CN112146730A - 一种坩埚内材料质量的在线测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种坩埚内材料质量的在线测量装置和方法，包括：从内向外依次设置的坩埚、工艺层、隔离层和壳体，设于坩埚与工艺层上的滑动机构、设于坩埚底部的限位块，位于限位块下方的隔离机构、磁力部、位置传感器和测量机构。磁力部的电磁铁与永磁体之间产生相斥的磁力，推动坩埚及与其固定连接的部件向上滑动，在位置传感器检测到坩埚的位置改变时，坩埚及与其固定连接的部件、磁力部均受力平衡，获取弹簧形变量，则可确定坩埚及与其固定连接的部件的重力，从而可在线测量坩埚及其内部材料的质量，实现在不进行停机且不破坏密闭环境的情况下，在线监控蒸发源的材料剩余量，为设备生产计划和工艺调试提供数据依据，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及电磁称重技术领域，尤其涉及一种坩埚内材料质量的在线测量装置和方法。
背景技术
蒸发源是用来加热膜材使之汽化蒸发的装置。真空镀膜工艺是将固体材料放置于蒸发源中，在高真空的环境下进行加热，使蒸发源中的材料升华或蒸发并积淀在特定的衬底上得到薄膜的方法。
在太阳能薄膜电池的制备工艺中，需要在真空镀膜设备内设置多个放置相同或不同材料的蒸发源，而在设备运行过程中，各蒸发源的材料消耗情况并不相同。传统地，可通过取出蒸发源的方式检测蒸发源的材料消耗情况，从而防止因某一种材料的缺失导致产品报废；但这种方式，需要将真空镀膜设备进行停机并打开设备机盖，造成了生产等待，耗时耗力；并且这种方式会破坏真空镀膜设备内部已经调试好的生产环境，在设备复机后需要重新进行生产工艺调试，浪费调试材料。此外，还可以通过其他检测设备的数据推断出可能缺料的蒸发源以及大概位置，但这种方式不能精确地定位缺料蒸发源的具体材料种类和位置，并且这种方式存在时间上的滞后，产生大量的不合格品，造成了生产成本的浪费。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种坩埚内材料质量的在线测量装置和方法，能够在不停机且不破坏密闭环境的情况下，在线监控蒸发源的材料余量，为设备生产计划和工艺调试提供数据依据，从而提高生产效率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的一方面，提供了一种坩埚内材料质量的在线测量装置。
本发明提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置，包括从内向外依次设置的坩埚、工艺层、隔离层和壳体，其特征在于，该装置包括：
设于所述坩埚与所述工艺层上的滑动机构；
设于所述坩埚底部的限位块和隔离机构，所述限位块与所述隔离机构固定连接；
与所述隔离机构固定连接的第一磁力部，与所述第一磁力部正对设置并间隔预设距离的第二磁力部，与所述第二磁力部固定连接的弹簧连接部；
与所述第一磁力部或所述第二磁力部连接的控制电路，用于调整所述第一磁力部或所述第二磁力部的磁力强度；
设于所述壳体上的位置传感器，用于检测所述坩埚的位置；
以及，测量机构，用于测量所述弹簧连接部的弹簧形变量。
本发明的另一方面，提供了一种坩埚内材料质量的在线测量方法。
本发明提供的一种坩埚内材料质量的在线测量方法，采用上述的坩埚内材料质量的在线测量装置，其特征在于，包括：
建立坩埚内的材料质量和弹簧连接部的弹簧形变量之间的函数关系；
确定控制电路的电流输出范围和弹簧连接部的弹簧形变量范围；
根据弹簧形变量范围，确定测量机构的量程；
在可调电源的电流输出范围内输出电流，获取在位置传感器检测到坩埚位置改变时测量机构的测量值，利用坩埚内的材料质量和弹簧连接部的弹簧形变量之间的函数关系，得出坩埚内的材料质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种坩埚内材料质量的在线测量装置和方法，在坩埚与工艺层上设置相互配合的滑动机构，并在坩埚底部设置依次连接的限位块、隔离机构和磁力部，设置与磁力部连接的控制电路和弹簧连接部，以及设置测量机构。