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        真空鍍膜機的結構

        高真空鍍膜機是目前制作真空條件應用廣泛的設備。其相關組成各部件:機械泵、增壓泵、油擴散泵、冷凝泵、真空測量系統。

        一、真空主體—真空腔

        根據加工產品要求的不同,真空腔的大小也不一樣,目前應用多的有直徑1.3m、0.9m、1.5m、1.8m等,腔體由不銹鋼材料制作,要求不生銹、堅實等,真空腔各部分有連接閥,用來連接各抽氣泵浦。

        、輔助抽氣系統

        此排氣系統采用:擴散泵+機械泵+羅茨泵+低溫冷阱+polycold組成

        排氣流程為:機械泵先將真空腔抽至小于2.0x10-2PA左右的低真空狀態,為擴散泵后繼抽真空提供前提,之后當擴散泵抽真空腔的時候,機械泵又配合組成串聯,以這樣的方式完成抽氣動作。

        排氣系統為鍍膜機真空系統的重要部分,主要由機械泵、增壓泵(主要為羅茨泵)、油擴散泵三大部分組成。

        機械泵:也叫前級泵。是應用廣泛的一種低真空泵,它隨時用油來保持密封效果并依靠機械的方法不斷的改變泵內吸氣空腔的體積,使被抽容器內氣體的體積不斷膨脹從而獲得真空。

        機械泵常常被用來抽除干燥的空氣,但不能抽除含氧量過高、有爆炸性和腐蝕性的氣體,機械泵一般被用來抽除永久性的氣體,但是對水氣沒有好的效果,所以它不能抽除水氣。旋片泵中起主要作用的部件是定子、轉子、彈片等,轉子在定子里面但與定子不同心軸,象兩個內切圓,轉子槽內裝有兩片彈片,兩彈片中間裝有彈簧,保證了彈片緊緊貼在定子的內壁。

        彈片交替起著兩方面的作用,一方面從進氣口西京氣體,另一方面壓縮已經吸進的氣體,將氣體排出泵外。轉子每旋轉一周,泵完成兩次吸氣和兩次排氣。當泵連續順時針轉動時,旋片泵不斷的通過進氣口吸入氣體,又從排氣口不斷的排出泵外,實現對容器抽氣的目的。為了提高泵的極限真空度,均將泵的定子浸在油里面,在各處的間隙中及有害空間經常保持足夠的油,把空隙填滿,所以油一方面起到了潤滑作用,另一方面又起了密封和堵塞縫隙及有害空間的作用,防止氣體分子通過各種渠道反流到壓強低的空間去。

        機械泵是從大氣開始工作,它的主要參數有極限真空、抽氣速率,此為設計與選用機械泵的重要依據。單級泵可以將容器從大氣抽到1.0x10-1PA的極限真空,雙級機械泵可以將容器從大氣抽到6.7x10-2PA,甚至更高。

        機械泵排氣的效果還與電機的轉速及皮帶的松緊度有關系,當電機的皮帶比較松,電機轉速很慢時候,機械泵的排氣效果也會變差,所以要經常保養、點檢,機械泵油的密封效果也需要常常點檢,油過少,達不到密封效果,泵內會漏氣,油過多,把吸氣孔堵塞,無法吸氣和排氣,一般,在油位在線下0.5cm即可。

        增壓泵又叫羅茨泵:它是具有一對同步高速旋轉的雙葉形或多葉形轉子的機械泵,由于它的工作原理與羅茨鼓風機相同,所以又可以叫羅茨真空泵,次泵在100-1PA壓強范圍內有較大的抽氣速度,它彌補了機械泵在此范圍內排氣能力不足的缺點,此泵不能從大氣開始工作,也不能直接排出大氣,它的作用僅僅是增加進氣口和排氣口之間的壓差,其余的則需要機械泵來完成,因此他必須配以機械泵作為前級泵。

        油擴散泵:機械泵的極限真空只有10-2PA,當達到10-1PA的時候,實際抽速只有理論的1/10,如果要獲得高真空的話,必須采用油擴散泵。

        油擴散泵的應用壓強范圍是10-1PA至10-7PA,它是利用氣體的擴散現象來排氣,它具有結構簡單,操作方便,抽速大等特點。油擴散泵主要由泵殼、噴嘴、導流管和加熱管組成,里面主要添加擴散泵油,上部為進氣口,右側旁下部為出氣口,在工作時出氣口由機械泵提供前置壓強,機械泵充當前置泵。

