Co—Re化學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化學氣相沉積設備為研究對象，根據襯底溫度的升溫曲線，求出Co-Re化學氣相沉積襯底溫度模型。再依據涂層沉積過程中反應室對襯底溫度的要求，設計了PID控制方式。MATLAB仿真結果表明：當kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，系統最穩定。

【關鍵詞】 Co-Re化學氣相沉積設備 PID控制器 MATLAB仿真

一、引言

抗高溫燒蝕涂層在航天、軍事、工業等領域應用是相當普遍的，發動機推力室承受1000℃以上的高溫，對涂層的耐燒蝕性提出了很高的要求，因此研究開發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。但現在來看國內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。文獻表明化學氣相沉積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測控制結合的方法。仿真結果顯示，溫度的誤差能夠在1℃以內。

本文針對Co-Re化學氣相沉積襯底溫度控制進行了研究，設計了PID控制方式。MATLAB仿真結果表明：當kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，系統最穩定。

二、Co-Re化學氣相沉積設備物理模型與襯底溫度建模

圖1是Co-Re化學氣相沉積設備反應室原理圖。反應室是整個設備的核心部分，主要包括壓力表、質子流量計、加熱裝置、溫控系統、真空系統、反應室、保溫桶、爐體、載物臺。前驅體和H2混合氣體運送到反應室后，和反應室里面被加熱的基體發生氣相化學反應，分別經過擴散與吸附、反應和解吸附幾個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。本文對系統二階慣性環節進行時間延遲。考慮到上述的兩個因素，本文使用最小相位二階系統加延遲環節并且是單輸入單輸出表示辨識對象[3]：

其中，K為增益系數，T為時間常數，τ為延遲時間。采用階躍響應法得到系統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傳遞函數。最后求得鈷錸化學氣相沉積襯底溫度模型為：

三、PID控制器的設計與仿真

常規PID由比例、積分和微分組成，分別對應P、I、D。在工程控制中PID是一種被運用非常廣泛的控制器。PID控制結構發展到現在，因為其方便使用、結構簡單、適應性強，在工業上得到了廣泛的使用。本次試驗采用PID控制器進行仿真來觀察參數對PID控制器的影響，經過調整PID參數，得出最參數kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，此時仿真曲線如圖2所示。

四、實驗

通過開機調試設備，設備能夠提供精確的襯底溫度場，流量控制能夠達到要求，使反應室維持在一個合理的壓強范圍內。經過系統的安裝調試完成后，將各參數置于合適的范圍中，系統能夠穩定運行，沉積出質量較好的涂層。

五、結論

（1）針對抗高溫燒蝕涂層應用的要求，開發了一種鈷錸合金化學氣相沉積設備，研究了襯底的溫度控制。并采用系統辨別法得出設備溫度控制模型。

（2）設計了一種新型Co-Re化學氣相沉積裝置，反應室溫度控制系統通過對仿真結果實驗時，能夠提供精確的溫度控制，可以滿足鈷錸化學氣相沉積設備襯底的溫度控制。

（2）利用鈷錸化學氣相沉積設備襯底溫度控制的要求，設計了PID控制器，仿真結果表明：當kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，系統最穩定。

【參考文獻】

[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一體化系統襯底溫度控制研究[J]. 現代制工程，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， 2017.

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