一種與紅外控溫互補的溫度控制系統(tǒng)

劉棋奇， 倪 屹， 劉銀法， 萬海松

(江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇無錫214122)

在晶體生長中，溫度的控制至關重要，影響晶體的透明度、完整性、顏色等重要質(zhì)量指標。目前，晶體生長爐根據(jù)工藝的不同，一般采用電加熱爐和石墨電阻加熱器進行加熱。當前國內(nèi)外基本采用PID控制器通過溫度測量數(shù)據(jù)的反饋對加熱器的輸出電流進行控制達到溫控目的，溫度的測量多采用熱電偶與紅外測溫儀［1］。晶體生長的整個工藝流程中，溫度的穩(wěn)定性對晶體的內(nèi)在質(zhì)量起著決定性作用［2］。

隨著晶體生長的尺寸需求越來越大，新的工藝對溫度穩(wěn)定性和精確性要求越來越高［3］。隨著尺寸的增大，生長周期的加長，熱電偶的損毀率高，造成的影響無法忽視，而選用高精度紅外測溫儀測溫范圍有限，不可避免地在非測量量程段必須使用其他控溫方式［4］。選用紅外測溫儀為提高測溫精度，只能縮小測溫范圍，不可避免地在非測量量程段必須使用其他控溫方式。并且紅外測溫作為非接觸式測溫方式，需通過石英視窗監(jiān)控生長溫度，易被突發(fā)狀況干擾測量。通過研究現(xiàn)有的溫度測量控制系統(tǒng)，文中提出一種基于直流可編程電子負載控制加熱功率的方法來補充現(xiàn)有溫度控制方式的不足。

1 直流電子負載溫控系統(tǒng)設計

1．1 直流可編程電子負載

電子負載的原理是控制內(nèi)部功率MOSFET或晶體管的導通量(量占空比大小)，靠功率管的耗散功率消耗電能的設備，它能夠準確地檢測出負載電壓，精確調(diào)整負載電流，同時可以實現(xiàn)模擬負載短路。模擬負載是感性阻性和容性，容性負載電流上升時間［5］。

直流可編程電子負載作為常用測試設備基本功能包含通過鍵盤輸入設定輸入/輸出電流、電壓、電阻等參數(shù)，并設定它們的數(shù)值上升斜率。

1．2 工作原理

晶體生長需要經(jīng)過升溫化料和降溫結晶、退火再降溫至室溫，整個過程都需要依賴加熱功率的輸出進行控制［6］，其過程如圖1所示。

圖1 晶體生長工藝流程Fig．1 Crystal growth process

晶體生長需要升溫與降溫兩大階段，因此系統(tǒng)也需要設計能控制溫度上升和下降兩大功能。電子負載溫控系統(tǒng)通過設定的工作速率變換負載電流，再通過簡單的電路組合達到精確控制晶體生長爐加熱電源的輸出電壓，從而控制晶體生長爐溫度。系統(tǒng)示意如圖2所示。

圖2 電子負載溫控系統(tǒng)Fig．2 Electronic load temperature control system

直流電流設置固定電壓UD，直流可編程電子負載采用定電流動態(tài)模式調(diào)節(jié)的負載電流為IS，電子負載電流上升端電壓為U上=10·IS，下降端電壓U下=UD－10·IS。

因此負載電流只要按既定程序上升，通過轉接盒切換上升端與下降端的接入，可以做到系統(tǒng)提供控制電流的升降。

系統(tǒng)使用的電子負載電流分辨率可達到0．1 mA，控制電流為0～1 A，此系統(tǒng)提供的控制精度遠高于晶體生長的所用加熱系統(tǒng)的電源調(diào)節(jié)精度。因此，控制的精度完全滿足晶體生長溫控系統(tǒng)應用。

2 系統(tǒng)應用

2．1 藍寶石晶體生長系統(tǒng)

實驗采用藍寶石晶體生長爐、PID控制儀表、移相全橋電源、石墨電阻加熱器和紅外測溫儀組成的系統(tǒng)進行藍寶石晶體生長。系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 晶體生長爐溫控系統(tǒng)Fig．3 Crystal growth furnace temperature control system

藍寶石晶體(α－Al2O3)熔點2050℃，生長所需測量溫度上限需超過2200℃，在重要結晶段測量精度需達到0．1℃。為保證結晶段(2 000～2 100℃)的測量精度選用的測量波段0．8～1．1μm的紅外測溫儀，量程為800～2500℃，低于量程下限800℃時測溫儀無數(shù)據(jù)輸出。

