Пристрій контролю положення рівня розплаву в пристрої управління ростом монокристалів

Пристрій контролю положення рівня розплаву в пристрої управління ростом монокристалів, що містить механічно зв'язані між собою щуп з датчиком його переміщень і електродвигун із системою управління, яка включає блок обробки даних, контролер управління двигуном і схему C2 2 (19) 1 3 Відомий пристрій для контролю рівня розплаву [а.с. СРСР № 1093906, кл. G01F23/24], що містить реверсивний двигун із системою управління, узгоджувальний блок, ходовий гвинт із кронштейном, з'єднаним із щупом і движком реохорда датчика переміщення. Система управління виконана у вигляді фазового модулятора, з'єднаного з одним входом перетворювача фазового зрушення, інший вхід якого з'єднаний з генератором синусоїдального сигналу, а вихід перетворювача фазового зрушення з'єднаний з одним входом комутатора, інший вхід якого з'єднаний із блоком синхронізації. Один вихід комутатора пов'язаний з реверсивним лічильником, послідовно з'єднаним з одним входом першої схеми порівняння, інший вхід якої з'єднаний з першим задатчиком, а інший вихід комутатора зв'язаний з лічильником імпульсів, з'єднаним з одним входом другої схеми порівняння, інший вхід якої зв'язаний із другим задатчиком. При цьому виходи схем порівняння підключені через послідовно з'єднані тригер управління й погоджувальний блок до реверсивного двигуна. Відомий пристрій для контролю положення рівня розплаву [Пат. № 78074, Україна, кл. G01F23/24, С30В15/20], що містить щуп з датчиком його переміщень, електродвигун із системою управління. Система управління містить блок обробки даних, контролер і схему визначення контакту щуп-розплав, перший і другий вихід якої підключені, відповідно, до входу контролера й до другого входу блока обробки даних, перший вхід якого з'єднаний з датчиком переміщень щупа, а вихід пов'язаний із системою управління ростом монокристала. Щуп електрично зв'язаний зі схемою визначення контакту щуп-розплав. Аналоги використовують у пристрої управління ростом монокристалів з розплаву. Відомий пристрій контролю положення рівня розплаву в пристрої управління ростом монокристалів [Пат. № 77882, Україна, кл. G01F23/24, С30В15/20], що містить щуп з датчиком його переміщень і електродвигун із системою управління, яка включає блок обробки даних, контролер і схему визначення контакту щуп-розплав, перший і другий вихід якої підключені, відповідно, до входу контролера й до другого входу блока обробки даних, перший вхід якого з'єднаний з датчиком переміщень щупа, а вихід (саме собою зрозуміло «вхід/вихід») пов'язаний із системою управління ростом монокристала, при цьому щуп електрично зв'язаний зі схемою визначення контакту щупрозплав. Пристрій також містить нульовий покажчик, механічно пов'язаний з валом датчика переміщень, а визначник положення нульового покажчика розташований на нерухливій частині пристрою, при цьому перший вихід нульового покажчика підключений до другого входу контролера, а його другий вихід, що забезпечує початок відліку, з'єднаний із третім входом блока обробки даних. В останньому винаході відзначено, що наявність чутливого нульового покажчика й визначника положення цього покажчика дозволяють із високою точністю встановити момент початку відліку вимірюваної величини, що є важливим для визначення рівня розплаву при управлінні вирощуван 97602 4 ням великогабаритних монокристалів. За рахунок збільшення вірогідності результатів виміру положення рівня розплаву (із його підживленням) забезпечена надійність управління й підвищена якість вирощуваних МК. Недоліками перелічених пристроїв є залежність результатів виміру рівня розплаву від його коливань (із частотою 1.0-5.0 рад/с) при обертанні тигля, а також від зміни висоти меніска розплаву, у результаті зміни теплових