宋光亮，劉 瀟，陳 蓉，單 斌

(1.華中科技大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430074；2.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074)

0 引言

卷對卷空間隔離原子層沉積(roll-to-roll spatial atomic layer deposition，R2R-SALD)設備是基于原子層沉積技術的工業(yè)化薄膜制備裝備，以其高產(chǎn)量、低成本和大規(guī)模的薄膜制備優(yōu)勢廣泛應用于航天、柔性顯示等領域[1-2]。在開發(fā)R2R-SALD設備的過程中，存在著反應溫度檢測與控制和運輸基板的糾偏、張力與運動控制等多項關鍵技術，其中柔性運輸基板的張力控制系統(tǒng)是極其重要的部分。張力控制直接或間接影響系統(tǒng)性能和產(chǎn)品質(zhì)量。張力過大會導致薄膜基板變形甚至斷裂，過小又會造成基板產(chǎn)生橫向漂移等問題，均會使系統(tǒng)性能變差，從而導致鍍膜產(chǎn)品質(zhì)量降低。因此，設計出一套性能良好的張力控制系統(tǒng)很重要。

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用PLC 作為主控制器，在成本控制、開發(fā)靈活性等方面都有欠缺。因此，基于ARM架構高性能芯片STM32設計基于張力閉環(huán)的控制系統(tǒng)，采用ARM微控制器與氣動技術結(jié)合的方案，有效降低成本、減小難度，實現(xiàn)設備張力的精確控制。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 控制系統(tǒng)總體設計

控制系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。張力傳感器負責檢測張力的變化，并通過放大器、信號調(diào)理環(huán)節(jié)后交由微機處理單元進行處理。微機處理單元為基于STM32芯片設計的嵌入式系統(tǒng)，負責完成張力測量、數(shù)據(jù)存儲、算法運算、信號輸出和與PC機數(shù)據(jù)交互工作。驅(qū)動器和執(zhí)行器為集成的電氣比例閥，根據(jù)微機單元輸出信號的大小對氣缸的輸入氣壓進行無級調(diào)節(jié)[3]。

圖1 張力控制系統(tǒng)總體設計

1.2 張力的產(chǎn)生及控制

系統(tǒng)工作時，氣缸動作使活塞桿推動跳動輥產(chǎn)生微小位移，柔性運輸基板因此產(chǎn)生微小形變形成張力。整個過程中，氣缸產(chǎn)生的推力及導軌的阻力與基板的張力構成一組平衡力。取跳動輥為研究對象，其受力情況如圖2所示。

圖2 跳動輥受力分析圖

靜態(tài)平衡方程為

Tcosθ1+Tcosθ2=Ff+F

(1)

式中:T為薄膜基板產(chǎn)生的張力,N；θ1、θ2為薄膜基板與水平方向的夾角,rad；Ff為導軌的阻力,N；F為氣缸輸出的推力,N。

忽略導軌的阻力，則式(1)可化簡為

(2)

由式(2)可知，對于已經(jīng)搭建完成的試驗臺，θ1、θ2為固定值,基板的張力只與氣缸推力有關。因此，通過控制氣缸輸出推力的大小即可調(diào)節(jié)基板張力的大小。

2 硬件設計

2.1 主控電路

主控電路以STM32F407VGT6為核心，相對于8位、16位微控制器具有更高性能、更高響應速度和更高集成度[4]。主控制器主導了各項子任務的運行，其硬件電路主要包括最小系統(tǒng)、JTAG下載模塊、RS232通信接口電路、USB接口電路等。

2.2 張力反饋電路

張力傳感器通過全橋惠斯登電路測量應變片電阻的相對變化，從而完成張力信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。傳感器測得的電壓信號范圍為0～20 mV，通過放大器的放大作用將其轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓信號。圖3為信號調(diào)理電路，運算放大器選用MCP6001型運放，其具有低功耗、低成本、軌到軌輸入與輸出和單電源供電等特點。信號調(diào)理的過程是采用串聯(lián)電阻R1、R2的方式對信號Vin進行分壓處理以實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換模塊電壓測量范圍的匹配，然后通過電壓跟隨器進行信號的阻抗匹配。在運算放大器的同相輸入端串入限流電阻R3和放置鉗位二極管D1、D2以保護運放避免受到過大的輸入而造成芯片損壞，同時也保證了外部輸入在經(jīng)過處理后的信號Vadc_in在0～5 V的范圍內(nèi)。

圖3 信號調(diào)理電路

圖4為模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路。調(diào)理信號通過該模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過SPI串行通信接口與STM32微控制器進行數(shù)據(jù)傳輸從而完成張力的測量。選用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MCP3208，其最大轉(zhuǎn)換速率高達100 kSPS，并且采用MCP1541高精度基準電壓源為其提供4.096 V的參考電壓，以減小轉(zhuǎn)換誤差。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路

2.3 電氣比例閥控制電路

驅(qū)動器與執(zhí)行器選用ITV1050-212L型電氣比例閥，其具有高靈敏度、高線性度和低滯后等特點。該型電氣比例閥的輸入信號為0～5 V的電壓，可在誤差范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)最大范圍為0.9 MPa的氣體壓力。圖5為數(shù)模轉(zhuǎn)換接口電路。采用12位雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MCP4822，其具有軌對軌輸出和單電源供電等特點。通過STM32微控制器的SPI串行接口與該數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進行數(shù)據(jù)通信從而產(chǎn)生并控制所需要的模擬電壓信號大小。同時，為了增強該信號的驅(qū)動能力，將其作圖6所示電壓跟隨處理，R4為限流電阻，D3、D4為鉗位二極管，該VOUT信號作為電氣比例閥的輸入信號。

