CN110067019A - 一种晶体生长连续自动加料装置及晶体连续生长系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶体生长连续自动加料装置，包括壳体、搅拌储料装置、电控引料装置、引料管、控制装置及耗材监测装置，其中，搅拌储料装置安装在壳体内，搅拌储料装置与电控引料装置相连通，引料管穿过壳体与晶体生长系统的连通口，将电控引料装置的出料口与晶体生长系统内的坩埚连通，电控引料装置工作时，使原料从电控引料装置的出料口送出并通过引料管进入坩埚；电控引料装置与控制装置电连接，控制装置还与耗材监测装置电连接。还公开了包括上述晶体生长连续自动加料装置的晶体连续生长系统。能够实现晶体生长过程中精准、持久、连续和均匀的加料。

Description

一种晶体生长连续自动加料装置及晶体连续生长系统

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，具体属于一种晶体生长连续自动加料装置及晶体连续生长系统。

背景技术

直拉法是生长晶体材料的主要方法之一：将预先放置于坩埚中的原料加热熔融，籽晶杆端头的籽晶接触熔体后，在固液界面附近的熔体会因过冷度沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状晶体。晶体生长过程中，固液界面会因熔体结晶而逐渐下降，直至熔体全部结晶完成，因此，最终晶体的大小取决于预先放置于坩埚中的原料多少。在生长过程中不添加原料的情况下，坩埚中原料的多少也就取决于坩埚的大小和生长设备的大小。然而在晶体材料领域，生长大尺寸晶体的同时如何降低生长成本，一直是晶体生长工作者追求的重要目标。于是，如何在生长过程中添加原料，保证熔体组分和固液界面不变，以生长近化学计量比晶体，或者利用小坩埚生长大尺寸晶体便成了一个新的研究方向。

目前的自动加料机构大多用于工业、农业、建筑业等领域，这些行业中的落料方式较为粗犷，且有落料不连续，单次加料量较大，开放式的使用环境易产生物料飞扬等缺陷。有少量加料装置用于晶体生长中，加料方式有自然落料、振动落料、吹气落料和转轮拨料等，但自然落料容易起拱、板结，加料速度不受控制；转轮拨料会造成原料挤压成块，影响落料，且结构和操作方法较为复杂；振动落料会对温场和晶体生长产生影响；吹气落料容易造成液面波动，且环境开放，生长的晶体类型有限。由于晶体生长是一项高精密的控制过程，加料总量相比而言很小，因此需要保持加料过程精准、持久、连续和均匀。

因此，如何实现晶体生长过程中精准、持久、连续和均匀的加料，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本申请需要解决的问题是：如何实现晶体生长过程中精准、持久、连续和均匀的加料。

为解决上述技术问题，本申请采用了如下的技术方案：

一种晶体生长连续自动加料装置，包括壳体、搅拌储料装置、电控引料装置、引料管、控制装置及耗材监测装置，其中，搅拌储料装置安装在壳体内，搅拌储料装置与电控引料装置相连通，引料管穿过壳体与晶体生长系统的连通口，将电控引料装置的出料口与晶体生长系统内的坩埚连通，电控引料装置工作时，使原料从电控引料装置的出料口送出并通过引料管进入坩埚；电控引料装置与控制装置电连接，控制装置还与耗材监测装置电连接。

优选地，耗材监测装置包括设置在籽晶杆与晶体提拉机构之间的第一称重传感器。

优选地，搅拌储料装置通过第二称重传感器固定安装在壳体内，第二称重传感器与控制装置电连接。

优选地，耗材监测装置包括测距仪，测距仪安装在晶体生长系统内且朝向坩埚内液面设置。

优选地，壳体上侧设有添料口，添料口通过盖板封闭。

优选地，添料口上侧设有第二密封圈，盖板封闭添料口时，盖板下端面与密封圈紧密接触从而密封添料口。

优选地，搅拌储料装置包括漏斗状的料斗，料斗下端与电控引料装置相连通，料斗内安装有搅拌杆，搅拌杆包括与搅拌电机输出轴传动连接的竖杆，还包括多根沿竖杆长度方向安装在竖杆上的横杆，搅拌电机工作时带动竖杆转动从而带动横杆绕竖杆转动进而搅拌料斗内的原料，搅拌电机与控制装置电连接。

