CN101597060B - 多晶硅生长视频监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多晶硅生长视频监测装置，该装置包括：摄像机，布置在多晶硅还原炉外围，其镜头对应还原炉的视窗，用于摄取硅芯图像；视频处理器，用于处理硅芯图像，计算硅芯直径；显示器，用于显示硅芯图像、硅芯直径计算值及各种数据。所述视频处理器具有视频采集模块，用于采集来自摄像机的图像数据；存储模块，用于存储采集数据、硅芯直径计算数学模型及输出数据；中央处理器，用于根据图像数据、硅芯直径计算数学模型计算硅芯直径。用本装置可连续准确地测量硅芯直径的实时数据，生成直径-时间生长曲线，再结合温度测试数据，进一步建立原料气加入量和加热电压随硅芯直径增长的数学模型，最终实现多晶硅生产的自动控制。
Description
技术领域
本发明涉及西门子法生产多晶硅的装置，具体涉及该装置的视频监测装置。
背景技术
多晶硅生产绝大部分是采用西门子法，其原理是使用三氯氢硅和氢气在还原炉内进行化学反应，在1100℃附近，还原出来的硅晶体附着在作为加热器的硅芯上，实现硅芯的长粗。
硅芯生长过程中，需要根据硅芯的直径控制原料气的加入量和加热电压(电流)，在以往，工人通过还原炉壁上开的观察孔来监测炉内多晶硅棒的生长情况，凭经验估计硅芯直径，据此调节多晶硅生产的上述工艺参数，由于硅芯直径估计总会有偏差，因而存在以下问题：
1.原料气加入量很难控制准确，加入量偏小，则硅芯生长缓慢，生产效率低，且浪费能源；加入量偏大，则新生晶体结构疏松，产品质量无保证，且反应不充分，多余原料气放空，造成浪费，并污染环境。
2.加热电压(电流)很难控制准确，硅芯温度偏离最佳反应温度(1100℃)，对硅芯生长带来负面影响。
3.无法实现原料气加入量和加热电压的无级连续调节，硅芯直径增长率不一致，形成类似树木年轮的分层结构，各层低密度不一致，产品使用性能差。
由上可见，连续准确地测量硅芯直径的实时数据，才能建立原料气加入量和加热电压随硅芯直径增长的数学模型，也才能最终实现多晶硅生产的自动控制。
发明内容
本发明的目的，是提供一种多晶硅生长视频监测装置，该装置能够连续准确地测量硅芯直径的实时数据，从而建立原料气加入量和加热电压随硅芯直径增长的数学模型，最终实现多晶硅生产的自动控制。
本发明的技术解决方案是：
一种多晶硅生长视频监测装置，该装置包括：
-摄像机，布置在多晶硅还原炉外围，其镜头对应还原炉的视窗，用于摄取硅芯图像；
-视频处理器，用于处理硅芯图像，计算硅芯直径；
-显示器，用于显示硅芯图像、硅芯直径计算值及各种数据。
所述视频处理器具有：
-视频采集模块，用于采集来自摄像机的图像数据；
-存储模块，用于存储采集数据、硅芯直径计算数学模型及输出数据；
-中央处理器，用于根据图像数据、硅芯直径计算数学模型计算硅芯直径。
所述摄像机采用CCD工业摄像机。
所述摄像机是两台，相对于硅芯中心线对称布置。
所述摄像机与多晶硅还原炉视窗之间设有隔热玻璃。
所述摄像机具有隔热外壳，隔热外壳具有氮气冷却通道。
本发明的有益效果是：
用上述装置可连续准确地测量硅芯直径的实时数据，生成直径-时间生长曲线，再结合温度测试数据，进一步建立原料气加入量和加热电压随硅芯直径增长的数学模型，最终实现多晶硅生产的自动控制。
附图说明
图1是本装置的一种结构框图
图2是本装置在还原炉外围的布置图
图3是本装置的监测原理图
具体实施方式
多晶硅生长视频监测是针对多晶硅还原炉内的多晶硅棒生长过程中的直径进行监测而开发的仪器，是以机器视觉方法实现对多晶硅尺寸的测量。其优点是体积小巧，便于安装；视频监测，减少人员劳动强度；生成的直径-时间生长曲线，结合温度测试数据，可逐步建立多晶硅生长最优温度场控制模型，为以后的生产提供了有力的依据。可预定用于受到观察空间限制、高温场合，还可用于某些工业现场进行测试。
本多晶硅生长视频监测系统的硬件结构组成如图1、图2所示。
摄像机A、B，布置在多晶硅还原炉外围，其镜头对应还原炉的视窗，用于摄取硅芯图像；视频处理器1：用于处理硅芯图像，计算硅芯直径；显示器5：用于显示硅芯图像、硅芯直径计算值及各种数据。
视频处理器1具有视频采集模块2(数据采集模块)：用于采集来自摄像机的图像数据；存储模块3：用于存储采集数据、硅芯直径计算数学模型及输出数据；中央处理器4：用于根据图像数据、硅芯直径计算数学模型计算硅芯直径。
