一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统

摘要

本发明提供一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统，包括：化学反应子系统；进气子系统，包括气体质量流量计，与所述化学反应子系统相连接；抽真空子系统，与所述的化学反应子系统相连接；气体采集子系统，与所述的化学反应子系统相连接；控制子系统，分别与所述的气体质量流量计、抽真空子系统、气体采集子系统以及化学反应子系统相连接，用于采集所述气体质量流量计的流量，采集所述化学反应子系统的压力值、温度值、气体浓度，根据所述的流量、压力值、温度值以及气体浓度进行控制。实现了对化学气相沉积薄膜过程的实时监控，对工艺参数进行严格控制，并对数据进行存储和显示，提高可靠性和抗干扰性。

权利要求

1.一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统，其特征是，所述的系统具体包括：化学反应子系统；

进气子系统，包括气体质量流量计，与所述化学反应子系统相连接；

抽真空子系统，与所述的化学反应子系统相连接；

气体采集子系统，与所述的化学反应子系统相连接；

控制子系统，分别与所述的进气子系统、抽真空子系统、气体采集子系统以及化学反应子系统相连接，用于采集所述气体质量流量计的流量，采集所述化学反应子系统的压力值、温度值、气体浓度，根据所述的流量、压力值、温度值以及气体浓度进行PID控制；

其中，所述的化学反应子系统具体包括：与所述气体质量流量计相连接的固定床；与所述的固定床相连接的微孔分布板；与所述微孔分布板相连接的流化床；向所述流化床、固定床加热的加热炉；与所述的流化床相连接的过滤网；

所述的气体采集子系统具体包括：与所述过滤网相连接的气体质谱仪以及气相色谱仪；与所述流化床相连接的颗粒采样器；与所述流化床以及固定床相连接的压力传感器、温度传感器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的抽真空子系统具体包括：与所述固定床相连的第一抽真空气动阀；

与所述第一抽真空气动阀相连接的真空泵；

与所述过滤网相连接的排气阀。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的抽真空子系统还包括与所述过滤网、所述真空泵相连接的第二抽真空气动阀。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的气体采集子系统还包括分别与所述过滤网、所述气体质谱仪、气相色谱仪相连接的气动控制阀。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的气体采集子系统还包括分别与所述过滤网、所述颗粒采样器相连接的第一颗粒采样气动阀。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的气体采集子系统还包括分别与所述真空泵、所述颗粒采样器相连接的第二颗粒采样气动阀。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的控制子系统具体包括：温度变送器，与所述的温度传感器相连接，用于将所述化学反应子系统的温度值转化为电信号，传送至可编程逻辑控制器PLC；

继电器，与所述的真空泵、所述的加热炉相连接；

气体分配器，与所述的PLC、第一抽真空气动阀、排气阀、第二抽真空气动阀、气动控制阀、第一颗粒采样气动阀、第二颗粒采样气动阀相连接；

色谱工作站，与所述的气相色谱仪相连接，用于将所述气相色谱仪输出的信号转化为电信号，传送至工业控制计算机；

所述的工业控制计算机，与所述的PLC、所述气体质谱仪以及所述的色谱工作站相连接，用于根据所述气相色谱仪输出的信号、所述气体质谱仪输出的信号确定出所述化学反应子系统的气体浓度；

所述的PLC，用于采集所述气体质量流量计的流量，采集所述化学反应子系统的压力值、温度值、气体浓度，根据所述的流量、压力值、温度值以及气体浓度进行PID控制。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征是，所述的控制子系统还包括人机交互界面，与所述的工业控制计算机相连接，用于采集用户输入的控制信号，所述的控制信号用于控制第一抽真空气动阀、排气阀、第二抽真空气动阀、气动控制阀、第一颗粒采样气动阀、第二颗粒采样气动阀的开关。

说明书

一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统

技术领域

[0001] 本发明关于化学气相沉积的技术领域，特别是关于化学气相沉积的检测技术，具体的讲是一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统。

背景技术

[0002] 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是气态反应物质在一定温度、压力、催化剂等条件下进行分解、解析、化合等反应生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，形成均匀一致的涂层，进而制得固体材料的一种技术，其被广泛用于制备光电薄膜、耐腐蚀涂层/薄膜、颗粒包覆层以及碳纳米管等材料。

