专利名称：静电悬浮的操作电极的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电极，尤其涉及静电悬浮的操作电极。
在超大规模集成电路加工、精密电子元器件制作、光学与精密机械制造等过程中，目前多采用机械手对硅片Wafer、CD片、LCD片和其它表面超精加工的精密元器件进行接触操作，由此造成的表面污染和摩擦损伤，是制约这些精密元器件质量和性能的主要因素。解决这一问题十分必要和迫切，而采用悬浮技术是一种最佳的解决方法。现有的悬浮技术以磁悬浮为主，它基于磁极与悬浮体之间的电磁力，分别以德国的常导磁悬浮和日本的超导磁悬浮为代表。已成功应用于磁悬浮高速列车，其时速在1997年已突破500公里大关。磁悬浮技术的特点是悬浮力大，驱动力强，但是常导磁悬浮需要有专门的冷却技术和设备，超导磁悬浮则需要采用超导材料和液态氮，技术条件极为苛刻，限制了磁悬浮技术的应用。制约磁悬浮技术应用的另一个关键因素，是它的悬浮体必须是磁性材料，因此无法实现上述大多数精密元器件及其它非磁性材料的悬浮，除了磁悬浮列车以外，迄今没有也难以在工业领域得到大规模应用。
本实用新型的目的是提供一种原理新颖、结构简洁、技术条件易于实现的静电悬浮的操作电极。
为了达到上述目的本实用新型采取下列措施静电悬浮的操作电极具有电极组和激光测距探头组，电极组包括一个位央的圆形电极，以及三个位于外周的等分环形电极，整个电极组制作在一块平面的印刷电路板上，相邻电极区之间由绝缘沟互相隔开，激光测距探头组包括三个与电极平面垂直的激光测距探头，它们分别固定于电极区中央位置，在探头所在的电极区的相应位置开有三个小孔。
或者具有电极组和激光测距探头组，电极组由四个对称的等分电极组成，整个电极组制作在一块平面的印刷电路板上，相邻电极区之间由绝缘沟互相隔开，在相邻电极区上施加极性相反的直流高电压，激光测距探头组包括四个与电极平面垂直的激光测距探头，它们分别固定于电极区的中央位置，在探头所在的电极区的相应位置开有四个小孔。
本实用新型的静电悬浮的操作电极，利用的是电极组与悬浮体之间的静电力，其中最根本的机理，是电极组的静电场对悬浮体的感应和诱导作用。在电场中，几乎所有的物体或材料均可产生不同程度的静电感应和诱导作用，也即均可作为静电悬浮的悬浮体，而此前的磁悬浮技术仅适用磁性物体。因此，本实用新型的静电悬浮的操作电极，除了原理新颖，结构简洁，技术条件易于实现之外，还克服了磁悬浮技术的局限性，大大拓宽了应用范畴。其悬浮体既可以是磁性物体，也可以是非磁性物体，既可以是导体、半导体，也可以是常规绝缘体，如金属片，半导体硅Wafer，CD片，液晶片，玻璃片，纸片，塑料薄膜片等。因此，以操作电极为核心的静电悬浮技术，可望在众多工业与技术领域得到广泛应用。
以下结合附图作详细说明。
图1是静电悬浮装置工作原理示意图；图2是I型静电悬浮的操作电极结构示意图；图3是II型静电悬浮的操作电极结构示意图；图4是III型静电悬浮的操作电极结构示意图；本实用新型的静电悬浮的操作电极，包括由多个正负电极区组成的电极组1和由多个激光测距探头组成的激光测距探头组2两大部分。电极组1由若干个平面电极区组成，激光测距探头组2包括多个激光测距探头。图1所示是以操作电极为核心的静电悬浮装置的工作原理示意图。在电极组1的各个电极区上施加正负电压，当操作电极在垂直方向逼近悬浮体时，由于电极组1所产生的静电场的感应和诱导作用，悬浮体上的正负电荷将重新分布，感应电荷分布的区域与电极组的电极区基本相同，但感应电荷的极性与所对应的电极区正好相反。例如，与电极组的正电极区所对应的悬浮体上的感应电荷区，必定是负电荷区，反之亦然。因此，在电极组1的每个电极区与悬浮体的每个感应电荷区之间，将产生互相吸引的静电力。当静电力的合力足以平衡悬浮体的重力时，悬浮体将被拉起而悬浮在空中。
显然，当静电力大于悬浮体的重力时，它将被拉向电极组1，使两者互相接触；反之，当静电力小于重力时，悬浮体将重新掉下。为避免这两种情况发生，采用激光测距探头组2实时监控电极组1与悬浮体之间的间距，再通过反馈控制，使两者之间的间距始终保持在设定数值。整个反馈控制的过程是，激光测距探头组2的每个探头，在各电极区的相应位置测得电极组与悬浮体之间的间距，然后将测得的间距信号输入到计算机与反馈控制电路系统，后者将这些间距信号与预先设定的间距值作比较，获得几个间距差值，然后再根据这几个间距差值的大小，相应地向各电极区输出正的或负的直流电压差值，以增加或减小各电极区上的电压值，从而不断调节静电力。当间距变大时，即悬浮体有往下掉的倾向时，反馈控制系统将自动增加各电极区的电压，以增加静电力，将悬浮体向上拉至设定的间距值；反之，当间距变小时，即悬浮体有被吸向电极组1的倾向时，反馈控制系统自动减小各电极区的电压，以减小静电力，使悬浮体稍稍下落至设定的间距值。如此反复，使静电力的合力始终与悬浮体的重力平衡，最终获得稳定的悬浮状态。当悬浮体处于稳定的悬浮状态后，移动操作电极，即可将悬浮体移动或传送到另一地方，并对它作各种非接触无损操作。
