懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其包括：電路襯底，所述襯底的至少第一層中具有導(dǎo)電走線，所述走線布置在獨(dú)立區(qū)域中；位于所述電路襯底的表面上的抗磁層；鄰近磁層的至少兩個(gè)機(jī)械臂，所述機(jī)械臂可以在所述區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，所述機(jī)械臂具有磁性并且可由磁場控制；以及電耦合到所述走線的控制器，所述控制器經(jīng)布置以產(chǎn)生信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生磁場。
【專利說明】懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮有許多可能的應(yīng)用。授予普爾蘭(Pelrine)的標(biāo)題為“磁懸浮設(shè)備(Magnetically Levitated Apparatus)”的第5，099, 216號(hào)美國專利論述了磁懸浮機(jī)器人機(jī)械臂。這些機(jī)械臂附接有磁致激活的部件,例如,永磁體,而由電磁體產(chǎn)生的磁場會(huì)對這些部件施加磁力。該論述還解決了機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和阻尼問題，其中機(jī)械臂可以六個(gè)自由度移動(dòng)。
[0003]授予普爾蘭的標(biāo)題為“磁場懸浮(Magnetic Field Levitation)”的第5，396，136號(hào)美國專利論述了磁性構(gòu)件的使用，所述磁性構(gòu)件具有磁體陣列，以及導(dǎo)磁率小于一的抗磁材料或其他材料?？勾挪牧嫌米鹘缍ㄌ囟▍^(qū)域的基礎(chǔ)，在所述區(qū)域上磁性構(gòu)件可以懸浮起來,并且可以由外部磁力移動(dòng)。
[0004]這些方法通常依靠電磁體陣列來提供磁場，以作用于磁機(jī)器人上。電磁體陣列確定出這些機(jī)器人可以由電磁體產(chǎn)生的場加以控制的區(qū)。盡管這些陣列能對機(jī)器人進(jìn)行合理精確的控制，但這些陣列仍然需要電磁體來提供作用于機(jī)器人的外力。標(biāo)題為“微實(shí)驗(yàn)室裝置和方法(Microlaboratory Devices and Methods)” 的第 6，858，184 號(hào)美國專利中論述了另一種方法，該方法將內(nèi)部具有偏置元件的襯底與所述襯底上方的驅(qū)動(dòng)元件陣列結(jié)合使用。這些驅(qū)動(dòng)元件使磁性元件在這些驅(qū)動(dòng)元件與所述襯底之間的空間中移動(dòng)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種與現(xiàn)有技術(shù)相比具有不同結(jié)構(gòu)的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)。
[0006]上述目的是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]1.一種懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng),其包括:
[0008]電路襯底，所述襯底的至少第一層中具有導(dǎo)電走線，所述走線布置在獨(dú)立區(qū)域中；
[0009]位于所述電路襯底的表面上的抗磁層；
[0010]鄰近磁層的至少兩個(gè)機(jī)械臂，所述機(jī)械臂可以在所述區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，所述機(jī)械臂具有磁性并且可由磁場控制；以及
[0011 ] 電耦合到所述走線的控制器，所述控制器經(jīng)布置以產(chǎn)生信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生磁場。
[0012]通過對電路襯底中各走線中的電流加以控制，可以使機(jī)械臂移動(dòng)并且執(zhí)行任務(wù)。通過將機(jī)械臂、電路襯底以及控制電流的施加的控制器組合起來，可以協(xié)調(diào)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，以執(zhí)行有用的任務(wù)。
