本发明涉及了一种盘片非接触吸附装置，具体涉及了一种基于近场声悬浮原理的盘片非接触吸附装置。
背景技术：
硅片的搬运是半导体和光伏硅片生产工艺中一个重要的环节，搬运效果的好坏极大程度地影响硅片的质量和好坏。随着工业上对高质量硅片的需求日益增大，硅片的非接触吸附搬运装置得到了越来越多的关注。
目前应用最广的是利用伯努利原理设计的吸盘，通过在吸盘和硅片之间产生高速流动的气体，产生负压区域吸附硅片。但是这种吸附方式吸附稳定性较差，需要在吸盘表面增设柔性接触层，利用摩擦力实现硅片的水平限位。
因此，现有结构存在以下问题：1、硅片表面与吸盘接触，容易划伤硅片表面；2、分布式的多点吸附和中心环状吸附方式使硅片受力不均，变形较大，这种情况随着硅片尺寸的增加和厚度的减小变得尤为明显；3、气体出口的角度较大，导致气流竖直冲击较大，硅片在搬运过程容易发生抖动，吸附能力和稳定性较差。
技术实现要素：
为了弥补现有技术中的缺失，本发明的目的在于提供一种基于近场声悬浮原理的盘片非接触吸附装置，实现硅片的非接触吸附，并改善硅片的受力均匀性，提高吸附的稳定性，减小硅片的变形损伤。
本发明的目的可以采用以下技术方案实现：
本发明包括超声振动组件、吸盘和盘片，超声振动组件同轴安装在吸盘上，盘片置于吸盘的正下方；吸盘包括固定盘、导流盘、连接螺钉、橡胶钉和导气柱；橡胶钉通过螺纹安装在固定盘正面，并露出橡胶钉的端面；固定盘正面中心设有凹槽，导流盘安装在凹槽中，凹槽的槽壁面设置为外凸的弧形，凹槽槽底面中心设有固定盘阶梯孔，固定盘上设有螺纹孔，导气柱通过螺纹安装在螺纹孔处。
导流盘背面开设有环形槽，环形槽中间形成了圆形凸台，圆形凸台的中心开设有通孔的导流盘阶梯孔，环形槽的槽底面为向中心内凹倾斜的锥面，导流盘外侧面为向内凹的弧形，导流盘向内凹的弧形与凹槽外凸的弧形相吻合，超声振动组件安装在吸盘的固定盘的背面。
所述的超声振动组件包括压电陶瓷、铜片、连杆和变幅杆，压电陶瓷和铜片交替的套装在连杆上；变幅杆包括外径不同的两个圆柱，外径不同的两个圆柱之间形成凸台，大圆柱轴心的上端面和小圆柱轴心的下端面均设有螺纹孔，连杆穿过交替套装的压电陶瓷和铜片后螺纹连接到变幅杆大圆柱上端面的螺纹孔中，从而将压电陶瓷和铜片压紧在变幅杆的大圆柱上端面上；连接螺钉依次穿过导流盘、固定盘后连接到变幅杆的小圆柱下端面的螺纹孔中，从而使得变幅杆通过连接螺钉固定在吸盘的背面。
所述的凹槽和环形槽之间形成环状空腔作为气体的缓冲腔，缓冲腔底面为向内侧倾斜的锥面，缓冲腔上方与导气柱连通；凹槽外侧面和导流盘外侧面之间形成环状弧形间隙，环状弧形间隙上端与缓冲腔外侧上方连通，环状弧形间隙下端连通到外界大气。
所述的盘片置于吸盘的固定盘的正下方，压缩气体从导气柱流入缓冲腔经环状弧形间隙流出，在盘片上方形成伯努利效应产生负压区吸附盘片，超声振动组件的压电陶瓷将超声电信号转化成的超声振动经变幅杆放大后传递到吸盘表面，形成近场声悬浮效应，对吸附在下方的盘片产生排斥力，改善盘片的受力均匀性。
