一种用于硅铸锭炉的固液界面测定装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，包括：用于与硅铸锭炉中的固态多晶硅接触的石英棒；第一活塞杆处于伸出状态的气缸，第一活塞杆与石英棒连接；用于驱动石英棒上下直线运动的驱动装置；安装于气缸的第一活塞杆与石英棒之间，用于感应石英棒与固态多晶硅接触所产生的作用力的压力传感器；分别与驱动装置和压力传感器电连接，用于接收压力传感器所采集的信号，并根据接收到的信号控制驱动装置驱动石英棒上升或下降的PLC。本发明的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置的结构简单、制造成本低、使用方便并且测量结构准确，并能自动获得硅铸锭炉内熔融硅的深度，而无需测量人员频繁的手动在硅铸锭炉内插入石英棒并进行读数，使测量人员得以解放。
【专利说明】—种用于硅铸锭炉的固液界面测定装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，特别涉及一种用于硅铸锭炉的用以测定熔融硅深度的装置，属于硅铸锭【技术领域】。
【背景技术】
[0002]太阳能电池用于将光能转换为电能(光伏发电)。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为:1、以非晶硅、多晶硅和单晶硅为材料的太阳能电池；2、以II1- V族化合物半导体如GaAs、Inp等多元化合物为材料的太阳能电池；3、以铜铟硒(CuInSe2)为材料生产的太阳能电池；4、以其他材料生产的太阳能电池。太阳能电池对材料的一般要求是:1、半导体的晶带不能太宽；2、要有较高的光电转换效率；3、材料本身对环境不造成污染；4、材料来源广泛，并且材料的性能稳定。综合以上几方面因素考虑，硅材料是最理想的太阳能电池材料。虽然制作太阳电池的材料很多，硅材料因具有易于获得、成本合理，以及它在制作太阳电池时，电学、物理及化学性质方面具有适当的平衡，而被普遍应用于太阳能电池的制备。
[0003]目前硅材料中应用最普遍的是晶体硅材料，包括单晶硅和多晶硅，晶体硅太阳能电池最突出的特点是它的稳定高效性。晶体硅材料的制备方法包括:单晶硅的直拉(Czochralski)法和区熔(Floating Zone)法以及多晶娃的定向凝固法(DirectionalSolidification)。定向凝固法铸造晶体娃可以生产大的晶体娃锭,相对于目前的CZ法和FZ法，其生长工艺过程简单，生产成本低，并且在硅锭开方时可以获得大的方形多晶硅片，降低了下游电池加工过程中的成本。
[0004]定向凝固法铸造晶体硅铸造过程中，坩埚中的硅材料可能的存在形式为全部熔融状态、部分熔融部分固态、全部为固态。当硅材料的存在状态是部分熔融部分固态时、在熔融部分和固态部分之间存在`固-液界面。在定向凝固法铸造晶体硅工艺中，对于硅材料由固态加热至熔融状态以及由熔融状态冷凝为固态的过程来说，是决定晶体均匀程度的重要因素之一，因此固液界面的监测非常重要。通常对多晶炉内的固态多晶硅高度进行测量，以便计算出长晶速度。
[0005]目前，测量固-液界面普遍是采用测量人员插拔石英棒，通过石英棒与固态多晶硅的碰撞来判断熔融状态的硅溶液的深度。即在石英棒旁边竖立一个刻度尺，由测量人员对石英棒的位置在刻度尺上进行读数，通过对所读数值进行分析、计算，从而得出单位时间内石英棒与铸锭炉内的固态多晶硅接触的位置的变化值。采用这种方法，需要测量人员频繁地到铸锭炉的顶上对石英棒的位置在刻度尺上进行读数，并时刻关注石英棒的动向从而及时读取刻度尺上的数值，不仅测量人员的劳动强度大，而且测量准确度难以得到保证。
【发明内容】
[0006]鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、测量准确、能降低工作人员劳动强度的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案:一种用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，包括:
