一種適用于準分子激光器的恒溫控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于準分子激光器的恒溫控制系統，其包括干路及支路，所述恒溫控制系統還包括設置在所述干路上的電磁閥、第一流量傳感器、分流器及集流器、設置在所述支路上的第一比例閥、第二比例閥、第二流量傳感器、第三流量傳感器、自動控溫腔體及第一單向閥、下位機及與所述下位機通訊的工控機。所述工控機用于發送指令以控制準分子激光器的重復頻率，并將所述重復頻率信息通過RS485協議傳輸給所述下位機；所述下位機用于根據所述重復頻率信息相應地控制所述第一比例閥及所述第二比例閥的流量，進而以所述重復頻率為前反饋自動控制所述自動溫控腔體的溫度維持在目標溫度。
【專利說明】
-種適用于準分子激光器的恒溫控制系統
技術領域
[0001 ]本發明屬于準分子激光器溫控相關領域，更具體地，設及一種適用于準分子激光 器的恒溫控制系統。
【背景技術】
[0002] 準分子激光作為一種能精確聚焦和控制的紫外光束，由于其波長短、脈沖功率密 度高、脈寬窄、弱相干性等優點，已成為當前光刻裝置的主要光源。近幾年來，為了使光譜的 寬度更窄及激光功率更高，雙腔結構被引入到激光器的設計中，而輸入到準分子激光器的 能量大部分都轉化為熱量，運些熱量會影響工作氣體的溫度，工作氣體的溫度又對激光器 的出光性能及壽命有很大的影響。
[0003] 本領域的相關人員已針對如何將熱量自激光器內散出方面做出了一些研究，如申 請號為201210442930.3的專利公開了一種溫控系統，其設置了溫度傳感器，并W溫度為反 饋構成單閉環控制回路。但是，由于所述溫控系統沒有針對激光器的重復頻率的前反饋且 激光器的重復頻率跨距較大，激光器的重復頻率控制單位時間內的脈沖數，每個脈沖放電 產生熱量，導致重復頻率對溫度的波動影響較大，甚至可能使得溫度超出要求，在激光器的 頻率變化時溫度控制效果較差，溫度波動較大，調節滯后。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術的W上缺陷或改進需求，本發明提供了一種適用于準分子激光器的 恒溫控制系統，其基于準分子激光器的工作特點，針對所述恒溫控制系統的結構及部件連 接關系進行了設計。所述恒溫控制系統同時采用手動控溫及自動控溫兩種方式，自動控溫 采用了激光器的重復頻率的前反饋，使得溫度穩定性強、波動范圍小，調節時間短，抗干擾 能力強，控制精度高。此外，溫度的穩定有利于提高準分子激光器的出光性能。
[0005] 為實現上述目的，本發明提供了一種適用于準分子激光器的恒溫控制系統，其包 括干路及支路，所述恒溫控制系統還包括設置在所述干路上的電磁閥、第一流量傳感器、分 流器及集流器、設置在所述支路上的第一比例閥、第二比例閥、第二流量傳感器、第=流量 傳感器、自動控溫腔體及第一單向閥、用于采集所述第一流量傳感器、所述第二流量傳感器 及所述第=流量傳感器的流量數據的下位機及與所述下位機通訊的工控機，其特征在于：
[0006] 所述第一流量傳感器連接所述分流器及所述電磁閥，所述第一流量傳感器用于感 測所述干路的流量信息，所述下位機用于根據所述流量信息控制所述電磁閥的開度;所述 分流器用于將干路的冷卻水進行分流W供所述支路使用；
[0007] 所述第一比例閥連接所述分流器及所述第二流量傳感器，所述第二比例閥連接所 述分流器及所述第=流量傳感器，所述第二流量傳感器與所述第=流量傳感器匯合后連接 于所述自動控溫腔體的進水口，所訴第一單向閥連接所述自動控溫腔體及所述集流器，所 述冷卻水自所述自動控溫腔體流出后進入所述集流器W進行回流；
[000引所述工控機用于發送指令W控制準分子激光器的重復頻率，并將所述重復頻率信 息通過RS485協議傳輸給所述下位機;所述下位機用于根據所述重復頻率信息計算所述重 復頻率對應的流量增量，并相應地控制所述第一比例閥及所述第二比例閥的流量，進而W 所述重復頻率為前反饋自動控制所述自動溫控腔體的溫度維持在目標溫度。
