CN101137947A - 卡盘系统中用于控制温度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种控制热卡盘系统的温度的装置和方法。所述系统包括控制热卡盘中的温度转换的温度控制器。所述温度控制器包括分别从空气源和水源接收空气和流体的输入，以及用于将空气和流体按比例交替传递至热卡盘的输出。时间比例控制器通过计算多个控制区的每一个控制区中的比例带产生比例。温度控制器使用所述比例带以管理流至卡盘的空气和流体的流量，从而实现温度转换的下冲最小。

Description

卡盘系统中用于控制温度的装置和方法

相关申请

本发明要求于2005年3月4日提交的美国临时专利申请No.60/658,452以及于2005年4月8日提交的美国临时专利申请No.60/669,685的优先权，其内容全部结合于此作为参考。

背景技术

集成电路经受一系列的测试和评价步骤以保证最高的质量。这对于半导体工业特别重要，其中在实施比较昂贵的封装步骤之前筛选有缺陷的晶圆是很重要的。一项重要的测试步骤就是对晶圆进行温度筛选。热卡盘用于在温度筛选过程中提供精确的温度控制。在一个典型的结构中，热卡盘将晶圆保持在固定位置，同时晶圆在一段预定时间内经受极高的温度变化。例如，需要将晶圆暴露在高温下并且突然地暴露在极低温度下。因此，重要的是，热卡盘被配置为在尽可能最短的时间内支持温度从高热卡盘温度转换到低热卡盘温度，所述低热卡盘温度也称为设置点温度；或者反之亦然，从低热卡盘温度转换到高热卡盘温度。

典型的传统热卡盘系统通过利用放大器将固定增益应用于卡盘加热器(用于提高卡盘温度)，或应用于制冷剂循环系统(用于降低卡盘温度)来控制这种温度转换。但是，当从非常高的温度，例如200℃以上的温度，突然转换到所需的较低温度，例如25℃左右，这种固定增益法不可行。虽然传统热卡盘系统可以包括制冷剂循环系统以降低卡盘温度，但由于温度突然降低，特别是从高温下降，将造成严重下冲，即，降到设定点温度以下，从而阻碍温度控制精度并增加在所需设定点温度达到稳定状态所需的时间。

发明内容

为了解决上述局限性，本发明的一个特征是提供一种温度控制系统以及用于控制热卡盘中的温度的方法，从而提高温度控制精度以及提高效率，并减小温度冷却操作过程中的下冲。

根据本发明的一个方面，提供一种温度控制器，用于管理热卡盘中的温度转换，所述温度转换既可以从高温到低温，也可以从低温到高温。另外，所述温度控制器可以同时执行加热和冷却操作以达到最小化下冲的所需效果。

所述温度控制器通过使用时间比例控制来管理温度转换。特别是，所述温度控制器包括时间比例控制器。所述时间比例控制器包括增益排程器以及占空比调度程序机以确定在预定时间内交替输出至热卡盘的空气和流体的最佳比例。在预定时间或时间间隔内流体，例如水，以及空气被提供至卡盘的时间比例，是时间间隔的流体占空比。通过确定温度转换开始时的实际卡盘温度(称为测量温度)，与所需温度(也称为设定点温度)的差别，所述增益排程器在温度转换开始时产生比例带和转换增益。所述时间比例控制器根据从比例带和转换增益计算出的占空比来控制一组空气和流体阀。

随着温度转换过程中的温度降低，被测温度与所需温度之间的偏差以及由此得到的占空比也将减小。所述时间比例控制器将控制空气和流体阀的值，从而适当比例的空气和流体在每个预定周期内被提供至卡盘。当被测温度在小的预定温度范围内，该温度范围被称为死区温度范围，则增益程序机将停止计算占空比，并且为了达到所需的最小化下冲效果，将执行不同组的计算以及二次控制动作。

本发明的一个特征是所述时间比例控制器能够在温度转换过程中提供适当的空气和流体比例，并执行受控的冷却操作和加热操作以保证下冲最小化。

本发明的另一个特征是所述时间比例控制器由卡盘温度范围形成多个控制区。每个控制区具有相关的控制方法，所述控制方法可以包括增益排程器，所述增益排程器在温度转换开始时计算专属于控制区的比例带。在这种方式下，本发明解决各个控制区出现的某些固有温度状态。

根据本发明的一个方面，提供一种用于卡盘的温度控制系统，包括用于接收来自空气源的空气的第一输入，用于接收来自流体源的流体的第二输入，以及至少一个用于将空气和流体按比例交替传递至卡盘以控制卡盘的表面温度的输出。

所述流体可以包含水并且可以是受温度控制的。

在一个实施例中，所述温度控制系统还包括第一温度控制系统，用于控制表面温度的升高，以及第二温度控制系统，用于控制表面温度的降低。表而温度的降低通过在预定时间内改变空气和流体的比例来控制。所述第二温度控制系统包括低温工序以及用于管理多个控制区之间温度转换的控制器工序。

根据本发明的另一个方而，提供一种热卡盘系统，包括第一输入、第二输入、至少一个输出、第一温度控制系统和第二温度控制系统。所述第一输入接收来自空气源的空气。第二输入接收来自流体源的温控流体。所述至少一个输出将空气和流体按比例交替传递至热卡盘。所述第一温度控制系统控制表面温度的升高。所述第二温度控制系统通过在预定时间周期内改变空气和流体的比例来控制表面温度的降低。所述第二温度控制系统包括低温工序以及用于管理多个控制区之间的温度转换的控制器工序。所述流体可以包含水。

在一个实施例中，所述热卡盘是200mm卡盘。在另一个实施例中，所述热卡盘是300mm热卡盘。

在一个实施例中，热卡盘系统还包括阀控制箱和时间比例控制器。阀控制箱包括用于输出空气的空气阀以及用于输出温度受控流体的流体阀。所述流体阀可以是高流量电磁阀和低流量电磁阀中的至少一个。所述空气阀和流体阀响应于控制器而以交替方式输出空气和流体。所述阀控制箱还可以包括用于提供基底冷却的基底空气阀。

在一个实施例中，时间比例控制器包括接口、控制区处理器、控制器工序和低温工序。所述接口接收来自热卡盘的测量温度信息。所述控制区处理器限定多个控制区和多个低温区。所述控制器工序处于每个控制区中。所述低温工序处于每个低温区中。

所述控制区处理器可以通过温度边界来限定每个控制区和低温区。在这种方式下，当第一温度处于多个控制区的第一控制区时，所述第一控制区的第一控制器工序调节空气和流体的比例，并且当第一温度转换为第二控制区的第二温度时，所述第二控制区的第二控制器工序调节空气和流体的比例。第一控制区和第二控制区可以相同。另外，所述第一控制区和第二控制区也可以是多个控制区中的不同控制区。

在一个实施例中，第二控制区的死带区为第二温度提供近似的温度区，并且第二控制器工序控制死带区以减小从第一温度到第二温度的转换过程中的下冲。第二控制器工序可以通过按比例交替第一空气输入和第二流体输入来减小下冲。另外，第二控制器工序可以通过停止第一空气输入和第二流体输入来减小下冲。温度传感器可以为热卡盘系统提供卡盘温度测量。

在一个实施例中，每个控制器工序包括增益调度程序，所述增益调度程序用于计算预定周期中的比例带。所述比例带可以确定在中输入至卡盘的空气和流体的比例。所述比例带响应于卡盘温度测量而被计算得出。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于控制热卡盘的时间比例控制器。所述控制器包括接口、控制区处理器、控制器工序和低温工序。所述接口接收来自热卡盘的测量卡盘表面温度。所述控制区处理器限定多个控制区和低温区。所述控制器工序处于每个控制区中，并控制控制区与低温区的温度之间的转换。以及控制用于每个低温区的低温工序。

在一个实施例中，每个控制区的控制器工序包括用于计算多个控制区的每一个中的比例带的增益调度程序。所述比例带可以确定在预定周期内输入至热卡盘的空气和流体的比例。每个控制区的控制器工序还包括用于确定每个控制区中死带温度范围，并用于减小在温度转换过程中形成的下冲的死带模式。每个控制区和低温区可以通过温度边界被分开。当测量温度处于死带温度范围时，所述控制器可以通过停止将预定周期中空气和流体成比例输入来将下冲最小化。

