Разработка системы управления процессом нанесения покрытий в электронно-лучевой установке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат технических наук Ивашин, Андрей Дмитриевич

• Ивашин, Андрей Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ивашин, Андрей Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И УРОВНЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ.

1Л. Развитие технологий нанесения покрытий.

1.2. Анализ технологического оборудования для нанесения покрытий в вакууме.

1.3. Анализ развития автоматизации управления процессом нанесения покрытий.

Выводы по главе.

2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ.

2.1. Выбор и обоснование системы управления процессом нанесения покрытия.

2.2. Разработка модели системы управления скоростью испарения.

2.3. Анализ и синтез системы регулирования скорости испарения.

2.4. Адаптивный регулятор скорости испарения.

Выводы по главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

СКОРОСТЬЮ ИСПАРЕНИЯ.

3.1. Исследование процесса пуска электронно-лучевой установки.

3.2. Исследование влияния возмущений в канале анодного напряжения.

3.3.Исследование процесса пробоя электронной пушки.

3.4. Исследование влияния возмущений в канале испарения.

Выводы по главе.

4. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ УСТАНОВКЕ.

4.1. Экспериментальная идентификация процесса нанесения покрытия в электронно-лучевой установке.

4.2. Реализация системы управления скоростью испарения и конденсации.

4.3. Экспериментальное исследование системы управления скоростью испарения и конденсации.

4.4. Рекомендации по совершенствованию системы управления скоростью испарения и конденсации.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы управления процессом нанесения покрытий в электронно-лучевой установке»

Интенсивное развитие электротехнологии и применение в различных областях техники характеризует современный уровень производства. Электротехнологические процессы используются при создании электроники, обработки и получения новых материалов и сплавов, в том числе и с заранее заданными свойствами. Ведущая роль в развитии электротехнологии принадлежит электротермическому оборудованию, обеспечивающему реализацию сложных технологических процессов.

В последнее время большое значение приобретают процессы нанесения покрытий на материалы и изделия. В промышленности для нанесения покрытий широко используются электронно-лучевые установки [1]. Процесс нанесения покрытия в электронно-лучевых установках (ЭЛУ) основан на испарении вещества и последующей конденсации его на изделии в вакууме. Широкие возможности этого метода позволили с успехом использовать его практически во всех отраслях промышленности, особенно в оптике, микроэлектроники и т.д. Важными особенностями метода испарения и конденсации в вакууме являются гибкость и разнообразие технологических применений, высокая производительность, возможность замены в производстве дорогостоящих или дефицитных материалов дешевыми, обеспечение высокого качества изделий, экологическая чистота и возможность автоматизации управления процессом. Даже после появления технологии магнетронного распыления вещества, актуальность электроннолучевых испарителей сохраняется, а для нанесения, например, оптических покрытий, защитных покрытий на стальных лентах и лопатках газовых турбин последние остаются вне конкуренции.

В тоже время при нанесении покрытий в электронно-лучевых установках вызывает большие трудности получение равномерного по толщине слоя по всей поверхности изделия. Электронно-лучевые установки представляют собой сложный комплекс взаимосвязанных агрегатов, управление которыми должно осуществляться с высокой точностью. Поэтому в настоящее время системы комплексного управления технологическими электронно-лучевыми установками реализуются на основе промышленных компьютеров с разветвленной системой визуализации (системой видимого отображения состояния агрегатов и хода технологического процесса на специальных табло и мониторах). Однако в настоящее время нельзя признать полностью решенными задачи построения систем управления процессами нанесения покрытий.

Управление процессом нанесения покрытий в электроннолучевых установках обычно сводится к стабилизации основных параметров определяющих ход технологического процесса. Однако, такой подход к управлению процессом нанесения покрытия не обеспечивает желаемой точности покрытия и воспроизводимости параметров покрытия от цикла к циклу.

Проведенный анализ развития электронно-лучевых технологий нанесения покрытий в вакууме позволяет сформулировать цель данного исследования как разработка системы управления процессом нанесения покрытия в электронно-лучевой установке.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи: анализ состояния и уровня развития технологии, электрооборудования и систем управления процессом нанесения покрытий в электроннолучевых установках; разработка и обоснование системы управления скоростью испарения и конденсации при нанесении покрытий; разработка и обоснование датчиков скорости испарения и конденсации материала при нанесении покрытий в электронно-лучевых установках; разработка и обоснование моделей системы управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевых установках; исследование на моделях подсистем управления отдельными блоками электронно-лучевой установки и системы в целом; проведение экспериментальных исследований системы управления на опытно-промышленной электронно-лучевой установке для нанесения покрытий.