2．2 系統(tǒng)校準

基于石墨加熱器工作于低電壓大電流的工作原理，實驗所用移相全橋電源設計為0～30V，0～3000A可調(diào)電源，通過驅動電流波形的移相角來控制輸出功率的大小，可自由切換PID遠程控制與本機控制。石墨加熱器為主體的工作電路電阻幾乎不變，總電阻在0．020～0．021Ω之間隨溫度微小變動，因此控制輸出電壓即做到控制輸出功率的目的，進而控制溫度變化。設計的直流電子負載溫控系統(tǒng)直接作用于電源的本機控制狀態(tài)。測得電子負載溫控系統(tǒng)接上升端與下降端時負載電流與對應的加熱直流電流電壓如表1所示。

在2 V以上電子負載的電流與移相全橋電源輸出電壓為線性關系，因此只要讀取PID-紅外控溫系統(tǒng)所需的輸出電壓，就能夠通過簡單線性計算得到電子負載所需的目標值。通過設定電子負載的初始和結束電流，并通過電源的本機-遠程切換，可以做到與PID-紅外控制系統(tǒng)0電壓差無縫切換。

表1 電子負載電流對應加熱輸出電壓Tab．1 Heating output voltage corresponding to the current of electronic load

3 電子負載溫控系統(tǒng)控溫效果

3．1 系統(tǒng)工作于升溫段

晶體生長中升溫階段對晶體生長質(zhì)量影響較小，僅需保證升溫速率在一個可控的范圍且溫度不大幅波動。實驗中升溫階段，由于工藝采用石墨加熱器，設計的溫控系統(tǒng)目標是平穩(wěn)的升溫到1 400～1 700℃(下文中溫度均指籽晶處溫度)，切換成PID-紅外控溫方式，且在此溫度段向真空的爐體內(nèi)充入氬氣作為保護氣，以升溫速度不超過150℃/h為基準。以5 V為啟動電壓，輸出電流電壓升高速率不同情況下的升溫至此溫度段的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同電壓速率的升溫用時Tab．2 Used time of different voltage rate

在多次實驗中，均以電壓升至20～21 V達到預計溫度段，具有良好的穩(wěn)定性和可操作性。以1．43 V/h速率為例，升溫階段具體溫度變化如圖4所示。

3．2 系統(tǒng)工作于降溫段

晶體生長完成后的降溫階段即結晶、退火之后的降溫階段(藍寶石晶體為1 900℃ 以下)對溫度控制的精確性要求不高，但對穩(wěn)定性要求很高，必須避免因溫度波動容易引起晶體開裂［7］。PID儀表的控制需要依賴PID參數(shù)的設定，每當控制的范圍發(fā)生變化時需要不同的PID參數(shù)調(diào)節(jié)。無論是手動調(diào)節(jié)還是儀表的自動調(diào)節(jié)都會有一個明顯被控溫度的振蕩期，顯然對晶體的完好性不利［8］。實驗使用設計的溫控系統(tǒng)降溫時的溫度曲線與輸出功率曲線如圖5所示。

圖4 升溫段溫度變化Fig．4 Temperature changes in heating period

圖5 降溫段溫度、功率變化Fig．5 Temperature and power changes in cooling period

3．3 系統(tǒng)工作于突發(fā)狀況

PID控溫方式控制功率輸出都是以測量溫度的反饋為基準進行控制的，晶體生長周期長達1周以上，突發(fā)狀況的發(fā)生不可避免。如接觸式測溫方式(如熱電偶、熱電阻等)容易燒毀;原料中的雜質(zhì)或者石墨加熱器、保溫罩的揮發(fā)導致非接觸式測溫方式(紅外測溫儀)的觀測窗口被遮擋;甚至坩堝內(nèi)熔體滲漏使熱屏、保溫罩融化和揮發(fā)，能致使熱電偶和紅外測溫同時失效。

在緊急降溫情況下，要保全爐體內(nèi)保溫罩、坩堝、加熱器等部件，降溫速度需控制在300℃/h以內(nèi)。高溫段自然降溫速度過快，手動控制穩(wěn)定性太低。使用電子負載控溫系統(tǒng)能避免這些缺陷，緊急情況下僅需設置起始電壓對應的參數(shù)電流和降溫時間，1 min內(nèi)能完成設置并開始工作。實驗中遇到突發(fā)狀況后利用溫控系統(tǒng)緊急降溫后爐體內(nèi)各個部件和坩堝內(nèi)籽晶均保存完好。

