熱陣列系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種熱陣列系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括連接在第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間的第一熱元件和第二熱元件。第一熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第一極性激活，而第二熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第一極性停用。而且，第一熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第二極性停用，而第二熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第二極性激活。
【專利說明】熱陣列系統(tǒng)
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001]本申請(qǐng)要求2011年8月30日提交的序列號(hào)為61/528，939和2012年4月19日提交的序列號(hào)為61/635，310的臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容以引用方式并入本文。本申請(qǐng)還涉及與本申請(qǐng)同時(shí)提交且共同轉(zhuǎn)讓的名稱為“高清晰度加熱器和操作方法(HighDefinition Heater and Method of Operation) ”、“加熱器的高清晰度并行控制系統(tǒng)(HighDefinition Parallel Control Systems for Heaters)，，、“熱陣列系統(tǒng)(Thermal ArraySystem) ”、“熱陣列系統(tǒng)(Thermal Array System) ”、“控制熱陣列的系統(tǒng)和方法(Systemand Method for Controlling A Thermal Array) ” 和“控制熱陣列的系統(tǒng)和方法(Systemand Method for Controlling A Thermal Array) ”的共同待決申請(qǐng),其全部內(nèi)容以引用方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0002]本申請(qǐng)大體涉及熱陣列系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

為了克服相關(guān)技術(shù)的缺點(diǎn)和其他限制，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N熱陣列系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括連接在第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間的第一熱元件和第二熱元件。第一熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第一極性激活，而第二熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第一極性停用。而且，第一熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第二極性停用，而第二熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第二極性激活。
[0003]在參照附屬于本說明書并且構(gòu)成其一部分的附圖和權(quán)利要求閱讀以下說明后，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，本申請(qǐng)的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]圖1a是根據(jù)本發(fā)明的一種形式的原理構(gòu)造出的具有調(diào)諧層的加熱器的局部側(cè)視圖；
[0005]圖1b是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的具有調(diào)諧層或調(diào)諧器的另一種形式的加熱器的分解側(cè)視圖；
[0006]圖1c是一種加熱器的透視分解圖，繪示了根據(jù)本發(fā)明的原理，基底加熱器的示例性四個(gè)(4)區(qū)域和調(diào)諧加熱器的十八個(gè)(18)區(qū)域；
[0007]圖1d是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的具有補(bǔ)充調(diào)諧層的另一種形式的高清晰度加熱器系統(tǒng)的側(cè)視圖；
[0008]圖2是雙向熱陣列的示意圖；
[0009]圖3a是多并聯(lián)的熱陣列的示意圖；
[0010]圖3b是多并聯(lián)且雙向熱陣列的示意圖；
[0011]圖4是多并聯(lián)的且向熱陣列的另一個(gè)示意圖；[0012]圖5是具有可尋址開關(guān)的熱陣列的示意圖；
[0013]圖6A是繪示一種控制熱陣列的方法的流程圖；
[0014]圖6B是繪示6A的控制方法的時(shí)序圖；
[0015]圖7A是繪示熱陣列的另一種控制方法的流程圖；
[0016]圖7B是所述方法的一個(gè)例子所用的四節(jié)點(diǎn)拓?fù)洌?br> [0017]圖8是繪示一種用于測(cè)量熱陣列的節(jié)點(diǎn)的電氣特性的方法的流程圖；
[0018]圖9a是繪示一種用于校準(zhǔn)熱陣列的方法的流程圖；
[0019]圖9b是繪示一種用于計(jì)算熱陣列的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)的方法的流程圖；
[0020]圖10是一種控制器系統(tǒng)的一種實(shí)施方案的不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下說明本質(zhì)上僅僅是示例性的，且并非用于限制本
【發(fā)明內(nèi)容】
、應(yīng)用或用途。例如，本發(fā)明的下列形式涉及半導(dǎo)體加工中使用的卡盤，并且在某些情況下，是靜電卡盤。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本文所提供的加熱器和系統(tǒng)可用于各種應(yīng)用，并且不限于半導(dǎo)體加工應(yīng)用。
[0022]參照?qǐng)Dla，本發(fā)明的一種形式是加熱器50，其包括其中嵌入了至少一個(gè)加熱器電路54的基底加熱器層52?；准訜崞鲗?2中形成至少一個(gè)孔56 (或?qū)?，用于將加熱器電路54連接到電源(圖未示)?；准訜崞鲗?2提供初級(jí)加熱，而調(diào)諧加熱器層60被配置成鄰近加熱器層52，如圖所示，用于微調(diào)加熱器50所提供的熱分布。調(diào)諧層60包括嵌入其中的多個(gè)單獨(dú)的加熱元件62，其是獨(dú)立控制的。至少一個(gè)孔64穿過調(diào)諧層60而形成，用于將所述多個(gè)單獨(dú)的加熱元件62連接到電源和控制器(圖未示)。如進(jìn)一步所示，路由層66配置在基底加熱器層52和調(diào)諧層60之間，并限定內(nèi)腔68。第一組電引線70將加熱器電路54連接到電源，其延伸穿過加熱器層孔56。第二組電引線72將多個(gè)加熱元件62連接到電源，且除了基底加熱器層52中的孔55之外，還延伸穿過路由層66的內(nèi)腔68。應(yīng)該理解的是，路由層66是可選的，且可在沒有路由層66而只有基底加熱器層52和調(diào)諧加熱器層60的情況下使用加熱器50。
[0023]在另一種形式中，可可選地使用調(diào)諧層60來測(cè)量卡盤12中的溫度，而不是提供熱分布的微調(diào)。這種形式用于溫度依賴性電阻電路的多個(gè)特定區(qū)域位置或離散的位置。這些溫度傳感器中的每一種可經(jīng)由多路切換裝置單獨(dú)讀取，其示例性形式在下文中更詳細(xì)地說明，允許使用相對(duì)于測(cè)量每一個(gè)單獨(dú)的傳感器所需的信號(hào)線數(shù)目更多的傳感器。溫度傳感反饋可為控制決策提供必要的信息，例如，以控制背面冷卻氣壓的特定區(qū)域以調(diào)節(jié)從襯底26到卡盤12的熱通量。也可使用相同的反饋來取代或增加安裝在基底加熱器50附近的溫度傳感器，以經(jīng)由輔助冷卻液熱交換器來控制基底加熱區(qū)域54的溫度或平衡板冷卻流體溫度(圖未示)。
