本發(fā)明涉及新型晶體生長(zhǎng)控制系統(tǒng)，具體涉及一種晶體生長(zhǎng)過(guò)程高精度溫度控制系統(tǒng)，屬于生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

KDP(磷酸二氫鉀，KH₂PO₄)晶體是20世紀(jì)30～40年代發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)優(yōu)良的電光非線(xiàn)性光學(xué)材料。因其具有較大的電光和非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)、高的光損傷閾值、低的光學(xué)吸收、高的光學(xué)均勻性和良好的透過(guò)波段等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于激光、電光調(diào)制和光快速開(kāi)關(guān)等高技術(shù)領(lǐng)域。

KDP晶體是在水溶液中生長(zhǎng)的，晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于溶液的過(guò)飽和度。由于KDP型晶體在水中的溶解度及其溫度系數(shù)均較大，且溶液準(zhǔn)穩(wěn)定區(qū)也較寬，因此這種類(lèi)型晶體的生長(zhǎng)通常采用水溶液緩慢降溫法。為了批量生產(chǎn)大尺寸優(yōu)質(zhì)的KDP晶體，生長(zhǎng)過(guò)程中必須進(jìn)行溫度控制，在60天左右的時(shí)間內(nèi)使得KDP溶液完成從65℃至20℃的緩慢降溫，控溫精度必須達(dá)到±0.01℃。

日前晶體生長(zhǎng)裝置通常采用PLC進(jìn)行控制，但常規(guī)PLC的溫度測(cè)量精度為±0.1℃，達(dá)不到要求的控制精度。本發(fā)明采用PLC與高精度智能溫度控制表結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)全自動(dòng)控制的同時(shí)，達(dá)到了要求的控制精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了批量生產(chǎn)大尺寸優(yōu)質(zhì)的KDP晶體，本發(fā)明提供了一種晶體生長(zhǎng)過(guò)程高精度溫度控制系統(tǒng)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

晶體生長(zhǎng)過(guò)程高精度溫度控制系統(tǒng)包括生長(zhǎng)裝置、過(guò)濾裝置和控制裝置。

(1)生長(zhǎng)裝置由帶夾套的育晶罐、安裝在育晶罐上部的測(cè)量育晶罐中生長(zhǎng)溶液溫度的熱電阻、安裝在育晶罐內(nèi)的載晶架、安裝在育晶罐頂部的帶動(dòng)載晶架正反旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)、安裝在育晶罐夾套內(nèi)的電加熱器、安裝在育晶罐夾套外側(cè)用于循環(huán)夾套水的循環(huán)泵、安裝在育晶罐夾套上部側(cè)面的出水口、夾套下部側(cè)面的冷卻水進(jìn)口和安裝在冷卻水進(jìn)水管道上的控制進(jìn)夾套冷卻水的電磁閥組成。

(2)過(guò)濾裝置由熱水浴槽和平衡水浴槽組成；熱水浴槽由熱水槽、安裝在熱水槽上方的測(cè)量熱水槽中水溫度的熱電阻、測(cè)量熱水槽中水位的三點(diǎn)式液位傳感器、連接來(lái)自育晶罐的輸送生長(zhǎng)溶液的管路、安裝在熱水槽中加熱熱水槽中的水的電加熱器、用于與熱水槽中的水進(jìn)行熱交換的輸送生長(zhǎng)溶液的蛇形管、生長(zhǎng)溶液輸送泵、生長(zhǎng)溶液過(guò)濾器、安裝在熱水 槽外側(cè)用于循環(huán)熱水槽中的水的循環(huán)泵、熱水槽上部側(cè)面的出水口、熱水槽下部側(cè)面的冷卻水進(jìn)口和安裝在冷卻水進(jìn)水管道上的控制進(jìn)熱水槽冷卻水的電磁閥組成；平衡水浴槽由平衡水槽、安裝在平衡水槽上方的測(cè)量平衡水槽中水溫度的熱電阻、測(cè)量平衡水槽中水位的三點(diǎn)式液位傳感器、安裝在平衡水槽中的加熱平衡水槽中的水的電加熱器、用于與平衡水槽中的水進(jìn)行熱交換的輸送生長(zhǎng)溶液的蛇形管、生長(zhǎng)溶液過(guò)濾器、連接返回到育晶罐的輸送生長(zhǎng)溶液的管路、安裝在平衡水槽外側(cè)用于循環(huán)平衡水槽中的水的循環(huán)泵、平衡水槽上部側(cè)面的出水口、平衡水槽下部側(cè)面的冷卻水進(jìn)口和安裝在冷卻水進(jìn)水管道上的控制進(jìn)平衡水槽冷卻水的電磁閥組成。

