dissert rafael r buso 1.pdf

Universidade Federal do Triangulo Mineiro

Rafael Rocha Buso

Projeto e construção de uma fonte de alta tensão DC para aplicação em

pulverização catódica

Uberaba

2016

Rafael Rocha Buso

Projeto e construção de uma fonte de alta tensão DC para aplicação em

pulverização catódica

Dissertação apresentada ao

Programa de Mestrado Profissional

em Inovação Tecnológica - PMPIT,

da Universidade Federal do Triangulo

Mineiro como requisito parcial para

obtenção do título de Mestre.

Orientador: Prof. Dr. Rogério

Valentim Gelamo.

Uberaba,

2016

Cat a log açã o na fo n t e : B ib l io t e ca da Unive rs idade Fed e ra l d o T riân gu lo M ine i ro

Buso, Rafael RochaB985p Projeto e construção de uma fonte de alta tensão DC para aplicação

em pulverização catódica / Rafael Rocha Buso. -- 2016. 67 f. : il., fig., graf., tab.

Dissertação (Mestrado Profissional em Inovação Tecnológica) --Universidade Federal do Triângulo Mineiro, Uberaba, MG, 2016

Orientador: Prof. Dr. Rogério Valentim Gelamo

1. Eletricidade. 2. Filmes finos. 3. Superfícies (Tecnologia). 4. Alta voltagem. 5. Plasma. I. Gelamo, Rogério Valentim. II. Universidade Federal do Triângulo Mineiro. III. Título.

CDU 621.3.031

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

(CNPQ) por ter concedido o apoio financeiro necessário para a aquisição dos

componentes da fonte.

Ao Prof. Rogério Valentim Gelamo pelas orientações, ensinamentos,

compreensão e dedicação extra despendida na realização deste trabalho.

À minha esposa Patrícia Beatriz Quintino Pereira pela compreensão, auxilio

nas leituras do texto e paciência.

Agradeço também ao amigo e colega de mestrado, Robson Borges Rodrigues,

pelas discussões técnicas que resultaram na melhoria do projeto.

Agradeço a todos os professores e colegas de mestrado pelo aprendizado e

bom convívio que tivemos durante o curso e que não foram citados diretamente.

RESUMO

Este trabalho de mestrado está relacionado ao projeto e construção de uma

fonte de alta tensão DC variável para utilização em um sistema de deposição de filmes

finos diversos por pulverização catódica. A fonte tem como características, tensão de

0 a 1400 V e corrente de 1A, gerando uma potência máxima de 1400 W. A fonte foi

instalada em um sistema de alto vácuo pré-instalado no Laboratório de Filmes Finos

e Processo de Plasma da universidade Federal do triangulo Mineiro e eletricamente

acoplada a um canhão magnetron. A fonte permite a deposição de filmes de qualquer

tipo de metal, seus óxidos ou seus nitretos, sobre qualquer tipo de substrato sólido.

Como aplicação, estudou-se nesse trabalho as características elétricas e morfológicas

de três filmes metálicos em diferentes espessuras, sendo eles, aço inoxidável 304,

cobre e tungstênio. A espessura foi obtida com um perfilômetro e a morfologia e a

rugosidade da superfície, obtidas por microscopia de força atômica. Foram obtidas as

resistências de folha e resistividade através de uma estação de medidas elétricas. As

espessuras máximas encontradas para o aço inoxidável 304, cobre e tungstênio foram

respectivamente de 70 ± 2,7 nm, 156 ± 9,7 nm e 92,8 ± 2,9 nm. As resistividades

chegaram a 7.4±0.4 x 10-7 .m, 5.5±0.4 x 10-8 .m e 9.9±0.4 x 10-6 .m para o Aço

inox 304, cobre e tungstênio respectivamente.

Palavras chaves: Projeto, pulverização catódica, fonte de alta tensão, plasma

ABSTRACT

This work is related to project and construction of a variable DC high voltage

power supply to be used in a system of thin films deposition by sputtering. The

characteristics of the source are tension from 0 to 1400 Volts and 1A current,

generating a maximum electric power of 1400 W. The source was installed in a high

vacuum system in the Filmes Finos e Processos de Plasma Laboratório (Thin Film and

Plasma Process Laboratory) and electronically connected to a magnetron ion gun. The

source allows the film deposition of several kind of metal, its oxides or its nitrates,

under any kind of solid subtract. As the application form, it was studied in this work,

the electrical and morphological characteristics of three metallic films from different

thickness, being them, stainless steel, copper and tungsten. The thickness was

obtained with a profilometer and the surface morphology and roughness obtained by

atomic force microscopy. It was obtained the resistances and the resistivity of the sheet

through a station of electric measure. The maximum thickness found for the 304

stainless steel, copper and tungsten were respectively 70 ± 2.7 nm ± 9.7 156 ± 2.9 nm

and 92.8 nm. The resistivities reached 7.4 ± 0.4 x 10-7 .m, 5.5 ± 0.4 x 10-8 .m and

9.9 ± 0.4 x 10-6 .m for 304 stainless steel, copper and tungsten respectively.

Key word: sputtering, high voltage power supply, cold plasmas, thin films.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ....................................................................................... 12

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................. 13

2.1. PULVERIZAÇÃO CATÓDICA ......................................................... 13

3. MATERIAIS E MÉTODOS ..................................................................... 15

3.1. PROJETO E CONSTRUÇÃO DA FONTE DE TENSÃO ................. 15

3.1.1. Fonte de tensão chaveada .............................................................. 15

3.1.2. Fonte de tensão linear .................................................................... 16

3.1.3. Fonte chaveada comparada com fonte linear ................................. 16

3.1.4. Tecnologia escolhida ...................................................................... 19

3.1.5. Projeto mecânico ............................................................................ 20

3.1.5. Gabinete.......................................................................................... 20

3.1.6. Conector e Isolador da saída de alta tensão ................................... 22

3.1.7. Projeto elétrico ................................................................................ 24

3.1.7.1. Chave geral ............................................................................... 24

3.1.7.2. Varivolt ...................................................................................... 25

3.1.7.3. Transformador elevador 110-220 / 1000 V ............................... 26

3.1.7.4. Retificador e filtro capacitivo ..................................................... 27

3.1.7.5. Circuito de amostragem de tensão e corrente .......................... 30

3.1.7.5.1. Placa de circuito impresso do retificador, filtro e circuito de amostragem 32

3.1.7.6. Circuito de monitoramento e controle ....................................... 33

3.1.7.6.1. Circuito de alimentação ...................................................... 34

3.1.7.6.2. Interface Homem/máquina .................................................. 34

3.1.7.6.3. Circuito de entrada do sinal de tensão e corrente amostrados 35

3.1.7.6.4. Circuito microcontrolador .................................................... 36

3.1.8. Considerações sobre o projeto da fonte ......................................... 42

3.2. DEPOSIÇÕES DOS FILMES FINOS DE METAIS DIVERSOS ...... 43

3.3. CARACTERIZAÇÃO DOS FILMES PRODUZIDOS ........................ 44

3.3.1. Resistencia de folha ..................................................................... 44

3.3.2. Espessura .................................................................................... 47

3.3.3. Morfologia e rugosidade .................................................................. 49

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................... 52

4.1. ANALISE DAS AMOSTRAS DE FILMES PRODUZIDOS ............... 53

4.1.1. Aço inoxidável 304 .......................................................................... 53

4.1.1.1. Medidas de morfologia de superfície para o aço inoxidável 304 54

4.1.2. Cobre .............................................................................................. 57

4.1.2.1. Medidas de morfologia de superfície para o cobre ................... 58

4.1.3. Tungstênio ...................................................................................... 61

4.1.3.1. Medidas de morfologia de superfície para o tungstênio ............ 62

5. CONCLUSÕES ...................................................................................... 66

6. BIBLIOGRAFIA ...................................................................................... 67

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Processo de pulverização catódica ............................................................. 14

Figura 2 � regulagem chaveada x regulagem linear.................................................... 18

Figura 3- (a) Imagem da Fonte completa, (b) Parte inferior, (c) Parte superior .......... 21

Figura 4 - Conector isolador ........................................................................................ 23

Figura 5- Instalação do conector isolador .................................................................... 23