[0024]在一種形式中，基底加熱器層50和調(diào)諧加熱器層60由封閉加熱器電路54和調(diào)諧層加熱元件62以聚酰亞胺材料形成，聚酰亞胺材料用于中溫應(yīng)用，一般在250°C以下。而且，聚酰亞胺材料可與材料摻雜，以增加熱導(dǎo)率。
[0025]在其他形式中，基底加熱器層50和/或調(diào)諧加熱器層60由成層工藝形成，其中所述層通過使用與厚膜、薄膜、熱噴涂或溶膠凝膠等相關(guān)聯(lián)的方法在襯底上或另一層上涂敷或積聚材料而形成。
[0026]在一種形式中，基座加熱電路54由因科鎳合金(Inconel ?)形成，且調(diào)諧層加熱元件62是鎳材料。在又一種形式中，調(diào)諧層加熱元件62由具有足夠的電阻溫度系數(shù)的材料形成，使得所述元件同時(shí)起加熱器和溫度傳感器的作用，通常稱作“雙線控制”。這樣的加熱器及其材料在第7，196，295號(hào)美國專利和序列號(hào)為11/475，534的共同待決美國專利申請(qǐng)中公開，其與本申請(qǐng)共同轉(zhuǎn)讓，且其全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文。
[0027]在雙線控制下，本發(fā)明的各種形式包括通過了解或測(cè)量施加給熱阻抗調(diào)諧層60中的單獨(dú)元件中的每一個(gè)，通過乘法和除法轉(zhuǎn)換成電功率和電阻，在第一種情況下相等地對(duì)應(yīng)于這些元件中的每一個(gè)的熱通量輸出，且在第二種情況下相等地對(duì)應(yīng)于與元件溫度的已知關(guān)系的電壓和/或電流，基于溫度、功率，和/或熱阻抗控制層加熱元件62?？墒褂眠@些一起來計(jì)算并監(jiān)測(cè)每一個(gè)元件上的熱阻抗負(fù)載，以允許操作員或控制系統(tǒng)檢測(cè)并補(bǔ)償特定區(qū)域的熱變化，所述熱變化可能是因使用或維護(hù)、處理誤差和設(shè)備降級(jí)導(dǎo)致室中或卡盤中發(fā)生物理變化而起，但并不限于此。可選地，在半導(dǎo)體加工過程中可為熱阻抗調(diào)諧層60中的單獨(dú)受控的加熱元件中的每一個(gè)分配對(duì)應(yīng)于相同或不同特定溫度的設(shè)定點(diǎn)電阻，然后修改或閘控源自襯底上的對(duì)應(yīng)區(qū)域直到基底加熱器層52的熱通量，以控制襯底溫度。
[0028]在一種形式中，基底加熱器50接合到卡盤51上，例如，通過使用有機(jī)硅粘合劑或甚至壓敏粘合劑。因此，加熱器層52提供初級(jí)加熱，而調(diào)諧層60微調(diào)或調(diào)整加熱分布曲線，使得均勻的或所需的溫度曲線被提供給卡盤51，且因此提供給襯底(圖未示)。
[0029]在本發(fā)明的另一種形式中，調(diào)諧層加熱元件62的熱膨脹系數(shù)(CTE)與調(diào)諧加熱層襯底60的CTE匹配，以改良調(diào)諧層加熱元件62在承受應(yīng)力負(fù)載時(shí)的熱敏性。許多適用于雙線控制的材料展現(xiàn)出與電阻溫度裝置(RTD)相似的特性，包括對(duì)溫度和應(yīng)變的電阻敏感性。將調(diào)諧層加熱元件62的CTE與調(diào)諧加熱器層襯底60匹配減少了實(shí)際加熱元件上的應(yīng)力。并且，隨著操作溫度升高，應(yīng)力水平往往也增加，且因此，CTE匹配變成十分重要的因素。在一種形式中，調(diào)諧層加熱元件62是CTE約為15ppm/°C的高純度鎳鐵合金，而包圍它的聚酰亞胺材料的CTE約為16ppm/°C。在此形式中，將調(diào)諧加熱器層60接合到其他層上的材料展現(xiàn)出彈性特性，其在物理上將調(diào)諧加熱器層60與卡盤12的其他構(gòu)件解耦。應(yīng)理解的是，在依然處在本公開的范圍內(nèi)的情況下也可使用具有類似CTE的其他材料。
[0030]現(xiàn)在參照?qǐng)Dlb-d，繪示出一種示例形式的加熱器，其具有基底加熱器層和調(diào)諧層(在上文的圖1a中概述)，且總體由附圖標(biāo)記80來指示。加熱器80包括基板82，(也稱作冷卻板)，其一種形式是厚度約為16mm的鋁板?；准訜崞?4被固定到基板82上，一種形式是使用彈性接合層86，如圖所示。彈性接合可以是第6，073，577號(hào)美國專利中所公開的彈性接合，其全部內(nèi)容以引用方式并入本文。根據(jù)本發(fā)明的一種形式，襯底88配置在基底加熱器84的頂部，且是厚度約為1mm的鋁材。襯底88被設(shè)計(jì)成具有熱導(dǎo)率，以耗散所需量的基底加熱器84的功率。因?yàn)榛准訜崞?4具有相對(duì)較高的功率，在無必需量的熱導(dǎo)率的情況下，此基底加熱器84將離開相鄰部件上的“示位”標(biāo)(由電阻電路的跡線)，從而降低整個(gè)加熱器系統(tǒng)的性能。
[0031]調(diào)諧加熱器90被配置在襯底88的頂部，并使用彈性接合層94固定在卡盤92上，如上所述。在一種 形式中，卡盤92是厚度約為2.5mm的氧化鋁材料。應(yīng)當(dāng)理解的是，本文所述的材料和尺寸僅僅是示例性的，且因此本發(fā)明并不限定于本文所述的特定形式。此外，與基底加熱器84相比，調(diào)諧加熱器90具有較低的功率，且如上所述，襯底88起消耗基底加熱器84的功率的作用，使得“示位”標(biāo)不會(huì)在調(diào)諧加熱器90上形成。
[0032]圖1c更詳細(xì)地顯不基底加熱器84和調(diào)諧加熱器90,其中，顯不了基底加熱器84的示例性的四個(gè)(4)區(qū)域和調(diào)諧加熱器90的十八個(gè)(18)區(qū)域。在一種形式中，加熱器80適于與450mm的卡盤尺寸配合使用，但是，加熱器80可以使用更大或更小尺寸的卡盤，因?yàn)槠淠芨叨榷ㄖ茻岱植肌４送?，高清晰度加熱?0可以圍繞卡盤的外圍，或在跨越卡盤的預(yù)定位置處，而不是以本文所示的堆疊/平面結(jié)構(gòu)使用。更進(jìn)一步地，高清晰度加熱器80可以在處理套件、室壁、蓋、氣體管線和噴頭以及半導(dǎo)體加工設(shè)備內(nèi)的其他部件中使用。還應(yīng)當(dāng)理解的是，本文中所示和所述的加熱器和控制系統(tǒng)可以用于任何數(shù)目的應(yīng)用，并且因此，示例性半導(dǎo)體加熱器卡盤應(yīng)用不應(yīng)當(dāng)被解讀為限制本發(fā)明的范圍。
[0033]本發(fā)明還考慮到，基底加熱器84和調(diào)諧加熱器90并不限于加熱功能。應(yīng)當(dāng)理解的是，在依然處于本發(fā)明的范圍內(nèi)的情況下，這些構(gòu)件中的一個(gè)或多個(gè)，分別被稱為“基底功能層”和“調(diào)諧層”，可以可選地是溫度傳感器層或其它功能構(gòu)件。
[0034]如圖1d中所示，可提供雙調(diào)諧能力，在卡盤12的上表面上納入次級(jí)調(diào)諧層加熱器99。在依然處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)的情況下，次級(jí)調(diào)諧層可以可選地用作溫度感測(cè)層，而不是加熱層。因此，可使用任何數(shù)目的調(diào)諧層加熱器，且不應(yīng)該限于本文所示和所述的那些內(nèi)容。
[0035]現(xiàn)在參照?qǐng)D2，提供一種熱陣列系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括控制器110?？刂破?10可以是控制器電路或基于控制器的微處理器。控制器110可被配置成接收傳感器測(cè)量值并基于測(cè)量值來實(shí)施控制算法。在一些例子中，控制器可測(cè)量一或多個(gè)熱陣列元件的的電氣特性。而且，控制器110可包括和/或控制多個(gè)開關(guān)，以基于測(cè)量值來確定有多少電力提供給陣列中的每一個(gè)熱元件。
[0036]在一個(gè)例子中，電力通過由附圖標(biāo)記112、114、116表不的三相電力輸入提供給陣列。輸入電源可連接到整流器電路118，以提供正的直流(DC)電力線120和負(fù)DC電力線122。電力可通過六個(gè)電力節(jié)點(diǎn)分配給熱陣列?？刂破?10可被配置成控制多個(gè)開關(guān)，使得正電力線120可被路由至六個(gè)電力節(jié)點(diǎn)中的任一個(gè)，且負(fù)電力線122也可被路由至所述多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)中的任一個(gè)。
[0037]在所示實(shí)施方案中，電力節(jié)點(diǎn)被配置成兩組節(jié)點(diǎn)。第一組節(jié)點(diǎn)包括電力節(jié)點(diǎn)136a、電力節(jié)點(diǎn)136b和電力節(jié)點(diǎn)136c。第二組包括電力節(jié)點(diǎn)138a、電力節(jié)點(diǎn)138b和電力節(jié)點(diǎn)138c。在所示實(shí)施方案中，熱元件被配置成具有三組熱元件的矩陣裝置，且每一組含有六個(gè)熱元件。然而，就本文所述的每一個(gè)實(shí)施方案而言，可使用更多或更少的節(jié)點(diǎn)，而且，熱元件的數(shù)目可隨著節(jié)點(diǎn)的數(shù)目對(duì)應(yīng)地增加或減少。
