авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Адаптивная система управления процессами роста кристаллов для методов степанова и чохральского

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Францев Дмитрий Николаевич

адаптивнАЯ системА управления процессАмИ роста кристаллов для методов Степанова и Чохральского

Специальность 01.04.01 – "Приборы и методы экспериментальной физики"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Черноголовка – 2009

Работа выполнена в лаборатории управляемого роста кристаллов Учреждения Российской академии наук Института физики твердого тела РАН (ИФФТ РАН) и лаборатории роста кристаллов Экспериментального завода научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро РАН (ФГУП ЭЗАН)

Научный руководитель: Доктор технических наук, член-корр. РАН

Бородин Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук

Буляница Антон Леонидович

Доктор технических наук

Брантов Сергей Константинович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится "05" июня 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.034.01 при Учреждении Российской академии наук Институте аналитического приборостроения РАН по адресу: 190103, г. Санкт-Петербург, Рижский пр-т, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии науки Института аналитического приборостроения РАН по тому же адресу.

Автореферат разослан " " __________________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук: Щербаков А.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Прогресс в области технологий получения монокристаллов из расплава в значительной степени определяется увеличением массы выращиваемых кристаллов и общим снижением издержек их производства, что требует совершенствования систем автоматического управления процессом роста кристаллов из расплава, и в особенности для методов Степанова и Чохральского. Современные установки для выращивания монокристаллов этими методами оснащены системами автоматического управления (САУ) технологическим процессом. Однако типы регуляторов и коэффициенты регулирования для них определяются эмпирическим путем и, как правило, жестко задаются для конкретного типа и размера кристалла, и применяемого теплового узла. Поэтому такие САУ не учитывают, что в ходе кристаллизации происходит изменение динамических характеристик системы кристалл-расплав. Это изменение существенно возрастает с увеличением массы выращиваемых кристаллов. В связи с этим создание систем автоматического управления процессом роста, обладающих способностью автоматически подстраивать законы регулирования и/или коэффициенты регулирования под изменяющиеся динамические характеристики системы расплав-кристалл (т.е. создание адаптивных систем управления), является весьма актуальной задачей.

В 1985 г. сотрудниками Института физики твердого тела АН СССР был предложен новый метод, обеспечивающий непрерывное управляемое изменение формы боковой поверхности выращиваемого кристалла. Это достигается за счет того, что в ходе кристаллизации осуществляется относительное горизонтальное перемещение локального формообразователя и оси вращения вытягиваемого кристалла. Технология получила название метода локального динамического формообразования. До настоящего времени остается актуальной задача автоматизации этого метода выращивания.



Целью работы является разработка методов адаптивного управления процессами роста кристаллов из расплава методами Степанова и Чохральского, а также разработка метода управления процессом выращивания тел вращения методом локального динамического формообразования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. разработать методику вычисления опорного сигнала для системы автоматического управления, использующей косвенный метод наблюдения – метод взвешивания растущего кристалла;

2. исследовать динамические характеристики ростовых процессов, выполняемых методами Чохральского и Степанова;

3. разработать алгоритмы работы регуляторов и методы их адаптации на основе полученных экспериментальных данных о динамических характеристиках ростовых процессов;

4. исследовать вклад шумов в исходном информационном сигнале, и предложить схему цифровой фильтрации;

5. разработать алгоритмы автоматизации технологических этапов процессов выращивания кристаллов, такие как: разогрев и плавление шихты, затравливание, разращивание кристалла, рост кристалла, отрыв кристалла и охлаждение установки;

6. для выбора оптимальных параметров ростовых процессов провести математическое моделирование распределения примеси в мениске расплава при выращивании кристаллов методом Степанова;

7. провести производственные испытания разработанного программного обеспечения.

Новизна и научная значимость работы

1. Экспериментально показано, что при выращивании кристаллов алюмоиттриевого граната методом Чохральского и кристаллов сапфира методом Степанова с поперечным сечением сопоставимым с сечением тигля динамические характеристики объекта управления (ОУ) существенно меняются в ходе процесса роста, что подтверждает необходимость применения адаптивной системы автоматического управления. Обнаружено, что переходные процессы ОУ в случае метода Степанова различаются для разного знака изменения управляющего воздействия. При увеличении нагрева время установления переходного процесса больше на 20-30%, чем время установления при снижении нагрева. Такое поведение ОУ свидетельствует о необходимости применения нелинейного адаптивного регулятора для управления этим методом кристаллизации.

3. Разработана новая методика автоматической настройки ПИД регулятора, состоящая из трех этапов: накопление экспериментальных данных об ОУ в ходе управления процессом при помощи релейного регулятора, вычисления коэффициентов модели объекта управления и определения коэффициентов ПИД регулятора на основе построенной математической модели и заданного эталонного переходного процесса. На этапе определения коэффициентов регулятора используется безусловный метод минимизации Нелдера-Мида. Это позволяет вводить дополнительные условия при выборе коэффициентов ПИД регулятора, такие как: ограничение на управляющее воздействие и скорость его нарастания, наличие зоны нечувствительности и насыщения.

