一种用于测量单晶硅球密度差值的压力悬浮装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提出了一种用于测量单晶硅球密度差值的压力悬浮装置。所述压力悬浮装置包括：外壳主体；密封单元，设置于外壳主体的顶端和底端，和外壳主体一起构成密封的腔体；隔离单元，置于所述腔体内，以隔离第一单晶硅球和第二单晶硅球，其中，所述腔体为上下均匀的柱状腔体，所述隔离单元为板状结构，隔离单元的形状和大小接近于该柱状腔体的横截面的形状和大小。本实用新型应用于基于压浮法的不同单晶硅球的密度差值测量系统中，通过在第一单晶硅球和第二单晶硅球之间设置隔离单元，降低了测量过程中单晶硅球间的相互波动影响，从而提高测量的精确度。
【专利说明】
一种用于测量单晶硅球密度差值的压力悬浮装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及固体材料密度测量领域，具体涉及一种用于测量单晶硅球密度差 值的压力悬浮装置。
【背景技术】
[0002] 单晶硅球具有高纯度和密度稳定的特性，因而被作为固体和液体密度的测量基 准，同时也是计算阿伏伽德罗常数的重要基础之一。目前常采用压浮法对不同单晶硅球的 密度差值进行测量。
[0003] 基于压浮法的不同单晶硅球的密度差值测量是指在一定的温度下，通过调节压 力，并利用液体的压缩系数控制液体密度，分别使基准单晶硅球和待测单晶硅球在液体中 悬浮，然后根据悬浮状态时液体的温度、压力和单晶硅球的悬浮高度得到基准单晶硅球与 待测单晶硅球的密度差值。
[0004] 图1是利用基于压浮法的不同单晶硅球的密度差值测量系统原理图。该系统主要 包括压力悬浮装置101、位移测量装置102、压力测量控制装置103、温度测量控制装置104和 处理单元105。基准单晶硅球SjP待测单晶硅球S 2置于装有工作液体的压力悬浮装置101中， 其中工作液体的密度接近于单晶硅球的密度。通过调节压力测量控制装置103和温度测量 控制装置104,使基准单晶硅球5:和待测单晶硅球5 2分别在液体中处于稳定悬浮状态。由基 准单晶硅球S1的密度、液体及单晶硅球的温度膨胀系数和液体及单晶硅球的压缩系数，得 到基准单晶硅球一:与被测单晶硅球3 2的密度差值Δ p，即
[0005]
Cl^
[0006] 其中，ti、pi和hi分别为基准单晶娃球Si在液体中处于稳定悬浮状态时的液体温 度、静压力和基准单晶硅球S1的质心高度;t 2、pdPh2分别为待测单晶硅球32在液体中处于稳 定悬浮状态时的液体温度、静压力和待测单晶硅球S 2的质心高度；γ i为液体的温度膨胀系 数；γ S1为单晶硅球的温度膨胀系数A1为液体的压缩系数;Ks1为单晶硅球的压缩系数;g为 重力加速度;P为基准单晶硅球一:的密度。具体可详见《基于压浮原理的单晶硅球密度比较 测量方法研究》，刘子勇等，计量学报，第34卷第2期。
[0007] 基于压浮法的不同单晶硅球是密度差值测量系统具有极高的密度差分辨能力，能 够测量密度的细微变化。但是该系统的缺点是测量过程中单晶硅球间的相互波动影响其悬 浮的稳定性，从而严重影响测量的精确度。 【实用新型内容】
[0008] 为降低测量过程中单晶硅球间的相互波动影响，本实用新型提出了一种用于测量 单晶硅球密度差值的压力悬浮装置，其可应用于基于压浮法的不同单晶硅球的密度差值测 量系统中。
[0009] 本实用新型提出了一种用于测量单晶硅球密度差值的压力悬浮装置，该压力悬浮 装置包括:外壳主体;密封单元，设置于外壳主体的顶端和底端，和外壳主体一起构成密封 的腔体;隔离单元，置于所述腔体内，以隔离第一单晶硅球和第二单晶硅球;其中，所述腔体 为上下均匀柱状腔体，所述隔离单元为板状结构，隔离单元的形状和大小接近于该柱状腔 体的横截面的形状和大小。
[0010] 可选地，所述隔离单元上可以设置有通孔。
[0011] 可选地，所述压力悬浮装置还可以包括:支杆，每个支杆可以沿着从顶端到底端的 方向设置于外壳主体的内壁上。