[0013]下列技術(shù)方案是優(yōu)選的:
[0014]2.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電走線形成重復(fù)模式，所述重復(fù)模式經(jīng)配置以允許將正交驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加給所述機(jī)械臂。
[0015]3.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述電路襯底具有多層導(dǎo)電走線，每層都具有導(dǎo)電走線模式。
[0016]4.根據(jù)技術(shù)方案3所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括跳線，從而連接不同組的跳線導(dǎo)致不同的導(dǎo)電走線模式之間形成連接。
[0017]5.根據(jù)技術(shù)方案3所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中與距離所述電路襯底的第一表面較近的層相比，距離所述襯底的第一表面較遠(yuǎn)的層配置成用更高的電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0018]6.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電走線形成以下項(xiàng)之一的重復(fù)模式:通路模式、轉(zhuǎn)子模式、圓形模式，以及柵格模式。
[0019]7.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電走線以平行線路模式形成于至少兩個(gè)分開的層中。
[0020]8.根據(jù)技術(shù)方案7所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述平行線路模式包括交錯(cuò)模式。
[0021]9.根據(jù)技術(shù)方案8所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述交錯(cuò)模式包括具有兩個(gè)交錯(cuò)模式的第一導(dǎo)電層，其中第二平行線路模式在第一方向上相對于第一平行線路模式空間偏移。
[0022]10.根據(jù)技術(shù)方案9所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述第二平行線路模式相對于所述第一平行線路模式空間偏移了所述第一平行線路模式中的走線到走線距離的一半。
[0023]11.根據(jù)技術(shù)方案7所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括具有通路的第二層，所述通路經(jīng)布置以在特定區(qū)域從所述第一層中引出連接，否則在所述特定區(qū)域中，所述第一和第二平行線路模式會(huì)發(fā)生接觸。
[0024]12.根據(jù)技術(shù)方案11所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括第三層，所述第三層具有相對所述第一和第二平行線路模式旋轉(zhuǎn)九十度的第三和第四平行線路模式，所述第四平行線路模式相對于第三平行線路模式空間偏移。
[0025]13.根據(jù)技術(shù)方案7所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電走線布置成之字形模式。
[0026]14.根據(jù)技術(shù)方案13所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述之字形模式包括:
[0027]位于所述電路襯底的第一層中的第一之字形模式；
[0028]位于所述電路襯底的第二層中的第二之字形模式，所述第二之字形模式在第一方向上相對于所述第一之字形模式空間偏移；
[0029]位于所述電路襯底的第三層中的第三之字形模式，所述第三之字形模式相對于所述第一之字形模式旋轉(zhuǎn)九十度；以及
[0030]位于所述電路襯底的第四層中的第四之字形模式，所述第四之字形模式在第二方向上相對于所述第三之字形模式空間偏移。
[0031]15.根據(jù)技術(shù)方案14所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)子模式，所述轉(zhuǎn)子模式的角與所述第一之字形模式的交替角對準(zhǔn)。
