CN104805498A - 一种交互式的晶体生长加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交互式的晶体生长加热装置，应用于蓝宝石生长领域，包括两个半圆环电极、多根加热棒以及整圆环电极和绝缘隔板，整圆环电极通过所述绝缘隔板与两个半圆环电极成绝缘连接固定，所述多根加热棒分为第一组加热棒和第二组加热棒的两组加热棒，第一组加热棒和第二组加热棒成交互均布于整圆环电极和两个半圆环电极上，且通过改变整圆环电极和两个半圆环电极与电源连接的方式来驱动第一组加热棒和第二组加热棒以串联模式工作或并联模式工作。本发明提供的加热装置可以保证每根加热棒所受到的总作用力相互处于平衡状态，从而保持整个装置的稳定性和耐用性，另外还可以改变加热棒的工作模式来适接不同的电源。

Description

一种交互式的晶体生长加热装置

技术领域

本发明涉及化学、冶金领域，主要是涉及与单晶生长相关的加热装置，更加具体来讲，是指一种交互式的晶体生长加热装置。

背景技术

泡生法(Kyropoulos method)是一种从熔融液体中生长单晶体的晶体生长法，其被广泛应用于蓝宝石单晶的生长。

在采用泡生法进行生长时，需要使用到加热器，即用于提供加热源的装置。现有的加热装置结构存在左右两组钨棒在通电时电流方向相反(每根相邻钨棒的瞬时电流方向一根朝上，另一根朝下)的问题，从而使得左右两组钨棒在通电时相互排斥，时间一久加热装置的形状会不断变形而朝椭圆形发展，最终失去轴圆对称的完整性并缩短加热器寿命，甚至随着使用时间增加还会出现固定半圆环的断裂。

另外，现有加热装置除了上述在钨棒设置上存在缺陷外，还存在一个不便的地方就是在对于电源的选择上，选择强度较大的粗钨棒加热时钨棒的根数不能太多，棒和棒之间的间距较大，导致温场的圆对称性下降。并且，如果在钨棒分布密度不变的情况下加大钨棒的直径，会致使电源输出的电流增加、输出电压降低，从而使输出稳定性的控制难度增加。

总之，在现有泡生法制备晶体中所使用的加热装置至少存在两个问题：第一，加热棒存在受力不均的情况，而且缺乏一定的稳定性；第二，在适配电源上较为单一，无法使用其他电源来进行工作。所以，对于本领域技术人员来讲，如何改进上述不足就成了一个亟待解决的难题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种交互式的晶体生长加热装置，用于解决现有技术中加热棒存在受力不均的情况而且缺乏一定的稳定性、以及在适配电源上较为单一的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下技术方案：

一种交互式的晶体生长加热装置，包括两个半圆环电极和多根加热棒，所述晶体生长加热装置还包括一整圆环电极和绝缘隔板，所述整圆环电极设置于所述绝缘隔板的上方，所述两个半圆环电极呈整圆状的设置在所述绝缘隔板的下方且相互隔断，所述两个半圆环电极分别作为第一半圆环电极和第二半圆环电极，所述多个加热棒分列成第一组加热棒和第二组加热棒，所述第一组加热棒和第二组加热棒中的加热棒按以下连接方式交替地连接在所述整圆环电极和两个半圆环电极上：所述第一组加热棒中的加热棒的一端与所述第一半圆环电极连接固定，另一端成不接触地依次穿过所述第一半圆环电极上方的所述绝缘隔板和整圆环电极并经弯折后与所述第二半圆环电极上方的所述整圆环电极连接固定；所述第二组加热棒中的加热棒的一端与所述第一半圆环电极上方的所述整圆环电极连接固定，另一端经弯折后成不接触地依次穿过所述第二半圆环电极上方的所述整圆环电极和绝缘隔板并与所述第二半圆环电极连接固定。

优选地，所述交互式的晶体生长加热装置还包括多个供固定所述多根加热棒的半圆环，每个所述半圆环上开设有多个供所述加热棒穿过且不连接接触的第一适配孔和供所述加热棒穿过并连接接触的第二适配孔，所述第一适配孔和第二适配孔依次交替地布设于所述半圆环上，且所述第一适配孔的孔径大于所述第二适配孔的孔径。

