专利名称：直拉式单晶炉中晶体与熔硅液面熔接状态自动检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种直拉式单晶生产技术，特别是涉及一种直拉式单晶炉中 晶体与熔硅液面熔接状态自动检测装置。
背景技术：
在直拉式单晶硅生产过程中，从多晶硅料到拉制出单晶硅棒需要经过多个工 艺步骤，其中的引晶、放肩、转肩、等径和收尾等工艺步骤下，都需要监测晶体 与熔硅液面熔接的状态。其中的引晶过程为细晶的生长过程，引晶开始前需要将 籽晶棒缓慢插入熔硅液面中，待液面温度达到细晶生长要求时即可控制液面温度 和籽晶的提升速度来实现细晶的生长。而籽晶下降的过程中必须判断籽晶与熔硅 液面的熔接状态，发现熔接时应停止下降，籽晶过降将造成籽晶全熔或籽晶夹头 熔化的事故。在实际生产中，籽晶的下降过程必须操作者手动操作，通过肉眼判 断熔接状态，增加了劳动强度并存在人为因素引起的事故隐患。生产过程中经常 有此类事故发生。
在放肩、转肩、等径和收尾过程中，需要实时监测晶体与熔硅液面的熔接状 态， 一旦发现脱离液面则晶体无法继续生长，应立即中止生长并采取应对操作。
整个晶体生长过程一般有30多小时，全程需要人为观察晶体与液面的熔接状 态，因此提供一种自动检测晶体与熔硅液面熔接状态的装置，对于提高直拉式单 晶炉自动化程度、降低操作者劳动强度和防止生产事故都具有重大意义。
实用新型內容
本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种直拉式单晶炉中晶 体与熔硅液面熔接状态自动检测装置。
为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的本实用新型中的直拉式单晶炉中晶体与熔硅液面熔接状态自动检测装置，如
附图1所示包括滑轮1、引出导线2、外层包覆绝缘材料的缆索管3 (缆索管也 可以是绝缘材质制成的)、钢丝绳4、金属材质的籽晶夹头5、石英埘埚6、石 墨坩埚7、导电材料的坩埚托杆8和引出导线9;钢丝绳4的一个端头与籽晶夹 头5相连，另一端头通过滑轮1后绕在缆索管3上，缆索管3与升降驱动机构连 接；钢丝绳4与滑轮1之间是导通的，和炉体之间是绝缘的；石英坩埚6和石墨 坩埚7和导电材料的坩埚托杆8都与炉体是导通的；滑轮1上引出一根引出导线 2与炉体上引出一根引出导线9连接至一个检测报警电路，该检测报警电路包括 绝缘电阻与电容检测电路、阈值比较电路、光电隔离与驱动输出电路。 作为一种改进，所述检测报警电路通过信号线与升降驱动机构连接。 作为一种改进，所述绝缘电阻与电容检测电路包括集成运放U2、电阻 R14、电阻R7、电阻R3、电阻R13、电阻Rll、电阻R18、电容C1、电容C2、电 容C4、电容C13、电位器R0和稳压二极管Z1;电容C4和电阻R18并联一端接 电源地一端接电阻R14,电阻R13与电位器R0串联， 一端接电阻R14和集成运 放U2的第2引脚，另一端接集成运放U2的第6引脚；电容C1并联在集成运放 U2的第2、第6引脚上；电阻R7—端接电源-15V，另一端接集成运放U2的第3 引脚；电阻R13和稳压二极管Z1并联一端接电源地， 一端接集成运放U2的第3 引脚；电容C2—端接电源地， 一端接集成运放U2的第8引脚；集成运放U2的 第6引脚接电阻Rll和电容C13构成的一阶低通滤波器后输出。电容C4和电阻 R18分别为缆索管与炉体之间电容和绝缘电阻。以上元件构成负反馈放大电路将 缆索管和炉体之间电阻和电容值转换为一电压值输出。晶体脱离熔液面时U2构 成电压跟随器，输出负电压。晶体接触熔液面时U2构成同相放大电路，输出放 大后的负电压，Rll和C13构成低通滤波器对电压输出滤波。电位器R0为该放 大电路的增益调节电位器，通过调节该电位器可匹配不同的电容Csence和电阻 Rsence的影响，使输出电压电压达到后级检测要求。
