CN112936316B

CN112936316B - 一种静电吸附电极和静电吸附装置

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Publication number: CN112936316B
Application number: CN202110118646.XA
Authority: CN
Inventors: 王宏强; 朱人杰; 毛建军; 魏岱岳
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2041-01-28
Also published as: CN112936316A

Abstract

本发明公开了一种静电吸附电极和静电吸附装置，该静电吸附电极包括第一基底层、第一导电层和绝缘层，第一导电层设于第一基底层上，第一导电层的厚度≤7μm；绝缘层设于第一导电层上背离第一基底层的一侧表面，绝缘层的厚度≤7μm。本发明静电吸附电极通过控制第一导电层和绝缘层的厚度，使得电极发生电击穿后具备自清理能力，使其被击穿后仍能正常工作，延长使用寿命。

Description

一种静电吸附电极和静电吸附装置

技术领域

本发明涉及静电吸附技术领域，尤其是涉及一种静电吸附电极和静电吸附装置。

背景技术

静电吸附是指当两种接触材料之间存在电势差时会产生静电吸引，由于静电吸附具有能耗少、对吸附物无损坏和吸附材料广泛等优点，目前已被广泛应用于抓取器、爬墙机器人、外骨骼机器人等方向。

静电吸附系统主要由四部分构成：导电层和绝缘层、高压电源、控制单元和基底材料，所产生吸附力的大小与绝缘层介电常数、绝缘层厚度、加载电压和吸附面积密切相关。为获得较高的吸附力，加载在静电电极两端的电压通常较高，且绝缘层薄膜通常不可避免地存在外来颗粒、厚度不均、粗糙度轮廓和针孔等缺陷，会造成介电强度低于理论值，在外加电场强度较高的条件下电极更容易被击穿，进而导致电极短路，设备发生故障，不但缩短产品寿命，还容易危及人身安全。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种静电吸附电极和静电吸附装置。

本发明的第一方面，提供一种静电吸附电极，包括：

第一基底层；

第一导电层，所述第一导电层设于所述第一基底层上，所述第一导电层的厚度≤7μm；

绝缘层，所述绝缘层设于所述第一导电层上背离所述第一基底层的一侧表面，所述绝缘层的厚度≤7μm。

根据本发明实施例的静电吸附电极，至少具有如下有益效果：该静电吸附电极通过控制第一导电层和绝缘层的厚度，使得电极发生电击穿后具备自清理能力，使其被击穿后仍能正常工作，延长使用寿命。

根据本发明的一些实施例，所述绝缘层的表面粗糙度≤0.5μm。

根据本发明的一些实施例，所述绝缘层选自LuxPrint薄膜、聚酰亚胺薄膜(PI薄膜)、聚对二氯甲苯薄膜(Parylene C薄膜)、双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP薄膜)中的至少一种。其中，LuxPrint为杜邦公司生产的一种电子浆料，内含高介电常数的钛酸钡，在静电吸附电极制备时，可使用流延法将LuxPrint浆料涂布在第一导电层上，而后固化形成绝缘层。

根据本发明的一些实施例，所述绝缘层的厚度为2.5～7μm，优选为2.5μm。

根据本发明的一些实施例，所述第一导电层的材质为金属。

根据本发明的一些实施例，所述第一导电层的材质为铝、铜箔中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述第一基底层选自亚克力板。

本发明的第二方面，提供一种静电吸附装置，包括本发明第一方面所提供的任一种静电吸附电极。

根据本发明的一些实施例，所述静电吸附装置为电容型静电吸附装置。

根据本发明的一些实施例，所述静电吸附装置还包括：

第二电极，所述第二电极包括第二基底层和设于所述第二基底层上的第二导电层；所述第二导电层与所述绝缘层相对设置；

电源，所述电源分别与所述第一导电层和所述第二导电层电性连接。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明静电吸附电极一实施例的结构示意图；

