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超精密装备恒温气浴关键技术研究

作　者: 陆叶盛
导　师: 谭久彬
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 光刻机恒温气浴气浴板 PID控制
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

以步进扫描光刻机为代表的大型超精密加工、测量装备在现代工业生产及科学研究过程中扮演着及其重要的角色。作为现代大规模集成电路加工制造的核心装备，光刻机具有极高的技术集成度，其中以直线电机、音圈电机为代表的运动部件的定位精度和以激光干涉仪为代表的测量装置的测量精度都达到纳米级，对环境参数特别是温度极其敏感，需要环控技术来保证其纳米级精度。同时在超精密测量领域中，以纳米三坐标测量机和激光干涉仪为代表的超精密测量装备也因其纳米级的测量精度对使用环境和装备本身内部微环境控制有一定的需求。本课题“超精密装备恒温气浴关键技术研究”针对上述应用背景，研制一种可用于激光干涉仪光路稳定以及其相关镜组和装卡件温度控制的高精度恒温气浴装置。并主要完成如下工作：分析了激光干涉仪工作时来自外界环境的不利于干涉仪光路稳定的干扰因素，并根据Edlen公式着重分析了引起空气折射率变化的各项原因，最终确认环境参数中温度参数为主要干扰项；同时，分析了用以消除这些干扰所需的各功能模块，并计算了相关参数，主要包括加热、制冷等核心单元；最后根据上述分析得到的结论，设计了以高精度恒温空气处理模块和基于多层板式结构的气浴均流模块为核心的恒温气浴系统的方案；在此基础上，结合课题应用背景，分析了温度控制策略和算法，并在系统控制策略上选用了加热、制冷同时进行的双向微调方案，较好的抵消了加热、制冷单元各自的热惯性，提高了系统控制精度，还研究了用于恒温气浴系统闭环控制的PID算法及其参数整定方法。根据恒温气浴系统方案，设计并研制了高精度空气处理模块，通过风机、热交换器、均流板、电加热器等关键部件的组合实现了恒温气浴，并通过理论计算得到加热单元理论控制分辨力约为0.019°C、制冷单元的理论控制分辨力为0.004°C。同时，分析了等风量送风的相关技术，设计并加工了基于多层板式结构的气浴均流模块（气浴板），采用了楔形腔体结构和均流膜来实现气浴均匀输出，同时利用ANSYS软件对气浴板气浴均匀性进行了仿真分析。最后，本文搭建了恒温气浴系统实验平台，并在该平台上完成了系统的调试和功能指标验证性实验，实验结果表明：本课题所设计加工的恒温气浴系统达到课题目标。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第1章绪论  8-19
  1.1 课题背景及研究目的和意义  8-9
  1.2 超精密装备环控技术国内外研究现状  9-15
    1.2.1 超精密加工装备环控技术研究现状  9-14
    1.2.2 超精密测量装备环控技术研究现状  14-15
  1.3 高精度循环水温度控制技术研究现状  15-17
    1.3.1 压缩机制冷式循环水机技术研究现状  15-16
    1.3.2 半导体制冷式循环水机技术研究现状  16-17
  1.4 课题来源及主要研究内容  17-19
第2章恒温气浴系统总体方案设计  19-31
  2.1 引言  19
  2.2 恒温气浴系统总体方案设计  19-20
  2.3 恒温气浴系统需求分析  20-27
    2.3.1 空气折射率稳定影响因素分析  20-23
    2.3.2 加热单元需求分析  23-25
    2.3.3 制冷单元需求分析  25-27
    2.3.4 气浴均匀与流量稳定调节需求分析  27
  2.4 恒温气浴系统控制策略和算法研究  27-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章高精度空气处理模块研制  31-44
  3.1 引言  31
  3.2 空气处理模块方案设计  31-32
  3.3 风机选型及保温壳体设计  32-35
    3.3.1 风机选型  32-34
    3.3.2 空气处理模块保温壳体设计  34-35
  3.4 基于电加热的气浴加热单元设计  35-37
    3.4.1 加热单元结构、功率设计  35-36
    3.4.2 加热单元控制精度设计  36-37
  3.5 基于翅片式换热结构的气浴制冷单元设计  37-40
    3.5.1 制冷单元结构、功率设计  37-39
    3.5.2 制冷单元控制精度设计  39-40
  3.6 空气均流和风量流量调节单元设计  40-42
    3.6.1 均流单元设计  40-41
    3.6.2 风量调节单元设计  41-42
  3.7 本章小结  42-44
第4章基于多层板式结构的气浴均布模块研制  44-53
  4.1 引言  44
  4.2 气浴均匀分布方案分析设计  44-46
  4.3 气浴均匀性仿真分析  46-48
  4.4 温气浴均匀输出模块结构设计  48-52
  4.5 本章小结  52-53
第5章实验  53-58
  5.1 引言  53
  5.2 实验装置与环境条件  53-54
  5.3 恒温气浴系统气浴温度稳定性测试实验  54-56
  5.4 恒温气浴系统最大降温能力实验  56
  5.5 恒温气浴系统最大升温能力试验  56-57
  5.6 气浴流速、稳定性、均匀性测试  57
  5.7 本章小结  57-58
结论  58-60
参考文献  60-64
致谢  64

超精密装备恒温气浴关键技术研究

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