1、1目录中文摘要 2英文摘要 31 绪论 41.1 溅射镀膜原理 41.2 反应溅射镀膜原理 42 基于 LabVIEW 的反应溅射控制系统仿真 72.1 LabVIEW 软件的使用 72.1.1 LabVIEW 软件介绍 72.1.2 LabVIEW 软件特点 72.1.3 LabVIEW 的应用领域 82.1.4 在 LabVIEW 中模拟仿真控制 92.2 反应溅射稳定控制系统的建模 92.3 Bang-bang 控制 102.3.1 Bang-bang 控 制的缺点 122.4 PID 控制 122.4.1 PID 参数的整定 142.4.2 PID 控制仿真 152.5Bang-ban
2、g+PID 控制仿真 163 反应溅射控制系统故 障诊断 183.1 故障诊断系统 的建 立 183.1.1 故障诊 障样本 183.1.2 设备故障诊断 的目的 183.2 故障严重 性诊 断系 统整体分析 193.3 反应溅射 故障程度诊断 系统分析 193.3.1 故障诊断系 统理论分析 193.3.2 利用层次分析法确定 各个特征参数的权重系数 233.4 故障程度诊断 系统实 例分析 254 结论 28致谢 29参考文献 302反应溅射稳定控制系统设计摘要: 鉴于在现代工业反应溅射镀膜生产中，出现的因反应气体流量的变化引起的迟滞效应，会影响到工业中镀膜的质量，镀膜形成的种类，镀膜的成
3、本等等问题，运用 LabVIEW 软件对工业上镀膜生产过程中气体流量的变化进行仿真控制。以不达到发生迟滞效应的临界值为前提，将其控制在一个临界值之下一个稳定的范围内，从而保证溅射镀膜发生在一个安全的高效的气体流量范围之中。根据 LabVIEW 仿真模拟，通过气体流量数值的曲线可以观察到如何控制气体流量的输入，还可以观察到气体流量受控制时形成的曲线。此后进一步分析此系统在工业过程中可能出现的故障，考虑故障系统，定量地分析故障的程度，并分析了该方法判断故障程度的原理方法和步骤。关键词: 反应溅射；迟滞效应；稳定性；故障诊断；仿真模拟3Design of reactive sputteringsta
4、blecontrol systemAbstract:In view of the modern industrial production of reactive sputtering,hysteresis occurs due to the change of the reactive gas flow which will affect the quality of the coating,the type of formingfilm, coating costs, etcin the industry.LabVIEW software is usedto simulate the co
5、ntrol process of the gas flow changing during industrial coating production.The gas flow is controlled in a stable range under the critical valuewhen the gas flow does not reach the critical value and the hysteresisdoes not happen.Thus it ensures that the sputtering takes palce in a safe and efficie
6、nt range of the gas flow.According to LabVIEWs simulation,how to control the enter of the gas flow and the curve formed by the control of the gas flow can be observed through curve of the gas flow value.After that,the possible failure of the system in industrial process is analyzed.Then the article
7、considers the failed system,and quantitativly analyzesthe degree of fault.The method is adoptedto determine the degree of fault principle methods and procedures.Key words:reactive sputtering;hysteresis;stability; fault diagnosis;simulation41 绪论1.1 溅射镀膜原理对容器抽真空，充入惰性气体，让惰性气体（通常为 Ar 气）产生辉光放电现象产生带电的离子，带