[0038]第一組熱元件160都連接到節(jié)點(diǎn)138a。同樣，第二組熱元件170都連接到電力節(jié)點(diǎn)138b，而第三組熱元件180都連接到電力節(jié)點(diǎn)138c。熱元件可以是加熱元件。加熱元件可由具有，例如，溫度依賴性電阻的導(dǎo)電材料形成。更具體而言，熱元件可以是具有電氣特性(諸如，與溫度相關(guān)的電阻、電容或電感)的加熱元件。但是熱元件通常也可被歸類為耗散元件，諸如，電阻元件。因此，本文所述的每一個(gè)實(shí)施方案的熱元件可以具有上述特性中的任一個(gè)。
[0039]在每一組中，六個(gè)熱元件被配置成成對(duì)的熱元件。例如，在第一組160中，第一對(duì)熱元件146a包括第一熱元件164和第二熱元件168。第一熱元件164被配置成與第二熱元件168電并聯(lián)連接。而且，第一熱元件164與單向電路162電串聯(lián)連接。單向電路162可被配置成允許電流在一個(gè)方向上而不是在相反方向上流過熱元件164。因此，單向電路162以最簡單的形式被顯示二極管。
[0040]第一單向電路162被示為具有連接到節(jié)點(diǎn)136a的陰極和通過熱元件164連接到節(jié)點(diǎn)138a的陽極的二極管。以類似的方式，第二單向電路166被示為具有連接到節(jié)點(diǎn)136a的陽極的二極管和通過第二熱元件168連接到節(jié)點(diǎn)138a的陰極，從而說明了與第二單向電路166相對(duì)的第一單向電路162的單向性。值得注意的是，二極管作為單向電路的實(shí)施方案可以只支持一伏電源，但是，可以設(shè)計(jì)各種其他的電路，包括，例如，使用硅控整流器(SCR)的電路，其支持更高的電源電壓。下文將更詳細(xì)地描述單向電路的這樣的實(shí)施方案，但也可以與本文所述實(shí)施方案中的任一個(gè)結(jié)合使用。
[0041]以類似的方式，第二熱元件168與第二單向電路166電串聯(lián)連接，同樣以最簡單的形式示為二極管。第一熱元件164和第一單向電路162與電力節(jié)點(diǎn)138a和電力節(jié)點(diǎn)136a之間的第二熱元件168和第二單向電路166并聯(lián)。因此，如果控制器110施加正電壓到節(jié)點(diǎn)136a和負(fù)電壓至節(jié)點(diǎn)138a，則電力將施加在第一對(duì)146a的第一熱元件164和第二熱元件168兩端。如上所述，第一單向電路162被定向成在與第二單向電路166相反的方向上。因此，當(dāng)正電壓被施加到節(jié)點(diǎn)138a且負(fù)電壓被施加到節(jié)點(diǎn)136a時(shí)，第一單向電路162允許電流流過第一熱元件164,但是當(dāng)正電壓被提供給節(jié)點(diǎn)136a且負(fù)電壓被提供給節(jié)點(diǎn)138a,阻止電流流過。相反，當(dāng)正電壓被施加到節(jié)點(diǎn)136a且負(fù)電壓被施加到138a時(shí)，允許電流流過第二熱元件168，然而，當(dāng)極性切換時(shí)，通過第二單向電路166阻止電流流過第二熱元件168。
[0042]此外，組內(nèi)的每對(duì)熱元件連接到第一組電力節(jié)點(diǎn)136a，136b，136c中的不同電力節(jié)點(diǎn)。因此，第一組160的第一對(duì)熱元件146a連接在節(jié)點(diǎn)136a和節(jié)點(diǎn)138a之間。第二對(duì)熱元件146b連接在電力節(jié)點(diǎn)136b和電力節(jié)點(diǎn)138a之間，而組160的第三對(duì)熱元件146c連接在電力節(jié)點(diǎn)136c和電力節(jié)點(diǎn)138a之間。因此，控制器110可被配置成通過連接電力節(jié)點(diǎn)138a來選擇元件組來供電或返回，然后該對(duì)熱元件(146a，146b，146c)可通過分別連接節(jié)點(diǎn)136a，136b或136c之一來選擇，以供電或返回。而且，控制器110可以基于節(jié)點(diǎn)138a和節(jié)點(diǎn)136a，136b和/或136c之間提供的電壓的極性來選擇向每對(duì)的第一元件或每對(duì)的第二元件供電。
[0043]以同一種方式，第二組熱元件170連接在第二組節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)138b，和節(jié)點(diǎn)136a，136b，和136c之間。因此，組170的第一對(duì)熱元件146d可使用電力節(jié)點(diǎn)136a來選擇，而組170的第二對(duì)146e和第三對(duì)熱元件146f可以通過節(jié)點(diǎn)136b和136c來分別選擇。
[0044]同樣，第二組熱元件180連接在第二組節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)138c和節(jié)點(diǎn)136a，136b和136c之間。組180的第一對(duì)熱元件146g可以使用電力節(jié)點(diǎn)136a來選擇，而組170的第二對(duì)熱元件146h和第三對(duì)熱元件146i可以分別通過節(jié)點(diǎn)136b和136c來選擇。
[0045]對(duì)于所示實(shí)施方案，控制器110操縱多個(gè)開關(guān)以將正電力線120連接到第一組電力節(jié)點(diǎn)之一并將負(fù)電力線122連接到第二組電力節(jié)點(diǎn)，或者，可選擇地，將正電力線120連接到第二組電力節(jié)點(diǎn)和將負(fù)電力線122連接到第一組電力節(jié)點(diǎn)。因此，控制器110提供控制信號(hào)124給第一極性控制開關(guān)140和第二極性控制開關(guān)142。第一極性控制開關(guān)140將第一組電力節(jié)點(diǎn)連接到正電源線120或負(fù)電源線122，而第二極性開關(guān)142將第二組電力節(jié)點(diǎn)連接到正電源線120或負(fù)電源線122。
[0046]此外， 控制器110提供控制信號(hào)126給第一組電力開關(guān)130，132，和134。開關(guān)130，132和134將開關(guān)140的輸出(正電源線120或負(fù)電源線122)分別連接到第一節(jié)點(diǎn)136a，第二節(jié)點(diǎn)136b和第三節(jié)點(diǎn)136c。此外，控制器110提供控制信號(hào)128給第二組電力開關(guān)150，152和154。開關(guān)150，152和154將開關(guān)142的輸出(正電源線120或負(fù)電源線122)分別連接到第一節(jié)點(diǎn)138a，第二節(jié)點(diǎn)138b和第三節(jié)點(diǎn)138c。
[0047]現(xiàn)在參照?qǐng)D3a，提供多并聯(lián)熱陣列系統(tǒng)200。系統(tǒng)200包括控制系統(tǒng)210。該控制系統(tǒng)可包括微處理器、開關(guān)和類似于在整個(gè)申請(qǐng)中描述的用于實(shí)施本文所述邏輯的那些其它分立部件。熱元件以多并聯(lián)的方式被配置在電力節(jié)點(diǎn)對(duì)兩端。對(duì)于所示實(shí)施方案，提供六個(gè)電力節(jié)點(diǎn)(212，214，216，218，220，222)。而且，每一個(gè)熱元件連接在一對(duì)電力節(jié)點(diǎn)之間。更具體而言，每一個(gè)熱元件連接在一對(duì)不同的電力節(jié)點(diǎn)之間。因此，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)熱元件連接在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)本身和每一個(gè)其他電力節(jié)點(diǎn)之間。
[0048]因此，熱元件230連接在節(jié)點(diǎn)212和節(jié)點(diǎn)222之間，熱元件232連接在節(jié)點(diǎn)212和節(jié)點(diǎn)220之間，熱元件234連接在節(jié)點(diǎn)212和節(jié)點(diǎn)218之間，熱元件236連接在節(jié)點(diǎn)212和節(jié)點(diǎn)216之間，且熱元件238連接在節(jié)點(diǎn)212和節(jié)點(diǎn)214之間。因此，節(jié)點(diǎn)212通過熱元件(230，232，234，236，或 238)連接到其他節(jié)點(diǎn) 214，216，218，220 和 222 中的每一個(gè)。
