CN109972207B - 一种磁场可控式液桥生成器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种磁场可控式液桥生成器，支架装置包括上液桥支架和下液桥支架，液桥生成装置通过上液桥支架和下液桥支架连接支架装置，液桥生成装置包括上液桥支撑盘和下液桥支撑盘，上液桥支撑盘和下液桥支撑盘之间形成有液桥熔区；磁场发生装置包括线圈磁场发生器，磁场运动装置包括同步旋转电机，同步旋转电机连接线圈磁场发生器，同步旋转电机驱动线圈磁场发生器围绕液桥生成装置旋转；图像识别装置包括显微摄像头，显微摄像头与液桥熔区的高度相同。可用于研究旋转磁场对液桥内部周期性振荡毛细流动的抑制作用，为研究制备高质量半导体晶体提供实验研究装置，解决传统液桥生成器磁场抑制中单一磁场方向和固定磁场强度弊端。
Description
技术领域
本发明实施例涉及流体物理学技术领域，具体涉及一种磁场可控式液桥生成器。
背景技术
周知的，浮区法是一种半导体晶体材料的生长方法，浮区法的主要原理是物料棒受外界加热，熔区被支撑于两个固体物料端之间，并逐渐提拉受热熔区，生长晶体的质量受熔区内周期性振荡毛细对流影响，进而产生微米量级杂质条纹。液桥则是以浮区法制备单晶为基础，研究抑制晶体生长过程中周期性振荡毛细对流产生而建立起来的理想物理实验模型。
目前，用于抑制液桥内部周期性振荡毛细对流较为成熟的手段包括：外加磁场、颤动、表面敷层和剪切气流等方法。其中，外加磁场会对晶体液桥内周期性振荡毛细对流产生非接触抑制，更有利于制备纯净地高品质单晶。现有技术中，传统液桥生成装置只能实现周围剪切气流的非等温液桥生成，尚未研制出能够进行磁场抑制的液桥生成技术方案，因此亟需开发一种自响应旋转磁场可控式液桥生成技术方案。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种磁场可控式液桥生成器，可用于研究旋转磁场对液桥内部周期性振荡毛细流动的抑制作用，为研究制备高质量半导体晶体提供必要的实验研究装置，解决传统液桥生成器磁场抑制中单一磁场方向和固定磁场强度的弊端。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种磁场可控式液桥生成器，包括支架装置、液桥生成装置、磁场发生装置、磁场运动装置和图像识别装置；所述支架装置包括上液桥支架和下液桥支架，所述液桥生成装置通过所述上液桥支架和下液桥支架连接所述支架装置，液桥生成装置包括上液桥支撑盘和下液桥支撑盘，上液桥支撑盘和下液桥支撑盘之间形成有液桥熔区；所述磁场发生装置包括线圈磁场发生器，所述磁场运动装置包括同步旋转电机，所述同步旋转电机连接所述线圈磁场发生器，同步旋转电机驱动所述线圈磁场发生器围绕所述液桥生成装置旋转；所述图像识别装置包括显微摄像头，所述显微摄像头与所述液桥熔区的高度相同。
作为磁场可控式液桥生成器的优选方案，所述上液桥支撑盘上端通过螺纹连接有上液桥支柱，上液桥支柱垂直于所述上液桥支架；所述下液桥支撑盘下端通过螺纹连接有下液桥支柱，下液桥支柱垂直于所述下液桥支架。
作为磁场可控式液桥生成器的优选方案，所述上液桥支柱上端连接有上卡环，所述上卡环上端连接有上液桥柱销；所述下液桥支柱下端连接有下卡环，所述下卡环下端连接有下液桥柱销；
所述下液桥支撑盘、下液桥支柱和下卡环之间形成有下盘注液微孔通道。
作为磁场可控式液桥生成器的优选方案，所述上液桥支架与所述上液桥支柱的连接处设有上安装卡槽，所述下液桥支架与所述下液桥支柱的连接处设有下安装卡槽。
作为磁场可控式液桥生成器的优选方案，所述支架装置还包括支撑梁竖轨和提拉步进电机，所述支撑梁竖轨连接所述上液桥支架和下液桥支架，所述提拉步进电机通过螺纹连接所述支撑梁竖轨的一侧。
作为磁场可控式液桥生成器的优选方案，所述上液桥支撑盘和下液桥支撑盘之间的液桥熔区设有上热角区热电偶和下冷角区热电偶。
作为磁场可控式液桥生成器的优选方案，所述磁场发生装置还包括磁场发生器支架，所述同步旋转电机通过紧固轴承连接所述磁场发生器支架。
作为磁场可控式液桥生成器的优选方案，所述图像识别装置还包括扩散片和背景灯，所述扩散片和背景灯的下端连接有支撑台，背景灯位于所述扩散片的外侧，所述显微摄像头、扩散片和背景灯的高度与所述液桥熔区的高度相同。
