基于LabVIEW的PVD/CVD材料生长平台真空控制系统

虚拟仪器是将灵活高效的软件与模块化的数据采集硬件或仪器结合,实现测量、控制以及自动化操作的技术。以虚拟仪器概念为主导思想的LabVIEW近年来在数据采集与控制领域得到了广泛的应用[1]。LabVIEW是一种图形化编程语言,其编程灵活性强、简单易用,图形化界面操作直观,是进行仪器应用开发的首选工具[2]。相较于其他可用于上位机开发的方案,如基于MFC(Microsoft Foundation Classes)平台[3],其可视化程度更高。LabVIEW的软件设计可以分为前面板设计和程序框图设计两个部分[4]。这是因为其特有的虚拟仪器思想[5],每一个文件都被看作一个虚拟的仪器(VI)[6]。前面板为“仪器”的操作界面,程序框图是“仪器”的内部构造。图形化的设计也可以帮助设计者很快开发出美观便捷的软件系统[7]。

物理或化学气相沉积(PVD或CVD)是在真空条件下,将前驱体物质经由物理或化学过程沉积到衬底表面形成固态薄膜的方法[8]。在特定的实验室条件下,利用有限的空间,可以利用PVD/CVD技术实现基体表面多晶薄膜或者单晶半导体材料的高质量生长。现有的材料生长平台需要加热设备和真空系统配合工作。目前,在相关领域中,已经有若干利用虚拟仪器技术实现相关自动控制的案例。比如,利用LabVIEW平台进行上位机设计实现真空度与温度的监控[9];利用LabVIEW实现电能质量监测和分析平台[10];基于虚拟仪器技术实现电液比例变量泵自动测控系统[11]。

1 系统构成和功能

材料生长平台系统由提供材料生长所需的温度环境的真空管式炉和提供真空环境的真空系统构成,系统结构如图1所示。

图1 材料生长平台系统设计图

图1(a)为仪器通信示意图,实线表示指令交流,虚线表示数据交流。图1(b)为系统气路示意图,使用手动阀SD1、SD2,电磁挡板阀DC1、DC2实现机械泵的单独工作及机械泵分子泵串联工作。真空管式炉选用GSL-1700X-Ⅱ型双温区管式炉,两个温区距离35 cm。此管式炉可通过CVD或PVD方法来生长纳米材料。可使用石英管和氧化铝管,管内径6 cm,管内体积795 cm3,可以满足不同薄膜材料制备的需求。电离真空计选用ZDK-Ⅲ真空计,测量真空范围10-10-4 Pa。仪器通讯方式可选,本文中选用RS485串口基于Modbus协议进行通讯,并且利用继电器控制其开关状态。电阻真空计选用XG-52T型电阻真空计。该真空计在标准大气压至1 Pa左右可准确测量。使用电阻和电离真空计进行搭配测量,可以实现不同范围真空度变化的监控。电源管理器使用8路电源管理器。其可通过RS232串口实现对每一路电源的单独控制。其单路额定输出电流20 A,最高可达30 A。机械泵选用2XZ-6B旋片式真空泵,抽速6 L/s,分子泵选用KYKY生产的FF-160复合型分子泵。

手动阀的状态数据使用STM32F103VE单片机连接压敏传感器FSR400进行采集。传感器安装方法如图2所示。

图2 传感器安装原理

图2中(a)为原理示意图,图2(b)为连接实物图。FSR400是一款超薄薄膜型电阻式压力传感器,其受到的压力越大,输出的电阻越低[12],可用于测量压力在0～10 kg的场合。此处用缓冲材料包裹,安装在手动阀旋钮与阀体之间,在手动阀开闭状态变化过程中会产生压力从无到有的变化,此过程中传感器电阻变化明显,可准确反映手动阀开闭情况。工控板STM32F103VE搭载RS485接口芯片,可以通过PCI接口与计算机实现通讯。该型号的单片机搭载3个12位的ADC,在14 MHz时钟条件下,转换时间最小可达1 μs,满足对手动阀数据采集的需求[13]。在单片机内部将采集得到的数据与预实验测定的阈值的进行比较,直接将比较的结果通过RS485串口上传至上位机。