        當擴散泵的油被電爐加熱時,產生的油蒸汽提供前置壓強,機械泵充當前置泵。當擴散泵油被電爐加熱時,產生的油蒸汽沿著導流管經傘形噴嘴向下噴出。因噴嘴外面有機械泵提供的1x10-1PA的真空,故油蒸汽可噴出一段距離,構成一個向出氣口方向運動的射流。射流然后碰上由冷卻水冷卻的泵壁,凝結為液體,流回蒸發器,即靠油的蒸發—噴射—凝結,重復循環來實現抽氣的。

        由進氣口進入泵內的氣體分子,一旦落入蒸汽流中,便獲得向下運動的動量,向下飛去,由于射流具有高的流速,高的蒸汽密度,且擴散泵油具有高的分子量故能有效的帶走濃度差,正是因為這個濃度差被抽氣體能不斷的越過界面,擴散進入射流中,被帶往出口處,在出口處再由機械泵抽走。

        擴散泵不能單獨用來抽氣,一般要求泵額較大出口壓強為40PA。擴散泵的抽速決定于第  一級噴嘴與泵體進氣口口徑間環形面積的大小,抽速不是一恒定的值,而是隨著進氣口的壓強而變化的,當壓強在10-2至10-3PA的時候,擴散泵的抽氣速度是較快的,當壓強小于5x10-4PA之后,擴散泵的抽氣速度較小,幾乎沒有抽氣能力。

        低溫冷凝泵:它是利用低溫表面來凝聚氣體分子以實現抽氣的一種泵,是目前獲得極限真空較高,抽速較大的抽氣泵。

        冷凝泵的工作原理:主要是低溫表面對氣體的冷凝作用、冷捕作用及物理低溫吸附作用。

        低溫冷凝:根據各種氣體的特性,采用液氦或者冷循環氦氣冷卻。

        冷捕集:不可凝氣體被可凝氣體捕集的現象,通常二氧化碳、水蒸氣、氦氣、壓氣等氣體首先形成霜,于低溫表面形成吸附層,進而達到吸附其它氣體的目的,低溫抽除混合氣體的效果比抽除單一效果好就是這個原因。

        低溫吸附:低溫表面上的吸附劑吸附氣體的作用,由于吸附劑與氣體分子之間的相互作用很強,故可達到氣相壓強比冷凝表面溫度下它的飽和蒸汽壓還低的水平。吸附劑是活性炭。

        真空計:真空計是真空鍍膜機器上的重要組成部分,它是檢測鍍膜機真空度的重要手段。真空計根據其工作原理可以分為絕對真空計和相對真空計,絕對真空計可以直接測量壓強的高低,相對真空計只能間接測量真空度。

        鍍膜機器上常用真空計為:

        電阻真空計:主要由電熱絲、外殼和支架構成,主要是根據在低壓下,氣體的熱傳導系數與壓強成正比的方式工作的。上面開口處與被測真空系統相連接,熱絲采用電阻溫度系數大的金屬絲做成,兩支支架引線與測量線路連接。當壓強降低的時候,由于氣體熱傳導散失的熱量減小,因此當熱絲加熱電流穩定時候,則熱絲溫度就上升,熱絲的電阻就增大,用測量熱絲電阻值的大小來間接測量壓強。

        磁控放電真空計:

        工作原理:在放電開始時,由于空間游離電子向陽極運動時,在正交電磁場作用下,電子的軌跡不是直線而是螺旋線前進,又因為陽極是框形,故電子不一定第   一次就碰上陽極,而是穿過陽極,然后受到對面陰極的拒斥,又復返回。這樣反復多次才可能打上陽極。由于電子路程大大加長,故收到分子數增加,使得在較低壓強仍然維持放電。

        放電管真空計:玻璃管中封入兩個金屬電極,在其加上數千伏的直流高電壓,在一定的壓強范圍內就能引起自持放電,通過放電顏色來判定其真空度。

        三、蒸發系統

        蒸發系統主要指成膜裝置部分,鍍膜機器的成膜裝置很多,有電阻加熱、電子槍蒸發、磁控濺射、射頻濺射、離子鍍等多種方式。

        電阻蒸發的工作方式是將鎢片做成船狀,然后安裝在兩個電極中間,在鎢舟中央加上藥材,再緩緩給電極通電,電流通過鎢舟,鎢舟通電發熱,這些低電壓,大電流使高熔點的鎢舟產生熱量,再傳導給鍍膜材料,當鎢舟的熱量高于鍍膜材料熔點的時候,材料就升華或者蒸發了。

        電子槍蒸發可以蒸發任何一種鍍膜材料,它的工作方式是將鍍膜材料放在坩堝里面,將蒸發源制作成燈絲形狀,采用一專門的控制柜,對燈絲加一強電流,高電壓,由于燈絲的材料時鎢,所以它會發熱,然后會發射電子,再采用一定的磁場將其聚集成一定形狀并牽引到坩堝上,這樣就形成一股電子束,由于電子束溫度非常高,可以熔化任何鍍膜藥材,當鍍膜藥材被電子束熔化后,藥材的分子在真空中成直線運動,然后遇到基板,就凝結下來,經過這種方式生長,形成薄膜!