作为一种改进，所述阈值比较电路包括集成运放U0、集成运放Ul、电阻 R6、电阻R4、电阻R2、电阻R1、电阻R5、电容C3、电容C12、电容C0、电位 器R9、 二极管D0;电阻R6—端连接C3，另一端接集成运放Ul的第3引脚；电 容C12—端接另一端接集成运放U1的第3引脚，另一端接电源地；集成运放U1 的第2引脚接第6弓l脚和电容C3;电容C0 —端接电源地， 一端接集成运放Ul的第8引脚；电阻R2—端接集成运放U1的第6引脚，另一端接集成运放UO的 第2引脚；电阻R4 —端接集成运放U0的第2引脚，另一端接电位器R9的第2 引脚，电位器R9的第1、 3弓I脚分别接电源+15V和-15V;电阻Rl和二极管D0 并联一端接集成运放U0的第6引脚， 一端接集成运放U0的第2引脚；电阻R5 一端接集成运放U0的第3引脚， 一端接电源地。
作为一种改进，所述光电隔离与驱动输出电路包括光耦U3、电阻R8、电阻 R12、电阻R17、电阻R16、电阻R15、三极管Q0、发光二极管Dl;发光二极管 Dl的正极为电压信号输入端，负极接光耦U3的输入级正极；电阻R8 —端接电 源地，另一端接光耦U3的输入级负极；电阻R12 —端接电源+24V，另一端接光 耦U3的输出级集电极；电阻R17 —端接三极管Q0的集电极，另一端接光耦U3 的输出级集电极；电阻R15 —端接电源+24V，另一端接三极管Q0的集电极；电 阻R16 —端接光耦U3的输出级发射极，另一端接三极管Q0的基极；三极管Q0 的发射极接信号地；三极管Q0的集电极为电路的信号输出端。
作为一种改进，所述钢丝绳绕在外层包覆绝缘材料的缆索管上。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是
可自动检测晶体与液面的熔接状态和判断熔接时刻；防止人为原因引起的籽 晶过降导致的籽晶夹头熔化事故；可全程实时监测晶体与液面熔接状态，及时产 生脱离液面报警；降低劳动强度，提高直拉式单晶炉的自动化程度，为全自动单 晶炉设计解决了关键技术。
图1是本实用新型中检测装置的结构示意图。 图2是绝缘电阻与电容检测电路图； 图3是阈值比较电路图； 图4是光电隔离与驱动输出电路图。
具体实施方式
参考附图，下面将对本实用新型进行详细描述。本实用新型设计了具有绝缘性能的钢丝绳，使钢丝绳通过绝缘的缆索管与滑 轮、升降驱动机构和石英坩埚其他部件实现了电气绝缘。晶体通过籽晶夹头与钢 丝绳连接，在电气上是导通的，而熔融状态的硅具有导电性，液面与石英坩埚炉 体存在接触电阻。在晶体未接触熔硅液面时，籽晶夹头与石英柑埚炉体之间存在 很大的绝缘电阻，而接触到液面时，该绝缘电阻突变为较小的接触电阻；另一方 面，晶体未接触熔硅液面时，籽晶夹头与石英坩埚炉体间构成电容器，在接触到 液面时，该电容器的容值产生突变。设计电路通过籽晶夹头和炉体之间的电阻和 电容产生一电压信号与设定阈值进行比较，产生开关量信号，经光电隔离并放大 后输出，即可指示晶体与熔硅液面的接触状态。
直拉式单晶炉中晶体与熔硅液面熔接状态自动检测装置，如附图l所示包括 滑轮1、引出导线2、外层包覆绝缘材料的缆索管3 (缆索管也可以是绝缘材质
制成的)、钢丝绳4、金属材质的籽晶夹头5、石英坩埚6、石墨坩埚7、导电材 料的坩埚托杆8和引出导线9;钢丝绳4的一个端头与籽晶夹头5相连，另一端 头通过滑轮1后绕在缆索管3上，缆索管3与升降驱动机构连接；钢丝绳4与滑 轮l之间是导通的，和炉体之间是绝缘的；石英坩埚6和石墨培埚7和导电材料 的坩埚托杆8都与炉体是导通的；滑轮1上引出一根引出导线2与炉体上引出一 根引出导线9连接至一个检测报警电路，该检测报警电路包括绝缘电阻与电容检 测电路、阈值比较电路、光电隔离与驱动输出电路。
所述绝缘电阻与电容检测电路包括集成运放U2、电阻R14、电阻R7、电 阻R3、电阻R13、电阻Rll、电阻R18、电容C1、电容C2、电容C4、电容C13、 电位器R0和稳压二极管Zl;电容C4和电阻R18并联一端接电源地一端接电阻 R14，电阻R13与电位器R0串联， 一端接电阻R14和集成运放U2的第2引脚， 另一端接集成运放U2的第6引脚；电容Cl并联在集成运放U2的第2、第6引 脚上；电阻R7—端接电源-15V，另一端接集成运放U2的第3引脚；电阻R13和 稳压二极管Zl并联一端接电源地， 一端接集成运放U2的第3引脚；电容C2 — 端接电源地， 一端接集成运放U2的第8引脚；集成运放U2的第6引脚接电阻 Rll和电容C13构成的一阶低通滤波器后输出。电容C4和电阻R18分别为缆索 管与炉体之间电容和绝缘电阻。以上元件构成负反馈放大电路将缆索管和炉体之 间电阻和电容值转换为一电压值输出。晶体脱离熔液面时U2构成电压跟随器， 输出负电压。晶体接触熔液面时U2构成同相放大电路，输出放大后的负电压，Rll和C13构成低通滤波器对电压输出滤波。电位器R0为该放大电路的增益调 节电位器，通过调节该电位器可匹配不同的电容Csence和电阻Rsence的影响， 使输出电压电压达到后级检测要求。采用集成运放HA17741构成负反馈放大电路 将缆索管和炉体之间电阻和电容值转化为电压值供检测，该电压值可通过电位器 调节，以适应不同单晶炉条件下的接触电阻；
