用于气体流量控制的压电陶瓷阀的温度特性

刘洪金，池华敬，郭 帅，陈 革，章其初

(1.山东温屏节能玻璃有限公司，山东德州253000;2.皇明太阳能股份有限公司，山东德州253000)

1 引言

随着压电陶瓷材料应用领域的不断扩大，压电陶瓷阀作为一种精密驱动元件，广泛用于真空镀膜领域中的气体流量输出控制［1］。与传统的质量流量计控制气体输出相比，压电阀响应快，能耗低，精度高，易于控制。压电陶瓷阀是利用具有逆压电效应的压电陶瓷材料做成微调气体控制阀门，压电陶瓷阀片在外加电场作用下产生机械应变，应变的大小与外加电场的大小成正比。压电陶瓷材料的介电、蠕变等特性早有深入研究和介绍［2－3］，针对在真空磁控溅射应用中，压电陶瓷用迟滞和温度特性对气体输出流量控制的影响进行详细的试验和相关分析讨论。

2 试验装置

试验在立式平板玻璃真空磁控溅射连续镀膜线［4］(型号WP4B1650)上进行，该镀膜线用于制备低辐射镀膜玻璃。镀膜线由进片区、进片缓冲区、镀膜区、出片缓冲区及出片区几个单元模块组成。镀膜区包括镀膜单元A(反应溅射沉积AlN/Al2O3)和镀膜单元B(非反应溅射沉积Ag)两种，试验在镀膜单元A中进行，其结构示意图如图1所示。镀膜线前后两面对称，两块玻璃同时溅射镀膜。镀膜室装有一对圆柱铝靶。真空室内装有反应气体O2/N2和溅射气体Ar两路独立的进气系统，其中反应气体进气管对称分布在孪生靶前后左右两侧，共4支;溅射气体的进气管仅1支位于靶左侧，前后居中。进气管路采用王双等人设计的多段式进气管路［5］。图1给出了溅射气体Ar进气系统及溅射真空室横截面结构示意图，气体Ar经质量流量计，再通过压电陶瓷阀进入真空室内的布气管路。质量流量计用于显示压电陶瓷阀的气体输出流量值。

溅射气体Ar的控制系统由HY9940C型自动压强控制仪、PEV－1型压电陶瓷阀和D07－18AM/ZM型质量流量计组成。该系统具有恒压力控制功能［6］，其控制方块示意图如图2所示。真空室内的气体压力通过真空计实时采样，压力采样信号Pm送至自动压强控制仪，与设定压力信号Ps进行比较运算，最后输出电压信号至压电陶瓷阀，改变阀片的开启量，从而调节压电阀输出的溅射气体Ar流量，实现气体压力的恒定控制。

PEV－1型压电陶瓷阀主要由阀片和外壳构成。阀片是在一弹性薄片两面分别压上一块压电陶瓷片，其中一块压电陶瓷片的中心垫有小块氟橡胶。当在压电陶瓷两极施加一定范围的直流电压，压电陶瓷阀片发生弯曲变形，固定在压电陶瓷片上的密封橡胶垫轻微地抬起形成一个细小孔隙，阀门进气端的气体便通过该孔隙送到阀门出气端。压电阀响应时间2 ms，偏振电压0 V时漏率1×10－6Pa·L/s(标准条件下)，工作温度10～60℃。

图1 溅射真空室横截面结构示意图

图2 恒压控制系统示意图

压电陶瓷阀安装在镀膜线各镀膜室的真空箱体顶部，环境温度变化较大，最低温度约10℃，最高可达50℃。自动压强控制仪安装在有空调的中央控制室，控制室恒温25℃。

试验前镀膜室真空度不低于5.0×10－3Pa。改变压电陶瓷阀的偏振电压值，调节量和间隔时间相同，记录相应气体Ar的输出流量值。环境温度采用水银温度计测量。试验过程中，靶不运行。

3 结果与讨论

3.1 输出气体流量Q与压电陶瓷阀偏振电压Vo的迟滞效应

图3给出了输出气体流量Q随压电陶瓷阀偏振电压Vo变化的关系曲线，环境温度30℃。图中Qa和Qb表示输出气体流量由0逐渐增加到最大的全过程和部分过程。其中“增”和“减”表示气体流量增加和减少的过程。图3表明Q随Vo先增加再减小呈迟滞曲线。曲线Qa中，压电陶瓷阀偏振电压Vo由0 V开始逐渐增加，当Vo增至38 V时，压电阀开始有气体输出，此时的压电陶瓷阀偏振电压Vo称为阈值电压(也称开启电压)。当Vo增加到66 V时，Q值达到最大，此时的Vo称为饱和电压。压电陶瓷阀在阈值电压(38 V)和饱和电压(66 V)区间的范围，称为有效工作电压范围(28 V)。Vo继续增加Q保持最大流量输出。当Vo由100 V开始逐渐减小至65 V，Q由恒定输出500 ml/min开始逐渐减小，且随Vo减小Q近似成比例变化。当Vo减小至30 V以下时，Q近似为0。

