本實用新型屬于檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、測量速度快且精度高、成本低的多晶硅棒空間傾角激光測量裝置。

背景技術(shù)：

多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，是制造集成電路襯底和各種半導(dǎo)體器件的單晶硅、太陽能電池等產(chǎn)品的主要原料，廣泛用于半導(dǎo)體工業(yè)中，作為人工智能、自動控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等器件的基礎(chǔ)材料。

目前國際上多晶硅生產(chǎn)工藝主要有改良西門子法（即化學(xué)氣相沉積法）和硅烷法。由于改良西門子法能兼容電子級和太陽能級多晶硅的生產(chǎn)，具有技術(shù)成熟、適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等特點，是目前多晶硅生產(chǎn)普遍采用的首選工藝技術(shù)。

化學(xué)氣相沉積法是指將置于多晶硅還原爐上的電極，通過成對的電極，將置于電極上的硅芯棒通電加熱至1100℃以上，通入中間化合物和高純氫氣，發(fā)生還原反應(yīng)，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)生成高純硅沉積在10×10mm的方硅芯硅芯棒上，經(jīng)過高溫還原反應(yīng)生長成一根直徑150~170mm的圓形多晶硅棒。對于采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)生產(chǎn)高純多晶硅，通過化學(xué)氣相沉積反應(yīng)得到高純多晶硅棒后，存在將多晶硅棒從多晶硅還原爐底板轉(zhuǎn)移到下一個生產(chǎn)工序車間的過程，我們把這個過程稱為取棒過程。但由于多晶硅棒是一種非常容易斷裂的物質(zhì)，如何穩(wěn)妥可靠的取棒關(guān)系到多晶硅棒的、產(chǎn)品質(zhì)量及取棒時的設(shè)備及人身安全。在多晶硅棒在生長過程中受電壓、氣流、氣壓等因素影響，成品多晶硅棒會出現(xiàn)左右、前后傾斜等情況，為穩(wěn)妥可靠的取出多晶硅棒，自動取棒裝置必須要測量出其傾斜角度，以調(diào)整夾具角度適應(yīng)多晶硅棒角度。因此，如何快速、準(zhǔn)確的測量多晶硅棒的空間傾角變得尤為關(guān)鍵。

目前，對于空間角度的非接觸測量，主要由視覺測量和激光三維掃描。諸如康耐視in-sight視覺系統(tǒng)可以對指定物料的角度進(jìn)行分析，但是視覺系統(tǒng)對光源要求較高，且現(xiàn)在的視覺系統(tǒng)無法全面的辨析整個多晶硅棒（棒高約3m），而且視覺系統(tǒng)對干擾的排出沒有很好的辦法（其他硅棒會對測量硅棒造成干擾）。由于多晶硅棒生產(chǎn)過程中存在密封的鐘罩，后期會吊開，導(dǎo)致視覺系統(tǒng)的光源、拍攝機(jī)、分析儀都沒有很好的安裝位置，如果要強(qiáng)行使用視覺系統(tǒng)就需要成本很高的光源和拍攝機(jī)，且數(shù)量比較多，造價高昂，效果也不好。另外，諸如基恩士CCD視覺系統(tǒng)和上述康耐視in-sight視覺系統(tǒng)相差不大，同樣有不能完全測量、不能排除干擾、難以安裝等問題，而且因多晶硅棒表面凹凸不平對光源的發(fā)射有限容易造成誤測量數(shù)據(jù)，同樣不能實現(xiàn)角度測量。此外，激光三維掃描系統(tǒng)雖然能完全掃描到多晶硅棒的整體并分析，但其同樣不能排除其它硅棒的干擾，且其本體龐大，要求多點掃描耗時很長，在多晶硅棒的空間傾角檢測上同樣不實用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、測量速度快且精度高、成本低的多晶硅棒空間傾角激光測量裝置。