[0003] 流化床是一种利用气体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态的一种结构，其具有高效传热、传质的特点，可为化学反应提供均匀的温度场、浓度场以及稳定的气氛环境，而且易于控制。流化床-化学气相沉积反应器已成为了CVD反应器设计发展的重要方向之一。目前，流化床-化学气相沉积反应器在工业生产中已被广泛用于颗粒包覆和制备碳纳米管。用于流化床-化学气相沉积反应的设备复杂，控制烦琐，严重制约了生产规模的扩大，实现计算机控制和自动化操作是产业化生产的必然要求。

[0004] 目前，在流化床-化学气相沉积薄膜/涂层、颗粒包覆层和碳纳米管的过程中，传统的监控对象为：反应器的温度、压力及气源流量。对薄膜/涂层、颗粒包覆层和碳纳米管等生成物的产量通常采用离线称重的方式，而气相色谱作为常用的在线检测气体浓度的方法，通常孤立于系统之外。在CVD薄膜/涂层、颗粒包覆层和碳纳米管的过程中，反应器的温度、压力、反应气体与生成气体的种类与浓度、催化剂的质量、气源流量等都是重要的工艺参数。离线检测由于存在局限性，其并不能实时反映出CVD过程及工艺参数对反应过程的影响。

[0005] 因此，现有技术中并没有形成一体化的测试平台，缺少一种一体化在线检测装置，其对研究化学气相沉积反应工艺过程及反应动力学、对指导和解决CVD新技术和设备开发、生产放大以及工艺最优化等问题具有重要意义。

发明内容

[0006] 为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统，通过设置化学反应子系统、进气子系统、抽真空子系统、气体采集子系统以及控制子系统，实现了对化学气相沉积薄膜过程的实时监控，对工艺参数进行严格控制，并对数据进行存储和显示，提高可靠性和抗干扰性。

[0007] 本发明的目的是，提供了一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统，包括：化学反应子系统；进气子系统，包括气体质量流量计，与所述化学反应子系统相连接；抽真空子系统，与所述的化学反应子系统相连接；气体采集子系统，与所述的化学反应子系统相连接；控制子系统，分别与所述的进气子系统、抽真空子系统、气体采集子系统以及化学反应子系统相连接，用于采集所述气体质量流量计的流量，采集所述化学反应子系统的压力值、温度值、气体浓度，根据所述的流量、压力值、温度值以及气体浓度进行控制。

[0008] 其中，所述的化学反应子系统具体包括：与所述气体质量流量计相连接的固定床；与所述的固定床相连接的微孔分布板；与所述微孔分布板相连接的流化床；向所述流化床、固定床加热的加热炉；与所述的流化床相连接的过滤网。

[0009] 所述的抽真空子系统具体包括：与所述固定床相连的第一抽真空气动阀；与所述第一抽真空气动阀相连接的真空泵；与所述过滤网相连接的排气阀。

[0010] 优选的，所述的抽真空子系统还包括与所述过滤网、所述真空泵相连接的第二抽真空气动阀。

[0011] 所述的气体采集子系统具体包括：与所述过滤网相连接的气体质谱仪以及气相色谱仪；与所述流化床相连接的颗粒采样器；与所述流化床以及固定床相连接的压力传感器、温度传感器。

