基于線激光的單晶爐口對中裝置研制

張宏帥 謝晴

摘 要：單晶爐口對中裝置采用高精度線激光測距傳感器、標線器、LED單元板、自主研發的控制模塊等，具有準確測距、顯示距離和方向指示信息、WIFI上傳數據等功能，應用于拉晶車間取棒車夾取爐內晶棒的過程，能夠有效的解決取晶棒操作難，效率低的問題。

關鍵詞：晶棒;激光測距;對中

引言

隨著國內集成電路產業經過30多年的大力發展，我國的半導體行業近幾年對硅片及硅基材料的需求日益提高。由單晶硅棒制備生產成單晶硅片的過程中需要頻繁地在設備間進行搬運和夾取晶棒，制備好的晶棒需要從單晶爐中取出，現階段人工操作取棒車進行取棒搬運工作時需要依靠工作人員肉眼識別夾具是否與單晶硅棒中心對齊，這樣的取棒方法既帶來了定位誤差，又增加了人工操作的工作量，而且人為判斷失誤因素較多，造成取棒過程難度高，危險大，使得整個加工過程效率低，耗時長并且需要工作人員一直跟隨操作[1]。

1 設計原理

激光測距（laser distance measuring）是把激光器作為光源，配合相應的光電元件和信號采集電路進行測距工作，激光測距有著測量精度高、檢測時間短、不用直接接觸被測物體、測量距離遠等優點。考慮到取棒車與爐門中的單晶硅棒距離較近，本裝置技術上采用三角法激光測距。三角法激光測距十分常見，該方法是通過對被測物體發射激光束，然后用光電探測元件接收反射光束，反射光的光斑將會隨著被測物體的移動而移動，由于發射光束與入射光束有一定夾角，根據三角反射原理和反射光斑的位置進而獲得傳感器與被測物體之間的距離[2]。

2 硬件研制

硬件分為控制器、激光測距傳感器，標線器、LED單元板、WIFI通訊模塊等部分，本裝置硬件結構框圖如圖1所示。

測量單元由左右兩側激光測距傳感器組成，控制單元由控制模塊、WIFI通訊模塊等組成。本裝置測量單元采用的傳感器是基于三角法激光測距原理的日本 Panasonic 公司的 HG-C1400 型激光測距傳感器。

控制單元由單片機控制電路、信號采集電路、電源電路、光耦隔離電路等部分組成。單片機控制電路選擇意法半導體公司的 STM32F103C8T6 微控制器作為控制芯片，該芯片內部集成定時器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART 等多種資源，工作頻率最高為 72MHz，該芯片具有 2 個 12 位模數轉換器，多達 16 個輸入通道，模數轉換時間最快可達 1us;信號采集電路包括傳感器內部電路和電壓跟隨電路兩個部分，其中電壓跟隨電路的輸入阻抗高、輸出阻抗低，輸出電壓的幅度與輸入電壓的幅度基本一致，電路因前級電路呈高阻狀態，后級電路呈低阻狀態，故有了“隔離”的效果，電壓跟隨電路的采用的芯片型號是 LM324，該芯片是單電源四路電壓跟隨器;電源電路的設計影響著硬件電路系統運行的穩定性與可靠性，本裝置采用的TPS54302 是一款輸入電壓范圍為 4.5V 至 28V 的 3A 同步降壓轉換器，該器件包含兩個集成式開關場效應晶體管 （FET） 并且具備內部回路補償和 5ms 內部軟啟動功能，可降低組件數，通過集成 MOSFET 并采用 SOT-23 封裝，TPS54302 獲得了高功率密度，并且在印刷電路板 （PCB） 上的占用空間非常小;光耦隔離電路采用PC817芯片，PC817光電耦合器使前端與負載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，簡化電路設計。

3 軟件系統開發

軟件設計采用 Keil Uvision5作為 STM32F103C8T6 單片機的編譯環境，通過 C 語言編程實現了基于激光測距的爐門對中裝置的軟件設計，使用 ST-Link 仿真器進行程序的下載和調試。本裝置的軟件設計即為單片機程序的編程開發，由主程序和各個子程序組成，其中主程序負責調度各個子程序的運行，子程序包括數據處理子程序、串口通訊子程序、按鍵輸入子程序、屏幕顯示子程序共四個部分。

3.1主程序設計

主程序首先包含所需要的頭文件，聲明并且定義各個變量，然后進行初始化工作，初始化包括：串口初始化、定時器初始化、中斷管理初始化、GPIO 初始化、DMA 初始化、ADC 初始化等。串口初始化對串口通信的波特率、數據格式、有無奇偶校驗等進行設置;定時器初始化包括設置為定時器模式并且定義其定時時間;ADC 初始化工作包括設置 ADC 的工作模式、AD 采樣周期等;中斷管理初始化置位全局中斷允許位，設置中斷優先級處理;GPIO 初始化包括設置所使用引腳的輸入輸出模式、使能相關時鐘等;初始化工作完成后進入 while（1）的循環中開始 AD 轉換、數據處理、數據發送等。

3.2數據處理程序設計

本裝置通過激光測距傳感器采集距離后經過對比兩側傳感器差值來判斷夾爪是否對準晶棒中心，經過單片機AD轉換后得到的數據首先進行中值濾波處理，以達到使數據相對平滑的目的，其次在定時器2初始化后每50ms發生一次中斷，在中斷中對采集的數據進行閾值濾波即對數據的有效性先進行判斷，第一次出現有效數據時記錄為t1，第二次出現有效數據時記錄為t2，完成一次對中掃描后根據前文所述爐門對中檢測原理計算得出偏差距離。

3.3顯示程序設計

LED單元板又名LED顯示屏模組，簡稱單元板，由LED發光二極管及驅動電路，驅動IC及塑膠套件構成。根據系統設計，OLED屏幕需要在對中完成后得出偏差距離并且通過OLED屏幕給工作人員正確的操作提示。OLED模塊通過IIC總線與系統單片機控制電路進行串行通訊。

4 系統測試

本裝置經過現場調試已經滿足實際使用需求，減少了操作人員工作量，取代了操作人員依靠肉眼操作取棒車完成爐門對中取棒的方式，利用高精度激光測距傳感器實現了對爐門中心的高精度測量，利用LED單元板實現了對操作人員的操作提示功能，本裝置大大提高了爐門對中取棒工作的效率，降低了爐門對中取棒可能出現的風險。

5 結束語

本裝置采用高精度線激光測距傳感器、線激光標線器、自主研發的控制模塊、數據采集模塊和通訊模塊等，全面實現了各項設計功能和指標。本裝置有以下幾個創新點和特點：

（1）采用激光測距傳感器實現對取棒車夾爪與爐門間距的高精度測量;

（2）適用于指示操作人員操作取棒車夾取8寸、6寸兩種尺寸的晶棒;

（3）標線器可幫助操作人員進行取棒車的方向調整;

（4）LED單元板簡潔有效的對操作人員進行調整提示。

參考文獻：

[1]韓永龍.單晶爐設備的保養與維修[J].設備管理與維修，2020（18）：63-64.

作者簡介：

張宏帥（1991—），男，碩士，助理實驗師，研究方向：智能制造;

謝晴（1989—），女，本科，研究方向：工程管理。