优选地，电控引料装置包括横向设置的引料腔体，引料腔体下侧设有出料口，上侧设有进料口，且出料口与进料口不与正对，引料腔体内横向安装有推料螺杆，推料螺杆一端与推料电机的输出轴传动连接，推料电机工作时带动推料螺杆转动进而推动原料从进料口方向朝出料口方向运动，推料电机与控制装置电连接。

一种晶体连续生长系统，包括上述的晶体生长的连续自动加料装置，还包括晶体生长系统，连续自动加料装置壳体与晶体生长系统炉体的连通口通过密封装置密封连接，晶体生长系统中籽晶杆从晶体生长系统腔体上侧插入晶体生长系统中，籽晶杆与晶体生长系统腔体之间通过第三密封圈密封。

优选地，晶体生长系统还包括真空装置，真空装置用于为晶体生长系统腔体内提供一个真空环境。

综上所述，本发明公开了一种晶体生长连续自动加料装置，包括壳体、搅拌储料装置、电控引料装置、引料管、控制装置及耗材监测装置，其中，搅拌储料装置安装在壳体内，搅拌储料装置与电控引料装置相连通，引料管穿过壳体与晶体生长系统的连通口，将电控引料装置的出料口与晶体生长系统内的坩埚连通，电控引料装置工作时，使原料从电控引料装置的出料口送出并通过引料管进入坩埚；电控引料装置与控制装置电连接，控制装置还与耗材监测装置电连接。还公开了包括上述晶体生长连续自动加料装置的晶体连续生长系统。能够实现晶体生长过程中精准、持久、连续和均匀的加料。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种晶体生长连续自动加料装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明公开的一种晶体连续生长系统的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为现有技术中晶体生长系统的结构示意图。

附图标记说明：1-晶体生长连续自动加料装置；101-壳体；102-第二称重传感器；103-引料腔体；104-推料电机；105-第一联轴器；106-推料螺杆；107-料斗；108-电机连接件；109-搅拌电机；110-第二联轴器；111-搅拌杆；112-引料管；113-引料管夹具；114-第一密封圈；115-盖板；116-第二密封圈；2-晶体生长设备炉体；3-坩埚；4-加热器；5-晶体；6-籽晶；7-籽晶杆；8-晶体提拉机构；9-第一称重传感器；10-第三密封圈；11-真空装置；12-控制装置。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种晶体生长连续自动加料装置1，包括壳体101、搅拌储料装置、电控引料装置、引料管112、控制装置12及耗材监测装置，其中，搅拌储料装置安装在壳体101内，搅拌储料装置与电控引料装置相连通，引料管112穿过壳体101与晶体生长系统的连通口，将电控引料装置的出料口与晶体生长系统内的坩埚3连通，电控引料装置工作时，使原料从电控引料装置的出料口送出并通过引料管112进入坩埚3；电控引料装置与控制装置12电连接，控制装置12还与耗材监测装置电连接。

在一种具体实施例中，引料管112为管状结构，一端为喇叭形状，位于电控引料装置出料口下方；另一端为鹰嘴形状，位于坩埚3内侧靠近边缘处。具体形状及尺寸根据实际需要设计。

引料管夹具113为中间有通孔的方块结构，通过调整通孔直径来夹紧引料管112。引料管夹具113安装在壳体101内。

本发明中控制装置12与其他部件的电连接可采用有线或无线连接，控制装置12可以为电脑及专用的控制台等。与现有技术相比，本发明采用搅拌储料装置对原料进行持续不断的搅拌从而避免原料板结，使加料过程连续均匀。此外，通过耗材监测装置及时获取坩埚3内材料的消耗情况并将消耗情况的信息发送至控制装置12，控制装置12根据材料的消耗情况控制电控引料装置工作，向坩埚3内添加原料，从而保证坩埚3内材料消耗与添加的动态平衡。与现有技术相比，由于本发明中，可以持续不断地向坩埚3内添加材料，因此，可以在不增大坩埚3体积的情况下持续进行晶体的生长，实用较小尺寸的设备即可完成大尺寸晶体的生长。

为进一步优化上述技术方案，耗材监测装置包括设置在籽晶杆7与晶体提拉机构8之间的第一称重传感器9。

在本发明中，可以采用第一称重传感器9作为耗材监测装置，第一称重传感器9可以获取晶体的增加的重量，将增加的重量信息发送至控制装置12，控制装置12能够根据增加的重量信息判断出坩埚3内的材料的消耗量，从而控制电控引料装置向坩埚3内添加原料。若只采用第一称重传感器9，则可以根据晶体重量增加的多少来控制电控引料装置工作的快慢，从而保证坩埚3内原料量的动态平衡。

