CN101144152A - 电子束蒸发速率自动控制设备及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于光学镀膜机的电子束蒸发速率自动控制设备及其控制方法，该设备包括蒸发速率探测部分、电子枪灯丝电压调节部分、开关量输入输出部分以及一台程序控制的计算机。该程序控制的计算机从速率探测器获得即时蒸发速率，据此得一控制信号，该控制信号经灯丝电压调节部分输出加载在灯丝两端对蒸发功率进行实时调节从而控制蒸发速率。在此过程中控制程序能接收外界的输入并做出相应的响应。本发明能对电子枪的蒸发速率进行自动反馈控制，整个设备在速度、精度及可靠性上大大提高，也提高了智能化程度。
Description
技术领域
本发明涉及光学镀膜，特别是一种用于电子束蒸发镀膜机的电子束蒸发速率自动控制设备及其控制方法。
背景技术
由于现代镀膜的需要，许多仪表和设备都朝着智能化方向发展。通过计算机程序精确控制镀膜过程中镀膜设备的运转和镀膜参数的改变，成为镀膜生产的迫切需要。电子束蒸发在整个光学镀膜过程中，是个很重要的环节，它能否在整个镀膜过程中提供稳定的蒸发速率，将直接影响镀膜产品的光谱指标和成品率。电子束蒸发镀膜的过程是高能量的电子束入射在靶材表面上轰击加热，使靶材气化蒸发后凝结在基板表面成膜。膜料的蒸发速率与电子枪的加热功率成正比。在高压不能随意变动的情况下，电子枪功率与一定时间内打入靶材的电子数成正比，而调节灯丝两端电压则可控制灯丝发射电子的速率，故调节灯丝端电压可实现对蒸发速率的实时调节。传统的电子枪功率调节是通过机械电位器，如手动旋转式电阻器来实现对灯丝端电压调节的，手动调节存在反应慢、调节完全凭个人经验，而且调节精度差，无法满足快速准确、稳定调节的要求。
发明内容
本发明的目的是要克服上述现有技术的不足，提供一种用于光学镀膜机的电子束蒸发速率自动控制设备及其控制方法，它能够以设定的速率要求对镀膜过程中的蒸发速率进行稳定控制，该发明的整个设备在速度、精度和可靠性上大大提高，智能化程度也大大提高。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于电子束蒸发镀膜机的电子束蒸发速率的自动控制设备，其特点是该设备包括：
蒸发速率探测器，该蒸发速率探测器的晶振探头置于电子束蒸发镀膜机的真空室内，以探测电子束蒸发速率；
数据采集卡；
电子枪灯丝电压调节机构，由所述的数据采集卡的数模转换器、晶闸管智能调压模块和电子枪灯丝变压器构成，该数模转换器的输出端接所述的晶闸管智能调压模块的控制端，该晶闸管智能调压模块输入端接220V交流电，其输出端接在所述的电子枪灯丝变压器的原边，该电子枪灯丝变压器的副边接所述的电子枪灯丝的两端；
开关量输入输出机构，包括所述的数据采集卡的数字输入口和数字输出口，该数字输入口接收外界的高低电平输入，该数字输出口通过挡板控制模块与真空室内的挡板相连；
具有控制程序的计算机，所述的数据采集卡接该计算机，所述的蒸发速率探测器接计算机的串口。
所述的电子束蒸发速率的自动控制设备，所控制的每一把电子枪对应一个独立的电子枪灯丝电压调节机构，即数模转换器、晶闸管智能调压模块和电子枪灯丝变压器；每一个挡板对应独立的数字输出口及挡板控制模块。
所述的数模转换器、数字输入口和数字输出口是集成在所述的数据采集卡上的三个独立的功能部件，该数据采集卡与所述的控制程序的计算机相连。
利用上述电子束蒸发速率自动控制设备进行电子束蒸发速率自动控制的方法，包括下列步骤：
①启动镀膜机和程序控制的计算机并初始化，在所述的程序控制的计算机的输入窗口设定要镀制的膜系及每一层膜的目标速率、膜厚和对应的电子枪；程序从膜系的第一层膜开始载入各层膜的控制参数，并由此选择控制对应的电子枪和挡板；
②蒸发速率探测器通过置于镀膜机真空室内的晶振探头测得即时蒸发速率并计算膜厚，通过串口将即时蒸发速率和膜厚传给程序控制的计算机并显示，在默认的情况下计算机程序进入开环工作，在开环的情况下由程序界面的手动输入来控制输出量，即控制电子枪灯丝的端电压，在开环的情况下可进行膜料的预融和预沉积，所述的数字输出口处于低电平，挡板关闭；
