[发明专利]射频匹配网络的模糊逻辑调谐

说明书

本发明涉及等离子体发生装置，详细地说，涉及自动射频(RF)匹配网络，所述自动RF匹配网络使等离子体反应室或类似的非线性负载的阻抗与RF发生器或类似的RF源的恒定的输出阻抗(例如50欧姆)匹配。更详细地说，本发明涉及模糊逻辑技术，所述模糊逻辑技术能够同时利用与匹配网络相联系的相位误差信号和幅度误差信号来控制匹配网络内的两个或更多的可调谐元件。

在典型的RF等离子体发生器配置中，高功率RF源产生预定频率，即13.56兆赫的RF波，沿着功率导管向等离子体室提供这种RF波。一般还以固定的已知阻抗，例如50欧姆提供RF功率。因为在RF功率源和等离子体室之间一般具有严重的阻抗失配，所以在这两者之间插入阻抗匹配网络。在等离子体室内具有非线性，这使得对于一种等离子体处理过程难于以一些固定的位置来简单地调整阻抗匹配网络。在匹配网络的输入端设置相位/幅度度误差检测器，所述相位/幅度度误差检测器产生表示阻抗误差的幅度和相位误差的两种(或更多种)误差信号。幅度误差是标称输入阻抗(一般是50欧姆)的幅度与实际输入阻抗的幅度之间的差值。相位误差是标称输入阻抗的相位(一般是零度)与实际输入阻抗的相位之间的差值。误差信号也指示幅度误差和相位误差的方向或符号(+或-)。

传统的匹配网络使用这两个误差信号来控制两个可变调谐元件：相位误差用来控制一个调谐元件，而幅度误差用来控制另一个调谐元件。相位/幅度度误差信号驱动与可变电容器或者也许是可变电感器的调谐铁心相联系的马达。当达到匹配状态时，误差信号降到低电平或零电平。

传统的系统在许多条件下在迅速达到匹配阻抗方面遇到困难。一个主要的问题是目前的结构没有注意到这样的事实，就是各调谐元件同时影响两种误差信号。因为这种影响，误差信号可能驱动一个或两个调谐元件离开匹配或调谐点。这延长了调谐过程，并导致缓慢而不可靠的调谐。因为相位/幅度度误差信号并不总是单独提供将匹配网络驱动到调谐点的足够信息，所以产生了另一个问题。这意味着匹配网络可能具有“迷失状态”(lost condition)，这时将不能达到阻抗匹配。第三个问题是由调谐元件的给定移动产生的误差信号随调谐元件的位置而改变。换句话说，如果调谐元件接近其量程的最小端，位置上10％的改变可能产生50％的误差信号幅度的改变，但如果调谐元件接近其量程的最大端，同样的10％的改变可能只产生5％的误差信号幅度的改变。这导致控制回路的稳定性随调谐元件的位置而改变。然而，在目前，甚至没有实际的系统将调谐元件(例如转子)的位置作为输入来跟踪。

解决所述第一个问题的交叉点方法以前曾被提出来，但是对于两个调谐元件中的每一个仍然只使用单个误差信号。另一个问题是这种方法需要硬性固定的阈限，而不是逐渐转变。

迷失恢复方法曾被建议用来解决上述第二个问题，即“迷失状态”问题。在这种方法中，系统检测到阻抗匹配已经无望，于是将调谐元件移到预定的“迷失恢复”位置，从所述位置出发，它可以调谐到匹配。这种方法在恢复阻抗匹配时耗费大量时间，还不能在调谐范围的每种负载下工作。

业界似乎没有认识到在其范围内的误差信号的非线性所导致的第三个问题。利用一种以上的误差信号来控制各调谐元件的必要性也没有被认识到，也没有建议组合多种误差信号来控制与阻抗匹配网络相联系的各调谐元件的任何过程。

在许多应用场合中采用模糊逻辑作为控制算法，模糊逻辑具有根据一套简单的原则、将复杂的多维处理简化为较直接的算法的优点。模糊逻辑基于Lotfi A.Zadeh教授在本世纪六十年代发明的数学分支--模糊集理论(Fuzzy Set Theory)。模糊逻辑通过利用最小量代码将输入映射到输出，提供可靠、非线形、有效的控制方法。模糊逻辑和模糊控制的基础已经在数学和工程文献的许多处给出解释。模糊逻辑控制过程基本上可以用一些步骤或阶段来描述。首先，过程控制工程师建立一些重叠模糊集，比如“大、正”、“中、正”、“零”或小、“中、负”和“大、负”。在第一阶段，即“模糊化”阶段，一些清新的、离散的输入值被模糊化，也就是说，它们被转化为重叠模糊集内的适当程度的从属关系(membership)。然后，在规则应用阶段，规则用来定义输入变量和输出变量的关系。以“模糊推理函数”来提供这些规则，并且这些规则表示一种对于过程工程师很直观的关系。这可能是一系列IF-AND-THEN语句，或者可能由直接的表、网格或矩阵构成。输出或逆模糊化阶段将模糊变量转换为清新的输出值，所述输出值用作诸如可变电容器的动片等控制装置的控制值或信号。