一种晶体垂直自动化生长装置

摘要

一种晶体垂直自动化生长装置，包括加热炉、升降机构和微机终端；微机终端通过USB数据线与升降机构的三路电机控制器相连，三路电机控制器的接线端子分别连接滑轨升降电机与旋转电机；升降系统的探测臂与垂直导轨的滑块固接；旋转电机转轴端的主动滑轮与光轴上端的从动滑轮通过皮带转动连接，光轴通过联轴器与陶瓷杆同轴连接，待生长多晶料密封在石英管中之后悬挂在陶瓷杆的下端；三路电机控制器及其控制器供电模块与微机终端电信号连接；实现垂直加热功能的加热炉采用将水平气氛炉倒置的方式安装而成。通过升降系统的升降和旋转电机的旋转来实现样品在炉体内部的升降与旋转，最终实现晶体垂直自动化生长。

权利要求

1.一种晶体垂直自动化生长装置，包括一个型号为GSL-1300X的加热炉（3）、搭建的升降机构和一个微机终端（17）；其特征在于该晶体垂直自动化生长装置中，微机终端（17）通过USB数据线与升降机构的三路电机控制器相连，三路电机控制器通过24V直流电源供电，三路电机控制器的接线端子分别连接滑轨升降电机（14）与旋转电机（12）；升降系统的探测臂（8）与垂直导轨（20）的滑块（21）通过角铁固接；旋转电机（12）与轴承（7）分别固定在探测臂远离和靠近炉口的两端，旋转电机转轴端的主动滑轮（13）与光轴（9）上端的从动滑轮（10）通过皮带转动连接，光轴（9）通过联轴器（6）与陶瓷杆（5）同轴连接，待生长多晶料（2）密封在石英管（1）中之后悬挂在陶瓷杆（5）的下端；三路电机控制器及其控制器供电模块（18）与微机终端（17）电信号连接；实现垂直加热功能的加热炉（3）采用将水平气氛炉倒置的方式安装而成。

2.根据权利要求1所述的晶体垂直自动化生长装置，其特征在于：三路电机的控制程序是由实验室虚拟仪器工程平台开发的软件程序，所述程序用以独立控制两个电机的转动，最终实现样品的旋转与升降；该程序包含手动旋转、手动移动和自动程序三个模块，手动旋转控制样品的转速，手动移动控制样品的升降，自动程序通过输入相应控件参数实现晶体垂直的自动化生长。

3.根据权利要求1所述的晶体垂直自动化生长装置，其特征在于：所述升降机构由微机控制，实现样品的升降、旋转和晶体垂直自动化生长。

4.根据权利要求1所述的晶体垂直自动化生长装置，其特征在于：所述升降机构的探测臂（8）加工成将轴承（7）与旋转电机（12）安装固定在其上的扁平形状。

5.根据权利要求1所述的晶体垂直自动化生长装置，其特征在于：所述陶瓷杆（5）采用联轴器（6）与探测臂（8）上的光轴（9）同轴连接，并确保在升降过程中样品始终处于炉体中心 。

6.根据权利要求1所述的晶体垂直自动化生长装置，其特征在于：所述升降机构的三路电机控制器及其控制器供电模块（18）全部集成在导轨支架（16）的背后。

说明书

一种晶体垂直自动化生长装置

所属技术领域

[0001] 本发明涉及一种晶体垂直自动化生长装置，属于一种单晶样品制备技术。

背景技术

[0002] 现代科学技术研究，新材料的发展是新技术发展的重要标志。材料是人类文明进步的里程碑，时代的发展需要材料，而材料又推动时代的发展，其中功能材料是二十一世纪高新技术发展最重要的先导性和基础性材料之一。对于新型功能材料的开发和研究在国际上一直都十分活跃，它的进步推动着诸如信息产业，航空航天产业等目前世界上最为尖端的高科技产业的飞速发展。材料科学与工程就是研究材料成分、结构、制备工艺与其性能之间的关系和规律的学科。功能材料是新材料发展的重中之重。在功能材料的研究中，晶体材料又占有相当重要的位置。由于晶体材料具有一系列宝贵的物理性能，如它能实现电、磁、力、光、声和热的交互作用和转换，而使它成为现代科学技术中不可缺少的重要材料，并且它的应用范围和使用量还在不断扩大和增加。