Figura 6-Diagrama de blocos do circuito elétrico da fonte ........................................... 24

Figura 7-Elementos internos da fonte de tensão ......................................................... 25

Figura 8 - Transformador 110-220 V / 1000 V ............................................................. 27

Figura 9 - Retificador em ponte (azul), filtro capacitivo (verde) e circuito de amostragem (vermelho) ................................................................................................................... 28

Figura 10 - Optoacoplador linear com IL300 ............................................................... 31

Figura 11 - PCI retificador, filtro e circuito de amostragem de tensão e corrente ....... 32

Figura 12- Circuito de monitoramento e controle ........................................................ 33

Figura 13- Elementos da interface homem/máquina. .................................................. 35

Figura 14- Fluxograma da programação ..................................................................... 38

Figura 15- Telas do mostrador gráfico ......................................................................... 40

Figura 16 - PCI do circuito de monitoramento de controle .......................................... 42

Figura 17 - Posição das amostras durante o processo de pulverização catódica. ...... 43

Figura 18 - Método de medida de quatro pontas ......................................................... 45

Figura 19 -Princípio de funcionamento do perfiômetro ................................................ 48

Figura 20 -perfilômetro Dektak D150........................................................................... 48

Figura 21 - Princípio de funcionamento de um AFM ................................................... 49

Figura 22 - Shimadzu SPM9700 (a) partes do equipamento, (b) foto no LFFPP ........ 51

Figura 23- Variação da resistividade em função da espessura para as amostras de aço inoxidável 304. A linha que liga os pontos do gráfico possui mera função de orientação visual e não representa uma linha de tendência. ........................................................ 54

Figura 24 -Morfologia da amostra 1 de aço inoxidável 304, espessura de 70,04 nm .. 55

Figura 25 - Morfologia da amostra 2 de aço inoxidável 304, espessura de 56,76 nm . 55

Figura 26 -Morfologia da amostra 3 de aço inoxidável 304, espessura de 46,96 nm .. 56

Figura 27 - Morfologia da amostra 4 de aço inoxidável 304, espessura de 26,33 nm . 56

Figura 28 - Variação da resistividade em função da espessura para as amostras de cobre. A linha que liga os pontos do gráfico possui mera função de orientação visual e não representa uma linha de tendência. ..................................................................... 58

Figura 29 - Morfologia da amostra 1 de cobre, espessura de 156 nm ........................ 59

Figura 30 - Morfologia da amostra 2 de cobre, espessura de 138,7nm ...................... 59

Figura 31 - Morfologia da amostra 3 de cobre, espessura de 104,25 nm ................... 60

Figura 32 - Morfologia da amostra 4 de cobre, espessura de 21,34 nm ..................... 60

Figura 33 - Variação da resistividade em função da espessura para as amostras de tungstênio. A linha que liga os pontos do gráfico possui mera função de orientação visual e não representa uma linha de tendência. ........................................................ 62

Figura 34 - Morfologia da amostra 1 de tungstênio, espessura de 92,8 nm ................ 63




LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Condições de deposição dos filmes finos de cobre, aço inoxidável e tungstênio .................................................................................................................. 44

Tabela 2 � especificações do perfilômetro Dektak D150 .......................................... 48

Tabela 3 � especificações técnicas do AFM Shimadzu SPM9700 ............................ 52

Tabela 4- Medidas dos filmes de aço inoxidável 304 ................................................ 53

Tabela 5- medidas dos filmes de cobre ..................................................................... 57

Tabela 6 - Medidas dos filmes de tungstênio ............................................................ 61

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

NA Normalmente aberto

NF Normalmente fechado

12

1. INTRODUÇÃO

Os processos de metalização de superfícies se tornaram comuns na

indústria e na pesquisa científica. A metalização de embalagens para alimentos,

faróis automobilísticos e o recobrimento de peças mecânicas com a finalidade

de aumentar a resistência à oxidação ou corrosão são alguns exemplos de

aplicações na indústria (Chen, Wong, & Yeh, 2005).

Tradicionalmente, deposições de camadas metálicas ou multicamadas de

óxidos complexos são realizadas por meio de processos químicos, como a

deposição por vapor químico (CVD) (De Keijser & Dormans, 1996) e o sol-gel

(Yi, Wu, & Sayer, 1989), ou por processos físicos consolidados tais como a

pulverização catódica (sputtering), (Sreenivas, Sayer, & Garret, 1989),

(Takayama & Tomita, 1989) e a ablação a laser (laser ablation) (Auciello, et al.,

1993). Estes processos são amplamente difundidos no meio científico,

especialmente para o desenvolvimento de novos materiais na forma de filmes

ultrafinos, com espessura menor do que 100 nm. Os métodos de deposição a

partir de soluções químicas, geralmente permitem um maior controle da

estequiometria dos materiais utilizados. Porém, apesar de geralmente estarem

associados a uma infra-estrutura robusta e dispendiosa, os métodos físicos

proporcionam deposições de alta qualidade, especialmente se metais, como o

ouro (Au), prata (Ag), platina (Pt), níquel (Ni), cobre (Cu), entre outros (Lima,

Guarany, & Araujo, 2006).

No presente trabalho apresenta-se a construção de uma fonte de tensão

DC variável de 0 a 1400 V. Esta fonte será aplicada em um sistema físico de

pulverização catódica para a deposição de filmes de variados tipos de metais. A

fonte proposta baseia-se na tecnologia de fontes lineares, que possuem como

vantagem, a baixa emissão de ruídos eletromagnéticos, a simplicidade do

circuito eletrônico e maior segurança contra choques elétricos. Além do projeto

eletroeletrônico da fonte, também foi desenvolvido o projeto mecânico do

sistema. Tanto no projeto eletroeletrônico quanto no projeto mecânico foram

considerados aspectos funcionais, operacionais, estéticos e de segurança

durante o desenvolvimento do equipamento. Serão apresentadas análises de

propriedades físicas de filmes finos de três materiais diferentes depositados com

13

a técnica de pulverização catódica. Filmes de aço inoxidável 304, cobre e

tungstênio com diferentes espessuras tiveram suas morfologias e propriedades

elétricas estudadas e comparadas com valores existentes na literatura. A

viabilidade e eficiência da fonte é discutida ao final do trabalho.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. PULVERIZAÇÃO CATÓDICA

O fenômeno da pulverização catódica (sputtering) foi observado no final

do século XIX por diversos pesquisadores, mas sua aplicação como processo

de deposição de filmes se deu em 1877 (Wright, 1877). A partir de então os

equipamentos destinados ao processo evoluíram até atingirem a escala

industrial.

Quando íons são acelerados em alta velocidade contra um material alvo,

átomos desse alvo podem ser arrancados. Na prática, para que isso ocorra são

necessários, uma câmara com gás inerte em baixa pressão e um campo elétrico

suficiente para provocar a aceleração das partículas. Este processo é

denominado pulverização catódica (sputtering) e ocorre devido à transferência

de energia mecânica dos íons do gás inerte para os átomos do material do alvo.

O resultado desse fenômeno é a deposição de um filme metálico sobre toda a

parte interna da câmera de vácuo. O processo é ilustrado na Figura 1.

Durante o processo é possível observar uma radiação luminosa

denominada de plasma que é o resultado da ionização dos gases da câmara de

vácuo. A ionização é obtida graças a um campo elétrico gerado por uma fonte

DC ou de RF de alta tensão em uma pressão de aproximadamente 10-2 Torr.

Conforme a tensão elétrica aplicada aumenta, mais energia é transferida às

partículas carregadas do gás. Quando essas partículas atingem um nível de

energia suficiente, inicia-se um processo de produção de elétrons devido às

colisões com o catodo (alvo), esses elétrons são denominados elétrons

secundários. O aumento de elétrons livres dentro da câmara provoca o aumento

14

súbito da corrente, porém a tensão permanece estável. (Chapman, 1980; Berry,

Hall, & Harris, 1968) Uma segunda fase do processo é observada ao aumentar

ainda mais a tensão, nela as colisões dos íons positivos geram uma quantidade

ainda maior de elétrons secundários gerando uma reação em cadeia

autossustentável. Esta fase é denominada de região normal, nela ocorre uma

queda de tensão, aumento da corrente e da luminescência graças à descarga

do gás. Neste ponto o aumento gradativo da tensão leva à fase denominada de

descarga anormal, e esta é a fase adequada para produção de filmes com maior

uniformidade (Berry, Hall, & Harris, 1968) e (Chapman, 1980).

