基于PLC的直流電弧等離子噴射化學(xué)氣相沉積金剛石設備自動(dòng)控制系統

　　針對直流電弧等離子噴射化學(xué)氣相沉積金剛石設備，以PLC作為系統的控制核心，觸摸屏作為人機界面，梯形圖為編程語(yǔ)言，不僅實(shí)現了設備的自動(dòng)運行，而且還由上位機的組態(tài)軟件通過(guò)485 總線(xiàn)實(shí)現了多臺設備的遠程監視和生產(chǎn)數據的長(cháng)期記錄。實(shí)際運行結果表明，整個(gè)系統硬件可靠，軟件運行穩定，達到了設計要求。

　　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(cháng)速度快，產(chǎn)品質(zhì)量好，但設備復雜，控制煩瑣，嚴重制約了生產(chǎn)規模的擴大，實(shí)現自動(dòng)化操作是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的必然要求。

1、設備原理

　　整套設備組成如圖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(cháng)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構，在三個(gè)不同方向上設有可啟閉的視窗，方便觀(guān)察、樣品取放及清理等工作。等離子炬正下方設置水冷的沉積臺，沉積臺可以旋轉、升降，沉積金剛石的基片即放置于沉積臺上。沉積過(guò)程中，由紅外測溫儀監測并通過(guò)調整電弧電流來(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)量流量控制器調節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，設計了半開(kāi)放式的氣體循環(huán)系統，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以監測該處的壓力，改變調節閥的開(kāi)度，可以調節真空室和循環(huán)泵出口處的壓力。

　　工作過(guò)程如下：系統啟動(dòng)后，按順序開(kāi)啟冷卻水、旋片泵預抽真空，壓力達到羅茨泵開(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（含碳氣體）等，改變調節閥1 和調節閥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，待電弧穩定工作后，脈沖立即去除，沉積工作隨即開(kāi)始。經(jīng)過(guò)預定時(shí)間的沉積，按照和開(kāi)機相反的順序依次關(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;　6.充氣閥;　7. 真空計1;　8. 調節閥1;　9. 羅茨泵;　10. 真空計2;　11. 調節閥2 ;　12.旋片泵;　13.氣路截止閥;　14 質(zhì)量流量計

圖1 直流電弧等離子噴射化學(xué)氣相沉積金剛石設備示意圖

7、結論

　　直流電弧等離子噴射化學(xué)氣相沉積金剛石自動(dòng)控制系統已批量投入生產(chǎn)使用，經(jīng)實(shí)際檢驗，各項指標基本達到設計要求，全系統運行穩定、可靠，操作簡(jiǎn)單，極大減輕了勞動(dòng)強度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增加了企業(yè)效益。

參考文獻

　　[1] 達道安. 真空設計手冊[M]. 北京:國防工業(yè)出版社，2004.
　　[2] DVP- PLC 應用技術(shù)手冊[M].2007.