一种基于声学黑洞原理的机械臂减振装置及其方法与流程

本发明属于结构减振与自动化测试相关，更具体地，涉及一种基于声学黑洞原理的机械臂减振装置及其方法。

背景技术：

1、在半导体工艺中，通常采用四探针测试系统用于金属厚度测量和均匀性分析、离子掺杂/注入浓度测量分析以及薄膜厚度和电阻率分布分析。测试主要采用四探针技术，结合常规直线四探针法、改进的范德堡法和斜置式rymaszewski四探针法等方法进行测量和分析。四探针技术的关键部件是探针，在测量过程中，基础平台、运动电机、机械臂等机构的振动都会导致探针横向游移或者纵向游移，从而降低测量结果的准确性。因此，如果能够解决探针测试头的振动问题，相应就能够进一步提升探针定位的精确性，从而提高测试系统的整体测量精度。

2、声学黑洞是一种新型波操控和被动阻尼技术，主要通过结构厚度按照一定规律裁剪来改变结构阻抗，从而改变结构中弯曲波的相速度和群速度，实现波在某一区域高度聚集；在聚集区域粘贴少量阻尼材料就能实现高效的能量耗散，最终实现减振降噪的目的。

3、然而，进一步的研究表明，现有技术中基于声学黑洞原理的减振方式主要是通过对主结构的厚度进行裁剪来实现的，这不仅会增加主结构的加工和安装流程的复杂性，还会削弱主结构的强度和刚度，从而降低工程结构的性能。

4、例如，早期专利cn202310033811.0公开了一种含附加式声学黑洞的方向舵，其中通过设置声学黑洞结构，能够在一定程度上降低方向舵的颤振幅值，提升方向舵的颤振马赫数、颤振临界速度和颤振动压，但该结构为二维声学黑洞结构，且主要安装布置在方向舵表面，这样会改变原有结构的气动流场，极易破坏其气动布局。又如，早期专利cn202211047857.x公开了一种基于声学黑洞效应的多层复合高效减振板结构，其利用声学黑洞汇聚弯曲波的机理和粘贴阻尼层的能量耗散作用来实现减振。然而，该方案同样会在结构表面加工出多个声学黑洞结构，这样会破坏原有结构的强度和刚度。

5、相应地，本领域亟需对此作出进一步的改进或改善，以便更好地符合现代结构减振与自动化测试的更高需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或需求，本发明的目的在于提供一种基于声学黑洞原理的机械臂减振装置及其方法，其中通过对整体构造组成及设置方式重新进行设计，并针对一些关键功能模块如声学黑洞子结构的具体形式及工作机理等方面作出改进，相应能够在不影响其它部件安装布置、不破坏原有结构完整性、增加重量较少的情况下，有效解决机械臂运动过程中探针测试头的游离、偏移等问题，因而尤其适用于各类复杂工况下的半导体测试运用场合。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于声学黑洞原理的机械臂减振装置，其特征在于，该装置包括机械臂(1)、测试头夹具(2)、探针测试头(3)、声学黑洞子结构(4)和阻尼层(5)，其中：

3、所述机械臂(1)呈立体柱状结构，其内部挖空用于排布线缆；

4、所述测试头夹具(2)设置在所述机械臂(1)的末端，所述探针测试头(3)安装在所述测试头夹具(2)上，并垂直于待测物体的表面以执行测试；

5、所述声学黑洞子结构(4)安装在所述机械臂(1)的内壁，它采用一维设计也即它的结构厚度沿着某一固定方向变化；此外，所述声学黑洞子结构(4)的下表面为平面，上表面为满足如下函数关系式的曲面：

6、

7、其中，h表示该声学黑洞子结构的结构厚度，h0表示该声学黑洞子结构的最薄位置处所对应的厚度；x表示沿着所述固定方向上的不同位置，并且该声学黑洞子结构的最薄位置处被设定作为原点；x0为预设的第一位置，并且从原点位置到x0位置，所述结构厚度逐渐增加；x1为预设的第二位置，且从x0位置到x1位置，所述结构厚度达到最大值h1并保持不变；ε表示上述函数关系式的曲线斜率，m则标识上述函数关系式的幂指数且满足m≥2；

8、所述阻尼层(5)粘贴于所述声学黑洞子结构(4)上，并用于吸收整个装置的振动能量。

9、进一步优选地，对于所述机械臂而言，它优选为长方体柱体结构，并且其剖面优选设计为对半切分。

10、进一步优选地，所述机械臂(1)优选采用钢材料制成，所述测试头夹具(2)优选采用铝合金材质制成，所述探针测试头(3)优选采用航空铝合金制成。

11、进一步优选地，对于所述声学黑洞子结构(4)而言，它优选通过凸台与所述机械臂(1)的内壁接触安装，同时其他部位不与所述机械臂(1)产生接触。

12、进一步优选地，对于所述声学黑洞子结构(4)而言，它优选布置在所述机械臂(1)的阵型最大位置处。

13、进一步优选地，对于所述声学黑洞子结构(4)而言，它的关键规格参数优选设计如下：所述最薄位置处所对应的厚度也即h0小于0.5mm,结构厚度最大值也即h1不超过10mm。