所述阈值比较电路包括集成运放U0、集成运放U1、电阻R6、电阻R4、电 阻R2、电阻Rl、电阻R5、电容C3、电容C12、电容C0、电位器R9、 二极管 D0;电阻R6 —端连接C3，另一端接集成运放Ul的第3引脚；电容C12 —端接 另一端接集成运放Ul的第3引脚，另一端接电源地；集成运放Ul的第2引脚接 第6引脚和电容C3;电容C0 —端接电源地， 一端接集成运放Ul的第8引脚； 电阻R2 —端接集成运放Ul的第6引脚，另一端接集成运放U0的第2引脚；电 阻R4—端接集成运放U0的第2引脚，另一端接电位器R9的第2引脚，电位器 R9的第1、 3引脚分别接电源+i5V和-15—V—;电阻Rl和二极管D0并联一端接集成 运放U0的第6弓I脚， 一端接集成运放U0的第2引脚；电阻R5—端接集成运放 U0的第3引脚， 一端接电源地。其中集成运放Ul和电阻R6、电容C3、电容 C12、电容C0构成电压跟随器，将前级输出的电压进行隔离缓冲，集成运放U0 和电阻R4、电阻R2、电阻R1、电阻R5，电位器R9， 二极管Dl构成反相加法电 路，电位器R9调节输出一个反相的阈值电压，与前级输出的电压相加，阈值电 压为正值，前级电压为负值。由1)分析，在晶体脱离液面时，前级输出较小负 电压，将阈值的绝对值调节为大于此时前级输出电压的绝对值，经过U0构成的 反相加法电路后，输出负电压；晶体接触液面时，前级输出较大负电压，当此时 阈值绝对值小于前级输出电压的绝对值时，经过U0构成的反相加法电路后，输 出正电压。调节电位器R9将阈值绝对值设定在前级输出的两个电压绝对值的中 值上时，系统具有最大抗干扰性。采用集成运放HA17741构成加法电路将该检测 信号与设定阈值进行比较，产生指示接触状态的开关量信号，该设定阈值可通过 电位器调节，以适应不同单晶炉条件下的绝缘电阻；
所述光电隔离与驱动输出电路包括光耦U3、电阻R8、电阻R12、电阻R17、 电阻R16、电阻R15、三极管Q0、发光二极管D1;发光二极管D1的正极为电压 信号输入端，负极接光耦U3的输入级正极；电阻R8—端接电源地，另一端接光 耦U3的输入级负极；电阻R12 —端接电源+24V，另一端接光耦U3的输出级集电
8极；电阻R17—端接三极管Q0的集电极，另一端接光耦U3的输出级集电极；电 阻R15 —端接电源+24V，另一端接三极管QO的集电极；电阻R16 —端接光耦U3 的输出级发射极，另一端接三极管QO的基极；三极管QO的发射极接信号地；三 极管QO的集电极为电路的信号输出端。设计电阻R12、电阻R17、电阻R16、电 阻R15使NPN三极管QO工作于开关状态。晶体脱离液面时，输出负电压，发光 二极管Dl反向截止，光耦关断，QO截止，电路通过限流电阻R15输出24V高 电平；晶体接触液面时，输出正电压，发光二极管D1正向导通，光耦导通，QO 导通，电路输出OV低电平。开关量信号经过光耦TLP521实现光电隔离，经过 NPN三极管2N2222放大后输出，供驱动外围继电器或者PLC开关量输入点；
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然， 本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从 本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的
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权利要求1、一种直拉式单晶炉中晶体与熔硅液面熔接状态自动检测装置，包括石英坩埚，其特征在于，还包括滑轮、钢丝绳和金属材质的籽晶夹头；钢丝绳的一个端头与籽晶夹头相连，另一端头通过滑轮后绕在外层包覆绝缘材料的缆索管上，缆索管与升降驱动机构连接；钢丝绳与滑轮之间是导通的，滑轮和石英坩埚均通过引出的导线连接至一个检测报警电路，该检测报警电路包括绝缘电阻与电容检测电路、阈值比较电路、光电隔离与驱动输出电路。
