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1、(10)申请公布号 CN 103947287 A (43)申请公布日 2014.07.23 C N 1 0 3 9 4 7 2 8 7 A (21)申请号 201280052498.5 (22)申请日 2012.08.30 61/528,939 2011.08.30 US 61/635,310 2012.04.19 US H05B 1/02(2006.01) H01L 21/67(2006.01) (71)申请人沃特洛电气制造公司 地址美国密苏里州 (72)发明人菲利普S施密特 卡尔T斯汪森 约翰F莱姆克 (74)专利代理机构北京万慧达知识产权代理有 限公司 11111 代理人白华胜 段晓玲 。
2、(54) 发明名称 热阵列系统 (57) 摘要 本发明提供了一种系统和方法。所述系统和 方法至少有三个电力节点，其中，热元件连接在每 一对电力节点之间。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.04.25 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/053054 2012.08.30 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/033336 EN 2013.03.07 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书24页 附图17页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书24页 附图17页 (10)申请公布。
3、号 CN 103947287 A CN 103947287 A 1/2页 2 1.一种热系统，包括： 多个热元件； 控制系统，其具有至少三个电力节点，其中，所述多个热元件中的一个热元件连接在每 对电力节点之间。 2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统经配置以选择性地将激活电压、回 复电压、开路状态施加至每个电力节点。 3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统经配置为限定多个控制模式，每个 控制模式经配置成给所述多个热元件中的至少一个热元件供电。 4.根据权利要求3所述的系统，其中，确定所述多个控制模式中的哪一组控制模式将 各个热元件驱动到每个模式的预定义设定点。 5.根据权利。
4、要求1所述的系统，其中，所述控制系统包括每个节点的一对晶体管，所述 一对晶体管中的第一晶体管经配置以将所述节点连接到电源，所述一对晶体管中的第二晶 体管经配置以将所述节点连接到回路，其中，分流器连接在所述回路和所述第二晶体管之 间或在所述电源和所述第一晶体管之间。 6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制系统经配置为测量所述分流器两端的 电压或通过所述分流器的电流。 7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一和第二晶体管为场效应晶体管，所述第 一晶体管的漏极连接到所述电源电压，所述第一晶体管的源极连接到所述节点，所述第二 晶体管的所述漏极连接到所述节点，所述第二晶体管的所述源极连接到回路。
5、。 8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个热元件的第一热元件和第二热元件连 接在第一节点和第二节点之间，通过相对于所述第二节点的第一节点的第一极性，激活所 述第一热元件并停用所述第二热元件；通过相对于所述第二节点的第一节点的第二极性， 停用所述第一热元件并激活所述第二热元件。 9.根据权利要求8所述的系统，其中，单向电路与多个热元件的每个热元件电串联连 接。 10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热元件是耗散元件。 11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述热元件是电阻元件。 12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述热元件是由具有温度依赖性电阻的导电 材料构成。 13.根据权利。
