用于氣體流量控制的壓電陶瓷閥的溫度特性

劉洪金，池華敬，郭 帥，陳 革，章其初

(1.山東溫屏節能玻璃有限公司，山東德州253000;2.皇明太陽能股份有限公司，山東德州253000)

1 引言

隨著壓電陶瓷材料應用領域的不斷擴大，壓電陶瓷閥作為一種精密驅動元件，廣泛用于真空鍍膜領域中的氣體流量輸出控制［1］。與傳統的質量流量計控制氣體輸出相比，壓電閥響應快，能耗低，精度高，易于控制。壓電陶瓷閥是利用具有逆壓電效應的壓電陶瓷材料做成微調氣體控制閥門，壓電陶瓷閥片在外加電場作用下產生機械應變，應變的大小與外加電場的大小成正比。壓電陶瓷材料的介電、蠕變等特性早有深入研究和介紹［2－3］，針對在真空磁控濺射應用中，壓電陶瓷用遲滯和溫度特性對氣體輸出流量控制的影響進行詳細的試驗和相關分析討論。

2 試驗裝置

試驗在立式平板玻璃真空磁控濺射連續鍍膜線［4］(型號WP4B1650)上進行，該鍍膜線用于制備低輻射鍍膜玻璃。鍍膜線由進片區、進片緩沖區、鍍膜區、出片緩沖區及出片區幾個單元模塊組成。鍍膜區包括鍍膜單元A(反應濺射沉積AlN/Al2O3)和鍍膜單元B(非反應濺射沉積Ag)兩種，試驗在鍍膜單元A中進行，其結構示意圖如圖1所示。鍍膜線前后兩面對稱，兩塊玻璃同時濺射鍍膜。鍍膜室裝有一對圓柱鋁靶。真空室內裝有反應氣體O2/N2和濺射氣體Ar兩路獨立的進氣系統，其中反應氣體進氣管對稱分布在孿生靶前后左右兩側，共4支;濺射氣體的進氣管僅1支位于靶左側，前后居中。進氣管路采用王雙等人設計的多段式進氣管路［5］。圖1給出了濺射氣體Ar進氣系統及濺射真空室橫截面結構示意圖，氣體Ar經質量流量計，再通過壓電陶瓷閥進入真空室內的布氣管路。質量流量計用于顯示壓電陶瓷閥的氣體輸出流量值。

濺射氣體Ar的控制系統由HY9940C型自動壓強控制儀、PEV－1型壓電陶瓷閥和D07－18AM/ZM型質量流量計組成。該系統具有恒壓力控制功能［6］，其控制方塊示意圖如圖2所示。真空室內的氣體壓力通過真空計實時采樣，壓力采樣信號Pm送至自動壓強控制儀，與設定壓力信號Ps進行比較運算，最后輸出電壓信號至壓電陶瓷閥，改變閥片的開啟量，從而調節壓電閥輸出的濺射氣體Ar流量，實現氣體壓力的恒定控制。

PEV－1型壓電陶瓷閥主要由閥片和外殼構成。閥片是在一彈性薄片兩面分別壓上一塊壓電陶瓷片，其中一塊壓電陶瓷片的中心墊有小塊氟橡膠。當在壓電陶瓷兩極施加一定范圍的直流電壓，壓電陶瓷閥片發生彎曲變形，固定在壓電陶瓷片上的密封橡膠墊輕微地抬起形成一個細小孔隙，閥門進氣端的氣體便通過該孔隙送到閥門出氣端。壓電閥響應時間2 ms，偏振電壓0 V時漏率1×10－6Pa·L/s(標準條件下)，工作溫度10～60℃。

圖1 濺射真空室橫截面結構示意圖

圖2 恒壓控制系統示意圖

壓電陶瓷閥安裝在鍍膜線各鍍膜室的真空箱體頂部，環境溫度變化較大，最低溫度約10℃，最高可達50℃。自動壓強控制儀安裝在有空調的中央控制室，控制室恒溫25℃。

試驗前鍍膜室真空度不低于5.0×10－3Pa。改變壓電陶瓷閥的偏振電壓值，調節量和間隔時間相同，記錄相應氣體Ar的輸出流量值。環境溫度采用水銀溫度計測量。試驗過程中，靶不運行。

3 結果與討論

3.1 輸出氣體流量Q與壓電陶瓷閥偏振電壓Vo的遲滯效應

圖3給出了輸出氣體流量Q隨壓電陶瓷閥偏振電壓Vo變化的關系曲線，環境溫度30℃。圖中Qa和Qb表示輸出氣體流量由0逐漸增加到最大的全過程和部分過程。其中“增”和“減”表示氣體流量增加和減少的過程。圖3表明Q隨Vo先增加再減小呈遲滯曲線。曲線Qa中，壓電陶瓷閥偏振電壓Vo由0 V開始逐漸增加，當Vo增至38 V時，壓電閥開始有氣體輸出，此時的壓電陶瓷閥偏振電壓Vo稱為閾值電壓(也稱開啟電壓)。當Vo增加到66 V時，Q值達到最大，此時的Vo稱為飽和電壓。壓電陶瓷閥在閾值電壓(38 V)和飽和電壓(66 V)區間的范圍，稱為有效工作電壓范圍(28 V)。Vo繼續增加Q保持最大流量輸出。當Vo由100 V開始逐漸減小至65 V，Q由恒定輸出500 ml/min開始逐漸減小，且隨Vo減小Q近似成比例變化。當Vo減小至30 V以下時，Q近似為0。