(3)控制裝置由PLC、觸摸屏、輸入接口、輸出接口、固態(tài)繼電器和高精度智能溫度控制表組成，PLC由臺(tái)達(dá)的DVP20ES200T型主機(jī)和DVP04PT-E2型熱電阻輸入模塊組成，PLC通過(guò)主機(jī)串口與臺(tái)達(dá)DOP-W127B型液晶觸摸屏相連；PLC通過(guò)輸入接口與過(guò)濾裝置中的二個(gè)三點(diǎn)式液位開(kāi)關(guān)及二個(gè)測(cè)溫?zé)犭娮柘噙B，PLC通過(guò)輸出接口與過(guò)濾裝置中的二個(gè)電加熱器、二個(gè)電磁閥、二個(gè)循環(huán)泵及一個(gè)輸送泵相連，PLC通過(guò)輸出接口與生長(zhǎng)裝置中的一個(gè)電磁閥、一個(gè)循環(huán)泵、一個(gè)直流電機(jī)相連；PLC主機(jī)通過(guò)RS485接口與高精度智能溫度控制表相連，高精度智能溫度控制表為宇電公司的AIJ-5.0A-N-GA-N-N-SA型表；智能溫度控制表的輸入直接與生長(zhǎng)裝置中測(cè)溫?zé)犭娮柘噙B，獲得生長(zhǎng)液溫度，智能溫度控制表的輸出通過(guò)固態(tài)繼電器控制育晶罐夾套內(nèi)的電加熱器從而控制生長(zhǎng)液溫度。

育晶罐內(nèi)裝滿(mǎn)生長(zhǎng)溶液，需培養(yǎng)生長(zhǎng)的一個(gè)晶核放在載晶架上，由PLC控制直流電機(jī)帶動(dòng)載晶架以固定的時(shí)間間隔順時(shí)針、逆時(shí)針交錯(cuò)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，使生長(zhǎng)溶液與晶核充分接觸。高精度智能溫度控制表的溫度測(cè)量精度為±0.001℃，通過(guò)控制育晶罐夾套內(nèi)的電加熱器先加熱夾套中的水，再通過(guò)罐壁熱交換使育晶罐內(nèi)生長(zhǎng)溶液的溫度控制精度達(dá)到±0.01℃，保持育晶罐內(nèi)生長(zhǎng)溶液的溫度恒定并在一個(gè)生長(zhǎng)周期(60天左右)內(nèi)非常緩慢下降(從65℃緩慢降低到25℃)。在緩慢降溫過(guò)程中，重點(diǎn)是控制好降溫速率，使晶體能夠均勻、快速地生長(zhǎng)；PLC通過(guò)RS485接口實(shí)時(shí)獲取智能溫度控制表的測(cè)量溫度，PLC根據(jù)降溫速率計(jì)算當(dāng)前所需的生長(zhǎng)溶液溫度沒(méi)定值，通過(guò)RS485接口實(shí)時(shí)發(fā)送給智能溫度控制表，由智能溫度控制表進(jìn)行育晶罐溫度控制。PLC控制循環(huán)泵使夾套內(nèi)各處的溫度均勻一致。當(dāng)需要快速降溫時(shí)，PLC控制冷卻水進(jìn)水管道上的電磁閥的開(kāi)關(guān)以調(diào)節(jié)進(jìn)夾套冷卻水的量。

生長(zhǎng)溶液的過(guò)濾過(guò)程是：從育晶罐里流出的帶有顆粒雜質(zhì)的生長(zhǎng)溶液，先流到熱水浴槽加熱溶解雜晶，再經(jīng)過(guò)濾器濾除無(wú)關(guān)雜質(zhì)；然后流到平衡水浴槽，通過(guò)降溫使回流到育晶罐里的溶液溫度恢復(fù)到與育晶罐里的溶液溫度一致，避免對(duì)育晶罐里的溶液造成擾動(dòng)，從而完成連續(xù)循環(huán)過(guò)濾。

為了讓熱水槽和平衡水槽中各處的溫度均勻一致，在熱水槽和平衡水槽中分別配備水循環(huán)泵，由PLC控制啟停。通過(guò)蛇形管的熱交換作用，溫度為T(mén)₂的熱水浴將蛇形管管路中的生長(zhǎng)溶液溫度從T₁加熱到T₂(T₂＝T₁+8℃)，溫度為T(mén)₃(T₃＝T₁+0.1℃)的平衡水浴將蛇形管管路中的生長(zhǎng)溶液平衡到T₁。PLC控制電加熱器和電磁閥對(duì)熱水浴和平衡水浴進(jìn)行溫度調(diào)整，PLC的溫度測(cè)量精度為±0.1℃，可滿(mǎn)足使用要求。PLC根據(jù)熱水槽和平衡水槽中的三點(diǎn)式液位傳感器信號(hào)控制電磁閥對(duì)熱水浴和平衡水浴進(jìn)行水位調(diào)整，確保水槽中不缺水。