③当操作人员判断可以打开挡板正式镀膜时，操作人员通过给数字输入口输入一个高低电平的切换量，由数字输出口输出高电平驱动挡板控制模块去打开挡板开始镀膜，所述的程序控制的计算机进入闭环自动反馈控制；
④所述的程序控制的计算机从蒸发速率探测器获得即时蒸发速率，并和用户设定的目标蒸发速率相比较得误差信号，该误差信号经PID算法计算得控制信号，该控制信号经所述的数模转换器转变成模拟控制信号，所述的晶闸管智能调压模块的控制端接收该模拟控制信号并根据该模拟控制信号调节输出交流电压的大小，该交流电压接在灯丝变压器的原边，实现对接在灯丝变压器副边的电子枪灯丝两端的电压调节，从而控制蒸发速率；
⑤如果该层膜厚度已到，则退出闭环切换到开环状态，计算机通过数字输出口输出低电平驱动挡板控制模块去关闭挡板，并将控制信号降为0并输出；
⑥同时判断膜系是否镀完，如果是则退出循环终止程序，否则程序载入下一层膜的控制参数，重复上述步骤②、③、④、⑤，直至膜系镀完。
在镀膜蒸发速率自动控制的过程中如果出现意外，人们可以通过数字输入口输入高低电平的切换量，告诉程序进入开环状态并关闭挡板，控制信号降为0并输出。
所述的程序控制计算机上运行的程序核心是PID控制算法。该程序以一定的周期从串口读取所述的蒸发速率探测器测得的即时蒸发速率，与用户在程序界面设定的目标速率相比较的误差信号，该误差信号经PID算法计算得到实时控制信号。
所述的灯丝电压调节机构依次由数模转换器D/A、晶闸管控制模块及灯丝变压器构成。该数模转换器D/A与所述的程序控制的计算机相连接并将PID算法算得的实时控制信号转换成模拟控制信号并输出。所述的晶闸管控制模块的控制端接数模转换器D/A的输出端，所述的晶闸管控制模块的输出端与灯丝变压器的原边相连，输入端接入220V的交流电压。该晶闸管控制模块根据控制端输入的模拟控制信号调节输出到灯丝变压器原边的交流电压大小，从而对接在灯丝变压器副边的电子枪灯丝端电压实现实时调节。
本发明的技术效果：
本发明电子束蒸发速率控制设备引入了自动反馈控制的思想，克服了人工调节存在的经验化、反应慢、调节精度差的问题，具有以下优点：
1、根据设定膜层控制参数自动选择对应的电子枪和挡板进行速率自动反馈控制，无需人工调节。
2、程序控制算法可根据实际的控制效果进行修改或改进，极具灵活性。
4、能在程序运行的过程中接受外界输入高低电平开关量，进行判断，做出相应的响应并输出高低电平开关量。
附图说明
图1是本发明电子束蒸发速率自动控制设备的实施例1的总体结构示意图。
图2是本发明电子束蒸发速率自动控制设备的实施例2的总体结构示意图。
图3是本发明计算机控制程序的主程序流程图。
图4是并行的接受外界输入并响应输出的从属程序流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1，图1是本发明电子枪蒸发速率自动控制设备的实施例1的整体结构示意图。由图可见，本发明的电子枪蒸发速率自动控制设备，包括：
蒸发速率探测器3，该蒸发速率探测器3的晶振探头31置于电子束蒸发镀膜机的真空室9内，以探测即时电子束蒸发速率；
数据采集卡2；
电子枪灯丝电压调节机构，由所述的数据采集卡2的数模转换器21、晶闸管智能调压模块4和电子枪灯丝变压器5构成，该数模转换器21的输出端接所述的晶闸管智能调压模块4的控制端，该晶闸管智能调压模块4输入端接220V交流电，其输出端接在所述的电子枪灯丝变压器5的原边，该电子枪灯丝变压器5的副边接所述的电子枪灯丝7的两端；
开关量输入输出结构，包括所述的数据采集卡2的数字输入口22和数字输出口23，该数字输入口22接收外界的开关量输入，该数字输出口23通过挡板控制模块6与真空室9内的挡板8的控制端相连；
一具有控制程序计算机1，所述的数据采集卡2接该计算机1，所述的蒸发速率探测器3接计算机1的串口11。