在图2所示的静电悬浮的I型操作电极中，操作电极由电极组1和激光测距探头组2两大部分组成。电极组1包括一个位于中央的圆形电极D，以及三个位于外周的等分环形电极A、B、C，整个电极组制作在一块平面的印刷电路板上，相邻电极区之间由绝缘沟互相隔开。激光测距探头组2包括三个与电极平面垂直的激光测距探头，它们分别固定于环形电极区A、B、C的中央位置。在探头所在的电极区的相应位置开有三个小孔，激光测距探头发射的激光束，可通过小孔照射到悬浮体的上表面上，然后被悬浮体反射回来，探头可根据反射角度的不同测定电极组1与悬浮体之间的间距。静电悬浮的I型操作电极，其立体结构示意图参见图1。该操作电极按照如下方式在各电极区上施加直流高电压在环形电极A、B、C上施加极性相同的直流高电压，而在中心电极D上施加极性相反的直流高电压，即当环形电极A、B、C上施加正的直流高电压时，中心电极D上施加负的直流高电压；反之，当环形电极A、B、C上施加负的直流高电压时，中心电极D上施加正的直流高电压。对悬浮体实施静电悬浮时，施加在环形电极A、B、C上的电压值，将根据它们与悬浮体之间的间距变化而改变，以不断调节静电力，使悬浮体获得稳定的悬浮状态。整个I型操作电极的工作原理和作用，已在图1所示的静电悬浮装置中描述。
图2所示的静电悬浮的I型操作电极，十分巧妙地将电极组1的环形电极区A、B、C等分设置，并将电极区D包围在中央，可获得均匀而对称的静电场；其次，在三个环形电极区上对称设置三个激光测距探头，符合“三点决定一个平面”的原理，易于实现反馈控制电路系统的反馈控制，使悬浮体获得十分平稳的悬浮状态。
图3所示的静电悬浮的II型操作电极，也包括电极组1和激光测距探头组2两大部分。电极组1由四个对称的扇形电极区A、B、C、D组成，在相邻电极区上施加极性相反的直流高电压，也即在相对的电极区上施加极性相同的直流高电压。如电极区A、C施加正电压，则电极区B、D施加负电压；反之，如电极区A、C施加负电压，则电极区B、D施加正电压。激光测距探头组2由四个探头组成，它们分别设置于四个扇形电极的中央部位，在这些位置时刻监控电极组1与悬浮体之间的间距。II型操作电极的工作原理与I型操作电极完全相同，只是四个扇形电极区A、B、C、D上的电压值，均随它们与悬浮体之间的间距变化而改变，以获得稳定的悬浮状态。II型操作电极的特点是，四个电极区对称设置，同样可获得对称的均匀静电场；电极组的中央由圆形的绝缘区隔开，可避免四个电极区之间的互相干扰及彼此间的尖端放电；此外，四个电极区上的电压均可调节，因此对悬浮状态的反馈控制更灵敏、更快捷。
图4所示的静电悬浮的III型操作电极，与II型操作电极基本相同，同样由包含四个电极区的电极组1和包含四个探头的激光测距探头组2两大部分组成。只是电极组1的四个电极区为正方形结构，激光测距探头设置于这些正方形的中央，而整个电极组为一个大的正方形。该型操作电极的工作原理、作用和特点，与II型操作电极相同，它的另一个特点是可适用于圆形、椭圆形、正方形和长方形悬浮体的静电悬浮。
权利要求1.一种静电悬浮的操作电极，其特征在于它具有电极组[1]和激光测距探头组[2]，电极组包括一个位于中央的圆形电极D，以及三个位于外周的等分环形电极A、B、C，整个电极组制作在一块平面的印刷电路板上，相邻电极区之间由绝缘沟互相隔开，激光测距探头组包括三个与电极平面垂直的激光测距探头，它们分别固定于电极区A、B、C中央位置，在探头所在的电极区的相应位置开有三个小孔。
2.一种静电悬浮的操作电极，其特征在于它具有电极组[1]和激光测距探头组[2]，电极组由四个对称的A、B、C、D等分电极，整个电极组制作在一块平面的印刷电路板上，相邻电极区之间由绝缘沟互相隔开，在相邻电极区上施加极性相反的直流高电压，激光测距探头组包括四个与电极平面垂直的激光测探头，它分别固定于电极区A、B、C、D的中央位置，在探头所在的电极区的相应位置开有四个小孔。
3.根据权利要求2所述的一种静电悬浮的操作电极，其特征在于整个电极组的印刷电路板为圆形或方形。
专利摘要本实用新型公开了一种静电悬浮的操作电极。它具有电极组和激光测距探头组,电极组包括一个位于中央的圆形电极,以及三个位于外周的等分环形电极,整个电极组制作在一块平面的印刷电路板上,激光测距探头分别固定在三个电极区中央,并在电极区的相应位置上开了三个小孔。本实用新型原理新颖,结构简洁,技术条件易于实现,克服了磁悬浮技术的局限性,大大拓宽了应用范围。
文档编号H01L43/00GK2377681SQ9920449
公开日2000年5月10日 申请日期1999年3月12日 优先权日1999年3月12日
发明者吴兰, 章海军, 黄峰 申请人:浙江大学