超聲波懸浮傳輸裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超聲波懸浮傳輸裝置，其中包括發(fā)送端超聲波換能器、接收端超聲波換能器、傳輸軌道、第一支架、第二支架及固定軌道；傳輸軌道的兩端分別與發(fā)送端超聲波換能器及接收端超聲波換能器相連接，固定軌道的兩端分別與第一支架及第二支架相連接，第一支架與發(fā)送端超聲波換能器相連接，第二支架與接收端超聲波換能器相連接。采用本發(fā)明超聲波懸浮傳輸裝置，有效地解決了光伏產(chǎn)業(yè)制造中機械式傳輸對硅片造成的變形、表面劃痕、顆粒污染和降低硅片精度的諸多問題，實現(xiàn)尺寸較大、厚度較薄的物體的穩(wěn)定懸浮傳輸，且不受傳輸材料特性的限制，實現(xiàn)了較高的能量利用率和機電轉(zhuǎn)換效率，裝置簡單，易于操作，傳輸定位精確穩(wěn)定，應用范圍廣泛。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體領(lǐng)域，尤其涉及半導體制造與微機電系統(tǒng)（MEMS)制造過程中 的傳輸與裝配領(lǐng)域，具體是指一種超聲懸浮傳輸裝置。 超聲波懸淳傳輸裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來隨著能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴重，清潔能源的發(fā)展引起了高度重 視，其中太陽能電池以其清潔環(huán)保、可再生的特點促使全球光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。太陽能級多 晶硅片的制備是光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。芯片減薄化、高效化、高可靠化和降低成本的發(fā) 展趨勢，極大地推動了硅芯片制備工藝中關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的全面進步，因此對硅片的傳輸、 緩存和精密定位等作業(yè)單元提出了更高的要求。
[0003] 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對于精密器件的裝配與傳輸提出了更高的要求，硅片傳輸 系統(tǒng)采取接觸式的機械手操作。由于硅片具有極強的表面敏感度，在包含機械接觸和夾持 的操作過程中，容易使其變形、破碎和產(chǎn)生表面劃痕。在太陽能級硅芯片制造過程中，由于 硅片是硬度較高的材料，硅片傳輸是排名第一的微粒污染源。機械接觸式操作容易產(chǎn)生微 小顆粒污染電池片。
[0004] 近年來雖然硅片傳輸機器人的發(fā)展取得了一定的進展，但是對于操作環(huán)境的要求 比較嚴格，要求較高的真空度和潔凈度。操作環(huán)境較難達到，同時增加了成本，對于硅片造 成的機械影響和對于環(huán)境的污染也不能完全消除。
[0005] 因此，探求一種非接觸式傳輸方式對于科技發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義和應 用前景。
[0006] 目前，懸浮技術(shù)也有了一定的發(fā)展。主要有磁懸浮、靜電懸浮、光懸浮、氣動懸浮和 聲懸浮。其中，磁懸浮技術(shù)主要被應用于超導磁懸浮列車上，由于電磁體體積大，質(zhì)量大，只 能懸浮導體，因此該技術(shù)在非接觸式傳輸中受到一定的限制；靜電懸浮技術(shù)是利用導體上 的靜電荷與庫侖力的作用克服重力使物體懸浮，應用于相對低溫的潔凈環(huán)境，但是不能應 用于微電子元器件的傳輸；光懸浮技術(shù)是利用可見激光的輻射壓對顆粒物的作用實現(xiàn)物體 的懸浮與加速的，屬于微納米級范圍；氣動懸浮技術(shù)需要外部氣源、過濾及循環(huán)裝置，懸浮 穩(wěn)定性較差；聲懸浮技術(shù)不受材料的限制，又分為駐波懸浮和近場懸浮，駐波懸浮主要是使 顆粒物懸浮于聲壓波節(jié)點，承載能力較弱，而近場懸浮可懸浮平板或薄板，具有較強的懸浮 力和穩(wěn)定性，可以利用行波傳輸和引導。因此本發(fā)明采用近場超聲懸浮理論設(shè)計非接觸式 傳輸裝置。