[0003] 晶体垂直生长法常见的是布里奇曼晶体生长法。待生长晶体材料装在圆柱型的坩埚中，缓慢地下降，并通过一个具有一定温度梯度的加热炉，炉温控制在略高于材料的熔点附近。根据材料的性质加热器件可以选用电阻炉或高频炉。在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降时,坩埚底部的温度先下降到熔点以下，并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。坩埚穿过温度梯度时要求移动速度非常的慢（通常小于1mm/h），普通的步进电机无法满足要求。针对这一问题，我们搭建了一套采用炉体降温来实现晶体垂直自动化生长的装置。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种晶体垂直自动化生长装置，以解决现有技术的不足，实现低熔点且一致熔融（熔点低于1200度）材料晶体的垂直自动化生长。

[0005] 一种晶体垂直自动化生长装置，包括一个加热炉（GSL-1300X）、自主搭建的升降机构和一个微机终端。

[0006] 该晶体垂直自动化生长装置中，微机终端通过USB数据线与升降机构的三路电机控制器相连，三路电机控制器通过24V控制器供电模块供电，三路电机控制器的接线端子分别连接滑轨升降电机与旋转电机；升降系统的探测臂与垂直导轨的滑块通过角铁固接；旋转电机与轴承分别固定在探测臂上远离和靠近炉口的两端，旋转电机转轴端的主动滑轮与光轴上端的从动滑轮通过皮带转动连接，光轴通过联轴器与陶瓷杆同轴连接，待生长多晶料密封在石英管中之后悬挂在陶瓷杆的下端；实现垂直加热功能的加热炉采用将水平气氛炉倒置的方式安装而成。

[0007] 电机的控制程序是由实验室虚拟仪器工程平台开发的软件程序，所述程序用以独立控制两个电机的转动，最终实现样品的旋转与升降。该程序包含手动旋转、手动移动和自动程序三个模块，手动旋转控制样品的转速，手动移动控制样品的升降，自动程序通过输入相应控件参数实现晶体垂直的自动化生长。

[0008] 所述升降机构由微机控制，能实现样品的升降、旋转和晶体垂直自动化生长。所述升降机构的探测臂通过自主设计图纸加工成扁平形状，可将光轴轴承与电机牢固的固定在探测臂上，来实现样品的旋转，从而避免炉体内的热流加快旋转电机的老化。

[0009] 所述陶瓷杆采用联轴器与探测臂上的光轴同轴相连，能够确保在升降过程中样品始终处于炉体中心。升降机构的三路电机控制器及其控制器供电模块（24V直流电源）全部集成在导轨支架的背后，从而更加节省空间。

[0010] 所述晶体垂直自动化生长装置的自动化程度高，采用普通烧结炉编辑好控温程序后，只需将相应参数输入到电机控制程序内，运行电机控制程序即可等待晶体生长结束，全程自动化。

[0011] 本发明相比现有技术的优点：

[0012] 1、所述升降机构可由微机控制，可实现样品的升降、旋转和晶体垂直自动化生长；

[0013] 2、所述升降机构的探测臂通过自主设计图纸加工，可将光轴轴承与电机稳固的固定在探测臂上，来实现样品的旋转，从而避免炉体内的热流加快旋转电机的老化。

[0014] 3、所述陶瓷杆采用联轴器与探测臂上的光轴同轴相连，能够确保在升降过程中样品始终处于炉体中心。

[0015] 4、所述升降机构的三路电机控制器与三路电机控制器的供电模块全部集成在导轨支架的背后，从而更加节省空间。

[0016] 5、所述晶体垂直自动化生长装置的自动化程度高，采用普通烧结炉编辑好控温程序后，只需将相应参数输入到电机控制程序内，运行电机控制程序即可等待晶体生长结束，全程自动化。

