專利名稱：靜電懸浮的操作電極的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電極，尤其涉及靜電懸浮的操作電極。
在超大規模集成電路加工、精密電子元器件制作、光學與精密機械制造等過程中，目前多采用機械手對硅片Wafer、CD片、LCD片和其它表面超精加工的精密元器件進行接觸操作，由此造成的表面污染和摩擦損傷，是制約這些精密元器件質量和性能的主要因素。解決這一問題十分必要和迫切，而采用懸浮技術是一種最佳的解決方法。現有的懸浮技術以磁懸浮為主，它基于磁極與懸浮體之間的電磁力，分別以德國的常導磁懸浮和日本的超導磁懸浮為代表。已成功應用于磁懸浮高速列車，其時速在1997年已突破500公里大關。磁懸浮技術的特點是懸浮力大，驅動力強，但是常導磁懸浮需要有專門的冷卻技術和設備，超導磁懸浮則需要采用超導材料和液態氮，技術條件極為苛刻，限制了磁懸浮技術的應用。制約磁懸浮技術應用的另一個關鍵因素，是它的懸浮體必須是磁性材料，因此無法實現上述大多數精密元器件及其它非磁性材料的懸浮，除了磁懸浮列車以外，迄今沒有也難以在工業領域得到大規模應用。
本實用新型的目的是提供一種原理新穎、結構簡潔、技術條件易于實現的靜電懸浮的操作電極。
為了達到上述目的本實用新型采取下列措施靜電懸浮的操作電極具有電極組和激光測距探頭組，電極組包括一個位央的圓形電極，以及三個位于外周的等分環形電極，整個電極組制作在一塊平面的印刷電路板上，相鄰電極區之間由絕緣溝互相隔開，激光測距探頭組包括三個與電極平面垂直的激光測距探頭，它們分別固定于電極區中央位置，在探頭所在的電極區的相應位置開有三個小孔。
或者具有電極組和激光測距探頭組，電極組由四個對稱的等分電極組成，整個電極組制作在一塊平面的印刷電路板上，相鄰電極區之間由絕緣溝互相隔開，在相鄰電極區上施加極性相反的直流高電壓，激光測距探頭組包括四個與電極平面垂直的激光測距探頭，它們分別固定于電極區的中央位置，在探頭所在的電極區的相應位置開有四個小孔。
本實用新型的靜電懸浮的操作電極，利用的是電極組與懸浮體之間的靜電力，其中最根本的機理，是電極組的靜電場對懸浮體的感應和誘導作用。在電場中，幾乎所有的物體或材料均可產生不同程度的靜電感應和誘導作用，也即均可作為靜電懸浮的懸浮體，而此前的磁懸浮技術僅適用磁性物體。因此，本實用新型的靜電懸浮的操作電極，除了原理新穎，結構簡潔，技術條件易于實現之外，還克服了磁懸浮技術的局限性，大大拓寬了應用范疇。其懸浮體既可以是磁性物體，也可以是非磁性物體，既可以是導體、半導體，也可以是常規絕緣體，如金屬片，半導體硅Wafer，CD片，液晶片，玻璃片，紙片，塑料薄膜片等。因此，以操作電極為核心的靜電懸浮技術，可望在眾多工業與技術領域得到廣泛應用。
以下結合附圖作詳細說明。
圖1是靜電懸浮裝置工作原理示意圖；圖2是I型靜電懸浮的操作電極結構示意圖；圖3是II型靜電懸浮的操作電極結構示意圖；圖4是III型靜電懸浮的操作電極結構示意圖；本實用新型的靜電懸浮的操作電極，包括由多個正負電極區組成的電極組1和由多個激光測距探頭組成的激光測距探頭組2兩大部分。電極組1由若干個平面電極區組成，激光測距探頭組2包括多個激光測距探頭。圖1所示是以操作電極為核心的靜電懸浮裝置的工作原理示意圖。在電極組1的各個電極區上施加正負電壓，當操作電極在垂直方向逼近懸浮體時，由于電極組1所產生的靜電場的感應和誘導作用，懸浮體上的正負電荷將重新分布，感應電荷分布的區域與電極組的電極區基本相同，但感應電荷的極性與所對應的電極區正好相反。例如，與電極組的正電極區所對應的懸浮體上的感應電荷區，必定是負電荷區，反之亦然。因此，在電極組1的每個電極區與懸浮體的每個感應電荷區之間，將產生互相吸引的靜電力。當靜電力的合力足以平衡懸浮體的重力時，懸浮體將被拉起而懸浮在空中。
顯然，當靜電力大于懸浮體的重力時，它將被拉向電極組1，使兩者互相接觸；反之，當靜電力小于重力時，懸浮體將重新掉下。為避免這兩種情況發生，采用激光測距探頭組2實時監控電極組1與懸浮體之間的間距，再通過反饋控制，使兩者之間的間距始終保持在設定數值。整個反饋控制的過程是，激光測距探頭組2的每個探頭，在各電極區的相應位置測得電極組與懸浮體之間的間距，然后將測得的間距信號輸入到計算機與反饋控制電路系統，后者將這些間距信號與預先設定的間距值作比較，獲得幾個間距差值，然后再根據這幾個間距差值的大小，相應地向各電極區輸出正的或負的直流電壓差值，以增加或減小各電極區上的電壓值，從而不斷調節靜電力。當間距變大時，即懸浮體有往下掉的傾向時，反饋控制系統將自動增加各電極區的電壓，以增加靜電力，將懸浮體向上拉至設定的間距值；反之，當間距變小時，即懸浮體有被吸向電極組1的傾向時，反饋控制系統自動減小各電極區的電壓，以減小靜電力，使懸浮體稍稍下落至設定的間距值。如此反復，使靜電力的合力始終與懸浮體的重力平衡，最終獲得穩定的懸浮狀態。當懸浮體處于穩定的懸浮狀態后，移動操作電極，即可將懸浮體移動或傳送到另一地方，并對它作各種非接觸無損操作。