作为磁场可控式液桥生成器的优选方案，还包括控制终端，所述控制终端连接所述显微摄像头，控制终端还连接所述磁场运动装置，控制终端用于获取所述显微摄像头的拍摄数据，控制终端还用于通过同步旋转电机带动线圈磁场发生器旋转。
作为磁场可控式液桥生成器的优选方案，所述上液桥支撑盘和下液桥支撑盘采用耐高温的铜或铜合金材质。
本发明实施例具有如下优点：本发明技术方案的结构简单，与传统的液桥生成器相比，可通过对周期性振荡毛细对流流动方向的监控信号，实现磁场顺时针或逆时针自响应旋转；可通过对周期性振荡毛细对流流动速率的监控信号，实现旋转抑制磁场强弱的自响应调节。本发明一方面实现了带有磁场抑制功能的液桥生成；另一方面有效地解决了传统液桥生成器磁场抑制中单一磁场方向和固定磁场强度的弊端，保证磁场方向与周期性振荡毛细对流的流动方向时时相反，磁场强度自适应调节，能够有效地研究磁场对晶体生长内部周期性振荡毛细对流的抑制作用，减少实验难度，综合考虑磁场对晶体生长过程的控制，较现有液桥生成器所获得的数据更为全面、稳定、可靠，对研究浮区生长晶体过程具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例中提供的一种磁场可控式液桥生成器结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的液桥生成装置结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的磁场发生装置和磁场运动装置组合结构示意图；
图4为本发明实施例中提供的支架装置结构示意图；
图5为本发明实施例中提供的液桥内部周期性振荡毛细流动采集图像；
图6为本发明实施例中提供的磁场抑制内部流动情况示意图；
图中：1、支架装置；2、液桥生成装置；3、磁场发生装置；4、磁场运动装置；5、图像识别装置；6、上液桥支架；7、下液桥支架；8、上液桥支撑盘；9、下液桥支撑盘；10、液桥熔区；11、线圈磁场发生器；12、同步旋转电机；13、显微摄像头；14、上液桥支柱；15、下液桥支柱；16、上卡环；17、上液桥柱销；18、下卡环；19、下液桥柱销；20、下盘注液微孔通道；21、上安装卡槽；22、下安装卡槽；23、支撑梁竖轨；24、提拉步进电机；25、上热角区热电偶；26、下冷角区热电偶；27、磁场发生器支架；28、扩散片；29、背景灯；30、支撑台；31、控制终端。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效，显然，所描述的实施例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做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。
参见图1、图2、图3和图4，提供一种磁场可控式液桥生成器，包括支架装置1、液桥生成装置2、磁场发生装置3、磁场运动装置4和图像识别装置5；所述支架装置1包括上液桥支架6和下液桥支架7，所述液桥生成装置2通过所述上液桥支架6和下液桥支架7连接所述支架装置1，液桥生成装置2包括上液桥支撑盘8和下液桥支撑盘9，上液桥支撑盘8和下液桥支撑盘9之间形成有液桥熔区10；所述磁场发生装置3包括线圈磁场发生器11，所述磁场运动装置4包括同步旋转电机12，所述同步旋转电机12连接所述线圈磁场发生器11，同步旋转电机12驱动所述线圈磁场发生器11围绕所述液桥生成装置2旋转；所述图像识别装置5包括显微摄像头13，所述显微摄像头13与所述液桥熔区10的高度相同。
磁场可控式液桥生成器的一个实施例中，所述上液桥支撑盘8上端通过螺纹连接有上液桥支柱14，上液桥支柱14垂直于所述上液桥支架6，上液桥支撑盘8通过上液桥支柱14与上液桥支架6连接。所述下液桥支撑盘9下端通过螺纹连接有下液桥支柱15，下液桥支柱15垂直于所述下液桥支架7，下液桥支撑盘9通过下液桥支柱15与下液桥支架7连接。所述上液桥支柱14上端连接有上卡环16，所述上卡环16上端连接有上液桥柱销17；所述下液桥支柱15下端连接有下卡环18，所述下卡环18下端连接有下液桥柱销19。上液桥柱销17和下液桥柱销19实现液桥生成装置2与支架装置1的组接。所述下液桥支撑盘9、下液桥支柱15和下卡环18之间形成有下盘注液微孔通道20，下盘注液微孔通道20将实验介质(硅油基铁磁性流体)准确地注入上液桥支撑盘8与下液桥支撑盘9之间。所述上液桥支架6与所述上液桥支柱14的连接处设有上安装卡槽21，所述下液桥支架7与所述下液桥支柱15的连接处设有下安装卡槽22。上安装卡槽21实现上液桥柱销17与支架装置1的组接，下安装卡槽22实现下液桥柱销19与支架装置1的组接。
