一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量方法及装置

技术领域

本发明涉及单晶硅生产技术领域，更具体地说，本发明涉及一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量方法及装置。

背景技术

在直拉法拉单晶的过程中，包含引晶、放肩、转肩、等径、收尾等各道共工序，其中引晶、放肩、等径中均需要精准的控制液口距，即导流筒下沿到熔硅液面的距离，目前，对CCD相机捕获图像采用取预设系数的方法分析计算液口距，即通过CCD相机捕获导流筒下沿与倒影的图像，引入比例系数，通过像素距离与系数相乘，计算导流筒下沿选定边界点与倒影点的直线距离，进而计算得液口距，此方法系数的确定较为困难，且选定边界点在倒影中的对应点极难寻找。因此，有必要提出一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量方法及装置，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量装置，包括：

步骤1：用CCD相机对导流筒底端进行拍摄并获取导流筒在液面的平行投影的图像示意图；

步骤2：在图像示意图的倒影圆环上等像素间隔设定三条测量线；

步骤3：通过获得的三条测量线和安装导流筒时取得的确定值直接计算出液口距。

优选的，所述步骤3中，计算步骤如下：

A1：通过获得的三条测量线计算出所述倒影圆环与所述CCD相机之间的角度为第二角度，计算公式如下：

sin

取像素间隔k＝2可得

sin

其中，k为步骤3中设定的等间隔距离，A

A2：通过所述第二角度计算出液口距，计算公式如下：

其中，H为液口距，A为所述导流筒与所述CCD相机的横向距离，θ

优选的，单晶炉；

导流筒，所述导流筒固定安装于所述单晶炉的内壁上；

CCD相机，所述CCD相机设于所述单晶炉顶端。

优选的，所述导流筒为漏斗状。

优选的，所述单晶炉内壁上还设有测量装置，所述测量装置包括：

壳体，所述壳体设于所述单晶炉的内壁上，所述壳体内设有动力腔，所述动力腔的一侧设有传动腔，所述传动腔的一侧设有刻度腔；

第一电机，所述第一电机设于所述动力腔的内壁上；

第一转动杆，所述第一转动杆的一端与所述第一电机连接，所述第一转动杆的另一端与所述刻度腔的内壁转动连接；

第一锥齿轮，所述第一锥齿轮套接于所述第一转动杆上，所述第一锥齿轮位于所述动力腔内；

第二转动杆，所述第二转动杆的一端伸入所述动力腔内与第二锥齿轮连接，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合，所述第二转动杆的另一端与所述传动腔的内壁转动连接；

