CN112850444B - 一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘及其制备方法，涉及环状微楔形刚毛束吸盘技术领域，吸盘包括吸盘本体，吸盘本体的中部开设有负压腔，负压腔顶部与真空气路连接；负压腔的底部设置有变形层，吸盘本体的底部设置有环状微楔形刚毛束，变形层位于环状微楔形刚毛束的中部。制备方法包括选取模具材料；机械加工制备模具，在模具表面加工出环状微楔形结构；将液体硅胶材料浇注在模具上具有环状微楔形结构的区域，经真空脱气泡处理；将吸盘本体的底部覆盖于模具表面上，常温下待液体硅胶完全固化后，将吸盘本体从模具表面移除，或将环状微楔形刚毛束通过胶水粘贴于吸盘本体的底部。本发明实现环状微楔形刚毛束的平稳切向加载、卸载的过程。

Description

一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘及其制备方法
技术领域
本发明涉及环状微楔形刚毛束吸盘技术领域，特别是涉及一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘及其制备方法。
背景技术
随着精密微纳制造技术的不断发展，研究学者们相继提出了一系列仿壁虎刚毛制作工艺，并在实验室中制作了若干不同形状及性质的仿壁虎刚毛样品，其中微楔形刚毛束由于结构上呈异形结构，具有出众的可控性，能迅速切换黏附及脱附的状态，因此适合运用在黏附操作领域。
目前，仿生微楔形刚毛束的分布结构主要分为平行结构阵列式及环状结构阵列式，其中平行结构阵列式微楔形刚毛束的驱动方法包括：腱线驱动加载，即通过驱动加载腱提供切向驱动载荷使得平行结构阵列式微楔形刚毛束受力弯曲，增大接触面积，产生范德华力，从而完成对目标物的拾取。其中腱线方式为点接触加载，实际装配中难以保证腱线的张紧程度，极易导致腱线松弛从而产生黏附不充分，导致加载载荷分布不均，容易产生应力集中，最终导致黏附失效；导轨滑块式切向驱动，通过驱动在导轨上的滑块产生纯切向位移带动微楔形刚毛束受力弯曲，以实现加载过程，但难以保证对称分布的微楔形刚毛束在同一平面上的平面度，导致部分刚毛束加载失效。
因此，平行结构阵列式微楔形刚毛束的驱动方式稳定性差、难以提供可靠的加载、易产生黏附失效的不足。有望通过环状微楔形刚毛束在加载状态下所产生的黏附力具有抵抗扭矩作用解决现有平行结构阵列式驱动技术的不足。
因此，亟待开发一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘及其制备方法，以解决现有技术所存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘及其制备方法，以解决现有技术所存在的上述问题，以实现环状微楔形刚毛束的切向加载、卸载的过程，为临界接触操作提供关键的技术支持，以实现对平面类物体，如晶圆、柔性电路板、显示器等平面类物体的可靠拾取及释放操作。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，包括吸盘本体，所述吸盘本体的中部开设有轴向贯穿的负压腔，所述负压腔的顶部用于与真空气路连接；所述负压腔的底部设置有变形层，所述吸盘本体的底部设置有环状微楔形刚毛束，所述变形层位于所述环状微楔形刚毛束的中部。
优选的，所述吸盘本体为圆柱状，所述吸盘本体的底面为圆环面，所述负压腔为圆柱状腔体。
优选的，所述环状微楔形刚毛束包括多圈微楔形结构，多圈所述微楔形结构呈环状阵列分布，每圈的所述微楔形结构均设置有多个。
优选的，所述微楔形结构包括第一倾斜面和第二倾斜面，所述第一倾斜面的底部与所述第二倾斜面的底部连接，形成突出尖端；所述第一倾斜面与竖直面的夹角为50°-80°，所述第二倾斜面与竖直面的夹角为20°-60°，单个所述微楔形结构在竖直方向的高度为40-200μm。
优选的，相邻圈的所述微楔形结构之间形成有凹槽端，相邻圈的所述微楔形结构依次进行连接，或者相邻圈的所述微楔形结构之间设置有30-100μm的间隙。