[0032]16.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括位于所述抗磁層上的電流阻尼層。
[0033]17.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括布置成與所述電路襯底的第一層相鄰的機(jī)械止動(dòng)件。
[0034]18.根據(jù)技術(shù)方案17所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述機(jī)械止動(dòng)件位于所述抗磁層上的電流阻尼層上。
[0035]19.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括至少一個(gè)傳感器。
[0036]20.根據(jù)技術(shù)方案19所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電走線包括與所述傳感器電耦合的至少一個(gè)導(dǎo)電走線，所述傳感器配置成以電感方式感測至少一個(gè)機(jī)械臂的位置。
[0037]21.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括第二電路襯底，其中所述信號(hào)經(jīng)配置以使至少一個(gè)機(jī)械臂從所述第一電路襯底移動(dòng)到所述第二電路襯底。
[0038]22.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括位于所述電路襯底的所述第一表面上的拋光表面，所述機(jī)械臂經(jīng)布置以在所述拋光表面上移動(dòng)。
[0039]23.根據(jù)技術(shù)方案22所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述拋光表面的粗糙度低于所述機(jī)械臂的懸浮距離。
[0040]24.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述電路襯底包括經(jīng)配置以控制所述走線中的電流的電氣部件。
[0041]25.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述機(jī)械臂經(jīng)配置以排斥同一運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)的其他機(jī)械臂。
[0042]26.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述機(jī)械臂具有零凈磁偶極矩。
[0043]27.根據(jù)技術(shù)方案I所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述機(jī)械臂包括中心磁體，所述中心磁體的外側(cè)上具有對消極，經(jīng)配置以使所述機(jī)械臂的磁矩為零并且排斥其他機(jī)械臂。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]圖1示出磁懸浮機(jī)械臂系統(tǒng)的側(cè)視圖。
[0045]圖2示出具有磁體陣列的機(jī)械臂的一個(gè)實(shí)施例。
[0046]圖3示出磁懸浮機(jī)械臂系統(tǒng)的電路襯底的側(cè)視圖。
[0047]圖4至圖6示出用于產(chǎn)生磁場的走線模式(trace pattern)的一個(gè)實(shí)施例。
[0048]圖7和圖8不出用于產(chǎn)生磁場的走線模式的一個(gè)替代實(shí)施例。
[0049]圖9至圖12示出用于產(chǎn)生磁場的走線模式的替代實(shí)施例。
[0050]圖13和圖14示出用于產(chǎn)生磁場的轉(zhuǎn)子走線模式的一個(gè)實(shí)施例。
[0051]圖15A至圖15D示出具有控制模式的電路襯底。
[0052]圖16示出懸浮微工廠的一個(gè)實(shí)施例。
[0053]圖17示出之字形模式中的機(jī)械臂橫穿區(qū)域的一個(gè)實(shí)施例。
[0054]圖18至圖19示出柵格模式中的各區(qū)域中的邊界和電流的實(shí)施例。
[0055]圖20示出用于懸浮機(jī)械臂系統(tǒng)中的走線的驅(qū)動(dòng)電路。