8、电离子经电场加速后撞击靶材表面，使靶材原子被轰击而飞出来，同时产生二次电子，再撞击气体原子从而形成更多的带电离子，靶材原子携带着足够的动能到达被镀物(基材)的表面进行沉积。 1-3图 1.1 溅射原理图1.2 反应溅射镀膜原理现代表面工程的发展越来越多地需要用到各种化合物薄膜 1，反应磁控溅射技术是沉积化合物薄膜的主要方式之一。沉积多元成分的化合物薄膜，可以使用化合物材料制作的靶材溅射沉积，也可以在溅射纯金属或合金靶材时，通入一定的反应气体，如氧气、氮气，反应沉积化合物薄膜，后者被称这反应溅射。通常纯金属靶和反应气体较容易获得很高的纯度，因而反应溅射被广泛的应用沉积化合物薄膜。近代工业工程的发
9、展愈来愈多需要用到各种化合物薄膜，例如光学工业中使用的 TiO2，SiO 2 和 Ta2O3 等硬质膜 4，工业中使用的 ITO 透明导电膜，5SiO2、Si 3N4 和 Al2O3 等钝化膜、隔离膜、绝缘膜；建筑玻璃上使用的ZnO、 SnO2、TiO 2、SiO 2 等介质膜。另一方面，许多化合物薄膜的推广应用又大大促进了科学技术的发展与产业和产品的更新换代。制备化合物薄膜可以使用各种化学气相沉积或物理气相沉积方法。但目前从工业规模大生产的要求来看，物理气相沉积中的反应磁控溅射沉积技术具有明显优势，因而被广泛应用，这是因为：反应磁控溅射所使用的靶材料（单元素靶或多元素靶）和反应气体（氧、氮、
10、碳氢化合物等）通常很容易获得很高的纯度，因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。反应磁控溅射中调节沉积工艺 5可以制备化学配比的化合物薄膜，从而达到了通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性的目的。反应磁控溅射沉积过程中基板的温度一般不会有很大的升高，而且生成薄膜的过程通常也并不要求对基板进行很高温度的加热，因此对基板材料的限制较少。反应磁控溅射适用于制备大面积均匀薄膜 6实现单机年产上百万平方米镀膜的工业化生产。但是反应磁控溅射在现阶段的工业生产中，反应溅射在生产中又存在很多的问题，例如，靶中毒引起的打火和溅射过程的不稳定，沉积速率较低，膜的缺陷密度较高。其中，溅射过程的不稳定主要因为反应溅射气体流量变化
11、引起的迟滞效应。图 1.2 迟滞回线图在反应磁控溅射的过程中，溅射沉积室中的反应气体流量较低时（A B ） ，6大部分的反应气体被溅射金属所获，此时沉积速率较高，且几乎保持不变，此时沉积膜基本上属金属态，因此这种溅射状态称为金属模式。但是当反应气体的流量的值增加到临界值 B 时，金属靶与反应气体作用，在靶表面生成化合物层。由于化合物的二次电子发射系数一般高于金属，溅射产额降低，此时反应气体的流量稍微增加（BC） ，沉积室的压力就会突然上升，溅射速率会发生大幅度的下降，这种过程称为过渡模式。通常高速率反应溅射过程工作在过渡模式。此后反应气体流量再进一步增加，气体流量与沉积室压力呈线性比例，沉积速
12、率的变化不大，沉积膜呈现为化合物膜，此时的溅射状态称为反应模式。在溅射处于化合物反应模式时，逐渐减小反应气体流量（D E ） ，溅射速率不会由 C 立刻回升到 B，而呈现缓慢回升的状态，直到减小到某个数值 E，才会出现突然上升到金属模式溅射状态时的数值，这是因为反应气体保持高的分压，直到靶材表面的化合物被溅射去除，金属重新曝露出来，反应气体的消耗增加，沉积室压力又降低，这样就形成了闭合的迟滞回线。类似于上述溅射速率与反应气体流量之间的迟滞回线的还有靶电压与反应气体流量之间的迟滞回线，两条迟滞回线的趋势完全相同。 在工程应用中，当反应溅射发生在过渡阶段时，能获得最大的沉积速率，并且制备的薄膜的质
13、量更高，更接近我们所需要的功能。所以操作工程师必须掌握所有使用工艺的迟滞效应区间，才能植被出质量稳定的薄膜材料。因为迟滞效应，所以工业反应溅射过程中，系统扰动会很容易造成反应溅射从过度模式转到化合物模式和金属模式。所以在这种情况下，我们必须对系统加以控制，是气体流量稳定在一个系统允许的范围内，使系统能够平稳的运行。通过 LabVIEW 软件进行对气体流量平稳性进行仿真模拟。72 基于 LabVIEW的反应溅射控制系统仿真2.1 LabVIEW软件的使用2.1.1LabVIEW软件介绍与 C 和 BASIC 一样，LabVIEW 也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVI
14、EW 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据标志显示及数据存储，等等。LabVIEW 也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子 VI）的结果运行、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了 VI 及函数的执行顺序。VI 是 LabVIEW 的程序模块。LabV
