一种与红外控温互补的温度控制系统

刘棋奇， 倪 屹， 刘银法， 万海松

(江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122)

在晶体生长中，温度的控制至关重要，影响晶体的透明度、完整性、颜色等重要质量指标。目前，晶体生长炉根据工艺的不同，一般采用电加热炉和石墨电阻加热器进行加热。当前国内外基本采用PID控制器通过温度测量数据的反馈对加热器的输出电流进行控制达到温控目的，温度的测量多采用热电偶与红外测温仪［1］。晶体生长的整个工艺流程中，温度的稳定性对晶体的内在质量起着决定性作用［2］。

随着晶体生长的尺寸需求越来越大，新的工艺对温度稳定性和精确性要求越来越高［3］。随着尺寸的增大，生长周期的加长，热电偶的损毁率高，造成的影响无法忽视，而选用高精度红外测温仪测温范围有限，不可避免地在非测量量程段必须使用其他控温方式［4］。选用红外测温仪为提高测温精度，只能缩小测温范围，不可避免地在非测量量程段必须使用其他控温方式。并且红外测温作为非接触式测温方式，需通过石英视窗监控生长温度，易被突发状况干扰测量。通过研究现有的温度测量控制系统，文中提出一种基于直流可编程电子负载控制加热功率的方法来补充现有温度控制方式的不足。

1 直流电子负载温控系统设计

1．1 直流可编程电子负载

电子负载的原理是控制内部功率MOSFET或晶体管的导通量(量占空比大小)，靠功率管的耗散功率消耗电能的设备，它能够准确地检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路。模拟负载是感性阻性和容性，容性负载电流上升时间［5］。

直流可编程电子负载作为常用测试设备基本功能包含通过键盘输入设定输入/输出电流、电压、电阻等参数，并设定它们的数值上升斜率。

1．2 工作原理

晶体生长需要经过升温化料和降温结晶、退火再降温至室温，整个过程都需要依赖加热功率的输出进行控制［6］，其过程如图1所示。

图1 晶体生长工艺流程Fig．1 Crystal growth process

晶体生长需要升温与降温两大阶段，因此系统也需要设计能控制温度上升和下降两大功能。电子负载温控系统通过设定的工作速率变换负载电流，再通过简单的电路组合达到精确控制晶体生长炉加热电源的输出电压，从而控制晶体生长炉温度。系统示意如图2所示。

图2 电子负载温控系统Fig．2 Electronic load temperature control system

直流电流设置固定电压UD，直流可编程电子负载采用定电流动态模式调节的负载电流为IS，电子负载电流上升端电压为U上=10·IS，下降端电压U下=UD－10·IS。

因此负载电流只要按既定程序上升，通过转接盒切换上升端与下降端的接入，可以做到系统提供控制电流的升降。

系统使用的电子负载电流分辨率可达到0．1 mA，控制电流为0～1 A，此系统提供的控制精度远高于晶体生长的所用加热系统的电源调节精度。因此，控制的精度完全满足晶体生长温控系统应用。

2 系统应用

2．1 蓝宝石晶体生长系统

实验采用蓝宝石晶体生长炉、PID控制仪表、移相全桥电源、石墨电阻加热器和红外测温仪组成的系统进行蓝宝石晶体生长。系统如图3所示。

图3 晶体生长炉温控系统Fig．3 Crystal growth furnace temperature control system

蓝宝石晶体(α－Al2O3)熔点2050℃，生长所需测量温度上限需超过2200℃，在重要结晶段测量精度需达到0．1℃。为保证结晶段(2 000～2 100℃)的测量精度选用的测量波段0．8～1．1μm的红外测温仪，量程为800～2500℃，低于量程下限800℃时测温仪无数据输出。

2．2 系统校准

基于石墨加热器工作于低电压大电流的工作原理，实验所用移相全桥电源设计为0～30V，0～3000A可调电源，通过驱动电流波形的移相角来控制输出功率的大小，可自由切换PID远程控制与本机控制。石墨加热器为主体的工作电路电阻几乎不变，总电阻在0．020～0．021Ω之间随温度微小变动，因此控制输出电压即做到控制输出功率的目的，进而控制温度变化。设计的直流电子负载温控系统直接作用于电源的本机控制状态。测得电子负载温控系统接上升端与下降端时负载电流与对应的加热直流电流电压如表1所示。

