電弧離子鍍陰極靶材起弧控制電路的設(shè)計(jì)及仿真＊

彌 謙，蘇朝輝

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安710021）

電弧離子鍍［1］（Arc Ion Plating，AIP）是將電弧技術(shù)應(yīng)用于真空鍍膜中，在真空環(huán)境下利用電弧蒸發(fā)靶材，實(shí)現(xiàn)鍍膜的過程［2］．它具有沉積能量大、沉積速率快、制備膜層致密度高的特點(diǎn)［3］．電弧離子鍍技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，并在隨后的幾十年里得到了全面的發(fā)展［4］．20世紀(jì)80年代被引入中國后，經(jīng)過多年的吸收、改造與發(fā)展，電弧離子鍍技術(shù)在裝飾鍍和刀具鍍等方面得到了廣泛的應(yīng)用，對相關(guān)產(chǎn)業(yè)也起到了積極的推動作用［5］．

現(xiàn)如今大多數(shù)用引弧針進(jìn)行引弧的裝置都是采用機(jī)械式接觸引?。?］，在引弧過程中，引弧針和陰極靶源的接觸點(diǎn)會存在很高的電流密度和溫度，如果引弧針沒有及時(shí)離開，就可能造成引弧針與表面融化的靶材粘連，導(dǎo)致引弧工作無法完成．而非接觸式引弧方式，是將引弧針與靶材分離，通過給引弧電極施加高壓脈沖，使引弧電極和陰極靶材之間產(chǎn)生放電，從而激發(fā)出靶源離子，離子在磁場作用下沉積在基片上實(shí)現(xiàn)鍍膜［7-8］．文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)了一種非接觸式的引弧器，能夠?qū)崿F(xiàn)靶材的自動引弧，但是其引弧方式為間斷式引弧，一次引弧失敗后會自動關(guān)閉高壓脈沖，需要重新開啟脈沖信號，這樣大大降低了起弧效率，而且多次引弧可能會將引弧材料的離子帶入真空室污染膜層．

本文根據(jù)非接觸式引弧原理，提出新式引弧結(jié)構(gòu)，對起弧控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，持續(xù)產(chǎn)生高壓脈沖，對控制電路環(huán)節(jié)的性能進(jìn)行仿真測試，以期消除電弧離子鍍過程中引弧針與靶材粘連．

1 引弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示．將設(shè)計(jì)的引弧結(jié)構(gòu)固定在起弧支架的側(cè)面，用指螺將引弧針固定在引弧架上，防止尖端放電，引弧針通過自身彎曲到達(dá)靶材表面附近，與靶材保持一定的距離，靶材通過壓圈固定在靶座上．

圖1 引弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig．1 Arc structure design

開始工作時(shí)，將直流高壓脈沖引到引弧針上，這樣就會使引弧針和靶材之間產(chǎn)生尖端放電，電弧打在靶材的側(cè)面形成弧斑，弧斑在周圍磁場的作用下高速旋轉(zhuǎn)到靶材的表面，同時(shí)釋放出大量的靶材離子，離子沉積在基片上完成鍍膜．為了提高靶材的引弧速度，在起弧支架上均勻放置了三個(gè)起弧器，同時(shí)工作時(shí)就避免了單一引弧器起弧成功率低的問題．相比于接觸式起弧裝置，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)提高了引弧的速度，簡化了接觸式引弧復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，去除了機(jī)械式引弧的起弧針分離結(jié)構(gòu)，避免了因?yàn)闄C(jī)械故障對鍍膜過程的影響，提高了整體設(shè)備的使用壽命．

2 控制電路設(shè)計(jì)