15、IEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称 G 代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。2.1.2LabVIEW软件特点LabVIEW 软件尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件；可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器；用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。未来虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的
16、是 IEEE488 或 GPIB 协议。未来的仪器也应当是网络化的。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视8为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有
17、趣。图形化的程序语言，又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强构建科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32 位/64位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW 提供了Windows、UNIX、Linux 、Macintosh 的多种版本。2.1.3LabVIE
18、W的应用领域LABVIEW 有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。测试测量：LABVIEW 最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在 LABVIEW 最广泛的应用领域。经过多年的发展，LABVIEW 在测试测量领域获得了广泛的承认。至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的 LabVIEW 驱动程序，使用 LabVIEW 可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的 LabVIEW工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以
19、组成一个完整的测试测量应用程序。控制：控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW 自然而然地首先拓展至控制领域。LabVIEW 拥有专门用于控制领域的模块-LabVIEWDSC。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的 LabVIEW 驱动程序。使用 LabVIEW 可以非常方便的编制各种控制程序。9仿真：LabVIEW 包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以先在计算机上用 LabVIEW搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用 LabVIEW 进行软件模拟，
20、可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。2.1.4 在 LabVIEW中模拟仿真控制图 2.1 稳定控制假想图气体的流量达到一个临界值（临界值可在实验中测试得到）时则发生迟滞效应，假设这个值为 K（如图 2.1） 。M 值为临界值下的一点，该点的意义在于控制过程中，不能让气体流量的数值达到 K 值，否则气体流量将在一段时间内受到迟滞效应的影响从而不可调控，所以根据经验可以得到一个 M 值，将其设定为调控的上限，从而使得调控得到的气体流量，以获得最大的生产效率。在反应溅射过程中，气体流量不断的扰动过程中，当超过了设定值 M 时，控制系统将控制气体流量阀门对气体流量数值调控，这时气体流量还未
21、达到临界值K，从而实现气体流量未达到临界值 K，不会发生迟滞效应，维持了稳定的气体流量环境。2.2 反应溅射稳定控制系统的建模数学模型的定义：被控过程的数学模型（动态特性） ，是指过程在各输入量（包括控制量与扰动量）的作用下，其相应的输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。10在反应溅射稳定性控制系统中，输出量为反应气体的流量，通过控制反应气体阀门的闭合程度来控制输出量。假设反应溅射稳定控制过程为一阶惯性环节，即 ，T 为时间常1)(sG数。2.3Bang-bang控制Bang-bang 控制实际上是一种 调控时间较短，见效较快的一种控制 7，它的控制函数总是取在容许控制的边界上，或者取最大