为进一步优化上述技术方案，搅拌储料装置通过第二称重传感器102固定安装在壳体101内，第二称重传感器102与控制装置12电连接。

若只采用第一称重传感器9，可能由于搅拌储料装置中落入电控引料装置的材料下落不均匀，进而使原料的消耗和添加存在误差，随着时间的增长，使误差量逐渐增大，由于只采用第一称重传感器9，无法直接获悉具体添加的原料的量，因此可能出现原料溢出或耗尽的情况。因此，在采用第一称重传感器9的基础上，本发明还可以安装第二称重传感器102，第二称重传感器102能够测量搅拌储料装置材料的减少，控制装置12根据第二称重传感器102测量的重量的减少量及第一称重传感器9测量的重量的增加量控制电控引料装置的工作快慢，保证第二称重传感器102测量的重量的减少量及第一称重传感器9测量的重量的增加量相等，进而保证坩埚3内原料量的动态平衡。在本发明中，第二称重传感器102可以只测量搅拌储料装置及其内部原料的重量，还可以测量搅拌储料装置及其内部原料的重量和电控引料装置及其内部原料的重量。

为进一步优化上述技术方案，壳体101上侧设有添料口，添料口通过盖板115封闭。

在本发明中为了便于向搅拌储料装置中添加原料，保证持续不断地进行晶体生长，因此，还在壳体101上侧设有添料口，并在添料口上设置有盖板115，当需要添加原料进搅拌储料装置时，将盖板115打开，进行原料的添加。

为进一步优化上述技术方案，添料口上侧设有第二密封圈116，盖板115封闭添料口时，盖板115下端面与第二密封圈116紧密接触从而密封添料口。

若需要在密闭环境中进行晶体的生长，则本发明公开的晶体生长连续自动加料装置1也需要具有良好的气密性，因此，添料口上侧设有第二密封圈116，盖板115封闭添料口时，盖板115下端面与第二密封圈116紧密接触从而密封添料口。

为进一步优化上述技术方案，搅拌储料装置包括漏斗状的料斗107，料斗107下端与电控引料装置相连通，料斗107内安装有搅拌杆111，搅拌杆111包括与搅拌电机109输出轴传动连接的竖杆，还包括多根沿竖杆长度方向安装在竖杆上的横杆，搅拌电机109工作时带动竖杆转动从而带动横杆绕竖杆转动进而搅拌料斗107内的原料，搅拌电机109与控制装置12电连接。

在一种具体实施方式中，料斗107为上部宽口径、下部窄口径的薄壁结构，用来盛放待添加的原料。料斗107中的原料在重力作用下自然落入电控引料装置中。

搅拌电机109通过电机连接件108固定在第二称重传感器102上侧，电机连接件108的高度要保证电机刚好位于料斗107的宽口径上方，电机根据控制装置12给出的信号，通过第二联轴器110带动搅拌杆111转动，进而防止料斗107内的粉料起拱和板结。

搅拌杆111为树枝状结构，位于料斗107内部，其搅拌范围取决于支杆长度，但要比料斗107的同位置内径略小；搅拌杆111的一端通过第二联轴器110与电机输出轴连接，搅拌杆111在旋转过程中不得与料斗107内壁接触。

为进一步优化上述技术方案，电控引料装置包括横向设置的引料腔体103，引料腔体103下侧设有出料口，上侧设有进料口，且出料口与进料口不与正对，引料腔体103内横向安装有推料螺杆106，推料螺杆106一端与推料电机104的输出轴传动连接，推料电机104工作时带动推料螺杆106转动进而推动原料从进料口方向朝出料口方向运动，推料电机104与控制装置12电连接。

在一种具体实施方式中，引料腔体103为内部中空、三面敞口的长方体结构，敞口位置分别位于上侧靠近端面位置、下侧靠近另一端面位置和端面一侧，三面敞口分别对应进料口、出料口和推料电机104安装口，引料腔体103固定在称重传感器上侧。