数据采集卡2包含3个独立的功能部件：数模转换器D/A 21，数字输入口D/I22，数字输出口D/O 23。蒸发速率探测器3通过置于镀膜机真空室9内的晶振头31以每秒10HZ的频率探测到实时的蒸发速率并计算得膜厚，并通过计算机的串口11将该蒸发速率和膜厚以数字数据形式传给计算机1。计算机1中的程序则相应的以每秒10HZ的频率从串口11读取该数据进行程序运算并显示。在一个循环周期中，计算机1中的程序将获得的蒸发速率数据与用户在计算机程序面板上设定的目标蒸发速率相比较获得误差信号，该误差信号经PID算法计算得到一数字控制信号，该数字控制信号通过数据采集卡2的数模转换器21转换输出为模拟控制信号。本实施例的数据采集卡2采用的是NI公司的pci-6221，其数模转换器D/A 21的位数为16位，转换速度为833ks/s。数模转换器D/A 21转换输出的模拟控制信号为电压信号，电压范围为0-10V，采用软件定时，即每一次程序向其写入数字控制信号就立即转换输出为相应的模拟控制信号。晶闸管智能控制模块4的控制输入端与数模转换器D/A 21模拟输出相接，其主电路输入端接入220V的交流电，主电路输出端接在电子枪灯丝变压器5的原边。晶闸管智能控制模块4根据控制输入端输入的模拟控制信号在0-10V间变化，而在主电路输出端正比地输出0-220V的交流电压。该受计算机控制的0-220V的交流电压接在灯丝变压器5的原边从而实现对接在灯丝变压器5副边的电子枪灯丝7的调节与控制。
图2是本发明电子束蒸发速率自动控制设备的实施例2的总体结构示意图。实施例2是一种用于双蒸发源的电子束蒸发速率自动控制设备，镀膜机的真空室内有第一电子枪灯丝71、第二电子枪灯丝72及相应的第一挡板81和第二挡板82，相应的电子枪灯丝电压调节机构也有两套：由所述的数据采集卡2的数模转换器211、晶闸管智能调压模块41和电子枪灯丝变压器51构成第一电子枪灯丝71的电压调节机构，由由所述的数据采集卡2的数模转换器212、晶闸管智能调压模块42和电子枪灯丝变压器52构成第二电子枪灯丝72的电压调节机构。
该数模转换器21的输出端接所述的晶闸管智能调压模块4的控制端，该晶闸管智能调压模块4输入端接220V交流电，其输出端接在所述的电子枪灯丝变压器5的原边，该电子枪灯丝变压器5的副边接所述的电子枪灯丝7的两端；
开关量输入输出结构为：对应于第一挡板81，包括所述的数据采集卡2的数字输入口22和数字输出口231，该数字输入口22接收外界的开关量输入，该数字输出口231通过第一挡板控制模块61与真空室9内的第一挡板81的控制端相连；对应于第堆二挡板82，包括所述的数据采集卡2的数字输入口22和数字输出口232，该数字输入口22接收外界的开关量输入，该数字输出口232通过第二挡板控制模块62与真空室9内的第二挡板82的控制端相连。
一具有控制程序计算机1，所述的数据采集卡2接该计算机1，所述的蒸发速率探测器3接计算机1的串口11。
同理，本发明还可以扩展为多蒸发源的电子束蒸发速率自动控制设备和控制方法，在此恕我不再赘述。
因为计算机1每获得一个新的蒸发速率数据，就要输出一个新的控制信号，故计算机1中的程序每100ms循环一次(对应于10HZ的蒸发速率采样)。在一次循环周期中主程序的流程图如图3所示。计算机1从串口11读取即时速率并显示，在默认的情况下程序进入开环，在开环的情况下由程序界面的手动输入来控制输出量即控制电子枪灯丝端电压。在开环的情况下可进行膜料的预融和预沉积。当操作人员判断可以打开挡板正式镀膜时，可通过给数字输入口D/I 22输入一个TTL高低电平的切换，此时程序能接受此外界的输入并通过数字输出口D/O 23输出高电平来驱动挡板控制模块6去打开挡板8并在延迟一定的时间(如10s，视具体的镀膜机和膜料确定)后切换进入闭环自动反馈控制。在闭环自动控制的循环流程中，程序会判断膜厚是否到了预定值，如果未到，则继续进行闭环控制：计算误差e，由PID算法得控制信号并输出。如果厚度已到，则退出闭环切换到开环状态，通过数字输出口D/O 23输出低电平来驱动挡板控制模块6去关闭挡板8并将控制信号降为0并输出。此时判读膜系是否镀制完成，是的话退出循环终止程序，否则载入下一层膜的控制参数并重复上述循环。在镀膜蒸发速率自动控制的过程中如果出现意外也可以通过数字输入口D/O 22的TTL高低电平的切换，告诉程序进入开环状态并关闭挡板8，控制信号降为0并输出。
在程序运行的过程中，存在开环状态和闭环状态的选择和切换以及挡板8的打开与关闭。这些可通过数字输入口D/I 22、数字输出口D/O 23及挡板控制模块6来实现，其实现过程已在主程序的流程中说明，相应的并行运行的附属程序流程图如图4所示。
