提拉旋轉系統在藍寶石晶體生長過程中的應用

摘 要：藍寶石（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用于軍事、衛星、激光窗口等領域。其結構獨特、性能優異、熱學性能好，也被應用在發光二極管的襯底材料。近年來，隨著現代科學技術的不斷發展，對藍寶石晶體材料的尺寸、質量不斷的提出新的要求。藍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。所以在提拉法中對藍寶石晶體生長距離檢測的要求很高。需要精度很高的提拉旋轉系統來生長出質量優良的藍寶石晶體。

關鍵詞：提拉法；提拉控制器；藍寶石

提拉旋轉系統主要由控制系統、伺服放大器、伺服電機、減速器等組成，伺服放大器通過脈沖信號控制，它連接伺服電機及減速器后帶動傳動裝置。提拉控制器通過RS485通信方式接收上位機給定的提拉距離，根據伺服放大器、減速器及傳動裝置的軸距，通過單片機計算出單位時間內對應的距離，及通過驅動電路發出相應頻率的脈沖信號給伺服放大器，伺服放大器驅動電機，然后經減速器到傳動軸，來達到精密的提拉控制。

1 提拉法

提拉法是運用熔體的冷凝結晶驅動原理，將藍寶石晶體的原料加熱到熔點，使能形成液體，在固液界面處，經一個單晶的籽晶來接觸液體表面，藉由熔體溫度下降，將產生由液態轉換成固態的相變化。液體會慢慢凝固于籽晶上面，形成結構相同的晶體。然后通過極其緩慢的速度向上提拉單晶籽晶，同時加以一定的速度的旋轉，隨之緩慢的提拉后，液態逐漸變成固態，最終生長成為藍寶石晶體。提拉法的優點在于其生長的周期短、速度快；生長過程中方便觀察；溫度梯度控制方便；可通過改變轉速調節液流；晶體質量高。

根據技術要求，選擇使用合適的單晶生長設備；其次是要掌握一整套單晶硅的制備工藝、技術，包括：（1）單晶硅系統內的熱場設計，確保晶體生長有合理穩定的溫度梯度；（2）單晶硅生長系統內的氫氣氣體系統設計；（3）單晶硅夾持技術系統的設計；（4）為了提高生產效率的連續加料系統的設計；（5）單晶硅制備工藝的過程控制。

2 系統組成

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部速度控制兩種，因此，應用領域廣泛，該新系列具有RS-232C或RS-422串行通訊功能，能夠進行參數設置、試運行、狀態顯示監視等。

2.1.1 位置控制模式

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

2.1.2 內部速度控制模式

由參數組成的內部速度指令對伺服電機的轉速和方向進行平滑控制。

另外，對于速度指令，它還具有進行加減速時的常數設定和停止時的伺服鎖定功能。

2.2 伺服電機及減速器

伺服電機裝有增量位置編碼器，分辨率131072脈沖/轉，以確保高精度定位。

2.3 控制系統

以單片機為核心，通過計算，根據頻率的高低來選擇用PWM方式或是定時器方式，加以控制脈沖電路來輸出脈沖控制信號控制伺服放大器，通過光電隔離的RS485通信電路與上位機進行通迅。同時還支持單鍵調整及即時自動調整功能，根據機器可以對伺服增益進行簡單的自動調整。

通過Tough Drive功能、驅動記錄器功能以及預防性保護支持功能，對機器的維護與檢查提供強力的支持。因為裝備了USB通信接口，與安裝MR Configurator2后的個人電腦連接后，能夠進行數據設定和試運行以及增益調整等。

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

3 脈沖頻率換算

通過RS485通信方式接收上位機傳達的提拉和旋轉的具體量值，根據傳動裝置的軸距，通過單片機換算出相應的脈沖頻率。假設提拉距離為0.1毫米/小時，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個脈沖/毫米。目標提拉距離為0.1毫米/小時，換算成頻率為29127*0.1/3600=0.81Hz。通過此頻率可得到周期，用來做定時器的定時溢出初值，在定時器中對相應的脈沖引腳進行翻轉控制。

4 軟件控制

由上位機下達目標指令，通過RS485通信接收。提拉和旋轉的控制分為手動及自動，手動模式采用PWM方式，根據上位機給定的檔位，做出一個PWM頻率表格，用查表法來選擇PWM的頻率，通過脈沖控制電路輸出脈沖；自動模式由于周期比較長，PWM方式無法滿足其需求，所以采用定時器方式，定時器采用16位模式，對于一個定時器一個周期仍無法達到時間要求時，需要跑完一個定時周期再繼續重新賦定時器初值，然后等到再次溢出后對相應的脈沖引腳進行翻轉。

5 操作流程及調壓過程

操作流程圖如圖所示。

調壓過程是在上位機軟件中實現的，在“電壓控制”框中設置“調節電壓”增量數值（正整數為增加電壓，負整數為減小電壓），數值輸入完成后在鍵盤上按向下箭頭，這時光標下移電壓設置完成；在“調節時間”中輸入工藝要求的時間，數值輸入完成后在鍵盤上按向下箭頭，這時光標下移時間設置完成；在“電壓控制”框中設置“快速調節”增量數值，數值輸入完成后在鍵盤上按CTRL+Z為快速增加設定電壓、按CTRL+X為快速減少設定電壓，設定完成后觀察“設定電壓”數值是否改變，確認設置的數值無誤后，按Ctrl+F1就可以開始調節電壓了，同時在界面上可以看到調壓曲線以及反饋的電壓電流值，然后根據實際需要（溫度，長晶速度）選擇繼續設置調節電壓，直至長晶結束。

參考文獻

[1]許承海，左洪波，孟松鶴.人工晶體學報，2006.

[2]三菱電機自動化（上海）有限公司.MR-E-KH003伺服放大器技術資料集[Z].2006.

[3]孫宇.交流伺服系統設計指南[M].機械工業出版社.

[4]冷勁松.哈爾濱工業大學學報，2007.

[5]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京，機械工業出版社，2009.

作者簡介：周常龍（1987-），男，工程師，2010年畢業于東北農業大學電氣工程及其自動化，在職，現從事晶體生長電源裝置的設計與調試工作。