Co—Re化学气相沉积装置衬底温度控制研究

【摘 要】 Co-Re合金是一种新型抗高温氧化材料。以Co-Re化学气相沉积设备为研究对象，根据衬底温度的升温曲线，求出Co-Re化学气相沉积衬底温度模型。再依据涂层沉积过程中反应室对衬底温度的要求，设计了PID控制方式。MATLAB仿真结果表明：当kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，系统最稳定。

【关键词】 Co-Re化学气相沉积设备 PID控制器 MATLAB仿真

一、引言

抗高温烧蚀涂层在航天、军事、工业等领域应用是相当普遍的，发动机推力室承受1000℃以上的高温，对涂层的耐烧蚀性提出了很高的要求，因此研究开发新的高温耐烧蚀涂层势在必行[1]。Co-Re合金是一种新型抗高温氧化材料。在Re中添加Co，不但可以降低Re层的成本，还可以提高Re层抗氧化能力。但现在来看国内还没有制备这种涂层案例。

目前， PID控制是一种主流的控制方式。文献表明化学气相沉积Co-Re合金涂层最主要的因素就是衬底温度的控制。刘利宏[2]等人研究了EACVD系统金刚石衬底温度控制，过润秋等提出了一种新的温度控制方法，即采用一种模糊控制和预测控制结合的方法。仿真结果显示，温度的误差能够在1℃以内。

本文针对Co-Re化学气相沉积襯底温度控制进行了研究，设计了PID控制方式。MATLAB仿真结果表明：当kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，系统最稳定。

二、Co-Re化学气相沉积设备物理模型与衬底温度建模

图1是Co-Re化学气相沉积设备反应室原理图。反应室是整个设备的核心部分，主要包括压力表、质子流量计、加热装置、温控系统、真空系统、反应室、保温桶、炉体、载物台。前驱体和H2混合气体运送到反应室后，和反应室里面被加热的基体发生气相化学反应，分别经过扩散与吸附、反应和解吸附几个步骤在基底表面沉积Co-Re合金涂层。

一般情况下MOCVD温度控制考虑的因素是大延迟和大惯性。本文对系统二阶惯性环节进行时间延迟。考虑到上述的两个因素，本文使用最小相位二阶系统加延迟环节并且是单输入单输出表示辨识对象[3]：

其中，K为增益系数，T为时间常数，τ为延迟时间。采用阶跃响应法得到系统衬底温度的升温曲线如图所示。利用MATLAB可以得到衬底温度系统传递函数。最后求得钴铼化学气相沉积衬底温度模型为：

三、PID控制器的设计与仿真

常规PID由比例、积分和微分组成，分别对应P、I、D。在工程控制中PID是一种被运用非常广泛的控制器。PID控制结构发展到现在，因为其方便使用、结构简单、适应性强，在工业上得到了广泛的使用。本次试验采用PID控制器进行仿真来观察参数对PID控制器的影响，经过调整PID参数，得出最参数kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，此时仿真曲线如图2所示。

四、实验

通过开机调试设备，设备能够提供精确的衬底温度场，流量控制能够达到要求，使反应室维持在一个合理的压强范围内。经过系统的安装调试完成后，将各参数置于合适的范围中，系统能够稳定运行，沉积出质量较好的涂层。

五、结论

（1）针对抗高温烧蚀涂层应用的要求，开发了一种钴铼合金化学气相沉积设备，研究了衬底的温度控制。并采用系统辨别法得出设备温度控制模型。

（2）设计了一种新型Co-Re化学气相沉积装置，反应室温度控制系统通过对仿真结果实验时，能够提供精确的温度控制，可以满足钴铼化学气相沉积设备衬底的温度控制。

（2）利用钴铼化学气相沉积设备衬底温度控制的要求，设计了PID控制器，仿真结果表明：当kp=5.2，ki=1.3，kd=0.8，系统最稳定。

【参考文献】

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

[2] 刘利宏. EACVD一体化系统衬底温度控制研究[J]. 现代制工程，2014（10）：114-117.

[3] 何冬生. 基于MOCVD外延腔体温度控制策略的研究[D]. 安徽理工大学， 2017.

作者简介：朱黎明（1993—），性别男，民族汉，籍贯河南商丘，学历硕士研究生在读，就读于西南科技大学 研究方向表面工程、气相沉积设备控制。