一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统

本发明属于自动化控制领域，具体涉及一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统。

背景技术：

1、第三代宽禁带半导体材料氮化镓具有禁带宽度大、介电常数小、热导率高、击穿场强高、化学稳定性好等独特性能，可以应用于雷达、移动通信领域等高频领域和电力供应等大功率场合。

2、目前生长氮化镓单晶主要有四种方法：氢化物气相外延法、氨热法、高压溶液法和钠助熔剂法，其中，钠助熔剂法由于其生长晶体位错密度低、生长条件较温和(2-5mpa，700-900℃)、生长速度较快、生长设备简单等优势，被认为可能是未来生长大尺寸、高质量氮化镓单晶的最优选择；在钠助熔剂法中，影响氮化镓生长的主要因素有温度、压力和助熔剂(na、li、ca等)与镓的料比等。由于生长过程中原料镓的消耗，助熔剂与镓的比例会发生变化，因此需要调整温度和压力以保持过饱和度恒定，使晶体生长平稳进行，这意味着生长过程中需要对温度和压力进行动态调节；压力对生长的影响尤其敏感，需要在生长过程中对压力进行持续地精确调控；并且温度和压力并不是完全独立的参量，压力会影响反应环境中的温度梯度，温度的变化也会引起密闭空间内的压力变化，因此温度和压力必须联动调控。综合以上三个原因，发明一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统非常重要。

3、而目前有以下几种温度和压力的联动调控方法：

4、(1)手动调节气压，该方法存在可靠度差(无法精准地调节至所需气压)、耗时、效率低，并且无法对整个生长过程进行持续性地动态调节。

5、(2)晶体生长的自动控制系统，而该系统只有对温度或压力的单独控制，缺乏了二者的联动调控，不适合需要高温高压条件的晶体生长方法；

6、实现温度和压力同时控制的系统，存在精确度较差，无法应用于对于生长条件敏感的晶体生长实验，如《一种供热锅炉温度压力自动控制装置》；

7、(3)气路自动控制系统中没有给出具体的压力持续动态调节方法，在实际过程中难以实施，如《一种工作于强电磁辐射环境中的远程气路自动控制系统》。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，解决了现有的氮化镓单晶生长的温度压力控制方法存在的可靠度差、精度差的缺陷。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供的一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，包含气路系统、温控系统、压力采集系统和自动控制系统，所述气路系统、压力采集系统和温控系统均与自动控制系统控制连接，其中：

4、所述压力采集系统用于采集反应釜的压力信息，并将采集到的压力信息传输至自动控制系统；

5、所述气路系统用于向反应釜提供压力；

6、所述温控系统用于向反应釜提供温度；

7、所述自动控制系统用于根据接收到的压力信息和温度信息联动控制气路系统。

8、优选地，所述气路系统包括气源，所述气源的出气口通过进气支路连接反应釜的进气口；所述反应釜上还设置有排空支路。

9、优选地，所述进气支路包括进气管道，所述进气管道上设置有进气电磁阀和釜控电磁阀，其中，所述进气电磁阀置于气源的出气口处；所述釜控电磁阀置于反应釜的进气口处；所述进气电磁阀和釜控电磁阀与自动控制系统控制连接。

10、优选地，所述排空支路包括排气管道，所述排空管道上设置有排空电磁阀，所述排空电磁阀置于釜控电磁阀的下游；所述排空电磁阀与自动控制系统控制连接。

11、优选地，所述气路系统还包括用于对反应釜进行抽真空的真空支路。

12、优选地，所述真空支路包括真空泵和抽真空管道，所述真空泵的进气口与抽真空管道连接，所述抽真空管道的进气口与反应釜支路连接。

13、优选地，压力采集系统包括压力变送器，所述压力变送器安装在反应釜支路连接。

14、优选地，所述温控系统包括热电偶和温控装置，其中，所述热电偶安装在反应釜上，用于采集反应釜的温度，并将采集到的温度传输至温控装置；所述温控装置用于设置并执行控温程序。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、本发明提供的一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，利用温控系统和压力采集系统获取氮化镓单晶生长所使用的反应釜中的温度和压力，利用自动控制系统设置温度初始值、压力初始值、温度最终值和压力最终值，最后并形成温度随时间变化曲线以及压力随时间变化曲线；之后利用气路系统和温控系统实现对反应釜内的气压和温度进行调节，实现了氮化镓单晶生长时温度和压力的联动调控，同时代替了传统的人工调节，可以大大增加实验的效率和可靠性。

技术特征：

1.一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，其特征在于，包含气路系统、温控系统、压力采集系统和自动控制系统，所述气路系统、压力采集系统和温控系统均与自动控制系统控制连接，其中：

2.根据权利要求1所述的一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，所述气路系统包括气源(12)，所述气源(12)的出气口通过进气支路连接反应釜(13)的进气口；所述反应釜(13)上还设置有排空支路。

3.根据权利要求2所述的一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，所述进气支路包括进气管道，所述进气管道上设置有进气电磁阀(1)和釜控电磁阀(2)，其中，所述进气电磁阀(1)置于气源(12)的出气口处；所述釜控电磁阀(2)置于反应釜(13)的进气口处；所述进气电磁阀(1)和釜控电磁阀(2)与自动控制系统控制连接。

4.根据权利要求3所述的一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，所述排空支路包括排气管道，所述排空管道上设置有排空电磁阀(3)，所述排空电磁阀(3)置于釜控电磁阀(2)的下游；所述排空电磁阀(3)与自动控制系统控制连接。

5.根据权利要求1所述的一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，所述气路系统还包括用于对反应釜进行抽真空的真空支路。

6.根据权利要求5所述的一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，所述真空支路包括真空泵(11)和抽真空管道，所述真空泵(11)的进气口与抽真空管道连接，所述抽真空管道的进气口与反应釜支路连接。

7.根据权利要求1所述的一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，压力采集系统包括压力变送器(10)，所述压力变送器(10)安装在反应釜支路连接。

8.根据权利要求1所述的一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，所述温控系统包括热电偶和温控装置，其中，所述热电偶安装在反应釜上，用于采集反应釜的温度，并将采集到的温度传输至温控装置；所述温控装置用于设置并执行控温程序。

技术总结
本发明提供的一种适用于氮化镓单晶生长的温度压力联动调控的自动化控制系统，包含气路系统、温控系统、压力采集系统和自动控制系统，所述气路系统、压力采集系统和温控系统均与自动控制系统控制连接，其中：所述压力采集系统用于采集反应釜的压力信息，并将采集到的压力信息传输至自动控制系统；所述气路系统用于向反应釜提供压力；所述温控系统用于向反应釜提供温度；所述自动控制系统用于根据接收到的压力信息和温度信息联动控制气路系统；本发明实现了氮化镓单晶生长时温度和压力的联动调控，同时代替了传统的人工调节，可以大大增加实验的效率和可靠性。

技术研发人员：李振荣,杨琛,闫豪,马明,黄戈萌,夏颂
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12