[0012] 可选地，所述腔体可以为上下均匀的圆柱状腔体，所述支杆的数量为6,6个支杆均 匀设置于外壳主体的内壁上，相邻支杆与外壳主体的中轴线所形成的夹角为60°。
[0013] 可选地，所述压力悬浮装置还可以包括：用于测量置于所述腔体内的第一单晶硅 球或第二单晶硅球的位移的激光测距仪，所述激光测距仪可以设置于外壳主体的外部。
[0014] 可选地，所述隔离单元可以由聚四氟乙烯制成。
[0015] 可选地，所述密封单元可以由聚四氟乙烯制成。
[0016] 可选地，所述支杆可以由聚四氟乙烯制成。
[0017] 可选地，所述外壳主体可以为玻璃圆筒。
[0018] 可选地，所述密封单元背向所述腔体的一侧上可以固定有不锈钢吊钩。
[0019] 本实用新型通过在第一单晶硅球和第二单晶硅球之间设置隔离单元，降低了测量 过程中单晶硅球间的相互波动影响，从而提高测量的精确度。
【附图说明】
[0020] 通过结合附图对本实用新型示例性实施例进行更详细的描述，本实用新型的上述 以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在实用新型示例性实施方式中，相同的 参考标号通常代表相同部件。
[0021] 图1示出了现有技术中利用基于压浮法的不同单晶硅球的密度差值测量系统原理 图。
[0022] 图2示出了根据本实用新型的一个实施例的一种用于测量单晶硅球密度差值的压 力悬浮装置的示意性结构图。
[0023] 图3示出了根据本实用新型的一个实施例的隔离单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面将参照附图更详细地描述本实用新型的优选实施例。虽然附图中显示了本实 用新型的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述 的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本实用新型更加透彻和完整，并且能够将 本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0025] 实施例
[0026] 本实用新型中，如无明确的不同理解，术语"顶、底、上、下"参照图2所示的方向。
[0027] 图2示出了根据本实用新型的一个实施例的一种用于测量单晶硅球密度差值的压 力悬浮装置的示意性结构图。如图2所示，该压力悬浮装置可以包括:外壳主体201;密封单 元202,设置于外壳主体201的顶端和底端，和外壳主体201-起构成密封的腔体；隔离单元 203,置于所述腔体内，以隔离第一单晶硅球和第二单晶硅球;其中，所述腔体为上下均匀的 柱状腔体，所述隔离单元203为板状结构，隔离单元203的形状和大小接近于该柱状腔体的 横截面的形状和大小。
[0028] 本实施例中，隔离单元203不与其他部件相连接。在对第一单晶娃球进行测量时， 隔离单元203下沉以压住第二单晶硅球，使其抵靠在腔体底端的密封单元202上;在对第二 单晶硅球进行测量时，将压力悬浮装置垂直旋转180°，隔离单元203再次下沉以压住第一单 晶硅球，使其抵靠在腔体底端的密封单元202上。测量过程中，由于隔离单元203的形状和大 小接近于柱状腔体的横截面的形状和大小，因此，其可充分隔离第一单晶硅球和第二单晶 硅球，以降低二者间的相互波动影响，提高测量的精确度。
[0029] 可选地，外壳主体可以为玻璃圆筒，例如，筒壁厚度可以为约8_。
[0030] 在一个示例中，隔离单元203上可以设置有通孔，如图3所示。工作液体可以为二溴 乙烷溶液和三溴丙烷溶液按照3: 5混合配置而成，三溴丙烷溶液的密度大于二溴乙烷溶液 的密度，为得到精确的测量效果，需要两种溶液充分接触以确保工作液体处处都保持密度 相等，即期望工作液体可充分同质化。由于隔离单元203的形状和大小接近于柱状腔体的横 截面的形状和大小，仅通过隔离单元203外侧与外壳主体201的内壁间的缝隙来实现工作液 体同质化的速度较慢，因此通过在隔离单元203上设置通孔，可以增强隔离单元203上下两 侧的工作液体同质化，加快该同质化过程，进一步提高测量的精确度。