优选的，所述变形层为半球状或圆弧状拱形结构。
优选的，所述吸盘本体以及所述环状微楔形刚毛束选用液体硅胶材料制成。
优选的，所述吸盘本体通过模具浇注成型或软胶3D打印技术成型；
所述环状微楔形刚毛束通过胶水与所述吸盘本体的底部粘贴成一体，或者通过在具有环状微楔形结构的模具上浇注液体硅胶，将所述环状微楔形刚毛束与所述吸盘本体的底部集成为一体。
本发明还公开一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘的制备方法，包括以下步骤：
S1：选取模具材料；
S2：采用机械加工制备模具，在模具表面加工出环状微楔形结构；
S3：将液体硅胶材料浇注在模具上具有环状微楔形结构的区域，进行真空脱气泡处理；
S4：将吸盘本体的底部覆盖于模具表面上，常温下待液体硅胶完全固化后，将吸盘本体从模具表面移除后，即可完成吸盘本体与环状微楔形刚毛束的一体集成；
或者常温下待液体硅胶完全固化后，形成环状微楔形刚毛束，将环状微楔形刚毛束通过胶水粘贴于吸盘本体的底部。
优选的，所述步骤S1中，模具材料采用石蜡、树脂或金属材料；
所述步骤S2中，机械加工采用的刀具为具有微楔形尖端的金刚石刀具。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
(1)本发明提供的一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，吸盘本体底面为一平面，与环状微楔形刚毛束集成一体时，保证了环状微楔形刚毛束的平面度，消除了传统平行结构阵列式楔形刚毛束分布在多个平面时所带来的平面度误差，增加了环状微楔形刚毛束与被黏附目标物的接触面积，从而增加了所产生的黏附力。
(2)本发明提供的一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，吸盘本体在负压状态下沿中心均匀收缩，从而为环状微楔形刚毛束提供的加载载荷沿圆心分布，从而消除了加载时存在的倾覆力矩，可提供稳定可靠的加载载荷。
(3)本发明提供的一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，吸盘本体采用整体式设计，并且可通过吸盘模具一次浇注成型，环状微楔形刚毛束与吸盘通过在具有环状微楔形特征的模具表面浇注液体硅胶即可集成一体，减少了中间连接及装配所带来的平面度误差。
(4)整个吸盘属于弹性体，与被黏附目标物接触时具有一定的自动找平功能，从而与被黏附目标物达到充分接触，提高了黏附的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘的结构示意图；
图2为本发明中负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘在加载状态下的原理图；
图3为吸盘本体底部与环状微楔形刚毛束的集成过程；
图中：1-负压腔、2-变形层、3-环状微楔形刚毛束、4-被黏附目标物、5-吸盘本体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-3所示，本实施例提供一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，包括吸盘本体5，吸盘本体5的中部开设有轴向贯穿的负压腔1，具体地，吸盘本体5为圆柱状，吸盘本体5的底面为平整圆环面，负压腔1为圆柱状腔体；负压腔1的顶部通过气动接头与真空气路连接，在负压状态下圆柱状的负压腔1可产生沿中心的均匀收缩变形，为环状微楔形刚毛束3提供均匀的向心加载载荷。负压腔1的底部设置有变形层2，吸盘本体5的底面设置有环状微楔形刚毛束3，变形层2位于负压腔1的底部、环状微楔形刚毛束3的中部，用于真空负压驱动时环状楔形刚毛束吸盘产生向心收缩变形；而且变形层2为半球状或圆弧状拱形结构，有助于吸盘侧壁在负压驱动下产生切向轴心收缩效应，从而实现对环状楔形刚毛束的平稳加载及卸载。