[0012] 优选的，所述的气体采集子系统还包括分别与所述过滤网、所述气体质谱仪、气相色谱仪相连接的气动控制阀。

[0013] 优选的，所述的气体采集子系统还包括分别与所述过滤网、所述颗粒采样器相连接的第一颗粒采样气动阀。

[0014] 优选的，所述的气体采集子系统还包括分别与所述真空泵、所述颗粒采样器相连接的第二颗粒采样气动阀。

[0015] 所述的控制子系统具体包括：温度变送器，与所述的温度传感器相连接，用于将所述化学反应子系统的温度值转化为电信号，传送至可编程逻辑控制器PLC；继电器，与所述的真空泵、所述的加热炉相连接；气体分配器，与所述的PLC、第一抽真空气动阀、排气阀、第二抽真空气动阀、气动控制阀、第一颗粒采样气动阀、第二颗粒采样气动阀相连接；色谱工作站，与所述的气相色谱仪相连接，用于将所述气相色谱仪输出的信号转化为电信号，传送至工业控制计算机；所述的工业控制计算机，与所述的PLC、所述气体质谱仪以及所述的色谱工作站相连接，用于根据所述气相色谱仪输出的信号、所述气体质谱仪输出的信号确定出所述化学反应子系统的气体浓度；所述的PLC，用于采集所述气体质量流量计的流量，采集所述化学反应子系统的压力值、温度值、气体浓度，根据所述的流量、压力值、温度值以及气体浓度进行PID控制。

[0016] 优选的，所述的控制子系统还包括人机交互界面，与所述的工业控制计算机相连接，用于采集用户输入的控制信号，所述的控制信号用于控制第一抽真空气动阀、排气阀、第二抽真空气动阀、气动控制阀、第一颗粒采样气动阀、第二颗粒采样气动阀的开关。

[0017] 本发明的有益效果在于，提供了一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统，与现有技术相比，本发明克服了化学气相沉积反应过程中，研究人员需手工记录大量数据，难以进行精确的监控和调试的缺点，目的在于对化学气相沉积薄膜过程的实时监控，对工艺参数进行严格控制，并对数据进行存储和显示，提高可靠性和抗干扰性，监控并调节各种参数比例如气体流量、压力、温度、时间等，检测反应物、生成物的组分与浓度，实现由计算机对反应全过程的实时在线检测，也解决了反应过程中因各参数测量平台不统一导致数据处理过程复杂的难题，实现了反应全过程的数据自动采集与处理。

[0018] 为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0020] 图1为本发明实施例提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统的示意图；

[0021] 图2为本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统中化学反应子系统100的结构框图；

[0022] 图3为本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统中抽真空子系统300的结构框图；

[0023] 图4为本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统中气体采集子系统400的结构框图；

[0024] 图5为本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统中控制子系统500的结构框图；

[0025] 图6为将本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统应用于研究合成类金刚石薄膜的示意图；

[0026] 图6中的附图标号为：

[0027] 用于H2的质量流量计——1；

[0028] 用于惰性气体（Ar或N2）的质量流量计——2；

[0029] 用于CH4的质量流量计——3；

[0030] 用于乙炔的质量流量计——4；

[0031] 第一抽真空气动阀——6；

[0032] 固定床——7；

[0033] 温度传感器——8、11；

[0034] 电阻丝——9、10；

[0035] 流化床——12；

[0036] 压力传感器——5、13；

[0037] 真空泵——14；

[0038] 第二颗粒采样气动阀——15；

[0039] 颗粒采样器——16；

[0040] 第一颗粒采样气动阀——17；

[0041] 第二抽真空气动阀——18；

[0042] 排气阀——19；

[0043] 气动控制阀——20；

[0044] 过滤网为——21；

[0045] 气体质谱仪——22；

[0046] 气相色谱仪——23；

[0047] 继电器——24；

[0048] 温度变送器——25；

[0049] PLC——26；

[0050] 色谱工作站——27；

[0051] 工业控制计算机——28；

[0052] 人机界面——29；

[0053] 气体分配器——30；

[0054] 微孔分布板——31。

具体实施方式

[0055] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0056] 在CVD薄膜/涂层、颗粒包覆层和碳纳米管的过程中，反应器的温度、压力、反应气体与生成气体的种类与浓度、催化剂的质量、气源流量等都是重要的工艺参数。鉴于离线检测的局限性，并不能实时反映出CVD过程及工艺参数对反应过程的影响，开发在线检测系统对指导和解决CVD新技术和设备开发、生产放大以及工艺最优化等问题具有重要意义。将传统的检测元件与检测系统集成并实现一体化，为化学气相沉积反应装置实现仪器化奠定了基础。图1为本发明实施例提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统的示意图，本发明的用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统，主要面向在流化床反应器中制备薄膜、颗粒包覆层以及碳纳米管等化学气相沉积反应过程的实时在线检测，并形成一体化仪器。由图1可知，该系统具体包括：

