Главная

Рефераты, курсовые

Сочинения
- русские
- белорусские
- английские

- литературные герои
- биографии

Изложения
- русские
- белорусские

Словари
- афоризмы
- геология
- полиграфия
- социология
- философский
- финансовый
- энциклопедия юриста
- юридический

ГДЗ решебники
Рефераты - Афоризмы - Словари
Русские, белорусские и английские сочинения
Русские и белорусские изложения
Отзывы

Исследование формирования структуры синтетического опала и возможность управления их характеристиками

Работа из раздела: «Производство и технологии»

Аннотация

Введение

Целью дипломного проекта являлось исследование вопроса формирования структуры синтетического опала с заданными оптическими свойствами и создание возможности управления их характеристиками.

Задачами дипломного проекта являлись:

1. Разработать математическую модель формирования запрещенной фотонной зоны при создании опаловых наноструктур вакуумными методами.

2. Провести анализ факторов, влияющих на процессы модификации запрещенной фотонной зоны.

3. Подготовить и исследовать образцы опаловых наноструктур.

Графическая часть дипломного проекта содержит 12 листов формата А1 и расчетно-пояснительную записку на 120 страницах. Дипломный проект соответствует всем необходимым требованиям, предъявляемым к оформлению текстовых и графических документов.

Для выполнения проекта использовались : MS Word 2005, Auto Cad 2006, Corel Draw 11.

Введение

Бурный прогресс в микроэлектронике и грандиозные проекты развития информационных технологий в последнее время все ближе сталкиваются с проблемой существования фундаментальных ограничений быстродействия полупроводниковых устройств . В связи с этим все большее число исследований посвящается разработке принципиальных основ альтернативных полупроводниковой электронике областей - микроэлектронике сверхпроводников, спинтронике и фотонике.

Основой многих устройств фотоники могут служить фотонные кристаллы - пространственно упорядоченные системы со строго периодической модуляцией диэлектрической проницаемости (строго периодическим изменением коэффициента преломления в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах). Указанная периодичность, по аналогии с электронной зонной структурой в регулярной кристаллической решетке, обуславливает возникновение фотонной запрещенной зоны - спектральной области, в пределах которой распространение света в фотонном кристалле подавлено во всех (полная фотонная запрещенная зона) или в некоторых избранных направлениях (будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла). Наличие фотонной запрещенной зоны обуславливает эффект локализации света, что позволяет осуществлять контроль спонтанного излучения внутри фотонного кристалла и открывает путь к созданию низко пороговых лазерных излучателей для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Кроме того, использование фотонных кристаллов при конструировании телекоммуникационных систем может привести к снижению коэффициента затухания в оптических волокнах и созданию не имеющих аналогов сверхбыстрых, полностью оптических, переключателей потоков информации. Разработка этого направления началась в и очень быстро стала модной для многих ведущих лабораторий мира. В настоящее время число публикаций по проблеме фотонных кристаллов (в их числе многочисленные статьи в журналах Nature, Science, Advanced Materials и др.) ежегодно удваивается. В последние годы созываются специализированные представительные международные конференции, целиком посвященные этой тематике. Лаборатории ведущих компаний и университетов мира (IBM, NEC, Sandia National Laboratories, MIT) в течение последних 10 лет прикладывают серьезные усилия для изготовления фотонных кристаллов с оптическим контрастом и структурой, удовлетворяющих достижению полной фотонной запрещенной зоны в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Однако, используя даже самые современные и дорогостоящие методы субмикронной электронной литографии и анизотропного ионного травления, к настоящему моменту удалось искусственно изготовить фотонные кристаллы с толщиной менее 10 структурных ячеек.

Для получения необходимых фотонно-кристаллических свойств, весьма перспективными считаются самопроизвольно формирующиеся синтетические опалы и материалы на их основе. Видимым проявлением существования фотонных запрещенных зон является иризация опалов, образованных монодисперсными микросферами SiO2*xH2O диаметром 150-900 нм, упакованными в кубическую гранецентрированную решетку.

1. Исследовательская часть

1.1 Фотонные кристаллы на основе опаловых наноструктур

Фотонные кристаллы (ФК) - это искусственные периодические диэлектрические структуры (материалы) с запрещенной зоной, препятствующей распространению света в определенном частотном диапазоне. Создавая точечные дефекты (или резонансные полости) в таком кристалле, можно захватить фотоны в “ловушки” запрещенной зоны (локализовать фотоны в полостях дефекта), а затем определенным образом использовать. Частотный диапазон и другие параметры такой полости можно задавать достаточно просто. Регулярные структуры интегральных оптических волноводов (или диэлектрических стержней) с круглым, прямоугольным или шестигранным сечением позволяют формировать диэлектрическую (оптическую) и даже гибридную (диэлектрически-металлическую) кристаллические структуры, которые обладают удивительными свойствами [1].

Идея фотонных кристаллов впервые была предложена в 1987 году Эли Яблоновичем (Eli Yablonovitch, сейчас - сотрудник университета UCLA в Калифорнии). Однако предложенная им технология мало подходила для формирования структуры кристаллов, которая позволяла бы работать с оптическими длинами волн в широко известных окнах прозрачности (850, 1310, 1550 нм). С этой проблемой справляется новая технология, разработанная специалистами Scandia Lab. (США).

В простейшем случае ФК можно получить путем добавления периодической структуры к обычному оптическому волноводу.

Технологический процесс заключается в осаждении слоя кремния на подложку SiO2 с последующим формированием в Si-слое точечных дефектов, в целом периодических, но с локальной нерегулярностью, которая и создает необходимые эффекты. Фотонные кристаллы позволяют реализовать такие недоступные для обычных оптических устройств эффекты, как передача оптического луча с поворотом на 90о практически без потерь мощности и пересечение двух оптических волноводов в одной плоскости с пренебрежимо малым уровнем переходных помех.

1.1.1 Типы фотонных кристаллов

Фотонных кристаллы делятся на три типа:

· одномерные

· двумерные

· трехмерные

Рис. 1.1 Три типа фотонных кристаллов

Одномерный периодический ФК можно создать путем нанесения полосы кремния с прямоугольным сечением на подложку SiO2 и вытравливания в ней отверстий, расположенных на одной линии вдоль полосы на равном расстоянии друг от друга (рис. 1.2). Такая структура формирует запрещенную зону, в чем-то аналогичную запрещенной зоне в полупроводниковых материалах. Для создания точечного дефекта (резонансной полости) расстояние между двумя отверстиями должно незначительно превышать период структуры. Так, для прототипа ФК с резонансной длиной волны 4500 нм расстояние между щелевыми (с продольной осью щели вдоль продольной оси полосы) отверстиями составляло 1800 нм [2]. Примерно такой же была длина щели в продольном направлении. В другом прототипе (с центральной резонансной длиной волны 1540 нм) на кремниевой полосе вытравливалось восемь отверстий диаметром 200 нм с периодом 220 нм, кроме интервала между четвертым и пятым (центрально-симметричными) отверстиями, который был чуть больше.

Точечный дефект (резонансная полость) действует следующим образом. Белый свет, вошедший с торца планарного волновода (кремниевой полосы) распространяется вдоль него. Волна с резонансной частотой захватывается между двумя центральными отверстиями (благодаря сформированной в структуре запрещенной зоне) и многократно отражается назад-вперед между этими отверстиями (внутреннее отражение из-за зеркального эффекта в резонансной полости). Оптические колебания на резонансной частоте усиливаются за счет энергии поступающего света аналогично тому, как это происходит, например, в оптических усилителях Фабри-Перо. Другие же спектральные компоненты экспоненциально угасают (из-за запрещенной зоны). При достаточном усилении свет резонансной частоты вырывается из резонансной полости и выходит из торца волновода. Например, для второго прототипа резонансная полоса длин волн может составить 400 нм: от 1300 до 1700 нм с центральной длиной волны 1540 нм, что практически перекрывает используемые для оптической связи последние два окна прозрачности. Зеркальный эффект обусловлен значительной разницей в коэффициентах преломления Si (высокий) и SiO2 (низкий).

Рис.1.2 Одномерный фотонный кристалл

Двумерный периодический ФК получают, формируя периодическую структуру вертикальных диэлектрических (Si) стержней, посаженных “квадратно-гнездовым способом” на подложке из двуокиси кремния. Ячейкой двумерного ФК может служить симметричная решетка из девяти стержней, оптический дефект в которой вызван изменением диаметра центрального стержня на 50% (рис. 1.3) [3]. Двумерная регулярно-симметричная решетка также формирует запрещенную зону, которая препятствует прохождению оптического луча вдоль стержней. В двумерном ФК можно создать не только точечный, но и линейный дефект, который позволяет задавать направление распространения луча на резонансной частоте.

Рис.1.3 Ячейка двумерного ФК с точечным дефектом

Трехмерный периодический ФК - это трехмерная регулярно-симметричная решетка, создающая трехмерную же запрещенную зону, препятствующую прохождению света через ФК. В таком ФК можно создать пространственный дефект, способствующий прохождению света определенной частоты в заданном направлении в пространстве. В силу сложности создания трехмерного ФК его часто моделируют двумерным ФК, создать который значительно проще.

Рис.1.4 Структура трехмерного ФК Яблоновича

Первый трехмерный ФК был получен Яблоновичем в 1991 году для работы в микроволновом диапазоне. В качестве заготовки использовался куб диэлектрика, на поверхность которого наносилась маска с массивом отверстий, каждое из которых затем рассверливалось по трем направлениям под углом 35о к вертикали и 120о друг к другу так, что в горизонтальном сечении формировались массивы из трех отверстий, расположенных в вершинах равностороннего треугольника (рис. 1.4). Данная структура получила название кристалла Яблоновича. Учитывая сложность изготовления такого кристалла, были предприняты другие попытки его получения. Так, в 1994 году Фан (Fan) и его коллеги предложили структуру кубического ФК, рассчитанного на субмикронные технологии и собранного послойно из двух различных диэлектрических материалов (Si и SiO2). Каналы из материала с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости e расположены в шахматным порядке и проходят через материал с высоким e. В кубе вытравливались строго вертикальные отверстия, формирующие в плоскости ту же треугольную структуру, что и в ФК Яблоновича (рис. 1.5).

Рис.1.5 Трехмерный ФК с вертикальными каналами

Однако наиболее технологична структура трехмерного ФК, формируемая по методу Лина-Флеминга (Shawn Lin и Jim Fleming из Scandia Lab.) [4]. На кремниевую подложку наносят первый слой SiO2, в котором нарезают параллельные борозды, заполняемые поликремнием. Этот процесс повторяют, но так, что в каждом следующем слое двуокиси кремния направление нарезки борозд перпендикулярно предыдущему. После изготовления многослойной заготовки (первоначально в лаборатории была получена шестислойная структура) двуокись кремния удаляют, оставляя трехмерный остов из поликремниевых стержней (рис. 1.6). Эффективность захвата светового потока такой структурой - 95%. Однако наибольшая эффективность достигается при девятислойной структуре.

Рис. 1.6 Остов трехмерного ФК Лиина-Флеминга

Для создания световодного канала в этой структуре (например, для эффективного поворота светового потока под углом 90о) из нее нужно удалить один или несколько стержней, что непросто, но вполне возможно в рамках описанного технологического процесса.

Фотонные кристаллы найдут широкое применение в фотонных (оптических) интегральных технологиях для создания фотонных интегральных схем (ФИС). Эти схемы необходимы не только для перспективного оборудования оптических сетей связи, но и для сверхбыстродействующих компьютерных систем. Так, используя систему связанных линейных и пространственных дефектов, можно формировать сложную геометрию пространственного оптического волновода, аналогично топологии электрических связей в электрических интегральных схемах (ЭИС). Следовательно, технология формирования ФК может ФК Лина-Флеминга быть использована для изготовления ФИС, способных в будущем заменить ЭИС в микропроцессорной технике. Такая замена позволит резко сократить высокое энергопотребление, характерное для всех ЭИС, а также увеличить тактовые частоты и скорость передачи данных за счет более высокой скорости распространения оптического луча по сравнению с фазовой скоростью электрического сигнала.

Кроме того, ФК применимы в ряде сложных, хотя и частных функциональных задач, таких как поворот оптического луча на 90о, пересечение в плоскости двух оптических волноводов с минимальными переходными помехами и эффективная фильтрация отдельной оптической несущей.

Поворот оптического луча в оптическом волноводе без существенных потерь возможен только при условии, что радиус поворота значительно больше длины волны луча света. Соблюдениеэтого условия в интегральной оптике затруднительно, а то и невозможно, особенно для диапазона, соответствующего третьему окну прозрачности, - 1550 нм.

Рис.1.7. Схема поворота оптического луча на 900

Поворот луча удобнее рассматривать в плоскости и применительно к двумерному ФК. Запрещенная зона препятствует прохождению света (определенной спектральной полосы) в слое материала. Для прохождения луча формируется не точечный, а линейный дефект структуры (например, убирается один ряд стержней). Для поворота луча на 90о формируют два линейных дефекта, соединенных под прямым углом. Физически это сводится к удалению ряда стержней на предполагаемом пути следования луча, - в периодической двумерной структуре создают прямоугольный канал (рис. 1.7), выходу излучения из которого препятствует запрещенная зона.

Теоретически прохождению луча препятствуют отражения, однако фактически эффективность передачи может быть близка к 100%. Как видно из рис. 1.7, радиус поворота имеет порядок 2a, (где a - период решетки), что меньше длины волны луча. Такой поворот можно рассматривать как явление, аналогичное одномерному резонансному туннельному эффекту в квантовой механике.

1.1.2 Фотонный кристалл с управляемой шириной ФЗЗ

Описанные выше ФК формировались так, что ширина их запрещенной зоны была фиксированной и неуправляемой. В 1999 году усилиями группы Саджива Джона (Sajeev John из университета Торонто) удалось создать структуру фотонного кристалла с управляемой шириной запрещенной зоны. ФК построен на основе искусственного кристалла опала, причем воздушные пустоты кристалла заполняют кремнием, затем субстанцию опала вытравливают, формируя инверсную опалу кристаллическую структуру с периодически расположенными сферическими пустотами (рис. 1.11) [7]. Запрещенная зона данной структуры препятствует распространению длин волн в диапазоне 1380-1620 нм (8% относительно центральной длины волны 1500 нм). Для управления шириной запрещенной зоны внутренние поверхности сфер покрывались (методом инфильтрации) жидкокристаллическим нематиком с низким коэффициентом преломления (темно-голубая полусфера на верхнем срезе кристалла, рис. 1.11). В результате относительная ширина запрещенной зоны уменьшилась с 8 до 1,6%. Кроме того, прикладывая внешнее магнитное поле, можно управлять шириной запрещенной зоны в диапазоне 1,6-0%. Этот эффект сравним с управлением потоком электронов в полупроводнике с помощью электрического поля.

Рис. 1.11. Структура ФК с управляемой шириной запрещенной зоны

Управление шириной запрещенной зоны с помощью магнитного поля позволит создать более эффективные и простые, чем на основе фильтров канала вывода, структуры коммутаторов (в том числе и распределенные, так как свет может коммутироваться в нужном направлении путем приложения поля к определенной области ФК). Кроме того, возможно более точно управлять положением луча, проходящего через распределенную структуру ФК, что облегчает его маршрутизацию - динамическую или статическую, в плоскости или пространстве. Однако еще предстоит преодолеть такие проблемы, как управление степенью инфильтрации жидких кристаллов и равномерность их распределения по внутренним поверхностям сфер.

1.1.3 Синтетический опал

Cинтетический опал - регулярная упаковка глобул кремнезема образует трехмерную решетку с указанной периодичностью, которая может быть охарактеризована как 3D (трехмерная) оптическая решетка. При диаметрах сфер 150-450 нм правильные упаковки содержат структурные пустоты размерами 60-200 нм, которые могут быть частично или полностью заполнены полупроводниковыми, сверхпроводящими, оптически активными или магнитными материалами. Таким образом, в опаловидной структуре будет образовываться трехмерная решетка из частиц материала заполнения.

Рис. 1.12 Синтетический опал

Наличие запрещенной фотонной зоны синтетического опала обусловлено периодичностью его трехмерной структуры, приводящей к возникновению эффекта Брегговской дифракции в видимом диапазоне электромагнитных волн.

Технология формирования опаловой матрицы значительно проще типовой планарной технологии формирования 3-D структур.

Рис. 1.13 Планарные технологии получения фотонных кристаллов и получение опала

Многообразие составов и предполагаемых областей применения 3Dнанокомпозитов, изготовленных на основе опаловых матриц (Табл. 1), определяет необходимость в систематизации имеющейся информации и приведении данных к совместимому между собой виду и делает актуальным применение в данной области баз данных.

Таблица 1.1 Составы и некоторые области применения 3Dнанокомпозитов на основе опаловых матриц

Тип материала

заполнения

Состав наполнителя

Физическая модель

нанокомпозита

Возможности применения

Полупроводник

CdS, CdTe

Зеебековские 3Dнаноструктуры

Термоионные энергетические

конвертеры

InN, GaN

Квантовые точки

Полупроводниковые

наноэлектронные устройства

GaAs, CdTe,

InP, GaSb

3Dсверхрешетки

из элементов типа

диодов Шоттки

Сверхпроводник

In, Pb

ВТСП

3Dcверхрешетки

Джозефсоновских

контактов

(переходов)

Генераторы и усилители электромагнитных волн гигагерцового диапазона (> 10  20 ГГц)

Оптически активные среды

П/п ”фотодиодные материалы”

3Dсверхрешетки

фотодиодов

Счетчики элементарных частиц

Материалы с большим показателем преломления,

C, Si, Ge

3Dнанооптические

системы

Активные элементы систем усиления, генерации, управления в лазерных и т.п. устройствах волоконной оптики

Металлы, в том числе ферромагнитные

Ga, Ti, Fe, Mn, Ag

3Dнанокомпозиты и нанорешетки, «металлические» фотонные кристаллы

Элементы магнитной памяти, отражатели, аттенюаторы

Люминофоры

Er, Yb, ZnS

Нанокомпозиты

Элементы оптических систем

1.1.4 Анализ возможности формирования фотонных кристаллов вакуумными методами

Типы наноструктур

Непосредственно опаловые матрицы, т.е системы на основе упорядоченных наносфер кремнезема SiO2, могут быть получены множеством методов: седиментацией, центрифугованием, вертикальным осаждением, электрофорезом, выпариванием растворов. Виды наноструктур на основе синтетического опала представлены на рис. 1.

Рис. 1.14 Наноструктуры на основе матриц синтетического опала: а - «чистый» опал, б - тонкопленочная структура, в - заполненный материалом внедрения опал (нанокомпозит), г - инверсный опал.

Расчет параметров ФЗЗ наноструктур

Для рассмотрения отражения лучей от опаловой матрицы с пленкой вспомним некоторые положения теории интерференции и дифракции света, на которые мы в дальнейшем будем опираться.

Рассмотрим рассеяние монохроматической волны от слоев опаловой матрицы. Пусть на них падает параллельный монохроматический пучок длины волны л. Рассматривая глобулы как центры новых когерентных элементарных волн, мы получаем для каждой из плоскостей отраженную волну под углом, равным углу падения. Отражение для одной единственной плоскости будет происходить одинаково для любой длины волны, так как длины путей для всех лучей равны между собой, а, следовательно, разности хода всегда равны нулю. Однако отражение происходит не от одной плоскости, а от системы равноотстоящих плоскостей. Все эти волны когерентны между собой, поскольку порождаются одной и той же первичной волной.

Рис. 1.15 Рассеяние излучения от двух плоскостей матрицы, которые отстоят друг от друга на расстояние d.

Лучи 1 и 2, отраженные от плоскостей I, II, имеют разность хода, равную, как легко видеть, 2dsinи, где и - угол скольжения, т.е. дополнение до 90 ° к углу падения. Если разность фаз между вторичными волнами кратна 2, то они усилят друг друга, и под углом отражения действительно будет распространяться отраженная волна. Если же эта кратность отсутствует, то никакой отраженной волны не будет. Поэтому отражение будет иметь место только для тех волн, для которых эта разность хода равна целому числу длин волн.

Таким образом, для интерференционного отражения должно быть соблюдено условие

(1)

где m - целое число, d - диаметр глобул, - угол падения.

Это и есть формула Брэгга-Вульфа. Волны другой длины рассеиваются более или менее равномерно по всем направлениям, давая лишь общий фон и не приводя к образованию максимумов, наблюдаемых для волны, удовлетворяющей условию Брэгга-Вульфа.

Тонкие пленки - это твердые слои толщиной не свыше 1-3 мкм.

Тонкие пленки различаются по материалу, структуре, характеру распределения вещества в слое. Их физические свойства могут значительно отличаться от соответствующих свойств массивных материалов. Это связано с размерными эффектами, влиянием поверхности пленок и подложки, иной, нежели у массивных материалов, структурой. Для тонких пленок становится важным такой обычно не существенный для массивных материалов фактор, как шероховатость поверхности, поскольку от неё зависит коэффициент зеркальности отражения электронов поверхностью, определяющий проводимость и другие кинетические характеристики пленки. Размеры структурных дефектов в тонких пленках могут быть сравнимыми с их толщиной и поэтому существенно влиять на их свойства. В пленках возможны механизмы прохождения тока, отсутствующие в массивных образцах, например, туннелирование электронов в островковых плёнках. Отношение площади поверхности к объёму у тонких пленок намного больше, чем у массивных тел. В результате их поверхностная энергия оказывается сравнимой с полной свободной энергией. Это проявляется в изменении, по сравнению с массивными материалами, равновесной концентрации вакансий и других термодинамических характеристик и в конечном счёте сказывается на механических, тепловых и других свойствах тонких пленок.

Электрофизические и эксплуатационные характеристики тонких пленок зависят от структуры и состава пленок (размера зерна, количества загрязняющих примесей), адгезии пленки к подложке, механических напряжений, окисляемости пленки и т.д. Наибольшее влияние на эти факторы оказывают чистота подложки и исходного материала, температура подложки и скорость осаждения, давление и состав остаточных газов вакуумной камеры, способ генерации осаждаемых атомов и молекул, сродство материала пленки и кислорода, привносимые дефекты и т.п.

Тонкие пленки широко и многообразно применяются в электронике (активные и пассивные элементы, межсоединения), архитектуре и строительстве (энергосберегающие и светозащитные покрытия на стекла), машиностроении (износостойкие покрытия на инструмент, твердосмазочные покрытия на детали узлов трения), оптике (просветляющие покрытия), медицине (антисептические покрытия) и многих других областях.

