河南机专创新思维方法作业.docx
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河南机专创新思维方法作业
河南机电高等专科学校
创新思维与方法-TRIZ理论
工程课题信息表
课题名称：
提高硅料腐蚀机稳定性
姓名：
张振学号：
101303437班级：
焊接104
系部：
材料工程系专业：
焊接技术及自动化
填表日期：
2012.5.22
指导教师：
戚新波
填表说明
本表填写内容分为两个阶段：
选题阶段和答辩阶段。
选题阶段是指完成两期培训课程后，学员选定要解决的工程课题，并对问题进行初步的分析，此阶段学员填写前三项内容，并交由指导教师进行初步评审，评审通过后方可进行解决问题的方法实训阶段，按期解决问题并进行答辩，答辩前填写第四项内容，第五项由答辩组根据学员答辩情况，对学员的学习效果进行客观的评价。
1.摘要要求概括问题的背景、现象、产生的条件、根本原因、解决思路和拟解决的方案（答辩前将解决方案修改为最终方案）。
2.问题分析与描述包括以下几个方面的内容：
（1）问题背景（对所要研究的问题进行背景介绍，包括国内外现状以及当前的研究热点。
）
（2）问题描述（具体描述问题的现象、发生条件。
）
（3）问题分析（应用创新方法中的分析工具对问题进行深入分析，找到问题产生的根本原因。
）
（4）发明问题确定（根据分析结果，确定要解决的关键点，并定义为发明问题。
）
注：
问题分析与描述过程中要求分析透彻、图文并茂，以便清晰阐述问题。
3.拟采取的解决方案内容要求学员根据第二项内容，初步选择解决问题的工具，制定解决问题的流程，并确定解决问题的初始方案，具体内容要求如下：
（1）拟采用的创新理论要求学员根据问题，初步选择合理的问题解决工具，按照一定的流程来解决问题，得到拟解决问题的原理解。
（2）初步解决方案要求学员根据拟解决问题的原理解，结合领域知识，确定初始的问题解决方案。
（3）指导教师意见由教师填写，对学员的分析过程和结果进行评判，确定选题是否符合要求，并给出具体指导意见。
4.最终问题解决方案内容要求学员应用创新方法解决问题并完成设计后，归纳解决问题的工具和流程，详细论述问题解决方案，具体内容要求如下：
（1）采用的创新理论要求学员按照解决问题过程，分步骤、详细说明如何应用创新方法来解决问题。
（2）最终解决方案要求学员详细论述如何根据解决问题的原理解，结合领域知识，确定问题解决方案并完成设计。
（3）指导教师意见由教师填写，从创新设计的角度对学员的分析过程和结果进行评判，确定问题解决过程是否规范以及对学员的创新成果给出具体客观的评价。
5.答辩情况是对学员完成培训后，对应用创新方法解决问题的总体评价。
答辩成绩包括个人陈述和答辩委员会提问两部分，个人陈述要求叙述问题清晰，解决问题的方法合理，最终设计方案可行。
答辩委员会根据其答辩情况作出评价。
免责声明
本课题作为创新方法培训实践环节考核使用，研究成果申报人可以申请专利或发表学术论文。
为了保证课题的正常开展，课题申报者需作以下保证：
1．本课题内容不危害国家安全，符合国家法律，不存在任何违法内容。
2．本课题不涉及国家机密。
3.本课题不涉及任何个人和企业团体的技术秘密。
4．在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当使用本课题的内容用于学术活动。
5.以上内容如有违反，由申报人本人负责。
申报人签字：
年月日
1.基本信息
工程课题名称
提高硅料腐蚀机稳定性
所属领域
机械领域
开题时间
2009.7
课题摘要（500字）
太阳能（Solar）是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。
太阳每年投射到地面上的辐射能高达1.05×1018千瓦时，相当于1.3×106亿吨标准煤，可以说它是“取之不尽，用之不竭”的能源。
在加工太阳能硅片过程中，由于原料表面预处理会有0.5%-1.0%腐蚀损耗，为降低原料腐蚀成品，提高腐蚀的稳定性，新疆科技干部培训中心与亿维讯有限公司针对企业硅料腐蚀机稳定性的技术难题进行了联合技术攻关，取得了卓著成效。
