CN203193112U

CN203193112U - 一种激光器温控系统

Info

Publication number: CN203193112U
Application number: CN 201320028516
Authority: CN
Inventors: 张立佳; 吴晓斌; 赵江山; 丁金滨; 陈进新; 李慧; 刘斌; 崔惠绒; 周翊; 王宇
Original assignee: Academy of Opto Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS; Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2023-01-18

Abstract

本实用新型公开了一种激光器温控系统，其中该激光器包括放电腔、多个温度检测器和多个温度控制装置，所述放电腔在工作时会产生热量，所述多个温度检测器用于检测与放电腔的温度有关的多个位置的温度，多个温度控制装置用于冷却或加热放电腔。本实用新型的系统提供一个神经网络PID控制器，使所述神经网络PID控制器接收所述多个温度传感器检测的温度信号，并根据该多个温度信号分别调节所述温度控制装置，使所述放电腔的温度达到所需的温度。本实用新型可以快速准确的测量激光器放电腔的温度，提高系统的温度稳定性，保障激光器具有较高的能量转换效率和能量稳定性。

Description

一种激光器温控系统

技术领域

本实用新型涉及气体激光器技术领域，具体涉及激光器温控系统，特别是准分子激光器的温控系统。

背景技术

准分子激光器是工作在紫外波段的脉冲气体激光器，目前，用于大规模集成电路的激光光刻技术突破45nm分辨率，是当前光刻光源的主流选择。

放电腔是准分子激光器的核心部件，主要包括放电电极、气体循环系统和散热系统，其综合运转性能决定着激光器的高压放电能力、激光输出质量和整体运转效率。

激光系统的性能在一定程度上取决于放电腔的工作温度。作为激光工作增益介质工作气体存在最佳温度范围，在该温度范围内，激光器具有较高的能量转换效率和输出能量稳定性。

在准分子激光器工作时，高压气体放电及风机运转导致腔内温度升高，若不能有效的控制温度，采取相应散热措施，会导致激光输出质量下降，激光器能量转换效率和能量稳定性也会受到很大影响。

图1为现有技术的温控系统结构原理图。1为放电腔，2为放电电极，3为热交换系统，4为流量调节阀门，5为进水管道，6为出水管道，7为冷却系统，8为温度传感器，9为PID(Proportion Integration Differentiation)控制器。

如图1所示，准分子激光器包括有放电腔1，放电腔1包括放电电极2等部件，传统的温控系统包括热交换系统3和冷却系统7。热交换系统3用于吸收放电腔1内的热量，并通过进水管道5从冷却系统7输入冷却水，通过出水管道6向冷却系统7输出被加热的水，从而将热量排出放电腔1外；冷却系统7将由热交换系统3的出水管道6输出的被加热的水进行冷却，并将冷却水输出到热交换系统3的进水管道5，以向热交换系统3循环输入冷却水。在热交换系统3的进水管道5上安装有流量调节阀门4，在放电腔1内部安装有一个温度传感器8，该温度传感器8检测放电腔1内气体温度并将该温度信号发送给PID控制器9，PID控制器9接收该温度信号并据此对流量调节阀门4进行控制，以控制输入到热交换系统3的冷却水流量，从而控制热交换器3的热交换效率，以对放电腔1内气体的温度进行控制。

图2是传统的PID控制器9的控制示意图。如图2所示，PID控制器9由比例单元、积分单元和微分单元组成。PID控制器由参考输入与被调量的误差、误差的积分、误差的微分三者的“线性组合”来产生控制信号。PID控制器根据设定温度值r(t)和实际温度输出值y(t)之间形成控制偏差e(t)，并将偏差按比例、积分和微分作用通过线性组合求出控制量u(t)，从而实现对被控对象的控制。准分子激光器工作时，大部分输入电能转化为热量，同时放电腔内风机旋转也会产生很多热量，使放电腔1内的温度升高，温度传感器8实时检测放电腔内工作气体温度，并将温度信号传递给PID控制器9，PID控制器9根据实测数据进行运算处理，将控制信号发送给流量调节阀门4，流量调节阀门4根据接收到的控制信号通过进水管道5调节热交换系统3与冷却系统7冷却水流量，从而控制气体温度。

