Automatización de un sistema para el depósito utilizando instrumentación virtual (página 3)

. El Bloque 1-CONFIG, sirve para configurar los canales que deseo leer, el espacio en la memoria que va a ser utilizado para las exploraciones. El bloque 2-START, le dice a el instrumento a que velocidad va a realizar las exploraciones por segundo así como el número de exploraciones que van a ser almacenadas en memoria. El bloque 3-SINGLE SCAN, le dice al instrumento que realice una sola exploración para cada uno de los canales previamente configurados. El bloque 4-Index waweform array, separa el arreglo de la señal de la temperatura deseada del conjunto de arreglos que contiene a los arreglos de las demás señales de temperatura. El bloque 5-Get waweform components, obtiene el valor de la componente en Y (la temperatura) de entre los demás componentes que conforman el arreglo, como son el incremento de tiempo para cada lectura efectuada, la hora, etc. Los bloques 6-Build Graph y XY Graph. El primero crea una cadena con los datos

de la temperatura y el tiempo de un reloj externo (12) al subprograma. Este bloque cuenta con un botón externo (11) para borrar las gráficas. El Bloque XY Graph despliega una gráfica de los datos que el bloque build Graph le está entregando. El bloque 7-code, lee el código que va circulando en la cadena de error. Si este número es diferente de cero el ciclo while termina su ejecución y con esto el subprograma. El bloque 9-Clear, detiene la adquisición de datos, limpia la memoria y borrar los errores en caso de existir. El bloque 10-Array Indicator Crea una conexión de salida del subprograma la en la cual se entrega la lectura de la temperatura. Las subrutinas utilizadas fueron tomadas de la referencia 4 y 5.

En la figura 5 se presenta la pantalla del monitoreo de las temperaturas de cada grafito.

4. ALMACENAMIENTO DIGITAL. Las magnitudes de las temperaturas obtenidas así como los voltajes y corrientes entregados por las fuentes y el tiempo en que fueron obtenidas, son guardadas en archivos de texto. Cada nueva lectura efectuada, creará una nueva fila en el archivo de texto. Estos archivos pueden ser abiertos por aplicaciones que manejen hojas de calculó, para su posterior análisis. Figura 5. Pantalla del monitoreo de ls temperaturas.

7. CONCLUSIONES Con el programa desarrollado se logró una mayor confiabilidad en la adquisición de datos así como una manipulación de las fuentes de una manera mas precisa a través de un programa desarrollado en LabView.

8. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue financiado por los proyectos: CGPI no. 20040348 del IPN y por el proyecto CONACYT con número 38444-E

9. REFERENCIAS 1.http://cnx.rice.edu/content/col10241/l atest/ 2. http://xantrex.com 3. Internal GPIB Interface for XKW Series Programmable DC Power Supply Operating Manual 4. SCXI 1112 User Manual 5.http://zone.ni.com/devzone/conceptd .nsf/webmain/F5C64678D54A373586 25696500648FC0?opendocument&n ode=1603_US

Instituto Tecnológico de Ciudad Madero Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada-IPN Unidad Altamira, Km. FCLXX121 AUTOMATIZACION Y CONTROL DE UN SISTEMA DE CRECIMIENTO DE PELÍCULAS POR EVAPORACIÓN J. Balderas-Zapata1, H. Peraza-Vázquez2, F. Chalé-Lara2, M. Zapata-Torres2, J. Zapata-Torres2 1 2 14.5 Carr. Tampico Pto. Ind. Altamira. RESUMEN En este trabajo se presenta la automatización, mediante instrumentación virtual, de un sistema de crecimiento de compuestos ternarios semiconductores. Este sistema utiliza como calefactores para la evaporación bloques de grafito. La corriente es suministrada a cada grafito mediante 3 fuentes programables marca Xantrex. Las temperaturas son monitoreadas utilizando termopares tipo K. Para obtener la temperatura deseada en cada bloque de grafito, se controla la corriente que pasa a través de él. El programa desarrollado en Labview manipula la corriente de cada una de las fuentes que calientan a los grafitos. Así mismo, en tiempo real registra la temperatura y la corriente subministrada a cada elemento calefactor. Despliega la grafica del comportamiento de la temperatura de cada uno de los grafitos y almacena en formato de hojas de cálculo los datos de las graficas. El control de la temperatura de cada una de las fuentes de evaporación fue realizado utilizando un algoritmo PI. INTRODUCCIÓN Los materiales semiconductores en forma de película delgada son ampliamente usados en aplicaciones tecnológicas como dispositivos opto electrónicos y fotovoltaicos. Una de las técnicas para el crecimiento de estas películas es el trasporte de vapor en espacio reducido combinado por evaporación libre (CSVT-FE por sus siglas en inglés). El proceso está basado en calentar a diferentes temperaturas el material semiconductor para ser depositado en un substrato en forma de película. Usualmente le agente transportador es un gas inerte a través del cual todos los átomos sublimados, tanto del semiconductor como el impurificante emigran hacia el substrato donde se condensan y forman la película. El control y monitoreo de la temperatura son críticas para el desarrollo del proceso de crecimiento del material, debido a que una variación significativa de la temperatura programada ocasiona razones de evaporación diferentes a las deseadas. En el CICATA-IPN, Altamira se cuenta con esta técnica de crecimiento, en la cual el control se realizaba de forma manual, variando la perilla de la fuente, y el registro del comportamiento de la temperatura se efectuaba a través de un lector de termopares Fluke 51II. En este trabajo se presenta la automatización, mediante instrumentación virtual, de la técnica de crecimiento CSVT-FE. El programa desarrollado en Labview realiza un control térmico manipulando la corriente de cada una de las fuentes que calientan a los grafitos. Así mismo, en tiempo real se registra la temperatura y la corriente suministrada al bloque calefactor del substrato, del material fuente y la del impurificante. DETALLES EXPERIMENTALES El sistema está compuesto de las siguientes partes: un sistema de vacío, tres fuentes de poder, un modulo acondicionador de señales y un modulo de termopares, una computadora personal,

