專利名稱：用于維持電加熱器的恒定功率操作的反饋控制系統(tǒng)和方法
政府利益根據(jù)題為“在微電子制造業(yè)中為等離子蝕刻和清洗反應(yīng)的閉環(huán)工藝控制和優(yōu)化而使用新型薄膜化學(xué)的集成MEMS反應(yīng)腔氣體監(jiān)測(cè)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號(hào)合同，美國政府在本發(fā)明中享有權(quán)利。
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于控制元件的電加熱及維持其恒定阻抗操作的自適應(yīng)反饋控制系統(tǒng)和方法，特別是涉及根據(jù)將電子氣體感測(cè)器元件維持在恒定電阻所需要的調(diào)節(jié)量來確定目標(biāo)氣體種的存在及濃度的氣體感測(cè)系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
包括受熱貴金屬絲的基于燃燒的氣體感測(cè)器被廣泛用于檢測(cè)所關(guān)注的可燃?xì)怏w種的存在和濃度。該氣體種的催化燃燒是在上述受熱的貴金屬絲表面進(jìn)行的，并在此金屬絲的溫度上產(chǎn)生可檢測(cè)的變化。通常每一個(gè)氣體感測(cè)器包括一對(duì)匹配的細(xì)絲(filament)第一細(xì)絲(通常稱為檢測(cè)器)主動(dòng)催化目標(biāo)氣體種的燃燒并引起溫度的變化，第二細(xì)絲(通常稱為補(bǔ)償器)不包含催化物質(zhì)并因此只是被動(dòng)地補(bǔ)償外界環(huán)境的變化。當(dāng)把這樣一對(duì)細(xì)絲整合到惠斯通電橋電路中時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)失衡信號(hào)，以表明目標(biāo)氣體種的存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在一方面涉及用于控制元件的電加熱以維持恒定電阻Rs的方法，包括(a)以足夠?qū)λ鲈M(jìn)行加熱的量來為所述元件提供電功率，并將其電阻增加到Rs，與此同時(shí)監(jiān)控所述元件的實(shí)時(shí)電阻R，以檢測(cè)R與Rs之間的任何差值；(b)在檢測(cè)出R與Rs之間的差值時(shí)，以量ΔW對(duì)提供給所述元件的電功率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量ΔW由下式近似地確定(i)---ΔW=mαρ×t×R0·(Rs-R);]]>(ii)---ΔW=mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R];]]>或(iii)---ΔW=mαρ×R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t],]]>其中m是所述元件的熱質(zhì)量，αρ是所述元件的電阻的溫度系數(shù)，R0是所述元件在基準(zhǔn)溫度下測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電阻，t是介于電阻差值的當(dāng)前檢測(cè)與電功率的上次調(diào)整之間的時(shí)間間隔，R(0)是所述元件在上次調(diào)整電功率時(shí)的電阻，及fs是預(yù)先確定的用于周期性地執(zhí)行電功率調(diào)整的頻率。
本發(fā)明的第一實(shí)施例涉及被動(dòng)自適應(yīng)反饋控制機(jī)制，該機(jī)制對(duì)R與Rs之間的差值進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)提供給該元件的電功率進(jìn)行調(diào)整，以被動(dòng)地補(bǔ)償已產(chǎn)生的阻抗變化，使得該元件的電阻恢復(fù)回Rs。在該被動(dòng)自適應(yīng)反饋控制機(jī)制中，電功率的調(diào)整量ΔW由下式確定ΔW=mαρ×t×R0·(Rs-R).]]>本發(fā)明的第二實(shí)施例涉及主動(dòng)適自適應(yīng)反饋控制機(jī)制，該對(duì)介于電阻變化的檢測(cè)和電功率調(diào)整之間的延遲進(jìn)行識(shí)別，估算將在當(dāng)前時(shí)刻和預(yù)定的將來時(shí)刻之間產(chǎn)生的阻抗變化量，然后對(duì)提供給該元件的電功率進(jìn)行調(diào)整，從而不僅主動(dòng)地補(bǔ)償已經(jīng)產(chǎn)生的阻抗變化，而且主動(dòng)地補(bǔ)償所估算的將來的阻抗變化，使得在將來時(shí)刻把該元件的電阻恢復(fù)回Rs。根據(jù)對(duì)上述將來時(shí)刻的特定選擇，該主動(dòng)自適應(yīng)反饋控制機(jī)制可以如下確定對(duì)功率調(diào)整量ΔW當(dāng)將來時(shí)刻被設(shè)為不小于電阻差值的當(dāng)前檢測(cè)和電功率的上次調(diào)整之間的時(shí)間間隔t時(shí)，ΔW近似為ΔW=mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R)].]]>當(dāng)以預(yù)先確定的頻率fs對(duì)功率進(jìn)行周期性調(diào)整時(shí)，所述將來時(shí)刻等于調(diào)整間隔1/fs，感測(cè)并且ΔW近似為ΔW=mαρ×R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t].]]>本發(fā)明的自適應(yīng)反饋控制機(jī)制與常規(guī)的PID反饋控制機(jī)制相比，主要優(yōu)點(diǎn)在于，上文所述的用于確定控制信號(hào)(即電功率的調(diào)整量ΔW)的函數(shù)中使用的所有參數(shù)都是(1)任意選定的(如Rs感測(cè)和感測(cè)fs)；(2)由受控元件的物理特性預(yù)先確定的(如m、αρ感測(cè)和R0感測(cè))；或(3)在操作過程中實(shí)時(shí)測(cè)量的(如R(0)、感測(cè)R感測(cè)和t)。不管在該受控元件和操作條件上產(chǎn)生的變化如何，不要求進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性的重調(diào)試來確定用于將該受控元件維持在恒定阻抗操作的控制信號(hào)，此舉明顯減少了操作成本并提高了操作靈活性。而且，那些由受控元件的物理特性預(yù)先確定的參數(shù)(如m、αρ感測(cè)和R0感測(cè))只需要被測(cè)量一次，隨后便可將其應(yīng)用于所有具有類似結(jié)構(gòu)的元件，此舉進(jìn)一步減少了在增加/移除/更換受控元件時(shí)對(duì)系統(tǒng)調(diào)整的需求。
在本發(fā)明中，可以通過對(duì)通過受控元件的電流或者加在該元件上的電壓進(jìn)行調(diào)整來執(zhí)行對(duì)電功率的調(diào)整。
具體而言，可以量ΔI對(duì)通過受控元件的電流進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量ΔI感測(cè)由下式近似地確定ΔI=ΔW2IRs,]]>其中I感測(cè)是在調(diào)整前通過該元件的電流。
