提拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的應(yīng)用

摘 要：藍(lán)寶石（Sapphire）是一種氧化鋁（α-Al2O3）的單晶，自身的耐高法性能使其被廣應(yīng)用于軍事、衛(wèi)星、激光窗口等領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)獨(dú)特、性能優(yōu)異、熱學(xué)性能好，也被應(yīng)用在發(fā)光二極管的襯底材料。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)藍(lán)寶石晶體材料的尺寸、質(zhì)量不斷的提出新的要求。藍(lán)寶石有很多的合成方法，主要有熱交換法、泡生法、坩堝下降法及提拉法。最具代表性的方法就是提拉法。所以在提拉法中對(duì)藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)距離檢測(cè)的要求很高。需要精度很高的提拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)生長(zhǎng)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的藍(lán)寶石晶體。

關(guān)鍵詞：提拉法；提拉控制器；藍(lán)寶石

提拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、伺服放大器、伺服電機(jī)、減速器等組成，伺服放大器通過(guò)脈沖信號(hào)控制，它連接伺服電機(jī)及減速器后帶動(dòng)傳動(dòng)裝置。提拉控制器通過(guò)RS485通信方式接收上位機(jī)給定的提拉距離，根據(jù)伺服放大器、減速器及傳動(dòng)裝置的軸距，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的距離，及通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)給伺服放大器，伺服放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，然后經(jīng)減速器到傳動(dòng)軸，來(lái)達(dá)到精密的提拉控制。

1 提拉法

提拉法是運(yùn)用熔體的冷凝結(jié)晶驅(qū)動(dòng)原理，將藍(lán)寶石晶體的原料加熱到熔點(diǎn)，使能形成液體，在固液界面處，經(jīng)一個(gè)單晶的籽晶來(lái)接觸液體表面，藉由熔體溫度下降，將產(chǎn)生由液態(tài)轉(zhuǎn)換成固態(tài)的相變化。液體會(huì)慢慢凝固于籽晶上面，形成結(jié)構(gòu)相同的晶體。然后通過(guò)極其緩慢的速度向上提拉單晶籽晶，同時(shí)加以一定的速度的旋轉(zhuǎn)，隨之緩慢的提拉后，液態(tài)逐漸變成固態(tài)，最終生長(zhǎng)成為藍(lán)寶石晶體。提拉法的優(yōu)點(diǎn)在于其生長(zhǎng)的周期短、速度快；生長(zhǎng)過(guò)程中方便觀察；溫度梯度控制方便；可通過(guò)改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)液流；晶體質(zhì)量高。

根據(jù)技術(shù)要求，選擇使用合適的單晶生長(zhǎng)設(shè)備；其次是要掌握一整套單晶硅的制備工藝、技術(shù)，包括：（1）單晶硅系統(tǒng)內(nèi)的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)，確保晶體生長(zhǎng)有合理穩(wěn)定的溫度梯度；（2）單晶硅生長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)的氫氣氣體系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（3）單晶硅夾持技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；（4）為了提高生產(chǎn)效率的連續(xù)加料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；（5）單晶硅制備工藝的過(guò)程控制。

2 系統(tǒng)組成

2.1 伺服放大器

伺服放大器具有兩種控制模式，分別是位置控制和內(nèi)部速度控制兩種，因此，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，該新系列具有RS-232C或RS-422串行通訊功能，能夠進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、試運(yùn)行、狀態(tài)顯示監(jiān)視等。

2.1.1 位置控制模式

最大1Mpps高速度脈沖串用于控制電機(jī)的速度和方向，并進(jìn)行131072脈沖/rev分辨率的精確定位。位置平滑功能提供適用于機(jī)器的兩種不同模式選擇，因此在位置指令突變時(shí)能夠更平滑地啟動(dòng)/停止。通過(guò)伺服放大器中的箱位電路施加轉(zhuǎn)矩限制以防止電機(jī)在突然加減速或過(guò)載時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電流損壞伺服放大器主電路中的晶體管。此轉(zhuǎn)矩限制值可通過(guò)參數(shù)設(shè)定為任意值。

2.1.2 內(nèi)部速度控制模式

由參數(shù)組成的內(nèi)部速度指令對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向進(jìn)行平滑控制。

另外，對(duì)于速度指令，它還具有進(jìn)行加減速時(shí)的常數(shù)設(shè)定和停止時(shí)的伺服鎖定功能。

2.2 伺服電機(jī)及減速器

伺服電機(jī)裝有增量位置編碼器，分辨率131072脈沖/轉(zhuǎn)，以確保高精度定位。

2.3 控制系統(tǒng)

