[发明专利]一种单晶硅方棒平面角角度测试装置及其测试方法

权利要求书

1.一种单晶硅方棒平面角角度测试装置，其特征在于：包括电容测量电路、控制器、电机驱动器、显示器，旋转台，电机，所述控制器与电容测量电路通过信号线连接，所述控制器与显示器通过信号线连接，所述控制器与电机驱动器通过信号线连接；

所述电容测量电路由9个电容传感器及信号处理电路组成，用于将电容信号转换为电压信号并输入控制器；9个电容传感器中每3个电容传感器分为一组，共分为三组；所述单晶硅方棒放置在电容测量电路的9个电容传感器中间的旋转台上；所述电机驱动器用于执行控制器的命令，驱动电机带动旋转台转动，调整电容传感器与单晶硅方棒的位置；所述显示器用于显示电容测量电路的测量值以及提醒操作人员单晶硅方棒是否需要重新滚磨加工；所述控制器通过测量三组电容传感器中第一个和第二个电容传感器的电容比，根据如下关系式求出单晶硅方棒任意相邻两平面平面角角度的平均值

其中，C_1i，C_2i分别为第i组中第一个和第二个电容传感器的电容值。

2.如权利要求1所述的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置，其特征在于：

所述电容测量电路包括对电容传感器Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₂₁、Q₂₂、Q₂₃、Q₃₁、Q₃₂、Q₃₃的电容值C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₂₁、C₂₂、C₂₃、C₃₁、C₃₂、C₃₃分别转换成0V～10V的电压值V1～V9的转换电路；Q11、Q21、Q31分别是第一组的第一个、第二个、第三个电容传感器，Q12、Q22、Q32分别是第二组的第一个、第二个、第三个电容传感器，Q13、Q23、Q33分别是第三组的第一个、第二个、第三个电容传感器；Q11、Q21、Q31电容传感器的转换电路由电容转换电路、频率转换电路构成，Q₁₂、Q₁₃、Q₂₂、Q₂₃、Q₃₂、Q₃₃电容传感器的转换电路由电容转换电路、频率转换电路和反相放大电路组成。

3.如权利要求2所述的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置，其特征在于：

所述电容转换电路选取NE555芯片。

4.如权利要求2所述的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置，其特征在于：

所述频率转换电路选取LM331芯片。

5.如权利要求2所述的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置，其特征在于：

所述反相放大电路选取OP07。

6.如权利要求1所述的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置，其特征在于：

所述控制器选择TRIO运动控制器。

7.一种采用权利要求1所述装置测量单晶硅方棒任意相邻两平面平面角角度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1调整单晶硅方棒相对于电容传感器的定位：

首先调整9个电容传感器所在平面与单晶硅方棒面对角线垂直；9个电容传感器共分成三组，每一组的第三个电容传感器Q_3i和第一个传感器Q_1i的电容比C_3i/C_1i值为11.9时，表明9个电容传感器所在平面与单晶硅方棒面对角线垂直；不满足这一要求时，通过旋转单晶硅方棒所在旋转台完成；这一步骤通过控制器内部程序控制电机轴带动单晶硅方棒所在旋转台旋转到指定位置，从而实现定位，定位步骤如下：

S1.1利用电容测量电路采集9个电容传感器的电容信号，并输出给控制器；

S1.2控制器存储电容测量电路输出的数据，提取电容传感器Q₃₁和电容传感器Q₁₁的电路输出电容信号，计算其电容比值C₃₁/C₁₁；

S1.3当所测电容比值大于11.9时，控制器控制电机，使单晶硅方棒所在旋转台向右旋转一个步长；重复步骤S1.2；当所测电容值大于11.9时，再将此次电容值与上一次所测的电容值比较，如果大于上一次测量的电容比值，则使控制器控制电机，使单晶硅方棒所在旋转台向右旋转一个步长；如果小于上一次测量到的电容比值，则使控制器控制电机，使单晶硅方棒所在旋转台向左旋转一个步长；

S1.4重复步骤S1.2～S1.3，直到电容比值等于11.9，停止旋转单晶硅方棒所在旋转台；

S1.5测量电容传感器Q₃₂和电容传感器Q₁₂的电路输出电容信号，计算其电容比值C₃₂/C₁₂，并与11.9比较，重复步骤S1.1～S1.4，直到电容比值等于11.9，停止旋转单晶硅方棒所在旋转台；

S1.6测量电容传感器Q₃₃和电容传感器Q₁₃的电路输出电容信号，计算其电容比值C₃₃/C₁₃，并与11.9比较，重复步骤S1.1～S1.4，直到电容比值等于11.9，停止旋转单晶硅方棒所在旋转台；

至此完成单晶硅方棒的定位；

S2单晶硅方棒相邻两平面夹角的测定：

Q_1i、Q_2i、Q_3i电容器的电容值分别可写为：

其中，s为电容传感器的平板所覆盖的面积；δ为两平板之间的距离；ε0、εsi和εr分别为真空介电常数、单晶硅的绝对介电常数和单晶硅的相对介电常数；xi为电容传感器Q_2i对应的单晶硅方棒的厚度；

将ε_si＝ε₀·ε_r＝11.9ε₀带入到(3)式，整理得到

则有：

其中，为第i组电容传感器测量的单晶硅方棒的平面角角度，和分别为第i组电容传感器测量的单晶硅方棒两相邻平面与水平方向的夹角；

分别将和在π/4处进行泰勒级数展开，并代入到(6)式，简化后得到

将式(2)，(7)带入到(5)式中，整理可得

通过3组电容器和公式(8)可得出3个平面角，再求其平均值得(9)式：

S3单晶硅方棒任意两平面夹角的测定：

S3.1控制器控制电机，使单晶硅棒所在平台向右旋转90°；

S3.2重复S1～S2的步骤，测量9个电容传感器的电容值并计算当前单晶硅棒两平面夹角值；

S3.3重复步骤S3.1～S3.2，完成单晶硅棒第三个平面夹角值的测量计算；

S3.4重复步骤S3.1～S3.2，完成单晶硅棒第四个平面夹角值的测量计算。