合适的热场配置是直拉法生长优质晶体的一个重要条件。多数情况下,热场的配置方法都是加热装置 固定不动,坩埚按一定速度升降。在这种条件下可以方便地以光圈控径法或光反射法实现直径自动 控制。但是,若要用秤重法进行等径控制,坩埚升降运动易导致精度降低或不便实现。这时需要固 定坩埚不动而使加热装置升降运动达到热场配置要求。或者加热装置固定不动,使温度按一定的程 序变化等等。TDL-Ta60型钽酸锂单晶炉是国内近二三十年来研制的唯一一种加热装置升降 式单晶炉。本篇将简要介绍它的设计思路和结构形式。1主要技术规范TDL-Ta60型单晶炉 ,是用直拉法拉制高品质钽酸锂固体单晶材料的设备。它由主机与电气控制两个部分组成。该设备 的机械传动系统采用稀土永磁式直流力矩测速机组驱动,可在一定的范围内进行无级调速,运动平 稳可靠,提拉速度及旋转速度稳定度高,长时间运行无爬行,振动小。本设备采用中频感应加热电 源进行加热,采用钽酸锂晶体生长过程自动控制系统实现其升温、引晶、缩颈放肩、等径拉伸、收 尾过程全部自动化控制。本设备配有晶体旋转全程模拟自动控制系统,可对晶体转速进行模拟控制 。主要技术指标:电源:三相,50Hz,380V±10%中频电源:2.5kHz,25kW 最高熔炼温度:1700°C溶料量:10kg籽晶杆拉速:0.1～10mm?h籽晶杆快速: 手动籽晶杆转速:1～50r?min籽晶杆行程:450mm籽晶杆行程显示:光栅尺数字显示 线圈升降:0.1～10mm?h线圈快速升降:手动线圈行程:300mm线圈行程显示:刻度 尺炉腔内径:φ600mm炉腔高度:700mm感应线圈支承中心距φ450mm籽晶杆直径: φ28mm籽晶杆端头螺纹:M22×1.5水压:0.1MPa水管直径:(进、出)φ20m m外形尺寸:主机:950mm×730mm×2450mm电控柜:840mm×970mm× 1800mm2主机结构主机部分由底座及立柱、炉筒、加热装置、加热装置升降部件、籽晶升降 与旋转部件、电子秤、水冷系统等部件组成。如图1。立柱、炉筒及加热装置升降部件座落在底座 平台上。籽晶升降与旋转部件安装于立柱上。电子秤固定置于底座内部。2.1底座及立柱部件: 底座是其它部件的支撑连接部件。采用矩形管组焊柜架结构,固联有台板,炉筒、立柱、加热装置 升降部件通过螺钉紧固在上面。底座内部还固联有电子秤支架,电子秤紧固在上面。底座支脚设有 四个机床防振垫铁,可调整炉体的水平。2.2炉筒炉筒为拉晶工艺提供炉室环境。炉室内的过程 不受周围环境干扰,起到良好的屏蔽作用。对炉筒进行水冷后,室内高温对周围环境不会产生太大 影响,炉筒设计成蚌壳式结构,在作业进程中可随时打开,闭合。由于本设备采用感应加热,所以 前壳和后壳必须开环,采用橡胶板密封条实现绝缘。橡胶板密封条是用TC110橡胶修补剂粘在 前壳或后壳门框表面。前壳正前方设有观察窗,在拉晶时可通过窗口观察炉内拉晶情况,窗口在工 作时装有墨绿色保护玻璃,以保护工作者的眼睛并便于观察炉内的高温工作情况,不用时可以取下 ,炉筒顶盖也设置观察窗,便于籽晶连杆调整时观察用。2.3加热装置升降部件加热装置升降部 件作为加热装置升降运动的导向和传动机构,置于底座台板之上。整个部件由坚固精密铸铁立柱( 3)支撑,最上端装有力矩电机(1),通过谐波减速器(2)与精密滚珠丝杠副(7)相连,经 直线滚动导轨副(4)导向,拖动滑座(5)实现加热装置的慢速性质工作运动;加热装置快速调 节位置是通过手轮(10)经一对斜齿轮(9),谐波减速器(2)后驱动滚珠丝杠副(7)实现 手动快速。在谐波减速器(2)的蜗杆轴端,装有电磁制动器,正常拉晶时,手轮牙嵌离合器脱开 ,电磁制动器吸合,钢轮制动,慢速运动才能顺利进行。手动升降时则需将手轮压入牙嵌离合器后 ,方可摇动手轮。2.4加热装置本设备采用线圈感应加热。由图3可以清楚地看到线圈(4)正 负极连接至铜排(2),铜排固连在电缆接线媒体(3)上,电缆(6、8)接到电源正负极。冷 却水由水嘴二(7)进入,经过线圈(4)后流出水嘴一(1),对线圈进行强制冷却。2.5籽 晶升降与旋转部件籽晶升降与旋转部件作为籽晶杆直线运动和旋转运动的导向和传动机构,置于底 座上的立柱上端。其籽晶杆装于滑座上,升降运动的原理与加热装置升降部件相似,所以不再赘述 ,这里只简要介绍籽晶杆的旋转运动,如图4所示。籽晶杆的旋转运动由力矩电机(5)经楔形皮 带(2)直接驱动,在完成自身旋转运动的同时,随滑座(7)一起上下运动。2.6电子秤电子 秤用来称量坩埚杆,坩埚,晶体熔液及保温系统。它由秤架和传感器两大件组成,秤架为机械称重 机构,传感器则是将秤的机械位移量转化为电信号的关键组件。秤架由承重盒,称重杠杆、刀口、 配重盒及锁紧杠杆组成。承重盒用来承受被秤物体(包括坩埚、坩埚杆、晶体熔液及保温系统等) 。称重杠杆由承重支点分为左、右两臂。左臂为1.电机2.谐波减速器3.铸铁立柱4.