FCLXX121 una tarjeta de interfaz GPIB para interactuar con las fuentes de poder y una tarjeta de adquisición de datos NIDAQ para manipular el modulo de termopares. En la figura 1 se pueden observar todos los elementos mencionados y el esquema de interconexión que presentan.

El proceso de control se realiza a través de un software desarrollado en un ambiente de instrumentación virtual implementado en el lenguaje de instrumentación Labview. Figura1. Elementos que integran el sistema.

El proceso de crecimiento de películas delgadas se realiza en un equipo de evaporación que consiste en una campana de vidrio montada sobre una base de acero inoxidable, y que complementada con una bomba mecánica y una bomba turbomolecular permiten alcanzar presiones dentro de la campana del orden de 1×10-6 Torr. Adicionalmente se cuenta con válvulas neumáticas para aislar las diferentes entradas a la campana. En la figura 2. se observa un esquema del sistema de vacío. Figura 2. Esquema del sistema de vacío.

El sistema de crecimiento de películas está montado dentro de la campana de vidrio del equipo de vacío, en la figura 3, se observa la fotografía del sistema de crecimiento. Figura 3. Sistema de crecimiento por CSVT-FE.

El sistema de calentamiento para alimentar los tres bloques calefactores está formado por tres fuentes de poder marca Xantrex que tienen un rango de 300 A. a 10 V. permitiendo manejar una potencia máxima de 3000 watts, en cada una de ellas. Dichas fuentes distribuyen la corriente a través de postes para suministrar la alimentación al sistema de crecimiento. Las fuentes de poder cuentan con interfaz GPIB por medio de la cual pueden ser controladas a través de la computadora personal.

DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL El esquema de control PI analógico ha sido usado de manera exitosa en muchos sistemas de control industrial por más de medio siglo. El principio básico del esquema del control PI es que actúa sobre la variable a ser manipulada a través de una apropiada combinación de las tres acciones de control: la acción de control proporcional, la acción de control integral En situaciones donde muchas plantas se controlan directamente mediante un solo dispositivo digital (como un esquema de control en el que se controlan desde unos cuantos lazos hasta cientos de estos mediante un solo controlador digital), la mayoría de lazos de control se pueden manipular mediante esquemas de control PI.

Para el desarrollo de este controlador del sistema de crecimiento por la técnica CSVT-FE presenta tres bloques calefactores, para esto fue necesario desarrollar controladores independientes para cada uno de los bloques.

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FCLXX121 En la figura 4 presentamos una serie de escalones de temperatura con ganancias proporcionales e integrales diferentes para cada uno de ellos. Se observa el mejor comportamiento para la curva con una ganancia de 1.1 y de 0.02, para la ganancia proporcional y para el integral respectivamente. Figura 4. Se muestra la respuesta del controlador a un escalón de temperatura de 100°C con distintas ganancias. El valor de P indica la ganancia que utilizó en el control proporcional y la I la ganancia que se utilizó en el integral

En la figura 5 se presenta el comportamiento de escalones programados de 25°C a 625 °C y utilizando el controlador PI con los valores de ganancia encontrados y que presentaron el mejor desempeño.

FCLXX121 Figura 5. Escalones de temperatura para el controlador PI.

En la figura 6, se observa el comportamiento de corriente que demanda el bloque calefactor conforme se fueron realizando los escalones de temperatura y que se muestran en la figura 5. En este caso se presenta solo el comportamiento de uno de los bloques calefactores utilizados. El comportamiento de control es similar para los otros dos. Lo que se modifica es el valor de los valores de ganancia.

