CN106829856A - 一种团簇离子束纳米加工设备控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种团簇离子束纳米加工设备控制装置及其控制方法，包括系统控制板、人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块，所述人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块分别与所述系统控制板电连接；还提供了一种团簇离子束纳米加工设备的控制方法，包括对纳米材料的参数进行设置；实时管理并以并行处理方式执行加工工序；实时检测纳米团簇粒径，满足设定条件时进行卸料。本发明提供的团簇离子束纳米加工设备控制装置及控制方法实现了纳米团簇粒径的一致性和稳定性，最大限度地减少组份偏差和物相污染，大幅度地提高了系统的动态响应性能。

Description

一种团簇离子束纳米加工设备控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及纳米材料加工领域，尤其涉及的是一种团簇离子束纳米加工设备控制装置及其控制方法。

背景技术

纳米材料又称之为超微晶材料，其团簇粒径介于1nm至100nm之间，具有小尺寸效应、量子效应、界面效应和表面效应等独特而优异的物理性能，在陶瓷、微电子、化工、医学等领域具有广阔的应用前景。近十年来，围绕纳米材料的制备方法、性能测试和理论解释已成为各国研究的热点问题，取得了丰硕的理论研究和应用研究成果。

就纳米材料的加工技术而言，主要有机械球磨法、分子束外延法、化学气相沉积法、液相沉积法等制备方法。

机械球磨法利用研磨球、研磨罐和研磨颗粒的碰撞，改变纳米材料的粒径、形貌和比表面积，在磁性、超饱和固溶体、热电、半导体和硅酸盐等纳米材料的制备以低成本、高效益取得较好的应用成果，但普遍存在分散和污染问题，常采用超声波、机械搅拌改进物理分散，采用改性分散或分散剂分散方法以改进化学分散。但高速球磨伴随的组份偏差和物相污染，目前还未见行之有效的解决措施。

分子束外延法是一种特殊的真空镀膜工艺。在超高真空腔内，将热蒸发、气体裂解、辉光放电离子化等方法产生的原子束或分子束，投射到具有一定取向、一定温度的晶体衬底上，生成晶体薄膜材料或所需晶体结构。其工艺过程一般为衬底处理、生长控制和后续工序。调制掺杂控制晶体生长的束流强度、稳定性、浓度等参数，以保证晶体的杂质分布和一致性，主要应用于制备激光器、光纤传感器、微波器件或光电显示器件，具有无污染、组份均匀、厚度一致性好等特点，但设备造价较高，不能用于粉体纳米材料的制备（化学气相沉积法和液相沉积法亦然）。

至今为止，上述各种方法仍面临一些亟待解决的共性问题，诸如如何快速而实时地进行纳米团簇的性能测量和评价、如何保证纳米团簇的稳定性和一致性、如何有效地筛选纳米团簇中不同结构的异构体，以及准确地建立纳米团簇的动力学模型等。而且，目前纳米加工设备的系统控制器大多采用可编程序控制器（PLC）、IBM兼容计算机或工业计算机，以前后台结构、串行处理或轮询方式执行纳米加工设备的系统管理和过程控制任务，存在诸多不足：体积较大，影响纳米加工设备的总体布局；成本较高，系统软硬件资源受限，不便于功能扩展和系统更新，而且串行处理方式，降低了纳米加工设备的动态响应性能。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种团簇离子束纳米加工设备控制装置及其控制方法，旨在解决现有的纳米加工技术中存在的组分偏差、物相污染、无法实时进行纳米团簇的性能测量以及动态响应性能差等问题。

本发明的技术方案如下：

一种团簇离子束纳米加工设备控制装置，包括系统控制板、人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块，所述人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块分别与所述系统控制板电连接；所述过程控制模块用于调控加工设备的温度、压力以及空气流量等参数，包括分别与所述系统控制板电连接的压力传感器、温度传感器以及流量传感器；所述数据采集模块用于实时采集物料粒径数据，包括与系统控制板电连接的纳米团簇粒径实时检测传感器；所述纳米加工控制模块用于控制纳米加工工序；所述物料输送模块用于进料和出料管理，包括分别与所述系统控制板电连接的进料电机驱动电路、出料电机驱动电路以及位置传感器。