[0008]用于与硅铸锭炉中的固态多晶硅接触的石英棒；
[0009]第一活塞杆处于伸出状态的气缸,所述第一活塞杆与所述石英棒连接；
[0010]用于驱动所述气缸从而带动所述石英棒上下直线运动的驱动装置；安装于所述气缸的第一活塞杆与所述石英棒之间，用于感应所述石英棒与所述固态多晶硅接触所产生的作用力的压力传感器；
[0011]分别与所述驱动装置和所述压力传感器电连接，用于接收所述压力传感器所采集的信号，并根据接收到的所述压力传感器的信号控制所述驱动装置驱动所述石英棒上升或下降的PLC。
[0012]作为优选，所述驱动装置为丝杠螺母机构，所述丝杠螺母机构包括步进电机、丝杠和螺母，所述步进电机与所述丝杠连接用于带动所述丝杠转动，所述螺母套设在丝杠上并在所述步进电机驱动所述丝杠转动的同时沿所述丝杠上下移动。
[0013]作为优选，所述螺母上固定连接有运动底板，所述气缸的缸体固定在所述运动底板上，并随所述运动底板上下直线运动，所述第一活塞杆的一端连接有连接臂，所述石英棒的上端安装在所述连接臂上。
[0014]作为优选，所述运动底板的上端向远离所述驱动装置的一侧延伸出水平的安装板，所述气缸的缸体固定在所述安装板上，所述气缸的第一活塞杆穿过所述安装板；
[0015]所述运动底板远离所述驱动装置的一侧设置有导向板，所述导向板上开设有垂直的导向槽，所述气缸的第一活塞杆上设置有与所述导向槽相适配的导向块，所述导向块嵌在所述导向槽内并沿所述导向槽上下直线运动。
[0016]作为优选，所述连接臂上开设有贯通所述连接臂上、下表面的贯通孔，所述石英棒通过连接件与所述连接臂连接，所述连接件包括穿设于所述贯通孔内的圆柱状杆体、设置在所述杆体上端的第一卡件和设置在所述杆体上的第二卡件，所述第一卡件卡挡在所述连接臂上表面，所述第二卡件卡挡在所述连接臂的下表面，所述贯通孔的孔径大于所述杆体的直径。
[0017]作为优选，所述第一卡件与所述杆体一体成型，所述第二卡件在所述杆体贯穿于所述贯通孔内后焊接于所述杆体上。
[0018]作为优选，所述第一卡件与所述杆体一体成型，所述杆体上开设有外螺纹，所述第二卡件为与所述杆体相适配的螺母。
[0019]作为优选，所述连接件采用橡胶材料制成。
[0020]作为优选，所述连接件采用金属材料制成。
[0021]作为优选，所述气缸的活塞的一侧连接有所述第一活塞杆，另一侧连接有第二活塞杆，所述第二活塞杆上或者所述缸体上设置有位置传感器。
[0022]与现有技术相比，本发明的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置的有益效果在于:
[0023]1、本发明的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置的结构简单、制造成本低、使用方便并且测量结构准确。
[0024]2、本发明的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置通过石英棒插入的深度能自动获得硅铸锭炉内熔融硅的深度，而无需测量人员频繁的手动在硅铸锭炉内插入石英棒并进行读数，使测量人员得以解放。[0025]3、本发明的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置设置有人机界面，通过PLC接收来自位置传感器和压力传感器的信号进行计算分析，从而得到熔融硅溶液的深度数值，并将该数值显示于人机界面上，使得本发明的固液界面测定装置能够直接由人机界面输出液体深度值，从而省去了人工计算分析的步骤，提高了测量效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明的实施例一的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置的结构示意图；
[0027]图2为图1中A部分的放大图；
[0028]图3为本发明的实施例一的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置的控制原理框图；
[0029]图4为本发明的实施例二的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置的结构示意图；
