本實(shí)用新型涉及晶體生長控制系統(tǒng)，尤其涉及一種晶體生長過程高精度溫度控制系統(tǒng)，屬于生產(chǎn)過程設(shè)備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

KDP(磷酸二氫鉀，KH₂PO₄)晶體是20世紀(jì)30～40年代發(fā)展起來的一類優(yōu)良的電光非線性光學(xué)材料。因其具有較大的電光和非線性光學(xué)系數(shù)、高的光損傷閾值、低的光學(xué)吸收、高的光學(xué)均勻性和良好的透過波段等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于激光、電光調(diào)制和光快速開關(guān)等高技術(shù)領(lǐng)域。

KDP晶體是在水溶液中生長的，晶體生長的驅(qū)動力來源于溶液的過飽和度。由于KDP型晶體在水中的溶解度及其溫度系數(shù)均較大，且溶液準(zhǔn)穩(wěn)定區(qū)也較寬，因此這種類型晶體的生長通常采用水溶液緩慢降溫法。為了批量生產(chǎn)大尺寸優(yōu)質(zhì)的KDP晶體，生長過程中必須進(jìn)行溫度控制，在60天左右的時間內(nèi)使得KDP溶液完成從65℃至20℃的緩慢降溫，控溫精度必須達(dá)到±0.01℃。

日前晶體生長裝置通常采用PLC進(jìn)行控制，但常規(guī)PLC的溫度測量精度為±0.1℃，達(dá)不到要求的控制精度。本實(shí)用新型采用PLC與高精度智能溫度控制表結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)晶體生長全自動控制的同時，達(dá)到了要求的控制精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了批量生產(chǎn)大尺寸優(yōu)質(zhì)的KDP晶體，本實(shí)用新型提供了一種晶體生長過程高精度溫度控制系統(tǒng)。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：

晶體生長過程高精度溫度控制系統(tǒng)包括生長裝置、過濾裝置和控制裝置。

(1)生長裝置由帶夾套的育晶罐、安裝在育晶罐上部的測量育晶罐中生長溶液溫度的熱電阻、安裝在育晶罐內(nèi)的載晶架、安裝在育晶罐頂部的帶動載晶架正反旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)、安裝在育晶罐夾套內(nèi)的電加熱器、安裝在育晶罐夾套外側(cè)用于循環(huán)夾套水的循環(huán)泵、安裝在育晶罐夾套上部側(cè)面的出水口、夾套下部側(cè)面的冷卻水進(jìn)口和安裝在冷卻水進(jìn)水管道上的控制進(jìn)夾套冷卻水的電磁閥組成。

(2)過濾裝置由熱水浴槽和平衡水浴槽組成；熱水浴槽由熱水槽、安裝在熱水槽上方的測量熱水槽中水溫度的熱電阻、測量熱水槽中水位的三點(diǎn)式液位傳感器、連接來自育晶罐的輸送生長溶液的管路、安裝在熱水槽中加熱熱水槽中的水的電加熱器、用于與熱水槽中的水進(jìn)行熱交換的輸送生長溶液的蛇形管、生長溶液輸送泵、生長溶液過濾器、安裝在熱水槽外側(cè)用于循環(huán)熱水槽中的水的循環(huán)泵、熱水槽上部側(cè)面的出水口、熱水槽下部側(cè)面的冷卻水進(jìn)口和安裝在冷卻水進(jìn)水管道上的控制進(jìn)熱水槽冷卻水的電磁閥組成；平衡水浴槽由平衡水槽、安裝在平衡水槽上方的測量平衡水槽中水溫度的熱電阻、測量平衡水槽中水位的三點(diǎn)式液位傳感器、安裝在平衡水槽中的加熱平衡水槽中的水的電加熱器、用于與平衡水槽中的水進(jìn)行熱交換的輸送生長溶液的蛇形管、生長溶液過濾器、連接返回到育晶罐的輸送生長溶液的管路、安裝在平衡水槽外側(cè)用于循環(huán)平衡水槽中的水的循環(huán)泵、平衡水槽上部側(cè)面的出水口、平衡水槽下部側(cè)面的冷卻水進(jìn)口和安裝在冷卻水進(jìn)水管道上的控制進(jìn)平衡水槽冷卻水的電磁閥組成。