22、，或者取最小，仅仅在这两个边界值上进行切换，其作用相当于一个继电器，所以也是一种位式开关控制。这种控制方式在某些方面具有比常规 PID 控制较为优越的性能，尤其是对于给定值的提降及大幅度的扰动作用，效果更显著。在动态质量上不仅体现为过渡时间短这一特点，而且在超调量等其他指标上也具有一定的改善。Bang-bang 控制结合到反应溅射稳定控制中的意义在于，它是一种对时间最优控制的方法，在工业生产中，一旦反应气体流量超过临界值 K，则系统将进入迟滞效应阶段，对生产效率以及靶材料的无用损失造成很大的影响。Bang-bang 控制的优点在于，控制十分的迅速，当我们气体流量数值超过了设定的 M值时，Ban
23、g-bang 控制会马上将气体流量数值调控到稳定的范围内，这对于迟滞效应的特性来说是非常适合的一种控制方式。如图 2.2，为反应溅射流量 Bang-bang 控制器曲线。11图 2.2 bang-bang控制效果图如图 2.2 所示，模拟的正弦曲线通过 Bang-bang 的控制一大部分满足我们的初步要求，为了接近实际生产的物理参数，我们的反应气体流量应该为正值，所以将滤波后的正弦曲线图改为正值。如图 2.3：图 2.3 结合实际 bang-bang控制输出图仿真结果说明，Bang-bang 控制在随动系统控制中能够很好地满足系统快12速性的要求，达到阶跃过程最小化，并且结合其他的控制方法能提
24、高系统自适应能力和控制精度，有很好的推广价值。2.3.1Bang-bang控制的缺点在反应溅射的过程中，在存在反应气体的情况下，高能粒子溅射靶材时，靶材会与反应气体反应形成化合物(如氮化物或氧化物)，这些形成的化合物会沉积在靶材的表面，从而阻碍了高能粒子轰击靶材，使得反应溅射的沉积速率下降，工业生产的效率降低。通过上图我们可以形象的看到，Bang-bang 控制只是将在反应气体流量超过设定危险值 M 时将气体流量数值调控下降，但是在稳定的范围内（ LM）之中，Bang-bang 控制是没有作用的，单独使用了 Bang-bang 控制在稳定的范围内无法对工业生产产生更有益的影响，为了提高在稳定过
25、程中的沉积速率和生产效率，必须在稳定区间之内对气体流量进行控制，使其更精确的保持在一个高效的生产范围内。2.4PID控制在控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制 8。模拟 PID 控制原理框图如下。系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成。图 2.4 PID控制系统框图PID 控制器是一种线性控制器，它是根据给定值 rin（t）与实际输出值yout（t）构成控制偏差：error（t）=rin （t）-yout（t）PID 的控制规律为：13或写成传递函数的形式：式中，kp比例系数；T1积分时间常数；Td微分时间常数在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简
26、称 PID 控制，又称 PID 调节 9。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制 比例控制是
27、一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比例调节依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。比例调节及时、有力、但有余差。它用比例度来表示其作用的强弱，比例度越小，调节作用越强，相反，比例度越大，调节作用就越弱；比例作用太强时，会引起系统响应震荡。积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大
28、。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止，其作用是消除余差。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。它用积分时间 T 来表示其作用的强弱，T 越小，积分作用越强，但积分作用太强时，也会引起震荡。14微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原
29、因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+ 微分 (PD)控制器能改善系 统在调节过程中的动态特性。微分调节依据“偏差变化的速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比
