（材料学专业论文）脉冲激发情况下微波h2等离子体的langmuir探针诊断.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 金刚石具有众多优异的性能，而低压化学气相沉积( c v d ) 技术的发展为金刚石材 料的广泛应用提供了极佳的机会。金刚石膜的c v d 过程可以使用不同的等离子体，其 中，微波等离子体结合了等离子体密度高和无电极放电两个不同的特点，特别适合于高 品质金刚石膜的沉积。在微波等离子体金刚石膜c v d 过程中，使用脉冲电源激励的微波 等离子体可以提高金刚石薄膜的沉积速率或改善金刚石膜的质量。这表明，微波等离子 体的激励方式可通过影响等离子体参量( 如电子温度和电子密度) ，影响金刚石膜的沉 积过程。 本文根据l a n g m u i r 探针理论，建立了一套计算机控制的l a n g m u i r 探针系统。通过 l a n g n m i r 探针系统，对工频脉冲电源激励下的线形微波等离子体c v d 沉积设备和石英 钟罩式的微波等离子体c v d 沉积设备中的等离子体状态进行了诊断，得到等离子体的 电子温度瓦、电子密度h 。、空间电位、探针悬浮电位k 等参数在个周期内随时间 的变化。 实验结果表明，在工频脉冲电源激励下的h 2 等离子体并不是一直处于被点燃的状 态，而是当微波功率达到一定值时，等离子体才被点燃。等离子体中的电子温度和电子 浓度也随着时间有较大的变化，特别在等离子体被点燃和熄灭的瞬间，电子温度有突然 的增加，而电子浓度则保持下降的趋势。石英钟罩微波等离子体c v d 设备虽然只有一 个磁控管工作，但被其点燃的等离子体的电子温度和电子密度要大于拥有两个磁控管的 线形微波等离子体c 、，d 设备。这是由于石英钟罩微波等离子体c v d 设备所产生的等 离子体的能量比较集中的缘故。 关键词：l a n g m u i r 探针，微波等离子体，电子密度，电子温度 ( i ) 一 北京科技大学硕士学位论文 t i m e - r e s o l v e dl a n g m u i r p r o b em e a s u r e m e n t s o f p u l s e d m i c r o w a v eh 2p l a s m a d i a m o n dh a sm a n ye x c e l l e n tp r o p e r t i e s l o wp r e s s u r ec h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( c v o ) t e c h n o l o g yh a so p e n e du pt h ew a yt op r o d u c ed i a m o n df i l m sa n dt ou t h e mi n r e a l a p p l i c a t i o n s t h o u g hm a n yk i n d so fp l a s m a sc o u l db eu s e dt op r o d u c ed i a m o n d 丘l m s m i c r o w a v ee x c i t e dp l a s m ah a st h ea d v a n t a g eo fu s i n gn oi n t e r n a le l e c t r o d e sa n dh a v i n gh i g h p l a s m ad e n s i t y t h e m e s , m i a o w a v ep l a s m ah a s b e e nu s e di np r o d u c i n gh i g hq u a l i t yd i a m o n d f i l m s i th a sb e e nd e m o n s t r a t e dt h a tu s i n gp u l s e dm i c r o w a v e p l a s m a i np r o d u c i n gd i a m o n df i l m s i sa d v a n t a g e o u si ne n h a n c i n gd e p o s i t i o nr a t ea n d o ri m p r o v i n gq u a l i t yo ft h em a t e r i a l s , a n dt h i s f a c tm e a n $ t h a tp l a s m ap a r a m e t e r s 批i m p o r t a n ti ni n f l u e n c i n gd i a m o n dd e p o s i t i o np r o c e s s e s i nt h i sp a p e r , al a n g m u i rp r o b es