或者，可以量ΔV對(duì)加在該元件上的電壓進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量ΔV定義為近似于ΔV=ΔW·Rs2V,]]>其中V感測(cè)是調(diào)整前加在該元件上的電壓。
在本申請(qǐng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，受控元件是電子氣體感測(cè)器，用于監(jiān)控易受某目標(biāo)氣體種的存在影響的環(huán)境。具體而言，該氣體感測(cè)器具有可在升高的溫度下對(duì)目標(biāo)氣體種進(jìn)行發(fā)熱或吸熱反應(yīng)的接觸反應(yīng)表面。因此，目標(biāo)氣體種在該環(huán)境中的存在引起氣體感測(cè)器中的溫度變化以及電阻變化，并且如上文所述，作為響應(yīng)，所述氣體感測(cè)器對(duì)提供給氣體感測(cè)器的電功率進(jìn)行調(diào)整。為將該氣體感測(cè)器維持在恒定阻抗操作所需的電功率調(diào)整量與目標(biāo)氣體種在環(huán)境中的存在和濃度相關(guān)，并且可指示出該目標(biāo)氣體種在環(huán)境中的存在和濃度。
上述電子氣體感測(cè)器優(yōu)選地包括一個(gè)或多個(gè)氣體感測(cè)細(xì)絲，該細(xì)絲帶有由化學(xué)惰性和非導(dǎo)電材料制成的核心、及由導(dǎo)電的接觸反應(yīng)材料制成的涂層。更優(yōu)選地，該氣體感測(cè)細(xì)絲的涂層含有貴金屬薄膜，例如鉑(Pt)薄膜，如2002年10月17號(hào)提交的題為“用于感測(cè)在半導(dǎo)體處理系統(tǒng)中的氟類物質(zhì)的設(shè)備和方法”(“APPARATUS ANDPROCESS FOR SENSING FLUORO SPECIES IN SEMICONDUCTORPROCESSING SYSTEMS”)的10/273036號(hào)美國專利申請(qǐng)(作者為Frank Dimeo Jr，Philip S.H.Chen，Jeffrey W.Neuner，James Welch，Michele Stawasz，Thomas H.Baum，Mackenzie E.King，Ing-Shin Chen，and Jeffrey F.Roeder)，該申請(qǐng)的公開內(nèi)容在本文中被整體引用。
當(dāng)被用于檢測(cè)受關(guān)注的活躍氣體種時(shí)，首先在惰性環(huán)境(即不含目標(biāo)氣體種)中將此類細(xì)絲感測(cè)器預(yù)熱達(dá)組頭的時(shí)間段直到它達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該狀態(tài)定義為熱效率、及該細(xì)絲周圍的環(huán)境溫度達(dá)到穩(wěn)定，并且該細(xì)絲的溫度變化率幾乎等于零。隨后確定該感測(cè)器在穩(wěn)定狀態(tài)下的電阻，該電阻在后續(xù)的恒定阻抗操作中被用作設(shè)置點(diǎn)或恒定阻抗值Rs。然后，該細(xì)絲感測(cè)器被暴露于易受目標(biāo)氣體種的存在影響的環(huán)境中。如果目標(biāo)氣體種存在于該環(huán)境中，將觀測(cè)到該細(xì)絲感測(cè)器的可檢測(cè)到的電阻變化(即可檢測(cè)到的與設(shè)置點(diǎn)阻抗值Rs的偏移量)將被觀測(cè)，這是因?yàn)樵撃繕?biāo)氣體種在基于細(xì)絲的氣體感測(cè)器的受熱接觸反應(yīng)表面上的發(fā)熱或吸熱反應(yīng)會(huì)引起該氣體感測(cè)器的溫度變化。上述的自適應(yīng)反饋控制機(jī)制將相應(yīng)地對(duì)提供給該細(xì)絲感測(cè)器的電功率進(jìn)行調(diào)整，并把細(xì)絲感測(cè)器的電阻抗維持在設(shè)置點(diǎn)或恒定值Rs。
通過這樣的方式，設(shè)置點(diǎn)或恒定阻抗值Rs將在每一個(gè)檢測(cè)或氣體感測(cè)周期被重新設(shè)置，并可有效消除由長期浮動(dòng)引起的測(cè)量誤差。進(jìn)一步而言，猶豫基于細(xì)絲的氣體感測(cè)器在暴露于目標(biāo)氣體種之前已經(jīng)被預(yù)熱并且達(dá)到與設(shè)置點(diǎn)或恒定值相等的電阻，因此可明顯地減小或完全消除通常由設(shè)備的“預(yù)熱”引起的時(shí)間延遲。
本發(fā)明的另一方面涉及用于控制元件的電加熱并把它維持在恒定電阻Rs的系統(tǒng)，包含(a)與所述元件相連的可調(diào)整的電源，用于提供對(duì)所述元件進(jìn)行加熱的電功率；(b)與所述元件和所述電源相連的控制器，用于監(jiān)控所述元件的實(shí)時(shí)電阻R，并且在檢測(cè)到R與Rs的差值時(shí)，作為響應(yīng)，以量ΔW對(duì)提供給該元件的電功率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量ΔW由下式近似地確定(i)---ΔW=mαρ×t×R0·(Rs-R);]]>(ii)---ΔW=mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R];]]>或(iii)---ΔW=mαρ×R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t],]]>其中，m是所述元件的熱質(zhì)量，αρ是所述元件的電阻的溫度系數(shù)，R0是所述元件在基準(zhǔn)溫度下測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電阻，t是介于電阻差值的當(dāng)前檢測(cè)與電功率的上次調(diào)整之間的時(shí)間間隔，R(0)是所述元件在上次電功率調(diào)整時(shí)測(cè)量的電阻，及fs是預(yù)先確定的用于周期性地執(zhí)行電功率調(diào)整的頻率。
優(yōu)選地，該控制器包含一個(gè)或多個(gè)用于監(jiān)控受控元件的電阻的設(shè)備，可以是電阻測(cè)量儀，或者可選地，也可以并用電流測(cè)量儀與電壓測(cè)量儀感測(cè)(R＝V/I)。
本發(fā)明的又一方面涉及用于檢測(cè)目標(biāo)氣體種的氣體感測(cè)系統(tǒng)，包含(a)電子氣體感測(cè)器元件，該元件具有在升高的溫度下進(jìn)行所述目標(biāo)氣體種的發(fā)熱或吸熱反應(yīng)的接觸反應(yīng)表面；(b)與所述氣體感測(cè)器元件相連的可調(diào)整的電源，用于提供對(duì)所述氣體感測(cè)器元件加熱的電功率；(c)與所述氣體感測(cè)器元件和所述電源相連的控制器，用于調(diào)整為所述氣體感測(cè)元件提供的電功率，以維持恒定電阻Rs；和(d)與所述控制器相連的氣體成分分析處理器，用于根據(jù)維持恒定電阻Rs所需的電功率的調(diào)整量，確定所述目標(biāo)氣體種的存在和濃度，其中電功率是在檢測(cè)到所述氣體感測(cè)器元件中的電阻變化時(shí)進(jìn)行調(diào)整的，調(diào)整量ΔW由下式近似地確定