[0056]圖21至圖28示出微工廠系統(tǒng)配置的實(shí)施例。
[0057]圖29和圖30示出末端執(zhí)行器(end effector)的實(shí)施例。
[0058]圖31示出適用于重力輔助傾斜的末端執(zhí)行器的一個(gè)實(shí)施例。[0059]圖32不出多襯底的磁懸浮機(jī)械臂系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
[0060]圖33示出具有柔性電路襯底的磁懸浮機(jī)械臂系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0061]圖1示出懸浮機(jī)械臂系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。該系統(tǒng)具有電路襯底12，所述電路襯底中存在電路走線16和22，以用于攜載電流。在該實(shí)例中，電路走線22攜載電流或通電。該電流在走線22中行進(jìn)，電流方向垂直于頁面并指向頁面。所得磁場作用于磁體18，所述磁體也稱為機(jī)械臂。機(jī)械臂18將移動(dòng)到位置20，以將機(jī)械臂的磁偶極矩或磁化作用與通電走線22所產(chǎn)生的場對準(zhǔn)。在圖2中，磁體18具有水平向右的磁化作用。該磁化作用也可以在不同的方向上，例如，垂直向上或向下，在這種情況下，所述磁化作用仍然將對通電走線22作出響應(yīng)，但會(huì)相對于通電走線22而停止在不同的平衡位置(以便與走線22的垂直場而非水平場對準(zhǔn))。電路襯底12可以包括機(jī)械止動(dòng)件，例如15，所述機(jī)械止動(dòng)件允許磁體機(jī)械地停止在所需位置，從而可以簡化控制。電路襯底12也可以包括傳感器，例如17，所述傳感器使用電感反饋、光學(xué)傳感等來感測機(jī)械臂的位置。例如，光學(xué)傳感可以用襯底層中的光學(xué)傳感器來實(shí)現(xiàn)，所述襯底帶有孔以允許光到達(dá)傳感器，如傳感器19所示。當(dāng)磁體或機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的一部分跨過所述孔而使光線中斷時(shí)，光學(xué)傳感器將作出響應(yīng)。
[0062]抗磁層14界定了機(jī)械臂將懸浮起來的區(qū)域下限，所述區(qū)域會(huì)產(chǎn)生升力以使機(jī)械臂18懸浮。通過對電路襯底12中各走線中的電流加以控制，可以使機(jī)械臂移動(dòng)并且執(zhí)行任務(wù)。通過將機(jī)械臂、電路襯底以及控制電流的施加的控制器組合起來，可以協(xié)調(diào)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，以執(zhí)行有用的任務(wù)。有可能執(zhí)行各種實(shí)際任務(wù)，包括運(yùn)輸材料(固體材料和液體材料)、通過應(yīng)用粘合劑和其他工藝來組裝材料、將材料分類、對材料性質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制評估。這些以及其他類似的獨(dú)立任務(wù)都稱為單元操作。
[0063]此外，有可能在系統(tǒng)水平上實(shí)現(xiàn)較高級(jí)的協(xié)調(diào)和控制，從而制造出復(fù)雜的部件，或產(chǎn)生某個(gè)其他有用的工業(yè)過程。這種協(xié)調(diào)類似于全面工廠自動(dòng)化，只是在此處所論述的實(shí)施例是實(shí)現(xiàn)于微小尺寸下。該協(xié)調(diào)機(jī)械臂的完整系統(tǒng)為懸浮機(jī)械臂的微工廠，或懸浮微工廠。懸浮微工廠的實(shí)例將在稍后參考圖16來論述。
[0064]機(jī)械臂通常由布置在一起的一個(gè)或多個(gè)磁體組成。在一個(gè)實(shí)施例中，所述機(jī)械臂由一個(gè)中心磁體和四個(gè)外部磁體組成。這些磁體的磁極和布置可以實(shí)現(xiàn)許多效果。例如，所述機(jī)械臂可以經(jīng)配置以排斥同一運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)的其他機(jī)械臂，例如，外側(cè)具有對消極(canceling pole)的中心磁體經(jīng)配置以使機(jī)械臂的磁矩為零，并且排斥其他類似配置的機(jī)械臂。作為上述內(nèi)容的替代或補(bǔ)充，機(jī)械臂可以具有零凈磁偶極矩，以減少與較大的外部磁場(例如，地球磁場)相互作用。懸浮時(shí)，機(jī)械臂可以六個(gè)自由度移動(dòng)，其中三個(gè)沿著x、y和z軸平移,另外三個(gè)以俯仰(pitch)、偏轉(zhuǎn)(yaw)以及滾動(dòng)(roll)的方式旋轉(zhuǎn)。