所述的导流盘阶梯孔的大孔外径小于圆形凸台的外径，圆形凸台的外径等于固定盘阶梯孔大孔的外径，圆形凸台和固定盘阶梯孔采用间隙配合，连接螺钉依次穿过导流盘阶梯孔和固定盘阶梯孔通过螺纹与变幅杆的小圆柱下端面连接，将导流盘和固定盘、固定盘和变幅杆夹紧固定，使得导流盘的正面和固定盘正面位于同一平面，连接螺钉不超出导流盘的正面。
所述的压电陶瓷、铜片和拉杆之间设有绝缘套筒，使得压电陶瓷、铜片和拉杆之间用绝缘套筒隔开，套筒的长度小于压电陶瓷和铜片的总厚度。
相邻所述的压电陶瓷的极化方向相反，相邻的压电陶瓷用铜片隔开，铜片和压电陶瓷通过焊接连接，压电陶瓷串联后与超声电源连接。
所述的盘片为硅片。
所述的连杆的材料为45钢。
所述的环形槽的外径小于导流盘的外径。
所述的变幅杆的大圆柱上端面上连接有圆形状的法兰。
所述的连杆、压电陶瓷、铜片、变幅杆、固定盘、导流盘和连接螺钉自上而下依次同轴连接。
所述的变幅杆大端外周面设有法兰盘，用于安装在外部设备上。
本发明具有的有益效果是：
(1)出口流道设置为环状的弧形，减小气流的竖直冲击，并用橡胶钉对吸盘进行水平限位，提高吸附能力和稳定性。
(2)利用换能器和变幅杆结构对吸盘施加超声振动后，会因近场声悬浮原理对被吸附的硅片产生一个向下的排斥力，改善硅片受力均匀性，减小硅片的变形损伤。
附图说明
图1为本发明装配图；
图2为本发明爆炸视图；
图3为导流盘的立体结构图；
图4为本发明的剖面视图。
图中，1连杆、2铜片、3压电陶瓷、4变幅杆、5固定盘、6导流盘、7连接螺钉、8橡胶钉、9套筒、导10气柱、11盘片、12缓冲器、13环状弧形间隙、41法兰、51固定盘凹槽、52固定盘阶梯孔、53螺纹孔、61导流盘环形槽、62导流盘圆形凸台、63导流盘阶梯孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括超声振动组件、吸盘和盘片11，超声振动组件同轴安装在伯努利吸盘上，在吸盘表面产生超声振动；盘片11置于吸盘的正下方；吸盘包括固定盘5、导流盘6、连接螺钉7、橡胶钉8和导气柱10；导流盘6同轴装在固定盘5正面，导气柱10通过螺纹安装在固定盘5背面，作为气体入口连接气源；橡胶钉8通过螺纹安装在固定盘5正面，并露出橡胶钉8的端面一段距离，对被吸附的硅片进行水平限位；固定盘5正面中心设有凹槽51，导流盘6安装在凹槽51中，凹槽51的槽壁面设置为外凸的弧形，凹槽51槽底面中心设有固定盘阶梯孔52，固定盘5上设有螺纹孔53，导气柱10通过螺纹安装在螺纹孔53处，螺纹孔53设在固定盘阶梯孔52附近；固定盘阶梯孔52与螺纹孔53之间隔开一定距离。
如图3所示，导流盘6背面开设有环形槽61，环形槽61中间形成了圆形凸台62，圆形凸台62的中心开设有导流盘阶梯孔63，环形槽61的槽底面为向中心内凹倾斜的锥面，导流盘6外侧面为向内凹的弧形，导流盘6向内凹的弧形与凹槽51外凸的弧形相吻合；环形槽61的外径小于导流盘6的外径。
