گزینه‌های چند{0}}کنترل دمای منطقه در یک صفحه گرمایش منفرد چیست؟

یک صفحه بزرگ با تنها یک منطقه گرمایش اغلب محیط سردتری دارد زیرا تلفات لبه بیشتر است. کنترل چند ناحیه ای به صفحه اجازه می دهد تا به مناطقی تقسیم شود که به صورت جداگانه تنظیم می شوند و به نواحی لبه اجازه می دهد کمی داغتر شوند تا جبران شود یا مناطق جدا شوند تا نقاط تنظیم متفاوتی را برای فرآیندهای پیچیده نگه دارند. سیستم‌های چند ناحیه‌ای یکنواختی و انعطاف‌پذیری فرآیند را در کاربردهای گرمایش دقیق مانند تولید ویفر نیمه‌رسانا، لایه‌گذاری، شکل‌دهی خلاء، یا صفحات داغ آزمایشگاهی ارائه می‌دهند که یک سیستم منطقه‌ای واحد نمی‌تواند ارائه دهد.

تولید صفحه داغ چند منطقه ای
صفحه داغ چند منطقه ای شامل تعدادی مدار گرمایش مستقل است که در بدنه صفحه تعبیه شده است. هر مدار غالباً یک عنصر گرمایش مقاومتی (فیل حکاکی شده، سیم یا رد فیلم ضخیم چاپ شده{{2}) در یک طرح بندی خاص است. هر منطقه دارای سنسور دمای مخصوص خود است (معمولا یک ترموکوپل یا آشکارساز دمای مقاومتی (RTD)) و توسط یک حلقه بازخورد اختصاصی کنترل می شود. زون ها از یکدیگر عایق الکتریکی هستند اما دارای یک ماده صفحه رسانای حرارتی مشترک (آلومینیوم، مس یا فولاد ضد زنگ) هستند.

جایی که عناصر گرمایشی قرار دارند، مرزهای مناطق را تعیین می کند. ضخامت هر ناحیه باید 2 تا 3 برابر ضخامت صفحه باشد تا سطح معقولی از استقلال داشته باشد. این اکتشافی مکالمه متقاطع حرارتی بین مناطق مجاور را کاهش می دهد. هرچه صفحات نازک تر یا مناطق کوچکتر باشند، تعامل بیشتری ایجاد می شود و کنترل مستقل دشوارتر است.

رویکردهای منطقه بندی معمولی
سه طرح منطقه بندی اصلی در صفحات داغ صنعتی و آزمایشگاهی استفاده می شود. انتخاب توسط خواسته های رویه دیکته می شود.

تقویت منطقه پیرامونی (تقویت لبه)
گرمای از دست رفته از محیط یک صفحه بسیار بیشتر از مرکز آن است، زیرا محیط، سطح بزرگتری را برای هوای خنک‌تر اطراف آن ارائه می‌کند. بنابراین یک صفحه تک منطقه ای در حاشیه کاهش دما دارد. در طراحی چند ناحیه ای، ناحیه بیرونی (یا یک حلقه لبه خاص) با قدرت بیشتری هدایت می شود یا روی دمای بالاتری نسبت به مناطق داخلی تنظیم می شود. این باعث تلفات لبه می شود و یک میدان دمایی همگن در سطح کامل صفحه ایجاد می کند.

یک پیکربندی محبوب یک صفحه دایره ای 3 ناحیه ای، یک ناحیه دایره ای داخلی، یک ناحیه حلقوی میانی و یک ناحیه حلقوی بیرونی است. بسته به اندازه صفحه و شرایط محیطی، منطقه بیرونی 5 تا 15 درجه گرمتر از نقطه تنظیم در وسط است. در مورد صفحات مستطیلی، ناحیه محیطی، مرکز را احاطه کرده است.

مدیریت گرادیان
برای برخی از عملیات یک گرادیان درجه حرارت هدفمند در سراسر صفحه مورد نیاز است. چنین مواردی شامل پروفیل های پخت است که در آن یک ماده باید به روشی پیش رونده، از یک طرف به سمت دیگر گرم شود، یا آزمایش حرارتی اجزاء تحت یک سطح شیب دار دمایی تنظیم شده در سراسر بخش. گرادیان با تنظیم دمای مناطق مجاور به مقادیر مختلف کنترل می شود. تعداد زون ها ظرافت شیب را مشخص می کند.

