CN102445919A

CN102445919A - 一种砷化镓单晶炉电气控制系统

Info

Publication number: CN102445919A
Application number: CN2011104295022A
Authority: CN
Inventors: 吴莉; 何连洋
Original assignee: BEIJING JINGYISHIJI ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: BEIJING JINGYISHIJI ELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-05-09

Abstract

本发明实施例提供了一种砷化镓单晶炉电气控制系统，系统包括：中心控制部分、运动控制部分、气体控制部分、温度控制部分、水路检测部分和操作面板，所述运动控制部分、气体控制部分、温度控制部分、水路检测部分和操作面板分别与所述中心控制部分相连。中心控制部分包括通信模块、可编程逻辑控制器和输入输出模块，所述可编程逻辑控制器通过所述通信模块和所述操作面板进行通信，以及通过所述输入输出模块和所述运动控制部分、气体控制部分、温度控制部分及水路检测部分进行通信。本发明实施例可以提高砷化镓材料生产过程的精度和可靠性，容易实现功能扩展，降低电能消耗。

Description

一种砷化镓单晶炉电气控制系统

技术领域

本发明涉及电气控制领域，尤其是涉及一种砷化镓单晶炉电气控制系统。

背景技术

近几十年来，随着砷化镓(GaAs)材料在微电子和光电子领域应用的日益广泛和多元化，而用于生产砷化镓单晶的设备其传统的功能已经不能满足市场产品的多元化需求，尤其是砷化镓单晶炉的电气控制部分主要是采用继电器的控制方法，该控制方法采用的是固定的手工接线、安装，如果生产过程有所改动，必须重新设计电路接线安装，几乎不可能在原设备的基础上进行改造，它不能随着产品生产的工艺改变而改变，它的电机控制部分控制精度和可靠性差，大量的继电器会产生大量的热及噪声，消耗了大量的电能，不能满足工艺要求。

发明内容

本发明实施例提供一种砷化镓单晶炉电气控制系统，用于提高砷化镓(GaAs)材料生产过程的精度和可靠性，容易实现功能扩展，降低电能消耗。

本发明实施例提供了一种砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，该系统包括：中心控制部分、运动控制部分、气体控制部分、温度控制部分、水路检测部分和操作面板，运动控制部分、控制部分、温度控制部分、水路检测部分和操作面板分别与中心控制部分相连；中心控制部分包括通信模块和可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器通过通信模块和操作面板进行通信，以及通过其输入输出模块和运动控制部分、气体控制部分、温度控制部分及水路检测部分进行通信；运动控制部分包括辅助继电器、直流驱动器和电机，辅助继电器和输入输出模块以及直流驱动器相连，电机和直流驱动器相连；气体控制部分包括：质量流量计和气压控制器，质量流量计和气压控制器与输入输出模块相连；温度控制部分包括：连接器和多段温度控制器，多段温度控制器通过连接器和所述输入输出模块相连；水路检测部分包括水温传感器、水压表及水流量传感器，水温传感器和输入输出模块相连，水压表及水流传感器和输入输出模块相连。

优选地，本发明实施例中输入输出模块包括数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块。

优选地，本发明实施例中数字输入模块为施耐德公司的TM5SDI12D型数字量输入模块，数字输出模块为施耐德公司的TM5SDO12T型数字量输出模块，模拟输入模块为施耐德公司12位TM5SAI4L型模拟量输入模块以及16位的TM5SAI4H型模拟量输入模块，模拟输出模块为施耐德公司的TM5SAO4L型模拟量输出模块。

优选地，本发明实施例中电机还包括一编码器，所述编码器用于将反馈信号分为两路，一路作为负反馈信号反馈给所述直流驱动器，与所述直流驱动器构成一闭合回路，另一路反馈给所述可编程逻辑控制器。

优选地，本发明实施例还包括加热器，所述加热器和所述多段温度控制器相连，所述加热器用于将反馈信号分为两路，一路作为负反馈信号反馈给所述多段温度控制器，与所述多段温度控制器构成一闭合回路，另一路反馈给所述可编程逻辑控制器。

