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半導(dǎo)體潔凈車間溫濕度控制方案【詳解 下篇】
2022-07-18 17:00
緊接上文…… 詳情點(diǎn)擊：http://www.xianyudy.cn/news/118.html
隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展， 更精密、集成度更高是行業(yè)發(fā)展的趨勢。目前，制造工藝已經(jīng)進(jìn)入亞納米時代，對生產(chǎn)設(shè)備的精度要求越來越嚴(yán)格，因此，除了設(shè)備本身的工藝水平需要達(dá)到生產(chǎn)要求以外，其所處的生產(chǎn)環(huán)境——潔凈室的各項(xiàng)指標(biāo)也必須被嚴(yán)格地控制，包括：潔凈度、溫濕度、照度、氣流方向、振動靜電、磁場以及有害氣體等。其中的溫濕度控制是重點(diǎn)，其控制的效果直接影響著生產(chǎn)的優(yōu)良率。
目前半導(dǎo)體潔凈室對溫濕度的控制范圍通常為： 溫度22±2℃，濕度45±5%RH。本文通過對現(xiàn)有潔凈室溫濕度控制系統(tǒng)的研究，引入模糊控制，以提高溫濕度控制的實(shí)際效果。
3、溫濕度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
基本上， 現(xiàn)在潔凈室溫濕度要求為22±2℃，45±5%RH，當(dāng)然根據(jù)生產(chǎn)工藝的需求，對溫濕度的要求也不盡相同。
3.1 新風(fēng)空調(diào)箱的溫濕度控制
3.1.1 新風(fēng)空調(diào)箱基本結(jié)構(gòu)
新風(fēng)空調(diào)箱基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其處理流程如下：空氣過濾———包括初效、中效、高效三部分；溫度處理———包括預(yù)熱盤管、一次表冷盤管、再熱盤管三部分； 濕度處理———包括一次表冷盤管、二次表冷盤管、蒸汽加濕三部分。
3.1.2 溫度處理過程
預(yù)熱盤管的作用是對外氣進(jìn)行預(yù)加熱。在外界氣溫較低，接近零度時，為了避免盤管在氣溫低于零度時被凍壞，需對外氣進(jìn)行加熱，通常是加熱到12℃。
控制送風(fēng)溫度時，將送風(fēng)溫度與其設(shè)定值進(jìn)行比較，通過PID 控制算法，得出一個計算值，根據(jù)該計算值來確定一次表冷盤管與再熱盤管閥門開度的大小，其控制流程如圖4 所示。
在整個PID 閉環(huán)控制環(huán)節(jié)中引入分程控制器模型，如圖5 所示，將PID 控制算法得出的計算值分為兩部分，0-48％及52（％）-100％，它們分別對應(yīng)一次表冷盤管及再熱盤管，這樣就避免了冷熱水盤管同時打開而導(dǎo)致能源浪費(fèi)。同時，在冷熱水切換的交界處48％-52％，設(shè)置了死區(qū)，即當(dāng)外氣的溫度與送風(fēng)溫度設(shè)定值相當(dāng)接近時，熱水閥和冷水閥都處于關(guān)閉（閥開度都為0）的狀態(tài)，以避免冷熱水在臨界狀態(tài)時不停地切換， 加速了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的損壞，同時又能減少能源的消耗。
3.1.3 濕度處理過程
為了避免和溫度之間的耦合關(guān)系，新風(fēng)出口濕度的設(shè)定值通常不采用相對濕度作為控制值，而是通過和溫度設(shè)定值綜合計算后得出其絕對濕度，以露點(diǎn)溫度或含濕量來表示。本文以露點(diǎn)溫度為例。將計算所得的露點(diǎn)溫度設(shè)定值作為整個MAU 出口濕度的設(shè)定值。根據(jù)送風(fēng)露點(diǎn)溫度并與露點(diǎn)溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，通過PID 控制算法，得出一個計算值，根據(jù)該計算值來確定表冷閥和加濕閥開度的大小，其控制流程與溫度控制類似，同時也引入了分程控制，避免臨界狀態(tài)下加濕與除濕之間不斷切換而導(dǎo)致的濕度控制的波動。
3.2 潔凈室溫濕度控制
3.2.1 潔凈室溫度控制
潔凈室內(nèi)的溫度PID 控制流程如圖6 所示，采用的是基本的PID 控制， 由于潔凈室本身的大空間而造成的大慣性、大時滯性，在設(shè)置PID 參數(shù)時通常將積分時間設(shè)置為零，以防止系統(tǒng)過調(diào)節(jié)而產(chǎn)生振蕩。
潔凈室溫度主要由DCC 來調(diào)節(jié)， 但同時受新風(fēng)送風(fēng)溫濕度的影響，如果給定太高的溫度，進(jìn)入潔凈室和循環(huán)風(fēng)混合后，DCC 就需要更大量的冷量進(jìn)行冷卻，這就直接導(dǎo)致能源的浪費(fèi)；如果給定太低的溫度， 進(jìn)入潔凈室和循環(huán)風(fēng)混合后， 即使DCC 的開度為零，整個潔凈室的溫度卻仍然太低，這將使得整個潔凈室的溫度超標(biāo)。