(i)---ΔW=mαρ×t×R0·(Rs-R);]]>(ii)---ΔW=mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R];]]>或(iii)---ΔW=mαρ×R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t],]]>其中，m是所述氣體感測(cè)器元件的熱質(zhì)量，αρ是所述氣體感測(cè)器元件的電阻的溫度系數(shù)，R0是所述氣體感測(cè)器元件在基準(zhǔn)溫度下測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電阻，t是介于電阻差值的當(dāng)前檢測(cè)與電功率的上次調(diào)整之間的時(shí)間間隔，R(0)是所述氣體感測(cè)器元件在上次電功率調(diào)整時(shí)測(cè)量的電阻，及fs是預(yù)先確定的用于周期性地執(zhí)行電功率調(diào)整的頻率。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及用于檢測(cè)目標(biāo)氣體種在易受該目標(biāo)氣體種影響的環(huán)境中的存在的方法，包括以下步驟(a)提供電子氣體感測(cè)器元件，該元件具有在升高的溫度下進(jìn)行所述目標(biāo)氣體種的發(fā)熱或吸熱反應(yīng)的接觸反應(yīng)表面；(b)在不含有目標(biāo)氣體種的惰性環(huán)境下將所述氣體感測(cè)器元件預(yù)熱達(dá)足夠的時(shí)間，以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；(c)確定所述氣體感測(cè)器元件在穩(wěn)定狀態(tài)下的電阻Rs；(d)把所述氣體感測(cè)器元件放置在易受到所述目標(biāo)氣體種的存在影響的環(huán)境中；(e)對(duì)提供給所述氣體感測(cè)器元件的電功率進(jìn)行調(diào)整，以將所述氣體感測(cè)器元件的電阻維持在Rs；和(f)根據(jù)為維持電阻Rs所需的電功率調(diào)整量，確定所述目標(biāo)氣體種在易受所述氣體種影響的環(huán)境中的存在和濃度。
根據(jù)下文及所附權(quán)利要求書，本發(fā)明的其他方面、特征和實(shí)施例將更加清楚明白。


圖1是用于說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的目適應(yīng)反饋控制機(jī)制的圖表，其對(duì)通過電加熱的元件的電流進(jìn)行調(diào)整，以維持恒定阻抗操作。
圖2顯示了當(dāng)存在在不同的流動(dòng)速率下(100sccm、200sccm、300sccm、和400sccm)的NF3氣體時(shí)，由圖1中的自適應(yīng)反饋控制(AFC)機(jī)制控制的Xena 5氣體感測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)輸出，與常規(guī)的PID機(jī)制控制的同類感測(cè)器所產(chǎn)生的信號(hào)輸出形成對(duì)比。
圖3顯示出當(dāng)存在流動(dòng)速率為300sccm的NF3氣體時(shí)，擴(kuò)展后的由圖2中的Xena 5氣體感測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)輸出。
具體實(shí)施例方式
于2002年10月17日提交的對(duì)于“用于感測(cè)在半導(dǎo)體處理系統(tǒng)中的氟類物質(zhì)的設(shè)備和方法”(“APPARATUS AND PROCESS FORSENSING FLUORO SPECIES IN SEMICONDUCTOR PROCESSINGSYSTEMS”)的第10/273,036號(hào)美國專利申請(qǐng)、及Ricco等人的第5,834,627號(hào)美國專利在此被全部引用以供參考。
本文中術(shù)語“穩(wěn)定態(tài)”是指當(dāng)熱效率、以及電受熱元件周圍的環(huán)境溫度都處于穩(wěn)定，并且在該受熱元件上的溫度變化率為零的狀態(tài)。
本文中術(shù)語“熱式質(zhì)量”定義為上述電受熱元件的比熱、密度和體積的乘積。
本文中術(shù)語“比熱”是指把一克物質(zhì)的溫度升高一攝氏度所需的熱量，以卡路里為單位。
在恒定阻抗操作中，反饋控制機(jī)制的目的是把受熱元件維持在恒定的阻抗上，而不考慮焦耳加熱的變化或周圍環(huán)境中的功率擾動(dòng)。
由于電受熱元件的明確定義的阻抗-溫度相關(guān)性，依據(jù)下列等式，電阻抗與該元件的溫度直接相關(guān)，反之亦然R＝R0·+αρ(T-T0)其中R0是該元件在基準(zhǔn)溫度T0下測(cè)量的的標(biāo)準(zhǔn)電阻，αρ是該元件的電阻的溫度系數(shù)。上述方程式描述了溫度與電阻的線性關(guān)系。
在熱損耗機(jī)制和環(huán)境溫度中的變化可以忽略的情況下，在元件上的恒定功率通量導(dǎo)致恒定的溫度，并因此導(dǎo)致恒定的電阻，并且系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
然而，當(dāng)元件上的功率通量發(fā)生波動(dòng)時(shí)(例如由于該元件與附近環(huán)境中的某氣體種進(jìn)行放熱或吸熱化學(xué)反應(yīng))，該元件的溫度和電阻將發(fā)生相應(yīng)的變化。為了維持恒定阻抗操作，有必要調(diào)整向該元件提供的電功率，以補(bǔ)充該元件上通過的總功率通量的波動(dòng)。
在這里提供一組自適應(yīng)反饋控制(AFC)算法，用于根據(jù)該元件的物理參數(shù)或能夠在操作期間實(shí)時(shí)測(cè)量的參數(shù)，來確定維持該電受熱元件的恒定阻抗操作所需的電功率調(diào)整量。本發(fā)明的AFC算法并不包含任何不得不通過經(jīng)驗(yàn)測(cè)試或調(diào)試來確定的參數(shù)，因此當(dāng)該受控元件本身或操作條件變化時(shí)，不需要重調(diào)試該算法。與常規(guī)PID算法相比，這明顯地減少了所需要的系統(tǒng)調(diào)整。
一般而言，決定電受熱元件的溫度響應(yīng)的微分方程式是dTdt=η·W-(T-Ta)τ=η·(I2R+Wperturbation)-(T-Ta)τ·A]]>其中dT/dt是該受熱元件在任何指定的時(shí)刻上測(cè)量的溫度變化(例如，變化速度)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，η是該元件的熱效率，W是在該元件上通過的總功率通量，T是該元件的溫度，Ta是環(huán)境溫度，τ是η與m的乘積，其描述了加熱直到熱式質(zhì)量m(m＝Cp·D·Vs，其中Cp、D、和Vs分別是該受熱元件的比熱、密度和體積)所需要的時(shí)間，I是通過該元件的用于對(duì)其加熱的電流，R是該受熱元件的電阻，及Wperturbation是在該元件上因電加熱以外的因素引起的功率擾動(dòng)。
在只有電加熱存在的穩(wěn)定狀態(tài)(即，dT/dt＝0)，該受熱元件的電流處于恒定值Ic，，而且該穩(wěn)定狀態(tài)溫度Tc是Tc=Ta+ηW=Ta+η·Ic2Rc=Ta+η·Ic2R0·[1+αρ(Tc-T0)]]]>其中Rc是穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的受熱元件的電阻。
