專利名稱：用于移動物體的靜電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于移動物體的靜電裝置，其具有多個電極。由于半導(dǎo)體裝置制造或計算機部件制造中的靜電力，這種裝置例如可以用于移動半導(dǎo)體和非鐵磁性金屬。
本發(fā)明還涉及一種用于控制這種靜電裝置的方法。
尤其是在半導(dǎo)體和計算機制造領(lǐng)域中，重要的是以無摩擦和無接觸的方式傳輸部件以減少由于顆粒產(chǎn)生的產(chǎn)品表面的污染。鐵磁材料的部件能夠用磁力升起，但是大部分部件都是半導(dǎo)體或者是非鐵磁性材料。
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，在此通過引用將該文獻并入在本文中以結(jié)合本發(fā)明進行理解，公開了一種可以通過靜電力直接升起并驅(qū)動物體的新機制。這尤其適用于導(dǎo)電、但非鐵磁性的材料，例如硅或鋁。在J.Jin等人的文章中，借助于與移動方向垂直設(shè)置的帶狀電極在一個方向上移動鋁盤或硅晶片。通過將電壓施加到與該盤交迭的電極上，在該盤的邊緣處產(chǎn)生剪切力，導(dǎo)致盤的移動。可以單獨控制電極，尤其是單獨施加電壓。
可以認(rèn)為盤和電極是作為靜電電動機而協(xié)同操作，其中盤是動子而電極是定子。不幸的是，與常規(guī)的電動機相比，其具有相對低的力，這意味著較低的加速度。但是半導(dǎo)體工業(yè)中的大部分應(yīng)用都需要高速度。
因此需要一種使力增加以滿足半導(dǎo)體工業(yè)要求的靜電移動裝置。
因此，本發(fā)明致力于提供這種靜電移動裝置。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于移動物體的靜電裝置，其具有多個電極，其中設(shè)置電極使得產(chǎn)生在與將被移動的物體的表面區(qū)域等效的區(qū)域上方延伸的電場。
本發(fā)明基于這樣一種思想增加作用在將被移動的物體和靜電移動裝置的電極之間的力的一種可能性是，增加存儲在系統(tǒng)目標(biāo)電極中的能量。該能量Wel在第一近似中等于Wel=12·C·U2]]>U是施加到電極的電壓，而C是系統(tǒng)目標(biāo)電極的電容。對于相等的電壓U，可通過增加電容C來增加能量Wel。一種不依賴于電極材料或者尤其是將被移動的物體的材料增加電容C的方式是，改變系統(tǒng)目標(biāo)電極的幾何形狀。電容C的增加可以通過使被施加電壓的電極區(qū)域與將被移動的物體的表面區(qū)域之間的差最小化來實現(xiàn)。
而且，作用在一個方向上的力是該方向上的能量的導(dǎo)數(shù)(derivative)，還可以通過提供較大的電容變化來增加力。通過使產(chǎn)生電場的區(qū)域與將被移動的物體的表面區(qū)域相適應(yīng)，在將被移動的物體的邊緣區(qū)域中提供較大的電容變化。在此認(rèn)為移動不僅是在將被移動的物體的平面內(nèi)的運動，而且是垂直于將被移動的物體的運動。
在靜電移動裝置中，電極的帶狀導(dǎo)致被施加電壓的電極的區(qū)域基本為矩形，而最普通的將被移動的物體(晶片)為盤狀，由此具有圓形的表面區(qū)域。
本發(fā)明基于這樣的方法通過優(yōu)化將被移動物體的表面區(qū)域的形狀和通過將電壓施加到靜電移動裝置的一些電極而產(chǎn)生電場的區(qū)域的形狀之間的匹配來優(yōu)化使用靜電移動裝置的靜電電動機的力。
優(yōu)選地，被施加電壓的電極的形狀和/或結(jié)構(gòu)與將被移動的物體的輪廓相適應(yīng)。以這種方式，移動裝置容易適應(yīng)在線性或平面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用且適用于具有很多不同形狀的物體。