起弧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示．從圖2可以看出整個(gè)電路由高壓脈沖生成環(huán)節(jié)和控制電路兩個(gè)部分組成．高壓脈沖生成電路是通過驅(qū)動電路控制絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的開關(guān)將高壓直流信號斬波形成高壓脈沖信號，實(shí)現(xiàn)對陰極靶材的脈沖放電．在陰極靶源和真空室陽極之間接入一個(gè)恒流源，當(dāng)引弧成功后，靶源與真空室回路導(dǎo)通，傳感器用來檢測此回路中的電流大小從而判斷電弧工作是否穩(wěn)定，并將結(jié)果輸出給控制電路．控制電路由多諧振蕩器和電壓比較器組成，電壓比較器根據(jù)傳感器輸出的信號控制多諧振蕩器脈沖信號的開關(guān)，當(dāng)生成脈沖信號時(shí)，信號就會控制高壓脈沖生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生高壓脈沖，當(dāng)關(guān)閉脈沖信號時(shí)高壓脈沖也隨之關(guān)閉．

2．1 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

IGBT是由雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體三極管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transister，MOSFET）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低，適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域．

大功率IGBT，需要大功率的驅(qū)動電路，驅(qū)動電路主要分為分立元件驅(qū)動電路、光耦合驅(qū)動電路、厚膜驅(qū)動電路和專用集成驅(qū)動電路．其中，專用集成驅(qū)動電路具有很強(qiáng)的抗干擾能力，集成化程度較高，反應(yīng)速度快，具有完善的保護(hù)功能，因此本文使用專用集成驅(qū)動電路作為IGBT驅(qū)動電路．由日本富士公司研發(fā)的EXB系列集成驅(qū)動芯片是一種專用于IGBT的集驅(qū)動保護(hù)等功能于一體的復(fù)合集成電路，其內(nèi)部采用具有高隔離電壓的光耦隔離器作為信號隔離．驅(qū)動電路外加＋20V單電源供電，由內(nèi)部電阻和穩(wěn)壓管分壓為＋15V和-5V，分別作開柵電壓和關(guān)柵電壓．

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig．2 Plan of system design

2．2 脈沖電路設(shè)計(jì)

脈沖 寬 度 調(diào) 制 （Pulse Width Modulation，PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或場效應(yīng)管柵極的偏置，實(shí)現(xiàn)晶體管或場效應(yīng)管管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變．

本文設(shè)計(jì)使用555定時(shí)器來產(chǎn)生寬范圍的PWM．555定時(shí)器是一種中規(guī)模的集成電路，其成本低，性能可靠，只要在外部適當(dāng)配上阻容元件，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路．本文運(yùn)用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，工作是通過電容的充放電使電路在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間不斷變化，從而將直流信號變?yōu)榫匦尾ㄐ盘枺?/p>

振蕩器輸出信號的時(shí)間參數(shù)T為

式中：R1為電阻；R2為滑動變阻器；C為電容．

振蕩頻率f為

本設(shè)計(jì)根據(jù)需要設(shè)置電阻R1＝6kΩ，滑動變阻器R2＝10kΩ，電容C＝0．15μF，根據(jù)式（2）當(dāng)R2＝8kΩ時(shí)，頻率f＝470Hz，滿足脈沖頻率200～500Hz的要求．

2．3 電壓比較電路設(shè)計(jì)

在鍍膜機(jī)正常工作時(shí)，靶源與真空室回路的電流大小在50～170A范圍，說明真空室內(nèi)電弧放電處于正常狀態(tài)．一旦電弧放電產(chǎn)生熄弧現(xiàn)象，主電源相當(dāng)于對靶源陰極和真空室陽極形成開路，電流將迅速減小至零．通過對電流信號的采集，可以監(jiān)控電弧放電的正常與否，當(dāng)熄弧時(shí)重新進(jìn)行靶材的引?。褂眯吞枮長HB-200A的霍爾檢測式直流電流傳感器對電路信號進(jìn)行檢測，此直流電流傳感器可用于測量0～200A直流電流，并將輸入信號轉(zhuǎn)換為額定直流0～5V電壓輸出．采用獨(dú)立閉環(huán)“自環(huán)磁平衡”的測量方式，抗干擾能力強(qiáng)，能在復(fù)雜的環(huán)境下較準(zhǔn)確地測量直流電流．