如果對(duì)Tc求解，那么Tc=Ta+ηI2R0-αρηI2R0T01-αρηI2R0|I=Ic,Ta=Ta,c,η=ηc]]>=(Ta′+η′W′)|I=Ic,Ta=Ta,c,η=ηc,Wperturbation=0]]>其中ε＝αρηI2R0Ta′＝(Ta-εT0)/(1-ε)，η′＝η/(1-ε)，W′＝I2R0+WperturbationTa，c和ηc是在確定Tc時(shí)的環(huán)境溫度和熱效率?？梢栽谕粫r(shí)間確定恒定阻抗操作的相應(yīng)設(shè)置點(diǎn)(setpoint)Rs，其優(yōu)選的是等于或近似于該受熱元件的穩(wěn)定狀態(tài)阻抗值Rc。
本發(fā)明的反饋控制機(jī)制目的是通過改變提供給受熱元件的功率，把該受熱元件的實(shí)時(shí)電阻R保持在設(shè)定值或恒定阻抗值Rs。
具體而言，將設(shè)置點(diǎn)或恒定阻抗值Rs作為輸入信號(hào)來提供，將受熱元件的實(shí)時(shí)電阻R作為輸出信號(hào)來監(jiān)控，所述輸出信號(hào)可與輸入信號(hào)Rs進(jìn)行比較。將輸入Rs和輸出R之間的任何可檢測(cè)的差值作為誤差信號(hào)e(＝Rs-R)來處理。作為響應(yīng)，該誤差信號(hào)e觸發(fā)反饋控制機(jī)制以產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，該控制信號(hào)被用于操作該系統(tǒng)(即反饋)以使該誤差信號(hào)e最小化。
在本發(fā)明中，用于操作系統(tǒng)的控制信號(hào)記為ΔW，其表示為減少R和Rs之間的差值而對(duì)提供給受熱元件的電功率執(zhí)行的調(diào)整量，它是通過以下AFC算法來確定的。
被動(dòng)AFC算法在本發(fā)明的這一簡(jiǎn)化的實(shí)施例中，假設(shè)該受熱元件一直處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)(QSS)，并且功率和溫度的波動(dòng)非常小，從而可以應(yīng)用決定穩(wěn)定狀態(tài)行為的方程式。在這一基本體系下，當(dāng)Ta，c≈T和ηc≈η時(shí)，恒定功率操作和恒定阻抗操作在功能上是等效的。此外，假設(shè)Wperturbation隨時(shí)間的變化非常緩慢，因此可被認(rèn)為在當(dāng)前時(shí)刻和下一次電功率調(diào)整之間是時(shí)不變量。
首先，為受熱元件測(cè)量的實(shí)時(shí)阻抗R是R≈R0·{1+αρ[(Ta+η·W)-T0]}由此，可如下推導(dǎo)在該元件上通過的總功率通量WW≈R-R0αρ·η·R0+T0-Taη]]>對(duì)于該元件的恒定阻抗操作，恒定電阻值Rs是被選定或預(yù)先確定的，該電阻值Rs與用于維持Rs所需的總功率Ws之間具有以下關(guān)系
Rs＝R0·{1+αρ(Ta，s+ηs·Ws)-T0}≈R0·{1+αρ[(Ta+η·Ws)-T0]}由此，維持Rs所需的總功率通量Ws如下Ws≈Rs-R0αρ·η·R0+T0-Taη]]>用于將該受熱元件維持在恒定電阻Rs所需的電功率調(diào)整量ΔW為ΔW=Ws-W≈Rs-R0αρ·η·R0=mτ·Rs-Rαρ·R0]]>除了τ以外，其他參數(shù)都是由該元件的物理特性來確定(如m，αρ，和R0)，或者以實(shí)時(shí)的方式來確定(如R)，或者以預(yù)先確定的方式來確定(如Rs)。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化該算法，假設(shè)τ近似等于當(dāng)前時(shí)刻與上次電功率調(diào)整之間的時(shí)間間隔t，于是得出ΔW≈mt·Rs-Rαρ·R0]]>上述AFC算法被稱為被動(dòng)AFC算法，因?yàn)樗鼘?duì)電功率的調(diào)整量足以被動(dòng)地補(bǔ)償所檢測(cè)出的已發(fā)生(即從上次電功率調(diào)整到當(dāng)前時(shí)刻)的阻抗變化，而沒有考慮調(diào)整延遲(即電阻變化發(fā)生的時(shí)間以及實(shí)際觸發(fā)反饋控制操作的時(shí)間)。
主動(dòng)AFC算法為了改進(jìn)所述被動(dòng)AFC算法，提供以下算法來估算用于主動(dòng)補(bǔ)償所必需的ΔW。所述主動(dòng)補(bǔ)償不僅對(duì)已產(chǎn)生的阻抗變化進(jìn)行補(bǔ)償，而且對(duì)在當(dāng)前時(shí)刻和將來時(shí)刻之間將要產(chǎn)生的阻抗變化也進(jìn)行補(bǔ)償。
在0時(shí)刻(即上次調(diào)整電功率的時(shí)刻)和當(dāng)前時(shí)刻t之間，該受熱元件溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)是dTdt=1αρ·R0dRdt≈1αρ·R0·R-R(0)t]]>其中R(0)是在0時(shí)刻測(cè)量的電阻。
當(dāng)t＜＜τ時(shí)(即，近似即時(shí)地檢測(cè)電阻抗變化)，在當(dāng)前時(shí)刻該受熱元件上產(chǎn)生的總功率W近似于W≈1η[τ·dTdt+(T-Ta)]]]>=mαρ·R0[R-R(0)t+R-Raτ]]]>其中Ra是該元件在環(huán)境溫度下測(cè)量的電阻。
為了估算在將來時(shí)刻(記為t+Δt)把R恢復(fù)至Rs所需的調(diào)整量ΔW，必須基于特別選擇的Δt對(duì)該算法作出如下修改。
A.不嚴(yán)格的(Relaxed)選擇Δt→∞這種情況與恒定功率操作等效，其中Rs≈R0·{1+αρ[(Ta+η·Ws)-T0]}＝Ra+αρη·R0·Ws因此，Ws≈Rs-Raαρ·ηs·R0≈mτ·Rs-Raαρ·R0]]>
如下確定所需的功率調(diào)整量ΔWΔW=Ws-W≈mτ·Rs-Raαρ·R0-mαρ·R0[R-R(0)t+R-Raτ]=mαρ·R0·[Rs-Rτ-R-R(0)t]]]>因?yàn)樵撾姽β收{(diào)整相對(duì)來說并不嚴(yán)格，所以τ近似等于t，，于是ΔW≈mαρ·R0·[Rs-Rt-R-R(0)t]=mαρ·t·R0·(Rs+R(0)-2R)]]>B.平衡的選擇Δt＝t和積極的選擇Δt＝1/fs當(dāng)Δt＜＜τ(在這種情況下并不適用恒定功率操作)，通常而言，dTdt|Δt>0≈R-R(0)αρ·t·R0+η·ΔWτ]]>R(t+Δt)≈R+ΔtdRdt]]>≈R+Δt·R0·αρdTdt]]>≈R+Δtt·[R-R(0)]+Δtτ·αρR0·ηΔW]]>根據(jù)上述方程式解得ΔWΔW≈mαρ·R0·[Rs-RΔt-R-R(0)t]]]>如果把Δt設(shè)為等于t，那么功率調(diào)整量ΔW為ΔW≈mαρ·t·R0·(Rs+R(0)-2R)]]>
在這一實(shí)施例中，基于過去已發(fā)生的功率擾動(dòng)發(fā)生率，積極地為將來時(shí)刻調(diào)整該功率擾動(dòng)。換言之，因?yàn)樾枰?jīng)過一段時(shí)間間隔t才能觸發(fā)反饋控制動(dòng)作，因此系統(tǒng)嘗試對(duì)在相等的時(shí)間間隔t內(nèi)產(chǎn)生的波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
