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摘要：文章简要介绍了应用于碲锌镉材料的化学抛光机的设计背景、料片传输机构的工艺技术要求，并从机械及电气方面详细介绍了料片自动传输机构的设计过程，且取得了较好的实际应用效果。
关键词：碲锌镉;抛光机;传输机构
中图分类号：TN666 文献标识码：B
1 引言
碲锌镉（CdZnTe，简写为CZT）作为一种新型化合物半导体材料，广泛用于探测器的外延衬底和室温核辐射探测器，尤其是在航空航天、军事、国家安全等重要领域。CZT具有优异的光电性能，可以在室温状态下直接将X射线和γ射线转光子变为电子，是迄今为止制造室温X射线及γ射线探测器最为理想的半导体材料。CZT探测器的诸多优点，使得它得到了越来越广泛的应用，核安全、环境监测、天体物理等领域均有应用。
化学抛光工艺是碲锌镉晶体表面处理的关键核心技术之一，目前用于CZT晶体的化学抛光设备主要依赖进口，且多为手动和半自动设备，严重制约了我国CZT的研究发展，随着欧美国家对CZT精密技术及相关设备的封锁与限制，使得我国CZT关键设备的自主可控有着史无前例的紧迫性与必要性。鉴于此我们研制了应用于CZT材料带自动上下料传输功能的化学抛光机，极大的提高了抛光效率与产能。本文重点从机械及电气方面详细介绍了CZT抛光机料片自动传输机构的设计过程及控制原理。
2 料片传输机构的机械设计
为了提高生产效率，实现多料片的同时抛光和清洗工艺，在下料区设置了三个清洗腔体。料片传输机构需要将三个清洗腔体中的料片依次取出，放入下料区的收料装置中。
本文所设计CZT抛光机料片自动传输机构主要包含料片吸附承载机构、十字旋转运输机构、收料台以及控制系统等组成。主要完成料片从三个清洗工位依次自动转运至下料台料框中，整体结构如下图1所示。
2.1料片吸附承载机构设计
CZT料片承载机构主要由气爪臂（内附真空通道）、气源入口及吸附点，由于待抛光料片有一定重量，为保证承载运输过程的稳定性，气爪臂在选材时选择高强度低密度的合金材质，保证其自身的刚性及轻盈性。最后选择三点支撑料片的方式增加其支撑稳定性。具体如下图2所示。
另外，由于吸附表面为毛玻璃表面，为加强真空吸附力，在真空气源入口处以及三处吸附点设计了密封结构保证其真空度。如图3和图4所示。
2.2十字旋转运输机构
为实现料片从三个清洗工位传输到下料工位，专门设计了十字旋转传输机构。该机构主要由X轴、Y轴、θ轴三个方向的运动机构组成。
（1）X轴、Y轴运动机构：X轴完成清洗工位至下料料框之间的往复运动;Y轴完成三个清洗工位之间的往复运动，从而保证了三个清洗工位独立工作互不影响。该机构主要由各轴导轨丝杠模组、限位开关、线缆拖链等组成。每个导轨丝杠模组共有4个限位开关，分别为两端极限保护限位开关和工作行程两端限位开关。具体结构如下图5所示。
（2）θ轴旋转机构主要由轴承座体、轴承压盖、旋转轴、位置传感器等组成，主要负责将从清洗工位取出后的料片旋转转运至下料一侧。在通过X轴运动机构放至下料台。如此往复旋转，实现连续取放料片。具体结构如下图6所示。
2.3收料台
收料台完成料框的竖直上下运动，从而辅助十字旋转运输机构进行脱片、放料，将料片对应放置料框相应位置直到放满整个料框。该结构主要由电机丝杠模组、料架、支撑架、传感器等组成，具体如下图7所示。
3 传输机构的电气控制设计
本文所设计的控制系统主要由触摸屏、PLC控制器、电机及驱动机构以及输入输出IO、传感器等组成。上位机通过网口与PLC模块通讯，来实现对传输动作的控制，PLC控制器通过EtherCAT总线方式与伺服及步进驱动器实现通讯，从而实现对被控对象（电机及驱动机构）的动作控制。控制系统框图如图8所示：
