真空蒸發(fā)鍍膜樣品架設(shè)計(jì)合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)論文</b></p><p>　　設(shè)計(jì)（論文）題目 真空蒸發(fā)鍍膜樣品架設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)院名稱 機(jī)械與汽車工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)（班級(jí)） 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化09-10班</p><p>　　姓 名（學(xué)號(hào)）

2、 李東霖 20090736</p><p>　　指導(dǎo)教師 方應(yīng)翠 </p><p>　　系（教研室）負(fù)責(zé)人 干蜀毅</p><p>　　真空蒸發(fā)鍍膜樣品架設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要： 本文的

3、主要內(nèi)容是對(duì)本次真空蒸發(fā)鍍膜樣品架設(shè)計(jì)的說明。在文中不僅列出了鍍膜設(shè)備中使用的幾種常用樣品架，還介紹了幾種新型的樣品架。本次設(shè)計(jì)的研究對(duì)象是對(duì)鍍膜產(chǎn)品膜厚的控制，在給出合理的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來保證鍍膜均勻性的同時(shí)，保持基片架和蒸發(fā)源的相對(duì)位置，利用可逆同步電機(jī)控制各個(gè)部位的擋板，來實(shí)現(xiàn)控制基片蒸鍍的時(shí)間，從而得到不同膜厚的基片。</p><p>　　關(guān)鍵字：蒸發(fā)鍍膜 樣品架 相對(duì)位置</p><p&g

4、t;　　Vacuum evaporation coating sample holder design</p><p>　　Abstract：The main content is the vacuum evaporation of this description of the sample holder design. Not only in the text lists several coating eq

5、uipment commonly used in the sample holder, also introduced several new sample holder. The design of the study is to control the film thickness coating products, the transmission structure to give a reasonable assurance

6、of uniformity of coating while holding the substrate holder and the relative position of the evaporation source, a reversible synchron</p><p>　　Keywords: evaporation coating specimen holder Relative posit

7、ion</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 真空鍍膜的意義</p><p>　　真空鍍膜技術(shù)是真空應(yīng)用技術(shù)的重要組成部分，是一項(xiàng)綜合的、應(yīng)用范圍很廣的先進(jìn)技術(shù)，是許多前沿學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)之一，同時(shí)也是當(dāng)今信息時(shí)代中許多高新技術(shù)發(fā)展必不可少的手段。這一技術(shù)目前之所以得到飛速發(fā)展是因?yàn)樗粌H僅是單一的真空

8、應(yīng)用技術(shù)，而是以真空技術(shù)為基礎(chǔ)，利用物理或化學(xué)的方法，并且吸收了電子束、分子束、離子束、等離子體、射頻、磁控等一系列新的技術(shù)，從而為科學(xué)研究與生產(chǎn)提供了膜層涂覆的新工藝，新技術(shù)的結(jié)果。用真空鍍膜技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電鍍工藝，不但能節(jié)省大量的膜材和降低能耗，而且還會(huì)消除濕法鍍膜中所產(chǎn)生的環(huán)境污染。因此國(guó)外在鋼鐵零件涂覆防腐層和保護(hù)膜方面，已采用真空鍍膜工藝來替代電鍍工藝，在冶金工業(yè)中，為鋼板和鋼帶加鍍鋁防護(hù)層已很普遍。在機(jī)械制造工業(yè)中，真空鍍膜

9、工藝用于改變某些加工工藝和節(jié)約貴重的原材料，再如汽車制造業(yè)中采用塑料制品金屬化零件代替各種金屬零件，即減輕了汽車的重量又節(jié)約了燃油的消耗。在玻璃上鍍?yōu)V光膜和低輻射膜，可使陽光射入。而作為室內(nèi)熱源的紅外輻射又不能通過玻璃輻射出去，這在高緯度地區(qū)也可以達(dá)到保溫節(jié)能的目的。</p><p>　　真空鍍膜技術(shù)及設(shè)備在當(dāng)今和未來都擁有十分廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景特別是在制造大規(guī)模集成電路的電學(xué)膜：數(shù)字式縱向與橫向均可磁化的

10、數(shù)據(jù)紀(jì)錄儲(chǔ)存膜：在能充分展示和應(yīng)用各種光學(xué)特性的光學(xué)膜；在計(jì)算機(jī)顯示用的感光膜；在TFT、PDP平面顯示器上的導(dǎo)電膜和增透膜；在建筑、汽車行業(yè)上應(yīng)用的玻璃鍍膜和裝飾膜；在包裝領(lǐng)域用防護(hù)膜、阻隔膜；在裝飾材料上具有各種功能裝飾效果的功能膜；在工、模具上應(yīng)用的耐磨超硬膜：在納米材料研究方面的各種功能性薄膜等等都是在真空鍍膜技術(shù)及設(shè)備在廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上得到的不斷發(fā)展的領(lǐng)域。</p><p>　　1.2 真空鍍膜技術(shù)在國(guó)

11、內(nèi)外的發(fā)展</p><p>　　從中國(guó)的真空鍍膜技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展歷史來看，是從20世紀(jì)60年代開始的，從無到有，從模仿設(shè)計(jì)、自行研制到技術(shù)引進(jìn)，并在技術(shù)引進(jìn)的基礎(chǔ)上促進(jìn)了自行研制和發(fā)展，特別是在20世紀(jì)80-90年代我國(guó)的真空鍍膜技術(shù)及設(shè)備都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在一些薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域里甚至得到了跨越式的進(jìn)展。但隨著中國(guó)進(jìn)入WTO和世界經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加快，我國(guó)的真空鍍膜技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)面臨和正在面臨著國(guó)外擁有先進(jìn)的真空

