度控制系統已投入生產，長期運行情況良好。

4 結束語

單晶硅輻照退火裝置溫度控制系統采取了分段控制方式和自適應模糊PID溫度控制技術，溫度控制精度高、溫度均勻性好；設計靈活，各項控制參數可設置，能夠適應不同的工藝過程；增加了電氣安全聯鎖電路，提高了整個溫度控制過程的安全性，可廣泛應用于各種加熱控溫裝置的溫度控制。

作者簡介：李普（1984-），女，助理研究員，主要從事反應堆儀表與控制系統維護、科研和設計工作。