摘 要：藍寶石（Sapphire）是一種氧化鋁（α-Al2O3）的單晶，自身的耐高法性能使其被廣應(yīng)用于軍事、衛(wèi)星、激光窗口等領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)獨特、性能優(yōu)異、熱學(xué)性能好，也被應(yīng)用在發(fā)光二極管的襯底材料。近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對藍寶石晶體材料的尺寸、質(zhì)量不斷的提出新的要求。藍寶石有很多的合成方法，主要有熱交換法、泡生法、坩堝下降法及提拉法。最具代表性的方法就是提拉法。所以在提拉法中對藍寶石晶體生長距離檢測的要求很高。需要精度很高的提拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來生長出質(zhì)量優(yōu)良的藍寶石晶體。

關(guān)鍵詞：提拉法；提拉控制器；藍寶石

提拉旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、伺服放大器、伺服電機、減速器等組成，伺服放大器通過脈沖信號控制，它連接伺服電機及減速器后帶動傳動裝置。提拉控制器通過RS485通信方式接收上位機給定的提拉距離，根據(jù)伺服放大器、減速器及傳動裝置的軸距，通過單片機計算出單位時間內(nèi)對應(yīng)的距離，及通過驅(qū)動電路發(fā)出相應(yīng)頻率的脈沖信號給伺服放大器，伺服放大器驅(qū)動電機，然后經(jīng)減速器到傳動軸，來達到精密的提拉控制。

1 提拉法

提拉法是運用熔體的冷凝結(jié)晶驅(qū)動原理，將藍寶石晶體的原料加熱到熔點，使能形成液體，在固液界面處，經(jīng)一個單晶的籽晶來接觸液體表面，藉由熔體溫度下降，將產(chǎn)生由液態(tài)轉(zhuǎn)換成固態(tài)的相變化。液體會慢慢凝固于籽晶上面，形成結(jié)構(gòu)相同的晶體。然后通過極其緩慢的速度向上提拉單晶籽晶，同時加以一定的速度的旋轉(zhuǎn)，隨之緩慢的提拉后，液態(tài)逐漸變成固態(tài)，最終生長成為藍寶石晶體。提拉法的優(yōu)點在于其生長的周期短、速度快；生長過程中方便觀察；溫度梯度控制方便；可通過改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)液流；晶體質(zhì)量高。

根據(jù)技術(shù)要求，選擇使用合適的單晶生長設(shè)備；其次是要掌握一整套單晶硅的制備工藝、技術(shù)，包括：（1）單晶硅系統(tǒng)內(nèi)的熱場設(shè)計，確保晶體生長有合理穩(wěn)定的溫度梯度；（2）單晶硅生長系統(tǒng)內(nèi)的氫氣氣體系統(tǒng)設(shè)計；（3）單晶硅夾持技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計；（4）為了提高生產(chǎn)效率的連續(xù)加料系統(tǒng)的設(shè)計；（5）單晶硅制備工藝的過程控制。

2 系統(tǒng)組成

2.1 伺服放大器

伺服放大器具有兩種控制模式，分別是位置控制和內(nèi)部速度控制兩種，因此，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，該新系列具有RS-232C或RS-422串行通訊功能，能夠進行參數(shù)設(shè)置、試運行、狀態(tài)顯示監(jiān)視等。

2.1.1 位置控制模式

最大1Mpps高速度脈沖串用于控制電機的速度和方向，并進行131072脈沖/rev分辨率的精確定位。位置平滑功能提供適用于機器的兩種不同模式選擇，因此在位置指令突變時能夠更平滑地啟動/停止。通過伺服放大器中的箱位電路施加轉(zhuǎn)矩限制以防止電機在突然加減速或過載時產(chǎn)生的過電流損壞伺服放大器主電路中的晶體管。此轉(zhuǎn)矩限制值可通過參數(shù)設(shè)定為任意值。

2.1.2 內(nèi)部速度控制模式

由參數(shù)組成的內(nèi)部速度指令對伺服電機的轉(zhuǎn)速和方向進行平滑控制。

另外，對于速度指令，它還具有進行加減速時的常數(shù)設(shè)定和停止時的伺服鎖定功能。

2.2 伺服電機及減速器

伺服電機裝有增量位置編碼器，分辨率131072脈沖/轉(zhuǎn)，以確保高精度定位。

2.3 控制系統(tǒng)

