Устройство для регулирования расхода газа Советский патент 1982 года по МПК G05D7/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ГАЗА

Изобретение относится к регулированию расхода газов в потоке текущей средь и может быть использовано в системах автоматического регулирования и управления газовыми потоками в частности, при получении сложных полупроводниковых структур с различным профилем и составом примесей легирующих компонентов. Известно устройство для регулирования расхода газа, содержащее измеритель расхода газов, стабилизатор давления, программное устройство с реверсивным двигателем, запорные элементы, постоянный дроссель, установленный между стабилизатором давления и измерителем расхода, сопротивление которого значительно превышает коммуникационное сопротивление, а задатчик стабилизатора давления соединен муфтой с реверсивным электродвигателем, подключённым к пневмоэлектрическому преобразователю, управляемому пневматическим генераторо импульсов с регулируемой скважностью импульсов 1 . К недостаткам данного устройства относятся сложность настройки, невозможность получения ступенчатой характеристики по расходу, высокая погрешность регулирования, достигающая 5% при изменении давления в выходной линии на 0,005 МПа, а наличие люфтов и затираний в движущихся частях увеличивает погрешность регулирования до 10%., Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для регулирования расхода газов, содержащее последовательно установленные стабилизатор давления, дроссель, регулирующий орган и измеритель расхода, выход которого подключен совместно с одним из выходов программатора на вход регулятора, а выход регулятора через преобразователь соединен с входом элемента ИЛИ, задатчики давления, связанные с элементами ИЛИ, управляющие входы которых подключены к программатору, выходы всех элементов ИЛИ объединены и подсоединены к исполнительному механизму регулирующего органа 2 . Недостатком известного устройства является наличие ошибки регу;и)ропанмя (до 4%) из-за гистерезиса клапана и M-JMCHCIIHH расходной характерис1ики на Я -lO.v от нчмспгмия давле- . 395 кия в выходной линии на 0,005 МГ1а, что связано с высокой (упствительностью клапана к колебаниям давления. Цель изобретения - повьнление точности устройства, за счет чето повышается точность регулирования расхода газа. Указанная цель достигается тем, что в устройство для регулирования расхода газа, содержащее последовательно установленные в тазовой магистрали стабилизатор давления, дроссель, регулирующий орган и измеритель расхода, выход которого подключен к одному входу регулятора, к другому входу которого нодключен первый выход программатора,выход регулятора через преобразователь соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого подключен ко второму выходу программатора, выход1 1 . задатчиков давлепия соединены с первыми входами соответствующих вторых элементов ИЛИ, вторые входы которых связаны с соответствующими третьими выходами программатора, введе1Ш датчик перепада . давления, три элемента памяти, два элемента ИЛИ и блок суммирования, причем выход датчика перепада давлепия соединен через первый элемент памяти с первым входом блока суммирования, выходы вторых элементов ИЛИ через второй элемент памяти подключен ко вто рому входу блока суммирования и через трети элемент ИЛИ - ко входу третьего элемента памяти, к выходу первого элемента ИЛИ и к вы ходу четвертого элемента ИЛИ, первый вход которого связан с выходом блока суммировани а второй вход - с четвертым выходом программатора, пятый выход которого соединен со вторым входом третьего элемента ИЛИ, а выход третьего элемента памяти подключен к регулирующему oprairy. На чертеже представлена функциональная схема устройства. Устройство содержит стабилизатор давления 1, регулируемый дроссель 2, регулирующий орган 3, измеритель расхода 4, программатор 5, регулятор 6, преобразователь 7, первый элемент ИЛИ 8, третий элемент памяти 9 подключен к исполнительному механизму 10 регулиру ющего органа, третий элемент ИЛИ 1J и второй элемент памяти 12, блок суммирования 13 датчик 14 перепада давления на регулирующем органе 3, первый элемент памяти 15. Стабилизатор давле1вдя 16 обеспечивает питание сжатым возд; хом (или азотом) задатчики давления 17, j1 и 19, вторые элементы ИЛИ 20, 21 и 22, четвертый элемент ИЛИ 23. Регулирование расхода осуществляется след ющим образом. Техиолопшеский газ (например, Hj) подводатся к стабилизатору 1, с помощью которого задается рабочее давление в пределах 0,010,05 МПа. Затем газ поступает в дроссель 2, регулирующий орган 3 и через измеритель расхода 4 подается к источнику легирования. С помощью дросселя 2 задается верхний предел регулирования расхода. При этом регулирующий орган 3 должен быть полностью открыт. Вручную осуществляют регулировку дросселя 2 до тех пор, пока показания измерителя расхода 4 (теплового расходомера) не превыщают на 15-20% максимальное значение диапазона изменения расхода газа-носителя по технологической программе. После этого приступают к выбору и установке величин расхода в соответствии с технологической программой легирования и в зависимости от типа получаемых структур полупроводников, т. е. получением эпитаксиальных слоев с резко ияи плавно изменяющейся по определенному закону концентрацией примесей или же комбинированных. Устройство позволяет осуществить плавное, ступенчатое или комбинированное регулирование расхода. Для настройки устройства и подготовки его к работе имеются байпасные линии, к которым можно подключить любой газ на Сброс включением клапанов, установленных на технологических линиях. Автоматическое регулирование расхода газа-носителя осуществляете.; с помощью электронного программатора 5 подачей в определенной последовательности управляющих команд на элементь ИЛИ и клапань, включающие и отключающие подачу технологических газов на Сброс или для ведения процесса. Настройка устройства на наклонном участке программы осуществляется при включенных клапане на Сброс газа-носителя и элементе ИЛИ 8. Выход измерителя расхода 4 (теплового расходомера) совместно с аналоговым выходом программатора 5 подключены к входу регулятора 6, выход которого 0-5 МПа подается на вход аналогового преобразователя 7, где преобразовывается в пневмосигнал 0,02-0,1 МПа. Затем управляющий сигнал через элемент ИЛИ 8 и элемент памяти 9 поступает на исполнительный механизм 10 регулирующего органа 3. С помощью ручек настройки программатора 5 на исполнительном механизме 10 устанавливается управляющее давление пропорциональное расходу газа-носителя в момент включения наклонного участка программы, а на панели управления программатора 5 набирается угол наклона и скорость изменения расхода газаносителя. Для получения резких переходов в полупроводниковых эпитаксиалып)1х структурах применяется ступенчатое изменение газа--носи7е:;я, подаваемого в источние легирования. В з;ши5.9

