自控永磁可變磁場裝置的製作方法

2023-06-15 22:23:56

專利名稱：自控永磁可變磁場裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種半導體材料製造技術，具體為一種具有自動控制功能的永磁可變磁場裝置。國際專利分類號擬為Int.C1.C30B30/00(2006.01)。
背景技術：
申請人已獲權的「等效微重力晶體生長用徑向輻射式磁場可調的永磁裝置(ZL99257515.X)」，可以作為本申請的背景技術。它描述了該裝置的主要結構特點，在爐底座上固裝著生長爐，在生長爐外圍圓周固裝著導柱，導柱內通過軸承架裝著絲槓，絲槓上固裝著傳動輪，傳動輪通過傳動帶與傳動機構連接，生長爐外圍套裝著永磁磁環，固裝在磁環上的套環套裝在導柱上，套環內裝著電磁離合器。該裝置結構簡單，節省能源，能實現晶體的「等效微重力生長」，大大提高晶體均勻性與微區均勻性，成本低，可廣泛用於無機晶體的生長。該三環永磁體的裝置應用於3英寸以下直拉單晶爐時，可取得較好的製造效果，而用於大直徑(3英寸以上)單晶爐時，要達到所需磁場的大小相當困難，且成本昂貴，難以應用。隨著矽單晶向大直徑發展，熔體中的熱對流越來越嚴重。需採用向熔體空間引入永磁磁場的方法，以抑制導電熔體的熱對流，從而降低晶體中的氧含量，提高晶體產品質量。試驗研究表明，現有的三環型永磁磁場不適用於六英寸以上的大直徑單晶生長。另一方面，在先的三環永磁體磁場是靠人工調節，操作十分不便，產品質量難於控制。
實用新型內容針對現有技術的不足，本實用新型要解決的技術問題是設計一種自控永磁可變磁場裝置，該裝置可實現大直徑磁場拉晶所需的徑向磁場，適用於六英寸以上的大直徑單晶生長，且磁場大小可在計算機控制下在一定範圍內連續可調，同時結構簡單，成本較低。
本實用新型解決所述自控永磁可變磁場裝置技術問題的技術方案是設計一種自控永磁可變磁場裝置，該裝置包括機械部分和控制部分，機械部分包括由數量相同的扇形磁塊拼接而成並相套在一起的內磁環和外磁環，其通過上軸承和下軸承固裝在固定環和底座之間，內磁環通過水平錐齒輪和垂直錐齒輪與底座內的傳動軸的中部連接，步進電機和異步電機分別通過步進電機電磁離合器和異步電機電磁離合器連接到所述傳動軸的兩端，旋轉編碼器通過齒輪副也與傳動軸的中部連接；在外磁環的外徑上部安裝有雙環固定銷，在外磁環的外徑下部安裝有外環固定銷；控制部分包括中央控制單元，與之相連的位置及速度檢測單元和串行通信單元，以及受其控制的開關量控制單元和顯示單元。
與現有技術相比，本實用新型自控永磁可變磁場裝置具有如下優點1.適用於大直徑單晶，可應用於六英寸以上單晶爐，實現大直徑單晶生長所需磁場；2.實現理想徑向磁場，通過橫向磁場旋轉，在較低成本下可近似形成對磁場拉晶最為理想的徑向磁場，實現結晶液面處的徑向磁場效應；3.提高產品質量，在已實際應用於六英寸單晶生長時，產品檢測結果表明，晶片中含氧量降低了約40％；4.實現自動控制，在計算機控制下，可實現自動調節磁場大小及磁場旋轉速度；5.具有多功能，不僅可用於磁場拉晶，而且可應用於化工結晶、磁場對生物細胞的作用研究以及其它需要磁場的場合。


圖1為本實用新型自控永磁可變磁場裝置一種實施例的機械部分正面結構示意圖；圖2為本實用新型自控永磁可變磁場裝置一種實施例的俯視結構簡化示意圖；圖3為本實用新型自控永磁可變磁場裝置一種實施例的磁環結構及充磁方向示意圖；
