專利名稱：一種采用正弦驅(qū)動的軟動作快門的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空系統(tǒng)或非真空系統(tǒng)專用的設(shè)備部件，特別是用于超高真空系統(tǒng)中分子束外延設(shè)備上的快門部件制造技術(shù)領(lǐng)域。
分子束外延(Molecular Beam Epituxy簡稱MBE)技術(shù)是七十年代發(fā)展起來的一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體“能帶工程”的、超薄層材料制備技術(shù)。分子束外延設(shè)備上的快門(Shuttr)裝置是整個設(shè)備的動態(tài)核心裝置。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作性能都對外延材料的生長有著直接影響。為了適應(yīng)超晶格多量子阱材料制備的需要，改善與快門開關(guān)有直接關(guān)系的材料界面的質(zhì)量，使外延材料的晶體質(zhì)量穩(wěn)定在器材材料的水準(zhǔn)。世界上幾大公司投入很大人力、物力研制。迄今為止，國內(nèi)外的MBE設(shè)備上的快門裝置的運(yùn)動方式分為兩大類旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方式和直線運(yùn)動方式。經(jīng)專利文獻(xiàn)檢索歐洲專利0231658號和0335267A2號所涉及的MBE設(shè)備中的快門都采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的快門需與分子束束源安裝在同一曲面法蘭上，如


圖1所示。
圖1是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動快門裝置示意圖。當(dāng)快門發(fā)生故障時，須將大法蘭拆卸后才能進(jìn)行修復(fù)，而0335267A2號歐洲專利涉及的快門中的安裝與修復(fù)必須將上端大法蘭拆卸后才能實(shí)現(xiàn)。這種空間設(shè)置對安裝與維修及不方便。
而采用直線運(yùn)動方式的快門，與束源不是安裝在同一曲面，與裝有束源的整體法蘭沒有裝配關(guān)系，可以獨(dú)立的安裝與拆卸。這種快門與束源的空間配置被公認(rèn)為是比較合理的。八十年代中期研制并使用的直線運(yùn)動快門是采用電磁驅(qū)動方式。即在快門的真空管外部套有一個環(huán)形線圈。當(dāng)電流通過時，環(huán)形電流產(chǎn)生的電磁力將推動真空管內(nèi)的磁鐵運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)快門開關(guān)的目的。這種電磁驅(qū)動的快門的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快，一般行程55mm只需0.1秒，這對于超薄層均勻生長外延膜是十分有利的。但由于這種機(jī)構(gòu)無減速裝置，開關(guān)到位時撞擊強(qiáng)烈，震動整個外延生長室，嚴(yán)重影響外延材料的質(zhì)量。首先，開關(guān)快門的強(qiáng)震動引起真空“塵?！毕侣?，影響材料的界面質(zhì)量；其次，低溶點(diǎn)的材料(例如鎵Ga)的液滴會聚集到快門的擋板上，當(dāng)快門開關(guān)時這些液滴(例如鎵滴)會因強(qiáng)烈的撞擊而被甩到基片襯底上。若采用ALE(原子層外延)生長方式時，快門必須頻繁開關(guān)，這種情況就愈加顯得嚴(yán)重。一個兩 的基片。往往因甩上了很多鎵滴而大幅度降低其的使用面積；再有，強(qiáng)振動易引起擋板脫落，降低快門的工作壽命。
另外英國VGsemicon公司也研制了無振動的直線運(yùn)動快門，又稱軟動作快門，雖是采用正弦機(jī)構(gòu)做為傳動方式，但是他們的軟動作快門存在以下缺點(diǎn)一、動力源采用氣體源，為了驅(qū)動氣閥，必須為快門配備氣瓶和配置氣路控制系統(tǒng)，并為其自動開關(guān)設(shè)計新的計算機(jī)控制系統(tǒng)。