4. Предложено объяснение причины образования характерного дефекта профилированных кристаллов сапфира – слоя газовых включений вблизи их боковой поверхности. Проведенный для метода Степанова расчет распределения примеси показал, что в мениске возникают компактные области с концентрацией примеси, превышающей более чем на порядок исходную концентрацию примеси в расплаве . Образование таких областей происходит у фронта кристаллизации, на расстоянии 25-45 мкм от боковой кромки кристалла. Показано, что увеличение высоты мениска существенно снижает максимальную величину . Увеличение скорости вытягивания кристалла приводит к росту . Изменение ширины капилляра формообразователя не приводит к существенному изменению .

Практическая значимость

1. Впервые при вычислении опорного сигнала для системы автоматического управления для метода Степанова, использующей метод взвешивания растущего кристалла, учтены члены, ответственные за вклад гидростатических сил. Данные силы являются доминирующими на этапе разращивания кристалла.

2. Впервые разработан программный адаптивный регулятор для управления выращиванием кристаллов методами Степанова и Чохральского, состоящий из автонастраиваемого ПИД регулятора, автонастраиваемого предиктора-корректора управляющего воздействия и релейного регулятора.

3. Разработан алгоритм автоматического затравливания для группового способа выращивания кристаллов методом Степанова.

4. Разработаны алгоритмы управления двигателями горизонтального и вертикального перемещения и вращения верхнего штока, а также двигателем вращения тигля для автоматизированного выращивания сапфировых полусфер методом локального динамического формообразования при использовании формообразователей различной геометрии.

5. Впервые выращены полые изделия из монокристаллического сапфира методом локального динамического формообразования в виде полусфер диаметром 100 мм.

Внедрение и реализация результатов работы

Разработанная адаптивная САУ для процессов выращивания монокристаллов тугоплавких окислов методами Чохральского, Степанова и локального динамического формообразования внедрена Экспериментальным заводом научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро РАН (ФГУП ЭЗАН) на выпускаемой установке роста кристаллов "Ника-С".

Апробация работы

Результаты проведенных исследований докладывались на Тринадцатой международной конференции по росту кристаллов (ICCG-13, 30 июля-4 августа 2001 г., Киото, Япония), на всероссийском совещании "Выращивание кристаллических изделий способом Степанова, пластичность и прочность кристаллов" (2004 г., Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН, С.–Петербург), на Четырнадцатой международной конференции по росту кристаллов (ICCG-14, август 2004 г., Гренобль, Франция), на Пятнадцатой международной конференции по росту кристаллов (ICCG-15, август 2007 г., Солт Лэйк Сити, США), Х национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2002, 24-29 ноября 2002 г., Москва), на ХI Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2004, 14-17 декабря 2004 г., Москва), на ХII Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2006, 23-27 октября 2006 г., Москва).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 13 публикациях, в том числе в 4 изданиях, внесенных в перечень ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. методика и результаты эксперимента по определению переходных процессов объекта управления при выращивании кристаллов методами Чохральского и Степанова;

2. методика вычисления опорного сигнала для метода Степанова, дополнительно учитывающий вклад гидростатических сил;

3. новый тип регулятора - асимметричный релейный регулятор, имеющий зону нечувствительности по рассогласованию и по времени;

4. методика автоматической настройки ПИД регулятора с использованием метода безусловной минимизации Нелдера-Мида и модели объекта управления, коэффициенты которой определяются при управлении релейным регулятором;

5. методика настройки предиктора-корректора на основе данных об совокупном изменении управляющего воздействия при управлении релейным регулятором;

6. структура программного адаптивного регулятора для управления выращиванием кристаллов методами Степанова и Чохральского, состоящая из блока "Супервизор", автонастраиваемого ПИД регулятора, автонастраиваемого предиктора-корректора управляющего воздействия и асимметричного релейного регулятора;

7. алгоритм автоматического затравливания для группового процесса выращивания кристаллов методом Степанова;

8. алгоритмы для управления двигателями перемещения и вращения штока и тигля ростовой установки для автоматического выращивания кристаллов в виде тел вращения;

9. методика диагностики неисправности механических узлов ростовой установке, базирующаяся на основе анализа спектра сигнала с датчика веса;

10. интерпретация причины возникновение характерного дефекта – слоя газовых включений вблизи боковой поверхности кристаллов, выращиваемых методом Степанова, на основе результатов расчета полей концентрации примеси в мениске расплава.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 129 наименований. Работа содержит 158 страницы, включая 56 иллюстраций, 6 таблиц.





ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

Во введении излагается актуальность выбранной темы, ее научная новизна и значимость, излагается структура диссертации.

Глава 1. Литературный обзор

В первой главе, являющейся литературным обзором, дана краткая характеристика особенностей методов Степанова и Чохральского, приведены работы, касающиеся устойчивости этих методов кристаллизации. Уделено внимание проблеме автоматизации метода Чохральского с применением датчиков веса кристалла, вытягиваемого из расплава. Рассмотрены результаты работ по автоматизации метода Степанова. Отмечено, что в литературе отсутствует информация о создании автоматической системы управления, способной осуществлять процесс от затравливания до охлаждения получаемого кристалла без внесения в ходе выращивания корректировок программы управления или параметров процесса. Показано, что литературные данные свидетельствуют о возможности изменения динамических характеристик системы кристалл-расплав для метода Степанова в ходе процесса кристаллизации. В конце главы рассмотрены работы, касающиеся основ адаптивного управления. Обзор литературы завершается формулировкой задач диссертационной работы.

Глава 2. Исследование объекта управления и проектирование адаптивной системы управления.

В начале второй главы приведена разработанная методика вычисления опорного сигнала для системы автоматического управления выращивания кристаллов методами Степанова и Чохральского.

Целью управления является получение кристалла с минимальным отклонением от заданного продольного профиля. Данная цель достигается, при условии обеспечения системой автоматического управления минимального отклонения площади поперечного сечения растущего кристалла от мгновенного опорного значения площади сечения в каждый момент ростового процесса. Иными словами, основной задачей САУ является обеспечение роста кристалла с заданным поперечным сечением.

Разрабатываемая система автоматического управления использует косвенный метод наблюдения за объектом управления - метод взвешивания растущего кристалла. Для формирования сигнала управления необходимо вычисление опорного значения силы в каждый момент времени ростового процесса, которое в случае метода Чохральского определяется весом кристалла и весом мениска расплава, а случае метода Степанова еще и вкладом гидростатических и гидродинамических сил.

Для вычисления опорного значения силы в случае метода Чохральского используется известное уравнение Бардсли:

 (1)где  плотности расплава и кристалла, -4 (1)
где плотности расплава и кристалла, радиус кристалла, – угол роста, - мгновенное значение угла продольного профиля кристалла к оси вытягивания, скорость кристаллизации, высота мениска, коэффициент поверхностного натяжения расплава, и - ускорение свободного падения.

Для вычисления опорного значения силы в случае метода Степанова используется уравнение (2):

, (2)где - скорость вытягивания кристалла, --13, (2)
где - скорость вытягивания кристалла, - площадь сечения кристалла, - периметр поперечного сечения кристалла, - высота подъёма расплава по капилляру над уровнем расплава в тигле.

Цель управления достигается при стабилизации производной измеряемой силы , т.е. производной сигнала с датчика веса, которая косвенным образом характеризует текущее сечение растущего кристалла.

Таким образом, для рассматриваемых методов выращивания объектом управления является производная силы . Управляющим воздействием является мощность нагрева .

Была проведена серия экспериментов, направленных на определение переходных процессов (определения динамических характеристик объекта управления) - производной сигнала датчика веса при изменении мощности нагрева . Эксперименты проводились на ростовой установке "Ника-С".

Методика экспериментов заключалась в том, что на стадии стационарного роста кристалла, проводились ступенчатые изменения мощности нагрева в виде меандра () и осуществлялась регистрация сигнала (см. рис 1).

 График производной силы и график-25

Рис. 1. График производной силы и график мощности нагрева при выращивании пакета из 6 сапфировых лент 37x3.5 мм методом Степанова. Объект управления показывает различие переходных процессов для разного знака изменения сигнала управления.

Измерения проводились три раза в ходе одного процесса роста: на начальной стадии после выхода кристалла на заданный поперечный размер, в середине процесса и в конце процесса выращивания. Переходной процесс регистрировался как массив пар значений . Предварительно из экспериментальных данных удалялся линейный тренд. Затем массив анализировался при помощи специального инструментария "System identification toolbox" математической программы "MATLAB", позволяющего строить математические модели переходного процесса.

Динамические характеристики объекта управления для метода Чохральского изучались при выращивании монокристаллов алюмоиттриевого граната. Было показано, что переходной процесс (т.е. динамическая характеристика объекта управления) меняется с течением времени. Было установлено, что переходные процессы для метода Чохральского можно аппроксимировать линейной авторегрессионой моделью (ARX) второго порядка.

Динамические характеристики объекта управления для метода Степанова изучались на примере выращивании монокристаллов сапфира, как при выращивании одиночных кристаллов, так и в случае группового роста. Условия экспериментов приведены в табл. 1.

Таблица 1



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.