一種用于測量單晶硅球密度差值的壓力懸浮裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種用于測量單晶硅球密度差值的壓力懸浮裝置。所述壓力懸浮裝置包括：外殼主體；密封單元，設(shè)置于外殼主體的頂端和底端，和外殼主體一起構(gòu)成密封的腔體；隔離單元，置于所述腔體內(nèi)，以隔離第一單晶硅球和第二單晶硅球，其中，所述腔體為上下均勻的柱狀腔體，所述隔離單元為板狀結(jié)構(gòu)，隔離單元的形狀和大小接近于該柱狀腔體的橫截面的形狀和大小。本實用新型應(yīng)用于基于壓浮法的不同單晶硅球的密度差值測量系統(tǒng)中，通過在第一單晶硅球和第二單晶硅球之間設(shè)置隔離單元，降低了測量過程中單晶硅球間的相互波動影響，從而提高測量的精確度。
【專利說明】
一種用于測量單晶硅球密度差值的壓力懸浮裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及固體材料密度測量領(lǐng)域，具體涉及一種用于測量單晶硅球密度差 值的壓力懸浮裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 單晶硅球具有高純度和密度穩(wěn)定的特性，因而被作為固體和液體密度的測量基 準(zhǔn)，同時也是計算阿伏伽德羅常數(shù)的重要基礎(chǔ)之一。目前常采用壓浮法對不同單晶硅球的 密度差值進行測量。
[0003] 基于壓浮法的不同單晶硅球的密度差值測量是指在一定的溫度下，通過調(diào)節(jié)壓 力，并利用液體的壓縮系數(shù)控制液體密度，分別使基準(zhǔn)單晶硅球和待測單晶硅球在液體中 懸浮，然后根據(jù)懸浮狀態(tài)時液體的溫度、壓力和單晶硅球的懸浮高度得到基準(zhǔn)單晶硅球與 待測單晶硅球的密度差值。
[0004] 圖1是利用基于壓浮法的不同單晶硅球的密度差值測量系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)主要 包括壓力懸浮裝置101、位移測量裝置102、壓力測量控制裝置103、溫度測量控制裝置104和 處理單元105?；鶞?zhǔn)單晶硅球SjP待測單晶硅球S 2置于裝有工作液體的壓力懸浮裝置101中， 其中工作液體的密度接近于單晶硅球的密度。通過調(diào)節(jié)壓力測量控制裝置103和溫度測量 控制裝置104,使基準(zhǔn)單晶硅球5:和待測單晶硅球5 2分別在液體中處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。由基 準(zhǔn)單晶硅球S1的密度、液體及單晶硅球的溫度膨脹系數(shù)和液體及單晶硅球的壓縮系數(shù)，得 到基準(zhǔn)單晶硅球一:與被測單晶硅球3 2的密度差值Δ p，即
[0005]
Cl^
[0006] 其中，ti、pi和hi分別為基準(zhǔn)單晶娃球Si在液體中處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)時的液體溫 度、靜壓力和基準(zhǔn)單晶硅球S1的質(zhì)心高度;t 2、pdPh2分別為待測單晶硅球32在液體中處于穩(wěn) 定懸浮狀態(tài)時的液體溫度、靜壓力和待測單晶硅球S 2的質(zhì)心高度；γ i為液體的溫度膨脹系 數(shù)；γ S1為單晶硅球的溫度膨脹系數(shù)A1為液體的壓縮系數(shù);Ks1為單晶硅球的壓縮系數(shù);g為 重力加速度;P為基準(zhǔn)單晶硅球一:的密度。具體可詳見《基于壓浮原理的單晶硅球密度比較 測量方法研究》，劉子勇等，計量學(xué)報，第34卷第2期。
[0007] 基于壓浮法的不同單晶硅球是密度差值測量系統(tǒng)具有極高的密度差分辨能力，能 夠測量密度的細微變化。但是該系統(tǒng)的缺點是測量過程中單晶硅球間的相互波動影響其懸 浮的穩(wěn)定性，從而嚴重影響測量的精確度。 【實用新型內(nèi)容】
