小型化EACVD法金刚石膜沉积设备的控制系统研究

论文摘要

化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition,简称CVD）金刚石膜由于具有独特的光学、热学和机械性能,在高科技领域具有广阔的应用前景。电子辅助化学气相沉积（Electron-Assisted Chemical Vapor Deposition,简称EACVD）是制备金刚石膜的重要方法之一,它具有设备简单、生长易控制、膜层质量好等优点。本文针对新开发的小型化EACVD金刚石膜沉积设备,设计出其嵌入式控制系统,满足了金刚石薄膜制备的要求。主要工作如下:1.针对制备金刚石薄膜时衬底温度的变化特点和影响因素,提出了采用模糊PID参数自整定控制法来控制衬底温度,并建立了衬底温度控制的数学模型,对所设计的模糊PID控制器进行了参数整定与优化、仿真分析和离散化处理。2.设计了以SOC型高速微处理器C8051F020为基础的小型化EACVD金刚石膜沉积设备的控制系统,对系统的数据采集模块,控制输出模块,数据存储模块,报警电路,人机交互界面,通信等模块进行了详细的设计。3.在Keil C51开发环境下开发底层硬件驱动程序,开发了SPI、I2C、UART等通信接口协议;在控制系统硬件平台上移植μC/OS-II嵌入式实时系统,在满足实时性要求的同时使任务扩展更具灵活性。4.在μC/OS-II嵌入式实时系统的基础之上进行应用程序的开发。开发了Modbus RTU协议、多点测温程序、A/D采样和数据存储等软件模块,满足了系统多任务和实时性的要求。5.开展了金刚石膜的沉积试验,沉积试验表明设计的嵌入式工控系统对金刚石膜沉积设备的控制稳定、可靠,控制系统能够满足金刚石膜的制备要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 CVD 金刚石膜制备及其应用
• 1.1.1 CVD 金刚石膜的制备方法
• 1.1.2 CVD 金刚石膜的应用
• 1.2 EACVD 金刚石膜沉积设备研究现状
• 1.3 CVD 金刚石膜制备的控制技术
• 1.3.1 CVD 金刚石膜制备控制技术的研究现状
• 1.3.2 模糊PID 在CVD 工艺控制中的应用
• 1.3.3 嵌入式系统在控制系统中的应用
• 1.4 本文的研究目的和主要工作
• 1.4.1 小型化CVD 控制系统研究目的和意义
• 1.4.2 本文拟开展的主要工作
• 第二章 设备控制原理及其控制器设计
• 2.1 关键控制对象的确定
• 2.2 衬底-热丝温度调节原理
• 2.2.1 热丝温度控制模型
• 2.2.2 衬底冷却水流量控制模型
• 2.3 热丝-衬底温度控制对象数学模型
• 2.4 热丝-衬底温度控制的模糊PID 控制器设计与优化
• 2.4.1 模糊PID 控制器主要方案
• 2.4.2 PID 控制器原理与设计
• 2.4.3 PID 控制器参数的整定和优化
• 2.4.4 模糊PID 参数自整定控制器设计与仿真
• 2.5 气源控制策略
• 2.6 反应室真空度控制策略
• 2.7 本章小结
• 第三章 控制系统的硬件设计
• 3.1 片上型（SOC）微控制器
• 3.2 微控制器基本电路组成
• 3.2.1 上电复位电路
• 3.2.2 晶振电路
• 3.3 电源系统设计
• 3.3.1 单电源多电压转换应用
• 3.3.2 3V 器件与5V 器件的接口应用
• 2C 总线接口器件外围电路设计'>3.4 SMBUS/I²C 总线接口器件外围电路设计
• 3.5 SPI 总线接口电路系统设计
• 3.5.1 基于MAX6675 的衬底温度多点测量系统
• 3.5.2 基于AT45DB081 的大容量数据存储扩展
• 3.5.3 片外扩展SPI 接口模数转换器件
• 3.6 仪器仪表通讯与接口设计
• 3.7 片上A/D 与D/A 模数转换应用
• 3.7.1 设备供气系统设计
• 3.7.2 设备电源控制系统设计
• 3.7.3 C8051F020 片上A/D 与D/A 功能介绍
• 3.8 JTAG 非入侵式调试接口
• 3.9 本章小结
• 第四章 嵌入式系统软件设计
• 4.1 概述
• 4.1.1 工控系统采用嵌入式操作系统的必要性
• 4.1.2 工控嵌入式系统的选择
• 4.2 ΜC/OS-II 在C8051F020 上的移植
• 4.2.1 C8051F020 上移植μC/OS-II 的可行性
• 4.2.2 μC/OS-II 在C8051F020 上的移植
• 4.2.3 移植过程中的注意事项
• 4.3 基于ΜC/OS-II 实时系统下的应用软件设计
• 4.3.1 嵌入式系统总体设计思想
• 4.3.2 触摸屏通讯Modbus 通信软件设计
• 4.3.3 片上A/D 采样模块软件设计
• 4.3.4 衬底温度多点测温软件模块设计
• 4.3.5 C8051F020 的交叉端口配置与数字I/O 的初始化
• 4.4 本章小结
• 第五章 金刚石膜沉积设备的控制效果
• 5.1 金刚石膜生长过程的控制
• 5.1.1 热丝碳化阶段
• 5.1.2 金刚石成核与生长阶段
• 5.2 制备的金刚石膜
• 5.2.1 金刚石厚膜
• 5.2.2 刀具金刚石涂层
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学院期间发表的论文