圖4為本實用新型自控永磁可變磁場裝置一種實施例的控制系統原理示意框圖；圖5為本實用新型自控永磁可變磁場裝置一種實施例的控制系統結構示意框圖；圖6為本實用新型自控永磁可變磁場裝置一種實施例的角度調節模塊電路示意圖；圖7為本實用新型自控永磁可變磁場裝置一種實施例的變頻調速模塊電路示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例及其附圖詳細敘述本實用新型本實用新型設計的一種自控永磁可變磁場裝置(以下簡稱磁場裝置，參見圖1-7)包括機械部分和控制部分，機械部分(參見圖1-3)包括由數量相同的扇形磁塊拼接而成並相套在一起的內磁環1和外磁環2，其通過上軸承3和下軸承4固裝在固定環5和底座6之間，內磁環1通過水平錐齒輪7和垂直錐齒輪8與底座6內的傳動軸9的中部連接，步進電機10和異步電機11分別通過步進電機電磁離合器12和異步電機電磁離合器13連接到所述傳動軸9的兩端，旋轉編碼器14通過齒輪副17也與傳動軸9的中部連接；在外磁環2的外徑上部安裝有雙環固定銷15，在外磁環2的外徑下部安裝有外環固定銷16；控制部分包括中央控制單元，與之相連的位置及速度檢測單元和串行通信單元，受其控制的開關量控制單元和顯示單元。
本實用新型所述相套在一起的內、外磁環1和2為永磁磁環。它們安裝在固定環5和底座6之間，並且由上、下軸承3和4所固定。所述的內、外磁環1、2各由數量相等的扇形磁塊拼接而成，研究表明扇形磁塊拼裝數量為16塊或32塊較為理想，實施例的內、外磁環1、2各由16塊扇形磁塊拼裝而成，所述的內磁環1和外磁環2各自拼接的扇形磁塊中，相鄰的兩塊扇形磁塊的充磁方向依次相差22.5度(對應16塊扇形磁塊，參見圖3。圖3中箭頭表示每塊扇形磁塊的充磁方向，充磁方向和偏離角度以每塊扇形磁塊的徑向線為依據)或11.25度(對應32塊扇形磁塊)。所述內、外磁環1和2拼接扇形磁塊的充磁方向一致(如圖3所示位置)時，所述磁環中空位置處的磁場達最大值，磁場分布為均勻分布。隨著內、外磁環1、2相對旋轉一定角度，其中空位置處的磁場值逐漸減小，但磁場分布保持為均勻分布，直到內外磁環相對旋轉180°，磁場值達最小，接近於零，內、外磁環1、2繼續相對旋轉，磁場值又逐步增大，直至相對旋轉360°，磁場值達到最大。如此，在控制系統的控制下，通過調節內、外磁環1、2相對旋轉角度，即可對磁環中空位置處的磁場大小在一定範圍內進行連續調節。本實用新型實施例的內磁環1孔徑設計為340mm，外徑為420mm；外磁環2的孔徑430mm，外徑為520mm；內、外磁環1、2高均為560mm。但這不受限制，完全可根據需要設計。
在磁場大小保持恆定條件下，所述內、外磁環1、2中空位置處的磁場為均勻分布的橫向磁場，而當內外磁環1同時以一定速度旋轉，在距離磁環中心位置處相等距離的圓周上，磁場的徑向分量將按相同規律在一定範圍內周期變化，可近似模擬徑向交變磁場效應。通過調節內磁環1的旋轉速度，即可實現徑向磁場效應的頻率調節。
