一种用于单晶硅片切割加工的硅粉收集处理装置的制作方法

本发明属于硅粉收集装置，具体涉及用于单晶硅片切割加工的硅粉收集处理装置及方法。

背景技术：

1、单晶硅通常指的是硅原子以一种排列形式形成的物质。单晶硅作为一种比较活泼的非金属元素晶体，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂-冶金级硅-提纯和精炼-沉积多晶硅锭-单晶硅-硅片切割，在单晶硅硅片的切割过程中会产生硅粉。

2、硅粉收集装置是一种用于收集和处理硅粉的设备，主要应用于半导体、太阳能电池等行业中的单晶硅片切割过程中产生的硅粉收集，硅粉收集装置一般采用封闭式结构，避免硅粉外溢和污染空气，硅粉收集装置的使用可以大大降低硅粉的浪费和环境污染，提高生产效率和产品质量，在使用硅粉收集装置时，需要注意防止硅粉泄漏和静电等问题。

3、现有的单晶硅切割对其产生的硅粉收集或者金属硅的生产过程中，硅粉虽然会被收集到硅粉收集箱内，但是为了保证硅粉收集时发生泄漏，硅粉收集装置的密封性会做的很好，工作人员每次取出硅粉都需要将硅粉收集装置拆开，这样会十分浪费工作人员的工作时间。

4、因此，现有技术中如中国实用新型cn218014797u，虽然硅粉收集装置密封性过于良好且无法拆卸，无加强气体循环流通的硅粉收集装置，在硅粉收集过程中，由于切割产生的电火花、静电和/或切割产生的热量的传导，会使硅粉达到其被引爆，以空气中的氧气作为助燃供氧成分形成的硅粉收集装置的爆炸；即使有利用风力回收硅粉的装置，如中国实用新型cn205926311u、cn218014797u，但是其无法得知硅粉收集到何种程度时，会发生被引爆的风险，因此在硅粉的收集过程中无法保证如何控制硅粉收集空间内的气体循环，利用硅粉与气体混合形成的混合硅粉颗粒气体的气体密度在被引爆范围内以及进一步降低其内的漂浮的硅粉，使漂浮的硅粉也一并和不漂浮的硅粉一起被收集，防止硅粉逃逸且方便取出被收集硅粉的用于单晶硅片切割加工的硅粉收集处理装置及方法，成为我们当前要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明针对上述缺陷，提供一种用于单晶硅片切割加工的硅粉收集处理装置及方法。本发明通过利用单片机实时控制切割机、抽吸泵、旋转电机以及顶撑气缸的启闭，进而可以根据进入硅粉收集箱内的混有硅粉的空气的混合硅粉颗粒气体的气体粘滞饱和达到最大情况下的最优混合硅粉颗粒气体的气体密度，进而可以在混合硅粉颗粒气体的气体密度达到引爆临界值时停止切割机、抽吸泵和旋转电机的运动，由于重力收集在硅粉收集箱3内被挡尘板挡住的硅粉集体进入储尘箱内的同时，由于顶撑气缸被单片机控制向上运动而由排液管排出水或液态二氧化碳对切割机产生的热量进行吸热，降低硅粉收集箱内的温度的同时进一步将漂浮的硅粉收集至储尘箱内，避免了硅粉收集装置被引爆的同时，可以避免硅粉逃逸，进而提高了硅粉的收集效率。

2、本发明提供如下技术方案：用于单晶硅片切割加工的硅粉收集处理装置，包括用于放置待切割单晶硅片的切割工作台、固定于所述切割工作台内部的切割机和前后镂空板材的硅粉收集箱，所述硅粉收集箱连通设置在所述切割工作台右侧，所述切割工作台的顶部和底部内壁上分别设置有向下弯折的第一导流板和向上弯折的第二导流板，所述硅粉收集箱内部设置有支撑架；所述支撑架的内壁转动连接有传动转辊，所述传动转辊的右端转动连接有旋转电机，所述传动转辊的左端设置有抽吸泵，所述抽吸泵在被开启时用于抽吸切割工作台内切割单晶硅片产生的硅粉，所述硅粉收集箱的顶部和底部分别固定连接有储液箱和储尘箱，所述硅粉收集箱顶部底端设置有温度传感器、气体密度传感器和超声波传感器，所述储液箱的底部连通设有两个排液管，所述硅粉收集箱的顶部下端固定连接有透气管，所述透气管的内部底端设有顶撑气缸，所述切割机、所述抽吸泵、所述旋转电机以及顶撑气缸、所述温度传感器、所述气体密度传感器和所述超声波传感器均与单片机远程通信连接，单片机用于根据被抽吸至硅粉收集箱内的硅粉混合空气的气体密度实时控制顶撑气缸向上运动的同时停止所述切割机、所述抽吸泵和所述旋转电机以及所述切割机、所述抽吸泵和所述旋转电机的重新开启的同时停止顶撑气缸回复至初始位置，以收集单晶硅片切割加工时的硅粉至储尘箱内。

