CN104911698A - 一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业生产的自动控制领域，具体是一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：主要包括微处理器、触摸屏、声光报警电路、控制柜、上位机、真空计、加热电源、旋转变频电机、升降变频电机、称重传感器、升降步进电机，所述的微处理器是整个自动控制系统的核心单元，通过RS-485总线与控制柜、上位机、真空计、加热电源、旋转变频电机、升降变频电机实现通信和控制，通过RS-232总线与触摸屏、称重传感器实现通信，通过I/O端口控制升降步进电机和声光报警电路工作。本发明基于嵌入式微处理器设计了泡生法蓝宝石长晶过程中多物理量检测和控制系统，实现了整个长晶过程的自动化控制，减少了长晶过程中的人为干预和对操作人员技术能力的依赖性，也减轻了操作人员的劳动量，提高了长晶操作过程的规范性和晶体质量。

Description

一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统

技术领域

本发明涉及工业生产的自动控制领域，尤其是一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统。

背景技术

蓝宝石单晶具有独特的晶格结构，优异的力学性能和热学性能，被广泛的应用于光学技术和电子技术领域，同时也成为目前LED市场的首选材料。随着国内LED行业的逐渐发展，对蓝宝石衬底片的性能指标要求越来越高，目前国内大多数采用泡生法蓝宝石晶体生长工艺。蓝宝石晶体的品质不但与单晶炉的结构和性能有关，也依赖于生长工艺。传统的长晶过程自动化程度较低，长晶工艺很大程度上依赖于操作者的技术水平和经验，没有统一量化的标准和操作规程来控制长晶过程，更未实现自动化控制。目前在熔料、引晶、扩肩、等径生长等各个阶段，操作者只能通过观察窗口查看坩埚内熔体和晶体的状况进行相应操作，劳动强度大，晶体的质量不稳定，难以大规模生产。在中国专利CN201310121996.7中描述了在观察窗口安装视频监控系统，以便实时监测坩埚内熔体温度和籽晶尺寸，这种改进措施在一定程度上减小了操作者的劳动强度，而且提高了引晶环节的自动化控制水平。但是由于在高温条件下炉内挥发物质会附着在观察窗口导致视镜模糊，所以只能间歇打开观察窗口，即间断性监测长晶过程，而且视频监控难以在等径生长过程中监测晶体的生长状态。

发明内容

本发明的目的是针对现有长晶过程中自动化程度低的问题，提出一种高可靠性、全自动化的泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，减少了长晶过程中的人为干预和对操作人员技术能力的依赖性，提高长晶操作过程的规范性和晶体质量。

本发明采用以下技术方案：

一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：主要包括微处理器、触摸屏、声光报警电路、控制柜、上位机、真空计、加热电源、旋转变频电机、升降变频电机、称重传感器、升降步进电机，所述的微处理器是整个自动控制系统的核心单元，通过RS-485总线与控制柜、上位机、真空计、加热电源、旋转变频电机、升降变频电机实现通信和控制，通过RS-232总线与触摸屏、称重传感器实现通信，通过I/O端口控制升降步进电机和声光报警电路工作。

本发明自动控制系统设置有默认的运行参数和控制算法，在运行过程中可以随时手动调整执行步骤或者手动操作，在无人工干预时完全由系统自动运行。触摸屏用于输入控制参数、运行模式和显示运行参数，运行参数可以通过所述触摸屏进行手动调整，在自动执行过程中扫描检测并执行，通过中断方式响应所述触摸屏操作界面上各个功能按键的输入并执行。

本发明所述的声光报警电路主要由蜂鸣器和LED指示灯组成，在检测到异常情况或需要人工干预时，驱动蜂鸣器发出警报声，LED指示灯闪烁，并在触摸屏上弹出窗口提示当前状态。在所述的长晶过程中，发生如下几种情况会启动声光报警功能，并给出相应的提示：

在抽真空阶段，若单晶炉内的真空度与预设的真空度与时间关系式偏离值超过设定门限值，则启动声光报警并提醒检查炉体的密闭性。

在执行完成预设的加热阶段后启动声光报警，提醒操作人员检查坩埚内的熔体情况，在系统报警后的预设延时时间内不进行人工干预，则自动进入引晶阶段运行。

在引晶和放肩阶段，若晶体的重量变化率超出所设定的重量变化门限值，则启动声光报警，并提醒熔体中的浮岛粘到籽晶上。在系统报警后的预设延时时间内不进行人工干预，则自动进入相应纠正措施子程序。

在等径生长阶段，若晶体的重量变化率超出所设定的重量变化门限值，则启动声光报警。若重量变化率大于上门限值则提醒晶体粘埚，若重量变化率小于下门限值且当前晶体重量小于晶陀重量门限值则提醒晶体拉脱。在系统报警后的预设延时时间内不进行人工干预，则自动进入相应纠正措施子程序。