[0049]同樣，熱元件240連接在節(jié)點(diǎn)214和節(jié)點(diǎn)222之間，熱元件242連接在節(jié)點(diǎn)214和節(jié)點(diǎn)220之間，熱元件244連接在節(jié)點(diǎn)214和節(jié)點(diǎn)218之間，且熱元件246連接在節(jié)點(diǎn)214和節(jié)點(diǎn)216之間。值得注意的是，連接在節(jié)點(diǎn)214和節(jié)點(diǎn)212之間的熱元件已經(jīng)被識(shí)別為熱元件238。此外，每一個(gè)其他對(duì)元件之間的連接由連接在節(jié)點(diǎn)216和節(jié)點(diǎn)222之間的熱元件250，連接在節(jié)點(diǎn)216和節(jié)點(diǎn)220之間的熱元件252，連接在節(jié)點(diǎn)216和節(jié)點(diǎn)218之間的熱元件254，連接在節(jié)點(diǎn)218和節(jié)點(diǎn)222之間的熱元件260，連接在節(jié)點(diǎn)218和節(jié)點(diǎn)220之間的熱元件262，和連接在節(jié)點(diǎn)220和節(jié)點(diǎn)222之間的熱元件270提供。
[0050]控制器210被配置成提供電源連接、回路連接，或開路給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。此外，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，多并聯(lián)拓?fù)滹@著不同于圖2中所提供的矩陣拓?fù)?。多并?lián)拓?fù)涮峁嵩W(wǎng)絡(luò)相對(duì)于加熱用電分布以及理解用于熱感測(cè)的所有元件的相互作用整體考慮。例如，如果電源被提供給節(jié)點(diǎn)212且回路連接提供給節(jié)點(diǎn)222，則主電源路徑將會(huì)通過熱元件230。然而，次級(jí)路徑將經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他元件中的每一個(gè)回到節(jié)點(diǎn)222而存在。因此，當(dāng)控制器210提供電力，并返回到節(jié)點(diǎn)的任一配置時(shí)，必須考慮電力被提供給主路徑的熱元件，以及，電力通過次級(jí)路徑被提供給所有其它元件。根據(jù)具有不同特性(無論是設(shè)計(jì)、環(huán)境影響或制造偏差)的每一個(gè)熱元件，這個(gè)任務(wù)可能更加復(fù)雜。
[0051]對(duì)于此拓?fù)洌刂品桨缚衫昧鶙l(6)電線和十五個(gè)元件(15)，而不使用具有SCR、二極管和上文所述的其他元件的開關(guān)電路。對(duì)此控制方案而言，與電線有關(guān)的元件的最大數(shù)目為E=1/2(N x(N-l))0雖然可對(duì)每一根電線連續(xù)供電，對(duì)任一節(jié)點(diǎn)組合施加獨(dú)立電壓，但是此系統(tǒng)可能難以控制。根據(jù)本發(fā)明的這種形式，電線被選擇性地連接到電源、回路或開路，在指定時(shí)間段上使用這些組合的序列，以產(chǎn)生所需的平均熱分布。例如，一個(gè)組合可以是將A和B連接到電源，將C和D連接到回路，以及使E和F是開路；另一個(gè)組合可以是將A和C連接到電源，將D連接到回路，以及使B、E和F是開路。然后，這些組合或模式，在不同的時(shí)間段依序應(yīng)用于調(diào)諧層加熱元件，例如，在第一時(shí)刻ti應(yīng)用第一模式，在第二時(shí)刻t2應(yīng)用第二模式，以此類推，使得所產(chǎn)生的時(shí)序序列在調(diào)諧層加熱器中產(chǎn)生所需的平均熱分布。在一種形式中，使用遠(yuǎn)短于加熱器的熱時(shí)間常數(shù)的時(shí)序序列時(shí)間間隔，使得加熱器中的溫度紋波保持在足夠低的水平。在給定的六條電線例子中，N條電線有301個(gè)可能的非冗余模式，其中非冗余模式使至少一個(gè)元件中產(chǎn)生電力，但并不會(huì)使系統(tǒng)中相同的兀件產(chǎn)生與另一模式相同的電力。若與開路相關(guān)聯(lián)的模式被刪除，則對(duì)N條電線而言,非冗余模式(mode)的數(shù)目為Modes = 2N_Ll。因此，對(duì)于相同的六條電線，十五元件系統(tǒng)，有31個(gè)非冗余非零(空)模式。對(duì)于六節(jié)點(diǎn)，十五元件系統(tǒng)而言，所產(chǎn)生的模式矩陣[PxM]為(15x301)或(15乘31)，且需要矩陣等式[PE] = [PxM].[Modes]的解，其中Pe是元件的電力(熱通量)輸出的向量。在開路下，多并聯(lián)模式的數(shù)目=(3N_-2N-1-1)/2(非冗余)。若使用的是全開路包容性矩陣，則[PxM]矩陣是不確定的，且可能是病態(tài)的，并產(chǎn)生模式向量，其由于必須在給定的時(shí)間窗中產(chǎn)生的模式的數(shù)目而高度容易出錯(cuò)且難以實(shí)施。而且，一個(gè)解并不是對(duì)所有所需電力向量都是可行的。通過選擇基于矩陣條件選定的模式子集，可以降低復(fù)雜性和誤差。一種用于評(píng)估選擇的模式子集的矩陣條件的方法是對(duì)[PxM]矩陣的子集執(zhí)行奇異值分解，將子集彼此比較，并選擇具有最大與最小非零奇異值的最小比率的集合。只有非負(fù)模式可以使用，因?yàn)殡娏H可添加到系統(tǒng)中，所以，此矩陣子集[PxMJ可用
于求解非負(fù)最小平方問題minModes|[PxMR].[Modes]-[PE]22|其中Modes≥O。檢驗(yàn)解的余數(shù)得
到解誤差的測(cè)量值。有限數(shù)目的這些解將接近準(zhǔn)確，但是隨著電線和元件數(shù)目增加，系統(tǒng)變得更加受限，且對(duì)每一個(gè)元件而言，與低誤差無關(guān)的電力解的范圍縮小。但應(yīng)注意的是，提出的方法是用于對(duì)元件進(jìn)行電力控制，且因?yàn)橥負(fù)洳淮_定，具有低TCR的穩(wěn)定的電阻元件將產(chǎn)生最低誤差的解，但是這并不排除使用高TCR元件或使用獨(dú)立的溫度傳感平面，使此系統(tǒng)處于溫度控制下。
[0052]現(xiàn)在參照?qǐng)D3b，提供多并聯(lián)且雙向的熱陣列系統(tǒng)300。熱陣列系統(tǒng)300包括控制系統(tǒng)310?？刂葡到y(tǒng)310可包括微處理器、開關(guān)和類似于在整個(gè)申請(qǐng)中描述的用于實(shí)施本文所述邏輯的那些的其它分立部件。如圖2中一樣，熱元件以多并聯(lián)的方式被配置在電力節(jié)點(diǎn)對(duì)兩端。因?yàn)槭请p向的，節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同，所以兩倍數(shù)目的熱元件能夠受到控制。對(duì)于所示實(shí)施例，六個(gè)電力節(jié)點(diǎn)(312，314，316，318，320，222)。而且，每對(duì)熱元件連接在一對(duì)電力節(jié)點(diǎn)之間，其中所述熱元件對(duì)中的每一個(gè)熱元件具有不同的極性。更具體而言，每對(duì)熱元件連接在一對(duì)不同的電力節(jié)點(diǎn)之間。因此，有一對(duì)熱元件連接在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)本身和每一個(gè)其他電力節(jié)點(diǎn)之間，其中每對(duì)中的熱元件由電源的不同極性激活。
[0053]因此，熱元件對(duì)350連接在節(jié)點(diǎn)312和節(jié)點(diǎn)322之間。熱元件對(duì)350包括第一熱元件332和第二熱元件334。第一熱元件332被配置成與第二熱元件334電并聯(lián)連接。而且，第一熱元件332與單向電路330電串聯(lián)連接。單向電路330可被配置成允許電流在一個(gè)方向而在相反的方向上不流過熱元件332。因此，單向電路330以最簡單的形式被示為二極管。
[0054] 第一單向電路330被示為具有連接到節(jié)點(diǎn)312的陰極和通過熱元件332連接到節(jié)點(diǎn)314的陽極的二極管。以類似的方式，第二單向電路336被示為具有連接到節(jié)點(diǎn)314的陰極和通過第二熱元件334連接到節(jié)點(diǎn)312的陽極的二極管，從而說明了與第二單向電路336相對(duì)的第一單向電路330的單向性。