[0009] 進一步的，所恒溫控制系統還包括節流閥、手動控溫腔體及第=單向閥，所述節流 閥連接所述分流器及所述手動控溫腔體，所述第=單向閥連接所述集流器及所述手動控溫 腔體;所述下位機用于根據所述手動控溫腔體的流量與溫度之間的曲線來控制所述節流閥 的開度，進而使所述手動控溫腔體工作在設定溫度下。
[0010] 進一步的，所述第一比例閥的量程b大于所述第二比例閥的量程L2,其中L2=(0.2 ~0.3化1。
[0011] 進一步的，所述恒溫控制系統還包括溢流閥，所述溢流閥連接所述分流器及所述 集流器。
[0012] 進一步的，所述恒溫控制系統還包括第二單向閥，所述第二單向閥連接所述自動 控溫腔體及所述集流器。
[0013] 總體而言，通過本發明所構思的W上技術方案與現有技術相比，采用本發明提供 的適用于準分子激光器的恒溫控制系統，其同時采用手動控溫及自動控溫兩種方式，自動 控溫采用了激光器的重復頻率作為前反饋，使得溫度穩定性強、波動范圍小，調節時間短， 抗干擾能力強，控制精度高。此外，溫度的穩定有利于準分子激光器的出光性能。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明較佳實施方式提供的適用于準分子激光器的恒溫控制系統的架構示 意圖。
[0015] 圖2是圖1中的恒溫控制系統的自動控溫回路的控制結構框圖。
[0016] 圖3是圖2中的自動控溫回路的傳遞函數圖。
[0017] 圖4是圖1中的恒溫控制系統設及到的算法流程圖。
[0018] 圖5是圖2中的副控制器的控制流程圖。
[0019] 圖6是圖1中的恒溫控制系統的流量調節流程圖。
[0020] 圖7是圖2中的主控制器的控制流程圖。
[0021] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-電磁閥，2- 第一流量傳感器，3-第一溫度傳感器，4-第一壓力傳感器，5-分流器，61-第一比例閥，62-第 二比例閥，63-節流閥，71-第二流量傳感器，72-第S流量傳感器，8a-自動控溫腔體，8b-手 動控溫腔體，91-第一單向閥，92-第二單向閥，93-第S單向閥，10-集流器，11-溢流閥，12- 工控機，13-下位機。
【具體實施方式】
[0022] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所設及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可W相互組合。
[0023] 請參閱圖1至圖4,本發明較佳實施方式提供的適用于準分子激光器的恒溫控制系 統，其采用自動控溫及手動控溫兩種方式，其中手動控溫回路根據溫度控制曲線手動調節 流量W實現溫度的粗略控制。自動控溫回路由單片機采用前饋-串聯控制方法實現溫度的 高精度控制，使得溫度穩定性強、波動范圍小，調節時間短，抗干擾能力強。
[0024] 所述恒溫控制系統包括干路部分及支路部分，其中所述自動控溫回路及所述手動 控溫回路設置在所述支路部分。所述恒溫控制系統包括電磁閥1、第一流量傳感器2、第一溫 度傳感器3、第一壓力傳感器4、分流器5、第一比例閥61、第二比例閥62、節流閥63、第二流量 傳感器71、第=流量傳感器72、自動控溫腔體8a、手動控溫腔體8b、第一單向閥91、第二單向 閥92、第=單向閥93、集流器10、溢流閥11、工控機12及下位機13。
[0025] 所述第一流量傳感器2與所述電池閥1及所述分流器5相連通，所述第一溫度傳感 器3及所述第一壓力傳感器4設置在所述第一流量傳感器2及所述分流器5之間的管路上。所 述電磁閥1由所述下位機13控制開與關，進而實現所述恒溫控制系統的供水的開與關。所述 第一流量傳感器2用于測量所述恒溫控制系統的干路流量，當所述下位機12通過所述第一 流量傳感器2監測到所述干路的水總量不足時，所述下位機12將報警信號通過RS485通訊協 議傳遞給所述工控機13,所述工控機13接收到所述報警信號后作出相應的應急處理。
