旋转声场液桥毛细对流实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及旋转声场液桥毛细对流实验装置及方法，其包括支架装置、液桥生成装置、声场发生装置、声场运动装置及图像识别装置；支架装置包括上下设置的上液桥支架和下液桥支架；液桥生成装置包括上下设置的上液桥支撑盘和下液桥支撑盘；上液桥支撑盘设置在上液桥支架上，下液桥支撑盘设置在下液桥支架上；在上液桥支撑盘和下液桥支撑盘之间形成有液桥区；声场发生装置包括换能器和任意波形发生器；本发明专利技术设计合理、结构紧凑且使用方便。结构紧凑且使用方便。结构紧凑且使用方便。

【技术实现步骤摘要】
旋转声场液桥毛细对流实验装置及方法


[0001]本专利技术涉及流体物理与材料科学交叉
，具体涉及旋转声场液桥毛细对流实验装置及方法。

技术介绍

[0002]周知的，浮区法是一种半导体晶体材料的生长方法，其主要原理是物料棒受外界加热，并逐渐提拉支撑于两个固体物料端之间的液桥全浮区，生长晶体的质量受液桥区内周期性振荡毛细对流的影响，进而产生微米量级杂质条纹。半浮区液桥则是以浮区法制备单晶为基础，研究抑制晶体生长过程中周期性振荡毛细对流产生而建立起来的理想物理实验模型。基于声-流耦合激励的空化和声流效应，高能功率超声对合金熔体及复合材料制备过程中凝固的有效控制可以加速合金熔体传热传质过程，形成均匀的温度场和溶质场。因此从理论上来说，将超声技术引入半导体晶体浮区生长过程中可极大改善半导体晶体基材的表面形貌。
[0003]目前，用于抑制液桥内部周期性振荡毛细对流较为成熟的手段包括：外加磁场、颤动、表面敷层和剪切气流等方法。其中，以非接触式外加物理场对液桥内周期性振荡毛细对流的抑制效果最佳，采用非接触式外加物理场晶体生长技术更有利于制备出高品质的半导体材料。而在现有的相关基础实验研究中，传统液桥生成装置只能进行带有磁场、颤动、表面敷层和剪切气流的非等温液桥实验，尚未研制出能够进行声场抑制的液桥毛细对流实验的基础实验平台，因此亟需开发一种旋转声场液桥毛细对流实验装置的技术方案。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题总的来说是提供一种旋转声场液桥毛细对流实验装置及方法。为此，本专利技术可用于研究旋转声场对液桥内部周期性振荡毛细流动的抑制作用，为研究制备高质量半导体晶体提供必要的基础实验研究装置，解决传统液桥毛细对流实验装置声场抑制缺失的弊端。
[0005]为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案是：
[0006]一种旋转声场液桥毛细对流实验装置，包括支架装置、液桥生成装置、声场发生装置、声场运动装置及图像识别装置；
[0007]支架装置包括上下设置的上液桥支架和下液桥支架；
[0008]液桥生成装置包括上下设置的上液桥支撑盘和下液桥支撑盘；上液桥支撑盘设置在上液桥支架上，下液桥支撑盘设置在下液桥支架上；在上液桥支撑盘和下液桥支撑盘之间形成有液桥区；
[0009]声场发生装置包括换能器和任意波形发生器；
[0010]声场运动装置位于声场发生装置下方；包括旋转圆环、与旋转圆环传动连接的旋转电机、交流伺服控制器及声场发生器支架；旋转电机设置在声场发生器支架上，交流伺服控制器与旋转电机连接；换能器通过卡槽固定在旋转圆环上，旋转电机驱动旋转圆环和换
能器围绕液桥生成装置旋转；液桥生成装置位于声场发生装置上方；
[0011]图像识别装置包括带有微焦镜头的高速摄像机、扩散片、背景灯及可调节支撑台；背景灯、扩散片、液桥区及高速摄像机从左到右依次设置；
[0012]微焦镜头的高速摄像机与液桥区的高度相同。
[0013]作为上述技术方案的进一步改进：
[0014]上液桥支柱下端通过螺纹连接上液桥支撑盘；下液桥支柱上端通过螺纹连接下液桥支撑盘，上液桥支柱，下液桥支柱，上液桥支撑盘，下液桥支撑盘在同一条直线上；
[0015]上液桥支撑盘上端通过螺纹连接有上液桥支柱，上液桥支柱垂直安装于上液桥支架上；
[0016]下液桥支撑盘下端通过螺纹连接有下液桥支柱，下液桥支柱垂直安装于下液桥支架上；
[0017]下液桥支撑盘、下液桥支柱和下卡环中间贯穿有一条注液微孔通道，以将实验介质注入液桥区；下液桥支撑盘通过下液桥支柱与下液桥支连接；
