一种系统和方法，用于通过根据自适应反馈控制算法调整为该元件提供的电功率来控制元件的电加热，以维持恒定电阻，其中所有的参数都是（１）任意选定的；（２）由受控元件的物理特性预先确定的；或（３）在操作过程中实时测量的。与常规的比例－积分－微分（ＰＩＤ）控制机制不同，本发明专利技术的系统和方法在与不同的受控元件并用或在不同的操作条件下使用时不需要对比例常数进行重新调试，并因此是对受控元件和操作条件具备适应性的。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】政府利益根据题为“在微电子制造业中为等离子蚀刻和清洗反应的闭环工艺控制和优化而使用新型薄膜化学的集成MEMS反应腔气体监测器”(“Integrated MEMS Reactor Gas Monitor Using Novel Thin FilmChemistry for the Closed Loop Process Control.and Optimization ofPlasma Etch and Clean Reactions in the Manufacturing ofMicroelectronics”)的70NANB9H3018号合同，美国政府在本专利技术中享有权利。 专利技术
技术介绍
领域本专利技术涉及用于控制元件的电加热及维持其恒定阻抗操作的自适应反馈控制系统和方法，特别是涉及根据将电子气体感测器元件维持在恒定电阻所需要的调节量来确定目标气体种的存在及浓度的气体感测系统和方法。
技术介绍
包括受热贵金属丝的基于燃烧的气体感测器被广泛用于检测所关注的可燃气体种的存在和浓度。该气体种的催化燃烧是在上述受热的贵金属丝表面进行的，并在此金属丝的温度上产生可检测的变化。通常每一个气体感测器包括一对匹配的细丝(filament)第一细丝(通常称为检测器)主动催化目标气体种的燃烧并引起温度的变化，第二细丝(通常称为补偿器)不包含催化物质并因此只是被动地补偿外界环境的变化。当把这样一对细丝整合到惠斯通电桥电路中时，将产生一个失衡信号，以表明目标气体种的存在。
技术实现思路
本专利技术在一方面涉及用于控制元件的电加热以维持恒定电阻Rs的方法，包括(a)以足够对所述元件进行加热的量来为所述元件提供电功率，并将其电阻增加到Rs，与此同时监控所述元件的实时电阻R，以检测R与Rs之间的任何差值；(b)在检测出R与Rs之间的差值时，以量ΔW对提供给所述元件的电功率进行调整，调整量ΔW由下式近似地确定(i)---ΔW=mαρ×t×R0·(Rs-R);]]>(ii)---ΔW=mαρ×t×R0·;]]>或(iii)---ΔW=mαρ×R0·,]]>其中m是所述元件的热质量，αρ是所述元件的电阻的温度系数，R0是所述元件在基准温度下测量的标准电阻，t是介于电阻差值的当前检测与电功率的上次调整之间的时间间隔，R(0)是所述元件在上次调整电功率时的电阻，及fs是预先确定的用于周期性地执行电功率调整的频率。本专利技术的第一实施例涉及被动自适应反馈控制机制，该机制对R与Rs之间的差值进行检测，并对提供给该元件的电功率进行调整，以被动地补偿已产生的阻抗变化，使得该元件的电阻恢复回Rs。在该被动自适应反馈控制机制中，电功率的调整量ΔW由下式确定ΔW=mαρ×t×R0·(Rs-R).]]>本专利技术的第二实施例涉及主动适自适应反馈控制机制，该对介于电阻变化的检测和电功率调整之间的延迟进行识别，估算将在当前时刻和预定的将来时刻之间产生的阻抗变化量，然后对提供给该元件的电功率进行调整，从而不仅主动地补偿已经产生的阻抗变化，而且主动地补偿所估算的将来的阻抗变化，使得在将来时刻把该元件的电阻恢复回Rs。根据对上述将来时刻的特定选择，该主动自适应反馈控制机制可以如下确定对功率调整量ΔW当将来时刻被设为不小于电阻差值的当前检测和电功率的上次调整之间的时间间隔t时，ΔW近似为ΔW=mαρ×t×R0·.]]>当以预先确定的频率fs对功率进行周期性调整时，所述将来时刻等于调整间隔1/fs，感测并且ΔW近似为ΔW=mαρ×R0·.]]