以單片機為核心，通過計算，根據(jù)頻率的高低來選擇用PWM方式或是定時器方式，加以控制脈沖電路來輸出脈沖控制信號控制伺服放大器，通過光電隔離的RS485通信電路與上位機進行通迅。同時還支持單鍵調(diào)整及即時自動調(diào)整功能，根據(jù)機器可以對伺服增益進行簡單的自動調(diào)整。

通過Tough Drive功能、驅(qū)動記錄器功能以及預(yù)防性保護支持功能，對機器的維護與檢查提供強力的支持。因為裝備了USB通信接口，與安裝MR Configurator2后的個人電腦連接后，能夠進行數(shù)據(jù)設(shè)定和試運行以及增益調(diào)整等。

MELSERVO-JE系列的伺服電機采用擁有131072pulses/rev分辨率的增量式編碼器，能夠進行高精度的定位。

3 脈沖頻率換算

通過RS485通信方式接收上位機傳達的提拉和旋轉(zhuǎn)的具體量值，根據(jù)傳動裝置的軸距，通過單片機換算出相應(yīng)的脈沖頻率。假設(shè)提拉距離為0.1毫米/小時，傳感裝置的軸距為4.5毫米，減速器變比為80：1，伺服放大器變比為1：80，伺服的放大器的分辨率為131072個脈沖/圈。這樣伺服變比和減速器變比相互抵消，131072/4.5=29127，即29127個脈沖/毫米。目標(biāo)提拉距離為0.1毫米/小時，換算成頻率為29127*0.1/3600=0.81Hz。通過此頻率可得到周期，用來做定時器的定時溢出初值，在定時器中對相應(yīng)的脈沖引腳進行翻轉(zhuǎn)控制。

4 軟件控制

由上位機下達目標(biāo)指令，通過RS485通信接收。提拉和旋轉(zhuǎn)的控制分為手動及自動，手動模式采用PWM方式，根據(jù)上位機給定的檔位，做出一個PWM頻率表格，用查表法來選擇PWM的頻率，通過脈沖控制電路輸出脈沖；自動模式由于周期比較長，PWM方式無法滿足其需求，所以采用定時器方式，定時器采用16位模式，對于一個定時器一個周期仍無法達到時間要求時，需要跑完一個定時周期再繼續(xù)重新賦定時器初值，然后等到再次溢出后對相應(yīng)的脈沖引腳進行翻轉(zhuǎn)。

5 操作流程及調(diào)壓過程

操作流程圖如圖所示。

調(diào)壓過程是在上位機軟件中實現(xiàn)的，在“電壓控制”框中設(shè)置“調(diào)節(jié)電壓”增量數(shù)值（正整數(shù)為增加電壓，負整數(shù)為減小電壓），數(shù)值輸入完成后在鍵盤上按向下箭頭，這時光標(biāo)下移電壓設(shè)置完成；在“調(diào)節(jié)時間”中輸入工藝要求的時間，數(shù)值輸入完成后在鍵盤上按向下箭頭，這時光標(biāo)下移時間設(shè)置完成；在“電壓控制”框中設(shè)置“快速調(diào)節(jié)”增量數(shù)值，數(shù)值輸入完成后在鍵盤上按CTRL+Z為快速增加設(shè)定電壓、按CTRL+X為快速減少設(shè)定電壓，設(shè)定完成后觀察“設(shè)定電壓”數(shù)值是否改變，確認設(shè)置的數(shù)值無誤后，按Ctrl+F1就可以開始調(diào)節(jié)電壓了，同時在界面上可以看到調(diào)壓曲線以及反饋的電壓電流值，然后根據(jù)實際需要（溫度，長晶速度）選擇繼續(xù)設(shè)置調(diào)節(jié)電壓，直至長晶結(jié)束。

參考文獻

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作者簡介：周常龍（1987-），男，工程師，2010年畢業(yè)于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動化，在職，現(xiàn)從事晶體生長電源裝置的設(shè)計與調(diào)試工作。