Диссертация (1143290), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

Выражаю благодарность нашим коллегам из Институтаинтегральных схем общества Фраунгофера (г. Эрланген, Германия) И. Фридриху иЯ. Зеебеку, которые приняли активное участие в данном исследовании.2.2 Исследование процесса роста кристаллов сапфира методом КиропулосаВ последнее время многие автоматизированные системы управления процессом роста монокристаллов сапфира (например, такие как НИКА-М60, НИКА-М30)используют весовой метод для контроля параметров формируемого кристалла[125].Основной проблемой при реализации данных систем является неоднозначность показателей датчика веса, что делает невозможным управление процессомпо весу на начальной стадии выращивания кристаллов сапфира методом Киропулоса и требует выработки косвенных критериев управления [126].Одним из таких критериев является показатель активной мощности на нагревателе, характеризующий процесс на стадии разращивания конусной части кристалла сапфира [126].Современные системы измерения мощности, потребляемой нагревателемэлектровакуумной печи, способны измерять полную мощность, которая состоит изпотребляемой мощности всех элементов системы, в том числе тиристорного преобразователя, потери мощности на элементах системы и т.д.

[127].К сожалению, в таких системах контроля невозможно непосредственно оценить активную мощность, потребляемую нагревателем. Значение этого параметра86является одним из определяющих для правильной характеристики параметров технологического процесса [128-132].Проведено исследование влияния времени открытия тиристорного регулятора на управление активной мощностью нагревателя, а, следовательно, рассматривается возможность управления процессом разращивания кристалла.Исходя из закона Ома, ток в цепи можно определить как:IU общ  U добRнагр,(2.4)где I – ток в цепи; U общ – напряжение на нагревателе; U доб – напряжение на резисторе шунта, Rнагр – сопротивление нагревателя.Сопротивление шунта определяется как:Rдоб U доб.I(2.5)Среднее значение мгновенной мощности потребляемой нагревателем за период времени T [133]:P1T P(t )dt.T0(2.6)Примем число измерений тока и напряжения 104 с-1. При частоте 50 Гц производится 200 измерений за период, что обеспечивает необходимую точность измерения [133]:kU k  U p 2 sin( t )  U p 2 sin( 10000 ),U j  0, j  100 p ,100 p  ,k  010000;k I k  I p 2 sin( t )  I p 2 sin( 10000 ), I j  0, j  100 p ,100 p  ,k  010000;(2.7)(2.8)87где  – угол открытия тиристорного регулятора, k – номер измерения, j – номер полупериода.Под углом открытия тиристорного регулятора понимается аргумент синуса,то есть время открытия тиристора после смены каждого полупериода.Тогда активную мощность, потребляемую нагревателем установки для ростасапфира методом Киропулоса за 0,02 с, можно получить из выражения:P  I kU k .(2.9)Исследование влияния времени открытия тиристорного регулятора на управление активной мощностью нагревателя и решение данных систем производилосьв среде MatLab.

В результате исследований был получен ряд зависимостей, которые приведены на рисунках 2.8 – 2.14.Зависимости тока от времени с меняющимся углом открытия тиристорногорегулятора приведены на рисунках 2.8 – 2.9.Рисунок 2.8 – Зависимость тока от времени. Угол открытия тиристора:=088Рисунок 2.9 – Зависимость тока от времени. Угол открытия тиристора: = 0,004 сЗависимости напряжения от времени с меняющимся углом открытия тиристорного регулятора приведены на рисунках 2.10 – 2.11.Рисунок 2.10 – Зависимость напряжения от времени. Угол открытия тиристора: = 089Рисунок 2.11 – Зависимость напряжения от времени.

