Электровибрационное устройство

 

Электровибрационное устройство может быть использовано в вибропитателях для подачи порошков в установках для вакуумного напыления резистивных пленок. Вибрация рабочего органа вибропитателя возбуждается электромагнитом. Катушка электромагнита питается импульсами тока, подаваемыми на нее от управляемого генератора импульсов через последовательно соединенные коммутирующий элемент и задатчик амплитуды вибрации. Частота генерируемых импульсов автоматически подстраивается под резонансную частоту колебательной системы вибропитателя. Автоподстройка частоты обеспечивается цепью из последовательно соединенных датчика вибрации, усилителя, сглаживающего фильтра и регулирующего элемента, выход которого соединен с входом управления частотой генератора импульсов. Устройство содержит также задатчик резонанса, включенный во времязадающую ячейку генератора импульсов, и индикатор резонанса, присоединенный к регулирующему элементу. Благодаря резонансной автоподстройке частоты устройство обеспечивает стабильную скорость истечения малых потоков сыпучих материалов из чаши вибропитателя. 2 ил.

Изобретение относится к области микроэлектроники, а точнее к технологии изготовления резисторов путем вакуумного напыления тонких резистивных пленок термическим методом при непрерывной подаче порошка испаряемого материала на испаритель.

Известно устройство управления вибропитателем 3.868.010Сп (см. Техническое описание 3.868.010И), которое входит в комплект установки вакуумного напыления УВН-71П-3 (см. Техническое описание 3.273.007ТО). Принцип работы устройства заключается в получении пульсирующего напряжения, которое подают на катушку электромагнита вибропитателя. Это напряжение измеряют вольтметром и регулируют от 0 до 45 В с помощью переменного резистора. Пульсирующее напряжение получают с выхода однополупериодного выпрямителя, на который подают переменное напряжение с обмотки трансформатора, включенного на промышленную электросеть с частотой 50 Гц.

Под воздействием колебаний чашки вибропитателя порошок резистивного материала по лотку, спирально расположенному на ее внутренней боковой поверхности, поднимается от дна к верхней кромке и через разгрузочный патрубок подается на испаритель. Колебания чашки возникают в момент совпадения частоты собственных колебаний подвижной части вибропитателя с частотой вынужденных колебаний, т.е. пульсирующего напряжения 50 Гц. Настройку колебательной системы в резонанс производят при изготовлении вибропитателя путем подбора пружин с определенной силой упругости. Более точную подстройку осуществляют регулированием зазора между электромагнитом и якорем. Скорость расхода порошка регулируют по величине амплитуды напряжения, подаваемого на катушку электромагнита. Больше напряжение - больше расход, и наоборот. При заполнении чашки вибропитателя расходуемым сыпучим материалом ее масса увеличивается. Поэтому частота собственных колебаний вибропитателя уменьшается, в то время как частота пульсирующего напряжения остается всегда неизменной. В результате колебательная система выходит из резонанса, поэтому амплитуда колебаний чашки уменьшается и, как следствие, скорость подачи порошка падает. При этом величина напряжения, подаваемого на катушку электромагнита, остается неизменной. По мере освобождения чашки от порошка ее масса уменьшается, частота колебательной системы приближается к резонансной и расход порошка произвольно увеличивается.

Недостатком такого устройства является то, что в процессе напыления резистивных пленок скорость истечения напыляемого порошка из чашки произвольно изменяется, а следовательно, произвольно меняется и технологический режим процесса напыления. Это, в конечном итоге, приводит к снижению процента выхода годных изделий микроэлектроники.

Известно устройство управления вибропитателем, предназначенное для дискретно-импульсного испарения резистивного порошка путем подачи его на разогретый испаритель равными порциями через одинаковые промежутки времени (Селиверстов Л. А. Получение пленок веществ сложного состава дискретно-импульсным испарением. ПТЭ, N 1, 1979, с.237-238). Вибропитатель состоит из бункера с заслонкой и вибролотка. Устройство управления таким вибропитателем содержит генератор прямоугольных импульсов с регулируемыми частотой и длительностью, которые подаются на коммутирующий транзистор, в коллекторную цепь которого включена катушка электромагнита, управляющего работой заслонки. Для вибролотка применяют второй электромагнит, который непрерывно работает, питаясь пульсирующим напряжением от однополупериодного выпрямителя, присоединенного в одной из обмоток трансформатора, выключенного в промышленную электросеть с частотой 50 Гц. Работой заслонки управляют путем переключения времязадающих цепей генератора. При этом изменяется интервал времени, в течение которого заслонка открыта и сыпучий материал поступает на вибролоток, а с него - на испаритель. Таким образом осуществляют питание и управление выбропитателя с двумя электромагнитами.