在另一个实施例中，当测量温度低于所需温度时，控制器控制加热器以使测量温度转换为所需温度。

在一个实施例中，当测量温度高于所需温度时，控制器控制多个阀以将测量温度转换为所需温度。

根据本发明的另一个方而，提供一种用于控制卡盘温度的方法。在此方法中，从空气源接收空气，从流体源接收流体。所述空气和流体按比例交替传递至卡盘。所述流体的温度可以被控制。

在一个实施例中，卡盘表面温度的升高是受控的，并且表面温度的下降通过在预定周期中按比例交替空气和流体来控制。温度转换可以在多个控制区得到管理。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于控制卡盘温度的方法。在此方法中，从空气源接收空气，从流体源接收温度受控流体。所述空气和流体按比例交替传递至卡盘。卡盘温度的升高是受控的。卡盘温度的下降通过在预定周期中按比例交替空气和流体来控制。在多个控制区中的温度转换得到管理。所述空气和流体响应于时间比例控制器而能够以交替方式输出。

测量温度信息可以从卡盘接收。

所述多个控制区和低温区可以通过温度边界来限定。

在一个实施例中，当第一温度处于第一控制区时，调节多个控制区的第一控制区中的空气和流体比例，其中当第一温度被转换为第二控制区的第二温度时，调节第二控制区中的空气和流体比例。

所述第一控制区和第二控制区可以是相同的。另外，所述第一控制区和第二控制区也可以是多个控制区中的不同控制区。

在一个实施例中，近似温度区被作为用于第二温度的第二控制区中的死带区提供，并且控制死带区以减小从第一温度到第二温度的转换过程中的下冲。所述下冲可以通过按比例交替空气的第一输入和流体的第二输入而得到减小。另外，所述下冲也可以通过停止空气的第一输入和流体的第二输入而得到减小。

比例带可以在预定周期中计算，所述比例带确定在预定周期中输入至卡盘的空气和流体的比例，所述比例带是响应于卡盘温度测量而得到计算的。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于控制卡盘温度的方法。在此方法中，从热卡盘接收测量卡盘表面温度。多个控制区被限定，每个控制区具有控制器工序，以及每个低温区具有低温工序。控制区和低温区温度之间的转换是受控的。通过计算每个控制区中的比例带来控制温度之间的转换，所述比例带确定预定周期中输入至热卡盘的空气和流体的比例，并且确定每个控制区中的死带温度范围，以及减小在温度转换过程中形成的下冲。每个控制区和低温区可以通过温度边界被分开。当测量温度处于死带温度范围时，通过停止在预定周期中的空气和流体的成比例输入可以将下冲最小化。

在一个实施例中，当测量温度低于所需温度时，控制加热器以使测量温度转换为所需温度。

在一个实施例中，当测量温度高于所需温度时，控制多个阀以使测量温度转换为所需温度。

附图说明

本发明的上述以及其它目的、特征和优点由于本发明优选方面的详细描述将更加显而易见，相同参考符号在不同的附图中表示相同部分。附图不需依照标准比例，重点为表示本发明的原理。

图1为根据本发明一个实施例的热卡盘系统的示意性框图；

图2为根据本发明一个实施例的如图1所示阀控制箱的示意性框图；

图3为根据本发明一个实施例的如图1所示温度控制器的示意性框图；

图4为根据本发明的如图3所示温度控制器执行一系列包括在预定周期内交替空气和流体的控制动作的图；

图5为不具有本发明的增益调度的热卡盘中不同温度下的下冲曲线图；

图6为根据本发明的响应于增益调度程序、占空比调度程序和死带模式的温度下冲曲线图；

图7A为不具有本发明的温度控制法的在热卡盘的冷却操作过程中从多个温度转换得到的下冲曲线图；

图7B为根据本发明的使用温度控制法的在热卡盘的冷却操作过程中从多个温度转换得到的下冲曲线图；

图8为表示根据本发明的出现于多个控制区中的温度转换结果的状态图。

具体实施方式

图1为根据本发明一个实施例的使用温度控制法的热卡盘系统100的示意性框图。所述热卡盘系统100包括热卡盘10、阀控制箱20、温度控制器30和流体源40。所述流体源40可以为现货购买的水冷却器，例如，NeslabM-75^TM水冷却器。所述卡盘10可以安装于主机上，例如晶圆探测器，所述晶圆探测机对晶圆中形成的电路提供电测试信号并检测电路对这些测试刺激信号的响应。因为卡盘10控制晶圆的温度，因此所述电路探测器测试可以在一定温度以上执行以表现电路和/或晶圆在一定温度以上的性能。

本发明涉及并应用于受温度控制的或热半导体晶圆卡盘，其类型描述为，例如，于2004年3月2日授权的名为“Wafer Chuck Having Thermal PlateWith Interleaved Heating and Cooling Elements，Interchangeable Top SurfaceAssemblies and Hard Coated Layer Surfaces”的美国专利No.6,700,099，该专利已转让于天普桑尼克公司(Temptronic Corporation)，其整体引用结合于此。所述热卡盘10在处理过程中将半导体晶圆保持在其位置上，并在测试下为晶圆提供受控温度。所述热卡盘10可以为，例如，用于支撑诸如300mm晶圆和200mm晶圆的半导体晶圆的卡盘。

所述热卡盘10包括加热器11，所述加热器11包括一个或多个电阻加热元件以为热卡盘10提供热量。所述热卡盘10的加热元件通过温度控制器30的加热器电源301(图3)供电，所述温度控制器30通过温度控制器30和热卡盘10之间的导线12为加热元件供电。

所述热卡盘10还包括冷却元件13，所述冷却元件13从阀控制箱20经由流体管21和22接收温度受控流体，例如水，并使流体经由热卡盘10循环。如下所述，阀控制箱20(图2)的高流量电磁阀204和低流量电磁阀205控制流体向热卡盘10的流动。所述流体管21、22将热卡盘10连接至阀控制箱20，由此流体在温度控制操作过程中经由流体管21、22将热量传导至热卡盘10以及从热卡盘10带走热量。当流体从卡盘10带走热量，即冷却卡盘10，所述阀控制箱20接收管22的加热流体，并且加热流体经由管23返回至流体源40。

所述阀控制箱20经由管24从流体源或冷却器40接收温度受控流体。所述阀控制箱20在受控的流速下经由管21将流体循环至卡盘10。所述空气/流体管21将热卡盘10连接至阀控制箱20，从而所述空气和流体经由至少一个空气/流体通道21由阀控制箱20被提供至热卡盘10。所述空气和流体被交替地传递至热卡盘10。在预定周期中，将空气在一部分预定周期内经由空气/流体通道21输入至热卡盘10，将流体在余下的另一部分预定周期内经由空气/流体管21输入至热卡盘10。计算在预定周期内提供至卡盘的流体与空气的比例是本发明控制方法的一部分，从而提供快速、准确和精确受控的温度转换。

位于热卡盘10中的温度测量传感器(未示出)收集热卡盘10中不同位置的测量温度数据，并通过产生RTD测量信号以及经由电信号线15将RTD测量信号输传送至温度控制器30来提供温度反馈。另一根信号线14被连接至温度控制器30中的超温安全处理器。当卡盘的温度超过热卡盘10的最大允许温度时，热卡盘10中的超温传感器(未示出)将信号发送至温度控制器30中的超温安全控制器303(图3)。所述超温安全控制器303被连接至温度控制器30中的安全继电器330，从而加热器电源线的继电器被打开以阻止温度控制器30的加热器电源301进一步为加热元件11供电。此特征详细表示于图3中。

图2为根据本发明一个实施例的阀控制箱20的示意图。所述阀控制箱20包括从空气源(图1)接收空气的输入，例如，简易空气源(未示出)，以及包括来自流体源40的温度受控流体。所述温度受控流体可以是水或冷却流体，或水和冷却流体的混合物。所述流体的温度通过流体源40基于从温度控制器30接收的控制信号进行调节。当所述流体从阀控制箱20传递至热卡盘10时，流体在热卡盘10中循环，由此循环的流体经由流体管21、22从热卡盘10带走热量或将热量带到热卡盘10。在这种方式下，热卡盘10中的晶圆可以通过加热器11暴露在非常高的温度下，例如高达300℃，用于支撑300mm晶圆的卡盘，或者高达400℃，用于支撑200mm晶圆的卡盘，并且可以通过循环流体将晶圆冷却到非常低的温度，例如，5℃。