本文基于TRIZ解决技术问题的方法及流程，站在系统的高度，运用TRIZ工具对技术系统进行了深入的分析，找到了解决问题的切入点；论述了运用矛盾矩阵、TRIZ创新原理、解决方案、知识库、技术进化路线等工具的过程，使用PRO/Innovator辅助工具对方案分析和评价。
通过Pro-EvolverV5评价和模拟系统的演绎方向。
最后通过专利分析，形成了专利布局图及知识产权保护建议。
2.问题描述与分析（含图解说明）：
（1）问题背景「可加附页」
太阳能光伏技术（Photovoltaic）是将太阳能转化为电力的技术，其核心是可释放电子的半导体物质。
最常用的半导体材料是硅。
地壳硅储量丰富，可以说是取之不尽、用之不竭。
太阳能光伏电池有两层半导体，一层为正极，一层为负极。
阳光照射在半导体上时，两极交界处产生电流。
阳光强度越大，电流就越强。
太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作，在阴天也能发电。
其优点有：
燃料免费、没有会磨损、毁坏或需替换的活动部件、保持系统运转仅需很少的维护、系统为组件，可在任何地方快速安装、无噪声、无有害排放和污染气体等。
早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。
这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了光电转换效率为4.5%的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。
据欧洲光伏工业协会EPIA预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。
预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。
这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。
由于企业缺乏正确的创新理念与理论指导；缺乏独立研发核心技术（关键技术）的能力，2011年11月新疆科技干部培训中心组织疆内企业技术人员进行了TRIZ理论培训。
通过IWINT专业的授课老师为期半个月理论培训与辅导，我们完成了技术难题的公关，获得19个创新方案、实施方案。
并提出了硅料腐蚀机的组件演化方向，为后期的技术创新指明了方向和思路，加快了研发效率，实现了立足企业自主创新的新思路。
2.问题描述与分析（含图解说明）：
（2）问题描述「可加附页」
下图为硅料腐蚀机系统，其功能为，通过腐蚀槽内的HF酸、HNO3酸混合溶液将Si原料表面腐蚀掉一定的厚度，从而达到表面清洗的效果。
图1-1硅料腐蚀机系统实图
技术系统的主要缺点：
a、由于腐蚀的进行，腐蚀液温度不稳定，导致腐蚀速率不可控；
b、长时间的腐蚀操作，HF会挥发，导致酸浓度变化，影响腐蚀合格率；
c、目前没有合适的测量HF酸、HNO3酸浓度的测量仪器；
d、伴随腐蚀的进行，副产物的不断积累，造成二次加酸后腐蚀效果不明显。
1、关键技术问题的确定
通过硅料腐蚀机原理，以及此系统目前存在的主要缺陷，我们需要改进和提高硅料腐蚀机的以下参数：
a、防止HF的挥发；b、控制混合酸的浓度、温度；c、去除反应副产物。
且
2.问题描述与分析（含图解说明）：
（3）
问题分析「可加附页」
通过突破思维惯性、组件分析、系统分析、三轴分析以及矛盾分析。
找到解决问题的切入点。
通过组件分析、建立组件功能模型、分析系统中能量流、物质流、信息流的传递以及组件价值，确定组件理想度排序，以及改进次序和方向；重点问题现象进行问题根本原因分析，找到真正需要解决的问题；还可以针对要解决的问题从子系统、超系统的系统维度以及工艺或操作流程的时间维度进行资源分析，以给解决问题提供思路。
1）超系统组件包括空气、重力场；系统组件：
酸槽、水槽、HF酸、HNO3酸、人、料篮、计时器、排风；系统作用对象：
Si原料；系统功能结构图如下图：
图1-3功能结构图
注：
1.问号表示有用作用中存在问题；斜体字表示有害作用
2）图1-4中显示了系统中的流和组件在系统中承担的角色，以及有用作用