电磁挡板阀GDC-J25A-KF由其配套的变压器驱动,本系统中利用电源管理器对电磁挡板阀进行管理。LabVIEW上位机程序可以通过指令对电源管理器的每一路电源实现独立控制及状态查询。机械泵也可以由电源管理器用同种方法直接控制。分子泵FF-160使用麦克风采集仪器运行时的音频信息。操作人员可对音频数据进行频谱分析,根据频谱中峰值的位置和强度,推测当前分子泵转速及仪器运行状况。

2 程序框图设计

基于以上的硬件,本系统进行了相应的功能性设计,功能框图如图3所示。其主要分为3部分,仪器控制,数据显示,与数据记录。分别介绍如下:仪器控制依据具体的仪器通讯协议发送串口指令至电源管理器、继电器,来实现对机械泵、分子泵、电磁挡板阀、电阻真空计、电离真空计的电源控制以及对电离真空计的线控。通过对电源管理器、继电器、STM32工控板、电阻真空计、电离真空计进行查询获得仪器系统的状态以及当前真空度。数据显示使用读取的气压数据绘制变化曲线图,形象显示气压变化趋势,并以科学计数法的形式精确显示实时气压。利用开关及指示灯表示仪器各个部件的开关状态。使用带滚动条的文本框显示提示信息,在程序内部进行相关操作的同时将提示信息写入文本框进行提示。数据记录记录实验过程中实验仪器的状态变化和真空度变化数据、仪器使用寿命数据。前者的数据实时写入数据文件。后者则在实验开始时从记录文件中读取前次实验保存的使用信息,在实验结束时将更新后的使用信息覆盖写入记录文件。

图3 系统功能图

图4为软件系统流程图。在程序开始执行后,首先检测计算机指定目录下是否存在实验仪器使用寿命记录文件。存在则导入数据,不存在则建立新的文件,使用寿命记录为默认初始值。实验开始时,用户需要输入简要的人员信息,然后按下初始化按钮,之后自动执行初始化程序,打开串口,新建实验数据记录文件。在实现数据采集、处理、显示、记录的循环结构中,实现对仪器的查询及控制,对前面板控件的刷新,实验数据按一定时间间隔写入记录文件。另外在并行的循环中加入了对当前气压及电离真空计状态判别的保护设计,如果气压大于3 Pa且电离真空计状态为开启,则自动发送关闭电离的指令并提示使用者。

图4 程序流程图

图5为按钮事件响应流程图。用户按下仪器控制区的开关按钮可以直接对仪器进行控制,满足手动控制需求。在直接控制仪器的指令发出后,程序捕捉到开关按钮的状态变化,执行事件响应操作,发送仪器控制指令。在通过串口发送指令之前,对当前仪器状态进行判断,对存在安全隐患的操作进行拦截和反馈。使用者可以通过使用自动打开实验仪器及自动关闭实验仪器的按钮来实现自动化操作。按钮按下后程序会自动执行设计好的操作,按照图5中的流程,结合当前仪器状态对实验仪器进行调整。使用者需要结束实验时,点击结束实验按钮,程序会自动保存记录的数据文件[14],解除串口占用,通知并行循环跳出循环,最终结束程序。

本系统利用VISA实现串行通讯。VISA是应用于仪器编程的标准I/O应用程序接口(API),VISA本身并不具有仪器编程能力,VISA是调用低层驱动器的高层API[15]。本系统调用VISA库函数利用RS232、RS485、USB转RS232、PCI转RS485接口进行通讯[16]。在程序的编写中,除了串口编号存在差异以外,硬件的差别并没有给软件设计带来不同之处。软件协议使用仪器厂家设计的通讯协议,其中真空计使用了标准的Modbus通讯协议,其他的仪器均为设计者约定的指令协议。