y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d , a n dt h e nt h es y s t e mi su s e d t oc h a r a c t e r i z ep u l s e dm i c r o w a v ei - 1 2p l a s m a so fb o t hal i n e a rc o a x i a l l yc o u p l e dm i c r o w a v e c v d s y s t e ma n dab e l lj a rm i c r o w a v ec v ds y s t e m t e m p o r a le v o l u t i o no fe l e c t r o nd e n s i t yn e e l e c t r o nt e m p e r a t u r e 五f l o a t i n gp o t e n t i a l 野a sw e l la sp l a s m ap o t e n t i a l h a v eb e e n m e a s u r e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep u l s e dm i c r o w a v eh 2 p l a s m ai sn o ti nas t a b l es t a 蛾 b u to n l yw h e nt h em i c r o w a v ee n e r g yi n p u tr e a c h e sac e r t a i nv a l u e ，w r it h ep l a s m ab ei g n i t e d t h ee l e c t r o nt e r n p c m m r ea n de l e c t r o nd e n s i t yw i l lu n d e r g oag r e a tc h a n g ew i t ht h ee l a p s eo f t h e t i m e t h ec h a n g ew i l lb et h eg r e a t e s te s p e c i a l l yw h e nt h ep l a s m ai si g n i t e do fw h e ni ti s e x t i n g u i s h e d t h o u g ht h e b e l lj a rm i c r o w a v ep l a s m ac v d s y s t e mu s eo n l yo n em a g n e t r o n , t h e e l e c t r o nt e m p e r a t u r ea n dt h ee l e c t r o nd e n s i t yo ft h es y s t e ma r eh i g h e rt h a nt h o s eo ft h el i n e a r - c o a x i a l l yc o u p l e dm i c r o w a v ep l a s m ac v ds y s t e mw h i c hu s et w om a g n e t m n s t h i si sd u et o t h ef a c t t h a tt h eb e l lj a rm i c r o w a v ep l a s m ac v d s y s t e me x c i t e sap l a s m ab a l lw i t ham o r c c o n c e n t r a t e de n e r g yd e n s i t y k e yw o r d s ：l a n g m u i rp r o b e , m i c r o w a v ep l a s m a , d e c t g o nd e n s i t y , e l e c t r o nt e r m p e r a t u r e 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 壶硅导师签名：日期：9 ：呈! ! ! 北京科技人学硕十学位论文 弓言 金刚石具有优异的性能。但由于天然金刚石价格昂贵，储量稀少，长期以来人造金 刚石的工业应用一直是人们可望不可及的梦想。低压气相沉积薄膜技术的飞跃发展为金 剐石的广泛应用提供了极佳的机会。目前金刚石的低压气相合成虽然获得了巨大的成 功，已经可以运用多种方法制备金刚石膜，并且化学气相沉积( c v d ) 金刚石膜在光学 电子学、声学等诸多领域显示了巨大的应用前景，但是离实际应用却还有相当大的一 段的距离。 在c v d 金刚石膜加多年的研究中，人们已经认识到，不同的制备方法会导致不同 的膜体结构和质量。同时，c v d 金刚石膜的物理特性明显受到沉积气相环境的影响。 这些都引起人们采用多种诊断手段对金刚石生长的气相环境进行研究。 