一种多因素控制铁镍薄膜材料合成的系统及方法技术方案

一种多因素控制铁镍薄膜材料合成的系统及方法属于薄膜材料合成控制领域。系统包括上位机、微控制器模块、功率电路模块、电解槽。上位机用于输入预先设置的控制信号，微控制器用于接收上位机设定的预设值以及接收转换模块的反馈值，经过三个PID控制模块的算法计算后，通过两个PWM模块将控制信号输出至两个功率电路。电流表实时监测两个功率电路输出的电流值。功率电路给电解槽供电，电解槽与电控装置、循环泵、基带处理装置、电机控制装置同时开始工作，制备高精度的软磁薄膜材料。本发明专利技术根据实际动态调整控制信号，微控制器对输入控制信号与反馈信号及功率电路控制信号通过PID运算来控制，形成一个闭环实时控制系统，提高了效率以及输出精度。率以及输出精度。率以及输出精度。

【技术实现步骤摘要】
一种多因素控制铁镍薄膜材料合成的系统及方法


[0001]本专利技术属于薄膜材料合成控制领域，涉及到一种多因素控制铁镍薄膜材料合成的系统及方法。

技术介绍

[0002]近年来，软磁薄膜材料因具有高的饱和磁化强度、低的磁致伸缩系数、高的磁导率等优异磁性性能被广泛应用于电子、汽车、计算机等领域。随着电子元器件向集成化、微型化和高频化方向发展，工业中迫切需要开发出具有高品质因数的磁性薄膜。在软磁薄膜材料合成工艺中，电解沉积法相比溅射沉积法、化学气相沉积法，制备成本低廉、反应过程容易控制、制备的软磁薄膜材料电磁性能更优异，适合成膜均匀致密的半导体材料的制备。
[0003]电解沉积过程是一个氧化还原反应，要制备出结构，形貌和性能优异的合金材料，需要控制和选择合适的工艺参数，如电流密度、电解沉积温度，电解槽基带的速度等。电解沉积过程中控制反应速度的关键参数就是电流密度，电流密度决定着阴极极化，阴极极化程度越高，沉积效率越高。
[0004]电沉积制备软磁薄膜的方法和应用已取得了令人瞩目的成就，但是，目前还存在一些问题，如电解沉积电源主要靠单一电源的输出，生成的沉积层致密性差，表面粗糙，成膜致密性不好。且控制条件较为单一，控制精度较低，可靠性较差。制定具有特定功能和特定组分比的软磁薄膜材料难度较大。