[0065]在圖2所示的一個(gè)實(shí)施例中，機(jī)械臂可以由磁體陣列組成。在圖2的實(shí)施例中，帶北極的中心磁體為I X Imm,而南極對消磁體為1X0.25mm。在一個(gè)實(shí)施例中，I X Imm和1X0.25mm的磁體均厚0.4mm。這些磁體可以是用環(huán)氧樹脂等粘合起來的50級(jí)釹鐵磁體。該特定配置僅僅用作一個(gè)實(shí)例。在替代配置中，例如，中心磁體同樣可以為lXlmm，而4個(gè)對消磁體為0.75X0.33mm。在一個(gè)實(shí)施例中，所述I X Imm和四個(gè)0.75X0.33mm的磁體均厚0.4mm?？梢孕纬珊褪褂迷S多種陣列，例如，無凈磁矩的棋盤幾何形狀。九磁體棋盤陣列具有凈磁矩，并且將排斥類似定向的九磁體陣列。磁屏蔽也可以將機(jī)械臂與機(jī)械臂的磁相互作用降至最小，從而允許緊密布置這些機(jī)械臂。
[0066]例如，磁體陣列也可以使用棒和線等剛性輕質(zhì)材料通過粘合劑進(jìn)行連接。連接起來的機(jī)械臂的磁性行為取決于連接件的性質(zhì)(剛性或柔性)，以及一個(gè)陣列相對于另一個(gè)陣列的位置。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，使用圖2所示磁性配置的第一陣列使用0.3mm的石墨棒通過腈基丙烯酸鹽粘合劑而剛性連接到第二相同陣列，使得這兩個(gè)陣列的底部平行。這兩個(gè)陣列均以與該實(shí)施例相同的方式定向，并且剛性連接的偏移距離經(jīng)過選擇，以使得這兩個(gè)陣列從如下所述的那些重復(fù)走線模式中獲得相同的磁力。
[0067]這些機(jī)械臂對電路襯底上的走線中的電流所產(chǎn)生的磁場作出反應(yīng)而移動(dòng)。電路襯底可以由許多替代物中的一者組成，包括印刷電路板、陶瓷襯底、半導(dǎo)體片等。(本專利)并不意圖對電路襯底限制和隱含限制于任何特定的配置或材料。圖3示出此類襯底的一個(gè)實(shí)施例。在此實(shí)施例中，電路襯底12具有四個(gè)導(dǎo)電走線(通常為銅)層32、30、28和26，它們由絕緣層(例如36)分隔開。絕緣層36通常具有最小厚度，并且層32至26的整個(gè)區(qū)域也具有最小厚度。下層通常具有較低增益，其中增益定義為在單位電流下在導(dǎo)電層24的頂部表面處產(chǎn)生的磁場梯度。永磁體，且因此機(jī)械臂，由磁場梯度移動(dòng)。根據(jù)需要，可以增加下方走線中的電流補(bǔ)償其中的較低增益。
[0068]例如，在一個(gè)實(shí)施例中，絕緣層36厚0.002〃，而導(dǎo)電層32、30、28和26使用厚
0.0028〃的銅(在印刷電路板工業(yè)中，有時(shí)稱為2盎司銅)。在此實(shí)施例中，走線寬度通常為
0.010〃寬，且層26、28、30和32中的電流分別為0.25A、0.33A、0.48A和0.70A。如下所述，類似大小的負(fù)電流可以用于正交驅(qū)動(dòng)，以移動(dòng)機(jī)器人。當(dāng)然可以使用其他電流值，而且可以使用較高的電流來產(chǎn)生較大的力，而較低的電流則會(huì)減少加熱，并且使機(jī)器人更可能懸浮在表面上方,而非沿著表面滑動(dòng)。
[0069]底部電路層32與連接層34之間存在較大的絕緣層38。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，內(nèi)絕緣層38的厚度為I毫米或更大。連接層34經(jīng)由穿過內(nèi)絕緣層38以及走線之間和襯底上部區(qū)域中的絕緣層的通路而連接到導(dǎo)電走線層。在一個(gè)實(shí)施例中，通路連接布線到板的邊緣。
[0070]抗磁層14位于電路襯底12的第一表面上。如上所論述，所述抗磁層提供升力，以使機(jī)械臂懸浮起來。為了對致使機(jī)械臂移動(dòng)的場進(jìn)行更精確的控制，可以在抗磁層上方布置導(dǎo)電層24，以提供渦流阻尼。與具有各種走線模式的內(nèi)導(dǎo)電層不同，電流阻尼層通常完全覆蓋住抗磁層?？勾艑?4和導(dǎo)電層24的厚度取決于機(jī)械臂和磁體的大小，較大的機(jī)械臂和磁體通常需要較厚的層。