[0055]因此，當(dāng)正電壓被施加到節(jié)點(diǎn)322且負(fù)電壓被施加到節(jié)點(diǎn)312時(shí)，第一單向電路330允許電流流過第一熱元件332，但是當(dāng)正電壓被提供給節(jié)點(diǎn)312且負(fù)電壓被提供給節(jié)點(diǎn)322時(shí)，阻止電流流過。相反，當(dāng)正電壓被施加到節(jié)點(diǎn)312且負(fù)電壓被施加到322時(shí)，允許電流流過第二熱元件334，然而，當(dāng)極性切換時(shí)，通過第二單向電路336阻止電流流過第二熱元件334。
[0056]熱元件對(duì)352連接在節(jié)點(diǎn)312和節(jié)點(diǎn)320之間，熱元件對(duì)354連接在節(jié)點(diǎn)312和節(jié)點(diǎn)318之間，熱元件對(duì)356連接在節(jié)點(diǎn)312和節(jié)點(diǎn)316之間，且熱元件對(duì)358連接在節(jié)點(diǎn)312和節(jié)點(diǎn)314之間。因此，節(jié)點(diǎn)312通過熱元件對(duì)(350，352，354，356或358)連接到其他節(jié)點(diǎn)314，316，318，320和322中的每一個(gè)。同樣，熱元件對(duì)360連接在節(jié)點(diǎn)314和節(jié)點(diǎn)322之間，熱元件對(duì)362連接在節(jié)點(diǎn)314和節(jié)點(diǎn)320之間，熱元件對(duì)364連接在節(jié)點(diǎn)314和節(jié)點(diǎn)318之間，且熱元件對(duì)366連接在節(jié)點(diǎn)314和節(jié)點(diǎn)316之間。值得注意的是，節(jié)點(diǎn)314和節(jié)點(diǎn)312之間的連接已經(jīng)通過熱元件對(duì)358識(shí)別。
[0057]此外，每一個(gè)其他元件對(duì)之間的連接由連接在節(jié)點(diǎn)316和節(jié)點(diǎn)322之間的熱元件對(duì)370，連接在節(jié)點(diǎn)316和節(jié)點(diǎn)320之間的熱元件對(duì)372，連接在節(jié)點(diǎn)316和節(jié)點(diǎn)318之間的熱元件對(duì)374，連接在節(jié)點(diǎn)318和節(jié)點(diǎn)322之間的熱元件對(duì)380，連接在節(jié)點(diǎn)318和節(jié)點(diǎn)320之間的熱元件對(duì)382，以及連接在節(jié)點(diǎn)320和節(jié)點(diǎn)322之間的熱元件對(duì)390提供。
[0058]控制器310被配置成提供電源連接、回路連接，或開路給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如上所述，多并聯(lián)拓?fù)涮峁嵩W(wǎng)絡(luò)相對(duì)于加熱用電分布以及理解用于熱感測(cè)的所有元件的相互作用整體考慮。例如，如果電源被提供給節(jié)點(diǎn)312且回路連接提供給節(jié)點(diǎn)322，則主電源路徑將會(huì)通過熱元件350。然而，次級(jí)路徑將經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他元件中的每一個(gè)回到節(jié)點(diǎn)322而存在。因此，當(dāng)控制器310提供電力，并返回到節(jié)點(diǎn)的任一配置時(shí)，必須考慮電力被提供給主路徑的熱元件，以及，電力通過次級(jí)路徑被提供給所有其它元件。
[0059]現(xiàn)在參照?qǐng)D4，提供雙向且多并聯(lián)的熱元件系統(tǒng)的另一種實(shí)施方案。系統(tǒng)400包括控制器410，其控制多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)。對(duì)于所示實(shí)施方案，控制器410控制六個(gè)電力節(jié)點(diǎn)412，414，416，418，420，和422。如前文所討論的，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過熱元件連接到其它節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)。而且，在雙向情況下，每一個(gè)元件通過兩個(gè)熱元件連接到每一個(gè)其他元件，其中所述熱元件之一以第一極性連接該對(duì)節(jié)點(diǎn)且所述第二熱元件以相反極性連接該對(duì)元件。
[0060]在系統(tǒng)400中，每一個(gè)單向電路430被示為包括SCR432、二極管436和齊納二極管434的元件組合。單向元件430與每一個(gè)熱元件電串聯(lián)連接,例如,熱元件438。如圖所示，熱元件438和單向電路430在節(jié)點(diǎn)414和節(jié)點(diǎn)412之間電串聯(lián)連接。如果正電源電壓被提供給節(jié)點(diǎn)414且回路被提供給節(jié)點(diǎn)412，則將會(huì)允許電流流過熱元件438和SCR432。熱元件438連接在節(jié)點(diǎn)414和SCR432的陽極之間。SCR432的陽極連接到熱元件438和二極管436的陽極。二極管436的陰極連接到齊納二極管434的陰極。而且，齊納二極管434的陽極連接到SCR432的源極和節(jié)點(diǎn)412。
[0061]當(dāng)有到SCR的柵極電流時(shí)，SCR432觸發(fā)。當(dāng)電流在二極管436所在方向上流動(dòng)并超過齊納二極管434的電壓間隙時(shí)，SCR接收柵極電流。但是，SCR的柵極電流可以通過裝置的另一個(gè)配置來觸發(fā)。而且，觸發(fā)可以是除了電氣以外的手段，例如，光學(xué)或磁性。一旦SCR被激活并傳導(dǎo)電流，它就不會(huì)關(guān)閉，直到電流停止為止。雖然顯示此配置只是出于示例目的，但是應(yīng)當(dāng)注意，也可使用附加的單向配置。例如，附加元件可與SCR和二極管結(jié)合使用，例如，提供阻尼器以防止意外觸發(fā)SCR。
[0062]因此，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，例如，節(jié)點(diǎn)414和節(jié)點(diǎn)412之間提供包括熱元件和單向電路的熱配置，諸如440，。而且，在雙向配置中，兩個(gè)相反極性的熱敏配置可連接在所述多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間。例如，熱敏配置440連接在節(jié)點(diǎn)414和節(jié)點(diǎn)412之間，但與單向電路430極性相反。可見，SCR433的陰極連接到節(jié)點(diǎn)414，而SCR432的陰極連接到節(jié)點(diǎn)412。因此，每一個(gè)將僅在相反極性的條件下傳導(dǎo)。
[0063]在控制器410內(nèi)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可連接到一對(duì)開關(guān)，如附圖標(biāo)記492所示。一對(duì)開關(guān)可以是晶體管，例如，半橋式配置的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。第一晶體管490可以是被激活時(shí)，將節(jié)點(diǎn)412連接到回復(fù)電壓的低控制開關(guān)，而第二晶體管491可以是被激活時(shí)，將節(jié)點(diǎn)412連接到電源電壓的高控制開關(guān)。第一晶體管490可以具有連接到所述多個(gè)節(jié)點(diǎn)之一的漏極和通過分流器498連接到負(fù)電壓線的源極。另一個(gè)晶體管491可具有連接到節(jié)點(diǎn)412的源極和連接到正電壓節(jié)點(diǎn)的漏極。而且，第一晶體管490和第二晶體管491可各具有連接到實(shí)施控制邏輯的控制電路或微處理器的柵極。還應(yīng)當(dāng)注意，控制系統(tǒng)切換裝置(例如，半橋式配置)可以應(yīng)用于任何本文采用的拓?fù)洹?br> [0064]每一個(gè)其他節(jié)點(diǎn)也具有相應(yīng)的一對(duì)晶體管。具體而言，節(jié)點(diǎn)414連接到晶體管對(duì)493，節(jié)點(diǎn)416連接到晶體管對(duì)494，節(jié)點(diǎn)418連接到晶體管對(duì)495，節(jié)點(diǎn)420連接到晶體管對(duì)496，且節(jié)點(diǎn)422連接到晶體管對(duì)497。雖然控制電路410可以獨(dú)立地提供回路、電源，或開路給所述節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)的組合，但是至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)將連接到電源電壓且至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)將連接到回路。電源、回路(例如，地面)以及開路條件的各種組合可提供給所述節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)組合是用于為熱元件陣列供電的可能模式。
