真空鍍膜機控制系統的溫控改造

劉嘉濱， 沈學浩， 王曉玲

(上海交通大學 a. 物理與天文系; b. 媒體與設計學院， 上海 200240)

0 引 言

真空鍍膜是在真空環境下，金屬或金屬氧化物變成氣態原子或分子，沉積在金屬或非金屬表面而形成，具有低能耗、無毒、無廢液、污染小等優點[1-2]。而基本的薄膜制備技術有真空蒸發、濺射鍍膜和離子鍍3種常見技術[3]，其中蒸發鍍膜和濺射鍍膜是實驗室中常采用的鍍膜技術。另外，也有實驗室采用仿真系統進行真空鍍膜實驗教學，如利用Visual Basic 2010結合OpenGL API，在Windows 7操作系統平臺下制作了真空鍍膜實驗仿真系統，從而實現鍍膜過程及薄膜生長過程等[4]。

1 真空鍍膜機系統結構

DM-240型鍍膜機主要由鍍膜室、真空系統、電氣控制及機架等部分組成，如圖1所示。鍍膜室是真空環境下薄膜制備工作空間，如蒸發鍍膜、轟擊濺射鍍膜等。真空系統是用來真空抽氣，從而獲得高真空，主要由機械泵、擴散泵、高真空蝶閥、低真空三通閥(以下簡稱低真空蝶閥)等部件組成，也是本文介紹重點。電氣控制用于控制真空操作、鍍膜操作及其他輔助工作操作等。

圖1 鍍膜機系統結構

1.1 機械泵

DM-240型真空鍍膜機機械泵采用的是旋片式真空泵，是利用泵腔容積的周期性變化來完成吸氣和排氣以達到抽氣目的的變容式真空泵[5]。其結構具有多樣性，按照密封方式可分為油封式旋片真空泵和干式旋片真空泵；按照連接電機方式又可分為皮帶式旋片真空泵和直聯式旋片真空泵；按照泵體結構還可分為整體式、中壁壓入式和組合式等[6]。

油封式旋片真空泵結構如圖2所示[7]，它將偏心放置在定子腔中，轉子與旋片將定子腔分割成吸氣A、壓縮B、排氣C 3個空間。當轉子逆時針方向旋轉時，與進氣口相連的A空間會逐漸增大，則其壓強會不斷降低，當其壓強低于被抽容器內的壓強時，被抽氣體會被抽入A空間。同時，B空間也會逐步減小，則其壓強會不斷增加，從而氣體被壓縮。隨著轉子的旋轉，與出氣口相連的C空間逐步減小，則其壓強不斷增加，當壓強大于排氣壓強時，被抽氣體會推開排氣閥，穿過油箱內的油層排出至大氣中。因此，隨著轉子持續旋轉工作，被抽氣體會不斷被吸入與排出，從而達到抽真空目的。雙級旋片式真空泵則由兩個前后串聯的工作室組成，兩者同向等速旋轉，前級是低真空級，后級是高真空級[8]。

1-泵體, 2-旋片, 3-轉子, 4-彈簧, 5-排氣閥

1.2 擴散泵

擴散泵作為高真空獲得的重要設備，廣泛應用于真空冶煉、真空鍍膜等真空系統中[9],同時，擴散泵的結構也在不斷地改進，不僅使得抽氣性能提高，而且使得返流率不斷減低，從而使擴散泵得以應用到超高真空中。

DM-240型真空鍍膜機所采用的油擴散泵，又稱蒸汽流泵，主要應用于高真空獲得的科學研究與工業中。其具有對被抽氣體無選擇性、抽氣速率大、結構簡單、無機械傳動、無摩擦和操作維護方便等特點，通過對國內外油擴散泵的主要性能，如極限壓力、抽氣速率及泵液返流率等對比分析，在主要指標上國內外差距不大，但在設備整體綜合水平方面還存在一定差別，還有很多工作需要去做[10]。

油擴散泵主要由泵體、加熱器、冷卻水系統、噴射噴嘴等組成，如圖3所示。在用前級旋片式機械泵預抽系統和鍍膜室真空度達到6.67 Pa以上后，可以開啟油擴散泵加熱器，泵體內硅油則會逐步受熱升溫，當泵油沸騰時形成蒸汽流，從噴射噴嘴中高速噴出。此時擴散泵進氣口處氣體分子擴散到蒸汽流中，會通過碰撞獲得動能，和蒸汽流作同向運動。當氣體分子經過擴散泵排氣口時，則會進入儲氣桶被壓縮存儲，然后被前級機械泵抽氣抽走。而油蒸汽流運動到擴散泵泵壁時，會遇到泵壁的冷卻水，則被冷凝，然后回流到擴散泵泵體底部，重新被加熱，形成油蒸汽流，再次被高速噴射，進而循環工作，實現擴散泵連續抽氣，直到高真空獲得。

