CN212864949U - 一种基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，包括真空腔体，所述真空腔体内安装有红外探测器，所述真空腔体的腔壁上开设有信号传输窗口，所述信号传输窗口的内侧安装有内无线通信模块，所述所述信号传输窗口的外侧安装有与内无线通信模块配合传输的外无线通信模块；所述内无线通信模块与红外探测器信号传输连接；所述外无线通信模块与控制器信号传输连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件。
背景技术
随着科学技术的发展，世界各地许多科学家都在积极开展新材料尤其是薄膜材料的研究。薄膜材料科学成为材料科学中发展最迅速分支的原因：
(1)现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路板就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段；
(2)器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能并使之更加强化，而且随着器件的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件将显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段；
(3)薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同材料灵活地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性．薄膜材料学在科学技术以及国民经济的各个领域发挥着越来越大的作用。
而薄膜材料是通过超高真空薄膜制备设备完成，基板的温度的测量和控制是决定薄膜制备的结构和质量的重要因素。由于真空镀膜要求有一定的真空度，必须在一个封闭的金属空间里进行，再加上基板必须要通过旋转来实现薄膜的均匀性，因此，目前只能用感温贴片来完成。感温贴片可视为是一种简易型的黏贴式温度计，它就像贴纸一样，不需要电池或其它动能，只要温度到达感温贴片的额定温度时，贴片就会开始变色，如此一来便能够提醒用户温度的变化。感温贴片可分两种：可逆式－温度组件变色，在冷却后会回复原色。不可逆式－温度组件变色，但在冷却后不会回复原色。目前真空镀膜就是用不可逆的温度贴片，同时贴不同温度的贴片，这样就知道温度超高了某个温度，和没有达到某个温度，从而得到温度的区间。
但是温度贴片测量方式测量温度不够精确，测量的间隔比较大，一般都在20-30度的间隔，这样，镀膜过程中的温度监控不够准确对于高质量的尤其是功能性质的薄膜产生影响，降低了产品质量，和合格率，增加成本。现有技术急需一种测量精度高，测量覆盖范围大的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种测量精度高，测量覆盖范围大的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：包括真空腔体，所述真空腔体底部设置有坩埚，所述坩埚上方设置有旋转伞架，所述旋转伞架上均布有多个基板；
所述坩埚的侧上方设置有电子枪，所述电子枪加热端朝向坩埚方向；
所述真空腔体内安装有红外探测器，所述真空腔体的腔壁上开设有信号传输窗口，所述信号传输窗口的内侧安装有内无线通信模块，所述所述信号传输窗口的外侧安装有与内无线通信模块配合传输的外无线通信模块；
所述内无线通信模块与红外探测器信号传输连接；所述外无线通信模块与控制器信号传输连接。
通过使用本申请所述的测量组件，可以实现实时测量真空中薄膜生长的真实的温度，并精度达到0.2摄氏度，比现有的温感贴片的精度提高一个量级以上，其次真空腔内实现信号的短距离无线传输，为以后精确控制基板温度奠定了基础。