[0071]在使用圖2所示的磁性陣列的一個(gè)實(shí)施例中，其中所述磁性陣列具有1x1x0.4mm的中心磁體和0.75x0.33x0.4的外部磁體,抗磁層14是使用0.5mm厚的拋光熱解石墨片制成的，而導(dǎo)電層是約0.012mm厚的拋光銅。在一些實(shí)施例中，機(jī)械臂并不完全懸浮于抗磁層和導(dǎo)電層上方，而是在表面上滑動(dòng)。在使用滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的其他實(shí)施例中，甚至可以取消抗磁層。然而，即使在機(jī)械臂不懸浮時(shí)，抗磁層14也施加抗磁力，以將機(jī)械臂推離表面，從而通過減小法向力來減小有效摩擦，即使在滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的情況下也如此。在一個(gè)實(shí)施例中，抗磁石墨的第二極薄層(0.025mm厚)(未圖示)位于導(dǎo)電層24的頂部，以進(jìn)一步減小摩擦。
[0072]盡管圖1和圖3示出了相對平坦的電路襯底12，但應(yīng)理解，電路襯底12可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的電路制造方法彎曲成凹面、凸面，或其他復(fù)雜形狀。例如，電路襯底12可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的柔性電路制造工藝制成，或者可以使用噴墨印刷電路等工藝直接在彎曲物體上制成。在一些情況下，絕緣層38可以極薄或完全被消除，以提高電路的機(jī)械靈活性。在一些實(shí)施例中，也可以取消連接層34，使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的通路和接觸墊連接磁致激活區(qū)的一側(cè)。
[0073]為了使用控制區(qū)域來控制機(jī)械臂，其中機(jī)械臂在這些控制區(qū)域的上方移動(dòng)，每層電路襯底都具有重復(fù)的走線模式，這些走線可以由通路連接起來或直接連接起來。圖4至圖6不出通路布局的一個(gè)實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，圖3中的層26,即,第一導(dǎo)電層具有兩個(gè)平行線路模式40和41，這兩個(gè)模式偏移了圖4所示的每個(gè)模式中的走線到走線距離的一半。例如，在所述模式中，第一平行線路模式中的走線之間具有Imm間距，而第二平行線路模式相對于第一模式偏移0.5mmo盡管在所述模式中，線路的末端連接到模式中的下一根線路或多根線路，但是此模式中的大部分走線長度都是由平行線路組成的。
[0074]諸如43等通路用于在某些點(diǎn)處橫穿到圖3的第二層28中，否則在這些點(diǎn)處，兩個(gè)模式會(huì)在層26中接觸。這些通路形成一種‘地道’，以允許走線41保持它們的模式，但是避免與走線40接觸。圖4中的走線可以稱為X走線，因?yàn)樗鼈兺ǔＳ糜谠趫D中所示的X或水平方向上移動(dòng)機(jī)械臂。
[0075]圖5示出y或垂直運(yùn)動(dòng)方向上的類似模式，如圖為走線。圖3中的第二導(dǎo)電層28具有兩個(gè)平行線路模式44和46，這兩個(gè)模式彼此偏移走線間距離的一半。諸如48等通路提供對第一導(dǎo)電層26的連接，從而使用層I為平行線路模式44提供橫穿連接。圖6示出第一層和第二層的組合通路模式。盡管術(shù)語‘像素’通常是指‘圖像元素’，或圖像的最小部分，但是這些組合模式將稱為像素。它們通常布置成像素化模式，非常類似于顯示元素的那些模式。一個(gè)像素可以驅(qū)動(dòng)單個(gè)機(jī)械臂，或者如果所述像素足夠大，那么它可以平行地驅(qū)動(dòng)許多機(jī)械臂，其中該像素上的所有機(jī)械臂將同時(shí)一致移動(dòng)。
[0076]圖7至圖8示出用于產(chǎn)生磁場的走線模式的一個(gè)替代實(shí)施例。圖7示出X像素50，所述X像素使用與圖4至圖6所示的像素類似的偏移模式。然而，在這種情況下，用于X像素50的這兩個(gè)偏移模式位于分開的層中。這樣便消除了橫穿通路，但是需要更多層，因?yàn)閅像素也需要兩層以用于偏移模式，從而需使用四個(gè)導(dǎo)電層。