[0030]图5为本发明的实施例二的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置的控制原理框图。
[0031]主要附图标记说明
[0032]1-石英棒2-气缸
[0033]22-缸体23-活塞
[0034]24-第一活塞杆25-第二活塞杆
[0035]3-驱动装置31-步进电机
[0036]32-驱动装置的控制单元4-压力传感器
[0037]5-人机界面6-PLC
[0038]7-运动底板8-连接臂
[0039]81-贯通孔9-安装板
[0040]10-导向板11-导向块
[0041]12-连接件121-杆体
[0042]122-第一^N牛123-第二卡件
[0043]13-位置传感器14-上盖
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图和 具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
[0045]实施例一
[0046]如图1至图3所示，本发明的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，包括:石英棒1、气缸2、驱动装置3、压力传感器4和PLC 6，石英棒I垂直设置，用于与硅铸锭炉中的固态多晶硅接触以检测固态多晶硅的高度即硅铸锭炉内熔融硅材料的深度，图1中未示出硅铸锭炉，仅示出了娃铸锭炉的上盖14,石英棒I从上盖14的开孔中伸入到娃铸锭炉内。气缸2的第一活塞杆24永远处于伸出状态，第一活塞杆24与石英棒I连接。驱动装置3用于驱动气缸2上下直线运动，由于石英棒I与气缸2的第一活塞杆24固定连接，所以石英棒I在驱动装置3的带动下能够作上下直线运动。压力传感器4安装于气缸2的第一活塞杆24与石英棒I之间，用于感应石英棒I与所述硅铸锭炉内的固态多晶硅接触所产生的作用力。如图3所示，PLC 6分别与驱动装置的控制单元32和压力传感器4电连接，用于接收压力传感器4所采集的信号，并根据接收到的压力传感器4的信号控制驱动装置3驱动气缸2从而驱动石英棒I上升或下降。[0047]作为本实施例的一种优选方案，本发明的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置还可以包括人机界面5，人机界面5与PLC6电连接，人机界面5用于对测量过程进行参数设定并显示测量结果。
[0048]作为本实施例的一种优选方案，驱动装置3为丝杠螺母机构，丝杠螺母机构包括步进电机31、丝杠(图中未示出)和螺母(图中未示出)，步进电机31与所述丝杠连接用于带动所述丝杠转动，所述螺母套设在丝杠上并在步进电机31驱动所述丝杠转动的同时沿所述丝杠上下移动。
[0049]作为本实施例的进一步优选方案，为了使驱动装置3能驱动气缸2作上下直线运动，本实施例采用了这样的结构:所述螺母上固定连接有运动底板7 (或称为机械臂)，气缸2的缸体22固定在运动底板7上，并随运动底板7上下直线运动，第一活塞杆24的一端连接有连接臂8，石英棒I的上端安装在连接臂8上。
[0050]作为再进一步的优选方案，运动底板7的上端向远离驱动装置3的一侧延伸出水平的安装板9，气缸2的缸体22固定在安装板9上，气缸2的第一活塞杆24穿过安装板9后与石英棒I连接。运动底板7远离驱动装置3的一侧设置有导向板10，导向板10上开设有垂直的导向槽(图中未不出)，气缸2的第一活塞杆24上设置有与导向槽相适配的导向块11，导向块11嵌在所述导向槽内并沿所述导向槽上下直线运动。导向板10和导向块11的配合设计，可以保证第一活塞杆24的上下直线运动，防止运动过程中的偏移，从而也就保证了石英棒I的上下直线运动(垂直运动)，使熔融硅深度的测量结果的准确性提高。
