Баєв Руслан Миколайович

Факультет: Комп'ютерних інформаційних технологій та автоматики

Кафедра: Електронної техніки

Спеціальність: Наукові, аналітичні та екологічні прилади та системи

Тема випускної роботи: Розробка та дослідження приладу вимірювання та контролю параметрів мікроклімату при виробництві інтегральних мікросхем

Керівник: Зорі Анатолій Анатолійович

Реферат
з теми випускної роботи

РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ПРИЛАДУ ВИМІРЮВАННЯ ТА КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ МІКРОКЛІМАТУ ПРИ ВИРОБНИЦТВІ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ

Актуальність. Одним з основних досягнень мікроелектроніки є створення інтегральних мікросхем. Але, сучасні технології в такій галузі, як виробництво інтегральних мікросхем, не ефективні без підтримки круглий рік певних поєднань таких параметрів мікроклімату як температура і вологість повітря, його рухливості, а також чистоти. До кожного з цих параметрів пред'являються свої вимоги [1].

Коливання температури викликає зміни розмірів надтонких плівок, а вологе середовище небажане при проведенні практично всіх технологічних операцій. Абсорбуючись на різних поверхнях, волога і розчинені в ній речовини приводять до утворення небажаних оксидів. При термічних обробках на таких поверхнях можуть утворитися нерівності (ерозія), що приводять до погіршення параметрів ІМС.

Тому вимірювання і контроль параметрів мікроклімату при виробництві інтегральних мікросхем зараз актуальна як ніколи, і ця актуальність в майбутньому, мабуть, буде тільки рости, оскільки відбуватиметься значне зменшення розмірів елементів ІМС і компонентів, що у свою чергу приведе до посилювання вимог до параметрів мікроклімату.

Постановка завдання і мета роботи. Мета роботи полягає в тому, щоб розробити і дослідити прилад вимірювання і контролю параметрів мікроклімату при виробництві інтегральних мікросхем. Для досягнення поставленої мети визначаються наступні завдання:

– обґрунтування вибору датчиків;

– постановка вимог до приладу;

– обґрунтування і розробка структури приладу;

– дослідження метрологічних характеристик.

Наукова новизна. Виконано інформаційний пошук приладів аналогічного призначення і встановлено, що вони володіють поряд недоліків і не відповідають сучасним вимогам. [2,3] Основними недоліками приладів для об'єкту виробництва мікросхем є неможливість контролю температури і вологості одночасно, не достатня точність вимірювання температури і вологості. Розробка такого приладу дозволить контролювати температуру і вологість повітря одночасно, із заданою точністю. Запропонований метод заснований на контактному методі вимірювання температури і вологості. Для досягнення необхідної точності планується розробка нової структурної схеми та використання високоточних датчиків.

Плановані практичні результати. Результатом написання магістерської роботи є дослідження метрологічних характеристик вимірювальних каналів температури і вологості, а також математичний опис процесу вимірювання температури і вологості.

Огляд дослідження та розробок по темі. Аналіз розробок з цієї теми дозволив зробити висновок, що для контролю температури або вологості існують різні прилади і системи, які розробляються і виготовляються не тільки закордонними, а й українськими підприємствами і компаніями.

Огляд приладів, що виготовляються українськими підприємствами і компаніями показує, що ефективність цих розробок дуже велика. Узяти, наприклад, українську фірму «ЕРГОС» (м. Харків, Україна), яка заснована в 1992 р. і основним напрямом діяльності якої було розробка систем автоматичного регулювання, а саме - прилади теплового контролю і регулювання. Фірма «ЕРГОС» продовжує свої розробки і дослідження і зараз, продукція фірми - це вже прецизійні вимірювальні і регулюючі прилади для теплового і вакуумного контролю. Що говорить, про ефективність розвитку представленої фірми. [4]

Не можливо не згадати, таку українську компанію, як «Raut-automatic» (м. Київ, Україна), яка заснована в 2000 р. і напрям діяльності, якою було виробництво контролерів і щитів управління, виконання проектних, монтажних і пусконалагоджувальних робіт. Висока популярність компанії, обумовлена таким параметром, як співвідношення якості і ціни продукції. У 2002 р. компанія випускає перший спеціалізований контролер для систем вентиляції АЕРОКЛИМ 3., який був узятий для аналізу як прибора-прототипа. Основою вибору приладу-прототипу послужила його функціональність і узгодженість з об'єктом. [5]