12、鍍膜技術(shù)和設(shè)備的跨國(guó)公司的強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)，這種競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)迫使我們要同世界貿(mào)易組織的其它成員國(guó)一樣，在同等條件下參與整個(gè)世界市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。但機(jī)遇也伴隨競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)降臨，主要的機(jī)遇在于中國(guó)入世后將逐步成為世界各經(jīng)濟(jì)國(guó)的加工基地，同時(shí)設(shè)備制造的國(guó)際性優(yōu)質(zhì)配件的采購(gòu)也將更容易，采購(gòu)成本也會(huì)降低，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的品質(zhì)會(huì)得到大幅度的提高。從目前真空鍍膜設(shè)備的市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀來看，國(guó)外許多實(shí)力雄厚的真空鍍膜設(shè)備生產(chǎn)商已在中國(guó)成立了許多合資或獨(dú)資的加工企業(yè)，并將

13、一些新的真空鍍膜工藝技術(shù)和產(chǎn)品移植到這些企業(yè)中來。因此我國(guó)真空鍍膜設(shè)備在今后三～五年內(nèi)的主要市場(chǎng)除了國(guó)內(nèi)的企業(yè)外，外商投資企業(yè)也是設(shè)備需求新的增長(zhǎng)點(diǎn)。</p><p>　　但是在真空鍍膜技術(shù)和設(shè)備上國(guó)內(nèi)和國(guó)外還存在很大的差距。我們國(guó)內(nèi)的鍍膜設(shè)備研發(fā)的創(chuàng)新意識(shí)還不夠，國(guó)內(nèi)真空鍍膜設(shè)備的生產(chǎn)廠家，主要考慮的是國(guó)內(nèi)的中、低端市場(chǎng)，常常受用戶給出的低價(jià)格所迫，以犧牲設(shè)備的性能和可靠性來贏得市場(chǎng)，而生產(chǎn)廠家也缺乏對(duì)設(shè)備研制

14、的能付諸于實(shí)施的中長(zhǎng)期規(guī)劃。這樣就使得對(duì)新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用迫切性降低，而給國(guó)外廠家創(chuàng)造了進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的大好機(jī)會(huì)。目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠商以中、小規(guī)模居多，規(guī)模小，綜合實(shí)力低。由于國(guó)內(nèi)的整體配套更新較慢，加工設(shè)備較差，加工手段不先進(jìn)，造成產(chǎn)品的一致性差，，產(chǎn)品質(zhì)量在許多方面低于國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。</p><p>　　可是我們國(guó)內(nèi)在真空鍍膜技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用上也有很多明顯的優(yōu)勢(shì)。首先是資源上的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)有近20多個(gè)有一定

15、規(guī)模的真空鍍膜設(shè)備的研制和生產(chǎn)廠家，并都擁有一支有一定技術(shù)水平和研發(fā)能力的技術(shù)隊(duì)伍和銷售網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)真空行業(yè)是有凝聚力的。從全行業(yè)的研制生產(chǎn)規(guī)模和從業(yè)人數(shù)上來看都是具有一定優(yōu)勢(shì)的。其次是市場(chǎng)上的優(yōu)勢(shì)，隨著中國(guó)進(jìn)入WTO 以后，中國(guó)將逐步成為世界最大工業(yè)產(chǎn)品的加工基地，中國(guó)范圍內(nèi)就有巨大的市場(chǎng)發(fā)展空間。還有研制和制造成本上的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)的主要真空鍍膜設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，同國(guó)外廠家相比都具備低的人工成本和低的加工設(shè)備和工作場(chǎng)地的租金成本(或資產(chǎn)占用費(fèi)

16、)，這也許是國(guó)外許多同類企業(yè)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。所以我們要發(fā)展我們的優(yōu)勢(shì)，自主創(chuàng)新，及時(shí)地響應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的需求變化，積極跟蹤國(guó)外的先進(jìn)工藝技術(shù)及設(shè)備的進(jìn)展，采用引進(jìn)部分先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)模式，同國(guó)外著名真空鍍膜廠家的合作方式，推行關(guān)鍵部件國(guó)際化采購(gòu)的方式，提高我國(guó)真空鍍膜設(shè)備的質(zhì)量及整體的技術(shù)水平，以真正能適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的需求。</p><p><b>　　1.3 蒸發(fā)鍍膜</b></p>

17、<p>　　在真空環(huán)境下，通過加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在固體表面，稱為蒸發(fā)鍍膜。蒸發(fā)鍍膜設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1。</p><p>　　蒸發(fā)物質(zhì)如金屬、化合物等置于坩堝內(nèi)或掛在熱絲上作為蒸發(fā)源，待鍍工件，如金屬、陶瓷、塑料等基片置于坩堝前方。待系統(tǒng)抽至高真空后，加熱坩堝使其中的物質(zhì)蒸發(fā)。蒸發(fā)物質(zhì)的原子或分子以冷凝方式沉積在基片表面。薄膜厚度可由數(shù)百埃至數(shù)微米。膜厚決定于蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率和時(shí)間（或決定于裝料量），

18、并與源和基片的距離有關(guān)。對(duì)于大面積鍍膜，常采用旋轉(zhuǎn)基片或多蒸發(fā)源的方式以保證膜層厚度的均勻性。從蒸發(fā)源到基片的距離應(yīng)小于蒸氣分子在殘余氣體中的平均自由程，以免蒸氣分子與殘氣分子碰撞引起化學(xué)作用。蒸氣分子平均動(dòng)能約為0.1～0.2電子伏。</p><p>　　蒸發(fā)源有三種類型。①電阻加熱源：用難熔金屬如鎢、鉭制成舟箔或絲狀,通以電流,加熱在它上方的或置于坩堝中的蒸發(fā)物質(zhì)（圖1-1 蒸發(fā)鍍膜設(shè)備示意圖 ）</p