Figura 1 - Processo de pulverização catódica

Fonte: Elaborada pelo autor

A luminosidade emitida pelo plasma ocorre devido à perda de energia dos

elétrons durante o processo de decaimento eletrônico, quando os elétrons

retornam para uma camada eletrônica de menor energia. Na periferia há uma

região de menor luminescência denominada região escura do catodo (Nasser,

1971). Os elétrons dessa região, emitidos pelo catodo, irão percorrer uma

distância correspondente ao seu livre caminho médio. O livre caminho médio é

15

a distância média percorrida por uma molécula entre duas colisões (Halliday,

Resnick, & Walker, 2006). Nesse percurso ocorre a ionização dos átomos do

gás. Diminuindo-se o livre caminho médio é possível aumentar as colisões e

assim aumentar a taxa de deposição.

Uma técnica aplicada para se diminuir o livre caminho médio é a

implementação de um campo magnético no eletrodo. O efeito deste campo no

material alvo é a origem de uma força sobre os elétrons emitidos, fazendo com

que a trajetória dos mesmos seja espiralada. A trajetória espiralada (Reitz,

Milford , & Christy, 1982) diminui o livre caminho médio e consequentemente

aumenta a probabilidade de colisões (Kav, 1963). Sendo assim a introdução do

campo magnético possibilita ganho no processo de pulverização catódica

aumentando da taxa de posição sem a necessidade e variar outras condições,

como pressão e tensão aplicada.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. PROJETO E CONSTRUÇÃO DA FONTE DE TENSÃO

As fontes de tensão DC podem ser divididas em dois grupos: as fontes

lineares e as fontes chaveadas que terão suas propriedades, vantagens e

desvantagens descritas a seguir.

3.1.1. Fonte de tensão chaveada

Uma fonte chaveada é uma unidade de fonte de

alimentação eletrônica que incorpora um regulador chaveado, ou seja, um

circuito controlador interno que chaveia (comuta) a corrente, ligando e

desligando rapidamente, de forma a manter uma tensão de saída estabilizada.

Reguladores chaveados são utilizados para substituição de reguladores

lineares mais simples, quando uma eficiência maior, menor tamanho e maior

16

leveza são requeridos. Eles, entretanto, são mais complexos e mais caros, e o

chaveamento da corrente pode causar problemas de ruído danosos (tanto

eletromagnético quanto sonoro) se não forem cuidadosamente suprimidos

através de filtros apropriados e sistemas de blindagem eletromagnética. Além

disso, em projetos simples a razão entre a potência aparente e a potência ativa

pode ser baixa. Esta relação denomina-se fator de potência em sistemas

elétricos em corrente alternada. O fator de potência, portanto, indica o quanto de

potência aparente realmente está sendo transformada em trabalho (potência

ativa). Um baixo fator de potência indica que grande parte da potência aplicada

na fonte não está sendo transformada em trabalho e, portanto, está sendo

desperdiçada (Barbi, 2007) .

3.1.2. Fonte de tensão linear

Em uma fonte de alimentação do tipo linear, a tensão alternada da rede

elétrica é aumentada ou reduzida por um transformador, retificada por diodos ou

ponte de diodos retificadores para que somente os ciclos positivos ou os

negativos possam ser usados, a seguir estes são filtrados em filtros capacitivos

para reduzir o ripple (ondulação) e finalmente regulados pelo circuito regulador

de tensão que utilizam transistores trabalhando na região linear. (Robert & Louis,

1998) (Malvino, Eletrônica, 1997).

3.1.3. Fonte chaveada comparada com fonte linear

A seguir serão apresentadas características importantes que diferenciam

as fontes chaveadas das fontes lineares. De acordo com a aplicação, estas

características são determinantes para a escolha do tipo de fonte utilizada.

· Tamanho e peso. As fontes lineares são maiores e mais pesadas que as

fontes chaveadas. Nas fontes lineares a relação de potência / peso está em

torno de 0,5 KW / Kg enquanto que nas fontes chaveadas a relação está em

torno de 2 KW / Kg. Isto se deve às diferenças na frequência de trabalho

17

adotada em cada uma dessas tecnologias. Como as fontes de alimentação

lineares trabalham em baixa frequência geralmente de 50 ou 60 Hz, elas

necessitam de transformadores maiores e, portanto, mais pesados que as

fontes chaveadas que trabalham em frequências acima de 10 KHz. Isto se

explica porque, a capacidade de indução do enrolamento primário sobre o

secundário do transformador depende tanto da frequência de trabalho quanto

da área de secção transversal do núcleo, ou seja, ao aumentar-se a área ou

a frequência a capacidade de indução do transformador também aumenta,

sendo assim para frequências altas, como o caso das fontes chaveadas, o

núcleo pode ser menor e manter a mesma capacidade de indução que os

transformadores de fontes lineares em 60 Hz (Barbi, 2007).

· Eficiência. As fontes chaveadas são mais eficientes que as fontes lineares.

Em ambas as tecnologias a eficiência varia de acordo com a qualidade do

projeto eletrônico empregado, nas fontes lineares a eficiência varia entre 25%

a 50% e nas fontes chaveadas, a eficiência está entre 75% a 95%. Esta

característica se deve ao tipo de regulador de tensão adotado em cada um

dos tipos de fonte. Nas fontes lineares, o regulador de tensão utiliza

transistores operando na região linear. Nesta configuração o transistor opera

como resistor, causando uma queda de tensão em si para controlar a tensão

de saída (Boylestad, 2004). Esta configuração provoca uma dissipação de

potência considerável no regulador, que dependerá do valor da queda de

tensão e da corrente de carga. Já as fontes chaveadas utilizam regulador de

tensão trabalhando como chave. Nesta configuração a dissipação de

potência no regulador será mínima pois, considerando o transistor uma

chave, só haverá dissipação de potência no regulador nos intervalos de

transição do transistor, (Barbi, 2007). Nas condições de operação em que o

transistor está aberto ou fechado, a potência dissipada tende a zero. Com a

equação 1 e na figura 2 estas características podem analisadas.

! = " # $ (1)

18 Onde:

P � Potência (W)

V � Tensão (V)

I � Corrente (A)

Figura 2 � regulagem chaveada x regulagem linear

Fonte: elaborada pelo autor

· Complexidade. O projeto de uma fonte chaveada é mais complexo,

necessita de uma maior quantidade de componentes e características

especiais no layout da placa de circuito impresso para garantir a qualidade

do controle de tensão/corrente e também minimizar a emissão de ruídos

eletromagnéticos. Isto exige maior conhecimento e experiência de projeto. Já

as fontes lineares são simples, necessitam de menos componentes

eletrônicos e menores cuidados no projeto da placa de circuito impresso

(Barbi, 2007) (Boylestad, 2004). Baseado nesses fatores, o projeto de fontes

chaveadas apresenta maior custo e maior tempo de elaboração.

· Ruído. Devido à alta frequência do oscilador de uma fonte chaveada, grande

quantidade de radiação eletromagnética é emitida. Esta radiação pode

causar interferências em outros circuitos eletrônicos próximos caso não seja

tratada adequadamente por filtros de frequência devidamente calculados

juntamente com um sistema de blindagem. Já as fontes lineares, trabalhando

em baixa frequência, não emitem radiação com capacidade de interferir nos

19

circuitos digitais sensíveis à ruídos eletromagnéticos (Malvino, Eletrônica,

1997).

