Cảm biến và Ứng dụng báo cáo tiểu luận hệ thống mạ chân không pvd

2.Các cảm biến có trong hệ thống và yêu cầu kỹ thuật của chúng Trong hệ thống mạ PVD, có hai loại cảm biến được dùng đó chính là cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ.. Cảm biến áp suất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG

BÁO CÁO TIỂU LUẬN HỆ THỐNG

MẠ CHÂN KHÔNG PVD

GVHD: TS TRẦN VIỆT HỒNG HỌC VIÊN:NGÔ TRƯỜNG TÍN

MSHV: 2171038

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2022

Table of Contents

1.GIỚI THIỆU HỆ THỐNG 3

1.1 Công nghệ mạ chân không PVD là gì? 3

1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống 3

1.3 Sơ đồ và thành phần của hệ thống 5

2.Các cảm biến có trong hệ thống và yêu cầu kỹ thuật của chúng 6

2.1Cảm biến nhiệt độ 6

2.2Cảm biến đo áp suất 6

3.Chọn cảm biến áp suất cho hệ thống 8

1.GIỚI THIỆU HỆ THỐNG

Hiện nay, trong ngành sản xuất của Việt Nam, thẩm mĩ và độ bền là hai yếu tố rất quan trọng Từ đó các công nghệ gia công bề mặt dần xuất hiện, thoả mãn nhu cầu của người dùng Có rất nhiều cách để tăng mức độ thẩm mỹ của một sản phẩm, ví dụ như có thể dùng thuốc nhuộm, mạ, xi và nhiều công nghệ khác và mạ chân không PVD là một cách làm như vậy

1.1 Công nghệ mạ chân không PVD là gì?

Công nghệ mạ chân không PVD là một công nghệ trong đó vật liệu được bay hơi và ngưng tự để tạo thành một lớp màng mỏng trên một vật thể Lớp phủ có thể bao gồm gốm

sứ hoặc là kim loại Sự bốc hơi trong PVD có thể được ép buộc bằng một số phương pháp Phương pháp thường được sử dụng nhiều nhất là dùng magnetron sputtering, trong

đó vật liệu mạ được “thổi” tới vật thể bằng plasma Tất cả quá trình PVD được thực hiện dưới chân không

Trong quá trình sử dụng công nghệ mạ chân không PVD, vật thể mạ không cần phải là kim loại hoặc là chất dẫn điện mà cũng có thể là nhựa hoặc gốm sứ Trong quá trình sử

dụng công nghệ này thì nhiệt độ duy trì dưới 100ºC làm tăng số lượng ứng dụng của công nghệ

Phương pháp PVD rất linh hoạt và độ dày của lớp phủ có thể từ vài lớp nguyênn tử cho tới 10µm Bởi vì đa dạng trong vật liệu phủ cho nên có nhiều ứng dụng trong công

nghiệp, ứng dụng làm ra chất bán dẫn, các đĩa CD/DVD, công cụ, linh kiện cơ khí, linh kiện ô tô, pin mặt trời, quang học, y sinh,

PVD là một công nghệ thân thiện với môi trường, trái ngược với phương pháp xử lý bề mặt hoá học Công nghệ PVD sạch sẽ và khô ráo, không có vật liệu nguy hiểm liên quan

và cũng không có tạo ra chất thải hoá học hoặc ô nhiễm nguồn nước

1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống.

PVD là viết tắt của Physical Vapor Deposition hay có nghĩa là sự bốc hơi lắng đọng vật

lý Đây là phương pháp mạ dựa vào trạng thái của kim loại màu ở môi trường nhiệt độ cao trong môi trường chân không và thổi khí hiếm

PVD sử dụng các nguyên tắc nhiệt động bằng cách tập trung các dạng năng lượng tập trung vào vật liệu tiền chất rắn Vật liệu tiền chất rắn này trở nên phấn khích thông qua bắn phá năng lượng; Phương pháp phun xạ từ, laser, bay hơi Arc Năng lượng làm cho các liên kết bị phá vỡ trong cấu trúc mạng tinh thể và các nguyên tử bị ion hóa khi chúng rời khỏi vật liệu tiền chất Vật liệu bị ion hóa được giải phóng và được chuyển bằng Gradient áp lực đến nơi nó được lắng đọng dưới dạng một màng mỏng trên vật liệu nền Lớp phủ PVD được hình thành như sau: đầu tiên một vật liệu được bốc hơi từ nguồn rắn bằng các phương pháp vật lý khác nhau như là dùng hồ quang hoặc là xung điện Không khí của buồng xử lý được giữ ở mức áp suất chân không và một phần áp suất của các chất khí được kiểm soát Kim loại bay hơi và khí phản ứng của buồng phản ứng ngưng tụ trên

bề mặt của các sản phẩm

Công nghệ mạ PVD trải qua 4 giai đoạn chính bao gồm:

- Bốc hơi kim loại: đây là bước kim loại từ thể rắn chuyển sang thể hơi Ở giai đoạn này thì các nguyên tử kim loại ở điện cực sẽ tách ra khỏi điện cực do sự hội tụ năng lượng trên bề mặt catot phá vỡ các liên kết tinh thể, làm cho kim loại tan chảy và bốc hơi Các nguyên tử kim loại này phản ứng với các ion khác trong môi trường plasma và trở thành các ion như Ti+,Zr+,…

Figure 1Quy trình phủ lớp mạ PVD chân không

- Giai đoạn tiếp theo là vận chuyển các ion đã được tạo thành ở bước trên tới sản phẩm cần mạ bởi tác dụng của điện trường

- Sau đó các ion kim loại kết hợp với các ion của khí, hỗn hợp khí tạo ra màu sắp cho lớp phủ Tương ứng với các phản ứng sẽ tạo ra các chất khác nhau và cũng sẽ

có các màu sắc khác nhau trong quá trình mạ PVD

- Cuối cùng là quá trình lắng đọng các hợp chất kim loại – khí để tạo ra lớp phủ trên

bề mặt sản phẩm

1.3 Sơ đồ và thành phần của hệ thống.

Figure 2Sơ đồ và thành phần của hệ thống

Theo như hình 2 ta có hệ thống bao gồm 3 thành phần chính:

- Buồng làm việc

- Tháp khuếch tán

- Hệ thống bơm bao gồm 3 bơm là holding pump, mechanical pump và roots pump

để hỗ trợ tạo môi trường chân không

Và một số thành phần phụ như hệ thống các cảm biến, hệ thống van V1, V2,V3, V5 cũng như là nắp của tháp khuếch tán

Giai đoạn đầu khi mới khởi động máy, tháp khuếch tán sẽ hoạt động cùng với holding pump và mechanical pump Lúc này các van V1 và V2 vẫn còn đóng và van V1 sẽ

chuyển trạng thái sang mở Lúc này mechanical pump sẽ hút không khí trong bồn làm việc thông qua các đường ống phía trên, rút không khí trong bồn Khi áp suất không khí trong bồn đạt tới giá trị 1.0x10-3pa Sau đó V1 đóng, V2 mở và lúc này roots pump hoạt động cùng với mechanical pump để rút không khí trong bồn làm việc Holding pump có nhiệm vụ giữ cho áp suất trong bồn làm việc ổn định và không bị tăng áp trong quá trình tạo môi trường chân không

2.Các cảm biến có trong hệ thống và yêu cầu kỹ thuật của chúng

Trong hệ thống mạ PVD, có hai loại cảm biến được dùng đó chính là cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ Cảm biến áp suất được gắn trên hệ thống đường ống phía trên và phía bên dưới của hệ thống, trong khi đó cảm biến nhiệt độ sẽ đo nhiệt độ của điện trở đốt và nhiệt độ của dầu Các thông số và yêu cầu kỹ thuật của chúng sẽ được trình bày dưới đây

2.1Cảm biến nhiệt độ

Để thao tác và vận hành được trong hệ thống này thì dầu cần phải được nung nóng tới

180oC và điện trở đốt là khoảng 320oC, môi trường làm việc của các cảm biến này là

dùng để đo nhiệt độ của dầu và điện trở đốt nên cũng cần độ bền cao Các yêu cầu kỹ thuật như sau:

Table 1Các yêu cầu kỹ thuật sơ lược của cảm biến nhiệt độ

Hệ thống không có quá khắc khe về các thông số kỹ thuật nhưng môi trường làm việc là yêu cầu lớn nhất cho các cảm biến Các cảm biến này phải đo được nhiệt độ của dầu và nhiệt độ của các điện trở đốt Và cũng bởi vì thế cho nên các cảm biến cần phải đảm bảo làm việc trong môi trường hoá chất, nhiệt độ Từ đó ta thêm các thông số kỹ thuật khác

để lựa chọn cảm biến tốt cho hệ thống

Table 2Các thông số kỹ thuật yêu cầu cho cảm biến nhiệt độ.

2.2Cảm biến đo áp suất

Cảm biến đo áp suất dùng để đo áp suất chân không trong buồng làm việc và được gắn trên các đường ống của hệ thống Trong quá trình làm việc thi giá trị áp suất thấp nhất

hay giá trị chân không cao nhất trong buồng làm việc là 1.0x10-3, đây là mức áp suất chân không cao Tương ứng với mức áp suất này, ta có thể dùng nguyên lý về mức độ dẫn nhiệt (Thermal conductivity) hoặc là dùng ion (Ionization gauge) để đo áp suất chân không

Với nguyên lý lợi dụng mức độ dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt của không khí sẽ được đo bằng máy đo Pirani Máy đo Pirani là một thiết bị đơn giản có chứa một tấm kim loại nóng và