中包含的有害因素的信息。
图1-4流分析
通过流分析，我们能清楚的看到技术系统的能量传递组件，控制组件。
通过流分析可以帮助我们进一步了解组件对技术系统的功能贡献。
3）组件价值分析
用价值工程的方法，以阿奇舒勒定义的理想度为衡量标准，通过评估有用作用、有害作用及成本，来确定组件的理想度，如图1-5所示。
通过移除区域D中的系统组件'HF,HNO3'来简化系统,所以将理想度最低的组件HF和HNO3裁剪掉，使腐蚀槽实现刻蚀硅原料的功能如图1-6：
图1-6裁减掉组件HF、HNO3
通过移除区域C中的系统组件计时器来简化系统,所以裁减掉计时器，腐蚀槽自实现酸隔离功能。
如图1-7
图1-7裁减掉计时器，腐蚀槽实现酸隔离
对于腐蚀机稳定性问题，可以通过RCA方法进一步剖析其根本原因，如图1-8。
图1-8根本原因分析结果
通过根本原因的分析，最终找到如下9个根本原因：
1、缺少温度计；2、在配酸和加酸时人员的操作不可控；3、硅料腐蚀过程中，人员每次装料的重量不可控；4、化学反应的存在导致混合酸浓度不可控；5、剧烈的化学反应，加快了HF酸的挥发，导致混合酸的浓度变化加速；6、硅料表面质量不可控，导致酸的损耗不可控；7、缺少温度计；8、化学反应产生的副产物导致腐蚀液浓度变化，造成腐蚀效果不可控；9、未及时换酸，导致随着腐蚀操作的进行，腐蚀酸浓度改变。
3.拟采取的解决方案：
（1）拟采用的创新理论「可加附页」
解决问题就是针对问题模型利用中间工具解决找到解决方案模型，再把解决方案模型转化为本领域问题解的过程。
创新原理、标准解、进化模式都是解决问题的工具，还有一个重要工具就是知识库。
在开始解决问题之前，我们对项目组技术人员进行了创新方法培训，然后，针对分析阶段得到的一系列转化问题，利用创新方法及工具解决问题。
本部分主要阐述三种创新方法的解题过程：
基于功能查找解决方案；利用创新原理得到解决方案；由进化路线构思解决方案。
借助CAI工具及知识库、专利库，使我们能够快速查询到其他领域解决同类问题的解决方案作为参考，这种方法正是体现了TRIZ的重要理念，即：
借鉴其他领域已有的先进解决方案解决本领域的问题。
（2）初步解决方案「可加附页」
方案1：
基于因果分析解决问题：
定义技术矛盾：
根据因果分析,腐蚀不可控的原因,是因为腐蚀液温度不可控，最终到导致腐蚀反应速率不可控。
解决方法：
控制腐蚀液温度。
改善的参数：
测量的精确度；恶化的参数：
系统的复杂性。
经矛盾矩阵得出如下创新原理图2-1所示：
2-1矛盾矩阵与创新原理图
通过创新原理得到如下创新方案：
充分利用系统中水洗槽中的废水，通过腐蚀槽底部的水冷管道起到水冷腐蚀液的效果，从而达到控制腐蚀液温度的目的，原理图如2-2所示:
图2-2水冷装置冷却腐蚀液原理图
定义技术矛盾：
根据因果分析,由于操作人员配酸比例存在差异,导致腐蚀反应速率不可控；增加一个全自动的配酸装置，根据不同配比要求实现自动配酸。
改善的参数:
操作流程的方便性；恶化的参数:
系统的复杂性。
参数确定的矛盾矩阵，最终通过矛盾矩阵中相应的创新原理得到如下创新方案：
增加一个廉价的补酸槽，在补酸槽内分别用黄色和绿色两种颜色隔开，隔开的容积比与实际工艺要求中HF与HNO3体积比一致，以保证人操作时的加酸比例。
创新原理图如2-3所示：
图2-3通过颜色控制酸比例原理图
定义技术矛盾：
根据因果分析,腐蚀不可控的原因,是由于腐蚀的重量不可控,造成温度不可控，最终到导致腐蚀反应速率变化。
增加一个称硅料的电子秤，每次操作前称量一定重量的硅料。
改善的参数:
测量精度；恶化的参数:
系统的复杂性。
参数确定的矛盾矩阵，最终通过矛盾矩阵中相应的创新原理得到如下创新方案：
预先设定腐蚀槽的内容量，使其只能装入一定重量的硅料。
创新原理图如2-4所示：
图2-4定量腐蚀槽原理图
定义技术矛盾：
根据因果分析,腐蚀不可控的原因,是由于腐蚀的重量不可控,造成温度不可控，最终到导致腐蚀反应速率变化。
增加一个称硅料的电子秤，每次操作前称量一定重量的硅料。
改善的参数:
测量精度；恶化的参数:
系统的复杂性。
参数确定的矛盾矩阵，最终通过矛盾矩阵中相应的创新原理得到如下创新方案：