圖3 油擴散泵系統結構

2 真空鍍膜機操作規程

實驗操作是實驗教學環節中重要的組成部分，學生在教師的指導下運用一定的儀器設備或其它手段，進行獨立操作，人為地引起事物或現象的變化，從觀察這些事物或現象的變化過程來獲取新知識或驗證舊知識[11]。因此，正確合理的實驗操作規程是保障真空鍍膜實驗有效安全進行的重要手段。它將實驗原理與工作機理有效融合，如駱定祚[12]將理論與實踐相結合，總結出豐富的真空設備操作與維護規程。

2.1 極限真空度操作規程

真空是指在給定的空間內壓強低于一個標準大氣壓強的氣體狀態，真空度則是表示處于真空狀態下的氣體稀薄程度[13]。極限真空度則表示能達到的最大真空度，在實驗中對真空容器進行持續抽氣，最后會穩定在某一真空度，復合真空計測得的該數值就是實驗極限真空度。

極限真空度獲得具體有4個階段的操作，分別是抽真空前準備、低真空抽氣、高真空抽氣及實驗結束。

抽真空前準備工作是對真空鍍膜設備基礎部件及輔助系統的檢查工作，它是實驗正常安全進行的基本要求，也是對真空鍍膜設備正常運行的基本維護要求。具體檢查內容包括水冷卻系統是否正常工作，擴散泵加熱器是否連接完好，機械泵內泵油是否滿足實驗使用，復合真空計是否完好連接電離規管與熱偶規管，高、低真空蝶閥等閥門是否關閉牢靠等。

實驗開始,首先是低真空抽氣。低真空抽氣是利用機械泵對鍍膜室進行抽氣，因此，需要將高真空蝶閥關閉，將低真空蝶閥拉出至“抽鐘罩”位置。真空鍍膜機總電源開啟后，先后開啟復合真空計和機械泵，此時，機械泵開始對鍍膜室和系統進行抽氣，從復合真空計上可實時讀出低真空度。

高真空抽氣是在一定真空度下，利用擴散泵進一步對鍍膜室進行抽氣，直至其穩定在某一真空度。因此，在機械泵對鍍膜室抽氣真空度達到6.67 Pa以上時，首先開啟水冷卻系統，然后將低真空蝶閥推入至“抽系統”位置，將高真空蝶閥轉至“開”位置，最后開啟擴散泵控制開關(即開啟擴散泵加熱器)。擴散泵內泵油加熱至沸騰需約40 min，此時，擴散泵進入工作狀態。當低真空度達到0.133 Pa以上時，可以開啟高真空測量，在擴散泵持續工作下，實驗極限真空度可達到0.667 MPa左右(與真空鍍膜機抽氣系統有關)。

當實驗結束不再進行抽氣時，首先關閉高真空測量(起到保護電離規管的作用)，然后關閉擴散泵控制開關，停止擴散泵加熱器工作。如果此時不對鍍膜室進行充氣操作，可直接等待擴散泵冷卻，需要60 min左右。當擴散泵冷卻后再關閉水冷卻系統，否則沒有冷卻的硅油蒸氣易發生氧化裂變，降低極限真空度，損壞油擴散泵[14]。最后關閉機械泵和總電源開關。

2.2 真空容器操作規程

真空容器操作就是實驗中對真空鍍膜室即鐘罩的操作，如進行蒸發鍍膜實驗，需要安裝蒸發源與樣品，安裝轟擊環等，如進行濺射鍍膜實驗，需要安裝濺射電極裝置和濺射樣品等。為了在規定學時內完成實驗教學內容，具體實驗操作中是將鍍膜樣品制備與真空鍍膜機抽真空同時進行，即鍍膜樣品制備完畢時，真空鍍膜機高真空抽氣也基本完成。此時，可直接進行鍍膜實驗操作。

