|
|
где a = 5,0, f = 50 Гц - частота питающей сети:
Sc = 700 = 85,6 см2
Поперечное сечение сердечника с учетом коэффициента заполнения
k3 = 0,92, Sс= Sc/k3 = 93 см2.
3. Определяем число витков обмоток
2.2
2.3
С учетом 10% поправки ; .
4. Определяем диаметры проводов обмоток
d2 = d3 = 1,13= 4,8 мм; d4 = 3,1 мм. 2.4
5. Ток в первичной обмотке определяем по формуле
6. I1 = 1,1 = 1,1. 2.5
6. Определяем число витков в первичной обмотке
2.6
при диаметре провода d1 = 3,25 мм.
2.2.2. Разработка трехканального устройства регулирования тока
Для обеспечения независимого управления нагревом лодочек-испарителей, а также температурой подложки, на которую осуществляется нанесение тонкой металлической пленки, разработано трехканальное устройство управления током. Устройство предназначается для регулирования температуры мощных низковольтных нагревательных элементов. Оно состоит из трех независимых блоков, подключенных к отдельным понижающим обмоткам силового трансформатора и позволяет осуществлять регулировку тока в каждой из нагрузочных цепей независимо друг от друга. Принципиальная электрическая схема трехканального устройства управления токами нагрузки, чертежи печатной платы и монтажной платы приведены на рис. 9.
Сетевое напряжение (~220 В) понижается силовым трансформатором до расчетных значений напряжений U2, U3, U4 (см.п.2.2.1) и подается на схемы регулирования тока 1,2 и 3, состоящие из мощных силовых симисторов и интегральных драйверов. Интегральный драйвер выполнен на основе интегральной микросхемы КР1182ПМ1, предназначенной для регулирования тока через активную нагрузку мощностью до 150 Вт, либо для управления внешними тиристорами, либо симисторами. На выводах 14 и 15, а также 10 и 11 микросхемы формируются импульсы с частотой питающей электросети, скважность импульсов зависит от сопротивления переменного резистора, которым и осуществляется регулирование тока через активную нагрузку (лодочку-испаритель). Каналы 1 и 2, управляющие мощными симисторами ТС-161-160-2, обеспечивают регулировку тока через испарители. Канал 3 предназначается для управления током через нихромовую спираль, служащую для подогревания подложки, в нем использован симиcтор средней мощности ТС122-25-2, рассчитанных на токи до 10 А. Оптимальная технология изготовления печатной платы трехканального устройства регулирования тока приведены в табл.2
Рис. 9 Принципиальная схема управления тока спиралей
Примечание: Блоки А1; А2; А3 эдентичны, за исключением блока А3 где установлен семистор ТС122-25-2
2.2.3. Обеспечение поддержания постоянной температуры подложки
Поскольку при напылении тонких пленок не требуется сверхпрецизионной точности поддержания температуры (параграф 1.1), то в качестве регулирующего температуру подложки устройства был выбран прибор Ш4541- позволяющий одновременно производить измерение и регулирование температуры в пределах 0-1100 0С при использовании хромель-алюмелевой термопары. Измерительный механизм прибора Ш4541 - магнитоэлектрической системы, с подвижной частью на кернах. Двухпозиционный регулирующий сигнал обеспечивается посредством индуктивного датчика положения стрелки, представляющего собой жестко закрепленный на стрелке экран, взаимодействующий с контурными катушками генератора. При температуре ниже заданной, когда указатель стрелки находится левее указателя задачи регулирующего устройства, экран, закрепленный на стрелке, находится вне зазора контурных катушек и генератор вырабатывает высокочастотные колебания. Транзистор VT2 (рис. 10) при этом открыт и на контактах колодки 5,6 возникает выходной сигнал - напряжение постоянного тока порядка 12V при токе до
100 mА. При достижении температуры подложки заданного значения, когда указатель стрелки совпадает с указателем задачи регулирующего устройства, экран входит в зазор и генерация срывается, что приводит к запиранию транзистора VT2 и к исчезновению выходного сигнала. Схема включения регулирующего устройства приведена на рис. 11.
[ 8.стр.5 ]
Рис 10. Схема электрическая принципиальная Ш4541
ВК - термоэлектрический преобразователь;
Х - разъем РП10-11
ХТ - колодка.
R - медный резистор
Рис. 11. Схема включения регулирующего устройства
2.2.4. Структура модернизированной электрической схемы
Структура модернизированной электрической схемы установки представлена на рис. 12. Без изменений остался только функциональный блок, предназначенный для управления вакуумной системой. Охарактеризуем отличительные особенности модернизированной электрической схемы. Прежде всего функциональные блоки измерения и управления температурой фактически стали одним устройством за счет использования вместо измерительного милливольтметра В7-27 прибора Щ4541, являющегося одновременно и измерительным милливольтметром постоянного тока, и регулирующим устройством температуры, обеспечивающим вместе с блоком 3 трехканального устройства регулировки тока постоянство температуры подложки в процессе напыления пленок. Из рис. 11 видно, что, в отличие от базовой схемы, модернизированная позволяет осуществлять нагрев лодочек-испарителей как по отдельности, путем поочередного замыкания цепи электропитания блоков регулировки тока 2 и 1 выключателями SA2, SA4, либо SA2, SA3, так и реализовывать процесс одновременного напыления из двух лодочек (при этом цепи
замыкаются одновременным включением SA2, SA3, SA4.