所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其中，所述纳米团簇粒径实时检测传感器采用激光三角法检测激光光强度，从而间接测量纳米团簇的粒径，包括半导体激光管、第一透镜组、第二透镜组、面阵CCD图像传感器、反射镜、粒径数据处理模块以及激光管控制电路，所述激光管控制电路分别与所述系统控制板和半导体激光管电连接，所述粒径数据处理模块分别与所述面阵CCD图像传感器和所述系统控制板电连接；所述半导体激光管发射激光，依次经过所述第一透镜组、纳米团簇离子、第二透镜组、反射镜，至所述面阵CCD图像传感器，所述面阵CCD图像传感器生成的光强度信号经所述粒径数据处理模块进行数据处理后，实时传输纳米团簇的实时粒径信号至所述系统控制板。

所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其中，所述粒径数据处理模块包括粒径数据处理控制电路以及分别与所述粒径数据处理控制电路连接的模拟前端、噪声抑制单元、模数转换单元、数字滤波单元、自适应高阶统计量加权平均单元以及三阶相关峭度反卷积逆滤波器。

所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其中，所述纳米加工控制模块包括分别与所述系统控制板电连接的离子束偏转电路和两级加速电路；所述离子束偏转电路与用于实现物料偏转的偏转线圈电连接，所述偏转线圈设置在用于纳米材料加工的两级加速腔内，所述离子束偏转电路向偏转线圈提供锯齿波电流，产生径向、线性偏转磁场；所述两级加速腔前端设有分离孔，后端设有对撞孔，所述两级加速腔内设有正向环形通道和逆向环形通道，所述正向环形通道和逆向环形通道分别在所述分离孔和所述对撞孔处相交；所述两级加速电路设置在所述两级加速腔内，为分段串接的升压电路；物料经所述径向、线性偏转磁场的作用，由所述分离孔进入所述两级加速腔，并在两级加速电路的作用下不断加速，最终在对撞孔实现对撞分解。

所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其中，所述纳米加工控制模块还包括用于将物料研磨成亚微米级团簇离子游离磨料的物料预处理单元，所述物料预处理单元包括与所述系统控制板电连接的主轴电机驱动电路，所述主轴电机驱动电路与主轴电机连接，所述主轴电机与负压发生器连接，所述负压发生器上径向分布有用于研磨物料的高速合金刀具。

所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其中，所述系统控制板为ARM Cortex-M系列微处理器，内核为嵌入实时微型操作系统；所述人机交互模块经由MODBUS RTU协议与所述系统控制板通信。

所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其中，所述人机交互模块通过RS232C串口与所述系统控制板连接；所述过程控制模块以及数据采集模块通过通用输入输出口和光耦合隔离电路与所述系统控制板连接。

一种与上述的团簇离子束纳米加工设备控制装置对应的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：对纳米材料的类型、粒径等参数进行设置，向所述系统控制板发送运行指令；

步骤2：所述系统控制板接收所述运行指令，实时管理并以并行处理方式调度所述人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块，执行加工工序；

步骤3：通过所述数据采集模块实时检测所述纳米团簇粒径，满足设定条件时进行卸料。

所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置的控制方法，其中，实时检测所述纳米团簇粒径的检测步骤包括：发射激光，照射待检测的物料；产生光强度信号，所述光强度信号经模拟前端、噪声抑制、模数转换、数字滤波、自适应高阶统计量加权平均算法之后，对所述光强度信号的三阶相关峭度反卷积逆滤波器进行盲提取，从而输出纳米团簇的实时粒径信号。

所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置的控制方法，其中，所述加工工序包括：对所述物料进行预处理，研磨成游离磨料；实时检测所述游离磨料粒径，当所述游离磨料达到亚微米级时，进行偏转、加速和对撞加工，分解成纳米团簇。

本发明的有益效果是：本发明提供的团簇离子束纳米加工设备控制装置及其控制方法通过实时检测纳米团簇粒径，保证了纳米团簇粒径的一致性和稳定性；通过纳米团簇的能量束碰撞的加工方式，保证纳米材料的粒径和纯度要求，最大限度地减少组份偏差和物相污染；通过采用ARM Cotex-M系列处理器构建控制装置的硬件平台，以并行处理方式实现实时调度系统功能模块，通过纳米加工控制模块控制加工工序，大幅度提高系统的动态响应性能。

附图说明

图1是本发明提供的一种团簇离子束纳米加工设备控制装置的结构框图。

图2是本发明提供的一种团簇离子束纳米加工设备控制装置的结构框图。

图3是本发明提供的一种纳米团簇粒径实时检测传感器的原理示意图。

图4是本发明提供的一种纳米加工控制模块的原理示意图。

图5是本发明提供的团簇离子束纳米加工设备控制装置体系结构图。

图6是本发明提供的团簇离子束纳米加工设备控制方法的流程图。

附图标注说明：1、激光管控制电路；2、半导体激光管；3、第一透镜组；4、被测物体；5、第二透镜组；6、透镜；7、反射镜；8、面阵CCD图像传感器；9、粒径数据处理模块；10、偏转线圈；11、两级加速电路；12、分离孔；13、对撞孔；14、正向环形通道；15、逆向环形通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