优选地，由4个所述半圆环构成包括第一固定层和第二固定层的支撑架，所述多根加热棒上安设有多个支撑架。

优选地，于每个支撑架中，所述第一固定层供所述第一组加热棒/第二组加热棒，所述第二固定层供固定所述第二组加热棒/第一组加热棒。

优选地，每一所述固定层均由两个所述半圆环呈整圆状地正对隔断设置构成，每个所述半圆环与所述加热棒垂直。

优选地，所述第一固定层和第二固定层之间的间距大于等于10mm。

优选地，所述第一组加热棒中的加热棒数与所述第二组加热棒中的加热棒数相等。

优选地，所述加热棒与所述整圆环电极之间通过无头螺丝予以顶紧固定。

优选地，所述加热棒与两个半圆环电极之间通过钼丝捆绑予以固定。

优选地，所述整圆环电极、绝缘隔板及两个半圆环电极通过晶体生长设备上现有的固定孔来予以固定。

综上所述，本发明中的加热装置无论并联还是串联方式工作都可以避免加热装置变形和导致半圆环断裂问题，提高加热装置的使用寿命和轴圆对称的完整性，而加热装置变形量的减少可以更长时间保持温场的轴圆对称性提高工艺重复性。加热装置工作在高温(2000℃以上)、高真空环境中，两个半圆环电极环分别连接电源正负极。以第一半圆环电极为正极为例，左侧第一半圆环电极上均布连接加热棒导电发热体弯转连接回上方整圆环电极右侧，同样右侧第二半圆环电极上均布连接加热棒导电发热体弯转连接回上方整圆环电极左侧。两侧加热棒交互均布，加热棒间用固定环做支撑架，防止高温下加热棒变形，整圆环电极与半圆环电极间用由绝缘材料制成的绝缘隔板隔离，该加热装置与传统加热装置对比，增加了一个整圆环电极，提高了加热装置的结构稳定性。另外，加热棒采用串联连接，加大加热棒直径提高强度，提高了加热棒的使用寿命，降低了加热棒的损耗，提高了温场的稳定性和工艺重复性。而并联方式连接保留传统方式加热棒尺寸不变条件下，提高了单根加热棒受力平衡性，降低了变形量，提高了加热棒的使用寿命，降低了加热棒的损耗，提高了温场的稳定性和工艺重复性。

附图说明

图1为本发明提供的一种交互式的晶体生长加热装置的主视结构图。

图2为加热棒在整圆环电极和两个半圆环电极上的设置结构示意图。

图3为固定环的俯视结构图。

图4A为加热棒与半圆环电极和整圆环电极之间在串联工作模式下的连接等效示意图。

图4B为加热棒与半圆环电极和整圆环电极之间在并联工作模式下的连接等效示意图。

附图标号说明

1   半圆环电极

1a  第一半圆环

1b  第二半圆环

2   绝缘隔板

3   整圆环电极

4   加热棒

5   固定环

51  第一适配孔

52  第二适配孔

5A  固定层

5A1 第一固定层

5A2 第二固定层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

由于现有的加热装置存在着一些明显的不足，即其中一组钨棒(比如左侧)和另一组(右侧)在通电时电流方向相反，从而受力相互排斥，进而更易导致变形。另外，现有的加热装置中用于固定钨棒的圆环以及作为电极的连接板并不能很好的固定钨棒，缺乏一定的稳定性，而且在电源的选择上也较为单一。

鉴于现有的问题，本发明提供了一种交互式的晶体生长加热装置，请参考图1，给出了该晶体生长加热装置的主视结构图，如图1所示，该晶体生长加热装置至少包括两个半圆环电极1、绝缘隔板2、整圆环电极3及多根加热棒4。其中，所述两个半圆环电极1正对且相隔开(间隔10mm左右)地水平放置，于两个半圆环电极1上依次安设有所述绝缘隔板2和整圆环电极3，且整圆环电极3、绝缘隔板2及两个半圆环电极1之间通过设备上的固定孔固定，这里通过增加整圆环和绝缘隔板2可以使得固定加热棒4的固定点增加并下移，从而增加了加热装置的稳定性，所述多根加热棒4的两端分别配合地设置于所述整圆环电极3和任一半圆环电极1之间，且多根加热棒4依据所述整圆环电极3和两个半圆环电极1所接电源电极的不同而形成串联或并联工作方式。