a n g m u i r 探针方 法是测量并获得等离子体参量的一种简便而重要的方法。通过测量i a n g m u i r 探针在等 离子体中的w 特性，可求出以下的等离子体参量：等离子体空间电位v 0 、悬浮电位 v f ，电子温度t c 、电子密度n e 、离子密度n i 以及电子的能量分布函数等。对等离子体 状态的了解有助于对薄膜生长机理、沉积条件、薄膜结构及性能之间关系的了解。因而 成为气相环境诊断技术中最强有力的手段之一。 但是，利用l a n g 吼l i r 探针方法对微波脉冲等离子体进行诊断研究的文献却相对较 少。在利用l a n g m u i r 探针方法对脉冲等离子体进行诊断的文献之中，多数是有关脉冲 磁控溅射等离子体的研究。本文采用l a n g m u i x 探针方法对工频脉冲电源激励下微波产 生的h 2 等离子体进行了表征，得到等离子体的空间电位p 0 、探针悬浮电位昧电子温 度孔和电子密度等参数在一个周期内随时间的变化，获得了等离子体参量随时间的 变化规律，特别分析了脉冲电源激励条件下等离子体所表现出来的特殊的开关特性；并 使用等离子体设备进行了金刚石薄膜韵沉积。通过对工频脉冲激励下的h 2 等离子体状 态的诊断，我们可以更好的了解金刚石薄膜沉积过程中气相环境的状态，以帮助我们改 进工艺条件，提高金刚石薄膜的沉积质量和速率。 北京科技人学硕十学位论文 i 文献综述 金刚石是碳的一种同素异构体，是已知物质中硬度、耐磨性和弹性模量最高的材 料。此外，金刚石还有极高的电阻率、击穿场强、载流子迁移率和很低的介电常数，宽 的光谱透过范围、极高的热导率、极低的线膨胀系数、很宽的禁带宽度以及极佳的化学 稳定性等。如此众多的优异特性，使金刚石在众多领域有着十分广阔的应用前景【l l 。 1 1 金刚石膜c v d 过程的机理 在金刚石膜的低压c v d 过程中，存在着两个重要的阶段：形核和生长阶段。尽管 其它晶体材料或薄膜的生长也同样要经历这两个阶段，但在金刚石膜的c v d 过程中， 特别是对在非金刚石基体上进行的金刚石膜的c v d 过程而言，这两个阶段均具有独特 之处。众多的研究者在各自实验的基础上对金刚石膜的c v d 过程进行了深入的分析研 究，提出了一些观点和理论模型。但遗憾的是，根据这些观点和模型人们尚难以综合出 一个为大家所公认且比较完善的金刚石膜c v d 理论。下面，仅就人们对非金刚石基体 上金刚石膜的c v d 过程的研究结果进行简要的介绍。 1 1 1 金刚石的形核 在金刚石膜的c v d 过程中，实现金刚石的形核是首要的环节。尽管金刚石在金刚 石基体上能够形成较高的形核密度，但由于金刚石具有极高的表面能，在未经处理的光 滑非金刚石基体上，金刚石相的形核密度却极低。自从d c r j a g u i 等人在非金刚石基体 上实现了金刚石相的形核以来，人们就一直在探索提高金刚石在非金刚石基体上形核密 度的途径。 金刚石在非金刚石基体上的形核过程又可以分为两个阶段。在第一阶段中，含碳基 团到达基体表面，并在与表面相互作用的过程中释放出碳原子。同时，碳原子发生向基 体浅表面处的扩散。随着这一扩散的进行，基体表面将形成一层含碳的界面层。当基体 表面变得相对不利于碳原子的扩散时，表面吸附碳原子的浓度将得以增加，最终达到可 以形成金刚石相核心的水平。此时，金刚石相开始形核，且形核一般多发生在基体表面 经研磨后残存的金刚石籽晶和缺陷的位置处。在该阶段中，基体表面的状态起着非常关 键的作用【2 】；同时，有多种方法可以被用来促进金刚石相的形核。 1 1 1 1 基体表面预处理增强金刚石相形核的作用 在金刚石膜沉积之前，对基体表面进行适当的预处理是最常采用的增强金刚石相的 形核的方法。这些方法中，包括在基体表面预置金刚石微粒1 3 、用金刚石或其它硬质材 2 北京科技大学硕士学仿论文 科( 如c - b n 等) 的微粒研磨基体表面1 4 、将基片置于金刚石微粒的悬浮液中进行超声 处理嘲、预镀碳化物( 如s i q 或含碳( 非晶碳、类金刚石、石墨1 的薄膜等。 在基体表面预置金刚石微粒能促进金刚石相的生长是不言而喻的，其实质就是在基 体表面种植大量的金刚石籽晶，金刚石籽晶作为金刚石相生长的核心，只要保证其在基 体表面上有足够的密度，它们就可不断长大，并最终合并，从而成为金刚石膜。用金刚 石微粒研磨基体表面或用金刚石微粒的悬浮液对基体进行超声处理也是十分有效的方 法，它可以使金刚石的形核密度提高多个数量级。许多人认为，这是残留在基体表面的 金刚石微粒提供了金剐石的形核点，即金刚石微粒的预先埋置是提高金刚石相形核的主 要原因。l i l i m a 等人发现，在经金刚石微粒研磨过的基体表面确实存在着约1 0 0 r i m 大小 的金刚石残留物悯，这就在一定程度上验证了上述结论。但是人们发现，用其它硬质材 辩，如c - b n ，s i c 等的微粒对基片避行研磨或超声处理时，也能显著地提高金剐石楣的 形核密度。因此有人认为，研磨或超声处理增强金刚石形核的原因主要是各种硬质材料 的微粒在基体表面形成大量的缺陷，它能优先促进金刚石相的形核，即缺陷的存在降低 了金刚石相核心的形核功即。