[0057] 化学反应子系统100；

[0058] 进气子系统200，包括气体质量流量计，与所述化学反应子系统100相连接；

[0059] 抽真空子系统300，与所述的化学反应子系统100相连接；

[0060] 气体采集子系统400，与所述的化学反应子系统100相连接；

[0061] 控制子系统500，分别与所述的进气子系统200、抽真空子系统300、气体采集子系统400以及化学反应子系统100相连接，用于采集所述气体质量流量计的流量，采集所述化学反应子系统的压力值、温度值、气体浓度，根据所述的流量压力值、温度值以及气体浓度进行PID控制。此处提及的PID控制是指比例（proportion）、积分（integral）、微分（derivative）控制，PID控制由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t）与输出u(t）的关系为：

[0062] u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]

[0063] 其中，积分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：

[0064] G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]

[0065] 其中kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。

[0066] 图2为本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统中化学反应子系统100的结构框图，由图2可知，在本发明的具体实施方式中，化学反应子系统具体包括：

[0067] 与所述气体质量流量计相连接的固定床101；

[0068] 与所述的固定床101相连接的微孔分布板102；

[0069] 与所述微孔分布板102相连接的流化床103；

[0070] 向所述流化床103、固定床101加热的加热炉104，在具体实施方式中，加热炉可通过电阻丝来实现加热。

[0071] 与所述的流化床103相连接的过滤网105。

[0072] 在本发明的具体实施方式中，抽真空子系统具体包括：

[0073] 与所述固定床相连的第一抽真空气动阀301；

[0074] 与所述第一抽真空气动阀相连接的真空泵302；

[0075] 与所述过滤网相连接的排气阀303。

[0076] 图3为本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统中抽真空子系统300的结构框图，由图3可知，在图3所示的具体实施方式中，抽真空子系统具体包括：

[0077] 与所述固定床相连的第一抽真空气动阀301；

[0078] 与所述第一抽真空气动阀相连接的真空泵302；

[0079] 与所述过滤网相连接的排气阀303；

[0080] 与所述过滤网、所述真空泵相连接的第二抽真空气动阀304。

[0081] 图4为本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统中气体采集子系统400的结构框图，由图4可知，在图4所示的具体实施方式中，气体采集子系统具体包括：

[0082] 与所述过滤网相连接的气体质谱仪401以及气相色谱仪402；

[0083] 与所述流化床相连接的颗粒采样器403；

[0084] 与所述流化床以及固定床相连接的压力传感器404、温度传感器405。

[0085] 在本发明的其他实施方式中，气体采集子系统具体包括：

[0086] 与所述过滤网相连接的气体质谱仪401以及气相色谱仪402；

[0087] 与所述流化床相连接的颗粒采样器403；

[0088] 与所述流化床以及固定床相连接的压力传感器404、温度传感器405。

[0089] 分别与所述过滤网、所述气体质谱仪、气相色谱仪相连接的气动控制阀。

[0090] 在本发明的又一实施方式中，气体采集子系统具体包括：

[0091] 与所述过滤网相连接的气体质谱仪401以及气相色谱仪402；

[0092] 与所述流化床相连接的颗粒采样器403；

[0093] 与所述流化床以及固定床相连接的压力传感器404、温度传感器405。

[0094] 分别与所述过滤网、所述气体质谱仪、气相色谱仪相连接的气动控制阀。

[0095] 分别与所述过滤网、所述颗粒采样器相连接的第一颗粒采样气动阀。

[0096] 在本发明的又一实施方式中，气体采集子系统具体包括：

[0097] 与所述过滤网相连接的气体质谱仪401以及气相色谱仪402；

[0098] 与所述流化床相连接的颗粒采样器403，在该实施方式中，气体采集包括气相色谱仪、气体质谱仪，颗粒采样器。色谱与质谱联用可实现气体定量与定性分析。色谱质谱均能实现与上位机的通讯，测量数据在上位机进行处理。颗粒采样器在线保存催化颗粒用于准原位研究催化剂的反应及失活机理。