3.2.2 新風(fēng)空調(diào)箱溫濕度設(shè)定值控制
新風(fēng)空調(diào)箱送風(fēng)溫度設(shè)定值的選取是比較關(guān)鍵的，它必須能夠最佳適應(yīng)當(dāng)前潔凈室內(nèi)溫度的需求。如果給定太高的溫度，進(jìn)入潔凈室和循環(huán)風(fēng)混合后，DCC 就需要更大量的冷量進(jìn)行冷卻，這就直接導(dǎo)致能源的浪費(fèi)；如果給定太低的溫度，進(jìn)入潔凈室和循環(huán)風(fēng)混合后，即使DCC 的開度為零，整個潔凈室的溫度卻仍然太低，這將使得整個潔凈室的溫度超標(biāo)。因此，對于MAU 新風(fēng)送風(fēng)溫度設(shè)定值的選取是十分重要的，必須在確保系統(tǒng)在控制范圍內(nèi)并盡可能達(dá)到節(jié)能的目的。在此，我們引入模糊控制的思想，通過對潔凈室溫度偏差及偏差變化率的模糊規(guī)則變換，得出新風(fēng)空調(diào)箱送風(fēng)溫度設(shè)定值SP。整個程序運(yùn)行的流程如圖7 所示,程序運(yùn)行后，將獲得新的SP。
基本的模糊控制系統(tǒng)如圖8 所示。系統(tǒng)中的模糊控制器是兩輸入一輸出的,其輸入量是系統(tǒng)的偏差E 和偏差變化率EC, 而這兩個量具有確定的數(shù)值, 是兩個清晰量。整個模糊控制器由四個部分組成：模糊化，模糊規(guī)則庫，模糊推理及去模糊化。模糊化的作用是將一個確定的點(diǎn)映射為輸入空間的一個模糊集合。通過模糊化處理,得到模糊的偏差量E 以及模糊的偏差變化率EC。其中模糊的偏差量E 語言值集合有七種取值，分別是NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS( 負(fù)小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。模糊的偏差變化率EC 的語言值集合也有七種取值,分別是NB (負(fù)大)、NM (負(fù)中)、NS(負(fù)小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB (正大)。
模糊規(guī)則庫是由若干個模糊“if-then”規(guī)則的總和組成，它是模糊系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)其他部分的功能在于解釋和利用這些模糊規(guī)則來解決具體問題。在模糊規(guī)則控制器中編輯模糊控制規(guī)則,不同的模糊控制器一般有不同的模糊控制規(guī)則,因
為模糊控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上是將操作員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)而得出一條條模糊條件語句。在本次實(shí)際設(shè)計中，共采用了49 條“if－then”規(guī)則，根據(jù)這些規(guī)則，得出如表1 所示的模糊控制規(guī)則表：
模糊推理將模糊規(guī)則庫中的模糊“if-then”規(guī)則轉(zhuǎn)換成某種映射，即將輸入空間上的模糊集合映射到輸出空間上的模糊集合。根據(jù)這些規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到一個模糊集, 即模糊控制量U, 再通過去模糊化環(huán)節(jié),將其轉(zhuǎn)化為清晰的數(shù)字控制量,達(dá)到調(diào)節(jié)MAU 溫度設(shè)定的目的。
3.2.2 潔凈室相對濕度控制
潔凈室相對濕度的控制則由MAU 出口新風(fēng)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將潔凈室相對濕度測量值與相對濕度設(shè)定值進(jìn)行比較，由此計算出所需要MAU出口新風(fēng)相對濕度，其計算過程與溫度設(shè)定值的計算過程類似， 然后配合MAU 出口新風(fēng)溫度設(shè)定值，計算出MAU 的出口露點(diǎn)溫度設(shè)定值， 由此來控制MAU 出口的濕度。
4、結(jié)論
實(shí)際應(yīng)用中，通過在潔凈室溫濕度控制系統(tǒng)中引入模糊控制環(huán)節(jié)和分程控制環(huán)節(jié)，發(fā)揮模糊控制魯棒性強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)好、上升時間快、超調(diào)小的特點(diǎn), 大大提高了整個控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，同時又具有PID 控制器的動態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度， 半導(dǎo)體潔凈室的環(huán)境溫濕度得到了更好的控制，波動更小，同時也減少了能源的浪費(fèi)。
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