FCLXX121 Figura 6. Curva de la demanda de corriente para los escalones de temperatura. PROGRAMA DESARROLLADO. El programa desarrollado en Labview presenta una interfaz visual atractiva y de fácil operación, a base de controles e indicadores, en la figura 7 se observa la pantalla que integra todo el sistema de control, en el se puede observar una sección para la programación de rampas o isotermas, y otra sección correspondiente al comportamiento real del proceso de calentamiento. Y una sección de botones para iniciar o detener el proceso. El programa también permite almacenar en un archivo de texto el comportamiento del proceso de calentamiento, que incluye la temperatura y la corriente que demando el sistema. A continuación se describen algunos de los controles que presenta el programa: Cuadro de controles de temperatura deseada: Se fijan las temperaturas que el usuario desea obtener el final de la función programada. Botones de función: Se utilizan para elaborar una rutina deseada de las temperaturas que el usuario requiera. Escalón: La temperatura inicial y la final son iguales a la temperatura fijada en el cuadro de selección de temperaturas.

FCLXX121 Rampa: La temperatura Inicial es igual a la temperatura final de la función anterior y la temperatura final es igual a la temperatura fijada en el cuadro de controles de temperatura. Isoterma: La temperatura inicial y la temperatura final son iguales a la temperatura final de la función anterior.

Duración: Consta de tres recuadros donde se introducen las horas, los minutos y los segundos que va a durar la función a programar.

Botones de control de proceso Iniciar. Una vez que se termina de realizar el proceso.

Indicadores.

Tabla del proceso programado. Despliega el tipo de función programada, la duración, el tiempo de enlace de inició en segundos así como el final para cada función programada, la temperatura inicial y la temperatura final a programar para cada bloque de grafito programado.

Tiempo transcurrido. Despliega un display del tiempo transcurrido del proceso en formato de horas, minutos y segundos.

Instrumentos encendidos. Se tiene un led indicador para cada uno de las fuentes y el lector de termopares. El led se prende cuando el instrumento está encendido o trabajando de una manera adecuada.

En lo que respecta a la grafica desplegada, en esta se puede observar el comportamiento real de la temperatura y el proceso programado (referencia) por el usuario. Este proceso se presenta en tiempo real para los tres bloques calefactores. Un aspecto importante es que el software presenta el tiempo total de duración del proceso. Y finalmente se permite imprimir la grafica. Adicionalmente se cuenta con una ventana de configuración para colocar límites a las fuentes de poder como son valores máximos y mínimos de voltaje y corriente.

FCLXX121 Figura 7. Pantalla principal del programa de control de temperatura.

RESULTADOS Y CONCLUSIONES Se realizaron las pruebas al sistema de control para afinar detalles de las ganancias del controlador y de funcionalidad del programa al momento de hacer la programación. En la figura 8 se presenta una grafica correspondiente a un proceso de calentamiento, se utilizaron los parámetros para una rampa con velocidad de calentamiento de 10°C por minuto, y una isoterma de 10 minutos a 600 °C. El control para temperaturas en el rango de 400 a 800°C tuvo un error máximo de ±1°C.

FCLXX121 Figura 8. Proceso de control para un proceso general de calentamiento.

AGRADECIMIENTOS Este proyecto fue financiado por CGPI-IPN y CONACYT, bajo los proyectos 20050907 y 38444E.

REFERENCIAS

[1] LabVIEW Graphical Programming Course http://cnx.rice.edu/content/col10241/latest/ [2] http://xantrex.com [3] Internal GPIB Interface for XKW Series Programmable DC Power Supply Operating Manual [4] SCXI 1112 User Manual [5] Making High Accuracy Thermocouple/Temperature Measurements Using the SCXI-1112 Module,http://zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/webmain/F5C64678D54A37358625696500648 FC0?opendocument&node=1603_US [6] Introducción a la adquisición de datos. http://zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/webmain [7] Tesis “Control Automático para un sistema evaporador de películas delgadas basado en un microcontrolador.”, Pedro Pasos Canul, 2000. [8] Tesis: Diseño Y Construcción De Un Sistema De Crecimiento De Películas Delgadas, Javier Zapata Torres, 2004.

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• AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer al ser todo poderoso por permitirme realizar un sueño más en mi vida.

A mis padres por el amor y apoyo que me han brindado a lo largo de mi vida.

A mis hermanos los cuales me han motivado para llevar acabo mis proyectos.

Al Dr. Martín Zapata Torres por haber confiado en mí y haber aceptado mi participación en este proyecto.

A mis Asesores MC. Hernán Peraza Vázquez, MC. Fabio Chalé Lara y el Ing. José Federico Chong Flores por la oportunidad de trabajar bajo su dirección, sus valiosas enseñanzas y sugerencias.

Al TSU. Javier Andrés Zapata Torres, por brindarme sus sabios consejos.

A mis Amigos: Eibar García Rosales, Estela Cavazos Hernández, Jorge Iván Maya Maldonado, Luís Antonio García Pérez, Juan Cesar Galindo, Juan Gilberto del Ángel Serna, Pedro Antonio Gallegos Ramírez por su invaluable amistad.

A todo el personal del CICATA- IPN ALTAMIRA por su convivencia grata todos los días. José Alfredo Balderas Zapata

[email protected]

Ingeniero en Electrónica en el Instituto Tecnológico de Ciudad Madero