ЭКУ с полуироводящей подложкой

В производстве приборостроения используются электростатические крепежные устройства для проводящих и полупроводящих объектов, содержащие корпус с полупроводящей плоской плитой, снабженной двумя электродами, расположенными по обеим плоским сторонам плиты, и источника постоянного высокого напряжения (аналог рис. 12.1 без диэлектрического слоя 3). На свободной поверхности плиты нанесен один из электродов в виде полоски или серии полос для контакта с закрепляемой деталью. Закрепление детали производится на этой поверхности путем подключения к электродам внешнего источника напряжения, т. е. между деталью и плитой возникают сила электроадгезионного взаимодействия и деталь прочно притягивается (закрепляется) на плите. При отключении источника питания электроды закорачиваются и деталь открепляется. Однако такое ЭКУ обладает малым быстродействием (~ 10…20 с) из-за длительного времени релаксации остаточного заряда емкости на межфазной электроадгезионной границе деталь — плита.

На основе описанного принципа построен схват манипулятора автоматизированных линий для переноса и укладки деталей при сборке приборов, в котором с помощью электронной схемотехники удается увеличить его быстродействие.

В качестве типичного примера устройства ЭКУ с полупроводящей подложкой можно рассматривать манипулятор для ручного переноса элементов микроприборов.

На рис. 12.13 представлен общий вид (а) устройства ручного манипулятора и его электрическая схема (б) электронной компенсации остаточного заряда на электроадгезионной границе объект-подложка.

Манипулятор (рис. 12.13, а) состоит из полого диэлектрического корпуса 1 с наконечником 2, который снабжен двумя электродами 3, 4. Внутри корпуса расположена система питания, включающая в себя коммутатор 5, накопительный конденсатор

Рис. 12.13.

б, диод 7, резисторы 8, 9, контактный разъем 10. Вне корпуса расположены источник высокого напряжения 11 и закрепляемая деталь 12. Для увеличения быстродействия, система питания содержит накопительный конденсатор 6, два резистора 8 и 9, а также диод 7, причем накопительный конденсатор 6 включен между выходом коммутатора и первым электродом 3 наконечника, резисторы 8 и 9 соединены последовательно и подключены к выходу коммутатора 5 и второму электроду наконечника 4, а диод 7 соединен с первым электродом 3 наконечника и общим соединением резисторов. Электроды 3 и 4 выполнены из полупроводящего композиционного материала, которые расположены в одной плоскости в виде планарного конденсатора.

В процессе работы с манипулятором оператор подносят к объекту захвата плоскость электродов 3 и 4 так, чтобы она прилегала к закрепляемой поверхности детали 12. Далее нажатием кнопки коммутатора 5 на электроды 3 и 4 подается высокое постоянного напряжение от источника 11, что приводит к закреплению и удержанию детали на полуироводящих электродах за счет пондеромоторных сил электростатического поля между объектом и электродами. Одновременно накопительный конденсатор 6 заряжается через нагрузочные резисторы 8 и 9 и диод 7.

Рис. 12.14. График зависимости спада усилия закрепления F_a образца кремниевой пластины (рис. 12.12) после отключения внешнего источника питания U₀ в манипуляторе: 1 — без электронной схемы компенсации остаточного заряда и 2 — при наличии схемы.

Открепление детали 12 производится путем разрыва цепи питания источника 11 коммутатором 5. При этом накопительный конденсатор 6 разряжается через цепь резисторов цепи на электроды 3 и 4 в противофазе разности потенциалов емкости электроадгезионной границы образованной электродами и закрепленной деталью.

На рис. 12.14 представлены график зависимости спада остаточного усилия закрепления F_a детали в ручном манипуляторе после отключения внешнего источника напряжения U_a.

Таким образом компенсация остаточного заряда в контактной области электроадгезионного соединения осуществляется накопленными зарядами в конденсаторе 6 противоположной полярности вследствие чего усилие закрепления F_a падает практически мгновенно, т. е. наличие электронной схемы компенсации (б) существенно увеличивает быстродействие ручного манипулятора.

Оптимальное условие работы электронной схемы компенсации заряда обеспечивается при R_t «R_d «R, где R, — эквивалентное сопротивление между электродами наконечника с закрепленной деталью; R, — обратное сопротивление диода; R — сопротивление резисторов 8 и 9.

В ЭКУ с полупроводящей подложкой развиваемое усилие закрепления F_a электропроводящих плоских деталей типа пластин кремния, арсенида галлия, пленок пермаллоя, бериллиевой бронзы и др., зависит от степени обработки контактирующих поверхностей и не превышает ~ 1,0 кПа, что ограничивает область их применения.