Рисунок 12. Структурная схема усовершенствованной электрической схемы установки
2.3. Разработка механического устройства поворота заслонки
В первоначальном виде в установке была предусмотрена заслонка, которая приводилась в движение путем перемещения мощного электромагнита вдоль наружной поверхности кварцевого колпака вакуумной камеры. Заслонка крепилась при помощи кронштейна с подшипником скольжения на жестко закрепленный к основанию вакуумной камеры стальной стержень. Однако при эксплуатации установки обнаружили, что вследствие достаточно близкого расположения кронштейна с подшипником к лодочкам испарителя в процессе напыления некоторая часть распыляемого материала попадает на поверхности скольжения, что ухудшает его качество и приводит к необходимости периодического демонтажа заслонки для удаления химическим травлением слоев металла. Кроме этого, схема питания электромагнита обусловливает дополнительное потребление электрической энергии.
2.3.1. Выбор устройства для передачи движения в вакуумную камеру
Так как лабораторная установка не требует автоматизации процессом перемещения заслонки, было принято решение о замене конструкции заслонки на простую и надежную, основанную на механическом перемещении. Были рассмотрены различные варианты передачи движения в вакуумную камеру.
Для надежной и долговечной работы вакуумных вводов движения необходимо, чтобы герметизирующий элемент не воспринимал передаваемые устройством усилия. Поскольку нам необходимо передавать вращательное движение, то в результате поиска было выбрано техническое табл. 2. В этом устройстве промежуточное звено 1 совершает
плоскопараллельное движение по цилиндрической поверхности с радиусом, равным эксцентриситету е с центром на общей оси ведущего и ведомого валов 2 и 3. Крутящий момент от сил трения в опорах промежуточного звена 1, смонтированного на ведущем и ведомом валах, воспринимается гибким уплотнительным элементом (металлическим сильфоном или резиновой мембраной), нагружая его касательными напряжениями, величина которых обратно пропорциональна эксцентриситету. В свою очередь, эксцентриситет должен быть весьма малым с целью ограничения деформации гибкого уплотнительного элемента. Указанные причины ограничивают область применения ввода вращения подобной конструкции, допуская его использование лишь в случаях относительно малых крутящих моментов сопротивления на ведомом валу 3, однако для поворота заслонки этот вариант ввода вращения является приемлемым ввиду незначительности нагрузки на ведомом валу, обусловленном малым весом 0,15 кг заслонки вместе с кронштейном.
Выбранный тип устройства передачи вращения в вакуумную камеру, эскизно представленный на рис. 12 , содержит мембрану 4 (уплотнитель), которая должна быть выполнена из вакуумной резины. Уплотнители для вакуумных систем изготавливаются из резин марок 7889, 9024, 51-1578, 51-1433 и др. Одной из важнейших характеристик вакуумных резин является их проницаемость (табл. 3). Наибольшей проницаемостью из газов обладает водород, затем в порядке уменьшения следуют гелий, кислород и азот. Кроме перечисленных газов, резины проницаемы для паров многих растворителей, а также для сложных газов. При прогреве резины в вакууме выделяются газообразные, жидкие и твердые продукты, причем скорость выделения этих продуктов увеличивается с возрастанием температуры. При длительном прогреве резины в вакууме и последующем охлаждении до комнатной температуры скорость газовыделения уменьшается и достигает мало изменяющейся величины. Резиновый уплотнитель вырезается из пластин (ТУ 38-105116-70). Однако наилучшие показатели получаются при непосредственном формовании резиновой смеси и последующей вулканизации в пресс-формах.
Исходя из реальных требований к лабораторной установке по остаточному давлению газов, реальных температурных условий эксплуатации, вышеперечисленных требований к вакуумным уплотнителям и экономической целесообразности, нами выбрано два типа резины, подходящих для изготовления мембраны устройства передачи движения в вакуумную систему, физико-механические свойства которых приведены в табл. 4. Однако с учетом требований по химической стойкости окончательный выбор сделан в пользу хотя и более дорогой, но более химически стойкой резины марки 9024.
[ 2.стр.304 ]
Рисунок 13. Передача вращательного движения заслонки.
2.3.2. Конструкция механизма поворота заслонки
Выбор механизма ввода движения в вакуумную камеру, сделанный в предыдущем параграфе, во многом предопределяет конструкцию всего механизма поворота заслонки. При его разработке использованы стандартные технические решения, что, с учетом отсутствия значительных нагрузок на подвижные (вращающиеся) детали конструкции, позволило отказаться от расчетов прочности валов. Выборы размеров диктовались реальными габаритными данными вакуумной камеры модернизируемого устройства, характер механической обработки деталей - общими машиностроительными требованиями.
Эскиз механизма поворота представлен на рис.14. Процесс изготовления валика приведен в технологической части 3, таблице 6.
Таблица 2. Характеристики устройства ввода движения
Наименование ввода движения
Диапазон рабочих давлений,
Па
Максималь-ная темпера-тура прогрева,
К
Вид уплотни-теля
Частота враще-ния, об/мин
Макси-мальный пере-даваемый момент,
Н.м
Ввод вращения с промежуточным звеном,совершаю-щим лоскопарал-лельное движение
10-3- 10-5
350 -450*
Резино-вая мембра-на
до 100
3
* В зависимости от марки вакуумной резины, из которой изготовлена мембрана.
Таблица 3. Физико-механические свойства вакуумной резины марок
7889 (1) и 9024(2)
Миним. рабочая темп-ра в вакууме,К
Максим.
рабочая темп-ра в вакууме, К
Хими-ческая стой-кость
Удельн. поток газовыдел. при максим. рабочей темп-ре,
м3 Па/(м2с)
Характе-ристика продук-тов газовы-деления
Прони-цаемость при давлении
105Па/(м2с)
по азоту
1
243
350
Нестой-кая
5,3•10-5
твердые, жидкие, газообраз-ные
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.