        電子束蒸發的優點在于:電子束的光斑可以隨意調整,可以一槍多用,燈絲可以隱藏,避免污染可以蒸發任意鍍膜材料,維修方便,蒸發速度可以隨意控制,材料分解小,膜密度高。機械強度好。

        濺射方式是用高速正離子轟擊靶材表面,通過動能傳輸,令靶材的分子(原子)有足夠的能量從靶材表面逸出,在產品表面凝聚形成薄膜。

        用濺射的方法制鍍的薄膜附著性強,薄膜的純度高,可以同時濺射多種不同成分的材料,但是對靶材的要求高,不能象電子槍一樣節約資源。

        目前運用較多的有磁控濺射,磁控濺射是指平行于陰極表面施加強電場,將電子約束在陰極靶材表面附近,提高電離效率。它是操作簡單的一種,所以運用非常廣。

        四、成膜控制系統

        薄膜監控主要有:目視監控,定(極值)值監控、水晶震蕩監控、時間監控等等,下面主要介紹目視監控、定(極值)值監控和水晶震蕩監控三種。

        目視監控也叫直接監控,采用眼睛監控。因薄膜在生長的過程中,由于干涉現象會有顏色變化,就會根據顏色變化來控制膜厚度的,這種方式有一定的誤差,不是很準確,需要依靠經驗。

        定(極值)值監控:主要采用反射式(透過式)光學監控。極值監控法:當膜厚度增加的時候其反射率和穿透率會跟著起變化,當反射率或穿透率走到極值點的時候,就可以知道鍍膜之光學厚度ND是監控波長(入)的四分之一的整數倍。但是極值的方法誤差比較大,因為當反射率或者穿透率在極值附件變化很慢,亦就是膜厚ND增加很多,R/T才有變化。反映比較靈敏的位置在八分之一波長處。

        定值監控法:利用停鍍點不在監控波長四分之一波位,由計算機計算在波長一時總膜厚之反射率(或者穿透率)是多少,此即為停止鍍膜點。

        水晶振蕩監控:利用石英晶體振動頻率與其質量成反比的原理工作的。但是石英監控有一個不好之處就是當膜厚增加到一定厚度后,振動頻率不全然由于石英本身的特性使厚度與頻率之間有線性關系,此時必須使用新的石英振蕩片。

        幾種監控方法各有優劣,但通常鍍多層膜,會以光學監控為主,石英晶體振蕩為輔助的方法。

        對于有些在鍍膜過程中需要充入氣體的還有流量控制計或者壓力控制計,這些需要采用精密的閥門和光電傳感系統來控制。

        在鍍膜過程中還需要回轉控制系統,就是將傘具的主軸置于軸承里面,然后再利用電機帶動軸承,使傘具回轉。然后再PLC控制其回轉速度。

        坩堝回轉采用電機帶動,光電感應計數的方法,遮藥板采用氣動開關方式轉動。

        為了加快抽氣速率,達到一定的真空度,還需要對真空腔進行制冷,就是將真空腔里面的空氣冷凍到零下130攝氏度,將真空腔里面的水氣冷凍并被泵抽走。

        電氣控制部分主要采用 PLC自動控制,就是先在PLC中輸入預先設計好的程序,處理器主電路與操作面板上的各空駛系統相連接,當按下操作面板上的開關的時候,信息傳遞到中央處理器,再由中央控制系統分析并發出指令由支路執行并完成動作。

        鍍膜機是集多門學科的設備,它集成了當今工業的機電技術,控制技術、電氣自動化、IT 技術制冷技術,微電路集成系統、高壓控制系統、機械技術、加工技術、光電技術、光學技術、氣動控制技術、光電傳感技術、通訊技術、真空技術、薄膜光學與鍍膜技術等等。

        到今天,鍍膜機已經被廣泛應用,制鍍薄膜尤其廣泛,其制作的各種薄膜被應用到各光電系統及光學儀器中,如數碼相機、數碼攝像機、望遠鏡、投影機、能量控制、光通訊、顯示技術、干涉儀、人造衛星飛彈、半導體激光、微機電系統、信息工業、激光的制作、各種濾光片、照明工業、傳感器、建筑玻璃、汽車工業、裝飾品、錢幣、眼鏡片等等,鍍膜機器已經與人類的生活緊密聯系。

                                                                                                                                                                                                                                                                                                 






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