在本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例中，通過使電極具有弧形形狀來優(yōu)化裝置，以移動圓形物體。這種實施例對于線性移動尤其有利。已經(jīng)證實另外使用與弧形電極相鄰設(shè)置且平行于移動方向的輔助電極以增加控制移動運動的能力是有利的。
在本發(fā)明的另一些優(yōu)選實施例中，電極具有形狀優(yōu)選為正方形、六邊形或三角形的單元，以最佳地使用電極平面中的區(qū)域。這種實施例對于平面結(jié)構(gòu)和對于僅通過改變被施加電壓的電極的結(jié)構(gòu)來移動各種形狀的物體尤其有利。
已經(jīng)進一步證實，以下情況是有利的不將具有相同或不同極性的幅度相同的電壓無差別地施加到所有電極，而是施加電壓，以使得施加到位于與將被移動的物體的表面區(qū)域等效的區(qū)域邊緣處的電極的電壓與施加到位于與將被移動的物體的表面區(qū)域等效的區(qū)域中間處的電極的電壓不同。這允許選擇電壓以在將被移動的物體的大部分表面上產(chǎn)生升力并允許優(yōu)化邊緣處的電壓以優(yōu)化引起實際移動的剪切力。換句話說，該方法降低了對將被移動的物體的平面中和垂直于將被移動的物體的三個方向X、Y、Z上的控制，以及對將被移動的物體的平面內(nèi)的繞軸旋轉(zhuǎn)的控制。
在另一方面，提供一種根據(jù)本發(fā)明的控制靜電裝置的方法，其中施加到位于將被移動的物體的邊緣處的電極的電壓幅度與位于將被移動的物體的中心附近的電極的電壓幅度不同。如上所述，對于不同電極選擇不同幅度的電壓使得能夠在三個線性方向上對將被移動的物體進行控制并且對將被移動的物體的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸進行控制，即對剪切力和升力進行控制。
以下對本發(fā)明進行詳細說明。借助于參考附圖研究的非限制性實例來進行所述說明，在附圖中

圖1a示意性示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的靜電移動裝置；
圖1b-d示意性示出靜電移動裝置的基本原理；圖2a示意性示出本發(fā)明第一實施例的頂視圖；圖2b示意性示出沿著線Q1-Q1的圖2a實施例的剖面；圖3a示意性示出本發(fā)明第二實施例的頂視圖；圖3b示意性示出第二實施例的放大頂視圖；圖3c示意性示出沿著線Q2-Q2的圖3b實施例的剖面；圖4示意性示出本發(fā)明的第三實施例；以及圖5示意性示出本發(fā)明的第四實施例。
圖1示意性示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有帶狀電極3、3a、3b的靜電移動裝置1的頂視圖。以虛線示出將被移動的鋁硬盤2’的輪廓。向與鋁盤2’交迭的十二個電極3a、3b(具有粗體邊界線)施加電壓?？梢詥为毧刂泼總€電極3、3a、3b，尤其是施加的電壓與相鄰電極無關(guān)。
為了保持鋁盤2’的整體電勢，用正電壓激勵一些電極3a，且用幅度相同但是為負(fù)的電壓激勵其他電極3b(具有短線的區(qū)域)。
為了避免鋁盤2’傾斜，有四個電壓要么為正要么為負(fù)的區(qū)域，它們分布在整個區(qū)域上以相互補償。當(dāng)然，可以有多于四個的區(qū)域部分。要點是使所述區(qū)域均勻分布在整個區(qū)域上。
制造靜電移動裝置1的一種可能性是例如在玻璃環(huán)氧樹脂印刷電路板上例如沉積銅電極結(jié)構(gòu)。尤其當(dāng)一個電極3a為正而另一個電極3b為負(fù)時，在兩個電極之間應(yīng)該總是存在小的間隙以避免干擾。在圖1a中省略了諸如控制單元和電源的電子元件，以如此強調(diào)靜電移動裝置1的基本原理，且所述電子元件對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的。
圖1b至1d示出沿著線A-A的圖1的剖面圖，以示出靜電移動裝置1是如何工作的。