本发明的自动控制系统实时检测单晶炉内的真空度，检测晶体的重量以及重量变化率，并且能够记录运行时间、晶体位置、操作过程等信息。根据这些检测量，调整加热电源的功率、升降电机的速率、旋转电机的速率，并且依据设定的故障门限值判断是否发生故障，在发生故障时能够及时启动声光报警功能并提示故障现象。

本发明基于嵌入式微处理器设计了泡生法蓝宝石长晶过程中多物理量检测和控制系统，实现了整个长晶过程的自动化控制，减少了长晶过程中的人为干预和对操作人员技术能力的依赖性，也减轻了操作人员的劳动量，提高了长晶操作过程的规范性和晶体质量。

附图说明

图1为本发明的自动控制系统的总体结构框图。

图2为本发明自动控制系统工艺流程图。

图3为本发明自动控制系统的人机交互界面。

图4为本发明自动控制系统的声光报警电路。

具体实施方式

如图1所示，微处理器是整个自动控制系统的核心单元，它通过RS-485总线与控制柜、上位机、真空计、加热电源、旋转变频电机、升降变频电机实现通信和控制，通过RS-232总线与触摸屏、称重传感器实现通信，通过微处理器的I/O端口控制升降步进电机和声光报警电路工作。控制柜可实现对旋转变频电机、升降变频电机、升降步进电机和加热电源的手动控制；上位机作为备选设备，可用于显示晶体的重量变化曲线，记录长晶过程中的全部数据；真空计用于实时检测单晶炉内的真空度；加热电源用于加热坩埚，调节坩埚内熔体的温度；旋转变频电机用于驱动籽晶杆和晶体以一定的速率旋转；升降变频电机用于籽晶杆和晶体的快速升降；升降步进电机用于籽晶杆和晶体的慢速提升。

本发明的自动控制系统设置有默认的运行参数和控制算法，在运行过程中可以随时手动调整执行步骤或者手动操作，在无人工干预时完全由系统自动运行。具体工艺流程设计如图2所示，主要包括系统初始化、抽真空、加热熔料、引晶、放肩、等径生长、退火等主要模块，自动控制系统初始化完成后判断执行自动运行模式还是手动运行模式。在自动运行模式中，可以依据程序中默认的参数执行，也可手动输入各阶段的运行参数，依据输入参数运行，所述的自动控制系统顺序执行各个子程序，完成长晶的各个工艺流程。

本发明的触摸屏用于输入控制参数、运行模式和显示运行参数的人机交互，其中运行参数可以通过所述触摸屏进行手动调整，在自动执行过程中扫描检测并执行，通过中断方式响应所述触摸屏操作界面上各个功能按键的输入并执行。

本发明的微处理器选用Atmega1280单片机，并由晶体振荡器和复位电路模块构成最小工作系统。触摸屏选用ECEPC-070型WinCE触摸屏一体机，由微处理器的I/O端口发出控制信号，由NPN型三极管驱动蜂鸣器和LED指示灯，并使用限流电阻避免大电流烧毁器件。RS-485通信模块选用MAX485接口芯片，RS-232通信模块选用MAX232C接口芯片。其它的外围设备如真空计、称重传感器、加热电源、控制柜、电机都是检测和执行设备，只要具备所述的自动控制系统的通信接口且满足单晶炉的精度要求即可。

本发明触摸屏在WinCE操作系统中按装VC++编程工具，基于VC++平台开发了如图3所示的人机交互操作界面，人机交互模块主要是用于输入控制参数、运行模式以及系统运行参数的显示，触摸屏通过RS-232总线与微处理器通信。操作界面的左侧为运行参数的输入和显示区域，包括加热电压、加热电压的变化率、加热功率、加热功率的变化率、晶体重量、晶体重量变化率、籽晶杆的升降速度、籽晶杆的旋转速度、炉体的真空度、系统总运行时间这些主要参数。操作界面右侧为长晶工艺过程的六个阶段，正在运行的阶段为绿色显示，其它为灰色显示。操作界面的下侧的“设置”按钮用于手动输入运行参数，点击“运行”按钮则系统进入自动运行模式，并开始顺序执行长晶的各个工艺流程，点击“手动”按钮则系统进入手动运行模式。在自动运行前可以输入控制参数，否则将以默认参数控制。在自动运行时，系统运行的参数包括加热电压(或功率)以及变化率、晶体重量以及变化率、升降速度、旋转速度、真空度和系统运行时间都可实时显示，并且通过按钮颜色显示当前的运行阶段。