如图1和图2所示，超声振动组件包括压电陶瓷3、铜片2、连杆1和变幅杆4，连杆1的材料为45钢，压电陶瓷3和铜片2交替的套装在连杆1上，用于外接超声电源，变幅杆4包括外径不同的两个圆柱，外径不同的两个圆柱之间形成凸台，大圆柱轴心的上端面和小圆柱轴心的下端面均设有螺纹孔，连杆1穿过交替套装的压电陶瓷3和铜片2后螺纹连接到变幅杆4大圆柱上端面的螺纹孔中，从而将压电陶瓷3和铜片2压紧在变幅杆4的大圆柱上端面上；连接螺钉7依次穿过导流盘6、固定盘5后连接到变幅杆4的小圆柱下端面的螺纹孔中，从而使得变幅杆4通过连接螺钉7固定在吸盘的背面。具体实施的连杆1、压电陶瓷3、铜片2、变幅杆4、固定盘5、导流盘6和连接螺钉7自上而下依次同轴连接。
具体实施中，变幅杆4满足“全波长”设计原则，全波谐振频率的范围为20-40khz之间；连杆1的上端位于全波谐振的波峰处，固定盘5的正面和导流盘6的正面位于全波谐振的波谷处；变幅杆4的大圆柱上端面上连接有圆形状的法兰41，用于将吸盘连接在外部装置上，波节位置振幅最小，减小超声振动对外部装置的影响，使超声能量最大限度的传递到固定盘和导流盘的正面。
如图2和图3所示，导流盘阶梯孔63的大孔外径小于圆形凸台62的外径，圆形凸台62的外径等于固定盘阶梯孔52大孔的外径，圆形凸台62置于固定盘阶梯孔52大孔内，圆形凸台62和固定盘阶梯孔52采用间隙配合，连接螺钉7依次穿过导流盘阶梯孔63和固定盘阶梯孔52通过螺纹与变幅杆4的小圆柱下端面连接，将导流盘6和固定盘5、固定盘5和变幅杆4夹紧固定，使得导流盘6的正面和固定盘5正面位于同一平面，连接螺钉7不超出导流盘6的正面。
具体实施中，压电陶瓷3、铜片2和连杆1之间设有绝缘套筒9，即连杆1外套装绝缘套筒9，绝缘套筒9外套装压电陶瓷3、铜片2，使得压电陶瓷3、铜片2和连杆1之间用绝缘套筒9隔开，防止铜片2短接，套筒9的长度小于压电陶瓷3和铜片2的总厚度，以便压电陶瓷3被紧密的固定在变幅杆4上。相邻压电陶瓷3的极化方向相反，相邻的压电陶瓷3用铜片2隔开，铜片2和压电陶瓷3通过焊接连接，压电陶瓷3串联后与超声电源连接。
如图4所示，凹槽51和环形槽61之间形成环状空腔作为气体的缓冲腔12，缓冲腔12底面为向内侧倾斜的锥面，缓冲腔12上方与导气柱10连通；凹槽51外侧面和导流盘6外侧面之间形成狭小的环状弧形间隙13，环状弧形间隙13上端与缓冲腔12外侧上方连通，环状弧形间隙13下端连通到外界大气。
具体实施中，盘片11置于吸盘的正下方，压缩气体从导气柱10流入缓冲腔12经环状弧形间隙13流出，在盘片11上方形成伯努利效应产生负压区吸附盘片11，压电陶瓷3将超声电信号转化成的超声振动经变幅杆4放大后传递到吸盘表面，形成近场声悬浮效应，对吸附在下方的盘片11产生排斥力，改善盘片11的受力均匀性，具体实施的盘片11为硅片。
本发明的具体实施工作过程是：
