有机薄膜器件的镀膜自动控制系统设计

Racheler

摘要:设计了用于有机薄膜器件的镀膜自动控制系统;整个自动控制系统以单片机为核心，可分为3个功能模块:人机交互、强弱
- X: i( T$ q5 p. ~' A- \8 S电转换、样品处理。人机交互由单片机来实现;强弱电转换由固体继电器来完成;样品处理包括镀膜速率自动控制和样品保护两个部
分。控制系统体现了弱电控制强电的设计思路，系统采用了单片机、继电器、电磁阀和可调变阻器等器件以及程控可调电阻电路。所
设计的控制系统能克服目前有机薄膜器件镀膜系统的一些弊端，实现镀膜和镀膜速率的自动控制，并且能够避免有机半导体材料在真
1 ^$ X8 s' q% l空腔内的相互污染。
3 ]; S9 t8 w" a/ x关键词:用于有机薄膜器件的真空镀膜自动控制系统;单片机;固体继电器;电磁阀
5 z+ w& J' m* X4 Q4 l$ G% i0引言
# r: I0 w. a& \( _& h有机场薄膜半导体器件是电子信息技术发展的-一个重要方
向，其制备工艺和所使用的材料都很廉价[1，近年来越来越受
5 l5 a% I, K0 s* V- c, d3 g  Z3 P到人们的重视，他们中最有前景的是有机电致发光二极管
& z0 ]" D) B0 H/ l) o* M5 w+ A(OLED)[2、有机薄膜晶体管(OFET)[3] 和有机太阳能电池
' _7 }$ S" g4 P; [% r& \(OPV)41]。真空蒸镀成膜是目前较为普遍的一种有机薄膜半
+ ~, w" V% l9 C! `导体器件制备方法。目前实验室的有机真空镀膜系统自动化程
度很低，在一个样品蒸镀完成时候，不能够智能控制样品的交
替镀膜，需要人工来机械切换;不能自动控制薄膜蒸镀速率,
因此较难精确控制膜厚;在一个真空腔内放置了几个蒸发源，
1 G2 I5 T, L9 M' e& @因此在蒸镀一个样品时其他样品也会因此受到污染，这样很难
精确控制膜的纯净度。本文设计了相关方案来解央现有系统的
- r( K. c/ k  m. Z+ X
4 Q6 V- [9 o5 h. o  I$ s" n. e9 ~不足之处。整个控制系统中，单片机起到核心作用[s5-0],通过
, U- }2 Q3 B6 a4 E2 i单片机的外接键盘即可控制镀膜系统。为解决样品的污染问
7 |6 W: u: j/ b3 q题，本系统在蒸发源上加一个电磁阀开关以密封蒸发源，保护
, x7 h/ |% \& u样品。在膜厚达到预定厚度时，电磁阀自动关闭，电流同时停
止加热。为避免固体样品中残余气体在开始通电时加热过快而
, g2 e- |% P, `9 ~过度膨胀，导致样品飞溅，也避免电流停止时蒸发源依然余热
过大而继续蒸发样品，在蒸镀时采用程控可变电阻电路控制加
热速率，可以对整个样品和薄膜起到保护和精确控制作用。
1系统设计与功能
1.1系统框架
5 C1 I4 |. {+ j6 T! K+ P4 n整个控制系统的框架如图1所示，它可以实现: (1)多个
样品自动交替镀膜; (2) 实时根据膜的厚度，自动调整样品镀
# p, N; I# _6 H  E# N# X2 E. V膜速率并在必要时候停止样品镀膜; (3)避免样品接触到其他
9 O5 l- v, ^2 H8 Z/ ?样品蒸气而受到污染。
$ Z0 x+ M; a4 E( F控制系统可分为3个功能模块:人机交互、强弱电转换和
  ]# e$ O, K: j5 B' d样品处理。通常使用石英振荡器来测量膜厚，即为图中的测厚.
模块.
$ A! n  C$ g6 p9 b
整个控制系统的工作流程:先通过单片机的外接键盘输入
各样品所需镀膜的厚度，然后按镀膜开始键，与第一个蒸发源
1 h* d+ r) X" O% x# \8 C相对应的I/O端口置“1", 相连的固体继电器导通，相应的蒸
发源通电，同时相应的电磁阀打开。蒸发源上的有机半导体样
品在被加热到一定程度时升华，样品气体通过电磁阀口输出，
在基片上成膜。在镀膜过程中，系统实时测量膜厚，通常膜厚
( b' a7 f7 I9 ?& i为模拟电信号，经过A/D转换将所测膜厚模拟信号转化为数
字信号，再输人单片机，单片机判断膜厚是否达到规定厚度。
在镀膜过程中，由单片机控制镀膜速率，- -开始镀膜速率较
5 Z' @3 g( m, g慢，经过一段时间，变快，到该样品镀膜快结束时，又放慢至
结束。一个样品镀膜结束，另一个样品镀膜自动开始，到最后
' e$ M* g. ^: i  v- U: J所有样品镀膜结束，提示灯亮。
3 f7 V% L9 ?0 f$ T; S! y1.2 人机交互
2 i6 T8 m; f! n; E! l" r0 p单片机是人机交互模块中的核心器件，也是实现程序控制
% t& R7 D7 @) v$ e8 d的核心，操作人员通过按单片机外围键盘即能控制整个镀膜系
4 X, M8 J& z, I% q1 a- G统的运作。当键盘电路有按键按下，单片机即外部中断0,于
. h/ d' h$ R" W' P7 i! g是执行外部中断0的中断服务程序。中断服务程序是键盘的扫
8 D# x7 ~' A1 U9 t/ Y; c0 z; a  |描程序，因键盘有机械触点，易发生抖动，因此在扫描程序之
5 B, U3 h: {! ~( }" x3 z3 y8 X, _9 `: F前，应该去抖。去抖动需加一廷时程序，两次读取端口数据，
! R8 F3 }, e" l! l4 e' S如果两次相同，则说明有键盘按下。
键盘扫描: 3X4 键盘(对有机真空镀膜系统足够)，先置.
第0列为“0”， 如果其中有一行输出为“0”, 则是0列的该行
% g6 C& O0 ?+ I2 T  Q8 o! K有键按下，若没有则置第1列为“0”, 按键就是位于其中输出
为“0"的行。
当CPU判断具体的按键按下了，如表1所示，单片机去.
执行相应的中断服务程序。一开始人工输人膜厚，每输人一个.
" b5 M& ^+ i; ~6 ?4 W2 u1 Y& X膜厚，程序一个变量(代表膜层数)就加1.
镀膜开始键按下，启动ADC0804 (即A/D转换)，第一
个蒸发源相应的单片机I/O端口置“1", 导通对应的固体继电
器(SSR)，样品受热，升华，在基片上成膜。测厚模块实时
输出基片当前的厚度，经ADC0804输人单片机，以判断当前




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真空蒸镀成膜是目前较为普遍的一种有机薄膜半导体器件制备方法