二、快門的外形結(jié)構(gòu)上，徑向布局設(shè)計采用二次偏心方案導(dǎo)桿運(yùn)動的真空管相對裝配法蘭有一次偏心；運(yùn)動導(dǎo)桿相對真空管又有一次偏心。這種設(shè)計加工難度大，累計的加工誤差會導(dǎo)致裝配難度的增加，而且外形不對稱，造形不美觀，見圖(2)，圖2是軟動作快門徑向二次偏心結(jié)構(gòu)示意圖。
三、反應(yīng)速度慢。由于零部件設(shè)計過大(體積)，負(fù)載過重，快門從開狀態(tài)到開閉狀態(tài)，行程55mm用時0.5秒。雖然克服了碰撞，實(shí)現(xiàn)了無撞擊運(yùn)動，但犧牲了反應(yīng)速度。對超晶格微結(jié)構(gòu)的均勻外延有一定的影響。
四、快門工作時無反饋裝置，在外延生長過程中，一旦氣路或氣閥出現(xiàn)故障，由于沒有反饋裝置，既不報警也不中斷生長，易造成外延片的報廢，浪費(fèi)人力物力。雖然英國VGsemicon公司已研制出這種軟動作快門，由于MBE系統(tǒng)是西方巴黎統(tǒng)籌委員會對社會主義國家禁運(yùn)項(xiàng)目，我們是買不到的，必須自行研制。
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足和缺點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)無接觸動力傳動，既提高軟快門的反應(yīng)速度又在驅(qū)動時無振動，以獲得高質(zhì)量超晶格量子阱材料；為了盡可能減少部件主體以外附屬件數(shù)量，從而使部件簡單實(shí)用，造型對稱美觀和利于實(shí)驗(yàn)室整潔和實(shí)驗(yàn)人員操作；為了利用反饋信息，保證快門開關(guān)到位，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)閉環(huán)控制；為了打破西方巴黎統(tǒng)籌委員會對我們禁動MBE系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)MBE系統(tǒng)國產(chǎn)化；從而提供一種由步進(jìn)電機(jī)、傳動件、軸承、滑塊、內(nèi)、外磁環(huán)組、固定桿、活動標(biāo)、光電系統(tǒng)組成的光電控制，電機(jī)驅(qū)動、磁力耦合的正弦運(yùn)動的軟動作快門。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的其一，采用步進(jìn)電機(jī)做動力源來驅(qū)動快門，它只需配備一個小型控制電源即可工作，這要比用氣動方式驅(qū)動的軟動作快門附屬配件少得多，其二，外形結(jié)構(gòu)徑向布局采用一次偏心，即將真空導(dǎo)管焊接在法蘭盤的中心，只有活動桿相對法蘭盤中心有一次偏心，它克服已有技術(shù)的二次偏心加工時所帶來的累計誤差大，同時降低了法蘭盤的加工難度，使得整機(jī)徑向結(jié)構(gòu)對稱美觀，其三，真空系統(tǒng)內(nèi)外的動力傳遞是依靠磁力耦合實(shí)現(xiàn)的，與步進(jìn)電機(jī)軸聯(lián)接在傳動件上，裝有滾珠軸承，軸承帶動滑塊在導(dǎo)軌上沿真空導(dǎo)管軸向平移，在滑塊中安裝有一外磁環(huán)組，當(dāng)滑塊移動時，磁力將帶動真空系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)磁環(huán)組在固定桿上移動，由于在內(nèi)磁環(huán)組的一端安裝有一通過擋板支架與擋板相連的活動桿，因此擋板實(shí)現(xiàn)了快門對束源口的關(guān)閉和開放的功能，實(shí)現(xiàn)無接觸動力傳遞，其四、軸承軌道與外磁環(huán)組安裝套一體化，它既減少了零部件數(shù)量又降低運(yùn)動部件的重量，更重要的是防止兩部分加工與安裝偏差引起外磁環(huán)組與真空管外壁的摩擦增大運(yùn)動阻力而降低反應(yīng)速度，其五，信息光電控制在底板上安裝一塊光電電路板，在光電電路板上兩端安兩個光電耦合器，并在導(dǎo)軌下部安置光路阻隔片，它隨滑塊(7)的導(dǎo)軌一起運(yùn)動，當(dāng)達(dá)到兩個極限位置時，阻隔片將光電耦合器的光路阻斷，這時控制電源將不再發(fā)出脈沖電流，而是改換小的維持電流以防止運(yùn)動件因重力作用而滑落。如果發(fā)生意外，活動桿運(yùn)動沒有到位，阻隔片沒有將光電耦合器的光路阻斷，控制電源將不斷發(fā)出脈沖電流并報警，直到活動桿到位為止。
