摘要：本文根据客户要求介绍了CVD升级改造管式炉真空控制系统的过程，分析客户使用情况CVD目前国内管式炉真空控制系统存在的问题CVD和PECVD管式炉很常见。本文还详细介绍了改造后真空压力控制系统的工作原理、结构及相关部件参数，大大提高了改造后真空压力控制的精度。
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一、背景介绍
顾客订了一个CVD制作小尺寸材料的管式炉，CVD如图1所示。CVD由于真空压力控制不准确、不稳定，在工艺过程中不能保证材料的质量和重复性，材料性能波动较大。为了解决这个问题，客户建议CVD升级管式炉的真空控制系统。
通过分析图1所示CVD管式炉的整体结构发现真空压力控制效果差的主要原因是管式炉的真空控制系统存在以下严重问题，目前国内存在CVD和PECVD管式炉常见。
(1)真空计选择不合理:绝大多数CVD和PECVD管式炉的真空控制范围一般为1Pa~0.1MPa(绝对压力)，需要精确控制真空度。客户购买CVD管式炉(包括其他品牌产品)配备了皮拉尼计和皮拉尼，以节约成本 但这种组合式电容真空计是10kPa~95kPa范围内的精度只有±5%，0.1Pa~10kPa范围内的精度变为±15%，比单纯的薄膜电容真空计的全量程±0.25%的精度差异太大。合理的选择是使用简单的薄膜电容真空计，需要配置两个真空计来测量和控制整个真空范围。
(2)控制方法错误:1Pa~0.1MPa(绝对压力)范围内的真空度控制需要采用上下游控制模式来达到良好的控制精度。例如，在1Pa~1kPa上游控制模式用于固定真空泵的泵速，只调节上游进气流量；1kPa~0.1MPa采用下游控制模式，即固定上游进气流量，只调节下游排气流量。客户使用的CVD管式炉只采用上游控制模式调节进气流量，必然导致1kPa~0.1MPa范围内的真空度控制波动性很大，造成工作气体的极大浪费。
(3)多比例混合气体控制结构错误:CVD在工艺中，反应气体是按比例配置的各种工作气体混合物。CVD管式炉中采用了4只气体质量流量计来配置工作气体，但质量流量计只能保证气体混合比的准确性而无法对真空度进行准确控制，除非是单一气体则可以通过一个质量流量计来调节进气流量来实现真空度控制。
综上所述，客户购买的CVD管式炉存在严重影响真空度控制精度的问题。本文将详细介绍解决这些问题的具体方法和升级的细节。改造后的真空度控制系统可以在整个范围内控制精度±1%。
二、升级改造技术指标
对客户的CVD升级管式炉真空控制系统，所需技术指标如下：
(1)真空度控制范围:1Pa~0.1MPa(绝对压力)。
(2)真空控制精度:±1%(全程范围)。
(3)控制形式:定点控制和曲线控制。
(4)输入形式:编程或手动。
（5）PID参数：自整定。
三、技术方案升级改造
客户4通道进气CVD为实现真空控制系统的上述技术指标，管式炉采用的技术方案如图2所示。
如图2所示，升级改造的技术方案主要在以下几个方面进行了改变：
(1)还保留了皮拉尼真空计来粗略测量真空度，更重要的是，皮拉尼计可以覆盖0.001Pa~1Pa超高真空监控。Pa~0.1MPa在真空范围内，两个薄膜电容真空计分别覆盖1Pa~1kPa和10kPa~0.1MPa，以提高CVD工艺过程中的真空度测量精度。
（2）对于1Pa~0.1MPa(绝对压力)范围内的真空度控制采用上下游控制模式，实现更高的控制精度。例如，在1中Pa~1kPa上游控制模式用于固定真空泵的泵速，只调节上游进气流量；1kPa~0.1MPa采用下游控制模式，即固定上游进气流量，只调节下游排气流量。
(3)混合工作气体的比例多种多样CVD该过程继续保留4个气体质量流量控制器，以实现工作气体的准确混合，但精确混合的气体进入缓冲罐。缓冲罐中的气体进入CVD管式炉的流量由电针阀调节，既能保证工作气体的准确混合比，又能实现上游进气流量的精确调节。
(4)实现下游控制模式CVD在管式炉的排气口处增加一个电动针阀，其作用是调节排气流量。下游控制模式在CVD这个过程非常重要，可以保证1kPa~0.1MPa精确控制范围内的真空度。如果在1kPa~0.1MPa采用上游控制模式，一方面真空度控制波动过大，另一方面会无效损失大量工作气体。
(5)真空度的控制精度不仅受到真空计测量精度和电动针阀调节精度的影响，还受到真空计测量精度的影响PID严重限制了控制精度。因此，在技术方案中选择了24位AD和16位DA的高精度PID具有定点和可编程控制功能的控制器PID参数可自行整定，以便准确确定控制参数。
（6）由于采用两个高精度电容真空计测量整个范围的真空度，在实际真空度控制过程中，需要根据不同范围选择相应的电容真空计并进行真空度控制。因此，这需要PID两个真空计之间的自动切换功能需要控制器。
（7）在CVD和PECVD上下游两种控制模式用于管式炉真空度控制系统升级改造方案，这就要求PID控制器还具有正向和反向操作功能，也可以使用两个通道同时工作PID控制器，通道对应电针阀。
四、总结
客户4通道进气CVD存在管式炉CVD真空度控制严重不稳定的问题分析了真空度控制不稳定的主要原因是真空测量精度不足、控制方法不正确、各种工作气体混合结构不正确。
为解决上述问题，本文提出了相应的升级改造技术方案，更换了精度较高的薄膜电容器真空计，采用了控制精度较高的上下游控制方法，在各种气体混合管道上增加了缓存罐，采用了调节控制精度较高的电针阀和2通道PID控制器。升级后的真空控制系统可在全程真空范围内(1Pa~0.1MPa）内实现±控制精度和稳定性的1%。