[0018]上液桥支柱上端连接上卡环；下液桥支柱下端连接下卡环；上卡环连接上液桥柱销，下卡环连接下液桥柱销；下液桥支柱下端连接有下卡环；
[0019]上液桥支柱与上液桥支架的连接处有上安装卡槽，下液桥支柱与下液桥支架连接处有下安装卡槽；
[0020]液桥生成装置通过上液桥柱销及下液桥柱销实现与支架装置的组接。
[0021]支架装置还包括支撑梁竖轨和提拉步进电机；上液桥支架和下液桥支架均连接支撑梁竖轨，位于上液桥支架上的提拉步进电机通过螺纹连接支撑梁竖轨，以使上液桥支柱上下移动获得实验需要的液桥高度；
[0022]液桥区处分别设有上热角区热电偶和下冷角区热电偶。
[0023]作为上述技术方案的进一步改进：
[0024]旋转圆环通过旋转电机连接在声场发生器支架，以调节旋转圆环和换能器的高度；
[0025]任意波形发生器控制换能器的声场强弱和波形；
[0026]交流伺服控制器控制旋转圆环的旋转速度和角度；
[0027]换能器和旋转圆环所在水平面低于液桥区；每个换能器以一定倾斜角度固定在旋转圆环内部且换能器中轴延长线的汇聚交点位于液桥区。
[0028]图像识别装置还包括扩散片和背景灯，背景灯位于扩散片的外侧，扩散片和背景灯固定在可调节支撑台上，带有微焦镜头的高速摄像机、扩散片、背景灯和液桥区在同一条高度直线上；
[0029]装置还包括主控终端，主控终端连接微距高速摄影机，主控终端还连接声场运动装置，主控终端用于获取带有微焦镜头的高速摄影机的拍摄数据，控制高速摄像机的拍摄过程，包括焦距、分辨率、曝光、图像大小和色彩；
[0030]上液桥支撑盘和下液桥支撑盘采用耐高温的铜或铜合金材质。
[0031]在装置的壳体为密闭内腔，其中还设置有加湿器；
[0032]在装置底部设置有用于上顶下液桥支柱的下顶支座；
[0033]在装置中设置有用于感知上液桥支柱下行的位移传感器；
[0034]在装置中设置有用于辅助上顶上液桥支柱下表面的反向气缸，下消除反向运动时的间隙误差；在反向气缸上端设置有用于抵接上液桥支柱下表面的缓冲弹簧；在装置中设置有机械手操控移动的辅助托盘，反向气缸下端及位移传感器设置在辅助托盘上表面；
[0035]在上液桥支柱上设置有旋转电机，旋转电机的主轴上键连接有配重摆动臂的根部，旋转电机带动配重摆动臂摆动，配重摆动臂旋转产生振动消除液桥中存积的气泡和/或监控振动对液桥的影响；
[0036]在上液桥支撑盘与上液桥支柱之间有铰接头，以保证上液桥支撑盘下表面与下液桥支撑盘上表面贴合；
[0037]在下液桥支撑盘与下液桥支柱之间设置有压力传感器，以检测上液桥支撑盘.的下压力。
[0038]在上液桥支撑盘一侧设置有修研双臂机械手，修研双臂机械手分别连接有修磨头、上色毛刷及金刚石笔；
[0039]上色毛刷，用于将蘸取染色剂并涂抹到上液桥支撑盘下表面，蘸取染色的上液桥支撑盘下表面与上液桥支撑盘下表面对研磨，修磨头根据对研磨情况，修磨头进行研磨；金刚石笔对修磨头进行修整。
[0040]在上液桥支撑盘的一侧设置有一次磨粒收集部，在一次磨粒收集部中竖直设置有一次磨粒配磨转轴，在一次磨粒收集部中倾斜设置有一次磨粒上料搅龙，在一次磨粒收集部上方设置有一次磨粒配磨盘；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转声场液桥毛细对流实验装置，其特征在于：包括支架装置(1)、液桥生成装置(2)、声场发生装置(3)、声场运动装置(4)及图像识别装置(5)；支架装置(1)包括上下设置的上液桥支架(6)和下液桥支架(7)；液桥生成装置(2)包括上下设置的上液桥支撑盘(8)和下液桥支撑盘(9)；上液桥支撑盘(8)设置在上液桥支架(6)上，下液桥支撑盘(9)设置在下液桥支架(7)上；在上液桥支撑盘(8)和下液桥支撑盘(9)之间形成有液桥区(10)；声场发生装置(3)包括换能器(11)和任意波形发生器(32)；声场运动装置(4)位于声场发生装置(3)下方；包括旋转圆环(12)、与旋转圆环(12)传动连接的旋转电机(33)、交流伺服控制器(34)及声场发生器支架(27)；旋转电机(33)设置在声场发生器支架(27)上，交流伺服控制器(34)与旋转电机(33)连接；换能器(11)通过卡槽固定在旋转圆环(12)上，旋转电机(33)驱动旋转圆环(12)和换能器(11)围绕液桥生成装置(2)旋转；液桥生成装置(2)位于声场发生装置(3)上方；图像识别装置(5)包括带有微焦镜头的高速摄像机(13)、扩散片(28)、背景灯(29)及可调节支撑台(30)；背景灯(29)、扩散片(28)、液桥区(10)及高速摄像机(13)从左到右依次设置；微焦镜头的高速摄像机(13)与液桥区(10)的高度相同。