图1所示的放电腔内温控系统工作温度稳定性还有待提高，且控制受温度传感器检测时间的限制。PID控制器对于单输入单输出的被控对象具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高、结构简单、调整方便等优点。但对于多输入、多输出的被控对象，各个变量之间相互耦合、相互影响，使被控对象性能受到影响。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型所要解决的技术问题之一是当前的准分子激光器的温控能力不足，并且对于多输入多输出的被控对象各变量间互相影响的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种激光器温控系统，所述激激光器包括放电腔，该放电腔在工作时会产生热量，其中，所述系统用于控制激光器的放电腔的温度，且包括多个温度检测器和多个温度控制装置，所述多个温度检测器用于检测与放电腔的温度有关的多个位置的温度，所述多个温度控制装置用于冷却或加热放电腔，所述系统还包括：一个神经网络PID控制器，该神经网络PID控制器用于接收所述多个温度传感器检测的温度信号，并根据该多个温度信号分别调节所述温控装置，使所述放电腔的温度达到所需的温度。

根据本实用新型的一种具体实施方式，所述神经网络PID控制器用于检测及控制放电腔内工作气体温度，神经网络PID控制器包括PID控制器和神经网络，PID控制器直接对被控对象过程施行闭环控制，神经网络用于调节PID控制器的参数。

根据本实用新型的一种具体实施方式，所述系统还包括能量检测模块，其用于检测注入所述放电腔的电能量，从而得到注入放电腔的电能量的变化，并将该电信号传送给所述神经网络PID控制器。

根据本实用新型的一种具体实施方式，所述神经网络是一个三层前向网络，包括输入层、隐含层、输出层，并由3个并列的相同的子网络，从而构成6×9×5结构。

根据本实用新型的一种具体实施方式，所述神经网络的每个子网络的输入层有两个神经元，其输入分别为所述温控系统的一对给定值和输出值(r1，Out1)、(r2，Out2)、(r3，Out3)；每个子网络的隐含层有3个神经元；各个子网络在隐含层至输出层相互交叉耦合，输出层形成被控对象的控制输入。

(三)有益效果

本实用新型通过采用多个传感器和神经网络PID控制器，能够快速准确的测量激光器的放电腔内工作气体的温度，提高系统的温度稳定性，保障激光器具有较高的能量转换效率和能量稳定性。

附图说明

图1为现有技术的温控系统构成示意图；

图2为现有技术的PID控制器的工作原理图；

图3为本实用新型的一个实施例的温控系统的构成示意图；

图4为单输入单输出神经网络PID控制器工作原理图；

图5为该实施例的五输入三输出神经网络PID控制器的原理图。

具体实施方式

如前所述，激光器包括有放电腔，放电腔内包括放电电极等部件，传统的温控系统包括热交换系统和冷却系统。热交换系统用于吸收放电腔内的热量，并通过进水管道从冷却系统输入冷却水，通过出水管道向冷却系统输出被加热的水，从而将热量排出放电腔外；冷却系统将由热交换系统的出水管道输出的被加热的水进行冷却，并将冷却水输出到热交换系统的进水管道，以向热交换系统循环输入冷却水。

如前所述，在热交换系统的进水管道上安装有流量调节阀门，在放电腔内部安装有一个温度传感器，该温度传感器检测放电腔内气体温度并将该温度信号发送给PID控制器，PID控制器接收该温度信号并据此对流量调节阀门进行控制，以控制输入到热交换系统的冷却水流量，从而控制热交换器的热交换效率，以对放电腔内气体的温度进行控制。

本实用新型的温控系统对传统的温控系统进行了改进，利用神经网络PID控制器，解决多输入多输出被控对象相互耦合，相互影响的缺点，使各个控制系统相对独立。同时本实用新型利用能量检测模块，检测放电腔内的能量信息，反馈给控制器，控制器经过运算处理，预测放电腔内工作气体工作温度的变化，并快速启动冷却或加热装置；温度传感器实时检测放电腔内或腔壁的温度，将信号传递给控制器，确定增加或减少冷却水的流量，从而控制工作温度。

根据本实用新型的一个方面，温控系统还包括腔体冷却装置，该腔体冷却装置安装于放电腔外围，用于降低放电腔腔体温度。腔体冷却装置可由腔体冷却装置及冷却水构成，并且，与位于放电腔内部的热交换系统类似，腔体冷却装置也通过进水管道和出水管道从冷却系统中接收冷却水，排放经加热的水。并且，在其进水管道上也设置有流量调节阀门。该流量调节阀门与热交换系统的进水管道上的流量调节阀门均由所述PID控制器控制。