Рис.1.16. Оптические свойства пленки

Для рассмотрения интерференции на тонких пленках - слоях материала с толщиной < 50мкм (интересующие нас явление образование ФЗЗ базируется на явлении интерференции) - воспользуемся законами отражения и преломления, которые мы выведем чуть позже:

1) угол падения и1 равен углу отражения

2)соотношение между углами падения и преломления имеет вид:

(1)

Пусть из воздуха (для воздуха n1 = 1) свет (электромагнитная волна) падает под углом и1 на поверхность пластины с показателем преломления n и толщины d. Находим оптическую разность хода 2-х лучей - 1 и 2 (см рисунок):

Д = nS2-S1

где S1 - разность хода лучей в воздухе (в среде с показателем преломления n1)

S1=

а S2 - разность хода первого луча при прохождении пластинки:

S2 =

Используя (1), получаем:

Кроме того, как покажем позже, при отражении от оптически более плотной среды (n2 > n1) фаза волны скачком меняется на угол р. Поскольку мы имеем 2 акта отражения, то в любом случае одно отражение (либо для луча 1, либо для луча 2) происходит от оптически более плотной среды. Поэтому окончательно для разности хода получаем:

При оптической разности хода Д=mл (где л длина волны в вакууме) получаем максимум в отраженной волне. А при разности хода Д= - минимум.

Пленки, обладающие различными свойствами (толщиной, преломлением, шероховатостью), можно создавать, варьируя параметрами нанесения пленок.

Интерференция света при отражении от тонких пленок

рис.1.17

При падении световой волны на тонкую прозрачную пластинку (или пленку) происходит отражение от обеих поверхностей пластинки. В результате возникают две световые волны, которые при известных условиях могут интерферировать.

Пусть на прозрачную плоскопараллельную пластинку падает плоская световая волна, которую можно рассматривать как параллельный пучок лучей (рис.1). Пластинка отбрасывает вверх два параллельных пучка света, из которых один образовался за счет отражения от верхней поверхности пластинки, второй -- вследствие отражения от нижней поверхности (на рис1 каждый из этих пучков представлен только одним лучом). При входе в пластинку и при выходе из нее второй пучок претерпевает преломление. Кроме этих двух пучков, пластинка отбросит вверх пучки, возникающие в результате трех-, пяти- и т. д. кратного отражения от поверхностей пластинки. Однако ввиду их малой интенсивности мы эти пучки принимать во внимание не будем. Не будем также интересоваться пучками, прошедшими через пластинку.

Разность хода, приобретаемая лучами 1 и 2 до того, как они сойдутся с точке С , равна

где s1 -- длина отрезка ВС, a s2 -- суммарная длина отрезков АО и ОС, n -- показатель преломления пластинки, b - толщина пластинки. Показатель преломления среды, окружающей пластинку, полагаем равным единице. Из рис.1 видно, что

Подстановка этих значений дает, что

Учитывая, что

Получим:

При вычислении разности фаз д между колебаниями в лучах 1 и 2 нужно, кроме оптической разности хода Д, учесть возможность изменения фазы волны при отражении . В точке А (см. 1) отражение происходит от границы раздела среды, оптически менее плотной, со средой, оптически более плотной. Поэтому фаза волны претерпевает изменение на р. В точке О отражение происходит от границы раздела среды, оптически более плотной, со средой, оптически менее плотной, так что скачка фазы не происходит. В итоге между лучами 1 и 2 возникает дополнительная разность фаз, равная р. Ее можно учесть, добавив к Д (или вычтя из нее) половину длины волны в вакууме. В результате получим

Дифракция света на опаловой матрице

Рис.1.18

Русский ученый Ю. В. Вульф и английские физики У. Г. и У. Л. Брэгги показали независимо друг от друга, что расчет дифракционной картины от кристаллической решетки ( в нашем случае опаловой матрицы) можно осуществить следующим простым способом. Проведем через узлы кристаллической решетки параллельные равноотстоящие плоскости (рис. 2). Если падающая на кристалл волна плоская, огибающая вторичных волн, порождаемых глобулами, лежащими в таком слое, также будет представлять собой плоскость. Таким образом, суммарное действие глобул, лежащих в одном слое, можно представить в виде плоской волны, отразившейся от усеянной глобулами поверхности по обычному закону отражения.

Плоские вторичные волны, отразившиеся от разных слоев, когерентны и будут интерферировать между собой подобно волнам, посылаемым в данном направлении различными щелями дифракционной решетки. При этом, как и в случае решетки, вторичные волны будут практически погашать друг друга во всех направлениях, кроме тех, для которых разность хода между соседними волнами является кратной л. Из рис. 2 видно, что разность хода двух волн, отразившихся от соседних слоев, разна

где d -- период идентичности кристалла в направлении, перпендикулярном к рассматриваемым слоям,

и -- угол, дополнительный к углу падения и называемый углом скольжения падающих лучей.

Отражение света от опаловой матрицы с пленкой

Рис. 1.19

Для того, чтобы наблюдались максимумы необходимо выполнения условий:

Сложив уравнения, получим:

Из материала, рассмотренного выше, следует:

Т.к. , то:

При вычислении разности фаз д между колебаниями в лучах 1 и 2, а также лучах 3 и 4 нужно, кроме оптической разности хода Д, учесть возможность изменения фазы волны при отражении. Между лучами 1 и 2 возникает дополнительная разность фаз, равная р.( было рассмотрено ранее). Аналогично, рассматривая лучи 3 и 4 можно сказать, что их разность фаз равна 2р.

Учитывая данные рассуждения, получим:

В результате получим:

Приведем данную формулу к такому виду:

1.1.5 Анализ методов формирования опаловых фотонных кристаллов

Метод термического испарения в вакууме

Этот метод заключается в испарении металла или сплава в вакууме и конденсации его паров на поверхности пластинки (подложки). Качество и прочность пленок в большей степени зависят от чистоты подложки. Поэтому поверхность подложки предварительно полируется и тщательно очищается. Часто во время напыления подложка нагревается при помощи специального нагревателя до температуры 100-3000С. При подогретой подложке частично снимаются внутренние напряжения в пленке, и улучшается ее сцепление с подложкой. Подложки могут быть изготовлены из стекла, кварца, слюды и немагнитных металлов. В качестве подложки в некоторых случаях используются сколы монокристаллов поваренной соли NaCl.

Процесс термовакуумного нанесения можно разбить на четыре этапа:

· Термовакуумное испарение вещества. Вещества переходят в пар при любой температуре выше абсолютного нуля, но чтобы увеличить интенсивность парообразования их нагревают. С увеличением температуры повышается средняя кинетическая энергия атомов и вероятность разрывов межатомных связей. Атомы отрываются от поверхности и распространяются в свободном пространстве, образуя пар.

· Распространение молекулярного потока испаряемых частиц от испарителя к подложке. Молекулярный поток испаряемых частиц на своем пути встречает молекулы остаточного газа. Возникающие при этом неблагоприятные столкновения, изменяя траектории частиц пара, оказывают влияние на физико-механические свойства осаждаемых пленок, приводят к потерям испаряемого материала за счет нанесения на внутрикамерную оснастку и стенки камеры, уменьшают скорость нанесения пленки. Такие столкновения не происходят, если длина свободного пробега молекул пара ? превышает расстояние испаритель-подложка d.

· Конденсация пара на поверхности подложки зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Молекулы (атомы) пара, достигшие подложки, могут мгновенно отразиться от нее (упругое столкновение), адсорбироваться и через некоторое время отразиться от подложки (реиспарение), адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхности окончательно остаться на ней (конденсация).

Конденсация молекул (атомов) происходит, если их энергия связи с подложкой больше средней энергии атомов подложки, в противном случае молекулы отражаются. Если подложка нагрета, энергия ее атомов выше, вероятность конденсации пара ниже.

· Образование зародышей происходит в результате нахождения молекулами мест сильной связи (сил Ван-дер-Ваальса) с подложкой, соответствующих минимуму свободной энергии системы молекула-подложка. Если же на пути своего движения обладающая избытком энергии молекула встречает место слабой связи с подложкой, то происходит реиспарение. Рост зародышей продолжается за счет присоединения новых молекул, мигрирующих по поверхности или попадающих в зародыши непосредственно из пролетного промежутка источник-подложка.

· Рост пленки. По мере конденсации зародыши растут, между ними образуются соединяющиеся мостики, зародыши сливаются в крупные островки. После этого наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину. С этого момента влияние подложки исключается и частицы пара от поверхности пленки практически не отражаются.

Метод химического осаждения

Метод химического осаждения тонких пленок осуществляется при напуске в рабочую камеру (реактор) смеси газов, содержащей компоненты получаемой пленки. Существуют методы непосредственно химического осаждения атомов и молекул из газовой фазы (CVD-методы: Chemical Vapour Deposition), газофазная эпитаксия, термическое окисление, методы плазмо-химического осаждения. Химическое осаждение пленки из газовой фазы подразумевает собой процесс, при котором химическая реакция, происходящая в газовой фазе над поверхностью подложки, вызывает рост пленки на этой поверхности (рис. 18).

Рис.1.20.

Процесс CVD нанесения пленок можно разбить на следующие этапы:

· Подача исходных реагентов в зону осаждения к подложкам.

· Взаимодействие исходных реагентов и образование промежуточных продуктов. В ряде случаев полные молекулы рабочего газа (или смеси рабочих газов) являются химически пассивными и не могут участвовать в процессе роста пленки. Поэтому рабочий газ активируют. Для активации обычно используют методы температурного или плазменного стимулирования взаимодействия реагентов. Промежуточные продукты взаимодействия переносятся к поверхности подложек.

· Образование зародышей. На этом этапе происходит процесс адсорбции. Активные радикалы легко диффундируют на поверхности подложки и образуют химические связи, осуществляя, таким образом, первую стадию образования пленочного слоя. Газообразные продукты реакции десорбируют с поверхности и эвакуируются из зоны осаждения.

· Рост пленки. С течением реакции количество зародышей растет, между ними образуются соединяющиеся мостики, зародыши сливаются в крупные островки. После этого наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину.

Ниже представлена таблица, в которой сравниваются методы получения наноструктур.

Таблица 1.2

Метод

Суть метода

Характерные режимы

Добавляемые (внедряемые) материалы

Электрохимическое осаждение (гальваника)

Напряжение - > 0,1В

pH электролита - 6…6,5

Температура - 25…60оС

Металлы, полупроводники

Химическое (плазмохимическое) осаждение в вакууме (CVD)

Давление - 105…10-1Па

Напряженность - 0,1…10эВ

Температура - 20…1520оС

С, Si, Ge, GaAs, GaAlAs, InP,GaN

Одновременное с кремнеземом осаждение испарением из коллоидного раствора

Температура - 600…850oC

Размер наночастиц - до 5 нм

Si, GaP, CdS, …

Золь-гель метод (пропитка)

Мнгогократная обработка

Температура - 300..850оС

Время - 0,5…1ч

TiO2, SiO2, GeO2, шпинели, …

Метод высоких давлений

Давление - до10*105Па

Температура - 350…400оС

Время - 30мин

Sn, Pb, Te, Ga, …

Восстановление из оксида

GeO2

GeO2 + H2

Ge

Температура - 550оС

Металлы

Осаждение в вакууме магнетронным распылением

Давление - 10…10-2 Па

Напряженность - 3…5эВ

Температура - 20…470оС

Любые

Осаждение в вакууме термическим испарением

Давление- 10-4…10-8Па

Металлы

Проведенный анализ методов формирования наноструктур опала позволил сделать вывод, что из вакуумных методов наиболее эффективным является - плазмохимическое осаждение. Этот метод позволяет как осаждать на поверхности кристалла тонкие пленки так и внедрять материалы внутрь. Методы магнетронного распыления и термического осаждения также заслуживают внимания, так как с помощью них можно получать структуры с осажденной на поверхности пленкой. Также были рассмотрены методы внедрения материалов гальваническим методом и осаждением из раствора солей металлов.

1.1.6 Анализ факторов, влияющих на параметры ФЗЗ

На основе базы данных, созданной по результатам собственных экспериментов и обзора литературных источников, были выделены факторы оказывающие наибольшее влияние на параметры фотонной запрещенной зоны:

Таблица 1.3 Список характеризующих опаловые наноструктуры параметров

Характеристика наноструктуры

Диапазон значений

Вид наноструктуры

«чистый» опал, тонкопленочная структура, нанокомпозит, инверсный опал

Добавляемый материал

металлы, оксиды, ….

Метод изготовления опаловой матрицы

седиментация, центрифугование, вертикальное осаждение, электрофорез, выпаривание растворов

Диаметр глобул диоксида кремнезема, нм

200…1200

Метод внедрения

см. табл. 2

Степень заполнения пор опаловой матрицы, %

0…100

Размер внедренных наночастиц, нм

2…50

Толщина пленки на поверхности опаловой матрицы, нм

20…800нм

Оптический контраст нанокомпозита

до 3,5

Кристаллографическая ориентация поверхности

{111}, {100}

Спектр воздействующего излучения

УФ…СВЧ

Угол падения излучения, град

0…90

Длина волны, на которой наблюдается максимум отражения для незаполненного опала, нм

300…5000

Длина волны, на которой наблюдается max отражения для опаловой наноструктуры, нм

300…5000

Ширина запрещенной зоны, нм

5…500

Напряженность эл.поля при исследовании эффекта Керра, В*м

1…3

Электрооптический эффект Керра, ТКЕ

Напряженность магн.поля при исследовании эффекта Керра, Э

1…3

Магнитооптический эффект Керра, ТКЕ

Напряженность магнитного поля придостижении насыщения, Э

10...

Величина магнтного момента, Э

10…100

Электрическое сопротивление, мОм*см

1….

Наблюдаемые эффекты

Фотонная запрещенная зона (ФЗЗ), люминесценция, ферромагнитный резонанс, туннелирование, комбинационное рассеяние.

1.2.Экспериментальные исследования

1.2.1 Описание аналитического оборудования

Спектрофотометр AOS-4SL

Основным назначением спектрофотометра AOS-4SL является измерение спектральной зависимости коэффициентов отражения и пропускания диэлектрических покрытий, нанесенных на плоские поверхности оптических деталей. Прибор может использоваться также для измерений указанных характеристик других оптических элементов с плоскими поверхностями.

Спектрофотометр позволяет измерять в поляризованном и неполяризованном свете коэффициент отражения в условиях, близких к нормальному падению света (угол 7,5о), а коэффициент пропускания - в диапазоне углов падения 0…70о).

Спектрофотометр работает только под управлением IBM-совместимой персональной ЭВМ с процессором не ниже 486 модели, использующей операционную систему MS DOS, Windows 95 или Windows 98.

В спектрофотометре используется процедура относительных измерений. Требуемый коэффициент определяется как отношение двух световых сигналов: отраженного (пропущенного) деталью, для которой измеряется коэффициент отражения (пропускания), и эталонной деталью (именуемой далее эталоном), для которой соответствующий коэффициент считается известным.

Акустооптический спектрофотометр AOS-4SL состоит из:

- оптического блока (ОБ), включающего в себя источник света, акустооптический монохроматор, держатели измеряемых деталей и приемник излучения (рис. 2);

Рис.1.21. Оптическая схема оптического блока

- блока управления и регистрации (БУР), который вырабатывает высокочастотное (ВЧ) напряжение для управления перестройкой длины волны и стабилизированное напряжение для питания лампы источника света, осуществляет первичную обработку регистрируемого сигнала, а также обеспечивает связь с управляющей ПЭВМ.

Неотъемлемой частью спектрофотометра является программное обеспечение (ПО) для ПЭВМ, с помощью которого задается режим работы спектрофотометра, осуществляется управление перестройкой длины волны, обработка регистрируемого сигнала, а также представление результатов измерения на экране монитора и их запись на магнитный носитель.

В основе метода спектрофотометрии лежит процесс взаимодействия вещества со светом, с электромагнитным излучением. Электромагнитное излучение имеет двойственную природу - с одной стороны, оно обладает волновыми свойствами, а с другой стороны, представляет собой поток частиц, называемых фотонами.

Рис. 1.22. Структурная схема акустооптического спектрофотометра AOS-4SL (АОФ - акустооптические фильтры; R,T - держатели для установки деталей при измерении коэффициента отражения и пропускания соответственно).

Процесс взаимодействия вещества с электромагнитным излучением сводится к поглощению, абсорбции молекулярной частицей энергии фотона. Вот почему спектрофотометрию иначе называют молекулярной абсорбционной спектроскопией в ближней ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В результате поглощения энергии фотонов молекула переходит из основного в возбужденное состояние. Этот переход сопровождается увеличением энергии колебательного и энергии вращательного движения молекулы. Излучение поглощается веществом избирательно, т. е. при одних длинах волн абсорбция происходит интенсивно, при других оно практически не происходит. Это обусловлено тем, что интенсивно взаимодействуют с молекулами вещества лишь те фотоны, энергия которых равна или больше энергии возбуждения молекулы. Графическое изображение распределения энергии фотонов, поглощаемой молекулами вещества, по длинам волн называется его оптическим спектром. Оптический спектр представляет собой кривую Гаусса в координатах энергия излучения - длина волны, частота или волновое число. В спектрофотометрии на оси ординат откладывают значения поглощение излучения, т. е. оптической плотности раствора, а на оси абсцисс - длину волны. Измерение поглощения веществом энергии электромагнитного излучения веществом производят с помощью спектрофотометров. Основными блоками этого измерительного прибора являются источник излучения, монохроматор (стеклянный светофильтр или дифракционная решетка), кварцевая кювета, детектор (фотоэлемент или фотоумножитель), зеркало, кварцевые линзы и призмы.

1.2.2 Исследование наноструктур на основе опала

Описание образцов

Таблица 1.4 Исследуемые образцы

№

Основа

Пленка

Метод нанесения

Толщина

Фото

1

Опал

нет

нет

2

Опал

Ag

Термическое испарение в вакууме

3

Опал

Cu

Термическое испарение в вакууме

4

Опал

Ni

Термическое испарение в вакууме

D1

5

Опал

Ni

Термическое испарение в вакууме

D2>D1

6

Опал

Ni

Термическое испарение в вакууме

D3>D2

7

Опал

Ni

Термическое испарение + гальваника

8

Опал

Алмазоподобная углеродная

Плазмохимическое осаждение в вакууме

D1

9

Опал

Алмазоподобная углеродная

Плазмохимическое осаждение в вакууме

D2>D1

Результаты исследования чистого опала

Рис. 1.23.Опал (с двух сторон)

Основные проблемы экспериментов - несовпадение полученных результатов, разница результатов измерений одного образца, отсутствия эффекта. Причины возникновения этих проблем - это плохое качество исходного опала.

Пример этого можно увидеть на рис.12 где:

а) - это образцы полученные методом седиментации, используемые нами при экспериментах.

б) - это образцы полученные неизвестным методом

Из этого рисунка мы совершенно отчетливо видим, что образцы а) используемые нами, имеют крайне неровную слоистую поверхность. Поэтому нет четко выраженных пиков и в разных точках получается совершенно разный спектр отражения и очень сложно судить о его свойствах. На рис.12 б) видно, что практически все глобулы опала лежат ровными слоями, то есть получить расхождения в результатах практически невозможно и можно ожидать ярко выраженный пик ФЗЗ. Также на вид этот образец более гладкий и блестящий.

А б

Рис.1.24 а - образцы опала 1

б - образцы опала 2

Рис.1.25. Опал c различной структурой.

На рис. 1.25 мы наблюдаем подтверждение этого. Зеленая линия - опал со слоистой поверхностью, используемый нами для экспериментов. Красная - опал с гладкой поверхностью.

1.2.3 Результаты исследования опала с углеродными пленками

Образцы опала с углеродными пленками получают плазмо-химическим методом (PCVD). Были испробованы различные режимы, наносились пленки при 3, 5, 10 и 20 минутах нанесения.

Напускаемый газ: Циклогексан - С6Н12

Подложка: Опал, Пленка: б-С-Н (углеродная, алмазоподобная пленка)

Режимы: Pотк., нап. = 0,1Па, Pнан. = 10Па,

U = 700 В,

tоткачки = 30 мин., tнапуска = 5 мин., tнанесения = 3 мин.

Результаты первых экспериментов были неточными, хотя и довольно интересными. Режимы были еще не точно продуманы и рассчитаны, поэтому все пленки были разными (Рис.7). В основном результаты были приближены к чистому опалу, но было получено несколько спектров на которых ясно обозначался сдвиг и увеличение пика спектральной кривой, что говорит об изменении свойств образца и его структуры. Но мы точно не можем отследить, что конкретно привело к таким результатам.

Рис. 1.26.Опал - б-С-Н: Синий - чистый опал; Сиреневый - Опал - б-С-Н-1;

Бордовый - Опал - б-С-Н-2;

Затем были отработаны технологические режимы получения углеродных пленок на установке УВН-1 методом плазмохимического осаждения получены новые образцы с алмазоподобными пленками. Были также выявлены рациональные режимы нанесения углеродных пленок на поверхность подложки

Во время проведения эксперимента по внедрению углеродных наноструктур в опал образец сдвинулся с подложки (рис.1.27). Это не помешало проведению исследований, а наоборот: мы смогли проверить различия между двумя сторонами - целой и поврежденной со светлым и темным участками; и проверить различия непосредственно между этими участками.

Рис. 1.27. Схема эксперимента: 1 - целая сторона;

2 - светлый участок; 3- темный участок.

Из этих результатов мы можем увидеть что:

1. Спектр целой стороны не имеет пика, в отличии от опала, то есть скорее всего была нанесена слишком толстая пленка, которая скрывает структуру опала (рис.9).

2. Спектр участка съехавшего с подложки похож на опаловый, но пик увеличен и сдвинут. Это говорит влиянии внедренных наноструктур углерода на общую картину (рис.10).

3. Спектр светлого участка остававшегося на подложке имеет большой пик на той же длине волны, что и у чистого опала, что свидетельствует что какие-то частички туда все равно попали, возможно не только углерода (рис.11).

Рис. 1.28.Целая сторона: Синий - чистый опал;

Черный - Опал - б-С-Н

Рис. 1.29.Темный участок: Синий - чистый опал;

Черный - Опал - б-С-Н

Рис. 1.30.Светлый участок: Синий - чистый опал;

Сиреневый - Опал - б-С-Н

1.2.4 Результаты исследования опала с другими пленками

Для проведения исследований было подготовлено большое количество образцов опала с пленками Ag, Ni, Cu и б-С-Н. Анализ результатов показал, что на положение ФЗЗ влияет толщина и материал пленок, например, углеродная алмазоподобная пленка увеличивает величину ФЗЗ и сдвигает ее на 50-100 нм.

Рис. 1.31. Опал с пленками:

кр.- чистый опал; зел - опал с б-С-Н;

син. - опал с Cu; фиол. - опал с Ni

В ходе экспериментов было замечено, что нанесение тонких пленок на поверхность опала в ряде случаев приводит к смещению тела отражения, причем смещение зависело как от материала, из которого состоит пленка, так и от метода ее нанесения, (при различных режимах мы можем получить как сильно шероховатую, так и практически гладкую поверхность - основную компоненту всех оптических свойств).

Можно предположить, что подобный эффект зависит от некоторых параметров, а именно:

· Степени прозрачности пленки

· Молекулярной структуры пленки

· Степени «приживаемости» пленки к опалу

· Степени прозрачности пленки

Так с чем, все-таки, связано смещение тела отражения? Можно предположить, что луч, попадающий на нанокомпозит, во-первых, частично отражается от самой пленки, во-вторых, проходя через пленку, отражается от глобул, но уже под другим углом. В настоящее время мы не можем точно сказать, как отражаются лучи от самих глобул, поэтому мы стараемся создать идеальные условия (уменьшение шероховатости) нанесения пленок. Но пленки, состоящие из различных материалов, (при всех прочих условиях) дают абсолютно разные результаты (рисунки с пленками цветными желтыми)

1.2.5. Исследование электрооптических свойств наноструктур

При исследовании наноструктур на основе опала было обнаружено, что при воздействии на образец светового потока либо электромагнитных волн могут меняться его оптические свойства. Например на рис.5. показан эффект, возникающий при воздействии на образец взаимно перпендикулярных лучей света. Сформированная нами БД содержит результаты исследований, в которых наблюдался эффект Керра в опаловых нанокомпозитах.