在圖2所示的靜電懸浮的I型操作電極中，操作電極由電極組1和激光測距探頭組2兩大部分組成。電極組1包括一個位于中央的圓形電極D，以及三個位于外周的等分環形電極A、B、C，整個電極組制作在一塊平面的印刷電路板上，相鄰電極區之間由絕緣溝互相隔開。激光測距探頭組2包括三個與電極平面垂直的激光測距探頭，它們分別固定于環形電極區A、B、C的中央位置。在探頭所在的電極區的相應位置開有三個小孔，激光測距探頭發射的激光束，可通過小孔照射到懸浮體的上表面上，然后被懸浮體反射回來，探頭可根據反射角度的不同測定電極組1與懸浮體之間的間距。靜電懸浮的I型操作電極，其立體結構示意圖參見圖1。該操作電極按照如下方式在各電極區上施加直流高電壓在環形電極A、B、C上施加極性相同的直流高電壓，而在中心電極D上施加極性相反的直流高電壓，即當環形電極A、B、C上施加正的直流高電壓時，中心電極D上施加負的直流高電壓；反之，當環形電極A、B、C上施加負的直流高電壓時，中心電極D上施加正的直流高電壓。對懸浮體實施靜電懸浮時，施加在環形電極A、B、C上的電壓值，將根據它們與懸浮體之間的間距變化而改變，以不斷調節靜電力，使懸浮體獲得穩定的懸浮狀態。整個I型操作電極的工作原理和作用，已在圖1所示的靜電懸浮裝置中描述。
圖2所示的靜電懸浮的I型操作電極，十分巧妙地將電極組1的環形電極區A、B、C等分設置，并將電極區D包圍在中央，可獲得均勻而對稱的靜電場；其次，在三個環形電極區上對稱設置三個激光測距探頭，符合“三點決定一個平面”的原理，易于實現反饋控制電路系統的反饋控制，使懸浮體獲得十分平穩的懸浮狀態。
圖3所示的靜電懸浮的II型操作電極，也包括電極組1和激光測距探頭組2兩大部分。電極組1由四個對稱的扇形電極區A、B、C、D組成，在相鄰電極區上施加極性相反的直流高電壓，也即在相對的電極區上施加極性相同的直流高電壓。如電極區A、C施加正電壓，則電極區B、D施加負電壓；反之，如電極區A、C施加負電壓，則電極區B、D施加正電壓。激光測距探頭組2由四個探頭組成，它們分別設置于四個扇形電極的中央部位，在這些位置時刻監控電極組1與懸浮體之間的間距。II型操作電極的工作原理與I型操作電極完全相同，只是四個扇形電極區A、B、C、D上的電壓值，均隨它們與懸浮體之間的間距變化而改變，以獲得穩定的懸浮狀態。II型操作電極的特點是，四個電極區對稱設置，同樣可獲得對稱的均勻靜電場；電極組的中央由圓形的絕緣區隔開，可避免四個電極區之間的互相干擾及彼此間的尖端放電；此外，四個電極區上的電壓均可調節，因此對懸浮狀態的反饋控制更靈敏、更快捷。
圖4所示的靜電懸浮的III型操作電極，與II型操作電極基本相同，同樣由包含四個電極區的電極組1和包含四個探頭的激光測距探頭組2兩大部分組成。只是電極組1的四個電極區為正方形結構，激光測距探頭設置于這些正方形的中央，而整個電極組為一個大的正方形。該型操作電極的工作原理、作用和特點，與II型操作電極相同，它的另一個特點是可適用于圓形、橢圓形、正方形和長方形懸浮體的靜電懸浮。
權利要求1.一種靜電懸浮的操作電極，其特征在于它具有電極組[1]和激光測距探頭組[2]，電極組包括一個位于中央的圓形電極D，以及三個位于外周的等分環形電極A、B、C，整個電極組制作在一塊平面的印刷電路板上，相鄰電極區之間由絕緣溝互相隔開，激光測距探頭組包括三個與電極平面垂直的激光測距探頭，它們分別固定于電極區A、B、C中央位置，在探頭所在的電極區的相應位置開有三個小孔。
2.一種靜電懸浮的操作電極，其特征在于它具有電極組[1]和激光測距探頭組[2]，電極組由四個對稱的A、B、C、D等分電極，整個電極組制作在一塊平面的印刷電路板上，相鄰電極區之間由絕緣溝互相隔開，在相鄰電極區上施加極性相反的直流高電壓，激光測距探頭組包括四個與電極平面垂直的激光測探頭，它分別固定于電極區A、B、C、D的中央位置，在探頭所在的電極區的相應位置開有四個小孔。
3.根據權利要求2所述的一種靜電懸浮的操作電極，其特征在于整個電極組的印刷電路板為圓形或方形。
專利摘要本實用新型公開了一種靜電懸浮的操作電極。它具有電極組和激光測距探頭組,電極組包括一個位于中央的圓形電極,以及三個位于外周的等分環形電極,整個電極組制作在一塊平面的印刷電路板上,激光測距探頭分別固定在三個電極區中央,并在電極區的相應位置上開了三個小孔。本實用新型原理新穎,結構簡潔,技術條件易于實現,克服了磁懸浮技術的局限性,大大拓寬了應用范圍。
文檔編號H01L43/00GK2377681SQ9920449
公開日2000年5月10日 申請日期1999年3月12日 優先權日1999年3月12日
發明者吳蘭, 章海軍, 黃峰 申請人:浙江大學