吸盘移动到距离硅片7mm的正上方后，将导气柱外接气泵，气泵中的压缩气体经导气柱流入缓冲腔，在缓冲腔底部形成冲击后向内侧汇聚，并沿缓冲腔周向扩散充满整个缓冲腔后，压缩气体再从缓冲腔经顶部间隙流入环状弧形间隙，最后压缩气体从环状弧形间隙的下方流出，在吸盘和硅片之间产生高速流动的气膜，形成伯努利效应产生负压将下方的硅片吸起；压电陶瓷连接超声电源，通过逆压电效应产生高频的机械振动，经变幅杆将振幅放大后传递到吸盘表面，带动吸盘表面沿轴向做高频的简谐振动，当吸盘表面靠近硅片时气膜厚度减小，气体向外挤出，局部气压增大形成正挤压，当吸盘表面远离硅片时气膜厚度增大，气体从外围吸入，局部气压减小形成负挤压。正负挤压交替出现，局部气压在一个周期内的平均值大于外界气压，即近场声悬浮效应，对吸附于下方的硅片产生排斥力，从而可以改善硅片的受力均匀性。
缓冲腔的底面是向内侧倾斜的锥面，压缩气体从在底面产生冲击后会向内侧汇聚，并沿着内壁周向扩散，缓冲腔的出口流道设置在外侧靠上的位置，使气流均匀扩散充满整个缓冲腔；出口流道的截面设计为弧形，减小出口气体在竖直方向的流速，从而减小对硅片的竖直冲击，增强吸盘的吸附能力和吸附稳定性。
出口气流成环状向外侧辐射，产生环状的负压吸附区，吸力随着半径的增大而减小，硅片与吸盘之间的距离随着半径的增大而增大，硅片变形较大。另一方面，由于近场声悬浮效应产生的排斥力大小与气膜的厚度有关，随着气膜的厚度减小而增大。硅片上方受到负压吸附力大的地方气膜厚度小，受到的近场声悬浮力较大，从而改善硅片的受力均匀性，减小硅片的变形损伤。
硅片的水平限位主要靠周向分布在固定盘上的橡胶钉来实现，橡胶钉具有一定的弹性，在与硅片侧面接触时可以起到缓冲的作用，减少硅片破碎的风险。
本发明基于近场声悬浮原理的盘片非接触吸附装置，通过缓冲腔使进入吸盘的气体均匀地以较小的角度从环状弧形流道高速流出，产生伯努利效应形成负压吸附区实现非接触吸附效果，并通过变幅杆将压电陶瓷产生的高频振动放大传递到吸盘表面，产生近场声悬浮效应对吸附在下方的硅片产生排斥力，排斥力随着硅片变形的增大而增大，从而改善硅片的受力均匀性，减小变形损伤，再利用橡胶钉对硅片进行水平限位，实现了硅片的高质量非接触吸附。
以上结合实施例和附图对本发明进行了描述，但仅仅是示意性的，而不是限制性的，本发明所属领域的技术人员在本发明的指导下做出的不脱离本发明宗旨的改动及变形，均属于本发明的保护之内。
1.一种基于近场声悬浮原理的盘片非接触吸附装置，其特征在于：包括超声振动组件、吸盘和盘片，超声振动组件同轴安装在吸盘上，盘片(11)置于吸盘的正下方；吸盘包括固定盘(5)、导流盘(6)、连接螺钉(7)、橡胶钉(8)和导气柱(10)；橡胶钉(8)通过螺纹安装在固定盘(5)正面，并露出橡胶钉(8)的端面；固定盘(5)正面中心设有凹槽(51)，导流盘(6)安装在凹槽(51)中，凹槽(51)的槽壁面设置为外凸的弧形，凹槽(51)槽底面中心设有固定盘阶梯孔(52)，固定盘(5)上设有螺纹孔(53)，导气柱(10)通过螺纹安装在螺纹孔(53)处；
导流盘(6)背面开设有环形槽(61)，环形槽(61)中间形成了圆形凸台(62)，圆形凸台(62)的中心开设有通孔的导流盘阶梯孔(63)，环形槽(61)的槽底面为向中心内凹倾斜的锥面，导流盘(6)外侧面为向内凹的弧形，导流盘(6)向内凹的弧形与凹槽(51)外凸的弧形相吻合，超声振动组件安装在吸盘的固定盘(5)的背面。