本發(fā)明的傳動原理是這樣的圖3是采用正弦運(yùn)動的軟動作快門裝置傳動原理圖圖4是采用正弦運(yùn)動的軟動作快門裝置傳動件切向速度投影示意圖圖5是采用正弦運(yùn)動的軟動作快門裝置位移速度與旋轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系曲線示意圖。
為了克服電磁驅(qū)動快門的無減速設(shè)計的弱點(diǎn)，采用正弦機(jī)構(gòu)為快門的傳動方式。其傳動原理見圖3、4、5。這是一個將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)槠絼拥臋C(jī)構(gòu)，平動位移是轉(zhuǎn)動件旋轉(zhuǎn)角的正弦函數(shù)，即D＝RSinθ其中D平動件位移量R轉(zhuǎn)動件半徑θABC所成夾角而對平移有貢獻(xiàn)的轉(zhuǎn)動件的切向速度在平動方向上的投影，隨Q變化而不斷變化的，從圖9中可以看到，圖中V乇轉(zhuǎn)動件的切向速度，V平移件平移速度，
圖10中Vmin速度最小值，Dmax位移最大值，
圖10說明位移量與平移速度與Q的關(guān)系是正弦和余弦曲線，也就是當(dāng)位移量為最大時，正是切向速度在平動方向投影為零的時候，這個結(jié)果是發(fā)明的根據(jù)。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由以下實(shí)施例及附圖給出圖6是采用正弦運(yùn)動的軟動作快門裝置示意圖圖7是采用正弦運(yùn)動的軟動作快門裝置側(cè)示圖圖8是采用正弦運(yùn)動的軟動作快門裝置俯示圖圖9是采用正弦運(yùn)動的軟動作快門裝置用內(nèi)磁環(huán)組部件結(jié)構(gòu)示意圖
圖10是采用正弦運(yùn)動的軟動作快門裝置中徑向一次偏心結(jié)構(gòu)示意圖附圖中符號說明如下0過渡環(huán)(1)電機(jī)托架(2)傳動件A(3)傳動件B(4)緊定螺釘(5)墊圈(6)軸承固定螺釘(7)滑塊(8)滑塊蓋板(9)導(dǎo)軌(10)底板(11)真空導(dǎo)管端蓋(12)真空導(dǎo)管(13)法蘭盤(14)固定桿(15)內(nèi)磁環(huán)支架端蓋(16)潤滑軸向軸承(17)內(nèi)磁環(huán)支架(18)軸承座(19)活動桿固定件(20)螺母(21)活動桿(22)潤滑軸向軸承(23)真空內(nèi)端蓋(24)潤滑軸向軸承擋圈(25)定位座(26)螺釘(27)擋板支架(28)光路阻隔片(29)紅外光電線路板(30)外磁環(huán)組(31)內(nèi)磁環(huán)組(32)擋板(33)鋁環(huán)(34)永磁鐵環(huán)(36)電源線(37)步進(jìn)電機(jī)(38)導(dǎo)軌(39)光電探測器(40)滾珠軸承
以下結(jié)合附圖6、7、8、9、10詳細(xì)說明本發(fā)明提出的具體部件細(xì)節(jié)及工作情況。