Научной новизной можно считать:

- обоснование возможности и целесообразности использования предложенного датчика ионных токов для контроля и управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевых установках для нанесения покрытий;

- разработку системы и алгоритмов управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевых установках для нанесения покрытий, использующих датчик ионных токов, стекающих на изделие;

- разработку моделей отдельных подсистем электропио-лучевой установки для нанесения покрытий и системы управления скоростью испарения и конденсации.

- предложенную структуру адаптивной системы управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевой установке.

Практической ценностью обладают:

- разработанная система управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевой установке обеспечивает уменьшение разброса толщины наносимых покрытий в каждом цикле и от цикла к циклу с 30% до 3%.

- обоснованная целесообразность использования адаптивной системой управления скоростью испарения и конденсации, учитывающей нелинейность характеристик электронной пушки и улучшающей настройку системы на заданное качество регулирования.

- разработанная модель системы управления электронно-лучевой установкой для нанесения покрытий, позволяющая в диалоговом режиме проводить проектирование и настройку применительно к требуемому технологическому режиму.

- разработанная методика экспериментального определения параметров отдельных подсистем электронно-лучевой установки и эффективности функционирования системы управления процессом нанесения покрытия.

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе излагается состояние вопроса, приводится обоснование решаемой научной задачи. Отмечается вклад в решение поставленной проблемы отечественных и зарубежных ученых. Проблема создания электронно-лучевых установок для процесса нанесения покрытий может быть сведена к решению следующих задач: разработка конструкционных элементов, электронно-лучевых пушек, вакуумного оборудования, систем электропитания и управления.

Во второй главе рассматриваются вопросы разработки системы управления процессом нанесения покрытий в электронно-лучевой установке, разработке моделей, как отдельных подсистем, так и системы управления в целом. Обосновывается возможность использования оригинального датчика ионных токов для измерения скорости испарения вещества в электроннолучевой установке. Излагаются методики экспериментального определения моделей электронно-лучевой пушки и процесса массопереноса при нанесении покрытий методов анализа и синтеза сложных нелинейных систем с использованием пакета прикладных программ БтиПпк. Обосновывается целесообразность построения адаптивной системы управления процессом испарения и конденсации вещества.

Третья глава посвящена исследованию разработанной системы управления скоростью испарения и конденсации в различных режимах работы установки. Исследование проводилось на модели составленной в терминах БптшНпк. Исследовались процессы пуска установки, ликвидация технологических пробоев электронной пушки и последующего восстановления нормального режима работы, а также влияния возмущений в каналах анодного напряжения, накала катода и процесса испарения.

Четвертая глава посвящена разработке методики экспериментального исследования, проведению экспериментов на действующей электроннолучевой установке для нанесения покрытий с целью определения моделей элементов системы и функционирования системы в целом, а также рекомендации по реализации разработанной системы. Важной частью экспериментальных исследований являлась проверка использования для измерения массовой скорости испарения материала датчиков плотности ионного потока.

Заключение диссертации по теме «Электротехнология», Ивашин, Андрей Дмитриевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена, разработана и исследована система управления процессом испарения в электронно-лучевой установке, использующая для контроля скорости испарения оригинальный датчик ионного потока, установленный в зоне конденсации осаждаемого материала.

2. Показано, что разработанная на основе физических законов, лежащих в основе работы электронно-лучевой установки, и результатов экспериментальных исследований на действующей установке нелинейная модель системы управления скоростью испарения и конденсации, адекватно отражает процессы формирования электронного пучка и испарения материала, что позволяет использовать ее для проектирования установок этого класса и управления процессом.

3. Установлено, что нелинейность системы управления процессом испарения материала в электронно-лучевой установке приводит к необходимости изменения настройки ПИ-регулятора для сохранения показателей качества регулирования при изменении задания скорости испарения. Предложена и исследована система параметрической адаптации, обеспечивающая неизменность показателей качества регулирования при изменении задания скорости испарения

4. Разработана методика аналитического исследования системы, использующая метод структурного моделирования систем типа БтиНпк, позволяющая в диалоговом режиме проводить при проектировании анализ и синтез системы управления в процессе испарения.