>本专利技术的自适应反馈控制机制与常规的PID反馈控制机制相比，主要优点在于，上文所述的用于确定控制信号(即电功率的调整量ΔW)的函数中使用的所有参数都是(1)任意选定的(如Rs感测和感测fs)；(2)由受控元件的物理特性预先确定的(如m、αρ感测和R0感测)；或(3)在操作过程中实时测量的(如R(0)、感测R感测和t)。不管在该受控元件和操作条件上产生的变化如何，不要求进行经验性的重调试来确定用于将该受控元件维持在恒定阻抗操作的控制信号，此举明显减少了操作成本并提高了操作灵活性。而且，那些由受控元件的物理特性预先确定的参数(如m、αρ感测和R0感测)只需要被测量一次，随后便可将其应用于所有具有类似结构的元件，此举进一步减少了在增加/移除/更换受控元件时对系统调整的需求。在本专利技术中，可以通过对通过受控元件的电流或者加在该元件上的电压进行调整来执行对电功率的调整。具体而言，可以量ΔI对通过受控元件的电流进行调整，调整量ΔI感测由下式近似地确定ΔI=ΔW2IRs,]]>其中I感测是在调整前通过该元件的电流。或者，可以量ΔV对加在该元件上的电压进行调整，调整量ΔV定义为近似于ΔV=ΔW·Rs2V,]]>其中V感测是调整前加在该元件上的电压。在本申请的一个优选实施例中，受控元件是电子气体感测器，用于监控易受某目标气体种的存在影响的环境。具体而言，该气体感测器具有可在升高的温度下对目标气体种进行发热或吸热反应的接触反应表面。因此，目标气体种在该环境中的存在引起气体感测器中的温度变化以及电阻变化，并且如上文所述，作为响应，所述气体感测器对提供给气体感测器的电功率进行调整。为将该气体感测器维持在恒定阻抗操作所需的电功率调整量与目标气体种在环境中的存在和浓度相关，并且可指示出该目标气体种在环境中的存在和浓度。上述电子气体感测器优选地包括一个或多个气体感测细丝，该细丝带有由化学惰性和非导电材料制成的核心、及由导电的接触反应材料制成的涂层。更优选地，该气体感测细丝的涂层含有贵金属薄膜，例如铂(Pt)薄膜，如2002年10月17号提交的题为“用于感测在半导体处理系统中的氟类物质的设备和方法”(“APPARATUS ANDPROCESS FOR SENSING FLUORO SPECIES IN SEMICONDUCTORPROCESSING SYSTEMS”)的10/273036号美国专利申请(作者为Frank Dimeo Jr，Philip S.H.Chen，Jeffrey W.Neuner，James Welch，Michele Stawasz，Thomas H.Baum，Mackenzie E.King，Ing-Sh本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于控制元件的电加热以维持恒定电阻Ｒ↓［ｓ］的方法，包括：（ａ）以足够对所述元件进行加热的量来为所述元件提供电功率，并将其电阻增加到Ｒ↓［ｓ］，与此同时监控所述元件的实时电阻Ｒ，以检测Ｒ与Ｒ↓［ｓ］之间的任何差值；（ｂ）在检测出Ｒ与Ｒ↓［ｓ］之间的差值时，以量△Ｗ对提供给所述元件的电功率进行调整，调整量△Ｗ由下式近似地确定：（ｉ）△Ｗ＝ｍ／α↓［ρ］×ｔ×Ｒ↓［０］.（Ｒ↓［ｓ］－Ｒ）；（ｉｉ）△Ｗ＝ｍ／α↓［ρ］×ｔ×Ｒ↓［０］.［Ｒ↓［ｓ］＋Ｒ（０）－２Ｒ］；或者（ｉｉｉ）△Ｗ＝ｍ／α↓［ρ］×Ｒ↓［０］.［ｆ↓［ｓ］（Ｒ↓［ｓ］－Ｒ）－＊］，其中ｍ是所述元件的热质量，α↓［ρ］是所述元件的电阻的温度系数，Ｒ↓［０］是所述元件在基准温度下测量的标准电阻，ｔ是介于电阻差值的当前检测与电功率的上次调整之间的时间间隔，Ｒ（０）是所述元件在上次调整电功率时的电阻，及ｆ↓［ｓ］是预先确定的用于周期性地执行电功率调整的频率。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈英欣，杰弗里W诺伊纳，
申请(专利权)人：高级技术材料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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