Рис.1.32.

Таким образом было принято решение исследовать лабораторные образцы опала с нанесенными на него проводящими пленками никеля и меди и образцы, подвергнутые гальваническому осаждению никеля, на изменение оптических свойств путем пропускания небольшого тока.

Схема эксперимента

Исследования проводились на Акустооптическом спектрофотометре AOS-4SL. Измерялся спектр отражения обычного образца а затем во время пропускания через него тока. Источником питания были выбраны обычные пальчиковые батареи АА-1.5В.

Эксперимент проводился двумя способами:

1. Сначала измерялся спектр отражения обычного образца, а затем к нему подсоединялось напряжение и спектр снимался еще раз. (Напряжение 1.5В-рис.7а)

2. Сначала подсоединялись клеммы проводов, схема была в разомкнутом состоянии и напряжения не было, проводили измерение спектра отражения, затем не выходя из режима измерения замыкали ключ, подводя напряжение образцу и наблюдали изменения. (Напряжение 3В - рис.7б)

Рис.1.34 а - схема 1, б - схема 2.

Описание образцов

Исследование электрооптических свойств проводились на различных образцах опала, но результаты были очевидны лишь на образцах с Ni.

Результаты эксперимента

В результате экспериментов мы увидели ожидаемый эффект, но не на всех образцах, только на пленках никеля, причем в зависимости от толщины пленки меняется величина эффекта. Там где пленка толще- больше эффект (рис.1.35) , где меньше- соответсвенно эффект небольшой (рис.1.36,1.37).

Рис.1.36

Рис.1.37

Рис.1.38

1.2.7 Исследование магнитооптических свойств наноструктур на основе опала

Были исследованы образцы, полученные путем пропитки в солях металлов (шпинели), имеющие эффект ФЗЗ. Результаты позволяют определенно утверждать, что можно увеличивать и уменьшать ФЗЗ путем варьирования направления магнитных линий, и естественно чем больше намагниченность магнита, тем эффект очевиднее.

Описание образцов

Образцы, представляющие собой металломагнитные диэлектрические наноструктуры на основе опала, были подготовлены методом пропитки с последующим отжигом. Исследование образцов производилось в Центральном научно-исследовательском технологическом институте “Техномаш” в лаборатории М.И.Самойловича. Результаты исследования приведены ниже [1].

Металло-диэлектрические наноструктуры относятся к наиболее перспективным классам твердотельных материалов для построения устройств наноэлектроники. Среди них выделяют 3Dнаногетероструктуры, а именно, объемные структуры, состоящие из двух или более компонентов, с размером отдельных доменов от десятков до сотен ангстрем. В свою очередь, наноструктуры, состоящие из кластеров наноразмерного масштаба, содержащих ферромагнитные компоненты, разделенные неферромагнитными, представляют наибольший интерес, поскольку, магнитные моменты соседних ферромагнитно упорядоченных кластеров связаны обменным взаимодействием, величина которого зависит от свойств немагнитной прослойки.

Для указанных систем можно значительно расширить частотный диапазон запрещенной фотонной зоны, используя различные технологические приемы, в частности, формированием металлодиэлектрических матриц с большими параметрами периодичности (до 5-6 мкм) за счет, например, получения инверсных структур на основе латексных сфер с заполнением межсферических пустот SiO2 наносферами, последующим вытравливанием больших сфер и повторным заполнением вновь образовавшихся межсферических пустот другими необходимыми материалами.

Так называемые двойные магнитные металл - диэлектрик нанокомпозиты на основе кубических упаковок наносфер SiO2 - опаловых матриц (материал с запрещенной фотонной зоной) или магнитные фотонные кристаллы характеризуются наличием двух типов заполнения межсферических пустот, а именно островкового (изолированные включения металла) типа, не обладающие электрической проводимостью, и так называемого, сетевого контактирующие или соединяющиеся между собой заполненными каналами) типа, обладающие электрической проводимостью. Соответственно, различаются и предполагаемые области применения указанных нанокомпозитов. В первом случае, имеет место емкостное взаимодействие между островковыми включениями металла, и что приводит к появлению гигантских запрещенных фотонных зон, за счет оттеснения нижнего (по частоте) края, указанным взаимодействием, при сохранении положения верхнего (по частоте) края, чье положение определяется константами периодичности диэлектрической матрицы.

Одним из наиболее простых и широко применяемых способов введения различных химических элементов (и соединений) в опаловые матрицы является метод пропитки. Метод основан на пропитке опаловой матрицы веществом ? прекурсором с определенным химическим составом с последующей термообработкой, в процессе которой в межсферических пустотах опаловой матрицы формируется соответствующая химическая среда. Вещества ? прекурсоры должны обладать хорошей растворимостью в воде (или в других растворителях) и переходить в оксиды (или в другие соединения) при умеренных температурах термообработки. В качестве таких прекурсоров можно использовать растворимые соли металлов (в нашем случае применялись нитраты Fe, Ni, Co, Mn и Zn). В процессе пропитки водные растворы солей самопроизвольно, за счет капиллярного эффекта, заполняют поры опаловой матрицы. В последующем, проводится термообработка, в процессе которой происходит частичное термическое разложение нитратогрупп и полностью удаляется несвязанная вода. В данном случае термообработка проводилась в течение 1 часа в воздухе при температурах 770?1070 К. Данная процедура повторялась многократно (до 20 пропиток) с постепенным заполнением межсферического пространства опаловой матрицы оксидами и соединениями на их основе вводимых элементов.

Первоначальные исследования наличия необходимого заполнения межсферических пустот проводилось по данным магнитооптических измерений. Наиболее интересные эффекты, наблюдаемые в двойных металломагнитных-диэлектрических нанокомпозитах связаны с магнито-оптическими явлениями, поскольку оказалось, что в области запрещенной фотонной зоны как вращение плоскости поляризации в магнитном поле (эффект Фарадея), так и экваториальный эффект Керра (ЭЭК) существенно возрастают (по сравнению с областью частот вне запрещенной фотонной зоны).

Результаты измерения спектральной зависимости амплитуды ЭЭК в видимой области спектра представлены на рис. 1.39 и 1.40. Левая граница спектра соответствует длине волны  = 826 нм, а правая -  = 477 нм (для верхнего графика) и  = 362 нм (для нижнего графика). При измерении угол падения света составлял 70є.

Рис. 1.39. Спектральная зависимость амплитуды эффекта Керра (ТКЕ) для нанокомпозита, содержащего NiZnFe-шпинель (энергия фотонов Е = 2,89 эВ)

Рис. 1.40. Спектральная зависимость амплитуды эффекта Керра (ТКЕ) для нанокомпозита, содержащего NiZnFe-шпинель (в магнитном поле H = 2,5 кЭ)

Для контроля изменений структуры опаловой матрицы были проведены эксперименты с синхротронным излучением, которые выполнялись на станции малоуглового рассеяния, действующей на Курчатовском источнике синхротронного излучения. Схема экспериментальной установки в этом случае приведена на рис. 1.41.

Рис. 1.41. Схема установки для исследования малоуглового рассеяния синхротронного излучения в опаловых матрицах [2];

1 - источник синхротронного излучения, 2 - монохроматор, 3 - коллиматоры, 4 - образец опала, 5 - детектор или фотопленка, 6 - область, анализируемая детектором

Монохроматический (/ = 2?10?4) пучок электромагнитного излучения с энергией квантов 10 кэВ ( = 0,124 нм) с поперечным сечением 100100 мкм2 падал на опаловую матрицу, имевшую форму пластины толщиной 1,5 мм. Наибольшая грань пластины совпадала с плоскостью {111} ГЦК решетки. Для регистрации рассеянного излучения использовалась фоторегистрация 542, а также регистрация линейным позиционно-чувствительным газовым детектором.

Рис. 1.42. Дифракционные картины малоуглового рассеяния синхротронного для нанокомпозита, содержащего MnZnFe-шпинель (2) и при экспозиции 2 часа (3 - исходная опаловая матрица). Кривая 1 - характеристика канала

Судя по данным малоуглового рассеяния синхротронного излучения (рис. 1.42) и дополнительно проведенного рентгенофазового анализа (рис. 1.43; рентгеновский дифрактометр ДРОН-6; Cо k-излучение;  = 0,17902 нм), а также электронно-микроскопическим снимкам (рис. 1.44-1.47; просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) JEM-200CX), большая доля вводимого вещества находится в межсферических порах, а меньшая часть на поверхности опаловой матрицы. Можно обратить внимание на потерю дальнего порядка при термообработке опаловых матриц при температурах в области 1270 К (рис. 1.42, кривая 1) или выше.

Рис. 1.43. Рентгеновская дифрактограмма, полученная от нанокомпозита, содержащего MnZnFe-шпинель

Расчет рентгенограммы, приведенной на рис. 8, представлен в таблице. Анализ рентгенограмм показал наличие в нанопустотах нескольких железосодержащих фаз. Большинство рефлексов индицируется как фазы ZnFe2O4 и (NiXZn1-X)Fe2O4. Частицы фаз имеют нанокристаллическое строение с размером кристаллитов (областей когерентного рассеяния (ОКР)) 16,6-46,9 нм. Концентрация введенных в нанопустоты фаз не превышает 5 об.%.

Рентгенометрические данные включений в нанопустотах опаловых матриц

№ пика

(см. рис. 5)

2и, град

Интенсивность, отн.ед

Межплоскостное расстояние, нм

Полуширина пика, град

Размер ОКР, нм

1

34,96

38,7

0,2977

0,35

34,2

2

37,00

23,4

0,2821

0,41

29,3

3

38,76

22,6

0,2697

0,73

16,6

4

41,29

100

0,2538

0,68

17,9

5

50,35

21,0

0,2106

0,35

36,0

6

62,75

14,5

0,1719

0,75

17,8

7

67,02

32,3

0,1621

0,35

39,1

8

73,88

41,1

0,1490

0,35

40,8

9

88,52

11,3

0,1283

0,75

21,2

10

91,96

8,9

0,1246

0,35

46,9

11

109,42

17,7

0,1097

0,60

32,9

Различия в технологии получения опаловых матриц приводят к вариациям степени совершенства упаковки наносфер и степени закрытости пор. В зависимости от этого критерия опаловые матрицы можно разбить на две группы: опаловые матрицы «монокристаллические», в которых правильная структура распространяется на значительный объем образца (такие опаловые матрицы обладают свойствами фотонных кристаллов и «поликристаллические» опаловые матрицы, в которых имеется значительная концентрация областей с правильным расположением кластеров, по-разному ориентированных относительно друг друга (такие матрицы могут рассматриваться как сильно рассеивающие среды).

Рис. 1.44. Микродифракция в образцах: нанокомпозита, содержащего:

а) CoZnFe-шпинель; б) MnZnFe-шпинель; в) NiZnFe-шпинель

Рис. 1.45. а-в) Нанокомпозит, содержащий MnZnFe-шпинель (ПЭМ);

г) форма пустот в опаловой матрице (на рис. в) стрелкой показано включение по форме близкое к тетраэдрическому)

а) б)

Рис. 1.46. Нанокомпозит, содержащий NiZnFe-шпинель (ПЭМ)

а) б)

Рис. 1.47. Нанокомпозит, содержащий CоZnFe-шпинель (ПЭМ, нижний снимок - темнопольное изображение)

Наличие ионов Fe в различных координационных многогранниках, получаемых магнитных соединений, введенных в опаловые матрицы, контролировалось с применением мессбауэровских спектров (рис. 1.48 и рис. 1.49).

а) б)

в)

Рис. 1.48. Мессбауэровский спектр нанокомпозитов:

а) опаловая матрица + MnZnFe-шпинель; изомерный сдвиг (здесь и далее относительно металлического Fe) для двух дублетов составляет 0,373 и 0,348 при квадрупольном расщеплении (мм/с) 0,110 и +0,204 соответственно;

б) опаловая матрица + CoZnFe-шпинель; изомерный сдвиг для трех дублетов - 0,369, 0,273 и 0,368 при квадрупольном расщеплении (мм/с) 0,108, 0,070 и +0,180 соответственно;

в) опаловая матрица + NiZnFe-шпинель; изомерный сдвиг для трех дублетов - 0,382 0,373 и 0,3306 при квадрупольном расщеплении (мм/с) 0,097,0,021 и +0,401 соответственно.

Измерения проводились с использованием стандартной установки в режиме постоянного движения источника 57Co(Rh). Во всех образцах присутствует (наряду с другими дублетами) дублет, характерный для Fe в гематите с изомерным сдвигом в области 0,37. Действительно, образцы нанокомпозитов, представленные на указанных рисунках отличаются степенью окисления железа (Fe+2 и Fe+3) и, следовательно, стехиометрическим составом магнетита Fe3O4-x, образующимся при введении железа в межсферические пустоты методом химического транспорта с использованием жидкой фазы.

С целью проверки особенностей строения ферромагнитных областей было выполнено измерение магнитного момента образцов различных нанокомпозитов, результаты представлены на рис. 1.49, а на рис. 1.50 показаны петли гистерезиса, снятые в магнитном поле в области 300 Э. Характерны следующие значения для нанокомпозита, содержащего MnZnFe-шпинель: HC = 1520 Э; для нанокомпозита, содержащего CoZnFe-шпинель: HC = 5565 Э; для нанокомпозита, содержащего NiZnFe-шпинель: HC = 7580 Э (T = 300 K).

Рис. 1.49. Измерения магнитного момента и петли гистерезиса опаловой матрицы с различным заполнением межсферических пустот жидкофазным методом:

а) 1,3 - CoZnFe-шпинель; 2,4 - NiZnFe-шпинель;б) MnZnFe-шпинель

Как видно из рис. 16, наблюдается характерная для ферромагнетиков петля гистерезиса, при этом, величина коэрцитивной силы указывает на наноструктурированность магнитной фазы. Не следует также исключать влияния эффекта различных степеней окисления, характерных для процесса жидкофазного заполнения. Сложность интерпретации результатов обусловлена также выявленной многофазностью и различиями наномасштабности кристаллитов (см. таблицу)

Величины коэрцитивных сил в случае нанокомпозитов, содержащих CoZnFe- или NiZnFe-шпинели, указывают на характерное ферромагнитное упорядочение. Такое значение коэрцитивной силы аналогично ее значению у пленок Fe толщиной 10 нм, осажденных на немагнитный слой.

Рис. 1.50. Петля гистерезиса (эффект магнитного упорядочения) для нанокомпозитов, содержащих: NiZnFe-шпинель кривые1, 2, 5, 7;

CoZnFe-шпинель кривые 3, 4, 6, 8

Следует обратить внимания, что данные по дифракции нейтронов, приведенные на рис. 1.51, также свидетельствуют о наличии магнитно упорядоченной фазы.

Рис. 1.51. Спектр рассеивания нейтронов для нанокомпозита, содержащего MnZnFe-шпинель ( = 0,1668 нм)

Можно предполагать, что, по крайней мере, в случае нанокомпозита, содержащего MnZnFe-шпинель, имеет место образования системы типа нанокластеров (размерами 1020 нм) шпинели, при этом, магнитная составляющая представляет собой систему изолированных участков магнитной фазы. Действительно, отсутствие насыщения, вплоть до полей 15000 Э, ферромагнитный резонанс (рис. 1.49) в отсутствии насыщения, особенности петли гистерезиса, скорее всего, соотносятся как с размерами магнитных нанокластеров, так и с эффектом обменной анизотропии возникающим на границе таких наноструктурированных областей, образующихся в межсферических пустотах опаловой матрицы и, возможно, содержащих, участки с различными типами магнитного упорядочения.

Рис. 1.52. Спектр ферромагнитного резонанса (  9,4 ГГц) для нанокомпозита, содержащего MnZnFe-шпинель

Размеры наносфер опаловых матриц сопоставимы с длиной волны видимого света, и для них аналогом рентгеноструктурного анализа может служить оптический структурный анализ. Зная показатели преломления образцов опалов, можно воспользоваться законом Брэгга для описания дифракционных явлений в опале. Как выше отмечалось, полученные нанокомпозиты относятся к классу магнитных фотонных кристаллов, что можно проиллюстрировать особенностями в положениях фотонных зон для изученных образцов. На рис. 1.53 показаны спектры отражения для опаловой матрицы при угле падения излучения равным 20о. Следует заметить, что для опаловых матриц брегговские условия выполняются только для определенных, конкретных направлений, для которых формируются. так называемы, стоп-зоны для заданной длины волны. Положение стоп-зон зависит от периода решетки опаловой матрицы (и, следовательно, от размера шаров SiO2), а глубина от совершенства структуры матрицы.

а) б)

в)

Рис. 1.53. Спектры отражения (угол съемки 20) для нанокомпозитов, содержащих:

а) NiZnFe-шпинель (образец красного цвета);

б) CoZnFe-шпинель;

в) NiZnFe-шпинель (образец зеленого цвета)

Оценки показывают, что для формирования полной фотонной запрещенной зоны, а именно запрета распространения излучения в полном телесном угле 4, необходимо обеспечить разницу показателей преломления наносфер и межсферического пространства, превышающую 2,8. В опаловых матрицах (в исходном состоянии) контраст показателя преломления для SiO2  воздух не превышает 1,45.

Эксперимент и анализ результатов.

Для проведения эксперимента были взяты два магнита различной формы и намагниченности. Прямо во время снятия спектра магнит подносился к образцу и проводилась запись изменений.

Рис. 1.54. Магниты.

Рис. 1.55. Направление магнитных линий

Исследовались образцы опала с внедренными в поры NiZnFe-шпинелью и CoZnFe-шпинелью.

В результате первого эксперимента было выявлено, что интенсивность отражения в районе фотонной запрещенной зоны уменьшается при первых двух-трех воздействиях магнитного поля, а затем начинает увеличиваться и возвращается на уровень, близкий к исходному, но, демонстрируя гистерезис. (рис. 1.56, 1.57).

рис.1.56 NiZnFe-шпинель

рис.1.57. CoZnFe -шпинель

В результате второго эксперимента было выявлено, что пик спектра отражения может не только падать, но и расти, в зависимости от направления силовых линий магнитного поля (рис. 1.58, 1.59).

При воздействии круглого магнита боковой стороной на образцы NiZnFe-шпинель и CoZnFe-шпинель пик отражения возрастает в два-три раза за две минуты, а потом падает до первоначального. Если подносить магнит другими сторонами пик просто уменьшается. Тот же эффект наблюдается при воздействии на образцы прямоугольного магнита боковой стороной.

рис.1.58. NiZnFe-шпинель

рис.1.59. CoZnFe -шпинель

Все рассмотренные выше эффекты, связанные с магнитными явлениями, делают двойные маталломагнитные нанокомпозиты перспективными материалами для магнито-оптических систем записи информации и для использования в качестве чувствительных элементов датчиков слабых магнитных полей. Действительно, в наноструктурированных магнитных материалах (не относящихся к классу материалов с запрещенной фотонной зоной) наблюдаются такие явления как гигантские магнитосопротивление и магнитный импеданс. Теоретические расчеты, выполненные, в частности, в рамках нелокального подхода для двумерных и трехмерных систем, показывают, что опаловые структуры в виде 3D нанокомпозитов могут быть перспективными материалами для создания устройств связи тера- и гигагерцового диапазона, а также для магнитооптических систем хранения и обработки информации.

2. Конструкторская часть

Целью данной части дипломного проекта являются:

Модернизация конструкции трехпозиционной установки ВУП для повышения производительности при неизменных основных габаритных размерах и возможности нанесения многослойных покрытий на изделия большего числа типоразмеров и овладение навыками, методами и средствами комплексных разработок механических и электронных компонентов оборудования САУ.

Также задачами этой части дипломного проекта являются:

- анализ вариантов компоновки установки нанесения покрытий в вакууме

- выбор и разработка оптимальной конструкции привода поворотного механизма подложкодержателя удовлетворяющего поставленным требованиям

распределение функций машины между различными компонентами и обоснование этих функций;

постановка четких технических заданий перед разработчиками отдельных компонентов;

выполнение технической документации на электронные компоненты.

2.1 Анализ структурно-компоновочных вариантов привода поворота подложкодержателя

2.1.1 Базовый вариант

Основанием для проведения модернизации ВУП послужили следующие причины:

- Базовый вариант установки для нанесения многослойных покрытий имеет очень сложную систему загрузки-выгрузки. При установке оператор испытывает значительные неудобства из-за необходимости совершать сложные манипуляции при постановки стекол на внутреннюю поверхность барабана.

- В случае выхода из строя магнетронов или ионного источника, необходимо снимать стационарно установленный барабан для извлечения неисправного элемента.

- Высокая себестоимость получаемых готовых изделий.

- Сложность извлечения поврежденных в процессе установки или напыления стекол.

- Загрузка барабана должна осуществляться симметрично, так как крепление загрузочного барабана осуществляется только на вакуумном воде вращения. А также ограничение по массе загружаемых изделий( порядка 24 кг).

- Конструкция загрузочного барабана предназначена только мало отличающихся типоразмеров стекол.

Все выше перечисленные причины не являются критическими для работы установки, но создают значительные трудности для развития предприятия (себестоимость изделия высока); сложность обслуживания данной установки высока, неудобство загрузки и выгрузки стекол. Все эти причины послужили причиной необходимости модернизации данной установки.

2.1.2 Предлагаемый вариант

Логическим решением для повышения числа одновремнно занружаемых изделий было бы увеличение полезной площади загрузочного барабана, но ограничения по неизменности основных габаритных размеров вакуумной камеры, да и стоимость проведения данных работ, не позволяют увеличить вакуумную камеру. Значит единственным решением поставленной задачи явится повышение эффективности использования существующего базового пространства.

Рассмотрим варианты устройств, обеспечивающих поворот и перемещение подложек в камере.

На рис. 1.17 представлена конструкция наклонной карусели. При этом используются два привода: привод вращения для передачи вращательного движения столику карусели с закрепленными на нем подложками, и привод поворота для перевода столика с подложками от одного источника к другому. Вращение от двигателей передается через манжетные вводы вращения, установленные на фланце камеры. Такая конструкция позволяет наносить пленки из любого источника, а также их совокупности (МРС+АИИ) с одновременным вращением подложек.

Рис. 2.1 Наклонная карусель, установленная на горизонтальные вводы вращения.

Вариант, представленный на рис. 1.18, отличается от предыдущего лишь геометрической осью карусели. Здесь привода расположены сверху камеры на ее боковой поверхности. Возможности по нанесению такие же, но затруднена загрузка/выгрузка подложек.

Рис. 2.2 Наклонная карусель, установленная на вертикальных вводах вращения.

Схема транспортера не рассмотрена, поскольку в выбранных компоновках она не применима, и в таблице дана только лишь для сравнения.