6、要求12所述的系统，其中，所述控制系统经配置以测量所述电阻元件的 电阻来计算所述电阻元件的温度。 14.根据权利要求1所述的系统，其中，还包括数量为N的节点以及数量为E的加热元 件，其中，每一对节点刚好具有一个在它们之间连接的加热元件。 15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述加热元件的数量E与节点的数量N的平方 减去所述节点的数量N成正比。 16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述加热元件的数量E和所述节点的数量通过 关系式相关联： 17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述控制系统经配置以选择性地将激活电压、 权 利 要 求 书CN 103947287 A 2/2页 3 回复电压。
7、、开路状态施加至所述每个节点。 18.一种加热器，包括： 基板； 基底加热器，其固定到所述基板； 衬底，其固定到所述基底加热器； 调谐加热器，其固定到所述衬底，所述调谐加热器包括多个加热器元件； 卡盘，其固定到所述调谐加热器；和 控制系统，其具有至少三个电力节点，其中，所述多个加热器元件中的一个加热器元件 连接在每对电力节点之间。 19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述控制系统经配置以选择性地将激活电压、 回复电压、开路状态施加至每个电力节点。 20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述控制系统经配置为定义多个控制模式，每 个控制模式经配置为所述多个加热器元件的至少一个加热器元件供电。。
8、 21.根据权利要求20所述的系统，其中，确定所述多个控制模式中的哪一组控制模式 将各个热元件驱动到每个模式的预定义设定点。 22.根据权利要求18所述的系统，其中，所述控制系统包括用于每个节点的一对晶体 管，所述一对晶体管中的第一晶体管经配置以将所述节点连接到电源，所述一对晶体管中 的第二晶体管经配置以将所述节点连接到回路，其中，分流器连接在所述回路和所述第二 晶体管之间或在所述电源和所述第一晶体管之间。 23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述控制系统经配置为测量所述分流器两端 的电压或通过所述分流器的电流。 权 利 要 求 书CN 103947287 A 1/24页 4 热阵列系统 。
9、相关申请的交叉引用 0001 本申请要求临时申请序列号：于2011年8月30日提交的61/528,939和于2012 年4月19日提交的61/635,310的优先权，这些专利的公开内容全文引入本文以供参考。 本申请还涉及题目为“高清晰度加热器和操作方法(High Definition Heater and Method of Operation)”，“加热器的高清晰度并行控制系统(High Definition Parallel Control Systems for Heaters)”、“热阵列系统(Thermal Array System)”、“热阵列系统(Thermal Array Sy。
10、stem)”、“控制热阵列的系统和方法(System and Method for Controlling A Thermal Array)”以及“控制热阵列的系统和方法(System and Method for Controlling A Thermal Array)”的与本申请同时提交并共同转让的共同未决申请，这些专利的公开内 容全文引入本文以供参考。 背景技术 0002 本发明总的来说涉及一种控制热阵列的系统和方法。 发明内容 0003 在克服相关技术的缺点以及其它限制中，本申请提供了一种系统和方法，包括至 少三个电力节点，其中，热元件连接在每对电力节点之间。 0004 通过阅读下面的。
11、描述，参照所附加的并形成本说明书的一部分的附图和权利要求 书，本领域技术人员将会易于理解本申请的其它目的、特征和优点。 附图说明 0005 图1a是根据本发明内容的一种形式的原理构造的具有调谐层的加热器的局部侧 视图； 0006 图1b是根据本发明的原理构造的具有调谐层或调谐加热器的加热器的另一种形 式的分解侧视图； 0007 图1c是加热器的分解透视图，其示出了按照本发明的原理，基底加热器的示例性 四个(4)区域和调谐加热器的十八个(18)区域； 0008 图1d是根据本发明的原理构造的具有补充调谐层的高清晰度加热器系统的另一 种形式的侧视图； 0009 图2是示出了双向热阵列的示意图； 0。