用廉价的材料，加工一定数量的15kg的腐蚀筐，使其仅仅能够盛装15kg硅料。
创新原理图如2-5所示：
图2-5定量腐蚀筐原理图
定义技术矛盾：
根据因果分析,温度升高的原因,是因为散热不足,最终到导致腐蚀反应速率变化。
通过加长两次腐蚀操作之间的间隔，使温度降到预期要求。
改善的参数：
温度；恶化的参数:
速度。
参数确定的矛盾矩阵，最终通过矛盾矩阵中相应的创新原理得到如下创新方案：
利用电磁系统代替机械系统搅拌，加速液面流速，充分散热。
创新原理图如2-6所示：
图2-6电磁搅拌降温原理图
定义技术矛盾：
根据因果分析,混合酸浓度不可控,是因为硅料表观质量不一致,导致腐蚀液的损耗不可控。
通过增加一个硅料分拣装置，按硅料表观质量的不同分拣出来。
改善的参数：
可制造性；恶化的参数:
系统的复杂性。
矛盾参数确定的矛盾矩阵，最终通过矛盾矩阵中相应的创新原理得到如下创新方案：
将硅料表面比（表面积/重量）大的与硅料表面比小的原料分离开做腐蚀，从而提高了硅料的可分性。
（一定质量的硅料，表面比大的原料对酸损耗的影响更大）。
创新原理图如2-7所示：
图2-7提高可分性原理图
定义技术矛盾：
根据因果分析,由于副产物的不断产生,导致腐蚀液中HF/HNO3的浓度变低，最终导致混合酸浓度不可控。
通过增加一个系统装置，将产生的副产物提取出来，从而达到稳定混合酸浓度的效果。
改善的参数：
物体产生的有害因素；恶化的参数:
系统的复杂性。
参数确定的矛盾矩阵，最终通过矛盾矩阵中相应的创新原理得到如下创新方案：
周期性腐蚀操作，使H2SiF6充分分解，从而降低混合酸中产生的副产物H2SiF6的含量。
定义技术矛盾：
根据因果分析,由于副产物的不断产生,导致腐蚀液中HF/HNO3的浓度变低，最终导致混合酸浓度不可控。
通过增加一个系统装置，将产生的副产物提取出来，从而达到稳定混合酸浓度的效果。
改善的参数：
物体产生的有害因素；恶化的参数:
系统的复杂性。
参数确定的矛盾矩阵，最终通过矛盾矩阵中相应的创新原理得到如下创新方案：
周期性腐蚀操作，使H2SiF6充分分解，从而降低混合酸中产生的副产物H2SiF6的含量。
利用多孔材料（膜材料），过滤掉大分子物质H2SiF6以及颗粒性杂质等，达到降低副产物的目的。
定义技术矛盾：
根据因果分析,混合酸使用（放置）的时间越长，其腐蚀能力越弱。
控制混合酸的使用时间（腐蚀硅原料的重量），从而控制腐蚀能力，即规定混合酸在使用2小时后进行换酸。
改善的参数：
功率（效率）；恶化的参数:
物质的损失；参数确定的矛盾矩阵，最终通过矛盾矩阵中相应的创新原理得到如下创新方案：
给混合酸中添加缓冲剂（如冰醋酸CH3COOH），利用冰醋酸中的H+来代替混合酸中的H+，从而达到保持腐蚀能力的效果。
方案2：
基于SKB解决问题
为了找到实现功能的方法，TRIZ给出的方法是：
利用知识。
通常我们上网搜索资料都是用关键词搜索，很多搜索引擎甚至不支持关键词的布尔搜索，一个关键词经常会搜索出数千条的信息，其中包括绝大多数是无用信息；专利检索虽然支持关键词布尔搜索以及分类检索等多种方式，但是，要想了解或借鉴国外先进的专利技术，在阅读理解上很多工程技术人员会感觉困难，而且需要花大量的时间。
计算机结合基于本体的语义技术在知识的组织、表达、检索和有效获取上有人无法比拟的优势。
它使我们不仅可以获得本领域相关知识，还可以获得其他领域的相关知识。
这个优势正可以支撑TRIZ理论的有效实施。
在“功能查询”中搜索“控制浓度”查询找到22条类比技术方案，阅读《电化学反应从金属表面祛除污垢》类比方案（图3-1所示）中得到启发：
图3-1《电化学反应从金属表面祛除污垢》方案图
通过对方案的学习和理解，结合硅材料的导电性质：
多晶硅料在电性能上与金属具有相似性,固可使用电化学反应去除表面污垢的效果，原理图如3-2所示：
图3-2电化学硅料腐蚀原理图
在“功能查询”中搜索“控制温度”查询找到14条技术方案，阅读《可膨胀材料控制直接甲醇燃料电池中甲醇浓度》方案（图3-3所示）中得到启发：
图3-3《可膨胀材料控制直接甲醇燃料电池中甲醇浓度》方案
通过对方案的学习和理解，使用酸性可膨胀材料，针对酸浓度的变化控制补酸阀。
原理图如图3-4所示：