不过，在各种硬质材料的微粒中，使用金刚石微粒进行 研磨或超声处理会产生最佳的效果。因此可以认为，在用金刚石微粒进行研磨或超声处 理时，基体表面残留的金刚石微粒和出现的缺陷对金刚石相的形核都有促进作用。另 外，一些金属微粒的使用也可以促进金刚石的形核。c h a k k 等人1 8 j 以金刚石微粉( d i ) 与金属微粉( c u ，t i ，f e ) 的混合物对基体表面进行研磨和超声处理，使得金刚石的形 核密度显著提高，其有效性的排序为：v i r g m ( 未处理_ k ( c u ，t i 或f e ) j i 。因此，在金属丝刚插入等离子体内的极短时间内，金属丝 表面会出现净的负电荷。该负电荷产生的电场将排斥电子而吸引正离子。此过程平衡以 后，金属丝钓电位为v f ，它即为悬浮地插入的金属丝的悬浮电位。设等离子体的空间 电位为晦，则在v 单- v f 作用下，要求电子、离子电流值最终达塑怦衡，即j 产j j 显 然，这要求v f c v 印，亦即在金属丝与等离子体之闻形成了一个电位差为v 印- v f 的鞘层。 正离子不受鞘层电场排斥作用的影响；而电子在穿越鞘层时，将受到鞘层电场的拒 斥作用。只有动能能克服这个势垒的那部分电子才能到达金属丝表面。根据玻尔兹曼分 布函数，可知能够穿过这个势垒的电子密度为： 一叶销 其中n 曲为等离子体区域内的电子浓度，t e 为电子温度。电荷达到动平衡时， j 。每，即： 一1 7 北京科技人学硕十学位论文 叫一掣卜，i ( 1 6 ) 因l k - - n i ( 设等离子体离子为单电荷离子) ，粒子的平均热运动速度为 i = 【钗i m 肋) 】啦，故式1 6 可改写为： 即等h 时纠籍) ( 1 7 ) 其中，m ，t i 各为离子的质量和离子温度。以氩等离子体为例，设k t e = 2 e v ， l = o 0 4 3 e v ，n l i m , = 1 8 4 0 4 0 ，则v 叩- v f l 5 v 左右。 正离子穿越鞘层获得的动能为( e i ) ： e _ 吒一_ ) 。百k r , h 掣m , t e ，) ( 1 8 ) 1 3 3 2 l a n g m u i r 单探针的工作原理 在插入等离子体中的金属丝的末端连接上简单的电路( 如图1 8 所示) 后，便构成 了l a n g m u i r 单探针p 9 - 4 4 。调节电位器可使探针( 即金属丝) 的电位由4 5 v 变至0 + 4 5 v 。 假设在调节探针电位的过程中，等离子体的状态保持稳定。对应探针电位由负变到正的 每一个电位值，记录下电流表所指示的相应的每一个流过探针的电流值，即可得探针的 i v 特性曲线( 如图1 9 所示) 。 由余弦定律可知：单位时间内落在单位鞘层表面积上的电子数与离子数可分别用公 式1 1 、1 2 来表示。至于落到鞘层表面的粒子能否落到探针表面，则取决于粒予的种类 ( 正离子还是电子) 与鞘层电场的性质( 大小与方向) 。 单探针的i v 特性曲线可被分为a 、b 、c 三个区域来进行分析： a 区：饱和离子电流区。在该区，探针电位( v p ) 远远小于等离子体空问电位 ( v 。) ，即v p = v 单时，探针电流到达电子饱和电流；而当v p v 单之后，v p 继续增大时，探针有 效表面积随v o 而增大( 图1 1 1 ) 。因此，落到整个鞘层表面的电子数继续增加。既然 落到鞘层表面的电子都能落到探针上，故探针电流l d 也继续增加，这使得i - - v 曲线的 拐点变得难以确定。这就是用单探针不能准确测定等离子体空间电位v 。的主要原因。 人们发现，发射探针法( 包括可直接指示等离子体空间电位的差分发射探针) 与激光诱 导荧光( l i f ) 法等可以较准确地测定v 。 2 2 北京科技大学硕十学位论文 图1 1 1 探针鞘层变化 1 3 4 脉冲等离子体的诊断 金刚石薄膜的化学气相沉积( c v d ) 过程可以使用不同的等离子体。而在各种各样 的等离子体中，微波等离子体是目前使用最广泛韵一种。这是因为，微波等离子体结合 了等离子体密度高和无电极放电两个不同的特点，特别适合于高品质金刚石膜的沉积。 实验表明，对微波等离子体采用脉冲激励的方式，可以提高金刚石膜的沉积速率或 薄膜的质量【4 5 l ，如图1 1 2 所示。这表明，微波等离子体的激励方式可通过影响等离子 体参量( 如电子温度和电子密度) ，影响金刚石膜的沉积过程。但是，脉冲激励模式下 等离子体参量的具体变化特点仍然是一个有待研究的问题。 图1 1 2 脉冲频率与金刚石膜生长速率和质量的关系 一2 3 北京科技大学硕十学位论文 利用1 且n g m u i r 探针方法对微波脉冲等离子体进行诊断研究的文献相对较少。在利 用i j n 舯u i r 探针方法对脉冲等离子体进行诊断的文献之中，多数是有关脉冲磁控溅射 等离子体的研究。b r a d l e y 等人1 4 6 , 4 7 1 诊断了1 0 0 1 d - i z 脉冲电源激励下的磁控溅射等离子 体。