3.1.4. Tecnologia escolhida

Como apresentado no item anterior, as duas tecnologias de fonte de

tensão apresentadas apresentam vantagens e desvantagens. O critério de

escolha da tecnologia adotada para a construção da fonte deste projeto foi a

menor emissão de ruídos eletromagnéticos e a simplicidade do circuito

eletrônico. Isto se justifica em função da presença de um circuito digital que deve

ser instalado dentro do mesmo invólucro e que apresenta alta sensibilidade a

ruídos eletromagnéticos. Sendo este circuito responsável pelo controle da fonte,

qualquer interferência poderia causar travamentos e variações indesejáveis

durante o processo de produção de filmes. Embora seja possível reduzir a

emissão de ruídos de uma fonte chaveada a níveis satisfatórios, os sistemas de

filtragem e blindagem são complexos, principalmente quando se trata tensões

elevadas como é o caso do projeto em questão. Portanto a tecnologia adotada

neste projeto foi a das fontes lineares.

As especificações elétricas da fonte construída são as seguintes: tensão

de saída contínua variável de 0 a 1400 V e corrente máxima de saída de 1 A. O

projeto procura atender as exigências mecânicas, elétrica e de segurança,

necessárias ao processo de pulverização catódica e foi dividido em três partes

básicas: projeto mecânico, projeto eletrônico e programação de

microcontrolador.

20 3.1.5. Projeto mecânico

A seguir são apresentados os critérios adotados na elaboração do projeto

do equipamento. Os detalhes de projeto podem ser encontrados no anexo 1.

· Distâncias mínimas necessárias entre as partes energizadas

considerando a faixa de tensão de trabalho para evitar a condução e/ou

formação de arcos elétricos. Para a determinação das distâncias entre as

partes energizadas foi considerado a rigidez dielétrica do ar que é de

3000 V/mm;

· Segurança contra o choque elétrico. Todas as partes que oferecem risco

de choque elétrico foram isoladas adequadamente utilizando o

Policloreto de Vinila (PVC) como material isolante;

· Fixação mecânica adequada dos componentes através de parafusos de

rosca soberba;

· Volume adequado para acomodar os componentes internos da fonte;

· Critérios de estética do gabinete da fonte foram considerados visando

valorizar a qualidade do produto;

Todos os desenhos do projeto mecânicos foram desenvolvidos em

software 3D (solidWorks versão 2014) e serão apresentados na próxima secção.

3.1.5. Gabinete

Nas Figuras 3a, b e c, pode-se observar o gabinete completo, a parte

inferior (parte fixa) e superior do gabinete (parte móvel) separadamente.

21

O gabinete da fonte foi projeto e fabricado em chapa dobrada de aço

carbono AISI 1020 de 1,5 mm para garantir a robustez mecânica necessária ao

equipamento que precisa suportar uma massa própria total de aproximadamente

30 Kg. Os cortes, encaixes e janelas de ventilação foram obtidos pelo processo

de corte a laser. A máquina de corte a laser utilizada foi a TruLaser 3030 (L20)

com dimensões máximas de corte de 3000 mm no eixo x, 1500 mm no eixo y e

115 mm no eixo z. As espessuras máximas de corte são de 25 mm para o aço

carbono, 20 mm para aço inoxidável e 10 mm para o alumínio. O gabinete é

composto por duas partes: uma parte fixa, base para montagem dos

componentes, e uma parte móvel: fixada por parafusos, que dá acesso aos

componentes da fonte e também é utilizada para fixação das alças de transporte.

Figura 3- (a) Imagem da Fonte completa, (b) Parte inferior, (c) Parte superior

(a)

(b)

(c)


22 O detalhamento das partes que compõem o gabinete pode ser visualizado

no anexo 1 deste trabalho.

3.1.6. Conector e Isolador da saída de alta tensão

O conector e isolador de saída de alta tensão (CI) é composto por um

conjunto de três peças e as imagens deles são apresentadas nas Figuras 4 e 5.

O CI é um elemento de grande importância para o funcionamento

adequado da fonte. É ele que faz a interface da fonte com o ambiente externo

fornecendo a tensão para a câmara de vácuo sem perdas e com segurança. O

material escolhido para a construção do CI foi o PVC rígido. De acordo com os

fabricantes de PVC, ele possui uma rigidez dielétrica entre 15 a 20 KV / mm.

Para este projeto, considerando que a menor distância ente polos energizados

é de 28mm e que a tensão máxima de saída entre esses polos é de 1400V, a

rigidez dielétrica necessária pode ser encontrada pela equação 2 e será igual a

50V / mm logo, a rigidez dielétrica do PVC está acima da rigidez dielétrica

necessária, portanto, o PVC é um material adequado para ser aplicado como

isolante.

%& = '()* (2)

Onde: RD - rigidez dielétrica necessária;

Vs � Tensão de saída;

lp - distância entre os polos;

O CI é composto por um conjunto de três peças e as imagens delas são

apresentadas nas Figuras 4 e 5a e b. As peças foram fabricadas pelo processo

de fresamento em uma fresadora CNC.

23 Os detalhamentos mecânicos das peças do CI estão apresentados no

anexo 1.

Figura 4 - Conector isolador


Figura 5- Instalação do conector isolador

(a)

(b)


24 3.1.7. Projeto elétrico

O projeto elétrico foi totalmente desenvolvido utilizando o software Altium

Designer versão 14.3.10. Na figura 6, é possível observar o diagrama de blocos

da fonte.

Cada umas das partes do diagrama de blocos serão descritas a seguir.

3.1.7.1. Chave geral

Como chave geral, utiliza-se um contator da série SIRIUS do fabricante

Siemens com capacidade de 10 A, cinco contatos normalmente abertos (NA) e

três contatos normalmente fechados (NF). Através desses contatos realiza-se

duas operações fundamentais no equipamento. Os contatos abertos, que são

designados pelos números 13-14 e 43-44, são usados para a energização da

fonte e são fechados logo que a fonte é ligada pela chave ON/OFF e o botão

SET/RESET for acionado, desde que as condições de segurança sejam

atendidas, ou seja, porta de acesso à câmara de vácuo estiver fechada e o ajuste

de tensão do varivolt em 0 V. A outra operação, visa atender critérios de


Figura 6-Diagrama de blocos do circuito elétrico da fonte

25

segurança. Neste caso utiliza-se três contatos NF, designados no contator pelos

números 21-22, 61-62 e 71-72, eles são utilizados para descarregar os

capacitores sempre que a fonte for desligada, levando a tensão de saída à zero.

O proposito disso é evitar o choque elétrico devido a tensão armazenada nos

capacitores. A Figura 7 mostra o contator utilizado e a posição onde ele está

montado na fonte.

3.1.7.2. Varivolt

Varivolt é o nome adotado para o autotransformador com tensão de saída

variável que é utilizado para aplicar a tensão no enrolamento primário do

transformador elevador de tensão de 220V/1000 V. A função deste equipamento

é permitir a variação da tensão de entrada do transformador de 0 V a 230 V rms

e consequentemente variar a tensão de saída de 0 V a 1000 V rms do

enrolamento secundário do transformador elevador de tensão. O Varivolt possui

as seguintes especificações:

· Tensão de entrada: 220 V

· Tensão de saída variável: 0 a 230 V

Figura 7-Elementos internos da fonte de tensão


26

· Potência: 1,5 KVA

· Dimensões: 115 mm de comprimento de 100 mm de diâmetro.

· Peso: 3,5Kg.

Há também, acoplado ao cursor do varivolt, uma chave fim de curso que

indica quando o ajuste de tensão do mesmo está em 0 V. O sinal desta chave é

utilizado pelo circuito de controle como um critério de segurança, ou seja, a fonte

só é ligada ao acionar a chave SET/RESET se a chave fim de curso do varivolt

estiver indicando que o ajuste de tensão está em 0 V. A Figura 9 mostra o varivolt

juntamente com a chave fim de curso e a posição em que eles estão montados

no equipamento.

3.1.7.3. Transformador elevador 110-220 / 1000 V

O transformador elevador utilizado neste projeto (figura 8) foi fabricado

pela empresa MInuzzi, especializada em transformadores de baixa frequência e

de pequena e média potência. Opera na frequência da rede elétrica, ou seja,

60Hz. O núcleo é fabricado com lâminas de ferro/silício do tipo EI, ou seja, um

grupo de lâminas tem o formato da letra E e outro grupo tem o formato da letra

I. Ao serem montada juntas, fecham o circuito magnético do transformador. Em

torno dessas laminas são enroladas as espiras do transformador. A lâmina de

ferro/silício é assim chamada por ser uma liga composta por ferro e silício em

proporções que variam de acordo com a aplicação do transformador. O ferro

garante uma alta permeabilidade magnética e o silício reduz a condutividade

elétrica, reduzindo assim as correntes parasitas formadas no núcleo devido á

indução eletromagnética. As especificações elétricas do transformador são:

· Tensão de entrada: 110/220 V.