参见图1，为本发明提供的一种团簇离子束纳米加工设备控制装置，包括系统控制板、人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块，所述人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块分别与所述系统控制板电连接。通过所述人机交互模块，以满足用户对纳米材料加工的设置和过程的掌控；通过过程控制模块实时调控加工设备的温度、压力以及空气流量等参数，保证设备的稳定性和安全性；通过数据采集模块，实时采集纳米团簇的粒径信息，并根据粒径信息进行纳米材料的加工工序的控制，保证了纳米团簇粒径的一致性和稳定性。

在实际应用中，如图2所示，所述系统控制板为ARM Cortex-M系列微处理器，在本实施例中为ARM Cortex-M4系列微处理器，搭配嵌入式实时微型操作系统FreeRTOS，可实现以并行处理方式实时进行任务调度，大幅度提高系统性能，而且使用ARM Cortex-M系列微处理器相对可编程控制器、IBM兼容计算机或工业计算机等体积更小，不影响纳米加工设备的总体布局，且成本较低，还具有良好的动态响应性能。

优选地，所述过程控制模块包括分别与所述系统控制板电连接的压力传感器、温度传感器以及流量传感器，所述压力传感器、温度传感器以及流量传感器布置在纳米加工设备中，实时检测设备内的压力、温度以及空气流量等数据，通过通用输入输出口和光耦合隔离电路与所述系统控制板电连接，并反馈给所述系统控制板进行实时调控。

参见图2，进一步地，所述离子束偏转电路和离子束加速电路分别与过流过压保护电路电连接，保证加工设备的安全性。

在实际应用中，所述物料输送模块用于进料和出料管理，包括分别与所述系统控制板电连接的进料电机驱动电路、出料电机驱动电路以及位置传感器，进一步地，所述进料电机驱动电路和出料电机驱动电路经DAC接口与所述系统控制板电连接。

优选地，所述人机交互模块经由MODBUS RTU协议与所述系统控制板通信，数据帧传送之间没有间隔，传输速度更快；进一步地，所述人机交互模块通过RS232C串口与所述系统控制板连接。

优选地，所述团簇离子束纳米加工设备控制装置还包括与所述系统控制板电连接的逻辑互锁与保护电路，全面保护系统的安全。

在实际应用中，所述数据采集模块包括与系统控制板电连接的纳米团簇粒径实时检测传感器，图3为本发明提供一种纳米团簇粒径实时检测传感器的原理示意图，采用激光光强度测量法间接测量纳米团簇的粒径。所述纳米团簇粒径实时检测传感器具体包括：激光管控制电路1、半导体激光管2、第一透镜组3、第二透镜组5、反射镜7、面阵CCD图像传感器8以及粒径数据处理模块9。如图1所示，激光管控制电路1与所述半导体激光管2电连接，半导体激光管2与第一透镜组3以及被测物体4位于同一直线光路上，第一透镜组3、被测物体4以及第二透镜组5共同构成三角形光路，第二透镜组5、反射镜7以及面阵CCD图像传感器8共同构成三角形光路，半导体激光管2发射的激光，依次经过第一透镜组3、被测物体4、第二透镜组5、反射镜7，至面阵CCD图像传感器8，粒径数据处理模块9与面阵CCD图像传感器8连接。

目前，对于纳米团簇的粒径测量都是在加工完毕后开展，难以保证加工后纳米团簇粒径的一致性和稳定性。本发明采用非接触光学测量的方法，装置结构简单，检测速度快，实时性强，可以布置在加工设备中，实现了对纳米团簇在加工过程中的实时检测。

优选地，所述粒径数据处理模块9包括粒径数据处理控制电路以及与所述粒径数据处理控制电路电连接的模拟前端、噪声抑制单元、模数转换单元、数字滤波单元、自适应高阶统计量加权平均单元以及三阶相关峭度反卷积逆滤波器。面阵CCD图像传感器8接收的光强度信号经模拟前端、噪声抑制、模数转换、数字滤波、自适应高阶统计量加权平均算法之后，对所述光强度信号的三阶相关峭度反卷积逆滤波器进行盲提取，从而输出纳米团簇的实时粒径信号。通过三阶相关峭度反卷积逆滤波器进行盲提取，可有效地盲提取激光位移信号和多重反射信号，具有更快的收敛速度和更高的信噪比，确保了粒径数据的准确性。