本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：包括底座、支架、擺動機(jī)構(gòu)、移動機(jī)構(gòu)、控制裝置、激光測距儀Ⅰ、激光測距儀Ⅱ、激光測距儀Ⅲ，所述支架的底部豎直鉸接于擺動機(jī)構(gòu)的上部，所述激光測距儀Ⅰ、激光測距儀Ⅱ分別固定設(shè)置于支架的上部且與過擺動機(jī)構(gòu)之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂直線水平對稱，所述激光測距儀Ⅲ固定設(shè)置于支架的下部且與激光測距儀Ⅰ或激光測距儀Ⅱ的中心連線與過擺動機(jī)構(gòu)之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂直線平行，所述擺動機(jī)構(gòu)與移動機(jī)構(gòu)固定連接，所述移動機(jī)構(gòu)設(shè)置于底座并能沿支架的擺動方向相對底座水平移動，所述激光測距儀Ⅰ、激光測距儀Ⅱ、激光測距儀Ⅲ分別與控制裝置電連接，所述控制裝置用于將激光測距儀Ⅰ、激光測距儀Ⅱ和激光測距儀Ⅲ的測量信號轉(zhuǎn)化為多晶硅棒空間傾角值并輸出。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1）、本實用新型采用的激光測距儀對環(huán)境的適應(yīng)性能很好且測量精度較高，本實用新型從測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算即可得出傾斜角度，僅需掃描2次和1次角度調(diào)整就可以準(zhǔn)確的計算出待測多晶硅棒的直徑、前后角度、左右角度，計算強(qiáng)度低、耗時短。

2）、本實用新型的激光測距儀是光點掃描，只要對測出的距離進(jìn)行判斷，即可排除其他硅棒的干擾，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

3）、本實用新型的激光測距儀本體小巧、使用方便，不需要另外的分析設(shè)備，價格也比較便宜，只要激光測距儀本體沒有出錯，測量數(shù)值的計算結(jié)果就不會有大的誤差，完全能夠滿足多晶硅棒空間傾角的測量精度要求。

因此，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、測量速度快且精度高、成本低的特點。

附圖說明

圖1為本實用新型之測量裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2為本實用新型之測量裝置測量就位位置關(guān)系示意圖；

圖3為本實用新型之測量裝置左右傾角測量正視圖；

圖4為本實用新型之測量裝置前后傾角測量側(cè)視圖；

圖中：1-底座，2-支架，3-擺動機(jī)構(gòu)，4-移動機(jī)構(gòu)，5-控制裝置，6-激光測距儀Ⅰ，7-激光測距儀Ⅱ，8-激光測距儀Ⅲ8，9-待檢測多晶硅棒。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步的說明，但不以任何方式對本實用新型加以限制，基于本實用新型教導(dǎo)所作的任何變更或改進(jìn)，均屬于本實用新型的保護(hù)范圍。

如圖1至4所示，本實用新型的多晶硅棒空間傾角激光測量裝置包括底座1、支架2、擺動機(jī)構(gòu)3、移動機(jī)構(gòu)4、控制裝置5、激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7、激光測距儀Ⅲ8，所述支架2的底部豎直鉸接于擺動機(jī)構(gòu)3的上部，所述激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7分別固定設(shè)置于支架2的上部且與過擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂直線水平對稱，所述激光測距儀Ⅲ8固定設(shè)置于支架2的下部且與激光測距儀Ⅰ6或激光測距儀Ⅱ7的中心連線與過擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂直線平行，所述擺動機(jī)構(gòu)3與移動機(jī)構(gòu)4固定連接，所述移動機(jī)構(gòu)4設(shè)置于底座1并能沿支架2的擺動方向相對底座1水平移動，所述激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7、激光測距儀Ⅲ8分別與控制裝置5電連接，所述控制裝置5用于將激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7和激光測距儀Ⅲ8的測量信號轉(zhuǎn)化為多晶硅棒空間傾角值并輸出。

所述底座1為多軸機(jī)器人的底座，所述擺動機(jī)構(gòu)3及移動機(jī)構(gòu)4為多軸機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)，所述支架2為多軸機(jī)器人的手爪夾具，所述激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7及激光測距儀Ⅲ8分別固定設(shè)置于手爪夾具。

所述多軸機(jī)器人為5軸、6軸或7軸機(jī)器人。

所述多晶硅棒為U形多晶硅棒，所述激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7和激光測距儀Ⅲ8的測量點分別與U形多晶硅棒的棒體對應(yīng)。

所述擺動機(jī)構(gòu)3與控制裝置5電連接，所述擺動機(jī)構(gòu)3根據(jù)控制裝置5的控制信號推動支架2沿擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心擺動至預(yù)定角度。