圖1b示出與盤2’交迭的電極3a、3b被施加電壓導(dǎo)致盤2’升起的狀態(tài)。在下一個步驟中，切換每一個電極3、3a、3b以使被施加電壓的該組電極3a、3b在預(yù)定移動方向(箭頭M)上相對于盤2’移動。這導(dǎo)致從最外側(cè)電極3a、3b作用在盤2’的邊緣上的剪切力。盤2’通過在箭頭M的方向上移動一個電極寬度以再次處于僅升力起作用的狀態(tài)而對這些剪切力起反應(yīng)，如圖1d中所示。
返回到圖1a，由于超過21％的電極區(qū)域不直接與盤2’交迭，因此可以清楚地看見被施加電壓且引起電場的電極3a、3b的區(qū)域和盤2’的表面區(qū)域之間的失配。
圖2a示意性示出本發(fā)明第一實施例的頂視圖，其尤其適合于盤狀物體例如晶片2的線性移動。電極30具有弧形形狀，將根據(jù)實際應(yīng)用而選擇弧形開口角度的寬度?；⌒坞姌O30的取向使得在預(yù)定移動方向(參見平行于線Q2Q2的箭頭)上存在電極30的形狀和晶片2的輪廓之間的最佳匹配。由于沿著邊緣的剪切力對于晶片2的實際移動最重要，因此已經(jīng)優(yōu)化了電容尤其是沿著移動方向的電容變化，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。
類似地，對于具有圓形以外的另一種形狀的將被移動的物體，電極的形狀可以根據(jù)在移動方向上與物體輪廓的匹配來選擇。
圖2a所示的靜電移動裝置1的實施例可以利用如現(xiàn)有技術(shù)水平上的所施加電壓的極性不同的四個或更多個區(qū)域來工作。另一種可能性是向所有弧形電極30施加相同極性的電壓并使用輔助電極39用于增強對移動運動的控制。將輔助電極39設(shè)置成與弧形電極30相鄰，且平行于預(yù)定移動的方向?？梢允褂脙蓚€長電極或幾個設(shè)置成直線的電極作為輔助電極39。
被施加電壓的弧形電極30a和輔助電極39的效果在圖2b中示出，其為沿著圖2a的線Q1-Q1的剖面。輔助電極改善了升起的效果并確保晶片2在垂直于移動方向的方向上不在晶片平面中移動。
圖3a示出本發(fā)明的另一實施例，具有形狀為正方形的電極單元31的電極靜電移動裝置1。這種靜電移動裝置1不僅可以用于線性移動，而且可以用于二維平面內(nèi)的移動。由于使用了電極單元31，因此一個移動裝置1可以用于不同形狀的物體。僅必須根據(jù)將被移動的物體的實際形狀來使被施加電壓的電極單元31的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。電極單元31越小，可能的移動和被移動的物體的種類就越寬。當(dāng)然，在實際應(yīng)用中，存在一種對于以下兩個方面的折衷一方面是可能的移動和物體的種類，而另一方面是電子元件的復(fù)雜性和成本。
這種實施例在圖3b中放大示出。將被移動的晶片2通過虛線示出。與沒有被施加電壓的電極單元31相比，用粗體邊界線示出被施加電壓的電極單元31a、31b(例如，在公知的四個區(qū)域的方式中，通過線Q1-Q1和Q2-Q2來限定邊界，或者多于四個區(qū)域)。此外，與在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的靜電移動裝置中相比，在產(chǎn)生電場的區(qū)域和晶片2的表面區(qū)域之間、尤其是在邊緣區(qū)域中存在更好的匹配。
圖3b和3c所示的實例具有附加的具體特征，將不同幅度的電壓施加產(chǎn)生電場的區(qū)域的邊緣區(qū)域中的電極單元31a和該區(qū)域的內(nèi)部區(qū)域(點區(qū)域)中的電極單元31b。在所示的實例中，選擇邊緣區(qū)域中的電壓使其較高，以便對于晶片2的實際移動引起特別強的剪切力，如在圖3c中通過對于具有較高電壓的電極單元31a使用多個箭頭而示意性示出。施加到內(nèi)部區(qū)域的電極單元31b的電壓較低，但足以實現(xiàn)對晶片2的升起。
應(yīng)該注意的是，根據(jù)實際應(yīng)用，升起電壓可以高于剪切力電壓，并且可以將兩個以上的不同幅度的電壓施加到不同的區(qū)域。