他们的实验表明，在脉冲激励模式下，等离子体中电子的温度和密度总在发生不断 的变化；在电源开关的瞬间，电子温度的提高和降低过程有着不同的时间常数t ( 分别等 于4 0 岫和1 0 - 2 0 9 s ) 。 m a h o n e y 等人1 4 8 1 发现，在脉冲磁控溅射系统中，电子温度将随着脉冲频率的增加而 提高，但电子的密度却没有很大的变化。c o r l ) e l l a 等人l 卵删利用l a n g m u i r 探针诊断了直 流脉冲等离子体。如图1 1 3 所示，他们对等离子体中温度较高的热电子以及温度较低 的冷电子分别进行了较为细致的研究。t h w e l z e l 等人1 5 1 , s 2 1 分别用l a n g m u i r 探针和发射 光谱法( o e s ) 对脉冲等离子体进行了表征，如图1 1 4 所示。两种方法所得到的结果相 同，可见l a n g m u i r 探针法的准确性。t l a m a r a 等【5 3 1 人在c | 1 4 一h 2 脉冲等离子体气氛 中进行了金刚石薄膜的沉积，对影响金刚石薄膜沉积的各种粒子的浓度使用t r o e s 进行了表征，如图1 1 5 所示。 赠i 1 “。，： 移： o2 0 o l i m e w i l m l n 椭l 纠 喜 。 耋 l 喜 i i ；觏： ! i k = 定妻： 公h 。，! o2 脚喇帅弘- 图1 1 3 脉冲等离子体的各种参数 2 4 慵 2 辩 ” 9 霉一。薹鼍夏薹ee奄考辜暑叠嚣厶 北京科技人学硕十学位论文 誊 一 乒 善兰 若 023 45 s7 t i m e t 嗍 量 兰 ； 占 t - 罡 (一越二i 蠢，马 j a o 卜蚓1 、 k产洲卜 卜吲 ! 卜 叶i； ” 巾酬 7 i oj 刊 图1 1 4i j a n 龇探针和0 e s 对脉冲等离子体的表征 图1 1 5 啊1 0 e s 对脉冲等离子体各种粒子的的表征 一2 5 一 苦&蔓耋；毋-卜 北京科技人学硕十学位论文 2 金刚石膜沉积设备和l a n g m u i r系统 2 1 金刚石膜的沉积设备 2 1 1 线形微波等离子体c v d 设备 本研究所使用的线形微波等离子体c a r d 设备的结构如图2 1 所示。线形微波等离 子体c v设备由两支功率各为8 0 0 w 、频率均为2 4 5 g k 的磁控管所激励。磁控管产 生的微波经波导、环行器、定向耦合器、三螺钉调配器、功率匹配负载和同轴天线式的 微波模式转换器，从设备的两端被耦合到沉积室内，并在沉积室中产生一围绕石英管的 等离子体柱。石英管的有效长度为1 8 c m ，直径为2 c m 。 线形微波等离子体c v d 设备选用w k s s 3 5 形工业用微波电源作为激励源。这种 电源是一种半波整流式的微波电源嗍，由它所激励的磁控管将只在一半的时间内发射出 微波，而在另外一半的时间里，磁控管将处于不工作的状态。因而，相应的微波等离子 体也将处于脉冲工作的状态。由于工业用交流电的频率为5 0 h z ，因此磁控管的开关频 率也为5 0 1 - 1 z 。 磁控管磁控警 真空泵 图2 1 线形微波等离子体c v d 设备的原理图 2 1 2 石英钟罩微波等离子体c v d 设备 实验所使用的石英钟罩微波等离子体c v d 设备是由中国科学院等离子体物理研究 所( 合肥) 和北京科技大学合作研制的，其结构如图2 2 所示。 2 6 北京科技大学硕十学竹论文 本装置采用的磁控管功率大约为8 0 0 w ，微波频率为2 4 5 g h z 。电源采用单相桥式 整流。微波传输与转换系统包括b j - 2 2 铜波导管、环行器、水负载、定向耦合器、三螺 钉调配器、微波模式转换器( 包括耦合天线) 等。其中微波模式转换器是整个装置的核 心，其主要的功能是实现微波模式1 e 旷田山l 转换，以产生轴对称的等离子体，其形 状为椭球状。 发射天线兰螺钉调配器 环行器 图2 2 石英钟罩式微波等离子体c v d 装置的示意图 2 2i m g m u t r 探针系统 i 锄鲫血探针系统由一台拥有一个数模转换( 功a ) 卡( h y - 6 0 8 0 ，光电隔离形， 8 b i t ，8 通道) 和一个模数转换( d ) 卡( h y 1 2 3 2 ，1 2 b i t ，3 2 通道) 的个人计算机、 一台数控电源( m p s 3 0 9 形直流稳压稳流电源) 以及相应的电阻分压网络所组成，其连 接示意图如图2 3 所示。通过试验，确定系统的采样时间为4 0 u s ，其中d a 卡和a d 卡的一个响应周期都约为2 0 9 s 。l a n g m u i r 探针系统还包括系统的驱动程序，此程序为 本人在d e l p h i 7 0 环境中建立起来的。程序的清单参见附录a 。 l a n g m u i r 探针系统的工作过程为：通过计算机驱动程序，驱动d a 转换卡控制电 源输出，使电源输出探针所需要的电位，电路中保持相应的电流；通过a d 转换卡采 集电阻上的分压以确定电路中的电流；再将此数据传递给计算机进行数据处理，并对其 进行保存。