以單片機(jī)為核心，通過(guò)計(jì)算，根據(jù)頻率的高低來(lái)選擇用PWM方式或是定時(shí)器方式，加以控制脈沖電路來(lái)輸出脈沖控制信號(hào)控制伺服放大器，通過(guò)光電隔離的RS485通信電路與上位機(jī)進(jìn)行通迅。同時(shí)還支持單鍵調(diào)整及即時(shí)自動(dòng)調(diào)整功能，根據(jù)機(jī)器可以對(duì)伺服增益進(jìn)行簡(jiǎn)單的自動(dòng)調(diào)整。

通過(guò)Tough Drive功能、驅(qū)動(dòng)記錄器功能以及預(yù)防性保護(hù)支持功能，對(duì)機(jī)器的維護(hù)與檢查提供強(qiáng)力的支持。因?yàn)檠b備了USB通信接口，與安裝MR Configurator2后的個(gè)人電腦連接后，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定和試運(yùn)行以及增益調(diào)整等。

MELSERVO-JE系列的伺服電機(jī)采用擁有131072pulses/rev分辨率的增量式編碼器，能夠進(jìn)行高精度的定位。

3 脈沖頻率換算

通過(guò)RS485通信方式接收上位機(jī)傳達(dá)的提拉和旋轉(zhuǎn)的具體量值，根據(jù)傳動(dòng)裝置的軸距，通過(guò)單片機(jī)換算出相應(yīng)的脈沖頻率。假設(shè)提拉距離為0.1毫米/小時(shí)，傳感裝置的軸距為4.5毫米，減速器變比為80：1，伺服放大器變比為1：80，伺服的放大器的分辨率為131072個(gè)脈沖/圈。這樣伺服變比和減速器變比相互抵消，131072/4.5=29127，即29127個(gè)脈沖/毫米。目標(biāo)提拉距離為0.1毫米/小時(shí)，換算成頻率為29127*0.1/3600=0.81Hz。通過(guò)此頻率可得到周期，用來(lái)做定時(shí)器的定時(shí)溢出初值，在定時(shí)器中對(duì)相應(yīng)的脈沖引腳進(jìn)行翻轉(zhuǎn)控制。

4 軟件控制

由上位機(jī)下達(dá)目標(biāo)指令，通過(guò)RS485通信接收。提拉和旋轉(zhuǎn)的控制分為手動(dòng)及自動(dòng)，手動(dòng)模式采用PWM方式，根據(jù)上位機(jī)給定的檔位，做出一個(gè)PWM頻率表格，用查表法來(lái)選擇PWM的頻率，通過(guò)脈沖控制電路輸出脈沖；自動(dòng)模式由于周期比較長(zhǎng)，PWM方式無(wú)法滿足其需求，所以采用定時(shí)器方式，定時(shí)器采用16位模式，對(duì)于一個(gè)定時(shí)器一個(gè)周期仍無(wú)法達(dá)到時(shí)間要求時(shí)，需要跑完一個(gè)定時(shí)周期再繼續(xù)重新賦定時(shí)器初值，然后等到再次溢出后對(duì)相應(yīng)的脈沖引腳進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

5 操作流程及調(diào)壓過(guò)程

操作流程圖如圖所示。

調(diào)壓過(guò)程是在上位機(jī)軟件中實(shí)現(xiàn)的，在“電壓控制”框中設(shè)置“調(diào)節(jié)電壓”增量數(shù)值（正整數(shù)為增加電壓，負(fù)整數(shù)為減小電壓），數(shù)值輸入完成后在鍵盤(pán)上按向下箭頭，這時(shí)光標(biāo)下移電壓設(shè)置完成；在“調(diào)節(jié)時(shí)間”中輸入工藝要求的時(shí)間，數(shù)值輸入完成后在鍵盤(pán)上按向下箭頭，這時(shí)光標(biāo)下移時(shí)間設(shè)置完成；在“電壓控制”框中設(shè)置“快速調(diào)節(jié)”增量數(shù)值，數(shù)值輸入完成后在鍵盤(pán)上按CTRL+Z為快速增加設(shè)定電壓、按CTRL+X為快速減少設(shè)定電壓，設(shè)定完成后觀察“設(shè)定電壓”數(shù)值是否改變，確認(rèn)設(shè)置的數(shù)值無(wú)誤后，按Ctrl+F1就可以開(kāi)始調(diào)節(jié)電壓了，同時(shí)在界面上可以看到調(diào)壓曲線以及反饋的電壓電流值，然后根據(jù)實(shí)際需要（溫度，長(zhǎng)晶速度）選擇繼續(xù)設(shè)置調(diào)節(jié)電壓，直至長(zhǎng)晶結(jié)束。

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作者簡(jiǎn)介：周常龍（1987-），男，工程師，2010年畢業(yè)于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化，在職，現(xiàn)從事晶體生長(zhǎng)電源裝置的設(shè)計(jì)與調(diào)試工作。