基于Cortex—M3控制的全自動芯片制作系統(tǒng)

劉松林 項(xiàng)堅(jiān)真

摘要：濕法刻蝕是將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內(nèi)進(jìn)行腐蝕的一種技術(shù)，本文結(jié)合升降平臺，步進(jìn)電機(jī)，組成了整個(gè)全自動濕法刻蝕系統(tǒng)。全自動“傻瓜式”刻蝕機(jī)，只需按下啟動鍵，就可完成刻蝕并清洗芯片上殘留的刻蝕液，方便操作。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的不同，實(shí)驗(yàn)參數(shù)也隨之改變，其中根據(jù)刻蝕溝道的深度，可以靈活調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，平臺下降的精度可以精確到1μm/min。

關(guān)鍵詞：濕法刻蝕； 升降平臺； 自動化； 微米級； 程控

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）31-0199-03

Automatic Chip Production System Based on Cortex-M3 control

LIU Song-lin，XIANG Jian-zhen

（School of Electronic and Electrical Engineering ，Wuhan Textile University， Wuhan 430200，China）

Abstract： Wet etching is the etching material soaked in corrosive etchant conduct a technology， this paper combines lifting platform and stepper motor， that makes up the automated wet etch systems. Automatic "fool" etcher， just press the start button， you can complete on-chip etching and cleaning residual etchant， quite easy to operate. Depending on the purpose of the experiment， the experimental parameters can also be changed， which according to the depth the etching channel can be flexibly adjust .And the platform can be accurate controlled to decrease at the accuracy speed of 1μm / min.

Key words： wet etching； lifting platform； automation； micron； programmable

隨著人類市場對于精細(xì)化微小化產(chǎn)品的需求，在芯片制作方面，濕法刻蝕在現(xiàn)代工藝中運(yùn)用廣泛，工業(yè)上運(yùn)用濕法刻蝕來加工玻璃，還有通過腐蝕硅片背面以及四周的PN結(jié)，達(dá)到正面與背面絕緣的目的，同時(shí)去除背的磷硅玻璃層。濕法刻蝕可以用來加工硅片、石英材質(zhì)等材質(zhì)的片子，其原理是將需要刻蝕的部分裸露出來，將需要保存的地方進(jìn)行掩膜處理，從而得到需要刻蝕的形狀的片子。本文中濕法刻蝕對設(shè)備的要求不高，設(shè)計(jì)的生產(chǎn)制作方法易于掌握且容易批量生產(chǎn)，刻蝕的選擇性好。目前現(xiàn)有主流的刻蝕設(shè)備上，存在較大的改進(jìn)空間。因?yàn)楝F(xiàn)有設(shè)備大多數(shù)體積龐大，刻蝕工序復(fù)雜，會帶來化學(xué)污染物，而且對刻蝕環(huán)境要求極高。在此大環(huán)境的基礎(chǔ)上，本文針對目前存在的刻蝕設(shè)備的不足之處，進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制造，研發(fā)出一種比較好用的刻蝕系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)有的濕法刻蝕設(shè)備的特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢，結(jié)合當(dāng)今社會大環(huán)境和國際市場環(huán)境的發(fā)展趨勢，本課題提出一個(gè)基于STM32F107系列，以THB7128為核心的電機(jī)驅(qū)動模塊和以步進(jìn)電機(jī)為核心的線性模組的“主控芯片-驅(qū)動芯片-硬件模塊”三層體系結(jié)構(gòu)的全自動三維結(jié)構(gòu)芯片制作設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方案。全自動三維結(jié)構(gòu)芯片制作設(shè)備中，硬件作為基礎(chǔ)，也是在實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)中的底層支柱部分，其中需要單獨(dú)整合并開發(fā)的硬件方案中包含主要線性化組模塊，步進(jìn)電機(jī)，染色缸夾具模塊，二位五通電磁閥和調(diào)壓閥氣動模塊，以及整個(gè)系統(tǒng)的供電模塊。在整個(gè)與機(jī)械部分配合的電子控制和型號發(fā)生以及驅(qū)動控制部分，包含有以STM32 107為核心的核心控制模塊和擴(kuò)展模塊，以THB7128為核心的電機(jī)驅(qū)動模塊和以2803為核心的驅(qū)動控制模塊。