該部件由一個反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(37)做動力源，55BF603型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(37)通過金屬過渡件(0)安裝在鋁的電機(jī)托架(1)上，電機(jī)托架(1)是安裝在鋁的導(dǎo)軌托架(9)上的，電機(jī)(37)的轉(zhuǎn)軸通過緊定螺釘(4)與不銹鋼傳動件A(2)相接，傳動件B(3)是用小螺釘與傳動件A(2)相接，(參見附圖5)，在傳動件B(3)的另一端固定有鋼的墊圈(5)、軸承固定螺釘(6)，在下端無螺紋的軸承固定螺釘(6)裝有一個外徑11mm的軸承(40)，軸承(40)放在滑塊(7)的滑槽內(nèi)，滑塊(7)內(nèi)裝有一個外磁環(huán)組(30)后固定上蓋板(8)，防止外磁環(huán)組(30)脫落，再將滑塊(7)安裝在導(dǎo)軌(38)上，導(dǎo)軌(38)安裝在導(dǎo)軌托架(9)上；真空導(dǎo)管(12)一端焊在法蘭盤(13)中心，另一端焊上端蓋(11)，在超高真空儀器上用法蘭盤可是刀口法蘭盤，用于一般真空儀器可是橡皮圈法蘭盤，在空間隔離系統(tǒng)中，還可用塑料法蘭盤其真空內(nèi)安裝先將銀合金的潤滑軸向軸承(16)安裝在鋁的內(nèi)磁環(huán)支架(17)的軸承座內(nèi)，把鋁的內(nèi)磁環(huán)支架(17)的端蓋(15)用M2的不銹鋼螺釘固定在支架(17)上，以防止軸承(16)脫落，內(nèi)磁環(huán)組(31)裝在內(nèi)磁環(huán)支架(17)上，再將裝有潤滑軸向軸承(16)的內(nèi)磁環(huán)潤滑軸承座(18)通過螺紋裝配與內(nèi)磁環(huán)支架(17)相配，(見圖9)，它既固定了內(nèi)磁環(huán)組又為內(nèi)磁環(huán)組在固定桿(14)上滑動提供了良好的潤滑結(jié)構(gòu)。不銹鋼的固定桿(14)穿過兩個潤滑軸向軸承(16)，固定在真空導(dǎo)管端蓋(11)和真空內(nèi)端蓋(23)的安裝孔內(nèi)?；顒訔U(21)通過螺紋裝配在不銹鋼的活動桿固定件(19)上，然后用螺母(20)鎖緊防止活動桿(21)松動，然后把整個這部分按圖3所示裝入真空導(dǎo)管(12)中?；顒訔U(21)相當(dāng)于法蘭盤(13)中心有一次偏心，偏心距為5.5mm。其中內(nèi)磁環(huán)組(31)是由兩個磁鐵環(huán)(34)和一個鋁環(huán)(33)組成；滑潤軸向軸承(22)裝入內(nèi)端蓋(23)的軸承座內(nèi)，把不銹鋼的滑動軸承擋圈(24)通過螺紋裝配在內(nèi)端蓋(23)上，以防止?jié)櫥S向軸承(16)脫落，用螺栓把真空內(nèi)端蓋(23)固定在法蘭盤(13)上，活動桿(21)從裝有滑動軸向軸承(22)的內(nèi)端蓋(23)中穿出，通過螺釘(26)將擋板支架(27)固定在活動桿(21)上，擋板(32)固定在擋板支架(27)上，這樣活動桿(21)運(yùn)動時既防止晃動，又由于軸向自滑動軸向軸承(22)的作用，活動桿(21)運(yùn)動時的阻力可以減少，外磁環(huán)組運(yùn)動時磁力耦合作用帶動內(nèi)磁環(huán)組前后運(yùn)動，達(dá)到快門的開關(guān)。底板(10)固定在支架(9)下，底板(10)下固定有一通常紅外光電電路板(29)，其兩端上面各有一光電耦合器(39)，阻隔片(28)固定在導(dǎo)軌(38)底部處于兩光電耦合器(39)中間，上述所有部件除擋板(32)用高純鉭，高純鉬、45＃鋼制做外，真空導(dǎo)管(12)，端蓋(11)、內(nèi)端蓋(23)、固定桿(14)、活動桿(21)、活動桿固定件(19)、軸承(22)、(40)軸承均用不銹鋼做成，其余部件可以用不銹鋼，也可以用鋁，潤滑軸向軸承(16)采用銀合金制做。
本發(fā)明的正弦運(yùn)動的軟動作快門實(shí)現(xiàn)了無接觸動力傳遞，曾在真空系統(tǒng)和大氣環(huán)境中經(jīng)過一萬次／每日的開關(guān)實(shí)驗(yàn)，沒有失敗記錄。這種光電控制，電機(jī)拖動，磁力耦合的正弦運(yùn)動軟動作快門行程55mm僅用時0.2秒(最低值，當(dāng)重力為阻力時)，反應(yīng)速度明顯優(yōu)于英國VGS1emicm公司的產(chǎn)品的指標(biāo)，已接近電磁驅(qū)動的硬快門的反應(yīng)速度，將這種快門安裝到國產(chǎn)IV型MBE設(shè)備上，經(jīng)過外延生長的試驗(yàn)證明提高了外延片中的表面質(zhì)量，改善了材料界面的質(zhì)量，而且各種低溶點(diǎn)材料的液滴不再甩到基片的表面。大幅度提高了襯底的使用面積。該部件造型對稱美觀、簡單實(shí)用，利于實(shí)驗(yàn)室人員操作；光電控制保證快門開關(guān)到位，保證每次外延生長質(zhì)量，更主要是打玻西方對我們禁運(yùn)MBE規(guī)定，實(shí)現(xiàn)MBE系統(tǒng)國產(chǎn)化。