比較環(huán)節(jié)電路由電壓跟隨器、電壓比較器組成，電流傳感器的檢測信號進(jìn)入電壓比較器，電壓跟隨器的輸出電壓和輸入電壓相同，電壓增益為1，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點(diǎn)，其在反饋環(huán)節(jié)電路起到緩沖作用．電壓跟隨器的輸出端與電壓比較器的同向輸入端連接，反向輸入端接參考電壓，當(dāng)正向輸入端的電壓高于參考電壓時(shí)，輸出高電平；當(dāng)電壓低于參考電壓時(shí)，輸出低電平．開始鍍膜時(shí)，由于此時(shí)陰極靶材沒有處在放電狀態(tài)，因此從電流傳感器檢測的陰極電流信號為零，經(jīng)過電壓跟隨器后進(jìn)入正向比較器，輸入信號為零，小于參考電壓，輸出低電平，低電平使三極管導(dǎo)通并輸出脈沖信號，脈沖信號通過IGBT驅(qū)動電路控制IGBT的開關(guān)，將高壓直流信號斬波成高壓脈沖信號從而在引弧電極與陰極靶材間形成電弧，成功引?。?dāng)靶材放電穩(wěn)定后，電流升高，電壓比較器的輸入信號隨之升高，當(dāng)大于參考電壓時(shí)，輸出高電平，三極管截止，脈沖信號隨之中斷，高壓脈沖關(guān)閉，而當(dāng)陰極靶材熄弧時(shí)，陰極電路減弱，脈沖信號則會立刻產(chǎn)生，重新引弧，靶材繼續(xù)釋放靶材離子．

3 電路仿真

應(yīng)用Multisim軟件對電壓比較電路和脈沖生成電路進(jìn)行仿真測試，首先根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路在軟件中繪制仿真電路并設(shè)置各器件的參數(shù)，當(dāng)靶材起弧穩(wěn)定后，靶源與真空室回路的電流大小在50～170A范圍，傳感器的輸出電壓在1．25～4．25V之間，設(shè)置電壓比較器參考電壓為1．5V，當(dāng)輸入電壓大于參考電壓時(shí)輸出高電平從而關(guān)閉高壓脈沖，反之亦然；然后在整個(gè)電路的輸入端接入模擬電源，其作用是代替電流傳感器的輸出電壓；在輸出端連接示波器來觀察輸出信號的波形，仿真電路如圖3所示．

圖3 仿真電路圖Fig．3 Circuit simulation

整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)分為初始脈沖開啟、穩(wěn)弧脈沖關(guān)閉和熄弧脈沖開啟三個(gè)階段．具體為

1）引弧脈沖生成，初始工作時(shí)，由于還沒有形成電弧，陰極靶材與真空室回路的電流為零，傳感器檢測到的信號也為零，因此將輸出信號電壓設(shè)置為0V，表示電弧沒有產(chǎn)生．點(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)行仿真，示波器輸出結(jié)果如圖4所示．示波器顯示波形為矩形波，表明電路成功輸出脈沖信號，可以通過IGBT形成高壓脈沖，對陰極靶材進(jìn)行起弧．

圖4 初次引弧脈沖信號Fig．4 First arc pulse signal

2）穩(wěn)弧后脈沖自動關(guān)閉，當(dāng)靶材電弧穩(wěn)定后，靶源與真空室回路的電流逐漸升高，當(dāng)電流大于參考電壓時(shí)表明引弧成功，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此設(shè)置模擬電源為4V，表示電弧進(jìn)入穩(wěn)態(tài)．仿真后，示波器輸出結(jié)果如圖5所示．結(jié)果顯示示波器輸出為0 V，高壓脈沖信號自動關(guān)閉．