所述移動機(jī)構(gòu)4與控制裝置5電連接，所述移動機(jī)構(gòu)4根據(jù)控制裝置5的控制信號推動擺動機(jī)構(gòu)3相對底座2水平移動。

所述激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7和/或激光測距儀Ⅲ8為相位法激光測距儀或脈沖法激光測距儀。

所述底座1固定設(shè)置于可移動自動取棒裝置，所述控制裝置5與可移動自動取棒裝置的控制單元電連接將多晶硅棒空間傾角值傳送給控制單元。

本實用新型中，待檢測多晶硅棒9的左右傾角測量是將支架2移動至與待檢測多晶硅棒9相對，所述控制裝置5控制擺動機(jī)構(gòu)3推動支架2沿擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心左右擺動，所述控制裝置5記錄左右擺動時激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7的信號消失點X₁、X₂相對擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂線偏轉(zhuǎn)角度分別為α₁、α₂，最后計算得到待檢測多晶硅棒9的左右傾角γ為：

γ=（α₁+α₂）/2-β，

其中：β為激光測距儀Ⅰ6和激光測距儀Ⅱ7中心連線的垂線與擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂線的初始夾角；

本實用新型中，待檢測多晶硅棒9的前后傾角測量是先通過控制裝置5控制擺動機(jī)構(gòu)3推動支架2沿擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心擺動γ并固定，然后控制裝置5控制移動機(jī)構(gòu)4推動擺動機(jī)構(gòu)3相對底座2水平左右移動，所述控制裝置5記錄水平左右移動時激光測距儀Ⅲ8和激光測距儀Ⅰ6，或者激光測距儀Ⅲ8和激光測距儀Ⅱ7的信號消失點的坐標(biāo)及到待檢測多晶硅棒9的距離M₁、M₂，所述控制裝置5根據(jù)信號消失點的坐標(biāo)計算得到待檢測多晶硅棒9的近似直徑D₁、D₂，最后計算得到待檢測多晶硅棒9的前后傾角θ為：

θ=tan^-1{[(M₁+D₁/2)-(M₂+D₂/2)]/Y}，

其中：Y為擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂線一側(cè)的激光測距儀Ⅲ8與激光測距儀Ⅰ6或激光測距儀Ⅱ7的垂直距離。

所述激光測距儀Ⅰ6與激光測距儀Ⅱ7的中心水平距離為X，所述激光測距儀Ⅲ8與激光測距儀Ⅰ6或激光測距儀Ⅱ7的中心垂直距離為Y。

所述待檢測多晶硅棒9為U形多晶硅棒，所述信號消失點X₁、X₂為激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7在待檢測多晶硅棒9的U形外側(cè)的信號消失點或內(nèi)側(cè)的信號消失點。

所述前后傾角測量中控制裝置5記錄水平左右移動時豎直排列的激光測距儀中每個激光測距儀的兩次信號消失點的坐標(biāo)D_x’(m_x1，n_x1)、D_x”(m_x2，n_x2)，所述控制裝置5根據(jù)每個激光測距儀的兩次信號消失點的水平坐標(biāo)值之差計算得到待檢測多晶硅棒9的近似直徑D_x=｜m_x1-m_x2｜。

本實用新型工作原理及工作過程：

本實用新型通過采用對環(huán)境適應(yīng)性能好且測量精度較高的激光測距儀，經(jīng)控制裝置控制擺動機(jī)構(gòu)和移動機(jī)構(gòu)用激光測距儀左右擺動及左右移動兩次掃描待測多晶硅棒，并經(jīng)一次角度調(diào)整（即擺動機(jī)構(gòu)推動支架左右擺動，根據(jù)測量得到的信號消失點偏轉(zhuǎn)角計算得到待測多晶硅棒的左右傾角；擺動機(jī)構(gòu)推動支架沿擺動機(jī)構(gòu)之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心擺動上述測得的左右傾角大小，此時即可認(rèn)為水平對稱設(shè)置的兩激光測距儀的中心垂線與與待測多晶硅棒中心軸線左右角度一致；然后移動機(jī)構(gòu)推動支架相對底座平左右移動，根據(jù)信號消失點的坐標(biāo)及到待檢測多晶硅棒的距離，計算測得待測多晶硅棒的前后傾角大?。?，共3步，控制裝置從測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算即可得出多晶硅棒的直徑、前后角度和左右角度，計算強(qiáng)度低、耗時短；由于本實用新型采用的激光測距儀是光點掃描，只要對測出的距離進(jìn)行判斷，即可排除其他硅棒的干擾，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)；本實用新型采用的激光測距儀本體小巧、使用方便，不需要另外的分析設(shè)備，價格也比較便宜，只要激光測距儀本體沒有出錯，測量數(shù)值的計算結(jié)果就不會有大的誤差，完全能夠滿足多晶硅棒空間傾角的測量精度要求。進(jìn)一步，底座為多軸機(jī)器人底座，擺動機(jī)構(gòu)及移動機(jī)構(gòu)為多軸機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)，支架為多軸機(jī)器人的手爪夾具；將激光測距儀設(shè)置于取棒多軸機(jī)器人的手爪夾具上，利用多軸機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)實現(xiàn)擺動機(jī)構(gòu)及移動機(jī)構(gòu)的功能，既能實現(xiàn)測量與取棒一機(jī)多能，而且效率更加高效，也有利于減輕后期維護(hù)難度。綜上所述，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、測量速度快且精度高、成本低的特點。

