一種泡生法藍寶石長晶的自動控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及工業生產的自動控制領域，尤其是一種泡生法藍寶石長晶的自動控制系統。
【背景技術】
[0002]藍寶石單晶具有獨特的晶格結構，優異的力學性能和熱學性能，被廣泛的應用于光學技術和電子技術領域，同時也成為目前LED市場的首選材料。隨著國內LED行業的逐漸發展，對藍寶石襯底片的性能指標要求越來越高，目前國內大多數采用泡生法藍寶石晶體生長工藝。藍寶石晶體的品質不但與單晶爐的結構和性能有關，也依賴于生長工藝。傳統的長晶過程自動化程度較低，長晶工藝很大程度上依賴于操作者的技術水平和經驗，沒有統一量化的標準和操作規程來控制長晶過程，更未實現自動化控制。目前在熔料、引晶、擴肩、等徑生長等各個階段，操作者只能通過觀察窗口查看坩禍內熔體和晶體的狀況進行相應操作，勞動強度大，晶體的質量不穩定，難以大規模生產。在中國專利CN201310121996.7中描述了在觀察窗口安裝視頻監控系統，以便實時監測坩禍內熔體溫度和籽晶尺寸，這種改進措施在一定程度上減小了操作者的勞動強度，而且提高了引晶環節的自動化控制水平。但是由于在高溫條件下爐內揮發物質會附著在觀察窗口導致視鏡模糊，所以只能間歇打開觀察窗口，即間斷性監測長晶過程，而且視頻監控難以在等徑生長過程中監測晶體的生長狀
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【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對現有長晶過程中自動化程度低的問題，提出一種高可靠性、全自動化的泡生法藍寶石長晶的自動控制系統，減少了長晶過程中的人為干預和對操作人員技術能力的依賴性，提高長晶操作過程的規范性和晶體質量。
[0004]本發明采用以下技術方案:
[0005]一種泡生法藍寶石長晶的自動控制系統，其特征在于:主要包括微處理器、觸摸屏、聲光報警電路、控制柜、上位機、真空計、加熱電源、旋轉變頻電機、升降變頻電機、稱重傳感器、升降步進電機，所述的微處理器是整個自動控制系統的核心單元，通過RS-485總線與控制柜、上位機、真空計、加熱電源、旋轉變頻電機、升降變頻電機實現通信和控制，通過RS-232總線與觸摸屏、稱重傳感器實現通信，通過I/O端口控制升降步進電機和聲光報警電路工作。
[0006]本發明自動控制系統設置有默認的運行參數和控制算法，在運行過程中可以隨時手動調整執行步驟或者手動操作，在無人工干預時完全由系統自動運行。觸摸屏用于輸入控制參數、運行模式和顯示運行參數，運行參數可以通過所述觸摸屏進行手動調整，在自動執行過程中掃描檢測并執行，通過中斷方式響應所述觸摸屏操作界面上各個功能按鍵的輸入并執行。
[0007]本發明所述的聲光報警電路主要由蜂鳴器和LED指示燈組成，在檢測到異常情況或需要人工干預時，驅動蜂鳴器發出警報聲，LED指示燈閃爍，并在觸摸屏上彈出窗口提示當前狀態。在所述的長晶過程中，發生如下幾種情況會啟動聲光報警功能，并給出相應的提示:
[0008]在抽真空階段，若單晶爐內的真空度與預設的真空度與時間關系式偏離值超過設定門限值，則啟動聲光報警并提醒檢查爐體的密閉性。
[0009]在執行完成預設的加熱階段后啟動聲光報警，提醒操作人員檢查坩禍內的熔體情況，在系統報警后的預設延時時間內不進行人工干預，則自動進入引晶階段運行。
[0010]在引晶和放肩階段，若晶體的重量變化率超出所設定的重量變化門限值，則啟動聲光報警，并提醒熔體中的浮島粘到籽晶上。在系統報警后的預設延時時間內不進行人工干預，則自動進入相應糾正措施子程序。
