壓電陶瓷閥在真空磁控反應濺射中的特性
在制備不銹鋼- 氮化鋁(SS-AlN) 金屬陶瓷集熱管的真空磁控濺射鍍膜線(xiàn)上, 采用PCV25 型壓電陶瓷閥作為反應氣體氮氣N2 流量輸出的驅動(dòng)元件, 實(shí)現反應濺射AlN 反饋控制。研究了不同環(huán)境溫度下壓電閥偏置電壓Vo 對N2 輸出流量Q的影響。實(shí)驗研究表明, 在Vo 先增加再減少的過(guò)程中, Q 相應變化呈現遲滯特性。同時(shí), 該遲滯特性受壓電閥工作的環(huán)境溫度影響, 環(huán)境溫度越低遲滯特性越明顯。例如與40℃相比, 當環(huán)境溫度為25℃ 時(shí), 壓電閥的閾值電壓小, 飽和電壓大, 有效工作范圍寬, 且在壓電閥有效工作范圍內, N2 輸出流量Q 隨偏置電壓Vo 變化速率小。結合壓電陶瓷閥的特性, 優(yōu)化設置反應濺射反饋控制參數, 在高于30 kW 的濺射功率下, 實(shí)現反應濺射AlN 工藝穩定, 制備厚度約為70 nm 的AlN 薄膜在可見(jiàn)光和太陽(yáng)光范圍內吸收幾乎為零。
在真空磁控濺射、太陽(yáng)能電池、等離子刻蝕等領(lǐng)域, 氣體輸出元件的響應時(shí)間是影響工藝穩定的關(guān)鍵因素之一。響應時(shí)間越短, 工藝運行越容易穩定控制。氣體質(zhì)量流量計是一種常用的氣體輸出元件, 國內流量計響應時(shí)間約為1~ 4 s, 國外快速質(zhì)量流量計響應時(shí)間略短, 約0.3 s。壓電陶瓷閥作為一種新型的氣體輸出元件, 響應時(shí)間僅為幾個(gè)毫秒,正逐步取代質(zhì)量流量計廣泛應用于研發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)中。
壓電陶瓷閥( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)壓電閥) 是利用壓電陶瓷材料具有逆壓電效應而制成的微調氣體控制閥(之前本站介紹過(guò)另外一種壓電閥-壓電晶體閥，具體相關(guān)介紹請見(jiàn)：PEV壓電晶體閥流量率標定試驗 http://likelearn.cn/systemdesign/091378.html)。壓電陶瓷材料的逆壓電效應, 即在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機械應變, 其應變大小與外加電場(chǎng)的大小成正比。壓電閥響應時(shí)間短, 能耗低, 精度高, 易于控制。國內對壓電陶瓷材料的電學(xué)、位移等特性研究較多 , 本文主要對真空磁控濺射制備AlN 薄膜過(guò)程中, 壓電閥的遲滯和溫度特性對N2 流量控制的影響進(jìn)行詳細試驗和討論分析。
1、試驗詳情
試驗在本公司自主研制的集熱管全自動(dòng)連續真空磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行。鍍膜線(xiàn)真空系統長(cháng)41 m, 高3 m, 由進(jìn)管區、進(jìn)管緩沖區、鍍膜區、出管緩沖區及出管區幾個(gè)模塊組成。鍍膜區由幾種鍍膜真空室模塊組合而成, 每個(gè)鍍膜真空室模塊包括濺射室和抽真空室。用于沉積AlN 減反射層的濺射室中裝有一對孿生圓柱Al 靶。抽真空室位于濺射室的一端, 其外側裝有兩臺名義抽速為1600 L/ s 的復合分子泵（推薦一下國內優(yōu)秀的分子泵生成廠(chǎng)家：北京泰岳恒真空技術(shù)研究所）。鍍膜真空室反應氣體N2 進(jìn)氣管路采用王雙等設計的三段式進(jìn)氣管路。反應氣體氣瓶的輸出管路與一個(gè)質(zhì)量流量計的輸入端相連, 質(zhì)量流量計與流量顯示儀電氣連接, 用于顯示氣體流量數值。流量計的輸出端與壓電閥的輸入端連接, 壓電閥的輸出端連接鍍膜真空室內的進(jìn)氣管路。鍍膜真空室示意圖如圖1 所示。