通过调试，选择分压电阻为5 0 0 ，以尽量减少分压电阻对电路的影响，并能 得到比较大的信号。 2 7 北京科技人学硕+ 学位论文 图2 3l a n g m u i r 探针系统的电路结构图 2 2 1 数模转换( d ，a ) 卡( i s a 插槽) h y 6 0 8 0 板嘲是一种光电隔离形的多功能d a 卡板，d a 板及其数模转换( d a c ) 原理的框图如图2 4 所示。该板采用高速光电隔离芯片，既保证了d a 输出的速度，同 时有效地阻断了现场与计算机系统的电连接，大大增强了系统的抗干扰能力和自我保护 能力，工作性能稳定可靠。这点对于我们的实验特别关键。 野蒌 蓊l 匪嚣 e o _ lb m pcx t a tb u s 图2 4i h 舳d a 转换卡和d a c 原理框图 2 8 北京科技大学硕士学位论文 h y 6 0 8 0 卡采用的是8 b i t 串行输入的d a 转化器。用户程序将d a 输出通道号以 及待输出转化的数字量写入卡上的两个移位寄存器中，然后由软件发送一个启动转化信 号。此时，卡上的时钟控制电路自动控制此两个寄存器，在相应输出通道的数字量转化 为所需的模拟量。通过跳线选择d a 模拟电压输出为o 一5 v ，板基地址为2 8 0 h 。 以下是h y 6 0 8 0 卡端口的地址分配，以及各寄存器的作用。 i o 地址写 板基地址+ 0 板基地址4 - 1 板基地址+ 2 板基地址+ 3 板基地址4 4 板基地址+ 5 d a 转换值寄存器 d a 输出通道寄存器 d a 转换启动命令 软件清除命令 数字量输出寄存器 不用 读 不用 不用 不用 不用 不用 数字量输入寄存器 2 2 2 数据采集( a d ) 卡( t s a 插槽) h y - - 1 2 3 2 板睁回是i b m - - p cx t a t 总线兼容的数据采集板，是为应用计算机进行 数据采集、信号分析、设备控制而设计的，a d 卡板和a d c ( 模数转换) 的原理框图 如图2 5 所示。 图2 5h y - - 1 2 3 2a d 转换卡和a d c 的原理框图 2 9 北京科技人学硕十学位论文 此采集卡可以按照查询和中断两种触发方式，3 2 路模拟电压信号通过输入输出插 座分别接到3 2 选1 的模拟输入多路开关上，在软件操作下，选通某一输入通道，将其 电压信号送到采样保持器，然后再启动a d 转化。通过跳线选择单极性电压输入电压 范围为o 一5 v ，而板基地址为2 8 8 h 。 以下是端口的地址分配，以及各寄存器作用。 o 地址 写读 板基地址+ o输入通道寄存器并且触发a d 转换保留 板基地址- i - 1保留a 结果低八位寄存器 板基地址+ 2保留a d 结果高四位寄存器 板基地址+ 3d a 输出低八位寄存器保留 板基地址+ 4d a 输出高四位寄存器保留 板基地址+ 5保留加完成位寄存器 2 2 3 数控电源 m p s 3 0 0 系列直流稳压稳流电源网，是采用线性串联调整方式设计的交流输入直流 输出电源。具有输出电压、输出电流连续可调，稳压、稳流自动切换及过压保护、过热 保护等功能，并设有外部控制接口。如图2 6 所示的m p s 3 0 8 形的电源，输出电压范围 为0 - - 3 0 0 v ，输出电流为o 一1 a ，输出功率0 - - 3 0 0 w 。电源的控制电压的变化范围为0 1 0 v 。 图2 6m p s 3 0 0 直流数控电源 3 0 北京科技人学硕十。学位论文 当使用d a 卡的数字量范围为0 2 5 5 时，其模拟量输出范围为1 5 v 。此时，在 直接控制情况下，电源输出电压的变化范围为0 1 5 0 v ，即电源的最小变化单位为 0 。5 6 9 v 。为了得到更高的控制精度，使用了电阻二分压的方式对d a 卡输出的电压进行 了进一步的分压，选择电源输出电压的变化范围为0 7 5 v ，使电源的最小程控变化单 位变为0 2 8 4 v 。 m p s 3 0 8 电源的e x t 接口连线规则如表2 1 所示。 表2 1m p s 3 0 0 直流数控电源e x t 接口说明表 功能端子位号说明 e x t 接口选择2 ，1 ( 1 基准)低电平选择 输出电压控制1 5 ，1 2 ( 1 2 基准)程控电压o 1 0 v ，预置稳定电 压0 - 3 0 0 v 输出电流控制 1 4 ，1 2 ( 1 2 基准)程控电压0 - 1 0 v ，预置稳定电 流压o 一1 a 过压控制1 3 ，1 2 ( 1 2 基准)程控电压睢1 0 v ，预置保护电 压( 5 1 0 5 ) * 3 0 0 v 2 2 a l a n g r n u i r 探针 自制的l a n g m u i r 探针如图2 7 所示。它由一根直径0 3 r a m 的钼丝、陶瓷管和铜丝 环所组成。其端部的5 m m 暴露在等离子体中，其余部分由a k 0 3 陶瓷管所屏蔽。为使 得探针恰好位于陶瓷管孔的中心，且不与管壁相接触，探针被套上一合适的铜丝环，以 其刚好不露出为宜。