صفحه خطی چهار منطقه را می توان بر این اساس روی 50 درجه، 70 درجه، 90 درجه و 110 درجه تنظیم کرد (منطقه 1 به یک طرف، منطقه 4 به انتهای دیگر). ماده صفحه گرما را هدایت می کند اما حلقه کنترل فردی در هر منطقه نقطه تنظیم محلی را با وجود جریان گرما از مناطق مجاور حفظ می کند. تنظیم کنترلر به تداخل حرارتی می پردازد. کاربردهای گرادیان معمولاً سودهای متناسب بیشتری را طلب می کنند.

مناطق برای قطعات خاص
در پردازش خودکار، تنها بخش هایی از صفحه که قطعه کار وجود دارد ممکن است گرم شود. به عنوان مثال یک صفحه بزرگ با چندین بخش کوچک می تواند مناطق جداگانه ای برای قرار دادن هر قطعه داشته باشد. بخش های زیر یک قطعه برای صرفه جویی در انرژی و جلوگیری از گرم شدن بیش از حد قطعات خالی روشن می شوند. این رویکرد مشابه در تجهیزات مهر و موم حرارتی یا باندینگ استفاده می شود، جایی که فقط ناحیه ای که با قطعه تماس دارد باید گرم شود.

سنجش حضور قطعه (مثلاً حسگرهای نوری یا مکانیکی) و مکانیزم کنترلی برای فعال یا غیرفعال کردن قسمت‌های{2}}خاص مورد نیاز است. صفحه گرمایش باید دارای یک تقسیم منطقه به اندازه کافی خوب باشد که با چیدمان مورد مطابقت داشته باشد.

مشخصات سیستم کنترل صفحات چند منطقه ای
هر منطقه به سنسور دما و حلقه کنترل جداگانه نیاز دارد. دو نوع برای سیستم کنترل وجود دارد:

کنترل‌کننده PID چند کاناله - یک ابزار تکی که چندین ورودی ترموکوپل یا RTD را می‌گیرد و خروجی‌های کنترلی متعددی (معمولاً رله‌های حالت جامد یا تریستور) ارائه می‌کند. هر کانال به طور مستقل با پارامترهای PID خود کار می کند. این کنترلرها در نسخه های 2، 4، 8 یا 16 منطقه ای موجود هستند.

PLC با I/O آنالوگ - یک کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) دارای ماژول‌های ورودی دما و ماژول‌های خروجی متعددی است که حلقه‌های PID مستقل را در نرم‌افزار اجرا می‌کنند. این راه حل برای بخش{2}}حسگرهای حضور، ثبت داده ها و رابط با سیستم های سطح بالاتر انعطاف پذیرتر است.

تنظیم چند ناحیه ای به دلیل تداخل حرارتی، دشواری بیشتری نسبت به یک منطقه دارد. تغییر برق در یک منطقه، مناطق مجاور را مختل می کند. کنترل‌کننده‌های PID مدرن دارای عملکردهای تنظیم خودکار هستند که می‌توانند با تداخل‌های جزئی مقابله کنند، اما اتصال قوی ممکن است به تکنیک‌های جداسازی یا کنترل مبتنی بر مدل نیاز داشته باشد.

توضیح نمودار صفحه مستطیلی 3 ناحیه ای
در زیر یک صفحه گرمایش مستطیلی چند ناحیه‌ای معمولی برای جبران لبه وجود دارد (بدون تصویر، اما ترتیب متنی ارائه شده است):

ابعاد کلی صفحه: 600 میلی متر × 400 میلی متر × 20 میلی متر (آلومینیوم)

منطقه 1 (مرکز): یک منطقه مستطیلی به ابعاد 300 میلی متر × 200 میلی متر در مرکز. این ناحیه به طور یکنواخت توسط الگوی بخاری پوشانده شده است.

منطقه 2 (وسط): یک مستطیل حلقوی به عرض 50 میلی متر در هر چهار گوشه منطقه 1. الگوی بخاری یک حلقه متفاوت است.