симости от числа перехолоп используется различное количество ступеией расхода газа-носителя. Набор любого вида программ осуществляется последовательностью включения логических элементов ИЛИ ,8, П, 20, 21, 22 и 23. При отсутствии сигнала с программатора 5 пневмовыходы элементов ИЛИ 8, 11, 20 и 21 и 23 закрыты.

Для настройки первой ступени расхода газаносителя ручным включением открываются элементы ИЛИ 11 и 20. С помощью пневмозадатчика 17 устанавливается на исполнительном механизме 10 давление, соответствующее данно ступени расхода газа-носителя, которое контролируется с помощью измерителя расхода 4 или проверяется по расходной характеристике регулирующего органа 3. Одновременно сигнал задатчика 17 через элемент 12 подается на один из входов блока суммирования 13.

На другой вход этого блока JiocTjoiaeT сигнал с датчика перепада давления 14 через элемент памяти 15. На выходе блока суммирования 13 устанавливается давление, соответствующее поданному управляющему сигналу задатчика 17 и перепаду давления на регулирующем органе 3. Зате вручную отключается элемент ИЛИ 11, включается элемент ИЛИ 23 и проверяется значение расхода на данной ступени. В случае необходимости проводится корректировка расхода газа-носителя задатчиком 17.

Для гашения автоколебаний, возникающих , в системе, в элементе сравнения блока суммирования 13 вводятся две обратные связи - положительная и отрицательная. Автоколебания, возникающие в случаях нарушения системы, затормаживаются с помощью постоянного дросселя, включенного в линию положительной об ратной связи {на чертеже не показан). Аналогичным образом осуществляется установка уровней расхода газа-носителя на остальных ступенях. Для этого последовательно (тоже вручную) включаются элементы 21 и 22 и с помощью задатчиков 18 и 19 производят регулировку расхода газа-носителя. Для запоминания управляющих сигналов, подаваемых на исполнительный механизм 10 и входы блока суммирования 13, используются элементы памяти 9, 12 и 15.

После заверщения операций подготовки устройства регулирования к работе от отдельного задатчика (на чертеже не показан) подается единичный командный дискретный сигнал элементов памяти 9, 12 и 15. В них запоминается то давле1ше, которое было на выходе в момент подачи командного сигнала и отвечающее расходу газа-носитепя в начале следующего процесса легирования. Это позволяет избежать больших перерегулирований и автоколебаний по расходу газа, повысить точность вы46-6

хода на заданный уровень ручным включением элемента ИЛИ (на чертеже не показан).

Длительность и момент каждого отдельного цикла включения уровней расхода газа-носителя 5 набирается и осуществляется с помощью программатора 5, который выддет дискретные управляющие сигналы на элементы ИЛИ 11, 20 и 22, а также элемент ИЛИ 8, который включается на участке плавного изменения O расхода газа-носителя.

