第 1 章 绪 论
1.1 研究背景
真空镀膜[1]，就是通过化学和物理等途径在真空的条件下将被加工材料覆盖上一层具有特定性能的薄膜，薄膜材料主要有金属、金属化合物和化合物。真空镀膜技术能够使被加工材料具有许多优于固体材料本身属性的性能[2]，例如能够大幅度提高材料的导电、导磁、绝缘、抗磨损、抗辐射、抗腐蚀、抗氧化等性能，从而使产品的质量显著提升，起到增加使用年限，节约能源和获得明显的经济效益。不仅如此，由于在工业化生产中真空镀膜工艺具有广阔市场前景，真空镀膜工艺也因此被列为最具发展前景的工业技术之一[3]。在国民经济的各个领域中都有真空镀膜技术的存在，如航天航空、化工、军事、电子信息、石油、机械、包装印刷等领域，几乎涵盖了所有高新技术产业。
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1.2 真空镀膜技术发展历程
展，将数值分析技术运用到磁控溅射镀膜机及相关部件的设计中。通过计算机软件对磁控溅射阴极靶、离子源、真空室体等磁控溅射镀膜机的重要部件进行模拟仿真[6]。国外相关的真空镀膜设备研发机构和公司形成了用于真空镀膜设备及相关器件设计的若干成熟的计算机软件，这些软件功能全面，能够用于电磁场、温度场、气体分布压力场、真空室体的设计分析，极大的提高了磁控溅射镀膜机的设计和制造水平，同时也是真空镀膜设计方法的一次升级[7]。在这个阶段之后，国外相关真空镀膜设备研发公司相继开发出性能优越的镀膜机设备。目前，在全球范围内技术处于领先的镀膜设备有德国莱宝公司开发的A2050H 型高真空镀膜机。其他一线产品还有瑞士 Balzers 公司、美国 HEF 公司、荷兰 Ionbond 公司开发的真空镀膜机。
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第 2 章 真空镀膜机结构及控制系统总体设计
2.1 镀膜设备设计流程2.2 真空镀膜机设备
虽然不同种类的真空镀膜机设备的结构不同、沉积工艺也不尽相同，但是从设备的最基本的工作原来和主要的基本构件来说，基本上都有相同之处，其设计的流程和设计的核心原理还是有相似之处。真空镀膜设备主要包括真空室、溅射靶源、充气抽气系统、电源与电气控制系统、薄膜沉积工艺等方面[23]。图2-1 为磁控溅射真空镀膜设备的工程设计流程。磁控溅射真空镀膜设备的整机设计过程设计写学科众多，多学科的交叉应用对真空镀膜设备设计研发具有十分重要的理论价值和实际应用价值。本文是基于已有的真空镀膜设备及相关部件分析运行数据和运行经验，进行真空镀膜设备的整机的运行仿真监控和控制系统改造。
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2.2 真空镀膜机设备
真空镀膜机机械设备主要有镀膜室装置、溅射靶装置、抽真空液压系统、冷却设备、质量流量控制器等构成[24]。磁控溅射真空镀膜机构造简图如图 2-2所示。1. 支柱、主柜体底座：主柜体底座与支柱通过不锈钢板和钢槽焊接构成，在其基础上安装其它机构装置。分子泵与电气控制设备放在主柜体的侧面，利于控制。2. 镀膜室：镀膜室的主柜体采用正面90 直角门。在镀膜室底部中央有两个矩形磁控靶阴极，镀膜室内壁接地为阳极。镀膜室的壁厚度需满足薄壳理论，即壁厚0 应满足式 2-1 所示条件，00.04i D(2-1)其中0 为镀膜室壁的厚度，iD 为镀膜室的内径。对于没有冷却系统的镀设备来说，其真空室的最大内外压力差值应该约等于大气压。
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第 3 章 靶结构分析及优化控制...............20
3.1 靶结构磁场的模拟计算...............20
3.2 磁控溅射等离子体控制模型................25
第 4 章 真空镀膜机控制系统硬件设计................37
4.1 真空镀膜机控制系统硬件设计................37
4.2 电源整体方案设计...............40
第 5 章 PLC 程序及监控层的设计与实现................49
5.1 PLC 程序设计.................49
5.2 上位机配置与功能.................52
第 5 章 PLC 程序及监控层的设计与实现
5.1 PLC 程序设计
西门子系列 PLC 的软件开发环境是一款叫 Step7[47]的软件，其功能强大，自带库中提供多出语言编程方式例如：功能图块语言、梯形图语言和语句表语言，但是最为常用的是梯形图语言。Step7 软件在进行梯形图编程时有多种模块可供编程选择，多种模块的组合使得编程功能强大，而且还有利于后期对程序的调试和修改。在 PLC 与 PC 之间的串口通信方面，此次选择了 S7-300 的 0 端口来当作通信端口，因为梯形图程序可以在通信协议为自由端口的模式时对其进行灵活控制，主要依靠接收、传送中断、传送、接收中断等指令来控制通信端口。
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5.2 上位机配置与功能
在系统监控软件的设计的时候必须要遵循显示直观形象、简单易懂、操控方便的基本原则。真空镀膜机控制系统以 iFiX 组态软件为平台[48]，iFiX 组态软件能够与 PLC等各种工控设备进行通讯，迅速读取控制设备的工作信息，其功能完善稳定而且还有适用于工业控制的稳定控制算法，可以对要求的变量进行精准的控制，此款组态软件所具备的功能可以完全达到本次真空镀膜机控制系统的设计要求，与此同时该款软件简单易学，容易掌握，使用方便并。首先需要搭建界面，配置数据存储库，完成镀膜工作的参数实时数据传输，对镀膜设备工作的现场各种工况数据进行实时监控。
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结论
本文研究课题以某印刷包装厂真空磁控溅射镀膜设备为研究对象，结合磁控溅射镀膜工艺的特点、设备及控制系统的特点，分析了真空磁控溅射镀膜过程中对镀膜质量、效率的影响因素。根据厂家提出的要求，以及对磁控溅射镀膜工艺原理及生产过程的分析，对控制系统的硬件电流进行设计和软件 PLC 程序编写以及设计上位机监控系统。1. 本文磁控溅射过程控制方面，考虑到技术的可实现性，性价比、易于维护等，对靶结构进行加装高导磁片进行改装，采用变频器控制分子泵的方式控制镀膜环节的真空度，并对靶磁场进行模拟计算，分析了离子体对扰动响应时间，确保了镀膜的质量。2. 针对磁控溅射镀膜过程存在扰动、滞后性等特点，通过偏差变量与偏差变化变量来判别闭环系统稳定性以及动态系统自身性能，提出新的控制参数可变的自适应 PID 控制方法，通过对离子电流动态响应过程传递函数的仿真验证，针对镀膜过程存在多种扰动的情况，能够有效的改善真空镀膜过程存在的超调和振荡的问题，提高了磁控溅射的镀膜均匀性。
参考文献（略）
