A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView



Скачать 73.96 Kb.
Дата27.04.2013
Размер73.96 Kb.
ТипДокументы
A.7.O.ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ ПОД УПРАВЛЕНИЕМ АППАРАТНО–ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА НА ОСНОВЕ СРЕДЫ ГРАФИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ LabView.
Б. М. Синельников1, В. А. Тарала1, М. А. Оспищев1, В. М. Шипилов1

1. СевКавГТУ, Ставрополь, просп. Кулакова 2, 8-8652-944172, mihalis@ncstu.ru
1. Введение

В работе рассматривается возможность применения среды графического программирования LabView при создании программно-аппаратного комплекса для управления технологическим процессом выращивания монокристаллов карбида кремния (SiC).

Карбид кремния является перспективным материалом для изделий силовой электроники, оптоэлектроники и микросистемой техники. Уникальность свойств SiC позволяет улучшить практически все характеристики приборов силовой и цифровой электроники: быстродействие, предельные коммутирующие токи и напряжения, статические и динамические потери. Приборы из карбида кремния могут работать при повышенном уровне радиации и высокой температуре. Основные направления использования приборов на карбиде кремния – это атомная энергетика (из-за радиационной и термостойкости), автомобилестроение (из-за термостойкости), химическая и газовая промышленность (химическая стойкость), а также силовая электроника (малые потери мощности, большие прямые токи и высокое обратное напряжение).

Между тем, стремительному развитию полупроводниковой SiC–электроники препятствует низкое качество выращиваемых монокристаллов карбида кремния. Получение качественных малодефектных (в идеале бездефектных) кристаллов сопряжено с рядом трудностей, и одна из них – качественная система управления процессом роста кристалла.

В настоящее время в подобных системах роста монокристаллов для обеспечения высокой стабильности поддержания температуры в камере роста применяются автоматические системы управления электропитанием нагревательного элемента, базирующаяся на промышленном высокочастотном регуляторе температуры и программном задатчике уровня. Градуировка температуры нагревателя осуществляется с помощью оптического пирометра. Контроль за системой электропитания осуществляется с помощью измерительного комплекса, позволяющего измерить одновременно силу тока, напряжение и мощность. Работа системы основана на законе ПИД–регулятора.

С научной и инженерной точки зрения такой тип системы регулирования малоэффективен, так как не позволяет производить смену параметров регулирования и алгоритма функционирования системы для достижения желаемого результата. Подобный тип системы жестко привязан к оборудованию и не предоставляет возможности эксперимента.
2. Результаты работы

На ООО НПФ “Синкрист” совместно с СевКавГТУ была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для выращивания низкодефектных монокристаллов карбида кремния.
Установка представляет собой вакуумную камеру, снабженную системой откачки и напуска газов, печи резистивного нагрева. Для поддержания температуры в камере предусмотрена системы управления электропитанием нагревательного элемента, основанная на регуляторе температуры и программном задатчике уровня. Рабочие температуры составляют от 2100 ºС до 2600 ºС.



Рисунок 1 – Структурная схема экспериментальной установки по выращиванию монокристаллов SiC


Отличительной особенностью разработанной установки является так называемая экспериментальная программно–аппаратная надстройка, дополнив установку которой, планировалось расширить функциональные и экспериментальные возможности системы в целом, и что самое немаловажное освободить технолога от утомительной работы.

Внедрение экспериментальной надстройки придало процессу выращивания монокристаллов живой оттенок. Человек принимает активное участие в подборе оптимальных параметров роста кристалла непосредственно во время процесса роста, опираясь на свой опыт, при этом электроника отрабатывает указанный алгоритм, подсказывая оптимальный режим и предотвращая возможные аварийные ситуации.

С момента внедрения системы прошло несколько экспериментов, но уже видны явные качественные улучшения выращенных монокристаллов. Благодаря протоколированию функций состояний узлов установки во время процесса роста удачный эксперимент всегда можно повторить, дополнив алгоритм необходимыми параметрами. Появилась возможность выявлять факторы, положительно и отрицательно влияющие на качество выращенного монокристалла, тем самым соответственно включая и исключая их во время процесса.
3. Оборудование

Разработанная система представляет собой аппаратно–программный комплекс на базе новейших разработок фирмы ATMEL и NATIONAL INSTRUMENTS.