在另一可供選擇的實(shí)施例中，反饋控制機(jī)制根據(jù)預(yù)先確定的頻率fs來提供周期性的功率調(diào)整，因此系統(tǒng)嘗試對(duì)下一調(diào)整周期時(shí)的波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，即時(shí)間差為Δt＝1/fs。于是所需的功率調(diào)整量ΔW為ΔW≈mαρ·R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t]]]>總結(jié)而言，根據(jù)不同的近似方式，本發(fā)明得出四種不同的算法來估算電功率調(diào)整量ΔW，如下所示ΔWQSS≈mαρ·t·R0·(Rs-R)]]>ΔWrelaxed≈mαρ·t·R0·[Rs+R(0)-2R]]]>ΔWbalanced=mαρ·t·R0·[Rs+R(0)-2R]]]>ΔWagressive=mαρ·R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t]]]>(上式中，relaxed表示不嚴(yán)格的，balanced表示平衡的，aggressive表示積極的。)盡管用于不嚴(yán)格的情況與平衡的情況的近似方式不同，不嚴(yán)格AFC算法和平衡AFC算法在最后的估算上是一樣的。因此當(dāng)將來時(shí)刻Δt被設(shè)為等于或者大于t時(shí)，ΔW可被確定為ΔW=mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R],]]>
這是本發(fā)明特別首選的實(shí)施方式。
與上述的不嚴(yán)格/平衡算法相比較，QSS算法在估算所需的功率調(diào)整量時(shí)比其他算法少要求一個(gè)項(xiàng)(即，R(0))，因此此算法可被計(jì)算資源受限的系統(tǒng)所采用。進(jìn)一步來說，如果假設(shè)R(0)≈Rs(即，每一次功率調(diào)整都把元件的電阻抗完全恢復(fù)到恒定值Rs)，用被動(dòng)QSS算法估算的功率調(diào)整量正好是用不嚴(yán)格/平衡算法估算的調(diào)整量的一半。
主動(dòng)AFC算法在調(diào)整頻率fs充分大時(shí)能提供最快的反饋動(dòng)作，所以最適合用于快速變化的環(huán)境中。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，比例系數(shù)r可被用于修正由上列算法計(jì)算的功率調(diào)整量ΔW，以便在特定的操作系統(tǒng)和環(huán)境下進(jìn)一步優(yōu)化反饋控制結(jié)果。該比例系數(shù)r的取值范圍大約在0.1到10之間，并且可由本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員在不進(jìn)行過多實(shí)驗(yàn)的情況下，通過常規(guī)系統(tǒng)測(cè)試來容易地確定。
為了獲得如上文所估算得到的電功率調(diào)整量，有兩種調(diào)整機(jī)制可供選擇，包括電流調(diào)整機(jī)制和電壓調(diào)整機(jī)制。
電流調(diào)整在該實(shí)施例中，以量(ΔI)來對(duì)通過受熱元件的電流(I)進(jìn)行調(diào)整，以獲得對(duì)于電功率的調(diào)整量ΔW，其中ΔW＝(I+ΔI)2·Rs-I2R≈I2·(Rs-R)+2ΔI·IRs當(dāng)I2(Rs-R)＜＜ΔW時(shí)，上式可被近似為ΔW＝2ΔI·IRs
由此解得ΔI為ΔI≈ΔW2IRs]]>電壓調(diào)整在該實(shí)施例中，以量為(ΔV)來對(duì)加在受熱元件上的電壓(V)進(jìn)行調(diào)整，以獲得電功率調(diào)整量ΔW，其中ΔW=(V+ΔV)2Rs-V2R≈V2·(1Rs-1R)+2ΔV·VRs]]>當(dāng)V2(Rs-1-R-1)＜＜ΔW時(shí)，上式可被近似為ΔW=2ΔV·VRs]]>由此式可解得ΔV為ΔV≈Rs2V·ΔW]]>在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，采用電流調(diào)整來獲得對(duì)于提供給受控元件的電功率的期望調(diào)整量。
如上文所述，圖1顯示的是使用電流控制調(diào)整以及平衡AFC算法的AFC控制系統(tǒng)的圖表。
具體而言，恒定或設(shè)置點(diǎn)電阻值Rs被作為輸入提供給AFC系統(tǒng)，而受控元件的實(shí)時(shí)電阻R則被作為輸出來監(jiān)控。為了維持輸入和輸出之間的一致性，兩者之間的差異將由AFC系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)并作為誤差信號(hào)e(＝Rs-R)使用，由該誤差信號(hào)觸發(fā)反饋控制回路(圖中以灰色虛線表示)的激活。
一旦被激活，上述反饋控制回路將根據(jù)“控制信號(hào)確定”方框內(nèi)的平衡AFC算法和電流調(diào)整算法計(jì)算出一個(gè)控制信號(hào)，即調(diào)整后的電流IA，用于操作受控元件并且減小誤差信號(hào)e。
本發(fā)明的電受熱元件可以包括基于反應(yīng)的氣體感測(cè)器，該氣體感測(cè)器包括兩根或更多的細(xì)絲。這些細(xì)絲中的一個(gè)包括接觸反應(yīng)表面，該接觸反應(yīng)表面有助于在升高的溫度下進(jìn)行反應(yīng)氣體的接觸性放熱或吸熱反應(yīng)；而其他細(xì)絲包括非反應(yīng)性表面，并用作補(bǔ)償環(huán)境溫度和其他操作條件中的波動(dòng)的基準(zhǔn)細(xì)絲，如Rico等人的題為“CALORIMETRIC GAS SENSOR(量熱氣體感測(cè)器)”的第5,834,627號(hào)美國專利所描述的，該專利的公開內(nèi)容在此被整體引用。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，氣體感測(cè)器僅包括單個(gè)細(xì)絲感測(cè)器元件，而不包括任何基準(zhǔn)細(xì)絲，這與Ricco的專利公開的雙細(xì)絲氣體感測(cè)器不同。
本發(fā)明的基于細(xì)絲的氣體感測(cè)器的恒定阻抗操作是通過在無反應(yīng)氣體種的惰性環(huán)境中對(duì)該氣體感測(cè)器預(yù)熱來實(shí)現(xiàn)的，以便提供該細(xì)絲感測(cè)器的基準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果。
具體而言，該細(xì)絲感測(cè)器在惰性環(huán)境中被預(yù)熱至充分長的時(shí)間段以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該穩(wěn)定狀態(tài)被定義為熱效率和環(huán)境溫度穩(wěn)定、并且在該感測(cè)器上沒有溫度變化。
于是該細(xì)絲感測(cè)器在穩(wěn)定狀態(tài)下的電阻(Rs)被確定并且設(shè)為當(dāng)它被置于可能包含所關(guān)注的活躍氣體種的活躍環(huán)境下時(shí)所應(yīng)維持的恒定值或者設(shè)置點(diǎn)值。
