CN1164801C - 遥控晶体生长装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于单晶生长,涉及遥控半导体单晶区熔生长装置及其控制方法。本发明装置包括装有温度传感器的可变温场空间晶体生长炉,数据采集器、加热功率分配器,用于远程监控和显示的中央监控台和作为远程遥测遥控通道的无线电通讯设备。本发明控制方法是根据本发明建立的晶体区熔生长数学模型,保证晶体生长的遥测遥控精度和控温精度,由控制程序接受来自远程监控的中央监控台的控制和数据指令,操作晶体生长炉,由计算显示程序计算炉内晶体生长参数,模拟显示晶体生长过程,由数据通讯程序完成数据采集器和晶体生长炉、数据采集器和中央监控台之间的通讯控制。
Description
技术领域
本发明属于单晶生长,涉及空间材料科学实验和遥控单晶生长,特别是遥控半导体单晶区熔生长装置及其控制方法。
背景技术
随着空间科学技术的发展,基于大量科学实验和工业生产远程监控的要求,开展遥科学技术的研究,并在科学实验或工业实践中加以运用是非常重要的。为了提高实验的成功率,在宝贵的实验中取得更多的结果,对于异地实验或实验人员无法到达现场的实验,在实验进程中采用实时远程监控是有效手段之一。开展实时远程监控材料科学实验,必须建立材料科学实时监控系统,解决数据传输和实验控制的装备和方法。
目前,美国、欧洲和日本开展了运用遥科学成果实时监控空间材料科学实验。美国宇航局(NASA)在Marshall中心,德国宇航院在科隆空间模拟研究所均建有空间材料科学实验监控室。材料科学家在地面监控室,通过遥测数据了解空间实验的进展,研究对策后指示宇航员干预实验进程。日本宇宙开发事业团(NASDA)也在筑波建有监控室,转接美国NASA的遥测数据。日本还开展了遥测、遥控空间实验的地面研究。法国利用MEPHISTO材料生长炉来研究晶体结晶过程。
发明内容
本发明的目的是建立一套遥控晶体生长装置及其控制方法,依据采集的晶体生长炉温场数据,借助模拟计算揭示单晶生长的进程,在远离实验现场的中央控制台前分析、判断、干预实验,从而实现遥控晶体生长或空间晶体生长。
本发明遥控晶体生长装置,包括一装有温度传感器的可变温场空间晶体生长炉,一包括微处理器和温度传感器的数据采集器,一包括电源和功率器件、根据数控信号工作的加热功率分配器,一用于显示和远程监控的中央监控台,一作为远程遥测遥控通道的无线电通讯设备。
本发明遥控晶体生长装置中,晶体生长炉炉管上绕制若干组电阻值相同的加热炉丝,每组加热炉丝连接一测量温度的热电偶,热电偶测量信号送入数据采集器,所述的数据采集器包括相连的放大器和模数转换器。
本发明的装置中,加热功率分配器包括微处理器、存储器、I/O接口、固态继电器、电源和远程通讯接口。
本发明装置中的中央监控台包括一台微机、一台彩色监视器、以及大容量的硬盘和内存。
本发明装置中的无线电通讯设备包括无线电调制解调器和小型无线电电台。
本发明遥控晶体生长装置的控制方法,是在本发明遥控晶体生长装置上,建立本发明晶体区熔生长数学模型,利用所述晶体区熔生长数学模型和本发明编制的运行程序,保证晶体生长的遥测遥控精度和控温精度,实时给出晶体生长炉的温场分布、熔区宽度、生长速率和温度梯度等晶体生长参数;由控制程序接受来自远程监控的中央监控台的控制和数据指令,操作晶体生长炉进行工作;由计算显示程序计算炉内晶体生长参数,模拟显示晶体生长过程;由数据通讯程序完成数据采集器和晶体生长炉、数据采集器和中央监控台微机之间的通讯控制。
本发明控制方法中,晶体区熔生长数学模型是把结晶和熔化过程都设定为准稳态过程,认定每一瞬间都基本上达到稳态,炉壁上为固定温度边界条件,以半导体材料锑化镓(GaSb)为模型晶体建立数学模型,以柱坐标表示晶体区熔生长模型,圆柱体沿轴向顺序为固态—液态—固态三个区域,固液界面为曲面,在液态区域,利用不可压缩流体的Navier-Stokes方程