具体地，所述多根加热棒4分为两组，包括第一组加热棒和第二组加热棒，其中，第一组加热棒和第二组加热棒中每根加热棒4成相互间隔地交互设置于所述整圆环电极3和两个半圆环电极1上。可以参考图2，给出了加热棒4在整圆环电极3和两个半圆环电极1上的设置结构图，详细地，将两个半圆环电极1分别表示为第一半圆环电极1a和第二半圆环电极1b，取第一组加热棒中的一根加热棒a为例，加热棒a从第一半圆环电极1a引出，穿过但不接触绝缘隔板2和整圆环电极3，接着做连续两次90°弯折后，再回到第二半圆环电极1b上方的整圆环电极3上固定截止；同理地，再取第二组加热棒中的一根加热棒b为例，加热棒b从第二半圆环电极1b引出，穿过但不接触绝缘隔板2和整圆环电极3，接着做连续两次90°弯折后，再回到第一半圆环电极1a上方的整圆环电极3上固定截止。根据前述方式，依次循环地将所述第一组加热棒和第二组加热棒中加热棒4安设于整圆环电极3和半圆环电极1上。

另外，实施上述方案时加热棒4与电极之间可以采用无头螺丝和钼丝捆绑固定，且所述加热棒4一般采用钨棒，而所述整圆环电极3和至少两个半圆环电极1一般采用铜质材料的导体(下同)。

进一步地，再结合图2，在加热棒4垂直方向上还设有多个供固定加热棒4并与加热棒4相垂直的固定环5，且固定环5与加热棒4之间通过焊接固定(具体地，可以采用点焊进行焊接)，用于防止加热棒4变形。另外，请结合图3，给出了所述固定环5的俯视结构图，如图所示，具体地，所述固定环5为半圆环(为便于叙述，下文仍以固定环5进行解释说明)，所述固定环5上开设有多个适配孔(包括第一适配孔51和第二适配孔52，其中，所述第一适配孔51可容纳所述加热棒4穿过且不接触，而所述第二适配孔52则可容纳所述加热棒4穿过并接触)，且该第一适配孔51和第二适配孔52沿着固定环5的端面成依次交替间隔设置。具体地，由4个所述固定环5构成一支撑架5A，所述加热棒4上安设有多个所述支撑架5A，本实施例中设有4个支撑架，且4个支撑架之间间距相等。另外，每个支撑架又分为第一固定层5A1和第二固定层5A2，第一固定层5A1和第二固定层5A2都是由2个成正对设置的所述固定环5构成，即两个所述固定环5成整圆状地相互隔开设置。需要注意地是，同层上的第一固定层5A1和第二固定层5A2之间错开距离应该在10mm以上(包括10mm)，以防止出现距离过近，出现放电打火的情况。

更进一步地，在前述的基础上，所有的加热棒4的连接方式不变，仅仅改变整圆环电极3和两个半圆环电极1与电源正负极的连接方式，从而实现串联和并联的两种工作方式。下面将对采用串联方式或并联方式工作的原理进行详细的说明。

第一，采用串联工作模式。

为了更好地说明本方案，这里将在以上图2的基础上，给出图4A，示出了加热棒4与半圆环电极1和整圆环电极3之间在串联工作模式下的连接等效示意图，如图4A所示，所述第一组加热棒A和第二组加热棒B中的加热棒4相互间隔地连接在整圆环电极3和半圆环电极1上。例如，第一组加热棒A中的A1、A2、A3、A4……和第二组加热棒B中的B1、B2、B3、B4……依次按照A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4……的顺序设置连接在整圆环电极3和半圆环电极1上，显然地，这里的设置连接方式与图2中的设置连接方式是一致的，只不过这里省略了固定环5。

具体地，为了使所述第一组加热棒和第二组加热棒以串联模式工作，只需将第一半圆环电极1a和第二半圆环电极1b分别连接电源的正极和负极即可。例如，将第一半圆环电极1a连接正极，而第二半圆环电极1b连接负极，那么所述整圆环电极3就相当于连接所述第一组加热棒和第二组加热棒的节点，从而使得第一组加热棒和第二组加热棒之间呈串联方式工作。同样地，如果将第一半圆环电极1a连接负极，而第二半圆环电极1b连接正极，那么其效果也是一样的。通过上述这种串联模式，使得固定在第一半圆环电极1a和第二半圆环电极1b上的加热棒4在铜圆环处串联在一起，形成回路，进而在单根加热棒4工作功率不变情况下，采用串联工作模式可以比并联工作方式的总电流小1/2，而总电压为2倍。那么，在电源选用上就可以选输出电压更高而输出电流更低的电源，使电源选择更具灵活性。

明显地，在串联工作模式下，可以保证任意一根加热棒4两侧的与其相邻的两根加热棒4的电流方向保持一致，从而使得位于两个加热棒4之间的该任意一根加热棒4所受到的力方向相反以达到相互平衡的效果，这样就不会出现现有技术中加热棒4因受力不均而致变形的情况。