系统的下位机主要由PLC模块和电机以及驱动机构组成，PLC模块主要负责信号的采集、转换、传输和输出控制。上位机可以通过组态软件来开发设计出一个操作系统，主要用来接收反馈信息，处理数据并通过相应的算法来实现控制信号，再将控制信号传输给PLC，并实现对传输系统的控制。
通过料盒传输平面示意图9可以看出，虚线框内是料片传输机构部分，其中传输工位（包括X、Y、θ轴）位于清洗工位与下料料盒之间，负责将左侧三个清洗工位清洗干燥好的料片放入右侧料盒中。
料盒传输系统流程图如图10所示，流程开始后，PLC通过输入输出IO信号分别处理三个清洗工位的料片状态（清洗干燥工艺流程是否完成），并将当前状态传给PLC控制器处理，如果有两片或三片都需要放入料盒，需要顺序等待并判断下一步的动作流程控制，如果有料片需要装载到料盒，就给传输机构发送相应指令，控制传输XYθ轴电机及机构执行取片动作，且在放片前判断料盒是否满片，如果满片报警提示。
4 结 论
本文简要介绍了第三代半导体材料碲锌镉及其化学抛光工艺的重要性，详细从机械方面介绍了料片自动传输各个机构部件的設计过程，并阐述了其基于EtherCAT总线通讯方式的电气控制系统及详细的控制流程，且取得了较好的实际应用效果，此传输机构应具有比较强的实际应用价值。
参考文献
[1] 傅楗强.碲锌镉探测器若干关键技术研究[D]. 北京：清华大学，2017.
[2] 王可.碲锌镉晶体基片抛光工艺的实验研究[D]. 大连：大连理工大学，2008.
[3] 郑良才.一种硅片上下料装置：浙江，CN205050814U[P].2016-02-24.
[4] 孙晓波，苗泽志，胡文平，梁丽娟，牛进毅，王莉，苗俊芳，李云峰. 在线式全自动硅片上下料机[P]. 山西：CN102244141A，2011-11-16.
关键词：碲锌镉;抛光机;传输机构
中图分类号：TN666 文献标识码：B
1 引言
碲锌镉（CdZnTe，简写为CZT）作为一种新型化合物半导体材料，广泛用于探测器的外延衬底和室温核辐射探测器，尤其是在航空航天、军事、国家安全等重要领域。CZT具有优异的光电性能，可以在室温状态下直接将X射线和γ射线转光子变为电子，是迄今为止制造室温X射线及γ射线探测器最为理想的半导体材料。CZT探测器的诸多优点，使得它得到了越来越广泛的应用，核安全、环境监测、天体物理等领域均有应用。
化学抛光工艺是碲锌镉晶体表面处理的关键核心技术之一，目前用于CZT晶体的化学抛光设备主要依赖进口，且多为手动和半自动设备，严重制约了我国CZT的研究发展，随着欧美国家对CZT精密技术及相关设备的封锁与限制，使得我国CZT关键设备的自主可控有着史无前例的紧迫性与必要性。鉴于此我们研制了应用于CZT材料带自动上下料传输功能的化学抛光机，极大的提高了抛光效率与产能。本文重点从机械及电气方面详细介绍了CZT抛光机料片自动传输机构的设计过程及控制原理。
2 料片传输机构的机械设计
为了提高生产效率，实现多料片的同时抛光和清洗工艺，在下料区设置了三个清洗腔体。料片传输机构需要将三个清洗腔体中的料片依次取出，放入下料区的收料装置中。
本文所设计CZT抛光机料片自动传输机构主要包含料片吸附承载机构、十字旋转运输机构、收料台以及控制系统等组成。主要完成料片从三个清洗工位依次自动转运至下料台料框中，整体结构如下图1所示。
2.1料片吸附承载机构设计
