3． 下游控制模式的特点

如图2-1所示,下游控制模式是一种控制真空系统内部真空压力的方法,其中抽气速度是可变的,通常由真空泵和腔室之间的控制阀实现。

下游控制模式是维持真空系统下游的压力,增加抽速以增加真空度,减少流量以减少真空度,因此,这称为直接作用,这种控制器配置通常称为标准真空压力调节器。

在真空压力下游模式控制期间,控制阀将以特定的速率限制真空泵抽出气体,同时还与控制器通信。如果从控制器接收到不正确的输出电压(意味着压力不正确),控制阀将调整抽气流量。压力过高,控制阀会增大开度来增加抽速,压力过低,控制阀会减小开度来降低抽速。

下游模式具有以下特点:

(1)下游模式作为目前最常用的控制模式,通常在各种条件下都能很好地工作;

(2)但在下游模式控制过程中,其有效性有时可能会受到“外部”因素的挑战,如入口气体流速的突然变化、等离子体事件的开启或关闭使得温度突变而带来内部真空压力的突变。此外,某些流量和压力的组合会迫使控制阀在等于或超过其预期控制范围的极限的位置上运行。在这种情况下,精确或可重复的压力控制都是不可行的。或者,压力控制可能是可行的,但不是以快速有效的方式,结果造成产品的产量和良率受到影响。

(3)在下游模式中,会在更换气体或等待腔室内气体沉降时引起延迟。

4． 下游控制用真空压力控制装置及其控制效果

下游控制模式用的真空压力控制装置包括数字式控制阀和24位高精度控制器。

4．1． 数字式控制阀

数字式控制阀为上海依阳公司生产的LCV-DS-M8型数字式调节阀,如图4-1所示,其技术指标如下:

(1)公称通径:快卸:DN10-DN50、活套:DN10-DN200、螺纹:DN10-DN100。

(2)适用范围(Pa):快卸法兰(KF)2×105～1．3×10-6/活套法兰6×105～1．3×10-6。

(3)动作范围:0～90°;动作时间:小于7秒。

(4)阀门漏率(Pa．L/S):≤1．3×10-6。

(5)适用温度:2℃～90℃。

(6)阀体材质:不锈钢304或316L。

(7)密封件材质:增强聚四氟乙烯。

(8)控制信号:DC 0～10V或4～20mA。

(9)电源供电:DC 9～24V。

(10)阀体可拆卸清洗。

图4-1 依阳LCV-DS-M8数字式调节阀

4．2． 真空压力控制器

真空压力控制器为上海依阳公司生产的EYOUNG2021-VCC型真空压力控制器,如图4-2所示,其技术指标如下:

(1)控制周期:50ms/100ms。

(2)测量精度:0．1%FS(采用24位AD)。

(3)采样速率:20Hz/10Hz。

(4)控制输出:直流0～10V、4-20mA和固态继电器。

(5)控制程序:支持9条控制程序,每条程序可设定24段程序曲线。

(6)PID参数:20组分组PID和分组PID限幅,PID自整定。

(7)标准MODBUS RTU 通讯协议。两线制RS485。

(8)设备供电: 86～260VAC(47～63HZ)/DC24V。

图4-2 依阳24位真空压力控制器

5． 控制效果

安装了真空压力控制装置后的微波等离子体高温热处理系统如图5-1所示。

图5-1 微波等离子体高温热处理系统

在热处理过程中,先开启真空泵和控制阀对样品腔抽真空,并通惰性气体对样品腔进行清洗,然后按照设定流量充入相应的工作气体,并对样品腔内的真空压力进行恒定控制。真空压力恒定后开启等离子源对样品进行热处理,温度控制在2000℃以上,在整个过程中样品腔内的真空压力始终控制在设定值上。整个过程中的真空压力变化如图5-2所示。

图5-2 微波等离子体高温热处理过程中的真空压力变化曲线

为了更好的观察热处理过程中真空压力的变化情况,将图5-2中的温度突变处放大显示,如图5-3所示。

图5-3 微波等离子体高温热处理过程中温度突变时的真空压力变化

从图5-3所示结果可以看出,在300Torr真空压力恒定控制过程中,真空压力的波动非常小,约为0．5%,由此可见调节阀和控制器工作的准确性。

另外,在激发等离子体后样品表面温度在几秒钟内快速上升到2000℃以上,温度快速上升使得腔体内的气体也随之产生快速膨胀而带来内部气压的升高,但控制器反应极快,并控制调节阀的开度快速增大,这反而造成控制越有超调,使得腔体内的气压反而略有下降,但在十几秒种的时间内很快又恒定在了300Torr。由此可见,这种下游控制模式可以很好的响应外部因素突变造成的真空压力变化情况。

上述控制曲线的纵坐标为真空计输出的与真空度对应的电压值,为了对真空度变化有更直观的了解,按照真空计规定的转换公式,将上述纵坐标的电压值换算为真空度值(如Torr),纵坐标换算后的真空压力变化曲线如图54所示,图中还示出了真空计电压信号与气压的转换公式。

同样,将图5-4纵坐标放大,如图5-5所示,可以直观的观察到温度突变时的真空压力变化情况。从图5-4中的转换公式可以看出,由于存在指数关系,纵坐标转换后的真空压力波动度为6．7%左右。如果采用线性化的薄膜电容式真空计,即真空计的真空压力测量值与电压信号输出值为线性关系,这种现象将不再存在。

图5-4 高温热处理过程中温度突变时的真空压力变化(纵坐标为Torr)

图5-5 高温热处理过程中温度突变时的真空压力变化(纵坐标为Torr)

6． 总结

综上所述,采用了完全国产化的数字式调节阀和高精度控制器,完美验证了真空压力下游控制方式的可靠性和准确性,同时还充分保证了微波等离子体热处理过程中的温度调节、温度稳定性和均温区长度等工艺参数,为微波等离子体热处理工艺的推广应用提供了技术保障。另外,这也是替代真空控制系统进口产品的一次成功尝试。