2 系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.1立體升降平臺的分類及選擇

按移動的方法不同分：固定式升降平臺、移動式升降平臺、液壓式升降平臺、曲臂式升降平臺、套缸式升降平臺。其中：1）固定式升降平臺具有穩(wěn)定性好，適用范圍廣等特點(diǎn)，在生產(chǎn)流水線上運(yùn)用較廣，方便貨物不同高度差流水線上的貨物傳送；2）車載式升降平臺是為提高升降平臺的機(jī)動性，適用于廠區(qū)外的高空作業(yè)；3）液壓式能夠滿足對作業(yè)高度有要求的應(yīng)用領(lǐng)域，其特點(diǎn)是具有升降平穩(wěn)，載重量大等特點(diǎn)，能夠頻繁的進(jìn)行啟停操作，適用性廣闊；4）曲臂式平臺的特點(diǎn)是載重量大，能夠容納多人同時(shí)作業(yè)，其平臺的移動性好，作業(yè)半徑廣，適用領(lǐng)域多等特點(diǎn)且外型美觀；5）套缸式具有高強(qiáng)度的材質(zhì)和良好的機(jī)械性能。結(jié)合本設(shè)計(jì)，選擇的是立體式升降平臺為機(jī)械位移載體。

2.2 機(jī)械部分氣缸選擇

2.2.1 手指氣缸

氣動手指又名氣動夾爪，夾抓的工作原理是壓縮空氣來工作。是一種抓取工作的執(zhí)行裝置。最初起源于日本，后被國內(nèi)自動化企業(yè)廣泛使用。根據(jù)樣式通?？煞譃閅型夾指和平型夾指，缸徑分為16mm，20mm，25mm，32mm和40MM幾種，該氣缸的主要作用是代替人工的部分工作，其可以有效地提高工作的安全性和提高工作的生產(chǎn)效率。其中SMC氣動手指系列是工業(yè)領(lǐng)域中最常用的氣動夾爪裝置之一。

2.2.2 迷你直筒氣缸

氣缸的工作特點(diǎn)是將壓縮氣體轉(zhuǎn)換成機(jī)械能進(jìn)行工作的氣動執(zhí)行元件，具有往復(fù)擺動和往復(fù)直線兩種類型。根據(jù)這一特點(diǎn)可以將氣缸分為直線型的單作用氣缸、直線型的雙作用氣缸、直線型的膜片式氣缸和直線型的沖擊型氣缸。雙作用氣缸：從活塞兩側(cè)交替供氣，在一個(gè)或兩個(gè)方向輸出力。其是根據(jù)工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力。因此選擇氣缸時(shí)，應(yīng)該對氣缸的輸出做一定的余量考慮，避免氣缸力度不足，對后續(xù)實(shí)驗(yàn)造成影響。

若氣缸直徑選的過小，其輸出力度不夠，氣缸不能正常工作；若氣缸直徑過大，不僅會使設(shè)備笨重、同時(shí)會使整體成本高，同時(shí)會導(dǎo)致耗氣量增大，造成能源浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，應(yīng)盡量采用增力機(jī)構(gòu)，以減少氣缸的尺寸。

3 系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)選型

基于本設(shè)備負(fù)載量小，消耗低，靜音，穩(wěn)定的要求前提下，我們對整個(gè)系統(tǒng)平臺的電機(jī)需要進(jìn)行選型，目前市場上存在各種類型的電機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動能力和質(zhì)量也魚龍混雜，為此，經(jīng)過參考學(xué)習(xí)后，本設(shè)備的電機(jī)選擇伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)中的一種來實(shí)現(xiàn)需要達(dá)到的目標(biāo)。

3.1.1伺服電機(jī)

伺服電機(jī)對速度的控制和對起始位置的控制可以達(dá)到一般電機(jī)不能達(dá)到的準(zhǔn)確度，它可以通過對電壓信號的轉(zhuǎn)化達(dá)到對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而達(dá)到對所控制對象的控制。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受輸入信號的控制，在自動控制系統(tǒng)中，通常被選作為動作執(zhí)行元器件，其具有線性度高和時(shí)間常數(shù)小等特點(diǎn)，能夠?qū)⑵浣邮盏降碾娦盘栟D(zhuǎn)換成電機(jī)的角速度或角位移的方式進(jìn)行輸出。伺服電機(jī)本身不具備脈沖的發(fā)射功能，但是能夠依靠脈沖來進(jìn)行定位，所以每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，伺服電機(jī)都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖數(shù)。這樣一來，系統(tǒng)能夠知道發(fā)送了多少脈沖信號給伺服電機(jī)，同時(shí)又回收了多少脈沖數(shù)目回來，從而能夠精確地控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的定位，達(dá)到控制的目的。

3.1.2 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)通過其接收到的脈沖信號來工作的，其將接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移來工作，是一種開環(huán)控制電機(jī)件。電機(jī)的轉(zhuǎn)速、啟停位置只取決于脈沖信號的脈沖數(shù)和頻率，且在非超載情況下，其運(yùn)行不是負(fù)載的影響。步進(jìn)電機(jī)接收到脈沖信號時(shí)，便開始驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動時(shí)以電機(jī)具有的“步距腳”來計(jì)算且其運(yùn)行時(shí)以固定的角度一步一步來進(jìn)行的。通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)而達(dá)到準(zhǔn)確定位和控制的目的，同時(shí)可以通過調(diào)整脈沖頻率來控制電機(jī)的加減速，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整電機(jī)運(yùn)行速度的目的。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，被廣泛地應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。另外可以通過調(diào)整細(xì)分來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，達(dá)到精確控制的效果。本系統(tǒng)為了準(zhǔn)確定位，選擇雙出軸的步進(jìn)電機(jī)來達(dá)到控制運(yùn)行目的。

