吳智洪

●（上海昀豐光電技術(shù)有限公司，上海 201201）

高溫真空爐連續(xù)測溫解決方案探討

吳智洪

●（上海昀豐光電技術(shù)有限公司，上海 201201）

從高溫真空爐的應(yīng)用出發(fā)，闡述了高溫真空爐溫度測量的重要性。從自動控制的角度出發(fā)，說明了高溫真空爐內(nèi)溫度連續(xù)測量的重要性。介紹了目前常用的高溫真空爐溫度測量法，并對現(xiàn)有的技術(shù)及方法進(jìn)行了比較，分析了現(xiàn)有技術(shù)方法的局限性。通過介紹現(xiàn)有技術(shù)及提出新技術(shù)的理論分析和實(shí)踐情況，說明了新方案解決高溫真空爐長時(shí)間連續(xù)測溫的可行性及合理性。

高溫真空爐；溫度場；結(jié)晶；紅外測溫；金屬揮發(fā)物

0 引言

高溫真空爐在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用于很多場合，如藍(lán)寶石晶體生長爐、高溫?zé)Y(jié)爐等。藍(lán)寶石晶體生長爐通過對溫度的精確控制來實(shí)現(xiàn)從晶體化料、引晶（或?qū)⒆丫刍胶线m的范圍）、長晶、退火冷卻的各個(gè)過程控制，晶體只有按合適的冷卻速度進(jìn)行冷卻結(jié)晶，才能長出高質(zhì)量的藍(lán)寶石晶體。高溫?zé)Y(jié)爐要通過對溫度的較為準(zhǔn)確的控制，才能燒結(jié)出高質(zhì)量的、穩(wěn)定的燒結(jié)產(chǎn)品。因此，高溫真空爐內(nèi)部溫度的控制與生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)，對高溫真空爐的爐溫測量、監(jiān)控是控制產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。而在自動化生產(chǎn)的情況下，且對溫度的控制精度要求較高時(shí)，則要求能對溫度進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)準(zhǔn)確的測量，以實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)控制。高溫真空環(huán)境下的長時(shí)間（如360h以上）連續(xù)準(zhǔn)確測量，是一個(gè)行業(yè)難題，目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)這方面的實(shí)際應(yīng)用。

以藍(lán)寶石晶體生長爐為例，藍(lán)寶石晶體生長爐是一種用于藍(lán)寶石單晶生長的常用設(shè)備，通常包括坩堝、加熱器、金屬保溫屏等，加熱器通電后，將在坩堝外部形成溫度場，溫度場對坩堝進(jìn)行加熱。泡生法藍(lán)寶石單晶生長中，加熱溫度的變化對晶體的生長影響很大，合適的引晶溫度、合理的降溫控制程序都有利于提高晶體生長質(zhì)量，晶體生長速率會隨加熱溫度的降低而快速增加。制定適合晶體生長的降溫程序，沒有一定的溫度測量技術(shù)做參考，晶體品質(zhì)很難保證。因此，一般采用紅外測溫儀測量坩堝的溫度，以獲得較為準(zhǔn)確的測量溫度值。但是，在藍(lán)寶石單晶生長過程中，藍(lán)寶石單晶爐的溫度較高，藍(lán)寶石晶體及熱場的金屬揮發(fā)物容易凝結(jié)在溫度較低的測溫玻璃表面，遮擋紅外測溫儀有效測量用光波，使紅外測溫儀讀數(shù)失真。為提高溫度測量的準(zhǔn)確性，目前通常采用少量惰性氣體吹掃測溫玻璃法，這種方法在一定程度上降低了金屬揮發(fā)物在測溫玻璃上的沉積速度。但這樣的技術(shù)解決方案存在幾個(gè)問題：1）由于這種方法爐內(nèi)通惰性氣體時(shí)要求流量不能太小，否則影響效果，因而產(chǎn)生對流換熱，造成較大的熱量損失，加熱器功率相應(yīng)提高，增加能耗成本；2）更換測溫玻璃頻率較高，增加了藍(lán)寶石單晶爐的維護(hù)成本；3）對于大尺寸的藍(lán)寶石生長，由于晶體生長時(shí)間較長，后期測溫玻璃上沉積明顯，還存在后期測溫不準(zhǔn)確的問題。

上述弊端均不同程度地增加了高溫爐生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)的工藝成本，且沒有真正解決長時(shí)間連續(xù)測溫的問題。因此，如何在確保溫度測量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，真正實(shí)現(xiàn)長時(shí)間連續(xù)溫度測量，同時(shí)降低高溫爐使用的成本和維護(hù)難度，是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問題。鑒于此，本文通過對目前應(yīng)用的幾個(gè)高溫真空爐測溫方案進(jìn)行比較，分析高溫真空爐長時(shí)間連續(xù)準(zhǔn)確測溫的影響因素，并從原理和實(shí)踐上提出高溫真空爐長期連續(xù)準(zhǔn)確測溫的解決方案。