(3)控制裝置由PLC、觸摸屏、輸入接口、輸出接口、固態(tài)繼電器和高精度智能溫度控制表組成，PLC由臺達(dá)的DVP20ES200T型主機(jī)和DVP04PT-E2型熱電阻輸入模塊組成，PLC通過主機(jī)串口與臺達(dá)DOP-W127B型液晶觸摸屏相連；PLC通過輸入接口與過濾裝置中的二個三點(diǎn)式液位開關(guān)及二個測溫?zé)犭娮柘噙B，PLC通過輸出接口與過濾裝置中的二個電加熱器、二個電磁閥、二個循環(huán)泵及一個輸送泵相連，PLC通過輸出接口與生長裝置中的一個電磁閥、一個循環(huán)泵、一個直流電機(jī)相連；PLC主機(jī)通過RS485接口與高精度智能溫度控制表相連，高精度智能溫度控制表為宇電公司的AIJ-5.0A-N-GA-N-N-SA型表；智能溫度控制表的輸入直接與生長裝置中測溫?zé)犭娮柘噙B，獲得生長液溫度，智能溫度控制表的輸出通過固態(tài)繼電器控制育晶罐夾套內(nèi)的電加熱器從而控制生長液溫度。

育晶罐內(nèi)裝滿生長溶液，需培養(yǎng)生長的一個晶核放在載晶架上，由PLC控制直流電機(jī)帶動載晶架以固定的時間間隔順時針、逆時針交錯緩慢轉(zhuǎn)動，使生長溶液與晶核充分接觸。高精度智能溫度控制表的溫度測量精度為±0.001℃，通過控制育晶罐夾套內(nèi)的電加熱器先加熱夾套中的水，再通過罐壁熱交換使育晶罐內(nèi)生長溶液的溫度控制精度達(dá)到±0.01℃，保持育晶罐內(nèi)生長溶液的溫度恒定并在一個生長周期(60天左右)內(nèi)非常緩慢下降(從65℃緩慢降低到25℃)。在緩慢降溫過程中，重點(diǎn)是控制好降溫速率，使晶體能夠均勻、快速地生長；PLC通過RS485接口實(shí)時獲取智能溫度控制表的測量溫度，PLC根據(jù)降溫速率計(jì)算當(dāng)前所需的生長溶液溫度沒定值，通過RS485接口實(shí)時發(fā)送給智能溫度控制表，由智能溫度控制表進(jìn)行育晶罐溫度控制。PLC控制循環(huán)泵使夾套內(nèi)各處的溫度均勻一致。當(dāng)需要快速降溫時，PLC控制冷卻水進(jìn)水管道上的電磁閥的開關(guān)以調(diào)節(jié)進(jìn)夾套冷卻水的量。

生長溶液的過濾過程是：從育晶罐里流出的帶有顆粒雜質(zhì)的生長溶液，先流到熱水浴槽加熱溶解雜晶，再經(jīng)過濾器濾除無關(guān)雜質(zhì)；然后流到平衡水浴槽，通過降溫使回流到育晶罐里的溶液溫度恢復(fù)到與育晶罐里的溶液溫度一致，避免對育晶罐里的溶液造成擾動，從而完成連續(xù)循環(huán)過濾。

為了讓熱水槽和平衡水槽中各處的溫度均勻一致，在熱水槽和平衡水槽中分別配備水循環(huán)泵，由PLC控制啟停。通過蛇形管的熱交換作用，溫度為T₂的熱水浴將蛇形管管路中的生長溶液溫度從T₁加熱到T₂(T₂＝T₁+8℃)，溫度為T₃(T₃＝T₁+0.1℃)的平衡水浴將蛇形管管路中的生長溶液平衡到T₁。PLC控制電加熱器和電磁閥對熱水浴和平衡水浴進(jìn)行溫度調(diào)整，PLC的溫度測量精度為±0.1℃，可滿足使用要求。PLC根據(jù)熱水槽和平衡水槽中的三點(diǎn)式液位傳感器信號控制電磁閥對熱水浴和平衡水浴進(jìn)行水位調(diào)整，確保水槽中不缺水。

本實(shí)用新型系統(tǒng)，高精度智能溫度控制表的溫度測量精度為±0.001℃，控制精度達(dá)到±0.01℃，保持育晶罐內(nèi)生長溶液的溫度恒定并在一個生長周期(90天左右)內(nèi)非常緩慢下降(從65℃緩慢降低到25℃)，提高了大尺寸晶體的生長質(zhì)量。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