12、010 图3a是示出了多并联的热阵列的示意图； 0011 图3b是示出了多并联的和双向的热阵列的示意图； 0012 图4是多并联的和双向的热阵列的另一示意图； 0013 图5是示出了具有可寻址开关的热阵列的示意图； 0014 图6A是一个示出控制热阵列的方法的流程图； 0015 图6B是说明来自图6A的控制方法的时序图； 说 明 书CN 103947287 A 2/24页 5 0016 图7A是说明热阵列的另一种控制方法的流程图； 0017 图7B是用于所述方法的一个实施例的四个节点拓扑； 0018 图8是说明用于测量热阵列模式的电气特性的方法的流程图； 0019 图9a是说明一种用于校准热阵。
13、列的方法的流程图； 0020 图9b是说明一种用于计算热阵列的目标设定点的方法的流程图； 0021 图10示出了控制器系统的一个实施方案的示意图。 具体实施方式 0022 以下描述在本质上仅是示例性的，并不用来限制本发明内容、应用或用途。例如， 本发明的以下形式旨在提供一种在半导体加工中使用的卡盘，并且在某些情况下为静电卡 盘。然而，应当理解，此处提供的加热器和系统可以应用在多种应用中，并不限于半导体的 加工应用。 0023 参考图1a，本发明的一种形式是加热器50，其包括具有至少一个加热器电路54嵌 入其中的基底加热器层52。基底加热器层52具有至少一个穿过其中的孔56(或导通孔)， 该孔形。
14、成用于将加热器电路54连接到电源(未示出)。基底加热器层52提供初级加热， 而设置为靠近所示的加热器层52的调谐加热层60(如所示)，提供由加热器50所提供的 热分布的调谐。调谐层60包括嵌入其中并独立控制的多个单独加热元件62。至少一个孔 64形成为穿过调谐层60，用于将多个单独加热元件62连接到电源和控制器(未示出)。进 一步如图所示，将路由层66布置在基底加热器52和调谐层60之间，并限定了内腔68。第 一组电引线70将加热器电路54连接到电源，其延伸穿过加热器层孔56。第二组电引线72 将多个加热元件62连接到电源并且延伸穿过路由层66的内腔68，除了在基底加热器层52 中的孔55。应。
15、当理解，路由层66是可选的，并且可以采用没有路由层66的加热器50，而取 而代之的仅仅具有基底加热器层52和调谐加热层60。 0024 在另一种形式中，不提供热分布的微调，调谐层60可以可替换地用于测量卡盘12 中的温度。这种形式提供了温度依赖性电阻电路的多个特定区域或离散位置。这些温度传 感器的每个可以分别地通过多路切换装置读取将在以下以示例性形式更详细阐明，使得基 本上要使用多个传感器，其相对于测量每个单独的传感器所需的信号线数量。温度传感反 馈可以提供必需的控制决策的信息，例如，用于控制背面冷却气体压力的特定区域来调节 从衬底26到卡盘12的热通量。这种相同的反馈也可以用来替换或增加靠近。
16、基底加热器50 安装的温度传感器，以便经由辅助冷却液热交换器来控制基底加热区54的温度或平衡板 冷却液温度(未示出)。 0025 在一种形式中，底座式加热器层50和调谐加热器层60由封闭加热器电路54和调 谐层加热元件62以聚酰亚胺材料形成，聚酰亚胺材料用于中等温应用，一般在250以下。 此外，聚酰亚胺材料可以掺杂材料，以便增加热导率。 0026 在其它形式中，基底加热器层50和/或调谐加热层60是由一种成层方法形成，其 中，所述层通过使用与厚膜、薄膜、热喷涂或溶胶凝胶等相关联的方法在衬底上或另一层上 涂敷或积聚材料而形成。 0027 在一种形式中，基底加热器电路54由铬镍铁合金形成，并且调谐。
17、层 加热元件62是镍材料。在另一种形式中，调谐层加热元件62是由具有足够温度系数的 说 明 书CN 103947287 A 3/24页 6 电阻的材料形成，使得所述元件同时用作加热器和温度传感器，通常是指“双线控制”。这 样的加热器和它们的材料公开在美国专利No.7,196,295和未决的美国专利申请序列号 No.11/475,534，这与本申请共同转让并且其发明内容在这里全文引入作为参考。 0028 采用双线控制，本发明的各种形式包括温度、功率、和/或基于所述层加热元件62 热阻抗的控制，通过施加到在热阻抗调谐层60中的单独元件的每个的电压和/或电流的常 识或测量，通过乘法和除法转换成电能和。