[0007] -些專利也介紹了超聲懸浮傳輸裝置和壓電換能器的設(shè)計。如發(fā)明專利"超聲波 /氣浮混合式非接觸自動運輸裝置"提出了一種利用氣浮使物體懸浮，利用超聲波行波實現(xiàn) 物體的傳輸?shù)倪\輸裝置，雖然解決了重載懸浮物的懸浮傳輸問題，但是與此同時也引入了 氣動懸浮不穩(wěn)定的致命弱點，同時增加了裝置的復雜性，必須有源源不斷地氣源和過濾循 環(huán)裝置以及氣壓控制調(diào)節(jié)裝置，對于不同的負載，需要有不同的充氣壓力，適宜壓力的調(diào)節(jié) 與控制需要理論和大量的實驗數(shù)據(jù)的支撐，否則會造成不穩(wěn)定性。
[0008] 發(fā)明專利"一種換能器"公開了一種由變幅桿、壓電陶瓷片和主桿組成的換能器， 其中壓電陶瓷片的電極采用一體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，提高了裝配效率。但是該種超聲波換能器 結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的是細長的主桿和變幅桿之間夾持壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，不利于壓電 材料的逆壓電效應產(chǎn)生的機械振動高效率地沿變幅桿的方向傳播振動，變幅桿采用等橫截 面桿型設(shè)計也不能起到很好的聚能作用。
[0009] 綜上所述，在半導體制造業(yè)和微機電系統(tǒng)的裝配與傳輸過程中，還沒有一種結(jié)構(gòu) 簡單，易于操作和控制，能量轉(zhuǎn)換率高的非接觸式傳輸裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種解決了傳統(tǒng)的接觸式傳 輸對傳輸物體造成的機械損傷及對環(huán)境造成的顆粒污染等問題、結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、能量 轉(zhuǎn)換率高、能夠穩(wěn)定懸浮傳輸和精確定位、應用于半導體制造和微機電系統(tǒng)中精密器件的 超聲波懸浮傳輸裝置。
[0011] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明超聲波懸浮傳輸裝置具有如下構(gòu)成：
[0012] 該超聲波懸浮傳輸裝置，其主要特點是，所述的裝置包括發(fā)送端超聲波換能器、接 收端超聲波換能器、傳輸軌道、第一支架、第二支架及固定軌道；所述的傳輸軌道的兩端分 別與所述的發(fā)送端超聲波換能器及接收端超聲波換能器相連接，所述的固定軌道的兩端分 別與所述的第一支架及第二支架相連接，所述的第一支架與所述的發(fā)送端超聲波換能器相 連接，所述的第二支架與所述的接收端超聲波換能器相連接。
[0013] 進一步地，所述的發(fā)送端超聲波換能器與接收端超聲波換能器為施加預應力的壓 電堆疊超聲波換能器，所述的壓電堆疊超聲波換能器包括后端、設(shè)置于所述的后端上表面 的壓電陶瓷組、設(shè)置于所述的壓電陶瓷組上表面的前端、設(shè)置于所述的前端上表面的固定 支撐架、設(shè)置于固定支撐架上表面的變幅桿、以及設(shè)置于所述的壓電陶瓷組中的電極。
[0014] 更進一步地，所述的壓電陶瓷組包含四個壓電堆疊的壓電陶瓷片，且相鄰的壓電 陶瓷片上施加極性不同的簡諧電壓。
[0015] 再進一步地，所述的相鄰的壓電陶瓷片之間設(shè)置有銅電極，且相隔的銅電極焊接 在一起，得到第一電極和第二電極；所述的第一電極和第二電極上施加極性不同的簡諧電 壓。
[0016] 再進一步地，所述的后端、壓電陶瓷組、前端、固定支撐架及變幅桿為空心結(jié)構(gòu)，且 所述的后端、壓電陶瓷組、前端、固定支撐架及變幅桿通過預緊螺栓相連接。
