基于FPGA的晶振膜厚控制系统设计①

朱文武

(安徽机电职业技术学院 电气工程系，安徽 芜湖 241000)

0 引 言

近年来，随着现代薄膜技术的飞速发展，光学薄膜、电子薄膜等各种不同功能的薄膜已经广泛应用于光学、电子电路、显示器等市场，智能化的镀膜设备越来越被广泛使用。系统以FPGA硬件为平台，结合光学镀膜技术和嵌入式软件设计，运用石英晶体监控法，通过采集石英晶体监控的信号数据和PID控制综合处理进行设计。

1 嵌入式平台硬件设计

使用Altera的CYCLONE EP2 C35 FPGA芯片，芯片内置NIOS-II处理器软核作为系统的主控制器，将处理器系统与外部设备相关驱动控制模块、接口等集成在FPGA 内部。

FPGA内部数字电路模块设计包括：石英晶体振荡探头信号采集A/D控制模块、SDRAM存储镀膜膜系数据控制器模块、LCD液晶显示驱动模块、按键控制模块、flash存储器控制器模块、SD存储卡控制器模块等电路设计。石英晶体薄膜厚度监测控制系统的总体结构框图见图1。

2 算法实现

基于FPGA的薄膜厚度监测控制系统，依据镀膜机电子枪镀膜中晶振探头采集的蒸发速率的变化测量膜厚。该算法的PID用于控制薄膜厚度监测控制系统的输出电压，调节镀膜电子枪的输出功率以稳定镀膜材料的蒸发速率。实验证明，利用该方法研究其在电子束蒸发过程中速率控制的算法进行蒸发，可以使镀膜膜料SiO2得到较稳定的蒸发速率。其它镀膜机系统以及使用的不同镀膜膜料可依据该算法进行适当参数修改, 就可以大大改善速率的控制效果[1]。

图1 系统结构框图

1)测量膜厚算法

石英晶振监控法主要利用石英晶体本身的特性,测量薄膜厚度的石英晶体振荡法原理是石英晶体振荡的频率会随着晶体上的膜层质量而变化。石英晶体本身固有的振荡频率fq与其石英晶体的厚度D的关系为[2]：

fq=N/D

(1)

而沉积在石英晶体上的膜层材料已经改变了其本身的谐振频率，变成多种材料的一种混合振荡模式。因此应用能准确反映膜厚Δd与沉积石英晶体的混合振荡频率f之间变化关系的声阻抗法测厚公式,即:

(2)

式中Zm是沉积膜层的声阻抗值，Zq是石英晶体的声阻抗值。石英晶体探头经过振荡器的振荡频率可以用A/D芯片采样采集获得，从而软件设计利用该公式精确计算出实时的镀膜膜厚并能实时显示。

2)PID控制算法

PID控制被广泛应用于工业自动化控制领域,大多数的膜厚监控设备采用的都是PID 控制, PID 控制已能用FPGA芯片方便地实现。

电子束蒸发系统本身是一个较复杂的控制系统，已知其为带纯滞后的一阶惯性环节系统，可以作为电子束蒸发系统建模的依据，其蒸发速率传递函数为：

(3)

采用开环阶跃响应来测试电子束蒸发系统的动态特性，再来确定 PID控制的参数。在测试阶跃响应曲线时，先手动调节电子束蒸发系统开环稳定运行于实际工况设定的输出功率的1/3附近，然后快速调至设定的输出功率。运用由此方法，可以在镀膜实验记录得到的数据基础上，可以得到其蒸发速率传递函数的阶跃响应曲线，并通过作图法(见图2)得到K，T和τ这三个参数。

图2 蒸发速率的阶跃响应曲线

采用 Ziegler- Niehols经典整定方法：

(4)

通过电子束镀膜蒸发系统的K，T和τ这三个参数，可以计算出式(4)相应PID控制器的比例常数KP、积分常数KI和微分常数KD。

根据Ziegler-Niehols的经典调整方法，系统的过冲很大，为了确定KP、KI和KD的参数，晶振膜厚控制系统采用以下PID控制算法[3]：

(5)

其中u(t)为本薄膜厚度监测控制系统控制电子枪灯丝两端电压的输出值,e(t)为预设电压的输出值与实际输出值构成的偏差信号。要获得良好的PID控制效果，需要选择最合适的KP、KI和KD三个参数。将式(5)PID控制算法离散数字化处理得：

u(k)=u(k-1)+KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(6)

式中k=0，1 , 2 , …为采样序号,e(k)为第k次采样时薄膜厚度监测控制系统PID控制输出电压的偏差值 ,e(k-1)为第(k-1)次采样时薄膜厚度监测控制系统PID控制输出电压的偏差值, 通过e(k)和e(k-1)很容易通过两次采样得到薄膜厚度监测控制系统PID控制电子枪灯丝电压的变化量。该PID控制算法可以在FPGA内软件编写程序实现。

图3 薄膜厚度监测控制系统程序流程图

图4 系统主界面

3 程序流程图

启动薄膜厚度监测控制系统后，在显示的用户界面输入设定镀制每一膜系的蒸发的材料和关联的密度、传感器与沉积材料音阻的比值Z-因素等参数和蒸发前提条件处理, 沉积和后续条件处理等设定值，每一膜层的目标蒸发速率、膜厚以及过程段的速率设点的控制参数。

通过置于镀膜机真空室内的石英晶振探头和振荡器测得即时的晶振振荡频率，从而通过薄膜厚度监测控制系统的程序算法计算出蒸发速率和膜厚并显示。

在设定为自动开始模式下，当镀膜达到设定稳定的蒸发速率时，打开挡板，正式镀膜，进入PID闭环自动控制。晶振膜厚控制系统从晶振探头获得即时蒸发速率，并和用户设定的蒸发速率相比较得误差信号，该误差信号经PID算法计算得控制信号，经D/A数模转换器转换，实现对电子枪灯丝两端的电压调节。如果该层膜厚度已到，薄膜厚度监测控制系统驱动挡板控制模块去关闭挡板，同时判断膜系是否镀完，如果是则退出循环镀膜结束，否则程序载入下一膜层的控制参数，根据设定的膜层控制参数进行各个膜层的镀膜自动运行，重复上述过程,直至镀完整个膜系，程序流程图见图3。

4 结 论

系统采用Nios II IDE开发环境集成的C/OS-II嵌入式操作系统，设计晶振膜厚控制系统的镀膜监控用户菜单显示界面。实现人机交互触摸屏的镀膜监控界面，监控镀膜中各项数据变化，随时掌握蒸发速率、镀膜厚度、输出功率及时间变化，并同步显示动态的曲线图流程。石英晶体薄膜厚度监测控制系统的主界面显示设计见图4。

系统以FPGA硬件为平台，有机地结合嵌入式软件设计和光学镀膜技术，运用石英晶体监控法，通过采集石英晶体监控的信号数据和PID控制进行综合处理，实现一个基于FPGA嵌入式平台的石英晶体薄膜厚度监测控制系统。