在對鐘罩進行充氣前，首先關閉高真空測量，然后將高真空蝶閥轉至“關”位置，切斷擴散泵與鐘罩的連接，接著將低真空蝶閥拉出至“抽鐘罩”位置，將鐘罩與機械泵連通。此時，可停止機械泵，開啟充氣閥門控制開關，開始對鐘罩進行充氣，當鐘罩松動后，即可取下鐘罩，安裝鍍膜部件與樣品，完畢后再蓋上鐘罩，關閉充氣閥門，停止充氣。

由于鐘罩前面已經充過氣，所以，鐘罩重新蓋上后，需要再對鐘罩進行抽氣，達到實驗真空度后方可進行鍍膜實驗。因此，首先要開啟機械泵，對鐘罩進行低真空抽氣，操作規程詳見極限真空度操作規程。但這個環節中高真空抽氣時間會縮短，因為前面操作過程中擴散泵加熱器沒有關閉，所以高真空抽氣時無需預熱，因此會縮短高真空抽氣時間。當鐘罩真空度達到鍍膜要求時，可以進行蒸發或濺射鍍膜操作。鍍膜結束后，需等待鍍膜樣品冷卻，然后對鐘罩進行充氣取出樣品進行測試(正確操作規程如上描述)，當實驗整體結束無需再進行抽氣時，按照實驗結束規程進行操作，最后關閉真空鍍膜機設備。

3 真空鍍膜機控制系統改進

本實驗中心的真空鍍膜設備已經使用10多年，但設備在合理的維護和操作下，系統抽氣性能還可以滿足實驗教學要求。在目前有限的教學學時下，要完成全部教學內容還有些緊張。為了保障教學任務完成，不影響教學質量，也為了避免學生誤操作而損壞設備，需要對實驗設備進行針對性改進。實驗高真空抽氣需要通過擴散泵加熱來獲得，當實驗結束時要等待擴散泵冷卻后才能關閉，而這個等待過程花時較長，占用了學生有限的實驗時間。因此，我們對原有控制系統進行了改進，將手動關閉機械泵與冷卻水改為溫控自動關閉。也有文章針對控制系統相關問題進行改造，如針對卷繞蒸發式真空鍍膜機設備故障率高、操作要求高、產品質量不穩定問題而進行的可編程控制器和張力控制器改造，及人機界面操作開發[15]；針對ZD450型真空鍍膜機擴散油易失效和真空計電離規管易損環問題而進行的PLC改造等[16]。

3.1 原有控制系統

電器控制系統是DM-240型真空鍍膜機的主要組成部分，控制電路模塊部署在機架內部右側，電器指示與操作開關集中在機架臺面上的電控柜中，具體電器控制包括機械泵、擴散泵、蒸發濺射鍍膜、水路報警等。

水冷卻系統在擴散泵工作過程中起著重要作用。當擴散泵開始工作時，泵油會形成蒸汽而從噴嘴內高速噴出，在改變真空系統內氣體運動方向同時，需要及時用冷卻水冷卻，使其冷凝回流到擴散泵泵體底部，重新被加熱工作。否則，泵油蒸汽會污染真空系統，從而影響整個真空設備的抽氣性能。因此，在擴散泵工作過程中，必須保證冷卻水不被中斷，且有一定的水壓，否則不能有效冷凝泵油蒸汽。所以，廠商在DM-240型真空鍍膜機擴散泵回路中串聯了一個水流繼電器，同時并聯了一個訊響器。當實驗中開啟擴散泵時沒有開啟水冷卻系統或冷卻水水壓不足時，訊響器會及時發出告警聲響，以提醒設備操作者注意開啟或檢查水冷卻系統。

在真空鍍膜實驗結束階段，必須要等待擴散泵冷卻后，才可以關閉水冷卻系統和停止機械泵。雖然實驗結束時，停止了擴散泵工作，但其內部泵油仍具有很高的溫度，除了通過泵體與外界熱交換進行降溫外，仍需要冷卻水進行降溫(一是對后續形成的泵油蒸汽進行冷凝，二是對泵體的降溫)，否則泵油會易被氧化裂變。同時，在擴散泵冷卻過程中，機械泵不能停止工作，仍需要對擴散泵的前級進行抽氣，使其保持一定的氣體壓強，以防止泵油氧化裂變，保護擴散泵不被破壞。