19、><p>　　圖1-1 蒸發(fā)鍍膜設(shè)備示意圖</p><p>　　圖1-2 分子束外延裝置示意圖</p><p>　　電阻加熱源主要用于蒸發(fā)Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料；②高頻感應(yīng)加熱源：用高頻感應(yīng)電流加熱坩堝和蒸發(fā)物質(zhì)；③電子束加熱源：適用于蒸發(fā)溫度較高的材料，即用電子束轟擊材料使其蒸發(fā)。</p><p>　　蒸發(fā)鍍膜與其

20、他真空鍍膜方法相比，具有較高的沉積速率，可鍍制單質(zhì)和不易熱分解的化合物膜。</p><p>　　為沉積高純單晶膜層，可采用分子束外延方法。生長(zhǎng)摻雜的GaAlAs單晶層的分子束外延裝置如圖2[ 分子束外延裝置示意圖 ]。噴射爐中裝有分子束源，在超高真空下當(dāng)它被加熱到一定溫度時(shí)，爐中元素以束狀分子流射向基片?；患訜岬揭欢囟?，沉積在基片上的分子可以徙動(dòng)，按基片晶格次序生長(zhǎng)結(jié)晶用分子束外延法可獲得所需化學(xué)計(jì)量比的高

21、純化合物單晶膜，薄膜最慢生長(zhǎng)速度可控制在1單層/秒。通過控制擋板,可精確地做出所需成分和結(jié)構(gòu)的單晶薄膜。分子束外延法廣泛用于制造各種光集成器件和各種超晶格結(jié)構(gòu)薄膜.</p><p>　　1.4 課題研究背景</p><p>　　在鍍膜的過程中，真空鍍膜系統(tǒng)的好壞對(duì)膜的影響非常大。然而一個(gè)好的樣品架能夠改善膜的生成環(huán)境。在真空鍍膜的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了各式各樣的樣品架，不同的樣品架能夠滿足不同

22、的鍍膜需求，而此次課題重點(diǎn)研究樣品架的創(chuàng)新。對(duì)鍍膜的膜厚進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)樣品架實(shí)現(xiàn)對(duì)不同膜厚的獲取。</p><p>　　1.5 設(shè)計(jì)要解決的問題</p><p>　　本次設(shè)計(jì)要求提出滿足設(shè)計(jì)要求的方案，然后不同的方案進(jìn)行對(duì)比，選擇一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。確定好方案后，就要求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化，包括解決不斷出現(xiàn)的新問題。要查閱相關(guān)資料，閱讀文獻(xiàn)，翻譯文獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用CAD繪圖。并進(jìn)行配套真空系統(tǒng)設(shè)

23、計(jì)計(jì)算。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)方案的選擇</b></p><p>　　2.1 真空鍍膜樣品架種類</p><p>　　在鍍膜室中用于樣品固定的樣品架有不同的結(jié)構(gòu)。一般為了保證鍍膜的均勻性，要求樣品架按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)速度必須均勻平穩(wěn)。由于工件要進(jìn)行轟擊清洗和烘烤除氣，因此，要求工件架耐烘烤，不變形。同時(shí)要求工件架承載的工

24、件多，工件效率較高。常用工件架有如下幾種：</p><p>　　2.1.1 球面行星傳動(dòng)工件架</p><p>　　這種工件架常用在蒸發(fā)鍍膜設(shè)備中，下面的圖2-1(a)是DMP-450型鍍膜機(jī)球面行星工件架結(jié)構(gòu)圖，球面夾具是1200均勻的，一臺(tái)鍍膜機(jī)上有三個(gè)夾具，上面的孔，根據(jù)被鍍零件需要而開設(shè)。其工作原理如圖2-1(b)所示，三個(gè)球面圓盤均勻布在一個(gè)球面上，蒸發(fā)源依源的發(fā)射特性可置放于球

25、心或周面上。</p><p>　　圖2-1(a) DMP-450型鍍膜機(jī)球面行星工件架結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2-1(b) DMP-450型鍍膜機(jī)球面行星工件架原理圖</p><p><b>　　它的優(yōu)點(diǎn)是：</b></p><p>　?。?）基片架的有效面積較大，承載的幾篇數(shù)多，工作效率高；</p>

26、<p>　?。?）膜層均勻，從理論分析中可知，球面上任意一點(diǎn)P的膜厚只與球面半徑R有關(guān)，再加上公轉(zhuǎn)和自傳，可得到厚度均勻的薄膜。</p><p>　　（3）沒有臺(tái)階效應(yīng)的影響，由于基片架的轉(zhuǎn)動(dòng)本基片臺(tái)階處于圖中的a,b各點(diǎn)，都有相同的的機(jī)會(huì)來接受蒸發(fā)源的材料蒸汽分子。</p><p>　　工件架的轉(zhuǎn)速應(yīng)選擇得當(dāng)，旋轉(zhuǎn)速度太快時(shí)，蒸鍍效果不好，轉(zhuǎn)速太慢、工件架尚未旋轉(zhuǎn)一周、蒸發(fā)材料