第二，采用并联工作模式。

请结合图4B，示出了加热棒4与半圆环电极1和整圆环电极3之间在并联工作模式下的连接等效示意图，如果采用并联的方式工作，加热棒4的连接固定方式不变，也即同样采用图2所给的结构予以设置所述加热棒4(也即是和图4A中的设置方式一样)，不过整圆环电极3与半圆环电极1中的第一半圆环电极1a和第二半圆环电极1b连接电源电极的方式将不同于串联工作模式。在并联工作模式下，如图4B，所述整圆环电极3连接电源的正极(或负极)，而所述半圆环电极1中的第一半圆环1a和第二半圆环电极1b同时连接电源的负极(或正极)。此时，所有的加热棒4之间以并联的方式工作，而且采用并联方式工作时，所有加热棒4中流过的电流方向可以保证任意一根加热棒4两侧的与其相邻的两根加热棒4的电流方向保持一致，从而使得位于两个加热棒4之间的该任意一根加热棒4所受到的力方向相反以达到相互平衡的效果，这样就不会出现现有技术中加热棒4因受力不均而致变形的情况。

综上所述，本发明中的加热装置无论并联还是串联方式工作都可以避免加热装置变形和导致半圆环断裂问题，提高加热装置的使用寿命和轴圆对称的完整性，而加热装置变形量的减少可以更长时间保持温场的轴圆对称性提高工艺重复性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种交互式的晶体生长加热装置，包括两个半圆环电极和多根加热棒，其特征在于：所述晶体生长加热装置还包括一整圆环电极和绝缘隔板，所述整圆环电极设置于所述绝缘隔板的上方，所述两个半圆环电极呈整圆状的设置在所述绝缘隔板的下方且相互隔断，所述两个半圆环电极分别作为第一半圆环电极和第二半圆环电极，所述多个加热棒分列成第一组加热棒和第二组加热棒，所述第一组加热棒和第二组加热棒中的加热棒按以下连接方式交替地连接在所述整圆环电极和两个半圆环电极上：

所述第一组加热棒中的加热棒的一端与所述第一半圆环电极连接固定，另一端成不接触地依次穿过所述第一半圆环电极上方的所述绝缘隔板和整圆环电极并经弯折后与所述第二半圆环电极上方的所述整圆环电极连接固定；

所述第二组加热棒中的加热棒的一端与所述第一半圆环电极上方的所述整圆环电极连接固定，另一端经弯折后成不接触地依次穿过所述第二半圆环电极上方的所述整圆环电极和绝缘隔板并与所述第二半圆环电极连接固定。

2.根据权利要求1所述的交互式的晶体生长加热装置，其特征在于，还包括多个供固定所述多根加热棒的半圆环，每个所述半圆环上开设有多个供所述加热棒穿过且不连接接触的第一适配孔和供所述加热棒穿过并连接接触的第二适配孔，所述第一适配孔和第二适配孔依次交替地布设于所述半圆环上，且所述第一适配孔的孔径大于所述第二适配孔的孔径。

3.根据权利要求2所述的交互式的晶体生长加热装置，其特征在于，由4个所述半圆环构成包括第一固定层和第二固定层的支撑架，所述多根加热棒上安设有多个支撑架。

4.根据权利要求3所述的交互式的晶体生长加热装置，其特征在于，于每个支撑架中，所述第一固定层供所述第一组加热棒/第二组加热棒，所述第二固定层供固定所述第二组加热棒/第一组加热棒。

5.根据权利要求3所述的交互式的晶体生长加热装置，其特征在于，每一所述固定层均由两个所述半圆环呈整圆状地正对隔断设置构成，每个所述半圆环与所述加热棒垂直。

6.根据权利要求4所述的交互式的晶体生长加热装置，其特征在于，所述第一固定层和第二固定层之间的间距大于等于10mm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的交互式的晶体生长加热装置，其特征在于，所述第一组加热棒中的加热棒数与所述第二组加热棒中的加热棒数相等。

8.根据权利要求1-6任一项所述的交互式的晶体生长加热装置，其特征在于，所述加热棒与所述整圆环电极之间通过无头螺丝予以顶紧固定。

9.根据权利要求1-6任一项所述的交互式的晶体生长加热装置，其特征在于，所述加热棒与两个半圆环电极之间通过钼丝捆绑予以固定。

10.根据权利要求1-6任一项所述的交互式的晶体生长加热装置，其特征在于，所述整圆环电极、绝缘隔板及两个半圆环电极通过晶体生长设备上现有的固定孔来予以固定。