圖4和5也示出基于單元電極32、33的實施例。在圖4中，電極單元32具有六邊形，而在圖5中，電極單元33具有三角形。圖4的六邊形實施例尤其適合于在六個每隔60°的方向上移動(見箭頭)，而三角形實施例尤其適合于在三個每隔120°的方向上移動(見箭頭)。電極單元31、32、33的形狀還可以根據(jù)將被移動的物體的形狀來選擇。
盡管已經(jīng)對本發(fā)明的幾個優(yōu)選實施例進行了說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識到在不超出本發(fā)明的精神和思想的情況下可作出各種變化、改變和替換。因此，在所附權(quán)利要求書的適當(dāng)范圍內(nèi)以其形式或修改中的任一種要求保護本發(fā)明。例如，可以進行以下附屬權(quán)利要求的特征與獨立權(quán)利要求的特征的各種組合，而不背離本發(fā)明的范圍。此外，權(quán)利要求書中的任何參考數(shù)字都不被認(rèn)為是限制范圍。
參考標(biāo)記列表1 靜電移動裝置2 晶片2 硬盤3 帶狀電極3a 被施加正電壓的帶狀電極3b 被施加負(fù)電壓的帶狀電極30 弧形電極30a 被施加電壓的弧形電極31 正方形電極單元31a 被施加高電壓的正方形電極單元31b 被施加低電壓的正方形電極32 六邊形電極單元33 三角形電極單元39 輔助電極單元A-A 線Q1-Q1 線Q2-Q2 線M 移動方向上的箭頭
權(quán)利要求
1.一種用于移動物體(2)的靜電裝置(1)，具有多個電極(30、31、32、33)，其中設(shè)置所述電極(30、31、32、33)使得產(chǎn)生在與將被移動的物體(2)的表面區(qū)域等效的區(qū)域上方延伸的電場。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中被施加電壓的所述電極(30、31、32、33)的形狀和/或結(jié)構(gòu)與所述將被移動的物體(2)的輪廓相適應(yīng)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，用于移動圓形物體(2)，其中所述電極(30、30a)具有弧形形狀。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中附加的輔助電極(39)被設(shè)置成與所述弧形電極(30、30a)相鄰，并且與移動方向(M)平行。
5.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述電極(31、32、33)具有單元的形狀。
6.如權(quán)利要求1、2或5所述的裝置，其中所述電極(31、32、33)具有正方形、六邊形或三角形的形狀。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的裝置，其中施加到位于與所述將被移動的物體(2)的表面區(qū)域等效的區(qū)域的邊緣處的電極(31a)的電壓的幅度與施加到位于與所述將被移動的物體(2)的表面區(qū)域等效的區(qū)域的中間處的電極(31b)的電壓的幅度不同。
8.一種控制如權(quán)利要求1至7所述的靜電裝置的方法，其中使施加到位于所述將被移動的物體的邊緣處的電極的電壓的幅度與施加到位于所述將被移動的物體的中心附近的電極的電壓的幅度不同。
全文摘要
通過設(shè)置電極(31、31a、31b)使得產(chǎn)生在將被移動的物體(2)的表面區(qū)域等效的區(qū)域上方延伸的電場，來提供一種具有高力和高加速度的靜電移動裝置(1)。優(yōu)選地，與中間區(qū)域中的電極(31b)相比，施加到邊緣區(qū)域中的電極(31a)的電壓較高，以進一步增加引起實際移動的剪切力。
文檔編號H02N1/00GK101080866SQ200580043010
公開日2007年11月28日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者F·沙欣諾馬萊爾, J·C·康普特, P·范德梅爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司