隨后，通過上文所述的反饋控制系統(tǒng)或者方法維持了在活躍環(huán)境下對(duì)該細(xì)絲感測(cè)器的恒定阻抗操作。
在每一個(gè)氣體檢測(cè)周期，對(duì)細(xì)絲感測(cè)器進(jìn)行預(yù)熱，確定其電阻，然后將其暴露于可能包含活躍氣體種的環(huán)境下。因此，該感測(cè)器所維持的恒定阻抗值Rs在每一個(gè)檢測(cè)周期都被重置，由此為該感測(cè)器上的任何變化提供頻繁的更新，因而有效地消除了由長期浮動(dòng)引起的測(cè)量誤差。
此外，對(duì)該細(xì)絲感測(cè)器進(jìn)行的預(yù)熱操作將該感測(cè)器的電阻設(shè)置在設(shè)定值上，并使該感測(cè)器為活躍氣體種的即時(shí)檢測(cè)做好準(zhǔn)備。
圖2顯示了由Xena 5細(xì)絲感測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)輸出，該感測(cè)器在相繼暴露于NF3流動(dòng)速率分別為100sccm、200sccm、300sccm、以及400sccm的四個(gè)NF3等離子開/關(guān)周期的期間，受到如圖1所示的AFC系統(tǒng)的控制。該信號(hào)輸出與同樣的Xena 5細(xì)絲在常規(guī)的PID系統(tǒng)控制下產(chǎn)生的信號(hào)輸出形成對(duì)比。
在5托(Torr)以及1slm的恒定氬氣流的條件下進(jìn)行該測(cè)試的反復(fù)操作(test manifold)。用氬氣點(diǎn)燃等離子，然后在100、200、300和400sccm的流動(dòng)速率下交替打開和關(guān)閉NF3長達(dá)1分鐘的間隔。整個(gè)過程在同一個(gè)感測(cè)器上重復(fù)兩次一次在PID控制下，一次在AFC控制下。
圖2指明AFC信號(hào)輸出與PID信號(hào)接近于匹配，然而AFC系統(tǒng)不需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行任何經(jīng)驗(yàn)性調(diào)試。并且，AFC系統(tǒng)產(chǎn)生的瞬時(shí)信號(hào)響應(yīng)與PID系統(tǒng)產(chǎn)生的瞬時(shí)信號(hào)響應(yīng)相比得到了改善。
圖3顯示出當(dāng)存在流動(dòng)速率為300sccm的NF3氣體時(shí)，擴(kuò)展后的由圖2中的Xena 5氣體感測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)輸出，而AFC系統(tǒng)的瞬時(shí)響應(yīng)明顯地優(yōu)于PID系統(tǒng)的瞬時(shí)響應(yīng)。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的反饋控制系統(tǒng)和方法可有益地用于維持電受熱元件的恒定阻抗操作。在舉例說明的應(yīng)用中，本發(fā)明的反饋控制系統(tǒng)和方法被用于以幾乎不需要或完全不需要調(diào)試就對(duì)感測(cè)器元件和操作條件的變化具有適應(yīng)性的方式，來維持基于燃燒的氣體感測(cè)器的恒定阻抗操作。
權(quán)利要求
1.用于控制元件的電加熱以維持恒定電阻Rs的方法，包括(a)以足夠?qū)λ鲈M(jìn)行加熱的量來為所述元件提供電功率，并將其電阻增加到Rs，與此同時(shí)監(jiān)控所述元件的實(shí)時(shí)電阻R，以檢測(cè)R與Rs之間的任何差值；(b)在檢測(cè)出R與Rs之間的差值時(shí)，以量ΔW對(duì)提供給所述元件的電功率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量ΔW由下式近似地確定(i)---ΔW=mαρ×t×R0·(Rs-R);]]>(ii)---ΔW=mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R];]]>或者(iii)---ΔW=mαρ×R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t],]]>其中m是所述元件的熱質(zhì)量，αρ是所述元件的電阻的溫度系數(shù)，R0是所述元件在基準(zhǔn)溫度下測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電阻，t是介于電阻差值的當(dāng)前檢測(cè)與電功率的上次調(diào)整之間的時(shí)間間隔，R(0)是所述元件在上次調(diào)整電功率時(shí)的電阻，及fs是預(yù)先確定的用于周期性地執(zhí)行電功率調(diào)整的頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)電功率的調(diào)整是通過以量ΔI對(duì)通過所述元件的電流進(jìn)行調(diào)整來進(jìn)行的，調(diào)整量ΔI由下式近似地確定ΔI=ΔW2IRs,]]>其中I是在調(diào)整前通過所述元件的電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)電功率的調(diào)整是通過以量ΔV對(duì)加在所述元件上的電壓進(jìn)行調(diào)整來進(jìn)行的，調(diào)整量ΔV由下式近似地確定ΔV=ΔW·Rs2V,]]>其中V是在調(diào)整前加在所述元件上的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中ΔW由下式近似地確定ΔW=mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R].]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中R(0)近似等于Rs，并且ΔW由下式近似地確定ΔW=2·mαρ×t×R0·[Rs-R].]]>
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述元件包含電子氣體感測(cè)器，用于監(jiān)控易受到目標(biāo)氣體種的存在影響的環(huán)境，其中所述氣體感測(cè)器包含接觸反應(yīng)表面，用于在升高的溫度下進(jìn)行所述目標(biāo)氣體種的發(fā)熱或吸熱反應(yīng)，以致所述目標(biāo)氣體種的存在在所述氣體感測(cè)器上引起溫度變化以及電阻變化；作為響應(yīng)，所述氣體感測(cè)器對(duì)提供給所述氣體感測(cè)器的電功率進(jìn)行調(diào)整，其中所述對(duì)電功率的調(diào)整與環(huán)境中的所述目標(biāo)氣體種的存在和濃度相關(guān)，并且指示出環(huán)境中的所述目標(biāo)氣體種的存在和濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述電子氣體感測(cè)器包含一個(gè)或多個(gè)細(xì)絲，該細(xì)絲具有由化學(xué)惰性和電絕緣材料制成的核心、和由導(dǎo)電的接觸反應(yīng)材料制成的涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中每一氣體感測(cè)周期包含以下步驟(1)在不包含所述目標(biāo)氣體種的惰性環(huán)境中將所述氣體感測(cè)器預(yù)熱達(dá)充足的時(shí)間，以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；(2)在所述穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)量所述氣體感測(cè)器的電阻，并把它設(shè)置為恒定值(Rs)；(3)然后，把所述氣體感測(cè)器暴露于易受目標(biāo)氣體種的存在影響的環(huán)境下；(4)通過調(diào)整為所述氣體感測(cè)器提供的電功率，把所述氣體感測(cè)器的電阻維持在Rs；以及(5)根據(jù)對(duì)電功率的調(diào)整量，確定所述目標(biāo)氣體種的存在和濃度。