图2为本发明静电吸附装置一实施例的结构示意图；

图3为静电吸附装置11#中静电吸附电极11发生电击穿并自清理后的表面形貌图；

图4为静电吸附装置13#中静电吸附电极13发生电击穿并自清理后同一缺陷处不同视角下的上下表面形貌图；

图5为静电吸附装置14#中静电吸附电极14发生电击穿并自清理后的表面形貌图；

图6为静电吸附装置21#～装置23#所对应静电吸附电极的首次击穿电压和短路电压检测结果对比图；

图7为静电吸附装置21#～装置23#所对应静电吸附电极发生电击穿并自清理后在电极表面形成的孔洞数目对比图；

图8为不同绝缘层厚度的静电吸附电极21～电极23发生电击穿和自清理后第一导电层上清理区域的直径对比图；

图9为不同绝缘层厚度的静电吸附电极21～电极23发生电击穿和自清理后第一导电层距离绝缘层通道的偏离系数对比图；

图10为不同绝缘层厚度的静电吸附电极21～电极23发生电击穿和自清理前后的侧向拉力对比图；

图11为静电吸附装置31#发生电击穿并自清理后电极上自清理成功和失败的清理点处形貌图。

附图标记：10-静电吸附电极，20-第一基底层，30-第一导电层，40-绝缘层，50-第二电极，51-第二基底层，52-第二导电层，60-电源。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1为本发明静电吸附电极一实施例的结构示意图，如图1所示，该静电吸附电极10包括第一基底层20、第一导电层30和绝缘层40；第一导电层30设于第一基底层20上，第一导电层的厚度≤7μm；绝缘层40设于第一导电层30上背离第一基底层20的一侧表面，绝缘层40的厚度≤7μm。

在本实施例中，第一基底层20为亚克力板，在其他实施例中，第一基底层20也可采用其他材质的层体。第一导电层30的材质一般为金属，具体可为铝、铜箔中的至少一种；在本实施例中，第一导电层30为铜箔，其厚度为7μm。

由于绝缘层40的表面越粗糙，越容易发生电击穿，越难以达到理论介电强度，而对于较薄的绝缘层40，其受表面粗糙度的影响大，更难以达到理论介电强度，因此，根据研究一般控制绝缘层40的表面粗糙度≤0.5μm。绝缘层40可具体选用LuxPrint薄膜、聚酰亚胺薄膜(PI薄膜)、聚对二氯甲苯薄膜(Parylene C薄膜)、双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP薄膜)中的至少一种；例如，可采用DuPont市售的钛酸钡膏糊

型7153E高K介质绝缘层。LuxPrint薄膜采用流延法涂布于第一导电层30上，然后加热固化；聚酰亚胺薄膜采用热压工艺热压在第一导电层30上；聚对二氯甲苯薄膜采用化学气相沉积技术将绝缘层沉积在第一导电层30上；双向拉伸聚丙烯薄膜为购买的成品薄膜。在本实施例中，绝缘层40为Parylene C薄膜，其厚度为5μm，其表面粗糙度为0.801μm。

以上静电吸附电极10进一步可应用于制备静电吸附装置，具体请参阅图2，图2为本发明静电吸附装置一实施例的结构示意图，如图2所示，该静电吸附装置包括图1所示的静电吸附电极10，此外，还包括第二电极50和电源60。

在本实施例中，静电吸附装置为电容型静电吸附装置，其结构与电容的结构类似，具体地，第二电极50包括第二基底层51和设于第二基底层51上的第二导电层52，第二电极50和静电吸附电极10相对设置，具体地，第二电极50上的第二导电层52和静电吸附电极10上的绝缘层40相对设置。电源60分别与第一导电层30和第二导电层52电性连接。

另外，在本实施例中，在第二电极50中的第二基底层51也为亚克力板，当然，在其他实施例中，第二基底层51也可为其他材质层体。第二导电层52与第一导电层30相同，而在其他实施例中，第二导电层52也可设计为与第一导电层30不同，包括设计为其他厚度或采用其他材质。

以上静电吸附电极和静电吸附装置通过控制第一导电层30和绝缘层40的厚度，使得电极发生电击穿后具备自清理能力，使其被击穿后仍能正常工作，可延长其使用寿命。

发明人在研究过程中对第一导电层和绝缘层的材质和厚度对电极自清理能力的影响进行了试验研究，具体如表1所示，制备了具有不同材质和厚度的第一导电层和绝缘层的静电吸附电极(结构类似于图1所示结构)，第一基底层采用亚克力板，进而加工成类似图2所示结构的静电吸附装置，其中，第二电极上的第二导电层具体设计为与第一导电层相同。

表1

按照以上方法制得静电吸附装置后，再对其中静电吸附电极发生电击穿及自清理时的电压电流变化、表面形貌和其他各项参数进行测定，具体如下：

首先，搭建拉力测试平台，包括：将静电吸附装置的正电极(即静电吸附电极)固定在拉力测试平台(ZHIQU-990B)的固定端；负电极(第二电极)与Futek力传感器连接，固定在拉力测试平台移动端；力传感器连接DAQ，在电脑端Labview软件上转换为数据显示；加载电压后，将正电极带有绝缘层的一面与负电极裸露的导电层对齐并贴合；启动拉力机进行拉力测试，移动端(负极)按恒定速率向上拉动，固定端(正极)保持不动。

击穿电压和短路电压的具体测试方法包括：测试时，通过电脑端Labview控制DAQ输出信号，经Trek高压放大器输出电压，采用示波器的电压下降沿触发模式，监测电压击穿现象，示波器可以完整记录清理过程中电压与电流的变化。进行电击穿实验时，调整电压输出信号，每10s增加10V，直到电极永久短路。