3.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.2.1 核心控制板的設(shè)計(jì)

在ST公司向市場上推廣的STM32系列中，STM32F107是于互聯(lián)型，其由于支持多種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口使得可以輕松在工業(yè)控制，智能家居平臺，醫(yī)療設(shè)備開發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。相較于通常用到的ARM7其時(shí)鐘速度高達(dá)72MHz，內(nèi)部分別集成兩路ADC，DAC，含有IIS，SPI，串口等眾多外設(shè)接口。此外，由于芯片在設(shè)計(jì)上的合理且含有眾多便于使用的固件和方便開發(fā)者進(jìn)行調(diào)試的開發(fā)工具，從而使得基于此芯片進(jìn)行的開發(fā)可以方便進(jìn)行調(diào)試甚至在線調(diào)試，這樣在方便調(diào)試的同時(shí)也為項(xiàng)目的開發(fā)節(jié)省了時(shí)間。所以在本課題中選擇的控制芯片為ST系列的107芯片，其設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 核心控制電路圖

3.2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動板采用了以THB7128為核心的驅(qū)動電路，如圖1-2所示。THB7128芯片通?？捎糜趯Σ竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。其內(nèi)部包含驅(qū)動電機(jī)所需要的一些基本控制部分，如電流調(diào)節(jié)功能、CMOS功率放大元件和細(xì)分調(diào)節(jié)功能部分，只需要再配以簡單的外圍電路便可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動。該芯片適合對42、57等型號的二相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。在低成本、小噪聲、高速度等應(yīng)用設(shè)計(jì)中使用效果較好。THB7128芯片的輸入信號可以采取共陽極或共陰極的接法，方便用戶根據(jù)需要進(jìn)行選擇使用。

圖2 電機(jī)控制電路及其PCB版圖

3.2.3 光電限位開關(guān)模塊

本系統(tǒng)中我選用的是歐姆龍EE-SX671光電傳感器，作為限位開關(guān)，一旦線性模組的夾具正常或者非正常的失步丟步到達(dá)頂端或者底端的時(shí)候，此時(shí)觸發(fā)限位開關(guān)，反饋給核心控制板一個(gè)信號，再由核心控制板給電機(jī)驅(qū)動板一個(gè)控制信號讓電機(jī)停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)到一個(gè)安全位置。

3.2.4精密磁旋轉(zhuǎn)編碼器模塊

本系統(tǒng)中由于需要準(zhǔn)確控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，盡量減少步進(jìn)電機(jī)丟步和失步，所以采用了AS504可編程磁旋轉(zhuǎn)編碼器，作為步進(jìn)電機(jī)的精確監(jiān)控。在選擇步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候選擇雙出軸的步進(jìn)電機(jī)，在出軸的另一端安裝了AS5045來準(zhǔn)確測量步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。芯片引腳圖和控制圖如圖3所示。

圖3 AS5045芯片引腳和控制圖

4系統(tǒng)功能測試

根據(jù)需要，通過調(diào)整系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，可按不同溝道的設(shè)計(jì)要求，使基底的刻蝕面與刻蝕液的液面成一定的夾角，基底的側(cè)表面與刻蝕液的液面成一定的夾角浸入到刻蝕液中，再通過調(diào)整輸送夾具的速率，得到不同坡度的微小三維結(jié)構(gòu)；同時(shí)，利用升降平臺在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下進(jìn)行濕法刻蝕，使它變得操作簡單，效率高，不需要工作人員具有豐富的刻蝕工作經(jīng)驗(yàn)，只需掌握芯片參數(shù)，從而解放了需要花費(fèi)大量時(shí)間刻蝕的人力，大大地提高了人力資源的利用率和生產(chǎn)效率。

5 總結(jié)

本文通過總結(jié)近年來玻璃的濕法刻蝕工藝的研究內(nèi)容，可知在玻璃的深槽刻蝕工藝，玻璃刻蝕均勻性技術(shù)，超聲波技術(shù)在刻蝕中的應(yīng)用這方面已經(jīng)較為成熟，但是在緩慢下降腐蝕的應(yīng)用方面還存在一定缺陷，刻蝕深度和結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不均勻或者不符合預(yù)想情況，所以本系統(tǒng)著重介紹了如何通過簡單的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)這一工藝。

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