Таблица 2.1 Анализ конструкции внутрикамерных устройств.

Карусель с горизонталь-ной осью

Карусель с вертикаль-ной осью

Возможность нанесения многослойных покрытий

+

+

Возможность обработки без разгерметизации камеры

+

+

Возможность одновременной работы двух источников

+

+

Удобство загрузки/выгрузки

-

+

Производительность

-

-

Сложность изготовления

+

+

В результате анализа таблицы по критерию возможности одновременной работы двух источников и по критерию удобства загрузки/выгрузки был выбран вариант с вертикальной наклонной каруселью.

2.1.3 Вариантность привода механизма позиционирования

Поворот вручную крайне неудобен, хотя и надежен, и требует постоянного присутствия оператора. Электродвигатель на переменном или постоянном токе в данном случае также использовать весьма неудобно, поскольку необходима фиксация подложкодержателя в определенных положениях, для чего необходимо либо устанавливать в камере конечные выключатели, либо заранее рассчитывать время поворота. К тому же такие типы двигатели обладают некоторой инерционностью, тогда как шаговый двигатель практически безынерционен, и позволяет контролировать угол поворота посредством ЭВМ.

Таблица 2.2 Анализ вариантов привода механизма позиционирования.

Ручной привод

Двигатель на пер. токе

Шаговый двигатель

Манипуля-тор

Простота конструкции

+

-

-

-

Удобство использования

-

+

+

+

Стоимость

+

-

-

-

Надежность

+

-

-

-

Возможность управления с ЭВМ

-

-

+

+

Универсальность

-

-

+

-

По всем показателям выбираем ручной привод.

Выбранный вариант на практике представляет собой лабораторную трехпозиционную вакуумную установку ВУП для нанесения одно и многослойных тонкопленочных покрытий.

2.2 Описание многопозиционной установки ВУП

Многопозиционная установка для нанесения многослойных тонкоплёночных покрытий относится к установкам периодического действия. Отличительной особенностью установки является возможность формирования многослойных и многокомпонентных покрытий в одной камере за один технологический цикл без замены катодов.

Рис.2.3. 1 - рабочая камера; 2 - рама; 3 - диффузионный насос; 4 - механический насос; 5 - азотная ловушка; 6 - затвор 23В9 250; 7 - клапан КВУМ-40; 8 - клапан КВУМ-25; 9 - натекатель; 10 - АИИ; 11 - магнетрон; 12 - ИД; 13 - шкаф управления; 14, 15 - баллоны с рабочими газами

Рис. 2.4. Внешний вид установки ВУП.

Рис. 2.5. Структурно-компоновочная схема установки ВУП.

Вакуумная система установки (см. рис. 2.3-2.4) состоит из высоковакуумного диффузионного паромасляного насоса Н-250 с азотной ловушкой и механического насоса НВР-16Д. На форвакуумной магистрали установлен электромагнитный клапан КВУМ-40, на байпасной - КВУМ-25. Диффузионный насос отделён от камеры высоковакуумным затвором типа 23В9 250. Измерение давления в камере осуществляется при помощи двух манометрических преобразователей: термопарного ПМТ-2 и ионизационногоПМИ-2, данные которых обрабатываются вакуумметром ВИТ-2П.

Установка оборудована газовой системой, позволяющей подавать в камеру несколько рабочих газов одновременно (Ar, N2, C6H12). При необходимости можно работать как со смесью газов, так и в среде одного газа, а также заменять рабочие газы.

Установка оснащена системой охлаждения, позволяющая охлаждать каждый элемент в отдельности.

Технологическая (рабочая) камера большого объема цилиндрической формы позволяет обрабатывать образцы больших размеров или несколько образцов одновременно.

2.2.1 Технические характеристики установки ВУП

1. Предельное остаточное давление в рабочей камере: не более 10-3 Па;

2. Время получения высокого ( Па) вакуума: 25 мин;

3. Количество источников: 3;

4. Тип источников:

· магнетрон на постоянном токе;

· автономный источник ионов;

· дуговой источник ИД-200-01;

5. Рабочее напряжение магнетронной системы распыления: 400…500 В;

6. Рабочее напряжение дугового источника: 20…40 В;

7. Расход холодной воды при давлении 0,3…0,4 МПа: 550 л/час;

8. Максимальная потребляемая мощность в установившемся режиме: 20000 ВА;

2.2.2 Внутрикамерная оснастка

Одно из назначений лабораторной установки - исследование процессов нанесения покрытий при различных режимах, оценка их влияния на параметры плёнок. Одним из таких параметров качества является равномерность толщины плёнки. Известно, что неравномерность зависит от расстояния между источником и подложкой и от размеров подложки. Следовательно, уменьшить неравномерность можно путём увеличения расстояния, но конструктивное расположение источников в камере таково, что осуществить это не представляется возможным. В таком случае необходимо смещать подложку относительно источника на некоторое расстояние и придавать ей вращательное движение. Вращение подложкодержателя относительно своей оси необходимо и при использовании нескольких подложек одновременно. Кроме того, подложкодержатель должен обеспечивать поворот подложек от одного технологического источника к другому (перевод из позиции в позицию).

Большие габариты рабочей камеры позволяют реализовать два различных варианта подложкодержателей: с горизонтальной (рис. 1.26 поз. 5) и вертикальной осью (рис. 1.27 поз.5). В результате анализа (см. п. 2.2.3) было установлено, что вариант с горизонтальной осью более функциональный, но, как результат, более трудоемкий. Значительно упрощает конструкцию подложкодержателя с вертикальной осью тот факт, что в этом варианте при вращении оси обеспечивается как смещение подложек относительно источников, так и перевод из позиции в позицию. Также вариант с вертикальной осью позволяет более просто закреплять цилиндрические образцы (при одиночном их напылении).

Рис.2.6. Узел нагревателя подложкодержателя. 1 - лампа КГМ; 2 - отражатель; 3 - патрон; 4, 7 - винты; 5, 6 - пластины; 8 - токоввод.

Конструкция подложкодержателя должна обеспечить приемлемые скорости осаждения покрытий. Оценим скорость осаждения для варианта с вертикальной осью и магнетронной распылительной системы, оснащенной титановой мишенью, т.к. дуговой источник обеспечивает высокие скорости испарения, а пучок автономного источника ионов обладает высокой энергией и не очень критичен к расстоянию.

2.3 Назначение и описание установки для нанесения многослойных покрытий

Данная установка предназначена для нанесения и обработки тонких пленок методами ионного распыления, осаждения дуговым разрядом и ионного осаждения.

В состав установки входят следующие источники:

· Магнетрон на постоянном токе;

· Дуговой источник;

· Автономный источник ионов.

Установка для нанесения многослойных покрытий имеет технологическую (рабочую) камеру большого объёма. Значительный рабочий объём технологической камеры позволяет обрабатывать образцы больших размеров или обрабатывать несколько образцов одновременно, для чего внутри камеры установлен подложкодржатель, для передачи вращательного движения от двигателя к подложкодержателю и для его поворота на переднем фланце камеры установлены ввод движения в вакуум с сальниковым уплотнением.

Вакуумная система установки состоит из высоковакуумного диффузионного паромасляного насоса Н-250 с азотной ловушкой и механического насоса НВР-16Д. На форвакуумной магистрали установлен электромагнитный клапан КВУМ-40, на байпасной - КВУМ-25. Диффузионный насос отделён от камеры высоковакуумным затвором типа 23В9 250. Измерение давления в камере осуществляется при помощи двух манометрических преобразователей: термопарного ПМТ-2 и ионизационного ПМИ-2, данные которых обрабатываются вакуумметром ВИТ-2П. Остаточное давление механического насоса ? 0,5 Па, диффузионного насоса ? 5·10-4 Па.

Для подачи в камеру рабочих газов (аргона, азота, циклогексана) установка оснащена газовой системой (рис. 2).

Рис. 2.7 - баллоны с рабочими газами; 2 - регулятор давления; 3, 4, 6 - натекатели; 5 - клапаны; 7 - блок клапанов для смешивания газов; 8 - рабочая камера.

При необходимости можно работать как со смесью газов, так и в среде одного газа, а также заменять рабочие газы.

Установка оснащена системой охлаждения, позволяющая охлаждать каждый элемент в отдельности.

Перед нанесением тонкопленочного покрытия подложки закрепляются на подложкодержатель внутри камеры установки. Затем производится предварительная откачка камеры до низкого давления, ионная очистка с одновременной активацией поверхности подложек, их прогрев и дальнейшее формирование тонкопленочного покрытия с использованием одного из трех источников или последовательно двумя (тремя), если необходима многослойная пленка с различными материалами слоев. Измерение температуры проводятся с помощью микросхемы-термодатчика, помещенной внутрь камеры, сигнал с которой через двухканальный усилитель поступает на микроконтроллер и впоследствии обрабатывается. Давление в камере определяется обработкой сигналов VK1 и VK2 от вакуумметра ВИТ-2П. Сигналы с датчика через усилитель поступают в микроконтроллер и обрабатываются.

2.4 Описание процессной модели

В данном курсовом проекте разрабатывается процессная модель автоматического управления для лабораторной установки нанесения многослойных тонкопленочных покрытий в вакууме тремя различными методами

2.4.1 Деление технологии на процессы

В работе установки можно выделить следующие основные процессы:

1. Вывод диффузионного насоса на режим

2. Загрузка

3. Форвакуумная откачка

4. Высоковакуумная откачка

5. Технологический процесс:

5.1. Очистка и активация поверхности подложек ионным пучком

5.2. Нагрев подложек

5.3. Нанесение необходимого количества слоев покрытия

6. Завершение работы установки

1. Вывод диффузионного насоса на режим

Процесс заключается в нагреве масла диффузионного насоса до температуры, необходимой для эффективного процесса откачки.

Критерий начала: электропитание насоса включено.

Критерий окончания: давление на входе диффузионного насоса, контролируемое вакуумметров ВИТ-3А, составляет РВИТ-3А = 210-1 Па.

Ресурсы:

· диффузионный насос ND

· механический насос NI

· вакуумметр ВИТ-3А

· электромагнитный клапан VE1

· водяные механические вентили VM1, VM2

· блоки энергоавтоматики БП_1, БП_2, БП_VE

Последовательность процесса:

· Подача охлаждения и проверка его наличия на диффузионном насосе

· Проверка закрытия электромагнитного клапана VE1 на форвакуумной магистрали

· Включение механического насоса

· Включение диффузионного насоса

· Включение вакуумметра ВИТ-3А

· Открытие клапана VE1 на форвакуумной магистрали

· Контроль давления на входе диффузионного насоса по ВИТ-3А. При РВИТ-3А = 210-1 Па запускается процесс форвакуумной откачки. При не достижении РВИТ-3А = 210-1 Па в течение 40 мин выдается сигнал о том, что диффузионный насос не вышел на режим

2. Загрузка образцов.

Процесс проводятся в ручном режиме, и носит подготовительный характер.

Критерий начала: свободна вакуумная камера, подложки очищены и готовы к нанесению пленки.

Критерий окончания: подложки установлены на подложкодержателе, вакуумная камера закрыта.

Ресурсы: подложкодержатель.

3. Форвакуумная откачка.

Предназначена для создания условий для высоковакуумной откачки диффузионным насосом. Откачка производится насосом НВР-16Д.

Критерий начала: клапан VE2 открыт

Критерий окончания: клапан VE2 закрыт

Ресурсы:

· механический насос NI

· электромагнитный клапан VE2

· вакуумметр ВИТ-2П

· блоки энергоавтоматики БП_1, БП_VE

Последовательность процесса:

· Проверка закрытия камеры

· Закрытие клапана VE1

· Открытие клапана VE2

· Включение вакуумметра ВИТ-2П

· Контроль давления в камере по ВИТ-2П. При РВИТ-2П = 8 Па запускается процесс высоковакуумной откачки. При не достижении РВИТ-2П = 8 Па в течение 15 мин выдается сигнал о том, что камера не откачивается механическим насосом.

4. Высоковакуумная откачка

Процесс предназначен для создания условий, необходимых для проведения технологического процесса. Откачка производится насосом НВДМ-250 до давления 10-3 Па.

Критерий начала: затвор VT открыт

Критерий окончания: затвор VT закрыт

Ресурсы:

· диффузионный насос ND

· механический насос NI

· вакуумметр ВИТ-2П

· электромагнитный клапан VE1

· высоковакуумный затвор VT

· водяные механические вентили VM1, VM2

· блоки энергоавтоматики БП_1, БП_2, БП_VE

Последовательность процесса:

· Открытие клапан VE1

· Открытие затвор VT

· Контроль давления в камере по ВИТ-2П. При РВИТ-2П = 10-3 Па запускается один из технологических процессов. При не достижении РВИТ-2П = 10-3 Па в течение 25 мин выдается сигнал о том, что камера не откачивается диффузионным насосом

5. Технологический процесс.

5.1 Очистка и активация поверхности подложек ионным пучком

Процесс предназначен для дополнительной подготовки поверхности подложек перед нанесением покрытия и заключается в бомбардировке поверхности образцов, как правило, «тяжелыми» ионами аргона.

Критерий начала: клапаны VE3, VE4 открыты

Критерий окончания: клапан VE3, VE4 закрыты

Ресурсы:

· автономный источник ионов AIS

· счетчик времени

· электромагнитные клапана VE3, VE4

· электромагнитный натекатель VF4

· механический вентиль VR3

· механический вентиль водяного охлаждения VM3

· вакуумметр ВИТ-2П

· блоки энергоавтоматики БП_AIS, БП_2, БП_VE, БП_VF

Последовательность процесса:

· Открытие вентиля водяного охлаждения VM3

· Открытие механического вентиля VR2

· Открытие электромагнитных клапанов VE3, VE4

· Контроль наличия охлаждения на AIS. При отсутствии сигнала наличия охлаждения выдается сигнал об отсутствии охлаждения AIS

· Установка давления рабочего газа посредством натекателя VF3 и контроль давления посредством вакуумметра ВИТ-2П.

· Задание времени очистки и активации

· Включение автономного источника ионов при РВИТ-2П = 810-2 Па

5.2 Нагрев

Нагрев подложки также является подготовительной операцией

перед нанесением покрытия.

Критерий начала: блок DT включен

Критерий окончания: блок DT выключен

Ресурсы:

· датчик температуры DT

· галогенная лампа

Последовательность процесса:

Включение датчика температуры с лампой нагрева

Контроль температуры нагрева подложек посредством датчика температуры. При температуре Т = 200 0С запускается процесс нанесения покрытия одним из источников. При не достижении заданной температуры в течение 10 мин выдается сигнал о том, что температура подложек не может быть достигнута.

Запуск процесса нанесения покрытия

Основной технологический процесс - нанесение ТП. Покрытие формируется одним из трех технологических источников: магнетроном на постоянном токе, автономным источником ионов или дуговым источником. В вакуумной камере на подложкодержателе закреплены подложки. Карусель приводится во вращательное движение при помощи реверсивного двигателя РД-09.

5.3 Нанесение покрытия

· Выбор источника

5.3.1 Нанесение пленки АИИ

Критерий начала: клапаны VE3, VE4, VE5, VE6 открыты

Критерий окончания: клапаны VE3, VE4, VE5, VE6 закрыты

Ресурсы:

· автономный источник ионов AIS

· электромагнитные клапаны VE3, VE4, VE5, VE6

· электромагнитные натекатели VF3, VF4

· механические вентили VR2, VR3

· механический вентиль водяного охлаждения VM3

· вакуумметр ВИТ-2П

· блоки энергоавтоматики БП_AIS, БП_2, БП_VE, БП_VF

Последовательность процесса:

· Открытие вентиля водяного охлаждения VM3

· Открытие механических вентилей VR2, VR3

· Открытие электромагнитных клапанов VE3, VE4, VE5, VE6

· Контроль наличия охлаждения на AIS. При отсутствии сигнала наличия охлаждения выдается сигнал об отсутствии охлаждения AIS

· Установка давления рабочего газа (циклогексана C6H12) посредством натекателя VF4 и контроль давления посредством вакуумметра ВИТ-2П.

· Установка давления рабочего газа (аргона) посредством натекателя VF3 и контроль давления посредством вакуумметра ВИТ-2П.

· Включение автономного источника ионов при РВИТ-2П = 810-2 Па

5.3.2 Нанесение пленки МРС

Критерий начала: натекатель VF5 открыт

Критерий окончания: натекатель VF5 закрыт

Ресурсы:

· магнетрон MAG

· электромагнитные натекатели VF2, VF5

· механические вентили VR1, VR2

· механический вентиль водяного охлаждения VM4

· вакуумметр ВИТ-2П

· двигатель MOT

· шаговый двигатель SMOT

· блоки энергоавтоматики БП_MAG, БП_2, БП_VE, БП_VF

Последовательность процесса:

· Открытие вентиля водяного охлаждения VM4

· Контроль наличия охлаждения на AIS. При отсутствии сигнала наличия охлаждения выдается сигнал об отсутствии охлаждения MAG

· Открытие механических вентилей VR1, VR2

· Поворот подложкодержателя к MAG

· Установка давления рабочего газа (азота) посредством натекателя VF2 и контроль давления посредством вакуумметра ВИТ-2П (при реактивном процессе)

· Установка давления рабочего газа (аргона) посредством натекателя VF5 и контроль давления посредством вакуумметра ВИТ-2П

· Включение магнетрона при РВИТ-2П = (1,2...3,3)10-1 Па

5.3.3 Нанесение пленки ИД

Критерий начала: натекатель VF5 открыт

Критерий окончания: натекатель VF5 закрыт

Ресурсы:

· Дуговой источник ARC

· электромагнитные натекатели VF2, VF5

· механические вентили VR1, VR2

· механический вентиль водяного охлаждения VM5

· вакуумметр ВИТ-2П

· двигатель MOT

· шаговый двигатель SMOT

· блоки энергоавтоматики БП_ARC, БП_2, БП_VE, БП_VF

Последовательность процесса:

· Открытие вентиля водяного охлаждения VM5

· Контроль наличия охлаждения на ARC. При отсутствии сигнала наличия охлаждения выдается сигнал об отсутствии охлаждения ARC

· Открытие механических вентилей VR1, VR2

· Поворот подложкодержателя к ARC

· Установка давления рабочего газа (азота) посредством натекателя VF2 и контроль давления посредством вакуумметра ВИТ-2П (при реактивном процессе)

· Установка давления рабочего газа (аргона) посредством натекателя VF5 и контроль давления посредством вакуумметра ВИТ-2П

· Включение дугового источника при РВИТ-2П = 9,310-1 Па

6. Завершение работы установки

Критерий начала: выключение электропитания ND;

Критерий окончания: вентиль водяного охлаждения VM1 закрыт.

Ресурсы:

· Диффузионный насос ND;

· Механический насос NI;

· Высоковакуумный затвор VT;

· Электромагнитный натекатель VE1;

· Механические вентили водяного охлаждения VM1, VM2.

Последовательность процесса:

Закрытие затвор VT;

Выключение диффузионного насоса ND;

Закрытие клапана VE1 через 50 минут;

Выключение регуляторов расхода газа;

Выключение механического насоса NI;

Закрытие механические вентили водяного охлаждения VM2, VM1;

2.5 Выбор сервисных функций

Сервисные функции обслуживают и создают условия для наилучшего выполнения основных.

Сервисные процессы необходимы для:

· облегчения работы наладчиков и операторов

· предотвращения отказов оборудования и их последствий

Для данной установки это:

· индикация состояния отдельных элементов установки (клапаны, натекатели, затвор, приводы, источники формирования пленок и др.)

· отображение значений параметров технологического процесса на мониторе и на пульте управления (давление в камере, температура нагрева, параметры работы источников формирования пленок)

· сигнализация об отсутствии охлаждения

Решение этих задач возлагается на программное обеспечение персонального компьютера, в процессную модель заложено достаточно управляющих и управляемых сигналов для получения полной информации о ходе процесса. Также для этих целей на пульте управления устанавливаются светодиоды, которые сигнализируют о состоянии работы того или иного элемента, а на экран ЭВМ выводятся значения датчики, которые показывают изменение параметров технологического процесса.

2.5.1 Выбор функций коррекции цели

В процессах обработки поверхности подложек и формирования многослойного покрытия вакууме можно выделить следующие функции коррекции цели:

· Изменение времени процесса

· Изменение характеристик ионного пучка

· Изменение характеристик дуги

· Изменение характеристик разряда магнетрона

· Изменение состава технологической среды

Время технологического процесса может быть заложено в программу ЭВМ или контролироваться оператором при ручном управлении. Характеристики ионного луча могут быть изменены путем варьирования напряжения на ускоряющем электроде автономного источника ионов с холодным катодом либо оператором с пульта управления (ПУ), либо программно через ЭВМ. Характеристики дуги могут быть изменены путем варьирования напряжения между катодом и анодом дугового источника оператором с пульта управления (ПУ), либо программно через ЭВМ. Характеристики разряда магнетрона могут быть изменены путем варьирования напряжения подаваемого на магнетрон оператором с пульта управления (ПУ), либо программно через ЭВМ. Состав технологической среды выбирается исходя из требований применяемой технологии; составом технологической среды можно управлять путем регулирования потока газонатекания того или иного газа через электромагнитные натекатели как с ПУ, так и через ЭВМ.

2.6 Описание комплексной принципиальной схемы

Комплексная принципиальная схема (КПС) должна отображать ресурсы машины и согласовывать их между собой.

Установка имеет технологическую камеру CV большого объёма (V=80 л), оснащена мощной вакуумной системой, состоящей из диффузионного насоса ND (Н-250) с заливной азотной ловушкой и механического ротационного насоса NI (НВР-16Д). Высоковакуумный насос и ловушка пристыковываются к технологической камере через вакуумный затвор VT типа 23В9 250 (затвор с электромеханическим приводом плоский). На форвакуумной магистрали установлен электромагнитный клапан КВУМ-40, на байпасной - КВУМ-25. Измерение давления в камере осуществляется при помощи двух манометрических преобразователей: термопарного ПМТ-2 и ионизационного ПМИ-2, данные которых обрабатываются вакуумметром ВИТ-2П. Еще один термопарный преобразователь ПМТ-2 предназначен для контроля работы диффузионного насоса. Данные с него поступают на вакуумметр ВИТ-3А. Для контроля нагрева подложек предусмотрена микросхема-термодатчик (К1019УМ1).На данной установке используется автономный источник ионов с холодным катодом AIS, дуговой источник ARC и магнетрон на постоянном токе MAG. Для подачи в камеру рабочих газов (аргона, азота, циклогексана) установка оснащена газовой системой. Разнообразный состав технологической среды образуется путем напуска одного из газов, либо смеси для реактивного напыления. Напуск газов осуществляется посредством натекателей VF2 - VF5 типа. Установка оснащена системой охлаждения, позволяющая охлаждать каждый элемент в отдельности. В трубопроводах установлены датчики потока, позволяющие предусмотреть перегрев охлаждаемых элементов установки.

Установка оснащена подложкодержателем, позволяющим совершать вращение закрепленных на нем подложек относительно горизонтальной оси, а также осуществлять поворот подложек к используемому источнику. Для вращения подложек используется привод с реверсивным двигателем РД-09 (MOT). Привод поворота - на основе шагового двигателя ДШИ-200 (SMOT).