18、电阻，在第一种情况下，对应等同于这些元件中的 每个的热通量输出，并在第二种情况下，对应等同于已知的元件温度的关系。所有这些可用 于计算和监视每个元件上的热阻抗负载以允许操作者或控制系统检测并补偿特定区域热 变化，所述变化可以起因于，但不限于由于使用或者维护、处理误差以及设备老化引起的腔 室或卡盘的物理变化。可选地，在热阻抗调谐层60中，每个所述单独控制的加热元件可以 分配对应于相同的或不同的特定温度的设定点电阻，则修改或闸控在衬底上的相应区域产 生的热通量通过基底加热器层52以在半导体加工期间控制衬底温度。 0029 在一种形式下，基底加热器50接合于卡盘51，例如，通过使用有机硅粘合剂或甚 。
19、至压敏粘合剂。因此，加热器层52提供初级加热，调谐层60精确地调谐或调整加热分布， 例如，将均匀的或所需的温度曲线提供给卡盘51，然后是衬底(未示出)。 0030 在本发明的另一种形式中，调谐层加热元件62的热膨胀系数(CTE)与调谐加热层 衬底60的CTE相匹配，从而改善调谐层加热元件62在暴露于应变负载时的热敏性。许多 用于双线控制的合适材料显示出与电阻温度设备(RTD)相似的特性，包括对温度和应变的 电阻灵敏度。将调谐层加热元件62的CTE匹配到调谐加热层衬底60减少了对实际加热元 件的应变。并且，当工作温度增加时，应变水平趋于增加，因此CTE匹配变得不止是一个因 素。在一种形式中，调谐。
20、层加热元件62是CTE约为15ppm/的高纯度镍铁合金，包围它的 聚酰亚胺材料具有约为16ppm/的CTE。在这种形式中，将调谐加热层60结合到其它层的 材料表现出弹性特性，这种特性物理地使调谐加热层60从卡盘12的其它构件脱离。应当 理解的是，也可以使用具有可比较的CTE的其他材料，同时保持在本发明的范围内。 0031 现在参见图1b-d，示出具有基底加热器层和调谐层的加热器的一个示例性的形式 (如以上图1a中的一般性描述)，且一般地由附图标记80表示。加热器80包括基板82(也 称为冷却板)，该基板在一个形式中为厚度约为16mm的铝板。在一种形式中借助于所示的 弹性接合层86，基底加热器8。
21、4固定到基板82。弹性材料粘合剂可以是一种公开于美国专 利No.6,073,577，其在此全文引入作为参考。根据本发明的一种形式，衬底88布置在基底 加热器84的顶部并且是厚度约1mm的铝材料。衬底限定热导率，以耗散所需量的基底加热 器84的功率。由于基底加热器84具有相对高的功率，没有必要量的热导率，该基底加热器 84将在相邻部件上留下“示位”标(来自电阻电路迹线)，从而降低了整个加热器系统的性 能。 0032 如上所述，一种调谐加热器90设置在衬底88的顶部并且借助于弹性接合层94固 定至卡盘92。在一种形式中，卡盘92是厚度约为2.5mm的氧化铝材料。应当理解，此处所 述的材料和尺寸都仅。
22、是示例性的，因此本发明不限于在此所述的特定形式。此外，调谐加热 器90具有比基底加热器84低的功率，并且如上所述，衬底88用来耗散来自基底加热器84 的功率，使得“示位”标不会在调谐加热器90上形成。 0033 基底加热器84和调谐加热器90更详细地示于图1c，其中，示出了一种示例性四个 说 明 书CN 103947287 A 4/24页 7 (4)区域用于基底加热器84，和十八个(18)区域用于调谐加热器90。在一种形式中，加热 器80适用于使用450mm的卡盘尺寸，然而，由于其能够高度调整热分布，加热器80可使用 较大或较小的卡盘尺寸。另外，高清晰度加热器80可以围绕卡盘的外围使用，或在穿。
23、过卡 盘的预定位置上，而不是如这里所述的堆叠/平面结构。再进一步，高清晰度加热器80可 以用于处理套件、腔壁、上盖、气体管道、以及喷头，以及其它半导体加工设备内的部件。还 应理解，本文所示和所述的加热器和控制系统可用于许多应用，并且因此该示例性的半导 体加热器卡盘应用不应该解释为限制本发明的范围。 0034 本发明还设想基底加热器84和调谐加热器90不限于加热功能。应该理解，一个 或更多的这些构件分别称为“基底功能层”和“调谐层”，也可以可选地是温度传感器层或其 它功能构件，同时保持在本发明的范围内。 0035 如图1d，可以在卡盘12的顶面上为双调谐能力提供次级调谐层加热器99的夹杂 物。次。
24、级调谐层可以可选地用作温度传感层而不是加热层，同时保持在本发明的范围内。因 此，可以采用任何数量的调谐层加热器，而不应限于在这里所示出和所描述的。 0036 现在参考图2，提供热阵列系统100。系统100包括控制器110。控制器110可以 是控制电路或基于控制器的微处理器。控制器110可以配置为接收传感器测量并执行基于 所述测量的控制算法。在一些实施例中，控制器可以测量一个或多个热阵列元件的电气特 性。此外，控制器110可以包括和/或控制多个开关来基于所述测量值来确定将多少功率 提供给阵列的每个热元件。 0037 在一个实施例中，通过三相功率输入(如附图标记112、114、116所指示的)将功。