图5 按钮事件响应流程图

图6 前面板设计

3 前面板设计

用户直接通过程序的前面板与整个系统进行交互。主程序前面板的设计一定程度上决定了程序的功能。本程序需要实现的交互任务是形象显示仪器的当前状况,接收用户的控制指令。图6为程序前面板设计。为了能让使用人员准确地掌握仪器状态以及对仪器的各个部分进行准确地控制。在程序界面上插入了仪器系统的简要结构框图,在需要控制和监测的部件旁添加指示灯和布尔开关,如图中“仪器控制区”所示。这一部分的开关可以实现对实验仪器状态的直接控制,满足使用人员实时手动控制仪器的需求。真空度使用数字和曲线图结合的方式显示,让研究人员可以形象且精确地把握其所关心的真空度的变化趋势,如图中“曲线区”和“数据区”所示。气压数据采用科学计数法记录,曲线图纵坐标使用对数坐标,节省绘图空间,强调变化趋势。

图中“流程控制区”为自动化控制界面,添加系统流程控制按钮:“开始初始化”、“自动打开实验仪器”、“自动关闭实验仪器”、“结束程序保存数据”、“查看帮助文件”、“紧急情况处理”。在程序运行之初,需要录入使用者信息,建立数据记录文件,开启所需串口等,这些操作在“开始初始化”按钮按下之后执行。为简化操作,在程序中加入“自动打开实验仪器”、“自动关闭实验仪器”的功能,结合仪器操作规范流程,利用实时获取的真空度数据以及仪器状态数据,在保证安全的情况下,对仪器进行自动操作。电阻真空计在实验过程中一直开启,其在低真空环境下可以准确测量真空度,在到达高真空时只能近似测量。在真空系统内部气压降低到3 Pa时认为已经达到了可以开启电离真空计的高真空环境。电离真空计在高真空环境下可以精确测量,但是在低真空度下可能烧毁。在开启电离真空计后自动切换数据源,尽可能地显示和记录最精确的真空度数据。关闭流程中重点设计了对分子泵的保护环节,优先结束分子泵的运行,等待分子泵停止工作后再关闭其电源,切断分子泵气路之后进行其他仪器的关闭操作。“结束程序保存数据”的功能是解除串口占用、保存并关闭数据记录文件。“紧急情况处理”按钮在任何情况下都可以使用,处理系统漏气等紧急问题,关闭与分子泵有关的阀门,切断气路,保护分子泵。

4 结果与讨论

图7是根据仪器系统测试过程中的记录文件绘制的真空度变化曲线图,手动阀SD1、SD2,电磁挡板阀DC1、DC2状态变化示意图。此次测试操作中,图中时间为80处打开SD1、DC1,使机械泵单独工作,管式炉炉管内部真空度从标准大气压降至1 Pa左右,图中时间为150处关闭SD1、DC1,打开SD2、DC2,使分子泵机械泵串联工作,管式炉炉管内部气压继续下降,并最终稳定维持在1 Pa以下。图中时间为150处,实验结束时,首先关闭电离规管,再关闭电阻规管,读数在真空计关闭后恢复为默认值,即1.00×103 Pa。

从数据可以看出,该材料生长平台满足使用者对于真空度的要求,真空环境稳定。监测数据精确度高,可视化程度高,便于实验操作人员准确把握他们所关心的仪器内部真空度变化。经过一段时间的实验室测试使用,系统稳定性良好,安全性设计降低了操作失误风险,自动操作功能简化了繁琐的操作,提高了实验效率。

(a)为管式炉炉管内部真空度变化曲线;(b)和(c)分别为电磁挡板阀和手动阀状态变化,其中“0”代表关闭状态,“1”代表打开状态。
图7 管式炉炉管内部真空度变化曲线
与真空阀状态变化示意图

5 结语

本系统使用LabVIEW作为上位机开发平台,实现了对于材料生长平台真空系统的可视化智能控制,结合真空加热仪器,构成了适用于PVD/CVD工艺的材料生长平台。仪器适配程度高,灵活稳定,可维护性好。材料生长平台系统整体性强,操作简单,安全性高,不仅可以实时对使用人员关心的数据进行监测以及显示,还可以自动记录实验数据及仪器运行状态,保存为数据文件以供查验。本系统应用于实验室的研究工作中,使用结果表明系统的设计功能得到实现,具有良好的安全性、稳定性、便利性,提高了生长薄膜型材料仪器控制的自动化水平,具有一定的先进性。