2.根据权利要求1所述的旋转声场液桥毛细对流实验装置，其特征在于：上液桥支柱(14)下端通过螺纹连接上液桥支撑盘(8)；下液桥支柱(15)上端通过螺纹连接下液桥支撑盘(9)，上液桥支柱(14)，下液桥支柱(15)，上液桥支撑盘(8)，下液桥支撑盘(9)在同一条直线上；上液桥支撑盘(8)上端通过螺纹连接有上液桥支柱(14)，上液桥支柱(14)垂直安装于上液桥支架(6)上；下液桥支撑盘(9)下端通过螺纹连接有下液桥支柱(15)，下液桥支柱(15)垂直安装于下液桥支架(7)上；下液桥支撑盘(9)、下液桥支柱(15)和下卡环(18)中间贯穿有一条注液微孔通道(20)，以将实验介质注入液桥区(10)；下液桥支撑盘(9)通过下液桥支柱(15)与下液桥支架(7)连接；上液桥支柱(14)上端连接上卡环(16)；下液桥支柱(15)下端连接下卡环(18)；上卡环(16)连接上液桥柱销(17)，下卡环(18)连接下液桥柱销(19)；下液桥支柱(15)下端连接有下卡环(18)；上液桥支柱(14)与上液桥支架(6)的连接处有上安装卡槽(21)，下液桥支柱(15)与下液桥支架(7)连接处有下安装卡槽(22)；液桥生成装置(2)通过上液桥柱销(17)及下液桥柱销(19)实现与支架装置(1)的组接。3.根据权利要求2所述的旋转声场液桥毛细对流实验装置，其特征在于，支架装置(1)还包括支撑梁竖轨(23)和提拉步进电机(24)；上液桥支架(6)和下液桥支架(7)均连接支撑梁竖轨(23)，位于上液桥支架(6)上的提拉步进电机(24)通过螺纹连接支撑梁竖轨(23)，以使上液桥支柱(14)上下移动获得实验需要的液桥高度；液桥区(10)处分别设有上热角区热电偶(25)和下冷角区热电偶(26)。4.根据权利要求1所述的旋转声场液桥毛细对流实验装置，其特征在于：旋转圆环(12)
通过旋转电机(33)连接在声场发生器支架(27)，以调节旋转圆环(12)和换能器(11)的高度；任意波形发生器(27)控制换能器(11)的声场强弱和波形；交流伺服控制器(34)控制旋转圆环(12)的旋转速度和角度；换能器(11)和旋转圆环(12)所在水平面低于液桥区(10)；每个换能器(11)以一定倾斜角度固定在旋转圆环(12)内部且换能器(11)中轴延长线的汇聚交点位于液桥区(10)。5.根据权利要求1所述的旋转声场液桥毛细对流实验装置，其特征在于：图像识别装置(5)还包括扩散片(28)和背景灯(29)，背景灯(29)位于扩散片(28)的外侧，扩散片(28)和背景灯(29)固定在可调节支撑台(30)上，带有微焦镜头的高速摄像机(13)、扩散片(28)、背景灯(29)和液桥区(10)在同一条高度直线上；装置还包括主控终端(31)，主控终端(31)连接微距高速摄影机(13)，主控终端(31)还连接声场运动装置(4)，主控终端(31)用于获取带有微焦镜头的高速摄影机(13)的拍摄数据，控制高速摄像机的拍摄过程，包括焦距、分辨率、曝光、图像大小和色彩；上液桥支撑盘(8)和下液桥支撑盘(9)采用耐高温的铜或铜合金材质。6.根据权利要求1所述的旋转声场液桥毛细对流实验装置，其特征在于：在装置的壳体为密闭内腔，其中还设置有加湿器(126)；在装置底部设置有用于上顶下液桥支柱(15)的下顶支座(131)；在装置中设置有用于感知上液桥支柱(14)下行的位移传感器(132)；在装置中设置有用于辅助上顶上液桥支柱(14)下表面的反向气缸(133)，下消除反向运动时的间隙误差；在反向气缸(133)上端设置有用于抵接上液桥支柱(14)下表面的缓冲弹簧(...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨硕，高宇，马瑞，马珊珊，傅玉栋，王国峰，邓乔声，隋德洋，徐有宁，杨新乐，
申请(专利权)人：沈阳工程学院，
类型：发明
国别省市：