一种基于力矩平衡的铌酸锂晶棒定量生长控制装置

1.本发明涉及铌酸锂晶棒制备领域，具体涉及一种基于力矩平衡的铌酸锂晶棒定量生长控制装置。


背景技术：

2.linbo3是非线性光学级晶体，广泛应用于参量振荡器、倍频、声光器件、光学调制器。提拉法是目前铌酸锂单晶晶棒生长的主流制备方法，先后经过引晶缩颈、扩肩、收肩、等径、收尾、脱离等工艺步骤后制成，是当前的铌酸锂晶体的主要生产方式。
3.提拉法制备过程中，需要在自动直径控制系统（adc）的调控作用下完成，而当下铌酸锂晶体一方面朝向高品质化方向发展，如要求单晶内部无生长纹，生长纹的存在使得单晶晶棒内部存在应力，易崩裂而报废；再一方面基于成本和效率的要求朝向大尺寸化方向发展，目前工艺所制备的单根晶体均超过20kg，单根晶棒悬吊在自动直径控制系统上，自动直径控制系统通过电子电路测量晶棒的重量，悬吊系统提拉自动直径控制系统和晶棒向上移动，单晶逐步生长，单晶生长的增量通过自动直径控制系统实时反应，自动直径控制系统对获取的重量进行比对，通过控制坩埚内料液的温度对生长进行纠偏。
4.现有技术通过自动直径控制系统（adc）进行调控存在以下问题：一方面，目前的自动直径控制系统系统均采用电子称为核心部件并配置有复杂的其他部件，硬件成本高昂，部分精密器件国内尚无合格厂家而只能进口，单晶实际生长情况是动态的且缓慢的，对单晶生长的控制要求自动直径控制系统具有很高的精度，而在实际中是很难同时满足大量程和高精度的双重要求；另一方面，晶棒的生长过程中，对晶棒生长的变径生长提出了更高的要求以为得到不同形状的晶棒，或至少在现有技术下缩颈、扩肩、收肩的环节中也存在变径的要求，目前是通过改变提拉的速度进行控制，但在变速过程中存在加速度的变化进而影响自动直径控制系统的测量，使得反馈存在误差，需要待测量稳定后才能进行反馈控制，此延迟使得对晶棒的生长控制存在延迟和不稳定；再一方面，铌酸锂（linbo3）晶棒的析出并不是按化学式所表述的元素关系等比例的析出，铌酸锂的分子式的关系可表征为li
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nbo3，随着生长的进行，剩余料液逐渐浑浊，此时继续生长后，晶棒内部的生长纹的出现概率大幅度提升，生长纹导致的晶棒内存在应力，易使得晶棒崩裂报废。


技术实现要素：

5.根据背景技术提出的问题，本发明提供一种基于力矩平衡的铌酸锂晶棒定量生长控制装置来解决，接下来对本发明做进一步地阐述。
6.一种基于力矩平衡的铌酸锂晶棒定量生长控制装置，其特征在于坩埚以及杠杆系统；坩埚内装盛恒定温度的定量料液；杠杆系统包括工作台和固定在工作台上的支座，支座上枢接有杠杆，杠杆的一悬臂端部固定有籽晶杆，籽晶杆悬置于坩埚上方，另一悬臂上设置有配重滑块；工作台上固定有卡座，杠杆的一端部处于卡座内，卡座内底部设置有压敏电阻，杠杆的一端部压在压敏电阻上，压敏电阻为比较电路的一部分；控制配重滑块、工作台
位移的程序依据待生成的晶棒的形状设置，比较电路的输出控制工作台上升阻断晶棒生长。
7.可选地，比较电路的光敏电阻r1与电阻r2串联在恒定电压源与接地线之间，光敏电阻r1与电阻r2间的节点连接比较器c的同相输入端，比较器c的反相输入端通过电阻r3连接恒定电压源，同相输入端通过电阻r4接地的同时还通过电阻r5连接输出端，比较器内设有预设值，比较器输出端与接地作为输出。