式中,ρL为液态GaSb的密度;
υ为流体的动力粘滞系数;
p为压强;
质量守恒得到连续性方程
对流传热方程
式中:
cp,L为液态GaSb的定压热容,
χL为液态GaSb的热扩散系数
本发明控制方法中,控制程序即功率分配和数据采集程序,是将可变温场空间晶体生长炉中的温场信号采集出来,并通过温控软件进行功率分配;所述的温控软件采用数值比例积分微分(PID)控制和在邻里交互影响的多组炉丝体系上实现PID控制。
本发明遥控晶体生长装置及其控制方法的效果和特点归纳如下:
(1)操作者能在远离进行晶体生长的地方,通过本发明所述装置及其控制方法,遥知晶体生长的状况;
(2)操作者能根据生产或实验要求遥控晶体生长的进程;
(3)在某些有危险而需要避开或是根本无法到达的场合,使用本发明能提高生产或实验的成功率和产品质量。
附图说明
图1是本发明遥控晶体生长装置及其控制方法示意图。
图2是空间晶体生长炉示意图。
图3是本发明装置控制器部分包括功率分配器和数据采集器示意图。
图4是说明建立晶体区熔生长数学模型的示意图。
图5是控制(功率分配和数据采集)程序流程图。
图6是中央监控台的主界面示意图。
图7是计算显示(中央监控台)工作程序流程图。
图8是数据通讯程序流程图。
具体实施方式
如图1所示,本发明遥控晶体生长装置由可变温场空间晶体生长炉100及其功率分配器200、数据采集器300,半导体单晶区熔生长的数学模型及计算400、控温软件500和中央监控台600以及通讯设备700组成。
可变温场空间晶体生长炉100是遥控晶体生长装置的主体,它在功率分配器200、数据采集器300的控制下,按预定的工作程序进行区熔生长。功率分配器200、数据采集器300,在完成上述工作的同时,测定、记录并在中央监控台600上显示炉子的温场数据及其变化,并能接受中央监控台600的指令,改变晶体生长的进程。
半导体单晶区熔生长的数学模型400,从相变原理、热输运规律和流体力学等基本物理关系出发,用数学语言描述单晶区熔生长这一物理过程。在此基础上,编制出一套软件500。依据GaSb的热力学参数和炉子的温场数据,实时计算出样品中的温场、固液界面位置和形状、熔区宽度、生长速率等晶体生长参数。
中央监控台600,负责接收由可变温场空间晶体生长炉100通过功率分配器200和数据采集器300采集的炉子温场数据,完成晶体生长仿真模型400的计算任务,并在中央监控台600上显示区熔生长状况。专家还可以通过对晶体生长状况的分析研究,从中央监控台600向可变温场空间晶体生长炉100发出改变晶体生长进程的指令,如改变加热方式、加热功率、关断生长炉等。
可变温场空间晶体生长炉100如图2所示。其炉体由带螺纹和孔的高温陶瓷炉管110、热电偶130及保温材料150组成,陶瓷炉管110的细螺纹内分组缠绕炉丝120,炉管壁的孔中装测量温度的热电偶130,陶瓷盖板140用于固定炉管表面的炉丝120和热电偶130,炉管外加裹保温材料150,防辐射层及热屏蔽罩170。再在其外套装带有接线端子的金属炉壳160,然后安装炉底盖板180和炉体支架190。
所谓可变温场是指炉子温场的空间分布及其随时间的变化均能程序控制。可变温场和晶体的区熔生长是这样实现的:
(1)在炉管110上绕制10组阻值相同的加热炉丝120。
(2)周期巡回导通每组炉丝120,每一瞬时有一组或多组炉丝120导通加热。炉子100的实际功率由“占空比”决定。所谓占空比,即是炉丝通断时间之比。
(3)根据材料实验的要求,确定炉丝120在一个巡回加热周期中的导通时间以实现炉子100的温度分布要求。