[0065]對(duì)于每種模式或節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的組合，電流將流過分流器498，并且可以由控制電路410來測(cè)量。而且，微處理器可以測(cè)量分流器兩端的電壓，或通過分流器的電流，以確定熱元件陣列的電氣特性，諸如，網(wǎng)絡(luò)電阻。例如，網(wǎng)絡(luò)電阻可用于控制每種模式被應(yīng)用的時(shí)間量，或用于修改其他電路參數(shù)，諸如，輸入電壓、占空比、電流或其它電氣特性。
[0066]現(xiàn)在參照?qǐng)D5，提供具有可尋址開關(guān)的熱陣列系統(tǒng)500。控制器510可連接到正節(jié)點(diǎn)514和負(fù)節(jié)點(diǎn)516。電源512連接在正節(jié)點(diǎn)514和負(fù)節(jié)點(diǎn)516之間。每一個(gè)熱元件在正節(jié)點(diǎn)514和負(fù)節(jié)點(diǎn)516之間與可尋址開關(guān)電串聯(lián)連接。
[0067]每一個(gè)可尋址開關(guān)可以是分立元件，包括，例如，晶體管，比較器和SCR或集成器件，例如，微處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)的電路。信號(hào)可通過正節(jié)點(diǎn)514和/或負(fù)節(jié)點(diǎn)516提供給可尋址開關(guān)524。例如，電力信號(hào)可被頻率調(diào)制、幅度調(diào)制、占空比調(diào)制，或者包括提供表示當(dāng)前要被激活的開關(guān)的標(biāo)識(shí)(identity)的開關(guān)標(biāo)識(shí)的載波信號(hào)。此外，各種命令，例如，接通(switch on)、關(guān)斷(switch off),或校準(zhǔn)命令，可以通過相同的通信介質(zhì)來提供。在一個(gè)例子中，三個(gè)標(biāo)識(shí)符可以被傳達(dá)給所有的可尋址開關(guān)，允許控制27個(gè)可尋址開關(guān)，且因此，獨(dú)立激活或停用27個(gè)熱元件。每一個(gè)熱元件522和可尋址開關(guān)524形成連接在負(fù)節(jié)點(diǎn)516和正節(jié)點(diǎn)514之間的可尋址模塊520。每一個(gè)可尋址開關(guān)可以從電力線接收電力和消息(communication),且因此,也可以分別連接到第一節(jié)點(diǎn)514和/或第二節(jié)點(diǎn)516。
[0068]可尋址模塊中的每一個(gè)可以具有唯一的ID，并根據(jù)每一個(gè)標(biāo)識(shí)符可被分成各組。例如，所有的第一行中的可尋址模塊(520，530，532，534，536，538，540，542和544)可以具有第一標(biāo)識(shí)符或標(biāo)識(shí)符xl。同樣地，所有的第二行中的可尋址模塊(546,548,550,552,554，556，558，560，562)可以具有標(biāo)識(shí)符x2,而第三行中的模塊(564，566，568，570，572，574，576，578，580)具有標(biāo)識(shí)符x3。以同樣的方式，前三列582的可尋址模塊(520，530，532，546，548，550，564，566，568)可以具有標(biāo)識(shí)符zl。同時(shí)，第二個(gè)三列584可以具有標(biāo)識(shí)符z2，而第三個(gè)三列586可以具有標(biāo)識(shí)符z3。同樣，為了為組內(nèi)的每一個(gè)模塊定址，每一個(gè)可尋址模塊都有每個(gè)組內(nèi)的唯一的I標(biāo)識(shí)符。例如，在組526中，可尋址模塊534具有標(biāo)識(shí)符yl，可尋址模塊536具有標(biāo)識(shí)符y2，且可尋址模塊538具有標(biāo)識(shí)符y3。
[0069]現(xiàn)在參照?qǐng)D6A，提供了一種用于控制熱元件陣列的方法600。所述方法從框610開始。在框612中，控制器計(jì)算陣列的每一個(gè)熱元件的設(shè)定點(diǎn)。舉例而言，電阻設(shè)定點(diǎn)可以為每個(gè)熱元件而設(shè)置，使得針對(duì)此元件測(cè)量出的電阻可被用作觸發(fā)器來停止向此元件提供電力。在框614中，算出每個(gè)熱元件的時(shí)間窗口。時(shí)間窗口可以是所分配的用于為特定的熱元件供電的時(shí)間。但是，如果熱元件電阻高于設(shè)定點(diǎn)，則控制器可在時(shí)間窗口的剩余部分上保持休眠狀態(tài)或可直接移動(dòng)到下一個(gè)窗口以為下一個(gè)熱元件供電。然而，可能希望每一個(gè)熱元件有最小等待時(shí)間，使得電力不經(jīng)常提供給系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的，從而加熱元件超過了加熱應(yīng)用所必需的。
[0070]在框616中，控制器確定是否已經(jīng)到達(dá)了當(dāng)前熱元件的時(shí)間窗口的末端。如果已經(jīng)達(dá)到了當(dāng)前元件的時(shí)間窗口的末端，則所述方法沿著線620到框622。在框622中，控制器遞增到陣列中的下一個(gè)熱元件，并進(jìn)行到框616，在此過程繼續(xù)。如果還未到達(dá)時(shí)間窗口的末端，則所述方法沿著線618到框624。在框624中，控制器可以同時(shí)向熱元件提供電力并測(cè)量熱元件的電氣特性。在框626中，控制器基于所測(cè)量的特性來確定熱元件是否已經(jīng)超過了熱元件設(shè)定點(diǎn)。如果已經(jīng)超過了設(shè)定點(diǎn)，則所述方法可以等待直到時(shí)間窗口是完整的為止，或者在一定的延遲之后，繼續(xù)沿著線628到框622。在框622中，熱元件被遞增到下一個(gè)熱元件并且過程前進(jìn)到框616。如果基于所測(cè)量的特性，熱元件還沒有超過設(shè)定點(diǎn)，則過程沿著線630到框616，在此過程繼續(xù)。
[0071]現(xiàn)在參考圖6B,提供了不出方法600的一個(gè)場(chǎng)景的時(shí)序圖。在第一時(shí)間窗口 650中考慮第一元件。所述第一元件的電阻由線654來表示。再次，應(yīng)當(dāng)注意，熱元件的電阻可以與熱元件的溫度相關(guān)聯(lián)。第一熱元件的設(shè)定點(diǎn)由線652來表示。隨著電力被施加給熱元件，熱元件的溫度在第一時(shí)間窗口 650期間升高。然而，第一熱元件的溫度太低，且在第一時(shí)間窗口 650流逝之前并不能達(dá)到設(shè)定點(diǎn)652。
[0072]在第二時(shí)間窗口 656中，控制器向第二元件提供電力以測(cè)量電阻658。在這種情況下，溫度，且因此，電阻658剛好高于元件設(shè)定點(diǎn)660。因?yàn)殡娮杼?，所以確定元件過熱。因此，第二熱元件在第二時(shí)間窗口 656的剩余部分上被立即關(guān)閉?？刂破骺稍诘诙r(shí)間窗口 656的剩余部分上保持休眠狀態(tài)，或可在預(yù)定義的時(shí)間延遲后，進(jìn)入第三時(shí)間窗口 662。
