应用于硅片传输机器人的磁流体密封研究

摘要

集成电路(IC)产业的快速发展对硅片传输机器人工作环境的洁净度及真空度提出了更高的要求。与传统机械密封相比，磁流体密封具有气密性高、低功耗、无污染、寿命长等特点，能够满足真空硅片加工环境的密封要求。因此，研究应用于真空硅片传输机器人的磁流体密封技术及设计方法具有重要意义。
　　 本文分析了国内外硅片传输机器人和磁流体密封技术的发展和研究现状。根据磁流体力学理论推导出了磁流体密封的耐压公式，得出合理设计磁流体密封结构参数以提高密封间隙内的磁场梯度是增强磁流体密封耐压能力的关键。建立了双轴磁流体密封结构的磁场分析模型，利用ANSYS有限元分析软件求解了密封结构的非线性磁场分布情况，得到了内、外轴密封间隙内磁感应强度分析结果。以此为基础，分析了密封结构参数对密封压差的影响情况，指出了双轴磁流体密封结构中影响密封压差的重要结构参数的最优取值区间。根据双轴磁流体密封结构参数设计的已有结论，结合硅片传输机器人的结构特点，设计了一种具有双轴磁流体密封结构的硅片传输机器人；依据三轴磁流体密封相对于双轴磁流体密封的径向扩展性及结构相似性，设计了一种具有三轴磁流体密封结构的硅片传输机器人。以上两种机器人均具备R、θ及Z等三个自由度，能在保证硅片制造环境真空度及洁净度的同时满足硅片传输的动作要求。设计并搭建了三轴磁流体密封实验台，经实验测试得出本文所研究设计的应用于硅片传输机器人三轴磁流体密封装置的静密封耐压能力约为2.3个大气压，动密封耐压能力在转轴速度为200-300r/min时接近静密封耐压值，从而验证了三轴磁流体密封结构设计的正确性以及应用于硅片传输机器人的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 论文选题背景及课题来源

1.2 国内外硅片传输机器人的发展及研究现状

1.2.1 国外硅片传输机器人研究现状

1.2.2 国内硅片传输机器人的研究现状

1.3 国内外磁流体密封技术的发展与研究现状

1.3.1 国外磁流体密封技术的研究现状

1.3.2 国内磁流体密封技术的研究现状

1.3.3 磁流体密封技术目前存在的问题

1.4 论文主要研究内容

1.5 本章小结

2 磁流体及其密封理论

2.1 磁流体的组成、特性及应用

2.1.1 磁流体的组成及制备

2.1.2 磁流体的主要特性

2.1.3 磁流体的典型应用

2.2 磁流体密封的原理及特点

2.3 磁流体密封理论分析与耐压公式推导

2.3.1 磁流体的磁体积力推导

2.3.2 磁流体的Bernoulli方程

2.3.3 磁流体静密封耐压公式

2.3.4 磁流体动密封耐压公式

2.4 本章小结

3 双轴磁流体密封结构设计

3.1 有限元计算方法

3.2 ANSYS软件介绍

3.3 双轴磁流体密封结构的磁场计算

3.3.1 磁场求解

3.3.2 结果分析

3.4 双轴磁流体密封结构参数设计

3.4.1 永磁体参数设计

3.4.2 磁极齿形参数设计

3.4.3 外轴及导磁套参数设计

3.4.4 内、外永磁体轴向相对位置的设计

3.5 本章小结

4 具有双轴磁流体密封结构的硅片传输机器人设计

4.1 双轴磁流体密封硅片传输机器人设计方案

4.1.1 机器人手臂设计方案

4.2 双轴磁流体密封装置设计

4.3 双轴磁流体密封硅片传输机器人结构设计

4.4 本章小结

5 具有三轴磁流体密封结构的硅片传输机器人设计

5.1 三轴磁流体密封硅片传输机器人设计方案

5.2 三轴磁流体密封装置设计

5.3 三轴磁流体密封硅片传输机器人结构设计

5.3.1 机器人结构组成

5.3.2 机器人运动实现

5.4 本章小结

6 三轴磁流体密封实验研究

6.1 三轴磁流体密封实验台设计

6.1.1 三轴磁流体密封装置设计

6.1.2 驱动装置的设计

6.2 应用于硅片传输机器人的三轴磁流体密封装置实验研究

6.2.1 三轴磁流体密封装置静密封实验测试

6.2.2 三轴磁流体密封装置动密封实验测试

6.3 磁流体密封结构参数对密封压差影响实验研究

6.3.1 永磁体厚度对密封性能的影响

6.3.2 极齿宽度对密封性能的影响

6.3.3 密封间隙对密封性能的影响

6.4 本章小结

结 论

参考文献

附录A《一种真空机器人》专利受理书

攻读硕士学位期间发表学术论文及申报专利情况

致 谢