[0008] 為降低測量過程中單晶硅球間的相互波動影響，本實用新型提出了一種用于測量 單晶硅球密度差值的壓力懸浮裝置，其可應(yīng)用于基于壓浮法的不同單晶硅球的密度差值測 量系統(tǒng)中。
[0009] 本實用新型提出了一種用于測量單晶硅球密度差值的壓力懸浮裝置，該壓力懸浮 裝置包括:外殼主體;密封單元，設(shè)置于外殼主體的頂端和底端，和外殼主體一起構(gòu)成密封 的腔體;隔離單元，置于所述腔體內(nèi)，以隔離第一單晶硅球和第二單晶硅球;其中，所述腔體 為上下均勻柱狀腔體，所述隔離單元為板狀結(jié)構(gòu)，隔離單元的形狀和大小接近于該柱狀腔 體的橫截面的形狀和大小。
[0010] 可選地，所述隔離單元上可以設(shè)置有通孔。
[0011] 可選地，所述壓力懸浮裝置還可以包括:支桿，每個支桿可以沿著從頂端到底端的 方向設(shè)置于外殼主體的內(nèi)壁上。
[0012] 可選地，所述腔體可以為上下均勻的圓柱狀腔體，所述支桿的數(shù)量為6,6個支桿均 勻設(shè)置于外殼主體的內(nèi)壁上，相鄰支桿與外殼主體的中軸線所形成的夾角為60°。
[0013] 可選地，所述壓力懸浮裝置還可以包括：用于測量置于所述腔體內(nèi)的第一單晶硅 球或第二單晶硅球的位移的激光測距儀，所述激光測距儀可以設(shè)置于外殼主體的外部。
[0014] 可選地，所述隔離單元可以由聚四氟乙烯制成。
[0015] 可選地，所述密封單元可以由聚四氟乙烯制成。
[0016] 可選地，所述支桿可以由聚四氟乙烯制成。
[0017] 可選地，所述外殼主體可以為玻璃圓筒。
[0018] 可選地，所述密封單元背向所述腔體的一側(cè)上可以固定有不銹鋼吊鉤。
[0019] 本實用新型通過在第一單晶硅球和第二單晶硅球之間設(shè)置隔離單元，降低了測量 過程中單晶硅球間的相互波動影響，從而提高測量的精確度。
【附圖說明】
[0020] 通過結(jié)合附圖對本實用新型示例性實施例進行更詳細的描述，本實用新型的上述 以及其它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，其中，在實用新型示例性實施方式中，相同的 參考標(biāo)號通常代表相同部件。
[0021] 圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中利用基于壓浮法的不同單晶硅球的密度差值測量系統(tǒng)原理 圖。
[0022] 圖2示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的一種用于測量單晶硅球密度差值的壓 力懸浮裝置的示意性結(jié)構(gòu)圖。
[0023] 圖3示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的隔離單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面將參照附圖更詳細地描述本實用新型的優(yōu)選實施例。雖然附圖中顯示了本實 用新型的優(yōu)選實施例，然而應(yīng)該理解，可以以各種形式實現(xiàn)本實用新型而不應(yīng)被這里闡述 的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了使本實用新型更加透徹和完整，并且能夠?qū)?本實用新型的范圍完整地傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。
[0025] 實施例
[0026] 本實用新型中，如無明確的不同理解，術(shù)語"頂、底、上、下"參照圖2所示的方向。
[0027] 圖2示出了根據(jù)本實用新型的一個實施例的一種用于測量單晶硅球密度差值的壓 力懸浮裝置的示意性結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，該壓力懸浮裝置可以包括:外殼主體201;密封單 元202,設(shè)置于外殼主體201的頂端和底端，和外殼主體201-起構(gòu)成密封的腔體；隔離單元 203,置于所述腔體內(nèi)，以隔離第一單晶硅球和第二單晶硅球;其中，所述腔體為上下均勻的 柱狀腔體，所述隔離單元203為板狀結(jié)構(gòu)，隔離單元203的形狀和大小接近于該柱狀腔體的 橫截面的形狀和大小。