其中，磁力部包括间距预设距离的第一磁力部和第二磁力部，一个磁力部为电磁线圈和铁芯组成的电磁铁，另一个磁力部为永磁体，通过改变电磁线圈的电流，使电磁铁与永磁体之间产生相互排斥的磁力，该磁力可推动坩埚及与其固定连接的部件基于滑动机构相对工艺层向上滑动，而位置传感器可以检测到坩埚的位置是否改变；当位置传感器检测到坩埚刚移动时，坩埚及与其固定连接的部件(限位块、隔离机构和第一磁力部)的重力与所受磁力为一对平衡力，而弹簧连接部和第二磁力部的重力和磁力以及弹簧弹力之间三力平衡；根据弹簧形变量，计算出坩埚以及与其固定连接的部件的重力，从而可在线检测坩埚及其内部材料的质量，实现在不进行停机且不破坏密闭环境的情况下，在线监控蒸发源的材料余量，为设备生产计划和工艺调试提供数据依据，提高生产效率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置的结构示意图一；
图2为本发明实施例一提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置的结构示意图二；
图3为本发明实施例一提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置的坩埚截面示意图；
图4为本发明实施例一提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置的工艺层截面示意图；
图5为本发明实施例一提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置的限位块、隔离机构和永磁体的连接示意图；
图6为本发明实施例一提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置的结构示意图三；
图7为本发明实施例一提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置的结构示意图四；
图8为本发明实施例一提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置的结构示意图五；
图9为本发明实施例一提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置的结构示意图六；
图10为本发明实施例二提供的一种坩埚内材料质量的在线测量方法的预处理流程图；
图11为本发明实施例二提供的一种坩埚内材料质量的在线测量方法的处理流程图；
图中：
10-坩埚，11-工艺层，12-隔离层，13-壳体；
1-蒸发源本体，2-滑动机构，3-限位块，4-隔离机构，5-磁力部，6-弹簧连接部，7-控制电路，8-位置传感器，9-测量机构；
21-滑轨，22-滑槽，23-容器顶盖；
50-铁芯，51-电磁线圈，52-永磁体；
60-弹簧，61-固定件；
71-可调电源，72-开关，73-电流表，74-导线；
90-测量尺，91-可调电阻，92-第一电源，93-电压表；
100-真空腔室。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
实施例一
本发明实施例提供了一种在线称重的坩埚内材料质量的在线测量装置，通过对蒸发源进行在线称重，监测蒸发源内的材料消耗情况。
本发明实施例提供的一种在线称重的坩埚内材料质量的在线测量装置的结构示意图如图1-2所示，该装置包括：从内向外依次设置的坩埚10、工艺层11、隔离层12和壳体13；设于坩埚10与工艺层11上的滑动机构2；设于坩埚10底部的限位块3和隔离机构4，其中，限位块3与隔离机构4固定连接；设置在隔离机构下方的磁力部5，其中，磁力部5包括：第一磁力部和第二磁力部，具体地，第一磁力部与隔离机构4连接，第二磁力部与第一磁力部正对设置并间隔预设距离；与第二磁力部连接的弹簧连接部6；与第一磁力部或第二磁力部连接的控制电路7，用于改变第一磁力部或第二磁力部的磁力强度；设于壳体13上的位置传感器8，用于检测坩埚10的位置；以及测量机构9，用于测量弹簧连接部6的弹簧形变量。
该装置各部件的具体内容如下：
(1)蒸发源本体
蒸发源本体1与真空腔室100连接，将固体材料进行加热蒸发或升华，从而积淀在真空腔室100中的待蒸镀部件上。
在该实施例中，蒸发源本体1包括：从内向外依次设置的坩埚10、工艺层11、隔离层12、壳体13和容器顶盖14，其中，工艺层11包覆在坩埚10的外表面，隔离层12包覆在工艺层11的外表面，壳体13包覆在隔离层12的外表面，容器顶盖14位于工艺层11顶端。
