CN101080866A - 用于移动物体的静电装置 - Google Patents

Abstract

通过设置电极(31、31a、31b)使得产生在将被移动的物体(2)的表面区域等效的区域上方延伸的电场，来提供一种具有高力和高加速度的静电移动装置(1)。优选地，与中间区域中的电极(31b)相比，施加到边缘区域中的电极(31a)的电压较高，以进一步增加引起实际移动的剪切力。

Description

用于移动物体的静电装置

本发明涉及一种用于移动物体的静电装置，其具有多个电极。由于半导体装置制造或计算机部件制造中的静电力，这种装置例如可以用于移动半导体和非铁磁性金属。

本发明还涉及一种用于控制这种静电装置的方法。

尤其是在半导体和计算机制造领域中，重要的是以无摩擦和无接触的方式传输部件以减少由于颗粒产生的产品表面的污染。铁磁材料的部件能够用磁力升起，但是大部分部件都是半导体或者是非铁磁性材料。

在J.Jin等人的“Direct Electrostatic Levitation and Propulsion”，IEEE Transactions on Industrial Electronics，Vol.44，No.2，April 1997，pp.234-239中，在此通过引用将该文献并入在本文中以结合本发明进行理解，公开了一种可以通过静电力直接升起并驱动物体的新机制。这尤其适用于导电、但非铁磁性的材料，例如硅或铝。在J.Jin等人的文章中，借助于与移动方向垂直设置的带状电极在一个方向上移动铝盘或硅晶片。通过将电压施加到与该盘交迭的电极上，在该盘的边缘处产生剪切力，导致盘的移动。可以单独控制电极，尤其是单独施加电压。

可以认为盘和电极是作为静电电动机而协同操作，其中盘是动子而电极是定子。不幸的是，与常规的电动机相比，其具有相对低的力，这意味着较低的加速度。但是半导体工业中的大部分应用都需要高速度。

因此需要一种使力增加以满足半导体工业要求的静电移动装置。

因此，本发明致力于提供这种静电移动装置。

根据本发明，提供一种用于移动物体的静电装置，其具有多个电极，其中设置电极使得产生在与将被移动的物体的表面区域等效的区域上方延伸的电场。

本发明基于这样一种思想：增加作用在将被移动的物体和静电移动装置的电极之间的力的一种可能性是，增加存储在系统目标电极中的能量。该能量W_el在第一近似中等于

$W_{\mathrm{el}}=\frac{1}{2}\·C\·U^2$

U是施加到电极的电压，而C是系统目标电极的电容。对于相等的电压U，可通过增加电容C来增加能量W_el。一种不依赖于电极材料或者尤其是将被移动的物体的材料增加电容C的方式是，改变系统目标电极的几何形状。电容C的增加可以通过使被施加电压的电极区域与将被移动的物体的表面区域之间的差最小化来实现。

而且，作用在一个方向上的力是该方向上的能量的导数(derivative)，还可以通过提供较大的电容变化来增加力。通过使产生电场的区域与将被移动的物体的表面区域相适应，在将被移动的物体的边缘区域中提供较大的电容变化。在此认为移动不仅是在将被移动的物体的平面内的运动，而且是垂直于将被移动的物体的运动。

在静电移动装置中，电极的带状导致被施加电压的电极的区域基本为矩形，而最普通的将被移动的物体(晶片)为盘状，由此具有圆形的表面区域。

本发明基于这样的方法：通过优化将被移动物体的表面区域的形状和通过将电压施加到静电移动装置的一些电极而产生电场的区域的形状之间的匹配来优化使用静电移动装置的静电电动机的力。

优选地，被施加电压的电极的形状和/或结构与将被移动的物体的轮廓相适应。以这种方式，移动装置容易适应在线性或平面结构中的应用且适用于具有很多不同形状的物体。

在本发明的一些优选实施例中，通过使电极具有弧形形状来优化装置，以移动圆形物体。这种实施例对于线性移动尤其有利。已经证实另外使用与弧形电极相邻设置且平行于移动方向的辅助电极以增加控制移动运动的能力是有利的。

在本发明的另一些优选实施例中，电极具有形状优选为正方形、六边形或三角形的单元，以最佳地使用电极平面中的区域。这种实施例对于平面结构和对于仅通过改变被施加电压的电极的结构来移动各种形状的物体尤其有利。