· Tensão de saída: 1000 V.

· Corrente de saída máxima: 1 A.

· Dimensões: comprimento 180 mm, largura 180 mm e altura 150

mm.

· Peso: 20Kg.

27 Para este equipamento a tensão de entrada adotada foi de 220 V. Há

vantagens e desvantagens em se utilizar um transformador de baixa frequência

de operação para essa faixa de tensão e potência de saída. Dentre as vantagens

pode-se destacar a baixa emissão de ruídos eletromagnéticos, extremamente

prejudiciais ao circuito de controle que utiliza microcontrolador com baixa

imunidade a ruídos. Uma desvantagem desse tipo de transformador é o grande

volume e peso para a potência e frequência nominais necessárias. A Figura 8

mostra o transformador utilizado.

Figura 8 - Transformador 110-220 V / 1000 V


3.1.7.4. Retificador e filtro capacitivo

No processo de pulverização catódica a tensão utilizada para a formação

do campo elétrico deve ser contínua. Assim, após a elevação da tensão através

do transformador elevador, a tensão precisa ser retificada e filtrada. A retificação

é feita através de um circuito em ponte de diodos do tipo 1N4007, Figura 9 (azul).

Este diodo possui uma tensão máxima reversa de 1000 V e uma capacidade de

corrente direta de 1 A. Após a retificação e filtragem a tensão de saída pode

atingir de 1400 V. Assim, dois diodos foram associados em série em cada ramo

da ponte retificadora, garantindo uma tensão máxima reversa de 2000 V, uma

margem de segurança de 1,42 vezes da tensão máxima de saída. Quanto ao

critério de capacidade de corrente, a ponte retificadora respeita uma margem de

segurança de duas vezes, uma vez que a corrente máxima de trabalho é de 1 A

e que a corrente em cada diodo em uma ponte é metade da corrente da carga

(Malvino, Eletrônica, 1997).

28 Após a retificação em onda completa, tem-se o filtro capacitivo composto

por 40 capacitores de 68 µF / 400 V. Os capacitores foram associados de forma

mista, conforme mostrado na Figura 9 (verde), totalizando uma capacitância de

170 µF. Os cálculos para determinação dos diodos e dos capacitores (Robert &

Louis, 1998) são demonstrados a seguir:

Fonte : elaborada pelo autor

Primeiramente estabelece-se o valor da tensão de ripple desejada. A

tensão de ripple é o valor de tensão rms da ondulação de pico a pico da tensão

retificada e filtrada por capacitores. Neste projeto o valor da tensão de ripple

escolhida foi de 0,5% da tensão máxima da fonte que é de 1400 V, considerando

a corrente máxima de 1 A. Portanto determina-se o valor do capacitor de filtro

considerando uma tensão de ripple de aproximadamente 7 V, frequência de

ripple de 120 Hz para retificadores de onda completa em sistemas elétricos de

60 Hz e corrente máxima de saída de 1 A. Através da equação 3.1 é possível

determinar o valor da capacitância necessária (Robert & Louis, 1998):

Figura 9 - Retificador em ponte (azul), filtro capacitivo (verde) e circuito de amostragem (vermelho)

29

"+,+-./ = 01234567 (3.1)

Onde: "+,+-./ � tensão de riplle ; $87 � Corrente media do capacitor; 9 �

frequência e : � capacitância.

Agrupando a eq. 3.1 em função de C, tem-se a eq 3.2.

: = 0123456';,;<(/ > : = ?345 #?@A#B > : = CDCEFG HI (3.2)

Como os capacitores adquiridos para o projeto possuem uma

capacitância de 68 µF / 400 V, para atingir a capacitância necessária e atender

a especificação de tensão de trabalho de 1400 V, adotou-se uma associação

mista de 40 capacitores de acordo com a Figura 9 (verde). Por possuírem o

mesmo valor de capacitância e tensão, eles serão designados pelo símbolo C.

Primeiramente, são associados 10 capacitores de 68 µF / 400 V em paralelo, a

associação paralela de capacitores provoca o aumento da capacitância

equivalente resultando em um valor de 680 µF conforme mostrado na eq 3.3. Já

a tensão de trabalho, segundo a Lei de Kirchhoff, permanece a mesma em uma

associação Paralela (Boylestad, 2004).

Para o aumento de tensão, adotou-se uma associação em série com 4

capacitâncias equivalente de 680 µF/400 V resultantes da associação paralela

descrita, alcançando uma tensão de trabalho de 1600 V, pois, segundo a Lei de

Kirchhoff, em um circuito série, a soma das tensões parciais é igual à tensão total

(eq 3.4), já a capacitância nesta associação sofre uma diminuição (Boylestad,

2004) pois em um circuito série a capacitância é calculada segundo a equação

(3.5) resultando em um valor de 170 µF. Assim o resultado final será uma

capacitância de 170 µF e uma tensão de trabalho de 1600V, um valor de

capacitância bem próximo ao valor de projeto que é de 171,83 µF e um valor de

tensão de trabalho de 1,14 vezes maior que a tensão máxima de trabalho da

fonte atendendo as especificações do projeto.

:JK = : L CM (3.3)

:JK = NFM HI

30

"7,OPOQ)/ = "7 R "7 R "7 R "7 (3.4)

"7,OPOQ)/ = SMM R SMM R SMM R SMM

"7,.é+TJ/ = CNMM "

:.é+TJ = ?UVWUVWUVWUV (3.5)

:.é+TJ = CCNFM R CNFM R CNFM R CNFM

:.é+TJ = CDM HI

Através do circuito da figura 9, pode-se observar que o polo positivo da

fonte é aterrado. Esta é uma particularidade dos processos de pulverização

catódica que precisam produzir um campo elétrico negativo em relação à massa

aterrada da câmera de vácuo. Esta necessidade implica em importantes

cuidados no circuito de amostragem que serão explicadas a seguir.

3.1.7.5. Circuito de amostragem de tensão e corrente

O circuito de amostragem de tensão e corrente mostrado na Figura 9

(vermelho) tem como propósito gerar um valor proporcional à tensão e à corrente

medidas na saída da fonte que esteja dentro da faixa nominal de leitura da

entrada analógica do microcontrolador e posteriormente serem indicadas no

mostrador gráfico. Além de abaixar a tensão para um valor adequado, é

necessário optoacoplar o sinal de tensão e de corrente que será enviado ao

microcontrolador, ou seja, transmitir o valor amostrado através de um

acoplamento óptico sem contato elétrico (Smith & Sedra, 2007). Como o circuito

retificador e filtro capacitivo de alta tensão possuem o polo positivo aterrados,

com o acoplamento óptico é possível isolar totalmente o circuito de alta tensão

em relação ao circuito de monitoramento e controle, com isso, a referência da

tensão do circuito de monitoramento e controle pode e passa a ser o polo

31

negativo da fonte auxiliar que alimenta o mesmo. Além de permitir a mudança

de referência de tensão, o acoplamento óptico garante maior segurança na

operação da fonte através dos botões que estão ligados diretamente ao circuito

de monitoramento e controle por garantir o isolamento elétrico entre este circuito

e o circuito de alta tensão (Robert & Louis, 1998).

O circuito integrado optoacoplador escolhido foi o IL300. Enquanto a

maioria dos optoacopladores trabalham somente com sinais digitais, este chip

permite o acoplamento óptico de sinais analógicos (Vishay, 2012). E para que o

acoplamento do sinal seja linear é necessária a configuração mostrada na Figura

10.