本實用新型磁場裝置安放時，調節水平調節螺釘18，使所述內、外磁環1和2的中心線與水平線垂直。磁場裝置運行時，磁場大小的調節過程為鎖定外環固定銷16，鬆開雙環固定銷15，使內、外磁環1、2可相對旋轉，根據所需磁場大小，在微機中計算出內磁環1所需旋轉的角度，微機控制步進電機電磁離合器12吸合，步進電機10帶動傳動軸9旋轉，通過垂直錐齒輪8和水平錐齒輪7使內磁環1旋轉相應角度後，然後鎖定雙環固定銷15，鬆開外環固定銷16，並斷開步進電機電磁離合器12，指令所述的異步電動機電磁離合器13吸合，控制異步電動機11按設定的速度運行工作。所說的外環固定銷16和雙環固定銷15實施例均為銷釘銷孔結構。當然也可以採用其他簡單的已知結構。
磁場旋轉速度調節過程為雙環固定銷15處於鎖定狀態，外環固定銷16處於鬆開狀態，使內、外磁環1、2能夠同時旋轉，吸合電磁離合器13吸合，異步電機11在微機控制下帶動傳動軸9旋轉，通過所述水平錐齒輪7和垂直錐齒輪8使內、外磁環1、2以給定的速度旋轉。
本實用新型所述的步進電機10、異步電機11與傳動軸9、內磁環1之間以及旋轉編碼器14等的機械傳動機構為現有技術。
為安裝旋轉編碼器14的需要，在傳動軸9上還裝有一附加齒輪副17，當傳動軸9旋轉時，旋轉編碼器14可隨著一起轉動，從而可通過換算對磁環旋轉速度進行檢測。傳動軸9與旋轉編碼器14軸的傳動比實施例設計為1∶4。但這一傳動比完全可以根據需要變化。
本實用新型所述的控制部分或系統為自行設計，但一般為現有技術。它包括中央控制單元，與之相連的位置及速度檢測單元和串行通信單元，受其控制的開關量控制單元和顯示單元(參見圖4-7)。該控制系統可實現在微機控制下準確調節磁場大小和磁場旋轉速度。磁場大小由角度調節模塊調節，其以控制器為核心，分別通過P2.0-P2.3口產生驅動步進電機10的脈衝信號、方向控制信號、細分選擇信號、電機釋放信號。用戶對工控機的操作信號以通訊形式作用於單片機控制器，從而實現對步進電機10運行狀態的控制，實現角度調節。速度調節模塊採用了變頻調速(異步電機11)技術來實現磁場旋轉速度的準確調節。
所述控制系統實施例的主控晶片採用Atmel公司的AT89S52單片機，顯示單元由數碼管專用驅動晶片MAX7219驅動8個數碼管組成。位置及速度檢測單元用於檢測磁環的位置及旋轉速度，並將檢測到的信號送入中央處理單元處理，實施例的位置及速度檢測單元採用歐姆龍E6CP-AG5C-C絕對值型旋轉編碼器，開關量控制單元由單片機P1口外加光耦放大構成驅動電路，用於控制輸出步進脈衝信號及電磁離合器控制信號，實施例所用光耦為高速光電耦合器件6N136和功率放大光耦TLP521-1。通信單元由電平轉換晶片MAX202E構成，完成上位機與中央處理單元的數據傳輸，接受上位機指令和數據的任務。基於AT89S52單片機的控制系統，接收上位機的指令，按照上位機指令來調整內外永磁環的夾角或者實時檢測永磁環的旋轉速度，並把檢測的相對角度和旋轉速度傳送給上位機。顯示單元實時顯示檢測到的磁環位置及旋轉速度，以方便監控和調試。
本實用新型磁場裝置的自動控制系統設計可以提高磁場控制的精度，簡化操作者的工作流程，使工作者避免長期工作在強磁場區，實現工作狀況，數據的實時顯示，功能具有人性化特徵。
當磁場大小調整完以後，鎖緊雙環固定銷15，鬆開外環固定銷16，固定內磁環1，使內、外磁環1、2在錐齒輪7的帶動下能同步旋轉。上位機與變頻器通訊，上位機通過RS232/RS485轉換器給定變頻器頻率與旋轉方向，控制高速電動機以給定速度通過錐齒輪8和錐齒輪7帶動內、外兩磁環1、2同步旋轉，為熔體空間提供旋轉磁場，保證熔體感受磁場均勻，減小坩堝旋轉效應對拉晶的影響。本實用新型可以自動控制內、外磁環1、2的旋轉方向與旋轉速度。