режимів. Крім того, для випадку безперервного зниження рівня розплаву (загальна величина зниження рівня Lобщ ≥ 200 мм) у тиглі, наявність нульового покажчика призводить до ускладнення роботи пристрою контролю (необхідність рахунку кількості обертів нульового покажчика при великій величині зміни рівня). При цьому збільшується частота виникнення логічних помилок виміру рівня, а, отже, знижується обґрунтованість формування керуючих впливів. У результаті формування помилкових сигналів (наприклад, поява «лог. од.» замість «лог. нуль» або неправильний перехід сигналу з 1→0, а також з 0→1) у блоці обробки даних, вихід якого пов'язаний із системою управління ростом МК, на регулятори температури донного й бічного нагрівачів (не показані) можуть надходити невірно сформовані керуючі впливи. При цьому, на бічній поверхні вирощуваного МК з'являються або «гофри», що свідчить про відсутність сталості діаметра dк МК по його висоті, або виникають небажані зміни ФК, які призводять до ще більшої втрати стабільності величини падіння рівня, а, отже, знижується і якість вирощуваного монокристала. Як найближчий аналог нами вибраний останній з аналогів. В основу заявленого винаходу поставлена задача розробки пристрою контролю положення рівня розплаву в пристрої управління ростом монокристалів безперервним витягуванням, що забезпечує підвищення якості вирощуваних монокристалів за рахунок збільшення вірогідності результатів виміру. Рішення задачі забезпечується тим, що в пристрій контролю положення рівня розплаву в пристрої управління ростом монокристалів, що містить механічно зв'язані між собою щуп з датчиком його переміщень і електродвигун із системою управління, яка включає блок обробки даних, контролер управління двигуном і схему визначення контакту щуп-розплав, перший вихід якої підключений до першого входу контролера, перший вхід/вихід блока обробки даних пов'язаний із системою управління ростом монокристала, при цьому щуп електрично зв'язаний зі схемою визначення контакту щуп-розплав, відповідно до винаходу, додатково уведені логічна схема на елементах «І» й елементі «НІ», а також реверсивний лічильник імпульсів, при цьому вихід датчика переміщень щупа підключений до першого входу логічної схеми, другий вхід якої з'єднаний з першим виходом схеми визначення контакту щуп-розплав і першим входом контролера управління двигуном, перший і другий виходи логічної схеми з'єднані із входами прямого і зворотного рахунку реверсивного лічильника відповідно, його третій вхід з'єднаний з 5 другим виходом схеми визначення контакту щупрозплав, а вихід – з другим входом блока обробки даних, при цьому вихід блока обробки даних підключений до другого входу контролера. Використання логічної схеми на елементах «І» (два кон’юнктори) й елементі «НІ», а також реверсивного лічильника імпульсів (РЛІ), завдяки безпосереднім зв'язкам даної схеми зі схемою визначення контакту щуп-розплав, датчиком переміщень щупа й блоком обробки даних дозволяє зв'язати одержання даних тільки з реальною величиною падіння рівня розплаву в процесі росту й витягування МК, що виключає логічні помилки й похибки, які виникають у прототипі, у результаті регульованого зсуву відлікового пристосування нульового покажчика (корекція нульової точки виміру). Виключення вузла визначення початку відліку величини виміру спрощує конструкцію пристрою контролю положення рівня у цілому. Крім того, з'єднання логічної схеми із РЛІ й іншими блоками дозволяє оптимізувати моменти відрив-торкання й зміни напрямку обертання двигуна з моментами надходження імпульсів з виходу датчика переміщень щупа на прямий (+1 – підсумовуючий) і зворотний (-1 – такий, що віднімає) входи РЛІ, що спрощує одержання інформації для проведення керуючих впливів (показання РЛІ, що відповідає зміні ΔNy рівня за