[0031] 回到图2，在一个示例中，压力悬浮装置还可以包括支杆204，每个支杆204可以沿 着从顶端到底端的方向设置于外壳主体201的内壁上，以避免单晶硅球与外壳主体201直接 触碰接触而影响测量的精确度。
[0032] 在一个示例中，所述腔体可以为上下均匀的圆柱状腔体，支杆的数量可以为6,6个 支杆可以均匀分布于外壳主体201的内壁上，相邻支杆204与外壳主体201的中轴线所形成 的夹角为60°。这既可避免设置过多支杆导致加工难度增大和生产成本增加，又可确保在测 量过程中单晶硅球不会与内壁直接接触。
[0033] 在一个示例中，压力悬浮装置还可以包括用于测量置于所述腔体内的第一单晶硅 球或第二单晶硅球的位移的激光测距仪，所述激光测距仪设置于外壳主体201的外部。当置 于所述腔体内的第一单晶硅球或第二单晶硅球悬浮时，可以利用激光测距仪测量第一单晶 硅球或第二单晶硅球的位移，以判断第一单晶硅球或第二单晶硅球是否处于稳定悬浮状 态。激光测距仪在工作时可以向目标物(例如，第一单晶硅球或第二单晶硅球的质心)射出 一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，通过测定的激光束从出射到接收的 时间，从而计算出与目标物间的距离。例如，在一定时间内，激光测距仪两次向第一单晶硅 球或第二单晶硅球射出激光，获得两个从激光测距仪到第一单晶硅球或第二单晶硅球的距 离，进而计算得到第一单晶硅球或第二单晶硅球的位移。当第一单晶硅球或第二单晶硅球 的位移小于Imm时，可以确定第一单晶硅球或第二单晶硅球达到稳定悬浮状态。激光测距仪 具有操作简单，测量速度快，精准度高等优点，大大提高了判断效率和准确度。
[0034]在一个示例中，隔离单元203可以由聚四氟乙烯制成。聚四氟乙烯具有稳定的化学 特性，能够抗酸碱腐蚀，并且不溶于有机溶剂，同时，聚四氟乙烯具有极低的摩擦系数，可以 起到与单晶硅球摩擦保护的润滑作用。
[0035]在一个示例中，密封单元202可以由聚四氟乙烯制成。
[0036]在一个示例中，支杆204可以由聚四氟乙烯制成。
[0037]在一个示例中，密封单元202背向所述腔体的一侧上可以固定有不锈钢吊钩，以方 便与基于压浮法的不同单晶硅球的密度差值测量系统中的其他装置(例如电萌芦吊机)相 连接，并为旋转操作提供便利。
[0038] 应用示例
[0039] 以下介绍了应用本实用新型的压力悬浮装置、基于压浮法来测量不同单晶硅球的 密度差值的具体应用示例，以便于更好的理解本实用新型。本领域技术人员应理解，以下示 例的目的仅为了示例性地说明本实用新型实施例的有益效果，并不意在将本实用新型实施 例限制于所给出的任何示例。
[0040] 用于测量单晶硅球密度差值的系统可以包括压力测量控制装置、温度测量控制装 置和根据本实用新型的压力悬浮装置等。可以将第一单晶硅球、第二单晶硅球和工作液体 共同置于根据本实用新型的压力悬浮装置中，其中，第一单晶硅球和第二单晶硅球置于隔 离单元上下两侧，如图2所示。
[0041] (1)获得当第一单晶硅球稳定悬浮状态时所需的相关参数
[0042] 将压力悬浮装置竖直放置，且使第二单晶硅球处于下方。隔离单元下沉压住第二 单晶硅球，使其抵靠在腔体底端的密封单元上。压力测量控制装置和温度测量控制装置可 以调节并控制工作液体的压力和温度，从而改变工作液体的密度。由于单晶硅球的密度与 工作液体的密度相近，所以工作液体的密度有微小的变化都会导致单晶硅球的悬浮状态发 生改变。通过调节工作液体的压力和温度，使第一单晶硅球稳定悬浮于工作液体中，得到此 时工作液体的压力、温度和第一单晶硅球的质心高度。
[0043]在上述过程中，可以利用激光测距仪测量第一单晶硅球的位移，以判断第一单晶 硅球是否处于稳定悬浮状态。例如，可以在激光测距仪测得第一单晶硅球的位移小于Imm的 情况下，确定第一单晶娃球处于稳定悬浮状态。
[0044] (2)获得当第二单晶硅球稳定悬浮状态时所需的相关参数