所述阀控制箱20包括用于从空气源接收空气的压力调节器201。所述压力调节器201可以是，例如，20psi的调节器。可以接收的空气压力为，例如，45psi。空气由调节器201提供至止回阀202，所述止回阀202将被调压的空气再输出至空气电磁阀203。

所述阀控制箱20包括4个电磁阀，用于经过热卡盘系统使流体和空气循环。所述电磁阀包括空气电磁阀203、高流量电磁阀204、低流量电磁阀205和基底冷却电磁阀208。所述空气电磁阀203为卡盘10提供空气，所述高流量电磁阀204和低流量电磁阀205为卡盘10提供流体。所述空气止回阀202从压力调节器201接收空气，并将空气输出至空气电磁阀203。所述止回阀202作为防止来自高流量电磁阀204或低流量电磁阀205的流体到达压力调节器201的安全特征。所述空气电磁阀203包括控制输入，所述控制输入用于从温度控制器30接收控制信号以控制电磁阀203的打开和关闭。在这种方式下，来自空气电磁阀203的空气经由阀控制箱20的空气/流体通道25输出至热卡盘10，再经由热卡盘的空气/流体通道21提供至热卡盘。

所述低流量电磁阀205从低流量口206接收温度受控流体，该低流量口206从高流量口207接收温度受控流体。在一个实施例中，所述低流量口206将流体的流速控制在150ml/min，所述高流量口207将流体流速控制在600ml/min。所述高流量口207从流体源40与阀控制箱20的高流量口207之间的流出通道24接收温度受控流体。

高流量电磁阀204也可以从高流量口207接收温度受控流体。在这种方式下，所述高流量电磁阀204或低流量电磁阀205可以响应于来自温度控制器30的电磁阀控制信号的状态而为热卡盘10提供高流量流体或低流量流体，上述电磁阀控制信号是基于温度控制器30处理的一套条件确定的。

基底冷却电磁阀208使空气冷却连接到热卡盘10与主机，例如晶圆探测机之间的基底，以及阻止此连接。在一个实施例中，所述温度控制器30启动基底冷却电磁阀208，因此，如果卡盘温度超过热卡盘温度区的温度边界，例如60℃，则基底冷却电磁阀208处于“开”的状态。所述基底冷却电磁阀208将空气提供至热卡盘10下面的基底以防止或减小卡盘和主机之间的潜在破坏性热流。

所述阀控制箱20还包括流体水平开关209。所述流体水平开关209检测温度受控流体的水平，并在流体低于门槛水平时给出指示以指示必须向流体贮存器添加流体。所述流体水平开关209还可以指示缺少流体，作为互锁以防止系统在没有流体时工作。

所述阀控制箱20还包括空气存在开关210。所述空气存在开关210用作安全特征。例如，如果热卡盘中存在压缩空气，则空气存在开关210关闭。如果空气存在开关210打开，则系统进入失效模式，由此空气电磁阀203、高流量电磁阀204和低流量电磁阀205处于“关”的状态，从而防止阀控制箱20工作。空气可能会缺少，例如，如果简易空气源未连接至阀控制箱20的空气输入。

止回阀211接收经由热卡盘10循环的流体，并使其循环回到流体源40。所述流体经由流体管22从热卡盘10输出至阀控制箱20。特别是，所述止回阀211经由流体管22接收加热的流体，并输出离开卡盘10的流体，从而所述流体不会流回到卡盘。

所述温度控制器30使用串行通讯协议，例如RS-485协议与所述流体源40通讯。所述阀控制箱20包括串行通讯转换器221，将来自温度控制器30的4线RS-485接头220转换为到达流体源40的2线RS-485接头222。

图3为根据本发明一个实施例的温度控制器30的示意性框图。

所述温度控制器30控制热卡盘系统的温度操作，特别是热卡盘的温度加热和冷却操作。所述温度控制器30包括加热器电源301、控制逻辑302、超温安全控制器303、显示器304和键盘305。

所述加热器电源301通过产生电信号经由导线12为热卡盘10的卡盘加热器11提供启动卡盘加热器11所需的电源。加热器11的每个卡盘发热元件可以通过从加热器电源301接收的其本身的电信号得到驱动。所述加热器电源301受到经过加热器电源301和控制逻辑302之间的电连接310而从控制逻辑302接收的电源指令信号的控制。

所述控制逻辑302产生用于控制热卡盘系统100的操作的多个控制信号。所述控制可以通过远程操作者经由所述控制逻辑的IEEE-488或RS-232接口实现，或者通过本地操作者经由连接于温度控制器30的显示器304和键盘305实现。

所述控制逻辑包括第一处理器341、第二处理器342和第三处理器343。所述第一处理器341执行与用户界面操作有关的控制功能，允许使用者由显示器304和键盘305管理热卡盘系统，或者经由远程接口遥控实现，例如IEEE-488或RS-232接口。所述第二处理器342产生与热卡盘系统的加热器11执行的加热操作相关的控制信号。所述第三处理器343使用温度受控流体产生与热卡盘系统温度控制操作相关的控制信号。用户界面操作、温度加热操作和温度冷却操作如下所述。所有三项操作可以在各个单独的处理器341、342、343上执行，或者在一个单一的处理器上执行。

如上所述，通过控制逻辑302的第二控制处理器342执行的操作经由指令信号线310产生电源指令信号，并且在从低温到高温，即卡盘加热操作的温度转换过程中被加热器电源301使用。

参看图2和图3，所述控制逻辑302经由控制信号线321、322、323和326产生多个控制信号，其中所述控制信号用于操作阀控制箱20。特别是，所述控制逻辑302经由连接为阀控制箱20提供几个控制信号以控制所述阀控制箱20的相关阀。另外，所述控制逻辑302经由控制信号线324从阀控制箱的空气存在开关210接收空气存在信号。另外，所述控制逻辑302接收用于指示流体水平低的流体低信号325。所述控制逻辑302还经由RS-485接口与流体源40通讯。当出现流体低状态时，所述空气电磁阀203、低流量电磁阀205和高流量电磁阀204经由控制信号线321、322和323的指令被转到“关”的状态。

参看图2和图3，空气阀控制信号通过控制逻辑302产生，并经由控制信号线321被应用于空气电磁阀203以控制所述空气电磁阀203。例如，所述空气阀控制信号可以启动或者停止所述空气电磁阀203。所述控制逻辑302产生高流量阀信号并经由控制信号线322将其应用于高流量电磁阀以控制所述高流量电磁阀204。例如，所述高流量阀控制信号可以启动或停止所述高流量电磁阀204。所述控制逻辑302产生低流量阀信号并经由控制信号线323将其应用于低流量电磁阀205以控制所述低流量电磁阀205。例如，所述低流量阀控制信号323可以启动或停止所述低流量电磁阀205。另外，所述控制逻辑302产生基底冷却阀信号并经由控制信号线326将其应用于基底冷却电磁阀208以控制所述基底冷却电磁阀208。

所述温度控制器30包括超温安全控制器303，所述超温安全控制器303经由信号线14被连接至热卡盘10中的超温传感器。当卡盘的温度超过热卡盘10的最大允许温度时，热卡盘中的传感器经由信号线14将电阻式温度检测器(RTD)安全信号发送至超温安全控制器303。所述超温安全控制器303被连接至温度控制器30中的安全继电器330以断开继电器330以防止加热器电源301为加热器11更多地供电。

所述温度控制器30包括逻辑电源306，所述逻辑电源306为控制逻辑302和超温安全控制器303供电。

所述温度控制器30还包括用于从外部或远程用户接收温度参数和系统数据的远程接口。所述远程接口遵从国际I/O标准，例如，RS-232或IEEE-488接口协议。所述远程接口可以被连接至远程终端或个人电脑，用户可以据此控制系统。

因此，本地操作者可以使用本地显示器304和键盘305来控制热卡盘系统的操作，或者远程操作者可以遥控热卡盘系统的操作。所述控制逻辑302向显示器304或远程控制台或电脑给出密码保护菜单结构，使操作者限定热卡盘系统的所需温度参数。这些参数包括但不仅限于相关温度范围、冷却水温度、固定增益系数、低流体时间、卡盘清除时间以及基底清除温度。上述数值是可以通过本地显示器304或从连接于IEEE-488或RS-232接口的远程控制台(未示出)设置。