实验表明，本发明能够以设定的蒸发速率要求对镀膜过程中的电子束蒸发速率进行稳定控制。整个设备在速度、精度和可靠性上大大提高，智能化程度也大大提高。
Claims (5)
1.一种用于电子束蒸发镀膜机的电子束蒸发速率的自动控制设备，其特征在于该设备包括：
蒸发速率探测器(3)，该蒸发速率探测器(3)的晶振探头(31)置于电子束蒸发镀膜机的真空室(9)内，以探测电子束蒸发速率；
数据采集卡(2)；
电子枪灯丝电压调节机构，由所述的数据采集卡(2)的数模转换器(21)、晶闸管智能调压模块(4)和电子枪灯丝变压器(5)构成，该数模转换器(21)的输出端接所述的晶闸管智能调压模块(4)的控制端，该晶闸管智能调压模块(4)输入端接220V交流电，其输出端接在所述的电子枪灯丝变压器(5)的原边，该电子枪灯丝变压器(5)的副边接所述的电子枪灯丝(7)的两端；
开关量输入输出机构，包括所述的数据采集卡(2)的数字输入口(22)和数字输出口(23)，该数字输入口(22)接收外界的高低电平输入，该数字输出口(23)通过挡板控制模块(6)与真空室(9)内的挡板(8)相连；
具有控制程序的计算机(1)，所述的数据采集卡(2)接该计算机(1)，所述的蒸发速率探测器(3)接计算机(1)的串口(11)。
2.根据权利要求1所述的电子束蒸发速率的自动控制设备，其特征是在镀膜机内，每一把电子枪各对应一个所述的电子枪灯丝电压调节机构；每一块相应的挡板各对应一个数字输出口及相应的挡板控制模块。
3.根据权利要求1所述的电子束蒸发速率的自动控制设备，其特征在于所述的数模转换器(21)、数字输入口(22)和数字输出口(23)是集成在所述的数据采集卡(2)上的三个独立的功能部件。
4.利用权利要求1至3任一项所述的电子束蒸发速率自动控制设备进行电子束蒸发速率自动控制的方法，其特征在于包括下列步骤：
①启动镀膜机和程序控制的计算机(1)并初始化，在所述的程序控制的计算机(1)的输入窗口设定要镀制的膜系及每一层膜的目标速率、膜厚和对应的电子枪；程序从膜系的第一层膜开始载入各层膜的控制参数，并由此选择控制对应的电子枪和挡板；
②蒸发速率探测器(3)通过置于镀膜机真空室(9)内的晶振探头(31)测得即时蒸发速率并计算膜厚，通过串口(11)将即时蒸发速率和膜厚传给程序控制的计算机(1)并显示，在默认的情况下计算机程序进入开环工作，在开环的情况下由程序界面的手动输入来控制输出量，即控制电子枪灯丝的端电压，在开环的情况下可进行膜料的预融和预沉积，所述的数字输出口(23)处于低电平，挡板关闭；
③当操作人员判断可以打开挡板(8)正式镀膜时，操作人员通过给数字输入口(22)输入一个高低电平的切换量，由数字输出口(23)输出高电平驱动挡板控制模块(6)去打开挡板(8)开始镀膜，所述的程序控制的计算机(1)进入闭环自动反馈控制；
④所述的程序控制的计算机(1)从蒸发速率探测器(3)获得即时蒸发速率，并和用户设定的目标蒸发速率相比较得误差信号，该误差信号经PID算法计算得控制信号，该控制信号经所述的数模转换器(21)转变成模拟控制信号，所述的晶闸管智能调压模块(4)的控制端接收该模拟控制信号并根据该模拟控制信号调节输出交流电压的大小，该交流电压接在灯丝变压器(5)的原边，实现对接在灯丝变压器副边的电子枪灯丝(7)两端的电压调节，从而控制蒸发速率；
⑤如果该层膜厚度已到，则退出闭环切换到开环状态，计算机(1)通过数字输出口(23)输出低电平驱动挡板控制模块(6)去关闭挡板(8)，并将控制信号降为0并输出；
⑥同时判断膜系是否镀完，如果是则退出循环终止程序，否则程序载入下一层膜的控制参数，重复上述步骤②、③、④、⑤，直至膜系镀完。
5.根据权利要求4所述的自动控制方法，其特征在于在镀膜蒸发速率自动控制的过程中如果出现意外，通过数字输入口(22)输入高低电平的切换量，告诉程序进入开环状态，关闭挡板(8)，控制信号降为0并输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20090812 Termination date: 20201031 |