Що ж до російських підприємств в області вимірювання температури або вологості, то особливу увагу слід звернути на компанію «Овен» (м. Москва, Росія), яка заснована в 1991 р. і в даний час займається розробкою і виготовленням вимірювальних приладів, датчиків і регуляторів. Продукція даної компанії має широкий попит на всій території Росії і України, що обумовлене високою точністю і надійністю вимірювальних приладів, що розробляються. [6] Слід зазначити, також таку компанію як ГК «Промпрібор» (м. Москва, Росія), яка займається виробництвом і постачанням контрольно-вимірювальних приладів і автоматики, апаратури регулювання, систем і устаткування для управління технологічними процесами. [7]

Одному з провідних американських підприємств по розробці і виготовленню приладів є підприємство «OMEGA»(Канада), яка займається виробництвом приладів для вимірювання і контролю температури, вологості, тиску, деформації, сили, витрати, рівня, Pн і провідність. [8]

У Донецькому національному технічному університеті ще не проводилися розробки на дану тематику, що говорить про новизну даної роботи.

Основна частина. У виробництві інтегральних схем методом фотодруку в чистих приміщеннях, коливання температури і вологості викликають зміни розмірів надтонких плівок, на які наноситься інтегральна схема, що неприпустимо, тому згідно нормам, прилад повинен задовольняти наступним вимогам: діапазон вимірюваних і контрольованих температур від 0°С до 45 °С; похибка вимірювального каналу температури в інтервалі від 20°С до 24°С повинна складати не більш 0,1°С; діапазон вимірюваної і контрольованої вологості від 0% до 100%; похибка вимірювального каналу вологості повинна складати не більше 2% в діапазоні 20- 60%.[9]

Методи вимірювання температури підрозділяються на контактні і безконтактні. Контактні методи засновані на введенні у вимірюване середовище вимірювального зонда, що містить відповідний термометричний елемент. При цьому за температуру середовища приймають температуру вимірювального зонда. Безконтактні методи засновані на вимірюванні термометричних властивостей самого середовища.

Широке застосування знайшли контактні вимірники температури[10,12]:

– термометри скляні рідинні;

– термометри манометричні;

– біметалічні термометри;

– мідні і платинові термометри опору;

– напівпровідникові термометри опору;

– термопари;

– цифрові і аналогові термодатчики;

– датчик температури на основі кварцових пластин;

– термометри місткостей;

В даний час знайшли застосування наступні безконтактні вимірники температури [11,12]:

– оптичні пірометри;

– фотоелектричні пірометри;

– колірні пірометри;

– радіаційні пірометри;

– пірометри спектрального відношення;

– пірометри повного відношення;

– тепловизоры.

Застосування безконтактного методу вимірювання для заданого об'єкту недоцільно, оскільки діапазон вимірюваних температур пірометрів не відповідає діапазону контрольованих температур об'єкту.

В даний час немає універсального методу вимірювання вологості газів. Відомі і знайшли застосування численні (декілька десятків) методи, засновані на різних принципах.

З аналізу методів вимірювання температури і вологості встановлено, що для даного об'єкту доцільно використовувати наступні типи датчиків: термометри опору платинові (ТСП 1000П); ємнісні датчики вологості, на основі полімерного діелектрика (Honeywell – HIH-3602-С).[11,12,13,14]

Термометр опору платиновий ТСП 1000П застосовується для контактного методу вимірювання температури.

Термометр опору платиновий ТСП 1000П застосовується в рідких і газоподібних середовищах в промислових умовах; у середовищах, що знаходяться під високим тиском; у процесах що протікають із значною швидкістю в рідинах; у газоподібних потоках повітря, азоту і  кисню при швидкості до 5 м\с і в багатьох інших областях. Діапазон вимірюваних температур даного термометра складає  від –50 до 200 °С. Похибка вимірювання по температурі може бути досягнута 0.001 °С. Температурний коефіцієнт термометра складає 0,00385 1/°С. Номінальний опір при 0 °С складає 1000 Ом.

Температурна залежність опору платини в діапазоні від 0 ºС до 200°С описується рівнянням Каллендара:

Rt = R0(1 + At + Bt ).

Температурна залежність опору платини в діапазоні від –50 °С до 0 ºС описується наступним рівнянням:

Rt = R0[1 + At + Bt  + C(t – 100 °C) t ].

де  Rt – опір терморезистора, при температурі t, °С;

R0 – номінальний опір терморезистора, при температурі 0 °С.

A = 3,9083 · 10  °C^–1 ; B = -5,775 · 10  °C^–2 ; C = -4,183 · 10  °C^–4 .

Переваги:

– висока точність вимірювань;

– практично лінійна характеристика;

– дуже широка область застосування.

