自旋转精密磨削过程磨削力控制策略和控制系统研究

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硅片不断向着大尺寸方向发展对硅片磨削技术提出了更高的要求。目前先进半导体磨削技术与设备被发达国家及跨国公司所垄断,严重制约了我国半导体制造业的发展。国内学者对大直径硅片加工技术进行了较细致的研究,主要集中在硅片磨削去除机理方面,而对磨削力控制方面的研究却非常少。在硅片磨削过程中,磨削力是一个很重要的因素,其大小将直接影响硅片表面质量的好坏,因此有必要对磨削力进行实时控制。首先,本文分析了影响磨削力大小的因素,主要的因素有:砂轮轴向进给速度、砂轮转速、硅片自旋转速度、砂轮粒度等。提出通过调节影响磨削力最大的砂轮轴向进给速度来控制磨削力。然后,结合硅片自旋转磨削的特点分析比较了常用控制方法的优缺点,选取了合适的控制方法及制定了分阶段进给的磨削力控制策略,同时设计了磨削力控制系统的总方案。在此基础上,根据控制系统的性能要求对系统的各个部分进行分析、设计及选型,按照磨削力控制系统构成原理对其进行数学建模,求出了控制系统的开环传递函数,并使用之前选取的控制方法设计出磨削力控制器与系统的开环传递函数一起进行了全闭环仿真实验。最后,使用LabVIEW软件开发环境编写出了磨削力控制系统软件,还根据磨削力形成及磨削力控制的原理构建磨削力控制策略验证系统,对所设计的控制策略及控制系统进行了验证。主要研究结果如下:(1)调节砂轮轴向磨削进给速度可以实现控制磨削力大小的目的,从而改善硅片磨削的表面质量。(2)根据磨削力控制的要求,设计出磨削力控制系统,并完成系统各部分的数学建模,得到了系统的开环传递函数。(3)比较常用控制方法优劣后,选取模糊PID方法对系统进行了全闭环仿真,仿真结果表明其控制效果良好,可以很好地满足系统的要求。(4)使用LabVIEW开发工具及相关软件开发包编写了控制系统软件,实现了磨削力采集和磨削力控制等功能。(5)构建了磨削力控制策略实验验证系统,验证了该磨削力控制系统及控制策略的有效性。
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