5. На основании исследований работы системы в режимах пуска установки, ликвидации пробоев электронной пушки, колебаний питающего напряжения и тока накала катода, определены параметры задатчиков интенсивности для регуляторов тока накала катода и анодного напряжения, обеспечивающих требуемое технологией функционирование системы в нормальных и аварийных режимах работы.

6. Разработана методика экспериментального определения динамических характеристик, как отдельных функциональных элементов для нанесения покрытий, так и системы в целом, позволяющая определять параметров элементов системы и ее функционирование.

7. На основе экспериментальных исследований установлено, что разработанная система управления обеспечивает повышение точности нанесения покрытия и воспроизводимости толщины покрытия от цикла к циклу с 30% до 1,5%.

8. Показано, что системы управления электронно-лучевой установкой для нанесения покрытий целесообразно реализовывать, как двухуровневую иерархическую систему, верхний уровень которой образован промышленным компьютером, а нижний уровень, включающий в себя локальные регуляторы анодного напряжения, тока накала катода, системы фокусировки, развертки и транспортировки луча, скорости испарения и конденсации, а также системы вакуумирования - базе программируемых контроллеров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ивашин, Андрей Дмитриевич, 2008 год

1. Шиллер Э. Гайзиг У., Панцер 3. Электронно-лучевая технология. -М.: Энергия, 1980.

2. Дьяконов В. БТМиЪШК 4. Специальный справочник. СПб: Питер, 2002.

3. Электротехнический справочник. В 3 т. Т. 3; Кн. 2. Использование электрической энергии/ Под общ. ред. профессоров МЭИ: В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. А.И. Попов). 8-е изд. испр. и доп. - М.: Издательство МЭИ,2002.

4. Бессекерский В.А., Попов С.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: "Наука", 1975.

5. Рубцов В.П. Исполнительные элементы систем автоматического управления электротехнологическими установками. Учебное пособие по курсу «Автоматическое управление электротехнологическими установками». М. Издательство МЭИ, 2001.

6. Герман-Галкин С.Г. МаИаЬ & 8шш1тк. Проектирование мехатронных систем на ПК. СПб.: КОРОНА - Век, 2008.

7. Система управления процессом нанесения покрытия в электроннолучевой установке./Бородин С.О. и др. М.: Вестник МЭИ, №5, С. 123-124.

8. Принципы управления процессом нанесения покрытия в электроннолучевой установке./Бородин С.О. и др. М.:Вакуумная техника и технология, Том 17, №3, 2007г, С. 163-165.

9. Ивашин А.Д. Адаптивная система управления процессом нанесения покрытия в электронно-лучевой установке. М.: Вестник МЭИ, №5, 2008 г. С. 23-27.

10. Структурное моделирование электромеханических систем и их элементов. В.А. Иванушкин, Ф.Н. Сарапулов, П. Шимчак Щецин: 2000 г.

11. Автоматическое управление электротермическими установками: Учебник для вузов//А.М. Кручинин и др.: Под ред. А.Д.Свенчанского. М.: Энергоатомиздат, 1990.

12. Погребисский М.Я. Микропроцессорные системы управления электротехнологическими установками: Учебное пособие / Под ред. Рубцова. М. Издательство МЭИ, 2003.

13. Толстой В.А., Архангельский Ю.С. Эффективность электротехнологических установок. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2000.

14. Lust Werner, Maiden Elmo E. Temperature cycling effects on solar panels. "IEEE Traus. Herospace and Electron Sist.", 1969, 5, №6, p 943-950.

15. Rauchenbach H.S., Gaylard P.S. Prediction of Fatique Failures in Solar Arrays, "Proceedings of the 7th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference", 1972. P.665 671.

16. Кутателадзе C.C., Боришанский B.M. Справочник по теплопередаче. М., ГЭИ, 1959, с. 336.

17. Кошкин Н.И., Шеркевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М., Наука, 1975, с. 37, 74, 83, 138.

18. Андреев Н.Х., Малахов А.И., Фуфаев JT.C. Новые материалы в технике. М., Высшая школа, 1968, с. 150.

19. Г.Дженкинс, Д. Ватте, Спектральный анализ и его приложения. М., «Мир», 1971, с. 92-94, 103.

20. Веретин М.И., Емельянов A.JL, Емельянов B.JL, Жунда А.Н., Ядин Э.В. Электротермическое оборудование для нанесения покрытий в вакууме. Электротехника, 1981, № 7, с. 37 - 40.