9.用于控制元件的電加熱并把它維持在恒定電阻Rs的系統(tǒng)，包含(a)與所述元件相連的可調(diào)整的電源，用于提供對(duì)所述元件進(jìn)行加熱的電功率；(b)與所述元件和所述電源相連的控制器，用于監(jiān)控所述元件的實(shí)時(shí)電阻R，并且在檢測(cè)到R與Rs的差值時(shí)，作為響應(yīng)，以量ΔW對(duì)提供給該元件的電功率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量ΔW由下式近似地確定(i)---ΔW=mαρ×t×R0·(Rs-R);]]>(ii)---ΔW=mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R];]]>或(iii)---ΔW=mαρ×R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t],]]>其中，m是所述元件的熱質(zhì)量，αρ是所述元件的電阻的溫度系數(shù)，R0是所述元件在基準(zhǔn)溫度下測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電阻，t是介于電阻差值的當(dāng)前檢測(cè)與電功率的上次調(diào)整之間的時(shí)間間隔，R(0)是所述元件在上次電功率調(diào)整時(shí)測(cè)量的電阻，及fs是預(yù)先確定的用于周期性地執(zhí)行電功率調(diào)整的頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包含至少一個(gè)電阻測(cè)量儀。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包含至少一個(gè)電流測(cè)量儀和至少一個(gè)電壓測(cè)量儀。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中對(duì)電功率的調(diào)整是通過以量ΔI對(duì)通過所述元件的電流進(jìn)行調(diào)整來進(jìn)行的，調(diào)整量ΔI由下式近似地確定ΔI=ΔW2IRs,]]>其中I是在調(diào)整前通過所述元件的電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中對(duì)電功率的調(diào)整是通過以量ΔV對(duì)加在所述元件上的電壓進(jìn)行調(diào)整來進(jìn)行的，調(diào)整量ΔV由下式近似地確定ΔV=ΔW·Rs2V,]]>其中V是在調(diào)整前加在所述元件上的電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中ΔW由下式近似地確定ΔW=mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R].]]>
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中R(0)近似等于Rs，并且ΔW由下式近似地確定ΔW=2·mαρ×t×R0·[Rs-R].]]>
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述元件包含電子氣體感測(cè)器，用于監(jiān)控易受到目標(biāo)氣體種的存在影響的環(huán)境，其中所述氣體感測(cè)器包含接觸反應(yīng)表面，用于在升高的溫度下進(jìn)行所述目標(biāo)氣體種的發(fā)熱或吸熱反應(yīng)，以致所述目標(biāo)氣體種的存在在所述氣體感測(cè)器上引起溫度變化以及電阻變化；作為響應(yīng)，所述氣體感測(cè)器對(duì)提供給所述氣體感測(cè)器的電功率進(jìn)行調(diào)整，其中所述對(duì)電功率的調(diào)整與環(huán)境中的所述目標(biāo)氣體種的存在和濃度相關(guān)，并且指示出環(huán)境中的所述目標(biāo)氣體種的存在和濃度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述電子氣體感測(cè)器包含一個(gè)或多個(gè)細(xì)絲，該細(xì)絲具有由化學(xué)惰性和電絕緣材料制成的核心、和由導(dǎo)電的接觸反應(yīng)材料制成的涂層。
18.用于檢測(cè)目標(biāo)氣體種的氣體感測(cè)系統(tǒng)，包含(a)電子氣體感測(cè)器元件，該元件具有在升高的溫度下進(jìn)行所述目標(biāo)氣體種的發(fā)熱或吸熱反應(yīng)的接觸反應(yīng)表面；(b)與所述氣體感測(cè)器元件相連的可調(diào)整的電源，用于提供對(duì)所述氣體感測(cè)器元件加熱的電功率；(c)與所述氣體感測(cè)器元件和所述電源相連的控制器，用于調(diào)整為所述氣體感測(cè)元件提供的電功率，以維持恒定電阻Rs；和(d)與所述控制器相連的氣體成分分析處理器，用于根據(jù)維持恒定電阻Rs所需的電功率的調(diào)整量，確定所述目標(biāo)氣體種的存在和濃度，其中電功率是在檢測(cè)到所述氣體感測(cè)器元件中的電阻變化時(shí)進(jìn)行調(diào)整的，調(diào)整量ΔW由下式近似地確定(i)---ΔW=mαρ×t×R0·(Rs-R);]]>(ii)---ΔW=mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R];]]>或(iii)---ΔW=mαρ×R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t],]]>其中，m是所述氣體感測(cè)器元件的熱質(zhì)量，αρ是所述氣體感測(cè)器元件的電阻的溫度系數(shù)，R0是所述氣體感測(cè)器元件在基準(zhǔn)溫度下測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電阻，t是介于電阻差值的當(dāng)前檢測(cè)與電功率的上次調(diào)整之間的時(shí)間間隔，R(0)是所述氣體感測(cè)器元件在上次電功率調(diào)整時(shí)測(cè)量的電阻，及fs是預(yù)先確定的用于周期性地執(zhí)行電功率調(diào)整的頻率。