[0026] 本實施方式中，所述第一溫度傳感器3用于檢測所述干路的冷卻水的溫度，并將所 述溫度信息傳輸給所述下位機12,所述下位機12可W根據所述溫度信息控制所述電磁閥1 的開度。所述第一壓力傳感器4是用于檢測所述干路的冷卻水的壓力，并將所述壓力信息傳 輸給所述下位機12,所述下位機12可W根據所述壓力信息控制所述電磁閥1的開度。冷卻水 依次通過所述電磁閥1及所述第一流量傳感器2到達所述分流器5,所述分流器5用于將所述 干路的冷卻水分流W供各個支路使用。所述分流器5與所述第一比例閥61、所述第二比例閥 62、所述節流閥63及所述溢流閥11相連通。
[0027] 所述第一比例閥61及所述第二比例閥62分別與所述第二流量傳感器71及所述第 =流量傳感器72相連通，同時，所述第二流量傳感器62及所述第=流量傳感器72匯合后連 接于所述自動控溫腔體8a的進水口，所述第一單向閥91及所述第二單向閥92均連接所述自 動控溫腔體8a及所述集流器10。冷卻水自所述自動控溫腔體8a出來后分別經所述第一單向 閥91所述第二單向閥92進入所述集流器10,并經所述集流器10回水。所述下位機12采集所 述第二流量傳感器71及所述第=流量傳感器72感測的流量信息，并根據采集到的所述流量 信息及接收到的來自所述工控機13的準分子激光器的重復頻率信息來控制所述第一比例 閥61及所述第二比例閥62的開度，進而實現所述自動控溫腔體8a工作在預定的目標溫度 下。本實施方式中，所述第一比例閥61的量程^大于所述第二比例閥62的量程L2,其中L2 = (0.2~0.3化1，所述第一比例閥61的流量小于自身流量^的10%時，其處于非線性區域;所 述第一比例閥61、所述第二比例閥62、所述第二流量傳感器71、所述第=流量傳感器72、所 述自動控溫腔體8曰、所述第一單向閥91及所述第二單向閥92組成所述自動控溫回路;所述 自動控溫腔體8a為所述準分子激光器的一部分。
[0028] 所述自動控溫回路采用前饋-串級結構形式控制所述自動控溫腔體8a的溫度，W 保證所述準分子激光器工作在預定的目標溫度下。本實施方式中，所述下位機13包括有前 饋控制器、副控制器及主控制器。所述自動控溫回路的內環W所述第二流量傳感器71及所 述第二流量傳感器72檢測到的流量為反饋值來控制冷卻水的流量;外環W安裝在所述自動 控溫腔體8a上的溫度傳感器感測到的溫度數據為反饋值來對溫度進行控制。由于準分子激 光器的每一脈沖產生的能量基本是恒定的，所述準分子激光器的重復頻率控制單位時間內 的脈沖數，而所述準分子激光器的重復頻率是由所述工控機13發送的指令控制的，故所述 下位機12可W通過RS485協議與所述工控機13進行通訊W實時獲得所述準分子激光器的重 復頻率，進而所述下位機12通過計算可W獲得所述重復頻率對所述自動控溫腔體8a的溫度 變化產生的影響W獲得所需流量的增量，所述下位機12根據所述計算結果提前控制所述第 一比例閥61及所述第二比例閥62的開度W進行流量調節，減小了時滯及超調量。
[0029] 所沐自動梓溫問路的佑遞巧猶為：
[0030]
[0031] Yi(S)是目標腔體的實際溫度;Ri(S)是目標腔體（自動控溫腔體8a)的設定溫度;Hm (S)是溫度傳感器的傳遞函數;Gm(S)是主控制器的傳遞函數，Gx(S)是副回路(所述副控制 器、所述第一比例閥61、所述第二比例閥62、所述第二流量傳感器71及所述第二流量傳感器 72組成的回路)的傳遞函數，Gc(S)是自動控溫腔體的傳遞函數，Td是準分子激光器的重復頻 率，Gd(S)是重復頻率對自動控溫腔體的溫度影響的傳遞函數，Gf(S)是前饋控制的傳遞函 數。
[0032] 溫度梓制回路的傳遞函數一般可W看作為兩階形式：
[0033]
[0034] 準分子激光器的重復頻率對目標腔體溫度的影響傳遞函數為：
[0035]
[0036]
[0037]
[00；3 引
[0039]
[0040] 為：
[0041]