[0017] 再進一步地，所述的預緊螺栓與所述的壓電陶瓷片接觸的部位設(shè)置有絕緣套管。
[0018] 更進一步地，所述的變幅桿為圓錐形變幅桿，且所述的變幅桿上端設(shè)置有傳輸軌 道固定部件。
[0019] 再進一步地，所述的傳輸軌道固定部件為螺栓，所述的傳輸軌道通過所述的螺栓 固定于所述的變幅桿的上端。
[0020] 進一步地，所述的傳輸軌道的寬度與待傳輸物體的寬度相匹配，所述的傳輸軌道 的厚度與超聲波行波的波長相匹配，所述的傳輸軌道的長度為通過超聲波行波產(chǎn)生機理、 及超聲波與空氣擠壓氣膜作用機理計算所得的傳輸軌道的長度。
[0021] 采用了本發(fā)明中的超聲波懸浮傳輸裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：
[0022] 本發(fā)明的超聲波懸浮傳輸裝置可以實現(xiàn)在光伏產(chǎn)業(yè)制造中，多晶硅的非接觸式穩(wěn) 定傳輸，有效地解決了機械式傳輸對硅片造成的變形、表面劃痕、顆粒污染和降低硅片精度 的諸多問題；本發(fā)明的超聲波懸浮傳輸裝置采用超聲波懸浮，超聲波懸浮相比其他的懸浮 方式，在硅片傳輸系統(tǒng)中也有較明顯的優(yōu)越性，超聲波懸浮可以實現(xiàn)尺寸較大、厚度較薄的 物體的穩(wěn)定懸浮傳輸，而且不受傳輸材料特性的限制；本發(fā)明的超聲波懸浮傳輸裝置通過 對非接觸式傳輸裝置的壓電堆疊超聲波換能器的設(shè)計，對傳輸軌道的尺寸設(shè)計，實現(xiàn)了較 高的能量利用率和機電轉(zhuǎn)換效率；本發(fā)明的超聲波懸浮傳輸裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，傳輸 定位精確穩(wěn)定；本發(fā)明的超聲波懸浮傳輸裝置不僅在太陽能光伏制造業(yè)有廣泛的應用前 景，對精密機械【技術(shù)領(lǐng)域】也有深遠的意義，應用范圍廣泛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的超聲懸浮傳輸裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明的超聲懸浮傳輸裝置的壓電堆疊超聲波換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖3為本發(fā)明的超聲懸浮傳輸裝置的壓電堆疊超聲波換能器的阻抗匹配的等效 電路圖。
[0026] 其中，
[0027] 1 發(fā)送端超聲波換能器
[0028] 2 接收端超聲波換能器
[0029] 3 傳輸軌道
[0030] 4 第一支架
[0031] 5 第二支架
[0032] 6 固定軌道
[0033] 7 固定支撐架
[0034] 8 后端
[0035] 9 第一電極
[0036] 10 第二電極
[0037] 11 壓電陶瓷組
[0038] 12 前端
[0039] 13 變幅桿

【具體實施方式】
[0040] 為了能夠更清楚地描述本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實施例來進行進一步的 描述。
[0041] 本發(fā)明提出的超聲波懸浮傳輸裝置由傳輸軌道連接兩個施加預應力的疊堆超聲 波換能器。通過對一個疊堆超聲波換能器電極施加簡諧電壓，利用壓電材料的逆壓電效應， 產(chǎn)生機械振動，利用變幅桿的聚能作用聚能，振動能量通過變幅桿和傳輸軌道的連接部位， 使得傳輸軌道產(chǎn)生相同的簡諧振動，傳輸軌道的振動使得傳輸軌道和擠壓氣膜的相互作用 產(chǎn)生向上的懸浮力，使待傳輸物體懸??；另一端的疊堆超聲波換能器作為接收端，實現(xiàn)對超 聲波的吸收，避免了超聲波的反射，實現(xiàn)了硅片的懸浮傳輸。