3）熄弧脈沖自動開啟，當(dāng)電弧即將熄滅時(shí)，回路電流會急劇下降，當(dāng)電流低于參考電壓時(shí)，輸出低電平，重新開啟脈沖信號，實(shí)現(xiàn)對靶材的自動引?。O(shè)置電源為1V，表示電弧即將熄滅．仿真后示波器輸出結(jié)果與初始脈沖開啟時(shí)一致，表明高壓脈沖信號重新產(chǎn)生．

通過三次仿真可以看出設(shè)計(jì)的起弧控制電路可以在鍍膜機(jī)初始工作時(shí)打開高壓脈沖對陰極進(jìn)行引弧，在電弧穩(wěn)定后自動關(guān)閉脈沖信號，當(dāng)熄弧時(shí)又能重新開啟高壓脈沖，保證鍍膜過程中電弧的穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較合理，穩(wěn)定性較高，達(dá)到預(yù)期效果．

圖5 引弧穩(wěn)定后脈沖信號Fig．5 Pulse signal after the arc stability

4 印制電路板的制作與檢測

4．1 印制電路板制作

經(jīng)過對元件封裝的繪制、器件位置的安排以及布線和覆銅后，將電路圖轉(zhuǎn)換成了電路版圖，將印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）制作好后把元器件焊接在板子上，這樣一個(gè)完整的電路就制作完成，如圖6所示．

圖6 制作完成的PCB板Fig．6 PCB board completed

4．2 電路檢測

將電源打開調(diào)制檢測需要的電壓后關(guān)閉，把制作好的電路板與電源和示波器相連，如圖7所示．

圖7 PCB板檢測線路Fig．7 Detection circuit of PCB board

實(shí)驗(yàn)搭建好后，開始進(jìn)行檢測，檢測的方式與仿真時(shí)相同，在仿真中只進(jìn)行了控制環(huán)節(jié)的檢測，PCB板檢測中包含了IGBT的驅(qū)動電路，因此實(shí)驗(yàn)的輸出為驅(qū)動電路的輸出波形．首先進(jìn)行初始脈沖開啟實(shí)驗(yàn)，把電源電壓調(diào)制0V，示波器輸出結(jié)果如圖8所示，輸出為矩形波，從圖8可以看到波形中有許多尖峰噪聲干擾，表示電路在設(shè)計(jì)中可能存在缺陷．

將電源電壓調(diào)制4V，進(jìn)行脈沖關(guān)閉實(shí)驗(yàn)，輸出結(jié)果如圖9所示，與仿真結(jié)果相同，表示脈沖已經(jīng)關(guān)閉．

圖8 脈沖波形圖Fig．8 Pulse waveform

最后進(jìn)行熄弧脈沖開啟實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖8一致．通過對PCB板的實(shí)驗(yàn)可以看到，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，PCB板能夠滿足設(shè)計(jì)要求，在生成脈沖信號時(shí)整個(gè)電路會受到一些干擾，電壓的突變可能會燒壞IGBT，電路產(chǎn)生噪聲的原因很多，可以通過增加去耦電容或者給IGBT柵極增加瞬變電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）來緩解尖峰，保證電路能夠安全運(yùn)行．

圖9 脈沖信號關(guān)閉Fig．9 Pulse signal off

5 結(jié) 論

1）采用了非接觸式高壓脈沖引弧方式，簡化了整體結(jié)構(gòu)，避免了機(jī)械式引弧由于機(jī)械故障對鍍膜的影響，增強(qiáng)了設(shè)備的使用壽命，并且設(shè)置三個(gè)起弧器同時(shí)工作，提高了起弧的成功率和引弧速度．

2）設(shè)計(jì)了起弧控制電路，實(shí)現(xiàn)了對陰極靶源的自動引弧，通過電壓比較電路對靶源電流檢測控制高壓脈沖信號的開啟和關(guān)閉，增強(qiáng)了鍍膜過程中對靶材引弧的控制和保護(hù)能力．