Комплексная принципиальная схема системы энергообеспечения состоит из следующих блоков:

· Пульт управления (ПУ);

· Блок питания общий БПО, предназначенный для обеспечения питания различными номиналами напряжений блоков управления питанием;

· Высоковольтный блок дистанционного включения питания магнетрона (БП_MAG);

· Высоковольтный блок дистанционного включения питания автономного источника ионов (БП_AIS);

· Высоковольтный блок дистанционного включения питания дугового источника (БП_ARC);

· Блок БП_VE, обеспечивающий дистанционное включение клапанов;

· Блок БП_VF, обеспечивающий дистанционное включение натекателей;

· Блоки БП_1 и БП_2, обеспечивающие дистанционное включение питания других элементов установки.

Комплексная схема системы управления включает в себя персональный компьютер на базе IBM PC Compatible с платами управления.

Предлагаемый вариант установки с САУ намного облегчает работу оператора, т.к. в этом случае возможно управление всеми процессами, за исключением некоторых подготовительных операций, при помощи промышленного компьютера.

2.7 Техническое задание на элементы и узлы машины

Для более удобного и эффективного использования установки для нанесения многослойных покрытий в вакууме, было принято решение разработать полуавтоматическую систему управления установкой. При реализации этой системы большинство процессов осуществляется как в автоматическом режиме, так и оператором вручную. Процессы загрузки - выгрузки подложек производятся только вручную, измерение толщины формируемого покрытия - только в автоматическом режиме.

При разработке системы автоматического управления были выбраны следующие стандартные компоненты:

Многофункциональный адаптер A-8111

Конструкция: адаптер ISA.

Производитель: ICP DAS.

Рис. 2.8 Многофункциональный адаптер A-8111

Спецификация

Конструкция

Адаптер ISA

Интерфейс

ISA

Аналоговый ввод

Каналов аналогового ввода

Всего

8

C общим проводом

8

Диапазоны входного сигнала

Биполярного, по напряжению

-5...+5,-2.5...+2.5,-1.25...+1.25,-0.625...+0.625,-0.3125...+0.3125 В

Входное сопротивление

При измерении напряжения

10 МОм

Входная емкость

6 пФ

Перегрузка по входу

35 В

АЦП

Тип

ADS774

Разрядность

12 бит

Режимы запуска

Программный

Коммутатор

Сканирование каналов

Программное

Макс. частота сканирования, разные каналы

30 кГц

Усилитель

Коэффициенты усиления

1,2,4,8,16

Установка коэффициента усиления

Программная для всех каналов

Режимы передачи данных

Программный,По прерыванию,По каналу ПДП

Погрешность

0.02 %

Температурный дрейф нуля

25 мкВ/°C

Аналоговый вывод

Каналов аналогового вывода

1

ЦАП

Количество

1

Разрядность

12 бит

Тип

AD7948

Время установления

30 мкс

Диапазоны выходного сигнала

Внутренний источник, по напряжению

0...10,0...5 В

Внешний источник, по напряжению

-10...+10 В

Выход

Нагрузочная способность

5 мА

Режимы передачи данных

Программный,По прерыванию

Нелинейность

Интегральная

1/2 Младшего разряда

Значение на выходе при включении

Напряжение

0 В

Дискретный ввод

Каналов дискретного ввода

Всего

16

ТТЛ

16

Входное напряжение

Логический 0

0...0.8 В

Логическая 1

2...5 В

Входной ток

Логический 0

0.4 мА

Логическая 1

20 мкА

Дискретный вывод

Каналов дискретного вывода

Всего

16

ТТЛ, без изоляции

16

Выходное напряжение

Логический 0

0...0.5 В

Логическая 1

2.7...5 В

Выходной ток

Логический 0

8 мА

Логическая 1

0.4 мА

Таймеры/счетчики

Таймеры/счетчики

Всего

2

16-разрядных

1

32-разрядных

1

Тип

Совместимый с 8254

Тактовая частота

2 МГц

Настройки ввода-вывода

Канал DMA

Нет

Прерывания

3,4,5,6,7

Кабели и разъемы

Разъемы

2xIDC-20,DB37 Female

Питание

Ток потребления

+5В

300 мА

+12В

60 мА

-12В

30 мА

Платы расширения

Платы расширения

ADP-20, DB-16P, DB-16R, DB-8025, DB-8125, DB-37, DN-20, DN-20/N, DN-37, DN-37/N

Программное обеспечение

Программное обеспечение

DOS утилита для проверки и калибровки, библиотеки и драйверы под MS DOS, Widows 95/98/NT, Trace Mode

Условия эксплуатации

Условия эксплуатации

Температура

0...50 °С

Влажность

5...95 %

Условия хранения

Условия хранения

Температура

-20...70 °С

Влажность

5...95 %

Размеры и вес

Размеры

Длина

163 мм

Ширина

123 мм

Вес

0.143 кг

Информационный интерфейс:

Сигналы на входе:

Уровень ТТЛ
· HD - ручной/автоматический режим
· DCQS - контроль толщины пленки
· DCUMOT - контроль вращения двигателя
· DCUSMOT - контроль вращения шагового двигателя
· DCVT_ON - контроль состояния затвора (затвор открыт)
· DCVT_OFF - контроль состояния затвора (затвор закрыт)
· DCH2OND - контроль наличия охлаждения диффузионного насоса
уровень 0…5В
· ACVK1 - контроль давления по ВИТ-2П
· ACVK2 - контроль давления по ВИТ-3А
· ACDT - контроль температуры нагрева подложек

Сигналы на выходе:

Уровень ТТЛ (ОЭ, ОК оптопары)

· DDUND - включение/выключение диффузионного насоса

· DDUVT - включение/выключение затвора

· DDUQS - включение/выключение блока датчика измерения толщины покрытия

· DDUDT - включение/выключение блока нагрева подложек

· DDUVK1 - включение/выключение вакуумметра ВИТ-2П

· DDUVK2 - включение/выключение вакуумметра ВИТ-3А

· DDUSMOT1…DDUSMOT4 - подача импульсов на обмотки шагового двигателя

· DDUNI - включение/выключение механического насоса

Адаптер аналогового вывода ISO-DA8

Конструкция: Адаптер ISA

Производитель: ICP DAS.

Рис. 2.9 Адаптер аналогового вывода ISO-DA8

Спецификация

Конструкция

Адаптер ISA

Интерфейс

ISA

Аналоговый вывод

Каналов аналогового вывода

8

ЦАП

Количество

1

Разрядность

14 бит

Гальваническая изоляция

2500 В

Диапазоны выходного сигнала

Внутренний источник, по напряжению

-10...+10,-5...+5,0...+10,0...+5 В

Внешний источник, по току

0...20,4...20 мА

Погрешность

0.01 %

Значение на выходе при включении

Напряжение

0 В (programmable)

Ток

0 мА (programmable)

Дискретный ввод

Каналов дискретного ввода

Всего

16

ТТЛ

16

Входное напряжение

Логический 0

0...0.8 В

Логическая 1

2...5 В

Входной ток

Логический 0

0.4 мА

Логическая 1

20 мкА

Дискретный вывод

Каналов дискретного вывода

Всего

16

ТТЛ, без изоляции

16

Выходное напряжение

Логический 0

0...0.5 В

Логическая 1

2.7...5 В

Выходной ток

Логический 0

8 мА

Логическая 1

400 мкА

Настройки ввода-вывода

Прерывания

3,4,5,6,7,9,10,11,12,14,15

Кабели и разъемы

Разъемы

2xIDC-20,DB37 Female

Дополнительно в комплекте

CA-4002

Питание

Ток потребления

+5В

800 мА

Платы расширения

Платы расширения

ADP-20, DB-16P, DB-16R, DB-37, DN-20, DN-20/N, DN-37, DN-37/N

Программное обеспечение

Программное обеспечение

DOS утилита для проверки и калибровки, библиотеки и драйверы под MS DOS, Widows 95/98/NT, LabVIEW, Trace Mode

Условия эксплуатации

Условия эксплуатации

Температура

0...+50 °С

Влажность

0...90 %

Условия хранения

Условия хранения

Температура

-20...+70 °С

Влажность

0...90 %

Размеры и вес

Размеры

Длина

182 мм

Ширина

122 мм

Вес

0.203 кг

Информационный интерфейс:

Сигналы на входе:

Уровень ТТЛ

· DCH2OARC - контроль наличия охлаждения дугового источника

· DCH2OAIS - контроль наличия охлаждения автономного источника ионов

· DCH2OMAG - контроль наличия охлаждения магнетрона

· DCVE1…DCVE7 - контроль открытия электромагнитного клапана

Сигналы на выходе:

Уровень ТТЛ

· DDUVE1…DDUVE7 - включение/выключение электромагнитного клапана

· DDUARC - включение/выключение дугового источника

· DDUAIS - включение/выключение автономного источника ионов

· DDUMAG - включение/выключение магнетрона

· DDUVF2…DDUVF5 - включение/выключение электромагнитного натекателя

Уровень 0-5В

· ADARC - регулировка напряжения разряда дугового источника

· ADAIS - регулировка ускоряющего напряжения автономного источника ионов

· ADMAG - регулировка напряжения разряда магнетрона

· ADVF2…ADVF5 - регулировка газонатекания на электромагнитных натекателях

Плата гальванической развязки дискретных сигналов

Рис. 2.10 Плата Fastwel TBI 24 C

Плата TBI 24 С предназначена для сопряжения 24 источников дискретных сигналов с портом дискретного ввода-вывода. Плата TBI 24 C предназначена для сопряжения линий порта дискретного ввода-вывода с различными коммутационными аппаратами. Все каналы ввода-вывода имеют гальваническую развязку от порта дискретного ввода-вывода. Плата может использоваться совместно с модулями UNIOxx, 5600,5648 или любыми другими модулями, имеющими порт дискретного ввода-вывода. Плата может устанавливаться на панель или DIN рейку.

Спецификация:

· Количество каналов - 24 (однопроводное или двухпроводное подключение)

· Поканальная гальваническая развязка. Напряжение изоляции 1500 В постоянного тока

· Светодиодная индикация состояния каждого канала

· Напряжение включения канала 3 …52 В (поддиапазоны настраиваются путем замены наборов резисторов.)

· Минимальный ток включения канала 4 мА.

· Задержка входных сигналов: 100 нс (TBI 24/0C 3), 25 мкс (TBI 24/0C 1,TBI 24/0C 2)

· В состав TBI 24/0C 2 входит встроенный источник питания «сухих »контактов.

· Выходное напряжение 9 В.

· Напряжение питания:5 В ±10%

· Потребляемый ток: 250 мА

· Коммутируемое напряжение до 60 В постоянного тока

· Максимальный ток нагрузки 800 мА

· Диапазон рабочих температур от -40 до +85 °C.

· Относительная влажность воздуха до 95%при 25 °C без конденсации влаги.

· Габаритные размеры 165 Ч75 Ч53 мм

· Принадлежности: ACS00002 FC26 60 плоский кабель, 26 жил, разъемы IDC, 0,6 м

Описание и расчет блоков питания

БП_1

Блок предназначен для дистанционного управления питанием механического насоса и затвора.

Энергетический интерфейс:

входной: 380В; 7А

выходной:

· механический насос: 380В; 4,5А

· затвор: 380В; 2А

Информационный интерфейс:

входной: DDUNI, DDUVT

выходной: UNI, UVT

БП_2

Блок предназначен для дистанционного управления питанием вакуумметров, реверсивного двигателя, диффузионного насоса и блока нагрева подложек.

Энергетический интерфейс:

входной: 220В; 10,5А

выходной:

· диффузионный насос: 220В; 4А

· блок нагрева подложек: 220В; 2А

· вакуумметры: 220В, 1А (2 шт.)

· реверсивный двигатель: 220В; 2А

Информационный интерфейс:

входной: DDUVK1, DDUVK2, DDUDT, DDUND, DDUMOT

выходной: UVK1, UVK2, UDT, UND, UMOT

БП_VE

Блок предназначен для дистанционного управления питанием электромагнитных клапанов, шагового двигателя и блока измерения толщины покрытия.

Энергетический интерфейс:

входной: +24В; 5А

выходной:

· электромагнитные клапаны: +24В; 0,3А (7 шт.)

· шаговый двигатель: +24В; 2А

· блок измерения толщины покрытия: +12В; 0,5А

Информационный интерфейс:

входной: DDUVE1-DDUVE7, DDUSMOT, DDUQS

выходной: UVE1-UVE7, USMOT1-USMOT4, UQS

БП_VF

Блок предназначен для дистанционного управления питанием электромагнитных натекателей.

Энергетический интерфейс:

входной: 220В; 2,5А

выходной:

· электромагнитные натекатели: +24В; 0,3А (4 шт.)

Информационный интерфейс:

входной: DDUVF2-DDUVF5

выходной: UVF2-UVF5

БП_AIS

Блок предназначен для дистанционного управления питанием автономного источника ионов.

Энергетический интерфейс:

входной: 380В; 4А

выходной: 380В; 4А

Информационный интерфейс:

входной: DDUAIS

выходной: UAIS

БП_MAG

Блок предназначен для дистанционного управления питанием магнетрона.

Энергетический интерфейс:

входной: 380В; 6А

выходной: 380В; 6А

Информационный интерфейс:

входной: DDUMAG

выходной: UMAG

БП_ARC

Блок предназначен для дистанционного управления питанием дугового источника.

Энергетический интерфейс:

входной: 380В; 18А

выходной: 380В; 18А

Информационный интерфейс:

входной: DDUARC

выходной: UARC

БПО

Блок питания общий предназначен для распределения и преобразования входного напряжения 380В в требуемое выходное для БП_1, БП_2, БП_VE, БП_VF.

Энергетический интерфейс:

входной: 380В; 25А

выходной:

· БП_1: 380В; 7А

· БП_2: 220В; 10,5А

· БП_VE: +24В; 5А

· БП_VF: +24В; 2,5А

Выводы

В ходе курсового проекта была разработана САУ для лабораторной многопозиционной установки осаждения многослойных тонкопленочных покрытий в вакууме. Управление установкой может осуществляться как в автоматическом, так и в ручном режиме.

Для САУ следует установить персональный компьютер на баз IBM PC с платами пользователя:

· многофункциональный адаптер A-8111

· адаптер аналогового вывода ISO-DA8

· плата гальванической развязки дискретных сигналов Fastwel 24C (2 шт.)

Также были выданы технические требования на блоки системы энергообеспечения установки. Все блоки расположены в стандартной 19” стойке.

Разработана принципиальная электрическая схема управления газонатекания электромагнитного натекателя, обеспечивающая установку и поддержание требуемого технологическим процессом давления рабочего газа в камере.

3. Технологическая часть

В данном разделе дипломного проекта проведено проектирование технологического процесса сборки узла для придания вращения подложкодержателю (ввод вращения в вакуум). Выполнен анализ технологических требований на сборку узла, технологический анализ конструкции с проработкой изменений и созданием сборочного чертежа, разработана технологическая схема сборки.

Кроме того, разработан технологический процесс изготовления детали - корпус. Проведен анализ технологичности конструкции детали, технических требований на изготовление детали и разработан технологический процесс изготовления детали с выбором оборудования, инструмента и режимов обработки.

3.1 Проектирование технологического процесса сборки узла

3.1.1 Краткое описание конструкции, назначение узла в машине.

Рис.3.1 Вакуумный ввод вращения

Данный узел представляет собой вакуумный ввод вращения. Он состоит из вала (поз.3), вращение которому передается с вала шагового двигателя через цилиндрическую передачу (колесо поз.7). Непосредственно на валу крепится подложкодержатель. Вал вращается в роликовых радиальных подшипниках (поз.25), регулировка которых осуществляется с помощью пружины (поз.17), гайки (поз.19) и упорного подшипника (поз.23). Вся эта конструкция посажена в корпус (поз.9) и крепится к фланцу ввода вращения на шести шпильках (поз.26).

Герметичность ввода вращения обеспечивается двумя манжетами (поз.31) и уплотнительными кольцами поз.12, 13 и 16. Все соединения изолированы посредством прокладок из фторопласта (поз.6, 10, 11), для того чтобы ток не попал на стенки вакуумной камеры.

3.1.2 Анализ технологических требований на сборку и разработка схем проверки по заданным требованиям

В данной конструкции необходимо обеспечить:

· Перед началом сборки очистить от пыли и частиц все детали

· Обеспечить вращение вала без рывков и заеданий

· Обеспечить регулировку подшипников

Для нормального вращения вала (поз.3) необходимо запрессовать на него подшипники (поз.25) посадив их с натягом Н7/k6, а потом уже посадить его в корпус. Стакан (поз.6) необходимо запрессовать на вал сразу после подшипников, обеспечив посадку с натягом Н7/r6, иначе в дальнейшем это станет невозможным. При закреплении колеса (поз.7) на стакан (поз.6), и всей конструкции на фланец ввода вращения необходимо избежать сжатия изоляционных колец из фторопласта, то есть правильно выбрать усилие завинчивания.

При регулировании подшипников (поз.25) гайку нужно поворачивать очень аккуратно, чтобы избежать снятия стакана (поз.6) со шпонки и их с валом разъединения. Для удобства сборки в месте закрепления ввода вращения на фланец вакуумной камеры болтовое соединение было заменено шпилечным. Сначала во фланец вкручивается шпилька (поз.27), на неё сажаются уплотнительные и изоляционные кольца, а затем они закрепляются гайками (поз.28).

Проверка данных технических требований осуществляется:

· Посадки проверяются на стадии изготовления деталей (соответствие размеров детали и чертежа)

· Работоспособностью конструкции

3.1.3 Анализ технологичности конструкции узла

Практически все детали имеют простую геометрическую форму. Предложенная конструкция технологична для единичного производства в качестве опытного образца.

Конструкция позволяет произвести расчленение узла на сборочные единицы. В случае серийного производства установки возможна параллельная узловая сборка. Это обеспечит уменьшение цикла сборки, повышение производительности и качества сборки за счет закрепления сборщиков за одними и теми же аналогичными работами.

Коэффициенты технологичности:

o Коэффициент сборности, показывает возможность расчленения на рациональное число составных частей, сборку которых можно производить независимо друг от друга:

Ксб=Е/(Е+Д),

где Е=1 - число сборочных единиц;

Д=16 - число деталей, не вошедших в состав сборочных единиц.

Ксб=1/(1+16)=0,06.

В условиях единичного производства значение Ксб=0,06 является приемлемым.

o Коэффициент стандартизации, характеризует использование стандартных сборочных единиц и деталей

Кст=(Ест+Дст)/(Е+Д),

где Ест=0 - число стандартных сборочных единиц;

Дст=13 - число стандартных деталей, не вошедших в состав сборочных единиц.

Кст=(0+13)/(1+16)=0,76.

Коэффициент стандартизации показывает, показывает, что конструкция технологична не только в условиях единичного производства, но и в условиях мелкосерийного.

Вывод: конструкция технологична в условиях единичного и мелкосерийного производства.

3.1.4 Разработка технологических схем сборки

Технологические схемы сборки в наглядной форме выражают маршрут узловой и общей сборки. Необходимо сначала разработать технологическую схему общей сборки, а затем технологическую схему сборки узлов и подузлов.

При составлении технологической схемы сборки необходимо выявить все возможные варианты, сравнить их и выбрать оптимальный, т.е. обеспечивающий заданную точность, удобство сборки, простоту исполнительных сборочных механизмов, надежность и производительность сборочного процесса.

Таким образом схема сборки разделилась на 5 частей, три из которых являются схемами сборки узлов (рис. 4.2, 4.3, 4.4), основная схема (рис. 4.5) и схема сборки ввода вращения с вакуумной камерой (рис.4.6).

Технологические схемы сборки ввода вращения и эскизы сборочных операций:

Операция 005: Сборочная

Запрессовать подшипники поз.25 на вал поз.3,

надеть крышку поз.8, запрессовать шпонку

поз.24 и стакан поз.6.

Рис. 3.2. Схема сборки вала и эскиз сборки

Операция 010: Сборочная

Протереть втулку поз.14, установить в нее

сальник поз.16 и две манжеты поз.31

Операция 015: Сборочная

Запрессовать подшипник поз.23 в корпус поз.1

Операция 020: Сборочная

Установить вал поз. сб.3 в корпус поз.9,

надеть шайбы поз.21 на винты поз.20 и

завернуть винты в крышку поз.8 до упора

Операция 025: Сборочная

Надеть уплотнение поз. сб. 1 на вал поз. сб.3

и завести в отвестие корпуса поз.9, надеть

на вал крышку поз.15 и завернуть винтами

поз.30 до упора. Надеть изоляционное кольцо

поз.4 на стакан поз.6 и установить сверху

зубчатое колесо поз.7. Вставить в отверстия

в колесе прокладки поз.5и завернуть болты

поз.18 в стакан до упора.

Операция 030: Сборочная

Вставить корпус поз. сб.1 в стакан поз.6, вставить пружину поз.17, надеть шайбу поз. 22

и навернуть гайку поз. 19 на вал поз.3. Отрегулировать подшипники. Надеть крышку поз.2 на корпус поз.1, надеть шайбы поз.21 на винты поз.20 и завернуть винты в крышку до упора.

Операция 035: Сборочная

Вставить уплотнительное кольцо поз.13 в

изоляционное кольцо поз. 11 и установить в

отверстие во фланце вакуумной камеры.

Закрутить шпильки поз.26 во фланец камеры

и установить сверху корпус в сборе поз.сб.9,

предварительно вставив в его фланец уплотнительное

кольцо поз.12. Надеть на шпильки поз.26 шайбы

поз. 27,28 и закрутить гайки поз.29 до упора.

Рис. 3.6 Схема сборки ввода вращения с камерой и эскиз сборки

4.1.5. Разработка технологического процесса сборки и заполнение карт

Для определения суммарной трудоемкости сборки привода необходимо провести техническое нормирование времени, по элементам исходя из разработанного технологического процесса сборки. (Приложение 1)

Суммарное время, затраченное на сборку привода:

, где в,г - коэффициенты, определяющие время на организационное обслуживание и перерывы (6…9%) от.

4.1.6 Расчёт силы напрессовки подшипников на вал

Усилие запрессовки:

,

где Е = 2.1*105 МПа - модуль упругости f = 0.1 - коэффициент трения

- фактический натяг

;

3.2 Проектирование технологического процесса изготовления детали

3.2.1 Назначение детали в узле

Изготовляемая деталь - корпус (поз.9) для ввода вращения. В него устанавливается сальниковое уплотнение (сб. узел 1), обеспечивающее герметичность данного ввода вращения. Также в корпус (поз.9) устанавливается вал в сборе (сб. узел 3).

Соблюдение всех требований на изготовление данной детали гарантирует выполнение технических требование, предъявляемых к узлу.