坩埚10用于盛放蒸发源的材料。本发明实施例在坩埚10和工艺层11上设置滑动机构2，从而使坩埚1可相对于工艺层11进行上下滑动。如图2-3所示，可选地，在坩埚10上设置多道均匀间隔的滑槽22，滑槽22开设在坩埚10的外侧壁上，并沿坩埚10的圆周设置。滑槽22的延长线与坩埚10的轴线相平行。
工艺层11用于根据蒸发源的需求，对坩埚10内的材料进行相应处理。具体地，工艺层11可用作加热层，在工艺层11内设置加热丝对坩埚10内的材料进行加热。可选地，工艺层11中还可以设置磁场、电离场等，从而对坩埚10内的材料进行磁化或电离等处理。
在该实施例中，在工艺层11的底部开设第一通孔，第一通孔的轴线与坩埚10的轴线在一条线上。第一通孔用于容置限位块3，便于限位块3上下滑动，并对限位块3向下的移动进行限制。具体地，第一通孔的孔径小于限位块3上表面的直径，且大于限位块3下表面的直径。
隔离层12用于对工艺层11的内部工艺环境进行隔离。在隔离层12的底部开设第二通孔，第二通孔的轴线与坩埚10的轴线在一条线上，且第二通孔的孔径小于第一通孔的孔径。第二通孔用于容置隔离机构4，便于隔离机构12上下滑动。
壳体13用于对坩埚10、工艺层11和隔离层12提供支撑。如图1所示，在该实施例中，可以将壳体13设置为一个带凸出部的圆筒状结构，该突出部位于壳体13的底部，用于放置第一磁力部，在该凸出部的底端内侧分别设置两个对应设置的位置传感器8，对第一磁力部底端的位置进行检测。可选地，如图2所示，壳体13还可以直接设置为一个圆筒状结构，其底面为一个平面，并在壳体13底部内侧分别设置两个相对设置的位置传感器8。在该实施例中，第一磁力部和第二磁力部分别位于壳体13的内外两侧，为了避免壳体13对第一磁力部和第二磁力部之间的磁场产生影响，可以采用非铁钴镍类的金属制备壳体13。
(2)滑动机构
滑动机构2包括：多道滑轨21和多道滑槽22，每道滑槽22均与一道滑轨21对应地设置，滑槽22的延长线与坩埚10的轴线相平行。
在该实施例中，可以如图2-3所示，将所述滑槽102开设在所述坩埚10的外侧壁上，并将所述滑轨21设置在所述工艺层11的内侧壁上。坩埚10一般采用陶瓷材料制成，为了能让坩埚10能在竖直方向上顺畅地滑动，可采用石墨等润滑性较好且耐高温的材质制作滑轨21，从而防止坩埚10在上下滑动时产生较大的摩擦力，从而对后续称量产生弹力影响。
可选地，在本发明实施例中，还可以将滑槽22开设在工艺层11的内侧壁上，并将滑轨21设置在坩埚10的外侧壁上。
在该实施例中，为了防止坩埚10上滑的高度过高以及防止坩埚10脱离滑动机构2，可在滑动机构2的顶部设置容器顶盖23，容器顶盖23可以设置为一个圆环。具体地，将蒸发源本体1设置为工艺层11顶部高于隔离层顶部的凸出结构，并将容器顶盖23与工艺层顶部固定连接，滑轨21和滑槽22均设置在容器顶盖23下方。
(3)限位块
限位块3与坩埚10固定连接，用于对坩埚10的滑动位置进行限定。
限位块3的上表面与坩埚10的下表面固定连接。可选地，如图1所示，在该实施例中，坩埚10的底面为弧面，为了与坩埚10底面进行配合，如图5所示，可以将限位块3的上表面设置为对应的弧面。
限位块3为近似圆台的结构，并且其上表面的截面面积大于下表面的截面面积。限位块3的上表面的直径大于第一通孔的孔径，限位块3下表面的直径小于第一通孔的孔径。限位块3能够贯穿第一通孔并与工艺层11接触。限位块3与工艺层11接触的水平截面的尺寸与第一通孔的尺寸相同；当不进行称重时，限位块3的该水平截面卡在第一通孔处，此时，坩埚10处于最低滑动位置。
(4)隔离机构
隔离机构4用于与隔离层12接触，并在称重时对隔离层12的内外环境进行隔离。
隔离机构4的上表面与限位块3的底面固定连接，隔离机构4的下表面与第一磁力部的上表面固定连接。
如图5所示，隔离机构4可以包括多根金属间隔管，当工艺层11中设置电热丝对坩埚10进行加热时，隔离机构4可利用金属薄壁的导热能力差的特性来阻断工艺层11传导过来的过多热量，从而实现对磁力部5进行隔热。
隔离机构4可相对第二通孔上下滑动。隔离机构4贯穿第二通孔并与隔离层12接触，隔离机构4与隔离层12接触的水平截面的尺寸与第二通孔的尺寸相同；当不进行称重时，隔离机构4的该水平截面卡在第二通孔处，此时，坩埚10处于最低滑动位置。
(5)磁力部
磁力部5具体有第一磁力部和第二磁力部，其中，第一磁力部与隔离机构4连接，而第二磁力部设置在第一磁力部正下方，与第一磁力部间距预设距离，且第二磁力部与弹簧连接部6连接。