3.2 控制系統改進

(1) 在擴散泵底部近加熱器處安裝Pt100溫度傳感器，實時探測擴散泵底部溫度，并通過XMTD-8000溫度控制儀設定和顯示控制溫度，當擴散泵冷卻溫度降低到設定值時，溫度控制儀啟動控制。由于溫度傳感器是安裝在擴散泵的外側而非內部，因此，實際探測到的溫度與泵內溫度會存在一定誤差，但這個誤差可以通過設定合適的控制溫度來降低。

(2) 在進水口處安裝一個進水三通閥門和一個電磁閥,如圖4所示。在沒有啟動自動關閉水冷卻系統時，冷卻水從三通閥門上端進入擴散泵。實驗結束時，待擴散泵冷卻后，手動關閉水冷卻閥即可。當啟動水冷卻自動關閉時，冷卻水從三通閥門右端經電磁閥進入擴散泵，實驗結束后，溫度控制儀開始工作，當溫度傳感器探測擴散泵溫度降到設定溫度時，控制電磁閥動作即電磁閥關閉截斷冷卻水進入，從而實現水冷卻系統關閉。其中水流繼電器和訊響器工作方式不變，當檢測到沒有水流或水壓不夠時，訊響器報警。

(3) 在真空鍍膜機機架上的電控柜總電源開關前端增加一個電源控制開關，該開關與溫度控制儀聯動。

圖4 水冷卻系統改進示意圖

在實驗全部結束后，學生首先開啟自動控制系統，然后可以直接關閉電控柜上的機械泵電源。此時由于前端電源控制開關處于連通狀態，所以機械泵仍然繼續抽氣工作，保持擴散泵所需要的前級真空度。同樣，當擴散泵冷卻降至溫度控制儀設定的溫度時，控制儀發出指令，前端電源控制開關關閉，此時機械泵停止工作，從而實現實驗要求即擴散泵冷卻后機械泵停機。

綜上所述，可以看到控制系統改進是通過溫度控制儀控制進水口電磁閥和機械泵電源開關，其前端是通過溫度傳感器探測擴散泵關閉后泵體底部溫度，然后根據設定的工作溫度觸發指令動作，從而實現控制系統改進目標。

3.3 控制系統測試

將改進后的DM-240型真空鍍膜機根據實驗要求進行設備安裝、部件連接及抽真空前的準備等工作。測試時按照實驗操作規程先后進行機械泵低真空抽氣和擴散泵高真空抽氣，當復合真空計測得真空鍍膜室極限真空度時，依次關閉高真空測量和擴散泵控制開關，模擬實驗進入結束階段。然后開啟自動控制系統，關閉進水口三通閥門(使冷卻水通過電磁閥進入擴散泵)，同時溫度控制儀會顯示Pt100溫度傳感器測得的擴散泵溫度。此時，可認為實驗全部結束，實驗教師與學生可以整理完實驗設備后離開實驗室。

由于水冷卻系統沒有關閉，機械泵也沒有停止工作，所以，在擴散泵冷卻過程中，無需擔心泵油會被氧化分裂。隨著擴散泵不斷冷卻，溫度控制儀顯示的溫度數值會持續下降，當擴散泵溫度降至設定溫度時(如室溫)，控制儀發出控制指令，進水口處電磁閥關閉切斷冷卻水，機械泵停止工作，機械泵上端的磁力閥自動關閉，并對機械泵進行放氣，使得機械泵抽氣口處于大氣壓強下，從而避免機械泵返油。通過模擬測試，改進后的真空鍍膜機可以滿足實驗要求，并且可以做到自動切斷冷卻水和停止機械泵工作。

4 結 語

在我國《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》(以下簡稱綱要)中提出把提高教學質量作為教育發展的核心任務，并且綱要中也提出了一些政策性要求去實現這一核心任務。而落實在具體實驗教學工作中，我們認為提供適合的實驗設備是保證和提高實驗教學質量的重要因素之一。

先進的和性能優良的實驗設備可以使得實驗結果更接近理論原理，但需要較高的教育經費投入。而在有限的經費投入下，通過制定合理的實驗操作規程，對已使用的實驗設備進行針對性的改進，也可以滿足實驗教學要求。不僅可以最大限度地利用和發揮已有實驗設備作用，也可以緩解教育經費有限而實驗設備更新慢難題。同時，對實驗設備的改進工作也是一種科技創新能力的展現。在不同的教學環境和教學需求下，需要實驗室工程人員具有創新能力去合理改進實驗設備，來滿足實驗教學工作。

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