磁力悬浮的悬浮力来源于由磁铁产生的电磁场,如图所示。磁铁包括永磁铁,电磁铁和超导磁铁。此悬浮的方法是有限制的,只能以高的磁性和低温的环境。磁力悬浮包括两种要形式:电磁系统(EMS)和电力学系统(EDS)。
磁悬浮原理示意图
电磁石和铁磁体之间产生的吸附力称为电磁系统,不稳定的平衡位置需要闭环控制才可以保证系统的稳定性。电力学系统是由导体中涡电流产生,电场诱发
了随时间变化的涡电流。首先,超导磁铁和固定导轨之间的铁磁相互作用组成电力学系统,电场时间变化是由超导磁铁和铁磁体间的位移变化而引起的。排斥力需要辅助装置以维持稳定的需要。
2、静电悬浮
原理如图所示,此技术可以直接应用于绝缘体、半导体、导体等粒子上。静电悬浮系统中,静电场可以吸取微小物体,然而在高电场中可以吸住导体和绝缘体,也可以利用感应极化效应去使不带电粒子悬浮。然而,这种吸附是不稳定的,需要闭环回路来保持稳定,但静电悬浮稳定性只能在低温度中维持,因为温度过高使静电荷无法保持,还会随着时间的流失而衰减:此外,这个系统只能被用于悬浮较小的物品(小于200um的)
静电悬浮原理示意图
3.光学悬浮
原理如图所示,由Ashkin首先发现,可见光的辐射压力可以悬浮和加速微粒。主要问题是热量变化是由周围介质的温度变化所引起的,热量变化导致吸附力小,夹持从而不稳定。
光学悬浮原理示意图
4、超声波悬浮
超声波悬浮是高声强条件下的一种非线性效应,其基本原理示出两种形式的超声波作用对象是被夹持物,称为驻波悬浮和近场悬浮利用物体与驻波之间的相互作用以克服物体的重量,水平定位力而将物体固定在声压波处。此悬浮的缺点是导致悬浮物质量小,这就需要回路进行控制。
超声波悬浮原理示意图
5、空气动力学悬浮
空气动力的悬浮介质为气体,由气体流动方向不同分为两种:气动悬浮和伯努利悬浮,如图所示。
空气动力学悬浮原理示意图
空气悬浮,加持装置的上方必须是悬浮物,压缩气体通过气体喷嘴作用在悬浮物的上面,非接触夹持的实现是气体对工件的重力和对悬浮物的排斥力保持平衡。
伯努利悬浮中,喷嘴下面置于被夹持物,压缩气体通过喷嘴被夹持物体表面,并呈射线状放出。如果被夹持对象和喷嘴之间的间隙过小,散射气流会因为截面面积减小而速度增加,因为根据伯努利原理可知,动压降低,从而能吸附被夹持物。间隙过大会使被夹持物吹开排斥力。间隙过小,气体不流动导致吸力变小。所以被夹持物一定要保持在一个平衡位置上。
1.2.2 非接触夹持方式的优点
利用空气动力学原理实现非接触物体的运输和夹持过程,其独特的优势:
1、非接触夹持对物体的形状、材料限制比较低,所以适用于大直径的夹持要求。
2、气动装置的工作介质为气体,对环境污染小,符合环境清洁和洁净性能的要求。
3、非接触夹持避免与对象表面的接触,所以表面产生的划痕可能性会大大降低,这对于需要经过数百个处理加工过后的硅来说,极大的提高了成品率,降低了成本。
4、减少了晶片翘曲,表面残留污点等缺陷的发生。
目前使用伯努利原理发展气悬浮非接触夹持装置在工业上实际应用逐渐得到发展,但由于气体的消耗过大,具有较大的管道以及随之而来的功率损耗噪声,限制了它的优点。为了克服这些缺点,这需要不停的进行改进。