优选地，本发明实施例还包括一信号控制器，所述信号控制器用于将反馈给所述多段温度控制器的信号控制在预设范围内。

优选地，本发明实施例中可编程逻辑控制器为施耐德公司的M258型可编程逻辑控制器。

优选地，本发明实施例中直流驱动器为敬业北微微电机厂的直流力矩控制器PWM1000和机组130LCX-1，或者所述直流驱动器为美国公司的815-BR-21，机组三洋公司生产的电机V730-012。

优选地，本发明实施例中温度控制器为英国公司的3508，美国公司的铂铑10热电偶。

优选地，本发明实施例中操作面板为触控面板。

本发明实施例采用了可编程逻辑控制器作为电气控制系统的中心控制部分，提升了系统性能、而且可以使得系统具有灵活的集成功能、灵活的本地控制功能及远程控制功能；另外本发明实施例运动控制部分采用了PWM型高精度直流驱动器，该驱动器是采用MM型伺服放大器为核心部件，由高速功率MOSFET或IGBT器件组成的H桥以双极PWM方式运行，驱动直流电机，具有高精度、高稳定性、高效率，高的组态灵活性。最后，本发明实施例的温度控制部分采用了多段温度控制，实现了砷化镓单晶在生产过程中温度的可控可调

附图说明

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种砷化镓单晶炉电气控制系统的简单系统结构图；

图2为本发明实施例提供的一种砷化镓单晶炉电气控制系统的详细系统结构图。

具体实施方式

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作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。

如图1所示为本发明实施例提供的一种砷化镓单晶炉电气控制系统的简单系统结构图，如图2所示为本发明实施例提供的一种砷化镓单晶炉电气控制系统的详细系统结构图。

本发明实施例的砷化镓单晶炉电气控制系统包括中心控制部分110、运动控制部分120、气体控制部分130、温度控制部分140、水路检测部分150和操作面板160。运动控制部分120、气体控制部分130、温度控制部分140、水路检测部分150和操作面板160分别与中心控制部分110相连。

中心控制部分110通信模块111、可编程逻辑控制器112和输入输出模块113，可编程逻辑控制器112通过通信模块111和操作面板160进行通信，以及通过输入输出模块113和运动控制部分120、气体控制部分130、温度控制部分140及水路检测部分150进行通信，输入输出模块113为可编程逻辑控制器112的一部分。

作为本发明的一个实施例，可编程逻辑控制器112为施耐德公司的M258型可编程逻辑控制器，该可编程逻辑控制器112是施耐德电气推出的超高性能、超强扩展能力以及超级紧凑机身的新一代可编程逻辑控制器，采用这种逻辑控制器可以提升系统性能、而且可以使得系统具有灵活的集成功能、灵活的本地控制功能及远程控制功能。

作为本发明的一个实施例，输入输出模块113可以同时包括数字输入输出模块和模拟输入输出模块，其中数字输入模块为施耐德公司的TM5SDI12D型数字量输入模块，数字输出模块为施耐德公司的TM5SDO12T型数字量输出模块，模拟输入模块为施耐德公司12位TM5SAI4L型模拟量输入模块以及16位的TM5SAI4H型模拟量输入模块，模拟输出模块为施耐德公司的TM5SAO4L型模拟量输出模块。采用多种输入输出模块后，本发明实施例只需简单连接即可以组成不同的应用系统，为控制系统增加更多的功能。

作为本发明的一个实施例，还可以包括一电源模块，该电源模块和电源相连，用于为整个控制系统提供电能。

运动控制部分120包括辅助继电器121、直流驱动器122和电机123，辅助继电器121和输入输出模块113以及直流驱动器122相连，电机123和直流驱动器122相连。

作为本发明的一个实施例，直流驱动器122可以为敬业北微微电机厂的直流力矩控制器PWM1000和电机123为机组130LCX-1，或者直流驱动器122为美国公司的815-BR-21，电机123为三洋公司生产的电机V730-012。直流驱动器122可以有多个，分别工作在慢速、快速、下转、上转等状态下，当然直流驱动器122也可以仅有一个，分别在上述状态下进行切换。