第一皮带轮，所述第一皮带轮套接于所述第一转动杆上，所述第一皮带轮位于所述刻度腔内；

第三转动杆，所述第三转动杆的两端均与所述刻度腔的内壁转动连接；

第二皮带轮，所述第二皮带轮套接于所述第三转动杆上，所述第一皮带轮和所述第二皮带轮之间通过刻度条传动连接；

第三皮带轮，所述第三皮带轮套接于所述第二转动杆上，所述第三皮带轮位于所述传动腔内；

第四转动杆，所述第四转动杆位于所述传动腔内，所述第四转动杆的两端均穿过所述壳体；

第四皮带轮，所述第四皮带轮套接于所述第四转动杆上，所述第四皮带轮位于所述传动腔内，所述第四皮带轮和所述第三皮带轮之间通过皮带传动连接；

所述壳体上设有两个夹紧装置，相邻两个所述夹紧装置对称设有所述传动腔的两侧，所述夹紧装置包括：

限位轨，所述限位轨设于所述壳体上；

夹紧杆，所述夹紧杆滑动连接于所述限位轨上，所述夹紧杆内还设有螺纹槽，所述第四转动杆的一端通过螺纹与所述螺纹槽连接；

L形杆，所述L形杆的一端与所述夹紧杆的外壁连接，所述L形杆的另一端设有打磨块；

第一玻璃板，所述第一玻璃板设于所述刻度腔的内壁上。

优选的，所述单晶炉的内壁内还设有所述升降装置，所述升降装置包括：

移动腔，所述移动腔设于所述单晶炉的内壁上，所述壳体滑动连接于所述移动腔内；

第二电机，所述第二电机设于所述单晶炉的内壁上，所述第二电机位于所述移动腔的下方；

移动装置，所述移动装置设于所述单晶炉内，所述第二电机的两侧对称设有所述移动装置，所述移动装置包括：

齿轮腔，所述齿轮腔设于所述单晶炉的内壁上，所述齿轮腔设于所述单晶炉的内壁上，所述齿轮腔设于所述第二电机的一侧；

滑块腔，所述设于所述单晶炉的内壁上，所述滑块腔位于所述齿轮腔的上方，所述移动腔位于相邻两个所述滑块腔之间；

第五转动杆，所述第五转动杆的一端与所述第二电机连接，所述第五转动杆伸入所述齿轮腔内与第三锥齿轮连接；

第六转动杆，所述第六转动杆的一端伸入所述齿轮腔内与所述第四锥齿轮连接，所述第四锥齿轮与所述第三锥齿轮啮合，所述第六转动杆的另一端与所述滑块腔的内壁转动连接；

滑块，所述滑块套接于所述第六转动杆上，所述滑块滑动连接于所述滑块腔内，所述滑块的一端与所述第六转动杆通过螺纹连接，所述滑块的另一端穿过所述滑块腔与壳体连接；

第二玻璃板，所述第二玻璃板设于所述移动腔的内壁上；

连接部，所述连接部的一端与所述打磨块底端连接，所述连接部的另一端设有压杆。

优选的，所述打磨块为弧形，所述打磨块为材料钨制成。

优选的，所述压杆为弧形，所述压杆在水平方向上位于远离所述弧形杆的内壁一侧。

优选的，所述第一玻璃板和第二玻璃板均为耐高温玻璃。

优选的，步骤1：通过所述CCD相机以第一角度对所述导流筒底端进行拍摄；

步骤2：获得所述导流筒到液面的近似平行投影的图像示意图；

步骤3：在图像示意图的倒影圆环上等像素间隔设定三条测量线；

步骤4：通过获得的三条测量线计算出所述倒影圆环与所述CCD相机之间的角度为第二角度，计算公式如下：

sin

取像素间隔k＝2可得

sin

其中，k为步骤3中设定的等间隔距离，A

步骤5：通过所述第二角度计算出液口距，计算公式如下：

其中，H为液口距，A为所述导流筒与所述CCD相机的横向距离，θ

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

本发明所述的一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量方法及装置在只使用三条测量线和安装CCD相机时获得的确定值计算出液口距，避免了引入比例系数和选定边界点在倒影中的对应点，提高了液口距的效率的准确率。

本发明所述的是一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量方法及装置，本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量装置的结构示意图。

图2为本发明一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量装置的CCD相机的捕获图像示意图。

图3为本发明一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量装置的倒影示意图。

图4为本发明一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量装置的测量装置的俯视示意图。

图5为本发明一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量装置的升降装置的结构示意图。

图6为本发明一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量装置的升降装置的俯视结构示意图。

图7为本发明一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量装置的打磨块处的结构示意图。

附图标记说明：1、导流筒；2、液面；3、CCD相机；4、单晶炉；5、倒影圆环；6、测量装置；7、壳体；8、动力腔；9、刻度腔；10、传动腔；11、第一电机；12、第一转动杆；13、第一锥齿轮；14、第一皮带轮；15、刻度条；16、第一玻璃板；17、第二皮带轮；18、第三转动杆；19、第二锥齿轮；20、第二转动杆；21、第三皮带轮；22、皮带；23、第四皮带轮；24、限位轨；25、夹紧杆；26、第四转动杆；27、螺纹槽；28、L形杆；29、打磨块；30、升降装置；31、齿轮腔；32、移动腔；33、滑块腔；34、第二电机；35、第五转动杆；36、第三锥齿轮；37、第四锥齿轮；38、第六转动杆；39、滑块；40、第二玻璃板；41、连接部；42、压杆。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-图7所示，本发明提供了一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：用CCD相机3对导流筒1底端进行拍摄并获取导流筒1在液面3的平行投影的图像示意图；

步骤2：在图像示意图的倒影圆环5上等像素间隔设定三条测量线；

步骤3：通过获得的三条测量线和安装导流筒1时取得的确定值直接计算出液口距。

上述技术方案的工作原理：通过上述结构设计，通过CCD相机3拍摄获得图像示意图，再在图像示意图上等像素间隔取出三条测量线，在只取得的三条测量线和安装CCD相机3时获得的确定值计算出液口距。

上述技术方案的有益效果：通过上述方法在只使用三条测量线和安装CCD相机3时获得的确定值计算出液口距，避免了引入比例系数和选定边界点在倒影中的对应点，提高了液口距的效率的准确率。

在一个实施例中，所述步骤3中，计算步骤如下：

A1：通过获得的三条测量线计算出所述倒影圆环与所述CCD相机3之间的角度为第二角度，计算公式如下：

sin

取像素间隔k＝2可得

sin

其中，k为步骤3中设定的等间隔距离，A

A2：通过所述第二角度计算出液口距，计算公式如下：

其中，H为液口距，A为所述导流筒1与所述CCD相机3的横向距离，θ

上述技术方案的工作原理：通过安装CCD相机3使得获得的第一角度θ

上述技术方案的有益效果：当液面2的高度变化时，会引起图像中各三条测量线的距离的变化，进而导致第二角度θ

本发明提供了一种以导流筒为参照的单晶炉液口距双点测量装置，包括：

单晶炉4；

导流筒1，所述导流筒1固定安装于所述单晶炉4的内壁上；

CCD相机3，所述CCD相机3设于所述单晶炉4顶端，。

上述技术方案的工作原理：在实际使用过程中，在安装CCD相机3时，确定出CCD相机3与导流筒1底端的夹角和水平距离，然后启动CCD相机3拍出导流筒1底端照片，然后在照片上的倒影圆环5上等像素间隔设定多条直线，然后结合安装CCD相机时获得的夹角和水平距离计算出液口距。