Угол открытия тиристора: = 0,004 сЗависимости мощности от времени с меняющимся углом открытия тиристорного регулятора приведены на рисунках 2.12 – 2.13.Рисунок 2.12 – Зависимость мощности от времени. Угол открытия тиристора: = 090Рисунок 2.13 – Зависимость мощности от времени. Угол открытия тиристора: = 0,004 сГрафик зависимости активной мощности, потребляемой нагревателем, отвремени открытия тиристора представлен на рисунке 2.14.Рисунок 2.14 – Зависимость активной мощности от времени открытия тиристорного регулятора 91Данные по рисункам 2.8 – 2.14 получены в результате исследования изменения мгновенной мощности нагревателя в процессе роста кристаллов сапфира всреде MatLab.Исходя из построенной зависимости, можно найти активную мощностьнагревателя, соответствующую определенному времени открытия тиристора.Таблица 2.1 – Зависимость активной мощности, потребляемой нагревателем,от времени открытия тиристораВремя открытия тиристора, мсАктивная мощность нагревателя, Вт16849726595735989144732453810162030779899Анализ процессов выращивания, проведенный А.П.

Оксанич и С.Э. Притчиным, показал, что при переходе на цилиндрическую часть кристалла тепловое сопротивление увеличивается (за счет увеличения высоты кристалла) и температуранагревателя повышается, что приводит к снижению мощности [133]. Авторамитакже представлена возможная структурная схема системы контроля активноймощности нагревателя ростовой установки получения крупногабаритных монокристаллов сапфира.92Рисунок 2.15 – Возможная структурная схема системы контроля активноймощности нагревателя ростового оборудования для выращивания крупногабаритных монокристаллов сапфира: 1 – ростовая камера, 2 – нагреватель, ПТД – преобразователь тиристорно-диодный, ИМН – измеритель мгновенного напряжения,ИМТ – измеритель мгновенного тока, АЦП МК – аналого-цифровой преобразователь с микроконтроллером, ПЭВМ – промышленная ЭВМ [133]Высокая чувствительность нагревателя к изменениям температуры дает возможность использовать его для контроля состояния затравления.

При этом подборрежима производится ступенчатым изменением напряжения, а характер изменениямощности зависит от величины температурного градиента.Проведенные автором расчеты изменения мгновенной мощности нагревателяв процессе роста кристаллов сапфира методом Киропулоса объединяют характеристики управления с выделяющейся мощностью на нагревателях, что дает возможность управлять распределением температур и их градиентов на ростовом оборудовании, которые являются главными технологическими параметрами, влияющими на качество получаемых кристаллов (наличие термоупругих напряжений, уровень и вид дефектов).Расчет изменения мгновенной мощности нагревателя в процессе роста кристаллов сапфира позволяет оптимизировать процесс управления тиристорными ре-93гуляторами мощности нагревателя при частоте тока сети 50 Гц путем изменениямомента отпирания тиристора.Полученные результаты можно использовать как модель объекта управления, которая ориентирована на решение задач анализа и синтеза алгоритмовуправления температурами на ростовом оборудовании для получения монокристаллов.2.3 Исследование влияния параметров процесса выращивания на качество монокристаллов сапфираДля оптимального проектирования процесса выращивания кристаллов сапфира методом ГНК необходимо, в первую очередь, найти такие значения технологических параметров, которые позволили бы добиться максимальной эффективности процесса при различных ограничениях по режимам работы, технологическимвозможностям.Процесс получения кристаллов сапфира основывается на зонной плавкешихты в подвижном контейнере.

Движение данного контейнера осуществляетсягоризонтально вблизи кольцевого вольфрамового нагревателя в течение довольнодолгого времени (48 – 72 часа). При этом необходимо поддержание с высокой точностью температуры (2050 0С) в зоне расплава, высокого вакуума (0.06 Па) в камере установки для получения сапфира, постоянства скорости движения контейнера,эффективного отвода тепла от кожуха печи, токовводов и других нагревающих частей.Оптимальный режим [134-136] получения кристаллов сапфира может бытьполучен с помощью исследования влияния параметров процесса получения на качество сапфира при применении определенной технологии. Для проведения исследования необходима надежная теоретическая база и детальное представление омеханизмах, протекающих при кристаллизации материалов.Таким образом, следует рассчитать в первом приближении влияние параметров технологического процесса получения сапфира на качество кристаллов.

Характеристики

Список файлов диссертации