3．4 結果分析

升溫階段系統(tǒng)起始值恒定，晶體爐從室溫狀態(tài)升溫，溫度變化受溫控系統(tǒng)控制程度高，穩(wěn)定性略強于降溫階段。無論升溫還是降溫階段，電子負載溫控系統(tǒng)提供的功率變化速率穩(wěn)定，溫度均達到設想的平穩(wěn)升降。實驗中溫度的升降受到功率控制，并未出現(xiàn)溫度波動問題。面對突發(fā)狀況能及時應急工作，控制范圍可覆蓋至電源的最大輸出功率。

4 結語

晶體生長工藝實現(xiàn)中最重要的工作就是對溫度的控制，利用基于直流可編程電子負載構成的簡易溫控系統(tǒng)具有成本低、精度高、穩(wěn)定性好、易控制等特點。不需要改裝現(xiàn)有的工藝生長爐，避免了安裝熱電偶、熱電阻等溫度傳感器對真空度的影響;能應急工作，并能做到與PID-紅外控溫方式的無縫對接;電子負載技術成熟，功能多樣，該系統(tǒng)經(jīng)過簡單調(diào)試可適用于多種工作環(huán)境和不同工藝;保證了輸出功率的單向變化，不會引起溫度波動，與PLC控制相比有較大的成本優(yōu)勢。在藍寶石晶體生長實驗中，系統(tǒng)以室溫啟動至1 600℃和以800～1 900℃區(qū)間內(nèi)溫度啟動降溫至室溫均能按設定目標穩(wěn)定運行。

［1］GUO Beitao，LIU Hongyi，LUO Zhong．Adaptive PID controller based on BP neural network［C］//2009 International Joint Conference on Artificial Intelligence．［s．l．］:IEEE，2009:148-150．

［2］姚勇，楊繽維，寇自力．生長溫度穩(wěn)定性對兩面頂細粒度金剛石性能的影響［J］．金剛石與磨料磨具工程，2006(1):43-46．YAO Yong，YANG Binwei，KOU Zili．Influence of temperature stability on fine-grained diamond synthesized by belt-type apparatus［J］．Diamond and Abrasives Engineering，2006(1):43-46．(in Chinese)

［3］李留臣，馮金生．我國藍寶石晶體生長技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．人工晶體學報，2012(1):221-226．LI Liuchen，F(xiàn)ENG Jinsheng．Development status and trends of sapphire single crystal growth technique in China［J］．Journal of Synthetic Crystals，2012(1):221-226．(in Chinese)

［4］林君，丁宇濤．熱電偶測溫和紅外測溫的比較研究［J］．工業(yè)加熱，2010(1):57-60．LIN Jun，DING Yutao．Comparative study on thermocouple and infrared temperature measurement methods［J］．Industrial Heating，2010(1):57-60．(in Chinese)

［5］崔麗娟，李瑋．直流電子負載的校準方法［J］．中國計量，2013(5):107-109．CUI Lijuan，LI Wei．Calibration method of electronic load［J］．China Metrology，2013(5):107-109．(in Chinese)

［6］郝保紅，黃俊華．晶體生長機理的研究綜述［J］．北京石油化工學院學報，2006(2):58-64．HAO Baohong，HUANG Junhua．Summary on the growth mechanism of crystal［J］．Journal of Beijing Institute of Petro-Chemical Technolog，2006(2):58-64．(in Chinese)

［7］許承海，孟松鶴，韓杰才，等．SAPMAC法生長大尺寸藍寶石晶體的碎裂分析［J］．硅酸鹽學報，2009(S1):186-189．XU Chenghai，MENG Songhe，HAN Jiecai，et al．Crack during the growth of large scale sapphire by SAPMAC method process［J］．Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2009(S1):186-189．(in Chinese)

［8］楊栩，董秀成．基于遺傳算法尋優(yōu)的模糊PID調(diào)速算法［J］．工業(yè)控制計算機，2014(8):56-58．YANG Xu，DONG Xiucheng．Application research of path identification and steering control in smart car［J］．Industrial Control Computer，2014(8):56-58．(in Chinese)