25、 率提供给阵列。输入功率可以连接到整流电路118，以提供正直流(DC)电力线120和负直 流电力线122。该功率可通过六个电力节点分配至热阵列。控制器110可以配置为控制多 个开关，使得在正电源线120可以路由到六个电力节点中的任何一个，负电源线122也能路 由到多个电力节点中的任何一个。 0038 在示出的实施方案中，电力节点配置成两组节点。第一组节点包括电力节点136a、 电力节点136b和电力节点136c，第二组包括电力节点138a、电力节点138b、和电力节点 138c。在所示的实施方案中，热元件配置成矩阵布置，配有三组热元件，每组包含六个热元 件。然而，如同这里描述的每个实施方案，可。
26、以使用更多或更少的节点，且另外，热元件的数 量可以随着节点的数目对应地增加或减少。 0039 热元件的第一组160都连接到节点138a。类似地，热元件的第二组170都连接到 电力节点138b，而热元件的第三组180都连接到电力节点138c。热元件可以是加热器元件。 该加热器元件可以由导电材料形成，例如，具有温度依赖性的电阻。更为具体地，热元件可 以是具有电气特性的加热器元件，例如与温度相关的电阻、电容或电感。虽然，热元件通常 还可以分类为耗散元件，例如电阻元件。因此，在每个所述实施方案中的热元件可以具有上 述的任何特征。 0040 在各组中，六个热元件配置成成对的热元件。例如，在第一组160，。
27、第一对热元件 146a包括第一热元件164和第二热元件168。第一热元件164配置与第二热元件168电并 联连接。此外，第一热元件164与单向电路162电串联连接。单向电路162可以配置以允 许电流沿一个方向而不能沿相反的方向流经热元件164。同样地，单向电路162是以其最简 单的形式示为二极管。 说 明 书CN 103947287 A 5/24页 8 0041 第一单向电路162被示为具有连接到节点136a的阴极和通过热元件164连接到 节点138a的阳极的二极管。以类似的方式，第二单向电路166被示为具有连接到节点136a 的阳极和通过第二热元件168连接到节点138a的阴极的二极管，从而。
28、显示出相对于第二单 向电路166的第一单向电路162的单向性质。注意，二极管作为单向电路的实施方案仅可 以用于一伏电源，但是，各种其它电路可以设计包括例如用于为更高的电源电压工作的硅 控整流器(SCR)的电路。之后，更详细地说明这些单向电路的实施方案，但可以与这里所述 的任何实施方案相结合使用。 0042 以类似的方式，第二热元件168与第二单向电路166电串联连接，其以最简单的 形式示为二极管。第一热元件164和第一单向电路162平行于电力节点138a和电力节点 136a之间的第二热元件168和第二单向电路166。因此，如果控制器110将正电压施加到 节点136a，将负电压施加到节点138a。
29、，那么功率施加在第一对146a的第一热元件164和第 二热元件168。如上所述，第一单向电路162沿第二单向电路166的相反方向取向。这样， 当将正电压施加到节点138a和将负电压施加到节点136a时，第一单向电路162允许电流 流经第一热元件164，但在将正电压提供给节点136a和将负电压提供给节点138a时阻止电 流流动。相反，当将正电压施加到节点136a和将负电压施加到138a，允许电流流过第二热 元件168，然而，当切换极性时，第二单向电路166阻止电流流过第二热元件168。 0043 另外，一组中的每一对热元件连接到第一组电力节点136a、136b、136c的不同电 力节点。因此，第。
30、一组160的第一对热元件146a连接在节点136a和138a之间。第二对热 元件146b连接在电力节点136b和电力节点138a之间，而组160的第三对热元件146c连 接在电力节点136c和电力节点138a之间。同样，控制器110可以配置成通过将电力节点 138a连接到电源或回路以选择元件组，然后，通过将节点136a、136b或136c其中一个分别 连接到电源或回路，可以选择一对热元件(146a，146b，146c)。此外，基于在节点138a和节 点136a、136b和/或136c之间所提供的电压的极性，控制器110可以选择将电源提供到每 对的第一元件或每对的第二元件。 0044 以同样的方。