[0028] 本實施例中，隔離單元203不與其他部件相連接。在對第一單晶娃球進行測量時， 隔離單元203下沉以壓住第二單晶硅球，使其抵靠在腔體底端的密封單元202上;在對第二 單晶硅球進行測量時，將壓力懸浮裝置垂直旋轉(zhuǎn)180°，隔離單元203再次下沉以壓住第一單 晶硅球，使其抵靠在腔體底端的密封單元202上。測量過程中，由于隔離單元203的形狀和大 小接近于柱狀腔體的橫截面的形狀和大小，因此，其可充分隔離第一單晶硅球和第二單晶 硅球，以降低二者間的相互波動影響，提高測量的精確度。
[0029] 可選地，外殼主體可以為玻璃圓筒，例如，筒壁厚度可以為約8_。
[0030] 在一個示例中，隔離單元203上可以設(shè)置有通孔，如圖3所示。工作液體可以為二溴 乙烷溶液和三溴丙烷溶液按照3: 5混合配置而成，三溴丙烷溶液的密度大于二溴乙烷溶液 的密度，為得到精確的測量效果，需要兩種溶液充分接觸以確保工作液體處處都保持密度 相等，即期望工作液體可充分同質(zhì)化。由于隔離單元203的形狀和大小接近于柱狀腔體的橫 截面的形狀和大小，僅通過隔離單元203外側(cè)與外殼主體201的內(nèi)壁間的縫隙來實現(xiàn)工作液 體同質(zhì)化的速度較慢，因此通過在隔離單元203上設(shè)置通孔，可以增強隔離單元203上下兩 側(cè)的工作液體同質(zhì)化，加快該同質(zhì)化過程，進一步提高測量的精確度。
[0031] 回到圖2，在一個示例中，壓力懸浮裝置還可以包括支桿204，每個支桿204可以沿 著從頂端到底端的方向設(shè)置于外殼主體201的內(nèi)壁上，以避免單晶硅球與外殼主體201直接 觸碰接觸而影響測量的精確度。
[0032] 在一個示例中，所述腔體可以為上下均勻的圓柱狀腔體，支桿的數(shù)量可以為6,6個 支桿可以均勻分布于外殼主體201的內(nèi)壁上，相鄰支桿204與外殼主體201的中軸線所形成 的夾角為60°。這既可避免設(shè)置過多支桿導(dǎo)致加工難度增大和生產(chǎn)成本增加，又可確保在測 量過程中單晶硅球不會與內(nèi)壁直接接觸。
[0033] 在一個示例中，壓力懸浮裝置還可以包括用于測量置于所述腔體內(nèi)的第一單晶硅 球或第二單晶硅球的位移的激光測距儀，所述激光測距儀設(shè)置于外殼主體201的外部。當(dāng)置 于所述腔體內(nèi)的第一單晶硅球或第二單晶硅球懸浮時，可以利用激光測距儀測量第一單晶 硅球或第二單晶硅球的位移，以判斷第一單晶硅球或第二單晶硅球是否處于穩(wěn)定懸浮狀 態(tài)。激光測距儀在工作時可以向目標(biāo)物(例如，第一單晶硅球或第二單晶硅球的質(zhì)心)射出 一束很細的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，通過測定的激光束從出射到接收的 時間，從而計算出與目標(biāo)物間的距離。例如，在一定時間內(nèi)，激光測距儀兩次向第一單晶硅 球或第二單晶硅球射出激光，獲得兩個從激光測距儀到第一單晶硅球或第二單晶硅球的距 離，進而計算得到第一單晶硅球或第二單晶硅球的位移。當(dāng)?shù)谝粏尉Ч枨蚧虻诙尉Ч枨?的位移小于Imm時，可以確定第一單晶硅球或第二單晶硅球達到穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。激光測距儀 具有操作簡單，測量速度快，精準(zhǔn)度高等優(yōu)點，大大提高了判斷效率和準(zhǔn)確度。
[0034]在一個示例中，隔離單元203可以由聚四氟乙烯制成。聚四氟乙烯具有穩(wěn)定的化學(xué) 特性，能夠抗酸堿腐蝕，并且不溶于有機溶劑，同時，聚四氟乙烯具有極低的摩擦系數(shù)，可以 起到與單晶硅球摩擦保護的潤滑作用。