上述技术方案的有益效果：通过上述结构设计，通过CCD相机3捕获的映像然后结合安装CCD相机3时取得的数据，避免了引入比例系数和选定边界点在倒影中的对应点，提高了液口距的效率的准确率。

在一个实施例中，所述导流筒1为漏斗状。

上述技术方案的工作原理：在实际使用过程中，漏斗状的导流筒1方便气流进入冷却单晶硅。

上述技术方案的有益效果：通过上述结构设计，漏斗状的导流筒1不会阻碍CCD相机3的拍摄；同时，漏斗可以在添加原材料多晶硅时提供便利。

在一个实施例中，所述单晶炉4内壁上还设有测量装置6，所述测量装置6包括：

壳体7，所述壳体7设于所述单晶炉4的内壁上，所述壳体7内设有动力腔8，所述动力腔8的一侧设有传动腔10，所述传动腔10的一侧设有刻度腔9；

第一电机11，所述第一电机11设于所述动力腔8的内壁上；

第一转动杆12，所述第一转动杆12的一端与所述第一电机11连接，所述第一转动杆12的另一端与所述刻度腔9的内壁转动连接；

第一锥齿轮13，所述第一锥齿轮13套接于所述第一转动杆12上，所述第一锥齿轮13位于所述动力腔8内；

第二转动杆20，所述第二转动杆20的一端伸入所述动力腔8内与第二锥齿轮19连接，所述第二锥齿轮19与所述第一锥齿轮13啮合，所述第二转动杆20的另一端与所述传动腔10的内壁转动连接；

第一皮带轮14，所述第一皮带轮14套接于所述第一转动杆12上，所述第一皮带轮14位于所述刻度腔9内；

第三转动杆18，所述第三转动杆18的两端均与所述刻度腔9的内壁转动连接；

第二皮带轮17，所述第二皮带轮17套接于所述第三转动杆18上，所述第一皮带轮14和所述第二皮带轮17之间通过刻度条15传动连接；

第三皮带轮21，所述第三皮带轮21套接于所述第二转动杆20上，所述第三皮带轮21位于所述传动腔10内；

第四转动杆26，所述第四转动杆26位于所述传动腔10内，所述第四转动杆26的两端均穿过所述壳体7；

第四皮带轮23，所述第四皮带轮23套接于所述第四转动杆26上，所述第四皮带轮23位于所述传动腔10内，所述第四皮带轮23和所述第三皮带轮21之间通过皮带22传动连接；

所述壳体7上设有两个夹紧装置，相邻两个所述夹紧装置对称设有所述传动腔10的两侧，所述夹紧装置包括：

限位轨24，所述限位轨24设于所述壳体7上；

夹紧杆25，所述夹紧杆25滑动连接于所述限位轨24上，所述夹紧杆25内还设有螺纹槽27，所述第四转动杆26的一端通过螺纹与所述螺纹槽27连接；

L形杆28，所述L形杆28的一端与所述夹紧杆25的外壁连接，所述L形杆28的另一端设有打磨块29；

第一玻璃板16，所述第一玻璃板16设于所述刻度腔9的内壁上。

上述技术方案的工作原理：在实际使用过程中，当采用直拉法自单晶炉内拉单晶时，启动第一电机11，第一电机11启动带动第一转动杆12转动，第一转动杆12通过第一锥齿轮13带动第二锥齿轮19转动，第二锥齿轮19通过第三转动杆20带动第三皮带轮21转动，第三皮带轮21通过皮带22带动第四皮带轮23转动，第四皮带轮23带动第四转动杆26转动，第四转动杆26通过螺纹带动相邻的两个夹紧杆25相向运动，在两个夹紧杆25相向运动时，夹紧杆25通过L形杆28带动打磨块29运动，使得相邻两个打磨块29相向运动，从而将结晶出的硅棒夹住；同时第一转动杆12会带动第一皮带轮14转动，第一皮带轮14通过刻度带15带动第二皮带轮17转动，在刻度带移动过程中，移动的刻度带会显示出结晶出的硅棒的直径。