Недоліки:

– Низький діапазон вимірювань (в порівнянні з термопарами);

– досить висока забруднення платини при високих температурах парами металів (особливо залоза);

Конструкція ТСП 1000П приведена на рисунку 1 [12]. У даній конструкції для захисту від впливу зовнішніх механічних дій чутливий елемент 1 поміщений в захисну арматуру 2 (зазвичай з неіржавіючої сталі). Для кріплення датчика на об'єкті дослідження передбачений рухомий штуцер 3. Виводи чутливого елементу винесені на контактну колодку головки датчика 4.

Рисунок 1 – Конструкція термометра ТСП 1000П

Ємнісний датчик вологості HIH-3602-С, на основі полімерного діелектрика – призначений для вимірювання відносної вологості повітря [14].

Чутливий елемент, представлений на рисунку 2, є багатошаровою структурою. На кремнієвій підкладці 1 напилена платинова плівка 2, яка утворює перший електрод конденсатора. Діелектриком між обкладаннями служить термореактивный полімер 3, поверх якого виконано друге обкладання конденсатора – платинова плівка з перфорацією 4, що дозволяє волозі проникати до абсорбуючого шару 3 і змінювати його відносну діелектричну проникність Y, а відповідно – і ємність С конденсатора. Верхнім шаром є плівка термореактивного полімеру 5, яка служить захистом від пилу і грязі. Також ця конструкція робить можливою промивку датчиків, для цієї мети рекомендується використовувати изопропиловый спирт.

Рисунок 2 – Структура чутливого елементу

В процесі роботи водяна пара проникає через верхнє пористе обкладання конденсатора (див. рис. 2) і врівноважується з навколишнім газом. Одночасно це обкладання захищає електричні процеси, що протікають в полімерному шарі, від зовнішніх фізичних дій (світла і електромагнітного випромінювання). Шар полімеру, що покриває пористий платиновий електрод зверху, служить захистом конденсатора від пилу, грязі і масел. Така могутня система фільтрації, з одного боку, забезпечує датчику тривалу безперебійну роботу в умовах сильної забрудненості навколишнього середовища, з іншої – знижує час відгуку.

Вихідний сигнал датчика абсорбції вологості є функцією від температури і вологості, тому для отримання високої точності вимірювання в широкому діапазоні робочих температур потрібна температурна компенсація характеристики перетворення. Компенсація особливо необхідна, коли датчик використовується в індустріальному устаткуванні для вимірювання вологості і точки роси. Саме для цих цілей датчик Honeywell має вбудований платиновий терморезистор опором 1000 Ом, який розташований із зворотного боку підкладки.

Датчик вологості HIH-3602-С — це інтегрований прилад. Крім чутливого елементу і термосенсора, на тій же підкладці розташована схема обробки сигналу, яка забезпечує перетворення сигналу, його посилення і лінеаризацію. Вихідний сигнал датчика Honeywell є функцією від напруги живлення, навколишньої температури і вологості. Чим вище напруга живлення, тим більше розмах вихідного сигналу і, відповідно, чутливість. Зв'язок же між зміряною датчиком вологістю, дійсною вологістю і температурою показана на рисунку 3 [14].

Рисунок 3 – Залежність між зміряною датчиком вологістю, дійсною вологістю і температурою

Вона легко апроксимується за допомогою комбінації двох виразів. Пряма якнайкращої відповідності при 25 °C, описується виразом:

Uвих = Uпит(0,0062 (%RH25) + 0,16).

З цього рівняння визначається відсоток  при температурі 25 °C.

Далі проводиться температурна корекція і обчислюється дійсне значення RH:

RHистинная = (%RH25)(1,0546 - 0,00216T).

где T – температура, °C.

Вирази вище відповідають характеристиці датчика з наступними відхиленнями:

±1,0 % – при Т > 20 ºC,

±2,0 % – при 10 ºC <Т < 20 ºC,

±5,0 % – при Т < 10 ºC.

Характеристика перетворення датчика при різних температурах представлена на рисунку 4

Рисунок 4 –  Характеристики перетворення датчика вологості Honeywell при різних температурах

Зовнішній вигляд датчика вологості представлений на рисунку 5

Рисунок 5 – Фотографія зовнішнього вигляду датчика вологості

Оскільки в діапазоні температур від 20 ºС до 24 ºС, при постійній вологості, вихідна напруга датчика практично не змінюється і похибка є допустимою, то для даного об'єкту можна використовувати датчик ємності без термокомпенсації.

Для створення потрібного мікроклімату в чистих приміщеннях при виробництві інтегральних мікросхем необхідна автоматична підтримка температури і відносної вологості. Тому для досягнення цієї мети необхідно поставити додаткові конкретні вимоги до приладу:

– наявність клавіатури, пристрої відображення, живлення приладу від мережі;

– включення/виключення вентилятора приточування з меню приладу і зовнішніми кнопками, а циркуляційного насоса з меню приладу;

– технологічна і аварійна сигналізація.