27、就蒸發(fā)完畢，就不能保證膜的均勻性了。因此一般要根據(jù)每次蒸鍍時(shí)所需要的最短時(shí)間，旋轉(zhuǎn)工件架的線速度及其運(yùn)動(dòng)過程的穩(wěn)定性等方面來確定工件架的最大轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2.1.2 摩擦傳動(dòng)工件架</p><p>　　下面的圖2-2表示一種最簡(jiǎn)單的摩擦式傳動(dòng)工件架。其工作原理是：摩擦輪6與3相互壓緊后，在接觸處產(chǎn)生壓緊力Q，當(dāng)主動(dòng)輪6逆時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦力即帶動(dòng)從動(dòng)輪3作順時(shí)針回轉(zhuǎn)。此時(shí)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)

28、輪所需的工作圓周力P應(yīng)小于兩摩擦輪接處所產(chǎn)生的最大摩擦力fQ,P≤fQ;f為摩擦系數(shù)，其值與摩擦輪材料,表面狀態(tài)及工作情況有關(guān)。摩擦輪傳動(dòng)可用于兩平行軸之間的傳動(dòng)，兩相交軸或相錯(cuò)軸之間的傳動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是加工容易，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，但運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易丟轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖2-2 摩擦式傳動(dòng)工件架</p><p>　　（1-底板，2—對(duì)稱輪，3—大摩擦輪，4—旋轉(zhuǎn)對(duì)架，5—工件架，6—主

29、動(dòng)摩擦輪）</p><p>　　2.1.3 齒輪傳動(dòng)工件架</p><p>　　齒輪傳動(dòng)工件架應(yīng)用范圍最廣，可用在各種形式的鍍膜機(jī)上。其傳動(dòng)方式應(yīng)根據(jù)工藝要求靈活選定。圖2-3為最簡(jiǎn)單的一種，小齒輪為主動(dòng)輪，可實(shí)現(xiàn)工件架轉(zhuǎn)速恒定。</p><p>　　圖2-3 齒輪式傳動(dòng)工件架</p><p>　?。?—主動(dòng)小齒輪，2—旋轉(zhuǎn)支架，3—工件架，

30、4-大齒輪，5—底板，6—支撐輪）</p><p>　　2.1.4 撥桿傳動(dòng)工件架</p><p>　　圖2-4為撥桿傳動(dòng)工件架的示意圖，這種結(jié)構(gòu)多用在底板或真空室下部的空間</p><p>　　無法安排傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而在真空室頂部有可能安排時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可將電機(jī)置于真空室頂部。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，制造成本不高。</p><p>　　圖2-

31、4 撥桿式傳動(dòng)工件架</p><p>　?。?—固定支架，2—真空室，3—支撐輪，4—工件架5—撥桿，6—主動(dòng)軸，7—烘烤罩，8—底板）</p><p>　　2.1.5 其他類型的工件架</p><p>　　圖2-5 多級(jí)行星工件架</p><p>　　圖2-5為一種多級(jí)行星工件架?，F(xiàn)行鍍膜機(jī)的工件架為一級(jí)行星式工件架，完成對(duì)太陽能集熱管的鍍

32、膜工藝相對(duì)來說效率較低，即在前一級(jí)的行星架的基礎(chǔ)上設(shè)置后一級(jí)行星輪系的行星架、定輪、行星軸，充分利用了鍍膜機(jī)真空腔室內(nèi)的空間，打打增加既可繞鍍膜機(jī)真空腔室中心作公轉(zhuǎn)，又可以作自轉(zhuǎn)的行星軸—待鍍膜玻璃管的數(shù)量，從而提高了真空鍍膜機(jī)單機(jī)、單次的產(chǎn)出率，也提高了靶材的利用率，相應(yīng)的減少了能耗，降低成本。</p><p>　　圖2-6 能適應(yīng)不同樣品架的鍍膜機(jī)工件架</p><p>　　圖2-6為

33、一種能適應(yīng)不同樣品架的鍍膜機(jī)工件架。包括：公轉(zhuǎn)磁力轉(zhuǎn)軸、工件架升降機(jī)構(gòu)、自轉(zhuǎn)磁力轉(zhuǎn)軸、工件架升降平臺(tái)，其中帶有樣品的樣品工件架插裝鍵連在工件架升降平臺(tái)的中軸支架上，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的自轉(zhuǎn)軸力轉(zhuǎn)軸穿過工件架升降平臺(tái)通過自轉(zhuǎn)齒輪與平面樣品工件架安裝在一起，所述工件架升降機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過支架桿依次經(jīng)螺紋鏈接的軸套、波紋套、導(dǎo)向器連接至工件架升降平臺(tái)底部。工件架采用雙軸兩側(cè)引入，平面樣品和柱面樣品工件架可快速更換，適應(yīng)范圍廣。</p&g

34、t;<p>　　2.2 膜厚均勻性的計(jì)算</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)要求真空鍍膜層厚度的分布是均勻的或者是按特定要求的比例分布。如光學(xué)零件的增透膜、干涉濾光膜要求很高的均勻度, 非球面薄膜則要求在平面上淀積拋物線型的厚度分布層。為了控制厚度的分布, 首先要找出影響膜厚的主要因素, 從理論上來計(jì)算厚度的分布, 從而在制膜工藝上控制這些因素, 以達(dá)到預(yù)期的效果。</p><p>

35、;　　影響膜層厚度的主要因素有: (1) 襯底表面的形狀。(2) 蒸發(fā)源的特性。(3) 蒸發(fā)場(chǎng)的物理性質(zhì)。假定蒸發(fā)場(chǎng)的物理性質(zhì)滿足如下條件: 工作室的氣壓很低, 足以保證蒸發(fā)物質(zhì)的分子不受到剩余空氣的碰撞而直接到達(dá)襯底表面, 且立即凝結(jié)。一般來說,普通高真空鍍膜設(shè)備的工作真空度均等于或小于1×1024To rr, 此時(shí), 剩余氣體分子的平均自由程KE 0. 5m。而實(shí)際生產(chǎn)中蒸發(fā)源至凝結(jié)點(diǎn)的距離一般是不會(huì)超過0. 5m 的,