3）對電路的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：整個(gè)電路在鍍膜機(jī)工作的各個(gè)階段都能正確的判斷高壓脈沖的開關(guān)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較合理，穩(wěn)定性能良好，基本達(dá)到預(yù)期效果．該系統(tǒng)還可以根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展膜厚檢測等模塊，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的最大化．

4）制作了電路的PCB板并進(jìn)行了檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，電路能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不過試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)生成脈沖信號的波形受到干擾，為保證安全，在電路中適當(dāng)加入電容或TVS管可能會更好．

［1］ 邱家穩(wěn)，趙棟才．電弧離子鍍技術(shù)及其在硬質(zhì)薄膜方面的應(yīng)用［J］．表面技術(shù)，2012，41（2）：93．QIU Jia-wen，ZHAO Dong-cai．A Review of Vacuum Arc Deposition and Its Application in Hardness Films［J］．Surface Technology，2012，41（2）：93．（in Chinese）

［2］ 孫亮．電弧離子鍍內(nèi)孔鍍膜研究［D］．大連：大連理工大學(xué)，2010．SUN Liang．Study on Films Deposited in Internal Holes by Arc Ion Plating［D］．Dalian：Dalian University of Technology，2010．（in Chinese）

［3］ 劉哲．電弧源制備氧化鋁薄膜的工藝研究［D］．西安：西安工業(yè)大學(xué)，2012．LIU Zhe．Al2O3Thin Films Deposited by Arc Ion Plating Technique［D］．Xi’an：Xi’an Technological University，2012．（in Chinese）

［4］ 黃美東，孫超，林國強(qiáng)，等．脈沖偏壓電弧離子鍍低溫沉積TiN硬質(zhì)薄膜的力學(xué)性能［J］．金屬學(xué)報(bào)，2003，39（5）：516．HUANG Mei-dong，SUN Chao，LIN Guo-qiang，et al．Mechanical Property of Low Temperature Deposited TiN Film by Pulsed Biased Arc Ion Plating［J］．Acta Metallurgica Sinica，2003，39（5）：516．（in Chinese）

［5］ 尤大偉．制備光學(xué)薄膜的離子源技術(shù)概述［J］．真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，29（1）：107．YOU Da-wei．Lastest Development of Ion Beam Sources Fabricated with Optical Coatings［J］．Chinese Journal of Vacuum Science and Technology，2009，29（1）：107．（in Chinese）

［6］ BAOUCHI A W，ERRY A J．A Study of the Macroparticle Distribution in Cathodic-Ac-Eaporated TiN Films［J］．Surface and Coating Technology，1991，49：253．

［7］ 彌謙，李劉晨，惠迎雪，等．氧分壓對電弧源制備TiO2薄膜光學(xué)性能和表面形貌的影響［J］．西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（6）：451．MI Qian，LI Liu-chen，XI Ying-xue，et al．Effect of Oxygen Partial Pressure on Optical Properties and Morphology of Arc Ion Plating Prepared TiO2Optical Thin Film ［J］．Journal of Xi’an Technological University，2012，32（6）：451．（in Chinese）

［8］ 張敏，林國強(qiáng)，董闖，等．脈沖偏壓電弧離子鍍TiO2薄膜的力學(xué)與光學(xué)性能［J］．物理學(xué)報(bào)，2007，56（12）：7300．ZHANG Min，LIN Guo-qiang，DONG Chuang，et al．Mechanical and Optical Properties of Titanium Dioxide Films Prepared by Pulsed Bias Arc Ion Plating［J］．Acta Physica Sinica，2007，56（12）：7300．（in Chinese）

［9］ 李劉合，夏立芳，白羽，等．電子式真空陰極弧離子鍍引弧 器 的 研 制 ［J］．真 空 科 學(xué) 與 技 術(shù)，1999，19（6）：470．LI Liu-he，XIA Li-fang，BAI Yu，et al．A Study of Vacuum Cathodic Arc Electronic Igniter Used in Vacuum Arc Deposition［J］．Vacuum Science and Technology，1999，19（6）：470．（in Chinese）