曲線Qb與Qa相似，也呈現遲滯效應，但其遲滯回路較窄。由于壓電陶瓷閥片所受偏振電壓(電場)方向發生變化時，變形位移量呈現遲滯效應，隨電壓幅度增加，遲滯效應明顯［7－8］。

圖3 流量Q隨壓電陶瓷閥偏振電壓Vo變化曲線，環境溫度30℃

圖4 流量Q隨壓電陶瓷閥偏振電壓Vo變化曲線，環境溫度50℃

3.2 輸出氣體流量Q隨壓電陶瓷閥偏振電壓Vo變化曲線的溫度效應

圖4中給出了環境溫度分別為30℃和50℃時，氣體輸出流量Q隨偏振電壓Vo的變化曲線，圖中分別用Q30和Q50表示。隨Vo變化Q所呈現的遲滯曲線具有溫度效應，溫度低遲滯效應更明顯。圖4中環境溫度30℃時，壓電閥閾值電壓56 V，較50℃的67 V小;飽和電壓99 V，較50℃的84 V大，有效工作范圍43 V較50℃的17 V大;有效工作范圍內Q的變化速率較50℃小。氣體輸出流量Q隨Vo變化曲線呈現的溫度效應，是由壓電陶瓷閥片存在溫度特性導致。壓電陶瓷材料的溫度特性主要由兩個因素造成，一是陶瓷材料本身的線膨脹，陶瓷材料隨溫度升高而伸長;二是壓電陶瓷材料的壓電效應，由壓電效應產生的輸出位移(即變形量)隨溫度升高而減小［9］。

3.3 輸出氣體流量Q隨壓電陶瓷閥偏振電壓Vo變化速率

真空磁控濺射系統中濺射壓力恒定范圍4.0×10－1～5.0×10－1Pa，所需濺射氣體Ar流量Q約100～150 ml/min，圖5給出了Q在120±50 ml/min范圍內，Q隨偏振電壓Vo上升過程中的變化曲線，壓電閥環境溫度T分別為10℃、30℃和50℃，在圖中表示為R(T10)、R(T30)和 R(T50)。由圖5可見，環境溫度高，氣體輸出流量隨偏振電壓的變化速率R大，溫度30℃時R為40，10℃時R僅為19，約為30℃的一半;而50℃時R高達83，為10℃時的4倍多，即在相同的電壓變化量輸出時，50℃時氣體的輸出變化量約是10℃的4倍。

流量Q在120±50 ml/min范圍，Q隨偏振電壓變化曲線，環境溫度分別為10℃、30℃和50℃

4 結論

在真空磁控濺射連續鍍膜線上，采用PEV－1型壓電陶瓷閥作為濺射氣體Ar輸出控制的驅動元件，用于真空磁控濺射鍍膜中濺射氣體的恒壓力控制。氣體輸出流量隨壓電陶瓷閥偏振電壓的變化呈現遲滯效應和溫度效應。當壓電陶瓷閥偏振電壓先增加再減小，氣體輸出流量變化呈遲滯曲線，該遲滯曲線與偏振電壓幅值相關，偏振電壓幅值大，遲滯回路寬。氣體輸出流量隨偏振電壓變化的遲滯曲線，受壓電陶瓷閥的環境溫度影響，環境溫度低，遲滯效應明顯，有效工作范圍寬，氣體輸出流量隨偏振電壓變化速率小。壓電閥環境溫度10℃和50℃對比，流量在120±50 ml/min范圍內，氣體輸出流量隨偏振電壓的變化速率R分別為19和83，相差4倍多，即壓電陶瓷閥外加偏振電壓變化量相同，50℃時氣體輸出流量的變化約是10℃時的4倍。

［1］程院蓮，鮑鴻，李軍，李小亞.壓電陶瓷應用研究進展［J］.中國測試技術，2005，31(2):12～14.

［2］趙壽根，程偉.壓電陶瓷材料電學性能參數測量研究［J］.壓電與聲光，2005，27(2):200－202.

［3］溫任林，邱曉寒.壓電陶瓷閥特性的研究［J］.山東內燃機，1999，60(2):19～33.

［4］池華敬，王雙，周旭.等.采用PLC級差法閉環控制中頻電源反應濺射沉積Al2O3薄膜［J］.真空，2011，48:10～14.

［5］王雙，章其初，池華敬.等.多段式反應濺射氣體進氣裝置［P］.中國:ZL 2006 2 0122651.9，2007.

［6］朱同慶.帶壓電閥的壓強自動控制器［J］.真空科學與技術學報，1983，3(1):73.

［7］王岳宇，趙學增.補償壓電陶瓷遲滯和蠕變的逆控制算法［J］.光學精密工程，2006，14(6):1032～1040.

［8］崔玉國，孫寶元，董維杰，等.壓電陶瓷執行器遲滯與非線性成因分析［J］.光學精密工程，2003，11(3):270～275.

［9］張濤，孫立宇，蔡鶴皋.壓電陶瓷基本特性研究［J］.光學精密工程，1998，6(5):26～32.