36、所以蒸發(fā)分子可以不受阻礙地到達(dá)襯底表面, 并設(shè)蒸發(fā)物分子之間的碰撞可忽略不計(jì)。對(duì)于蒸發(fā)源, 最理想的是一個(gè)極小的點(diǎn)狀蒸發(fā)源, 它的直徑相對(duì)于蒸發(fā)源至襯底表面的距離而言是很小的, 可以忽略不計(jì), 而且在蒸發(fā)時(shí)各個(gè)方向上的物理性質(zhì)均等。</p><p>　　設(shè)有M 克物質(zhì)從點(diǎn)源蒸發(fā)后凝結(jié)于半徑為R 的球殼內(nèi)表面上, 若點(diǎn)源位于球的中心, 則球內(nèi)表面上的膜層應(yīng)是均勻的, 因?yàn)楦飨蛏系奈锢硇再|(zhì)均等。設(shè)蒸發(fā)前的物質(zhì)體積為V

37、</p><p>　　則式中為物質(zhì)的密度。</p><p>　　假定蒸發(fā)后的物質(zhì)完全凝結(jié)于球體內(nèi)表面, 設(shè)體積為V ′= 4式中t為球體內(nèi)表面膜層厚度。</p><p>　　由于蒸發(fā)前后物質(zhì)的體積應(yīng)相等V = V ′</p><p>　　故膜層厚度t = (1)</p><p>　　從式(1) 中可看出, 厚度t 與蒸

38、發(fā)源至凝結(jié)點(diǎn)的距離平方成反比。但是, 如點(diǎn)源蒸發(fā)至平面鏡上, 如圖2-7 所示, 則膜層厚度的分布就不按(1) 計(jì)算。</p><p>　　圖2-7 點(diǎn)源蒸發(fā)至平面鏡圖</p><p>　　此時(shí)膜層的厚度分布將是不均勻的, 因?yàn)槠矫骁R上各點(diǎn)至蒸發(fā)源的距離不同, 而且蒸汽的入射角也不相同, 我們可推導(dǎo)出另一公式[ 1 ] , 由于點(diǎn)源各向的物理性質(zhì)相則每一單位立體角dX 內(nèi)蒸發(fā)的物質(zhì)dm 應(yīng)

39、該相等。見圖2-8。</p><p><b>　　圖2-8 示意圖</b></p><p>　　設(shè)有M 克的物質(zhì)從點(diǎn)源完全蒸發(fā)凝結(jié)于一平面鏡A OB 上, 則</p><p>　　因?yàn)檎麄€(gè)圓球?qū)η蛐乃牧Ⅲw角為4, 故除以4, 任一球表面與所包立體角的關(guān)系為:</p><p>　　式中r 為球半徑, 即為凝結(jié)點(diǎn)至蒸發(fā)源

40、的距離, 現(xiàn)以h 代之。</p><p>　　從圖2 中知 </p><p><b>　　則</b></p><p>　　在ds2 處的厚度應(yīng)是該處的膜層體積除以面積ds2</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　

41、設(shè)點(diǎn)源至平面的垂直距離為, 垂線與平面的交點(diǎn)為0 點(diǎn), 0 點(diǎn)的厚度t0。則任意點(diǎn)厚度與0 點(diǎn)厚度之比：</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　在生產(chǎn)實(shí)際中往往都采用的是表面源, 通常用鉬片作成舟形淺槽, 內(nèi)盛被蒸發(fā)物質(zhì), 通過強(qiáng)大電流加熱鉬片, 如圖2-9、圖2-10。被蒸發(fā)的物質(zhì)受熱后, 熔融成液態(tài), 以其表面向鉬槽上方蒸發(fā)物質(zhì), 液體表

42、面蒸發(fā)的情況符合克努曾余弦定律, 即蒸發(fā)分子的濃度與表面蒸發(fā)出射角的余弦成正比。即:</p><p>　　圖2-9 舟形淺槽鉬片</p><p>　　圖2-10 蒸發(fā)分子的濃度與表面蒸發(fā)出射角</p><p>　　因此按照余弦定律和點(diǎn)源的基本公式推導(dǎo)方式可進(jìn)一步推導(dǎo)出表面源的基本公式[ 2 ]。</p><p>　　假設(shè)與表面源的表面法線成H

43、角方向上的單位立體角內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)為dm , </p><p>　　假定有M 克物質(zhì)完全蒸發(fā)在半球形的內(nèi)表面上,</p><p><b>　　則</b></p><p>　　設(shè)一大平面平行于表面源</p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　因?yàn)樵? 點(diǎn)等于零

44、, 所以0 點(diǎn)的厚度t0, 可用下式表示,</p><p>　　任一點(diǎn)與0 點(diǎn)厚度之比 </p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　關(guān)于條狀蒸發(fā)源、圓柱面蒸發(fā)源和環(huán)狀蒸發(fā)源的厚度分布的理論公式可參考文獻(xiàn)[ 3 ]。上面是從理論上對(duì)膜層厚度均勻性問題的論述與計(jì)算, 而在生產(chǎn)實(shí)踐中, 大家對(duì)膜層均勻性的探討積累了豐

