真空系統中上下游模式同時使用的雙向控制新技術

本文詳細介紹了真空系統中上游和下游控制模式的特點以及在應用中存在的問題，并介紹了上下游模式同時使用的雙向控制新技術，新技術可有效發揮上下游控制模式的優點和抑制缺點。

1．真空度（壓力）控制概述
在許多真空系統中，為了實施特定的工藝過程或達到一定的實驗條件，需要真空系統中的真空度恒定在特定以及關鍵的設定值，這就需要對真空系統內的真空度進行控制。真空度控制一般通過上游模式（upstreammodel）、下游模式（downstreammodel）和兩種模式結合的方法實現。業內一般將上游模式定義為控制輸入真空系統的氣體，下游模式定義為控制泵送系統的節流，即以真空系統為參照物，真空系統上游的進氣控制為上游模式，真空系統下游的出氣控制為下游模式。

無論是自動的上游控制還是下游控制，都需要電動控制閥來實現。在目前國內外真空系統的真空度控制過程中，由于技術的限制，絕大多數還都是采用單一控制方式，即或是上游模式，或是下游模式。但隨著雙向控制技術的突破，可以實現上下游模式的同時控制。
本文詳細介紹了真空系統中上下游真空度控制模式的特點以及在應用中存在的問題，介紹了雙向控制技術的特點。

2．上游控制模式（UpstreamModel）
如圖1－1所示，上游控制模式是一種控制系統中壓力的方法，在該系統中，氣體流入腔室，通常由電動控制閥進行控制。

圖1－1上游控制模式示意圖

上游真空度（壓力）控制器維持真空系統本身上游的壓力，在真空泵抽速一定的情況下，增加進氣流量以降低壓力，減少進氣流量以增加壓力。因此，這稱為反向作用，該配置在行業中通常稱為背壓調節器。
在真空度（壓力）上游模式控制期間，控制閥將以特定的速率注入氣體，同時還與控制器通信。如果從控制器接收到不正確的輸出電壓（意味著壓力不正確），控制閥將調整流量。壓力過高，控制閥會降低流量，壓力過高，控制閥會提高流量。

上游模式具有以下特點：
（1）可提高真空系統中工藝的穩定性和速度。
（2）使用快速作用控制閥，將控制儀器放置在真空系統的上游可提供更快的響應時間和更好的穩定性。上游模式還消除了對附加閥的需求，減少了系統中潛在泄漏點的數量，減少了下游設備的需求并降低了安裝成本。例如在真空鍍膜應用中，將壓力控制裝置放置在腔室的上游可以節省時間，成本，并提高真空沉積工具的精度。
（3）很多真空工藝，如等離子熔煉和真空沉積等，都使用了下游控制模式來維持真空室內的氣體壓力，而節流閥的使用會有幾萬元的配置，并還需要一個單獨的控制模塊來為閥門供電、提供PID數據和設定點功能。因此，上游模式有時可有效的降低真空系統的造價成本。
（4）由于下游真空泵不受控制，一般都以較大的抽速運行，這就造成在單獨使用上游模式時會出現比較費氣的現象，特別是在工藝氣體為較貴的高純惰性氣體時尤為明顯。
如圖2－1所示，下游控制模式是一種控制真空系統內部壓力的方法，其中抽氣速度是可變的，通常由真空泵和腔室之間的控制閥實現。

圖2－1下游控制模式示意圖

下游控制模式是維持真空系統下游的壓力，增加流量以增加壓力，減少流量以減少壓力，因此，這稱為直接作用，這種控制器配置通常稱為標準壓力調節器。
在真空度（壓力）下游模式控制期間，控制閥將以特定的速率限制真空泵抽出氣體，同時還與控制器通信。如果從控制器接收到不正確的輸出電壓（意味著壓力不正確），控制閥將調整抽氣流量。壓力過高，控制閥會提供抽氣流量，壓力過低，控制閥會降低流量。

下游模式具有以下特點：
（1）下游模式作為目前最常用的控制模式，通常在各種條件下都能很好地工作。
（2）但在下游模式控制過程中，其有效性有時可能會受到“外部”因素的挑戰，如入口氣體流速的突然變化或等離子體事件的開啟或關閉。此外，某些流量和壓力的組合會迫使節流閥在等于或超過其預期控制范圍的極限的位置上運行。在這種情況下，精確或可重復的壓力控制都是不可行的。或者，壓力控制可能是可行的，但不是以快速有效的方式，結果造成產品的產量和良率受到影響。
（3）在下游模式中，會在更換氣體或等待腔室內氣體沉降時引起延遲。

4．雙向控制模式（BidirectionalModel）
通過上述兩種控制模式的特點可以看出，兩種模式各有優缺點。目前在真空度控制中常用的方法是以下游控制模式為主控方法，同時在真空系統的上游設置幾個控制檔位來控制進氣流量，由此來最大限度發揮兩種模式的優點，但這種控制方式還無法實現全自動化。

隨著自動化控制技術的發展，目前上海依陽公司已經開發出雙向自動控制技術，其結構圖3－1如所示。

圖3－1雙向控制模式示意圖

這種雙向控制模式可以最大限度發揮控制優勢，節省時間和成本，并提高真空工藝的效率和質量。

來源：上海依陽熱分析

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