运动控制部分120的工作流程如下：

在操作面板160上给定一数值，通过内部存储器将数值传给可编程逻辑控制器112相应的输入口，在可编程逻辑控制器112内部经过根据特定运算式和程序段来得到相应控制信号，通过输出口将该控制信号传递给直流驱动器122，此控制信号在直流驱动器122内部经过内部已设定好的程序运算出结果，得出的结果通过传输线控制电机123的运动。同时，通过操作面板160给定下转正向、反向运动、快速转动、慢速转动、中速转动的指令，经过可编程逻辑控制器112、直流驱动器122来控制下使电机123按设定的指令进行正向、反向运动，从而在砷化镓单晶生长过程中由下轴带动坩动。

作为本发明的一个实施例，在电机123内还可以包括一编码器，通过该编码器用数据线将反馈信号分两路，一路作为负反馈信号通过编码器电缆输入给直流驱动器122的相应接口，使直流驱动器122与电机123构成一闭环回路，另一路作为位置信号输入给可编程逻辑控制器112，如果位置信号对应的数值超过可编程逻辑控制器输入口的最大值，则必须经过一信号控制模块将其缩小一定的倍数使其能进入可编程逻辑控制器112，在可编程逻辑控制器112内部做比例的转换后成为速度信号，再将速度该信号输入到触摸屏或数值显示表进行速度的数字显示。

气体控制部分130包括：质量流量计131和气压控制器132，质量流量计131和气压控制器132与输入输出模块113相连。在本实施例中，质量流量计131可以为美国BROOKS公司生产的SLA5850S。

在本实施例中，可以通过操作面板160给可编程逻辑控制器112一个给定信号以打开一氧化碳、氩气、入炉气体的入炉电磁阀，同时通过操作面板160给定一氧化碳、氩气、入炉气体质量流量计131的流量及压力控制器132的压力值。另外，质量流量计131和气压控制器132的反馈信号还可以反馈给可编程逻辑控制器112，经过其内部处理后，输入到操作面板160的触摸屏，显示其流量值和压力值。

作为本发明的一个实施例，气体控制部分130还可以包括真空计133，该真空机133比如可以为北仪创新真空技术公司生产的ZD0-53B。

温度控制部分140包括：连接器141和多段温度控制器142，该多段温度控制器142通过连接器141和可编程逻辑控制器112相连。另外，该温度控制部分140还可以包括加热器143，加热器143和多段温度控制器142相连。在本实施例中，多段温度控制器142可以为英国公司的3508和美国公司的铂铑10热电偶，从而可以保证斜变降温速度(1300℃～800℃)在0～3℃/分钟内可控可调。

温度控制部分140的工作流程如下：

通过可编程逻辑控制器112给多段温度控制器142输入信号，此输入信号与加热器143中所需的信号大小相对应，通过此信号对加热器143进行加热，同时反馈信号分为两路，一路作为负反馈信号反馈给多段温度控制器142，使得加热器143与多段温度控制器142构成一闭合回路，并且通过温度控制器内部的PID算法来控制加热器的温度，从而使砷化镓单晶生长处在一个稳定的热场中，另一路反馈给可编程逻辑控制器112，可编程逻辑控制器112通过通信模块111和操作面板160进行通讯，从而显示在触摸屏上，使操作者能清晰的把握整个砷化镓单晶的生长过程。

水路检测部分150包括水温传感器151、水压表152及水流传感器153，水温传感器151和可编程逻辑控制器112相连，水压表152及水流传感器153与输入输出模块113相连。在本实施例中，水温传感器151可以为基恩士公司生产的FD-T1，水流量传感器153可以为基恩士公司生产的FD-M50AY。

水温传感器151将测取得信号通过数据线、经过串口反馈给可编程逻辑控制器112，可编程逻辑控制112通过通讯模块111与操作面板160连接，水温在触摸屏上的显示部分进行实时显示。