[0073]在第三時(shí)間窗口 662中，第三元件被供電并被監(jiān)控。第三元件664的電阻開始時(shí)低于第三兀件666的設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)有電力提供給第三兀件時(shí)，電阻增大，由線664來表不,直到電阻達(dá)到在點(diǎn)668處表示的第三元件666的設(shè)定點(diǎn)為止。當(dāng)在時(shí)間窗口結(jié)束之前達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，元件被關(guān)閉，且控制器可在第三時(shí)間窗口 662的剩余部分里保持休眠狀態(tài)。如果，在此例子中，只有三個(gè)熱元件，則第一時(shí)間窗口可以重復(fù)，由附圖標(biāo)記670來表示。在此，再一次，第一兀件的電阻672開始時(shí)低于第一兀件設(shè)定點(diǎn)674。然而,從時(shí)間窗口 650的最后一個(gè)起點(diǎn)開始，第一兀件已經(jīng)加溫。因此，第一兀件的電阻672最終在時(shí)間窗口 670結(jié)束之前在點(diǎn)676處達(dá)到第一設(shè)定點(diǎn)674。第一元件已保留了部分來自其最后一次激活的能量，所施加的電力足以在時(shí)間窗口 670結(jié)束之前到達(dá)設(shè)定點(diǎn)并關(guān)閉。因此，控制器可在時(shí)間窗口 670的其余部分內(nèi)或在預(yù)定義的時(shí)間延遲之后保持休眠狀態(tài)，預(yù)定義的時(shí)間延遲直接導(dǎo)致第二元件的時(shí)間窗口產(chǎn)生。然后，各種時(shí)間窗口將基于每一個(gè)熱元件和環(huán)境影響的條件重復(fù)。
[0074]控制方法顯示三個(gè)正TCR調(diào)諧層加熱元件在各種熱條件下的性能。盡管可以使用其他實(shí)施方案，但是例如，負(fù)TCR加熱元件在這種情況下，設(shè)定點(diǎn)將會(huì)從較高的電阻水平被接近?？刂频姆椒ㄊ峭ㄟ^計(jì)算在時(shí)間窗口內(nèi)分配給每一個(gè)元件的電阻來實(shí)現(xiàn)的，所述電阻利用當(dāng)元件被通電時(shí)所獲得的電壓和/或電流信息來分配。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，只要電力分別由已知的電壓或電流源來提供，元件電阻就可以通過只測(cè)量電流或電壓來推斷。使加熱元件通電增加其溫度，且因此，當(dāng)其被有源供電時(shí)，其電阻增大。利用先前獲得的校準(zhǔn)信息，將采樣且有源電阻與加熱元件的先前分配的設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較。只要電阻保持低于所分配的設(shè)定點(diǎn)，元件就保持通電，直到所分配的時(shí)間窗口結(jié)束為止；或者，如果元件電阻大于或高于其目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)電阻，則元件被立即關(guān)閉并在分配的時(shí)間窗口的剩余部分內(nèi)保持關(guān)閉。每一個(gè)元件按順序進(jìn)入主動(dòng)狀態(tài)，然后循環(huán)重新開始，并不斷重復(fù)。
[0075]時(shí)間窗口不必是固定的持續(xù)時(shí)間。系統(tǒng)消耗每一個(gè)元件的足夠的能量，使得第一次測(cè)量所需的最小“接通持續(xù)時(shí)間(On-time) ”沒有貢獻(xiàn)比在元件再次進(jìn)入主動(dòng)狀態(tài)之前可由系統(tǒng)消散更多的能量，且在最大“接通持續(xù)時(shí)間”過程中提供足夠的能量就足夠了，使得控制系統(tǒng)的每一個(gè)元件的平均溫度可升高以在其活動(dòng)窗口內(nèi)承擔(dān)控制。當(dāng)調(diào)諧層中的所有加熱元件在其分配的時(shí)間窗口內(nèi)一貫地達(dá)到其個(gè)別設(shè)定點(diǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)控制?？刂频男适峭ㄟ^選擇調(diào)諧加熱器層的最小設(shè)定點(diǎn)范圍、充足的供電、很短的時(shí)間窗口持續(xù)時(shí)間、快速采樣和最小所需元件數(shù)目來實(shí)現(xiàn)的。
[0076]現(xiàn)在參照?qǐng)D7a，提供了另一種用于控制熱陣列的方法。所述方法開始于框710，其中，算出每個(gè)模式的電阻設(shè)定點(diǎn)，以及每一個(gè)熱元件的電力命令。在框712中，確定每個(gè)模式的時(shí)間段。在框714中，模式被設(shè)置為第一模式或初始模式。在框716中，控制器將當(dāng)前模式應(yīng)用于加熱器陣列。在框718中，控制器等待繼續(xù)供電的時(shí)間段結(jié)束，如所述模式所定義的。在框720中，模式被遞增。在框722中，控制器確定當(dāng)前模式是否是序列的最后一個(gè)模式。如果當(dāng)前模式不大于序列中的模式總數(shù)，所述方法沿著線724到框716，在此應(yīng)用當(dāng)前模式，且所述方法繼續(xù)。
[0077]再次參照框722，如果當(dāng)前模式大于序列中的模式總數(shù)，則所述方法沿著線726到框728。在框728中，控制器確定系統(tǒng)是否需要確定熱元件的溫度，例如，通過測(cè)量熱元件的特性?？刂葡到y(tǒng)可以基于包括預(yù)定數(shù)目的序列的各種算法、基于時(shí)間周期或者基于識(shí)別出的環(huán)境特性來測(cè)量熱特性。如果確實(shí)需要測(cè)量溫度，則所述方法沿著線734到框736，其中溫度按照本申請(qǐng)中別處所述那般確定。接著，所述方法沿著線738到框732?？蛇x擇地，如果不需要在框728中測(cè)量溫度，則所述方法沿著線730進(jìn)行到框732。在框732中，控制器等待直到所分配的序列時(shí)間已經(jīng)過去了。可能對(duì)系統(tǒng)重要的是等待所分配的序列時(shí)間，否貝U，附加的熱量可能比預(yù)期更快地添加到系統(tǒng)中，這可能會(huì)危及算法的穩(wěn)定性。然后，所述方法前進(jìn)到框740。
[0078]在框740中， 控制器基于測(cè)量確定電力命令是否發(fā)生了變化。因此，算法，諸如PID算法，基于由控制器在框736中執(zhí)行的測(cè)量值來調(diào)整電力命令，如框742中所示。在框742中，算法可確定調(diào)整后的電力命令，并向框740提供電力命令已經(jīng)改變的信息。如果電力命令在框740中已經(jīng)發(fā)生了改變，則所述方法沿著線746到框712，其中每個(gè)模式的時(shí)間周期被重新計(jì)算。然后所述方法繼續(xù)。如果系統(tǒng)特性沒有改變，則所述方法沿著線744到框714，其中控制系統(tǒng)重置為第一模式，所述方法繼續(xù)進(jìn)行。
[0079]提供了一種具有四個(gè)節(jié)點(diǎn)750以及六個(gè)熱元件752的系統(tǒng)的一個(gè)具體的例子，如圖7b中所示。多并聯(lián)陣列可由連接到多個(gè)加熱器的η線電源接口組成，使得每個(gè)可能配對(duì)的控制線之間連接單個(gè)加熱器。可以很容易地解釋，可以以這種方式連接的加熱器的數(shù)目等于 η (η-1) /2。
[0080]關(guān)于圖7b所討論的設(shè)計(jì)假設(shè)一種歸一化的系統(tǒng)，其中，加熱器電阻均為I歐姆，且控制線在I伏特，O伏特下驅(qū)動(dòng)，或者是開路(高阻抗)。然而，該系統(tǒng)可以使用這里所提出的方程式來縮放至具有其它電壓和電阻的系統(tǒng)。
[0081]在一種實(shí)施方案中，該方法將控制分為兩個(gè)部分，即，一個(gè)恒定部分和一個(gè)偏差部分，其中，所有加熱器的恒定部分是相同的，且所有加熱器的偏差部分是相同的且對(duì)稱的。可以在控制中提供更大靈活性的其它控制分區(qū)是可能的。例如，可將系統(tǒng)劃分為兩個(gè)不同的恒定部分和一個(gè)偏差部分，允許兩個(gè)不同的控制區(qū)域處于不同的平均功率電平下。并且，可將系統(tǒng)劃分為一個(gè)恒定部分和兩個(gè)偏差部分，以在加熱器的子集中達(dá)到更大范圍的控制。注意，無論如何劃分，仍可以應(yīng)用控制向量，其中可以違反對(duì)c的約束條件，且即使不能保證穩(wěn)定控制，控制也是可能的。
[0082]在該方法的一種實(shí)施方案中，保持不同組的控制常數(shù)可以是有利的，且在它們之間動(dòng)態(tài)切換以使系統(tǒng)行為能更好地與不同的操作條件匹配。
[0083]可以為該系統(tǒng)構(gòu)造模式表?？捎?jì)算用于每個(gè)電源和加熱器，用于電力應(yīng)用到陣列的每個(gè)唯一組合的功率。這些值可以存儲(chǔ)在模式(mode)表中。
[0084]以下是4節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的模式表?！皀an”所在位置指示開路線路。例如，Mode#ll接地連接在Vl和V4 (產(chǎn)生零功率)，電源連接在V3 (產(chǎn)生2.67瓦特)，且V2為開路。
【權(quán)利要求】