磁力部5用于基于电磁铁和永磁体之间相互排斥的磁力对坩埚及与其固定连接的部件进行称重。在该实施例中，与坩埚10进行固定连接的部件有：限位块3、隔离机构4和第一磁力部。
磁力部5包括：铁芯50、电磁线圈51和永磁体52，其中，铁芯50和电磁线圈51共同组成电磁铁。
在本发明中，第一磁力部或第二磁力部的一个为电磁铁，而另一个为永磁体52。
如图1所示，在该实施例中，第一磁力部可以包括：铁芯50和电磁线圈51(第一磁力部为电磁铁)，所述铁芯50与隔离机构4固定连接，所述电磁线圈51环绕在所述铁芯50外，控制电路7与电磁线圈51电连接。而第二磁力部为永磁体52，永磁体52与所述弹簧连接部6固定连接。当与第一磁力部连接的控制电路连通时，第一磁力部的电磁铁(铁芯50和电磁线圈51)与第二磁力部的永磁体52之间形成相互排斥的磁力。在需要进行称量时，可将控制电路7接通，通过位置传感器8检测坩埚10的移动位置，以及测量机构9测量出弹簧连接部6的弹簧变形量，得到坩埚10及与其固定连接的部件的重量。
如图2所示，在该实施例中，第二磁力部可以包括：铁芯50和电磁线圈51(第二磁力部为电磁铁)，所述铁芯50与所述弹簧连接部6固定连接，所述电磁线圈51环绕在所述铁芯50外，控制电路7与电磁线圈51电连接。第一磁力部可以为永磁体52，永磁体52与所述隔离机构4固定连接。当与第二磁力部连接的控制电路7连通时，第二磁力部的电磁铁(铁芯50和电磁线圈51)与第一磁力部的永磁体52之间形成相互排斥的磁力。在需要进行称量时，可将控制电路7接通，通过位置传感器8检测坩埚10的移动位置，以及测量机构9测量出弹簧连接部6的弹簧变形量，得到坩埚10及与其固定连接的部件的重量。
在该实施例中，第一磁力部位于壳体13的内部，第二磁力部位于壳体13的外部，第二磁力部的磁极上表面与第一磁力部的磁极底面间隔预设距离，该预设距离的具体数值可根据永磁体52和电磁铁的磁场强弱进行确认。如图1-2所示，第一磁力部位于壳体13的内部，第二磁力部位于壳体13的下方，并与壳体13间隔一定距离。如图6-9所示，第二磁力部可紧贴壳体13底部的外表面，而第一磁力部与第二磁力部存在一定的间距，因此，第一磁力部的底面与壳体13底部的内表面存在一定的间距。
在该实施例中，可通过改变控制电路7中的电流流向以改变电磁铁的磁极，从而在第一磁力部与第二磁力部之间产生相互排斥的磁力。如图1所示，若第二磁力部(永磁体52)的顶面为N极，底面为S极，与永磁体52的磁极相对应，则第一磁力部(铁芯40与电磁线圈41共同组成的电磁铁)的顶面为S极，底面为N极。
(6)弹簧连接部
弹簧连接部6设置在第二磁力部下方，用于对第二磁力部提供弹力支撑。
弹簧连接部6包括：弹簧60和固定件61，弹簧60的一端与第二磁力部固定连接，另一端与固定件61固定连接。
弹簧60对位于壳体13外部的第二磁力部提供弹力支撑。可选地，如图1所示，第二磁力部为永磁体52，则可以将弹簧60的一端直接与永磁体52的底面固定连接。可选地，如图2所示，第二磁力部为电磁铁，则可以将弹簧60的一端直接与铁芯50的底面固定连接。
固定件61用于固定弹簧60底部，固定件61可设置为带滚轮的结构，用于调整第二磁力部的位置，将第二磁力部设置在与第一磁力部正对的位置。此外，固定件61具体可设置为可升降的升降架，用于调整第二磁力部与第一磁力部的间距。
(7)控制电路
控制电路7可以包括：可调电源71、开关72、电流表73和导线74，且可调电源71、开关72、电流表73和电磁线圈51通过导线74连接形成串联回路。
在该实施例中，控制电路7用于调整通过电磁线圈的电流流向和电流大小，从而改变电磁铁的磁极和磁力大小。具体地，通过设置可调电源71，实现对电磁线圈51内的电流进行调整。将开关72闭合，对电磁线圈51通电后，在铁芯50与电磁线圈51共同组成的电磁铁中会产生与外部的永磁体53相互排斥的磁力。通过对可调电源71进行调整，逐渐增大通入电磁线圈51的电流，可以不断增大磁力；当磁力与坩埚10及与其固定连接的部件的重力相平衡时，坩埚10及与其固定连接的部件会开始缓慢向上滑动，可以视为匀速上滑。
(8)位置传感器
位置传感器8设于壳体13上，用于检测坩埚10的位置。