30、例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象( 流量)有很好的效果。它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差也减小(但不能消除 )。它用微分时间 TdL 来表示其作用的强弱， Td 大，作用强，但Td 太大，也会引起振荡。2.4.1 PID参数的整定PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容 11。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整
31、和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃 响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期； (3)在
32、一15定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。经过调试，设定 PID 的参数为 0.3，0.1，0。2.4.2 PID控制仿真通过上述的仿真，bang-bang 控制并不能完全达到要求，所以选择了 PID 的控制方法，同样的，在 LabVIEW 中，我们可以仿真模拟 PID 控制的效果。图 2.5 LabVIEW PID控制程序图下图 2.6 为 PID 控制正弦波的输出波形，可以看出，波形已经控制在一个较为稳定的范围内。图 2.6 PID控制的正弦波输出曲线162.5 Bang-bang+PID控制仿真仅用 PID 控
33、制依旧无法达到很好的控制效果。将 Bang-bang 控制和 PID 控制结合起来 10，让整个控制系统一方面拥有了 Bang-bang 控制所拥有的时间最优的特点优点，对系统的安全可靠作了保障，另一方面，在 Bang-bang 控制无法控制的区间内，PID 控制很好的弥补了 Bang-bang 控制所不足的地方，在整个控制系统的过程中，气体流量能更平稳的输入，达到工业生产中效率的最大化。图 2.7 bang-bang结合 PID控制程序图假设上文我们所设定的临界值 K 为 1 的情况下，我们选取一个最优的控制点，这里假设这个最优控制点为 0.8，那么希望整个曲线稳定在 0.5 左右，通过La
34、bVIEW 软件的模拟，初步实现了这一点。17图 2.8bang-bang结合 PID控制程序前面板图 2.9bang-bang结合 PID控制程序效果图从上一些图我们可以看到，通过 Bang-bang 控制后的峰值有所下降，整体较仅由 Bang-bang 控制的时候要更平缓稳定，即 PID+Bang-bang 控制带来的优点。183 反应溅射控制系统故障诊断在工业反应溅射过程中，一般工作在低压下，一旦出现故障，就可能会对设备造成损害，以及威胁人员的安全。运用故障诊断机制 12及时发现系统中的故障并加以定位，使系统出现故障时仍然能安全可靠地工作且维持一定的性能。3.1 故障诊断系统的建立3.1
35、.1 故障诊障样本通常反应溅射过程中发生的各种故障状况表现在反应气体的消耗损失上面。可作为反映反应溅射设备异常的特征量。在这里以影响反应气体消耗的各个因素作为状态变量，对系统进行实时监测，即可掌握反应溅射的运行状况，发现和跟踪存在的危险。现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面，一是设备设计与制造的各项技术指标的实现，为此设计中要采用可靠性设计方法，要有提高安全性的措施；二是设备安装、运行、管理、维修和诊断措施。现在，诊断技术、修复技术和润滑技术已列为我国设备管理和维修工作的三项基础技术，成为推进设备管理现代化，保证设备安全可靠运行的重要手段。3.1.2设备故障诊断的目的1、能及时地、正确地
36、对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平。 2、保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检查维修制度，以便在允许的条件下，充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。 193、通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合理制 造及生产过程提供数据和信息。反应溅射整个流程系统具有连续性、动态性等复杂特性， 因此信息的表达方式对处理、解决问题有决定性的影响。为了统一表述这些信息， 本文提出了物元的概念统一描述整个流程工业的信息。1) 物元理论 13 以有序