下面将进一步详细地描述本发明的温度控制器30的操作。如上所述，温度控制器30的控制逻辑302从热卡盘系统的各个系统组件接收电输入信号，并根据需要将控制信号传递至系统组件以执行温度控制器30的所需温度控制功能。特别是，根据本发明，所述控制逻辑302产生控制信号并经由导线19将所述控制信号传送至阀控制箱20，从而可以提供适当混合的空气和温度受控流体以执行温度控制，包括温度转换。所述流体可以是水或其它水溶液流体，并且可以包括抗冻剂以容许低温操作。所述流体的温度通过流体源40与温度控制器30一起控制。所述流体以高速率经由阀控制箱20的高流量电磁阀204，或者以低速率经由阀控制箱20的低流量电磁阀205流过热卡盘系统100。在这种方式下，通过控制循环流过热卡盘10的流体温度，由控制逻辑302提供的温度控制动作被最优化。

位于热卡盘10中的温度传感器收集热卡盘不同位置的测量温度数据，并向温度控制器30的控制逻辑302提供温度反馈。

所述温度控制器30使用时间比例控制以执行温度冷却控制功能。特别是，所述控制逻辑302使用时间比例控制器(未示出)以确定在每个温度转换周期过程中流到热卡盘10的空气和流体的最佳比例，并控制流到热卡盘10的空气和流体的流量以相应地开启和停止空气电磁阀203、高流量电磁阀204和低流量电磁阀205。

所述时间比例控制器包括用于在温度转换开始时由测量的卡盘温度计算比例带的增益调度程序。所述比例带通过固定增益值、初始测量温度和卡盘温度范围确定。所述固定增益值基于流体可能在初始测量温度的温度区在卡盘中展现的某些行为。例如，当水被转变为蒸汽时，由于水沸腾带走大量的热量，因此与低于沸点的温度相比，在沸点以上的温度可以在给定点从卡盘上及时带走较多的热量。所以，在每种情况下固定增益常数是不同的。

所述增益调度程序也可以由比例带计算固定转换增益常数，此比例带用于计算温度转换时每个周期或间隔的占空比。

所述占空比也称为调制流体，即水、脉冲宽度或控制作用，是通过占空比调度程序计算得出的，所述占空比确定了在温度转换过程中每个预定周期内测量卡盘温度与所需温度或设定点温度之间的差值。此差值称为误差系数。所述占空比是通过将每个预定周期内的误差系数乘以转换增益得到的。

当温度转换开始时，所述增益调度程序计算用于时间比例控制器的比例带和转换增益。所述比例带和转换增益在温度转换中保持不变。

在温度转换的第一周期中所计算出的误差系数具有最高偏离。但是，由于测量温度响应于温度控制器的控制动作而减小，每个随后预定周期内的温度降低导致误差系数减小。新的占空比从每个随后预定周期内的误差系数计算得出。所述占空比被温度控制器30使用以确定在每个周期中应用于卡盘10的空气和流体的适当比例。响应于所述占空比，时间比例控制器控制电磁阀203、204、205，从而将适当比例的空气和流体交替应用于热卡盘10。

如上所述，新的占空比被计算以用于每个温度转换的预定周期。在一个实施例中，所述周期或间隔一般被设置为4秒。在每个4秒间隔中，计算占空比以确定流体从阀控制箱20流入卡盘10的间隔时间中的一部分。空气在4秒间隔时间的其余部分被提供至卡盘10。因此，一般地，流体和空气通过空气/流体通道21、22交替被提供至卡盘10，其中所述占空比是通过本发明的控制方法计算的。因此，时间比例控制器使用此占空比以控制在每个4秒温度控制间隔过程中水与空气的时间比。因此，本发明提供用于控制被提供至卡盘的流体和空气数量的脉冲宽度调制法。

应该注意的是，即使所述比例或占空比是基于实际卡盘温度与所需温度之间的差别计算得出的，所计算出的流体占空比或比例可以是100％，从而导致流体连续地、不间断地流至卡盘。如果所述占空比是100％，则在此例中，空气电磁阀203保持关闭，从而没有空气被输出至卡盘10，并且高流量电磁阀204保持打开以在此期间提供100％流体流至卡盘10。特别是，在此控制动作中，所述高流量电磁阀204在100％预定周期内处于“开”的状态。在相同周期内，所述空气电磁阀203处于“关”的状态。因此测量温度下降。

还需要注意的是，所述占空比可以被计算得大于100％。如果占空比被计算得大于100％，则占空比调度程序将产生100％的结果，从而得到的控制动作启动高流量电磁阀204，从而该电磁阀在100％预定周期内处于“开”的状态，空气电磁阀203处于“关”的状态。

随后，在下一个周期，所述占空比可以被减小，从而输出较小的时间比例的流体。在这种情况下，所述高流量电磁阀204将在一部分小于完整的4秒间隔时间被打开，并且空气电磁阀203可以在此间隔时间的一部分被打开以允许空气流至卡盘10。

一般地，所述占空比在每个预定周期由占空比调度程序计算得出。因此，当测量温度接近所需温度时，所述占空比将被逐渐减小。因此，温度控制器30将控制空气电磁阀203和高流量电磁阀204，从而水与空气的比例随着测量温度临近所需温度而继续减小。

图4是根据本发明的温度控制器30执行一系列控制动作的图，所述一系列控制动作包括在一系列预定周期或时间间隔内交替空气和流体。在图4中，占空比的计算在每个4秒温度周期内执行。图4未按比例描绘，特别对于所示的占空比，而是将其重点放在表示本发明的原理。附图中所示的流体时间比例仅仅用于解释目的。

图4表示从高温到低温的温度转换。当测量温度远高于所需温度时，流体比例将会相对的高。例如，在图4中，初始的4秒周期表示高流量电磁阀204在80％周期内将水输出。这称为80％占空比或比例或控制作用。在图4的例子所示的温度转换中，所述占空比在每个周期内减小，直到高流量电磁阀204在50％周期内将流体输出。在每个周期中，空气是由空气电磁阀203输出的。例如，在图4的第一周期中，所述空气电磁阀203在20％周期内将空气输出至卡盘。

所述占空比调度程序计算占空比，直到测量温度进入死带温度区。此时，时间比例控制器执行不同的计算，称为死带模式，以及二次控制动作，特别是对于阀输出的组合。所应用的二次控制动作取决于温度范围，描述如下。

虽然增益调度、占空比调度和死带模式功能导致受控温度转换，下冲仍然存在，从而测量温度下降直到小于所需的设定点温度。本发明的一个关键特征是，当出现下冲时，温度控制器30能快速稳定所述测量温度直至稳定状态。这是通过同时执行冷却操作和加热操作实现的，两个操作都在温度控制器30的控制下。

因此，本发明的冷却操作受时间比例控制器控制以减小所述测量温度直到所述测量温度进入死带温度范围。此时，时间比例控制器进入死带模式，因而对于阀输出的组合出现不同控制动作。另外，为了达到所需的下冲最小的效果，可以同时使用加热操作。与同时进行的加热操作相关的细节将描述如下。

本发明的另一个重要特征是，时间比例控制器将热卡盘温度范围分成多个控制区。热卡盘温度区，例如，从0℃到300℃。每个控制区通过上温度边界和下温度边界限定。另外，如果控制区包括所需的设定点温度，每个控制区包括死带温度区。如上所述，死带温度区形成于所需设定点温度以上和以下，从而在所需设定点温度周围形成死带。

另外，每个控制区具有增益调度程序。每个控制区的增益调度程序考虑控制区表现出的温度特征而计算比例带。例如，温度范围在25℃到60℃之间的控制区与温度范围在150℃以上的另一个控制区相比，考虑到热卡盘中的流体在不同范围形成水蒸汽，表现出不同的温度特征。特别是，温度超过110℃的控制区的增益调度程序使用与温度低于110℃的控制区不同的计算来计算比例带。不同控制区的增益调度程序执行的计算如下所述。

另外，如果所需温度处于具有高温度范围的控制区，与具有低温度范围的控制区相比，可以出现较高的下冲，而所述低温控制区具有较高温控制区小的下冲。但是，时间比例控制器将执行专门针对高温控制区的控制动作，因此能相应地将下冲最小化。

图5为在没有本发明的时间比例控制器下，在不同温度以及6个名为PB10、PB20、PB25、PB40、PB200和PB100的不同固定比例带的下冲。如图5所示，与低温下的下冲相比，高温下的下冲非常大。例如，在200℃，在固定区(PB25)，在具有传统温度控制以及没有增益调度下的下冲是28℃。在150℃，在相同固定增益(PB25)的下冲是8℃。图5表示不同固定增益下的下冲，所述固定增益由不同热卡盘参数确定。