8.作为优选地，比较电路的电阻r2为变阻器，改变电阻r2的阻值适应不同量的料液。
9.作为优选地，杠杆两侧设置有滑槽，配重滑块滑动设置在滑槽上；配重滑块与滑槽的配合在垂直方向上的接触面防止了配重滑块的脱位。
10.作为优选地，配重滑块在牵引系统的拉动下按预设的位移曲线滑动；所述牵引系统包括系于配重滑块两侧的无弹性的牵丝以及固定在工作台上的第一定滑轮、第二定滑轮、放线轮、收线轮；配重滑块的一侧通过牵丝绕过第一定滑轮连接放线轮，另一侧通过第二定滑轮连接至收线轮；所述放线轮、收线轮同步转动；在放线轮、收线轮同步转动过程中，配重滑块的两侧均在牵丝的牵引作用下，对速度变化达到了即时即刻变化的控制要求。
11.作为优选地，工作台设置有张紧轮，张紧轮调节牵丝的张紧程度；进一步地保证速度变化的即时即刻控制要求。
12.作为优选地，所述第一定滑轮和第二定滑轮将作用在配重滑块上的牵丝导向成与杠杆平行；放线轮、收线轮的一端部通过链条连接，并且放线轮或收线轮连接在驱动电机上；通过单独的驱动电机即可控制牵引系统按预设程序牵引配重滑块滑动。
13.作为优选地，所述工作台设置在转盘底座上；在晶棒生长结束后，转盘底座转动带动杠杆系统和牵引系统整体转动，将晶棒转移至待卸放的区域。
14.作为优选地，晶棒生长结束后，工作台转动前，配重滑块在牵引系统的控制下外移至杠杆的最外端；触发配重滑块在牵引系统的控制下外移至杠杆的最外端的信号为配重滑块按预设程序位移终止的信号，或比较电路的输出信号，两路信号为逻辑“或”。
15.有益效果：与现有技术相比，本发明改变了现有技术的控制方式，通过软件程序替代了贵重的自动直径控制系统，设置坩埚的温度恒定，同时依据料液的定量增设有比较电路，避免了晶棒生长接近尾声时因生长纹产生的情况，保证了生长的可靠性。
附图说明
16.图1：本发明的结构示意图；图2：配重滑块与杠杆的配合截面图；图3：比较电路图；图中：坩埚1、卡座2、工作台3、支座4、支座4、杠杆5、滑槽51、籽晶杆6、配重滑块7、牵丝8、第一定滑轮9、第二定滑轮10、放线轮11、收线轮12、张紧轮13、压敏电阻15、比较电路16。
具体实施方式
17.接下来结合附图1-3对本发明的一个具体实施例来做详细地阐述。
18.参考附图1，一种基于力矩平衡的铌酸锂晶棒定量生长控制装置，包括用于装载定
量料液的坩埚1以及杠杆系统，所述杠杆系统包括工作台3和固定在工作台上的支座4，支座4上枢接有杠杆5，杠杆具有相对于支座的转动自由度，杠杆5的一悬臂端部固定有籽晶杆6，籽晶杆悬置于坩埚上方，另一悬臂上设置有滑槽51，滑槽上设置有配重滑块7，配重滑块7在牵引系统在拉动下于滑槽上滑动以匹配晶棒生长过程中的杠杆力矩变化，将晶棒生长过程中缓慢的增量通过杠杆放大，反应在配重滑块7位移量；所述工作台3在拉升系统的作用下进行升降的高度变化。
19.在生长之前，所述籽晶杆6的下端部接触在坩埚内的料液液面上，籽晶杆提供单晶生长的方向和吸附点，单晶逐渐析出在籽晶杆上。所述工作台在拉升系统的牵引下逐步上升，籽晶杆上移，其底部始终接触在料液的液面上，其与料液存在分子引力而无浮力的影响，杠杆系统两侧的力矩平衡不受料液的影响，随着工作台的逐渐上升，晶棒的长度也逐渐增长；在工作台逐渐上升、晶棒长度逐渐增长的同时，杠杆5上的配重滑块7在牵引系统的牵引下逐渐外移，维持杠杆系统的理论上的力矩平衡。