当陶瓷管乡卜表面被沉积上了导电薄膜，探针也不会与导电膜接触从 而确保了探针的有效面积不变闭。 陶瓷管 耋茎葡 吨三三三三三三窜 图2 7l a n g m u i r 探针的结构图 3 1 北京科技大学硕士学位论文 2 2 5 软件系统 本实验所使用的各硬件的驱动程序是在d e l p h i 7 0 环境中建立起来的。在软件编程 过程中，使用了j o h np a p p a s ( d i s kd u d c ) 已经编好的端口控制控件d r i v e rl i n xp o r ti o d r i v e rm a p p e rc o m p o n e n t 和高精度的微秒级计数器控件h i g h - r e s o l u t i o np e r f o r m a n c e c o u n t e r 。驱动程序能很好地完成对硬件进行驱动的功能，并且工作稳定。程序的界面如 图2 8 所示，而程序清单见附录a 。 图2 8i a n g r a u i r 探针测试程序的界面 3 2 北京科技大学硕十学付论文 3 l a n g m u i r 诊断方法 3 1 诊断系统软件的建立 对等离子体进行诊断时，需要使用计算机软件来提供电路驱动和控制，并实时采集 被测量的数据。软件是在d d p h i 7 0 环境中建立起来的。软件的界面如图2 8 所示，软件 主要包括电源控制、数据采集和数据保存三个部分，其结构如图3 1 所示。 图3 1 软件的系统框图 3 1 1 l a n g m u i r 探针电路 要建立好l a n g m u i r 探针的软件系统，首先要建立l a n g m u i r 探针的电路。在实验 中，建立了如图3 2 所示的串联电路，其中，与插入等离子体p 中的探针串联了一个 5 0 0 的电阻r 。使用计算机控制下的d a 卡控制数控电源，为探针提供适当的电位；通 过a d 卡对电阻r 上电压降的钡4 量可得出探针电路中的电流。 i 电 d 源 髦l 盘、 归t 图3 2l a n g m u i r 探针的电路图 一3 3 北京科技大学硕十学位论文 3 1 2 i _ a n g m u i r 探针测量软件的流程 l a n 掣n u i r 探针软件的流程如图3 3 所示。首先，通过对测试参数的输入使探针系 统初始化；然后，通过d a 卡和a d 卡实现所需的数据的采集；最后，对测试获得的 数据进行保存，提供以后进行必要的数据处理。 图3 3l a n g m u i r 探针测试软件的流程图 3 1 3 软件的实现 软件是在b o r l a n d 公司的可视化软件开发工具d e l p h i 7 0 环境中建立起来的。d e l p h i 以o b j e c tp a s c a l 为基础，扩充了面向对象的能力，且完美地结合进了可视化的开发手 段。 3 1 3 1 端口的控制 对端口的控制有两种方法。第一种是d e l p h i 内嵌套a s m 汇编语句：第二种是利用 j o h np a p p a s 编好的d e l p h i 可用控件d r i v e rl i n xp o r ti od r i v e rw r a p p e rc o m p o n e n t 。此控 3 4 北京科技人学硕十学何论文 件提供了强大的端口操作程序。这时，只需要编写简单的赋值语句即可，可大大简化编 程过程。因此，本实验在端口控制方面，选用了p o r ti o 控件。 在使用p o r ti o 控件对d a 卡进行端口控制，从而实现对数控电源的初始化和控制 时，采用了如下的程序。 d l p o r t i 0 1 o p e n o r i v e r ； d l p o r t i 0 1 p o r t b a s e l ：= 0 ； d l p o r t i 0 1 p o r l b a s e l + 1 ：= 5 ； d l p o r t i 0 1 p o r t b a s e l + 2 ：= 0 ： s l e e p ( 2 0 ) ； d l p o r t i 0 1 4 3 0 f t b a s e l ：- - 8 0 ； d l p o r t i 0 1 p o r t b a l + 1 ：- - 4 ； d l p o r t i 0 1 p o r l t m e l + 2 ：= 0 ； d l p o r t i 0 1 c l o s e d f i v e r , ，电源起始电压为零 选择第5 通道输出 腧出 | 贼2 0 m s ，电流和过压控制 选择第4 通道输出 脯出 其中，b a s e l 为d a 卡的基址2 8 0 h 。 3 1 3 2 电源控制 使用p o r t1 0 控件控制d a 卡，即可实现对电源的实时控制。通过跳线选择d a 卡 模拟电压的输出范围为o 一5 v 。由于数控电源控制电压的取值范围为o 一1 0 v ，因此在 d a 卡的控制下，电源的输出电压处于0 - - 1 5 0 v 之间。