[0051]为了防止由于石英棒I与固态多晶硅不良接触造成石英棒I破损，作为更进一步的优选，如图2所示，连接臂8上开设有贯通连接臂8上、下表面的贯通孔81，石英棒I通过连接件12与连接臂8连接，连接件12包括穿设于贯通孔81内的圆柱状杆体121、设置在杆体121上端的第一卡件122和设置在杆体121上的第二卡件123，第一卡件122卡挡在连接臂8的上表面，第二卡件123卡挡在连接臂8的下表面，贯通孔81的孔径大于杆体121的直径。石英棒I连接在连接件12设置有第二卡件123的一端。当固态多晶硅对石英棒I的反作用力过大时，或石英棒I接触固态多晶硅后，驱动装置3未及时驱动气缸2及石英棒I上升时，由于贯通孔81与杆体121之间存在一定的间隙，允许连接件12在左右方向上有一定的运动。可以释放石英棒I上的力，从而防止石英棒I破损。
[0052]作为进一步的优选，如图2所示，第一^N牛122与杆体121 —体成型，杆体121从上向下穿设于贯通孔81内，然后将第二卡件123焊接于杆体121上，此时的连接件12可以米用金属材料。
[0053]当然，连接件12也可以采用这样的结构:第一^N牛122与杆体121—体成型，在杆体121上开设有外螺纹，第二卡件123为与杆体121相适配的螺母，通过将所述螺母沿所述杆体121向上旋转或向下旋转，实现连接件12与贯通孔81的连接或拆卸。此时的连接件12可以采用金属材料。
[0054]作为本实施例的优选方案，连接件12还可以采用橡胶材料制成。此时，第一^N牛122与杆体121也可以一体成型，但第二卡件123与杆体121便不能采用焊接或螺纹连接的方式连接，而可以采用如粘接的方式连接。也就是实现了石英棒I与连接臂8的柔性连接。
[0055]下面对本发明的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置的工作过程进行简要介绍:[0056]首先需要说明的是:
[0057]1、本发明中的气缸2的第一活塞杆24永远处于伸出状态,并能保持该状态,第一活塞杆24能承受较小的向上的作用力而不会缩回到气缸2内，也就是在不超过第一活塞杆24的预定作用力时，第一活塞杆24伸出气缸2的缸体22的长度不变，但对第一活塞杆24的向上的作用力超过一定预定值时，第一活塞杆24会被向上推动并进入缸体22。并且，当气缸2在驱动装置3的带动下向上或向下运动时，活塞23及第一活塞杆24与缸体22保持相对不动。
[0058]2、由于石英棒I在硅铸锭炉内向下移动时会受到熔融硅溶液的阻力和摩擦力，因此压力传感器4会设定一定预定值，该预定值大于熔融硅的阻力和摩擦力(该预定值可以通过熔融硅实验室获得)。
[0059]工作过程:
[0060]1、驱动装置3驱动运动底板7从初始位置带动气缸2和石英棒I向下移动；
[0061]2、当石英棒I探测到固液界面后(也就是石英棒I的下端接触到固态多晶硅后)，设置在第一活塞杆24与石英棒I之间的压力传感器4会感应到突变力(固态多晶硅对石英棒I的反作用力)；
[0062]3、压力传感器4将该突变力的信号发送给PLC 6 ；
[0063]4 、PLC 6记录运动底板7的当前位置(获得运动底板7的位置可以采用多种现有技术中的方式，如通过步进电机的转数而计算出运动底板7的位置，或者通过设置位置传感器的方式，在此不再赘述)，并发出指令使驱动装置3驱动运动底板7返回原位，同时PLC6将运动底板7所处位置以及其他信息进行运算、分析，并发送给人机界面5，人机界面5上显示出固液界面的深度；
[0064]5、重复上述过程，便能测量出不同时间内固液界面的深度。
[0065]实施例二
[0066]如图4和图5所不,本实施例二与实施例一的区别仅在于气缸不同,本实施例的气缸2采用二次保护气缸，气缸2的活塞23的一侧连接与石英棒I连接的第一活塞杆24，活塞23的另一侧连接有第二活塞杆25，第二活塞杆25上或者缸体22上设置有位置传感器13。
[0067]本实施例的设置是为了防止在压力传感器4在使用次数过多对压力不再敏感或者压力传感器4感应失灵时，当石英棒I的下端探测到固液界面时，压力传感器4没有感应到突变力，驱动装置3没有驱动石英棒I向上移动，此时石英棒I在固态多晶硅的反作用力下会向上移动，而给第一活塞杆24 —个向上的推动力，当石英棒I对第一活塞杆24的推动力超过气缸2的设定压力时，会推动气缸2的另一端的第二活塞杆25向上运动，设置在第二活塞杆25上或者缸体22上的位置传感器13会感应到位置信号，并将感应到的信号发送给PLC 6，PLC 6记录运动底板7的当前位置，并发出指令让运动底板7返回原位，同时PLC6将运动底板7所处位置以及其他信息发送给人机界面5。