19.用于檢測(cè)目標(biāo)氣體種在易受該目標(biāo)氣體種影響的環(huán)境中的存在的方法，包括以下步驟(a)提供電子氣體感測(cè)器元件，該元件具有在升高的溫度下進(jìn)行所述目標(biāo)氣體種的發(fā)熱或吸熱反應(yīng)的接觸反應(yīng)表面；(b)在不含有目標(biāo)氣體種的惰性環(huán)境下將所述氣體感測(cè)器元件預(yù)熱達(dá)足夠的時(shí)間，以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；(c)確定所述氣體感測(cè)器元件在穩(wěn)定狀態(tài)下的電阻Rs；(d)把所述氣體感測(cè)器元件放置在易受到所述目標(biāo)氣體種的存在影響的環(huán)境中；(e)對(duì)提供給所述氣體感測(cè)器元件的電功率進(jìn)行調(diào)整，以將所述氣體感測(cè)器元件的電阻維持在Rs；和(f)根據(jù)為維持電阻Rs所需的電功率調(diào)整量，確定所述目標(biāo)氣體種在易受所述氣體種影響的環(huán)境中的存在和濃度。
20.用于控制元件的電加熱以維持恒定電阻Rs的方法，包括(a)以足夠?qū)λ鲈M(jìn)行加熱的量來為所述元件提供電功率，并將其電阻增加到Rs，與此同時(shí)監(jiān)控所述元件的實(shí)時(shí)電阻R，以檢測(cè)R與Rs之間的任何差值；(b)在檢測(cè)到R與Rs之間的差值時(shí)，以量ΔW對(duì)提供給所述元件的電功率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量ΔW由下式近似地確定(i)---ΔW=r·mαρ×t×R0·(Rs-R);]]>(ii)---ΔW=r·mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R];]]>或(iii)---ΔW=r·mαρ×R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t],]]>其中，r是范圍在大約0.1到10之間的比例常數(shù)，m是所述元件的熱質(zhì)量，αρ是所述元件的電阻的溫度系數(shù)，R0是所述元件在基準(zhǔn)溫度下測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電阻，t是介于電阻差值的當(dāng)前檢測(cè)與電功率的上次調(diào)整之間的時(shí)間間隔，R(0)是所述元件在上次電功率調(diào)整時(shí)測(cè)量的電阻，及fs是預(yù)先確定的用于周期性地執(zhí)行電功率調(diào)整的頻率。
21.用于控制元件的電加熱并把它維持在恒定電阻Rs的系統(tǒng)，包含(a)與所述元件相連的可調(diào)整的電源，用于提供對(duì)所述元件進(jìn)行加熱的電功率；(b)與所述元件和所述電源相連的控制器，用于監(jiān)控所述元件的實(shí)時(shí)電阻R，并在檢測(cè)到R與Rs的差值時(shí)，作為響應(yīng)，對(duì)提供給所述元件的電功率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量ΔW由下式近似地確定(i)---ΔW=r·mαρ×t×R0·(Rs-R);]]>(ii)---ΔW=r·mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R];]]>或(iii)---ΔW=r·mαρ×R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t],]]>其中，r是范圍在大約0.1到10之間的比例常數(shù)，m是所述元件的熱質(zhì)量，αρ是所述元件的電阻的溫度系數(shù)，R0是所述元件在基準(zhǔn)溫度下測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電阻，t是介于電阻差值的當(dāng)前檢測(cè)與電功率的上次調(diào)整之間的時(shí)間間隔，R(0)是所述元件在上次電功率調(diào)整時(shí)測(cè)量的電阻，及fs是預(yù)先確定的用于周期性地執(zhí)行電功率調(diào)整的頻率。
22.用于檢測(cè)目標(biāo)氣體種的氣體感測(cè)系統(tǒng)，包含(a)電子氣體感測(cè)器元件，該元件具有在升高的溫度下進(jìn)行所述目標(biāo)氣體種的發(fā)熱或吸熱反應(yīng)的接觸反應(yīng)表面；(b)與所述氣體感測(cè)器元件相連的可調(diào)整的電源，用于提供對(duì)所述氣體感測(cè)器元件加熱的電功率；(c)與所述氣體感測(cè)器元件和所述電源相連的控制器，用于調(diào)整為所述氣體感測(cè)元件提供的電功率，以維持恒定電阻Rs；和(d)與所述控制器相連的氣體成分分析處理器，用于根據(jù)維持恒定電阻Rs所需的電功率的調(diào)整量，確定所述目標(biāo)氣體種的存在和濃度，其中電功率是在檢測(cè)到所述氣體感測(cè)器元件中的電阻變化時(shí)進(jìn)行調(diào)整的，調(diào)整量ΔW由下式近似地確定(i)---ΔW=r·mαρ×t×R0·(Rs-R);]]>(ii)---ΔW=r·mαρ×t×R0·[Rs+R(0)-2R];]]>或(iii)---ΔW=r·mαρ×R0·[fs(Rs-R)-R-R(0)t],]]>其中，r是范圍在大約0.1到10之間的比例常數(shù)，m是所述氣體感測(cè)器元件的熱質(zhì)量，αρ是所述元件感測(cè)器元件的電阻的溫度系數(shù)，R0是所述氣體感測(cè)器元件在基準(zhǔn)溫度下測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電阻，t是介于電阻差值的當(dāng)前檢測(cè)與電功率的上次調(diào)整之間的時(shí)間間隔，R是所述氣體感測(cè)器元件在當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量的電阻，R(0)是所述氣體感測(cè)器元件在上次電功率調(diào)整時(shí)測(cè)量的電阻，及fs是預(yù)先確定的用于周期性地執(zhí)行電功率調(diào)整的頻率。
全文摘要
一種系統(tǒng)和方法，用于通過根據(jù)自適應(yīng)反饋控制算法調(diào)整為該元件提供的電功率來控制元件的電加熱，以維持恒定電阻，其中所有的參數(shù)都是(1)任意選定的；(2)由受控元件的物理特性預(yù)先確定的；或(3)在操作過程中實(shí)時(shí)測(cè)量的。與常規(guī)的比例－積分－微分(PID)控制機(jī)制不同，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法在與不同的受控元件并用或在不同的操作條件下使用時(shí)不需要對(duì)比例常數(shù)進(jìn)行重新調(diào)試，并因此是對(duì)受控元件和操作條件具備適應(yīng)性的。
文檔編號(hào)H05B1/02GK1930917SQ200580008125
公開日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2005年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月9日
發(fā)明者陳英欣, 杰弗里·W·諾伊納 申請(qǐng)人:高級(jí)技術(shù)材料公司