1. 引言

在真空镀膜过程中，基片温度是决定薄膜微观结构和宏观性能的核心工艺参数之一。例如，在光学薄膜沉积中，温度影响薄膜的折射率和散射损耗；在工具涂层中，温度决定了涂层的附着强度和耐磨性。传统的镀膜机通常采用简单的温控仪表配合接触式加热器，控温方式粗放，导致不同批次产品性能波动大，成品率低。

随着对薄膜质量要求的不断提高，对温控系统的精确性、稳定性和重复性提出了严峻挑战。因此，对现有真空镀膜机的温控系统进行技术改造，已成为提升设备性能与产品竞争力的关键途径。

2. 传统温控系统存在的问题分析

通过对老旧设备的调研，其温控系统主要存在以下瓶颈：

• 加热均匀性差：单一加热区或简单的加热布局，导致腔体内温度场分布不均，基片不同位置温差可能超过20℃，严重影响膜厚均匀性。

• 控制算法落后：传统PID控制器参数固定，难以应对真空环境下热传导方式变化（对流消失，以辐射和传导为主）、热容大、滞后严重等复杂工况，易出现超调或振荡。

• 测温精度与响应速度不足：使用的热电偶老化或安装位置不合理，无法准确反映基片表面的真实温度。

• 自动化程度低：无法执行复杂的升温-保温-降温工艺曲线，依赖人工经验，重复性差。

3. 温控系统改造的关键技术方案

3.1 硬件系统升级

1. 加热方式改进：

• 多区独立控温：将加热器划分为多个独立控制的区域，通过调节各区的功率输出，补偿腔体边缘的热损失，从而实现整个加热平面的均匀温场。

• 新型加热元件：采用红外石英加热管或钼片加热器，其热响应速度快，热辐射效率高，尤其适合高真空环境。

• 感应加热：对于需要局部高温或快速加热的工艺，可采用高频感应加热方式，实现对坩埚或特定部件的非接触式高效加热。

2. 测温系统优化：

• 接触式测温：选用精度更高的K型或S型热电偶，并将其安装在更接近热负载（基片架）的位置。采用多点测温，为多区控温提供反馈。

• 非接触式测温：引入红外测温仪，直接测量基片表面温度，避免了因接触热阻带来的测量误差，响应速度极快。缺点是易受视窗污染和发射率变化的影响。

3.2 控制策略的智能化升级

这是改造的核心，旨在提升系统的动态性能和稳态精度。

• 先进PID控制：

• 模糊PID控制：将模糊逻辑与PID结合。利用模糊规则在线整定PID参数（Kp, Ki, Kd）。在升温阶段，采用较大的Kp以加快响应；在接近设定温度时，自动减小Kp并增强积分作用以消除静差。此法能有效抑制超调，适应对象特性的变化。

• 自适应PID控制：控制系统能够自动识别被控对象的动态特性（如通过阶跃响应），并据此调整PID参数，对长期运行中系统特性缓慢变化的场合尤为有效。

• 控制系统架构实现：

• 将先进的控温算法集成于PLC或专用的智能温控模块中。PLC负责接收各路温度信号，执行控制算法，并输出控制量给固态继电器或调功器，从而精确调节加热功率。

4. 系统集成与效果评估

4.1 系统集成
成功的改造不仅是更换硬件，更是系统的深度融合：

• 通信集成：智能温控器或PLC温控模块通过PROFIBUS-DP或PROFINET总线与上位机通信。

• 软件集成：在上位机监控软件中开发温控专用界面，实现温度曲线的设定、存储、调用与实时监控。将温度参数作为整个镀膜工艺配方的一部分，实现全自动联动控制。

4.2 改造效果
根据文献报道与实际案例，改造后可实现以下效益：

• 控温精度：稳态控制精度可从改造前的±5℃提升至±1℃甚至更高。

• 温度均匀性：腔体内有效工作区的温度均匀性可控制在±3℃以内。

• 工艺重复性：自动化执行复杂的工艺曲线，消除了人为因素，批间重复性极大提高。

• 能耗降低：精确的功率控制避免了能源的浪费。

  

5. 结论与展望

对真空镀膜机温度控制系统进行技术改造，是挖掘设备潜力、提升产品档次的必由之路。通过硬件升级（多区加热、精确测温） 与软件优化（智能控制算法） 相结合，并最终集成于分布式控制系统，能够构建一个响应快、精度高、适应性强的现代化温控子系统。

未来，随着预测控制、神经网络等更先进算法的引入，以及数字孪生技术在镀膜工艺中的深度应用，温控系统将朝着更高程度的智能化、预测化和自适应化方向发展，为实现“精确制造”奠定坚实基础。

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