3.2.2 Анализ технических требований

В данной детали необходимо обеспечить:

· допуск на диаметр ш340,31 мм

· допуск на диаметр ш500,31 мм

· допуск межосевого расстояния - 0,22 мм;

· точность посадки подшипников ш40Н7/r6 Ra 1,25;

· обеспечить соосность и цилиндричность поверхностей ш40 под подшипники;

В ходе отработки конструкции на технологичность была изменена конструкция всей детали. Было принято решение объединить две детали корпус и опорное кольцо в одну, путем их сварки. Также было решено изменить внутреннюю поверхность корпуса, для удобства запрессовки подшипников и проточить канавку внутри корпуса для выхода инструмента.

3.2.3 Анализ технологичности детали

Конструкция данной детали технологична. Она проста, даёт возможность применять высокопроизводительные технологические методы и не требуется сложных приспособлений. Конструктивная форма детали представляет собой сочетание простых геометрических поверхностей вращения - цилиндров, удобных в обработке. Подвод и отвод режущего инструмента для обработки наружной поверхности детали не затруднен. Конструктивные формы и размерные соотношения обеспечивают достаточную жесткость детали.

От точности и качества изготовления этой детали зависит герметичность ввода вращения, плавность вращения вала в запрессованных в неё подшипниках, а соответственно - способность и точность регулирования скорости откачки вакуумной камеры установки ВУП.

1. Деталь имеет конструктивно простые формы.

2. При обработке детали существует препятствие для входа и выхода режущего инструмента.

3. Количество обрабатываемых поверхностей небольшое, при их небольшой протяженности

4. Конструкция детали достаточно жесткая

5. Самая высокая точность по 7-му квалитету имеет 25 мкм

Вывод: конструкция данной детали в целом технологична в условиях единичного и мелкосерийного производства.

3.2.4 Выбор заготовки

Материал заготовки - Ст 12Х18Н10 ГОСТ375-71;

Тип заготовки - цилиндрический прокат ш60 мм

В качестве заготовки используем цилиндрический прокат - стальной бесшовный холоднотянутый (ГОСТ 8734-75). Материал заготовки - сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 1050-88). Точность холоднотянутого проката соответствует примерно 9 - 12 кавлитету.

Предельное отклонение при обычной точности для проката диаметром 48 - 72 +0.4, -0.7 мм.

Исходя из точности, выбираем следующие размеры заготовки: цилиндрический прокат диаметром 60 мм, длиной 120 мм.

Вес заготовки (согласно рис 3.8):

Масса детали:

Коэффициент использования материала:

3.2.5 Расчет припуска на обработку

Припуск - слой материала, удаляемый с поверхности заготовки в целях достижения заданных свойств обрабатываемой поверхности детали.

Расчетный величиной является минимальный припуск на обработку , достаточный для устранения на выполняемом переходе погрешностей обработки и дефектов поверхностного слоя, полученных на предшествующем переходе, и компенсации погрешностей, возникающих на выполняемом переходе.

Промежуточные размеры, определяющие положение обрабатываемой поверхности, и размеры заготовки рассчитываются с использованием минимального припуска.

Расчет припусков на размер Ra=1.25

Обработку указанной поверхности следует производить в 4 этапа:

1. Точение предварительное;

2. Точение окончательное;

3. Шлифование черновое;

4. Шлифование чистовое;

1) Для обработки целесообразно выбрать в качестве технологической базы ось заготовки, которая является двойной направляющей базой.

2) Определяем значение шероховатости и глубины дефектного слоя на каждой операции.

Точение предварительное - Rz =63, П=60;

Точение окончательное - Rz=20 П=30;

Шлифование черновое - Rz=10, П=20

Шлифование чистовое - Rz=6 П=10

3) Определяем значение допусков Т для соответствующих операций. Для окончательной операции значение допуска берется с чертежа детали.

Точение предварительное -T=120 мкм (12 кв.)

Точение окончательное- Т=48 мкм( 10кв.)

Шлифование черновое - Т = 18мкм (8 кв.)

Шлифование чистовое - Т =8 мкм (6кв.)

4) Так как на всех операциях деталь устанавливается в трехкулачковом самоцентрирующемся патроне, погрешность установки :

5) Определим пространственные отклонения :

Для заготовки (Рзаг ):

см= к L =1*120=120мкм

где, к- допускаемая кривизна проката;

L -общая длина заготовки;

Т - допуск на базовой поверхности заготовки базировании;

Пространственные отклонения при предварительном точении:

Пространственные отклонения при окончательном точении:

На операциях шлифования пространственные отклонения малы и не учитываются.

6) Определение расчетных значений минимальных припусков:

7) Расчетные припуски :

8) Расчетные размеры:

Ai =Ai-1+2Zрасчi-1

A4=40.00 мм

A3=40.00+0,068=40,068 мм

A2=40.068 +0,127=40,195мм

A1=40.195+0,308=40,503 мм

A0=40.503 +0,760=41,263мм

9) Определение наибольших предельных размеров:

Абмi =Аi +Hmin+Ti

Абм4=40-0.0+0.008=40.008 мм

Абм3=40,068-0.0+0.018=40.086 мм

Абм2=40,195-0.0+0.048=40.243 мм

Абм1=40,503-0.0+0.120=40.623 мм

Абм0=41,263-0.0+0.180=41.443 мм

10) Определение наименьших предельных размеров:

Анмi =Аi +Hmini

Анм4=40-0.0=40мм

Анм3=40,068-0.0=40.068 мм

Анм2=40,195-0.0=40.195 мм

Анм1=40,503-0.0=40.503мм

Анм0=41,263-0.0=41.263 мм

11) Определение предельных значений припусков:

12) Проверка расчетов

i

Правильность расчета

4

86-60=26

8+18=26

Верно

3

175-109=66

18+48=66

Верно

2

428-260=168

48+120=168

Верно

1

870-570=300

120+180=300

Верно

Следовательно, для каждой операции расчет припуска выполнен правильно.

3.2.6 Разработка маршрута обработки основных поверхностей детали

Чтобы определить последовательность обработки основных поверхностей, выявленных на этапе анализа технических требований, выбирают метод окончательной обработки, а также тип оборудования.

Выбор маршрутов отдельных поверхностей производится приближенно по оценке трудоемкости сопоставляемых вариантов - суммарному основному времени обработки и с использованием нормативных данных (см. приложение 2).

Решение данной задачи может быть значительно облегчена путем использования типовых рекомендуемых маршрутов обработки отдельных поверхностей и САПР ТП..

В качестве примера рассмотрим выбор маршрута обработки внутренней поверхности 40H7, Rа=2,5.

В качестве финишной обработки выбираем чистовое точение, обеспечивающее квалитет допуска диаметрального размера Н7 и шероховатость Rа=2,5. Зная точность заготовки, назначаем маршрут такой обработки:

1. Черновое точение

IT11,Ra12,5

2. Получистовое точение

IT9, Ra3,2

2. Чистовое точение

IT7, Ra2,5

3.2.7 Выбор баз и проектирование маршрута обработки

№ оп.

Наименование операции

Содержание операции

Оборудование

Приспособление и инструмент

005

Токарная

Обточить ш50h9 предв. до ш52 на длину 57 мм; подрезать торец ш50h9 в размер 117, переустановить, обточить ш54 оконч., подрезать торец ш54 в размер 116;

Токарный станок 16К20

Трехкулачковый патрон, проходной резец, подрезной резец

010

Сварочная

Сварить две детали

Сварочный автомат

Приспособление для сварки

015

Слесарная

Зачистить поверхности от заусенцев

Слесарный верстак

Напильник

020

Токарная

Обточить ш50h9 оконч. В размер 56 мм, сверлить отверстие ш20, расточить ш34Н9 до ш36, затем окончательно, проточить канавку на фланце шириной 7 мм, глубиной 2 мм

Токарный станок 16К20

Трехкулачковый патрон, проходной резец, подрезной резец, сверло

025

Токарная

Расточить ш35 оконч., расточить ш40 предварит. до ш38, расточить ш40Н7 окончательно, проточив канавку ш42х2; расточить ш41 длиной 56 мм, отст. 20 мм, снять фаску 0,5х45;

Токарный станок 16К20

Трехкулачковый патрон, расточной резец,

030

Вертикально-сверлильная

Сверлить 4 отв. ш3; нарезать резьбу М4-7Н на торце ш50, переустанов. и просверлить 4 отв. ш3; нарезать резьбу на торце ш54;

Вертикально-сверлильный станок с ЧПУ

Трехкулачковый патрон, сверло, метчик

035

Внутришлифовальная

Шлифовать ш40Н7 до Ra=1,25

Внутришлифовальный станок

Трехкулачковый патрон, шлиф. головка

3.2.8 Выбор режима обработки и техническое нормирование операций с расчетом штучного времени

Определение режима резания для отдельных инструментов производится в такой последовательности: вначале устанавливается глубина резания t, затем подача S и скорость резания V.

По данной скорости резания определяем частоту вращения шпинделя:

Результаты выбора режимов резания отражены в карте.

Для примера выберем режим точения цилиндрической поверхности в размер ш50, требуемая шероховатость Ra=2.5.

Для первого прохода выбираем глубину резания равной припуску на механическую обработку t=2 мм.

Подача выбирается по документации для этого типа резцов и для данного материала Sz=0,2 ммоб для данной глубины резания.

Скорость резания теоретически рассчитывается по эмпирической формуле

На практике скорость резания выбирается по справочнику с учетом подачи, глубины резания и материала: V=135 ммин.

Частота вращения инструмента определяется по формуле:

,

где D - диаметр инструмента.

Следовательно обмин

Время обработки резцом рассчитывается по формуле , где k-число зубьев фрезы, l-длина обрабатываемой поверхности, i-число проходов.

Для резца k=4, следовательно

В общем случае расчетно-аналитическим методом штучное время рассчитывается как:

tш=tо+tв+tорг+tто+tпер

(++)=6…9%

Рассчитаем штучное время на примере операции фрезерования:

Данный расчетно-экспериментальный метод применим для мелкосерийного производства. В условиях единичного производства применяют расчет по типовым нормам, который сводится к сравнению размерных характеристик с нормативами типовых норм времени:

1. изделие классифицируется по конструктивно-технологическому признаку (разбиение на группы),

2. из каждой группы выбирается типовой представитель,

3. на типовой представитель разрабатывается типовой технологический процесс,

4. устанавливается норма времени на операции расчетно-аналитическим методом,

5. составляются типовые нормативы,

6. по нормативам определяется норма времени на операцию по изготовлению детали.

Однако в учебных условиях невозможно проводить хронометрирование норм времени и фотографию рабочего дня, поэтому условно за основу принимают расчетно-экспериментальный метод с фиксированными элементами оперативного времени.

3.2.9. Расчет основного времени на операции обработки отдельных поверхностей

Расчет основного времени производится по формуле:

-для точения

-для других типов обработки

Операция

№пер.

to, мин

005 Токарная

Установ I

1

005 Токарная

Установ I

2

005 Токарная

Установ II

3

005 Токарная

Установ II

4

020 Токарная

Установ I

1

020 Токарная

Установ I

2

020 Сверлильная

3

020 Токарная

Установ II

4

025 Токарная

Установ I

1

025 Токарная

Установ II

2

030 Сверлильная

1

030 Резьбо-нарезальная

2

035 Внутришлифовальная

1

Выводы:

В результате проведенной работы был выполнен анализ технологических требований на сборку узла, технологический анализ конструкции с проработкой изменений и созданием сборочного чертежа, разработана технологическая схема сборки.

Также был разработан технологический процесс изготовления детали - корпус. Проведен анализ технологичности конструкции детали, технических требований на изготовление детали и разработан технологический процесс изготовления детали с выбором оборудования, инструмента и режимов обработки. Сконструировано приспособление: для вертикально - сверлильной операции.

4. Организационно - экономическая часть

В данной части дипломного проекта рассмотрены вопросы, связанные с расчетом затрат на модернизацию многопозиционной установки для нанесения тонких пленок ВУП, выполен расчет и сравнение экономических показателей разрабатываемого варианта установки, а также произведена оценка экономической эффективности инвестиционного проекта по различным критериям.

4.1 Технико-экономическое обоснование разработки и внедрения модернизированной установки ВУП

Для точной оценки экономического эффекта от проводимой разработки проведем технико-экономическое обоснование работ.

4.1.1 Выбор базы и обеспечение сопоставимости вариантов проекта

Рассмотрим два вакуумных ввода горизонтальный (базовый вариант) и вертикальный (проектируемый вариант).

Преимуществами проектируемого варианта являются:

- удобство пользования

- увеличение производительности

- возможность нанесения многослойных пленок

Изменение по объему и качеству производимой продукции учитывается коэффициентом

,

где - годовой выпуск годной продукции соответственно базовой и новой техники, шт./год;

Годовая производительность оборудования :

;

;

;

где - часовая производительность оборудования, шт./час;

- действительный фонд времени работы оборудования, час;

d - количество рабочих дней в году, d = 252 q - продолжительность смены, час;

q = 8; S - сменность работы оборудования, S = 1;

- коэффициент, учитывающий потери времени на ремонт и наладку оборудования, .

б1,б2 - процент выхода годной продукции для базового и модернизированного варианта;

Тогда, изменение по объему и качеству производимой продукции составит:

.

Это означает, что объем производимой продукции у проектируемого узла выше, чем у базового.

4.1.2 Расчёт себестоимости и цены проектируемого оборудования

Себестоимость проектируемой технологической оснастки определяется суммой затрат на материалы (М), покупные комплектующие изделия (П), основную (LO) и дополнительную (LД) заработную плату основных производственных рабочих, отчисления единого социального налога (LЕCН), косвенные расходы (РК), внепроизводственные расходы (РВН) :

Соб.н = М + П + Lо + Lд + Lесн + Рк + Рвн.

Расчет статей себестоимости проектируемого оборудования.

Затраты на материалы определяются по формуле :

,

где Gi - норма расхода материала i - ой марки, кг;

;

GЧi - масса (чистый вес) деталей из i-той марки материала, кг;

- коэффициент использования материала i-ой марки; в среднем ;

m - число марок используемого материала;

Цi - оптовая цена 1 кг материала i-ой марки, руб.

Таблица 4.1.

№

п/п

Наименование и марка материала

Масса готовых деталей, кг.

Норма расхода, кг.

Цена, руб.

Сумма затрат, руб.

12Х18Н10Т

5

7.04

150

1056

Медь

0.2

0.28

300

84

Фторопласт

0.3

0.42

250

105

Итого :

1245

Затраты на покупные комплектующие изделия (в руб).

,

где Гj - количество покупных комплектующих изделий j-го наименования, шт.; Цj - оптовая цена единицы j-го покупного изделия, руб.; n - число наименований покупных комплектующих изделий

Таблица 4.2. Затраты на покупные комплектующие изделия

№

п/п

Изделие.

Марка,

тип.

Единица

измерения.

Кол - во.

Цена,

руб.

Сумма,

руб.

1

Подшипник роликовый

ГОСТ 7872-89

шт

2

50

100

2

Подшипник шариковый

ГОСТ 7856-88

шт

1

70

70

3

Винт

ГОСТ 1491-80

шт

12

1

12

4

Пружина

ГОСТ 3464-89

шт

1

30

30

5

Провод

м

3

20

60

6

Электродвигатель

МШ-345

шт

1

4500

4500

7

Уплотнительное кольцо

шт

3

40

120

Итого:

4892

Основная заработная плата (в руб.) основных производственных рабочих определяется:

,

где Тоб.н - трудоемкость изготовления нового оборудования,

ч; - часовая тарифная ставка среднего разряда, руб./час ( Lср.ч=80 руб./ч).

Трудоемкость изготовления проектируемого оборудования можно определить методом расчета по видам работ.

Метод расчета трудоемкости по видам работ.

Трудоемкость изготовления проектируемой технологической оснастки.

Таблица 4.3.

№ п/п

Вид работы

Трудоемкость Тоб.н, час.

1

Заготовительные работы

2

2

Токарные работы

5,0

3

Сварочные работы

0,5

4

Сборочные работы

1,5

Итого :

9

Дополнительная заработная плата основных производственных рабочих определяется:

,

где - процент дополнительной заработной платы (=25-30% )

Единый социальный налог:

,

где -процент отчисления единого социального налога, =26%.

Косвенные расходы определяются в процентном отношении от основной заработной платы основных производственных рабочих:

,

где - процент косвенных расходов (=150-180%).

Расчет внепроизводственных расходов.

, где

бВН - процент внепроизводственных расходов бВН = 5 %;

руб.

Итак, производственная себестоимость составляет:

4.1.3 Расчет предпроизводственных затрат

Предпроизводственные затраты включают в себя заработную плату исполнителей научно-исследовательских и проектных работ с отчислением ЕСН и косвенные расходы.

.

Таблица 4.4. Трудоемкость этапов подготовки производства.

Этап работ.

Трудоемкость, час.

Конструкторская подготовка производства (КПП)

45

Технологическая подготовка производства (ТПП)

20

Научно-исследовательская работа (НИР)

15

итого:

80

Тп=80 ч.

Основная заработная плата определяется исходя из трудоемкости проектных работ и среднечасовой заработной платы по формуле

, где

Lср.чпп - средняя заработная плата Lсрпп = 80 руб/час;

Tпп - трудоемкость проектировочных работ.

Основная заработная плата составит Lопп = 80·80 = 6400 руб.

Дополнительная заработная плата определяется аналогично дополнительной заработной плате производственных рабочих и составит

Lдпп = 30/100·6400= 1920 руб.

Затраты на социальное страхование определятся аналогично затратам на социальное страхование от зарплаты на проектирование прибора и составят LЕСНпп = 26/100·6400 = 1664руб.

Косвенные затраты на проектирование определяются аналогично косвенным затратам на изготовление (но при этом бК = 70..80%) и составят

Ркпп = 80/100·6400 = 5120 руб.

руб.

В сумме предпроизводственные затраты составят

Спп = 6400+1920+1664+5120 ? 15100руб.

Таким образом, предпроизводственные затраты на единицу оборудования (количество экземпляров - 10 шт.): руб.

Итак, проектная себестоимость изготовления новых узлов:

руб

4.1.4 Расчёт капитальных затрат

Капитальные затраты потребителя, связанные с приобретением и внедрением новой техники определяются по формуле:

,

где:

Цоб.н - проектная цена нового оборудования, руб:

,

Соб.н - проектная себестоимость нового оборудования, руб;

kрент - коэффициент рентабельности производства, kрент = 1,10-1,12;

kтм - коэффициент учета затрат на доставку (транспортирование) и монтаж оборудования, kтм = 1,5.

При модернизации оборудования проектная цена модернизированного оборудования определяется по формуле:

,

где:

Цоб.б - цена базового (модернизируемого) оборудования, руб (определяется по данным предприятия), Цоб.б = 200000 руб.;

Цзам.узi- цена i-го заменяемого узла, руб (по данным предприятия), Цзам.узi=15000 руб;

Цн.узi - цена i-го нового узла, руб (рассчитывается аналогично расчету проектной цены нового оборудования);

n, m - число заменяемых и новых узлов соответственно;

Ссб - себестоимость сборки модернизированного оборудования, руб, (при замене узлов требуются затраты на разборку оборудования, которые условно приравнены к затратам на установку новых узлов Ссб):

руб.

Ссб = 10% от;

руб.

Удельные капитальные затраты по новому и базовому вариантам определяются по формулам:

Куд.об.н = Коб.н / Nгод ; Куд.об.б = Коб.б / Nгод ,

Nгод - годовой выпуск продукции, штук.

Таблица 4.5. Результаты расчета себестоимости модернизированного узла.

Статьи затрат

Единица измерения

руб

% к общей сумме

Материалы

1245

11.8

Покупные детали

4892

46.36

Основная зарплата производственных рабочих

720

6.82

Дополнительная зарплата

216

2.04

Отчисления ЕСН

243

2.3

Косвенные расходы

1296

12.28

Предпроизводственные расходы

1510

14.3

Внепроизводственные расходы

430

4.07

Итого

10550

100

руб.

Оптовая цена базового оборудования = 200000 руб.

Итак, проектная цена модернизированного оборудования:

тыс. руб.

Капитальные затраты на модернизированное оборудование:

руб.,

Капитальные затраты на базовое оборудование:

руб.

Удельные капитальные затраты по модернизированной и базовой установкам:

руб./шт.

руб./шт.

4.1.5 Определение текущих затрат

Состав текущих затрат на эксплуатацию оборудования.

Текущие затраты рассчитываются на год по базовому и новому (проектируемому) оборудования по формуле:

Стек = Э + М + Lо + Lд + Lесн + Рнал + Ррем + Рам + Рк,

где:

Э - затраты на электроэнергию, руб;

М - затраты на материалы, используемые при эксплуатации оборудования (вода Вв, циклогексан С6 Н12 , аргон и др.), руб.;

Lо, Lд - основная и дополнительная заработная плата основных производственных рабочих, руб.

Lесн - отчисление единого социального налога с заработной платы основных производственных рабочих, руб.;

Рнал - затраты на наладку оборудования, руб.;

Ррем - затраты на ремонт оборудования, руб.;

Рам - амортизация оборудования, руб.;

Рк - косвенные расходы, руб.

Расчет статей текущих затрат.

Затраты (в руб.) на электроэнергию : , где NУСТ - установленная мощность, кВт; - коэффициент, учитывающий расход электроэнергии : определяется произведением коэффициентов, которые учитывают загрузку электродвигателя по времени , мощности , потери электроэнергии в сети , полезное действие электродвигателя ; ; ЦЭЛ - цена 1 кВтч, руб./кВтч; FД - действительный фонд времени работы оборудования, ч.

Базовый вариант :

Установка: ,

Электродвигатель: (т.к. время работы испарителя составляет 2 5% от времени рабочего цикла).

Итого : .

Проектируемый вариант :

Установка:

Электродвигатель: (т.к. время работы источника составляет 15 % от времени рабочего цикла).

Итого : .

Затраты на материалы

Затраты на материал i-ой марки, используемый при эксплуатации оборудования, определяются по формулам:

, либо ,

Vмi - расход i-ой марки материала: м3/ч, л/ч, кг/ч, кг/шт. и т.д.;

Цмi - цена i-ой марки материала, руб./м3, руб./л, руб./кг и т.д.;

Qоб - годовая (расчетная) производительность оборудования, шт./год.

Затраты на воду:

,

где VВ - расход воды, л/ч; ЦВ - цена 1 л. холодной воды, руб./л.

Базовый вариант :

Охлаждение источников :

;

Проектируемый вариант:

Охлаждение источников такое же.

Затраты (в руб.) на аргон:

,

где VАР - расход аргона, л/ч; ЦАР - цена 1 м3 аргона, руб./м3.

Базовый вариант : ,

Проектируемый вариант : затраты на аргон такие же

Затраты на вакуумное масло:

Вакуумное масло (замена 3 литров каждые 3000 часов работы у старой и модернизированной установки, цена 1 л - 500 р.);

руб. (как новая установка, так и модернизированная)

Суммарные затраты на материалы:

Базовый вариант:

руб.

Модернизированный вариант:

руб.

Расчёт основной и дополнительной заработной платы операторов

Заработная плата операторов основная и дополнительная:

R - численность рабочих, обслуживающих оборудование в одну смену, чел (R=1);

Lср.ч - часовая тарифная ставка среднего разряда или средняя часовая заработная плата операторов, руб./ч;

n - число единиц оборудования, обслуживаемых одним рабочим (n = 1);

бд - процент дополнительной заработной платы, бд = 25% от Lо.

