Установка по выращиванию полупроводниковых кристаллов типа A2B6
ДВУХКОНТУРНЫЙ РЕГУЛЯТОР В СИТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ
ВЫРАЩИВАНИЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛОВ
Тавровский И. И. Стрельников Н. И., Терзин И. С.
Институт сцинтилляционных материалов НАН Украины
61001, Харьков, пр.Ленина 60, тел. (057) 341-01-45
In this paper present same questions connected with advancing of technological process making
of single crystalls A2B6 group. Specifics of this process need using improved control system.
Proposed cascade or two loops PID-controller for control temperature in growing zone end active
power of heating unit. This allowed to hold temperature in range ±0.2?С, excused negative influence
of unstable and shape distortion in power line, achieved precision maintenance shape of heat fields
in all heating zones and solved problem of physical experiments repeatability.
Введение
Возрастающий интерес к соединениям A2B6 вызван их
физическими свойствами как в полупроводниковой, так и в оптической области. В данный момент мировое
производство кристаллов этой группы достигает нескольких десятков тонн в год, для использования как материала,
высокопрозрачного в ИК области, для подложек в системах ночного видения, детекторов-спектрометров и т.д.
Существует ряд технологических проблем, решение которых позволяет повысить
качество и производительность
процессов получения монокристаллов A2B6. К ним относятся необходимость создания в печи нескольких температурных зон,
реализующих расплавление исходного вещества, градиентную зону кристаллизации и зону охлаждения выросшего кристалла.
Проблема поддержания точной температуры в зонах осложняется наличием перемещаемого тигля и другими возмущениями.
Таким образом, задача прецизионного регулирования рабочих температур в зонах является крайне актуальной.
Система управления
Для выращивания обьемных полупроводниковых кристаллов типа A2B6 в
Институте сцинтилляционных материалов НАН Украины используются двухзонные технологические компрессионные печи [1].
Структурная схема такой печи показана на рис.1.
Рис. 1. Техноголическая печь для выращивания кристаллов типа A2B6
Основными элементами печи являются камера высокого давления с водоохлаждаемыми стенками, нагревательный узел, состоящий из двух раздельно
управляемых графитовых нагревателей, механизм перемещения камеры и система управления технологическим процессом.
Для управления технологическим процессом создан двухконтурный ПИД-регулятора, каждый контур которого представляет собой дискретный ПИД регулятор с параллельной структурой и независимыми коэффициентами ПИД регулирования. Структурная схема каскадного ПИД регулятора приведена на рис.2, где Сг - главный (main) ПИД регулятор, Сп - подчиненный (slave) ПИД регулятор, Р1 и Р2 -объект управления, Фнч1 и Фнч2 соответственно фильтры низкой частоты измеряемого сигнала для главного и подчиненного контуров. Частота дискретизации подчиненного контура - 50Hz, частота дискретизации главного контура - 12.5Hz.
Регулятор управляет мощностью и температурой компрессионной печи.
Рис. 2. Структурная схема двухконтурного регулятора.
Регуляторы Сг и Сп имеют передаточные функции вида:,
G(s)=K+1/sTi+sTd
где K - коэффициент пропорциональности, Ti- время интегрирования, Td- время дифференцирования.
Оптимизация настройки проводится на основе временных или частотных критериев [2].
Для управления мощностью нагревателя, подчиненным контуром на блок управления теристорами подается фазо-импульсный сигнал,
определяющий степень открытия теристоров.С целью прецизионного измерения мощности нагревателя был разработан преобразователь
активной мощности, функциональная схема одного из двух каналов которого показана на рис.3.
Активная мощность P=UI, где U и I - действующие значения напряжения и тока, полученные из каналов датчика активной мощности.
Каждый из каналов реализует стандартную процедуру преобразования для действующего тока или напряжения [3].
Рис. 3. Функциональная схема преобразователя активной мощности
Измеряемый сигнал перемножается и поступает на вход преобразователя напряжения
в частоту, выход которого поступает на вход суматора, который выступает в роли интегратора. После извлечения квадратного корня
в блоке БИКК и фильтрации в блоке ФНЧ данные готовы к использованию.
С целью уменьшения влияния измерительных помех на процесс регулирования,
каждый контур регулирования имеет в составе обратной связи фильтр низкой частоты (ФНЧ). Они представляют собой однополюсные
рекурсивные фильтры с передаточной функцией вида:
P=A0/(1-B1S)
Значения коэффициентов и приведены в таблице
Двухконтурный регулятор на процессоре ATmega 128 был использован в системе управления выращиванием монокристаллов CdZnTe весом до 0.5 кг.,
что обеспечило управление температурным режимом процесса выращивания в реальном масштабе времени с точностью ±0.2?С.
Стабилизация эффективной электрической мощности нагревателей позволила избавиться от негативного влияния нестабильности и искажения
формы питающей сети, добится точности поддержания формы тепловых поле во всех температурных зонах, точнее позиционировать тигель
в тепловом узле и решила задачу повторяемости физического эксперимента.
Выводы
Применение микропроцессорных двухконтурных регуляторов с фазоимпульсным выходом в системах управления выращиванием объемных полупроводниковых
монокристаллов позволило повысить качество продукции за счет повышения точности управления температурным режимом выращивания монокристаллов.
Список использованных источников.
1. Комарь В .Л, Монокристаллы группы А2В6. Выращивание, свойства, применение / Комарь В. К, Пузиков В. М. // Харьков.
Институт монокристаллов - 2002
2. Astr'om K. J. PID Controllers: Theory, Design and Tuning / K. J. Astr'om, T. H'agglund // 2nd ed.Instrument
Society of America. - 1995
3.Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. / .Бессонов Л.А. //-М.:Высшая школа - 1994.
