30000字硕士毕业论文空之间晶体生长炉温系统的机理建模与控制

第一章引言

晶体生长炉的发展晶体生长使用某些方法和技术从液体或气体晶体中生长单晶。液晶可分为两类:熔体生长和溶液生长。其中，熔体生长法是最常用的，主要包括直拉法(也称为丘克劳斯基法)、橙色减灾法(也称为梯度炉法或布里奇曼法)、区域熔化法、火焰熔化法(也称为沃纳法)等。溶液生长法主要包括水溶液法、水热法、熔剂法等。气态结晶主要包括气相生长法和升华法。人类从史前时代就开始处理水晶了。五十万年前，我们的祖先蓝田猿人和北京猿人使用的工具是应时。人造晶体也很早就出现了。最明显的例子是我们日常生活中不可缺少的盐。炼金术在中国古代也是一种人工晶体方法。在西方，人工工业晶体生长的大部分工作始于19世纪初。

1902年，凡尔纳伊提出了火焰熔化法，并开始了晶体[f2l的第一次工业生产。由于他的成核控制和晶体直径控制的法则被大多数后续的生长方法所采用，他被称为晶体生长技术之父。水热法出现于1905年。直拉法案出现在1917年。1949年，英国法拉第学会(British Faraday Society)举办了第一次晶体生长研讨会，为未来的晶体生长理论奠定了基础。1952年，区熔技术[3o地面人工晶体生长设备出现。1961年，在中国科学院半导体物理研究所林兰英院士的亲自指导下，北京机械研究所工厂(Xi理工大学工厂的前身)的技术人员和半导体物理研究所的技术人员共同开发了中国第一台人工晶体生长设备——dk-36单晶炉[[4号，并成功绘制出当时中国第一台质量接近国际先进水平的无位错硅单晶。20世纪80年代末，中国半导体材料工业发展迅速，国内半导体材料制造商引进了大量美国kayex - cg3000软轴提拉单晶炉。为了满足中国半导体材料工业不断发展的需要，Xi安理工大学工厂于1988年承担了国家“七五”科技研究项目，成功开发了tdr-62系列软轴单晶炉和tdl-fz35型区域炉[[5] O。在一般的地面晶体生长过程中，由于重力的影响，晶体生长过程中会出现浮、对流、沉淀和静压变化等现象。这些现象使得生长晶体中的杂质分布不均匀，质量不高。为了抑制这种现象和提高晶体生长质量，人们进行了各种尝试，其中最有效的方法是空微重力环境下的生长技术和外磁场技术[6]。

本文着重于空之间的增长技术的发展。1970年代，美国航天局开始空材料科学研究，随后是欧洲空局、俄罗斯联邦空局和日本空局。由于空之间实验本身的限制，要求空之间的晶体生长设备小型化、低功耗、信息自动化、模块化和系统平台[f61。作为空之间晶体生长的关键设备，[/k0/]之间晶体炉的研发受到了广泛关注。美国、欧洲、俄罗斯和日本已经开发了不同类型的空晶体生长炉，包括等温炉、梯度炉和区域炉。从各国开发的空晶体生长炉来看，大多数晶体生长炉在实验过程中都需要机械运动。用于Tai 空晶体生长的早期晶体炉产生的温度梯度是静态的，需要依靠移动样品或加热器来实现晶体生长，即布里奇曼晶体生长法(Bridgman crystal growth method)。由于这种方法不能完全避免机械振动对晶体生长的影响，因此有必要开发一种更适合空的晶体生长炉。参考美国在80年代早期成功开发的电控梯度移动EDG炉的想法，用于Tai 空晶体生长的多温区电控炉在80年代后期开始在一些发达国家兴起。

EDG炉的设计思想是在结构上将炉分成多个温度段，每个段包含多个加热单元，每个加热单元由计算机独立控制，温度梯度由电气控制，从而取代样品或加热器的机械运动，避免机械振动对晶体生长的不利影响。1991年，[有30多个可编程多区炉温度区。1996年出现的PMZFfIOC经历了结构变化，由热区、冷区和两区之间的保温带组成。热区由多个温度区组成，可以实现电控温度场的运动。当冷区与热区一起使用时，在定向凝固过程中可以实现更大范围的可控温度梯度。2000年，国际空站使用了一种新的10温区电控加热炉，通过区熔进行晶体生长。通过控制每个温度区的加热功率，在炉子中形成了“移动”的温度场，并且成功地生长了高质量的晶体[8]。2004年，日本的AIST制造了世界上最小的台式单晶生长炉[。日本富特炉公司也是[生产晶体生长炉的单位之一。2004年，美国晶体技术公司(AmericanCrystalTechnology)公布了由CURRER等人[13]设计的具有精确温度控制的多温区晶体生长炉的布线方法。1987年，中国利用一颗可回收卫星在空之间进行砷化镓晶体的熔化生长，标志着空之间材料科学研究的开始。至今已走过十多年，研发了各种材料空实验装置，积累了一定的技术基础和研究经验。然而，由于资源限制，目前正在进行的主要研究仅涉及固体熔化和溶液晶体生长。中国有代表性的晶体生长装置包括空 [f6l的多用炉、碲镉汞专用炉、可编程动力移动组合炉、多工位晶体生长炉和溶液晶体生长装置。国内空晶体炉的主要研发单位是中国科学院上海硅酸盐研究所、兰州物理研究所和空科技应用研究中心。

参考

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概要4-5

摘要5-6

第一章导言10-15

1.1晶体生长炉发展概述10-12

1.2晶体生长炉12-13机理建模发展概述

1.3晶体生长炉温度控制系统发展概述13-14

1.4本条的研究内容14-15

第二章三温区晶体生长炉空 15-18

2.1背景介绍15

2.2三温区晶体生长炉的结构和特点空 15-16

2.3三温区晶体生长炉温度控制系统空 16-17

2.4三温区晶体生长炉温度控制指标空 17-18

第三章三温区晶体生长炉机理建模空 18-37

3.1建模方法概述18-19

3.2热传递的基本原理19-22

3.3三温区晶体生长炉机理模型空 22-37

3.3.1模型假设22-23

3.3.2型号说明23-26

3.3.3模型简化26-28

3.3.4数值方法28-31

3.3.5数值解31-32

3.3.6数值解分析32-37

第四章三温区晶体生长炉的温度控制空 37-52

4.1实验建模38-40

4.1.1模型结构演绎38-40

4.1.2系统标识40

4.2 PID参数整定40-44

4.2.1当前PID参数自整定方法概述40-41

4.2.2胡克-吉夫斯模式搜索方法41-42

4.2.3 PID控制器参数整定42-44

4.3前馈控制器设计44-45

4.4控制模拟45-48

4.4.1 PID控制45-46

4.4.2取消一次电源46-48

4.5对照实验结果48-52

第五章预测控制的改进及其在晶体生长炉52-66中的应用

5.1预测控制发展概述52-53

5.2解耦预测控制53-56

5.3增益补偿56-57

5.4基于增益补偿的解耦预测控制的仿真验证57-59

5.5广义预测控制的鲁棒性改进59-63

5.5.1改进的算法描述59-62

5.5.2不匹配滤波器62-63的设计方法

5.5.3模拟验证63

5.6基于机构模型63-66的控制仿真

5.6.1模型描述和工程限制63-64

5.6.2模拟结果64-66

第六章结论和展望66-68