使用组件耦合功能模拟温度控制器

作者 Walter Frei

2014年 2月 11日

当求解一个热处理问题时,例如加热或冷却一个零件,需要根据计算出的结果调控加热或冷却。也就是说,我们想在模型中包括一个反馈回路。这篇博客,我们将使用一个组件耦合算子建立一个反馈回路,根据被加热零件的温度来打开或关闭热载荷。

场景:硅片的激光加热

我们来看一个 COMSOL Multiphysics 案例库中的例子,即硅晶片激光加热模型(你也可以在 COMSOL 官网下载此模型)。

使用 COMSOL Multiphysics 模拟的硅晶圆模型。

在这个例子中,激光热源被模拟成一个空间分布的热源,当晶圆在平台上旋转时,该热源在晶圆的表面上来回移动。热源是空间变化的热载荷,同时晶圆会向周围环境空气辐射热从而被冷却。该模型计算了晶圆的温度上升,并使用组件耦合来监测晶圆的最低、最高和平均温度。组件耦合算子的界面和结果如下图所示。

COMSOL Multiphysics 中的最小耦合算子接口。
最小组件耦合算子接口。

随时间变化的硅晶圆温度。
随时间变化的最高、平均和最低的晶圆温度。

模拟温度控制器

在现有的模型中,晶圆被连续加热,但我们想尝试根据温度来切换激光的开关。

我们将根据晶圆的最低温度进行反馈控制。我们希望持续加热直到最低温度上升到 100℃ 以上,然后关闭热载荷。当最低温度下降到 100°C 以下时,我们希望重启激光。这是一个非常简单的控制方案,通常称为继电器式控制器。其他控制系统,如比例-积分-微分(PID)可以在 COMSOL 软件中实现,COMSOL 案例库中的 PID 控制器模型就是这样一个示例。

为了实现继电器式控制器,我们只需在热载荷表达式中使用组件耦合算子的名称。如果该条件为真,布尔条件(minopt1(T) < 100[degC])将评估为 1,否则为 0。瞬态求解器的相对公差设置得比默认值更严格,为 1e-4,以正确切换条件。界面和结果显示如下。

晶圆的通用向内热通量。
emissivity*hf(x,y,t) 是通过激光加热施加热通量的项,基于晶圆的最低温度 100℃ 开启或关闭热通量。

随时间变化的温度控制结果。
结果显示了随时间变化的温度控制。

激光热源的状态
激光热源的状态。

结语

通过对热源进行非常简单的修改,以及最小组件耦合算子的使用,我们在热处理仿真中模拟了一个简单的温度控制器。尽管也可以实现平均温度或最高温度的控制系统,但这样做会导致热源切换非常快。对于这种情况,就需要其他更复杂的控制方案。文中介绍的建模技术的优势在于它的实施非常简单。

当然,你可以用这些组件耦合算子做很多事情,例如,如果你想在晶圆上的一个点模拟一个与温度有关的控制器,可以尝试将文中介绍的技术与我的同事 Chandan 的博客中介绍的耦合方法结合起来使用。

博客分类


评论 (2)

正在加载...
朝民 邓
朝民 邓
2024-03-09

这个有案例吗?

hao huang
hao huang
2024-03-11 COMSOL 员工

可以参考案例:https://cn.comsol.com/model/process-control-using-a-pid-controller-866

浏览 COMSOL 博客