Учитывая имеющийся у коллектива лаборатории МНИЛМЭН опыт по разработке микропроцессорных систем было решено создать цифровую част системы самостоятельно. Аппаратная часть (сам цифровой регулятор) был реализован на базе высокопроизводительного восьмиразрядного микроконтроллера фирмы ATMEL ATmega-16 с RISC архитектурой на ядре AVR, имеющий богатый набор периферии и низкую стоимость. Функциональная часть системы представлена на рисунке 1. Контроль выделяемой мощности в ростовой камере производится путем измерения тока и напряжения на входе нагревателя, которые поступают на блок гальванической развязки, реализованный на аналоговых высоколинейных оптопарах. В системе используется два отдельных источника питания в целях полного исключения гальванической связи силовой и цифровой части системы. Далее происходит нормализация аналоговых сигналов, которые поступают на два канала восьмиканального десятиразрядного аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав микроконтроллера. После обработки микроконтроллером оцифрованные сигналы выдаются в последовательном формате через универсальный синхронно–асинхронный приёмо-передатчик (УСАПП) в модуль интерфейса RS – 232 , затем в COM – порт персонального компьютера и далее информация передаётся виртуальному инструменту, написанному в среде LabView.

Виртуальному инструменту LabView отведена самая ответственная роль в управлении процессом. Предварительный анализ возможностей LabView показал, что система содержит все необходимые функции и виртуальные инструменты для быстрого и высокоэффективного построения экспериментальной системы регулирования. Кроме того, исключительная стабильность в работе и отсутствие “зависаний” виртуального инструмента дали понять, что LabView смело можно доверить управление ответственным процессом. Были определены функции, возложенные на виртуальный инструмент LabView. В LabView организован диалог с оператором для определения параметров роста монокристалла карбида кремния, ведется протокол текущих условий в ростовой камере. В LabView была реализована важнейшая часть алгоритма автоматического регулирования температурой процесса выращивания монокристаллов карбида кремния.

Получив оцифрованные значения тока и напряжения, виртуальный инструмент LabView определяет мощность, подведённую к нагревателю. Графики всех трёх величин отображаются на интерфейсной панели виртуального инструмента и протоколируются в файл для дальнейшего анализа (рисунок 2). Сигнал подвергается усреднению и RMS-DC преобразованию, что исключает провалов во время процесса регулирования. Далее в LabView происходит отработка алгоритма адаптивного PID–регулятора. Так как система относится системам управления нереального времени, то есть время отклика системы на воздействие не является критическим и строго ограниченным во времени, то программный адаптивный PID–регулятор более чем отвечает потребностям системы управления. Получив на выходе регулятора сигнал воздействия, функция работы с COM–портом по протоколу RS-232 выдает обратно в аппаратную часть цифровой сигнал, который по высокоскоростному SPI–интерфейсу подаётся на цифровой потенциометр, который в свою очередь управляет системой импульсно-фазового управления тиристорами (СИФУ). Во время работы регулятора оператору позволено менять все не критические значения параметров состояния системы, что расширяет возможности системы и дает оператору возможность принимать участие в процессе выращивания монокристаллов карбида кремния, тем самым совмещая надёжность и точность системы управления, и творчество оператора.




Рисунок 2 – Интерфейсная панель разработанного виртуального инструмента



4. Преимущества технологий National Instruments

Как правило, разработка программного обеспечения (ПО) для контроля и управления технологическими процессами и научными экспериментами производится программистами на языках высокого уровня, таких как C++, Delphi, PASCAL и их visual версиях. Такой путь разработки (ПО) малоэффективен в виду длительности самого процесса написания и отладки программы. Кроме того, программист, являясь специалистом в языках программирования имеет смутное представление об аппаратных тонкостях системы, (протоколы работы портов ввода/вывода, принцип сопряжения устройств, архитектура микроконтроллеров и т.д.), что часто приводит к ошибкам работы ПО и оборудования. Разработка отлаженного ПО занимала несколько недель, а то и месяцев. Среда графического проектирования LabView коренным образом меняет отношение к разработке контрольно–измерительных и управляющих систем, в частности ПО для их работы. За рекордно сжатые сроки LabView позволяет создать сложный и высоконадежный виртуальный инструмент. С помощью интуитивно понятных функции и встроенных готовых виртуальных инструментов, как в детском конструкторе, можно создать приложение, которому можно доверить управление самым сложным технологическим процессом или научным экспериментом. Наличие в LabView легко конфигурируемых функций работы с портами по протоколу RS-232 и RS-485 делают её незаменимой в промышленном применении.