在本实施例中，环状微楔形刚毛束3包括多圈微楔形结构，多圈所述微楔形结构呈环状阵列分布，每圈的微楔形结构均设置有多个。具体地，微楔形结构包括第一倾斜面和第二倾斜面，第一倾斜面的底部与第二倾斜面的底部连接，形成突出尖端；第一倾斜面与竖直面的夹角为50°-80°，第二倾斜面与竖直面的夹角为20°-60°，单个微楔形结构在竖直方向的高度为40-200μm。
在本实施例中，相邻圈的微楔形结构之间形成有凹槽端，相邻圈的微楔形结构依次进行连接，突出尖端和凹槽端依次紧密交替排列，或者相邻圈的微楔形结构之间设置有微小间隙，微小间隙为30-100μm的间隙。
在本实施例中，吸盘本体5以及环状微楔形刚毛束3选用液体硅胶材料制成。
在本实施例中，吸盘本体5通过模具浇注成型或软胶3D打印技术成型；环状微楔形刚毛束3通过胶水与吸盘本体5的底部粘贴成一体，或者通过在具有环状微楔形结构的模具上浇注液体硅胶，将环状微楔形刚毛束3与吸盘本体5的底部集成为一体；本实施例中优选采用后者，将环状微楔形刚毛束3与吸盘本体5的底部集成为一体。
本实施例中还公开一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘的制备方法，包括以下步骤：
S1：选取模具材料，优选采用石蜡、树脂或金属等材料；
S2：采用机械加工制备具有微楔形结构的模具，在模具表面加工出环状阵列分布的微楔形结构阵列；
S3：将液体硅胶材料浇注在模具上具有环状微楔形结构的区域，经真空脱气泡处理后，将吸盘本体5的底部覆盖于模具表面上；
S4：常温下待液体硅胶完全固化后，将吸盘本体5从模具表面移除后，即可完成吸盘本体5与环状微楔形刚毛束3的一体集成；
或者环状微楔形刚毛束3通过胶水与吸盘本体5的底部粘贴成一体。
在本实施例中，步骤S2中，机械加工采用的刀具为具有微楔形尖端的金刚石刀具。
本实施例负压驱动环状楔形刚毛束吸盘工作时分为加载和卸载二个过程。环状微楔形刚毛束3的黏附机理为范德华力效应，当无切向载荷时，环状微楔形刚毛束3只有轻微的倾斜，仅尖端接触被黏附目标物4表面，在此种状态下，范德华力可以忽略不计，环状微楔形刚毛束3处于‘关闭’状态；当负压驱动吸盘本体5侧壁收缩变形为环状微楔形刚毛束3提供切向加载载荷时，环状微楔形刚毛束3受力弯曲，接触面积显著增大，此时产生法向黏附力，环状微楔形刚毛束3处于‘开启’状态。当负压腔1内的负压消失时，吸盘本体5恢复初始未变形状态，从而使得环状微楔形刚毛束3恢复其初始形状，仅尖端和被黏附目标物4接触，法向黏附力可忽略不计。负压驱动环状楔形刚毛束吸盘是圆柱腔体结构，具有通过真空负压使得吸盘本体5侧壁收缩变形为环状微楔形刚毛束3提供切向加载载荷的功能，其中切向加载载荷的大小与负压力的大小成正比关系。
如图1所示，当吸盘本体5接近被黏附目标物4的表面，此时环状楔形刚毛束3仅尖端与被黏附目标物4表面接触，此时无明显的范德华力，吸盘本体处于自然状态，环状楔形刚毛束3产生的黏附力很小，可忽略不计。
如图2所示，负压驱动环状楔形刚毛束吸盘加载时的运动过程如下：首先吸盘本体5与被黏附目标物4表面接近，环状微楔形刚毛束3与被黏附目标物4表面接触，随后开始加载，通过负压驱动吸盘本体5侧壁收缩变形，从而为吸盘本体5底部上的环状楔形刚毛束3提供切向加载载荷，使得环状微楔形刚毛束3受力弯曲，接触面积显著增大，从而产生足够大的黏附力，实现了加载过程。相对的，当负压消失时，吸盘本体5侧壁恢复初始未变形状态，环状微楔形刚毛束3的切向载荷消失，恢复为直立状态，此时环状楔形刚毛束3产生的范德华力消失，实现了卸载过程。
如图3所示，将液体硅胶与固化剂按固定的比例搅拌均匀后，真空脱气处理，均匀浇注在具有环状微楔形结构的模具上，将吸盘本体5底部置于模具表面，待液体硅胶完全固化，从模具中将环状楔形刚毛束3揭出，即可完成吸盘本体5与环状微楔形刚毛束3的一体集成。