Figura 10 - Optoacoplador linear com IL300


O IL300 possui internamente três diodos denominados pelos números 1,

2 e 3 na Figura 10. O diodo 1 é um LED (diodo emissor de luz) emissor, os diodos

2 e 3 são fotodiodos que recebem a luz emitida pelo diodo 1. O circuito é

composto por dois amplificadores operacionais, um amplificador de entrada U7A

ligado em uma configuração inversora e um amplificador operacional de saída,

ligado em uma configuração não inversora. O circuito de entrada possui uma

realimentação negativa através do fotodiodo 2. Esta realimentação negativa faz

com que as tensões nas entradas 2 e 3 do AOP U7A tenham o mesmo valor e

sejam iguais a zero. Assim, a corrente através do resistor R18 será Vi/R18.

32 Desprezando as diferenças de reposta dos fotodiodos 2 e 3 e

considerando que o resistor R11 ligado à saída é igual à R18, o valor da corrente

em R11 será igual à corrente em R18, logo, a tensão gerada no resistor R11 será

igual à tensão aplicada na entrada, porém com o sinal invertido. Caso haja

diferença entre os valores de entrada e saída, devido a imprecisões dos

componentes eletrônicos, é possível ajustar o ganho através do AOP U4A, na

configuração não inversora. Portanto como resultado, tem-se na saída do circuito

uma tensão proporcional à entrada, acopladas opticamente (Pertence, 1988).

3.1.7.5.1. Placa de circuito impresso do retificador, filtro e

circuito de amostragem

Na Figura 11 é possível visualizar a imagem tridimensional da placa. Os

desenhos da placa podem ser encontrados no anexo 1.

Os projetos das placas de circuito impresso da fonte foram desenvolvidos

no software Altium Designer versão 14.3.10. É um software mundialmente

utilizado para elaboração de projetos de placas de circuito impresso. Na

elaboração da placa de circuito impresso (PCI) do circuito retificador e filtro

capacitivo foram respeitadas as condições necessárias de distância e largura

Figura 11 - PCI retificador, filtro e circuito de amostragem de tensão e corrente


33

das trilhas. Segundo a norma UL que define as regras para confecção de PCI, a

distância mínima de 1,5 mm / 1 KV e a relação de largura de 1 mm/A devem ser

respeitadas.

3.1.7.6. Circuito de monitoramento e controle

O circuito de monitoramento e controle é a interface de acesso do

operador da fonte. Através dele é possível monitorar os valores de tensão e

corrente produzidas, ajustar o tempo de funcionamento e também emitir alertas

visuais e sonoros relacionado a segurança durante a operação do sistema. O

circuito está demonstrado na Figura 12.

Figura 12- Circuito de monitoramento e controle


O componente principal do circuito desenvolvido é o microcontrolador

PIC16F877A da Microchip e a linguagem de programação adotada foi C++

aplicada a microcontroladores utilizando o compilador PCWHD da CCS.

34 O circuito pode ser dividido em 7 blocos funcionais destacados em cores

diferentes de acordo com a Figura 12 e são descritos conforme dados a seguir:

Blocos.

· Azul - circuito de alimentação.

· Amarelo � interface homem / máquina.

· Verde - circuito de entrada do sinal de tensão e corrente amostrados.

· Vermelho � circuito do microcontrolador.

· Lilás � mostrador gráfico.

· Rosa- sinalizador sonoro.

· Cinza- reles de comando.

3.1.7.6.1. Circuito de alimentação

Este bloco de circuito está representado na Figura 12 (azul), é o

responsável pela alimentação dos componentes do circuito de monitoramento e

controle. Uma tensão de 24 V alternada é recebida pelo retificador de onda

completa em ponte. Após a retificação a tensão é filtrada obtendo-se uma tensão

continua de aproximadamente 32 V e posteriormente regulada. Há dois níveis

de regulagem de tensão, 15 V através do CI regulador 7815 e 5 V através do

regulador de 5 V. A tensão de 15 V alimenta os amplificadores operacionais.

A tensão de alimentação de um amplificador operacional comum deve ser

sempre maior que a tensão máxima de saída prevista. Isso se deve às quedas

de tensão internas do CI. No caso do circuito de monitoramento e controle, a

tensão máxima de saída dos AOPs é de 5 V, assim a tensão adotada para a

alimentação dos AOPs foi de 15 V que é um valor de tensão suficientemente

maior que a tensão máxima de saída e também inferior à máxima tensão de

alimentação do AOP empregado no circuito, o LM358 cuja tensão de

alimentação máxima de 32 V. A tensão de 5 V produzida pelo regulador de

tensão LM7805 é responsável pela alimentação do microcontrolador, mostrador

gráfico e reles de comando.

3.1.7.6.2. Interface Homem/máquina

35 Este bloco de circuito, representado na Figura 12 (amarelo) possibilita a

interação do operador como o equipamento. Nele encontra-se o botão

�set/reset�, chave de indicação de ajuste de 0 V de tensão do varivolt, chave de

indicação de porta de segurança fechada e o potenciômetro de ajuste do tempo

de operação da fonte. Os sinais gerados são enviados ao microcontrolador e

tratados pelo programa que está demonstrado no fluxograma da figura 14. Na

Figura 13a e 13b observa-se a localização dos elementos da interface

homem/máquina no equipamento.

Figura 13- Elementos da interface homem/máquina.

(a)

(b)


3.1.7.6.3. Circuito de entrada do sinal de tensão e corrente

amostrados

Os sinais amostrados e optoacoplados chegam no circuito de entrada,

Figura 12 (verde) e são tratados inicialmente por dois amplificadores

operacionais, um para a amostra de tensão e outro para a amostra de corrente.

O circuito de amostragem de corrente utiliza um resistor shunt de 1 (R26

na Figura 9 (vermelho) e na corrente máxima estipulada de 1 A, a tensão máxima

será de 1 V neste resistor. Porém o microcontrolador PIC 16F877A usado tem

range de tensão de entrada analógica 0 a 5 V. Portanto é necessário adequar a

tensão da amostragem de corrente para os valores nominais da entrada

analógica do PIC. A conversão de escala é feita pelo AOP U4A na configuração

não inversora com um ganho "XY"Z = [\

Chave de ajuste 0V Botão

set/reset

Ajuste de tempo

Chave porta de segurança

36 A recepção do sinal de amostragem de tensão é feita pelo AOP U4B.

Como o sinal de amostragem de tensão já é ajustado no circuito de amostragem

para a mesmo range de tensão da entrada analógica do PIC, ou seja, de 0 a 5

V, a configuração adotada é a seguidor de tensão, (Pertence, 1988) cujo ganho

Vo/Vi=1. Logo o objetivo deste amplificador é fazer somente o acoplamento de

impedância do sinal de amostragem de tensão em relação à entrada analógica

do microcontrolador.

3.1.7.6.4. Circuito microcontrolador

O microcontrolador utilizado foi o PIC16F877A, o esquema dele está

apresentado na Figura 12 (vermelho) e ele possui as seguintes especificações

técnicas básicas:

· Arquitetura de 8 bits.

· Memória flash de 14 Kb.

· Memória RAM de 368 bytes.

· Memória EEPROM de 256 bytes.

· 40 pinos sendo 33 pinos de I/O.

· Frequência máxima de clock 20 MHz.

· Periféricos:

o 8 conversores A/D.

o 2 comparadores de tensão.

o 2 módulos CCP (PWM).

o 2 timers de 8 bits.

o 1 timer de 16 bits.

· Conectividade:

o 1 canal de comunicação SPI.

o 1 canal de comunicação I2C.

o 1 canal de comunicação UART.

· Tensão de alimentação 2 a 5,5 V

A programação foi realizada na linguagem C++ aplicada a

microcontroladores utilizando o compilador PCWHD da CCS. Abaixo tem-se

algumas características da programação realizada:

37

· 77% de ocupação da memória flash.

· 63% de ocupação da memória RAM.

· Frequência de clock de 20 MHz.

· Conversor A/A com resolução de 10 bits

Na Figura 14 pode-se observar o fluxograma da programação. As

imagens das telas citadas nos blocos estão apresentadas no item 3.1.7.6.5.