14、进一步优选地，对于所述声学黑洞子结构(4)而言，其数量优选为多个，并且它们的运动方向均与所述机械臂(1)的振动方向保持一致。

15、进一步优选地，对于所述阻尼层(5)而言，它优选粘贴于所述声学黑洞子结构(4)的结构厚度相对较薄的区域。

16、进一步优选地，所述声学黑洞子结构(4)优选采用轻质铝制成，所述阻尼层(5)优选采用丁基橡胶制成。

17、进一步优选地，上述机械臂减振装置优选用于以下对象的测试：金属厚度测量和均匀性分析、离子掺杂/注入浓度测量分析以及薄膜厚度和电阻率分布分析。

18、按照本发明的另一方面，还提供了相应的机械臂减振方法。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：

20、(1)本发明充分结合机械臂减振设备在各类复杂工况下的测试功能进行考虑，通过对整体构造组成及设置方式重新进行设计，特别是采用在机械臂内壁安装经过特殊设计的声学黑洞子结构，相应能够在不影响其它部件安装布置、不破坏原有结构完整性、增加重量较少的情况下，有效解决机械臂运动过程中探针测试头的游离、偏移问题；

21、(2)本发明还对多个关键组件如声学黑洞子结构、机械臂的关键规格参数进一步作出了优化设计，较多的实际测试表明，在机械臂减速停止过程中，机械臂和探针测试头的弯曲波能量会被更好地聚集声学黑洞子结构上，同时可利用粘贴在声学黑洞子结构厚度较薄区域的阻尼层对聚集的弯曲波振动能量进行高效的吸收耗散；

22、(3)本发明的机械臂减振装置整体结构紧凑、可靠性高、便于操控，能够适应各类复杂工作环境，因而尤其适用于金属厚度测量和均匀性分析、离子掺杂/注入浓度测量分析以及薄膜厚度和电阻率分布分析之类的运用场合。

技术特征：

1.一种基于声学黑洞原理的机械臂减振装置，其特征在于，该装置包括机械臂(1)、测试头夹具(2)、探针测试头(3)、声学黑洞子结构(4)和阻尼层(5)，其中：

2.如权利要求1所述的机械臂减振装置，其特征在于，对于所述机械臂而言，它优选为长方体柱体结构，并且其剖面优选设计为对半切分。

3.如权利要求1或2所述的机械臂减振装置，其特征在于，所述机械臂(1)优选采用钢材料制成，所述测试头夹具(2)优选采用铝合金材质制成，所述探针测试头(3)优选采用航空铝合金制成。

4.如权利要求1-3任意一项所述的机械臂减振装置，其特征在于，对于所述声学黑洞子结构(4)而言，它优选通过凸台与所述机械臂(1)的内壁接触安装，同时其他部位不与所述机械臂(1)产生接触。

5.如权利要求1-4任意一项所述的机械臂减振装置，其特征在于，对于所述声学黑洞子结构(4)而言，它优选布置在所述机械臂(1)的阵型最大位置处。

6.如权利要求1-5任意一项所述的机械臂减振装置，其特征在于，对于所述声学黑洞子结构(4)而言，它的关键规格参数优选设计如下：所述最薄位置处所对应的厚度也即h0小于0.5mm,结构厚度最大值也即h1不超过10mm。

7.如权利要求1-6任意一项所述的机械臂减振装置，其特征在于，对于所述声学黑洞子结构(4)而言，其数量优选为多个，并且它们的运动方向均与所述机械臂(1)的振动方向保持一致。

8.如权利要求1-7任意一项所述的机械臂减振装置，其特征在于，对于所述阻尼层(5)而言，它优选粘贴于所述声学黑洞子结构(4)的结构厚度相对较薄的区域。

9.如权利要求1-8任意一项所述的机械臂减振装置，其特征在于，所述声学黑洞子结构(4)优选采用轻质铝制成，所述阻尼层(5)优选采用丁基橡胶制成。

10.一种机械臂减振方法，其特征在于，其采用如权利要求1-8任意一项所述的装置来执行。

技术总结
本发明属于结构减振与自动化测试相关技术领域，并公开了一种基于声学黑洞原理的机械臂减振装置，该装置包括立体柱状的机械臂，设置在机械臂末端的测试头夹具，安装在测试头夹具上的探针测试头，安装在机械臂内壁上的声学黑洞子结构，以及粘附于声学黑洞子结构上的阻尼层；其中对于关键组件的声学黑洞子结构而言，它采用一维设计并且该声学黑洞子结构的下表面为平面，上表面为满足特定函数关系式的曲面。本发明还公开了相应的机械臂减振方法。通过本发明，能够在不影响其余部件安装布置、不破坏原有主结构的强度和刚度、结构重量增加较少的情况下，有效解决现有技术中机械臂振动带来的探针游离、偏移等问题。

技术研发人员：郑锋,房斌,顾翼
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇九研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15