图3-4酸性可膨胀材料补酸阀
在“关键词”中搜索“刻蚀”查询找到38条技术方案，阅读《激光烧蚀和等离子刻蚀技术雕刻钻石表面》技术方案（图3-5）获得启发：
图3-5《激光烧蚀和等离子刻蚀技术雕刻钻石表面》方案
通过对方案的学习和理解，确定使用等离子刻蚀，将硅料表面的沾脏层腐蚀掉，彻底克服了混合酸浓度不可控问题，原理图如3-6所示：
图3-5等离子刻蚀硅原理图
3.拟采取的解决方案：
方案3：
基于物场分析解决问题
明确问题部位：
为降低HF的挥发，采用低温腐蚀，但低温腐蚀会造成腐蚀速率下降，从而导致生产效率下降。
确定物场分析三要素为：
化学场、腐蚀液、硅料。
如下物场模型如4-1所示：
图4-1物场模型
通过物场模型的简历，选自标准解法为增强物场模型如图4-2所示：
图4-2增强物场模型
为增强腐蚀能力，在化学腐蚀的同时，增加超声功能：
1、加快了腐蚀液流动，提高腐蚀效果；2、通过超声作用，加速了硅料表面杂质的脱离速度，提高腐蚀效果。
方案模型为图4-3所示：
4-3增加超声的解决方案原理图
明确问题部位：
由于副产物存在，造成腐蚀浓度变化，影响腐蚀效果。
确定物场分析三要素为：
化学场、腐蚀液、硅料。
如下物场模型如4-4所示：
图4-4物场模型
通过物场模型的简历，选自标准解法为引入F2来抵消有害作用如图4-5所示：
图4-5引入F2物场模型图
为消除副产物H2SIF6的有害作用，根据H2SIF6的热稳定性，可对混合液加热使得H2SIF6分解成可挥发的SiF4和HF,消除了副产物的有害作用。
原理图如4-6所示：
图4-5引入F2解决方案原理图
4进化分析
阿奇舒勒经过对250万件世界专利分析发现任何领域的技术系统和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰亡的过程，他们都遵循着一定的进化法则，技术系统在结构上进化的趋势，即进化模式与进化路线并不是随机排列的，而是有一定的顺序；不同的工程领域中的进化模式与进化路线具有共性，即技术进化模式与进化路线具有可传递性。
通过对产品技术系统进行进化分析，用户可对企业现有产品准确定位，同时可预测产品未来的发展趋势，最终实现生产一代、开发一代、规划一代的企业发展战略。
为产品创新、市场经营策略的正确制定提供依据，使企业在竞争中始终处于领先地位。
作为解决问题的工具，进化路线可以让我们看清当前的产品或技术方案所处的进化阶段，找到进化路线上的有潜力的技术空白点，明确产品技术的进化方向。
现在分析一下前面通过知识库和创新原理得到的解决方案，发现从现有腐蚀机结构向提高可控性进化的路线，如图5-1所示。
从图中清晰看到了现有结构还处于想机械结构跃迁的进化位置，同时发现，在它们之间存在着空白，还看到沿着这条进化路线将向场相互作用跃迁的发展方向。
图5-1硅料腐蚀机进化图
5S曲线：
通过S曲线评估系统现有技术的成熟度有利于合理的投入和分配帮助我们做出正确的研发决策，通过对硅料腐蚀机相关参数，以及硅料腐蚀方面专利的数量和等级的判断，目前硅料腐蚀机处于S曲线的成熟期阶段。
示意图如6-1所示：
图6-1硅料腐蚀机所处阶段示意图
4.最终问题解决方案：
（1）采用的创新理论「可加附页」
01、创新原理
（2）最终解决方案「可加附页」
通过硅料腐蚀机方案评估，着重考虑各个方案的成本、可靠性、可实现性，最终得到如下的方案。
说明，按列打分,只打相对分最低1分,最高10分；1、如果是需要的就打高分,不需要的就打低分.比如成本,成本最低的打10分,成本最高的打1分;对于性能,最好的打10分,最差的打1分；2、首先确定最高的2项和最低的2项,其他的相对于最高和最低比较打分,均匀分布。
3、按照3的步骤对其他评价指标进行打分,并最终计算方案排序。
备选方案如7-1所示：
\
图7-1备选方案图
通过对硅料腐蚀机专利分析，了解硅料腐蚀方面的专利和进化的路线的研究。
在项目最终，对硅料腐蚀机稳定性的改进，共得到19个解决方案，经过专利分析，发现有2个技术方案可以申请专利。
通过专利申请，不仅是对技术的保护，同时通过专利布局，使企业在市场中占有一定的核心竞争力。
5.指导教师意见：
导教师签字：
年月日
6.综评成绩：
升级会员 