1 高溫真空爐測溫方案

1.1 熱電偶測量方案

熱電偶測量結(jié)果受安裝時(shí)熱電偶與測量體接觸緊密程度的影響，并且在高溫下，由于熱脹冷縮導(dǎo)致不同零件尺寸變化不一致，或在某些情況下，如果熱電偶結(jié)構(gòu)過長，高溫時(shí)會導(dǎo)致熱電偶結(jié)構(gòu)件軟化，影響熱電偶與測量物之間接觸的緊密性，從而影響測量精度[1]。目前測量溫度值較高（2000℃以上），且測量精度要求較高的長時(shí)間測量情況下，基本上還是紅外測溫等非接觸式的測溫方式應(yīng)用較多。

1.2 非連續(xù)紅外測溫方案

常用的測量高溫真空爐的方法是利用紅外測溫儀等非接觸的測溫方式，透過測溫玻璃采集高溫真空爐的溫度信號。由于高溫高真空下腔體內(nèi)存在金屬揮發(fā)物，易在測溫玻璃上沉積，導(dǎo)致測溫值隨時(shí)間衰減，測量溫度值不準(zhǔn)確。非連續(xù)長時(shí)間紅外測溫解決方案如圖1所示。

圖1 非連續(xù)紅外測溫方案示意圖

圖1 中安裝在安裝座5上的氣缸4推動蓋板3將紅外測溫的通道關(guān)閉或打開，工作時(shí)控制程序定時(shí)打開蓋板4進(jìn)行溫度測量，測量后控制程序控制蓋板將通道關(guān)閉。這樣減少玻璃2與腔體內(nèi)揮發(fā)物的接觸時(shí)間，從而減少單位時(shí)間內(nèi)玻璃表面揮發(fā)物的沉積量，使玻璃在整個(gè)工藝周期內(nèi)表面揮發(fā)物的沉積量保持在不影響測溫精度的范圍內(nèi)。該紅外測溫解決方案的優(yōu)點(diǎn)是能解決高溫真空爐長期測溫的問題，缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測溫，系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)溫度控制。

1.3 吹氣方式連續(xù)紅外測溫方案

一種常用的實(shí)現(xiàn)連續(xù)測溫的方案是在靠近測溫玻璃的位置加一吹氣口，在整個(gè)工藝過程中不停吹入惰性氣體，從而形成由玻璃側(cè)流向爐體側(cè)的氣流，將向玻璃方向擴(kuò)散的揮發(fā)物吹向爐體，阻止?fàn)t內(nèi)揮發(fā)物向玻璃擴(kuò)散并沉積在玻璃表面。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該圖所示結(jié)構(gòu)為目前國內(nèi)外一些高溫真空爐常用的測溫方法。由于在真空環(huán)境下，爐內(nèi)揮發(fā)物是以分子擴(kuò)散的方式運(yùn)動，吹入惰性氣體事實(shí)上只能在一定程度上減緩爐內(nèi)揮發(fā)物向測溫玻璃方向的擴(kuò)散。使用時(shí)間較長時(shí)，玻璃上還是會沉積上一層揮發(fā)物，實(shí)際使用效果有限。

圖2 非連續(xù)紅外測溫方案示意圖

2 高溫真空爐長時(shí)間連續(xù)測溫的解決方案

針對以上目前常用測溫方法的局限性，下面介紹兩種新的能實(shí)現(xiàn)高溫真空爐長時(shí)間連續(xù)測溫的解決方案：

2.1 采用過濾方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)紅外測溫的方案

從原理上分析，高溫高真空下的金屬揮發(fā)物，當(dāng)與玻璃表面接觸時(shí)，由于玻璃表面溫度較低，接觸后金屬揮發(fā)物的溫度也迅速變低，金屬揮發(fā)物由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)而沉積在玻璃的表面。所以，減少與玻璃表面接觸的金屬揮發(fā)物的分子或原子的數(shù)量，是減少金屬揮發(fā)物在金屬表面沉積的有效手段。因此，在被監(jiān)測腔體與紅外測溫儀之間安裝冷過濾裝置，使大部份的金屬揮發(fā)物沉積在冷過濾裝置上，只有極少數(shù)金屬揮發(fā)物穿過冷過濾裝置，從而可將金屬揮發(fā)物在測溫玻璃上的沉積速度控制在不影響測溫精度的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高溫高真空下對溫度的連續(xù)長時(shí)間監(jiān)測，其結(jié)構(gòu)簡圖如3所示。中間網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)是按照美國Raytek公司提供的尺寸要求設(shè)計(jì)，紅外測溫傳感器也是選用Raytek公司的某型號傳感器[3]。工作時(shí)，被測物體的紅外光穿過冷過濾裝置的過濾管，透過測溫玻璃，射入測溫傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度檢測。其過濾作用工作原理如下：