如圖1、2、3和4所示，多晶硅棒空間傾角激光測量裝置的測量工作過程如下：

激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7分別固定設(shè)置于支架2的上部且與過擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂直線水平對稱，激光測距儀Ⅲ8固定設(shè)置于支架2的下部且與激光測距儀Ⅰ6的中心連線與過擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂直線平行；激光測距儀Ⅰ6與激光測距儀Ⅱ7的中心水平距離為X，所述激光測距儀Ⅲ8與激光測距儀Ⅰ6的中心垂直距離為Y。

首先，移動本實用新型的激光測量裝置，使支架2上固定設(shè)置的激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7、激光測距儀Ⅲ8的測量點分別與待測U形多晶硅棒9的棒體對應(yīng)，然后通過控制裝置5發(fā)送指令以控制擺動機(jī)構(gòu)3推動支架2沿擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部的旋轉(zhuǎn)中心左右擺動，控制裝置5記錄左右擺動時激光測距儀Ⅰ6、激光測距儀Ⅱ7對應(yīng)的外側(cè)信號消失點X₁、X₂相對擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂線偏轉(zhuǎn)角度α₁、α₂，最后計算得到待檢測多晶硅棒9的左右傾角γ為：

γ=（α₁+α₂）/2-β，

其中：β為激光測距儀Ⅰ6和激光測距儀Ⅱ7中心連線的垂線與擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部旋轉(zhuǎn)中心的垂線的初始夾角。

其次，通過控制裝置5發(fā)送指令控制擺動機(jī)構(gòu)3推動支架2沿擺動機(jī)構(gòu)3之鉸接部的旋轉(zhuǎn)中心擺動γ并固定，此時即可認(rèn)為水平對稱設(shè)置的激光測距儀Ⅰ6和激光測距儀Ⅱ7的中心垂線與待測多晶硅棒9的中心軸線左右傾角一致。

然后，控制裝置5發(fā)送指令控制移動機(jī)構(gòu)4推動擺動機(jī)構(gòu)3相對底座2水平左右移動，控制裝置5記錄水平左右移動時激光測距儀Ⅲ8、激光測距儀Ⅰ6的信號消失點坐標(biāo)D₈’(m₈₁，n₈₁)、D₈”(m₈₂，n₈₂)、D₆(m₆₁，n₆₁)、D₆(m₆₂，n₆₂)及到待檢測多晶硅棒9的距離M₆、M₈，控制裝置5根據(jù)每個激光測距儀的兩次信號消失點的水平坐標(biāo)值之差計算得到待檢測多晶硅棒9的上部及下部近似直徑D₆=｜m₆₁-m₆₂｜、D₈=｜m₈₁-m₈₂｜，最后計算得到待檢測多晶硅棒9的前后傾角θ為：

θ=tan^-1{[(M₆+D₆/2)-(M₈+D₈/2)]/Y}；

最后，控制裝置5通過其通信單元將待檢測多晶硅棒9的上部及下部近似直徑D₆、D₈以及左右傾角γ、前后傾角θ的值傳送給自動取棒裝置，自動取棒裝置根據(jù)接收的多晶硅空間傾角調(diào)整夾具角度適應(yīng)多晶硅棒角度。