20.所述配重滑块7、工作台3的位移时间曲线依据待生成的晶棒的形状设置，配重滑块7、工作台3的位移由预设的程序控制，相对于现有技术下由大量硬件构成的自动直径控制系统控制而言，成本大幅降低，且通过更改程序方程可实现不同形状的晶棒生长控制。本发明在结晶过程中不再进行动态控制，而是通过温度的控制使得晶体生长速度恒定，继而通过配重滑块7、工作台3的位移控制达到。
21.特别需要说明的是，本发明适用的一个前提是：坩埚内料液的温度维持恒定值，在稳定恒定时，析出晶体的速率也近乎恒定，相对于现有技术通过反馈来调节加热系统控制析出温度的方式，摈弃了复杂的反馈控制系统的设置，同时基于晶体析出速率恒定，在既定的时间内析出的晶棒的重量是一定的，对应的配重滑块7的位移也是唯一的，而所述的工作台3上升的速度对应着晶体的长度，也即通过控制配重滑块7、工作台3的位移时间曲线即可控制晶棒的直径变化，也即能生成不同外形的晶棒。
22.本发明适用的另一个前提是：坩埚内料液的量是恒定值，根据背景技术的阐述，铌酸锂析出的分子式的关系可表征为li
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nbo3，而配重滑块7、工作台3的位移时间曲线由预设的程序控制，在生长过程中不再改变，失去对铌酸锂晶体析出的动态控制，而铌酸锂晶体的析出并不是按化学式比例析出，具有不可测的偏差，基于析出在理论上的不可测，本实施例的配重滑块7、工作台3的位移时间曲线的设置只能按照理论分子式进行设置，也即在晶体生长过程中，杠杆两侧的力矩是不平衡的，存在力矩差，且配重滑块一侧的力矩更大，随着生长的进行，此力矩差值逐渐增大。
23.基于力矩差的存在，杠杆系统无法处于平衡状态，为防止杠杆翻转，本实施例在工作台上固定有卡座2，杠杆5设有滑槽的一侧端部处于卡座2内，卡座2对杠杆的限位作用平衡了力矩差，使得杠杆系统始终处于平衡。理论上，基于卡座2对杠杆的限位作用，即使不设置配重滑块，杠杆也处于平衡状态，而在晶体析出速率恒定时，通过控制工作台的位移时间曲线也能对晶棒进行控制，但这实际上与现有技术没有实际区别，本发明设置的配重滑块，一方面能将缓慢析出的增量进行放大，便于程序控制，使得析出的晶棒无限接近目标晶棒；另一方面，随着生长的进行，配重滑块与晶棒对杠杆的力矩差值逐渐增大，此差值实际上与剩余料液的浑浊程度存在一定的正相关性，通过对此差值进行测量，例如通过比较电路控制晶棒在产生生长纹之前终止。
24.所述卡座2内底部设置有压敏电阻15，杠杆设置配重滑块的一侧端部与压敏电阻接触，在料液的浑浊达到一定程度也即杠杆的力矩差达到预设值后输出控制信号，触发驱动装置将工作台3抬升使得晶棒底部与料液脱离接触，阻断晶棒继续生长。
25.参考附图3，本实施例给出的比较电路16的电路原理图，包括压敏电阻15，光敏电阻r1与电阻r2串联在恒定电压源与接地线之间，光敏电阻r1与电阻r2间的节点连接比较器c的同相输入端，比较器c的反相输入端通过电阻r3连接恒定电压源，同相输入端通过电阻r4接地的同时还通过电阻r5连接输出端，比较器内设有预设值，比较器输出端与接地作为输出。在晶棒生长过程中，杠杆压在压敏电阻上，随着晶棒的生长，压敏电阻的阻值逐渐减小，当阻值减小到比较器的输入达到预设值时，比较器向外输出信号，触发工作台3被抬升。