[0077]由于需要消除像素邊界處的一些場，因此可能需要X和Y模式的‘翻轉(zhuǎn)(flipped)’形式。例如，圖7示出類似于圖4的X像素50與垂直翻轉(zhuǎn)形式Xf52的組合。注意，在這些像素50與52之間的邊界處，這兩個(gè)像素的走線彼此非?？拷?，因?yàn)槊總€(gè)像素的平行線路模式必須水平轉(zhuǎn)動(dòng)一小段，以形成下一垂直走線。如果這些水平小段產(chǎn)生不合需要的磁場，那么它們可能會(huì)干擾垂直運(yùn)動(dòng)。然而，通過使像素50的水平段與像素52中的水平段非常靠近地排成行，但具有相反的電流，便可以在這兩個(gè)像素之間有效地消除水平段在X方向模式中產(chǎn)生不合需要的磁場。在圖的分解部分中，箭頭指示出不同走線中電流的方向，其中只示出了走線的頂層。如此處所示，垂直走線中的電流對準(zhǔn)，而水平走線中的電流在相反方向上行進(jìn)，從而它們之間發(fā)生對消。
[0078]類似地，與圖5所示類似的Y像素54具有翻轉(zhuǎn)形式Y(jié)f56。X+Y、X+Yf、Xf+Y以及Xf+Yf的這些變化合起來形成一個(gè)單元，該單元可以視為能在X和y方向上移動(dòng)機(jī)械臂的聚合像素。針對圖3中連接層34上的外部連接，通路可以用于穿過電路襯底進(jìn)行連接。該單元可以根據(jù)需要而平鋪在整個(gè)電路襯底中，以控制機(jī)械臂。底部連接層34上的外部連接適當(dāng)連接到電流源，所述外部連接可以提供電流，以驅(qū)動(dòng)像素中的走線。外部連接也可以通過跳線，以便將像素串聯(lián)或并聯(lián)連接起來，從而對各組像素進(jìn)行共同控制。這樣一來，穿過相應(yīng)走線的電流是相同的，或如果有必要，所述電流極性相反，具體取決于連接。
[0079]圖9至圖12示出走線模式的另一替代實(shí)施例。圖9示出驅(qū)動(dòng)走線的第一導(dǎo)電層中形成的對稱之字形線路模式70的一個(gè)實(shí)例。由之字形走線形成的之字形線路模式是對稱的，因?yàn)槟Ｊ絻?nèi)的局部正方形的高度和寬度L是相等的。局部正方形的角可能需要成一定角度，從而為模式中的其他正方形提供必要的間隙。第一層具有連接器，例如72。針對層2和層3使用相同的之字形線路模式，只是所述模式有所偏移。
[0080]例如，在圖10中，圖9的之字形線路模式70在走線層26 (見圖3)上重復(fù)。圖10中的模式74位于走線層28 (見圖3)上，它相對于之字形線路模式70水平偏移了正方形長度L (見圖9)的一半。在這些圖所示的之字形模式中，機(jī)械臂將在走線發(fā)生偏移的任何方向上移動(dòng)。這些走線實(shí)際上相對于圖10中所示的X和y方向以45度成之字形模式行進(jìn)。在先前圖4至圖8所示的平行線路模式中，機(jī)械臂將垂直于按順序啟動(dòng)的走線移動(dòng)，如下所述。相比之下，圖10所示的模式74與模式70 —起作用，將使機(jī)械臂在軸所示的X方向上移動(dòng)。圖11表明，之字形模式也已垂直偏移，稱為模式78。模式78與模式70—起作用，將使機(jī)械臂在軸所示的Y方向上移動(dòng)。
[0081]圖12示出所得模式。圖9的之字形線路模式70已在第二導(dǎo)電層和第三導(dǎo)電層中重復(fù)，但是偏移了由之字形走線形成的標(biāo)稱正方形的邊長的一半。例如，第二導(dǎo)電層中的模式74水平偏移了正方形長度的一半。第三導(dǎo)電層的模式78垂直偏移了正方形長度的一半。第二導(dǎo)電層和第三導(dǎo)電層分別具有自己的連接76和80，從而允許連接到電流源，以使模式中的走線通電。
[0082]也可以擴(kuò)展圖9中的基本模式且將其旋轉(zhuǎn)45度，以提供在機(jī)械臂懸浮時(shí)使它們旋轉(zhuǎn)的能力。圖13示出轉(zhuǎn)子模式82的一個(gè)實(shí)例。該模式可以位于層4中。圖14示出組合層以及從以下項(xiàng)中得到的模式:第一層中的模式70、第二層中的模式74、第三層中的模式78以及第四層中的轉(zhuǎn)子模式82。