作为优选的，所述红外探测器设置在旋转伞架的上方。这样的设计方便红外探测器对准待测量基板。
作为优选的，所述真空腔体为一体成型的钢制罐体，所述信号传输窗口为石英玻璃窗，所述石英玻璃窗外缘与钢制罐体密封连接。这样的设计，方便无线信号通过信号传输窗口进行无线传输。
作为优选的，所述信号传输窗口为外凸型窗口，所述内无线通信模块设置在外凸型窗口内。这样的设计，可以扩大内无线通信模块的信号传输覆盖范围，提高信号的稳定性。
作为优选的，所述内无线通信模块设置有多个，均设置在外凸型窗口内。这样的设计，可以防止某个内无线通信模块在高温负压条件下失效，而影响到信号传输的稳定性。多个内无线通信模块只要有一个正常工作就可以实现信号传输。
作为优选的，所述旋转伞架上方设置有与旋转伞架弧度相适配的弧形导轨，所述弧形导轨上方设置有驱动丝杆，所述驱动丝杆与驱动组件驱动连接；
所述弧形导轨上滑动配合有红外探测器安装块，所述红外探测器固定于红外探测器安装块底部，所述驱动丝杆上螺纹连接有红外探测器调节块，所述红外探测器安装块与红外探测器调节块之间通过弹簧连接。通过这样的驱动结构，可以调整红外探测器的位置，以便红外探测器对旋转伞架不同位置进行检测。
作为优选的，所述驱动丝杆两端通过轴承与驱动丝杆安装座连接，所述驱动丝杆安装座连接固定于真空腔体内壁上；所述弧形导轨两端与真空腔体内壁固定；
所述驱动丝杆一端部固定有内磁吸块；靠近内磁吸块的真空腔体壁上开设有磁驱动窗口，所述磁驱动窗口外部设置有与内磁吸块配合吸附的外磁吸块，所述外磁吸块固定于外磁吸块轴，所述外磁吸块轴与驱动丝杆同轴设置；所述外磁吸块轴与伺服电机驱动连接。这样的设计，可以实现真空腔体外部对驱动丝杆的驱动，避免驱动机构安装在真空腔体内，降低驱动部件对高温和负压的耐受要求。
作为优选的，所述真空腔体为一体成型的钢制罐体，所述磁驱动窗口为石英玻璃窗，所述石英玻璃窗外缘与钢制罐体密封连接；所述内磁吸块外端面和外磁吸块内端面均包覆有聚四氟乙烯滑动层，所述包覆有聚四氟乙烯滑动层的内磁吸块外端面和外磁吸块内端面紧贴磁驱动窗口设置。这样的设计，可以实现内外的无接触式驱动。
作为优选的，所述红外探测器安装块上开设有容纳弧形导轨滑动的红外探测器安装块滑孔，所述红外探测器安装块滑孔内套接有弹性乳胶内管，所述弹性乳胶内管与弧形导轨滑动配合。这样的设计，可以实现红外探测器安装块滑孔与弧形导轨配合滑动。
作为优选的，所述旋转伞架下部设置有离子枪。所述离子枪可以提高镀膜的质量。
本实用新型的优点和有益效果在于：通过使用本申请所述的测量组件，可以实现实时测量真空中薄膜生长的真实的温度，并精度达到0.2摄氏度，比现有的温感贴片的精度提高一个量级以上，其次真空腔内实现信号的短距离无线传输，为以后精确控制基板温度奠定了基础。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为外凸型窗口结构示意图；
图3为内磁吸块与外磁吸块配合结构示意图；
图4为红外探测器安装块滑孔结构示意图；
图5为本实用新型中监测组件涉及的信号传输原理图；
图6为图1中A处结构放大示意图；
图7为水平驱动轴锥齿轮与伞架轴锥齿轮配合结构示意图。
图中：1、真空腔体；2、坩埚；3、旋转伞架；4、基板；5、电子枪；6、红外探测器；7、信号传输窗口；8、内无线通信模块；9、外无线通信模块；10、控制器；11、外凸型窗口；12、弧形导轨；13、驱动丝杆；14、红外探测器安装块；15、红外探测器调节块；16、弹簧；17、轴承；18、驱动丝杆安装座；19、内磁吸块；20、磁驱动窗口；21、外磁吸块；22、外磁吸块轴；23、伺服电机；24、聚四氟乙烯滑动层；25、红外探测器安装块滑孔；26、弹性乳胶内管；261、支撑杆；27、驱动箱；28、伞架轴；29、伞架轴锥齿轮；30、水平驱动轴；31、水平驱动轴锥齿轮；191、水平轴内磁吸块；201、水平轴磁驱动窗口；211、水平轴外磁吸块；221、水平轴外磁吸块轴；231、水平轴伺服电机；232、水平轴支撑架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
