CN100436656C

CN100436656C - 单晶炉中籽晶与熔融硅液面接触的检测方法

Info

Publication number: CN100436656C
Application number: CNB2006101053302A
Authority: CN
Inventors: 刘丁; 任海鹏; 宋念龙; 李琦; 赵跃; 杨润
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: CN101008102A

Abstract

本发明公开了一种单晶炉中籽晶与熔融硅液面接触的检测方法，通过设计提拉头部位的绝缘，使籽晶、籽晶夹头、钢丝绳、绕丝轮、称重滑轮与整个炉体绝缘，以上述部分作电容一极，炉体的其它部分作电容另一极，构成电容器；检测上述电容值并转换成相应的电压值；当籽晶与液面接触时，电容值会发生突变，相应地对应的检测电压也会发生突变；将输出的电压值与一阈值进行比较，给出开关信号，即可表明籽晶与液面发生接触的状态。本发明的检测方法简单，极大地提高了系统的可靠性和自动化程度。

Description

单晶炉中籽晶与熔融硅液面接触的检测方法

技术领域

本发明属于运动位置检测技术领域，涉及单晶炉中晶体运动位置的检测方法，具体涉及籽晶与熔融硅液面接触的检测方法。

背景技术

直拉法生长单晶硅从装入多晶硅原料到拉出单晶需要经过多个过程，其中包括抽真空、检漏、化硅、引细径、放肩和转肩、等径、收尾等。其中的引细径过程需要将籽晶蘸入熔融硅液体中，进行融籽晶，通过图像观察籽晶生长情况，如果温度合适可以开始提拉并进行引细径过程的直径控制，直到引细径过程结束。

在籽晶的下降过程中，要控制籽晶的位置，尤其在籽晶接触液面时，需要给出信号，以便控制籽晶的蘸入深度，如果不能准确检测可能导致籽晶蘸入过量，严重时会导致提拉头直接进入熔液，使提拉头融化，发生事故。因此，自动检测籽晶与熔融液体接触的时刻，对于预防上述事故的发生和提高整个设备的自动化水平具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种单晶炉中籽晶与熔融硅液面接触的检测方法，该方法可以准确检测出籽晶与熔融硅液面的接触时刻，以便控制籽晶的蘸入深度。

本发明所采用的技术方案是，单晶炉中籽晶与熔融硅液面接触的检测方法，通过设置提拉头部位的绝缘，使炉体和熔融硅液面构成一电容器，检测籽晶与液面接触时变化的电容值，将该电容值转换成对应的电压值，并与一阈值进行比较，给出开关信号以表示籽晶与液面发生接触，具体包括以下步骤：

a.设置绕丝轮与绕丝轮轴之间绝缘，同时设置称重滑轮轴与称重滑轮支架之间绝缘，使炉体和熔融硅液面成为一电容器，籽晶、籽晶夹头、钢丝绳、绕丝轮、称重滑轮与单晶炉其它金属部分作电容器的一极，炉桶、炉盖、坩埚轴、坩埚托、坩埚、石英埚和熔融硅液体作电容器的另一极；

b.检测上述电容器两极间的电容值，对该电容值进行脉宽调制和滤波，转换成与该电容值成比例的直流电压值；

c.将上述电压值与一阈值进行比较，得到籽晶与液面的接触信号，并将该信号输出，即可根据该信号作出籽晶是否与液面接触的判断。

本发明的特点还在于，

对电容值进行脉宽调制和滤波并转换成直流电压值是采用电容值检测电路。

电压值与阈值进行比较是采用阈值比较电路，使得籽晶接触液面前后电路输出的状态不同。

阈值取籽晶接触液面和未接触液面时电容值对应的电压值的中值。

本发明的有益效果是通过对机械设计中增加绝缘，将籽晶与液面接触的检测问题，变成了测量电容值的突变问题，设计了简单的电容检测电路和阈值比较电路，实现了高温真空环境下的接触检测。这种检测方法无论从机械设计还是电路设计上都比较简单，但是极大地提高了系统的可靠性和自动化程度。

附图说明

图1是实现本发明方法的上提拉机构的局部剖视图；

图2是实现本发明方法的一种电容值检测电路实例图；

图3是实现本发明方法的一种阈值比较电路实例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明籽晶与熔融硅液面接触的检测方法，设计提拉头部位的绝缘，使得籽晶、籽晶夹头、钢丝绳、绕丝轮、称重滑轮与整个炉体绝缘，以上述部分作为电容一极，炉体的其它部分作为另一极，构成电容器。设计检测电路检测上述电容值，当籽晶与液面接触时，电容值会发生突变，设计一个阈值，当电容检测值超过阈值时，给出一个开关信号，表明籽晶与液面发生接触。包括以下步骤：

a.在提拉头上设计绝缘，具体的做法如下

如图1为上提拉机构的局部剖视图，上提拉机构的作用是将籽晶夹头及其连接的籽晶通过钢丝绳提拉进行上下运动，一个直流电动机通过减速器后与图1中与绕丝轮轴5连接，为运动提供动力。如图1所示，连接籽晶夹头的钢丝绳4先通过承重滑轮1改变方向后再缠绕在绕丝轮6上。