31、式，第二组热元件170连接在第二组节点的节点138b和节点136a、 136b和136c之间。这样，组170的第一对热元件146d可以使用电力节点136a选择，而组 170的第二对热元件146e和第三对热元件146f可以分别由节点136b和136c选择。 0045 类似地，第二组热元件180连接在第二组节点的节点138c和节点136a、136b和 136c之间。组180的第一对热元件146g可以使用电力节点136a选择，而组170的第二对 热元件146h和第三对热元件146i可以分别由节点136b和136c选择。 0046 对于所示实施方案，控制器110操纵多个开关来将正电源线120连接到第一。
32、组电 力节点中的一个，将负电源线122连接到第二组电力节点，或者可选地，将正电源线120连 接到第二组电力节点，将负电源线122连接到第一组电力节点122。同样，控制器110将控 制信号124提供到第一极性控制开关140和第二极性控制开关142。第一极性控制开关140 将第一组电力节点连接到正电源线120或负电源线122，而第二极性开关142将第二组电力 节点连接到正电源线120或负电源线122上。 0047 此外，控制器110将控制信号126提供到第一组电源开关130、132、和134。这些 开关130、132和134将开关140的输出(正电源线120或负电源线122)分别连接到第一 节点1。
33、36a、第二节点136b和第三节点136c。此外，控制器110提供控制信号128至第二组 说 明 书CN 103947287 A 6/24页 9 电源开关150、152和154。这些开关150、152和154将开关142的输出(正电源线120或 负电源线122)分别连接到第一节点138a、第二节点138b和第三节点138c。 0048 现在参考图3a，提供了一种多并联的热阵列系统200。该系统200包括一个控制 系统210。该控制系统可包括类似于在本申请文件中描述的那些微处理器、开关，以及其他 离散部件以实现这里所述的逻辑。热元件以多并联的方式在电力节点对上排列。对于所示 的实施方案，提供了六。
34、个电力节点(212、214、216、218、220、222)。此外，每个热元件在一对 电力节点之间连接。更具体地，每个热元件在不同对的电力节点之间连接。这样，每个节点 具有一个连接在本身和每个其它电力节点之间的热元件。 0049 因此，热元件230连接在节点212和节点222之间，热元件232连接在节点212和 节点220之间，热元件234连接在节点212和节点218之间，热元件236连接在节点212和 节点216之间，以及热元件238连接在节点212和节点214之间。这样，节点212通过一热 元件(230、232、234、236或238)连接到其它节点214、216、218、220和222的。
35、每一个。 0050 类似地，热元件240连接在节点214和节点222之间，热元件242连接在节点214 和节点220之间，热元件244连接在节点214和节点218之间，并且热元件246连接在节点 214和节点216之间。应当指出，每一个其他对元件之间的连接由连接在节点216和节点 222之间的热元件250，连接在节点216和节点220之间的热元件252，连接在节点216和节 点218之间的热元件254，连接在节点218和节点222之间的热元件260，连接在节点218 和节点220之间的热元件262，和连接在节点220和节点222之间的热元件270提供。 0051 控制器210经配置为将电源连接。
36、、回路连接，或开路提供到每个节点。另外，可以 认识到，多并联的拓扑显著不同于图2中提供的矩阵拓扑。多并联拓扑规定热元件网络相 对于加热用电分布以及理解用于热感测的所有元件的相互作用整体考虑。例如，如果将电 力提供到节点212并将回路连接提供到节点222，主电源路径通过热元件230。然而，次级路 径将在网络中通过其它元件中的每个回到节点222存在。同样，控制器210在将电源和回 路提供到任何配置的节点时必须考虑提供给主路径的热元件的电力以及通过次级路径提 供给所有的其它元件的电力。基于具有不同特性的每个热元件，或者通过设计、环境影响、 或制造公差，此任务非常复杂。 0052 对于这种拓扑，在不使。
37、用具有如上所述的SCR、二极管和其它元件的开关电路的情 况下，控制方案可以采用六个(6)导线和十五个(15)元件。相对于这一控制方案的导线的 最大元件数目是E1/2(Nx(N-1)。尽管每一导线可以连续供电，将独立的电压施加给任 何节点组合，但这个系统很难控制。根据本发明的这种形式，导线选择性地连接到电源，回 路，或者为开路，使用指定时间段的这些组合的序列，以便产生所需的平均热分布。例如， 一种组合可以是将A和B连接到电源，C和D连接到回路，而E和F为开路；另一组合可以 是将A和C连接到电源，将D连接到回路，而B、E和F为开路。这些组合或模式，然后在不 同的时间段按顺序施加到调谐层加热元件中，。
