坩埚下降法晶体生长自动化控制

韩树军

摘 要：随着工业化生产的发展，自动化程度的提高，各行各业都在向着机器人时代发展，而人工晶体生长工艺繁琐、设备复杂，想实现机器人替代人工需要一些时间。经过不断探索与试验，在坩埚下降法晶体生长过程中初步实现自动化控制。利用组态监控软件，构建出晶体生长过程的人机互换界面，通过组态与简单的程序编写实现人工晶体生长的自动化控制。本文通过使用MCGS组态软件与PMC、温控仪进行通讯、数据采集与发送指令，实现自动控制。可提高生产效率，降低人工成本，为企业创造更多利润。

关键词：自动化；晶体生长

中图分类号：TB476 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2017）07-0175-02

Abstract：With the development of industry and the improvement in automation，all industries are developing towards the age of robots. The artificial crystal growth process is cumbersome and complex， so it will take some time for robot to replace labor. By continuous exploration and test， automatic control can be achieved in the process of crystal growth by vertical Bridgman technique. By using Supervisory Control and Date Acquisition （SCADA）， the man-machine interface is constructed in the process of crystal growth. We can also achieve the automatic control of artificial crystal growth by configuration and programming. This paper using MCGS， PMC， and temperature controller to communication， data collection， sending instructions， we will achieve automatic control. It can increase production efficiency， reduce the labor cost and create more profit for enterprise.

Key Words：automation； crystal growth

1晶体与晶体生长技术

晶体（crystal）是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周期性，隔一定的距离重复出现，这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。

人工晶体生长技术是人工合成或培育的具有一定结构、尺寸、形状和性能的晶体的技术。它主要是用来区别自然界中天然形成的各种矿物晶体的。

图1、图2可以看出人工生长的水晶，由于其原料和工艺以及生长条件的区别，其形状与天然水晶也有一定的区别。

由于晶体可以从气相、液相和固相中生长，而不同的晶体材料又有不同的生长条件，加上应用对晶体的要求有时十分苛刻，这样就造成了晶体生长方法的多样性以及生长设备和技术的复杂性，本文主要针对熔体生长方法中坩埚下降法结合工业生产中实际需求，通过自动化控制提高工业生产中晶体毛坯合格率、生产效率，降低生产成本。

2坩埚下降法

坩埚下降法是由Bridgman于1925年提出的。该方法是将晶体生长的原料装在坩埚中，在具有单向温度梯度的晶体生长炉内进行生长。晶体生长炉通常采用管式结构，炉体结构由上向下并分为三个区域，即高温区、过渡区和低温区。高温区的温度高于晶体的熔点，低温区的温度低于晶体的熔点，过渡区的温度逐渐由高温区温度过渡到低温区温度，形成一维的温度梯度。进行晶体生长时，首先将坩埚置于高温区使原料熔化，并在此区域保持恒温一段时间，以便获得均匀的过热熔体；然后通过坩埚的向下移动使坩埚由高温区穿过过渡区向低温区运动。坩埚进入过渡区后熔体发生定向冷却，达到低于熔点温度的部分发生结晶，并且随着坩埚向下运动而冷却，结晶界面沿着与其运动相反的方向定向生长，实现晶体生长过程的连续运行。

如图，坩埚轴线与水平线垂直，坩埚自上向下运动，实现晶体生长。

坩埚下降法是利用电机驱动丝杠控制坩埚向下运动，最初行业内大都根据生长晶体速度需要，选择固定转数的减速电机，经过计算，配以相應齿轮组，通过蜗轮蜗杆结构得到需要的升降速度。这种传统的机械结构运行稳定，齿轮、涡轮、蜗杆保养到位可以使用数年；电机故障会立即停止下降动作，不会出现滑落现象（对于晶体生长这种现象是致命的损失）；缺点就是速度可调范围小，只能以固定速度自动进行单方向下降，升降机构上升需要手工摇动，费时费力，在晶体生长过程中需要人为参与的频率高。本文重点介绍一种适合部分闪烁晶体生长使用的自动化控制方案，可实现一键装炉，根据需要自动启动升降机构上升、下降，运动超过限位设定值会自动停止运行并报警，集成温度控制单元于一体，实现断电报警及电路恢复后的自动温度恢复与自动生长。

3设计原理

自动化控制系统总体原理是利用电脑组态软件（MCGS）控制并读取生长炉上PMC（步进电机控制器）及温控仪的信息，而每台PMC及温控仪单独控制生长炉运行状态并进行联动操作，从而实现自动化控制的要求。并通过增加触摸屏工控机、可通讯温度控制器、以及PMC运动控制器完成控制系统的搭建。

温度控制部分电脑组态软件与温控仪通过硬件通信协议进行数据通信，实现生长状态信息的读取，利用电脑程序读取温控仪表中的温度程序、当前运行段数、温度、时间以及实测炉温，同时可以进行温控程序的写入，如写入改后的温控程序（包括温度，时间）、调整当前段状态（包括保持、跳步）等。温控仪通过可控硅控制电路器件来调节温度升降。升降控制方面电脑组态软件通过通信协议与PMC进行数据通信，读取当前位置信息并发送升降及速率指令。而PMC通过发送指令给步进电机驱动器来实现电机及丝杠的转动，从而实现升降。设计为手动和自动两档，手动状态下可通过实际按钮实现快速上升或下降，速度最快可以达到200mm/min；自动状态下可实时读取升降机构的位置信息，自动下降且速度可调，下降速度范围0.5-5mm/h。同时设定上下软硬件限位。

控制系统主机与各生长炉触摸屏工控机通过局域网连接通讯，实现了生长数据的集中显示、监控和智能存储记录功能；同时结合internet、UPS电源及短信猫，实现了多用户远程访问监控、集中显示，器件故障和断电短信报警功能以及智能自动恢复功能。系统可以完成一键装炉、自动升温、自动生长、自动降温、自动出炉等晶体生长的全部动作和过程。

4自动化控制系统可实现的功能

4.1集中控制

由于夏季晶体生长车间内温度较高，且每台生长炉附近都配备单独的温度控制及下降控制电子元件，长期高温条件下会造成元件老化损坏，所以需要将电子控制元件集中于控制室，避免高温且便于操作。

4.2自动化控制

我们知道晶体生长是一个非常复杂的过程，部分晶体需要接种才能生长，坩埚下降法接种过程需要下降机构下移；部分晶体在由于晶体生长后期需要将下降平台上升进行晶体热处理操作，但目前还没有设备可以实现自动化，只能人工手动操作且需24小时值班处理，自动化控制系统增加控制器件实现了升降机构自动升降。

4.3信息可视化

在工业生产中同一型号的生长炉有几十台，生长炉运行状态信息只能从每台设备中逐一读取并汇总，不便于下一步工作安排与调整，自动化控制系统通过以太网进行数据传输，可在大显示屏上显示每一台生长炉的当前运行状态以及距离出炉的时间。

4.4联动控制

当温度程序运行到第N步时，通过数据通信，控制升降机构执行自动上升或下降动作。

4.5异常报警

当电网停电或设备故障（包括加热元件、温控、下降机构异常）时，UPS启动运行，通过数据通信进行手機短信与声光报警。

5结语

坩埚下降法晶体生长实现自动化控制，减少人员操作与人为思想的干预，有利于获得高质量、高合格率、高一致性的晶体毛坯，为企业降低生产成本，获得较高利润奠定了基础。

参考文献

[1]介万奇.晶体生长原理与技术.科学出版社出版，2016年9月第一版.

[2]李江全.组态控制技术实训教程（MCGS）.机械工业出版社出版，2016年9月第一版.