[0017] 6、所述晶体垂直自动化生长装置生长单晶的可重复性好。

[0018] 7、所述晶体垂直自动化生长装置，成本低、运行稳定、技术可靠。

附图说明

[0019] 图1是本发明装置结构示意图。

[0020] 附图序号说明：1是石英管，2是多晶料，3是加热炉，4是恒温区，5是陶瓷杆，6是联轴器，7是光轴轴承，8是探测臂，9是光轴，10是从动滑轮，11是皮带，12是旋转电机，13是主动滑轮，14是升降电机，15是导轨固定件，16是导轨支架，17是微机终端，18是三路电机控制器及其控制器供电模块，19是底座，20是垂直导轨，21是导轨滑块。

具体实施方式

[0021] 实施例一

[0022] 所述的晶体垂直自动化生长装置，加热炉采用GSL-1300X型、升降机构是自主搭建的。

[0023] 本晶体垂直自动化生长装置，仪器搭建步骤如下：

[0024] 1、按照图纸加工探测臂8，采用角铁将探测臂固定在垂直导轨20的导轨滑块21上；垂直导轨20与导轨支架16间通过导轨固定器15固接。

[0025] 2、将旋转电机12和轴承7分别固定在探测臂8的两端，其中导轨滑块21处于探测臂8上远离炉口端位置，旋转电机12靠近导轨滑块21的位置，在探测臂8的近炉口端位置将光轴9固定在轴承7内，轴承内的光轴9和旋转电机12的转轴上分别安装从动滑轮10和主动滑轮13，两个滑轮之间通过皮带11相连。

[0026] 3、将三路电机控制器及其控制器供电模块18固定在导轨支架16的背面，并将升降电机14与旋转电机12的导线连接到电机控制器和控制器供电模块18的相应接线端子上，三路电机控制器及其控制器供电模块18与微机终端17电信号连接。

[0027] 4、用螺丝将导轨支架16轨固定在一块20×30cm的底座19上，底座用铁板制作，采用膨胀螺丝将底座19固定在实验台上。

[0028] 5、采用联轴器6将光轴9和陶瓷杆5同轴连接。

[0029] 6、调整加热炉3和升降机构的位置，使升降机构在升降过程中可确保多晶料2在加热炉3中心的恒温区4内。

[0030] 7、石英管1中装多晶料2并密封，之后挂接在陶瓷杆5的下端。

[0031] 实例二

[0032] 本晶体垂直自动化生长装置，生长单晶的具体操作步骤如下：

[0033] 1、选择适合本方法生长单晶的样品，将多晶料密封在石英管（若样品与石英管反应，可在石英管中封入刚玉、石墨以及白金坩埚）中，并将密封好的石英管悬挂在探测臂下方的陶瓷杆上。

[0034] 2、通过电机控制程序的手动移动模块将石英管的下端调整至与炉口在同一平面内。

[0035] 3、设定好加热炉的温度程序，根据样品的熔点选择合适的目标温度并设定好降温时间及降温的目标温度。

[0036] 4、将升温与保温的总时间和降温的时间输入到程序自动程序模块的加热炉运行时间和冷却时间控件内，同时在模块速度控件设定生长过程中的旋转速度，在生长前的移动距离控件内输入炉子降温之前样品的下降距离。

[0037] 5、运行加热炉的控温程序，并点击运行按钮运行电机控制程序的自动化。

[0038] 6、待晶体生长结束后样品的下端会自动回到与炉口在同一平面内的位置。

[0039] 以上实例及技术方案中所述“样品”指的是多晶料。