基于PLC的直流電弧等離子噴射化學(xué)氣相沉積金剛石設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)
針對(duì)直流電弧等離子噴射化學(xué)氣相沉積金剛石設(shè)備，以PLC作為系統(tǒng)的控制核心，觸摸屏作為人機(jī)界面，梯形圖為編程語(yǔ)言，不僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行，而且還由上位機(jī)的組態(tài)軟件通過(guò)485 總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期記錄。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)硬件可靠，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
直流電弧等離子噴射一直是化學(xué)氣相沉積金剛石的主要方法之一，該方法制備金剛石生長(zhǎng)速度快，產(chǎn)品質(zhì)量好，但設(shè)備復(fù)雜，控制煩瑣，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的必然要求。
1、設(shè)備原理
整套設(shè)備組成如圖1 所示，核心是自主研制的磁場(chǎng)和氣動(dòng)力聯(lián)合控制的大口徑長(zhǎng)通道等離子炬，安裝于真空室頂部。真空室采用夾層水冷套結(jié)構(gòu)，在三個(gè)不同方向上設(shè)有可啟閉的視窗，方便觀察、樣品取放及清理等工作。等離子炬正下方設(shè)置水冷的沉積臺(tái)，沉積臺(tái)可以旋轉(zhuǎn)、升降，沉積金剛石的基片即放置于沉積臺(tái)上。沉積過(guò)程中，由紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)并通過(guò)調(diào)整電弧電流來(lái)控制基片的溫度。CVD 過(guò)程所需的工質(zhì)氣體通過(guò)質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)流量后供給等離子矩。
為了減少工質(zhì)氣體的用量，降低生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)了半開(kāi)放式的氣體循環(huán)系統(tǒng)，以羅茨泵作為增壓泵，在真空室和循環(huán)泵的出口分別安裝真空計(jì)以監(jiān)測(cè)該處的壓力，改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，可以調(diào)節(jié)真空室和循環(huán)泵出口處的壓力。
工作過(guò)程如下：系統(tǒng)啟動(dòng)后，按順序開(kāi)啟冷卻水、旋片泵預(yù)抽真空，壓力達(dá)到羅茨泵開(kāi)啟壓力時(shí)，開(kāi)啟羅茨泵。真空度滿(mǎn)足要求后，向等離子炬中送入氬氣、氫氣、碳源（含碳?xì)怏w）等，改變調(diào)節(jié)閥1 和調(diào)節(jié)閥2 的開(kāi)度，使真空室和羅茨泵出口壓力滿(mǎn)足要求。啟動(dòng)電弧電源后，首先在等離子炬的陰極和陽(yáng)極之間建立空載電壓，然后疊加高頻高壓的脈沖，引燃電弧，待電弧穩(wěn)定工作后，脈沖立即去除，沉積工作隨即開(kāi)始。經(jīng)過(guò)預(yù)定時(shí)間的沉積，按照和開(kāi)機(jī)相反的順序依次關(guān)閉電源、氣體、羅茨泵、旋片泵和冷卻水，即完成本次沉積工作。
1.等離子矩; 2.電弧電源; 3.真空室; 4.基片; 5.沉積臺(tái); 6.充氣閥; 7. 真空計(jì)1; 8. 調(diào)節(jié)閥1; 9. 羅茨泵; 10. 真空計(jì)2; 11. 調(diào)節(jié)閥2 ; 12.旋片泵; 13.氣路截止閥; 14 質(zhì)量流量計(jì)
圖1 直流電弧等離子噴射化學(xué)氣相沉積金剛石設(shè)備示意圖
7、結(jié)論
直流電弧等離子噴射化學(xué)氣相沉積金剛石自動(dòng)控制系統(tǒng)已批量投入生產(chǎn)使用，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，全系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，操作簡(jiǎn)單，極大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增加了企業(yè)效益。
參考文獻(xiàn)
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