推料电机104固定在引料腔体103有敞口的端面一侧，推料电机104根据控制装置12给出的信号来实现旋转快慢，并通过推料螺杆106最终实现落料速度的快慢。

推料螺杆106为螺旋开槽结构，置于引料腔体103内部腔室；推料螺杆106的最大外径比引料腔体103腔室口径略小，且在旋转过程中不得接触引料腔体103室内壁；推料螺杆106的一端通过第一联轴器105与推料电机104输出轴固定连接，并在推料电机104转动下，通过其螺旋开槽结构将粉料从进料口推向出料口，同时由于旋转速度的稳定性保证了落料速度的连续性和均匀性。

现有技术中，晶体生长系统包括晶体提拉机构8、籽晶杆7、籽晶6、加热器4、坩埚3、晶体生长设备炉体2及控制装置12。

如图2所示，在现有的晶体生长系统的基础上，本发明还公开了一种晶体连续生长系统，包括上述的晶体生长的连续自动加料装置，还包括晶体生长系统，连续自动加料装置壳体101与晶体生长系统炉体的连通口通过密封装置密封连接，晶体生长系统中籽晶杆7从晶体生长系统腔体上侧插入晶体生长系统中，籽晶杆7与晶体生长系统腔体之间通过第三密封圈10密封。为了保证气密性，在晶体生长连续自动加料装置1的壳体101与晶体生长设备炉体2的连通处还设有第一密封圈114。

本发明中，为了保证晶体生长环境的空气氛围，因此设有多个密封圈，保证了晶体连续生长系统的气密性。

为进一步优化上述技术方案，晶体生长系统还包括真空装置11，真空装置11用于为晶体生长系统腔体内提供一个真空环境。

在某些晶体生长时，需要保证生长环境的真空度，因此，本发明中还设有真空装置11，通过控制真空装置11的工作，可以起到调节真空度的作用。本发明中，真空装置11具体可以采用真空泵。

为更好的理解本发明，在如图2所示的这种具体实施例中，其工作原理如下：

晶体生长连续自动加料装置1固定安装于晶体生长系统上侧，引料腔体103的出料口与晶体生长系统炉体上方通孔对齐。预先放置于坩埚3中的原料在加热器4的作用下熔融成液态，控制装置12向晶体提拉机构8发出下降信号，与晶体提拉机构8中丝杠螺母固定连接的第一称重传感器9带着籽晶杆7向下移动，当籽晶杆7下端固定连接的籽晶6接触坩埚3内的熔体时，在固液界面附近的熔体会因过冷度而沿着籽晶6结晶。在控制装置12向晶体提拉机构8发出上升信号后，坩埚3内的熔体会随着籽晶6的缓慢上升而结晶生长成棒状晶体。

为了避免因熔体结晶造成坩埚3内的熔体减少和固液界面下降，控制装置12向晶体生长连续自动加料装置1发出加料信号。推料电机104在接收到信号后开始转动，并通过推料螺杆106将粉料从引料腔体103的进料口推向出料口，然后在重力作用下落入位于下方的引料管112上端的喇叭口，粉料通过引料管112导引最终落入坩埚3内，然后在加热器4的作用下融化成熔体。此过程中，第一称重传感器9反馈给控制装置12的信号是重量逐渐增加，而第二称重传感器102反馈给控制装置12的信号是重量逐渐减少，且第一称重传感器9反馈的增加量和第二称重传感器102反馈的减少量必须相等，才能保证结晶成晶体的熔体重量和自动添加的粉料重量一致，进而保证坩埚3内的固液界面和熔体组分保持不变。在加料过程中，若第二称重传感器102所反馈的减少量小于第一称重传感器9所反馈的增加量，则控制装置12向推料电机104发出加速旋转的信号，直至增加量和减少量一致；反之，若第二称重传感器102所反馈的减少量大于第一称重传感器9所反馈的增加量，则控制装置12向推料电机104发出减速旋转的信号，直至增加量和减少量相等。

加料过程中，搅拌电机109在控制装置12的控制下缓慢转动，带动搅拌杆111搅动粉料，从而避免粉料在下落过程中出现起拱、桥架和板结等现象。

当生长的晶体的尺寸已达到要求，或者料斗107内的粉料已全部加完时，则控制装置12向自动加料装置发出停止加料信号，推料电机104停止转动。此时，坩埚3内的固液界面会因熔体结晶而下降，直至最终全部结晶。至此，晶体生长结束。