منطقه 3 (لبه): بیرونی ترین محیط 50 میلی متر. الگوی بخاری متمرکز در لبه ها.

یک ترموکوپل در مرکز هندسی هر ناحیه کاشته می شود. هر یک از سه منطقه به طور مستقل توسط یک کنترل کننده PID 3 کاناله کنترل می شود. منطقه 3 بالاتر از هدف، 10 درجه، منطقه 2 بالاتر از هدف 3 درجه، و منطقه 1 در هدف، برای دمای صفحه ثابت تنظیم شده است. دمای سطح واقعی اندازه گیری شده با دوربین مادون قرمز یک ± درجه همگنی را در صفحه نشان می دهد.

مسائل طراحی و تداخل حرارتی
عایق حرارتی بین مناطق هرگز کامل نیست. گرما همیشه از منطقه گرمتر به منطقه خنک تر مجاور آن جریان دارد. این تضاد نشان می دهد که تغییر نقطه تنظیم در یک منطقه، دمای همسایگان آن را تغییر می دهد. با این حال، استقلال کافی با پهنای ناحیه مناسب ($\\geq 2-3$ $\\times$ ضخامت صفحه) و تنظیم دقیق PID به دست می آید.

اگر مناطق خیلی باریک یا صفحه خیلی نازک باشند، سیستم بیشتر شبیه یک منطقه منفرد با گرمکن‌های متعدد عمل می‌کند-که هدف کنترل چند ناحیه‌ای را شکست می‌دهد. بنابراین، طراحی صفحه گرمایش چند ناحیه ای باید بر اساس تجزیه و تحلیل المان محدود یا آزمایش تجربی برای شناسایی حداقل عرض ناحیه برای عملکرد مورد نیاز باشد.

دیگری توزیع چگالی وات بخاری است. مناطق لبه ممکن است به چگالی وات بیشتری (W/cm 2) نیاز داشته باشند تا توان اضافی مورد نیاز برای تنظیم لبه را فراهم کنند. نسبت توان بین نواحی لبه و مرکز معمولاً در محدوده 1.5:1 تا 3:1 است که بستگی به اندازه صفحه و عایق روی لبه دارد.

مزایا و معایب چند-مزایای کنترل منطقه:

یکنواختی دما بهتر (جبران لبه)

توانایی ایجاد شیب های دمایی به خوبی تعریف شده-

بخش{0}}برنامه‌های خاص غیرفعال‌سازی منطقه برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی

اگر فقط بخشی از صفحه نیاز به تغییر دما داشته باشد، پاسخ حرارتی سریع‌تر می‌دهد

محدودیت ها:

گران تر (بسیاری از سنسورها، بخاری ها و کانال های کنترل)

راه اندازی و تنظیم پیچیده تر

تداخل حرارتی استقلال نظری را محدود می کند

حداقل اندازه صفحه برای چندین منطقه افزایش یافته است

نتیجه گیری
کنترل دمای چند ناحیه ای برای بهبود یکنواختی و انعطاف پذیری در صفحات گرمایشی با فرمت بزرگ. سه روش اصلی برای منطقه‌بندی عبارتند از تقویت ناحیه محیطی برای جبران لبه، کنترل گرادیان برای پروفایل‌های دمایی عمدی و بخش{1}}مناطق خاص برای پردازش کارآمد انرژی. هر ناحیه توسط حسگر و حلقه کنترل خود کنترل می‌شود، که معمولاً توسط کنترل‌کننده‌های PID چند کاناله یا PLC اجرا می‌شود. تداخل حرارتی بین مناطق اجتناب ناپذیر است، اما می توان با استفاده از پهنای ناحیه حداقل 2-3 برابر ضخامت صفحه و با تنظیم دقیق کنترلر، آن را کاهش داد. کنترل پیشرفته یک عامل حیاتی برای دقت فرآیند در کاربردها از ساخت نیمه هادی تا لمینیت صنعتی است. راه حل انتخابی برای فرآیندهایی که نیاز به همگنی 1± درجه یا گرادیان های دمایی قابل برنامه ریزی دارند، صفحه گرمایش چند ناحیه ای است که به درستی ساخته شده است.