21. Поисковая работа по созданию электронно-лучевой установки для нанесения покрытий на кремний. Научный отчет. УДК 621.382.002., М., 1977.

22. Под редакцией Л.Майссела, Р. Глэнга. Технология тонких пленок., М., «Советское радио», 1977, т. 1,с. 161.

23. Певзнер В.В. Прецезионные регуляторы температур, М., «Энергия», 1973, с. 96- 129.

24. W. Lohwasser el al., "Electron-Beam Oxide Coating on Plastic Films for Packaging, Development, Production and Application", SVC, 38th Technical Conference Proceedings, p. 40, 1995.

25. A New Ceramic-Coated Barrier Film by Dual Element Electron Beam Evaporation

26. S. Yokoyama, K. Iseki, T. Ohya, S. Komeda, Y. Yamada and H. Ishihara,

27. Toyobo Co., Ltd., Research Center, Japan, p.420, 1999.

28. Electron Beam Web Coating—Technology and Applications

29. G. Hoffmann, R. Kukla, G. Lobig, R. Ludwig, P. Seserko and G. Steiniger,1.ybold Systems GmbH, Germany p.425,1999.

30. Schiller, S.; et al., New Approaches in Monitoring during EB Evaporation ofCompounds and Alloys in Web Coaters. Proc. 6th Int. Conf. Vac. Web Coating, Reno, Nevada, Oct., 1992

31. Рубцов В.П., Нехамин И.С. Исследование влияния пульсаций выпрямленного напряжения на устойчивость горения электрической дуги.

32. Вестник МЭИ».№ 6. 2008. С. 47- 50.

33. Бецков А.А. и др. Использование процесса напыления и конденсации в вакууме для формирования пленочных алюминиевых омических контактов фотопреобразователей. М.: Электротехника, № 5, 1984, С. 27- 30.

34. Bosvvarwa I.M et al. A Roll Coater System for the Production of Optically Variable Devices (OVD's) for Security Applications; Proc. 33rd Ann. Techn. Conf. SVC, New Orleans, 1990

35. Edelmann C. et al.: Vakuumphysik und Technik; Akademische Verlagsgesellschaft, Leipzig/1. Germany, 1978

36. Vainshtein, L. A. et al.; Sov. Phys. JETP 34 (1972), 271-275

37. Schiller, S.; Neumann, M.; Zei.ig, G.: Advances in EB Deposition of SiOx-Films; Proc. 5th Int. Conf. Vac.1. Web Coating, Austin, 1991

38. Рубцов В.П., Батов Н.Г. Электротехнологические установки специального назначения. Учебное пособие по курсу «электротехнология». М. Издательство МЭИ, 2007.

39. Пленочная микроэлектроника. Под общ. ред. Л.Холлэнда. М.: "Мир", 1968. 366 с.

40. Технология тонких пленок. Справочник, Т. 1. Под ред. JI. Майсела, Р. Глэнга. М.: Сов. Радио, 1977.

41. Электротехнический справочник. В 3 т. Т.З: В 2 кн. Кн. 2. Использование электрической энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ: И. Н. Орлова (гл. ред.) и др. 7- е изд., испр. и доп. М.: Энегргоатомиздат, 1988. -616 с.

42. Минайчев В.Е. Вакуумное оборудование для нанесения пленок. -М.: Машиностроение, 1978. 59 с.

43. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982. - 72 с.

44. Катодное распыление. Материалы фирмы "Leybold-Heraeus", 1982.

45. Лехтман Ф.А., Тругман М.И. Экономическая эффективность применения в народном хозяйстве металлизированных в вакууме изделий и материалов. Рига: ЛатИНТИ, 1970. - 74 с.

46. Использование процесса испарения и конденсации в вакууме для формирования пленочных алюминиевых омических контактов фотопреобразователей / Бецков A.A., Емельянов А.Л. и др. Электротехника, №5, 1984,-с. 27-29.

47. Электротермическое оборудование для нанесения покрытия в вакууме / Веретин М.И., Емельянов А.Л., Емельянов В.Л. и др. -Электротехника, № 7, 1981, с. 37 - 40.

48. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения.- М.: Мир, 1971, т. 1, с. 92,103.

49. Вершинин O.E. Применение микропроцессоров для автоматизации технологических процессов. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд., 1986,- 76 с.