3、进一步地，所述单片机实时控制顶撑气缸、所述切割机、所述抽吸泵和所述旋转电机的启闭方法，包括以下步骤：

4、1）、采用所述气体密度传感器监测所述硅粉收集箱内的实时硅粉混合气体密度ρ，采用所述温度传感器监测所述硅粉收集箱实时温度t以及采用所述超声波传感器实时监测混有硅粉的空气的硅粉混合气体颗粒的极坐标系内的r轴实时运动速度、θ轴实时运动速度和z轴实时运动速度；

5、2）、构建所述硅粉收集箱内的气体粘滞饱和模型：

6、；

7、其中，为硅粉混合气体颗粒的实时运动速度向量，为的模，，为硅粉混合气体粘滞量；为梯度算子，c为空气比热容；t为所述步骤1）中采集数据的实时时刻；

8、所述步骤2）构建的模型用以求取避免含有硅粉的空气由于所述切割机（2）切割单晶硅片产生的热量的加热以及密度的增大而导致硅粉收集箱（3）爆炸的情况发生的最大硅粉混合气体密度；

9、3）采用粒子群优化算法不断优化求得的最大硅粉混合气体密度，粒子群优化过程中第i个最大硅粉混合气体密度 的更新速率为：

10、；

11、其中，为第i-1个最大硅粉混合气体密度的更新速率；为第一学习因子，为第二学习因子，=1.5，=2；n为采用粒子群优化算法优化最大硅粉混合气体密度的样本数量；

12、以更新速度更新得到的第i+1个最大硅粉混合气体密度的值为；

13、4）构建求取的最大硅粉混合气体密度的最优值的粒子寻优收敛值计算模型：

14、；

15、其中，λ为采集到的n个最大硅粉混合气体密度的平均值，=；

16、5）判断所述步骤4）求取的粒子寻优收敛值是否大于0.86，若大于，则输出求取的最大硅粉混合气体密度的最优值，否则重复所述步骤1）-步骤4），继续更新迭代；

17、6）判断所述步骤5）求取的最大硅粉混合气体密度的最优值是否大于硅粉引爆临界值100，若是，则控制顶撑气缸开启，同时控制切割机、抽吸泵和旋转电机停止。

18、进一步地，所述硅粉混合气体粘滞量的计算公式如下：

19、；

20、其中，η为硅粉混合气体粘滞系数，

21、 ；

22、其中，为25℃时的空气粘滞系数，=1.85×10-5，为监测开始时所述硅粉收集箱内的初始温度。

23、进一步地，所述传动转辊的圆柱状外壁固定连接有集尘扇叶，所述传动转辊于所述硅粉收集箱内侧端部固定连接有第一齿轮，所述第一齿轮的底部啮合有第一齿条，所述第一齿条的一侧固定连接有螺纹柱，所述螺纹柱的外壁通过螺纹连接有螺纹转套，所述螺纹转套通过轴承连接在硅粉收集箱的一侧，所述螺纹转套的外壁固定连接有第二齿轮，所述第二齿轮的底部啮合有第二齿条，所述第二齿条的底部固定连接有处于竖直平面内的活动支架，所述活动支架的一侧固定连接有处于水平设置的挡尘板，所述挡尘板在所述活动支架所在竖直平面的一侧固定连接有第一弹簧，所述传动转辊的远离所述旋转电机一侧的外壁上固定连接有活动环，所述活动环的外壁上部固定连接有活动刮板，所述活动刮板朝向靠近集尘扇叶的侧面上固定连接有清洁毛刷。

24、进一步地，所述储尘箱的内壁固定连接有警报装置，所述警报装置的顶部固定连接有警报开关，所述警报开关的顶部设有对应型挤压柱。

25、进一步地，所述储尘箱的前后两侧内壁滑动连接有承重板，所述承重板固定连接在对应型挤压柱的顶部，所述承重板的底部固定连接有四个第二弹簧，每个所述第二弹簧的下端均固定连接在储尘箱的内壁上。

26、进一步地，所述储液箱的底部连通设有两个排液管，所述顶撑气缸的顶部设有圆形活动板，所述圆形活动板的顶部固定连接有活动杆，所述活动杆的顶部固定连接有前后方向设置的活动板，所述活动杆位于所述活动板的中点位置的下部，所述活动板前端和后端的底部均固定连接有一个封堵块，每个所述封堵块滑动连接在相应的排液管的内壁。

27、进一步地，所述硅粉收集箱于后侧的排液管远离活动杆的一侧的顶部下端固定连接有支撑座，所述支撑座的底部固定连接有警示响铃，所述警示响铃靠近所述活动杆的一侧设有对应型撞柱；所述硅粉收集箱后侧的排液管的内壁固定连接有支撑件，所述支撑件的内壁转动连接有传动转杆，所述传动转杆的顶部固定连接有若干个旋转扇叶，每个所述旋转扇叶相对于水平面呈倾斜状设置，所述传动转杆的底部固定连接有活动挤压块，所述活动挤压块远离所述活动杆的一侧设有活动推板，所述活动推板固定连接在对应型撞柱的一端。

28、进一步地，所述硅粉收集箱的顶部下端于所述支撑座和所述后侧的排液管之间固定连接有支撑板，所述支撑板靠近所述活动推板的一侧底部固定连接有第三弹簧，所述第三弹簧的另一端固定连接在活动推板的一侧。