本发明的自动控制系统中，若选择手动运行模式，则微处理器的控制端口被关闭，微处理器与控制柜通过RS-485总线通信，旋转电机、升降电机、加热电源全部由控制柜按钮控制。微处理器只是采集系统的运行参数并在触摸屏显示，当检测到的某个参数超出对应门限值时声光报警，提醒操作人员检查或干预。微处理器通过中断方式响应触摸屏操作界面上各个功能按键的输入，当点击某功能按键后程序将转入相应的子程序自动执行。

本发明的声光报警电路如图4所示。U₁为微处理器，PC₆和PC₇为所述微处理器的两个I/O端口。Q₁和Q₂为两个NPN三极管，分别用于驱动蜂鸣器LS₁和LED指示灯D₅。R₁₀、R₁₁、R₁₂和R₁₃为四个限流电阻。所述的自动控制系统在检测到异常情况或需要人工干预时，微处理器控制蜂鸣器发出警报声，同时控制LED指示灯D₅闪烁，并在触摸屏上弹出窗口提示当前状态。

在所述的长晶过程中，发生如下几种情况会启动声光报警功能，并给出相应的提示：

1)在抽真空阶段，若单晶炉内的真空度与预设的真空度与时间关系式偏离值超过设定门限值，则启动声光报警并提醒检查炉体的密闭性。

2)在执行完成预设的加热阶段后启动声光报警，提醒操作人员检查坩埚内的熔体情况，在系统报警后的预设延时时间内不进行人工干预，则自动进入引晶阶段运行。

3)在引晶和放肩阶段，若晶体的重量变化率超出所设定的重量变化门限值，则启动声光报警，并提醒熔体中的浮岛粘到籽晶上。在系统报警后的预设延时时间内不进行人工干预，则自动进入相应纠正措施子程序。

4)在等径生长阶段，若晶体的重量变化率超出所设定的重量变化门限值，则启动声光报警。若重量变化率大于上门限值则提醒晶体粘埚，若重量变化率小于下门限值且当前晶体重量小于晶陀重量门限值则提醒晶体拉脱。在系统报警后的预设延时时间内不进行人工干预，则自动进入相应纠正措施子程序。

Claims (10)

1.一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：主要包括微处理器、触摸屏、声光报警电路、控制柜、上位机、真空计、加热电源、旋转变频电机、升降变频电机、称重传感器、升降步进电机，所述的微处理器是整个自动控制系统的核心单元，通过RS-485总线与控制柜、上位机、真空计、加热电源、旋转变频电机、升降变频电机实现通信和控制，通过RS-232总线与触摸屏、称重传感器实现通信，通过I/O端口控制升降步进电机和声光报警电路工作。

2.根据权利要求1所述的一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：自动控制系统设置有默认的运行参数和控制算法，在运行过程中可以随时手动调整执行步骤或者手动操作，在无人工干预时完全由系统自动运行。

3.根据权利要求2所述的一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：所述的触摸屏用于输入控制参数、运行模式和显示运行参数，运行参数可以通过所述触摸屏进行手动调整，在自动执行过程中扫描检测并执行，通过中断方式响应所述触摸屏操作界面上各个功能按键的输入并执行。

4.根据权利要求1或2所述的一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：所述的声光报警电路主要由蜂鸣器和LED指示灯组成，在检测到异常情况或需要人工干预时，驱动蜂鸣器发出警报声，LED指示灯闪烁，并在触摸屏上弹出窗口提示当前状态。

5.根据权利要求4所述的一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：所述的声光报警电路在抽真空阶段，若单晶炉内的真空度与预设的真空度与时间关系式偏离值超过设定门限值，则启动声光报警并提醒检查炉体的密闭性。

6.根据权利要求4所述的一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：所述的声光报警电路在执行完成预设的加热阶段后启动声光报警，提醒操作人员检查坩埚内的熔体情况，在系统报警后的预设延时时间内不进行人工干预，则自动进入引晶阶段运行。

7.根据权利要求4所述的一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：所述的声光报警电路在引晶和放肩阶段，若晶体的重量变化率超出所设定的重量变化门限值，则启动声光报警，并提醒熔体中的浮岛粘到籽晶上，在系统报警后的预设延时时间内不进行人工干预，则自动进入相应纠正措施子程序。

8.根据权利要求4所述的一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：所述的声光报警电路在等径生长阶段，若晶体的重量变化率超出所设定的重量变化门限值，则启动声光报警。

9.根据权利要求4所述的一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：所述的声光报警电路若重量变化率大于上门限值则提示晶体粘埚，若重量变化率小于下门限值且当前晶体重量小于晶陀重量门限值则提示晶体拉脱。

10.根据权利要求4所述的一种泡生法蓝宝石长晶的自动控制系统，其特征在于：所述的声光报警电路在系统报警后的预设延时时间内不进行人工干预，则自动进入相应纠正措施子程序。