图6为表示本发明的热卡盘系统的增益调度程序、占空比调度程序以及死带模式下的下冲结果的曲线图。通过引入本发明的温度控制器30，下冲得到改善。

图7A为根据传统热卡盘由多个温度转换得到的下冲曲线图。图7B为根据本发明的由多个温度转换得到的下冲曲线图。

因此，图5—图7表明，通过引入本发明的时间比例控制器，无论温度范围是否在测量温度与所需温度之间，传统热卡盘系统的下冲都得到了改善。如上所述，温度控制器30的时间比例控制器可以通过将卡盘温度范围分成多个控制区和低温区，通过控制热卡盘支撑的整个温度范围的测量卡盘温度将下冲最小化。本发明的这个特征在以下的实例中阐明。

在此例中，时间比例控制器将热卡盘温度范围分成5个不同控制区。每个控制区包括增益调度程序。另外，此例中的每个控制区包括死带温度区。低温区(在此例中称为“控制区1”)具有由大约10℃的低温边界到大约25℃的高温边界划出的温度区。在用于减小测量卡盘温度直到达到所需温度的温度转换中，当测量卡盘温度处于控制区1时，执行需要将100％流体和0％空气在预定周期内提供至热卡盘20控制动作。这里，温度控制器通过将高流量电磁阀204置于“开”的状态并将空气电磁阀203置于“关”的状态来控制阀控制箱20。另外，所述低流量电磁阀205被置于“关”的状态。这里，所述高流量电磁阀204持续打开，从而无论测量温度如何，保持温度受控流体循环通过热卡盘。

在控制区1，将100％流体和0％空气提供至热卡盘直到达到所需的卡盘温度。当测量卡盘温度下降至达到所需卡盘温度时，流体温度保持在低于所需卡盘温度的固定温度，例如，低于所需卡盘温度的10℃。

在测量温度下降直到小于所需温度的控制区1的冷却操作过程中，并且由此造成不希望的下冲时，可以执行加热操作。在加热操作过程中，流体温度升高直到达到所需卡盘温度以及达到稳定状态。为了执行加热操作，加热器11处于闭环温度控制下。在这种方式下，时间比例控制器计算测量温度与所需温度的差别。此结果使用比例—积分—微分(PID)拓扑过滤得出。温度控制器使用PID来指令加热功率水平以使测量温度升高，直到达到所需温度。

因此，所需温度可以通过在冷却操作过程中提供加热操作而达到，从而将加热操作和冷却操作一起执行以减小下冲。同样，在执行冷却操作以保持稳定状态之后有必要执行加热操作。

温度转换可以出现在控制区1中，其中测量温度和所需温度都具有处于控制区1温度区的温度，例如10℃-25℃，或者可以出现温度转换，其中温度转换是从具有高于控制区1的温度区的控制区开始的。这里，按相同方式执行控制区1的温度转换操作。即，在测量温度处于控制区1的周期中，温度控制器通过将高流量电磁阀201设置在“开”的状态以及将空气电磁阀203设置在“关”的状态来控制阀控制箱20。在控制区1，低流量电磁阀205被置于“关”的状态，高流量电磁阀204持续打开，或者处于“开”的状态，从而温度受控流体持续循环地经过热卡盘。

第二控制区(在此例中称为“控制区2”)可以通过一个温度范围来定义，例如，由大约25℃的低温边界到大约60℃的高温边界划出的温度范围。

在用于减小测量卡盘温度的温度转换过程中，即，温度冷却操作，当测量卡盘温度处于控制区2的温度范围时，时间比例控制器执行控制动作，通过相应地开启空气电磁阀203和高流量电磁阀204以在预定周期内按控制比例向热卡盘交替输入空气和流体。

空气和流体的比例通过控制区2的增益调度程序和占空比调度程序得到确定。在控制区2，根据以下公式，所述增益调度程序产生比例带(PB)和转换增益(TG)，所述占空比调度程序产生每个预定周期的占空比(DC)：

比例带(PB)＝(K/10)*T_chuck，0/T_rangc。

转换增益(TG)＝100/PB

占空比(DC)＝-E*TG，其中E是温度误差，定义为E＝T_setpoint-T_chuck

常数K是固定增益值，具有默认值，例如，为270的默认值。K是温度转换过程中基于下冲性能按经验确定的常数。应该注意的是，固定常数K在控制区2减小10倍以进一步补偿在水的沸点以下在控制区2的温度范围内出现的固有温度行为。特别是，K值在控制区2被分为10份，因为液体状态的流体不能像气体状态(即，水蒸汽)的流体一样快速地带走热量。卡盘温度(T_chuck，0)是在温度转换开始时的初始测量卡盘温度。T_range被定义为最大卡盘温度例如300℃，与最小水温例如0℃之差，所述最小水温也可以被认为是最小卡盘温度。在此例子中，T_range＝300。T_setpoint是所需温度。误差系数E是所需温度与测量温度之差。卡盘温度T_chuck是在转换过程中的某一时刻的瞬时测量卡盘温度。

例如，从270℃到40℃的温度转换将得到为24.3的比例带，因为T_chuck.0＝270。转换增益(TG)＝4.115。

在上例中，在温度转换的第一周期中计算出的，即，当卡盘温度T_chuck是270℃时的占空比(DC)为DC＝4.115*(40-270)＝945.54％。如上所述，最大占空比是100％。因此，在第一周期，使用100％占空比。在另一例中，当测量温度是60℃时，占空比是82.3％，表明高流量电磁阀204将在周期的82.3％中将流体输出至卡盘，并且空气电磁阀203将在其余17.7％的周期中被打开。所述占空比的最小值一般在进入死带温度区之前被设置为80％。即，高流量电磁阀204在至少80％的预定周期内处于“开”的状态。

占空比调度程序保持最小80％占空比直到达到死带。此时，使用最小50％占空比，即在预定周期需要50％流体和50％空气的比例。在控制区2的死带温度区，占空比不能小于50％。例如，当所需温度是40℃并且测量温度是45℃时，计算出的占空比是20.57％。但是，由于小于所需的50％占空比，也就是必须保持50％的最小占空比，从而得到50％流体和50％空气的比例。

在死带模式下，时间比例控制器控制空气电磁阀203和高流量电磁阀204，从而50％占空比在预定的时间周期达到，例如，5分钟。另外，有必要提供加热以稳定测量温度。在设定的时间周期停止之后，控制区2将低流量电磁阀205置于“开”的状态，其中低流量流体输入至热卡盘。在这种方式下，当卡盘温度被减小从而卡盘温度处于控制区2的死带区时，低流量流体可以通过由输出口和流体管22(图1)从热卡盘10排出携带热量的流体，以及经由流体输入口和流体管21(图1)将低流量流体输入到卡盘10而将热量从控制器移除。

在控制区2的冷却操作过程中，测量温度可以通过冷却操作被减小，直到其小于所需温度，从而形成不希望的下冲。加热操作可以按照类似于控制区1的加热操作的方式来执行。即，在加热操作过程中，流体温度升高直到达到所需的卡盘温度。

当热卡盘系统处于稳定状态时，由此测量卡盘温度与所需卡盘温度之间的差值大小具有最小预定偏差，则低流量电磁阀205保持在“开”的状态，从而保持流体循环经过热卡盘10，并从而允许热卡盘系统保持在稳定状态。流体温度保持在低于所需卡盘温度的设定温度，例如，设定在低于所需卡盘温度的10℃，或者对于45℃以上的所需卡盘温度设定在35℃。

虽然在温度冷却操作过程中可以达到所需温度，热卡盘系统处于稳定状态，可以有必要执行加热操作以保持稳定状态，由此执行如上所述的加热操作。

第三控制区(在此例中称为“控制区3”)可以由第三温度范围，例如由大约60℃的低温边界到大约110℃的高温边界标出的温度范围来定义。

在冷却操作过程中，当测量卡盘温度处于控制区3的温度范围内时，控制区3的控制工序执行控制动作以通过相应地启动空气电磁阀203和高流量电磁阀204在预定周期内按受控比例将空气和流体交替输入至热卡盘。

空气和流体的比例是通过控制区3的增益调度程序确定的。在控制区3，根据以下公式，在每个温度转换的预定周期内，增益调度程序产生比例带(PB)和转换增益(TG)，占空比调度程序产生占空比(DC)：

