Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных
направлений научно-технического прогресса в настоящее
время является неуклонное развитие широкой
автоматизации различных этапов производства, которая осуществляется с применением современных систем автоматизированного управления и контроля, что позволяет поднять технологические процессы на качественно новый уровень.
Развитие новых, современных технологий предъявляет
все более жесткие требования к метрологическим
характеристикам промышленного оборудования. Это в
полной мере относится и к измерителям расхода газов.
Особенно актуальна эта проблема в микроэлектронике,
одной из самых динамичных и быстроразвивающихся
отраслей, ее основная продукция - интегральные
микросхемы (ИМС), являются доминирующими
компонентами всей электронной аппаратуры.
Характерной особенностью современного этапа развития микроэлектроники является переход от интегральных схем большой степени интеграции (БИС) к схемам сверхбольшой (СБИС) и, к 2000-му году, ультрабольшой (УБИС) степени интеграции.
Такой стремительный рост интеграции элементов
микросхем на кристалле с одновременным ужесточением
их параметров обусловливает необходимость существенных
изменений в оборудовании, применяемом для производства
полупроводниковых ИМС. Прогноз развития
полупроводникового производства и капиталовложений в эту область показывает,, что за пятилетний период объем полупроводникового производства возрастает вдвое, а объем капиталовложений в оборудование - более чем в 2 раза.
Среди используемых технологий в качестве примера
можно рассмотреть сухое ионное травление, которое
благодаря своей высокой селективности процесса,
получению тонкой геометрии .элементов и безопасности
для окружающей среды получила достаточно широкое
распространение. При .данной технологии изготовления
ИМС требуется постоянный контроль и точное
дозирование химических реагентов, поступающих к
обрабатываемому изделию в газообразном состоянии. Отсутстоиэ же надежных средств контроля и' высокоточных
измерителей расхода негативно сказывается не только на
качестве ИМС, но и является одним из препятствий на пути
широкого внедрения прогрессивных технологий по
производству СБИС.
Кроме того, необходимость точного измерения расходов всевозможных газообразных и жидких веществ становится все более актуальной проблемой не только при контроле различных технологических процессов, но и при проведении некоторых НИР и ОКР. Увеличившееся за последние годы число публикаций на эту тему является одним из показателей возросшего интереса к таким измерениям.
Актуальность этой проблемы характеризуют, например, статистические исследования, проведенные специалистами США, которые показали, что по количеству объектов измерения расход занимает пятое место среди измеряемых физических величин.
Разработкой и производством измерителей расхода жидкостей и газов в ФРГ заняты 22 фирмы. В Великобритании ежегодно продается 27 тысяч расходомеров (не считая тех, что используются для бытовых нужд), в Западной Европе -165 тысяч таких приборов, а во всем мире установлено свыше 15 миллионов промышленных расходомеров и свыше 50 миллионов различных измерительных устройств используется только в США для контроля расхода природного газа.
Большое значение имеет и развитие дозаторов газообразных ееществ. Такие устройства необходимы для некоторых процессов микроэлектроники, генной инженерии, систем х<изнеобеспечения в локальных объемах, химической технологии, фармакологии, биотехнологии и т.д. В то же время, данная проблема в настоящее время практически не имеет каких либо современных автоматизированных технических средств. Таким образом, создание современных и точных дозаторов газа является важной и актуальной задачей.
Что касается отечественной электронной
промышленности, то применяющиеся сегодня на многих производственных установках в качестве рабочих средств измерения калориметрические расходомеры типа РРГ имеют погрешность 2-3% и уже не обеспечивают требуемой точности и воспроизводимости технологических процессов. К тому же эти приборы имеют весьма небольшой межповерочный интервал,, так как их параметры
подвержены "дрейфу" вследствие старения,
перекристаллизации и накопления отложений на поверхности чувствительных элементов.
Не лучшим образом обстоит дело и с образцовыми средствами измерения. Так, например, наиболее часто в качестве поверочного средства используется измеритель расхода газов пузырькового типа ИРГП, выпускаемый Иркутским заводом "Эталон". Измерение расхода газа при помощи ИРГП производится с приведенной относительной погрешностью, достигающей 2% на верхней границе диапазона расходов, что соизмеримо с погреш-ностыо поверяемых приборов.
За образцовые устройства при проведении
поверочных испытаний рекомендуется применять
грузокольцевые установки типа ГУК и ГИР, разработанные ВНИИРасходометрии, в которых погрешность измерений снижена до 0.35%. Однако, эксплуатация данного вида оборудования (массой 2,5т и занимаемой площадью 33м2) требует специальных помещений с определенными климатическими условиями, и связана с большими материальными затратами.
Существует два подхода к построению новых средств измерения расхода: а) конструктивно-технологический, основанный на технологическом усовершенствовании элементной базы, характеристик первичных преобразователей, использовании новых материалов и технологий и б) кибернетический, предложенный академиком Петровым Б.Н., основанный на повышении степени автоматизации измерительных устройств, создании новых принципов построения и алгоритмов функционирования, использовании перспективных схемотехнических решений. Преимущество такого подхода к построению измерительных устройств перед конструктивно-технологическим определяется высокими техническими (повышение точности, диапазона измерений, быстродействия) и потребительскими (низкая стоимость, удобство эксплуатации) характеристиками.