[0042] 本實施方式中，所述自動控溫回路W所述準分子激光器的重復頻率為前饋，可W 使得所述準分子激光器的重復頻率Td對系統溫度的影響降到最小，起到抑制擾動的作用。
[0043] 請參閱圖5、圖6及圖7,工作時，所述自動控溫回路的控溫方法包括W下步驟：
[0044] Sl，所述下位機12通過RS485通訊協議自所述工控機13獲取所述的自動控溫腔體 8a的目標溫度值(設定的溫度）。
[0045] S2，初始化所述主控制器及所述副控制器，即將目標溫度值輸入到所述主控制器， 初始流量輸入到所述副控制器。
[0046] S3,所述主控制器開始工作。
[0047] S301，所述下位機12獲取主回路的輸出值y。具體的，所述下位機12通過溫度傳感 器采集所述自動控溫腔體8a的溫度。
[0048] S302,計算預先設定的目標溫度與所述自動控溫腔體8a的腔體溫度之間的偏差值 E = Tset-y，其中，E為腔體溫度的偏差值，Tset為設定的目標溫度值，y為溫度傳感器檢測到的 自動控溫腔體8a的溫度。
[0049] S3 0 3，所述主控制器根據P I D算法計算出所述副控制器的輸入值U。
其中，U為所述主控制器的輸出值，即為所述副控制器的輸入值，Kp , 為比例系數，Tl為積分時間常數，Kd為微分時間常數值。
[0050] S4,所述副控制器開始工作，調節所述第一比例閥61和所述第二比例閥62的流量 之和為所述副控制器的輸入值。
[0051] S401，獲取快速回路(副回路)的流量設定值。具體地，從所述主控制器的輸出獲取 所述快速回路的流量輸入值U。
[0052] S402,測量所述快速回路的輸出值。具體地，所述下位機12讀取所述第二流量傳感 器71及所述第=流量傳感器72的流量值并進行求和，即為所述快速回路的輸出值yk。
[0053] S403,計算所述快速回路的輸入與輸出之間的偏差值Ek，即輸入與所述第一比例 閥61和所述第二比例閥62輸出的流量之和的偏差值。具體地，Ek = u-yk，其中，Ek為輸入與比 例閥輸出的流量偏差值，U為所述主控制器的輸出值，即為所述副控制器的輸入值，yk為所 述第二流量傳感器71及所述第=流量傳感器72檢測的流量之和。
[0化4] S404,所述副控制器根據PID算法計算出其輸出值： ， 其中，Wc為所述副控制器的輸出值，Kp為比例系數，T功積分時間常數，Kd為微分時間常數，Ek 為比例閥輸出的流量偏差值。
[0055] S405,所述下位機12通過RS485通訊協議自所述工控機12獲取所述準分子激光器 的重復頻率Td。
[0化6] S406,計算重復頻率Td對應流量的增量Wd = TdGfc
[0057] S407,計算并輸出最終的流量之和，W=Wd+Wc。
[0化引 S4071，判斷W-W20>Wo是否成立，其中Wo(Wo = 0.1Li)為所述第一比例閥61的理想輸 出流量，所述W20 ( W20 = 0.化2 )為所述第二比例閥62的理想輸出流量。
[0化9] S40711，如果W-W2Q>W()成立，則所述下位機12控制所述第一比例閥61的流量為Wi =W-^o。
[0060] S40712,檢測所述第二流量傳感器71的感測值r (即所述第一比例閥61的實際輸 出流量）。
[0061 ] S40713,所述下位機12控制所述第二比例閥62的輸出流量為W2=W-W'。
[0062] S40714，如果W-W20 >Wo不成立，則所述下位機12控制所述第一比例閥61的輸出流 量為Wi = O。
[0063] S40715,所述下位機12控制所述第二比例閥62的輸出流量為W2=W。
[0064] S5,所述副控制器輸出是否穩定。所述副控制器重復執行一次S401、S402、S403步 驟，所述快速回路的輸入與輸出之間的偏差值化與給定值e對比，是否滿足化句。
[00化]S501，不滿足Ek《e，則繼續執行S404~S408，直至滿足化《e。。
[0066] S502，滿足Ek《e，檢測是否有停止命令，如果有，則停止。沒有則重復S3。