同时，由于d a 卡使用的是8 位的寄存器，即其数字量的变化范围为o _ _ 2 5 5 。因而在d a 卡的直接控制下，电源的 最小变化单位为0 5 6 9 v 。 通过赋值语句d l p o r t i 0 1 p o r t b a s e l ，就可以控制电源的电压输出，其程序如下所 示。 w h i l ei ：= nd o b e g i n d l p o r t i 0 1 p o r t b a s e l ：= i ； d l p o r t i 0 1 p o r t b a s e l + 1 ：= 5 ； d l p o r t i 0 1 p o r t b a s e l + 2 ：= 0 ； s l e e p ( 2 0 ) ； 控制电压输出 延时2 0 m s ，使电流稳定后对数据进行采集 3 5 北京科技人学硕十学位论文 i n c ( i ) ；i = i + 1 e n d ； 为了能得到更高的电压控制精度，使用了电阻二分压的方式对d a 卡输出的电压 进行了进一步的分压。这样，数控电源输出电压的变化范围缩小为0 7 5 v ，而其最小 的变化单位减小为0 2 8 4 v 。考虑到程控电源控制端接口的输入阻抗为1 0 k o ，为了使程 控接口能够正常工作，必须选择合适的电阻进行匹配。经过多次试验，选用5 l 【o 的电 阻与接口电阻并联，再与3 3 3 k o 电阻进行串联分压，可以达到很好的效果，使电源输 出所需要的电压。其电路如图3 4 所示。 数控电源 e x t 接口 图3 4d a 卡与数控电源问的连接 5 针脚 由于电源响应控制信号，并输出所需要的电压值需要一定的时间，因此在每次输出 控制信号后，需要延时2 0 m s 后再进行下一步操作。如图3 5 的测试结果所示，在不延 时的情况下，数控电源的输出电压并不等于所设定的电压；在延时2 0 m s 的情况下，数 控电源的输出电压与所设定的电压值相吻合。 3 6 北京科技大学硕十学付论文 其中延时2 0 m s 是通过多次尝试得到的较佳结果，延时时间短，屯源输出不能稳定 在所要求的电压之下；延时时间长，虽然电源能达到稳定状态，但程序执行所需要时间 变长。 v 靼 酗 脚 蝮 林 图3 5 延时2 0 船与不延时时，数控电源输出电压的测量值 3 1 3 3 测试数据的采集 使用p o r ti o 控件对a d 卡的端口进行控制，就可以采集电阻r 两端的电压差，从 而得到电路中的电流值。使用p o r t i l 3 控件对a d 卡的端口的控制程序如下所示。 - r e p e a tr e a d y ：= d l p o r f i 0 1 p o r t b a s e 2 + 5 ； u n t i l ( r e a d ya n d $ 8 0 ) = $ 8 0 ； v l ：- - d l p o r t i 0 1 p o r t b a s e 2 + 1 ； v h ：= d l p o r t i 0 1 p o r t b a s e 2 + 2 ； v ：- - v l + “ha n d $ 0 0 4 2 5 6 ； v o l ：= “一2 0 4 7 ) + 1 0 4 0 9 6 ； 其中，b a s e 2 为a d 卡的基址2 8 8 h 。 读取数据，数据在0 通道 佣自定数据已经进入数据寄存器 读取低8 位 读取高4 位 数据装换为十进制数 数值换算为电阻电压 一3 7 北京科技大学硕士学位论文 3 1 3 4 测试数据的存储 采集到大量的数据之后，需将数据保存为t x t 文档，以便下一步使用o r i g i n 对数据 进行处理。数据保存程序如下。 i ：- - 0 ； f i l e n a m e ：= e d i t 7 t e x t ； n a m c ：- - e ：l + f i l e n a m e ； 躐i g n f i l e ( f , n a r a e ) ；保存数据为t x t 文档 r e w r i t e ( f ) ； w h i l ei - - - nd o b e g 证 i n f o r ：- - i n t t o s t r ( i ) + + f l o a u o s t r ( - d a t c l i ) + + f l o a t t o s t a ( - d a t e 2 i ) 设定数据为格式 w r i t e l n ( f , i n f o r ) ； 脯数据写入t x t 文档 m e 0 3 ； e n d ； c l o s e f i l e ( f ) ； 其中，文件名由操作者输入或者使用默认的文件名；数据以浮点数的方式保存在 瞰文档中。 3 1 3 5 时间测量 在软件中还加入了时间测量工具。它通过微秒级精度的计数器控件h i g h - r e s o l u t i o n p c f f o r m a n o ec o u n t e r 实现。它可以测量在w m d o w