權(quán)利要求1.一種采用正弦運(yùn)動的軟動作快門，包括傳動件(2)、(3)，潤滑軸向軸承(16)、(22)和一個滾珠軸承(40)、滑塊(7)、內(nèi)、外環(huán)磁組(31)、(30)，固定桿(14)、活動桿(21)、擋板(41)、真空導(dǎo)管(12)、其特征在于包括一個步進(jìn)電機(jī)(37)做動力源，和由光電耦合器(39)、光路阻隔片(28)、紅外光電線路板(29)組成的光電控制系統(tǒng)；真空導(dǎo)管(12)一端焊有真空導(dǎo)管端蓋(11)，另一端焊在帶有真空內(nèi)端蓋(23)的法蘭盤(13)中心；其步進(jìn)電機(jī)(37)的軸通過螺釘(4)固定有與傳動件B(3)一端相配合的傳動件A(2)上，通過螺紋裝配將帶有滾珠軸承(40)的軸承固定螺釘(6)固定在傳動件B(3)的另一端，滾珠軸向軸承(40)放在滑塊(7)的滑槽內(nèi)，滑塊(7)固定在導(dǎo)軌(38)上，導(dǎo)軌(38)固定在支架(9)上，滑塊(7)內(nèi)裝有一外磁環(huán)組(30)；潤滑軸向軸承(16)放在內(nèi)磁環(huán)支架(17)上的軸承座內(nèi)，在其后裝一內(nèi)磁環(huán)組(31)，內(nèi)磁環(huán)支架端蓋(15)固定在內(nèi)磁環(huán)支架(17)的一端，裝有軸承(16)的軸承座(18)與內(nèi)磁環(huán)支架(17)螺紋相配，固定桿(14)穿過潤滑軸向軸承，它的兩端分別固定在真空導(dǎo)管端蓋(11)和真空內(nèi)端蓋(23)的裝配孔內(nèi)，活動桿(21)固定在固定件(19)上，活動桿(21)相對法蘭盤(13)中心有一次偏心，活動桿(21)通過真空內(nèi)端蓋(23)中的潤滑軸向軸承(22)中穿出，再通過擋板支架(27)與擋板(32)相接；其底板(10)固定在支架(9)下，底板(10)上固定有一紅外光電線路板(29)，紅外光電線板(29)兩端上各有一光電耦合器(39)，阻隔片(28)固定在導(dǎo)軌(38)底部處于兩光電耦合器(39)中間。
2.按權(quán)利要求1所述的一種采用正弦運(yùn)動的軟動作快門，其特征在于內(nèi)外磁環(huán)組(31)、(30)是分別由兩個永磁鐵環(huán)(34)和一個鋁環(huán)(33)組成。
3.按權(quán)利要求1所述的一種采用正弦運(yùn)動的軟動作快門，其特征在于所說的法蘭盤(13)是刀口法蘭盤，橡皮圈法蘭盤，塑料法蘭盤，
4.按權(quán)利要求1所述的一種采用正弦運(yùn)動的軟動作快門，其特征在于所說擋板(32)是用高純鉭、高純鉬、45＃鋼制作。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種采用正弦驅(qū)動的軟動作快門，通過傳動件及滾珠軸向軸承與安裝在導(dǎo)軌上的滑塊傳遞動力，滑塊內(nèi)裝有外磁環(huán)組；內(nèi)磁環(huán)組固定在裝有潤滑軸向軸承的內(nèi)磁環(huán)支架上，內(nèi)磁環(huán)支架與裝有潤滑軸向軸承的軸承座相配，固定桿穿過潤滑軸向軸承；活動桿固定在固定件上，另一端通過擋板支架接擋板，它相對法蘭盤偏心5.5mm，真空導(dǎo)管一端焊在法蘭盤中心，底板上面裝有光電控制系統(tǒng)，組成的光電控制、電機(jī)驅(qū)動、磁力耦合的正弦運(yùn)動的軟動作快門。
文檔編號G03B7/08GK2108313SQ9122897
公開日1992年6月24日 申請日期1991年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月26日
發(fā)明者劉雙, 楊中興, 黃綺, 周均銘, 袁樊森 申請人:中國科學(xué)院物理研究所