由于整個(gè)腔體處于高真空狀態(tài)，氣態(tài)金屬揮發(fā)物摩爾數(shù)其實(shí)非常少，腔體中的氣態(tài)金屬揮發(fā)物在腔體中作無序的運(yùn)動，當(dāng)有氣態(tài)金屬揮發(fā)物與冷壁接觸時(shí)，氣態(tài)金屬揮發(fā)物轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)而沉積在冷壁上[2]。在這個(gè)過濾裝置中，當(dāng)氣態(tài)金屬揮發(fā)物從腔體向測溫玻璃擴(kuò)散時(shí)，中間要經(jīng)過一個(gè)冷過濾裝置。該裝置是由上法蘭、出水口、冷過濾管、外壁、進(jìn)水口、下法蘭焊接而成的。測溫玻璃上表面通過冷過濾管內(nèi)部空間與腔體連通，冷過濾管由進(jìn)水口流入出水口流出的冷卻水對其進(jìn)行冷卻，使冷過濾管保持較低的溫度。當(dāng)氣態(tài)金屬揮發(fā)物進(jìn)入冷過濾管時(shí)，由于冷過濾管內(nèi)徑小，長度長，在經(jīng)過這樣的細(xì)長管時(shí)，氣態(tài)金屬揮發(fā)物分子或原子很難不與冷過濾管內(nèi)壁相碰而直接到達(dá)測溫玻璃表面，由于冷過濾管有水冷，管壁溫度較低，氣態(tài)金屬揮發(fā)物與冷過濾管壁一旦相碰，即冷卻固化而吸附在冷過濾管內(nèi)壁上。因此，使用該結(jié)構(gòu)后，從腔體向測溫玻璃擴(kuò)散的氣態(tài)金屬揮發(fā)物大部份便被吸附在冷過濾管內(nèi)壁，下達(dá)到測溫玻璃的氣態(tài)金屬揮發(fā)物為極少數(shù)，從而使高溫高真空下的連續(xù)長時(shí)間測溫得以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，在10-3Pa的爐壓情況下，10天以上高溫情況下的連續(xù)溫度測量，測量溫度值沒有明顯衰減，具有良好的實(shí)際使用效果。

圖3 過濾方式紅外測溫方案示意圖

2.2 采用過濾和吹氣相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)連續(xù)紅外測溫的方案

某些工藝設(shè)備，如自動化程度非常高的大尺寸藍(lán)寶石長晶爐，要求能在12天甚至15天以上的時(shí)間進(jìn)行連續(xù)溫度測量，這樣上述方法已不能滿足使用要求。采用過濾和吹氣相結(jié)合的連續(xù)測溫解決方案，能使在采用單一過濾方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步延長連續(xù)測溫時(shí)間，就藍(lán)寶石長晶爐而言，可實(shí)現(xiàn)15天以上的連續(xù)測溫。其結(jié)構(gòu)簡如圖4所示。

圖4 過濾和吹氣相結(jié)合紅外測溫方案示意圖

與圖3相比，圖4多了一個(gè)吹氣口10。通過吹氣口10不斷通入極少量的惰性氣體，使惰性氣體通過冷過濾管孔從下向上吹入爐腔，通過吹氣，使測溫儀保持較為準(zhǔn)確的溫度測量時(shí)間大大延長。在我公司某型120kg藍(lán)寶石長晶爐上實(shí)驗(yàn)表明，連續(xù)使用15天時(shí)，測量溫度與實(shí)際溫度相比，其衰減量小于5℃。因此，通過軟件等方面的補(bǔ)償進(jìn)一步提高測量精度后，完全可滿足長時(shí)間連續(xù)測溫要求，該方案解決了高溫真空爐長時(shí)間連續(xù)測溫的需求。

3 結(jié)束語

工業(yè)化大生產(chǎn)要求某些高溫真空設(shè)備具有高度的自動化和良好的質(zhì)量穩(wěn)定性，例如大尺寸的藍(lán)寶石晶體生長等。要達(dá)到這些要求，很重要的一點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)溫度的長時(shí)間連續(xù)準(zhǔn)確測量。本文針對目前高溫真空爐測溫方法的局限性，提出了新解決方案，很好解決了這一問題。

[1]湯濤. 用熱電偶準(zhǔn)確測量真空高溫試樣溫度的方法[J]. 試驗(yàn)機(jī)與材料實(shí)驗(yàn), 1983(3): 3-9.

[2]達(dá)道安（蘭州物理研究所）. 真空設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京:國防工業(yè)出版社.

[3]美國Raytek公司. 紅外測溫儀產(chǎn)品手冊[Z], 2009.

Discussion on Solution for Continuous Temperature Measurement of High Temperature Vacuum Furnace

WU Zhi-hong
(Shanghai Yunfeng Optoelectronictech, Co., Ltd., Shanghai 201201, China)

From the application of high temperature vacuum furnace, the important of temperature measurement of high temperature vacuum furnace is described. From the perspective of automatic controlling, the importance of temperature continuous measurement at high temperature vacuum furnace is illustrated. A commonly used method for the temperature measurement of high temperature vacuum furnace is described, then the existing techniques are analyzed and the limits of existing technology are pointed out. By introducing the theoretical analysis and practice of existing new technologies are proposed, the feasibility and rationality of the new program about long time continuous temperature measurement of high temperature vacuum furnace are illustrated.

high temperature vacuum furnace; temperature field; crystallization; infrared temperature measurement; metal volatiles

TH811

A

吳智洪（1973-），男，工程師。研究方向：光電、光伏行業(yè)晶體高溫生長爐及晶體高端加工設(shè)備研發(fā)。