Co—Re化學(xué)氣相沉積裝置襯底溫度控制研究

【摘 要】 Co-Re合金是一種新型抗高溫氧化材料。以Co-Re化學(xué)氣相沉積設(shè)備為研究對(duì)象，根據(jù)襯底溫度的升溫曲線，求出Co-Re化學(xué)氣相沉積襯底溫度模型。再依據(jù)涂層沉積過程中反應(yīng)室對(duì)襯底溫度的要求，設(shè)計(jì)了PID控制方式。MATLAB仿真結(jié)果表明：當(dāng)kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，系統(tǒng)最穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】 Co-Re化學(xué)氣相沉積設(shè)備 PID控制器 MATLAB仿真

一、引言

抗高溫?zé)g涂層在航天、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用是相當(dāng)普遍的，發(fā)動(dòng)機(jī)推力室承受1000℃以上的高溫，對(duì)涂層的耐燒蝕性提出了很高的要求，因此研究開發(fā)新的高溫耐燒蝕涂層勢在必行[1]。Co-Re合金是一種新型抗高溫氧化材料。在Re中添加Co，不但可以降低Re層的成本，還可以提高Re層抗氧化能力。但現(xiàn)在來看國內(nèi)還沒有制備這種涂層案例。

目前， PID控制是一種主流的控制方式。文獻(xiàn)表明化學(xué)氣相沉積Co-Re合金涂層最主要的因素就是襯底溫度的控制。劉利宏[2]等人研究了EACVD系統(tǒng)金剛石襯底溫度控制，過潤秋等提出了一種新的溫度控制方法，即采用一種模糊控制和預(yù)測控制結(jié)合的方法。仿真結(jié)果顯示，溫度的誤差能夠在1℃以內(nèi)。

本文針對(duì)Co-Re化學(xué)氣相沉積襯底溫度控制進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了PID控制方式。MATLAB仿真結(jié)果表明：當(dāng)kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，系統(tǒng)最穩(wěn)定。

二、Co-Re化學(xué)氣相沉積設(shè)備物理模型與襯底溫度建模

圖1是Co-Re化學(xué)氣相沉積設(shè)備反應(yīng)室原理圖。反應(yīng)室是整個(gè)設(shè)備的核心部分，主要包括壓力表、質(zhì)子流量計(jì)、加熱裝置、溫控系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、反應(yīng)室、保溫桶、爐體、載物臺(tái)。前驅(qū)體和H2混合氣體運(yùn)送到反應(yīng)室后，和反應(yīng)室里面被加熱的基體發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)，分別經(jīng)過擴(kuò)散與吸附、反應(yīng)和解吸附幾個(gè)步驟在基底表面沉積Co-Re合金涂層。

一般情況下MOCVD溫度控制考慮的因素是大延遲和大慣性。本文對(duì)系統(tǒng)二階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行時(shí)間延遲。考慮到上述的兩個(gè)因素，本文使用最小相位二階系統(tǒng)加延遲環(huán)節(jié)并且是單輸入單輸出表示辨識(shí)對(duì)象[3]：

其中，K為增益系數(shù)，T為時(shí)間常數(shù)，τ為延遲時(shí)間。采用階躍響應(yīng)法得到系統(tǒng)襯底溫度的升溫曲線如圖所示。利用MATLAB可以得到襯底溫度系統(tǒng)傳遞函數(shù)。最后求得鈷錸化學(xué)氣相沉積襯底溫度模型為：

三、PID控制器的設(shè)計(jì)與仿真

常規(guī)PID由比例、積分和微分組成，分別對(duì)應(yīng)P、I、D。在工程控制中PID是一種被運(yùn)用非常廣泛的控制器。PID控制結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)在，因?yàn)槠浞奖闶褂谩⒔Y(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，在工業(yè)上得到了廣泛的使用。本次試驗(yàn)采用PID控制器進(jìn)行仿真來觀察參數(shù)對(duì)PID控制器的影響，經(jīng)過調(diào)整PID參數(shù)，得出最參數(shù)kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，此時(shí)仿真曲線如圖2所示。

四、實(shí)驗(yàn)

通過開機(jī)調(diào)試設(shè)備，設(shè)備能夠提供精確的襯底溫度場，流量控制能夠達(dá)到要求，使反應(yīng)室維持在一個(gè)合理的壓強(qiáng)范圍內(nèi)。經(jīng)過系統(tǒng)的安裝調(diào)試完成后，將各參數(shù)置于合適的范圍中，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，沉積出質(zhì)量較好的涂層。

五、結(jié)論

（1）針對(duì)抗高溫?zé)g涂層應(yīng)用的要求，開發(fā)了一種鈷錸合金化學(xué)氣相沉積設(shè)備，研究了襯底的溫度控制。并采用系統(tǒng)辨別法得出設(shè)備溫度控制模型。

（2）設(shè)計(jì)了一種新型Co-Re化學(xué)氣相沉積裝置，反應(yīng)室溫度控制系統(tǒng)通過對(duì)仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠提供精確的溫度控制，可以滿足鈷錸化學(xué)氣相沉積設(shè)備襯底的溫度控制。

（2）利用鈷錸化學(xué)氣相沉積設(shè)備襯底溫度控制的要求，設(shè)計(jì)了PID控制器，仿真結(jié)果表明：當(dāng)kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，系統(tǒng)最穩(wěn)定。

【參考文獻(xiàn)】

[1] L. Schoenman， 4000 F materials for low-thrust rocket engines[J]. Journal of Propulsion and Power 11， 1261-1267 （1995）.

[2] 劉利宏. EACVD一體化系統(tǒng)襯底溫度控制研究[J]. 現(xiàn)代制工程，2014（10）：114-117.

[3] 何冬生. 基于MOCVD外延腔體溫度控制策略的研究[D]. 安徽理工大學(xué)， 2017.

作者簡介：朱黎明（1993—），性別男，民族漢，籍貫河南商丘，學(xué)歷碩士研究生在讀，就讀于西南科技大學(xué) 研究方向表面工程、氣相沉積設(shè)備控制。