曲线Qb与Qa相似，也呈现迟滞效应，但其迟滞回路较窄。由于压电陶瓷阀片所受偏振电压(电场)方向发生变化时，变形位移量呈现迟滞效应，随电压幅度增加，迟滞效应明显［7－8］。

图3 流量Q随压电陶瓷阀偏振电压Vo变化曲线，环境温度30℃

图4 流量Q随压电陶瓷阀偏振电压Vo变化曲线，环境温度50℃

3.2 输出气体流量Q随压电陶瓷阀偏振电压Vo变化曲线的温度效应

图4中给出了环境温度分别为30℃和50℃时，气体输出流量Q随偏振电压Vo的变化曲线，图中分别用Q30和Q50表示。随Vo变化Q所呈现的迟滞曲线具有温度效应，温度低迟滞效应更明显。图4中环境温度30℃时，压电阀阈值电压56 V，较50℃的67 V小;饱和电压99 V，较50℃的84 V大，有效工作范围43 V较50℃的17 V大;有效工作范围内Q的变化速率较50℃小。气体输出流量Q随Vo变化曲线呈现的温度效应，是由压电陶瓷阀片存在温度特性导致。压电陶瓷材料的温度特性主要由两个因素造成，一是陶瓷材料本身的线膨胀，陶瓷材料随温度升高而伸长;二是压电陶瓷材料的压电效应，由压电效应产生的输出位移(即变形量)随温度升高而减小［9］。

3.3 输出气体流量Q随压电陶瓷阀偏振电压Vo变化速率

真空磁控溅射系统中溅射压力恒定范围4.0×10－1～5.0×10－1Pa，所需溅射气体Ar流量Q约100～150 ml/min，图5给出了Q在120±50 ml/min范围内，Q随偏振电压Vo上升过程中的变化曲线，压电阀环境温度T分别为10℃、30℃和50℃，在图中表示为R(T10)、R(T30)和 R(T50)。由图5可见，环境温度高，气体输出流量随偏振电压的变化速率R大，温度30℃时R为40，10℃时R仅为19，约为30℃的一半;而50℃时R高达83，为10℃时的4倍多，即在相同的电压变化量输出时，50℃时气体的输出变化量约是10℃的4倍。

流量Q在120±50 ml/min范围，Q随偏振电压变化曲线，环境温度分别为10℃、30℃和50℃

4 结论

在真空磁控溅射连续镀膜线上，采用PEV－1型压电陶瓷阀作为溅射气体Ar输出控制的驱动元件，用于真空磁控溅射镀膜中溅射气体的恒压力控制。气体输出流量随压电陶瓷阀偏振电压的变化呈现迟滞效应和温度效应。当压电陶瓷阀偏振电压先增加再减小，气体输出流量变化呈迟滞曲线，该迟滞曲线与偏振电压幅值相关，偏振电压幅值大，迟滞回路宽。气体输出流量随偏振电压变化的迟滞曲线，受压电陶瓷阀的环境温度影响，环境温度低，迟滞效应明显，有效工作范围宽，气体输出流量随偏振电压变化速率小。压电阀环境温度10℃和50℃对比，流量在120±50 ml/min范围内，气体输出流量随偏振电压的变化速率R分别为19和83，相差4倍多，即压电陶瓷阀外加偏振电压变化量相同，50℃时气体输出流量的变化约是10℃时的4倍。

［1］程院莲，鲍鸿，李军，李小亚.压电陶瓷应用研究进展［J］.中国测试技术，2005，31(2):12～14.

［2］赵寿根，程伟.压电陶瓷材料电学性能参数测量研究［J］.压电与声光，2005，27(2):200－202.

［3］温任林，邱晓寒.压电陶瓷阀特性的研究［J］.山东内燃机，1999，60(2):19～33.

［4］池华敬，王双，周旭.等.采用PLC级差法闭环控制中频电源反应溅射沉积Al2O3薄膜［J］.真空，2011，48:10～14.

［5］王双，章其初，池华敬.等.多段式反应溅射气体进气装置［P］.中国:ZL 2006 2 0122651.9，2007.

［6］朱同庆.带压电阀的压强自动控制器［J］.真空科学与技术学报，1983，3(1):73.

［7］王岳宇，赵学增.补偿压电陶瓷迟滞和蠕变的逆控制算法［J］.光学精密工程，2006，14(6):1032～1040.

［8］崔玉国，孙宝元，董维杰，等.压电陶瓷执行器迟滞与非线性成因分析［J］.光学精密工程，2003，11(3):270～275.

［9］张涛，孙立宇，蔡鹤皋.压电陶瓷基本特性研究［J］.光学精密工程，1998，6(5):26～32.