45、富的經(jīng)驗(yàn), 為了充分滿足這個(gè)要求, 經(jīng)典的工件架的結(jié)構(gòu)有二種, 即一種是平面工件架夾具, 一種是球形工件架夾具, 如何選用夾具和布置蒸發(fā)源是鍍膜室內(nèi)很重要的考慮內(nèi)容。</p><p>　　2.3 真空系統(tǒng)方案</p><p>　　本次設(shè)計(jì)參考實(shí)驗(yàn)室DMDE-450型和DZ300鍍膜機(jī)，該真空蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)是采用電阻蒸發(fā)方式，在高真空鍍膜室內(nèi)蒸鍍金屬銅，鋅等源料。</p><

46、;p>　　圖2-11 設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)圖</p><p>　　為了滿足蒸發(fā)鍍膜這一前提條件，需要配置一個(gè)真空系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用渦輪分子泵FB600進(jìn)行抽氣，前級(jí)泵采用2X-8型機(jī)械泵。抽氣線路中配有CC-150插板閥，</p><p>　　CF35旁抽角閥，電磁閥。</p><p>　　真空室是一個(gè)Φ300鐘罩型升降結(jié)構(gòu)，真空室高度為400mm。真空室配有2個(gè)<

47、;/p><p>　　CF63觀察窗和一個(gè)放氣閥。在真空室下降后，使用導(dǎo)銷進(jìn)行定位，并使用O型密封圈進(jìn)行密封。</p><p>　　為了滿足各種蒸鍍的需要，真空室中配備了1組水冷電極，可以大功率的蒸發(fā)源料。</p><p>　　該系統(tǒng)使用時(shí)的真空度為6.6，抽氣時(shí)間大概為45分鐘左右，詳細(xì)計(jì)算過程在下文可見。</p><p>　　整個(gè)設(shè)備固定在10

48、20mm的支架上，支架由4個(gè)底腳支持，由于機(jī)械泵直接放在地上，所以不對(duì)支架設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)。</p><p><b>　　2.4 樣品架方案</b></p><p>　　圖2-12 樣品架方案圖</p><p>　　根據(jù)薄膜的生成，我們可以知道決定膜厚的因素主要有：蒸發(fā)的速率和時(shí)間（或者取決于裝料量）、基片和源之間的距離。為了滿足在一次鍍膜工藝中得

49、到不同膜厚的基片，從而給出以下幾種類型的方案：1、多源蒸發(fā) 2、單源進(jìn)給 3、基片蒸鍍時(shí)間控制。</p><p>　　2.4.1 多源蒸發(fā)</p><p>　　圖2-13 蒸發(fā)源示意圖</p><p>　　該方案是在真空室中設(shè)置多個(gè)蒸發(fā)源，然后利用擋板進(jìn)行對(duì)蒸發(fā)源的遮擋，來改變蒸發(fā)的速率，從而改變薄膜的生成。</p><p>　　但是考慮到源

50、與源之間可能照成相互污染的問題，因此不采用這種方法。</p><p>　　2.4.2 單源進(jìn)給</p><p>　　圖2-14 進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意圖</p><p>　　該方案是將蒸發(fā)源設(shè)置在真空室的邊側(cè)，利用步進(jìn)電機(jī)控制樣品架的公轉(zhuǎn)，再利用擋板對(duì)基片架進(jìn)行遮擋，使得一次只有一個(gè)工位可以蒸鍍。同時(shí)通過大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)動(dòng)使得小齒輪上的基片架進(jìn)行自轉(zhuǎn)。</p

51、><p>　　由于該方案真空室內(nèi)傳動(dòng)件太多，而且齒輪機(jī)構(gòu)過多容易故障，并且該方案蒸鍍效率不高，不適宜操作。因此不采用該方案。</p><p>　　2.4.3 基片蒸鍍時(shí)間控制</p><p>　　如圖2-12所示，基片架由焊接支架固定在真空室上方，通過小齒輪和大內(nèi)齒圈的嚙合，由電機(jī)帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小齒輪自轉(zhuǎn)，鍍膜工位得以自轉(zhuǎn)，保證其鍍膜均勻性。在鍍膜過程中，鍍膜

52、工位與蒸發(fā)源的相對(duì)位置保持不變，通過可逆電機(jī)控制每個(gè)工位下面單獨(dú)的擋板對(duì)各自的工位進(jìn)行遮擋，控制了各自蒸鍍的時(shí)間，從而得到不同工位不同膜厚的結(jié)果。</p><p>　　由于真空室裸露的傳動(dòng)件過多，在齒輪下方設(shè)置了一塊厚度為2mm的擋板。防止傳動(dòng)的齒屑和潤(rùn)滑油等對(duì)真空室的污染。</p><p>　　基片架的安裝是要先安裝大擋板和支撐軸，再安裝階梯軸上的圓盤，再將軸固定在大齒輪上。其他部位依次

53、安裝即可。</p><p>　　該方案缺點(diǎn)是需要的擋板以及電機(jī)過多，但是操作簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，因此選擇該方案。</p><p><b>　　3 配置真空系統(tǒng)</b></p><p>　　3.1 鍍膜室殼體壁厚的確定</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，真空鍍膜室為圓筒型，其內(nèi)徑為300mm,高度為400mm。按照壁厚計(jì)算公式，

54、圓筒殼體只承受外壓的時(shí)候，按照穩(wěn)定條件，其計(jì)算壁厚為：</p><p>　　式中為圓筒計(jì)算壁厚，D為圓筒內(nèi)徑，P為外壓設(shè)計(jì)壓力；L為圓筒計(jì)算長(zhǎng)度；為材料溫度為t時(shí)的彈性模量（7.2*10^4MPa）。</p><p><b>　　圓筒實(shí)際壁厚應(yīng)為：</b></p><p>　　其中S為圓筒實(shí)際壁厚，單位mm；C為壁厚附加量</p>