直线滚 动导轨副5.滑座6.加热装置托板7.滚珠丝杠副8.齿轮支座9.手轮10.斜齿轮图2加热 装置升降部件12345678910配重臂,端部与配重盒相连,以平衡坩埚杆、坩埚及保温系 统,右臂为荷重臂,臂上有连接承重盒的重力点及连接传感器的两个着力点,此两点到承重支点的 距离比为1:5,称重杠杆的荷重臂一端附有上、下限位螺丝,保护传感器安全使用,锁紧杠杆的 作用是在不工作时将秤架锁紧,使传感器处于不工作状态,以保护传感器的寿命和精度。2.7水 冷系统水冷系统是由进出水分水器,各冷却部位水网和供水水管等组成的水系。本设备采用强制冷 却。分水器固定在底座立柱上,各进出水嘴分别通过软管与设备的各冷却部位接通,两根进出水管 与车间的供水系统相连,正常供水压力不低于0.3kg?cm2。3电控系统3.1速度控制系 统其控制系统为典型比例调节系统,即给定电压信号与测速电压反馈信号进行比较,经电压放大、 功率放大从而推动电机旋转。为保证电机的运行精度,系统中加有微分、积分调节和电压负反馈及 电流负反馈网络,其控制框图如图5。3.2电子秤控径系统及温度控制系统一般温度控制采用热 偶检测炉温信号。而电子秤控径系统采用电子秤称重经传感器检测重量变化信号,控制炉温的变化 。本系统可以方便地根据工艺要求采用电子秤控径,或采用热电偶控温。采用电子秤控径的控制过 程。系由于本系统电子秤称量坩埚与埚内熔液的重量(俗称下称重),故当晶体生长时,坩埚内的 熔料随时间增加而减少。其重量减少而引起秤信号的变化与时间的函数关系和欧陆所设定的函数关 系相对应,如果由于某种扰动使晶体直径变细(或变粗),坩埚内熔料减少的速率变小(或变大) 即秤信号的速率减小(或增大)。则之与欧陆相对应的函数关系产生的偏差由系统的调节作用使炉 内温度降低(或升高),反之,使晶体直径变粗(或变细),这样一个过程保证直径对外界扰动有 抵制能力,使之只能跟踪欧陆所设定的信号而变化。基本原理及系统方框图如图6。当本系统加热 电源采用中频逆变器时,坩埚在中频感应线圈中受到地磁场的力,当坩埚在拉晶工艺范围内时回路 电流增加,坩埚受到一向上的浮力,这个力作用到电子秤,使其输出信号增加,偏差减小。导致调 节器输出增加,回路电流随之增加,从而漂浮力继续增加,也就是说闭环系统对漂浮力来说是一正 反馈控制系统,系统将出现增幅振荡,而不能稳定工作。为了克服漂浮力引起的正反馈,我们引进 了电流补偿器。4结束语TDL-Ta60型单晶炉研制成功后第一批投产10台,已经大规模地生长钽酸锂单晶体。拉制出来的单晶锭完全符合光学晶体要求,全部出口海外。然而晶体的压电效应不甚理想,正在从工艺方面摸索、改进。TDL-Ta60型单晶炉的研制@高利强$西安理工大学!陕西西安710048
@王庆$西安理工大学!陕西西安710048
@王建春$西安理工大学!陕西西安710048
@董淑梅$西安理工大学!陕西西安710048单晶炉;;结构;;直拉法;;线圈升降介绍了T DL-Ta60型单晶炉的设计思路及工作原理,结合晶体生长的特殊工艺要求,分析了其主要结 构及特点。,锁紧杠杆的作用是在不工作时将秤架锁紧,使传感器处于不工作状态,以保护传感器 的寿命和精度。2.7水冷系统水冷系统是由进出水分水器,各冷却部位水网和供水水管等组成的 水系。本设备采用强制冷却。分水器固定在底座立柱上,各进出水嘴分别通过软管与设备的各冷却 部位接通,两根进出水管与车间的供水系统相连,正常供水压力不低于0.3kg?cm2。3电 控系统3.1速度控制系统其控制系统为典型比例调节系统,即给定电压信号与测速电压反馈信号 进行比较,经电压放大、功率放大从而推动电机旋转。为保证电机的运行精度,系统中加有微分、 积分调节和电压负反馈及电流负反馈网络,其控制框图如图5。3.2电子秤控径系统及温度控制 系统一般温度控制采用热偶检测炉温信号。而电子秤控径系统采用电子秤称重经传感器检测重量变 化信号,控制炉温的变化。本系统可以方便地根据工艺要求采用电子秤控径,或采用热电偶控温。 采用电子秤控径的控制过程。系由于本系统电子秤称量坩埚与埚内熔液的重量(俗称下称重),故 当晶体生长时,坩埚内的熔料随时间增加而减少。其重量减少而引起秤信号的变化与时间的函数关 系和欧陆所设定的函数关系相对应,如果由于某种扰动使晶体直径变细(或变粗),坩埚内熔料减 少的速率变小(或变大)即秤信号的速率减小(或增大)。则之与欧陆相对应的函数关系产生的偏 差由系统的调节作用使炉内温度降低(或升高),反之,使晶体直径变粗(或变细),这样一个过 程保证直径对外界扰动有抵制能力,使之只能跟踪欧陆所设定的信号而变化。基本原理及系统方框图如图6。当本系统加热电源采用中频逆变器时,坩埚在中频感应线圈中受到地磁场的力,当坩埚在拉晶工艺范围内时回路电流增
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