час tц. кожного циклу управління). Показання РЛІ (ΔNy) можуть бути отримані, починаючи з етапу розрощування МК по діаметру dк (без витягування), що підвищує точність визначення величини падіння рівня тільки за рахунок масової швидкості росту МК і зміни його ФК, і вірогідність інформації при управлінні ФК і діаметром у реальному режимі часу. У результаті підвищення вірогідності результатів виміру положення рівня, виключається утворення "гофрів" і забезпечується стабільно опукла форма ФК, а, отже, поліпшується якість вирощуваних монокристалів. З'єднання другого входу контролера з виходом блока обробки даних, а через його перший вхід/вихід – з системою управління (СУ) ростом МК, дозволяє зв'язати роботу пристрою контролю (зміна ΔNy рівня) з управлінням (tц. - цикл управління) ростом МК, у процесі якого обґрунтовано (завдяки точному визначенню причин, що чинять вплив на зміну ΔNy), переходять від управління діаметром МК (бічним нагрівачем) до управління формою ФК (донним). У результаті стабілізуються опукла форма ФК і діаметр dк, скорочується число логічних помилок у порівнянні з безперервним режимом роботи пристрою-прототипу, збільшується надійність і ресурс роботи двигуна й пристрою контролю рівня у цілому. На кресленні наведена схема пристрою контролю положення рівня розплаву в пристрої управління ростом монокристалів, що пропонується. Пристрій містить електродвигун 1, механічно пов'язаний із щупом 2 і датчиком 3 його переміщень. Система управління двигуном 1 містить блок 4 обробки даних, контролер 5, схему 6 визначення контакту щуп-розплав, логічну схему 7 із двох кон’юнкторів на елементах «І» й елементі «НІ», а також реверсивний лічильник 8 імпульсів. 97602 6 Вихід датчика 3 переміщень щупа 2 підключений до з'єднаних між собою перших (прямих) входів елементів «І» по першому входу логічної схеми 7. Другий вхід схеми 7 підключений до входу елемента «НІ», а також до інших (прямого й інверсного) входів елементів «І», а вихід елемента «НІ» з'єднаний із третіми прямим і інверсним входами елементів «І». Другий вхід схеми 7 підключений також до з'єднаних між собою першого входу контролера 5 і першого виходу схеми 6 визначення контакту щуп-розплав. Перший і другий виходи схеми 7 підключені до підсумовуючого (+1) і того, що віднімає (-1) входам РЛІ 8, відповідно. Третій вхід РЛІ 8 з'єднаний із другим виходом схеми 6 (сигнал «скид» РЛІ). Вихід РЛІ 8 з'єднаний із другим входом блока 4 обробки даних. Перший вхід/вихід (двонапрямна шина) блока 4 пов'язаний із системою управління ростом монокристалів (на кресленні не наведена), а другий вихід блока 4 підключений до другого входу контролера 5 управління електродвигуном 1. Вхід схеми 6 визначення контакту щуп-розплав електрично з'єднаний із щупом 2. На кресленні наведений також тигель 9 з розплавом. У конкретному прикладі датчик 3 переміщень щупа 2 - енкодер типу ЛІР-5000. Контролер 5 управління двигуном 1 - типу Lenze 8200 Vector. Механічне з'єднання вала електродвигуна 1 через черв'ячну передачу (не показана) з валом датчика 3 переміщень щупа 2 здійснено через гнучку муфту (не показана) без пружних деформацій між ними. Блок 4 обробки даних, схема 6 визначення контакту щуп-розплав, логічна схема 7 на двох кон’юнкторах «І» й інверторі «НІ», а також реверсивний лічильник 8 імпульсів виконані на основі матриці програмувальних внутрішніх з'єднань типу ALTERA МАХ ЕРМ3 128 (програмувальна логічна інтегральна схема - ПЛІС). Пристрій контролю положення рівня пов'язаний із системою управління ростом монокристала двонапрямною напівдуплексною лінією передачі даних, обумовленою стандартом RS - 485 (ЕІА/ТІА). Пристрій контролю положення рівня розплаву в пристрої управління ростом МК працює в такий спосіб. Попередньо встановлюють час циклу управління в регуляторі діаметра (не