38

Figura 14- Fluxograma da programação

Inicio

Chave liga/desl=1

NÃO

Aciona circuito de monitoramento e

controle

SIM

Mostra tela inicial,Logo UFTM. Fig 15a

SET/RESET ACIONADO

SIM

VARIVOLT=0VPORTA FECHADA

SIM

Mensagem de alerta de

segurançaNÃO

NÃO

SIMSIMSIMSIMSIMSIMSIMSIMAciona circuito de

alta tensão

Função voltímetro e amperímetro. Tela

fig 15b

PORTA FECHADA

Função ajuste de tempo. Tela fig. 15c

SET/RESET ACIONADO

Função voltímetro, amperímetro e contagem de

tempo. Tela fig 15d

SIM

NÃOPORTA

FECHADA

SIM

Função voltímetro, amperímetro e

tempo finalizado. Tela fig 15e

TEMPO FINALIZADO

SET/RESET ACIONADO

SIM

NÃO

Desliga circuito de alta tensão

SIM

NÃO

NÃO

NÃOPORTA

FECHADASET/RESET ACIONADO

NÃO

NÃO

SIM

SIM

Tempo ajustado>0s

SIM

NÃO

SET/RESET ACIONADO

NÃOSIM


39

3.1.7.6.5. Mostrador gráfico

O mostrador gráfico utilizado no projeto apresenta uma resolução de 64

linhas x 128 colunas. Ele é a interface visual de monitoramento e controle da

fonte. O mostrador é ligado diretamente ao microcontrolador e o esquema de

ligação dele está apresentado na Figura 12 (lilás). A seguir são apresentadas a

descrição e a imagem de cada tela.

· Tela de apresentação - aparece no momento em que se liga a fonte

através! do! botão! �ON/OFF� e permanece enquanto o botão

�set/reset� não for apertado (figura 15a).

· Tela de mensagens de alerta - se a porta de acesso à fonte estiver

aberta e/ou a tensão de ajuste do varivolt estiver acima de zero

esta tela será apresentada como alerta de segurança e

permanecerá até que estas condições de segurança sejam

atendidas (figura 15b).

· Tela de indicação de tensão e corrente - Se as condições de

segurança forem satisfatórias esta tela será apresentada logo que

o!botão!�set/reset�!for!apertado!(figura!15c).

· Tela de ajuste de tempo � estando na tela de indicação de tensão

e corrente, caso seja necessário programar um tempo de operação

para a fonte aperta-se o botão �set/reset� e esta tela será

apresentada (figura 15d)

· Tela de indicação de tensão, corrente e tempo � sempre que um

tempo de operação estiver sido programado esta tela será

apresentada ao retornar para indicação de tensão e corrente

através!do!botão!set/reset�!(figura!15e)

· Tela de indicação de tensão, corrente e tempo esgotado � esta tela

será apresentada ao finalizar o tempo de funcionamento

programado (figura 15f).

40

Figura 15- Telas do mostrador gráfico

3.1.7.6.6. Sinalizador sonoro

A função do sinalizador sonoro que pode ser observado na figura 12

(rosa) é indicar, através de sequências de sons definidos, os seguintes

estados:

· Dois sons curtos: ocorre quando que o circuito de alta tensão é

acionado.

(a)

(b)

(c) (d)

(e)

(f)


41

· Três sons curtos cíclicos: ocorre quando as condições de

segurança não forem atendidas, ou seja, se a porta estiver

aberta ou se o ajuste de tensão do varivolt estiver maior que 0

V sempre que o circuito de alta tensão for acionado.

· Um som curto cíclico: ocorre quando o tempo de operação

ajustado for esgotado.

3.1.7.6.7. Reles de comando

Um rele é um dispositivo que possui um conjunto de contados NA e NF

que são acionados eletromagneticamente. Seu principal diferencial é permitir o

acionamento de cargas de grande potência remotamente e utilizando sinais

elétricos de baixa potência.

Na Figura 12 (cinza) pode-se observar os três reles de comando. Estes

reles possuem as seguintes funções:

Rele K3 � aciona o contator que energiza o circuito de alta tensão.

Rele K1 � destinado ao uso de iluminação de segurança, ele é acionado

juntamente com o rele k3.

Rele k2 � destinado ao acionamento de cargas auxiliares, ele é ligado

durante a contagem do tempo de operação ajustado.

3.1.7.6.8. Placa de circuito impresso do circuito de monitoramento e controle

Na Figura 16 observa-se a imagem tridimensional da placa de circuito

impresso do circuito de monitoramento e controle. Os desenhos desta placa

podem ser observados no Anexo 1. No desenvolvimento da placa foram

respeitados todos os critérios de largura de trilha e corrente de operação,

inclusão de dissipadores de calor nos semicondutores e distancias necessárias

entre as trilhas em função da tensão de trabalho.

42

Figura 16 - PCI do circuito de monitoramento de controle


3.1.8. Considerações sobre o projeto da fonte

No desenvolvimento do projeto, todas as dificuldades técnicas

apresentadas foram superadas. Um exemplo foi a formação de campo elétrico

de grande intensidade devido à alta tensão. Este campo elétrico gerado pode

provocar descargas eletrostáticas perigosas tanto para o circuito de controle

quanto para o operador do equipamento. Este problema foi contornado através

de um aterramento adequado do circuito e de toda a estrutura do equipamento

considerando os critérios de segurança e funcionamento, vigentes na ABNT.

Outras medidas importantes foram, o acoplamento ótico do circuito de

amostragem de tensão e corrente e a determinação das distancias necessárias

dos elementos internos da fonte para evitar arcos elétricos que danificassem os

circuitos e comprometessem o funcionamento da mesma, problemas

solucionados usando critérios técnicos dispostos nas normas relacionadas.

Sendo os problemas acima sanados, a fonte se comportou eletricamente

muito bem. O processo de produção de filmes finos, realizado com a fonte, são

conduzidos corriqueiramente no Laboratório de filmes finos e processos de

Plasma (LFFPP) do Instituto de Ciência e Tecnologia e Exatas ( ICTE) da

43

universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM) e por muitos minutos sem

interrupção e de forma estável.

Assim o LFFPP, possui agora o único sistema de Pulverização catódica

do estado de Minas Gerais, com versatilidade para trabalhar com vários tipos de

metais em várias condições de operação, para o uso tanto da pesquisa científica

quanto industrial.

3.2. DEPOSIÇÕES DOS FILMES FINOS DE METAIS DIVERSOS

Para comprovar a eficiência da fonte de alta tensão construída, bem como

todo sistema de vácuo, foram produzidas trinta e seis amostras de filmes

metálicos dos seguintes materiais, Aço Inoxidável 304 (AI), cobre e tungstênio.

Para cada material obteve-se quatro grupos de três amostras e os substratos

utilizados foram laminas de vidro com dimensões de 10 x10 mm.

Figura 17 - Posição das amostras durante o processo de pulverização catódica.


Para a produção dos filmes os grupos de cada amostra foram

posicionados estrategicamente dentro da câmara de vácuo com uma distância

de 50 mm entre cada grupo de amostras, de acordo com a Figura 17, obtendo-

se dessa forma quatro espessuras diferentes para cada material devido às

diferentes distancias dos substratos em relação ao material alvo.

44 A câmara de vácuo utilizada e pré-instalada no LFFPP foi construída em

aço inoxidável, possui formato cilíndrico com uma janela de inspeção e um

volume interno de 9,42 l, com sistema de bombeamento que permite alcançar

pressões de até 10-7 Torr e introdução de gases com controle feito por válvulas

de fluxo micrométrico, também conhecidas como válvulas agulha. As condições

elétricas e de tempo configuradas na fonte de tensão produzida estão

apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1- Condições de deposição dos filmes finos de cobre, aço inoxidável e tungstênio

MATERIAL PONTO DE

FUSÃO (ºC)

TENSÃO

(V)

CORRENTE

(mA)

TEMPO DE

DEPOSIÇÃO

(min.)

Aço Inoxidável

304

1604,5 420 72

10 Cobre 1085 420 60

Tungstênio 3422 450 70

Os valores de tensão e de corrente adotados foram determinados com

base em análises preliminares no LFFPP.

A seguir serão apresentados as técnicas e os procedimentos de análises

utilizados nos filmes finos produzidos.

3.3. CARACTERIZAÇÃO DOS FILMES PRODUZIDOS

3.3.1. Resistência de folha

A resistência de folha é a medida da resistência de filmes finos

considerando uma área quadrada, e pode ser calculada pela equação 4.1:

%. = ]^_`a ,@/ (4.1)

45 Onde % é média da resistências obtidas pelo método de quatro pontas,

realizado em dez regiões diferentes da amostra.