55、<p>　　為鋼板的最大差附加量（一般取0.5mm）；為腐蝕速度（大氣腐蝕速度0.05mm/年，雙面腐蝕取2mm）;為封頭沖壓時(shí)的拉伸減薄量。</p><p><b>　　此外，還需滿足：</b></p><p>　　綜上式子可得實(shí)際壁厚：</p><p>　　3.2 真空室選泵的計(jì)算</p><p>　　3

56、.2.1粗算主泵抽速</p><p>　　初選系統(tǒng)極限工作壓強(qiáng)p = 1*10-5 Pa，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可知系統(tǒng)有效抽速為：</p><p>　　S=（5--10）V</p><p>　　其中，S為抽速，V為真空室體積，</p><p>　　式中，D為真空室內(nèi)徑300mm，L為真空室的高400mm</p><p>　　計(jì)

57、算可得：S = 141.3—282.6 L/s</p><p>　　粗選FB600型分子泵抽速為600L/S極限真空8×10-6Pa</p><p>　　3.2.2 流導(dǎo)計(jì)算</p><p>　　FB600分子泵口徑為150mm，與真空室之間連接口徑為156mm的管道,管道總長(zhǎng)度為330mm,中間有一個(gè)插板閥。總的流導(dǎo)為管道以及插板閥的串聯(lián)流導(dǎo)。</

58、p><p>　　確定氣體沿管道的流動(dòng)狀態(tài)。真空室工作壓力為10-5 Pa時(shí)，分子泵入口壓力很低，所以管口的壓力可以忽略，管路中的平均壓力5×10-4 Pa，</p><p>　　此時(shí)，D*P=156×10-3 * 5×10-4 =7.8×10-5 Pa*m ＜ 0.02Pa*m</p><p>　　所以，管道中為分子流</p

59、><p><b>　　（1）管道流導(dǎo)為</b></p><p>　　(2)插板閥的流導(dǎo)查表得：C2 = 400L/s</p><p><b>　　所以，總流導(dǎo)：</b></p><p>　　3.2.3 精算主泵抽速</p><p>　　考慮管道流導(dǎo)，主泵對(duì)真空室的有效抽速S1&l

60、t;/p><p>　　所得結(jié)果與初算時(shí)的抽速相差很小，所以選擇的主泵符合要求。 </p><p>　　3.2.4 前級(jí)泵的計(jì)算</p><p>　　FB600分子泵的前級(jí)壓力為40Pa，所以，根據(jù)第一機(jī)械工業(yè)部制定的標(biāo)準(zhǔn)所推薦的前級(jí)泵選取2X-8型機(jī)械泵。</p><p><b>　?。?）流導(dǎo)的計(jì)算</b></p&

61、gt;<p>　　選取排氣口管道為直徑50mm的管道，長(zhǎng)約為640mm，因?yàn)榉肿颖贸隹趬毫?0Pa，機(jī)械泵進(jìn)口壓力要比40Pa低得多，計(jì)算管道中平均壓力P≈20Pa</p><p>　　此時(shí)，D*P=50×10-3 * 40= 2 Pa*m ＞ 0.65Pa*m</p><p>　　所以，管道中為粘滯流。</p><p><b>　

62、　流導(dǎo)：</b></p><p>　　（2）前級(jí)泵抽速的粗算：</p><p>　　主泵名義抽速為S1時(shí)的最大工作壓強(qiáng) P大 = 5×10-5 Pa</p><p>　　主泵出口的最大排氣壓強(qiáng) P反 = 40Pa</p><p>　　主泵的最大排氣量 Qmax = S1*P大=810×5×10-5 =

63、4.05×10-2 Pa*L/s</p><p><b>　　前級(jí)泵抽速：</b></p><p>　?。?）前級(jí)泵抽速的粗算：</p><p>　　所得結(jié)果與粗算中相差很少，所以說明所選的前級(jí)泵符合要求。</p><p>　　3.2.5 抽氣時(shí)間的計(jì)算</p><p><b>

64、;　　初抽時(shí)間為：</b></p><p>　　式中：容器的體積V（包括管道的體積在內(nèi)）</p><p>　　容器中所要達(dá)到的壓強(qiáng)Pc=0.1Pa；</p><p>　　容器的初始?jí)簭?qiáng)Pcp=105Pa； </p><p>　　泵的抽速Sp=1

65、5L/s；</p><p>　　粘滯流時(shí)管道的系數(shù)K</p><p>　　F為空氣自由程與所用氣體的自由程的比值</p><p>　　C為分子流時(shí)管道的流導(dǎo)</p><p>　　插板閥的流導(dǎo)C3 = 400L/s</p><p>　　3.2.6計(jì)算分子泵的抽氣時(shí)間</p><p>　　分子泵對(duì)

66、電離規(guī)真空計(jì)處的有效抽速為：</p><p><b>　　管道流導(dǎo)：</b></p><p>　　查表得不銹鋼放氣率為：</p><p>　　真空室的內(nèi)表面積為：</p><p><b>　　由公式</b></p><p>　　將起始?jí)簭?qiáng)為0.1Pa代入，</p>

67、<p>　　=> t1=1.087h</p><p>　　將終止壓強(qiáng)10-4 Pa代入,</p><p>　　=> t2=1.86h</p><p>　　故高真空抽氣時(shí)間t=t2-t1=1.86-1.087=0.773h</p><p><b>　　3.3 電機(jī)的選擇</b></p>