本實用新型上位機的監控和實時顯示系統包括，速度運行曲線窗口，報警窗口，速度控制曲線等。速度運行曲線窗口實時顯示頻率和速度之間的關係，以及啟動停止時速度的實際值大小。報警窗口顯示在運行過程中是否出現報警信號；當有報警信號時，顯示相應的信號指示。報警信號包括過電流、過電壓、過熱、變頻器過負載、電動機過負載、外部異常、加速中過電流、減速中過電流、恆速中過電流、對地短路、低電壓及過轉矩等信號。速度控制曲線主要在系統啟動或者停止時設置電機的運行曲線，通過與實時測量的曲線圖比較，觀察設置加減速曲線是否合理，是否按照設定曲線運行。
本實用新型磁場裝置雖然為製造半導體材料而設計，但它具有多功能，不僅可用於磁場拉晶，而且可應用於化工結晶、磁場對生物細胞的作用研究以及其它需要磁場的場合。
本實用新型磁場裝置未述及之處適用於現有技術。
權利要求1.一種自控永磁可變磁場裝置，該裝置包括機械部分和控制部分，機械部分包括由數量相同的扇形磁塊拼接而成並相套在一起的內磁環和外磁環，其通過上軸承和下軸承固裝在固定環和底座之間，內磁環通過水平錐齒輪和垂直錐齒輪與底座內的傳動軸的中部連接，步進電機和異步電機分別通過步進電機電磁離合器和異步電機電磁離合器連接到所述傳動軸的兩端，旋轉編碼器通過齒輪副也與傳動軸的中部連接；在外磁環的外徑上部安裝有雙環固定銷，在外磁環的外徑下部安裝有外環固定銷；控制部分包括中央控制單元，與之相連的位置及速度檢測單元和串行通信單元，以及受其控制的開關量控制單元和顯示單元。
2.根據權利要求1所述的自控永磁可變磁場裝置，其特徵在於所述的內、外磁環各由16塊或32塊扇形磁塊拼裝而成，內磁環和外磁環各自拼接的16塊或32塊扇形磁塊中，相鄰的兩塊扇形磁塊的充磁方向依次相差22.5度或11.25度。
3.根據權利要求1或2所述的自控永磁可變磁場裝置，其特徵在於所述的內磁環孔徑為340mm，外徑為420mm；外磁環的孔徑430mm，外徑為520mm；內、外磁環高均為560mm。
4.根據權利要求1或2所述的自控永磁可變磁場裝置，其特徵在於所述的傳動軸與旋轉編碼器軸的傳動比設計為1∶4。
專利摘要本實用新型涉及一種自控永磁可變磁場裝置，該裝置包括機械部分和控制部分，機械部分包括由數量相同的扇形磁塊拼接而成並相套在一起的內磁環和外磁環，其通過上軸承和下軸承固裝在固定環和底座之間，內磁環通過水平錐齒輪和垂直錐齒輪與底座內的傳動軸的中部連接，步進電機和異步電機分別通過步進電機電磁離合器和異步電機電磁離合器連接到所述傳動軸的兩端，旋轉編碼器通過齒輪副也與傳動軸的中部連接；在外磁環的外徑上部安裝有雙環固定銷，在外磁環的外徑下部安裝有外環固定銷；控制部分包括中央控制單元，與之相連的位置及速度檢測單元和串行通信單元，以及受其控制的開關量控制單元和顯示單元。
文檔編號C30B30/00GK2926265SQ20062002681
公開日2007年7月25日 申請日期2006年7月24日 優先權日2006年7月24日
發明者楊慶新, 劉福貴, 程志光, 張順心, 耿讀豔, 顏威利, 徐嶽生, 任丙彥, 李養賢 申請人:河北工業大學