绝缘设计是指使绕丝轮6与绕丝轮轴5之间设计绝缘，同时使承重滑轮轴3与承重滑轮支架2之间绝缘，如图1所示。通过上述的绝缘设计，使籽晶、籽晶夹头、钢丝绳、绕丝轮、称重滑轮与单晶炉其它金属部分绝缘，这一部分作为电容的一极，炉桶、炉盖、坩埚轴、坩埚托、坩埚、石英埚和熔融的硅液体作电容的另一极。

b.当籽晶接触熔融的液面时，上述两电极间的电容量将发生突变，通过一电容检测电路检测得到两极之间的电容值，对该电容值进行脉宽调制和滤波，得到与该电容值成比例的直流电压值。

c.将上述电压值通过一阈值比较电路与阈值进行比较，得到籽晶与液面的接触信号，并将该信号输出，即可根据该信号作出籽晶是否与液面接触的判断。

图2是本发明提供的一种实现电容检测的电路图，如图2所示，电容检测电路包括一个NE556，其中包括两个独立的NE555电路；七个电阻，分别是电阻R200、电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、电阻R206；一个可调电阻HZ200；五个电容，分别是电容C200、电容C201、电容C202、电容C203、电容C204，其中电容C203为由步骤a中绝缘设计得到的电容；电容C201是电源滤波电容，用来对NE556的供电电源进行滤波。左边一个555电路，用来实现固定频率的方波信号TP5，方波信号的频率由电阻R201、电阻R202和电容C200决定，右边的555电路用来实现频率固定，占空比由电阻R200、电阻R206、HZ200、电容C204和电容C203决定。电阻R203、电阻R204和电容C202构成输出滤波电路，使得具有一定占空比的方波信号TP6转换成相应的直流电压。

图3是本发明提供的一种实现阈值比较的电路图，该电路包括一个四运放芯片LM324；15个电阻，分别是电阻R100、电阻R101、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R105、电阻R106、电阻R107、电阻R108、电阻R109、电阻R100、电阻R112、电阻R113、电阻R114、电阻R115；一个可变电阻R111；一个发光二极管D100；一个二极管D101；一个NPN型三极管T100；一个双刀双掷继电器K100；电路中四运放LM324的第二个单元(管脚5、6、7)和电阻R105、电阻R107、电阻R108、电阻R113构成了一个恒值电压电路，其输出TP3为电源电压的一半。四运放LM324的第一个单元(管脚1、2、3)和电阻R100、电阻R101、电阻R102、电阻R103共同构成一个减法电路，作用是将电容检测电路的输出电压VOUT减去电源电压的一半。四运放LM324的第四个单元(管脚12、13、14)和电阻R104、电阻R106、电阻R110构成一个放大电路，将前级输出信号放大。四运放LM324的第三个单元(管脚8、9、10)和电阻R114、电阻R115、电阻R111构成一个阈值比较电路，其中阈值TP4由可调电阻R111调节，实际设计时根据籽晶接触液面前后各自电容值对应的检测电压决定，一般取两者的中值。当TP2大于TP4时，LM324的8脚输出高电平，使得T100的集电极和发射极导通从而使继电器K100的线圈吸合，得到相应的开关量输出。同时，发光二极管D100被点亮，表明液面发生接触。电阻R109的作用是限制流过发光二极管D100的电流。二极管D101的作用是当继电器线圈矢电时，给线圈一个反向放电回路。

Claims

1.一种单晶炉中籽晶与熔融硅液面接触的检测方法，通过设置提拉头部位的绝缘，使炉体和熔融硅液面构成一电容器，检测籽晶与液面接触时变化的电容值，将该电容值转换成对应的电压值，并与一阈值进行比较，给出开关信号以表示籽晶与液面发生接触，其特征是，具体包括以下步骤：

c.将上述电压值与一阈值进行比较，得到籽晶与液面的接触信号，并将该信号输出，即可根据该信号作出籽晶是否与液面接触的判断，该阈值取籽晶接触液面和未接触液面时电容值对应的电压值的中值。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中，对电容值进行脉宽调制和滤波并转换成直流电压值是采用电容值检测电路。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c中，电压值与阈值进行比较是采用阈值比较电路，使得籽晶接触液面前后电路输出的状态不同。