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申请/专利权人：成都晶柱科技有限公司

摘要：本发明涉及控制MPCVD高温电离技术控制领域，具体地说，涉及MPCVD金刚石培育过程中的高温电离控制系统。其包括数据采集单元负责高精度传感器数据的采集与存储；等离子体诊断单元提取并分析这些数据，使用拓扑神经网络等离子体诊断技术对等离子体状态进行诊断；等离子体控制单元根据诊断结果调节微波功率和反应气体流量，维持等离子体稳定；交互与通讯单元提供用户与控制系统的接口，显示实时数据和控制状态，并实现各单元及外部设备之间的通讯。该控制系统使用拓扑神经网络技术实时监测反馈等离子体状态，通过自适应控制算法动态调整各参数，提高金刚石薄膜质量和生产效率。

主权项：1.MPCVD金刚石培育过程中的高温电离控制系统，其特征在于：包括：数据采集单元（1），所述数据采集单元（1）采集与存储高精度传感器数据；等离子体诊断单元（2），所述等离子体诊断单元（2）提取数据采集单元（1）中的实时传感器数据，使用拓扑神经网络等离子体诊断技术计算分析等离子数据，对等离子体状态进行诊断；等离子体控制单元（3），所述等离子体控制单元（3）根据等离子体诊断单元（2）的诊断结果，调节和控制微波功率生成和维持等离子体，并控制甲烷和氢气反应气体的流量；环境调控单元（4），所述环境调控单元（4）分析数据采集单元（1）中的反应腔内压力数据、基底温度数据以及等离子体诊断单元（2）的诊断结果状态，调节反应腔内压力以及基底温度；交互与通讯单元（5），所述交互与通讯单元（5）提供用户与控制系统交互的接口，显示实时数据和控制状态，实现各单元之间以及控制系统与外部设备之间的通讯；所述拓扑神经网络等离子体诊断技术基于拓扑数据分析和深度神经网络技术所融合实现的，用于对MPCVD金刚石培育过程中等离子体状态进行实时诊断与分析；参数计算分析模块使用拓扑神经网络等离子体诊断技术对等离子数据参数的实时计算和分析所涉及的步骤如下：S2.1、构造原始数据向量: 其中，为基底温度；为反应腔温度；为反应腔压力；为甲烷流量；为氢气流量；为等离子体电子密度；为等离子体温度；S2.2、计算原始等离子数据之间的距离矩阵构建Vietoris-Rips复形,利用持久同调计算不同尺度下的拓扑特征，包括连通分量、环和空腔;S2.3、将持久同调结果转化为神经网络处理的数值特征，构建拓扑特征向量： 其中，为拓扑特征向量；为持久同调中提取的数值特征，包括持久同调的总数、各维度的持久同调数以及各同调类的持久时间；S2.4、利用卷积神经网络对拓扑特征向量进行分析和计算，对等离子体状态进行综合诊断；所述S2.2中计算原始等离子数据之间的距离矩阵构建Vietoris-Rips复形,利用持久同调计算不同尺度下的拓扑特征所涉及的具体步骤以及数学公式如下：S2.2.1、构建距离矩阵，计算数据点之间的距离矩阵，用于构建Vietoris-Rips复形： 其中，为第个数据点；为第个数据点；表示欧氏距离；S2.2.2、基于距离矩阵，选择一个尺度参数构建Vietoris-Rips复形，若，则顶点和顶点之间有一条边；S2.2.3、计算持久同调用于识别数据中的稳定拓扑特征，利用持久同调计算不同尺度下的拓扑特征，包括连通分量、环和空腔： 其中，为第维同调群；为第个同调类的生成时间；为第个同调类的消亡时间；S2.2.4、构建持久条形码展示拓扑特征的持久性，每个条形表示一个同调类的生成和消亡；所述S2.4中利用卷积神经网络对拓扑特征向量进行分析和计算，对等离子体状态进行综合诊断所涉及的具体步骤以及数学公式如下：S2.4.1、卷积神经网络的输入层接收拓扑特征向量，卷积层应用卷积核在输入特征向量上滑动，生成一个特征映射： 其中，为第个卷积核的权重；为第个卷积核的偏置；为卷积核的索引；为卷积核的长度；S2.4.2、非线性激活函数ReLU，在池化层使用最大池化通过下采样减少特征映射的维度： 其中，是池化窗口的大小;S2.4.3、全连接层将池化层的输出展开为一维向量，并连接到输出层，通过线性变换结合激活函数进行计算： 其中，为第个神经元的权重向量；为池化层的输出向量，将其展开为一维向量；为第个神经元的偏置；S2.4.4、输出层生成预测等离子体参数： 其中，为预测等离子体参数；为输出层的权重矩阵；为全连接层的输出；为输出层的偏置向量；S2.4.5、使用均方误差作为损失函数，衡量预测值与真实值之间的误差： 其中，为损失函数；为预测值；为真实值；为样本数量；S2.4.6、通过反向传播算法，计算损失函数相对于权重的梯度，并更新权重： 其中，为学习率；为损失函数对权重矩阵的梯度；S2.4.7、基于预测的等离子体参数，进行等离子体状态评估： 其中，是等离子体状态评估结果；为状态评估函数；所述S2.4.7中是等离子体状态评估结果，则所述等离子体状态包括五种状态：状态一、等离子体稳定性：表示等离子体的稳定程度，是否存在波动以及不稳定现象，包括稳定、轻微不稳定和不稳定三种状态；状态二、温度偏差：预测温度与目标温度的偏差，包括温度正常、温度偏高和温度偏低三种状态；状态三、压力偏差：预测压力与目标压力的偏差，包括压力正常、压力偏高和压力偏低三种状态；状态四、气体流量偏差：预测气体流量与设定值的偏差，包括流量正常、流量偏高和流量偏低三种状态；状态五、电子密度：反映等离子体的电子密度是否在设定范围内，包括电子密度正常、电子密度过高和电子密度过低三种状态；所述环境调控单元（4）包括压力控制模块和温度控制模块；其中，所述压力控制模块从数据采集单元（1）获取反应腔内的实时压力数据，使用压力PID控制器根据电容式压力传感器反馈的压力数据调节反应腔内的压力，其压力PID控制所涉及的数学模型公式如下： 其中，为设定压力；为测量压力；为误差，；、、分别为比例、积分、微分系数；其中，所述温度控制模块从数据采集单元（1）获取基底的温度数据，使用温度PID控制器根据红外温度传感器反馈的温度数据调节基底温度，其温度PID控制所涉及的数学模型公式如下： 其中，为设定温度；为测量温度；为误差,；、、分别为比例、积分、微分系数。

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