Недостатком такого устройства является то, что оно не может обеспечить управление таким вибропитателем, в котором бункер и вибролоток совмещены в единую конструкцию, работающую от одного электромагнита.

Известно электровибрационное устройство к загрузочному бункеру (см. а.с. N 1310038, МКИ B 06 B 1/04, БИ N 18, 1987 г.), которое состоит из датчика вибрации, вибрационного устройства, нуль-органа, усилителя синусоидального напряжения, задатчика амплитуды вибрации, состоящего из диода и переменного резистора; сглаживающего фильтра, состоящего из диода и конденсатора; блока суммирования, состоящего из двух резисторов и суммирующего усилителя; а также формирователя пилообразного напряжения, формирователя прямоугольных импульсов, коммутирующего элемента и катушки электромагнита. При работе такого устройства с датчика вибрации синусоидальное напряжение подают на соединенные между собой входы усилителя напряжения и нуль-органа. С выхода усилителя отрицательный полупериод усиленного синусоидального сигнала через диод подают на конденсатор, сглаживающий пульсацию, а затем - на входной резистор сумматора. С выхода нуль-органа сигнал положительной полярности через диод подают на переменный резистор, выполняющий функцию задатчика амплитуды, а с него - на второй входной резистор сумматора. Усиленное напряжение рассогласования этих разнополярных сигналов запускает формирователь пилообразного напряжения, который, в свою очередь, запускает формирователь прямоугольных импульсов, к выходу которого подключена база коммутирующего транзистора. В качестве полезной нагрузки этого транзистора включена катушка электромагнита, который и обеспечивает колебания вибратора.

Недостатком такого устройства является его низкая надежность в момент запуска. Обусловлено это тем, что в момент включения устройства подвижная часть его колебательной системы находится в состоянии покоя. Поэтому датчик вибрации сигнала не вырабатывает, вследствие чего формирователь пилообразного напряжения и формирователь прямоугольных импульсов не запускаются, коммутирующий транзистор заперт, на катушку электромагнита ток не поступает, вибрация не возникает. Запуск устройства может быть осуществлен путем механического воздействия на подвижную часть его колебательной системы, т.е. необходим толчок. В этом случае в датчике вибрации возникнет сигнал, и устройство начнет функционировать. При эксплуатации подобного устройства внутри герметичной камеры установки вакуумного напыления производить толчок очень сложно.

Другим недостатком такого устройства является то, что в его конструкции отсутствуют элементы точной настройки на резонансную частоту, поэтому его колебательная система должна работать в широком диапазоне около резонансных частот и иметь низкую добротность. Указанные параметры обеспечивают успешную его работу при больших массах расходуемого из бункера сыпучего материала. Однако, из-за низкой добротности колебательной системы устройство не может обладать высокой чувствительностью и, как следствие, высокой точностью регулирования скорости истечения очень малых потоков сыпучих материалов. В связи с тем, что при напылении тонкопленочных резисторов порошок резистивного материала расходуется в микроколичествах и скорость его потока регулируют в диапазоне от 4,8·10^-3 до 17,7·10^-3 г/с, известное устройство требованиям этого технологического процесса не удовлетворяет.

Недостатком известного устройства является и то, что оно способно работать только с таким датчиком вибрации, с выхода которого снимается биполярный сигнал синусоидальной формы низкой частоты, в то время как наиболее чувствительные датчики вибрации могут иметь выходной сигнал в виде однополярных импульсов, высокочастотных колебаний и др.

Задача настоящего изобретения - повышение стабильности скорости истечения малых потоков сыпучих материалов из чашки вибропитателя.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее датчик вибрации, усилитель, сглаживающий фильтр, задатчик амплитуды вибрации, коммутирующий элемент и вибропитатель с катушкой вибрационного электромагнита, дополнительно введены регулирующий элемент, индикатор резонанса, задатчик резонанса и управляемый генератор импульсов, причем датчик вибрации, усилитель, сглаживающий фильтр, регулирующий элемент, управляемый генератор импульсов, коммутирующий элемент, задатчик амплитуды вибрации и катушка вибрационного электромагнита соединены последовательно, задатчик резонанса включен во времязадающую ячейку управляемого генератора импульсов, а индикатор резонанса присоединен к регулирующему элементу.

Заявляемое устройство показано на фиг. 1 в виде блок-схемы и содержит вибропитатель 1, катушку вибрационного электромагнита 2, датчик вибрации 3, усилитель 4, сглаживающий фильтр 5, регулирующий элемент 6, индикатор резонанса 7, управляемый генератор импульсов 8, задатчик резонанса 9, коммутирующий элемент 10, задатчик амплитуды вибрации.