已经进一步证实，以下情况是有利的：不将具有相同或不同极性的幅度相同的电压无差别地施加到所有电极，而是施加电压，以使得施加到位于与将被移动的物体的表面区域等效的区域边缘处的电极的电压与施加到位于与将被移动的物体的表面区域等效的区域中间处的电极的电压不同。这允许选择电压以在将被移动的物体的大部分表面上产生升力并允许优化边缘处的电压以优化引起实际移动的剪切力。换句话说，该方法降低了对将被移动的物体的平面中和垂直于将被移动的物体的三个方向X、Y、Z上的控制，以及对将被移动的物体的平面内的绕轴旋转的控制。

在另一方面，提供一种根据本发明的控制静电装置的方法，其中施加到位于将被移动的物体的边缘处的电极的电压幅度与位于将被移动的物体的中心附近的电极的电压幅度不同。如上所述，对于不同电极选择不同幅度的电压使得能够在三个线性方向上对将被移动的物体进行控制并且对将被移动的物体的平面内的旋转轴进行控制，即对剪切力和升力进行控制。

以下对本发明进行详细说明。借助于参考附图研究的非限制性实例来进行所述说明，在附图中：

图1a示意性示出根据现有技术的静电移动装置；

图1b-d示意性示出静电移动装置的基本原理；

图2a示意性示出本发明第一实施例的顶视图；

图2b示意性示出沿着线Q1-Q1的图2a实施例的剖面；

图3a示意性示出本发明第二实施例的顶视图；

图3b示意性示出第二实施例的放大顶视图；

图3c示意性示出沿着线Q2-Q2的图3b实施例的剖面；

图4示意性示出本发明的第三实施例；以及

图5示意性示出本发明的第四实施例。

图1示意性示出根据现有技术的具有带状电极3、3a、3b的静电移动装置1的顶视图。以虚线示出将被移动的铝硬盘2’的轮廓。向与铝盘2’交迭的十二个电极3a、3b(具有粗体边界线)施加电压。可以单独控制每个电极3、3a、3b，尤其是施加的电压与相邻电极无关。

为了保持铝盘2’的整体电势，用正电压激励一些电极3a，且用幅度相同但是为负的电压激励其他电极3b(具有短线的区域)。

为了避免铝盘2’倾斜，有四个电压要么为正要么为负的区域，它们分布在整个区域上以相互补偿。当然，可以有多于四个的区域部分。要点是使所述区域均匀分布在整个区域上。

制造静电移动装置1的一种可能性是例如在玻璃环氧树脂印刷电路板上例如沉积铜电极结构。尤其当一个电极3a为正而另一个电极3b为负时，在两个电极之间应该总是存在小的间隙以避免干扰。在图1a中省略了诸如控制单元和电源的电子元件，以如此强调静电移动装置1的基本原理，且所述电子元件对于本领域技术人员而言是公知的。

图1b至1d示出沿着线A-A的图1的剖面图，以示出静电移动装置1是如何工作的。

图1b示出与盘2’交迭的电极3a、3b被施加电压导致盘2’升起的状态。在下一个步骤中，切换每一个电极3、3a、3b以使被施加电压的该组电极3a、3b在预定移动方向(箭头M)上相对于盘2’移动。这导致从最外侧电极3a、3b作用在盘2’的边缘上的剪切力。盘2’通过在箭头M的方向上移动一个电极宽度以再次处于仅升力起作用的状态而对这些剪切力起反应，如图1d中所示。

返回到图1a，由于超过21％的电极区域不直接与盘2’交迭，因此可以清楚地看见被施加电压且引起电场的电极3a、3b的区域和盘2’的表面区域之间的失配。

图2a示意性示出本发明第一实施例的顶视图，其尤其适合于盘状物体例如晶片2的线性移动。电极30具有弧形形状，将根据实际应用而选择弧形开口角度的宽度。弧形电极30的取向使得在预定移动方向(参见平行于线Q2Q2的箭头)上存在电极30的形状和晶片2的轮廓之间的最佳匹配。由于沿着边缘的剪切力对于晶片2的实际移动最重要，因此已经优化了电容尤其是沿着移动方向的电容变化，以增加作用在晶片2上的力且由此增加作用于其上的加速度。

类似地，对于具有圆形以外的另一种形状的将被移动的物体，电极的形状可以根据在移动方向上与物体轮廓的匹配来选择。

图2a所示的静电移动装置1的实施例可以利用如现有技术水平上的所施加电压的极性不同的四个或更多个区域来工作。另一种可能性是向所有弧形电极30施加相同极性的电压并使用辅助电极39用于增强对移动运动的控制。将辅助电极39设置成与弧形电极30相邻，且平行于预定移动的方向。可以使用两个长电极或几个设置成直线的电极作为辅助电极39。

被施加电压的弧形电极30a和辅助电极39的效果在图2b中示出，其为沿着图2a的线Q1-Q1的剖面。辅助电极改善了升起的效果并确保晶片2在垂直于移动方向的方向上不在晶片平面中移动。