2、 根据权利要求1所述的直拉式单晶炉中晶体与熔硅液面熔接状态自动检 测装置，其特征在于，所述检测报警电路通过信号线与升降驱动机构连接。
3、 根据权利要求1所述的直拉式单晶炉中晶体与熔硅液面熔接状态自动检 测装置，其特征在于，所述绝缘电阻与电容检测电路包括集成运放U2、电阻 R14、电阻R7、电阻R3、电阻R13、电阻Rll、电阻R18、电容C1、电容C2、电 容C4、电容C13、电位器R0和稳压二极管Z1;电容C4和电阻R18并联一端接 电源地一端接电阻R14，电阻R13与电位器R0串联， 一端接电阻R14和集成运 放U2的第2引脚，另一端接集成运放U2的第6引脚；电容C1并联在集成运放 U2的第2、第6引脚上；电阻R7—端接电源-15V，另一端接集成运放U2的第3 引脚；电阻R13和稳压二极管Zl并联一端接电源地， 一端接集成运放U2的第3 引脚；电容C2—端接电源地， 一端接集成运放U2的第8引脚；集成运放U2的 第6引脚接电阻Rll和电容C13构成的一阶低通滤波器后输出。电容C4和电阻 R18分别为缆索管与炉体之间电容和绝缘电阻。
4、 根据权利要求1所述的直拉式单晶炉中晶体与熔硅液面熔接状态自动检 测装置，其特征在于，所述阈值比较电路包括集成运放U0、集成运放U1、电 阻R6、电阻R4、电阻R2、电阻R1、电阻R5、电容C3、电容C12、电容C0、电 位器R9、 二极管D0;电阻R6—端连接C3，另一端接集成运放Ul的第3引脚； 电容C12 —端接另一端接集成运放Ul的第3引脚，另一端接电源地；集成运放 Ul的第2引脚接第6引脚和电容C3;电容C0 —端接电源地， 一端接集成运放 Ul的第8引脚；电阻R2—端接集成运放U1的第6引脚，另一端接集成运放UO 的第2引脚；电阻R4—端接集成运放U0的第2引脚，另一端接电位器R9的第 2引脚，电位器R9的第1、 3引脚分别接电源+15V和-15V;电阻Rl和二极管D0并联一端接集成运放U0的第6引脚， 一端接集成运放U0的第2引脚；电阻R5 一端接集成运放U0的第3引脚， 一端接电源地。
5、 根据权利要求1所述的直拉式单晶炉中晶体与熔硅液面熔接状态自动检 测装置，其特征在于，所述光电隔离与驱动输出电路包括光耦U3、电阻R8、电 阻R12、电阻R17、电阻R16、电阻R15、，三极管Q0、发光二极管D1;发光二极 管D1的正极为电压信号输入端，负极^光耦U3的输入级正极；电阻R8—端接 电源地，另一端接光耦U3的输入级负极；电阻R12—端接电源+24V，另一端接 光耦U3的输出级集电极；电阻R17 —端接三极管QO的集电极，另一端接光耦 U3的输出级集电极；电阻R15—端接电源+24V，另一端接三极管QO的集电极； 电阻R16 —端接光耦U3的输出级发射极，另一端接三极管QO的基极；三极管 QO的发射极接信号地；三极管QO的集电极为电路的信号输出端。
6、 根据权利要求1所述的直拉式单晶炉中晶体与熔硅液面熔接状态自动检 测装置，其特征在于，所述直拉式单晶炉有一炉体，石英坩埚外接设一个石墨 坩埚，导电材料的坩埚托杆连接石墨坩埚和炉体，引出的导线设于炉体上；所 述钢丝绳和滑轮与炉体之间是绝缘的。
专利摘要本实用新型涉及一种直拉式单晶生产技术，旨在提供一种直拉式单晶炉中晶体与熔硅液面熔接状态自动检测装置。该装置包括滑轮、引出导线、外层包覆绝缘材料的缆索管、钢丝绳、金属材质的籽晶夹头、石英坩埚、石墨坩埚、导电材料的坩埚托杆和引出导线；钢丝绳、滑轮、炉体与检测报警电路构成一个回路。本实用新型可自动检测晶体与液面的熔接状态和判断熔接时刻；防止人为原因引起的籽晶过降导致的籽晶夹头熔化事故；可全程实时监测晶体与液面熔接状态，及时产生脱离液面报警；降低劳动强度，提高直拉式单晶炉的自动化程度，为全自动单晶炉设计解决了关键技术。
文档编号C30B15/20GK201301357SQ200820166558
公开日2009年9月2日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者俊 张, 曹建伟, 邱敏秀 申请人:上虞晶盛机电工程有限公司;杭州慧翔电液技术开发有限公司