密封圈为晶体生长提供一个封闭空间，而真空装置11可创造一个真空生长环境，以避免空气或其它杂物对晶体生长产生影响。

本发明结合了自然落料、螺旋推料和搅动拌料三种方式，设计了一种简单的封闭式结构，保证了加料过程连续均匀、持久稳定和精准可控，同时还预防了起拱和板结现象，避免了加料过程中原料被污染和晶体生长过程中受空气影响的风险。

与现有技术相比，本发明公开的技术方案具有如下有益效果：

1、本发明可为晶体生长提供一个封闭环境，避免了加料过程中原料被污染和晶体生长过程中受空气影响的风险。

2、本发明可连续均匀小量的添加原料，避免了因间断性大量加料造成溶体固液界面波动，进而对晶体生长产生影响。

3、本发明可通过高精密称重传感器精准的向控制装置12反馈重量信号，控制装置12可根据信号反馈和实际需要调整加料速度的快慢。

4、本发明可通过连续自动加料保证坩埚3内熔体组分不变，能满足近化学计量比晶体的生长要求。

5、本发明可通过连续自动加料保证坩埚3内固液界面不变，可实现小坩埚3长大晶体的目标，节约能源，降低生长成本。

6、本发明设置有搅拌储料装置，可防止粉料在下落过程中出现起拱和板结现象。

7、本发明可受控于控制装置12，可实现从晶体开始生长到晶体结束生长的全过程自动连续加料。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管通过参照本申请的优选实施例已经对本申请进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本申请的精神和范围。

Claims (9)

1.一种晶体生长连续自动加料装置，其特征在于，包括壳体、搅拌储料装置、电控引料装置、引料管、控制装置及耗材监测装置，其中，搅拌储料装置安装在壳体内，搅拌储料装置与电控引料装置相连通，引料管穿过壳体与晶体生长系统的连通口，将电控引料装置的出料口与晶体生长系统内的坩埚连通，电控引料装置工作时，使原料从电控引料装置的出料口送出并通过引料管进入坩埚；电控引料装置与控制装置电连接，控制装置还与耗材监测装置电连接。

2.如权利要求1所述的晶体生长连续自动加料装置，其特征在于，耗材监测装置包括设置在籽晶杆与晶体提拉机构之间的第一称重传感器。

3.如权利要求2所述的晶体生长连续自动加料装置，其特征在于，搅拌储料装置通过第二称重传感器固定安装在壳体内，第二称重传感器与控制装置电连接。

4.如权利要求1所述的晶体生长连续自动加料装置，其特征在于，壳体上侧设有添料口，添料口通过盖板封闭。

5.如权利要求1至4任一项所述的晶体生长连续自动加料装置，其特征在于，添料口上侧设有第二密封圈，盖板封闭添料口时，盖板下端面与第二密封圈紧密接触从而密封添料口。

6.如权利要求1至4任一项所述的晶体生长连续自动加料装置，其特征在于，搅拌储料装置包括漏斗状的料斗，料斗下端与电控引料装置相连通，料斗内安装有搅拌杆，搅拌杆包括与搅拌电机输出轴传动连接的竖杆，还包括多根沿竖杆长度方向安装在竖杆上的横杆，搅拌电机工作时带动竖杆转动从而带动横杆绕竖杆转动进而搅拌料斗内的原料，搅拌电机与控制装置电连接。

7.如权利要求1至4任一项所述的晶体生长连续自动加料装置，其特征在于，电控引料装置包括横向设置的引料腔体，引料腔体下侧设有出料口，上侧设有进料口，且出料口与进料口不与正对，引料腔体内横向安装有推料螺杆，推料螺杆一端与推料电机的输出轴传动连接，推料电机工作时带动推料螺杆转动进而推动原料从进料口方向朝出料口方向运动，推料电机与控制装置电连接。

8.一种晶体连续生长系统，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的晶体生长的连续自动加料装置，还包括晶体生长系统，连续自动加料装置壳体与晶体生长系统炉体的连通口通过密封装置密封连接，晶体生长系统中籽晶杆从晶体生长系统腔体上侧插入晶体生长系统中，籽晶杆与晶体生长系统腔体之间通过第三密封圈密封。

9.如权利要求8所述的晶体连续生长系统，其特征在于，晶体生长系统还包括真空装置，真空装置用于为晶体生长系统腔体内提供一个真空环境。