29、本发明还提供一种用于单晶硅片切割加工的硅粉收集处理方法，所述处理方法采用如上的所述用于单晶硅片切割加工的硅粉收集处理装置实现，所述方法包括以下步骤：

30、s1、所述单片机控制所述旋转电机和所述抽吸泵开启，所述旋转电机带动传动转辊转动，进而带动挡尘板向靠近所述切割工作台方向移动，最终完全覆盖在所述储尘箱上部；

31、s2、所述抽吸泵同时抽吸所述切割机切割单晶硅片产生的硅粉，通过所述第一导流板和第二导流板的导流进入至所述硅粉收集箱内；

32、s3、所述单片机根据所述温度传感器、所述气体密度传感器和所述超声波传感器实时采集得到的数据，判断被所述抽吸泵抽吸至所述硅粉收集箱内硅粉在所述硅粉收集箱内的硅粉混合空气的气体密度是否大于硅粉引爆临界值，若大于，则控制所述切割机、所述抽吸泵和所述旋转电机停止工作，所述挡尘板回复至初始位置，挡尘板承接收集的硅粉集中落入至储尘箱内；同时控制所述顶撑气缸向上运动，所述储液箱内的液体通过两个所述排液管从上至下降落，清除所述硅粉收集箱内的空气中残留的漂浮硅粉；

33、s4、再次开启所述切割机、所述抽吸泵和所述旋转电机并控制所述顶撑气缸回复至初始位置。

34、本发明的有益效果为：

35、1、本发明通过利用单片机实时控制切割机、抽吸泵、旋转电机以及顶撑气缸的启闭，进而可以根据进入硅粉收集箱内的混有硅粉的空气的混合硅粉颗粒气体的气体粘滞饱和达到最大情况下的最优混合硅粉颗粒气体的气体密度，进而可以在混合硅粉颗粒气体的气体密度达到引爆临界值时停止切割机、抽吸泵和旋转电机的运动，由于重力收集在硅粉收集箱3内被挡尘板挡住的硅粉集体进入储尘箱内的同时，由于顶撑气缸被单片机控制向上运动而由排液管排出水或液态二氧化碳对切割机产生的热量进行吸热，降低硅粉收集箱内的温度的同时进一步将漂浮的硅粉收集至储尘箱内，避免了硅粉收集装置被引爆的同时，可以避免硅粉逃逸，进而提高了硅粉的收集效率。

36、2、本发明提供的用于单晶硅片切割加工的硅粉收集处理装置中的单片机，在控制进入其中的混有硅粉的空气的混合硅粉颗粒气体的气体密度时，首先构建气体粘滞饱和模型：，充分考虑了气体颗粒的实时运动的运动速度，以及相互之间碰撞产生摩擦所导致的硅粉混合气体粘滞量，进而可以求取当气体粘滞饱和达到最大时的最大硅粉混合气体密度，并判断其是否大于硅粉引爆临界值，若气体密度再大，就会发生被引爆的危险，因此单片机控制切割机、抽吸泵以及旋转电机停止运动，进而有效避免了硅粉收集装置被引爆。

37、3、本发明在以求取当气体粘滞饱和达到最大时的最优混合硅粉颗粒气体的气体密度时，采用了粒子群优化算法，将构建的气体粘滞饱和模型求取得到的最优混合硅粉颗粒气体的气体密度进行收集形成n个样本的样本数据集，并构建了第i个样本（即第i个最大硅粉混合气体密度）的更新迭代模型，根据该更新迭代模型以及求取的最大硅粉混合气体密度的最优值的粒子寻优收敛值计算模型，进而对数据集进行训练，在后续根据实时采集到的各项数据以及构建的气体粘滞饱和模型求取最大硅粉混合气体密度时，提高了计算的精确度和准确度，进而避免了单片机的控制失误的情况发生。

38、4、本发明通过设置了螺纹转套和挡尘板，在收集硅粉时，传动转辊会带动第一齿轮啮合第一齿条，第一齿条会带动螺纹柱使螺纹转套转动，螺纹转套会带动第二齿轮啮合第二齿条，第二齿条会带动活动支架使挡尘板移动，硅粉收集箱内的硅粉都会落到挡尘板上，切割结束后第一弹簧就会使挡尘板复位，挡尘板上的硅粉就会落入储尘箱内，从而方便工作人员对硅粉收集整理，解决了工作人员每次都需要将硅粉收集装置拆开才能够取出硅粉的问题。

39、5、本发明通过设置了顶撑气缸和封堵块，当硅粉收集箱内的硅粉混合气体密度达到硅粉引爆临界值时，单片机控制顶撑气缸向上运动，顶撑气缸就会挤压圆形活动板，圆形活动板会带动活动杆进行移动，活动杆会带动活动板移动，活动板会带动封堵块移动，排液管就不会再受到堵塞，排液管就会将储液箱内的水或液态二氧化碳排入硅粉收集箱内进行吸热降温的同时将漂浮的硅粉进一步收集至储尘箱内。