进一步地，所述纳米团簇粒径实时检测传感器数量可以为多个，本实施例中，所述纳米团簇粒径实时检测传感器的数量为4个，通过对多个纳米团簇粒径实时检测传感器反馈的数据进行数据融合，保证了检测的准确性。

如图4所示，所述纳米加工控制模块包括分别与所述系统控制板电连接的离子束偏转电路（图中未示出）和两级加速电路11；所述离子束偏转电路与用于实现物料偏转的偏转线圈10电连接，偏转线圈10设置在用于纳米材料加工的两级加速腔（图中未示出）内，所述离子束偏转电路向偏转线圈10提供锯齿波电流，产生径向、线性偏转磁场；所述两级加速腔前端设有分离孔12，后端设有对撞孔13，所述两级加速腔内设有正向环形通道14和逆向环形通道15，正向环形通道14和逆向环形通道15分别在分离孔12和对撞孔13处相交；两级加速电路11设置在所述两级加速腔内，为分段串接的升压电路；物料经所述径向、线性偏转磁场的作用，由分离孔12进入所述两级加速腔，并在两级加速电路11的作用下不断加速，最终在对撞孔13实现对撞分解。

优选地，所述纳米加工控制模块还包括用于将物料研磨成亚微米级团簇离子游离磨料的物料预处理单元，所述物料预处理单元包括与所述系统控制板电连接的主轴电机驱动电路，所述主轴电机驱动电路与主轴电机连接，所述主轴电机与负压发生器连接，所述负压发生器上径向分布有用于研磨物料的高速合金刀具。物料在高速合金刀具的作用下，被研磨成亚微米级的团簇离子游离磨料，以保证物料能更好地通过对撞分解成所需要的纳米级材料。通过物料研磨与碰撞分解相结合的加工方式，最大限度地减少了组份偏差和物相污染。

参见图5，为本发明提供的一种团簇离子束纳米加工设备控制装置软件体系结构图。所述系统控制软件采用分层、模块化结构，包括物理层、MAC层和应用层，所述物理层包括Cortex-M4标准外设库、Cortex-M4内核库以及嵌入式实时微型操作系统FreeRTOS，所述MAC层包括团簇纳米材料加工过程工艺控制库、过程控制应用库以及人机交互操作接口库，所述应用层为团簇纳米材料加工项目，包括过程控制工艺任务、人机交互操作任务、数据采集任务、纳米加工任务等。经团簇纳米材料加工API，由所述嵌入式实时微型操作系统FreeRTOS管理并调度所述过程控制工艺任务、人机交互操作任务、数据采集任务、系统管理任务等。所述系统控制采用分层、模块化结构，具备优秀的可扩展性能、自适应性能以及丰富的系统接口资源。

本发明还提供了一种与上述方案所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置对应的控制方法，如图6所示，具体包括以下步骤：

步骤1：对纳米材料的类型、粒径等参数进行设置，向所述系统控制板发送运行指令；

步骤2：所述系统控制板接收所述运行指令，实时管理并以并行处理方式调度所述人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块，执行加工工序；

步骤3：通过所述数据采集模块实时检测所述纳米团簇粒径，满足设定条件时进行卸料。

在实际应用中，步骤2中的加工工序具体可包括：所述系统控制板启动所述物料输送模块的进料电机驱动电路，完成进料操作；启动所述纳米加工控制模块，完成对物料进行预处理、偏转、加速以及对撞等操作；在加工过程中，同时启动所述数据采集模块，实时检测所述纳米团簇粒径，并反馈至所述系统控制板，当所述纳米团簇满足步骤1中用户设置的条件时，停止所述加工工序，并启动所述物料输送模块进行卸料。通过采用游离磨料预处理和纳米团簇的能量束碰撞相结合的加工方式，保证纳米材料的粒径和纯度要求，最大限度地减少组份偏差和物相污染。

优选地，实时检测所述纳米团簇粒径的检测步骤包括：发射激光，照射待检测的物料；产生光强度信号，所述光强度信号经模拟前端、噪声抑制、模数转换、数字滤波、自适应高阶统计量加权平均算法之后，对所述光强度信号的三阶相关峭度反卷积逆滤波器进行盲提取，从而输出纳米团簇的实时粒径信号。通过采用激光光强度间接测量的方法，实现了实时检测纳米团簇粒径，保证了纳米团簇粒径的一致性和稳定性。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种团簇离子束纳米加工设备控制装置，其特征在于，包括系统控制板、人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块，所述人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块分别与所述系统控制板电连接；所述过程控制模块用于调控加工设备的温度、压力以及空气流量等参数；所述数据采集模块用于实时采集物料粒径数据，包括与系统控制板电连接的纳米团簇粒径实时检测传感器；所述纳米加工控制模块用于控制纳米加工工序；所述物料输送模块用于进料和出料管理。