在2 V以上电子负载的电流与移相全桥电源输出电压为线性关系，因此只要读取PID-红外控温系统所需的输出电压，就能够通过简单线性计算得到电子负载所需的目标值。通过设定电子负载的初始和结束电流，并通过电源的本机-远程切换，可以做到与PID-红外控制系统0电压差无缝切换。

表1 电子负载电流对应加热输出电压Tab．1 Heating output voltage corresponding to the current of electronic load

3 电子负载温控系统控温效果

3．1 系统工作于升温段

晶体生长中升温阶段对晶体生长质量影响较小，仅需保证升温速率在一个可控的范围且温度不大幅波动。实验中升温阶段，由于工艺采用石墨加热器，设计的温控系统目标是平稳的升温到1 400～1 700℃(下文中温度均指籽晶处温度)，切换成PID-红外控温方式，且在此温度段向真空的炉体内充入氩气作为保护气，以升温速度不超过150℃/h为基准。以5 V为启动电压，输出电流电压升高速率不同情况下的升温至此温度段的数据如表2所示。

表2 不同电压速率的升温用时Tab．2 Used time of different voltage rate

在多次实验中，均以电压升至20～21 V达到预计温度段，具有良好的稳定性和可操作性。以1．43 V/h速率为例，升温阶段具体温度变化如图4所示。

3．2 系统工作于降温段

晶体生长完成后的降温阶段即结晶、退火之后的降温阶段(蓝宝石晶体为1 900℃ 以下)对温度控制的精确性要求不高，但对稳定性要求很高，必须避免因温度波动容易引起晶体开裂［7］。PID仪表的控制需要依赖PID参数的设定，每当控制的范围发生变化时需要不同的PID参数调节。无论是手动调节还是仪表的自动调节都会有一个明显被控温度的振荡期，显然对晶体的完好性不利［8］。实验使用设计的温控系统降温时的温度曲线与输出功率曲线如图5所示。

图4 升温段温度变化Fig．4 Temperature changes in heating period

图5 降温段温度、功率变化Fig．5 Temperature and power changes in cooling period

3．3 系统工作于突发状况

PID控温方式控制功率输出都是以测量温度的反馈为基准进行控制的，晶体生长周期长达1周以上，突发状况的发生不可避免。如接触式测温方式(如热电偶、热电阻等)容易烧毁;原料中的杂质或者石墨加热器、保温罩的挥发导致非接触式测温方式(红外测温仪)的观测窗口被遮挡;甚至坩埚内熔体渗漏使热屏、保温罩融化和挥发，能致使热电偶和红外测温同时失效。

在紧急降温情况下，要保全炉体内保温罩、坩埚、加热器等部件，降温速度需控制在300℃/h以内。高温段自然降温速度过快，手动控制稳定性太低。使用电子负载控温系统能避免这些缺陷，紧急情况下仅需设置起始电压对应的参数电流和降温时间，1 min内能完成设置并开始工作。实验中遇到突发状况后利用温控系统紧急降温后炉体内各个部件和坩埚内籽晶均保存完好。

3．4 结果分析

升温阶段系统起始值恒定，晶体炉从室温状态升温，温度变化受温控系统控制程度高，稳定性略强于降温阶段。无论升温还是降温阶段，电子负载温控系统提供的功率变化速率稳定，温度均达到设想的平稳升降。实验中温度的升降受到功率控制，并未出现温度波动问题。面对突发状况能及时应急工作，控制范围可覆盖至电源的最大输出功率。

4 结语

晶体生长工艺实现中最重要的工作就是对温度的控制，利用基于直流可编程电子负载构成的简易温控系统具有成本低、精度高、稳定性好、易控制等特点。不需要改装现有的工艺生长炉，避免了安装热电偶、热电阻等温度传感器对真空度的影响;能应急工作，并能做到与PID-红外控温方式的无缝对接;电子负载技术成熟，功能多样，该系统经过简单调试可适用于多种工作环境和不同工艺;保证了输出功率的单向变化，不会引起温度波动，与PLC控制相比有较大的成本优势。在蓝宝石晶体生长实验中，系统以室温启动至1 600℃和以800～1 900℃区间内温度启动降温至室温均能按设定目标稳定运行。

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