在该实施例中，位置传感器8可采用两个对射型光电传感器，并分别设置在壳体13底部的内侧，且两个对射型光电传感器相对设置。如图1所示，在不进行称重时，位置传感器设置的位置与第一磁力部底面所处位置在同一水平面，铁芯50的底端阻断两个对射型光电传感器之间的光线，而在铁芯50受到相互排斥的磁力时，坩埚10以及与坩埚10固定连接的限位块3、隔离机构4和第一磁力部一起向上滑动，则两个对射型光电传感器之间的光线连通。通过判断两个对射型光电传感器之间是否接通，可知坩埚10及与其连接的部件是否向上滑动。
在该实施例中，如图7、9所示，位置传感器8采用两个对射型光电传感器，并分别设置在壳体13底部的内侧，且两个对射型光电传感器相对设置。第一磁力部为铁芯50和电磁线圈51组成的电磁铁，位置传感器8设置的位置与铁芯50的上表面所处位置在同一水平面，在铁芯中部开设允许位置传感器8的光线穿过的通孔。则在不进行称重时，铁芯50阻断两个对射型光电传感器之间的光线，而在铁芯50受到相互排斥的磁力时，坩埚10以及与坩埚10固定连接的限位块3、隔离机构4和第一磁力部一起向上滑动，则两个对射型光电传感器之间的光线通过通孔连通。通过判断两个对射型光电传感器之间是否接通，可知坩埚10及与其连接的部件是否向上滑动。
可选地，本实施例中的位置传感器8还可以设置在壳体13的顶部(图中未示出)，采用两个对射型光电传感器，并相对设置在壳体13顶部的内侧。坩埚10的顶部在不称重时与壳体13顶部在同一水平面上，不阻挡两个对射型光电传感器之间的光线，两个对射型光电传感器之间的光线连通；当进行称重时，坩埚10以及与坩埚10固定连接的部件(限位块3、隔离机构4和第一磁力部)一起向上滑动，阻挡两个对射型光电传感器之间的光线，两个对射型光电传感器之间的光线无法连通。通过判断两个对射型光电传感器之间是否接通，可知坩埚10及与其连接的部件是否向上滑动。
(9)测量机构
测量机构9设置在弹簧连接部的一侧，用于测量弹簧连接部6的弹簧形变量。
如图6-7所示，测量机构9可以采用测量尺90。测量尺90竖直设于弹簧连接部6的一侧。利用测量尺90可以快速、直观地得出弹簧形变量的具体数值，根据该数值，则可以计算出第一磁力部与第二磁力部之间相互排斥的磁力，从而计算出坩埚10以及与坩埚10固定连接的部件的质量，从而可在线检测得到坩埚及其内部材料的质量，实现在不进行停机且不破坏密闭环境的情况下，在线监控蒸发源的材料余量。
可调电阻91竖直放置，并将可调电阻91与第二磁力部连接，第二磁力部在竖直方向上的移动，改变可调电阻91接入测量电路的具体阻值。
如图8-9所示，测量机构可以设置为测量电路，测量电路可以包括：可调电阻91、第一电源92、电压表93以及导线，可调电阻91、第一电源92和电压表93通过导线连接形成并联回路。可调电阻91竖直放置，并将可调电阻91与第二磁力部连接，第二磁力部在竖直方向上的移动，改变可调电阻91接入测量电路的具体阻值。在该实施例中，第二磁力部是由铁芯50和电磁线圈51组成的电磁铁，则可以在第二磁力部上设置连杆，连杆的另一端与可调电阻91的滑片相连接，当第二磁力部受力改变，弹簧连接部6的弹簧形变量改变时，连杆在可调电阻91上的位置相应改变，从而改变接入测量电路的阻值。通过电压表93的具体数值可知可调电阻91接入测量电路的具体阻值，间接的得出弹簧形变量，从而可以计算出磁力的大小，并得到坩埚10及与其固定连接的部件的质量。
本发明实施例提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置的技术原理为：该实施例在坩埚10与工艺层11上设置相互配合的滑动机构2，在坩埚底部设置限位块2、隔离机构4和第一磁力部，并与第一磁力部间隔预设距离设置第二磁力部，第二磁力部与弹簧连接部连接。
在不进行称重时，坩埚10位于最低滑动位置，限位块2卡设在工艺层11上，隔离机构4卡设在隔离层12上，第一磁力部的底端位于初始位置。
在进行称重时，通过调整电磁线圈51内的电流，改变第一磁力部或第二磁力部的磁场，在第一磁力部与第二磁力部之间产生相互排斥的磁力，推动坩埚10以及与其固定连接的部件(限位块3、隔离机构4和第一磁力部)一起基于滑动机构2相对工艺层11向上滑动。通过位置传感器8是否接通，判断出坩埚10以及与其固定连接的部件是否上移；在刚移动时，坩埚10以及与其固定连接的部件(限位块3、隔离机构4和第一磁力部)所受重力与磁力为一对平衡力，而弹簧连接部6和第二磁力部所受重力、磁力以及弹簧弹力之间三力平衡；根据弹簧形变量，则可计算出坩埚10以及与其固定连接的部件的重力，从而可在线检测得到坩埚及其内部材料的质量，实现在不进行停机且不破坏密闭环境的情况下，在线监控蒸发源的材料余量。