На фиг. 2 в качестве примера показана электрическая принципиальная схема заявляемого электровибрационного устройства, которое содержит вибропитатель 1, катушку вибрационного электромагнита 2, датчик вибрации 3, усилитель 4 (транзисторы VT1, VT2, резисторы R1-R4, конденсаторы C1 и C2), сглаживающий фильтр 5 (диоды VD1, VD2 и конденсатор C3), регулирующий элемент 6 (транзистор VT3, резисторы R5 и R6), индикатор резонанса 7 (стрелочный измерительный прибор PV и конденсатор C4), управляемый генератор импульсов 8 (микросхема DD, резисторы R7 - R9, конденсатор C5 и источник света HL1), задатчик резонанса 9 (источник света HL2), коммутирующий элемент 10 (транзистор VT4), задатчик амплитуды вибрации 11 (резистор R10).

Электровибрационное устройство работает следующим образом. В момент его включения колебательная система вибропитателя 1 с чашкой, загруженной расходуемым сыпучим материалов, находится в состоянии покоя. На выходе датчика вибрации 3 в это время сигнал отсутствует и, соответственно, его нет на выходах усилителя 4 и сглаживающего фильтра 5. Режим работы регулирующего элемента 6, который может представлять собой усилитель тока, задан таким, что при отсутствии сигнала на входе ток на его выходе имеет наибольшую величину. В этом случае частота следования импульсов, вырабатываемых управляемым генератором импульсов 8, задается параметрами его внутренней времязадающей ячейки и величиной тока, поступающего на вход управления частотой. Чем больше ток, тем больше частота, и наоборот.

С выхода генератора импульсы подаются на вход коммутирующего элемента 10, выполненного на транзисторе, в коллекторную цепь которого включены последовательно задатчик амплитуды вибрации 11 и катушка вибрационного электромагнита 2. Под воздействием импульсов колебательная система вибропитателя приходит в движение. Вследствие этого на выходе датчика вибрации появляется сигнал. Он поступает на усилитель 4, усиливается и сглаживающим фильтром 5 преобразуется в постоянный ток, который подается на вход регулирующего элемента 6, а с его выхода - на вход управления частотой генератора импульсов. В результате частота генерируемых импульсов изменяется.

Настройка генератора в резонанс с колебательной системой вибропитателя производится с помощью задатчика резонанса, который включен во времязадающую ячейку этого генератора. Момент резонанса определяют по показанию индикатора резонанса 7. Таким образом, положение резонанса является результатом одновременного воздействия сигналов от датчика вибрации и от задатчика резонанса на времязадающую ячейку генератора импульсов. Установившийся режим обеспечивает стабильную работу вибропитателя без последующих ручных регулировок.

Автоматическая стабилизация скорости истечения сыпучих материалов из чашки вибропитателя происходит следующим образом. По мере расхода сыпучего материала масса колеблющейся части вибропитателя уменьшается. Поэтому собственная частота колебательной системы витбропитателя сдвигается в сторону увеличения частоты, в то время как частота вынужденных колебаний, т.е. частота вырабатываемых генератором импульсов, остается неизменной. В результате этого рассогласования резонанс пропадает, амплитуда колебаний чашки сокращается, сигнал на выходе датчика вибрации уменьшается, а ток на выходе регулирующего элемента увеличивается, что, в свою очередь, вызывает увеличение частоты генерируемых импульсов.

В итоге, амплитуда колебаний увеличивается, и на выходе датчика сигнал опять достигает пикового значения. Таким образом происходит самоподстройка колебательной системы в резонанс, обеспечивая, тем самым, стабильность амплитуды колебаний чашки и соответственно скорости истечения сыпучего материала. В качестве задатчика скорости истечения сыпучего материала используют задатчик амплитуды вибрации, представляющий собой переменный резистор, соединенный последовательно с катушкой вибрационного электромагнита. Мощность импульса тока, поступающего от коммутирующего элемента, распределяется между этими двумя элементами. Поэтому, изменяя сопротивление резистора, можно регулировать амплитуду колебаний чашки, задавая, таким образом, уставку расхода сыпучего материала. Следует отметить, что регулировки уставки никоим образом не влияют на работу генератора импульсов. Колебательная система вибропитателя всегда работает на резонансной частоте, что делает ее очень чувствительной к изменению собственной массы. Вибрационное устройство, производя непрерывную автоподстройку частоты, обеспечивает стабилизацию амплитуды колебаний чашки вибропитателя, а следовательно, и скорости истечения сыпучих материалов.

Предлагаемое электровибрационное устройство может быть реализовано с применением датчика вибрации любого типа, например, фотоэлектрического, емкостного, индуктивного и др. В зависимости от типа датчика могут изменяться только схемотехнические решения усилителя и сглаживающего фильтра. Остальные узлы устройства остаются неизменными.