показаний), tц = (6 10) хв. У контролері 5 управління шляхом задання частоти обертання вала двигуна 1 установлюють час циклу роботи пристрою контролю рівня, tв = (10-15) с. Організують через двонапрямну шину блока 4 обробки надходження імпульсів tц від СУ ростом кристалів на другий вхід контролера 5 (дозвіл/заборона переміщення щупа 2 двигуном 1) і імпульсів ΔNy показань РЛІ 8 – у СУ. При надходженні імпульсу tц по двонапрямній шині від СУ ростом кристалів на перший вхід/вихід блока 4 обробки даних, ПЛІС, розташована в блоці 4, дає дозвіл на переміщення щупа 2. Сигнал дозволу надходить із другого виходу блока 4 на другий вхід контролера 5 управління двигуном 1. Наявність «лог. од.» на першому виході схеми 6 визначення контакту щуп-розплав, а також на другому вході контролера 5 не вимагає попереднього 7 опитування схеми 6 про місце розташування щупа 2 у зоні виміру, оскільки розташування щупа завжди є певним - у відриві від розплаву. Тому початкове переміщення щупа 2 завжди відбувається тільки униз до моменту торкання розплаву. Крім того, «лог. од.» на першому виході схеми 6, з'єднаної із другим входом логічної схеми 7, забезпечує надходження імпульсів з виходу датчика 3 переміщень щупа 2 по першому входу схеми 7 на підсумовуючий (+1) вхід РЛІ 8. При цьому імпульси надходять із першого виходу схеми 7, тобто з виходу першого кон’юнктора, «лог. од.» на прямих входах якого забезпечують схема 6 і датчик 3, а «лог. нуль» на інверсному вході - елемент «НІ». Зворотна ситуація виникає при торканні щупом 2 поверхні розплаву, при якому схема 6 сигналом 1→0 по першому виходу, з'єднаному з першим входом контролера 5 управління забезпечує реверс двигуна 1 для переміщення рухливих елементів вимірника угору. «Лог. нуль» на першому виході схеми 6, з'єднаної із другим входом логічної схеми 7, забезпечує надходження імпульсів з виходу датчика 3 переміщень щупа 2 по першому входу схеми 7 на вхід, що віднімає (-1) РЛІ 8. При цьому імпульси надходять із другого виходу схеми 7, тобто з виходу другого кон’юнктора, «лог. од.» на прямих входах якого забезпечують елемент «НІ» й датчик 3, а «лог. нуль» на інверсному вході - перший вихід схеми 6, з'єднаної із другим входом схеми 7. Щуп 2 при своєму русі угору виходить із розплаву, витягає на своєму кінці меніск і потім відривається від розплаву. Схема 6 визначення контакту щуп-розплав змінює свій стан з 0→1 і по першому виходу, з'єднаному з першим входом контролера 5 управління, знову реверсує напрямок обертання двигуна 1, а, отже, і напрямок переміщення рухливих елементів вимірника, й забезпечує надходження імпульсів з датчика 3 на вхід (+1) РЛІ 8. Наявність логічної схеми 7 забезпечує надходження імпульсів з виходу датчика 3 переміщень щупа 2 на входи (+1) і (-1) РЛІ 8, що дозволяє точно виміряти дуже малі зміни рівня розплаву за час tц управління при рості МК і його безперервному витягуванні. Планова (не аварійна) зупинка двигуна витягування МК на час tц дозволяє точно виміряти величину падіння рівня тільки за рахунок масової швидкості росту МК. Отже, пристрій, що заявляється, збільшує точність визначення при 97602 8 чин, що чинять вплив на стабільність зниження рівня розплаву (діаметр dк або ФК), а, отже, і точність управління. Показання РЛІ 8, що відповідає зміні ΔNy рівня за tц буде дорівнювати ΔNy = (+)N1 - (-)N2, де (+)N1 - кількість імпульсів датчика 3 по входу (+1) РЛІ 8 при переміщенні щупа після початку нового циклу до торкання поверхні розплаву; (-)N2 - кількість імпульсів (до відриву від меніска розплаву) датчика 3, записана по входу (-1) РЛІ 8 у попередньому циклі tц-1 управління. Слід зазначити, що показання ΔNy РЛІ 8 у тому самому циклі tц управління дорівнює ΔNy = 0, у результаті того, що цикл роботи пристрою контролю tу набагато менше циклу tц управління tу