68、<p>　　本次設(shè)計(jì)采用的電機(jī)是60KTYZ電容分相爪極式永磁可逆同步電機(jī)</p><p><b>　　該電機(jī)參數(shù)：</b></p><p>　　型號(hào)：WS-60KTYZ</p><p><b>　　極數(shù)：12</b></p><p>　　額定功率：14W kW</p>

69、<p>　　額定電壓：12-220V V</p><p>　　額定電流：0.45A A</p><p>　　額定轉(zhuǎn)速：1-110轉(zhuǎn) rpm</p><p>　　額定轉(zhuǎn)矩：1-80KG/CM NM</p><p>　　外形尺寸：60*60 mm</p><p><b>　　防護(hù)等級(jí)：E</b&g

70、t;</p><p><b>　　重量：500g</b></p><p>　　電機(jī)特點(diǎn)：60KTYZ單相可逆永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種帶有齒輪減速器的小型交流可逆同步電動(dòng)機(jī)，它具有體積小、重量輕、噪音低、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行平穩(wěn)、可雙向控制、輸出力矩大、堵轉(zhuǎn)能力強(qiáng)等特點(diǎn)</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p>

71、<p>　　長(zhǎng)期以來，真空鍍膜機(jī)一直有著或多或少的不足，如何改進(jìn)鍍膜設(shè)備，提高鍍膜效率以及可靠性是當(dāng)前的話題。樣品架的改進(jìn)僅僅是其中的一部分。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的樣品架在保證鍍膜的基本要求上，能夠完成特殊的工藝要求，比如能夠在一次鍍膜工藝中獲得不同膜厚的樣品。這是一條新思路，相信對(duì)鍍膜機(jī)的改進(jìn)有著一定的意義。</p><p>　　當(dāng)然由于水平有限，資源不足，接觸到的

72、東西也只是冰山一角。設(shè)計(jì)的方案必然有欠缺和需要改進(jìn)的地方，希望能夠諒解。</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　經(jīng)過將近幾個(gè)月的忙碌，我基本上完成了樣品架的設(shè)計(jì)。在這整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中我遇到了許多的問題，但是通過查找資料、和同組的同學(xué)一起探討、請(qǐng)教指導(dǎo)老師來解決了這些問題。從這次設(shè)計(jì)當(dāng)中我不但把以前學(xué)習(xí)到的知識(shí)運(yùn)用上來了，還學(xué)習(xí)了一些我們以前

73、沒有學(xué)到的，可以說是即學(xué)即用。這對(duì)于即將走上工作崗位的我來說是一個(gè)很好的鍛煉，因?yàn)閰⒓庸ぷ髦筮€有很多的東西要學(xué)，我們就應(yīng)該具有這種即學(xué)即用的能力?？偟膩碚f，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多知識(shí)，也深刻體會(huì)到畢業(yè)設(shè)計(jì)這一課在整個(gè)大學(xué)學(xué)習(xí)當(dāng)中的重要性。</p><p>　　在這次設(shè)計(jì)當(dāng)中，我得到了指導(dǎo)老師方老師的悉心指導(dǎo)，方老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，都給予我悉心的指導(dǎo)和幫助?？梢哉f，沒有方老師的悉心

74、指導(dǎo)和幫助，我是不可能順利完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的。另外，她的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。因此，在這里我衷心地感謝方老師。同時(shí)也謝謝和我一組的成員。</p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)]</b></p><p>　　[1] 達(dá)道安，真空設(shè)計(jì)手冊(cè)M。北京:國(guó)防工業(yè)出版社M，2004.7</p><p&g

75、t;　　[2] 陳志民，游新娥,Solidwork基礎(chǔ)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.2009</p><p>　　[3] 侯志林，過程控制與自動(dòng)化儀表（M）。北京:機(jī)械工業(yè)出版社（M），2003.1</p><p>　　[4] 張以忱，真空鍍膜設(shè)備。冶金工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[5] 合工大真空教研室 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算.合肥工業(yè)大學(xué) 2001&l

76、t;/p><p>　　[6] 濮良貴，紀(jì)名剛，機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）.高等教育出版社 2001</p><p>　　[7] 張以忱，真空工藝與實(shí)驗(yàn)技術(shù)。冶金工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[8] Lan Stevenson,Frank Zimone,Dale Morton. 鍍膜工藝與鍍膜系統(tǒng)配置，真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，23（6）</p>

77、<p>　　[9] 龔桂義,機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)書.高等教育出版社.1979</p><p>　　[10] 鄭文緯等,機(jī)械原理.高等教育出版社</p><p>　　[11] 陳玲玲，李國(guó)卿，黃開玉等，鍍膜機(jī)的微機(jī)控制，《真空》2003年6期22一26頁(yè)</p><p>　　[12] 李國(guó)恒，金林發(fā)，陳興義等，國(guó)產(chǎn)晶振膜厚控制儀在國(guó)產(chǎn)鍍膜機(jī)上實(shí)現(xiàn)多層膜半自動(dòng)化。

78、</p><p>　　[13] 徐祖華，盛義發(fā)，肖金鳳.低功耗磁濺式真空鍍膜機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng).機(jī)電一體化，2003.</p><p>　　[14] 陳曦.關(guān)于提高渦輪分子泵使用壽命的幾點(diǎn)體會(huì).建筑玻璃與工業(yè)玻璃，1996，(5):28</p><p>　　[15] 許大中，賀益康.電機(jī)控制.杭州:浙江大學(xué)出版社，2加2</p><p>　　[1