26.本发明使用的定量的料液，在料液定量的前提下才能设置比较电路的比较器的预设值，而料液的量可以依据计算或过往生长数据得到。进一步地，所述的比较电路的电阻r2为变阻器，可以进行阻值调节，便于对比较电路的校准和调整，同时对于不同量的料液，同样可通过调节变阻器r2的值进行适应。
27.参考附图2，在本实施例中，不同形状的晶棒的生长要求工作台3的上升速度存在变速变化，也即存在加速度的变化，为限制配重滑块7在滑槽内，所述滑槽51设置在杠杆5的两侧，配重滑块7与滑槽51的配合在垂直方向上的接触面防止了配重滑块7的脱位。
28.所述配重滑块7在牵引系统在拉动下按预设的位移曲线在滑槽上滑动，在配重滑块7的滑动过程中依据晶棒的形状设置位移曲线可能存在变速，而运动中的配重滑块7存在物理惯性，为实现对配重滑块的速度精准控制，所述牵引系统包括系于配重滑块7两侧的无弹性的牵丝8以及固定在工作台上的第一定滑轮9、第二定滑轮10、放线轮11、收线轮12，配重滑块7的一侧通过牵丝8绕过第一定滑轮9连接放线轮11，另一侧通过第二定滑轮10连接至收线轮12，所述放线轮11、收线轮12同步转动，在放线轮11、收线轮12同步转动过程中，配重滑块7的两侧均在牵丝的牵引作用下，对速度变化达到了即时即刻变化的控制要求。
29.本实施例为进一步控制牵丝对配重滑块7的控制，还设置有固定在工作台上的张紧轮13，张紧轮13可调节牵丝的张紧程度，进一步地保证速度变化的即时即刻控制要求。
30.配重滑块7在牵引系统在拉动时，牵引系统对配重滑块的牵引力与杠杆平行以维持杠杆平衡，所述第一定滑轮9和第二定滑轮10将作用在配重滑块上的牵丝导向成与杠杆平行。
31.所述放线轮11、收线轮12同步转动，通过牵丝牵引配重滑块7滑动，对放线轮11、收线轮12的转动同步性要求严苛，本实施例中，放线轮11、收线轮12的一端部通过链条连接，并且放线轮11或收线轮12连接在驱动电机上，通过单独的驱动电机即可控制牵引系统按预设程序牵引配重滑块7滑动。
32.所述工作台3设置在转盘底座上，在晶棒生长结束后，转盘底座转动带动杠杆系统和牵引系统整体转动，将晶棒转移至待卸放的区域。在转盘底座的转动过程中，晶棒存在摆动，存在离心力，本实施例的杠杆5设有滑槽的一侧端部处于卡座2内部，卡座2对杠杆5限位保护。也即，本发明的卡座2在晶棒生长过程中对杠杆存在支持力，而在工作台转动过程中，卡座对杠杆又存在向下的作用力，对杠杆进行限位保护。
33.进一步地，晶棒生长结束后，工作台转动前，配重滑块7在牵引系统的控制下外移至杠杆的最外端，此时卡座对配重滑块还存在限位作用，触发配重滑块7在牵引系统的控制
下外移至杠杆的最外端的信号为配重滑块按预设程序位移终止的信号，或比较电路的输出信号；也即触发牵引系统拉动配重滑块7移动至杠杆的最外端的信号有两路信号，两路信号对牵引系统的控制逻辑为“或”。
34.本发明改变了现有技术的控制方式，通过软件程序替代了贵重的自动直径控制系统，设置坩埚的温度恒定，进而对杠杆系统和配重滑块的动作按目标晶棒的形状进行程序预设，实现了晶棒的等径或变径控制；同时增设有比较电路，避免了晶棒生长接近尾声时因生长纹产生的情况，保证了生长的可靠性。
35.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。