上述技术方案的有益效果：通过上述结构设计，通过在溶液结晶时，用打磨块29将结晶后的硅棒夹住，然后在硅棒在向上拉和旋转时，硅棒的外表面会不断和打磨块29的内壁进行摩擦，从而具有一定韧性时对硅棒表面进行一次打磨和塑形，减少了后续对硅棒表面的打磨工作，使得结晶出的硅棒表面光滑平整；同时，在进行打磨时，可以运用测量装置对结晶出的硅棒进行测量，从而方便拉出需要直径的硅棒。

在一个实施例中，所述单晶炉4的内壁内还设有所述升降装置30，所述升降装置30包括：

移动腔32，所述移动腔32设于所述单晶炉4的内壁上，所述壳体7滑动连接于所述移动腔32内；

第二电机34，所述第二电机34设于所述单晶炉4的内壁上，所述第二电机34位于所述移动腔32的下方；

移动装置，所述移动装置设于所述单晶炉4内，所述第二电机34的两侧对称设有所述移动装置，所述移动装置包括：

齿轮腔31，所述齿轮腔31设于所述单晶炉4的内壁上，所述齿轮腔31设于所述单晶炉4的内壁上，所述齿轮腔31设于所述第二电机34的一侧；

滑块腔33，所述设于所述单晶炉4的内壁上，所述滑块腔33位于所述齿轮腔31的上方，所述移动腔32位于相邻两个所述滑块腔33之间；

第五转动杆35，所述第五转动杆35的一端与所述第二电机34连接，所述第五转动杆35伸入所述齿轮腔31内与第三锥齿轮36连接；

第六转动杆38，所述第六转动杆38的一端伸入所述齿轮腔31内与所述第四锥齿轮37连接，所述第四锥齿轮37与所述第三锥齿轮36啮合，所述第六转动杆38的另一端与所述滑块腔33的内壁转动连接；

滑块39，所述滑块39套接于所述第六转动杆38上，所述滑块39滑动连接于所述滑块腔33内，所述滑块39的一端与所述第六转动杆38通过螺纹连接，所述滑块39的另一端穿过所述滑块腔33与壳体7连接；

第二玻璃板40，所述第二玻璃板40设于所述移动腔32的内壁上；

连接部41，所述连接部41的一端与所述打磨块29底端连接，所述连接部41的另一端设有压杆42。

上述技术方案的工作原理：在实际使用过程中，在使用测量装置6对硅棒表面进行打磨塑形时，随着硅棒的不断被拉出，多晶溶液的液面2不断下降，且硅棒在不断上升时温度会逐渐冷却，即硅棒的最适合的打磨位置在不断的下降；此时，可以启动第二电机34，第二电机34启动带动第五转动杆35转动，第五转动杆35通过第三锥齿36带动第四锥齿轮37转动，第四锥齿轮37带动第六转动杆38转动，第六转动杆38通过螺纹带动滑块39向下运动，滑块39带动壳体7向下运动，使得测量装置7向下运动；同时在对液口距进行测量时，也可以启动升降装置30，使得升降装置30带动测量装置7下移，使得压杆42接触液面2顶端，从而减少液面2的波动；同时，设有的第二玻璃板40，使得测量装置7在移动后，工作人员可以通过第二玻璃板40观察单晶炉4的内部情况。

上述技术方案的有益效果：通过上述结构设计，通过设计的升降装置30带动测量装置7下移，使得打磨块29始终与硅棒的最适合打磨的位置接触，提高了测量装置7的打磨效果，同时打磨块29会相对硅棒以更快的速度下移，使得打磨块29能更好的打磨硅棒；同时，也可以使得升降装置30的压杆42接触液面2顶端，减少液面2的波动，使得CCD相机3捕获的图形上的倒影圆环更加光滑连续，从而提高测量出的液口距的准确度。

在一个实施例中，所述打磨块29为弧形，所述打磨块29为材料钨制成。

上述技术方案的工作原理：弧形的打磨块29与圆形的硅棒接触面更多，材料钨极其耐高温。

上述技术方案的有益效果：打磨块29与硅棒接触面积越大，使得打磨效果更好，打磨块29在接触高温的硅棒时不会发生软化和变形。

在一个实验例中，所述压杆42为弧形，所述压杆42在水平方向上位于远离所述弧形杆29的内壁一侧。

上述技术方案的工作原理：弧形的压杆42相比于直形的接触面积更大。

上述技术方案的有益效果：通过上述结构设计，弧形的压杆42底部与液面2的接触面积越大，压杆42减少液面2波动的效果越好。

在一个实施例中，所述第一玻璃板16和第二玻璃板40均为耐高温玻璃。

上述技术方案的工作原理：第一玻璃板16和第二玻璃板40为耐高温玻璃可以保证单晶炉工作时不会发生软化变形。

上述技术方案的有益效果：可以通过第一玻璃板16和第二玻璃板40实时监控单晶炉4内部的情况和读取结晶出的硅棒的直径。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。