磁场可控式液桥生成器的一个实施例中，所述支架装置1还包括支撑梁竖轨23和提拉步进电机24，所述支撑梁竖轨23连接所述上液桥支架6和下液桥支架7，所述提拉步进电机24通过螺纹连接所述支撑梁竖轨23的一侧。提拉步进电机24使上液桥支柱14上下移动获得实验需要的液桥高度。
磁场可控式液桥生成器的一个实施例中，所述上液桥支撑盘8和下液桥支撑盘9之间的液桥熔区10设有上热角区热电偶25和下冷角区热电偶26。上液桥支撑盘8通过上热角区热电偶25进行温度检测，下液桥支撑盘9通过下冷角区热电偶26进行温度检测。
磁场可控式液桥生成器的一个实施例中，所述磁场发生装置3还包括磁场发生器支架27，所述同步旋转电机12通过紧固轴承连接所述磁场发生器支架27。磁场发生器支架27对线圈磁场发生器11起到支撑作用，在同步旋转电机12驱动磁场发生器支架27旋转时线圈磁场发生器11跟随旋转，从而产生旋转的抑制磁场。
磁场可控式液桥生成器的一个实施例中，所述图像识别装置5还包括扩散片28和背景灯29，所述扩散片28和背景灯29的下端连接有支撑台30，背景灯29位于所述扩散片28的外侧，所述显微摄像头13、扩散片28和背景灯29的高度与所述液桥熔区10的高度相同。扩散片28和背景灯29的设计使显微摄像头13更加清楚的监控液桥内部振荡热毛细对流的变化。
磁场可控式液桥生成器的一个实施例中，还包括控制终端31，所述控制终端31连接所述显微摄像头13，控制终端31还连接所述磁场运动装置4，控制终端31用于获取所述显微摄像头13的拍摄数据，控制终端31还用于通过同步旋转电机12带动线圈磁场发生器11旋转。控制终端31将流动方向和流动速率视频信号转换为数字信号，通过数字信号对同步旋转电机12进行动作控制和磁场强弱控制。
磁场可控式液桥生成器的一个实施例中，所述上液桥支撑盘8和下液桥支撑盘9采用耐高温的铜或铜合金材质。上液桥支撑盘8和下液桥支撑盘9采用导电性能良好且耐高温的铜或铜合金材质，使液桥能够顺利生成。
具体的，高速显微摄像头13型号为FASTCAMMiniAX(黑白ISO40000/彩色ISO16000，1024×1024像素下4000帧/秒，640×480像素下12500帧/秒)；同步旋转电机12型号为：Y200L1-2(功率30Kw，额定电流57A，额定转速2950rpm)；线圈磁场发生器11型号为：CT-350型(内置亥姆霍兹磁场线圈，磁场强度15GS，中间线圈匝数14，两边线圈匝数26匝，线圈内孔直径350mm，线圈中对中间距140mm，电感2.0mH，电阻0.22)；微型电动提拉步进电机24型号为SL42STH40-1684A-300(额定功率4.7W，额定电压2.8V，额定电流1.68A，额定转矩0.4NM)。
参见图5和图6，磁场可控式液桥生成器的试验过程中：
(1)建立液桥：
首先，调节提拉步进电机24使上液桥支柱14上下移动获得实验需要的液桥高度，接着通过下盘注液微孔通道20将实验介质(硅油基铁磁性流体)准确地注入上液桥支撑盘8与下液桥支撑盘9之间，形成液桥，静止的液桥通过表面张力维持界面形状。
(2)建立温差，测量角区温度：
然后，使用物理方法对实验介质加热，同时上液桥支撑盘8和下液桥支撑盘9分别通过上热角区热电偶25和下冷角区热电偶26进行温度检测。
(3)调节拍摄状态：
其次，打开背景灯29和显微摄像头13，实时监控液桥内部振荡热毛细对流的变化，其中显微摄像头13将收集的液桥内部振荡毛细对流视频数据传输至控制终端31。
(4)磁场调节，输出数据：
而后，控制终端31对同步旋转电机12和线圈磁场发生器11进行动作控制和磁场强弱控制，且同步旋转电机12带动线圈磁场发生器11旋转，接着通过显微摄像头13反馈给控制终端31的数字信号再对同步旋转电机12和线圈磁场发生器11进行动作控制。通过一系列的动作和磁场强弱控制，结合显微摄像头13拍摄的液桥内部振荡毛细对流视频数据，即可研究旋转磁场对液桥内部周期性振荡毛细流动的抑制作用。