При автоматическом управлении процессом легирования включается клапан на линии подачи газа-носителя к источнику легирования (на чертеже не показан) от программатора 5.

5 Если программа легирования начинается, например, с плавного изменения расхохш газа-носителя, то на вход регулятора 6 подаются сигналы от измерителя расхода 4 и аналоговой части программатора 5. Затем после преобраэо0 вания электрического сигнала в пневматический в электропневмопреобразователе 7, последний поступает через элемент ИЛИ 8 и элемент памяти 9 на исполнительный механизм 10. Этот сигнал также подается через элементы 11 и 12

5 на вход блока суммирования 13. На другой вход блока суммирования 13 поступает сигнал с датчика перепада давления 14 через элемент памяти 15.

На выходе блока суммирования 13 форми0 руется сигнал, отвечающий расходу газа-носителя в данный момент времени. Таким образом осуществляется подготовка к последующему этапу регулирования.

После окончания аналоговой программы отключается элемент ИЛИ 8 и включаются элементы ИЛИ 11 и, например, 20. Пневмосигнал от задатчика 17 поступает через элемент ИЛИ 11 на исполнительный механизм 10, который с помощью регулирующего органа 3 устанавр ливает расход газа-носителя, близкий к,заданному. За время задержки (около 1 с) включения элемента ИЛИ 23 на выходе блока суммирования формируется сигнал, определяемый перепадом давления на регулирующем органе 3 и выходным давлением задатчика 17. Затем отключается элемент ИЛИ 11 и включается элемент ИЛИ 23. Если происходят изменения давления в технологической линии, то нарушаетг ся равновесие схемы блока с)т 1М1фования 13 и на выходе его устанавливается повое значение сигнала.

При увеличении давления на выходе технологической линии выходной сигнал блока cyMN/iaтора 13 уменьшается и регулирующий орган 3 увеличивает расход. При умсныиенин лавлетсия в технологической линии выходной сигнал блока суммирования 13 упсличипастся и pacxojt газа-носителя, уме)гы |астся. Таким обр;):юм. осуществляется корректировка jKicxr,;. ia:ia носителя на горизонтальных участках програм мы и при переключениях на новую ступень расхода. После завершения программы легирования от программатора 5 подается команда на запоминание подводимых давлений воздуха к элементам памяти 9, 12 и 15. Запоминание осуществляется подачей сигнала РЦ . Это необходимо для того, чтобы избежать перерегулирований при последующих « иклах легирования и переключении рабвты газовой системы с одного реактора на другой, так как линия технологического газа к источнику легирования перекрывается на других зтапах наращивания эпитаксиальных структур. Данное изобретение по сравнению с известным устройством позволяет повысить точность регулирования расхода технологического газа с. 8-10% до 2,0%. Изобретение может бьиь использовано для дистанционного, автоматического и программного управления расходом газов в различных технологических процессах, в частности при получении полупроводниковых материалов и где требуется осуществление сложной программ изменения расхода газа в процессе производств Разработка устройства для регулирования расхо да газов начата с .целью использования его в схемах регулирования и управления газовым потоком при получении эпитаксиальных структур полупроводников. Формула изобретения Устройство для регулирования расхода газа содержащее последовательно установленные в газовой магистрали стабилизатор давления, дрос сель,, регулирующий орган и измеритель расхода, выход которого подключен к одному входу регулятора, к другому входу которого подключен первый выход программатора, выход регулятора через преобразователь соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого подключен ко второму выходу программатора, выходы задатчиков давления соединены с первыми входами соответствующих вторых элементов ИЛИ, вторые входы которых связаны с соответствующими третьими выходами программатора, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности устройства, оно содержит датчик перепада давления, три элемента памяти, два элемента ИЛИ и блок суммирования, причем выход датчика перепада давления соединен через первый элемент памяти с первым входом блока суммирования, выходы вторых элементов ИЛИ через второй элемент памяти подключены ко второму входу блока суммирования и через третий элемент ИЛИ - ко входу третьего элемента памяти, к выходу первого элемента ИЛИ и к выходу четвертого злёмента ИЛИ, первый вход которого связан с выходом блока суммирования, а второй вход - с четвертым выходом программатора, пятый выход которого соединен со вторым входом третьего элемента ИЛИ а, выход третьего элемента памяти подключен к регулирующему органу. Источ1шки информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 232537, кл. G 05 D 7/00, 1978. 2.Проект Института Гиредмет № С2977, 1979 (прототип).