2.根据权利要求1所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其特征在于，所述纳米团簇粒径实时检测传感器采用激光三角法检测激光光强度，从而间接测量纳米团簇的粒径，包括半导体激光管、第一透镜组、第二透镜组、面阵CCD图像传感器、反射镜、粒径数据处理模块以及激光管控制电路，所述激光管控制电路分别与所述系统控制板和半导体激光管电连接，所述粒径数据处理模块分别与所述面阵CCD图像传感器和所述系统控制板电连接；所述半导体激光管发射激光，依次经过所述第一透镜组、纳米团簇离子、第二透镜组、反射镜，至所述面阵CCD图像传感器，所述面阵CCD图像传感器生成的光强度信号经所述粒径数据处理模块进行数据处理后，实时传输纳米团簇的实时粒径信号至所述系统控制板。

3.根据权利要求2所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其特征在于，所述粒径数据处理模块包括粒径数据处理控制电路以及分别与所述粒径数据处理控制电路连接的模拟前端、噪声抑制单元、模数转换单元、数字滤波单元、自适应高阶统计量加权平均单元以及三阶相关峭度反卷积逆滤波器。

4.根据权利要求1所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其特征在于，所述纳米加工控制模块包括分别与所述系统控制板电连接的离子束偏转电路和两级加速电路；所述离子束偏转电路与用于实现物料偏转的偏转线圈电连接，所述偏转线圈设置在用于纳米材料加工的两级加速腔内，所述离子束偏转电路向偏转线圈提供锯齿波电流，产生径向、线性偏转磁场；所述两级加速腔前端设有分离孔，后端设有对撞孔，所述两级加速腔内设有正向环形通道和逆向环形通道，所述正向环形通道和逆向环形通道分别在所述分离孔和所述对撞孔处相交；所述两级加速电路设置在所述两级加速腔内，为分段串接的升压电路；物料经所述径向、线性偏转磁场的作用，由所述分离孔进入所述两级加速腔，并在两级加速电路的作用下不断加速，最终在对撞孔实现对撞分解。

5.根据权利要求4所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其特征在于，所述纳米加工控制模块还包括用于将物料研磨成亚微米级团簇离子游离磨料的物料预处理单元，所述物料预处理单元包括与所述系统控制板电连接的主轴电机驱动电路，所述主轴电机驱动电路与主轴电机连接，所述主轴电机与负压发生器连接，所述负压发生器上径向分布有用于研磨物料的高速合金刀具。

6.根据权利要求1所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其特征在于，所述系统控制板为ARM Cortex-M系列微处理器，内核为嵌入实时微型操作系统；所述人机交互模块经由MODBUS RTU协议与所述系统控制板通信。

7.根据权利要求6所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置，其特征在于，所述人机交互模块通过RS232C串口与所述系统控制板连接；所述过程控制模块以及数据采集模块通过通用输入输出口和光耦合隔离电路与所述系统控制板连接。

8.一种如权利要求1-7所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对纳米材料的类型、粒径等参数进行设置，向所述系统控制板发送运行指令；

步骤2：所述系统控制板接收所述运行指令，实时管理并以并行处理方式调度所述人机交互模块、过程控制模块、数据采集模块、纳米加工控制模块以及物料输送模块，执行加工工序；

步骤3：实时检测所述纳米团簇粒径，满足设定条件时进行卸料。

9.根据权利要求8所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置的控制方法，其特征在于，实时检测所述纳米团簇粒径的检测步骤包括：发射激光，照射待检测的物料；产生光强度信号，所述光强度信号经模拟前端、噪声抑制、模数转换、数字滤波、自适应高阶统计量加权平均算法之后，对所述光强度信号的三阶相关峭度反卷积逆滤波器进行盲提取，从而输出纳米团簇的实时粒径信号。

10.根据权利要求8所述的团簇离子束纳米加工设备控制装置的控制方法，其特征在于，所述加工工序包括：对所述物料进行预处理，研磨成游离磨料；实时检测所述游离磨料粒径，当所述游离磨料达到亚微米级时，进行偏转、加速和对撞加工，分解成纳米团簇。