[0099] 与所述流化床以及固定床相连接的压力传感器404、温度传感器405。

[0100] 分别与所述过滤网、所述气体质谱仪、气相色谱仪相连接的气动控制阀。

[0101] 分别与所述过滤网、所述颗粒采样器相连接的第一颗粒采样气动阀。

[0102] 还包括分别与所述真空泵、所述颗粒采样器相连接的第二颗粒采样气动阀。

[0103] 在本发明的具体实施方式中，控制子系统具体包括：

[0104] 温度变送器，与所述的温度传感器相连接，用于将所述化学反应子系统的温度值转化为电信号，传送至可编程逻辑控制器PLC；

[0105] 继电器，与所述的真空泵、所述的加热炉相连接；

[0106] 气体分配器，与所述的PLC、第一抽真空气动阀、排气阀、第二抽真空气动阀、气动控制阀、第一颗粒采样气动阀、第二颗粒采样气动阀相连接；

[0107] 色谱工作站，与所述的气相色谱仪相连接，用于将所述气相色谱仪输出的信号转化为电信号，传送至工业控制计算机；

[0108] 所述的工业控制计算机，与所述的PLC、所述气体质谱仪以及所述的色谱工作站相连接，用于根据所述气相色谱仪输出的信号、所述气体质谱仪输出的信号确定出所述化学反应子系统的气体浓度；

[0109] 所述的PLC，用于采集所述气体质量流量计的流量，采集所述化学反应子系统的压力值、温度值、气体浓度，根据所述的流量、压力值、温度值以及气体浓度进行PID控制。

[0110] 图5为本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统中控制子系统500的结构框图，由图5可知，在图5所示的具体实施方式中，控制子系统具体包括：

[0111] 温度变送器501，与所述的温度传感器相连接，用于将所述化学反应子系统的温度值转化为电信号，传送至可编程逻辑控制器PLC。整个系统的温度控制主要采用PLC、温度传感器、温度变送器实现。

[0112] 继电器502，与所述的真空泵、所述的加热炉相连接；

[0113] 气体分配器507，与所述的PLC、第一抽真空气动阀、排气阀、第二抽真空气动阀、气动控制阀、第一颗粒采样气动阀、第二颗粒采样气动阀相连接；

[0114] 色谱工作站503，与所述的气相色谱仪相连接，用于将所述气相色谱仪输出的信号转化为电信号，传送至工业控制计算机；

[0115] 所述的工业控制计算机504，与所述的PLC、所述气体质谱仪、色谱工作站相连接，用于根据所述气相色谱仪输出的信号、所述气体质谱仪输出的信号确定出所述化学反应子系统的气体浓度。

[0116] 由图5可知，本发明采用安装了组态软件的工业控制计算机（PC），其负责数据的显示和存储，人机界面的监视，报警等，通过串行通信与可编程控制器（PLC）连接。PLC集成了用于控制温度、压力、流量的各类控制算法，并通过模拟量IO模块与各传感器连接。

[0117] 所述的PLC505，用于采集所述气体质量流量计的流量，采集所述化学反应子系统的压力值、温度值、气体浓度，根据所述的流量、压力值、温度值以及气体浓度进行PID控制。

[0118] 在图5所示的具体实施方式中，PLC通过编程对现场设备进行控制，包括各种信号的采集、数据的处理以及各种数字量、模拟量的输入/输出信号的控制。输入信号采集包括各类仪表传感器的流量、压力等。输出信号涉及气体分配器、继电器、流量计等。温度、压力、流量均由PLC控制实现。反应生成的气体及其他保护气体的浓度由气相色谱仪和气体质谱仪共同检测。

[0119] 人机交互界面506，与所述的工业控制计算机相连接，用于采集用户输入的控制信号，所述的控制信号用于控制第一抽真空气动阀、排气阀、第二抽真空气动阀、气动控制阀、第一颗粒采样气动阀、第二颗粒采样气动阀的开关。人机界面的功能包括：流量的调整控制与实时测量及显示；加热炉温度控制与显示；正、负压力的实时测量与显示；各个气动阀门的控制；气相色谱质谱数据与反应趋势图显示；报警与急停；求算化学气相沉积碳纳米管以及碳纤维的转换率、反应速率。