[0068]以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，其特征在于，包括: 用于与硅铸锭炉中的固态多晶硅接触的石英棒； 第一活塞杆处于伸出状态的气缸，所述第一活塞杆与所述石英棒连接； 用于驱动所述气缸从而带动所述石英棒上下直线运动的驱动装置； 安装于所述气缸的第一活塞杆与所述石英棒之间，用于感应所述石英棒与所述固态多晶硅接触所产生的作用力的压力传感器； 分别与所述驱动装置和所述压力传感器电连接，用于接收所述压力传感器所采集的信号，并根据接收到的所述压力传感器的信号控制所述驱动装置带动所述石英棒上升或下降的 PLC。
2.根据权利要求1所述的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，其特征在于，所述驱动装置为丝杠螺母机构，所述丝杠螺母机构包括步进电机、丝杠和螺母，所述步进电机与所述丝杠连接用于带动所述丝杠转动，所述螺母套设在丝杠上并在所述步进电机驱动所述丝杠转动的同时沿所述丝杠上下移动。
3.根据权利要求2所述的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，其特征在于，所述螺母上固定连接有运动底板，所述气缸的缸体固定在所述运动底板上，并随所述运动底板上下直线运动，所述第一活塞杆的一端连接有连接臂，所述石英棒的上端安装在所述连接臂上。
4.根据权利要求3所述的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，其特征在于，所述运动底板的上端向远离所述驱动装置的一侧延伸出水平的安装板，所述气缸的缸体固定在所述安装板上，所述气缸的第一活塞杆穿过所述安装板； 所述运动底板远离所述驱动装置的一侧设置有导向板，所述导向板上开设有垂直的导向槽，所述气缸的第一活塞杆上设置有与所述导向槽相适配的导向块，所述导向块嵌在所述导向槽内并沿所述导向槽上下直线运动。
5.根据权利要求3所述的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，其特征在于，所述连接臂上开设有贯通所述连接臂上、下表面的贯通孔，所述石英棒通过连接件与所述连接臂连接，所述连接件包括穿设于所述贯通孔内的圆柱状杆体、设置在所述杆体上端的第一卡件和设置在所述杆体上的第二卡件，所述第一卡件卡挡在所述连接臂上表面，所述第二卡件卡挡在所述连接臂的下表面，所述贯通孔的孔径大于所述杆体的直径。
6.根据权利要求5所述的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，其特征在于，所述第一卡件与所述杆体一体成型，所述第二卡件在所述杆体贯穿于所述贯通孔内后焊接于所述杆体。
7.根据权利要求5所述的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，其特征在于，所述第一卡件与所述杆体一体成型，所述杆体上开设有外螺纹，所述第二卡件为与所述杆体相适配的螺母。
8.根据权利要求5所述的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，其特征在于，所述连接件采用橡胶材料制成。
9.根据权利要求6或7所述的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，其特征在于，所述连接件采用金属材料制成。
10.根据权利要求1所述的用于硅铸锭炉的固液界面测定装置，其特征在于，所述气缸的活塞的一侧连接有所述第一活塞杆，另一侧连接有第二活塞杆，所述第二活塞杆上或者所述缸体上设置有位置传感器。`
【文档编号】C30B11/00GK103668449SQ201210328383
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2012年9月6日
【发明者】路景刚, 戴雪松 申请人:镇江荣德新能源科技有限公司