37、的三元组 R = ( N ， c， v )作为描述事物的基本元， 简称为物元。其中，N 表示事物，c 表示特征的名称， v 表示 N 关于 c 所取的量值， 这三者称为物元的三要素。物元概念中，v = c( N )反映了事物的质和量的关系， 特征元 M( c， v) ， 它由特征的名称 c 和相应的量值 v 组成，描述了人们常说的特征。一个事物具有众多的特征元， 用 n 维物元:R= 描述。nvcvcN.21动态物元 R ( t ) = ( N ( t ) ， c， v ( t ) ) = ( N ( t ) ， c， c( N( t ) ) ) 则描述了事物随时间的变化。3.2故障严重性诊断
38、系统整体分析设系统发生故障的事物为 N ，系统故障整体分析的步骤如下。第 1 步 确定事物 N 的故障特征元集 ：设 N 产生的故障集为 A= A1， A 2， ， An ， 若 N 产生的故障为 Ai， 则记为 Ai( N ) ( i = 1， 2， n ) 。若 Ai ( N )发生，则具有特征元集：M = Mij，i= 1， 2， ， n; j = 1， 2， kj式中，M ij= ( cij Vij) ( i= 1， 2， n; j = 1， 2， kj )为 Ai ( N )发生时关于 cij 的经典域。记 Vij= ( aij， bij ) 为 Ai ( N ) 发生时关于 cij
39、 的节域。第 2 步 建立描述事物 N 的可能产生故障的物元级 Rij：20Rij= ， ( i= 1， 2， n)ikjijiii vcvcNI)(21第 3 步 建立描述事物 N 的现状的物元 R：R = ， ( i= 1， 2， n)ikjijiivcvcN.21第 4 步计算关联函数值：Ki(vi)= )()(,ijijiVv式中， 。.2/)(2/ijijijijijij aba第 5 步 确定权系数 确定各衡量条件的重要程度( 权系数) : ai1， ai2， aikj。第 6 步 计算各种故障的程度：。jkji niaNI1),.2(,)(第 7 步 确定产生何种故障：)()(m
40、ax01NAini 则判断产生警报 A0。3.3 反应溅射故障程度诊断系统分析一般来说, 产生故障主要是由系统内部故障或不合理操作引起的。针对反21应溅射系统发生的故障状况, 本文采用以反应气体的流量 Q，靶材料的温度 T，反应气体的分压 P1，真空室的总压力 P2 四项实时监测参数分析为基础的方法测试和综合分析故障的严重级别 14。由于反应溅射过程中出现的主要故障即为反应气体流量的变动，该项参数可以导致其余三项参数的变动，测试其余三项参数是为了更好的了解反应气体流量的消耗与反应。所以，故障即可设为反应气体的输入流量过大。3.3.1故障诊断系统理论分析在正常情况下，反应气体由通道导入真空室，与
41、靶材材料进行反应，被靶材物理吸附或者化学吸附。残留气体由真空室外接的真空泵通过管道抽走。如果反应气体的成分流量大小适中，则获得的膜层结构缜密，质量高。当气体流量的数值变化时，反应溅射的获得的膜层将会发生本质变化。一般来说，对于不同程度故障的以上四项参数数值的不同，对于产生的反应溅射稳定性膜层都会不同，所以根据反应溅射过程中这四项数值的大小，可以判断出故障的严重程度。从实践经验以及现场数据的分析，在发生故障时，各项参数数值是不断变化的。现在采用特征四项参数方法来构造故障物元，设反应溅射系统 N，可能产生的故障程度为：A= A1 , A2 , A3 , A4 ， 式中，A 1 对应高高故障程度；A
42、 2 对应高故障程度； A3 对应低故障程度； A4 对应低低故障程度。各种故障的名称和分类，见表 3.1。表 3.1 故障级别的分类序号故障程度 分类 特征参数Q(10sccm)T（ 10 ） P1（ 10-4Pa）P2（ 10-3Pa）1 高高（HH）A1 2.3 5.5 2.5 3.52 高（H） A2 2.2 5.0 2.0 3.03 低（L） A3 2.1 4.5 1.5 2.5224 低低（LL）A4 2.0 4 1.0 2.0不发生故障时，特征参数 Q，T，P 1，P 2 分别小于 2，4，1.0，2.0。由于已经设计了控制系统来控制反应溅射过程中对反应气体流量的控制，所以，反应
43、气体的流量变化不会太大，在表 3.1 参数之中变动。通过对现场数据的分析以及现场生产的实践经验，可知发生故障时的特征气体流量分别如上表显示。可根据特征气体流量建立反应溅射系统 N 的故障诊断严重级别，A i( N ) ( i = 1, , 4) 的经典域物元和节域物元。对应经典域物元和节域物元的量值范围,，本文参照反应溅射实验的现场工艺技术规程得到以下矩阵：R1= ,R1 = )75.3,2().,(352)(431ccNA )8.3,2(.5,)7()(431cNAR2= ,R2= )5.372(1.4)()(43cNA )3.,72(1.5,4)()(432cNAR3= ,R3= )75.
