CN101220503A - 集成式可编程晶体生长控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成式可编程晶体生长控制系统，包括温度传感器、微处理器、加热器、籽晶杆转动步进电机、晶体提拉步进电机和称重传感器；温度传感器通过其前置放大器、称重传感器通过称重传感器放大器分别与双路信号切换开关连接，双路信号切换开关、A/D转换器与微处理器互相连接；加热器至少分两路，每路都与微处理器连接，籽晶杆转动步进电机和晶体提拉步进电机通过各自驱动器与微处理器连接。本发明集温度控制、电机速度控制于一体，通过编程能够精确地控制温度升降速率、电机转向、转速及转动时间，并能够通过称量晶体重量确认晶体生长情况，可实时对晶体生长过程中的温度、速度和转向进行控制，保证了晶体生长质量。

Description

集成式可编程晶体生长控制系统

技术领域

本发明涉及一种集成式可编成晶体生长控制系统，属于晶体生长技术领域。

背景技术

现在传统的晶体生长控制系统，一般采用通用控温系统来控制晶体生长温度，通用控温系统控制温度量程大，相对精度小。以通用的FP23为例，当控制量程为0~100℃时，控制精度为0.01℃，这对于每天降温0.1℃左右的晶体生长控温要求，要达到均衡的降温，其控温精度显然不足。

晶体的生长过程除需精确控温外，还要控制晶体按一定规律转动，对于某些高温生长晶体，还要按一定的速度往上提拉。现在对于晶体的转动一般采用交流可逆电机驱动，电机不可调速，如果晶体生长只需不间断单向旋转，就直接接到交流电源上，如晶体生长过程要切换转动方向，则需要增加一套反向器，由于低速可逆电机为齿轮减速电机，长期运行时电机本身产生的高温可能使电机的齿轮间隙发生变化，造成齿轮卡住、电机停转故障，虽然发生这种情况的概率不大，但发生这种情况没有及时发现很可能造成晶体生长失败。晶体生长的周期长达数月，所以驱动晶体转动电机的可靠性极其重要，对于要提拉生长的晶体，还要增加一套由步进电机驱动的机械提拉装置及相应的驱动控制组件。

对于高温热熔性晶体的生长，籽晶固定到籽晶杆上放入生长炉后，就无法直接观察到晶体的生长情况，对于晶体是否正常生长、生长的速率是否正常均无法知道，导致发生出炉时晶体重量小、甚至因籽晶早期脱落没有晶体的情况。

发明内容

本发明针对现有晶体生长过程中温度、速度等控制技术的不足，提供一种集温度及其升降速率控制，电机转向、转速及转动时间控制并能够确认晶体生长情况的集成式可编程晶体生长控制系统。该控制系统集可编程控制升、降温速率的温度PID调整控制和步进电机驱动控制于一体，籽晶杆步进电机的转向、转速、转动时间及提拉步进电机的转速均可通过编程控制，并提供称量传感器输入接口，在籽晶杆步进电机停转时读出称量传感器的称重值，以确认晶体生长情况。

本发明的集成式可编程晶体生长控制系统包括温度传感器、双路信号切换开关、A/D转换器、微处理器、加热器、籽晶杆转动步进电机驱动器、晶体提拉步进电机驱动器、称重传感器和称重传感器放大电路；温度传感器通过前置放大器和双路信号切换开关与A/D转换器连接；称重传感器通过称重传感器放大电路和双路信号切换开关也与A/D转换器连接；A/D转换器与微处理器连接；至少有两路加热器，每路都是通过晶闸管开关和晶闸管触发驱动器与微处理器连接；籽晶杆转动步进电机通过斩波恒流步进电机细分驱动器与微处理器连接，晶体提拉步进电机的驱动器直接与微处理器连接。

温度传感器和加热器安装在晶体生长装置中，称重传感器安装在籽晶杆上，晶体生长越大，籽晶杆就会越重。温度传感器的测量信号经前置放大器放大后，通过双路信号切换开关输入到A/D转换器，转化为数字信号后输入到微处理器中，微处理器根据输入的温度信号，对加热器的加热功率进行数值比例积分微分(PID)控制调节。前置放大器的测量范围限制为晶体生长过程温度调整的最大变化范围，以最大限度提高测温分辨率，从而提高控温精度。温度控制的加热输出至少分为二路，可分别控制二个或二个以上的加热器，各路加热可分别编程控制最大输出比例(相当于调整各路加热的输出功率)。加热输出功率的调整采用改变晶闸管触发角的方法，在交流过零后延时触发大功率晶闸管开关，延时时间根据PID(数值比例积分微分)控制法计算得出。

本控制系统通过键盘输入编程，通过显示器显示设定温度、实际温度、籽晶杆总重量、加热输出状态、电机转动状态等工作状态信号。根据晶体生长温度变化速率低的特点，温度控制编程时，最大时间输入设为9999小时，解决通用可编程控制器时间输入范围小、同样降温速率需要重复输入的问题，减少编程步骤，简化控制器的操作。对于提拉步进电机，可编程电机的运行时间和运行速度。对籽晶杆转动步进电机，编程项目包括电机的转动转速、转动方向、加速时间、运行时间、减速时间、停转时间，能适合各种类型的晶体生长需要。