本发明技术方案的结构简单，与传统的液桥生成器相比，可通过对周期性振荡毛细对流流动方向的监控信号，实现磁场顺时针或逆时针自响应旋转；可通过对周期性振荡毛细对流流动速率的监控信号，实现旋转抑制磁场强弱的自响应调节。本发明一方面实现了带有磁场抑制功能的液桥生成；另一方面有效地解决了传统液桥生成器磁场抑制中单一磁场方向和固定磁场强度的弊端，保证磁场方向与周期性振荡毛细对流的流动方向时时相反，磁场强度自适应调节，能够有效地研究磁场对晶体生长内部周期性振荡毛细对流的抑制作用，减少实验难度，综合考虑磁场对晶体生长过程的控制，较现有液桥生成器所获得的数据更为全面、稳定、可靠，对研究浮区生长晶体过程具有重要意义。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.一种磁场可控式液桥生成器，其特征在于，包括支架装置(1)、液桥生成装置(2)、磁场发生装置(3)、磁场运动装置(4)和图像识别装置(5)；所述支架装置(1)包括上液桥支架(6)和下液桥支架(7)，所述液桥生成装置(2)通过所述上液桥支架(6)和下液桥支架(7)连接所述支架装置(1)，液桥生成装置(2)包括上液桥支撑盘(8)和下液桥支撑盘(9)，上液桥支撑盘(8)和下液桥支撑盘(9)之间形成有液桥熔区(10)；所述磁场发生装置(3)包括线圈磁场发生器(11)，所述磁场运动装置(4)包括同步旋转电机(12)，所述同步旋转电机(12)连接所述线圈磁场发生器(11)，同步旋转电机(12)驱动所述线圈磁场发生器(11)围绕所述液桥生成装置(2)旋转；所述图像识别装置(5)包括显微摄像头(13)，所述显微摄像头(13)与所述液桥熔区(10)的高度相同；
所述上液桥支撑盘(8)上端通过螺纹连接有上液桥支柱(14)，上液桥支柱(14)垂直于所述上液桥支架(6)；所述下液桥支撑盘(9)下端通过螺纹连接有下液桥支柱(15)，下液桥支柱(15)垂直于所述下液桥支架(7)；
所述上液桥支柱(14)上端连接有上卡环(16)，所述上卡环(16)上端连接有上液桥柱销(17)；所述下液桥支柱(15)下端连接有下卡环(18)，所述下卡环(18)下端连接有下液桥柱销(19)；
所述下液桥支撑盘(9)、下液桥支柱(15)和下卡环(18)之间形成有下盘注液微孔通道(20)；
所述上液桥支架(6)与所述上液桥支柱(14)的连接处设有上安装卡槽(21)，所述下液桥支架(7)与所述下液桥支柱(15)的连接处设有下安装卡槽(22)。
2.根据权利要求1所述的一种磁场可控式液桥生成器，其特征在于，所述支架装置(1)还包括支撑梁竖轨(23)和提拉步进电机(24)，所述支撑梁竖轨(23)连接所述上液桥支架(6)和下液桥支架(7)，所述提拉步进电机(24)通过螺纹连接所述支撑梁竖轨(23)的一侧。
3.根据权利要求1所述的一种磁场可控式液桥生成器，其特征在于，所述上液桥支撑盘(8)和下液桥支撑盘(9)之间的液桥熔区(10)设有上热角区热电偶(25)和下冷角区热电偶(26)。
4.根据权利要求1所述的一种磁场可控式液桥生成器，其特征在于，所述磁场发生装置(3)还包括磁场发生器支架(27)，所述同步旋转电机(12)通过紧固轴承连接所述磁场发生器支架(27)。
5.根据权利要求1所述的一种磁场可控式液桥生成器，其特征在于，所述图像识别装置(5)还包括扩散片(28)和背景灯(29)，所述扩散片(28)和背景灯(29)的下端连接有支撑台(30)，背景灯(29)位于所述扩散片(28)的外侧，所述显微摄像头(13)、扩散片(28)和背景灯(29)的高度与所述液桥熔区(10)的高度相同。
6.根据权利要求5所述的一种磁场可控式液桥生成器，其特征在于，还包括控制终端(31)，所述控制终端(31)连接所述显微摄像头(13)，控制终端(31)还连接所述磁场运动装置(4)，控制终端(31)用于获取所述显微摄像头(13)的拍摄数据，控制终端(31)还用于通过同步旋转电机(12)带动线圈磁场发生器(11)旋转。
7.根据权利要求1所述的一种磁场可控式液桥生成器，其特征在于，所述上液桥支撑盘(8)和下液桥支撑盘(9)采用耐高温的铜或铜合金材质。
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