采用扫描电子显微镜(SEM)观察静电吸附装置11#中静电吸附电极11发生首次电击穿并进行自清理后的表面形貌，所得结果图3所示。其中，击穿主要发生在静电吸附装置吸附后很短的一段时间内，当吸附一段时间后，绝缘层的薄弱点几乎全部清理完成，此时不再发生击穿或很少发生击穿，可以认为在该电压下的自清理已完成。由检测结果可知，静电吸附电极11达到绝缘层的击穿电压时，电极能成功发生自清理，且静电吸附电极11上第一导电层清理的面积远大于绝缘层形成的孔洞，且第一导电层上孔洞的边缘较为平整。另外，采用类似的方法对静电吸附装置12#中静电吸附电极12发生首次电击穿并自清理后的表面形貌进行观察，其清理后表现出与以上静电吸附装置11#中静电吸附电极11相同的特征。

采用扫描电子显微镜(SEM)在不同视角下对静电吸附装置13#中静电吸附电极13发生首次电击穿并自清理后同一缺陷处的上下表面形貌进行观察，所得结果如图4所示。图4中(a)、(b)、(c)和(d)分别是在不同视角下，同一缺陷处的上下表面形貌图，具体视角参照图中左下角所指示，并且，图4中左侧表示SEM形貌图，右侧表示等高图。由检测结果可知，静电吸附电极13发生电击穿后能够成功地清理多处缺陷，在缺陷处也形成了一个孔洞，绝缘层形成的通道直径与图3所示静电吸附电极11上的击穿通道大致相同，但第一导电层清理的面积明显小于图3静电吸附电极11上第一导电层的清理面积；第一导电层清理的直径和绝缘层上所形成通道的直径相差不大，第一导电层孔洞的边缘不再平整，呈拱起的形状；绝缘层压缩，绝缘层上击穿通道附近出现裂纹，绝缘层孔洞周边几乎没有残留黑色物质，有机材料在击穿时的高温环境中产生的导电石墨在形成的孔洞处升华或被排挤出去。

采用扫描电子显微镜(SEM)对静电吸附装置14#中静电吸附电极14发生首次电击穿并自清理后的表面形貌进行观察，所得结果图5所示，图5中左侧为SEM形貌图，右侧为等高图。由检测结果可知，当第一导电层厚度增加至15μm时，静电吸附电极14发生电击穿后几乎不会出现缺陷清理成功现象，第一导电层厚度的增加导致电弧不能在第一导电层的表面形成孔洞，造成大量石墨残留在电极之间，从而发生短路，大面积的纳米铜反应后生成氧化铜。

由上可知，第一导电层的厚度越大，自清理成功的难度大。这是因为第一导电层的导热率较高，受热影响区域较大，当其厚度非常薄时，高温能升华大部分的第一导电层，从而顺利排出绝缘层产生的导电石墨；第一导电层的厚度越大，导电石墨不易排出，更容易发生短路。进而可知，太厚的第一导电层不仅降低了静电吸附电极的柔性，更不利于电极的自清理，根据实验研究，选择厚度≤7μm的第一导电层更利于静电吸附电极的自清理。

采用以上击穿电压和短路电压的测试方法对静电吸附装置21#～装置23#对应的静电吸附电极的首次击穿电压和短路电压进行检测，所得结果如图6所示。由测试结果可知，静电吸附电极的击穿电压与绝缘层厚度成正比。除了首次击穿的电压有差异外，清理后绝缘层介电强度的提升也有所不同。在不同绝缘层厚度下，导致最终短路的电压要比首次发生击穿的电压平均提升105％。尤其当绝缘层厚度为2.5μm时，介电强度提升的效果最明显，达到原电压的260％。

另外，对以上静电吸附装置21#～装置23#对应的静电吸附电极发生首次电击穿并自清理缺陷后的表面进行观察，发现电极清理缺陷后，电极表面会形成孔洞，绝缘层厚度不同，形成孔洞的数量有很大差异。经统计，以上静电吸附装置21#～装置23#对应的静电吸附电极发生首次电击穿并自清理后在电极表面形成的孔洞数目如图7所示。由图7可知，静电吸附装置21#的静电吸附电极21(绝缘层厚度为2.5μm)随着电压的升高，电极上产生孔数的数目急剧增加，产生孔洞的速度远比其他两个绝缘层较厚的静电吸附电极快得多；随着绝缘层厚度的增加，清理点的数目急剧减少，当绝缘层厚度为7μm时，仅有10个左右的击穿点。