đo lượng nhiệt bị mất theo thời gian Lượng nhiệt bị mất phụ thuộc vào áp suất khí Máy Pirani có nhiều kiểu thiết kế, trong đó có một kiểu thiết kế là dùng hai tấm kim loại với nhiệt độ khác nhau, lượng nhiệt lượng khiến tấm kim loại có nhiệt độ thấp hơn nóng lên chính là thước đo áp suất không khí Hoặc là có một dạng thiết kế là chỉ có dùng một tấm kim loại toả nhiệt lượng và đo độ dẫn nhiệt của khí bằng cách xem sét nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh Dưới đây là một ví dụ khi thiết bị chia buồng cảm biến thành hai phần, một phần chứa đầy không khí ở áp suất tham chiếu và phần còn lại thì kết nối với chân không đang được đo Mỗi buồng có cùng kích thước, hình dạng và cấu trúc, chứa một tấm kim loại toả nhiệt duy nhất Việc đo nhiệt độ sẽ được thực hiện bởi một cặp nhiệt điện

Figure 3Cảm biến đo chân không bằng phương pháp truyền nhiệt

Nguyên lý dùng Ion cũng giống như là nguyên lý của ống chân không Mối quan hệ giữa dòng ion và sợi dây tóc là một hàm gần như tuyến tính của mật độ phân tử (áp suất) Trong cảm biến dùng ion như này, ta có một lưới bao quanh dây tóc, và sợi catot ở bên ngoài Có hai loại có sẵn là catot nóng và catot lạnh Dưới dây là sơ đồ cấu tạo của thiết

bị này

Figure 4Cảm biến áp suất chân không dùng nguyên lý Ion - catot nóng

Figure 5Cảm biến áp suất chân không dùng nguyên lý Ion - catot lạnh

Từ đó ta có một vài thông số kỹ thuật yêu cầu cho cảm biến áp suất dùng trong hệ thống

mạ PVD như sau:

Table 3Bảng các thông số kỹ thuật yêu cầu cho cảm biến áp suất

3.Chọn cảm biến áp suất cho hệ thống.

Có thể thấy, để đo áp suất của hệ thống mạ PVD thì có thể chọn cảm biến đo chân không dựa theo nguyên lý dẫn nhiệt hoặc nguyên lý Ion Mỗi loại cảm biến đều có ưu và nhược điểm và cần phải phân tích rõ ràng để biết được sản phẩm nào hợp với hệ thống mạ PVD hơn

Cảm biến dùng nguyên lý truyền nhiệt

Cảm biến dùng nguyên lí Ion

Nguyên

lý làm

việc

Lợi dụng nguyên lý truyền nhiệt trong môi trường Mật độ khí (áp suất) tỉ lệ với nhiệt lượng truyền đi

Dùng nguyên lý điện ly, catot được gia nhiệt, lượng Ion dịch chuyển từ catot tạo

ra dòng điện được đo bởi các đồng hồ đo Ampe Từ đó thông qua tỉ lệ giữa các

đồng hồ đo mà ta biết được áp suất Dải đo

áp suất

Áp suất đo từ 10-4Torr tới

103Torr

Áp suất từ 10−10 to 1 mbar

Vật liệu Cần dùng các kim loại quý như

bạch kim để tránh các vấn đề về oxi hoá

Vật liệu dùng làm dây tóc thường là Thoria, Iridium, Tungsten,…

Ưu điểm Rất dễ sử dụng và có thời gian

dùng lâu, không gặp sự cố bởi

Dải đo lớn, độ nhạy không đổi với các loại khí nhất định và đa dạng ứng dụng

vì chúng không có bộ phận

chuyển động Ngoài ra hiệu quả

kinh tế cao

Phản ứng nhanh khi có sự thay đổi của

áp suất Có khả năng dùng trong điều

khiển quá trình và điều khiển từ xa Nhược

điểm

Dễ bị ô nhiễm dùng trong các

hệ thống bơm dầu Và trong

trường hợp này thì cần lắp đặp

sao cho giảm tích tụ dầu trong

ống Có thể cần hệ thống lọc

sàng phân tử để kéo dài tuổi thọ

Giá thành cao và mạch điện phức tạp Với các loại khí khác nhau cần phải calip lại, có thể phá huỷ dây tóc bởi các khí ga

và nhiệt độ Dây tóc có thể bị đốt cháy nhanh khi tiếp xúc với không khí Làm ô nhiễm khí đo

Table 4So sánh ưu và nhược điểm của cảm biến

Ta chọn cảm biến áp suất ZJ-27/Φ15.5 của hãng CreBorn như sau:

Figure 6Hình ảnh của cảm biến ZJ-27

Figure 7Thông số kích thước của cảm biến ZJ-27

Các thông số kỹ thuật của cảm biến ZJ-27 như sau:

Điện áp giữa dây tóc và

GND

25V

Table 5Thông số kỹ thuật của cảm biến ZJ-27

4.Truyền và xử lý dữ liệu từ cảm biến

Có thể thấy ZJ-27 có 4 jack cắm Dựa theo sơ đồ nguyên lý của loại cảm biến dùng Ion này thì 4 chân này bao gồm:

- 2 chân cấp nguồn cho catot

- 1 chân cấp nguồn cho Grid

- 1 chân cấp nguồn cho Plate