[0120] 图6为将本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统应用于研究合成类金刚石薄膜的示意图，由图6可知，在该具体的实施例中，化学气相沉积反应的一体化在线检测系统采用上下位机两级控制方案。上位机采用安装了组态软件的工业控制计算机（PC），其负责数据的显示和存储，人机界面的监视，报警等，通过串行通信与可编程控制器（PLC）连接。下位机利用PLC通过编程对现场设备进行控制，包括各种信号的采集、数据的处理以及各种数字量、模拟量的输入/输出信号的控制。输入信号采集包括各类仪表传感器的流量、压力等。输出信号涉及气体分配器、继电器、流量计等。温度、压力、流量均由PLC控制实现。反应生成气体及其他保护气体的浓度由气相色谱和质谱共同检测。

[0121] 在图6所示的具体实施例中，气体质量流量计包括4个，分别为用于H2的质量流量计1，用于惰性气体（Ar或N2）的质量流量计2，用于CH4的质量流量计3，用于乙炔的质量流量计4，过滤网为21。

[0122] 在图6所示的具体实施例中，气动阀组包括与所述固定床相连的第一抽真空气动阀6，与所述过滤网相连接的排气阀19，与所述过滤网、所述真空泵相连接的第二抽真空气动阀18，分别与所述过滤网、所述气体质谱仪、气相色谱仪相连接的气动控制阀20，分别与所述过滤网、所述颗粒采样器相连接的第一颗粒采样气动阀17，分别与所述真空泵、所述颗粒采样器相连接的第二颗粒采样气动阀15。

[0123] 因此，图6所示的具体实施例中，共包括4路进气、1路排气、1路颗粒采样、1路与气体检测相连、2路抽真空。

[0124] 基于图6所示化学气相沉积反应在线检测系统，利用本实例研究合成类金刚石薄膜的反应，采用栅栏式沉积基体，其操作步骤如下：

[0125] （1）色谱准备：通0.3Mpa的高纯N2，时间大于10min，然后通0.3Mpa的空气与0.2Mpa的H2，同时运行化学气相沉积反应检测系统的PC机软件，通过软件打开色谱电源，选择恒温运行，直到检测灯亮起，色谱自动点火。色谱送数至少4次，完成检测准备。图6中的微孔分布板31可实现固定床与流化床中气体的流通。

[0126] （2）反应前开冷却水。

[0127] （3）将硅基片经清洗、烘干等处理后制作成栅栏状，放置在距离反应室中流化床12一定高度处。将适量惰性大颗粒填充于的固定床7，一定量惰性细小颗粒（微米级的）填充于反应室的流化床12中。

[0128] （4）打开真空泵14从上下两端同时抽真空，开启第一抽真空气动阀6，约5min，开启第二抽真空气动阀1818，约5分钟，直到压力传感器显示压力小于-100kp，关闭第一抽真空气动阀6和第二抽真空气动阀18，并关闭真空。在本实施例中，压力传感器包括与固定床连接的用于负压检测的压力传感器5以及与流化床相连接的压力传感器13。

[0129] （5）通入N2，速度为100ml/min直到压力传感器13达到0Mpa，打开排气阀19，同时开启加热炉（本实施例中为电阻丝9和电阻丝10）加热。

[0130] （6）温度传感器（本实施例中温度传感器包括两个，分别为图6中的温度传感器11和温度传感器8）达到设定还原温度600℃后，通入H2气与流化的固相充分接触进行还原反应，并控制H2与N2的比例小于1:5。

[0131] （7）反应的还原时间根据催化剂的量设定，通常1g催化剂大概需要30min还原时间。到达还原反应时间后，关闭H2，继续通入N2以排空H2，同时设定反应温度至500℃（CH4）。

[0132] （8）达到还原时间后，通入碳源气体CH4，根据实验需要的CH4量调节N2的进气量，通常N2：CH4小于等于1:5。气体质量流量计1、气体质量流量计2、气体质量流量计3分别检测记录H2、Ar或N2、CH4的流量。沉积反应过程的压力由压力传感器13检测、温度参数由温度传感器11检测，用于研究、调整、优化工艺参数。

[0133] （9）气体采样：排气阀19与气动控制阀20互锁，关闭排气阀19，开启气动控制阀20，可通入气体质谱仪22和气相色谱仪23，快速检测分析尾气的成分和含量，结合反应时间便可可求得沉积反应的速率。检测切换1min后开始采样，5min自动采样一次。