[0067] S6,是否結束程序，所述下位機12檢測是否收到所述工控機13發送的結束指令。 [006引 S601，如果有結束指令，則停止一切程序。
[0069] S602，如果沒有結束指令，則重復S3~S6。
[0070] 所述手動控溫回路包括節流閥63、手動控溫腔體8b及第=單向閥93,所述節流閥 63連接所述分流器5及所述手動控溫腔體8b，所述第=單向閥93連接所述手動控溫腔體8b 及所述集流器10。所述下位機13根據所述手動腔體8b的流量與溫度之間的曲線來控制所述 節流閥63的開度，進而使所述手動控溫腔體8b工作在設定溫度下。
[0071] 所述溢流閥11連接所述分流器5及所述集流器10,其用于防止某一支路流量改變 時影響各路溫度控制的穩定性，使被控回路的壓力維持恒定，實現穩壓的作用。
[0072] 采用本發明提供的適用于準分子激光器的恒溫控制系統，其同時采用手動控溫及 自動控溫兩種方式，自動控溫采用了激光器的重復頻率作為前反饋，使得溫度穩定性強、波 動范圍小，調節時間短，抗干擾能力強，控制精度高。此外，溫度的穩定有利于提高準分子激 光器的出光性能。
[0073] 本領域的技術人員容易理解，W上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用W 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種適用于準分子激光器的恒溫控制系統，其包括干路及支路，所述恒溫控制系統 還包括設置在所述干路上的電磁閥、第一流量傳感器、分流器及集流器、設置在所述支路上 的第一比例閥、第二比例閥、第二流量傳感器、第三流量傳感器、自動控溫腔體及第一單向 閥、用于采集所述第一流量傳感器、所述第二流量傳感器及所述第三流量傳感器的流量數 據的下位機及與所述下位機通訊的工控機，其特征在于： 所述第一流量傳感器連接所述分流器及所述電磁閥，所述第一流量傳感器用于感測所 述干路的流量信息，所述下位機用于根據所述流量信息控制所述電磁閥的開度;所述分流 器用于將干路的冷卻水進行分流以供所述支路使用； 所述第一比例閥連接所述分流器及所述第二流量傳感器，所述第二比例閥連接所述分 流器及所述第三流量傳感器，所述第二流量傳感器與所述第三流量傳感器匯合后連接于所 述自動控溫腔體的進水口，所訴第一單向閥連接所述自動控溫腔體及所述集流器，所述冷 卻水自所述自動控溫腔體流出后進入所述集流器以進行回流； 所述工控機用于發送指令以控制準分子激光器的重復頻率，并將所述重復頻率信息通 過RS485協議傳輸給所述下位機;所述下位機用于根據所述重復頻率信息計算所述重復頻 率對應的流量增量，并相應地控制所述第一比例閥及所述第二比例閥的流量，進而以所述 重復頻率為前反饋自動控制所述自動溫控腔體的溫度維持在目標溫度。2. 如權利要求1所述的適用于準分子激光器的恒溫控制系統，其特征在于:所恒溫控制 系統還包括節流閥、手動控溫腔體及第三單向閥，所述節流閥連接所述分流器及所述手動 控溫腔體，所述第三單向閥連接所述集流器及所述手動控溫腔體;所述下位機用于根據所 述手動控溫腔體的流量與溫度之間的曲線來控制所述節流閥的開度，進而使所述手動控溫 腔體工作在設定溫度下。3. 如權利要求1所述的適用于準分子激光器的恒溫控制系統，其特征在于:所述第一比 例閥的量程U大于所述第二比例閥的量程L2，其中L 2 = (0.2~0.3)1^。4. 如權利要求1所述的適用于準分子激光器的恒溫控制系統，其特征在于:所述恒溫控 制系統還包括溢流閥，所述溢流閥連接所述分流器及所述集流器。5. 如權利要求1所述的適用于準分子激光器的恒溫控制系統，其特征在于:所述恒溫控 制系統還包括第二單向閥，所述第二單向閥連接所述自動控溫腔體及所述集流器。
【文檔編號】G05D23/19GK105977768SQ201610481557
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】李小平, 麥恒嘉, 劉理廳, 廖風茂, 章偉, 趙強君
【申請人】華中科技大學