本发明集温度控制、电机速度控制于一体，通过编程能够精确地控制温度升降速率、电机转向、转速及转动时间，并能够通过称量晶体重量确认晶体生长情况，可实时对晶体生长过程中的温度、速度和转向进行控制，保证了晶体生长质量。

附图说明

附图是本发明的控制原理示意图。

其中：1、温度传感器，2、前置放大器，3、双路信号切换开关，4、A/D转换器，5、微处理器，6、加热器，7、晶闸管触发驱动器，8、晶闸管开关，9、籽晶杆转动步进电机，10、提拉步进电机，11、斩波恒流步进电机细分驱动器，12、称重传感器放大电路，13、称重传感器，14、键盘，15液晶显示模块，16、数据保持RAM，17、恒电压驱动器。

具体实施方式

实施例：

本控制系统的整体结构见附图，温度传感器1的测量信号经低噪音温度传感器前置放大器2放大和双路信号切换开关3输入到24位高精度A/D转换器4，转化为数字信号后输入到微处理器5中，微处理器5根据输入的温度信号，对加热器的加热功率进行PID控制调节。根据晶体生长温度检测的范围，温度传感器1选用PT100或热电偶，温度传感器1的前置放大器2采用超低噪音运放。前置放大器2的测量范围限制为晶体生长过程温度调整的最大变化范围，最大限度提高测温分辨率，从而提高控温精度。以低温水溶液晶体生长控制器为例，设计测温范围为20~80℃，使用的24位AD转换器，其有效分辨率大于17位，(有效数131071)，每1℃的采样温度变化其A/D采样数据变化值大于2000，AD采样分辨率达到0.0005℃以下。温度控制的加热输出分为二路，可分别控制二个加热器6，二路加热可分别编程控制最大输出比例(相当于调整二路加热的输出功率)。通过调整二路加热器的输出比例，可调整晶体生长炉的温度分布，防止杂晶生长。加热输出功率的调整采用改变晶闸管开关8的触发角的方法，通过交流过零检测，在交流过零后延时触发大功率晶闸管开关8，延时时间根据PID控制法计算得出。

籽晶杆转动步进电机9和提拉步进电机10的驱动控制也由微处理器完成，籽晶杆转动步进电机9采用大力矩步进电机，不带齿轮减速组件，避免因电机齿轮减速带来的系统可靠性下降问题。籽晶杆转动步进电机9的驱动采用斩波恒流步进电机细分驱动器11，以提高步进电机运行的平稳性，并降低电机运行噪音。对于晶体提拉步进电机10，因为电机处于单向慢速运行状态，采用带齿轮减速的小功率步进电机，用常规恒电压驱动器17驱动。在电机的保持状态，采用降低供电电压的方法，减少维持电流，降低电机的温升。

本控制系统还附带有称重传感器放大电路12，可以外接称重传感器13，当籽晶杆转动步进电机9处于停转状态时，微处理器5把双路信号切换开关3的输入切换到称重传感器放大电路12，称重信号经A/D转换器4转换后读入微处理器5。根据籽晶杆重量的变化就会知道晶体的生长情况。

对本控制系统的编程通过键盘14输入完成，液晶显示模块15平常用于显示设定温度、实际温度、籽晶杆总重量、加热输出状态、电机转动状态等工作状态信号，在编程过程中用于人机对话界面显示，编程数据保存在数据保持RAM16中，断电后不会丢失保存数据，根据晶体生长温度变化速率低的特点，温度控制编程时，最大时间输入设为9999小时，解决通用可编程控制器时间输入范围小、同样降温速率需要重复输入的问题，减少编程步骤，简化控制器的操作。对于提拉步进电机10，可编程电机的运行时间和运行速度。对籽晶杆转动步进电机9，编程项目包括电机的转动转速、转动方向、加速时间、运行时间、减速时间、停转时间，能适合各种类型的晶体生长需要。

Claims (1)

1.一种集成式可编程晶体生长控制系统，其特征在于：包括温度传感器、双路信号切换开关、A/D转换器、微处理器、加热器、籽晶杆转动步进电机驱动器、晶体提拉步进电机驱动器、称重传感器和称重传感器放大电路；温度传感器通过前置放大器和双路信号切换开关与A/D转换器连接；称重传感器通过称重传感器放大电路和双路信号切换开关也与A/D转换器连接；A/D转换器与微处理器连接；至少有两路加热器，每路都是通过晶闸管开关和晶闸管触发驱动器与微处理器连接；籽晶杆转动步进电机通过斩波恒流步进电机细分驱动器与微处理器连接，晶体提拉步进电机的驱动器直接与微处理器连接。

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