[0134] （10）颗粒采样：开启第二颗粒采样气动阀15并开始抽真空，关闭第二颗粒采样气动阀15后开启第一颗粒采样气动阀17，采集完成后关闭第一颗粒采样气动阀17，实验结束后可取出颗粒采样器16。颗粒采样过程可以根据实验需要在反应中随时手动进行。

[0135] （11）约30min反应结束，关闭预热装置，通入N2保护，冷却至室温后关闭冷却水。反应过程的温度通过温度传感器、温度变送器25传送至PLC26，反应过程中的压力经过压力传感器传送至PLC，反应过程中的浓度、反应气体种类通过气相色谱仪、色谱工作站、气体质谱仪传送至PC，气动阀组通过气体分配器30与PLC相连接，真空泵通过继电器24与PLC相连接，气体质量流量计与PLC相连接，实现人机交互界面、PC、PLC与各个仪器的数据传输以及控制。PC根据传输的所有数据进而可以得出温度、压力、浓度、气体种类等对合成类金刚石薄膜沉积速率的影响规律。

[0136] 图6中的仪器的控制原理为：电气控制主要由可编程逻辑控制器PLC26、工业控制计算机28、人机界面29实现。在化学气相沉积反应过程中，K型热电偶将测得实时数据经温度变送器25转换成标准的电信号，发送至PLC中，PLC将收到的电信号进行分析、比较、判定，按照程序进行PID控制，PLC向继电器输出电信号，进而控制电阻丝的加热。压力传感器发送压力值至PLC中，同样经过PID控制，PLC向气体质量流量计输出电信号实现控制。该系统中采用的质量流量计是带反馈控制，故质量流量计输入输出端分别接入PLC的输入输出模块，根据程序的设定进行控制。真空泵14的控制是通过输出信号到继电器24实现的。气相色谱仪通过色谱工作站27接入PC28的COM口，色谱工作站可将色谱测量的信号处理、放大、转换成标准的电信号，并实现与计算机的通讯。气体质谱仪通过以太网与PC相连，气体质谱仪的操作软件可现实后台运行，PC的软件与质谱仪的操作软件具有动态数据交换能力，气体质谱仪测量的数据可导出为Excel格式从而被PC的软件调用。人机界面29与可编程控制器通过计算机的COM口进行通讯。人机界面29可对各气动阀进行操作，用户可以自己编写控制阀开闭合顺序与时间进行实验。气动阀的控制是通过用户输入的控制信号经工业控制计算机、PLC来控制气体分配器30，实现气动阀门即第一抽真空气动阀、排气阀、第二抽真空气动阀、气动控制阀、第一颗粒采样气动阀、第二颗粒采样气动阀的启动闭合的。人机界面可将实验过程中采集的数据存储、运算并绘制各种过程曲线用于研究化学气相沉积反应过程。

[0137] 如上即是本发明提供的一种用于化学气相沉积反应的一体化在线检测系统，目的在于克服化学气相沉积反应过程中，研究人员需手工记录大量数据，难以进行精确的监控和调试的缺点，实现了对化学气相沉积薄膜过程的实时监控，对工艺参数进行严格控制，并对数据进行存储和显示，提高可靠性和抗干扰性，监控并调节各种参数比例如气体流量、压力、温度、时间等，检测反应物、生成物的组分与浓度，实现由计算机对反应全过程的实时在线检测。一体化的设计思路也解决了反应过程中因各参数测量平台不统一导致数据处理过程复杂的难题，实现了反应全过程的数据自动采集与处理。

[0138] 本发明的进步点在于：

[0139] （1）本发明能实现在线自动检测化学气相沉积反应过程中的各工艺参数，测量精度高；

[0140] （2）质谱仪和气相色谱仪有效联用，在线快速检测分析尾气成分及含量，可用于准确求算反应速率并能实时反映碳纳米管等薄膜的生成情况。

[0141] （3）该仪器具有一体化的测试平台，实现了检测方法的仪器化。

[0142] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。

[0143] 本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

[0144] 本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。