Итак, для базового и модернизированного оборудования Lср.ч. = 70 руб./ч:

руб.;

руб.

Отчисление единого социального налога определяется по формуле:

Lесн = бесн(Lо + Lд) /100 , бесн = 26%.

руб.

Затраты на наладку оборудования (в руб.) : , где L Ч.НАЛ - часовая тарифная ставка наладчика, руб./ч; - коэффициенты, учитывающие дополнительную заработную плату и отчисления на социальное страхование, ; ТНАЛ - время наладки оборудования за год, ч; , здесь tНАЛ - время одной наладки, ч; е - количество наладок в год.

Базовый вариант :

,

.

Проектируемый вариант :

,

.

Расчёт затрат на ремонт и межремонтное обслуживание

Затраты на ремонт и межремонтное обслуживание:

,

брем - процент годовых отчислений на ремонт оборудования, брем =12%;

Коб - капитальные затраты на оборудование, руб.

руб.

руб.

Расчёт амортизации оборудования

Амортизация оборудования: ,

бам - процент годовых амортизационных отчислений на реновацию и капитальный ремонт оборудования, бам = (18-22)%, принимаем бам = 20%.

руб.

руб.

Расчёт косвенных расходов

Косвенные расходы:

,

гк - процент косвенных (общепроизводственных и общехозяйственных) расходов, гк = (150-180)%, принимаем гк = 150%

Для базового и модернизированного варианта:

руб.

Результаты расчетов текущих затрат по базовому и новому (проектируемому) оборудованию сводятся в табл.5.

Таблица 4.6 Годовые текущие затраты на эксплуатацию оборудования нового (базового) и модернизированного тыс.руб.

№

п.п

Статьи затрат

Базовое оборудование

Новое оборудование

на единицу оборудования

Стек.б

на годовую

программу

Стек.б . b

на годовую программу

Стек.мод

наименование

обозначение

1.

Затраты на электроэнергию

Э

4338

5292

4460

2.

Затраты на материалы

М

4272

5212

4272

3.

Основная зарплата операторов

LO

123480

150645

123480

4.

Дополнительная зарплата операторов

LД

30870

37661

30870

5.

Отчисления ЕСН

LЕСН

40131

48960

40131

6.

Затраты на наладку

Pнал

1620

1976

1344

7.

Затраты на ремонт

РРЕМ

36000

43920

39159

8.

Амортизация

РАМ

60000

73200

65265

9.

Косвенные расходы

РК

185220

225968

185220

Итого:

485931

592834

489929

Определение удельных капитальных затрат

Удельные текущие затраты по базовому Стек.уд.Б и модернизированному Стек.уд.мод вариантам определяются по формулам:

;

руб./шт.

руб./шт. (Nгод=Qгодн.2)

4.1.6 Экономически целесообразная область применения нового оборудования. Экономическая эффективность инвестиционного проекта

Экономически целесообразная область применения модернизированного оборудования будем определять расчётным методом.

Расчётный метод предусматривает определение годового объема производства продукции в штуках - критической программы Nкр, при которой затраты по обоим вариантам одинаковы:

,

где:

Енм - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, Енм = 0,2.

шт.

Экономически целесообразная область применения модернизированного оборудования находится при Nгод Nкр .

Определение ожидаемого экономического эффекта, который будет получен потребителем от внедрения нового (модернизированного) оборудования, обеспечивающего более высокую производительность, повышение качества выпускаемой продукции (или выполняемой работы), снижение брака осуществляют при укрупненных (предварительных) расчетах и на ранних стадиях проектирования путем расчета годового экономического эффекта в рублях по формуле:

,

где:

Зуд.об.н - удельные приведенные затраты на оборудование по проектному варианту, руб.

руб.

Срок окупаемости капитальных вложений на реализацию проекта составит:

38 месяца

Экономические показатели по базовому и проектному вариантам оборудования приводятся в таблице 6:

Таблица 4.7 Экономические показатели базового и проектного вариантов оборудования при годовой программе выпуска продукции Nгод =2939 штук

Показатели

Обозначение

Значения показателей по вариантам

базовому

проектному

Годовая производительность оборудования, шт./год

Q

2903

3628

Выпуск годной продукции, шт./год

Qгодн

2409

2939

Капитальные затраты, тыс. руб.

Коб

300000

326325

Удельные капитальные затраты, руб./шт.

Куд.об

124.5

111.03

Годовые текущие затраты, тыс. руб.

Стек.об

485931

489929

Удельные текущие затраты, руб./шт.

Стек.уд

202

167

Годовые приведенные затраты, тыс. руб.

Зоб

666859

555471

Удельные приведенные затраты, руб./шт.

Зуд.об

226

189

Годовой экономический эффект,

тыс. руб.

Эг

-

37602

Срок окупаемости капитальных вложений, лет

Ток

-

3.17

4.2 Оценка эффективности инвестиционного проекта

Одной из важнейших задач предприятия являются инвестиции в основные средства, поскольку долгосрочное существование предприятия невозможно без создания и совершенствования его производственного потенциала.

Важность инвестиционной политики определяется рядом факторов :

А). Принятие инвестиционных решений требует, как правило, значительных средств, и они иммобилизуются на длительный отрезок времени.

Б). Создание или модернизация основных фондов напрямую связано с будущей реализацией продукции. Поэтому принятие решения требует прогнозных расчетов реализации на несколько лет. Ошибочный прогноз может иметь серьезные последствия : ухудшение финансового положения фирмы.

Важнейшей задачей инвестиционной политики предприятия является принятие решения о том, какой из возможных проектов должен быть реализован. Для решения данной задачи существует несколько критериев оценки.

Критерии оценки капиталовложений

В настоящее время для оценки проектов и принятия решений об их включении в бюджет чаще всего используются пять критериев.

1. Срок окупаемости (РР) - Payback Period.

2. Учетная доходность (ARR) - Accounting Rate of Return.

3. Чистая дисконтированная стоимость (NPV) (эффект) - Net Present Value.

4. Внутренняя доходность (IRR) - Internal Rate of Return.

5. Индекс рентабельности (PI) - Profitability Index.

4.2.1 Оценка инвестиционного проекта по сроку окупаемости (PP - Payback Period)

Срок окупаемости определяет количество лет, в течение которых недисконтируемые прогнозируемые денежные поступления превысят недисконтированную сумму инвестиций. Для проектов используют действительный PPд и средний PPср сроки окупаемости проектов.

Кумулятивный денежный поток в t-том году, ДПtк определяется по формуле:

ДПtк = ДП0 + ДПt = ДПk(t-1) + ДПt, где

ДП0 - инвестиции (капиталовложения) в “0”-м году (со знаком минус), руб

ДПt - денежный поток в t-м году, руб

T - количество лет, в течение которых осуществляется поступление денежных средств от реализации проекта, лет

ДП(t-1) - кумулятивный денежный поток в (t-1) году, руб.

Срок окупаемости инвестиций определяется количеством лет (моментом времени), когда денежный поток полностью компенсирует первоначальные капитальные вложения.

Действительный срок окупаемости PPд инвестиций определяется по формулам:

PРд = Tt + ДПtk / ДП(t+1), где

Tt - количество полных лет, необходимых для компенсации инвестиций (ДП0) за счет ежегодных денежных поступлений (ДПt);

ДПtk - отрицательная величина кумулятивного денежного потока в t-ом году, то есть величина некомпенсированных инвестиций в t-ом году, руб;

ДП(t+1) - величина денежного потока в году полной компенсации первоначальных инвестиций.

Если в t-ом году инвестиции компенсируются полностью, и кумулятивный денежный поток в t-ом году равен нулю, то есть ДПtк=0, то PРд = Tt.

Средний срок окупаемости PPср инвестиций определяется по среднему денежному потоку ДПср по формуле:

PРср = ДП0 / ДПср.

Исходные данные для расчета

На кафедре в течение 10 лет использовалась базовая установка изначальной стоимостью 300000. Ожидаемый срок амортизации 15 лет. Рассматривается проблема приобретения новой установки за 326325 руб., которая прослужит на кафедре 5 лет. Новая установка за 5 лет эксплуатации снизит затраты на производство продукции (трудовые и материальные) с 592834 руб. в год (базовый вариант) до 489929 руб. в год (новый вариант). Это приведет к увеличению валовой прибыли предприятия на . в год.

Внедрение новой установки вызовет прирост чистого оборотного капитала на 50000 руб. По истечении 5 лет модернизированную установку планируется продать за 150000 руб. Реальная рыночная стоимость старой установки на момент её замены - 100000.

Расчет величины инвестиций

а) Цена модернизированной установки (-326325) руб.

б) Рыночная цена заменяемого оборудования (+100000) руб.

в) Увеличение чистого оборотного капитала (-50000) руб.

Всего инвестиций, Ко (-276325) руб.

Ставка налога на прибыль Нн = 18%, дисконтная ставка 10%.

Таблица 4.8. Приток денежных средств в ходе реализации проекта.

Показатели

0

1

2

3

4

5

Экономия на эксплуатационных расходах с учетом налога

-

84382

84382

84382

84382

84382

Амортизация новой установки (ускоренная)

-

107687

146846

48948

22842

0

Амортизация старых установок (равномерная)

-

20000

20000

20000

20000

20000

Изменение амортизационных отчислений

-

87687

126846

28948

2842

-20000

Экономия на налоге за счет увеличения суммы амортизации

-

15783

22832

5210

511

-3600

Чистый денежный приток

-

100165

107214

89592

84893

80782

- Увеличение амортизации увеличит себестоимость продукции и, при прочих равных условиях, снизит величину получаемой предприятием прибыли, а следовательно, и уменьшит сумму уплачиваемого налога на прибыль.

Амортизация прибора проходит следующим образом--в % от цены нового оборудования:

1 год--33%, 2 год--45%, 3 год--15%, 4 год--7% и к 5 году амортизация закончена, т.е. в 5 году --0.

Таблица 4.9. Денежный поток по завершению проекта.

Показатели

0

1

2

3

4

5

Прогнозная ликвидационная стоимость модернизированной установки в конце её использования

150000

Налог на доход от ликвидации прибора

-27000

Возмещение вложений в оборотный капитал по окончанию проекта

50000

Итого денежный поток

173000

Общий денежный поток по проекту

-276325

100165

107214

89592

84893

253782

Таблица 4.10. Расчет кумулятивных денежных потоков.

Денежный поток

Год, t

Исходный ДПt

Кумулятивный ДПtk

(расчёт)

Кумулятивный ДПtk

(итого)

0

-276325

-276325

-276325

1

100165

-276325+100165

-176160

2

107214

-176160+107214

-68946

3

89592

-68946+89592

20646

4

84893

20646+84893

105539

5

253782

105539+253782

359321

Таким образом, действительный срок окупаемости составит

РРд = 2+68946/89592 = 2.76 года.

Средний срок окупаемости составит

РРср =, ДПср = ;

ДПср = (100165+107214+89592+84893+253782)/5 = 127129 руб.

РРср = 276325/127129 = 2.17 года.

Дисконтированный срок окупаемости.

Таблица 10. Расчет кумулятивных денежных потоков.

Год, t

Коэффициент дисконтирования,

Денежный поток

Исходный ДПt

Кумулятивный ДПtk

0

1,000

-276325

-276325

1

0,909

91049

-185276

2

0,826

88558

-96718

3

0,751

67283

-29435

4

0,683

57981

28546

5

0,621

157598

186144

Дисконтированный срок окупаемости проекта:

ДПср = (91049+88558+67283+57981+157598)/5 = 92493 руб.

РР = 3+29435/57981= 3.5 года = 42 месяца

Недостатки критерия срока окупаемости:

1. РР не предполагает учета структуры капитала (собственный, заемный), он определяет срок возмещения всего капитала за счет денежных поступлений.

2. РР не учитывает влияние денежного потока за пределами срока окупаемости.

Преимущества критерия срока окупаемости:

1. РР показывает, как долго финансовые ресурсы будут “заморожены” в проекте, то есть характеризуют уровень ликвидности проекта.

2. Критерий срока окупаемости дает оценку рисковости проекта, поскольку более “дальние” сроки окупаемости рассматриваются как более рисковые по сравнению с более ближними.

4.2.2. Оценка инвестиционного проекта по критерию учетной доходности APR (Accounting Rate of Return)

Метод APR также игнорирует временную стоимость денег. Он основывается на показателе чистой прибыли, а не денежного потока.

APR = (Псрг) / Кср,

Пср - среднегодовая ожидаемая чистая прибыль,

Кср - среднегодовой объем инвестиций.

Среднегодовая ожидаемая чистая прибыль Пср определяется вычитанием из среднегодовых денежных поступлений от реализации проекта, FVсрг величины годовых амортизационных отчислений Ам.

Среднегодовые денежные поступления FVсрг определяются по формуле

FVсрг = , где

Т - число лет денежных поступлений.

FVсрг = (91049+88558+67283+57981+157598)/5 = 92493 руб.

Ам = 276325/5 = 55265 руб.

Пср = 92493 -55265 = 37228 руб.

Среднегодовой объем инвестиций

Кср = (Кнач + Кост)/2, где

Кнач - начальные инвестиции,

Кост - остаточные инвестиции, Кост =0.

Кср = 276325/2 = 138162 руб.

APR = 37228 /138162 = 0.27 или 27%.

Амортизация не включается в движение денежной наличности, так как она не является для предприятия расходом денежных средств. Затраты капитала на амортизируемые активы будут учитываться как расход денежной наличности в начале проекта капиталовложений и начисления амортизации - это метод бухгалтерского учета по распределению вложений в активы по соответствующим периодам. Любое включение Ам в оценку потоков наличности приведет к повторному счету.

Таким образом, критерий APR игнорирует временную стоимость денег и не дает информации о вкладе проекта в наращивание рыночной стоимости фирмы. Поэтому и PP и APR могут привести к некорректным решениям в области инвестиционной политики. Однако, в силу своей простоты и доступности расчета эти критерии широко используются на практике.

4.2.3 Оценка инвестиционного проекта по критерию чистой дисконтированной (приведенной) стоимости (эффекту), (NPV - Net Present Value)

Поиск методов, учитывающих наращивание рыночной стоимости фирмы, привел к созданию критерия чистой приведенной стоимости (Net Present Value), основанного на дисконтированном денежном потоке.

Алгоритм расчета:

1. Расчитывается приведенная суммарная стоимость денежного потока по сроку их получения. Дисконтирование осуществляется по цене капитала.

2. Из полученной приведенной суммарной стоимости вычитаются первоначальные капитальные вложения. В итоге получаем чистую приведенную стоимость(эффект) NPV.

3. Если NPV 0 - проект принимается, если NPV 0 - отвергается. Если проекты альтернативные, то должен быть принят проект с большей величиной NPV.

Логика критерия NPV:

NPV = 0 означает, что притока денежных средств достаточно для:

а) возмещения вложенного в проект капитала;

б) обеспечения требуемой отдачи от этого капитала (по цене капитала).

Если NPV 0, то денежный поток генерирует прибыль, и после расчета с кредиторами по фиксированной ставке (Е) оставшаяся прибыль накапливается, увеличивая цену акций фирмы и благосостояние акционеров фирмы.

NVP = -Ко, где

FVt - ожидаемый приток денежных средств за период t;

Е - ставка дисконта;

Ко - первоначальные инвестиции.

NVP = -276325+91049+88558+ 67283+ 57981+157598= 186144 руб.

NVP0, денежный поток генерирует прибыль, следовательно, проект должен быть принят.

4.2.4 Оценка инвестиционного проекта по критерию внутренней доходности (IRR - Internal Rate of Return)

IRR определяется как дисконтная ставка, которая уравнивает приведенные стоимости денежных поступлений и сделанных инвестиций.

Если PV (приток денег) = PV (инвестиции), тогда установленна Еуст=IRR,

FVt / (1+E)t = K0, или NPV = FVt / (1+E)t - K0 = 0.

IRR иногда называют дисконтированной нормой прибыли, так как IRR - это ставка процента (Е), которая используется для дисконтирования денежных потоков для того, чтобы приравнять приведенную стоимость денежных потоков поступлений с денежным расходом. IRR можно трактовать и как максимальный размер капитала, который может быть использован для финансирования проекта баз ущерба для владельцев акций, доход которых идет по цене капитала.

IRR может быть определен методом подбора, при помощи анализа ряда коэффициентов дисконтирования. Вычисления проводятся до тех пор, пока NPV не станет равным нулю.

IRR определяется как дисконтная ставка, которая уравнивает приведенные стоимости денежных поступлений и сделанных инвестиций.

4.2.5 Оценка инвестиционого проекта по критерию индекса рентабельности (PI - Profitability Index)

PI - это доход на единицу затрат.

PI= , где

PVд - денежный поток (доходы);

PVз - денежный поток (затраты).

Проект можно принимать, если его PI 1 и чем он выше, тем проект более привлекателен.

PI = 462469 / 276325= 1.6, следовательно проект можно принимать.

Выводы

1. Выпуск годной продукции при модернизации базового варианта установки на предлагаемый вырастет с 2409 шт./год до 2939 шт./год, что означает рост производительности в 1.22 раза.

2. Удельные капитальные затраты снизились с 124.5 руб./шт. до 111 руб./шт.

3. Удельные текущие затраты понизились с 202 руб./шт. до 167 руб./шт. соответственно для базового и модернизированного вариантов.

4. Годовой экономический эффект от разработки и внедрения в эксплуатацию модернизированной установки составляет 37602 руб.

5. Срок окупаемости установки составит 3.17 года.

6. NPV - наилучший критерий, может быть применен во всех случаях, однако расчет остальных из вышеперечисленных критериев также дает определенную полезную информацию:

а) Обыкновенный и дисконтированный сроки окупаемости дают информацию о риске и ликвидности проекта, сроке связывания средств;

б) Учетная доходность APR дает предварительную информацию о рентабельности инвестиций;

в) NPV показывает прирост благосостояния акционеров и поэтому является лучшей характеристикой отдачи на вложенный капитал;

г) IRR также оценивает доходность инвестиций, кроме того, он содержит информацию о резерве безопасности проекта, которая несвойственна NPV;

д) PI также измеряет “резерв предела безопасности”, поскольку разница (PIф - 1) дает условно величину этого резерва.

Таким образом, все использованные критерии оценки данного инвестиционного проекта показали его экономическую эффективность и целесообразность, следовательно, проект должен быть принят.

5. Экология и промышленная безопасность

5.1 Описание многопозиционной установки ВУП

Многопозиционная установка для нанесения многослойных тонкоплёночных покрытий относится к установкам периодического действия. Отличительной особенностью установки является возможность формирования многослойных и многокомпонентных покрытий в одной камере за один технологический цикл без замены катодов. На рисунках представлены конструкция камеры и ее внешний вид.

Рис. 5.1 - рабочая камера; 2 - рама; 3 - диффузионный насос; 4 - механический насос; 5 - азотная ловушка; 6 - затвор 23В9 250; 7 - клапан КВУМ-40; 8 - клапан КВУМ-25; 9 - натекатель; 10 - АИИ; 11 - магнетрон; 12 - ИД; 13 - шкаф управления; 14, 15 - баллоны с рабочими газами

Рис. 5.2. Внешний вид установки ВУП.

5.2 Анализ опасных и вредных факторов

Многопозиционная установка нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме (рис.1,2) представляет собой сложный агрегат, эксплуатация которого связана с рядом вредных и опасных производственных факторов, воздействие которых на человека и окружающую среду в определенных условиях может привести к тяжелым последствиям. Технологические процессы формирования тонкопленочных покрытий (магнетронное распыление, ионно-лучевое осаждение и дуговое испарение), проводимые на установке, являются экологически чистыми и практически безотходными. Вредные выбросы в окружающую среду отсутствуют.

Тормозное рентгеновское излучение в технологической камере установки носит случайный характер и его интенсивность минимальна. Герметичная технологическая камера из стали толщиной 5 мм полностью обеспечивает безопасность оператора и экологичность технологических процессов.

К вредным производственным факторам относятся: ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение разрядов. Интенсивность излучения разрядов в оптическом диапазоне и его спектр зависят от мощности разрядов, материала катодов технологических источников, давления в вакуумной камере. При отсутствии защиты возможны поражения органов зрения (электроофтальмия, катаракта и т.п.).

Опасными факторами в установке являются:

электропитание установки;

баллоны высокого давления с рабочими газами,в т.ч. с циклогексаном (C6H12);

вращающиеся части механического насоса (шум, вибрация);

источники излучения;

нагреваемые части установки.

5.2.1 Электропитание установки

Питание установки осуществляется от 3-х фазной сети переменного тока с изолированной землей напряжением 380 В, 50 Гц. Исходя из требований охраны труда, такое питание установки требует применения защитного заземления.

Проектируемая установка должна отвечать требованиям ГОСТ 12.1.019-79 по электробезопасности. Этот стандарт определяет, что электробезопасность должна обеспечиваться:

- конструкцией электроустановки

- техническими способами и средствами защиты

Предельно допустимые значения по току при прикосновении приводятся в ГОСТ 12.1.038-82 - конструкция установки должна обеспечивать соблюдение этих норм.

5.2.2 Баллоны с рабочим газом

Для хранения и подачи рабочих газов в технологическую камеру на установке используется газовая система, содержащая баллоны с рабочими газами (Ar, N2, C6H12) с давлением до 15МПа по ГОСТ 949-73. Нарушение герметичности этой системы представляет серьезную опасность. Циклогексан представляет собой вещество 4 класса опасности с резким запахом. Предельно допустимая концентрация паров циклогексана в воздухе рабочей зоны составляет 80мг/м3. Циклогексан может образовывать в воздухе взрывоопасные смеси, повышенное содержание паров циклогексана может вызывать острые отравления у персонала.

5.2.3 Вращающиеся части механического насоса

В данной установке используется механический ротационный насос НВР-16Д массой 70 кг. Движущиеся части этого устройства создают шум (порядка 90 дБ) и вибрации.

Согласно ГОСТ 12.1.003-76 уровень шума при работе за установкой должен удовлетворять следующим нормам:

Вид трудовой деятельности, рабочие места

Уровни звукового давления, дБ, в составных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

Уровни звука и эквивалентные уровни звука, ДБА

Высококвалифицированная работа, требующая сосредоточенности, административно-управленческая деятельность, измерительные и аналитические работы в лаборатории: рабочие места в помещениях цехового управленческого аппарата, в рабочих комнатах конторских помещений, лабораториях

31.5

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

93

79

70

63

58

55

52

50

49

60

При разработке технологических процессов, проектировании, изготовлении и эксплуатации машин, производственных зданий и сооружений, а также при организации рабочего места следует принимать все необходимые меры по снижению шума, воздействующего на человека на рабочих местах, до значений, не превышающих допустимые:

-разработкой шумобезопасной техники;

-применением средств и методов коллективной защиты по ГОСТ 12.1.029.

Проектируемое оборудование по уровню воспроизводимой вибрации относится к категории 3 тип «а» по ГОСТ 12.1.012-90.