如图1至图7所示，本申请公开了一种基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，包括真空腔体1，所述真空腔体1底部设置有坩埚2，所述坩埚2上方设置有旋转伞架3，所述旋转伞架3上均布有多个基板4；真空腔体1通过与机械泵和分子泵连接实现真空环境。
所述坩埚2的侧上方设置有电子枪5，所述电子枪5加热端朝向坩埚2方向；
所述真空腔体1内安装有红外探测器6，所述真空腔体1的腔壁上开设有信号传输窗口7，所述信号传输窗口7的内侧安装有内无线通信模块8，所述所述信号传输窗口7的外侧安装有与内无线通信模块8配合传输的外无线通信模块9；
所述内无线通信模块8与红外探测器6信号传输连接；所述外无线通信模块9与控制器10信号传输连接。
旋转伞架3底部优选设置有旋转驱动结构，所述旋转驱动机构包括支撑杆261，所述支撑杆261外端部与真空腔体1内壁固定，所述支撑杆261中心固定有驱动箱27，所述驱动箱27内连接有伞架轴28，所述伞架轴28上端部与旋转伞架3下部中心支撑固定；
所述伞架轴28竖直设置，且与驱动箱27通过轴承转动连接，所述伞架轴28底端设置有伞架轴锥齿轮29；所述驱动箱27内还转动连接有水平驱动轴30，所述水平驱动轴30与驱动箱27通过轴承转动连接，水平驱动轴30内端设置有水平驱动轴锥齿轮31，所述水平驱动轴锥齿轮31与伞架轴锥齿轮29啮合，所述水平驱动轴30外端与水平驱动轴驱动结构驱动连接；靠近水平驱动轴30外端的位置转动连接在水平轴支撑架232上。
所述水平驱动轴驱动结构包括与所述水平驱动轴30外端部固定连接的水平轴内磁吸块191；靠近水平轴内磁吸块191的真空腔体1壁上开设有水平轴磁驱动窗口201，所述水平轴磁驱动窗口201外部设置有与水平轴内磁吸块191配合吸附的水平轴外磁吸块211，所述水平轴外磁吸块211固定于水平轴外磁吸块轴221，所述水平轴外磁吸块轴221与水平驱动轴30同轴设置；所述水平轴外磁吸块轴221与水平轴伺服电机231驱动连接。
在水平轴伺服电机231的驱动下，水平轴外磁吸块轴221、水平轴外磁吸块211、水平轴内磁吸块191、水平驱动轴30、水平驱动轴锥齿轮31、伞架轴锥齿轮29、伞架轴28、旋转伞架3被同步传动，旋转伞架3旋转带动基板4旋转。旋转伞架3旋转速度为每分钟5-80转，优选每分钟40-50转。
红外探测器6优JW500型号，温度范围为室温到300度，温度精度为0.1摄氏度；内无线通信模块8优选HW5型号；外无线通信模块9优选HW5型号；控制器10优选BN730型号。
所述红外探测器6设置在旋转伞架3的上方。
所述真空腔体1为一体成型的钢制罐体，所述信号传输窗口7为石英玻璃窗，所述石英玻璃窗外缘与钢制罐体密封连接。
所述信号传输窗口7为外凸型窗口11，所述内无线通信模块8设置在外凸型窗口11内。
所述内无线通信模块8设置有多个，均设置在外凸型窗口11内。
内无线通信模块8与红外探测器6是通过有线信号线的连接，通过红外把温度信号转换成电压信号，传给无线通讯模块，再把电压信号无线发射，可以用WIFI，蓝牙等模式发射，外无线通信模块9接收到信号，然后通过有限传给控制器。
所述旋转伞架3上方设置有与旋转伞架3弧度相适配的弧形导轨12，所述弧形导轨12上方设置有驱动丝杆13，所述驱动丝杆13与驱动组件驱动连接；弧形导轨12的设计是为了使得红外探测器6与旋转伞架3上的基板4可以保持相同的测试距离，避免因距离变化而导致测量精度减低。