本发明提供的负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，通过吸盘本体侧壁在负压驱动下的切向轴心收缩效应实现对环状微楔形刚毛束的平稳加载及卸载，可以弥补传统真空吸附无法实现对多孔物体拾取操作的需求，有效提升黏附力与扭矩干扰下稳定性不足的缺陷，在超薄晶圆、超薄玻璃、柔性电路板、可穿戴产品等光滑平面物体的稳定搬运操作领域具有广泛的应用前景。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，其特征在于：包括吸盘本体，所述吸盘本体的中部开设有轴向贯穿的负压腔，所述负压腔的顶部用于与真空气路连接；所述吸盘本体为圆柱状，所述吸盘本体的底面为平整圆环面，所述负压腔为圆柱状腔体；所述负压腔的底部设置有变形层，所述吸盘本体的底部设置有环状微楔形刚毛束，所述变形层位于所述环状微楔形刚毛束的中部，所述变形层为半球状或圆弧状拱形结构；
通过负压驱动所述吸盘本体的侧壁收缩变形，为所述环状微 楔形刚毛束提供切向加载载荷，使所述环状微楔形刚毛束受力弯曲，所述环状微楔形刚毛束与被黏附目标物的接触面积增大，产生黏附力；
所述负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘能够拾取平面类物体，所述平面类物体包括晶圆、柔性电路板以及显示器。
2.根据权利要求1所述的负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，其特征在于：所述环状微楔形刚毛束包括多圈微楔形结构，多圈所述微楔形结构呈环状阵列分布，每圈的所述微楔形结构均设置有多个。
3.根据权利要求2所述的负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，其特征在于：所述微楔形结构包括第一倾斜面和第二倾斜面，所述第一倾斜面的底部与所述第二倾斜面的底部连接，形成突出尖端；所述第一倾斜面与竖直面的夹角为50°-80°，所述第二倾斜面与竖直面的夹角为20°-60°，单个所述微楔形结构在竖直方向的高度为40-200μm。
4.根据权利要求3所述的负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，其特征在于：相邻圈的所述微楔形结构之间形成有凹槽端，相邻圈的所述微楔形结构依次进行连接，或者相邻圈的所述微楔形结构之间设置有30-100μm的间隙。
5.根据权利要求1所述的负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，其特征在于：所述吸盘本体以及所述环状微楔形刚毛束选用液体硅胶材料制成。
6.根据权利要求5所述的负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘，其特征在于：所述吸盘本体通过模具浇注成型或软胶3D打印技术成型；
所述环状微楔形刚毛束通过胶水与所述吸盘本体的底部粘贴成一体，或者通过在具有环状微楔形结构的模具上浇注液体硅胶，将所述环状微楔形刚毛束与所述吸盘本体的底部集成为一体。
7.一种如权利要求1所述的负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选取模具材料；
S2：采用机械加工制备模具，在模具表面加工出环状微楔形结构；
S3：将液体硅胶材料浇注在模具上具有环状微楔形结构的区域，进行真空脱气泡处理；
S4：将吸盘本体的底部覆盖于模具表面上，常温下待液体硅胶完全固化后，将吸盘本体从模具表面移除后，即可完成吸盘本体与环状微楔形刚毛束的一体集成；
或者常温下待液体硅胶完全固化后，形成环状微楔形刚毛束，将环状微楔形刚毛束通过胶水粘贴于吸盘本体的底部。
8.根据权利要求7所述的负压驱动环状微楔形刚毛束吸盘的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，模具材料采用石蜡、树脂或金属材料；
所述步骤S2中，机械加工采用的刀具为具有微楔形尖端的金刚石刀具。
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