(4)通过调整各组炉丝120的加热时间,先将炉管110均匀加热到低于熔点的某一基础温度,再将某一特定区域的温度提高到熔点以上建立熔区,并逐渐缓慢而均匀地移动这一熔区,以实现晶体的区熔和结晶。
空间晶体生长炉的功率分配器和数据采集器(简称控制器,见图3),功率分配器200和数据采集器300共同构成了控制单元,其主要功能是:(1)控制生长炉100的加热,使生长炉100的温场分布满足晶体生长的要求。(2)采集生长炉100的温度场分布数据。(3)结果的输出以及对控制参量进行计算。(4)接收和传送远程信号等。
如图3所示,控制器部分包括由放大器310、模数转换器320顺序相连的数据采集器300,由微处理器210、存储器220、I/O接口230、固态继电器240、电源250和RS232远程通讯接口260构成的功率分配器200。晶体生长炉100接受功率分配器200的信号,向数据采集器300输出信号。
中央监控台600是用于显示和远程监控的中心,整个监控台是由一台微机来完成其功能的。为了使实验显示的更加清楚,监控台配有一台彩色监视器,同时还配有大容量的硬盘和内存。其中监控台和实验系统之间的通讯是通过RS232远程通讯接口与TNC22型无线调制解调器系统完成的。
无线通讯设备700是遥测遥控的通道,用于实现晶体生长的遥测遥控。无线通讯设备是TNC22型无线调制解调器系统和小型无线电台。
对本发明遥控晶体生长装置的控制方法,是由一个模型和三个模块实施完成的,他们是:晶体区熔生长数学模型,功率分配和数据采集模块,计算显示和中央监控模块,数据通讯模块。这里所说的三个模块分别实施本发明的三个程序。
在本发明实施例中,晶体区熔生长的数学模型400以可变温场空间晶体生长炉100为区熔条件,以半导体材料锑化镓(GaSb)为模型晶体而建立的。如图4所示,可变温场空间晶体生长炉100的内部是圆柱型的,内径为r0,内部长度为L,在晶体区熔生长的过程中,圆柱体分为三个区域,I区和III区为固态,II区为液态,固液界面一般说来是曲面。采用如图所示的柱坐标。在运行过程中,定时测定炉壁上十点的温度T(zi)(i=1,2,…10),经过数学插值,可以获得炉壁的温度分布T(r0,z)=fs(z)。假定炉子两个端面的温度分布是均匀的,即在z=0的端面上,温度均为T1=fs(0),在z=L的端面上温度均为T2=fs(L),在炉壁上z=L1和z=L2两处的温度为Tm(熔点),这就是固液界面的位置。在II区除了热传导过程以外,还发生对流;在I区和III区只有热传导过程。假定重力的方向是沿z方向的,则整个生长炉内所有的过程都是柱对称的,数学问题简化为一个二维问题。
在t时刻测得炉壁上温度等于熔点的两个位置各为z=L1和z=L2;在t+Δt时刻测得两个熔点的位置各为z=L1+ΔL1和z=L2+ΔL2。vg1=ΔL1/Δt即为晶体生长速率,vg2=ΔL2/Δt即为晶体熔化的速率。在一般情况下,vg1和vg2足够小,结晶和熔化过程都可以看作是准稳态过程,即每一瞬间都基本上达到稳态。炉壁上的温度边界条件采用固定温度边界条件。
我们考虑液态部分的情况。在II区,利用下面方程:
即不可压缩流体的Navier-Stokes方程
式中:ρL为液态GaSb的密度;
为流体运动速度;
υ为流体的动力粘滞系数;
p为压强;
质量守恒得到连续性方程
对流传热方程
式中:
cp,L为液态GaSb的定压热容,
χL为液态GaSb的热扩散系数
通过稳态条件创建数学模型为区熔晶体生长创造了条件,为其控温精度和遥测提供了有效的保证,能实时给出晶体生长炉的温场分布、熔区宽度、生长速率和温度梯度等晶体生长参数。