[0042] 請參閱圖1所示，本發(fā)明超聲波懸浮傳輸裝置，包括發(fā)送端超聲波換能器1、接收 端超聲波換能器2、傳輸軌道3、第一支架4、第二支架5及固定軌道6 ;傳輸軌道3的兩端分 別與發(fā)送端超聲波換能器1及接收端超聲波換能器3相連接，固定軌道6的兩端分別與第 一支架4及第二支架5相連接，第一支架4與發(fā)送端超聲波換能器1相連接，第二支架5與 接收端超聲波換能器2相連接。
[0043] 本發(fā)明超聲波懸浮傳輸裝置利用超聲波近場理論（NFAL)，采用一種施加預應力 的壓電疊堆超波換能器，通過發(fā)送端超聲波換能器1的壓電陶瓷片的逆壓電效應產(chǎn)生超聲 波，同時對發(fā)送端超聲波換能器1的結(jié)構(gòu)和傳輸軌道3的尺寸進行設(shè)計，接收端超聲波換能 器實現(xiàn)對超聲波的吸收，兩個壓電疊堆超聲波換能器之間連接行波傳輸軌道，通過傳輸軌 道、擠壓空氣膜和懸浮物的下表面的共同作用機理（多物理場耦合）實現(xiàn)非接觸式傳輸?shù)?超聲懸浮傳輸裝置。
[0044] 所述的第一支架4通過螺栓與所述的固定軌道6相連接，所述的第二支架5通過 螺栓與所述的固定軌道6相連接，所述的第一支架4通過螺栓與所述的發(fā)送端超聲波換能 器1相連接，所述的第二支架5通過螺栓與所述的接收端超聲波換能器2相連接。
[0045] 請參閱圖2所示，所述的發(fā)送端超聲波換能器1與接收端超聲波換能器2為施加 預應力的壓電堆疊超聲波換能器，本發(fā)明超聲波懸浮傳輸裝置的壓電堆疊超聲波換能器， 具有較高的聚能作用和能量利用率，所述的壓電堆疊超聲波換能器包括后端12、設(shè)置于所 述的后端12上表面的壓電陶瓷組11、設(shè)置于所述的壓電陶瓷組11上表面的前端8、設(shè)置于 所述的前端8上表面的固定支撐架7、設(shè)置于固定支撐架7上表面的變幅桿13、以及設(shè)置于 所述的壓電陶瓷組中的電極9。
[0046] 其中，對于壓電陶瓷組作以下說明：
[0047] 所述的壓電陶瓷組11包含四個壓電堆疊的壓電陶瓷片，且相鄰的壓電陶瓷片上 施加極性不同的簡諧電壓，這樣可以增強振動。所述的相鄰的壓電陶瓷片之間設(shè)置有銅電 極，且相隔的銅電極焊接在一起，得到第一電極9和第二電極10 ;所述的第一電極9和第二 電極10上施加極性不同的簡諧電壓。
[0048] 其中，對如端和后端作以下說明：
[0049] 為了獲得壓電堆疊超聲波換能器向上的有效振動，提高能量利用率，后端采用密 度較大的重金屬材料，如，45號鋼，前端及變幅桿采用密度較小的輕金屬材料，如，鋁。其中， 對變幅桿作以下說明：
[0050] 所述的變幅桿13為圓錐形變幅桿，把機械振動的質(zhì)點位移放大，并將超聲能量集 中在較小的面積上，即聚能，同時起到改變超聲波振幅，提高效率的作用。另外，所述的變幅 桿13上端設(shè)置有傳輸軌道固定部件。所述的傳輸軌道3固定部件為螺栓，所述的傳輸軌道 3通過所述的螺栓固定于所述的變幅桿13的上端。
[0051] 此外，所述的后端12、壓電陶瓷組11、前端8、固定支撐架7及變幅桿13為空心結(jié) 構(gòu)，且所述的后端12、壓電陶瓷組11、前端8、固定支撐架7及變幅桿13通過預緊螺栓相連 接，達到傳遞振動的目的，同時增加了壓電陶瓷片的機械強度，使其能夠耐受較高的輸入功 率，所述的預緊螺栓與所述的壓電陶瓷片接觸的部位設(shè)置有絕緣套管。
[0052] 在電極上施加的電壓的參數(shù)，包括幅值和頻率的大小與壓電堆疊超聲波換能器的 本身特性有關(guān)，一般壓電堆疊超聲波換能器的工作頻率在二十幾千赫茲范圍內(nèi)，以獲得較 大的功率和能量轉(zhuǎn)換效率。
[0053] 其中，值得注意的是：壓電堆疊超聲波換能器工作狀態(tài)參數(shù)的確定，是利用有限元 分析與實驗測試相結(jié)合的方法確定的。
[0054] 壓電堆疊超聲波換能器的縱向振動模態(tài)為其工作模態(tài)，在此模態(tài)下才能得到最大 的能量利用率，對壓電堆疊超聲波換能器進行模態(tài)分析，找到壓電堆疊超聲波換能器的縱 向振動模態(tài)及該模態(tài)對應的頻率。通過諧響應分析和掃頻實驗，進一步確定壓電堆疊超聲 波換能器的工作模態(tài)和頻率，以期得到最大的輸出功率。