由于装置是工作在35～50℃左右的车间环境中，温度较高，灰尘较大，因此还需要一些隔热、防尘和冷却装置。因此，考虑装置的工作环境和镜头、相机的防护，在摄像机A、B与多晶硅还原炉视窗6之间设有隔热玻璃7，最好设两道。
另外，摄像机设有隔热外壳8，隔热外壳8具有冷却介质通道，通入氮气冷却。
本装置的工作原理见图3：多晶硅生长视频监测仪是以机器视觉方法实现对多晶硅尺寸的测量，具体采用双相机定点测量方法进行监测。当硅棒9直径较小时，左右相机都能看全硅棒，用他们分别测量的直径值求平均，为硅棒直径；然后，当硅棒直径长到某一值后，左右相机都看不全硅棒时，但左相机能看到硅棒的右边界，右相机能看到硅棒的左边界。用采集卡同时采集左右相机各一帧图片，通过标定获得的硅棒中心在CCD上的位置以及标定的两个硅棒直径，结合两帧图片的测量数据，用一定的算法计算出硅棒的直径。
多晶硅生长视频监测系统主要是对生长直径进行跟踪监测，实时得到生长直径值。由于VC++6.0的众多优点，本装置的软件主要采用基于VC++6.0的MFC类库来编写源代码。
多晶硅生长视频监测系统的软件主要采用模块化的编程结构。对仪器的操作和对数据的分析处理显示是通过人机操作界面实现的。采用Visual C++的MFC对话框模版作为人机界面的软件开发平台。利用该软件开发平台，可以方便的绘制用户界面、设计各种控件、数据分析和显示，还可以在同一界面显示上采集到的图像和生成的直径-时间生长曲线，结构简单清晰。
(1).硬件上采用双相机定点测量的方法测量直径，两相机相互印证，以便修正测量直径值；同时，两相机相辅工作，如果其中一个出现故障，另一个可以继续工作。
(2).充分利用现代机器视觉产业的最新成果，采用现有的工业级镜头、相机、视频采集卡、工控机，组成多晶硅生长视频监测系统的硬件系统，缩短了研制开发周期，提高了产品的整体性能，同时也保证产品具有良好的软件兼容性。
(3).采用专门的相机电源，保证了相机工作的可靠性和稳定性。
(4).视频图片的处理采用模块化的处理软件。
(5).基于Visual C++编程开发环境开发了多晶硅生长视频监测系统的图像处理源程序。
(6).基于对话框模版的MFC基础类库开发了面向对象的人机界面，方便仪器的调试和操作。
本装置设计和制作简易的多晶硅还原炉模拟系统、模拟硅棒，在实验室模拟系统上进行了标定和数据测试，并多次调整系统人机界面的设计和处理方法的细化，多晶硅生长视频监测系统达到了预定目标，能够实时监测模拟还原炉内的多晶硅生长数据。之后又在实际生产环境中进行了试运行，达到了设计的效果。
多晶硅生长视频监测仪是基于机器视觉原理的利用机器代替人眼进行实时监测的仪器。其硬件设计是针对专门的还原炉而设计的，但是考虑到观察孔的大小不一，只需要更换不同焦距和选用不同个数的的镜头，就可以实现不同还原炉观察孔的监测。
Claims (4)
1.一种多晶硅生长视频监测装置，用于实时测量生长过程中的多晶硅芯直径，所述视频监测装置包括：
-摄像机，布置在多晶硅还原炉外围，其镜头对应还原炉的视窗，用于摄取硅芯图像；
-视频处理器，用于处理硅芯图像，计算硅芯直径；
-显示器，用于显示硅芯图像、硅芯直径计算值及各种数据；
所述视频处理器具有：
-视频采集模块，用于采集来自摄像机的图像数据；
-存储模块，用于存储采集数据、硅芯直径计算数学模型及输出数据；
-中央处理器，用于根据图像数据、硅芯直径计算数学模型计算硅芯直径；
其特征在于，所述摄像机是两台，相对于硅芯中心线左、右对称布置，当硅棒直径长到某一值后，左右相机都看不全硅棒时，左相机能看到硅棒的右边界，右相机能看到硅棒的左边界，用采集卡同时采集左、右相机各一帧图片，通过标定获得的硅棒中心在摄像机上的位置以及标定的两个硅棒直径，结合两帧图片的测量数据，用硅芯直径计算数学模型计算出硅棒的直径。
2.根据权利要求1所述的多晶硅生长视频监测装置，其特征在于，所述摄像机采用CCD工业摄像机。
3.根据权利要求1所述的多晶硅生长视频监测装置，其特征在于，所述摄像机与多晶硅还原炉视窗之间设有隔热玻璃。
4.根据权利要求1所述的多晶硅生长视频监测装置，其特征在于，所述摄像机具有隔热外壳，隔热外壳具有氮气冷却通道。
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