图3a示出本发明的另一实施例，具有形状为正方形的电极单元31的电极静电移动装置1。这种静电移动装置1不仅可以用于线性移动，而且可以用于二维平面内的移动。由于使用了电极单元31，因此一个移动装置1可以用于不同形状的物体。仅必须根据将被移动的物体的实际形状来使被施加电压的电极单元31的结构相适应。电极单元31越小，可能的移动和被移动的物体的种类就越宽。当然，在实际应用中，存在一种对于以下两个方面的折衷：一方面是可能的移动和物体的种类，而另一方面是电子元件的复杂性和成本。

这种实施例在图3b中放大示出。将被移动的晶片2通过虚线示出。与没有被施加电压的电极单元31相比，用粗体边界线示出被施加电压的电极单元31a、31b(例如，在公知的四个区域的方式中，通过线Q1-Q1和Q2-Q2来限定边界，或者多于四个区域)。此外，与在根据现有技术的静电移动装置中相比，在产生电场的区域和晶片2的表面区域之间、尤其是在边缘区域中存在更好的匹配。

图3b和3c所示的实例具有附加的具体特征，将不同幅度的电压施加产生电场的区域的边缘区域中的电极单元31a和该区域的内部区域(点区域)中的电极单元31b。在所示的实例中，选择边缘区域中的电压使其较高，以便对于晶片2的实际移动引起特别强的剪切力，如在图3c中通过对于具有较高电压的电极单元31a使用多个箭头而示意性示出。施加到内部区域的电极单元31b的电压较低，但足以实现对晶片2的升起。

应该注意的是，根据实际应用，升起电压可以高于剪切力电压，并且可以将两个以上的不同幅度的电压施加到不同的区域。

图4和5也示出基于单元电极32、33的实施例。在图4中，电极单元32具有六边形，而在图5中，电极单元33具有三角形。图4的六边形实施例尤其适合于在六个每隔60°的方向上移动(见箭头)，而三角形实施例尤其适合于在三个每隔120°的方向上移动(见箭头)。电极单元31、32、33的形状还可以根据将被移动的物体的形状来选择。

尽管已经对本发明的几个优选实施例进行了说明，但是本领域技术人员应该意识到在不超出本发明的精神和思想的情况下可作出各种变化、改变和替换。因此，在所附权利要求书的适当范围内以其形式或修改中的任一种要求保护本发明。例如，可以进行以下附属权利要求的特征与独立权利要求的特征的各种组合，而不背离本发明的范围。此外，权利要求书中的任何参考数字都不被认为是限制范围。

参考标记列表

1 静电移动装置

2 晶片

2 硬盘

3 带状电极

3a 被施加正电压的带状电极

3b 被施加负电压的带状电极

30 弧形电极

30a 被施加电压的弧形电极

31 正方形电极单元

31a 被施加高电压的正方形电极单元

31b 被施加低电压的正方形电极

32 六边形电极单元

33 三角形电极单元

39 辅助电极单元

A-A 线

Q1-Q1 线

Q2-Q2 线

M 移动方向上的箭头

Claims (8)

1、一种用于移动物体(2)的静电装置(1)，具有多个电极(30、31、32、33)，其中设置所述电极(30、31、32、33)使得产生在与将被移动的物体(2)的表面区域等效的区域上方延伸的电场。

2、如权利要求1所述的装置，其中被施加电压的所述电极(30、31、32、33)的形状和/或结构与所述将被移动的物体(2)的轮廓相适应。

3、如权利要求1或2所述的装置，用于移动圆形物体(2)，其中所述电极(30、30a)具有弧形形状。

4、如权利要求3所述的装置，其中附加的辅助电极(39)被设置成与所述弧形电极(30、30a)相邻，并且与移动方向(M)平行。

5、如权利要求1或2所述的装置，其中所述电极(31、32、33)具有单元的形状。

6、如权利要求1、2或5所述的装置，其中所述电极(31、32、33)具有正方形、六边形或三角形的形状。

7、如权利要求1至6中任一项所述的装置，其中施加到位于与所述将被移动的物体(2)的表面区域等效的区域的边缘处的电极(31a)的电压的幅度与施加到位于与所述将被移动的物体(2)的表面区域等效的区域的中间处的电极(31b)的电压的幅度不同。

8、一种控制如权利要求1至7所述的静电装置的方法，其中使施加到位于所述将被移动的物体的边缘处的电极的电压的幅度与施加到位于所述将被移动的物体的中心附近的电极的电压的幅度不同。

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