圖1 沉積AlN 減反射層的鍍膜真空室示意圖
質(zhì)量流量計型號為D07- / ZM, 滿(mǎn)量程500ml/ min( 標準狀況下) , 響應時(shí)間2 s。反應氣體N2的輸出控制采用PCS04 型氣體壓強控制單元。該控制單元由PCU04 型控制器和PCV25 型壓電陶瓷閥組成, PCV25 型壓電閥主要由閥片和外殼構成。閥片是在一彈性薄片兩面分別壓上一塊壓電陶瓷片,其中一塊壓電陶瓷片的中心墊有小塊氟橡膠。當PCU04 控制器輸出一定范圍內的直流電壓, 加在壓電閥兩極上時(shí), 閥片發(fā)生彎曲變形, 固定在壓電陶瓷片上的密封橡膠墊抬起形成一個(gè)細小孔隙, 閥門(mén)進(jìn)氣端的氣體便通過(guò)該孔隙送到閥門(mén)出氣端。PCV25壓電閥響應時(shí)間僅為1 ms, 偏置電壓0 V 時(shí)漏率1 ×10- 6 Pa.l/ s, 工作溫度10~ 40 ℃ 。PCS04 型氣體壓強控制單元具有恒壓強控制和恒濺射電壓控制兩種模式。
本試驗中采用第二種模式, 即通過(guò)反饋控制氣體流量使得濺射電壓恒定,反饋控制原理圖如圖2 所示。首先將Al 靶電壓的實(shí)時(shí)采樣信號0~ 10 V 輸出至PCU04 控制器, 控制器對輸入的靶電壓與設定電壓進(jìn)行比較計算, 輸出0~150 V 的偏置電壓信號至PCV25 壓電閥, 用于改變壓電閥的開(kāi)啟量, 從而調節壓電閥輸出的N2 流量。N2 流量的改變導致Al 靶電壓相應變化, 實(shí)現Al 靶反應濺射閉環(huán)反饋控制。
圖2 反饋控制反應濺射AlN 方塊原理圖
控制器安裝在恒溫25 ℃ 的控制室。壓電閥安裝在各鍍膜室的真空箱體頂部, 工作環(huán)境溫度變化較大, 如冬季夜間溫度約10 ℃ , 夏季中午則高達40 ℃。采用水銀溫度計測量壓電閥附近的空氣溫度。試驗前鍍膜真空室抽真空, 待真空度不高于5.0 × 10- 3 Pa 時(shí), 改變PCU04 的控制電壓, 向鍍膜室內充入N2, 記錄不同控制電壓下壓電閥偏置電壓和N2 流量。
2、結果與討論
3、結論
本工作在集熱管連續真空磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線(xiàn)上, 采用PCV25 型壓電陶瓷閥作為反應氣體N2 輸出的驅動(dòng)元件制備AlN 薄膜。通過(guò)試驗分析N2 輸出流量Q 與壓電閥偏置電壓Vo、環(huán)境溫度等相關(guān)數據, 得出如下結論。當偏置電壓Vo 先增加再減少時(shí), N2 輸出流量的變化曲線(xiàn)呈現遲滯特性, 該遲滯特性受壓電閥環(huán)境溫度影響。壓電閥環(huán)境溫度低,遲滯特性明顯, 有效工作范圍寬, 且壓電閥在有效工作范圍內, 氣體流量隨偏置電壓變化速率小。壓電閥在溫度10 ℃和40 ℃下, N2 輸出流量在100 ml/ min附近時(shí), 流量隨偏置電壓的變化速率分別為13 和56, 相差4 倍多, 即在相同的偏置電壓變化量下,40 ℃ 時(shí)N2 的輸出變化量約是10 ℃ 的4 倍。壓電閥的偏置電壓與控制電壓成正比關(guān)系, 且比例系數不隨環(huán)境溫度變化。該研究對真空磁控反應濺射閉環(huán)控制參數的設定以及連續反應濺射工藝的穩定運行具有重要意義。