[0035]在一個示例中，密封單元202可以由聚四氟乙烯制成。
[0036]在一個示例中，支桿204可以由聚四氟乙烯制成。
[0037]在一個示例中，密封單元202背向所述腔體的一側(cè)上可以固定有不銹鋼吊鉤，以方 便與基于壓浮法的不同單晶硅球的密度差值測量系統(tǒng)中的其他裝置(例如電萌蘆吊機)相 連接，并為旋轉(zhuǎn)操作提供便利。
[0038] 應(yīng)用示例
[0039] 以下介紹了應(yīng)用本實用新型的壓力懸浮裝置、基于壓浮法來測量不同單晶硅球的 密度差值的具體應(yīng)用示例，以便于更好的理解本實用新型。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，以下示 例的目的僅為了示例性地說明本實用新型實施例的有益效果，并不意在將本實用新型實施 例限制于所給出的任何示例。
[0040] 用于測量單晶硅球密度差值的系統(tǒng)可以包括壓力測量控制裝置、溫度測量控制裝 置和根據(jù)本實用新型的壓力懸浮裝置等?？梢詫⒌谝粏尉Ч枨?、第二單晶硅球和工作液體 共同置于根據(jù)本實用新型的壓力懸浮裝置中，其中，第一單晶硅球和第二單晶硅球置于隔 離單元上下兩側(cè)，如圖2所示。
[0041] (1)獲得當(dāng)?shù)谝粏尉Ч枨蚍€(wěn)定懸浮狀態(tài)時所需的相關(guān)參數(shù)
[0042] 將壓力懸浮裝置豎直放置，且使第二單晶硅球處于下方。隔離單元下沉壓住第二 單晶硅球，使其抵靠在腔體底端的密封單元上。壓力測量控制裝置和溫度測量控制裝置可 以調(diào)節(jié)并控制工作液體的壓力和溫度，從而改變工作液體的密度。由于單晶硅球的密度與 工作液體的密度相近，所以工作液體的密度有微小的變化都會導(dǎo)致單晶硅球的懸浮狀態(tài)發(fā) 生改變。通過調(diào)節(jié)工作液體的壓力和溫度，使第一單晶硅球穩(wěn)定懸浮于工作液體中，得到此 時工作液體的壓力、溫度和第一單晶硅球的質(zhì)心高度。
[0043]在上述過程中，可以利用激光測距儀測量第一單晶硅球的位移，以判斷第一單晶 硅球是否處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。例如，可以在激光測距儀測得第一單晶硅球的位移小于Imm的 情況下，確定第一單晶娃球處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。
[0044] (2)獲得當(dāng)?shù)诙尉Ч枨蚍€(wěn)定懸浮狀態(tài)時所需的相關(guān)參數(shù)
[0045] 將壓力懸浮裝置垂直旋轉(zhuǎn)180°，使第一單晶硅球處于下方。隔離單元再次下沉以 壓住第一單晶硅球，使其抵靠在腔體底端的密封單元上?？梢哉{(diào)節(jié)工作液體的壓力和溫度， 使第二單晶硅球穩(wěn)定懸浮于工作液體中，得到此時工作液體的壓力、溫度和第二單晶硅球 的質(zhì)心高度。
[0046] 同樣地，在該過程中，可以利用激光測距儀測量第二單晶硅球的位移，以判斷第二 單晶硅球是否處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。例如，可以在激光測距儀測得第二單晶硅球的位移小于 Imm的情況下，確定第二單晶娃球處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。
[0047] (3)獲得第一單晶硅球和第二單晶硅球的密度差值
[0048] 利用第一單晶硅球處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)下的工作液體壓力、溫度和第一單晶硅球的 質(zhì)心高度，第二單晶硅球處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)下的工作液體壓力、溫度和第二單晶硅球的質(zhì) 心高度，其中一個(第一或第二)單晶硅球的密度值，以及壓浮法原理公式（1)，得到第一單 晶硅球與第二單晶硅球的密度差值。進一步地，基于該密度差值可以得到另一個(第二或第 一)單晶硅球的密度值。
