Automatización de un sistema para el depósito utilizando instrumentación virtual
I
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
transporte de vapor en espacio reducido combinado con evaporación libre (CSVT-FE
por sus siglas en inglés). En esta técnica, el control y monitoreo de la temperatura es
crítica 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 laboratorio de semiconductores
ternarios del CICATA-IPN, Altamira se cuenta con esta técnica de crecimiento, en la
cual el control se realizaba de forma manual, variando la perilla de las fuentes de
corriente, y el registro del comportamiento de la temperatura, se efectuaba a través
de lectores de termopares digitales, con la dificultad de manipular durante un proceso
de evaporación 3 fuentes de corriente al mismo tiempo. En este trabajo se presenta
la automatización, mediante instrumentación virtual, de la técnica de crecimiento
CSVT-FE. El programa de cómputo desarrollado, permite monitorear y controlar la
temperatura de tres bloques
construidos
a base de grafito, haciendo variar la
corriente que es suministrada a los bloques utilizando tres fuentes programables. Así
mismo, permite ir almacenando en un archivo de texto el comportamiento de la
temperatura del proceso para su posterior análisis.
II
JUSTIFICACIÓN
Es del interés de investigadores
del grupo de
Materiales y dispositivos opto
electrónicos del CICATA-IPN Altamira, y en general de todo grupo de investigación,
la Automatización de sus laboratorios. Para este grupo de investigadores su interés
primordial es implementar diversos métodos controlados para el depósito de
películas delgadas de materiales semiconductores. Para ello requieren el control y
y químicos llevados a cabo en los
monitoreo de diversos fenómenos físicos
III
OBJETIVO GENERAL Y ESPECÍFICO
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un sistema de monitoreo y control térmico para el proceso de
crecimiento de películas delgadas de materiales semiconductores por la técnica
CSVT-FE.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
•
•
Instalación del Hardware.
Desarrollo de un programa de cómputo, para monitoreo y control
de temperatura utilizando Instrumentación virtual.
•
Implementar el algoritmo de control adecuado para el sistema de
calentamiento.
•
Sintonizar el controlador.
IV
CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA EN QUE SE PARTICIPÓ
En el Laboratorio de Semiconductores Ternarios del área de Materiales Opto
electrónicos del Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada
(CICATA), del Instituto Politécnico Nacional (IPN), de Altamira, Tamaulipas es donde
se llevó acabo este proyecto. En este laboratorio se elaboran películas delgadas de
materiales semiconductores, mediante técnicas como CSVT (close space vapor
transport), serigrafía (screen printing) y reacción en estado sólido, todas ellas con
posibles aplicaciones en la elaboración de celdas solares y sensores.
V
ALCANCES Y LIMITACIONES
Se realizó la instalación de todo el sistema para efectuar el monitoreo de la
temperatura y el calentamiento de los bloques de grafito, así como la automatización
de este, mediante un programa de cómputo desarrollado utilizando el lenguaje de
programación Labview. Este programa realiza el control térmico, despliega las
gráficas del comportamiento del proceso y permite el almacenamiento digital de éste.
Dicho programa cuenta con un algoritmo de control P.I.D., con el cual se realiza el
control. Se pueden programar funciones de comportamiento para la temperatura
(escalón, rampa, isoterma), a intervalos de tiempo definidos para tres bloques de
grafito. Esto permite que los procesos de calentamiento puedan ser repetibles. Los
datos del proceso pueden ser almacenados en archivos de texto para posteriormente
ser analizados.
El programa cuenta con una sintonización predeterminada óptima, que se
realizo manualmente del subprograma de control y permite modificar los parámetros
de sintonización de este, pero carece de una auto sintonización. Si algún elemento
del sistema es cambiado, hay que sintonizar de nuevo el controlador.
VI
Símbolos
e[k]Error de la señal muestreada
ei[k] Sumatoria del error de la señal muestreada.
ei[k -1] Sumatoria del error de la señal muestreada hasta el periodo anterior
ed[k] Error diferencial de la señal muestreada.
G Función de transferencia o ganancia del sistema
Gc(s) Función de transferencia de laso cerrado (closed)
Go(s)Función de transferencia de lazo abierto (opened)
Kd Ganancia diferencial
Ki Ganancia integral
K p Ganancia proporcional
I Corriente
m Pendiente de la función
?I (s) Entrada, valor de referencia
?o(s)Salida, variable controlada
? A Salida de la suma de dos o más acciones de control
?d Salida del controlador diferencial
?i Salida del controlador integral
? p Salida del controlador proporcional
ti Tiempo inicial de sincronización
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