所述弧形导轨12上滑动配合有红外探测器安装块14，所述红外探测器6固定于红外探测器安装块14底部，所述驱动丝杆13上螺纹连接有红外探测器调节块15，所述红外探测器安装块14与红外探测器调节块15之间通过弹簧16连接。由于弧形导轨12带有一定弧度，而驱动丝杆13为直线状，所述在传动中，红外探测器安装块14和红外探测器调节块15在移动中间距会发生变化，在中部时较近，在端部时较远，为了弥补距离变化，通过弹簧16来调节，优选弹簧16在中部处于压缩状态，而两端处于拉伸状态，这样可以避免红外探测器安装块滑孔25与弧形导轨12单一位置摩擦，提高使用寿命。
所述驱动丝杆13两端通过轴承17与驱动丝杆安装座18连接，所述驱动丝杆安装座18连接固定于真空腔体1内壁上；所述弧形导轨12两端与真空腔体1内壁固定；
所述驱动丝杆13一端部固定有内磁吸块19；靠近内磁吸块19的真空腔体1壁上开设有磁驱动窗口20，所述磁驱动窗口20外部设置有与内磁吸块19配合吸附的外磁吸块21，所述外磁吸块21固定于外磁吸块轴22，所述外磁吸块轴22与驱动丝杆13同轴设置；所述外磁吸块轴22与伺服电机23驱动连接。
所述真空腔体1为一体成型的钢制罐体，所述磁驱动窗口20为石英玻璃窗，所述石英玻璃窗外缘与钢制罐体密封连接；所述内磁吸块19外端面和外磁吸块21内端面均包覆有聚四氟乙烯滑动层24，所述包覆有聚四氟乙烯滑动层24的内磁吸块19外端面和外磁吸块21内端面紧贴磁驱动窗口20设置。聚四氟乙烯滑动层24可以减少摩擦阻力，磁吸块与磁驱动窗口20紧贴可以提高磁吸附传动效果。
所述红外探测器安装块14上开设有容纳弧形导轨12滑动的红外探测器安装块滑孔25，所述红外探测器安装块滑孔25内套接有弹性乳胶内管26，所述弹性乳胶内管26与弧形导轨12滑动配合。弹性乳胶内管26的弹性变化可以配合弧形导轨12在红外探测器安装块滑孔25内形状的变化，这种变化主要是红外探测器安装块14滑动至弧形导轨12不同位置所产生的。
所述旋转伞架3下部设置有离子枪27。离子枪27的安装位置和轴呈一定角度，发射朝向使得覆盖面积能够辐射半个伞架，然后通过伞架的旋转，来均匀覆盖整个样品。
在使用时，金属材料放置在坩埚2内，待镀膜基板4安装均布在旋转伞架3上，优选的设计，坩埚2位于旋转伞架3正下方；电子枪5发出的能量束加热坩埚2内的金属材料至蒸发状态，并漂浮上扬，至基板4的表面形成镀膜，在镀膜过程中，旋转伞架3处于匀速旋转，使得每块基板4可以获得均匀的镀膜层。
在镀膜中基本的温度对于镀膜的效果尤关重要，通过伺服电机23驱动外磁吸块轴22转动，外磁吸块轴22带动外磁吸块21转动，外磁吸块21与内磁吸块19配合磁吸，并带动内磁吸块19转动、内磁吸块19带动驱动丝杆13转动，从而带动红外探测器调节块15移动、进而带动弹簧16移动、带动红外探测器安装块14沿着弧形导轨12滑动，调节至红外探测器6移动至旋转伞架3上方预定位置（也可以实现动态监测）；
红外探测器6实时采集基板4上的温度参数并转化为温度电信号，并将温度电信号传输至内无线通信模块8，所述内无线通信模块8与外无线通信模块9穿过信号传输窗口7无线传输温度电信号，所述外无线通信模块9将温度电信号传输至处理器进行监控。
本申请的思路为：首先要采用不接触测量：可以考虑选择温度范围在室温到350度的红外探测器6；其次，按照待镀膜产品的结构设计调整传感器的检测位置；再次，采用无线实时数据的传输，直接把基本温度传输到控制器10上。
红外探测器6（红外测温单元）主要完成温度的实时采集信号，速度为每秒10个温度数据；
控制器10可以外接人机交互单元，人机交互单元主要用于显示系统工作模块及全自动的控制；程序的编写在工控集成开发环境下使用C语言实现；
在实践中，测量结果在75.4摄氏度，温度精确为0.2°，磁控溅射的温度在125.6摄氏度，而且表面，镀膜的时间越长，基板4的温度越高，并且最终都趋向一个稳定的温度，基本和企业设计的一致。
本申请的创新点在于：实时测量了真空中薄膜生长的真实的温度（基板4温度），并精度达到0.2摄氏度，比现有的温感贴片的精度提高一个量级以上，其次真空腔内实现信号的短距离无线传输，为以后精确控制基板4温度提供了基础。