2.根据权利要求1所述的一种基于近场声悬浮原理的盘片非接触吸附装置，其特征在于：所述的超声振动组件包括压电陶瓷(3)、铜片(2)、连杆(1)和变幅杆(4)，压电陶瓷(3)和铜片(2)交替的套装在连杆(1)上；变幅杆(4)包括外径不同的两个圆柱，外径不同的两个圆柱之间形成凸台，大圆柱轴心的上端面和小圆柱轴心的下端面均设有螺纹孔，连杆(1)穿过交替套装的压电陶瓷(3)和铜片(2)后螺纹连接到变幅杆(4)大圆柱上端面的螺纹孔中，从而将压电陶瓷(3)和铜片(2)压紧在变幅杆(4)的大圆柱上端面上；连接螺钉(7)依次穿过导流盘(6)、固定盘(5)后连接到变幅杆(4)的小圆柱下端面的螺纹孔中，从而使得变幅杆(4)通过连接螺钉(7)固定在吸盘的背面。
3.根据权利要求1所述的一种基于近场声悬浮原理的盘片非接触吸附装置，其特征在于：所述的凹槽(51)和环形槽(61)之间形成环状空腔作为气体的缓冲腔(12)，缓冲腔(12)底面为向内侧倾斜的锥面，缓冲腔(12)上方与导气柱(10)连通；凹槽(51)外侧面和导流盘(6)外侧面之间形成环状弧形间隙(13)，环状弧形间隙(13)上端与缓冲腔(12)外侧上方连通，环状弧形间隙(13)下端连通到外界大气。
4.根据权利要求3所述的一种基于近场声悬浮原理的盘片非接触吸附装置，其特征在于：所述的盘片(11)置于吸盘的固定盘(5)的正下方，压缩气体从导气柱(10)流入缓冲腔(12)经环状弧形间隙(13)流出，在盘片(11)上方形成伯努利效应产生负压区吸附盘片(11)，超声振动组件的超声振动经放大后传递到吸盘表面，形成近场声悬浮效应，对吸附在下方的盘片(11)产生排斥力，改善盘片(11)的受力均匀性。
5.根据权利要求2所述的一种基于近场声悬浮原理的盘片非接触吸附装置，其特征在于：所述的导流盘阶梯孔(63)的大孔外径小于圆形凸台(62)的外径，圆形凸台(62)的外径等于固定盘阶梯孔(52)大孔的外径，圆形凸台(62)和固定盘阶梯孔(52)采用间隙配合，连接螺钉(7)依次穿过导流盘阶梯孔(63)和固定盘阶梯孔(52)通过螺纹与变幅杆(4)的小圆柱下端面连接，将导流盘(6)和固定盘(5)、固定盘(5)和变幅杆(4)夹紧固定，使得导流盘(6)的正面和固定盘(5)正面位于同一平面，连接螺钉(7)不超出导流盘(6)的正面。
6.根据权利要求2所述的一种基于近场声悬浮原理的盘片非接触吸附装置，其特征在于：所述的压电陶瓷(3)、铜片(2)和拉杆(1)之间设有绝缘套筒(9)，使得压电陶瓷(3)、铜片(2)和拉杆(1)之间用绝缘套筒(9)隔开，套筒(9)的长度小于压电陶瓷(3)和铜片(2)的总厚度。
7.根据权利要求2所述的一种基于近场声悬浮原理的盘片非接触吸附装置，其特征在于：相邻所述的压电陶瓷(3)的极化方向相反，相邻的压电陶瓷(3)用铜片(2)隔开，铜片(2)和压电陶瓷(3)通过焊接连接，压电陶瓷(3)串联后与超声电源连接。
技术总结