Таблица. Нормы вибрационной нагрузки при смене в 8 рабочих часов:

Вид вибрации

Категория

Направление

Виброускорение

Виброскорость

Общая

3 тип «а»

X, Y, Z

0.1 м/с2

100 Дб

0.2 м/с (х10-2)

92 Дб

Для насоса НВР-5Д: Виброскорость - 70 Дб

Виброускорение - 50 Дб

5.2.4 Источники излучения

В качестве технологических источников на данной установке используются автономный источник ионов с холодным катодом, дуговой испаритель и магнетронная распылительная система. Индукция электромагнитного поля в межкатодном пространстве автономного источника ионов составляет ~0,1Тл. Нейтрализация этого поля обеспечивается цельным стальным корпусом толщиной более 1мм. При работе источника ионов в его межкатодном пространстве создается напряжение до 1000В, ток разряда - до 2А. Для обеспечения электробезопасности в конструкции источника ионов предусмотрен высоковольтный изолятор.

При работе дугового источника между катодом и анодом создается напряжение до 20...40В (рабочий ход), ток разряда при этом составляет до 100...200 А. Интенсивность ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения дугового разряда в технологической камере установки можно свести к минимуму, если соблюдать меры безопасности, т.е. при работе необходимо применять светофильтры (С-6, С-7, С-8), защищающие глаза оператора в момент генерации излучения.

При работе магнетронной распылительной системы между катодом и подложкодержателем создается напряжение до 400В, ток разряда при этом составляет до 1А. При работе этого технологического источника также необходимо применять светофильтры (С-6, С-7, С-8), защищающие глаза оператора в момент генерации излучения.

5.2.5 Нагреваемые части истановки

Некоторые узлы установки (автономный источник ионов, дуговой испаритель, магнетрон и пароструйный диффузионный насос) нагреваются и поэтому нуждаются в постоянном охлаждении во время работы.

5.3 Основные средства и требования по обеспечению безопасности при эксплуатации установки

Для предотвращения отравления выхлопными газами механических насосов выхлоп должен быть выведен за пределы помещений, в которых расположена установка. Наиболее целесообразным является применение централизованной форвакуумной магистрали. Естественное и искусственное освещение помещений должно соответствовать СНиП II-4-19. Для размещения установки фундамента не требуется. Установка может быть размещена на любом этаже, выдерживающем нагрузки от массы установки (ГОСТ 17770-79). Температура, относительная влажность и скорость движения воздуха в рабочей зоне должны соответствовать ГОСТ 12.1.005-88:

Таблица 5.1.

Сезон

Холодный

Теплый

Температура в помещении

20-23 оC

20-23 оC

Относительная влажность воздуха

40-60 %

40-60 %

К работе на установке допускаются лица, изучившие техническое описание установки, инструкцию по эксплуатации, инструкцию по технике безопасности при работе на данном оборудовании и прошедшие местный инструктаж по безопасности труда. Манометры для измерения давления в баллонах должны иметь класс точности не ниже 2,5. Для обеспечения точности и достоверности измерений манометры должны подвергаться поверке не реже одного раза в 12 месяцев с последующим пломбированием или клеймением. Кроме того, не реже одного раза в шесть месяцев должна проводиться проверка рабочих манометров контрольным манометром с записью результатов в журнале проверок. Манометры должны иметь такую шкалу, чтобы при допустимом давлении стрелка находилась во второй трети шкалы. На циферблате манометра красным цветом должна быть нанесена отметка, соответствующая максимально допускаемому давлению.

5.3.1 Средства обеспечения электробезопасности при эксплуатации установки.

Питание установки осуществляется от 3-х фазной сети переменного тока с изолированной землей напряжением 380 В, 50 Гц. Исходя из требований охраны труда, такое питание установки требует применения защитного заземления.

Основными мерами защиты от поражения электрическим током являются:

- осуществление недоступности для случайного прикосновения токоведущих частей, находящихся под напряжением;

- применение возможно малых напряжений в цепях установки;

- выравнивание потенциала на нетоковедущих частях установки защитным заземлением;

- защитное отключение элементов установки.

В качестве защиты от поражения током целесообразно использовать защитное заземление по ГОСТ 12.1.030-81. Для искусственных заземлителей применяют вертикальные и горизонтальные электроды. В качестве вертикальных электродов используют стальные трубы диаметром 3 - 5 см и стальные уголки размером от 40х40 до 60х60 мм длиной 2,5 - 3 м. Применяют также стальные прутки диаметром 10 - 12 мм и длиной до 10 м. Для связи вертикальных электродов используют полосовую сталь сечением не менее 4х12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

Так как установка расположена выше уровня земли, то технологически будет удобно использовать вертикальный заземлитель. Для большей надёжности заземление желательно продублировать.

В качестве заземляющих проводников, предназначенных для соединения заземляемых частей с заземлителями, применяют полосовую или круглую сталь. Прокладку заземляющих проводников производят открыто по конструкциям зданий, в том числе по стенам на специальных опорах. Предельно допустимые значения по току при прикосновении приводятся в ГОСТ 12.1.038-82 - мы должны спроектировать установку, конструкция которой обеспечивает соблюдение этих норм.

5.3.2Требования электробезопасности при работе с установкой

- установка должна быть надежно заземлена.

- запрещается во время работы установки снимать предусмотренные конструкцией предохранительные стенки, открывать дверцы шкафов пульта управления.

- не разрешается оставлять без присмотра установку, находящуюся под напряжением.

- на установке во время ремонта и настройки должны быть вывешены предупреждающие знаки “Высокое напряжение”, “Опасно для жизни”.

- к ремонту и обслуживанию электрических цепей установки допускаются только лица, имеющие соответствующую квалификацию, изучившие техническое описание электрических систем установки и прошедшие местный инструктаж по безопасности труда.

5.3.3 Мероприятия по обеспечению безопасной работы с газовыми баллонами

Для хранения и подачи рабочих газов в технологическую камеру на установке используется газовая система, содержащая баллоны с рабочими газами (Ar, N2, C6H12) с давлением до 15МПа по ГОСТ 949-73. Нарушение герметичности этой системы представляет серьезную опасность. Циклогексан представляет собой вещество 4 класса опасности с резким запахом. Предельно допустимая концентрация паров циклогексана в воздухе рабочей зоны составляет 80мг/м3. Циклогексан может образовывать в воздухе взрывоопасные смеси, повышенное содержание паров циклогексана может вызывать острые отравления у персонала.

Циклогексан представляет собой газ с резким запахом. Повышенное содержание паров циклогексана в воздухе может приводить к следующим последствиям:

Циклогексан может образовывать в воздухе взрывоопасные смеси;

Повышенное содержание паров циклогексана может вызывать острые отравления у работающих.

Исходя из этого при использовании в производственном процессе циклогексана должны быть выполнены следующие требования:

Баллоны с циклогексаном должны быть установлены в закрытых шкафах таким образом, чтобы исключить возможность возгорания от электрической искры;

Шкафы с циклогексаном должны быть обозначены надписью «Огнеопасно», а доступ к ним должен быть закрыт, например замком;

Разводка циклогексана от баллона к установке должна быть выполнена металлическими трубками, исключающими их случайное повреждение и разгерметизацию;

Для уменьшения вероятности отравления на рабочих местах должны применяться средства местной вентиляции, обеспечивающие концентрацию циклогексана в пределах норм;

Выхлопные патрубки средств откачки установок должны быть выведены из помещения с обслуживающим персоналом;

В случае разгерметизации трубопровода подачи циклогексана до устранения неисправности все работы должны быть прекращены, а персонал, за исключением устраняющего неисправность должен быть эвакуирован;

При устранении неисправности в линии подачи циклогексана необходимо использовать средства индивидуальной защиты дыхательных путей.

5.3.4 Требования по обеспечению безопасности эксплуатации системы с баллонами высокого давления

- все элементы газовой системы должны быть надежно и герметично собраны;

- при проверке герметичности соединений разрешается использовать только мыльный раствор;

- запрещается нарушать линии блокировки, автоматического регулирования и отключения установки из-за неполадок в газовой системе;

- не разрешается оставлять без присмотра работающую газовую систему;

- запрещается заменять предусмотренные конструкцией манометры на манометры с другими эксплутационными характеристиками (более низким классом точности, другим пределом измерения и т. п.).

- По ГОСТ12.2.085-82 «Сосуды, работающие под давлением. Клапаны предохранительные»

проводить проверку баллонов и контрольных манометров с последующим пломбированием или клеймением в лабораториях Госстандарта не реже одного раза в 12 месяцев, а рабочих манометров по контрольному манометру не реже одного раза в 6 месяцев с последующей регистрацией результатов проверки в журнале.

- к ремонту и обслуживанию газовой системы установки допускаются только лица, имеющие соответствующую квалификацию, изучившие техническое описание газовых систем установки и прошедшие местный инструктаж по безопасности труда.

При работе непосредственно циклогексаном, должны быть обеспечены следующие требования:

- необходимо наличие местной вытяжной вентиляции в зоне установки баллона с циклогексаном.

- баллон с циклогексаном должен быть установлен в закрытом шкафу таким образом, чтобы исключить возможность возгорания от электрической искры.

- шкаф с циклогексаном должен быть обозначен надписью «Огнеопасно», а доступ к нему должен быть закрыт, например, замком.

- в случае разгерметизации циклогексана до устранения неисправности все работы должны быть прекращены, а персонал, за исключением устраняющего неисправность, должен быть эвакуирован.

- при устранении неисправности необходимо использовать средства индивидуальной защиты дыхательных путей.

5.3.5 Пожаровзрывобезопасность и тепловая безопасность

Установка не должна стать причиной пожара или взрыва, поэтому должна соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.044-89 по пожаровзрывобезопасности. Установка содержит мощный нагревательный элемент (внутри диффузионного насоса), который может разогреваться в процессе работы до высоких температур, если оператор забудет включить охлаждение насоса. Окружающие насос материалы и вещества не должны при этом воспламеняться и (или) взрываться. Конструировать установку необходимо согласно приведённому выше ГОСТу для избежания впоследствии пожароопасной ситуации.

ГОСТ 12.1.044-89 регламентирует принципы выбора конфигурации зоны, в которой возможен излишний нагрев, выбора материалов для предотвращения возгорания их при контакте с нагретыми элементами, а также содержит показатели токсичности (для исключения отравления оператора парами при разогреве тех или иных элементов конструкции).

Теплота разогрева насоса при включённом охлаждении недостаточна для зажигания окружающих материалов (температура кожуха +60° С). При выключенном охлаждении температура кожуха достигает величины +110° С и масло в насосе начинает кипеть, при этом в окружающую среду начинают выделяться пары масла, вредные к вдыханию. При прикосновении оператора к нагревающимся частям, он может получить тепловые травмы. ГОСТ 12.2.007.9-93. регламентирует безопасность электротермического оборудования, к которому и относится диффузионный насос.

По стандарту допустимые температуры поверхностей, находящихся в зоне контакта не должны превышать следующих значений:

Доступные части оборудования

Материалы, из которых изготовлены доступные части

Максимальная температура, ?С

Органы ручного управления

Металлические

55

Неметаллические

65

Доступные для соприкосновения,

Металлические

70

но не для держания в руке

Неметаллические

80

Не предназначенные для

Металлические

80

соприкосновения

Неметаллические

90

Части, доступные для случайного прикосновения в нормальных условиях работы, нагревающиеся выше температур, указанных в таблице, должны быть защищены от случайного контакта.

Как видим, при номинальном режиме работы допустимая температура кожуха (60 - 70°С) не превышает нормы в 80°.

Поэтому, из анализа пожаровзрывобезопасности и термобезопасности, необходимо предусмотреть наличие защиты насоса от случайных прикосновений и сигнализации о выключенном охлаждении насоса (температурный датчик).

5.3.6 Требования пожаробезопасности

Согласно ГОСТ 12.3.005-80 необходимо соблюдать следующие правила:

- участки должны быть оборудованы средствами пожаротушения по ГОСТ12.4.009-83, в соответствии с категорией помещения по пожаробезопасности;

- проемы в стенах производственных помещений должны быть оборудованы приспособлениями и устройствами, исключающими сквозняки, а также возможность распространения пожара.

5.3.7 Требования по обеспечению безопасности при сборочно-сварочных работах

- для удаления пыли и газов, образующихся при сварке в защитных газах, должна устраиваться, как правило, местная вытяжная вентиляция, удаляющяя вредные газы и пыль непосредственно с мест их образования.

- в дополнение к местной вентиляции необходимо предусматривать общеобменную вентиляцию.

- в тех случаях, когда средствами вентиляции нельзя обеспечить снижения концентрации вредных выделений до предельно допустимых норм, рабочие должны применять индивидуальные средства защиты органов дыхания.

- обезжиривание свариваемых кромок, как правило, должно производиться безопасными водными смывками. В отдельных случаях, с разрешения технического и пожарного надзора, допускается применение ацетона, уайт-спирита и этилового спирта при работе на открытых площадках.

- выдача растворителей (ацетона, уайт-спирита и этилового спирта) должна производиться руководителем работ в специальных небьющихся флаконах емкостью не более 200 г. с принудительной подачей растворителя для смачивания тампонов.

- запрещается протирка кромок деталей и участков швов, нагретых до температуры свыше 50 градусов Цельсия.

- горелки для аргонодуговой и газоэлектрической сварки не должны иметь открытых токоведущи частей, а рукоятки должны быть покрыты диэлектрическим и теплоизолирующим материалом и снабжены щитком для защиты рук сварщика от ожогов.

- все газовые и водяные коммуникации должны быть герметичны. Работа с аппаратурой, имеющей хотя бы незначительные утечки газов или воды, категорически запрещается.

- штепсельные соединения проводов для включения в электросеть переносных пультов управления электросварочных автоматов и полуавтоматов должны иметь заземляющие контакты.

- для защиты глаз от лучистой энергии необходимо применять щитки по ГОСТ 1361-79 «Щитки и маски для защиты электросварщика

5.3.8 Эргономические требования

Согласно ГОСТ12.03.025-80 для операторов, участвующих в технологическом процессе должны быть обеспечены удобные рабочие места, не стесняющие их действий во время выполнения работы.

На рабочих местах должны быть стеллажи, столы и другие устройства для размещения оснастки, заготовок и готовых изделий.

Эргономические требования для выполнения работ сидя и стоя обеспечиваются по ГОСТ 12.2.032-78 и ГОСТ 12.2.033-78.

5.3.9 Вибрация

Проектируемое оборудование по уровню воспроизводимой вибрации относится к категории 3 тип «а» по ГОСТ 12.1.012-90.

Характеристика условий труда: технологическая вибрация, воздействующая на операторов стационарных машин и оборудования или передающаяся на рабочие места, не имеющие источников вибрации.

Пример источников вибрации: насосные агрегаты, станки дерево и металлообрабатывающие, оборудование химической промышленности и проч.

В нашем случае источником вибрации служат: насосный агрегат (механический вакуумный насос с приводом от электродвигателя).

Нормы вибрационной нагрузки при смене в 8 рабочих часов:

Вид вибрации

Категория

Направление

Виброускорение

Виброскорость

Общая

3 тип «а»

X, Y, Z

0.1 м/с2

100 Дб

0.2 м/с (х10-2)

92 Дб

При превышении этих норм необходимо ограничивать время работы оператора за установкой согласно таблице ниже:

Превышение, Дб

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Время работы, мин

381

302

240

191

151

120

95

76

60

48

38

30

Для насоса НВР-5Д: Виброскорость - 70 Дб

Виброускорение - 50 Дб.

В данной установке источником вибрации является механический насос НВР-5Д и приводящий его в движение электродвигатель, укреплённые на одной платформе. Для защиты от вибрации в данном случае используем метод виброизоляции - введения в колебательную систему дополнительной упругой связи, препятствующей передаче вибраций от машины- источника колебаний к основанию или смежным элементам конструкции.

5.3.10 Освещение

Освещение рабочего места оператора установки должно соответствовать требованиям СНиП 23-05-95. Работа, осуществляемая при работе за установкой - управление системой клапанов, визуальный контроль процесса по стрелочным приборам, изучение литературы - это относит работу на установке к разряду «зрительная работа очень высокой точности». Нормы освещённости приведены в таблице ниже.

Характерис-тика

Наи-мень-

Разряд зри-

Под-разряд

Конт-раст

Харак-терис-

Искусственное освещение

Естественное освещение

Совмещенное освещение

зрительной

работы

ший или

тель-ной

зри-тель-

объекта с

тика фона

Освещенность, лк

Сочетание нормируемых

КЕО, еН, %

экви-вален-тный раз-мер объек-

рабо-ты

ной рабо-ты

фоном

при системе комбиниро-ванного освещения

при сис-теме обще-го осве-

величин показателя ослеплен-ности и коэффициен-та пульсации

при верх-нем или комби-ниро-

при боко-вом осве-щении

при верх-нем или комби-ниро-

при боко-вом осве-щении

та разли-чения, мм

всего

в том числе от обще-го

щения

Р

Кп, %

ван-ном осве-щении

ван-ном осве-щении

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Очень высокой точности

От 0,15 до 0,30

а

Малый

Темный

4000

3500

400

400

--

--

20

10

10

10

II

б

Малый

Средний

Средний

Темный

3000

2500

300

300

750

600

20

10

10

10

в

Малый

Средний

Большой

Светлый

Средний

Темный

2000

1500

200

200

500

400

20

10

10

10

--

--

4,2

1,5

г

Средний

Большой

«

Светлый

Светлый

Средний

1000

750

200

200

300

200

20

10

10

10

Проектируемое оборудование предполагается использовать в помещениях с общим искусственным освещением, характеристики фона и контрастности соответствуют разряду II и подразряду Г, контраст объекта с фоном средний, фон - светлый, а значит норма освещённости составляет 300 лк.

5.4 Разработка средств защиты от шума

Шумовые характеристики установлены нормами ГОСТ 12.1.003-83. Источником шума в установке является механический форвакуумный насос, имеющий в своей конструкции электродвигатель.

Шум, возникающий при работе механического насоса, находится в пределах 90 дБ в спектре частот 20 - 20000 Гц, то есть находится в области звукового восприятия. Для снижения уровня шума следует воспользоваться применением звукопоглощающих конструкций: кожухов, экранов и т.д.

Считаем, что расчетная точка находится на расстоянии 1 м от установки (рабочее место оператора), причем в помещении только одна установка.

Тогда,

,

где LР - октавный уровень звуковой мощности источника шума, дБ;

- поправочный коэффициент, величина которого зависит от отношения расстояния r (м) между АЦ ИШ и расчетной точкой к максимальному размеру lMAX (м) источника.

АЦ ИШ - акустический центр источника шума, расположенного на полу (стенке), совпадает с проекцией его геометрического центра на горизонтальную плоскость пола (вертикальную плоскость стенки).

Таблица 5.2.

0,5

1

1,5

2

>2

3,8

3,2

2

1,3

1

;

S - площадь полусферы, окружающей источник и проходящей через расчетную точку, м2;

;

ВШ - постоянная помещения, м2;

,

где В1000 - постоянная помещения на среднегеометрической частоте 1000 Гц; ;

м - частотный множитель; для частоты 1000 Гц, м = 1.

Итак, дБ.

Требуется снизить уровень звукового давления на следующую величину:

,

где LДОП - допустимый по нормам уровень звукового давления; дБ. Тогда дБ.

Требуемая эффективность звукопоглощающего кожуха:

дБ.

Звукоизолирующая способность кожуха определяется следующим образом:

,

где RК - звукоизолирующая способность стенки кожуха.

Для кожуха, изготовленного из стального листа с покрытием из виброизолирующей мастики ВД17-58, толщиной 4 мм: RК = 37 дБ; SК - площадь поверхности кожуха, м2. SК = 1,66 м2; SИСТ - площадь воображаемой поверхности, вплотную окружающей источник шума, SИСТ = 0,8875 м2 (габариты кожуха - 0,9х0,4х0,5 м., габариты насоса - 0,75х0,25х0,35 м.).

Тогда, дБ > дБ;

Результаты расчетов показывают, что звукоизолирующей способности кожуха достаточно для обеспечения требуемого уровня звукового давления, установленного по ГОСТ 12.1.003-83.

Список использованной литературы

1. М.И.Самойлович, С.М.Клещева, А.Ф.Белянин, В.Д.Житковский, А.В.Гурьянов, М.Ю.Цветков. Исследование свойств и перспективы применения трехмерных нанокомпозитов на основе упорядоченных упаковок наносфер кремнезема // Материалы Х Междунар. научн.техн. конф «Высокие технологии в промышленности России» .- М.: ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ», 2003 г. - с. 196-235.

2. J.W. Haus et al. Enhanced Optical Properties of Metal-coated Nanoparticles // J.Appl. Phys. 73, 1043 (1993).

3. D.R.Maystre. Photonic crystal diffraction gratings // Opt.Express, 8 (2001) - p. 209-216.

4. Ю.В.Панфилов, Е.В.Булыгина. Формирование наноструктур на поверхности и в объеме опаловых матриц // Материалы конф. «Нанотехнологии - производству - 2005». - Фрязино, 2005 г. - с. 93-95.

5. А.Ф. Белянин «Выращивание плазменными методами плёнок алмаза и родственных материалов…» Диссертация на соискание учёной степени доктора наук. М, 2002 г.

6. «Целевые механизмы вакуумного технологического оборудования. Атлас типовых конструкций» под ред. Ю.В. Панфилова; М, изд. МГТУ им Н.Э. Баумана, 1998.

7. Ю.В. Панфилов «Расчёт режимов процесса нанесения тонких плёнок в вакууме и параметров оборудования»; М, изд. МВТУ им Н.Э. Баумана, 1988.

8. П.Ф. Дунаев, О.П. Леликов «Конструирование узлов и деталей машин», М., Высшая школа, 2000.

9. «Вакуумная техника». Справочник под ред. Фролова Е.С., Минайчева В.Е. М., Машиностроение, 1992.

10. Джонс М.Х. «Электроника - практический курс», 2003 г.

11. Терещук Р.М., Домругов Р.М. и др. Справочник радиолюбителя, 1986 г.

12. Рябов В.Т. Методические указания к курсовому проекту «Методы и средства комплексной разработки механических, электронных и программных компонентов технологического оборудования электронной техники», 2003 г.

13. Нестеренко И.И. «Цветовая и кодовая маркировка радиоэлектронных компонентов», 2003 г.

14. Джонс М.Х. «Электроника - практический курс», 2003 г.

15. Терещук Р.М., Домругов Р.М. и др. Справочник радиолюбителя, 1986 г.

16. Рябов В.Т. Методические указания к курсовому проекту «Методы и средства комплексной разработки механических, электронных и программных компонентов технологического оборудования электронной техники», 2003 г.

17. Рябов В.Т. Конспект лекций «Основы проектирования САУ»

18. Нестеренко И.И. «Цветовая и кодовая маркировка радиоэлектронных компонентов», 2003 г.

19. Справочник технолога-машиностроителя» том 1,2 (Москва, «Машиностроение» 1985);

20. Справочник 'Станочные приспособления' том1, 2, под ред. Б.Н. Вардашкина (Москва, 'Машиностроение' 1984);

21. В.С.Корсаков 'Основы конструирования приспособлений' (Москва, 'Машиностроение' 1983);

ref.by 2006—2025
contextus@mail.ru