如上所述，在本实施例中操作面板160可以为一触控面板，工程人员可以根据工艺要求，用它来设置参数、显示数据、监控设备状态、以曲线或动画等形式描绘自动化控制过程。在本实施例中的触摸屏可以分为5个画面：1、主画面，包括加热器温度显示、炉室压力显示、真空显示、水温显示、水流量显示、运动速度显示、系统运行状态和报警状态显示等。2、速度系统，包括除了主画面中的各种状态显示外，有三大块运动控制的电源设定、数值设定，一氧化碳混合气流量流入的开启和停止设定、时间设定的显示。3、晶体生长，包括除了主画面中的各种状态显示外，有六段温度各个时间处的晶体生长情况的显示。4、参数设置，包括除了主画面中的各种状态显示外，有工艺参数的设定，包括不同时间处的六段温度的设定、一氧化碳气体流量的设定、水流量的设定、运动速度以及时间的设定。5、系统报警，包括除了主画面中的各种状态显示外，有五大类的报警提示和显示。

本发明实施例采用了可编程逻辑控制器作为电气控制系统的中心控制部分，提升了系统性能、而且可以使得系统具有灵活的集成功能、灵活的本地控制功能及远程控制功能；另外本发明实施例运动控制部分采用了PWM型高精度直流驱动器，该驱动器是采用MM型伺服放大器为核心部件，由高速功率MOSFET或IGBT器件组成的H桥以双极PWM方式运行，驱动直流电机，具有高精度、高稳定性、高效率，高的组态灵活性。最后，本发明实施例的温度控制部分采用了多段温度控制，实现了砷化镓单晶在生产过程中温度的可控可调。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，所述系统包括：中心控制部分、运动控制部分、气体控制部分、温度控制部分、水路检测部分和操作面板，所述运动控制部分、气体控制部分、温度控制部分、水路检测部分和操作面板分别与所述中心控制部分相连；

所述中心控制部分包括通信模块和可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器通过所述通信模块和所述操作面板进行通信，以及通过其输入输出模块和所述运动控制部分、气体控制部分、温度控制部分及水路检测部分进行通信；

所述运动控制部分包括辅助继电器、直流驱动器和电机，所述辅助继电器和所述输入输出模块以及所述直流驱动器相连，所述电机和所述直流驱动器相连；

所述气体控制部分包括：质量流量计和气压控制器，所述质量流量计和气压控制器与所述输入输出模块相连；

所述温度控制部分包括：连接器和多段温度控制器，所述多段温度控制器通过所述连接器和所述输入输出模块相连；

所述水路检测部分包括水温传感器、水压表及水流量传感器，所述水温传感器和所述输入输出模块相连，所述水压表及所述水流传感器与所述输入输出模块相连。

2.如权利要求1所述的砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，所述输入输出模块包括数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块。

3.如权利要求2所述的砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，数字输入模块为施耐德公司的TM5SDI12D型数字量输入模块，数字输出模块为施耐德公司的TM5SDO12T型数字量输出模块，模拟输入模块为施耐德公司12位TM5SAI4L型模拟量输入模块以及16位的TM5SAI4H型模拟量输入模块，模拟输出模块为施耐德公司的TM5SAO4L型模拟量输出模块。

4.如权利要求1所述的砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，所述电机还包括一编码器，所述编码器用于将反馈信号分为两路，一路作为负反馈信号反馈给所述直流驱动器，与所述直流驱动器构成一闭合回路，另一路反馈给所述可编程逻辑控制器。

5.如权利要求1所述的砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，还包括加热器，所述加热器和所述多段温度控制器相连，所述加热器用于将反馈信号分为两路，一路作为负反馈信号反馈给所述多段温度控制器，与所述多段温度控制器构成一闭合回路，另一路反馈给所述可编程逻辑控制器。

6.如权利要求4或5所述的砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，还包括一信号控制器，所述信号控制器用于将反馈给所述多段温度控制器的信号控制在预设范围内。

7.如权利要求1所述的砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制器为施耐德公司的M258型可编程逻辑控制器。

8.如权利要求1所述的砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，所述直流驱动器为敬业北微微电机厂的直流力矩控制器PWM1000和机组130LCX-1，或者所述直流驱动器为美国公司的815-BR-21，机组三洋公司生产的电机V730-012。

9.如权利要求1所述的砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，所述温度控制器为英国公司的3508，美国公司的铂铑10热电偶。

10.如权利要求1所述的砷化镓单晶炉电气控制系统，其特征在于，所述操作面板为触控面板。