CZT料片承载机构主要由气爪臂（内附真空通道）、气源入口及吸附点，由于待抛光料片有一定重量，为保证承载运输过程的稳定性，气爪臂在选材时选择高强度低密度的合金材质，保证其自身的刚性及轻盈性。最后选择三点支撑料片的方式增加其支撑稳定性。具体如下图2所示。
另外，由于吸附表面为毛玻璃表面，为加强真空吸附力，在真空气源入口处以及三处吸附点设计了密封结构保证其真空度。如图3和图4所示。
2.2十字旋转运输机构
为实现料片从三个清洗工位传输到下料工位，专门设计了十字旋转传输机构。该机构主要由X轴、Y轴、θ轴三个方向的运动机构组成。
（1）X轴、Y轴运动机构：X轴完成清洗工位至下料料框之间的往复运动;Y轴完成三个清洗工位之间的往复运动，从而保证了三个清洗工位独立工作互不影响。该机构主要由各轴导轨丝杠模组、限位开关、线缆拖链等组成。每个导轨丝杠模组共有4个限位开关，分别为两端极限保护限位开关和工作行程两端限位开关。具体结构如下图5所示。
（2）θ轴旋转机构主要由轴承座体、轴承压盖、旋转轴、位置传感器等组成，主要负责将从清洗工位取出后的料片旋转转运至下料一侧。在通过X轴运动机构放至下料台。如此往复旋转，实现连续取放料片。具体结构如下图6所示。
2.3收料台
收料台完成料框的竖直上下运动，从而辅助十字旋转运输机构进行脱片、放料，将料片对应放置料框相应位置直到放满整个料框。该结构主要由电机丝杠模组、料架、支撑架、传感器等组成，具体如下图7所示。
3 传输机构的电气控制设计
本文所设计的控制系统主要由触摸屏、PLC控制器、电机及驱动机构以及输入输出IO、传感器等组成。上位机通过网口与PLC模块通讯，来实现对传输动作的控制，PLC控制器通过EtherCAT总线方式与伺服及步进驱动器实现通讯，从而实现对被控对象（电机及驱动机构）的动作控制。控制系统框图如图8所示：
系统的下位机主要由PLC模块和电机以及驱动机构组成，PLC模块主要负责信号的采集、转换、传输和输出控制。上位机可以通过组态软件来开发设计出一个操作系统，主要用来接收反馈信息，处理数据并通过相应的算法来实现控制信号，再将控制信号传输给PLC，并实现对传输系统的控制。
通过料盒传输平面示意图9可以看出，虚线框内是料片传输机构部分，其中传输工位（包括X、Y、θ轴）位于清洗工位与下料料盒之间，负责将左侧三个清洗工位清洗干燥好的料片放入右侧料盒中。
料盒传输系统流程图如图10所示，流程开始后，PLC通过输入输出IO信号分别处理三个清洗工位的料片状态（清洗干燥工艺流程是否完成），并将当前状态传给PLC控制器处理，如果有两片或三片都需要放入料盒，需要顺序等待并判断下一步的动作流程控制，如果有料片需要装载到料盒，就给传输机构发送相应指令，控制传输XYθ轴电机及机构执行取片动作，且在放片前判断料盒是否满片，如果满片报警提示。
4 结 论
本文简要介绍了第三代半导体材料碲锌镉及其化学抛光工艺的重要性，详细从机械方面介绍了料片自动传输各个机构部件的設计过程，并阐述了其基于EtherCAT总线通讯方式的电气控制系统及详细的控制流程，且取得了较好的实际应用效果，此传输机构应具有比较强的实际应用价值。
参考文献
[1] 傅楗强.碲锌镉探测器若干关键技术研究[D]. 北京：清华大学，2017.
[2] 王可.碲锌镉晶体基片抛光工艺的实验研究[D]. 大连：大连理工大学，2008.
[3] 郑良才.一种硅片上下料装置：浙江，CN205050814U[P].2016-02-24.
[4] 孙晓波，苗泽志，胡文平，梁丽娟，牛进毅，王莉，苗俊芳，李云峰. 在线式全自动硅片上下料机[P]. 山西：CN102244141A，2011-11-16.