圖5 數(shù)模轉(zhuǎn)換接口電路

圖6 電壓跟隨處理電路

2.4 張力數(shù)據(jù)存儲電路

在實驗過程中還涉及到張力數(shù)據(jù)的存儲，圖7為存儲接口電路，選用體積、容量均適合嵌入式系統(tǒng)的TF卡進行存儲。其通過STM32微控制器的SDIO接口與Micro SD卡進行通信。

圖7 存儲接口電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主控程序

為了保證實時性，主程序的開發(fā)基于RT-Thread。RT-Thread實時操作系統(tǒng)具備硬實時、高度可定制、組件豐富以ms級快速啟動等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)、新能源、電力、交通等行業(yè)[5]。

圖8為主控程序的流程圖。在系統(tǒng)上電、初始化之后創(chuàng)建各個線程，并由操作系統(tǒng)進行線程的調(diào)度。通過線程間的通信與同步完成張力的采樣、存儲與控制等工作。

圖8 主控程序流程圖

3.2 主控程序

控制系統(tǒng)實現(xiàn)張力的閉環(huán)控制，其核心在于其控制規(guī)律的設計。比例、積分、微分控制規(guī)律，即PID控制器。PID控制器以其結(jié)構簡單、穩(wěn)定性高以及可靠性高等特點，在機器人、航天以及過程控制等領域發(fā)揮著重要作用[6]。

PID控制算法分為增量式PID算法與位置式PID算法。根據(jù)本系統(tǒng)的特點，采用的是數(shù)字位置式PID算法，離散表達式為

(3)

式中:Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)，Ki=KpT/Ti；T為采樣周期；Ti為積分時間；Kd為積分系數(shù)，Kd=KpTd；Td為微分時間。

在計算機控制系統(tǒng)中，用微型計算機作為數(shù)字控制器，為了顧及其字長與運算速度的限制，所以由式(3)可以變換簡化得到：

u(k)=u(k-1)+A0e(k)-A1e(k-1)+A2e(k-2)

(4)

式中:A0=Kp+Ki+Kd；A1=-Kp-2Kd；A2=Kd。

圖9為采用式(4)簡化的位置式PID算法的張力控制流程圖。

圖9 張力控制算法流程圖

初始化相關參數(shù)后，在PID的1個采樣周期內(nèi)，首先通過張力測量電路反饋輸入當前張力測量值，經(jīng)濾波處理后與張力期望值進行比較并計算出當前偏差值。偏差值作為PID算法的輸入，經(jīng)由簡化的離散數(shù)學表達式計算出當前控制量，并在本周期內(nèi)更新至電氣比例閥，由其完成氣缸輸入氣壓的調(diào)節(jié)來對活塞桿的出力進行調(diào)節(jié)，完成張力的控制。

4 系統(tǒng)測試與驗證

4.1 實驗平臺的搭建

為了驗證該系統(tǒng)，搭建如圖10所示的實驗平臺實物，包含電源、顯示、檢測和控制等相關部件。

圖10 實驗平臺實物圖

4.2 張力性能測試

在通過反復的試驗法整定PID參數(shù)后進行張力的性能實驗。由于柔性基板材質(zhì)、厚度等因素的影響，為了保證設備的安全運行，張力的設定值限制在0～35 N之間。表1為設備在靜止工況與運動工況下，張力設定值為0～35 N，間隔為5 N的加載實驗結(jié)果。

表1 張力實驗結(jié)果

由實驗結(jié)果可知，在張力設定值為5 N時，穩(wěn)態(tài)誤差與波動率都達到了最大，分別為13.6%和79.6%，此時張力控制得較差。而當張力設定值為35 N時，誤差與波動都比較小，張力得到較好控制。

4.3 薄膜產(chǎn)品制備測試

為了對比在2種張力效果下的薄膜的制造重復性與產(chǎn)品質(zhì)量，在張力設定值分別為5 N與35 N時進行Al2O3薄膜的制備與測試，制備目標厚度為20 nm。圖11為制備了10個Al2O3薄膜樣品并且測量其厚度后的實驗結(jié)果圖，反應源為Al(CH3)3和H2O，載氣為N2，實驗時主要工藝參數(shù)為：基板運動速度100 mm/s，反應溫度80 ℃，載氣流速40 mL/min，循環(huán)數(shù)為100次。

圖11 薄膜制造重復性實驗結(jié)果

由圖11可以看出，在張力設定值為5 N時，由于此時的張力效果較差，Al2O3薄膜產(chǎn)品的厚度嚴重偏低并且制造重復性比較差。而在設定值為35 N時，較好的張力效果使得產(chǎn)品正常生長并且制造重復性得到提升。

與此同時，利用原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)表征薄膜 1 μm×1 μm大小的表面形貌和粗糙度，圖12為測試結(jié)果。

圖12 AFM測試結(jié)果

由測試結(jié)果可看出，圖12(a)在張力設定值為5 N時，較差的張力效果導致Al2O3薄膜產(chǎn)品制造過程中顆粒物較多，表面形貌較差。圖12(b)在張力設定值為35 N時，由于張力效果較好，使得顆粒物減少，表面形貌得到改善，Al2O3薄膜質(zhì)量得到提升。

5 結(jié)束語

本文為R2R-SALD設備設計了一套基于STM32的張力控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的各項技術展開研究，包括了張力的測量、存儲、驅(qū)動與控制等。該系統(tǒng)結(jié)合傳感器與測試技術、計算機控制技術和微機接口技術等，對張力實現(xiàn)了一定的精度控制與波動控制，使得R2R-SALD設備薄膜制備重復性與產(chǎn)品質(zhì)量均得到改善，這對R2R-SALD設備良好鍍膜工藝的研究具有借鑒意義。