В качестве примера конкретного выполнения на фиг. 2 приведена схема принципиальная электрическая предлагаемого электровибрационного устройства, в котором используется индуктивный датчик вибрации 3. Усилитель 4 собран на транзисторах VT1-П307В, VT2-КТ601А, резисторы R1-3к, R2, R3 - 680, R4 - 300, конденсаторы C1-30,0 мкФ, C2-20,0 мкФ. Слаживающий фильтр 5 состоит из диодов VD1, VD2-KD510A и конденсатора C3-10,0 мкФ. В качестве регулирующего элемента 6 используется транзистор VT3-KT608Б, резистор R5-300, R6-СП.3-13а-10 Ом. Датчик резонанса 7 представляет собой стрелочный прибор PV-типа M2003, конденсатор C4-1,0 мкФ. Управляемый генератор импульсов 8 собран на микросхеме DD-K155ЛАЗ (см. заявку N 4892554/21 от 20.11.90 г). Задатчик резонанса 9 представляет собой источник счета HL2-лампа накаливания MH1-0,068. Коммутирующий элемент 10 выполнен на транзисторе VE4-КТ904А. В качестве задатчика амплитуды вибрации 11 использован переменный резистор R10-ППЗ-40-300 Ом.

Частота импульсов, вырабатываемых генератором, определяется элементами времязадающей ячейки, составленной из R9-1,5 к, R8-10 к, конденсатора C5-5,0 мкФ, фоторезистора R7-СФ2-5, сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности световых потоков от ламп накаливания HL1-МН1-0,068 и HL2, которые в силу их функций также входят в состав времязадающей ячейки.

В момент включения электровибрационного устройства колебательная система вибропитателя с чашкой, загруженной расходуемым сыпучим материалом, находится в покое. Поэтому на выходе датчика вибрации сигнала нет, транзистор VT3 открыт, ток через лампу HL1 достигает максимального значения. Частота генерируемых импульсов определяется величинами R96 R8, C5 и фоторезистора R7, сопротивление которого зависит от суммарной интенсивности световых потоков, испускаемых HL1 и HL2. С выхода генератора импульсы через коммутирующий элемент VT4, задатчик амплитуды R10 поступают на катушку вибрационного электромагнита и возбуждают колебательную систему вибропитателя, в результате чего на выходе вибродатчика появляется сигнал, который усиливается усилителем (транзисторы VT1, VT2), преобразуется в постоянное напряжение сглаживающим фильтром (VD1, VD2 и C3) и поступает на вход управляющего элемента (VT3). Вследствие этого, ток через транзистор VT3 уменьшается, интенсивность свечения HL1 снижается, сопротивление R7 увеличивается, а частота импульсов на выходе генератора падает. Изменяя интенсивность свечения HL2 путем регулирования тока от внешнего источника тока, настраивают колебательную систему вибропитателя на резонанс. После этого величина тока, протекающего через HL2, остается фиксированной до конца технологического цикла напыления резисторов.

По мере расхода сыпучего материала масса колеблющейся части вибропитателя уменьшается, и частота его собственных колебаний сдвигается в сторону увеличения частоты, т.е. уходит от положения резонанса. В результате этого, амплитуда на выходе датчика вибрации уменьшается, ток через транзистор VT3 увеличивается, интенсивность свечения HL1 растет, сопротивление R7 уменьшается. Вследствие этого частота генерирующих импульсов увеличивается, подстраивая частоту вынужденных колебаний под частоту собственных колебаний, обеспечивая, тем самым, положение резонанса.

Таким образом достигается высокая чувствительность электровибрационного устройства к изменению массы расходуемого материала и, как следствие, высокая стабильность скорости истечения сыпучего материала из чашки вибропитателя. Стабилизация скорости истечения резистивного порошка из чашки вибропитателя, а следовательно, и стабильность его подачи на испаритель, улучшают воспроизводимость технологического процесса напыления тонкопленочных резисторов. В конечном итоге это приводит к повышению процента выхода годных изделий микроэлектроники и снижению их себестоимости.

Формула изобретения

Электровибрационное устройство, содержащее датчик вибрации, усилитель, сглаживающий фильтр, задатчик амплитуды вибрации, коммутирующий элемент и вибропитатель с катушкой вибрационного электромагнита, отличающееся тем, что в него дополнительно введены регулирующий элемент, индикатор резонанса, задатчик резонанса и управляемый генератор импульсов, причем датчик вибрации, усилитель, сглаживающий фильтр, регулирующий элемент, управляемый генератор импульсов, коммутирующий элемент, задатчик амплитуды вибрации и катушка вибрационного электромагнита соединены последовательно, задатчик резонанса включен во времязадающую ячейку управляемого генератора импульсов, а индикатор резонанса присоединен к регулирующему элементу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2