44、2(1.4)0()(4321cNA )8.2,(1.4,)0()(43213cNA23R4= ,R4= )25.0(1.4)()(4321cNA )3.2,0(1.4,)()(4321cNA3.3.2 利用层次分析法确定各个特征参数的权重系数基于层次分析法的权重值计算 15：排序权重的计算，应用乘积方根法来计算判断矩阵各指标对应的权重值。设 k 阶判断矩阵A = kkkaa.21112则采用乘积方根法计算其权重的过程为：(1) 将各行元素连乘得 Mi ( i = 1，k ) ：(2) 对 Mi 开 k 次方得 i，即各行元素的几何平均值：(3) 将 i 归一化： ，即得指标 xi 的权重系数
45、i。1/ii(4) 判断矩阵最大特征值的计算：为了进行判断矩阵的一致性检验，需要计算其最大特征值 max。由 i ( i = 1， ， k )构成的权重向量矩阵W =1 2 k T ，则最大特征值为:iiAK1max)(5) 一致性检验：若 k 阶判断矩阵 A 的最大特征值 max 比阶数 k 大很多， A 的不一致程度就严重；而当 max 越与 k 值相近时， A 的一致性程度较好。 因此可用max24来检验判断矩阵一致性程度，其数量指标由 Saaty T L 定义为： 1maxkCI由于随着矩阵阶数的增加， 判断矩阵的不一致性程度可能会增加， 因此需对一致性指标 CI 加以修正。引入平均随
46、机一致性指标 RI，令随机一致性比率 ，若 CR 0.1， 则判断矩阵满足一致性要求；否则需调整判断矩阵RIC中元素值，直到满足一致性要求为止。(6) 确定评价指标体系中各指标权重采用层次分析法时，运用的比例标度参考得表 3.2。参考表 3.2 中各种数据关系的对比重要性，对评价指标进行两两比较得出其相对重要程度，得到判断矩阵。表 3.2 分级比例标度参考表赋值 （ xi/xj） 说明1 表示指标 xi与 xj相比，具有同样的重要性3 表示指标 xi与 xj相比，指标 xi比指标 xj稍微重要5 表示指标 xi与 xj相比，指标 xi比指标 xj明显重要7 表示指标 xi与 xj相比，指标 x
47、i比指标 xj强烈重要9 表示指标 xi与 xj相比，指标 xi比指标 xj极端重要2、4、6、8 对应以上两相邻判断的中间情况倒数 指标 xi与 xj比较得 aij，则指标 xj与 xi比较得判断为 aji=1/aij通过确定了各项参数指标的全中，在运用层次分析法计算权重值，步骤如下：1. 确定评价因素 评价因素即为上述确定的 4 项评价指标。2. 构造判断矩阵 参考分级比例标度参考表，可以知道设置的四项参数之间的相关程度。一般采用 1 9 项指标及其倒数的标度方法,通过对统计数据的分析以及专家的先验知识, 确定各特征流量间相对重要性的两两比较矩阵 S:25S= 13/21/3/3. 采用方
48、根法求判断矩阵的最大特征根 max 及其各特征流量的权重集W。1= =0.6866)13/2(42= =2.05983= =1.0299)/(44= =0.686613211+ 2+ 3+ 4=4.6629 1= =0.153869.80 2= =0.46154.5 3= =0.230869.01 4= =0.15382.8W=（0.16 0.46 0.23 0.15） ，max=44. 一致性检验：max=4，K=4，CI= （4-4）/3=0一致性指标 CI = 0，则随机一致性比率 CR = 0 0.10, 所以结果具有满意的一致性。263.4故障程度诊断系统实例分析通过之前的计算，能得
49、到一个各项参数的权重值计算矩阵：W=（0.16 0.46 0.23 0.15） T 将实时测得的参数数据分别乘以各自的权重参数，所得到的数值，用于判断整体的故障严重级别。同时下面给出了各种判断故障严重程度的范围，如下表 3.3。表 3.3 故障程度判断值故障程度 综合指数范围无故障 2.69LL 2.692.908L 2.9083.344H 3.3443.78HH 3.783.998通过到现场采集各特征流量及实际故障级别，列出了反应溅射实际运行时故障观测数据，见下表 3.4。表 3.4反应溅射过程观测参数序号 Q T P1 P2 故障严重级别1 2.02 4.13 1.03 2.02 LL2 2.06 4.23 1.11 2.31 LL3 2.03 4.09 1.09 2.19 L4 2.19 5.08 1.98 3.20 H5 2.29 5.23 2.35 3.40 HH6 2.15 4.26 1.75 2.80 L7 2.26 5.40 2.41 3.37 HH8 2