O método de medida de quatro pontas consiste em injetar uma corrente

elétrica estável através de duas pontas de prova e através de outras duas pontas

de prova se faz a medição da queda de tensão entre as duas pontas de corrente.

Com os valores de corrente e tensão é possível determinar precisamente a

resistência da região amostrada. Porém para se obter uma medição de qualidade

é necessário dispor as pontas de prova adequadamente formando um quadrado

de lado (L) aproximadamente igual a 1mm conforme mostrado na Figura 18.

O instrumento utilizado para a medição da resistência foi o

eletrômetro Keithley que é um instrumento de medidas elétricas multifuncional

instalado no LFFPP e que permite variadas configurações. Neste caso foi

configurado para a medição de resistência pelo método de quatro pontas

Figura 18 - Método de medida de quatro pontas


A determinação da média e do desvio padrão da resistência b% E foram

obtidas por cálculo automático do software Excel para uma amostra de dez

elementos e foram utilizadas as equações de 4.2 a 4.5 a seguir:

O cálculo da média e dado pela eq. 4.2.

%c = ?d e %TdTf? (4.2)

46 Onde:

%c - Média da resistência.

%T - Amostra de resistência variando de 1 a n.

g - Número de amostras de resistências.

O cálculo do desvio padrão é dado pela eq. 4.4.

b% = h ?di? e ,%T j %c/@dTf? (4.3)

Onde:

b% - Desvio padrão da resistência.

%T - Amostra de resistência variando de 1 a n.

%c - Média da resistência.

g - Número de amostras de resistências.

O cálculo de desvio padrão da resistência de folha foi calculado em função

do desvio padrão e do valor médio da resistência utilizando a equação 4.3 de

propagação de erro de forma que resulta na eq. 4.4.

b%. = hkl_(l_ m@ ^ ,b%/@ (4.4)

Onde:

b%.- Desvio padrão da resistência de folha.

%. - Resistência de folha.

% - Resistência.

b% - Desvio padrão da resistência

A resistividade é obtida pela equação 4.4 e o desvio padrão da mesma é

calculado utilizando a equação 4.5.

n = %. ^ o (4.5)

47 Onde:

O valor da espessura obtida através de um perfilômetro.

O desvio padrão da resistividade foi obtido através da eq. 4.6.

bn = pk qnq%rms ^ ,b%./@ R kqnqom@ ^ ,bo/@ (4.6)

Onde:

bn � Desvio padrão da resistividade.

n - Resistividade.


b%. � Desvio padrão da resistência de folha.

bo - Desvio padrão da espessura.

Os valores obtidos para cada amostra são apresentados nas tabelas e

gráficos do item resultados e discussões.

3.3.2. Espessura

A técnica de medição de espessura adotada foi a perfilometria (Figura 19).

O procedimento consiste em deslocar uma ponteira sobre a superfície do filme

com sensibilidade para detectar degraus de até alguns Angstrons. À medida que

a ponteira se desloca um sinal elétrico correspondente ao perfil do filme fino é

gerado, o equipamento registra a variação da espessura. Assim, através dos

dados obtidos é possível obter a espessura da amostra.

n - Resistividade.


o - Espessura.

48

Figura 19 -Princípio de funcionamento do perfiômetro


Para os filmes produzidos dez regiões foram analisadas em cada amostra

obtendo-se dez medidas de espessura. O equipamento utilizado foi o

perfilômetro Dektak D150 fabricado pela Veeco Co. , instalado no Laboratório de

Plasmas Tecnológicos da UNESP/Sorocaba e pode ser visualizada na figura 20

e as especificações técnicas estão na tabela 2.

Figura 20 -perfilômetro Dektak D150

Fonte: http://www.sorocaba.unesp.br/#!/pesquisa/laptec/estrutura/. Acesso em 18/02/2106.

Tabela 2 � especificações do perfilômetro Dektak D150

Especificações Descrição

Técnica de medição Perfilometria de contato

Capacidade de medição Medição bidimensional de superfície

Resolução de imagem 640 x 480 pixel

Dimensões máximas de varredura 55 x 200 mm

Pontos por varredura Max. 120.000

Repetibilidade em passos na altura < 6 A°

Faixa vertical 1 mm

Sensibilidade vertical 1 A°

Fonte: http://www.upc.edu/sct/es/documents_equipament/d_81_id-399.pdf. Acesso em 18/02/2016

49 3.3.3. Morfologia e rugosidade

Para a obtenção da morfologia e da rugosidade a técnica utilizada foi a

microscopia de força atômica (AFM).

De modo geral, um AFM é composto basicamente por uma ponteira ou

sonda, que varre a superfície da amostra em estudo (Figura 21). Mede-se a força

de interação entre os átomos da ponta e os da superfície e, utilizando recursos

computacionais, os resultados são transformados em imagens da amostra.

Figura 21 - Princípio de funcionamento de um AFM

Fonte: disponível em https://commons.wikimedia.org/wiki/File:AFM_schematic_(EN).svg

A força de interação entre a ponteira e a amostra dependem, em parte, da

natureza da amostra e da ponteira, da distância entre elas, da geometria da

ponteira e de qualquer contaminação que houver sobre a superfície da amostra

(Binnig & Quate, 1986).

Para dois corpos eletricamente neutros e não magnéticos, mantidos a

distâncias entre um e algumas dezenas de nanômetros, a força de van der Waals

predomina entre!eles!(interação!atrativa!a!�grandes�!distâncias)!(Garcia & Pérez,

2002).

A força van der Waals é calculada pela deflexão da ponteira (de constante

k de elasticidade de mola predeterminada) através da lei de Hooke

I = jt\ L (4.7)

50 Sendo x o deslocamento do ponteira. A constante de mola determina a

força entre a ponteira e a amostra quando estão próximas. O seu valor depende

da geometria e do material utilizado na construção da ponteira. A escolha da

ponteira é sem dúvida muito importante pois são necessárias grandes deflexões

para atingir alta sensibilidade.

No AFM utilizado, mostrado na Figura 22, um detector capta a deflexão

da ponteira através da variação de um feixe luminoso direcionado a ela. O

método de detecção por luz é muito sensível às variações da superfície da

amostra, entretanto, traz a desvantagem de que a ponteira pode esquentar,

mudando sua reflexão. Por isso, utiliza-se, em geral, um feixe de laser de gás

HeNe que garante aquecimento desprezível. Quando a ponteira se move, devido

a mudanças na topografia da amostra, a luz que ele reflete se move sobre o

fotodetector. O deslocamento da ponteira pode ser calculado a partir da

diferença na intensidade de luz nos setores do fotodetector. As mudanças na

saída do fotodetector são também utilizadas para realimentação, isto é, para

ajustar uma cerâmica piezelétrica na direção vertical z, cujo valor é registrado

em função das coordenadas (x,y), para depois ser traduzido em topografia z(x,y).

As coordenadas x,y também são monitoradas através de voltagens aplicadas a

cerâmicas piezelétricas colocadas nos drives x,y do scanner, assim como em z.

O controle de movimentos em distâncias tão pequenas é possível graças ao uso

dessas cerâmicas piezelétricas. Estes materiais comportam-se de forma tal que

ocorre uma mudança em suas dimensões quando neles é aplicado um campo

elétrico (Barros, 2012).

Globalmente, os modos de fazer imagens podem ser classificados como:

contato, contato intermitente e não-contato, dependendo das forças entre a

ponteira e a amostra. Quando o aparelho é operado na região atrativa, o método

chama-se não contato (SHIMADZU, 2012). Nesta região, a ponteira de AFM se

enverga na direção da amostra. A operação na região repulsiva chama-se

contato e a ponteira se dobra, afastando-se da amostra. O contato intermitente

se produz quando a ponteira é forçada a oscilar a certa frequência e a certa

altura da amostra, de forma tal que periodicamente ele toca a amostra. Ou seja,

a força que age nesta forma de operação é às vezes atrativa e às vezes

repulsivas. O método de medição do aparelho utilizado foi o modo contato.

dissert rafael r buso 1.pdf

Documents