[0049] 進一步地，可通過重復(fù)上述過程，獲得第一、第二單晶硅球的多組密度差值，進一 步基于該多組密度差值得到該密度差值的平均值，進而使測量的結(jié)果更精確。
[0050]上述技術(shù)方案只是本實用新型的示例性實施例，對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言， 在本實用新型公開了應(yīng)用方法和相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進或變形， 而不僅限于本實用新型上述具體實施例所描述的結(jié)構(gòu)，因此前面描述的方式只是優(yōu)選的， 而并不具有限制性的意義。
【主權(quán)項】
1. 一種用于測量單晶硅球密度差值的壓力懸浮裝置，其特征在于，所述壓力懸浮裝置 包括： 外殼主體(201); 密封單元(202)，設(shè)置于外殼主體(201)的頂端和底端，和外殼主體(201)-起構(gòu)成密封 的腔體； 隔離單元(203)，置于所述腔體內(nèi)，以隔離第一單晶硅球和第二單晶硅球； 其中，所述腔體為上下均勻的柱狀腔體，所述隔離單元（203)為板狀結(jié)構(gòu)，隔離單元 (203)的形狀和大小接近于該柱狀腔體的橫截面的形狀和大小。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力懸浮裝置，其特征在于， 所述隔離單元(203)上設(shè)置有通孔。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力懸浮裝置，其特征在于，所述壓力懸浮裝置還包括： 支桿(204)，每個支桿(204)沿著從頂端到底端的方向設(shè)置于外殼主體(201)的內(nèi)壁上。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力懸浮裝置，其特征在于， 所述腔體為上下均勻的圓柱狀腔體，所述支桿(204)的數(shù)量為6,6個支桿(204)均勻設(shè) 置于外殼主體(201)的內(nèi)壁上，相鄰支桿(204)與外殼主體(201)的中軸線所形成的夾角為 60。。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力懸浮裝置，其特征在于，所述壓力懸浮裝置還包括： 用于測量置于所述腔體內(nèi)的第一單晶硅球或第二單晶硅球的位移的激光測距儀，所述 激光測距儀設(shè)置于外殼主體(201)的外部。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力懸浮裝置，其特征在于， 所述隔離單元(203)由聚四氟乙烯制成。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力懸浮裝置，其特征在于， 所述密封單元(202)由聚四氟乙烯制成。8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力懸浮裝置，其特征在于， 所述支桿(204)由聚四氟乙烯制成。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力懸浮裝置，其特征在于， 所述外殼主體(201)為玻璃圓筒。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力懸浮裝置，其特征在于， 所述密封單元(202)背向所述腔體的一側(cè)上固定有不銹鋼吊鉤。
【文檔編號】G01N9/10GK205426715SQ201521050483
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年12月16日
【發(fā)明人】李之昊, 王金濤, 陳超云, 劉翔, 劉子勇, 佟林, 暴雪松, 張培滿
【申請人】中國計量科學(xué)研究院