常用的PID(比例积分微分)方法称为模拟PID算法,它在单点或两点的温度控制上应用效果很好。然而,可变温场空间晶体生长炉有十组炉丝。如仍然采用通过电子线路对模拟量进行控制,就需要十台程序控温仪。这不但体积庞大,操作不便,而且费用很高。为此,本发明采用了数值PID控制,把本来需要十台程序控温仪做的工作交给算法软件来完成。这样,一台工控机加算法软件,就替代了十台程序控温仪。
功率分配和数据采集软件是用汇编语言和C语言编制的,分为控制加热部分和运算部分。
如图5所示,功率分配和数据采集模块包括互相关联的微机程序流程和控制器程序流程,
微机程序流程是:
(1)初始化:完成初始化数据设置、初始化串行口、初始化显示设置。(710);
(2)接收温度数据,从控制器接收采集的温度信号(711);
(3)读取第j+1个周期的设定温度,求出加热数据即偏差ΔTi=Ti′-Ti:根据设定温度值及实际温度值,通过控制算法求出加热数据(712);
(4)求出各炉丝的加热时间:由数字PID算法公式与ΔT1,求出第j+1个周期各组炉丝加热时间τi(i=1,2...10)(713);
(5)传输加热数据:通过串行口向晶体生长炉控制器传输加热数据(714);
(6)显示、记录:在显示屏幕上以图形方式显示晶体生长炉当前的温场,并将温度数据记录至文件(715);
控制器程序流程是:
(1)初始化:完成初始化数据设置,初始化串行口,关闭所有的继电器(720);
(2)温度采样:采样第j个周期后温度值Ti(i=1,2...10)(721);
(3)传输温度数据:将所采温度数据传送给微机(722);
(4)接收加热数据τi:从微机上接收加热数据的指令(724);
(5)进行加热:对空间晶体生长炉进行第j+1个周期的加热(725)。
如图6所示,中央监控台(600)是用于显示和远程遥控遥测的中心,主要用于模拟显示晶体生长炉及晶体的示意图象(610);包括晶体中的熔区,已经长成的晶体部分,尚未熔化的部分(613);熔区边界位置及生长速率;显示炉温分布曲线(620),并能自动或手动调节坐标尺度以使曲线总处于最佳显示状态;可任意查看某一个热电偶(611)的精确温度及其变化趋势;显示晶体名称.;实验开始时间,当前时间(630);炉丝处于加热状态或是断电状态(612)。
如图7所示,中央监控台按照计算显示程序工作,其工作流程是:
(1)启动(910);
(2)初始化:初始化屏幕显示,初始化数据文件(911);
(3)启动计时器,同时产生串口中断:启动计时器并每秒中断一次;同时产生串口中断,显示当前时间,然后返回主程序中断处(912),(914);
(4)启动串口通讯口,同时产生串口中断:启动串口通讯口,每分钟与控制器交换数据(913);
同时产生串口中断,接收温度数据并发送控制命令,根据数学模型进行模拟计算,显示炉温数据、晶体的示意图象,包括晶体炉中晶体的溶区、已经长成的晶体,尚未熔化的部分,溶区边界位置及晶体生长速率;实时显示控温曲线;然后返回主程序中断处(913),(915);
(5)判断是否有键盘命令:判断是否有键盘命令,如果有转入下一程序,否则返回等待(916);
(6)判断键盘命令是否有效:如果有效转入下一程序,否则返回等待(917);
(7)通过键盘发出指令:控制人员可以根据需要通过键盘发出指令,包括数据存盘并退出(921)、选择热电偶号(922)、改变坐标曲线(923)、改变加热因子(924)、紧急关断电炉(925)、放大曲线窗口(926)、调用帮助文件(927)。
参见图1,数据通讯是中央监控台(600)与晶体生长炉(100)间遥控遥测的连接通道,是通过RS232远程通讯接口的串口通讯方式,将空间晶体生长炉(100)的炉温(由多组热电偶测量所得)传送到中央监控台(600),而操作人员可通过中央监控台(600)向空间晶体生长炉的控制器(包括功率分配器200及数据采集器300)发送加热参数等控制命令。
