本文詳細介紹了真空系統(tǒng)中上游和下游控制模式的特點以及在應(yīng)用中存在的問題，并介紹了上下游模式同時使用的雙向控制新技術(shù)，新技術(shù)可有效發(fā)揮上下游控制模式的優(yōu)點和抑制缺點。

1．真空度（壓力）控制概述

在許多真空系統(tǒng)中，為了實施特定的工藝過程或達到一定的實驗條件，需要真空系統(tǒng)中的真空度恒定在特定以及關(guān)鍵的設(shè)定值，這就需要對真空系統(tǒng)內(nèi)的真空度進行控制。真空度控制一般通過上游模式（upstreammodel）、下游模式（downstreammodel）和兩種模式結(jié)合的方法實現(xiàn)。業(yè)內(nèi)一般將上游模式定義為控制輸入真空系統(tǒng)的氣體，下游模式定義為控制泵送系統(tǒng)的節(jié)流，即以真空系統(tǒng)為參照物，真空系統(tǒng)上游的進氣控制為上游模式，真空系統(tǒng)下游的出氣控制為下游模式。

無論是自動的上游控制還是下游控制，都需要電動控制閥來實現(xiàn)。在目前國內(nèi)外真空系統(tǒng)的真空度控制過程中，由于技術(shù)的限制，絕大多數(shù)還都是采用單一控制方式，即或是上游模式，或是下游模式。但隨著雙向控制技術(shù)的突破，可以實現(xiàn)上下游模式的同時控制。

本文詳細介紹了真空系統(tǒng)中上下游真空度控制模式的特點以及在應(yīng)用中存在的問題，介紹了雙向控制技術(shù)的特點。

2．上游控制模式（UpstreamModel）

如圖2－1所示，上游控制模式是一種控制系統(tǒng)中壓力的方法，在該系統(tǒng)中，氣體流入腔室，通常由電動控制閥進行控制。

圖2－1上游控制模式示意圖

上游真空度（壓力）控制器維持真空系統(tǒng)本身上游的壓力，在真空泵抽速一定的情況下，增加進氣流量以降低壓力，減少進氣流量以增加壓力。因此，這稱為反向作用，該配置在行業(yè)中通常稱為背壓調(diào)節(jié)器。

在真空度（壓力）上游模式控制期間，控制閥將以特定的速率注入氣體，同時還與控制器通信。如果從控制器接收到不正確的輸出電壓（意味著壓力不正確），控制閥將調(diào)整流量。壓力過高，控制閥會降低流量，壓力過高，控制閥會提高流量。

上游模式具有以下特點：

（1）可提高真空系統(tǒng)中工藝的穩(wěn)定性和速度。

（2）使用快速作用控制閥，將控制儀器放置在真空系統(tǒng)的上游可提供更快的響應(yīng)時間和更好的穩(wěn)定性。上游模式還消除了對附加閥的需求，減少了系統(tǒng)中潛在泄漏點的數(shù)量，減少了下游設(shè)備的需求并降低了安裝成本。例如在真空鍍膜應(yīng)用中，將壓力控制裝置放置在腔室的上游可以節(jié)省時間，成本，并提高真空沉積工具的精度。

（3）很多真空工藝，如等離子熔煉和真空沉積等，都使用了下游控制模式來維持真空室內(nèi)的氣體壓力，而節(jié)流閥的使用會有幾萬元的配置，并還需要一個單獨的控制模塊來為閥門供電、提供PID數(shù)據(jù)和設(shè)定點功能。因此，上游模式有時可有效的降低真空系統(tǒng)的造價成本。

（4）由于下游真空泵不受控制，一般都以較大的抽速運行，這就造成在單獨使用上游模式時會出現(xiàn)比較費氣的現(xiàn)象，特別是在工藝氣體為較貴的高純惰性氣體時尤為明顯。

如圖3－1所示，下游控制模式是一種控制真空系統(tǒng)內(nèi)部壓力的方法，其中抽氣速度是可變的，通常由真空泵和腔室之間的控制閥實現(xiàn)。

圖3－1下游控制模式示意圖

下游控制模式是維持真空系統(tǒng)下游的壓力，增加流量以增加壓力，減少流量以減少壓力，因此，這稱為直接作用，這種控制器配置通常稱為標準壓力調(diào)節(jié)器。

在真空度（壓力）下游模式控制期間，控制閥將以特定的速率限制真空泵抽出氣體，同時還與控制器通信。如果從控制器接收到不正確的輸出電壓（意味著壓力不正確），控制閥將調(diào)整抽氣流量。壓力過高，控制閥會提供抽氣流量，壓力過低，控制閥會降低流量。

下游模式具有以下特點：

（1）下游模式作為目前最常用的控制模式，通常在各種條件下都能很好地工作。

（2）但在下游模式控制過程中，其有效性有時可能會受到“外部”因素的挑戰(zhàn)，如入口氣體流速的突然變化或等離子體事件的開啟或關(guān)閉。此外，某些流量和壓力的組合會迫使節(jié)流閥在等于或超過其預(yù)期控制范圍的極限的位置上運行。在這種情況下，精確或可重復(fù)的壓力控制都是不可行的。或者，壓力控制可能是可行的，但不是以快速有效的方式，結(jié)果造成產(chǎn)品的產(chǎn)量和良率受到影響。

（3）在下游模式中，會在更換氣體或等待腔室內(nèi)氣體沉降時引起延遲。

4．雙向控制模式（BidirectionalModel）

通過上述兩種控制模式的特點可以看出，兩種模式各有優(yōu)缺點。目前在真空度控制中常用的方法是以下游控制模式為主控方法，同時在真空系統(tǒng)的上游設(shè)置幾個控制檔位來控制進氣流量，由此來最大限度發(fā)揮兩種模式的優(yōu)點，但這種控制方式還無法實現(xiàn)全自動化。

隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展，目前上海依陽公司已經(jīng)開發(fā)出雙向自動控制技術(shù)，其結(jié)構(gòu)圖4－1如所示。

圖4－1雙向控制模式示意圖

這種雙向控制模式可以最大限度發(fā)揮控制優(yōu)勢，節(jié)省時間和成本，并提高真空工藝的效率和質(zhì)量。