Таким . образом, создание точных, быстродействующих, автоматизированных и компактных образцовых и рабочих средств измерения малых расходов и дозаторов на основе кибернетического подхода, является достаточно важной и насущной задачей.
Целью работы является исследование меточного способа измерения расхода газов в диапазоне малых потоков и разработка на данной основе принципов построения автоматизированных компактных средств измерения расхода и дозации технологических газов.
Методы исследования. Для теоретического и
практического решения поставленной задачи использовались
такие методы, как математический аппарат
дифференциального и интегрального исчисления, теория автоматического регулирования, теория разностных схем и численных методов, теория тепломассопереноса, методы дисперсионного анализа.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1) Исследован и разработан способ повышения
быстродействия терморезистивных датчиков. Исследовано
влияние динамики Потока газа на эволюцию тепловой
неоднородности в меточном преобразователе-расхода.
2) Создана и исследована математическая модель
терморезистивного первичного преобразователя, проведен
машинный расчет поведения датчика при контакте с локальной
тепловой неоднородностью в потоке газа.
3) Разработаны научные принципы построения
автоматического измерителя расхода меточного типа,
предложена обобщенная структурная схема и алгоритм
функционирования автоматического измерителя расхода.
4) Предложена классификация погрешностей МП с
тепловой меткой. Определены доминирующие погрешности
теплового меточного измерителя расхода и пути их
минимизации, с учетом которых теоретическая оценка
суммарной погрешности измерения составила менее 0.5 %.
5) Разработан новый принцип построения дозатора газа
на основе метода сравнения с компенсацией погрешности
определяемой порогом чувствительности компаратора.
Практическая значимость результатов
проведенных исследований заключается в улучшении
основных метрологических характеристик (погрешности,
достоверности, уровня автоматизации) рабочих и
образцовых средств измерения расходов газа, что, в сбою
очередь, будет способствовать повышению
воспроизводимости большинства этапов технологического
процесса и положительно влиять на качество конечной продукции микроэлектроники. Разработанные функциональные алгоритмы, а также математические модели и программы расчета основных характеристик меточного преобразователя (МП) позволяют облегчить решение практических задач по конструированию такого типа измерителей расхода.
Достоверность, полученных результатов подтверждается хорошим совпадением теоретически расчитанных и практически полученных данных, что доказывает корректность используемой автором методологии.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются следующие:
разработка и исследование схемы повышения быстродействия терморезистивного датчика, позволяющая в значительной степени компенсировать инерционность чувствительного элемента;
разработка научных и технических принципов построения автоматических измерителей расхода, в том числе: создание устройства селекции результатов измерений, существенно повышающее помехоустойчивость измерителя расхода; создание устройства адаптации измерителя расхода к пропаданию метки, позволяющее использовать устройство в автоматическом режиме;
исследование физических основ явлений тепломассоб-мена при измерении количества вещества и измерении расхода с помощью терморезистивного первичного преобразователя;
разработка и исследование дозатора газообразных веществ с компенсацией влияния порога чувствительности компаратора, исследование и расчет его основных погрешностей.
Внедрение результатов работы:
Система регистрации метки с тремя датчиками и устройство бесконтактного измерения скорости перемещения пленки ПАВ, позволяющие повысить точность и степень автоматизации процесса фиксации метки, использованы в Измерителе расхода РАМ-3, внедренном в 1998 г. в АООТ «НИИМЭ и завод Микрон», что подтверждено актом внедрения.
На зз'.миту выносятся:
исследования, направленные на обоснование возможности использования меточного способа измерения расхода газа для создания образцовых прецизионных и рабочих средств измерения;
способ повышения быстродействия терморезистивкых датчиков построенных на основе мостовой схемы охваченной отрицательной обратной связью;
теоретический анализ погрешностей автоматического измерителя расхода на основе терморезистивного первичного преобразователя;
схемы построения автоматических меточных измерителей расхода, обобщенная структурная схема и алгоритм функционирования;
- принцип построения и алгоритм функционирования дозаторов газа на основе метода сравнения с компенсацией порога чупствительности компаратора.
Апробация работы. Основные положения
диссертационной работы, ее научные и практические результаты докладывались и обсуждались на Межвузовских научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" (Москва, Зеленоград) в 1995,1996,1997 и 1998г.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 10 печатных работах (5 статей, 4 тезиса докладов и 1 отчет по НИР),
Диссертация выполнена в рамках плановой госбюджетной тематики научных исследований проводимых в НИЛ УИС МГИЭТ (ТУ). Работа над диссертацией проводилась в плане приоритетных направлений науки и техники, утвержденных Советом Министров Российской Федерации от 21.06.96. №2727п П-8 по темам: "Датчики и преобразователи" и "Исследование тепломассообмена".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 132 наименований и четырех приложений. Работа содержит 204 страницы машинописного текста, в том числе 119 страниц основного текста, 28 рисунков, 2 таблицы, а также 40 страниц приложений.