参见图9,中央监控台(600)与控制器(200)连接,二者的工作流程分述如下。
中央监控台的工作流程:
(1)初始化(1010);
(2)接受晶体生长炉的温度数据,显示温场曲线(1011);
(3)判断晶体生长炉是否工作正常,若是则返回主程序,若否则进入下一程序(1012);
(4)发出修改指令及修改参数:操作人员通过监控台向控制器发出修改指令和修改参数(1013);
控制器的工作流程:
(1)初始化(1020);
(2)按数据表工作(1021);
(3)向中央监控台传输晶体生长炉温度数据(1022);
(4)接受中央监控台的修改后的指令和加热数据(1023);
(5)修改数据表,传输替换参数返回按数据表工作步骤(1021)(1024)。
Claims (11)
1.一种遥控晶体生长装置,包括一装有温度传感器的可变温场空间晶体生长炉(100),其特征是有一包括微处理器和温度传感器的数据采集器(300),一包括电源和功率器件、根据数控信号工作的加热功率分配器(200),一用于显示和远程监控的中央监控台(600),一作为远程遥测遥控通道的无线电通讯设备(700)。
2.根据权利要求1所述的遥控晶体生长装置,其特征是其中晶体生长炉炉管(110)上绕制若干组电阻值相同的加热炉丝(120),每组加热炉丝连接一测量温度的热电偶(130),热电偶测量信号送入数据采集器(300),所述的数据采集器(300)包括相连的放大器(310)、模数转换器(320)。
3.根据权利要求1所述的遥控晶体生长装置,其特征是其中加热功率分配器包括微处理器(210)、存储器(220)、I/O接口(230)、固态继电器(240)、电源(250)和远程通讯接口(260)。
4.根据权利要求1所述的遥控晶体生长装置,其特征在于其中的中央监控台包括一台微机、一台彩色监视器、以及大容量的硬盘和内存。
5.根据权利要求1所述的遥控晶体生长装置,其特征是其中的无线电通讯设备包括无线电调制解调器和小型无线电电台。
6.如权利要求1所述的遥控晶体生长装置的控制方法,其特征是建立本发明晶体区熔生长数学模型,利用所述晶体区熔生长数学模型和本发明编制的运行程序,保证晶体生长的遥测遥控精度和控温精度,实时给出晶体生长炉的温场分布、熔区宽度、生长速率和温度梯度等晶体生长参数;由控制程序接受来自远程监控的中央监控台的控制和数据指令,操作晶体生长炉进行工作;由计算显示程序计算炉内晶体生长参数,模拟显示晶体生长过程;由数据通讯程序完成数据采集器和晶体生长炉、数据采集器和中央监控台之间的通讯控制。
7.根据权利要求6所述的遥控晶体生长装置的控制方法,其特征是其中的晶体区熔生长数学模型是把结晶和熔化过程都设定为准稳态过程,认定每一瞬间都基本上达到稳态,炉壁上为固定温度边界条件,以半导体材料GaSb为模型晶体建立数学模型,以柱坐标表示晶体区熔生长模型,圆柱体沿轴向顺序为固态—液态—固态三个区域,固液界面为曲面,在液态区域,利用不可压缩流体的Navier-Stokes方程
式中,ρL为液态GaSb的密度;
υ为流体的动力粘滞系数;
p为压强;
质量守恒得到连续性方程
对流传热方程
式中:
cp,L为液态GaSb的定压热容,
χL为液态GaSb的热扩散系数。
8.根据权利要求6所述的遥控晶体生长装置的控制方法,其特征是其中的控制程序即功率分配和数据采集程序,是将可变温场空间晶体生长炉中的温场信号采集出来,并通过温控软件进行功率分配;所述的温控软件采用数值比例积分微分即PID控制和在邻里交互影响的多组炉丝体系上实现PID控制。
