Development of Frequency Weighing Sensor and Single Crystal Growth

새로운 무게센서 재발과 단결정성장(1)

A new weighing sensor for the automatic diameter control system of the crystal growth is developed in this study. This weighing sensor measures the frequency of the vibrating element which is lineally changing with respect to weight. The signal and the power of this system are transmitted without any physical contact, so that this sensor offers high accuracy and resolution. This system consists of a string, a sinusoidal wave generator, an automatic amplification adjusting circuit, signal transformers and a PCB. 4 kinds of programs are developed for checking DAC, weight calibration and controlling growth process. The measurements of the standard deviation and the resolution show $\pm0.10g$(measured at every second) and $5{\times}10^{-5}$, respectively, This weighing sensor is effective under high pres-sure of 200 atm, high temperature and vacuum condition. The weighing system can control the temperature in the accuracy of $\pm0.025^{\circ}C$ with the 'signal divider'. The optical quality single crystals of $(YGd)_3Sc_2Ga_3O_{12},\;Er-Y_3Sc_2Al_3O_{12},\;and\;Bi_{12}GeO_{20}$ have been grown by Czo-chralski method using this auto-diameter control system.

새로운 방식의 결정성장용 직경 자동제어장치를 개발하였다. 이 장치는 금속선의 장력 변화를 주파수로 변환시켜 감지하는 무게센서로서 신호전달 및 전력공급 체계가 무접촉 방식이므로 노이즈가 극소화되며 따라서 안정성, 정밀성이 종래의 센서에 비해 10배 이상 증대된다. 이 장치에서 무게센서 부분은 1) 금속선, 2) 시그날을 형성하는 Sinusoidal Wave Generator, 3) 형성된 시그날의 진폭을 조정하고 안정화 시켜주는 자동 증폭조절회로, 4) 정류장치 및 신호 변환기, 5) 시그날을 관리, 제어하는 PC 보드 등으로 구성하였고, 그 외에 2개의 검증용, 무게보정용, 성장제어용 등 4개의 프로그램을 작성하였다. 이 장치는 표준편차 값이 $\pm0.10g$(1회/sec 측정 때), 분해능이 $5{\times}10^{-5}$이고, 최대 200kg까지 결정을 성장시킬 수 있으며, 또한 압력조건은 진공조건부터 200 atm 이하, 온도조건은 $350^{\circ}C$ 이하에서 일관성, 재현성 있는 작동이 가능했다. 단결정 자동직 경제어에 필요한 정확도를 확보하기 위해 온도범위 $100^{\circ}C$가 $\pm0.025^{\circ}C$로자동 조절되도록 '시그날 Divider'를 제작하였다. 이 무게 센서를 $Y_3Sc_2Ga_3O_{12},\;Er-Y_3Sc_2Al_3O_{12},\;Bi_{12}GeO_{20}$ 등의 단결정 성장에 응용하였으며 매우 양호한 결정을 성공적으로 성장시킬 수 있었다.