实施例二
本发明实施例提供了一种坩埚内材料质量的在线测量方法，采用上述实施例中的坩埚内材料质量的在线测量装置，确定坩埚内部的材料余量。
一种坩埚内材料质量的在线测量方法，在进行测量之前，需要进行预处理，该方法的预处理步骤如图10所示，具体如下：
S110：建立坩埚内的材料质量和弹簧连接部的弹簧形变量之间的函数关系。
根据坩埚内材料质量的在线测量装置的结构，对坩埚内材料质量的在线测量装置进行受力分析。
采用上述实施例中的坩埚内材料质量的在线测量装置进行称重，当控制电路7中的开关72闭合后，在由铁芯50和电磁线圈51组成的第一磁力部或第二磁力部与另一个磁力部(永磁体52)之间产生相互排斥的磁力(F磁和F’磁)，F磁和F’磁的大小相同方向相反，即第一磁力部受到竖直向上的磁力F磁，第二磁力部受到竖直向下的磁力F’磁；其中，第一磁力部受到磁力F磁为：
F磁＝NBIL； (1)
式(1)中，N为电磁线圈51的匝数，B为永磁体52的磁场强度，I为电磁线圈51内的电流，L为一匝电磁线圈51的长度。
在该实施例中，通过调整输入电磁线圈51内的电流，可改变磁力(F磁和F’磁)的大小。调整输入电磁线圈51内的电流，具体可以按比例逐渐增大可调电源71的电压，从而使电磁线圈51内的电流按比例逐渐缓慢增加，电磁铁与永磁体52之间的磁力(F磁和F’磁)缓慢增加。当位置传感器8检测到坩埚10位置改变时，由于电磁线圈51内的电流为逐渐缓慢增大的，对于坩埚10及与其固定连接的部件可视为匀速向上滑动，将坩埚10及与其固定连接的部件(限位块3、隔离4和第一磁力部)视为一个整体，即此时该整体受力平衡(所受到的磁力F磁与重力可视为一对平衡力)。
在该实施例中，将位置传感器8检测到坩埚10位置改变作为坩埚10及与其固定连接的部件二力平衡的检测信号。
设坩埚10及与其固定连接的部件的总重力为G+G10，其中，G为坩埚内的材料质量，则对于坩埚10及与其固定连接的部件，具体有：
G+G10＝F磁＝NBIL。 (2)
设第二磁力部的重力为G20，当控制电路7接通后，第二磁力部受到的力有：弹簧弹力F弹、重力G20和磁力F’磁。当位置传感器8检测到坩埚10位置改变时，则第二磁力部处于三力平衡的状态，具体为：
F弹＝F’磁+G20＝NBIL+G20； (3)
F弹＝KX； (4)
式中，K为弹簧60的弹簧系数，X为弹簧60的弹簧形变量。
则坩埚内的材料质量和弹簧连接部的弹簧形变量之间的函数关系为：
G＝KX-G20-G10。 (5)
在式(5)中，由于K、G10和G20均为常数，则坩埚内的材料质量G和弹簧连接部的弹簧形变量X之间为线性关系。
S120：确定控制电路的电流输出范围和弹簧连接部的弹簧形变量范围。
确定可调电源的电流输出范围的步骤如下：
(1)在坩埚空载时，通过多次实验，确定控制电路中的最小电流值和弹簧连接部的最小形变量。
当坩埚10空载(坩埚10内无材料)时，将控制电路7中的开关72闭合，使控制电路7和电磁线圈51接通。调整输入电磁线圈51内的电流，在位置传感器8检测到坩埚10位置改变时，坩埚10及与其固定连接的部件所受到的磁力F磁与重力平衡，此时，输入电磁线圈51内的电流为能使坩埚10及与其固定连接的部件向上滑动的最小电流值Imin，计算出对应的弹簧形变量为最小形变量Xmin，记录下该最小电流值Imin和最小形变量Xmin。
在实际的产线应用中，操作人员可对每个坩埚10进行编号，再对每个处于空载状态的坩埚10进行多次重复实验，以确定每个坩埚10对应的最小电流值Imin。
(2)在坩埚满载时，通过多次实验，确定控制电路中的最大电流值和弹簧连接部的最大形变量。
当坩埚10满载时，将控制电路7中的开关72闭合，使控制电路7和电磁线圈51接通。调整输入电磁线圈51内的电流，在位置传感器8检测到坩埚10位置改变时，坩埚10及与其固定连接的部件所受到的磁力F磁与重力平衡，此时，输入电磁线圈51内的电流为能使坩埚10及与其固定连接的部件向上滑动所要求的最大电流值Imax，计算出对应的弹簧形变量为最大形变量Xmax，记录下该最大电流值Imax和最大形变量Xmax。
在实际的产线应用中，操作人员可对每个坩埚10进行编号，再对每个处于满载状态的坩埚10进行多次重复实验，以确定每个坩埚10对应的最小电流值Imin。
S130：根据弹簧形变量范围，确定测量机构的量程。