38、例如，将第一模式施加在第一时间t 1 ，第二模 式施加在第二时间t 2 ，等等，使得所得的时间顺序在调谐层加热器中产生所需平均加热分 布。在一种形式中，使用的定时序列时间间隔比加热器的热时间常数短得多，使得加热器 中温度波动保持为足够低的水平。在给出的六个导线实施例中，有N-导线的301种可能的 非冗余模式，其中非冗余模式是指在至少一个元件中能够产生功率的一种，且不会在系统 中的相同的元件上作为另一模式产生相同的功率。如果移除开路电路相关联的模式，那么 说 明 书CN 103947287 A 7/24页 10 N-导线的非冗余模式(mode)的数目是Modes2 N-1 -1。因此，对于相同的。
39、六个导线，十五 个元件系统中，有31种无冗余，非零(null)模式。所得六个节点、十五个元件系统的模式 矩阵PxM，或者是(15x301)或者是(15乘31)，需要矩阵方程P E PxMModes的 解，其中，P E 为从元件输出的功率向量(热通量)。在开路的情况下，多平行模式的数目 (3 N 2 N+1 -1)/2(非冗余)。如果使用全开路包容性矩阵和产生高度易错和难以实现的模式 向量，由于必须在给定时间窗口中产生的模式数量，该PxM矩阵是不确定的和可能是病 态的。此外，解并不是总可以用于所有期望的功率向量。通过基于矩阵条件选择模式子集， 可以减少复杂性和误差。评估选定的模式子集的矩阵条件的。
40、一种方法是在PxM矩阵的子 集上执行奇值分解，将子集相互比较并选择具有最大非零奇值和最小非零奇值的最小比率 的组。只可以使用非负模式，这是因为功率只能添加到该系统，因此该矩阵可以用来解决非 负最小平方问题其中Modes0。检查所述解的残基，得到 的解题误差的测量。有限数量的这些解将是相近似的，但是随着导线和元件数量的增加，使 系统变得更受限制，用于每个部件的低误差独立功率解的范围降低。应当注意，提出的方法 是用于元件的功率控制，并且，由于不确定的拓扑，具有低TCR的稳定电阻元件将产生最小 误差的解，但这并不排除使用高TCR元件或使用单独的温度感测平面以使该系统在温度控 制下。 0053 现在参。
41、照图3b，提供多并联的和双向的热阵列系统300。热阵列系统300包括控 制系统310。该控制系统310可以包括在申请中描述的那些部件类似的微处理器、开关、以 及其他离散部件来实现这里所述的逻辑。如图2所示，热元件在电力节点对上以多并联的 方式排列。由于是双向的，两倍数量的元件能够以相同数量的节点控制。对于所示的实施 例中，六个电力节点(312、314、316、318、320、222)。此外，每一对热元件连接在一对电力节 点之间连接，其中所述一对热元件的每个热元件具有不同的极性。更具体地，每对热元件连 接在不同对的电力节点之间。这样，每个节点具有一对在其自身和每一个其它的电力节点 之间连接的热元。
42、件，其中每一对中的热元件通过不同极性的电源启用。 0054 因此，热元件对350连接在节点312和节点322之间。热元件对350包括第一热 元件332和第二热元件334。第一热元件332配置成与第二热元件334电并联连接。此外， 第一热元件332与单向电路330电串联连接。单向电路330可以配置成允许电流在一个方 向上而不是相反的方向上流经热元件332。同样地，单向电路330是以其最简单的形式示出 为二极管。 0055 第一单向电路330被示为具有连接到节点312的阴极和通过热元件332连接到节 点314的阳极的二极管。以类似的方式，第二单向电路336被示为具有连接到节点314的 阴极和通过第。
43、二热元件334连接到节点312的阳极的二极管，从而显示出相对于第二单向 电路336的第一单向电路330的单向性质。 0056 这样，当将正电压施加到节点322并且将负电压施加到节点312时，第一单向电路 330允许电流流经第一热元件332，但是，在将正电压提供到节点312和将负电压提供到节 点322时，阻止电流流动。相反，当将正电压施加到节点312和将负电压施加到322时，允 许电流流经第二热元件334，然而，当切换极性时，第二单向电路336阻止流经第二热元件 334的电流。 说 明 书CN 103947287 A 10 8/24页 11 0057 热元件对352连接在节点312和节点320之。