腔体冷却系统布置在腔体外围，可使散热面积更大，冷却更均匀。因此可以较好的实现腔体降温。根据本实用新型的另一方面，温控系统还包括电加热器，电加热器用于在激光器启动之前或激光器短暂停顿时对放电腔进行加热，以使放电腔体尽快达到最佳温度，减少启动预热时间。所述电加热器也由PID控制器控制。具体来说，PID控制器可以控制电加热器的开通及关断时间。

根据本实用新型的第三方面，还包括腔体温度传感器，其设置于放电腔内壁，用于检测放电腔的腔体的温度，并将温度信号传递给PID控制器；

根据本实用新型的第四方面，温控系统还包括用于检测热交换系统和腔体冷却装置的出水管道内冷却水的温度传感器，在此分别称为热交换水温传感器和腔体冷却水温传感器，热交换水温传感器和腔体冷却水温传感器也将温度信号传递给PID控制器。

根据本实用新型的第五方面，PID接收各温度传感器输入的各个温度信号，将各温度信号转换为温度测量结果，并根据温度测量结果来分别控制热交换系统、腔体冷却装置的进水管道上的流量调节阀，以及控制电加热器，从而实现对激光器系统的温度控制。

根据本实用新型的第六方面，所述PID控制器为神经网络PID控制器。神经网络PID控制结合了神经网络控制与PID控制的优点，具有自学习和自适应的能力，可在完全不知道对象内部结构和参数的情况下，通过在线自学习和参数调整，并行进行多变量系统的控制，使系统的每个被控变量只与其对应的给定输入有关，而与其它的给定输入无关，并且使各个被控变量都具备良好的动态和静态性能，通过各个控制量对被控参数的协调作用，使被控参数按照给定的要求变化。

根据本实用新型的第七方面，放电腔内还包括一能量检测模块，能量检测模块可以检测到注入放电腔的电能量，并将这些信息传输给神经网络PID控制器。神经网络PID控制器经过运算处理，预测放电腔内工作气体由于能量而引起的温度变化，及时启动冷却或加热装置，补偿了控制受温度传感器检测时间限制这个缺点。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

图3为本实用新型的一个实施例的温控系统。如图3所示，该实施例的温控系统应用于准分子激光器，激光器包括有放电腔1，放电腔1内包括有放电电极2，放电腔的外部设置有为放电电极2提供电源的高压电源15。温控系统包括热交换系统3、水冷系统7、加热器9、腔体冷却装置10和神经网络PID控制器19。

热交换系统3设置于放电腔1的内部，腔体冷却装置10设置于放电腔1的外围。水冷系统7设置于放电腔的外部。水冷系统7分别通过进水管道5、进水管道11向热交换系统3和腔体冷却装置10输送冷却的循环液体，热交换系统3和腔体冷却装置10分别通过出水管道6和出水管道12向水冷系统7排出被加热的循环液体。

在进水管道5和进水管道11上分别设置有流量调节阀门4和流量调节阀门13。

热交换系统3、腔体冷却装置10、水冷系统7、进水管道5、11、出水管道6、12、流量调节阀门4、13以及位于上述装置或管道中的循环液体组成了一个水冷循环回路。

所述加热器9用于加热放电腔腔体；

此外，该实施例的温控系统还包括能量检测模块14和多个温度传感器8、16、17、18，以及神经网络PID控制器19。

能量检测模块14用于检测注入放电腔1的电能量，从而得到注入放电腔1的电能量的变化，并将电信号传递给神经网络PID控制器19。

温度传感器8设置于放电腔内的放电区气体进气口。用于检测放电腔1内气体温度并将该温度信号发送给神经网络PID控制器19。温度传感器16设置于放电腔内壁，用于检测放电腔1的腔体的温度，并将温度信号传递给神经网络PID控制器19；温度传感器17设置于出水管道6内，用于检测出水管道6内的冷却水的温度，并将温度信号传递给神经网络PID控制器19；温度传感器18设置于出水管道12内，用于检测出水管道12内的冷却水的温度，并将温度信号传递给神经网络PID控制器19。