根据步骤S220中的多次实验所获取的控制电路中的最小电流值、最大电流值和弹簧连接部的最小形变量、最大形变量，可确定弹簧形变量的范围为：Xmin～Xmax。
如图6-7所示，在本发明提供的测量机构中，测量机构可以采用测量尺90，测量尺90的量程大于或等于弹簧形变量的范围(Xmin～Xmax)。该测量尺90具体可以是刻度尺，当刻度尺的量程等于弹簧形变量的范围，即刻度尺的量程为：0～(Xmax-Xmin)，则该刻度尺的零刻度与弹簧60顶端在最小形变量时处于同一水平位置；该刻度尺的最大刻度与弹簧60顶端在最大形变量时处于同一水平位置。当刻度尺的量程大于弹簧形变量的范围时，可以将该刻度尺竖直放置在弹簧连接部的一侧，且零刻度位于最大刻度上方；且零刻度与弹簧60顶端在最小形变量时处于同一水平位置，或高于弹簧60顶端在最小形变量时处于的水平位置；最大刻度与弹簧60顶端在最大形变量时处于同一水平位置，或低于弹簧60顶端在最大形变量时处于的水平位置。
如图8-9所示，在本发明提供的测量机构中，测量机构还可以采用测量电路。该测量电路通过电压表93反映接入电路中的可调电阻91的阻值。该测量电路为并联电路，电压表93的所测电压值与可调电阻91接入测量电路中的阻值成正比，而可调电阻91接入测量电路中的阻值与弹簧形变量成反比。具体地，当弹簧60处于最小形变量时，接入电路中的可调电阻91的阻值最大，对应地，电压表93此时测到的电压为最大电压值；当弹簧60处于最大形变量时，接入电路中的可调电阻91的阻值最小，对应地，电压表93此时测到的电压为最小电压值。
可通过多次实验，在弹簧60处于最小形变量时，测量出最大电压值Vmax；并在弹簧60处于最大形变量时，测量出最小电压值Vmin，则电压表93的量程为：0～Vmax。
本发明实施例提供的一种坩埚内材料质量的在线测量方法的处理流程图如图11所示，该方法包括：
S210：在控制电路的电流输出范围内输出电流。
观察控制电路7中的电流表73，对可调电源71进行调整，使控制电路7中的电流在Imin～Imax内变化。
S220：在位置传感器检测到坩埚位置改变时，利用测量机构确定弹簧连接部的弹簧形变量。
在位置传感器8检测到坩埚10位置改变时，获取此时测量机构9的测量值，并根据测量机构9的测量值与弹簧连接部6的弹簧形变量的数值关系，确定弹簧连接部6的具体弹簧形变量。
可选地，所述测量机构9采用测量尺90，则测量尺90在弹簧60形变之前的测量值与测量尺90在弹簧60形变之前的测量值的差值即弹簧形变量。
可选地，所述测量机构采用测量电路，根据电压表93的电压值与弹簧形变量之间的反比关系，则对于电压表93所测得的具体电压值，可确定出具体的弹簧形变量。
S230：利用坩埚内的材料质量和弹簧连接部的弹簧形变量之间的函数关系，确定坩埚内的材料质量。
利用预处理步骤中所确定的坩埚内的材料质量和弹簧连接部的弹簧形变量之间的线性关系，得出坩埚内的材料质量。
此外，在该发明中，坩埚10及与其固定连接的部件的质量不易通过实验测量得到，且在不同的环境该质量可能差别较大。因此，可以将坩埚10与其固定连接的部件以及坩埚10内材料看作一个整体，设坩埚10与其固定连接的部件以及坩埚10内材料的质量为G'，在位置传感器检测到坩埚位置改变时，则：
G'＝KX-G20。 (6)
根据式(6)，弹簧形变量与G'的关系为：
根据式(7)可知，弹簧形变量与坩埚内的材料余量成正比，因此，通过观察测量机构9所测量的弹簧形变量的数值是否大于最小形变量，可以直观地得出坩埚10内是否还有剩余材料的判断结论。
综上所述，本发明实施例提供的一种坩埚内材料质量的在线测量装置和方法，通过设置电磁铁和永磁体组成的磁力部，在位置传感器检测到坩埚位置改变时受力平衡，获取到弹簧形变量，从而可根据弹簧形变量，得到坩埚及与其固定连接的部件的重力，检测坩埚及其内部材料的质量，实现在不停机且不破坏密闭环境的情况下，在线监控蒸发源的材料余量，为设备生产计划和工艺调试提供数据依据，提高生产效率。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种坩埚内材料质量的在线测量装置，包括从内向外依次设置的坩埚、工艺层、隔离层和壳体，其特征在于，该装置包括：
设于所述坩埚与所述工艺层上的滑动机构；
设于所述坩埚底部的限位块和隔离机构，所述限位块与所述隔离机构固定连接；