[0045] 将压力悬浮装置垂直旋转180°，使第一单晶硅球处于下方。隔离单元再次下沉以 压住第一单晶硅球，使其抵靠在腔体底端的密封单元上。可以调节工作液体的压力和温度， 使第二单晶硅球稳定悬浮于工作液体中，得到此时工作液体的压力、温度和第二单晶硅球 的质心高度。
[0046] 同样地，在该过程中，可以利用激光测距仪测量第二单晶硅球的位移，以判断第二 单晶硅球是否处于稳定悬浮状态。例如，可以在激光测距仪测得第二单晶硅球的位移小于 Imm的情况下，确定第二单晶娃球处于稳定悬浮状态。
[0047] (3)获得第一单晶硅球和第二单晶硅球的密度差值
[0048] 利用第一单晶硅球处于稳定悬浮状态下的工作液体压力、温度和第一单晶硅球的 质心高度，第二单晶硅球处于稳定悬浮状态下的工作液体压力、温度和第二单晶硅球的质 心高度，其中一个(第一或第二)单晶硅球的密度值，以及压浮法原理公式（1)，得到第一单 晶硅球与第二单晶硅球的密度差值。进一步地，基于该密度差值可以得到另一个(第二或第 一)单晶硅球的密度值。
[0049] 进一步地，可通过重复上述过程，获得第一、第二单晶硅球的多组密度差值，进一 步基于该多组密度差值得到该密度差值的平均值，进而使测量的结果更精确。
[0050]上述技术方案只是本实用新型的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言， 在本实用新型公开了应用方法和相关原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形， 而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的方式只是优选的， 而并不具有限制性的意义。
【主权项】
1. 一种用于测量单晶硅球密度差值的压力悬浮装置，其特征在于，所述压力悬浮装置 包括： 外壳主体(201); 密封单元(202)，设置于外壳主体(201)的顶端和底端，和外壳主体(201)-起构成密封 的腔体； 隔离单元(203)，置于所述腔体内，以隔离第一单晶硅球和第二单晶硅球； 其中，所述腔体为上下均匀的柱状腔体，所述隔离单元（203)为板状结构，隔离单元 (203)的形状和大小接近于该柱状腔体的横截面的形状和大小。2. 根据权利要求1所述的压力悬浮装置，其特征在于， 所述隔离单元(203)上设置有通孔。3. 根据权利要求1所述的压力悬浮装置，其特征在于，所述压力悬浮装置还包括： 支杆(204)，每个支杆(204)沿着从顶端到底端的方向设置于外壳主体(201)的内壁上。4. 根据权利要求3所述的压力悬浮装置，其特征在于， 所述腔体为上下均匀的圆柱状腔体，所述支杆(204)的数量为6,6个支杆(204)均匀设 置于外壳主体(201)的内壁上，相邻支杆(204)与外壳主体(201)的中轴线所形成的夹角为 60。。5. 根据权利要求1所述的压力悬浮装置，其特征在于，所述压力悬浮装置还包括： 用于测量置于所述腔体内的第一单晶硅球或第二单晶硅球的位移的激光测距仪，所述 激光测距仪设置于外壳主体(201)的外部。6. 根据权利要求1所述的压力悬浮装置，其特征在于， 所述隔离单元(203)由聚四氟乙烯制成。7. 根据权利要求1所述的压力悬浮装置，其特征在于， 所述密封单元(202)由聚四氟乙烯制成。8. 根据权利要求3所述的压力悬浮装置，其特征在于， 所述支杆(204)由聚四氟乙烯制成。9. 根据权利要求1所述的压力悬浮装置，其特征在于， 所述外壳主体(201)为玻璃圆筒。10. 根据权利要求1所述的压力悬浮装置，其特征在于， 所述密封单元(202)背向所述腔体的一侧上固定有不锈钢吊钩。
【文档编号】G01N9/10GK205426715SQ201521050483
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月16日
【发明人】李之昊, 王金涛, 陈超云, 刘翔, 刘子勇, 佟林, 暴雪松, 张培满
【申请人】中国计量科学研究院