– управління виконавчими механізмами: клапаном на теплоносії, на холодоносії, на паровому зволожувачі , заслінкою зовнішнього повітря.

– автоматичне або ручне перемикання режимів «Зима-Літо».

На підставі даних вимог запропонована структурна схема приладу, яка представлена на рисунку 6.

Рисунок 6 – Структурна схема приладу вимірювання і контролю параметрів мікроклімату

Функціональна схема використання приладу, що розробляється  представлена на рисунку 7

Рисунок 7 – Функціональна схема використання приладу (7 кадрів, затримка між кадрами - 2с)

Мікроконтролер є «ядром» даного приладу, призначений для перетворення, збереження, обробки сигналів. Введення даних здійснюється оператором за допомогою кнопкової клавіатури. Відображення всіх вимірюваних величин і стан системи здійснюється за допомогою пристрою відображення, а саме рідкокристалічного індикатора. Для захисту устаткування приточно-витяжної системи і оповіщення оператора, у разі будь-якої аварії застосовується блок передпускової і аварійної сигналізації.

Датчик температури приточного повітря, підключений до клем 9,10, перетворює температуру в електричний опір. Цей сигнал поступає на вимірювальний міст (ВМ3). Для посилення диференціального сигналу що поступає з ВМ3, використовують вимірювальний підсилювач (ВП3). Після посилення диференціального сигналу, він поступає на нормуючий перетворювач (НП3), призначений для перетворення сигналу в уніфікований сигнал (0-5) В.. Нормований сигнал поступає на мікроконтролер. Далі сигнал поступає на цифровий демультиплексор (ЦДМ), призначений для перемикання каналів залежно від сигналу управління (СУ2), а потім на цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП2). Для перетворення сигналу в уніфікований сигнал (0-10) В використовують нормуючий перетворювач (НП8). Після чого сигнал поступає на блок формування законів регулювання (БФЗР2), а потім на виконавчий механізм. Принцип роботи інших вимірювальних каналів аналогічний принципу роботи каналу вимірювання температури приточного повітря .

Для приладу, що розробляється, поставлені вимоги до структурних блоків:

Таблиця 1 – Вимога до структурних блоків

Розрахунок похибки каналу температури:

Розрахунок похибки каналу температури:

Отримані сумарні похибки повністю задовольняють технічним вимогам.

Висновки. Запропонований прилад може бути використаний для контролю температури і вологості в приміщеннях при виробництві інтегральних мікросхем, із заданою точністю. У приладі запропоновані контактні методи вимірювання температури і вологості. Як первинні вимірювальні перетворювачі доцільно використовуються: термометри опору платинові, ємнісні датчики вологості, на основі полімерного діелектрика, які мають необхідні показники точності. На підставі поставлених конкретних вимог до приладу була розроблена і обґрунтована структурна схема приладу. Ядром приладу є мікроконтролер, на який покладена більшість функцій управління.

Важливе зауваження.

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Список літератури:

1. Технологические требования к параметрам микроклимата. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_best_article_issue_2_2008.htm Дата обращения: 17.03.2011.

2. Микропроцессорные средства и программные продукты в области автоматизации и управления. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.raut-automatic.kiev.ua/kontroll/engine.html Дата обращения: 19.03.2011.

3. Контрольно-измерительные приборы. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.owen.ru/ Дата обращения: 19.03.2011.

4. Фирма «ЭРГОС». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ergos.com.ua/ Дата обращения: 20.04.2011.

5. Компания «Raut-automatic». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.raut-automatic.kiev.ua/kontroll/engine/engine-ventilation.html Дата обращения: 20.04.2011.

6. Компания «Овен». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.owen.ru/ Дата обращения: 20.04.2011.

7. Предприятие «OMEGA». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://teplokip.narod.ru/ Дата обращения: 20.04.2011.

8. Компания «Овен». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.omega.com/ Дата обращения: 20.04.2011.

9. Гибридно-пленочные интегральные микросхемы. Чистые помещения. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.tech-e.ru/2007_1_72.php Дата обращения: 17.03.2011.

10. Измерение температуры при модернизации систем охлаждения ПК. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.electrosad.ru/Electronics/term.htm Дата обращения: 20.03.2011.

11. Геращенко О.А. Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство./О.А. Геращенко – Киев: Наукова думка, 1965.- 304 с.

12. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. Учебное пособие./В.П. Преображенский – М.: Энергия, 1978. – 704 с.

13. Берлинер М.А.Измерение влажности. Изд. 2-е./М.А. Берлинер – М.:Энергия, 1973.- 400 с.

14. Датчики влажности компании Honeywell. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/sensor/water_sensor.htm Дата обращения: 20.03.2011.