技术实现思路

[0005]本专利技术根据工业生产铁镍薄膜材料合成过程中电解沉积电源存在的控制精度以及材料成膜的质量问题，提出了一种基于PID控制的多因素控制铁镍薄膜材料合成系统及方法。该系统中具有快速响应的控制环路，多因素共同控制，提高了系统的可靠性以及系统的输出精度。铁镍薄膜材料合成系统包括：上位机、微控制器模块、功率电路模块、电流表、电解槽装置、电机控制装置，电控系统等。
[0006]上位机与微控制器通过基本的通信协议来完成信号的传输，实现人机交互功能。上位机输入控制信号，并将输入控制信号传输至微控制器。该控制信号为预先设置的铁镍薄膜材料的厚度数值以及组分比例信号。
[0007]微控制器中是通过PID控制算法对系统进行控制的。PID算法是工业应用中最广泛的算法之一，在闭环系统的控制中，可自动对控制系统进行准确且迅速的校正。微控制器中包括三个PID控制模块，PID1模块、PID2模块、 PID3模块，两个PWM模块，PWM1模块和PWM2模块,电流分配模块。PID1 模块接收来自上位机输入的控制信号，以及电机控制装置输出的基带速度信号经过函数转换模块输出的信号。该信号为电解槽制备的铁镍薄膜材料厚度数值经数字化处理之后的信号。PID1模块的输出信号为电流信号，经过电流分配模块，作为其他两个PID模块的输入信号。PID1模块的输出信号为：
[0008][0009]u(t1)为PID1模块的输出控制信号K
p1
是PID1模块的比例增益，T
i1
则是 PID1模块的积分时间常数,Y
d1
为PID1的微分时间常数。e(t1)为上位机输入的控制信号与函数转换模块输出的信号之间的差值。
[0010]电流信号分配模块的输入为PID1模块的输出信号，即经过数字化处理后的电流信号以及上位机输出的组分比例信号。输出为PID2模块和PID3模块的输入。电流信号分配模块的功能是根据铁镍薄膜材料的组分比例来控制输出给PID2和PID3的电流信号。薄膜材料的组分比例与电流之间的关系，可通过薄膜材料定比沉积电化学理论得出。电沉积过程是一个复杂的过程，包括阳极溶解、液相传质和阴极沉积。其中阴极沉积过程是电沉积的关键控制过程，决定了铁镍薄膜材料的结构和性能，也是定比沉积理论实现的重要一步。当电极上有两种或两种以上还原反应时，流过阴极的总电流为各反应电流之和。当前电沉积系统中存在两种还原反应，即
[0011][0012]其中为铁离子的交换电流密度，为镍离子的交换电流密度，α为氧化还原反应传递系数，n1为铁电极反应中电子转移数，n2为镍电极反应中电子转移数，F为法拉第常数，R为摩尔气体常数，T为温度，为铁的电极电位的改变量，为镍的电极电位的改变量。
[0013]根据公式(1
‑
2)电子转移动力学推导阴极沉积速度，得出定比沉积计算公式
[0014]根据吉布斯推导合金沉积电位
[0015][0016][0017]和分别为金属铁和镍沉积时的标准电极电位。合金沉积电极电位与其标准电极电位，金属活度及溶液中金属离子浓度有关。
[0018]根据合金热力学公式可得出：
[0019]将式(1
‑
4)(1
‑
5)(1
‑
6)代入(1
‑
3)中可得：
[0020][0021]由式(1
‑
7)可以看出：铁镍薄膜成分比例可以通过控制溶液中金属离子浓度以及外加电流密度来改变，两个电流密度之比η随合金中铁的摩尔分数X 的增加而减少。可通过电流分配模块改变PID1模块，PID2模块的输入值，从而导致输出值的变化，影响铁镍薄膜材料的组分比。
[0022]PID2模块的输入信号为电流分配模块的输出电流信号，以及功率电路1输出的反馈电流信号，输出信号为PWM1模块的输入信号。PID2模块的输出信号为：
[0023][0024]u(t2)为PID2模块的输出控制信号K
p2
是PID2模块的比例增益，T
i2
则是 PID2模块的积分时间常数,T
d2
为PID2的微分时间常数。e(t2)为电流分配模块的输出信号与功率电路1输出的反馈信号之间的差值。
[0025]PID3模块的输入信号为电流分配模块的输出电流信号，以及功率电路2 输出的反馈电流信号，输出信号为PWM2模块的输入信号。PID3模块的输出信号为：
[0026][0027]u(t3)为PID3模块的输出控制信号K
p3
是PID3模块的比例增益，T
i3
则是 PID2模块的积分时间常数,T
d3
为PID3的微分时间常数。e(t3)为电流分配模块的输出信号与功率电路2输出的反馈信号之间的差值。
[0028]PWM1模块和PWM2模块为脉冲调制模块，输入信号为PID2和PID3模块输出信号，该信号通过PWM1和PWM2模块产生用于驱动功率电路中开关管的脉冲信号，从而控制功率电路的输出。
[0029]功率电路模块包括以下电路模块：功率因数校正电路模块、移相全桥同步整流电路、高频变压器等。功率因数校正电路模块包括整流桥、保险丝F1、电感L1、电感电流检测电阻Rs、续流二极管D2以及保护二极管D2
’
、开关管Q1、栅极驱动电阻Rdr、输出滤波电容Co1,Co2,Co3、采样电阻Rvi,Rvd、负载Cin，Rin等。功率因数校正电路可以提高功率因数，减少无功电流和线路损耗，改善电网供电质量。移相全桥同步整流电路模块包括开关管 QA,QB,QC,QD、电容Cpa,C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多因素控制铁镍薄膜材料合成的系统，其特征在于，包括以下部分：上位机、微控制器模块、功率电路模块、电流表、电解槽、基带处理装置、电控系统、循环泵、电机控制装置和转换模块；其中：所述的上位机用于设定预先设置好的值；所述的微控制器模块用于接收上位机设定的预设值以及接收转换模块的反馈值，经过内部三个PID控制模块的算法计算后，通过两个PWM模块将控制信号输出至两个功率电路；电流信号分配模块的输入为PID1模块的输出信号，即经过数字化处理后的电流信号及上位机输出的组分比例信号；输出为PID2模块和PID3模块的输入；电流信号分配模块的功能是根据上位机输出的组分比例信号来控制输出给PID2和PID3的电流信号；所述功率电路模块包括以下电路模块：功率因数校正电路模块、移相全桥同步整流电路、高频变压器等；功率因数电路控制整流后的电流，减少输入电流谐波，提高功率因数；移相全桥同步整流电路接收来自PWM模块的控制信号，PWM模块输出控制移相全桥电路中四个开关管的控制信号，通过控制开关管的导通和关断来控制全桥电路工作；所述电解槽系统包括双阳极、阴极、循环泵、基带处理装置、电机控制装置和电控系统；基带处理装置是利用化学反应对基带表面微刻蚀，使基带与铁镍薄膜结合，进而制备出铁镍薄膜材料；通过电机控制装置，实时监测基带的速度；通过循环泵装置，对镀液循环过滤及搅拌，促进镀液浓度与温度的均匀性；所述的电控系统包括温度、张力控制和pH调节等控制装置；为了调节温度在一个电沉积区间，就需要使用温度控制系统，为了调节收卷过程中的合金薄膜与轴的张紧程度，就需要使用张力控制系统，为了维持镀液的pH的稳定，需要使用酸碱平衡泵来调节pH；转换模块的输入为电机控制装置输出的基带速度信号以及上位机输出的组分比例信号，输出信号为PID1模块的输入信号，即经过数字化处理后的薄膜厚度信号。2.应用如权利要求1所述的方法，其特征在于：微控制器中包括三个PID控制模块，PID1模块、PID2模块、PID3模块，两个PWM模块，PWM1模块和PWM2模块,电流分配模块；PID1模块接收来自上位机输入的控制信号，以及电机控制装置输出的基带速度信号经过函数转换模块输出的信号；该信号为电解槽制备的铁镍薄膜材料厚度数值经数字化处理之后的信号；PID1模块的输出信号为电流信号，经过电流分配模块，作为其他两个PID模块的输入信号；PID1模块的输出信号为：u(t1)为PID1模块的输出控制信号K
p1
是PID1模块的比例增益，T
i1
则是PID1模块的积分时间常数,T
d1
为PID1的微分时间常数；e(t1)为上位机输入的控制信号与函数转换模块输出的信号之间的差值；电流信号分配模块的输入为PID1模块的输出信号，即经...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小玲，付涛，谢雪松，万星辰，石畅飞，余露研，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：