基于线激光的单晶炉口对中装置研制

张宏帅 谢晴

摘 要：单晶炉口对中装置采用高精度线激光测距传感器、标线器、LED单元板、自主研发的控制模块等，具有准确测距、显示距离和方向指示信息、WIFI上传数据等功能，应用于拉晶车间取棒车夹取炉内晶棒的过程，能够有效的解决取晶棒操作难，效率低的问题。

关键词：晶棒;激光测距;对中

引言

随着国内集成电路产业经过30多年的大力发展，我国的半导体行业近几年对硅片及硅基材料的需求日益提高。由单晶硅棒制备生产成单晶硅片的过程中需要频繁地在设备间进行搬运和夹取晶棒，制备好的晶棒需要从单晶炉中取出，现阶段人工操作取棒车进行取棒搬运工作时需要依靠工作人员肉眼识别夹具是否与单晶硅棒中心对齐，这样的取棒方法既带来了定位误差，又增加了人工操作的工作量，而且人为判断失误因素较多，造成取棒过程难度高，危险大，使得整个加工过程效率低，耗时长并且需要工作人员一直跟随操作[1]。

1 设计原理

激光测距（laser distance measuring）是把激光器作为光源，配合相应的光电元件和信号采集电路进行测距工作，激光测距有着测量精度高、检测时间短、不用直接接触被测物体、测量距离远等优点。考虑到取棒车与炉门中的单晶硅棒距离较近，本装置技术上采用三角法激光测距。三角法激光测距十分常见，该方法是通过对被测物体发射激光束，然后用光电探测元件接收反射光束，反射光的光斑将会随着被测物体的移动而移动，由于发射光束与入射光束有一定夹角，根据三角反射原理和反射光斑的位置进而获得传感器与被测物体之间的距离[2]。

2 硬件研制

硬件分为控制器、激光测距传感器，标线器、LED单元板、WIFI通讯模块等部分，本装置硬件结构框图如图1所示。

测量单元由左右两侧激光测距传感器组成，控制单元由控制模块、WIFI通讯模块等组成。本装置测量单元采用的传感器是基于三角法激光测距原理的日本 Panasonic 公司的 HG-C1400 型激光测距传感器。

控制单元由单片机控制电路、信号采集电路、电源电路、光耦隔离电路等部分组成。单片机控制电路选择意法半导体公司的 STM32F103C8T6 微控制器作為控制芯片，该芯片内部集成定时器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART 等多种资源，工作频率最高为 72MHz，该芯片具有 2 个 12 位模数转换器，多达 16 个输入通道，模数转换时间最快可达 1us;信号采集电路包括传感器内部电路和电压跟随电路两个部分，其中电压跟随电路的输入阻抗高、输出阻抗低，输出电压的幅度与输入电压的幅度基本一致，电路因前级电路呈高阻状态，后级电路呈低阻状态，故有了“隔离”的效果，电压跟随电路的采用的芯片型号是 LM324，该芯片是单电源四路电压跟随器;电源电路的设计影响着硬件电路系统运行的稳定性与可靠性，本装置采用的TPS54302 是一款输入电压范围为 4.5V 至 28V 的 3A 同步降压转换器，该器件包含两个集成式开关场效应晶体管 （FET） 并且具备内部回路补偿和 5ms 内部软启动功能，可降低组件数，通过集成 MOSFET 并采用 SOT-23 封装，TPS54302 获得了高功率密度，并且在印刷电路板 （PCB） 上的占用空间非常小;光耦隔离电路采用PC817芯片，PC817光电耦合器使前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计。

3 软件系统开发

软件设计采用 Keil Uvision5作为 STM32F103C8T6 单片机的编译环境，通过 C 语言编程实现了基于激光测距的炉门对中装置的软件设计，使用 ST-Link 仿真器进行程序的下载和调试。本装置的软件设计即为单片机程序的编程开发，由主程序和各个子程序组成，其中主程序负责调度各个子程序的运行，子程序包括数据处理子程序、串口通讯子程序、按键输入子程序、屏幕显示子程序共四个部分。

3.1主程序设计

主程序首先包含所需要的头文件，声明并且定义各个变量，然后进行初始化工作，初始化包括：串口初始化、定时器初始化、中断管理初始化、GPIO 初始化、DMA 初始化、ADC 初始化等。串口初始化对串口通信的波特率、数据格式、有无奇偶校验等进行设置;定时器初始化包括设置为定时器模式并且定义其定时时间;ADC 初始化工作包括设置 ADC 的工作模式、AD 采样周期等;中断管理初始化置位全局中断允许位，设置中断优先级处理;GPIO 初始化包括设置所使用引脚的输入输出模式、使能相关时钟等;初始化工作完成后进入 while（1）的循环中开始 AD 转换、数据处理、数据发送等。

3.2数据处理程序设计

本装置通过激光测距传感器采集距离后经过对比两侧传感器差值来判断夹爪是否对准晶棒中心，经过单片机AD转换后得到的数据首先进行中值滤波处理，以达到使数据相对平滑的目的，其次在定时器2初始化后每50ms发生一次中断，在中断中对采集的数据进行阈值滤波即对数据的有效性先进行判断，第一次出现有效数据时记录为t1，第二次出现有效数据时记录为t2，完成一次对中扫描后根据前文所述炉门对中检测原理计算得出偏差距离。

3.3显示程序设计

LED单元板又名LED显示屏模组，简称单元板，由LED发光二极管及驱动电路，驱动IC及塑胶套件构成。根据系统设计，OLED屏幕需要在对中完成后得出偏差距离并且通过OLED屏幕给工作人员正确的操作提示。OLED模块通过IIC总线与系统单片机控制电路进行串行通讯。

4 系统测试

本装置经过现场调试已经满足实际使用需求，减少了操作人员工作量，取代了操作人员依靠肉眼操作取棒车完成炉门对中取棒的方式，利用高精度激光测距传感器实现了对炉门中心的高精度测量，利用LED单元板实现了对操作人员的操作提示功能，本装置大大提高了炉门对中取棒工作的效率，降低了炉门对中取棒可能出现的风险。

5 结束语

本装置采用高精度线激光测距传感器、线激光标线器、自主研发的控制模块、数据采集模块和通讯模块等，全面实现了各项设计功能和指标。本装置有以下几个创新点和特点：

（1）采用激光测距传感器实现对取棒车夹爪与炉门间距的高精度测量;

（2）适用于指示操作人员操作取棒车夹取8寸、6寸两种尺寸的晶棒;

（3）标线器可帮助操作人员进行取棒车的方向调整;

（4）LED单元板简洁有效的对操作人员进行调整提示。

参考文献：

[1]韩永龙.单晶炉设备的保养与维修[J].设备管理与维修，2020（18）：63-64.

作者简介：

张宏帅（1991—），男，硕士，助理实验师，研究方向：智能制造;

谢晴（1989—），女，本科，研究方向：工程管理。