[0011]在等徑生長階段，若晶體的重量變化率超出所設定的重量變化門限值，則啟動聲光報警。若重量變化率大于上門限值則提醒晶體粘禍，若重量變化率小于下門限值且當前晶體重量小于晶陀重量門限值則提醒晶體拉脫。在系統報警后的預設延時時間內不進行人工干預，則自動進入相應糾正措施子程序。
[0012]本發明的自動控制系統實時檢測單晶爐內的真空度，檢測晶體的重量以及重量變化率，并且能夠記錄運行時間、晶體位置、操作過程等信息。根據這些檢測量，調整加熱電源的功率、升降電機的速率、旋轉電機的速率，并且依據設定的故障門限值判斷是否發生故障，在發生故障時能夠及時啟動聲光報警功能并提示故障現象。
[0013]本發明基于嵌入式微處理器設計了泡生法藍寶石長晶過程中多物理量檢測和控制系統，實現了整個長晶過程的自動化控制，減少了長晶過程中的人為干預和對操作人員技術能力的依賴性，也減輕了操作人員的勞動量，提高了長晶操作過程的規范性和晶體質量。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的自動控制系統的總體結構框圖。
[0015]圖2為本發明自動控制系統工藝流程圖。
[0016]圖3為本發明自動控制系統的人機交互界面。
[0017]圖4為本發明自動控制系統的聲光報警電路。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，微處理器是整個自動控制系統的核心單元，它通過RS-485總線與控制柜、上位機、真空計、加熱電源、旋轉變頻電機、升降變頻電機實現通信和控制，通過RS-232總線與觸摸屏、稱重傳感器實現通信，通過微處理器的I/O端口控制升降步進電機和聲光報警電路工作。控制柜可實現對旋轉變頻電機、升降變頻電機、升降步進電機和加熱電源的手動控制；上位機作為備選設備，可用于顯示晶體的重量變化曲線，記錄長晶過程中的全部數據；真空計用于實時檢測單晶爐內的真空度；加熱電源用于加熱坩禍，調節坩禍內熔體的溫度；旋轉變頻電機用于驅動籽晶桿和晶體以一定的速率旋轉；升降變頻電機用于籽晶桿和晶體的快速升降；升降步進電機用于籽晶桿和晶體的慢速提升。
[0019]本發明的自動控制系統設置有默認的運行參數和控制算法，在運行過程中可以隨時手動調整執行步驟或者手動操作，在無人工干預時完全由系統自動運行。具體工藝流程設計如圖2所示，主要包括系統初始化、抽真空、加熱熔料、引晶、放肩、等徑生長、退火等主要模塊，自動控制系統初始化完成后判斷執行自動運行模式還是手動運行模式。在自動運行模式中，可以依據程序中默認的參數執行，也可手動輸入各階段的運行參數，依據輸入參數運行，所述的自動控制系統順序執行各個子程序，完成長晶的各個工藝流程。
[0020]本發明的觸摸屏用于輸入控制參數、運行模式和顯示運行參數的人機交互，其中運行參數可以通過所述觸摸屏進行手動調整，在自動執行過程中掃描檢測并執行，通過中斷方式響應所述觸摸屏操作界面上各個功能按鍵的輸入并執行。
[0021]本發明的微處理器選用Atmegal280單片機，并由晶體振蕩器和復位電路模塊構成最小工作系統。觸摸屏選用ECEPC-070型WinCE觸摸屏一體機，由微處理器的I/O端口發出控制信號，由NPN型三極管驅動蜂鳴器和LED指示燈，并使用限流電阻避免大電流燒毀器件。RS-485通信模塊選用MAX485接口芯片，RS-232通信模塊選用MAX232C接口芯片。其它的外圍設備如真空計、稱重傳感器、加熱電源、控制柜、電機都是檢測和執行設備，只要具備所述的自動控制系統的通信接口且滿足單晶爐的精度要求即可。
[0022]本發明觸摸屏