本發(fā)明專(zhuān)利的有益技術(shù)效果是：高精度智能溫度控制表的溫度測(cè)量精度為±0.001℃，控制精度達(dá)到±0.01℃，保持育晶罐內(nèi)生長(zhǎng)溶液的溫度恒定并在一個(gè)生長(zhǎng)周期(90天左右)內(nèi)非常緩慢下降(從65℃緩慢降低到25℃)，提高了大尺寸晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是晶體生長(zhǎng)過(guò)程高精度溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是晶體連續(xù)生長(zhǎng)及過(guò)濾裝置結(jié)構(gòu)圖。

附圖2中1是帶夾套的育晶罐，2是加熱育晶罐夾套中的水的電加熱器，3是用于循環(huán)夾套中的水的循環(huán)泵，4是育晶罐中正在生長(zhǎng)的晶體，5是安裝在育晶罐內(nèi)的放置正在生長(zhǎng)晶體的載晶架，6是安裝在育晶罐頂部的帶動(dòng)載晶架正反旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)，7是夾套冷卻水進(jìn)口，8是夾套出水口，9是控制進(jìn)夾套冷卻水的電磁閥，10是總的冷卻水入口；11是熱水槽，12是加熱熱水槽中的水的電加熱器，13是用于與熱水槽中的水進(jìn)行熱交換的輸送生長(zhǎng)溶液的蛇形管，14是連接來(lái)自育晶罐的輸送生長(zhǎng)溶液的管路，15是生長(zhǎng)溶液輸送泵，16是熱水槽中的生長(zhǎng)溶液過(guò)濾器，17是用于循環(huán)熱水槽中的水的循環(huán)泵，18是熱水槽的出水口，19是熱水槽的冷卻水進(jìn)口，20是控制進(jìn)熱水槽冷卻水的電磁閥；21是平衡水槽，22是加熱平衡水槽中的水的電加熱器，23是用于與平衡水槽中的水進(jìn)行熱交換的輸送生長(zhǎng)溶液的蛇形管，24是連接返回到育晶罐的輸送生長(zhǎng)溶液的管路，25是平衡水槽中的生長(zhǎng)溶液過(guò)濾器，26是控制進(jìn)平衡水槽冷卻水的電磁閥，27是用于循環(huán)平衡水槽中的水的循環(huán)泵，28是平衡水槽的出水口，29是平衡水槽的冷卻水進(jìn)口；T1是測(cè)量育晶罐中生長(zhǎng)溶液溫度的熱電阻，T2是測(cè)量熱水槽中水溫度的熱電阻，T3是平衡水槽中水溫度的熱電阻；L1是熱水槽中的三點(diǎn)式液位傳感器，L2是平衡水槽中的三點(diǎn)式液位傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說(shuō)明。

一種晶體生長(zhǎng)過(guò)程高精度溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用，包括以下實(shí)施過(guò)程：

(1)做好溫度溶液投放工作之后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。若是初次開(kāi)機(jī)，需在觸摸屏 上進(jìn)行溫度設(shè)定，設(shè)定包括：生長(zhǎng)溶液溫度T₁、生長(zhǎng)溶液降溫速率、熱水浴溫度T₂(T₂＝T₁+8℃)、平衡水浴溫度T₃(T₃＝T₁+0.1℃)。

(2)育晶罐旋轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)對(duì)載晶架進(jìn)行正反旋轉(zhuǎn)控制，讓晶體的生長(zhǎng)面均勻地接觸到溶液。

(3)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)后，育晶罐內(nèi)的生長(zhǎng)溶液溫度為T(mén)₁，流經(jīng)溫度為T(mén)₂的熱水浴中的蛇形管，雜晶顆粒隨著生長(zhǎng)溶液溫度的升高而溶解，生長(zhǎng)溶液溫度達(dá)到T₂。

(4)熱水浴槽中的生長(zhǎng)溶液經(jīng)輸送泵流經(jīng)過(guò)濾器，濾除無(wú)關(guān)雜質(zhì)，凈化溶液品質(zhì)。

(5)過(guò)濾后的生長(zhǎng)溶液流入溫度為T(mén)₃的平衡水浴中的蛇形管，生長(zhǎng)溶液溫度降低到與育晶罐里的溫度T₁接近一致，最后回到育晶罐，完成循環(huán)。

(6)PLC通過(guò)RS485接口實(shí)時(shí)獲取智能溫度控制表的測(cè)量溫度，PLC根據(jù)降溫速率計(jì)算當(dāng)前所需的生長(zhǎng)溶液溫度設(shè)定值，通過(guò)RS485接口實(shí)時(shí)發(fā)送給智能溫度控制表，由智能溫度控制表進(jìn)行育晶罐溫度控制。使育晶罐內(nèi)生長(zhǎng)溶液的溫度控制精度達(dá)到±0.01℃，保持育晶罐內(nèi)生長(zhǎng)溶液的溫度恒定并在一個(gè)生長(zhǎng)周期(90天左右)內(nèi)非常緩慢下降(從65℃緩慢降低到25℃)。

本發(fā)明系統(tǒng)可提高大尺寸晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量。

以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何的簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均屬于發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。