9.根据权利要求6或8所述的遥控晶体生长装置的控制方法,其特征是控制程序即功率分配和数据采集程序,包括互相关联的微机程序流程和控制器程序流程两部分;
所述的微机程序流程是:
(1)初始化:完成初始化数据设置、初始化串行口、初始化显示设置(710);
(2)接收温度数据,从控制器接收采集的温度信号(711);
(3)读取第j+1个周期的设定温度,求出加热数据即偏差ΔTi=Ti′-Ti:根据设定温度值及实际温度值,通过控制算法求出加热数据(712);
(4)求出各炉丝的加热时间:由数值PID算法公式与偏差ΔTI,求出第j+1个周期各组炉丝加热时间τi(i=1,2…10)(713);
(5)传输加热数据:通过串行口向晶体生长炉控制器传输加热数据(714);
(6)显示、记录:在显示屏幕上以图形方式显示晶体生长炉当前的温场,并将温度数据记录至文件(715);
所述的控制器程序流程是:
(1)初始化:完成初始化数据设置,初始化串行口,关闭所有的继电器(720);
(2)温度采样:采样第j个周期后温度值Ti(i=1,2…10)(721);
(3)传输温度数据:将所采温度数据传送给微机(722);
(4)接收加热数据τi:从微机上接收加热数据的指令(724);
(5)进行加热:对空间晶体生长炉进行第j+1个周期的加热(725)。
10.根据权利要求6所述的遥控晶体生长装置的控制方法,其特征是其中的计算显示程序即中央监控台程序流程主要用于模拟显示晶体生长炉及炉中晶体的示意图象,包括晶体的区熔,已经长成的晶体,尚未熔化的部分,熔区边界位置及晶体生长速率,显示炉温分布曲线,其工作流程是:
(1)启动(910);
(2)初始化:初始化屏幕显示,初始化数据文件(911);
(3)启动计时器,同时产生串口中断:启动计时器并每秒中断一次;同时产生串口中断,显示当前时间,然后返回主程序中断处(912),(914);
(4)启动串行通讯口,同时产生串口中断:启动串行通讯口,每分钟与控制器交换数据(913);
同时产生串口中断,接收温度数据并发送控制命令,根据数学模型进行模拟计算,显示炉温数据、晶体的示意图象,包括晶体炉中晶体的熔区、已经长成的晶体,尚未熔化的部分,熔区边界位置及晶体生长速率;实时显示控温曲线;然后返回主程序中断处(913),(915);
(5)判断是否有键盘命令:判断是否有键盘命令,如果有转入下一程序,否则返回等待(916);
(6)判断键盘命令是否有效:如果有效转入下一程序,否则返回等待(917);
(7)通过键盘发出指令:控制人员可以根据需要通过键盘发出指令,包括数据存盘并退出(921)、选择热电偶号(922)、改变坐标曲线(923)、改变加热因子(924)、紧急关断电炉(925)、放大曲线窗口(926)、调用帮助文件(927)。
11.根据权利要求6所述的遥控晶体生长装置的控制方法,其特征是其中的数据通讯程序是中央监控台与晶体生长炉间遥控遥测的连接通道,其中的中央监控台和控制器连接,二者的工作流程分述如下,
中央监控台的工作流程:
(1)初始化(1010);
(2)接受晶体生长炉的温度数据,显示温场曲线(1011);
(3)判断晶体生长炉是否工作正常,若是则返回主程序,若否则进入下一程序(1012);
(4)发出修改指令及修改参数:操作人员通过监控台向控制器发出修改指令和修改参数(1013);
控制器的工作流程:
(1)初始化(1020);
(2)按数据表工作(1021);
(3)向中央监控台传输晶体生长炉温度数据(1022);
(4)接受中央监控台的修改后的指令和加热数据(1023);
(5)修改数据表,传输替换参数返回按数据表工作步骤(1024)。
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