与所述隔离机构固定连接的第一磁力部，与所述第一磁力部正对设置并间隔预设距离的第二磁力部，与所述第二磁力部固定连接的弹簧连接部；
与所述第一磁力部或所述第二磁力部连接的控制电路，用于调整所述第一磁力部或所述第二磁力部的磁力强度；
设于所述壳体上的位置传感器，用于检测所述坩埚的位置；
以及，测量机构，用于在所述位置传感器检测到所述坩埚的位置改变时，测量所述弹簧连接部的弹簧形变量，确定所述坩埚内的材料质量。
2.根据权利要求1所述的坩埚内材料质量的在线测量装置，其特征在于，
所述第一磁力部包括：铁芯和电磁线圈，所述铁芯与所述隔离机构固定连接，所述电磁线圈环绕在所述铁芯外，所述控制电路与所述电磁线圈电连接；
所述第二磁力部为永磁体，所述永磁体与所述弹簧连接部连接；
或者，所述第一磁力部为永磁体，所述永磁体与所述隔离机构固定连接；
所述第二磁力部包括：铁芯和电磁线圈，所述铁芯与所述弹簧连接部固定连接，所述电磁线圈环绕在所述铁芯外，所述控制电路与所述电磁线圈电连接。
3.根据权利要求2所述的坩埚内材料质量的在线测量装置，其特征在于，所述测量机构包括：测量尺，所述测量尺竖直设于所述弹簧连接部的一侧。
4.根据权利要求2所述的坩埚内材料质量的在线测量装置，其特征在于，所述测量机构包括：测量电路；
所述测量电路包括：可调电阻、第一电源、电压表和导线，所述可调电阻、第一电源和电压表通过所述导线连接形成并联回路；
所述可调电阻与所述第二磁力部连接，所述第二磁力部在竖直方向上的移动改变所述可调电阻接入所述测量电路的阻值。
5.一种坩埚内材料质量的在线测量方法，采用权利要求1-4任一项所述的坩埚内材料质量的在线测量装置，其特征在于，包括：
在控制电路的电流输出范围内输出电流；
在位置传感器检测到坩埚位置改变时，利用测量机构确定弹簧连接部的弹簧形变量；
利用坩埚内的材料质量和弹簧连接部的弹簧形变量之间的函数关系，确定坩埚内的材料质量。
6.根据权利要求5所述的坩埚内材料质量的在线测量方法，其特征在于，该方法还包括在测量之前进行预处理，所述预处理的步骤为：
建立坩埚内的材料质量和弹簧连接部的弹簧形变量之间的函数关系；
确定控制电路的电流输出范围和弹簧连接部的弹簧形变量范围；
根据弹簧形变量范围，确定测量机构的量程。
7.根据权利要求6所述的坩埚内材料质量的在线测量方法，其特征在于，所述建立坩埚内的材料质量和弹簧连接部的弹簧形变量之间的函数关系，包括：
在位置传感器检测到坩埚位置改变时，对坩埚内材料质量的在线测量装置进行受力分析：
设坩埚及与其固定连接的部件的总重力为G+G10，其中，G为坩埚内的材料质量，则对于坩埚及与其固定连接的部件，有：
G+G10＝NBIL； (1)
式(1)中，N为电磁线圈的匝数，B为永磁体的磁场强度，I为电磁线圈内的电流，L为一匝电磁线圈的长度；
设第二磁力部的重力为G20，对于第二磁力部，有：
NBIL＝KX+G20； (2)
式(2)中，K为弹簧的弹簧系数，X为弹簧的弹簧形变量；
则坩埚内的材料质量和弹簧连接部的弹簧形变量之间的函数关系为线性关系：
G＝KX-G20-G10。 (3)
8.根据权利要求7所述的坩埚内材料质量的在线测量方法，其特征在于，所述确定控制电路的电流输出范围和弹簧连接部的弹簧形变量范围，并根据弹簧形变量范围，确定测量机构的量程，包括：
在坩埚空载时，通过多次实验，确定控制电路中的最小电流值和弹簧连接部的最小形变量；
在坩埚满载时，通过多次实验，确定控制电路中的最大电流值和弹簧连接部的最大形变量；
控制电路中的最小电流值和最大电流值，确定所述控制电路的电流输出范围；
根据弹簧连接部的最小形变量和最大形变量，确定所述弹簧连接部的弹簧形变量范围。
9.根据权利要求8所述的坩埚内材料质量的在线测量方法，其特征在于，所述根据弹簧形变量范围，确定测量机构的量程，包括：
测量机构采用测量尺，测量尺量程大于或等于所述弹簧形变量范围；
或者，测量机构采用测量电路，在弹簧形变量为最小形变量时，测量出最大电压值Vmax，电压表的量程为：0～Vmax。
10.根据权利要求9所述的坩埚内材料质量的在线测量方法，其特征在于，所述在位置传感器检测到坩埚位置改变时，利用测量机构确定弹簧连接部的弹簧形变量，包括：
在位置传感器检测到坩埚位置改变时，获取测量机构的测量值，并根据测量机构的测量值与弹簧连接部的弹簧形变量的数值关系，确定弹簧连接部的弹簧形变量。
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