真空镀膜技术在半导体芯片，集成电路芯片，平板显示器，薄膜太阳能，光学薄膜，和光通讯芯片以及超导薄膜等行业，具有广泛应用，而且都是关键环节，薄膜的质量对于上述产品起到决定作用，而薄膜生长的温度是质量的一个重要保证。本申请的监控组件为此提供了技术保障。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：包括真空腔体，所述真空腔体底部设置有坩埚，所述坩埚上方设置有旋转伞架，所述旋转伞架上均布有多个基板；
所述坩埚的侧上方设置有电子枪，所述电子枪加热端朝向坩埚方向；
所述真空腔体内安装有红外探测器，所述真空腔体的腔壁上开设有信号传输窗口，所述信号传输窗口的内侧安装有内无线通信模块，所述信号传输窗口的外侧安装有与内无线通信模块配合传输的外无线通信模块；
所述内无线通信模块与红外探测器信号传输连接；所述外无线通信模块与控制器信号传输连接。
2.如权利要求1所述的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：所述红外探测器设置在旋转伞架的上方。
3.如权利要求2所述的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：所述真空腔体为一体成型的钢制罐体，所述信号传输窗口为石英玻璃窗，所述石英玻璃窗外缘与钢制罐体密封连接。
4.如权利要求3所述的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：所述信号传输窗口为外凸型窗口，所述内无线通信模块设置在外凸型窗口内。
5.如权利要求4所述的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：所述内无线通信模块设置有多个，均设置在外凸型窗口内。
6.如权利要求1所述的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：所述旋转伞架上方设置有与旋转伞架弧度相适配的弧形导轨，所述弧形导轨上方设置有驱动丝杆，所述驱动丝杆与驱动组件驱动连接；
所述弧形导轨上滑动配合有红外探测器安装块，所述红外探测器固定于红外探测器安装块底部，所述驱动丝杆上螺纹连接有红外探测器调节块，所述红外探测器安装块与红外探测器调节块之间通过弹簧连接。
7.如权利要求6所述的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：所述驱动丝杆两端通过轴承与驱动丝杆安装座连接，所述驱动丝杆安装座连接固定于真空腔体内壁上；所述弧形导轨两端与真空腔体内壁固定；
所述驱动丝杆一端部固定有内磁吸块；靠近内磁吸块的真空腔体壁上开设有磁驱动窗口，所述磁驱动窗口外部设置有与内磁吸块配合吸附的外磁吸块，所述外磁吸块固定于外磁吸块轴，所述外磁吸块轴与驱动丝杆同轴设置；所述外磁吸块轴与伺服电机驱动连接。
8.如权利要求7所述的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：所述真空腔体为一体成型的钢制罐体，所述磁驱动窗口为石英玻璃窗，所述石英玻璃窗外缘与钢制罐体密封连接；所述内磁吸块外端面和外磁吸块内端面均包覆有聚四氟乙烯滑动层，所述包覆有聚四氟乙烯滑动层的内磁吸块外端面和外磁吸块内端面紧贴磁驱动窗口设置。
9.如权利要求8所述的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：所述红外探测器安装块上开设有容纳弧形导轨滑动的红外探测器安装块滑孔，所述红外探测器安装块滑孔内套接有弹性乳胶内管，所述弹性乳胶内管与弧形导轨滑动配合。
10.如权利要求1所述的基于红外检测技术的真空镀膜基板温度监控组件，其特征在于：所述旋转伞架下部设置有离子枪。
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