Для плодотворной научной работы и экспериментов требуется парк дорогостоящих инструментов. Технологии National Instruments предоставляют возможность при малых затратах получить высококачественный инструмент как для сбора, обработки и представления различного рода экспериментальной информации (спектральный анализ, Фурье анализ и пр.), так и для управления технологическими процессами реального и нереального времени.
Заключение

LabView полностью оправдала своё предназначение и все возложенные на неё надежды. Дальнейшие развитие системы управления экспериментальной установкой по выращиванию монокристаллов карбида кремния и экспериментальной установкой по напылению тонких SiC–пленок будет проводиться исключительно с привлечением передовых технологий National Instruments. Особенно вызывает интерес модуль реального времени и возможности построения систем управления на основе функций нечеткой логики.

Наличие модуля реального времени позволит при завершении экспериментов спроектировать автономную систему управления технологическим процессом выращивания объемных кристаллов и тонких плёнок карбида кремния

Мощь и интуитивная простота нечеткой логики предсказывает ее успешное использование в системе управления процессом роста кристалла. При этом происходит подключение человеческой интуиции и опыта оператора.
Литература

  1. Б.М. Синельников, В.А. Тарала, Н.И. Каргин, В.М. Шипилов, Выращивание слитков карбида кремния на буферных слоях 3С-SiC.

  2. Синельников Б.М., Тарала В.А., Каргин Н.И., Митченко И.С. Низкотемпературный рост 3C-SiC и α-SixC1-x:H на кремнии. V Международная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» г.Кисловодск. 2005. стр 467-470.

  3. Техническая документация LabView 7.1

  4. Сайт http://www.ni.com

Похожие:

A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView iconВыращивание и исследование монокристаллов yni 2 b 2 C
Наибольшие размеры выросших yni2B2C монокристаллов
A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView iconИнформационно-телекоммуникационные технологии и электроника высокопроизводительные вычислительные системы
Азв5, специализированные интегральные схемы на основе карбида кремния и структурах "кремний-на-изоляторе"
A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView iconАлфавитно-цифровые индицирующие жк-модули на основе контроллера hd44780
Жки-модули на базе данных контроллеров. Эти модули можно встретить в самых разнообразных устройствах: измерительных приборах, медицинском...
A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView iconВ статье рассмотрены основные подходы к созданию единой образовательной информационной среды для общеобразовательных учебных заведений Брянской области на основе среды «км-школа» (ооо «Кирилл и Мефодий»)
Создание единой образовательной информационной среды для общеобразовательных учебных заведений брянщины на основе программного комплекса...
A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView iconИнструкция пользователя
Полный перечень тестов, входящих в состав аппаратно-программного комплекса апк “Психомоторика” 9
A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView iconИнструкция пользователя
Полный перечень тестов, входящих в состав аппаратно-программного комплекса апк “Функциональные асимметрии” 10
A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView iconИнтегрированные среды программирования
...
A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView iconИнструкция пользователя
Полный перечень психофизиологических и личностных тестов, входящих в состав аппаратно-программного комплекса апк “Спортивный психофизиолог”...
A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView iconМоделирование и прогнозирование катастрофических наводнений в спб
Для построения моделей на основе динамики природной среды, используется имитационная модель, как часть программного продукта Future...
A o выращивание монокристаллов карбида кремния на технологическом оборудовании под управлением аппаратно–программного комплекса на основе среды графического программирования labView iconРазработка методики и аппаратно-программного комплекса диагностирования технического состояния электрических цепей электропоездов
Специальность 05. 22. 07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org