比例带(PB)＝(K/10)*T_chuck，0/T_range

转换增益(TG)＝100/PB

占空比(DC)＝-E*TG，其中E是温度误差，定义为E＝T_sctpoint-T_chuck

常数K是固定增益值，具有默认值，例如，为270的默认值。K是温度转换过程中基于下冲性能按经验确定的常数。应该注意的是，固定常数K在控制区3减小10倍以进一步补偿在控制区3的温度范围内出现的固有温度行为，其原因类似于控制区2。卡盘温度(T_chuck，0)是在温度转换开始时的初始测量卡盘温度。T_range被定义为最大卡盘温度例如300℃，与最小水温例如0℃之差，所述最小水温也可以被认为是最小卡盘温度。在此例中，T_range＝300。T_sotpoint是所需设定点温度。误差系数E是所需温度与测量温度之差。卡盘温度T_chuck是在转换过程中的某一时刻的瞬时测量卡盘温度。

例如，从250℃到100℃的温度转换将得到为22.5的比例带(PB)，此比例带的转换增益(TG)是4.44。

当温度转换过程中的测量温度是250℃时，通过占空比调度程度计算占空比，为(100-250)*4.44＝666％。如上所述，100％的最大占空比是允许的。因此，高流量电磁阀204将在周期的100％中向卡盘输出流体。转换过程中在115℃，占空比被计算为66.6％。在110℃，占空比被计算为44.4％。

另外，当所需卡盘温度处于控制区3的温度范围时，例如在60℃到110℃时，控制区3包括死带温度区。当测量卡盘温度进入控制区3的死带温度区时，热卡盘系统进入成比例的空气/低流量流体状态一段固定时间。此固定时间是可调节的，但一般设置为10分钟。在成比例的空气/低流量流体状态，控制区3的时间比例控制器通过在所述固定时间启动空气电磁阀203和低流量电磁阀205，将空气和流体按控制比例交替输入至卡盘。以这种方式交替按比例使空气和低流量流体进入卡盘，减小了温度转换过程中出现的下冲。在时间停止之后，启动空气电磁阀30秒以清除卡盘10的任何流体。这里，控制器将高流量电磁阀204和低流量电磁阀205置于“关”的状态，并空气电磁阀203被启动，即处于“开”的状态。

在冷却操作过程中，此时测量温度小于所需温度，由此造成不希望的下冲，加热操作被提供以稳定测量温度，即将下冲最小化。

在上述冷却动作发生之后，将热卡盘系统设置为稳定状态。当系统处于稳定状态时，阀203、204、205被停止，或者处于“关”的状态。此时，没有空气或流体流过卡盘。但是，类似于控制区1和2，有必要执行加热操作以保持稳定状态。所述加热操作可以按类似于上述的涉及低温区的加热操作方式执行。

当测量卡盘温度达到控制区3中的死带温度区时，热卡盘系统进入比例空气控制状态一段固定时间。所述固定时间是用户可以设置的，但一般设置为10分钟。这里，高流量电磁阀204和低流量电磁阀205停止，即处于“关”的状态。空气电磁阀203交替启动和停止，从而根据占空比调度程序计算出的占空比使空气按控制比例进入卡盘。因此，测量温度升高直到达到所需的卡盘温度。

在执行上述冷却和加热操作之后，热卡盘系统达到稳定状态。当热卡盘系统处于稳定状态时，系统的阀203、204、205停止，即处于“关”的状态。在这种方式下，没有空气或流体流过卡盘。

第四控制区(称为“控制区4”)可以通过第三控制区以上的第四温度范围，例如110℃的低温边界和150℃的高温边界标出的温度范围来定义。

在测量卡盘温度处于控制区4的温度范围时的冷却操作过程中，控制区4的控制器工序执行控制动作以通过相应地启动空气电磁阀203和高流量电磁阀204在预定周期内按控制比例将空气和流体交替输入至卡盘。

空气和流体的比例是通过控制区4的控制器工序的增益调度程序确定的。在控制区4，根据以下公式，在每个温度转换的预定周期内，增益调度程序产生比例带(PB)和转换增益(TG)，占空比调度程序产生占空比(DC)：

比例带(PB)＝K*T_chuck，0/T_range

转换增益(TG)＝100/PB

占空比(DC)＝-E*TG，其中E是温度误差，定义为E＝T_sctpoint-T_chuck

常数K是固定增益值，具有默认值，例如，为270的默认值。卡盘温度(T_chuck.0)是在温度转换开始时的初始测量卡盘温度。T_range定义为最大卡盘温度例如300℃，与最小流体和卡盘温度例如0℃之差，最小流体温度也可以被认为是最小卡盘温度。在此例子中，T_range＝300。T_sctpoint是所需设定点温度。误差系数E是所需温度与测量温度之差。卡盘温度T_chuck是在转换过程中的某一时刻的瞬时测量卡盘温度。

另外，当所需卡盘温度处于控制区4的温度范围时，控制区4包括死带温度区。当测量卡盘温度在冷却温度转换过程中进入控制区4的死带温度区时，热卡盘系统进入成比例的空气/低流量流体状态一段固定时间，例如10分钟。在成比例的空气/低流量流体状态，控制区4的控制器工序通过在所述固定时间启动空气电磁阀203和低流量电磁阀205，将空气和流体按控制比例交替输入至卡盘。以这种方式交替按比例使空气和低流量流体进入卡盘，减小了温度转换过程中出现的下冲。像控制区3一样，在所述时间停止之后，启动空气电磁阀，清除卡盘10的任何流体。这里，控制器工序将高流量电磁阀204和低流量电磁阀205置于“关”的状态，并且空气电磁阀203处于“开”的状态。

在冷却操作过程中，此时测量温度小于所需温度，由此造成不希望的下冲，则按类似于控制区3的方式，一前一后使用加热操作和冷却操作以稳定测量温度，或将下冲最小化。

在执行上述冷却和加热操作之后，将热卡盘系统设置为稳定状态。当热卡盘系统处于稳定状态时，该系统中的电磁阀203、204、205被停止，即处于“关”的状态。此时，没有空气或流体流过卡盘。

第五控制区(称为“控制区5”)可以通过第五温度范围，例如150℃的低温边界和300℃的高温边界标出的温度范围来定义。

在测量卡盘温度处于控制区5的温度范围时的冷却操作过程中，控制区5的控制器工序执行控制动作以通过相应地启动空气电磁阀203和高流量电磁阀204在预定周期内按控制比例将空气和流体交替输入至卡盘。

空气和流体的比例是通过控制区5的控制器工序的占空比调度程序确定的。在控制区5，根据以下公式，在每个温度转换的预定周期内，增益调度程序产生比例带(PB)和转换增益(TG)，占空比调度程序产生占空比(DC)：

比例带(PB)＝K*T_chuck，0/T_rangc

转换增益(TG)＝100/PB

占空比(DC)＝-E*TG，其中E是温度误差，定义为E＝T_sctpoint-T_chuck

常数K是固定增益值，具有默认值，例如，为270的默认值。初始卡盘温度(T_chuck，0)是在温度转换开始时的初始测量卡盘温度。T_rangc定义为最大卡盘温度例如300℃，与最小水和卡盘温度例如0℃之差。在此例中，T_range＝300。T_sclpoint是所需设定点温度。误差系数E是所需温度与测量温度之差。卡盘温度T_chuck是在转换过程中的某一时刻的瞬时测量卡盘温度。

当所需卡盘温度处于控制区5的温度范围时，控制区5包括死带温度区。当测量卡盘温度在冷却温度转换过程中进入控制区5的死带温度区时，控制区5的时间比例控制器启动空气电磁阀203，由此使空气电磁阀203处于“开”的状态，从卡盘排出流体。此时，高流量电磁阀204和低流量电磁阀205处于“关”的状态。重要的是，由于在控制区5的温度范围内存在形成蒸汽的危险，可能使卡盘10的操作不稳定，因此将流体从处于控制区5温度范围的热卡盘10中排出。这样，与控制区1、2、3、4明显不同的是，当测量温度处于控制区5的死带温度区时，卡盘中没有任何流体。