1.一種熱系統(tǒng)，其包含: 多個(gè)熱元件； 具有多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的控制系統(tǒng)，其中所述多個(gè)熱元件的第一熱元件和第二熱元件連接在第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間，第一熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第一極性激活，而第二熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第一極性停用；第一熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第二極性停用，而第二熱元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第二極性激活。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中單向電路與所述多個(gè)熱元件中的每一個(gè)熱元件電串聯(lián)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中單向電路包含硅控整流器SCR。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中單向電路包含二極管和齊納二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中SCR的陽極連接到所述二極管的陽極，所述二極管的陰極連接到所述齊納二極管的陰極，且所述齊納二極管的陽極連接到SCR的柵極。
6.根據(jù)權(quán) 利要求4所述的系統(tǒng)，其中SCR的陽極連接到所述齊納二極管的陰極，所述二極管的陽極連接到所述齊納二極管的陽極，且所述二極管的陰極連接到SCR的柵極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)熱元件中的一個(gè)熱元件連接在每對(duì)電力節(jié)點(diǎn)之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中單向電路與所述多個(gè)熱元件中的每一個(gè)熱元件電串聯(lián)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)被配置成選擇性地施加激活電壓、回復(fù)電壓和開路條件給所述電力節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)被配置成定義多個(gè)控制模式，每一個(gè)控制模式被配置成使所述多個(gè)熱元件中的至少一個(gè)熱元件通電。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)被配置成確定所述多個(gè)控制模式中的哪組控制模式將每一個(gè)熱元件驅(qū)動(dòng)到每個(gè)模式的預(yù)定義的設(shè)定點(diǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述熱元件是耗散元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述熱元件是電阻元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述熱元件由具有溫度依賴性電阻的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)被配置成測(cè)量電阻元件的電阻以計(jì)算電阻元件的溫度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)包含用于每個(gè)模式的一對(duì)晶體管，該對(duì)中的第一晶體管被配置成將節(jié)點(diǎn)連接到電源，該對(duì)中的第二晶體管被配置成將節(jié)點(diǎn)連接到回路，其中分流器連接在回路和第二晶體管之間或電源和第一晶體管之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)被配置成測(cè)量所述分流器兩端的電壓或經(jīng)過所述分流器的電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中第一和第二晶體管為場(chǎng)效應(yīng)晶體管，且第一晶體管的漏極連接到電源電壓，且第一晶體管的源極連接到節(jié)點(diǎn)，第二晶體管的漏極連接到節(jié)點(diǎn)，且第二晶體管的源極連接到回路。
19.一種熱系統(tǒng),其包含:多個(gè)熱元件；以及 具有多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的控制系統(tǒng)，其中所述多個(gè)熱元件被組織成多個(gè)組，所述多個(gè)組包括至少第一組和第二組，每個(gè)組包括至少第一、第二、第三和第四熱元件，每個(gè)組中的第一熱元件與第一極性的單向電路串聯(lián)且每個(gè)組中的第二熱元件與第二極性的單向電路串聯(lián)，每個(gè)組中的第三熱元件與第一極性的單向電路串聯(lián)，且每個(gè)組中的第四熱元件與第二極性的單向電路串聯(lián)，第一組中的每一個(gè)熱元件被連接到第一節(jié)點(diǎn)，第二組中的每一個(gè)熱元件被連接到第二節(jié)點(diǎn)，第一組中的第一和第二熱元件和第二組中的第一和第二熱元件被連接到第三節(jié)點(diǎn)，第一組中的第三和第四熱元件和第二組中的第三和第四熱元件被連接到第四節(jié)點(diǎn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)被配置成將第一節(jié)點(diǎn)連接到電源，且將第三節(jié)點(diǎn)連接到電源回路，以使第一組中的第一熱元件通電。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)被配置成將第一節(jié)點(diǎn)線連接到電源回路，且將第三節(jié)點(diǎn)連接到電源回路，以使第一組中的第二熱元件通電。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)被配置成將第一節(jié)點(diǎn)連接到電源，且將第四節(jié)點(diǎn)連接到電源回路，以使第一組中的第三熱元件通電，而且其中控制系統(tǒng)被配置成將第一節(jié)點(diǎn)連接到電源回路，且將第四節(jié)點(diǎn)連接到電源，以使第一組中的第四熱元件通電。
23.—種加熱器，其包含: 基板； 基底加熱器，其固定到所述基板上； 襯底，其固定到所述基底加熱器上； 調(diào)諧加熱器，其固定到所述襯底上，所述調(diào)諧加熱器包含多個(gè)加熱器元件； 卡盤，其固定到所述調(diào)諧加熱器上；以及 具有多個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的控制系統(tǒng)，其中所述多個(gè)加熱器元件的第一加熱器元件和第二加熱器元件連接在第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間，第一加熱器元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第一極性激活，而第二加熱器元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第一極性停用，第一加熱器元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第二極性停用，而第二加熱器元件由第一節(jié)點(diǎn)相對(duì)于第二節(jié)點(diǎn)的第二極性激活。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中單向電路與所述多個(gè)加熱器元件中的每一個(gè)加熱器元件電串聯(lián)連接。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中單向電路包含硅控整流器SCR。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中SCR的陽極連接到二極管的陽極，所述二極管的陰極連接到齊納二極管的陰極，且所述齊納二極管的陽極連接到SCR的柵極。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中SCR的陽極連接到所述齊納二極管的陰極，所述二極管的陽極連接到所述齊納二極管的陽極，且所述二極管的陰極連接到SCR的柵極。
【文檔編號(hào)】H05B1/02GK103918347SQ201280052543
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月30日
【發(fā)明者】卡爾·T·斯汪森, 菲利普·S·施密特, 約翰·F·萊姆克 申請(qǐng)人:沃特洛電氣制造公司