[0055] 請參閱圖3所示，關(guān)于壓電堆疊超聲波換能器的阻抗匹配設(shè)計作以下說明：所述 的接收端超聲波換能器為容性接收端超聲波換能器，所述的容性超聲波換能器通過感性器 件進行阻抗匹配，得到能量轉(zhuǎn)換效率高的接收端超聲波換能器。
[0056] 壓電堆疊超聲波換能器是容性器件，所以通過電學阻抗匹配，在電路上配上電感， 使整體回路呈純電阻。其中，阻抗匹配壓電堆疊超聲波換能器的電學參數(shù)可以通過阻抗分 析儀對壓電堆疊超聲波換能器進行掃頻實驗獲得。
[0057] 匹配電感L的計算公式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種超聲波懸浮傳輸裝置，其特征在于，所述的裝置包括發(fā)送端超聲波換能器、接收 端超聲波換能器、傳輸軌道、第一支架、第二支架及固定軌道；所述的傳輸軌道的兩端分別 與所述的發(fā)送端超聲波換能器及接收端超聲波換能器相連接，所述的固定軌道的兩端分別 與所述的第一支架及第二支架相連接，所述的第一支架與所述的發(fā)送端超聲波換能器相連 接，所述的第二支架與所述的接收端超聲波換能器相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波懸浮傳輸裝置，其特征在于，所述的發(fā)送端超聲波換 能器與接收端超聲波換能器為施加預應力的壓電堆疊超聲波換能器，所述的壓電堆疊超聲 波換能器包括后端、設(shè)置于所述的后端上表面的壓電陶瓷組、設(shè)置于所述的壓電陶瓷組上 表面的前端、設(shè)置于所述的前端上表面的固定支撐架、設(shè)置于固定支撐架上表面的變幅桿、 以及設(shè)置于所述的壓電陶瓷組中的電極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波懸浮傳輸裝置，其特征在于，所述的壓電陶瓷組包含 四個壓電堆疊的壓電陶瓷片，且相鄰的壓電陶瓷片上施加極性不同的簡諧電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波懸浮傳輸裝置，其特征在于，所述的相鄰的壓電陶瓷 片之間設(shè)置有銅電極，且相隔的銅電極焊接在一起，得到第一電極和第二電極；所述的第一 電極和第二電極上施加極性不同的簡諧電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波懸浮傳輸裝置，其特征在于，所述的后端、壓電陶瓷 組、前端、固定支撐架及變幅桿為空心結(jié)構(gòu)，且所述的后端、壓電陶瓷組、前端、固定支撐架 及變幅桿通過預緊螺栓相連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波懸浮傳輸裝置，其特征在于，所述的預緊螺栓與所述 的壓電陶瓷片接觸的部位設(shè)置有絕緣套管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波懸浮傳輸裝置，其特征在于，所述的變幅桿為圓錐形 變幅桿，且所述的變幅桿上端設(shè)置有傳輸軌道固定部件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲波懸浮傳輸裝置，其特征在于，所述的傳輸軌道固定部 件為螺栓，所述的傳輸軌道通過所述的螺栓固定于所述的變幅桿的上端。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波懸浮傳輸裝置，其特征在于，所述的傳輸軌道的寬度 與待傳輸物體的寬度相匹配，所述的傳輸軌道的厚度與超聲波行波的波長相匹配，所述的 傳輸軌道的長度為通過超聲波行波產(chǎn)生機理、及超聲波與空氣擠壓氣膜作用機理計算所得 的傳輸軌道的長度。
【文檔編號】B65G54/00GK104085691SQ201410367768
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】李錦 , 張亭, 劉長軍, 章文俊 申請人:華東理工大學