当从卡盘中清除流体之后，热卡盘系统进入比例空气控制状态一段固定时间。此固定时间是可调节的，但一般设置为10分钟。这里，高流量电磁阀204和低流量电磁阀205被停止，即处于“关”的状态。根据计算出的空气比例带，例如2℃比例带，空气电磁阀203交替启动和停止，从而冷空气按控制比例被提供至热卡盘10。空气电磁阀203在固定时间保持在“开”的状态以稳定潜热的卡盘温度。空气电磁阀203在一部分固定时间内处于“开”的状态，并且高流量电磁阀204和低流量电磁阀205保持在“关”的状态。一旦此时间周期过去，则空气电磁阀203被停止，即处于“关”的状态。

在冷却操作过程中，测量温度小于所需温度，由此造成不希望的下冲，则在执行冷却操作以外可以执行加热操作以稳定测量温度，即将下冲最小化。

在执行上述冷却操作之后，将热卡盘系统设置为稳定状态。当热卡盘系统处于稳定状态时，电磁阀203、204、205被停止，即处于“关”的状态。在这种方式下，没有空气或流体流过卡盘。

图8为根据本发明的出现于多个控制区中的温度转换结果的状态图。上例中使用的控制区1到控制区5可以应用于此图。

在状态1，温度控制器30处于空闲状态，没有有效温度操作。温度控制器30向流体源40产生指令，保持流体温度为5℃。阀203、204和205关闭。加热器11关闭。

在状态2，温度控制器30接收温度转换指令。阀203、204、205和加热器关闭。如果所述指令是执行包括加热操作的温度转换，则温度控制器30在状态3开始时执行加热操作。如果所述指令是执行包括冷却操作的温度转换，则温度控制器30在状态4开始时执行冷却操作。

在状态3，温度控制器30接收温度转换指令以执行加热操作。控制决定是考虑卡盘10是否含有流体做出的。如果是，则温度控制器进入状态5。如果否，则温度控制器30进入状态6。阀203、204、205和加热器11关闭。

在状态5，温度控制器30用30秒时间从卡盘清除流体。空气电磁阀203处于“开”的状态。高流量电磁阀204和低流量电磁阀205处于“关”的状态。加热器电源被启动，加热器11处于闭环温度控制，如上所述。

在状态6，加热器11将卡盘加热到至所需温度。当达到所需温度，或达到设定点温度时，阀203、204、205处于“关”的状态，并且加热器处于闭环温度控制。温度控制器30对流体源40产生指令以使流体的温度保持在所需卡盘温度以下的10℃，在5℃到35℃的温度范围内。如果卡盘所需温度处于控制区3、4或5，则温度控制器对流体源40产生指令以保持流体温度为5℃。

在状态7，温度控制器基于所需温度执行控制操作。如果所需温度处于控制区1，则在状态8执行控制操作。如果所需温度处于控制区2，则在状态9执行控制操作。如果所需温度处于控制区3、4或5，则在状态10执行控制操作。

在状态8，测量温度和所需温度都处于控制区1，例如，在10℃-25℃之间的温度。所述高流量电磁阀204处于“开”的状态。阀203、205处于“关”的状态。卡盘温度升高直到达到所需温度。由于流体在控制区1连续流过卡盘10，加热器11提供热量以保持所需精度的温度，从而测量温度与所需温度之间的温度偏差约为0℃。

在状态9，测量温度和所需温度都在控制区2，例如在25℃-60℃之间的温度。在此状态下，所述低流量电磁阀205处于“开”的状态。阀203、204处于“关”的状态。卡盘温度升高直到达到所需温度。由于流体在控制区1连续流过卡盘10，加热器11提供热量以保持所需精度的温度，从而测量温度与所需温度之间的温度偏差约为0℃。

在状态10，测量温度和所需温度处于控制区3、4或5，例如，在60℃以上的温度。如果测量温度低于所需温度，所述温度控制器30的时间比例控制器执行如上所述的比例带计算。在加热操作过程中，例如，为保持稳定状态，可以按照类似于上文参考低温度区描述的加热操作方式执行加热操作。在这种方式下，所述测量温度升高直到达到所需卡盘温度。所述温度控制器根据需要执行加热操作以保持所需精度的温度。

在状态11，状态8、9和10的温度转换已经完成。在此状态下，测量温度处于稳定状态。温度控制器30在状态11保持，直到接收到新的温度转换指令，然后所述温度控制器30转到状态2。

在状态4，温度控制器30接收温度转换指令以执行冷却操作。流体源40被指示以保持在5℃的温度，加热器11关闭。增益调度程序计算通过时间比例控制器在温度转换过程中使用的比例带和转换增益。另外，占空比调度程序计算用于相应地控制阀203、204、205的每个温度转换周期的占空比。

在状态12，如上所述，根据计算得出的时间比例启动和停止空气电磁阀203和高流量电磁阀204。加热器11关闭。温度控制器30由所需温度和预定死带确定死带温度区。例如，如果死带是+/-5℃，则死带温度区为所需的设定点温度+/-5℃。在达到死带温度范围时，如上所述，相应地执行二次控制操作，特别是死带模式控制操作。加热器11关闭。

在状态13，温度控制器30基于所需温度而执行二次控制操作。如果所需温度处于控制区1，则二次控制操作在状态14执行。如果所需温度处于控制区2，则二次控制操作在状态15执行。如果所需温度处于控制区3，则二次控制操作在状态16执行。如果所需温度处于控制区4，则二次控制操作在状态17执行。如果所需温度处于控制区5，则二次控制操作在状态18执行。

在状态14，执行如上所述的处于控制区1的控制操作。特别是，当测量温度达到所需温度时，启动高流量电磁阀204，并启动加热器11。另外，流体源40被指示以将流体温度保持在所需设定点温度以下的10℃，通过5℃的低温边界来限定。温度控制器控制加热器11以通过增加热量抵消流体温度来保持温度精度，从而测量温度与所需温度之间的温度偏差约为0℃。

在状态15，执行如上述的处于控制区2的控制操作。特别是，当测量温度达到控制区2的死带温度区中的所需温度时，如上所述，时间比例控制器基于50％6占空比执行控制操作。流体源40被指示以保持为所需温度减10℃的温度，通过5℃的低温边界来限定。温度控制器控制加热器11以通过增加热量抵消流体温度来保持温度精度，从而测量温度与所需温度之间的温度偏差约为0℃。

在状态16，执行如上述的处于控制区3的控制操作。特别是，对于冷却操作中测量温度高于所需温度的每个周期，占空比调度程序为其计算占空比。当测量温度达到控制区3的死带温度区中的所需温度时，如上所述，时间比例控制器通过使用低流量电磁阀205和空气电磁阀203执行控制操作。另外，流体源40被指示以保持5℃的温度，直到测量温度达到稳定状态。在10分钟定时器停止之后，这在上文中被称为周期，低流量电磁阀205处于“关”的状态，并且空气电磁阀203被启动，处于“开”的状态30秒以从卡盘中排出所有的流体。温度控制器控制加热器11以通过增加热量抵消流体温度来保持温度精度，从而测量温度与所需温度之间的温度偏差约为0℃。

在状态17，如上所述，执行如上述的处于控制区4的控制操作。特别是，对于冷却操作中测量温度高于所需温度的每个周期，占空比调度程序为其计算占空比。当测量温度处于控制区4时，如上所述，时间比例控制器通过相应地启动空气电磁阀203和高流量电磁阀204来执行控制操作，使空气和流体按控制比例交替输入至卡盘10。另外，当测量温度达到控制区4的死带区中的所需温度时，控制器工序通过启动空气电磁阀203和低流量电磁阀205一段固定时间，例如10分钟，将空气和流体按控制比例交替输入至卡盘。如同处于控制区3一样，当周期停止之后空气电磁阀203被启动以清除卡盘10中所有的流体。这里，高流量电磁阀204和低流量电磁阀205处于“关”的状态，空气电磁阀处于“开”的状态。

在状态18，执行如上述的处于控制区5的控制操作。特别是，如果测量温度高于所需温度，增益调度程序计算比例带。当测量温度达到所需温度时，启动加热器11。阀203、204、205处于“关”的状态。另外，流体源40被指示以保持5℃的温度，直到测量温度达到稳定状态。温度控制器控制加热器11以通过增加热量抵消流体温度来保持温度精度，从而测量温度与所需温度之间的温度偏差约为0℃。

虽然参考优选的实施例对本发明进行了特别地图示和描述，但本领域技术人员应当理解的是，在不偏离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出形式和细节的不同变化。

Claims (49)