圖1是晶體生長過程高精度溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是晶體連續(xù)生長及過濾裝置結(jié)構(gòu)圖。

附圖2中1是帶夾套的育晶罐，2是加熱育晶罐夾套中的水的電加熱器，3是用于循環(huán)夾套中的水的循環(huán)泵，4是育晶罐中正在生長的晶體，5是安裝在育晶罐內(nèi)的放置正在生長晶體的載晶架，6是安裝在育晶罐頂部的帶動載晶架正反旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)，7是夾套冷卻水進(jìn)口，8是夾套出水口，9是控制進(jìn)夾套冷卻水的電磁閥，10是總的冷卻水入口；11是熱水槽，12是加熱熱水槽中的水的電加熱器，13是用于與熱水槽中的水進(jìn)行熱交換的輸送生長溶液的蛇形管，14是連接來自育晶罐的輸送生長溶液的管路，15是生長溶液輸送泵，16是熱水槽中的生長溶液過濾器，17是用于循環(huán)熱水槽中的水的循環(huán)泵，18是熱水槽的出水口，19是熱水槽的冷卻水進(jìn)口，20是控制進(jìn)熱水槽冷卻水的電磁閥；21是平衡水槽，22是加熱平衡水槽中的水的電加熱器，23是用于與平衡水槽中的水進(jìn)行熱交換的輸送生長溶液的蛇形管，24是連接返回到育晶罐的輸送生長溶液的管路，25是平衡水槽中的生長溶液過濾器，26是控制進(jìn)平衡水槽冷卻水的電磁閥，27是用于循環(huán)平衡水槽中的水的循環(huán)泵，28是平衡水槽的出水口，29是平衡水槽的冷卻水進(jìn)口；T1是測量育晶罐中生長溶液溫度的熱電阻，T2是測量熱水槽中水溫度的熱電阻，T3是平衡水槽中水溫度的熱電阻；L1是熱水槽中的三點(diǎn)式液位傳感器，L2是平衡水槽中的三點(diǎn)式液位傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說明。

一種晶體生長過程高精度溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用，包括以下實(shí)施過程：

(1)做好溫度溶液投放工作之后，系統(tǒng)進(jìn)入自動運(yùn)行狀態(tài)。若是初次開機(jī)，需在觸摸屏上進(jìn)行溫度設(shè)定，設(shè)定包括：生長溶液溫度T₁、生長溶液降溫速率、熱水浴溫度T₂(T₂＝T₁+8℃)、平衡水浴溫度T₃(T₃＝T₁+0.1℃)。

(2)育晶罐旋轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)對載晶架進(jìn)行正反旋轉(zhuǎn)控制，讓晶體的生長面均勻地接觸到溶液。

(3)系統(tǒng)進(jìn)入自動運(yùn)行狀態(tài)后，育晶罐內(nèi)的生長溶液溫度為T₁，流經(jīng)溫度為T₂的熱水浴中的蛇形管，雜晶顆粒隨著生長溶液溫度的升高而溶解，生長溶液溫度達(dá)到T₂。

(4)熱水浴槽中的生長溶液經(jīng)輸送泵流經(jīng)過濾器，濾除無關(guān)雜質(zhì)，凈化溶液品質(zhì)。

(5)過濾后的生長溶液流入溫度為T₃的平衡水浴中的蛇形管，生長溶液溫度降低到與育晶罐里的溫度T₁接近一致，最后回到育晶罐，完成循環(huán)。

(6)PLC通過RS485接口實(shí)時獲取智能溫度控制表的測量溫度，PLC根據(jù)降溫速率計(jì)算當(dāng)前所需的生長溶液溫度設(shè)定值，通過RS485接口實(shí)時發(fā)送給智能溫度控制表，由智能溫度控制表進(jìn)行育晶罐溫度控制。使育晶罐內(nèi)生長溶液的溫度控制精度達(dá)到±0.01℃，保持育晶罐內(nèi)生長溶液的溫度恒定并在一個生長周期(90天左右)內(nèi)非常緩慢下降(從65℃緩慢降低到25℃)。

本實(shí)用新型系統(tǒng)可提高大尺寸晶體的生長質(zhì)量。

以上是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對本實(shí)用新型作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何的簡單修改、等同變化與修飾，均屬于實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。