44、间，热元件对354连接在节点312和 节点318之间，热元件对356连接在节点312和节点316之间，且热元件对358连接在节点 312和节点314之间。这样，节点312通过热元件对(350、352、354、356或358)连接到其它 节点314、316、318、320和322中的每一个。类似地，热元件对360连接在节点314与节点 322之间，热元件对362连接在节点314和节点320之间，热元件对364连接在节点314和 318之间，且热元件对366连接在节点314和节点316之间。应注意的是，节点314和节点 312之间的连接已经通过热元件对358识别。 0058 另外，每一个其他元件对。
45、之间的连接由连接在节点316和节点322之间的热元件 对370，连接在节点316和节点320之间的热元件对372，连接在节点316和节点318之间 的热元件对374，连接在节点318和节点322之间的热元件对380，连接在节点318和节点 320之间的热元件对382，以及连接在节点320和节点322之间的热元件对390提供。 0059 控制器310配置成将电源连接、回路连接或开路提供到每个节点。如上所述，多并 联拓扑提供热元件网络相对于加热用电分布以及理解用于热感测的所有元件的相互作用 整体考虑。例如，如果将电力提供给节点312和将回路连接提供给节点322时，主电源路径 通过热元件对350。然。
46、而，次级路径将通过网络中的每个其它元件回到节点322。同样，在 将供电和回路提供到节点的任何配置时，必须考虑控制器310提供给主路径的热元件的电 力以及通过次级路径提供到所有的其它元件的电力。 0060 现在参照图4，提供双向的且多并联的热元件系统的另一种实施方案。系统400包 括控制多个电力节点的控制器410。对于所示的实施方案中，控制器410控制六个电力节点 412、414、416、418、420和422。如先前所述，每个节点通过热元件连接到其它节点中的每一 个。此外，在双向情况下，每个元件是通过两个热元件连接每一个其它的元件，其中热元件 中的一个以第一极性连接所述节点对，而第二热元件以相。
47、反的极性连接所述元件对。 0061 在系统400中，每一单向电路430示出为元件的组合，包括SCR432、二极管436和 稳压二极管434。单向元件430与每一热元件(例如，热元件438)电串联连接。如图所示， 热元件438和单向电路430在节点414和节点412之间电串联连接。如果将正电源电压提 供给节点414和将回路提供给节点412，则使电流流过热元件438和SCR432。热元件438 连接在节点414和SCR432的阳极之间。SCR432的阳极连接到热元件438和二极管436的 阳极。二极管436的阴极连接到稳压二极管434的阴极。此外，稳压二极管434的阳极连 接到SCR432的源极和。
48、节点412。 0062 当栅极电流流向SCR时，SCR432触发。当电流沿二极管436的方向流动并超过稳 压二极管434的电压间隙，SCR接收栅极电流。虽然，SCR的栅极电流可以通过装置的另一 种结构触发。另外，触发可以是除电的之外的方式，例如光学或磁性。一旦激活SCR且传导 电流，直到电流停止才关闭。尽管这种结构是为了示例性目的而示出，应该注意，附加的单 向结构也是可用的。例如，附加的元件可用于连接到SCR和二极管，例如，提供缓冲器以防 止SCR的意外触发。 0063 因此，包括热元件和单向电路的热配置(例如，440)，配置在每个节点之间，例如， 在节点414和节点412之间。此外，在双向结。
49、构中，具有相反极性的两个热配置可以连接在 多个电力节点的每对节点之间。例如，热配置440连接在节点414和节点412之间，但与单 向电路430的极性相反。从图中可以看出，SCR433的阴极连接到节点414，而SCR432的阴 说 明 书CN 103947287 A 11 9/24页 12 极连接到节点412。因此，每个将仅在相反极性的情况下传导。 0064 在控制器410中，每个节点可以连接到一对开关，如附图标记492所示。一对开关 可以是晶体管，例如以半桥配置的场效应晶体管(FET)。第一晶体管490可以是在激活时将 节点412连接到回复电压的低控制开关，而第二晶体管491可以是在激活时将节点412连 接到电源电压的高控制开关。第一晶体管490可具有连接到多个节点中的一个的漏极和通 过分流器498连接到负电压线的源极。另一个晶体管491可以具有连接到节点412的源极 和连接到正电压节点的漏极。此外，第一晶体管490和第二晶体管491各自可以具有连接 到控制电路的栅极或实现。