此外，以上不同绝缘层厚度的静电吸附电极21～电极23发生首次电击穿和自清理后第一导电层上清理区域的直径进行观察对比，所得结果如图8所示。同时，对发生首次电击穿和自清理后第一导电层和绝缘层上产生的孔洞直径进行检测，进而通过以下公式计算出第一导电层与绝缘层孔洞的偏离系数：n＝(d₁-d₂)/d₂，其中，n为偏离系数，d₁为第一导电层产生的孔洞直径，d₂为绝缘层产生的孔洞直径，所得结果图9所示。由检测结果可知，绝缘层越厚，击穿时形成的第一导电层孔洞越大，且清理后第一导电层距离绝缘层孔洞的距离越远，有效减少再次破坏。

另外，对以上不同绝缘层厚度的静电吸附电极21～电极23发生首次电击穿和自清理前后侧向拉力进行检测对比，所得结果如图10所示。由检测结果可知，绝缘层厚度为2.5μm的静电吸附电极21在发生电击穿并自清理后电极的侧向力降低了大约20％，这是因为电极表面上平均每平方厘米形成了40个清理点，明显减小了电极的有效重合面积。电极上绝缘层厚度增大时，虽然第一导电层被清理的孔径较大，但由于击穿点的数目较少，因此静电吸附电极的侧向力几乎没有影响。

由上可知，绝缘层厚度分别为2.5μm、5μm和7μm的静电吸附电极21～电极23均能成功发生自清理。绝缘层厚度越小，越容易清理成功。对静电吸附电极进行预清理后，能大幅提升介电强度，其中，绝缘层厚度为2.5μm的静电吸附电极21经电击穿自清理后，介电强度提升幅度最大，这是因为薄的绝缘层被电击穿后产生的石墨较少，容易排出孔洞，而越厚的绝缘层越容易滞留部分导电石墨，这部分导电石墨又会重新成为一类缺陷，在较低电压下形成击穿，从而到导致首次击穿后，较厚的绝缘层的介电强度提升较少，而绝缘层较薄的电极上，一旦某个击穿孔形成，基本该处被击穿的可能性大大降低。

分别对静电吸附装置31#～装置34#上的静电吸附电极表面的粗糙度进行测量，所得结果如表2所示。采用扫描电子显微镜分别对静电吸附装置31#发生电击穿并自清理后电极上自清理成功和失败的清理点进行观察，所得结果如图11所示。另外，分别对静电吸附装置21#～装置23#和装置31#～装置34#上静电吸附电极的理论击穿电压和短路电压进行测定，进而计算出最终短路电压占理论击穿电压的百分比，所得部分结果如表3所示，其中，各绝缘层材料为市售成品材料，其理论击穿电压数据来自产品说明书或由厂家直接提供。

由检测结果得出，绝缘层Parylene薄膜由于第一导电层铜箔基底表面粗糙度的影响，其表面粗糙度最高；最大击穿电压(即短路电压)仅占理论击穿电压的58.7％；BOPP薄膜虽然和Parylene薄膜有相近的最大轮廓峰高(约为3μm)，但是薄膜越厚，粗糙度的影响越小，短路电压为理论击穿电压的67％；LuxPrint薄膜表面轮廓粗糙度较小，清理后的最高击穿电压为650V，接近理想条件下的介电强度；PI薄膜经热压工艺附着在电极上，表面粗糙度很小，短路电压达到理论击穿电压的70％。

表2绝缘层表面粗糙度

表3不同厚度绝缘层parylene薄膜的电极短路电压占理论击穿电压的百分比

由上可知，本发明静电吸附电极和静电吸附装置通过控制第一导电层和绝缘层的厚度在7μm以内，使得电极发生电击穿后具备自清理能力，使其被击穿后仍能正常工作，可延长其使用寿命。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种静电吸附电极，其特征在于，所述静电吸附电极具有电击穿后自清理能力，所述静电吸附电极包括：第一基底层；

第一导电层，所述第一导电层设于所述第一基底层上，所述第一导电层的厚度≤7 μm；

绝缘层，所述绝缘层设于所述第一导电层上背离所述第一基底层的一侧表面，所述绝缘层的厚度＜7 μm，所述绝缘层的表面粗糙度≤0.5 μm。

2.根据权利要求1所述的静电吸附电极，其特征在于，所述绝缘层选自LuxPrint薄膜、聚酰亚胺薄膜、双向拉伸聚丙烯薄膜中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的静电吸附电极，其特征在于，所述绝缘层的厚度为2.5~7 μm。

4.根据权利要求1所述的静电吸附电极，其特征在于，所述第一导电层的材质为金属。

5.根据权利要求4所述的静电吸附电极，其特征在于，所述第一导电层的材质为铝、铜箔中的至少一种。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的静电吸附电极，其特征在于，所述第一基底层选自亚克力板。

7.一种静电吸附装置，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的静电吸附电极。

8.根据权利要求7所述的静电吸附装置，其特征在于，所述静电吸附装置为电容型静电吸附装置。

9.根据权利要求7所述的静电吸附装置，其特征在于，所述静电吸附装置还包括：