1.一种用于卡盘的温度控制系统，该温度控制系统包括：

第一输入，用于从空气源接收空气；

第二输入，用于从流体源接收流体；以及

至少一个输出，用于将空气和流体按比例交替传递至卡盘以控制所述卡盘的表面温度。

2.根据权利要求1所述的温度控制系统，其中所述流体是受温度控制的。

3.根据权利要求1所述的温度控制系统，其中所述流体包含水。

4.根据权利要求1所述的温度控制系统，所述温度控制系统还包括：

第一温度控制系统，用于控制表而温度的升高；以及

第二温度控制系统，用于通过在预定周期内按比例交替变换空气和流体来控制所述表面温度的降低，所述第二温度控制系统包括低温工序以及用于管理多个控制区之间温度转换的控制器工序。

5.一种热卡盘系统，包括：

第一输入，用于从空气源接收空气；

第二输入，用于从流体源接收温度受控流体；

至少一个输出，用于将空气和流体按比例交替传递至热卡盘；

第一温度控制系统，用于控制表面温度的升高：

第二温度控制系统，用于通过在预定周期内按比例交替变换空气和流体来控制所述表面温度的降低，所述第二温度控制系统包括低温工序以及用于管理多个控制区之间温度转换的控制器工序。

6.根据权利要求5所述的热卡盘系统，其中所述流体包含水。

7.根据权利要求5所述的热卡盘系统，其中所述热卡盘是200毫米热卡盘和300毫米热卡盘中的一个。

8.根据权利要求5所述的热卡盘系统，所述热卡盘系统还包括阀控制箱和时间比例控制器。

9.根据权利要求8所述的热卡盘系统，其中所述阀控制箱包括用于输出空气的空气阀以及用于输出温度受控流体的流体阀。

10.根据权利要求9所述的热卡盘系统，其中所述流体阀为高流量电磁阀和低流量电磁阀中的至少一个。

11.根据权利要求9所述的热卡盘系统，其中所述空气阀和所述流体阀响应于控制器而以交替方式输出空气和流体。

12.根据权利要求8所述的热卡盘系统，其中所述阀控制箱还包括用于提供基底冷却的基底空气阀。

13.根据权利要求8所述的热卡盘系统，其中所述时间比例控制器包括：

接口，用于接收来自热卡盘的测量温度信息；

控制区处理器，用于限定多个控制区和多个低温区；

每个控制区的控制器工序；以及

每个低温区的低温工序。

14.根据权利要求13所述的热卡盘系统，其中所述控制区处理器通过温度边界来限定所述每个控制区和低温区。

15.根据权利要求5所述的热卡盘系统，其中当第一温度处于所述多个控制区中的第一控制区时，所述第一控制区的第一控制器工序调节空气和流体的比例，并且当所述第一温度被转换为第二控制区的第二温度时，所述第二控制区的第二控制器工序调节空气和流体的比例。

16.根据权利要求15所述的热卡盘系统，其中所述第一控制区和所述第二控制区相同。

17.根据权利要求15所述的热卡盘系统，其中所述第一控制区和所述第二控制区是所述多个控制区中的不同控制区。

18.根据权利要求15所述的热卡盘系统，其中所述第二控制区中的死带区为所述第二温度提供近似温度区，并且所述第二控制器工序控制所述死带区以减小从所述第一温度到所述第二温度的转换过程中的下冲。

19.根据权利要求18所述的热卡盘系统，其中所述第二控制器工序通过按比例交替变换第一空气输入和第二流体输入来减小所述下冲。

20.根据权利要求18所述的热卡盘系统，其中所述第二控制器工序通过停止第一空气输入和第二流体输入来减小所述下冲。

21.根据权利要求5所述的热卡盘系统，所述热卡盘系统还包括用于为热卡盘系统提供卡盘温度测量的温度传感器。

22.根据权利要求5所述的热卡盘系统，其中每个控制器工序包括用于计算预定周期内的比例带的增益调度程序，其中所述比例带确定在预定周期内输入至卡盘的空气和流体的比例，并且所述比例带是响应于所述卡盘温度测量而计算得出的。

23.一种用于控制热卡盘的时间比例控制器，所述控制器包括：

接口，用于从热卡盘接收测量的卡盘表面温度；

控制区处理器，用于限定多个控制区和低温区；

每个控制区的控制器工序，其中所述控制器工序控制所述控制区与低温区的温度之间的转换；以及

用于每个低温区的低温工序。

24.根据权利要求23所述的控制器，其中所述每个控制区的控制器工序包括：

增益调度程序，用于计算多个控制区中的每一个的比例带，所述比例带用于确定在预定周期内输入至热卡盘的空气和流体的比例；以及

死带模式，用于确定每个控制区的死带温度范围，并用于减小在温度转换过程中形成的下冲。

25.根据权利要求23所述的控制器，其中所述每个控制区和低温区通过温度边界被分开。

26.根据权利要求24所述的控制器，其中当测量温度处于所述死带温度范围时，所述控制器通过停止在预定周期内的空气和流体的按比例输入来将下冲最小化。

27.根据权利要求24所述的控制器，当测量温度低于所需温度时，所述控制器控制加热器以将测量温度转换为所需温度。

28.根据权利要求27所述的控制器，当测量温度高于所需温度时，所述控制器控制多个阀以将测量温度转换为所需温度。

29.一种用于控制卡盘温度的方法，该方法包括：

从空气源接收空气；

从流体源接收流体；以及

将空气和流体按比例交替传递至卡盘。

30.根据权利要求29所述的方法，该方法还包括控制流体的温度。

31.根据权利要求29所述的方法，该方法还包括：

控制卡盘的表面温度的升高；以及

通过在预定周期内按比例交替变换空气和流体来控制所述表面温度的下降。

32.根据权利要求31所述的方法，该方法还包括管理多个控制区中的温度转换。

33.一种用于控制卡盘温度的方法，该方法包括：

从空气源接收空气；

从流体源接收温度受控流体；

将空气和流体按比例交替传递至卡盘；

控制卡盘温度的升高；

通过在预定周期内按比例交替变换空气和流体来控制卡盘温度的下降；以及

管理多个控制区和低温区中的温度转换。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述空气和流体是响应于时间比例控制器而以交替方式输出的。

35.根据权利要求34所述的方法，该方法还包括接收来自卡盘的测量温度信息。

36.根据权利要求33所述的方法，其中每个控制区和低温区通过温度边界来限定。

37.根据权利要求33所述的方法，该方法还包括当第一温度处于第一控制区时，调节所述多个控制区的第一控制区中的空气和流体的比例，其中当第一温度被转换为第二控制区的第二温度时，调节第二控制区中的空气和流体的比例。

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述第一控制区和所述第二控制区相同。

39.根据权利要求37所述的方法，其中所述第一控制区和所述第二控制区是所述多个控制区中的不同控制区。

40.根据权利要求37所述的方法，该方法还包括为第二温度提供作为第二控制区中的死带区的近似温度区，并且控制所述死带区以减小从第一温度到第二温度的转换过程中的下冲。

41.根据权利要求40所述的方法，该方法还包括通过按比例交替变换空气和流体来减小下冲。

42.根据权利要求40所述的方法，该方法还包括通过停止空气输入和流体输入来减小下冲。

43.根据权利要求33所述的方法，该方法还包括计算预定周期内的比例带，其中所述比例带确定在预定周期内输入至卡盘的空气和流体的比例，并且其中所述比例带是响应于测量的卡盘温度而计算得出的。

44.一种用于控制卡盘温度的方法，该方法包括：

从热卡盘接收测量的卡盘表面温度；

限定多个控制区和低温区，每个控制区具有控制器工序，每个低温区具有低温工序；以及

控制在所述控制区和所述低温区的温度之间的转换。

45.根据权利要求44所述的方法，其中所述每个控制区和低温区通过温度边界被分开。

46.根据权利要求44所述的方法，其中所述控制在所述控制区和所述低温区的温度之间的转换还包括：

计算所述每个控制区的比例带，所述比例带确定在预定周期内输入至热卡盘的空气和流体的比例；以及

确定所述每个控制区的死带温度范围，并减小在温度转换过程中形成的下冲。

47.根据权利要求46所述的方法，该方法还包括当测量温度处于所述死带温度范围时，通过停止在预定周期内空气和流体的按比例输入来将下冲最小化。

48.根据权利要求46所述的方法，该方法还包括当测量温度低于所需温度时，控制加热器以将测量温度转换为所需温度。

49.根据权利要求48所述的方法，该方法还包括当测量温度高于所需温度时，控制多个阀以将测量温度转换为所需温度。

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