50. Хофманн X., Хегнер Ф. Измерение толщины пленок и контроль процессов в технике тонких пленок Материалы фирмы "Leybold-Heraeus", 1978.

51. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных интегральных схем. М.: Мир, 1985,с.388-399.

52. Труды постоянно действующего научно-технического семинара «Электровакуумная техника и технология» (за 1997/98 г.г.) / Под ред. A.B. Горина. М.: - 1999, - 168 с.

53. Агрегат полунепрерывного действия для нанесения методом испарения и конденсации в вакууме металлических покрытий на ленту /Г.Е.

54. Баринов, Р.Е. Гольденберг, В.И. Кравцов и др., Труды ВНИИметмаш, 1977, №51,-с. 3-6.

55. Улановский Я.Б. Применение в металлургии процесса испарения и конденсации в вакууме. — Аналитический обзор по отечественным и иностранным источникам. / Под ред. Академика А.Ф. Белова, М.: ООНТИ ВИЛС, 1975.

56. Конструктивные особенности вакуумных установок для нанесения покрытий электронно-лучевым способом: Обзор./ А.Н. Жунда, Э.В. Ядин,

57. A.Л. Емельянов и др. ЛатНИИНТИ, Рига.: 1987, 69 с.

58. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: Энергия, 1975. 416 с.

59. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: (Справочник) / Альтгаузен А.П., Бершицкий И.М., Бершицкий М.Д. и др.; Под ред. А.П. Альтгаузена, М.Д. Бершицкого, М.Я. Смелянского,

60. B.М. Эдемского. М.: Энергия, 1978. - 304 с.

61. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Ленинград, Машиностроение, 1973.

62. Система оптического контроля для вакуумных установок барабанного типа. Труды постоянно действующего научно-технического семинара «Электровакуумная техника и технология», М.: 1999.

63. Емельянов А. Л., Рубцов В.П., Савалык Н.А. Обеспечение равномерности толщины при электронно-лучевом нанесении покрытий на рулонные материалы. Вестник МЭИ, № 3, 2002, с. 66-70.

64. Устройство для управления электронно-лучевой напылительной установкой. Рубцов В.П., Емельянов А.Л., Юдин Д.Г., Свидетельство на полезную модель № 21001, 10.12.2001, Бюл. № 34.

65. Савалык Н. А. Обеспечение равномерности нанесения покрытия на движущуюся полимерную пленку. Электротехника, № 7, 2002 г.

66. Теория автоматического управления. 4.II. Под ред. A.B. Нетушила. Учебник для вузов. М.: «Высш. школа», 1972 г

67. Фарнасов Г.А. Электротехника, электроника, электрооборудование: Учебник для вузов. M.: «ННТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ», 2000 г.

68. Савалык H.A., Ершов В.А. Система автоматизированного управления электрическим режимом ДСП-100И6 на базе УВК-2, Сборник научных трудов «Дуговые сталеплавильные печи», Энергоатомиздат, 1991.

69. Ершов В.А., Савалык H.A., Ермолаева С.А. Экспериментальное исследование с применением УВК-2 на печи ДСП-100И6, Сборник научных трудов «Дуговые сталеплавильные печи», Энергоатомиздат, 1991.

70. Дьяконов В. MATLAB 6: Учебный курс. СПб: Питер, 2002

71. Говорухин В., Цибулин В. Компьютер в математическом исследовании. Учебный курс. СПб: Питер, 2002.

72. Holland L. Thin Film Microelectronics. New York, 1965.

73. Caswell H.I. Physics of Thin Film, vol. 1, p. 1. Academic Press Inc., New York, 1963.

74. Hirth I.R. Condensation and Evaporation, The Macmillan Company, New York, 1963.

75. Laff R.A. Appl. Opt., 10, 968. 1971.

76. Boelens S. Surf. And Coatings Technol. 33, 63. 1987.

77. Полиимидная пленка с защитным слоем: ее изготовление и применение в изделиях космической техники. / Водолажский A.B., Горин A.B., Емельянов A.JI. и др. Труды VI Международной конференции «Пленки и покрытия», 2001.

78. Савалык H.A. Исследование процессов испарения при формировании покрытий с помощью электронно-лучевых установок. «Актуальные проблемы современной науки», № 3 (6), 2000 г., с. 335 341.

79. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; Под ред. C.B. Якубовского. -М.: Радио и связь, 1990.