摘 要

本论文以193nmArF光源准分子激光器为研究对象，设计出了一套温度控制方案，其以MC9S12XS128单片机为控制器通过控制比例阀的开度来控制进入激光器腔体的工艺冷却水（PCW）的流量来调节腔体的温度到给定值。本控制方案使用的串级PID控制，将流量作为副控制量在副控制回路予以控制以抑制二次干扰项供水压力变化导致的流量波动，充分利用串级控制中副回路流量控制的快速性和主回路温度控制的准确性，提高了控制系统的静态性能和动态性能。本论文推导了串级控制系统的传递函数模型，证明了只要控制器元器件结构参数（即PID控制中的K_p、K_i、K_d）选择合理，即可保证腔体温度稳定在给定值附近并有足够的精度。基于上述控制方案和硬件电路采用模块化程序设计的方法进行了系统软件设计。

最后，使用MATLAB软件中的Simulink模块对串级控制结构、考虑供水压力变化干扰、考虑供水压力变化和环境温度变化干扰三种情况分别进行仿真。

仿真结果表明：该控制方案可以实现温控精度±0.2℃的需求。

关键词：准分子激光器；温度控制；PID控制

Abstract

Based on 193nm ArF excimer laser,this paper designs a temperature control scheme.The MC9S12XS128 single-chip microcomputer is used as the controller to control the flow of the process cooling water (PCW) into the laser cavity by controlling the opening degree of the proportional valve to adjust the temperature of the chamber to a given value. In this control scheme, the cascade PID control is used to control the flow rate as the auxiliary control amount in the sub-control circuit to suppress the fluctuation of the flow rate caused by the change of the water supply pressure of the secondary disturbance item, and make full use of the rapidity of the secondary circuit flow control and the accuracy of the main circuit temperature control to improve the static and dynamic performance of the control system.In this paper, the transfer function model of cascade control system is deduced. It is proved that as long as the structural parameters of the controller components (Kp, Ki, Kd in PID control) are reasonable, the temperature of the cavity can be stabilized near the given value and have enough precision.Based on the above control scheme and the hardware circuit,this paper designs system software using modular programming method.

Finally,the Simulink software is used to simulate the cascade control structure,considering the interference of water supply pressure change, considering the change of water supply pressure and the change of ambient temperature.

The Simulink results show that the control scheme can meet the requirement of temperature control accuracy of ± 0.2 ℃.

Key Words: Excimer laser;Temperature control;PID control

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 课题的来源及意义 1

1.1.1 课题来源 1

1.1.2 课题的研究目的及意义 1

1.2 ArF光源准分子激光器简介 1

1.2.1 准分子激光的形成原理 1

1.2.2 准分子激光器的结构布局 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 温度控制算法现状 2

1.3.2 温度控制系统现状 3

1.4 课题研究的主要内容 4

第2章 温度控制方案设计 5

2.1 热平衡模型建立 5

2.2 控制系统的形式 6

2.2.1 开环控制系统 6

2.2.2 闭环控制系统 6

2.3 主要元器件选型 7

2.4 温度控制系统总体方案 8

2.4.1 方案一 8

2.4.2 方案二 9

2.4.3 两种控制方案的比较 10

第3章 温度控制系统建模 11

3.1 控制系统结构 11

3.1.1 串级结构 11

3.1.2 控制系统的传递函数 12

3.2 主、副控制器设计 15

3.2.1 模拟PID控制 15

3.2.2 数字PID控制 16

3.3 腔体内气体温度关于PCW流量的传递函数 17

3.3.1 腔体热交换模型 17

3.3.2 稳态方程 18

3.3.3 传递函数 18

第4章 温度控制系统硬件简介及软件设计 20

4.1 温度控制系统硬件简介 20

4.2 温度控制系统软件设计 21

4.2.1 主程序设计 22

4.2.2 温度插值程序设计 22

4.2.3 流量转换程序设计 24

4.2.4 滤波程序设计 25

4.2.5 PWM波程序设计 27

4.2.6 485通讯中断程序设计 28

4.2.7 控制器程序设计 30

4.3 系统软件测试 31

第5章 控制算法仿真 32

5.1 内环流量控制仿真 32

5.1.1 比例阀传递函数模型 32

5.1.2 比例阀传递函数辨识 32

5.1.3 PID控制参数整定 33

5.1.4 流量控制测试 34

5.2 外环温度控制仿真 35

5.2.1 串级控制结构仿真 35

5.2.2 考虑供水压力变化干扰的仿真 37

5.2.3 考虑供水压力和环境温度变化干扰的仿真 38

第6章 总结与展望 39

6.1 全文总结 39

6.2 研究展望 39

参考文献 40

附 录 41

致 谢 53

绪论

课题的来源及意义

课题来源

本课题来源于国家科技重大专项极大规模集成电路制造装备及成套工艺子课题“放电动力学特性与光路净化保护研究”（编号：2013ZX02202-007）。

课题的研究目的及意义

准分子激光器产生的激光在紫外波段，其具有高频率、短波长、大能量、窄线宽、低束散角、高脉冲能量等优点，因此在各行各业中都有广泛的应用。在半导体光刻中，准分子激光是实现超精细加工最好的工具；在生物医学应用中，准分子激光在特殊病例如血栓消除和心血管成形术以及视力矫正和角膜切开手术中都得到了临床验证；在环境污染检测中，准分子激光雷达系统可以检测大气中的二氧化硫、气溶胶等污染物的含量；在譬如微切割、微焊接、微孔加工和微雕刻等微加工中，准分子激光的应用可以有效避免以CO₂或YAG为主角的传统加工方法带来的痕迹遗留和局部烧蚀弊病^[1]。

所有的这些应用都有赖于激光能量稳定性和激光器的工作效率，而这两大性能的优劣与放电腔体内气体温度变化密切相关。因此，保持准分子激光器放电腔体温度的稳定十分重要。