图4是该实施例中所采用的神经网络PID控制器19的工作原理图。如图4所示，该神经网络PID控制器由两部分组成：PID控制器和神经网络。其中，PID控制器是经典的PID控制器，用于直接对被控对象过程施行闭环控制，其具有三个参数K_P、K_I、K_D，并且其三个参数K_P、K_I、K_D为在线整定式；神经网络(NN)根据系统的运行状态，调节PID控制器的参数K_P、K_I、K_D，以达到系统性能指标的最优化，使输出层神经元的输出状态对应于PID控制器的三个可调参数K_P、K_I、K_D。通过神经网络的自学习和加权系数调整，使其稳定状态对应于某种最优控制规律下的PID控制器参数。

图5为该实施例的五输入三输出神经网络的原理图。如图5所示，神经网络包括输入层、隐含层和输出层，，构成为一个三层前向网络，并且其由3个并列的相同的子网络组成，即三个并列的三层前向子网络构成了6×9×5结构的神经网络。且各个子网络的输入层和隐含层是相互独立的，每个子网络的输入层有两个神经元，其输入层分别为控制系统的一对给定值和输出值(r1，Out1)、(r2，Out2)、(r3，Out3)。每个子网络的隐含层有3个神经元，分别为比例元、积分元、微分元，它们的输出函数分别对应比例(P)、积分(I)、微分(D)三个部分。子网络在隐含层至输出层相互交叉耦合，网络的输出层完成PID控制规律的综合，形成多维控制量，实现多变量系统的解耦和自治调节。输出层形成被控对象的控制输入。

图5中，输入In1为温度传感器8测得的放电区进气口的工作气体温度，输入In2为温度传感器16测得的放电腔腔体温度，输入In3为温度传感器17测得的出水管道6内冷却水的温度，输入In4为温度传感器18测得的出水管道12冷却水温度，输入In5为能量检测模块14测得的注入放电腔的能量；输出Out1为实际测得的电加热器9控制参数，输出Out2为实际测得的流量调节阀门13控制参数，输出Out3为实际测得的流量调节阀门4控制参数。神经网络输入层r1为给定的最优电加热器控制参数，r2为给定的最优流量调节阀门13控制参数，r3为最优的控制流量调节阀门4控制参数。

系统工作时，能量检测模块14通过检测注入放电腔1的电能量，并将关于电能量变化的电信号传递给神经网络PID控制器19。神经网络PID控制器19根据能量检测模块14检测到的能量变化信息进行运算处理，根据最佳工作温度将控制信号发送给流量调节阀门4、流量调节阀门13或者加热器9，启动冷却或加热。神经网络PID控制器在对被控对象内部参数一无所知的情况下，通过自学习、自适应、自调整，使被控的强关联系统很快具有了良好的性能，基本消除了对象各通道之间的相互关联作用，性能达到和超过了在已知对象参数情况下采用传统方法设计的控制系统性能。

温度传感器8实时检测放电腔1内放电区进气口的工作气体温度，并将温度信号传递给神经网络PID控制器19；温度传感器16检测放电腔的腔体的温度，并将温度信号传递给神经网络PID控制器19；温度传感器17检测出水管道6内冷却水的温度，并将温度信号传递给神经网络PID控制器19；温度传感器18检测出水管道12内冷却水的温度，并将温度信号传递给神经网络PID控制器19。

流量调节阀门4根据接收到的控制信号通过进水管道5调节热交换系统3与冷却系统7冷却水流量，流量调节阀门13根据接收到的控制信号通过进水管道11调节腔体冷却装置10与冷却系统7冷却水流量，加热器9根据接收到的控制信号控制电加热器的开通及关断。由此，温控系统使放电腔1温度控制在最佳温度范围内。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种激光器温控系统，所述激光器包括放电腔，该放电腔在工作时会产生热量，其中，

所述系统用于控制激光器的放电腔的温度，且包括多个温度检测器和多个温度控制装置，所述多个温度检测器用于检测与放电腔的温度有关的多个位置的温度，所述多个温度控制装置用于冷却或加热放电腔，其特征在于，所述系统还包括：

一个神经网络PID控制器。

2.如权利要求1所述的激光器温控系统，其特征在于，所述神经网络PID控制器用于检测及控制放电腔内工作气体温度，神经网络PID控制器包括PID控制器和神经网络，PID控制器直接对被控对象过程施行闭环控制，神经网络用于调节PID控制器的参数。

3.如权利要求2所述的激光器温控系统，其特征在于，所述系统还包括能量检测模块，其用于检测注入所述放电腔的电能量，从而得到注入放电腔的电能量的变化，并将该电信号传送给所述神经网络PID控制器。