[0083]在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子模式82與對稱的之字形線路模式70對準(zhǔn)，方法是使轉(zhuǎn)子模式82的正方形大小成為對稱的之字形線路模式中正方形的2°_5=1.414倍。在此實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子模式82將轉(zhuǎn)子模式82的方角(square corner)與對稱的之字形線路模式70中每隔一個(gè)對角線的方角對準(zhǔn)。在此實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子模式82和對稱的之字形線路模式70對準(zhǔn)的角可以用于使適當(dāng)設(shè)計(jì)的磁體陣列機(jī)械臂發(fā)生旋轉(zhuǎn)。確切地說，使用4個(gè)相等大小正方形磁體陣列的機(jī)械臂可以采用這種方式旋轉(zhuǎn)，其中所述磁體具有對消極性，從上方觀察時(shí)似乎具有成棋盤方式的北極和南極。在一個(gè)實(shí)施例中，4個(gè)磁體中的每個(gè)磁體的尺寸均為Immxlmm x0.4mm,所使用的模式的正方形大小L=Imm(見圖9)。對于此實(shí)施例而言,旋轉(zhuǎn)可以通過以下方式來完成:使用層I以及層4上的轉(zhuǎn)子模式來驅(qū)動(dòng)如下所述的正交電流模式。在另一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子模式將位于上述XY通路模式的下方，以執(zhí)行旋轉(zhuǎn)。通常，轉(zhuǎn)子模式與上述模式組合將使適當(dāng)設(shè)計(jì)的機(jī)械臂在特定位置旋轉(zhuǎn)。
[0084]在另一選擇中，可以使用多個(gè)不同的走線模式。例如，可以使用圓形和彎曲走線，如下文將更詳細(xì)地論述。圖15A至圖KD示出所得電路襯底，例如印刷電路板，其具有矩形x-y模式和圓形模式。[0085]在圖15A中，在x-y模式90中，圖15A中所示的第一層含有平行線路模式91，該平行線路模式具有已知的走線到走線距離，而且具有連接92。圖15B中所示的第二層含有平行線路模式93，該平行線路模式相對于層I垂直偏移了第一層中走線到走線距離的一半，而且具有連接94。當(dāng)這兩個(gè)模式布置在彼此的頂部上時(shí)，模式93將出現(xiàn)在模式91的正下方，位于模式91的間隙中。
[0086]圖15C中所示的第三層含有平行線路模式95，該平行線路模式相對于第一層模式91旋轉(zhuǎn)了 90度，所述第三層具有連接96。第四層含有平行線路模式97，該平行線路模式相對于第一層模式旋轉(zhuǎn)了 90度，并且相對于第三層模式水平偏移了走線距離的一半，而且具有連接98。當(dāng)?shù)谌龑幽Ｊ胶偷谒膶幽Ｊ讲贾迷诒舜说捻敳可蠒r(shí)，模式97將出現(xiàn)在模式95的間隙中，類似于前兩層，但是旋轉(zhuǎn)了 90度。
[0087]走線模式也可以具有曲率。圖15A至圖1?中的電路襯底具有圓形模式100。第一層模式101具有與平行線路模式相同的走線到走線距離，但是以圓形模式行進(jìn)并且具有連接102。第二層模式103與第一層模式重疊了圓的90度以上。在此特定實(shí)施例中，與層I重疊的四分之一圓形模式位于定向在頁面上的左上四分之一圓中，靠近第二層連接104。如果這兩個(gè)圖布置在彼此的頂部上，那么將無法看到與第一層模式101分開的第二層模式103。
[0088]圖15C中的第三層模式105并不遵照第一模式和第二模式中的圓形模式，相反，所述模式采用進(jìn)進(jìn)出出的徑向模式穿過由第一層形成的圓，具有連接106。在一個(gè)實(shí)施例中，這些進(jìn)進(jìn)出出的走線之間的間距標(biāo)稱為與磁體大小相同的間距，但是該模式的彎曲性質(zhì)意味著，內(nèi)部的走線間距比外部走線間距略微更窄。圖MD中帶有連接108的第四層模式107遵照與第三層相同的模式，但是在該實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)了 1.5度，使得第四層的每個(gè)徑向線路在第三層的兩個(gè)徑向線路中間穿過。在另一個(gè)實(shí)施例中，第四層模式經(jīng)旋轉(zhuǎn)以使得它的走線相對于對應(yīng)的第三層走線沿著所述圓移動(dòng)約1/2磁體大小。同樣，該間距是標(biāo)稱的，并且實(shí)際上走線的內(nèi)部與外部略微不同。該圓形模式使機(jī)械臂以類似于跑道的圓行進(jìn)。當(dāng)層3布置在層4上時(shí)，層4中的走線在層3的間隙中可見。
[0089]以上論述僅僅說明，多個(gè)層上的彎曲模式是有可能的。走線模式可以是所需模式的任何類型，包括柵格、平行線路模式、正方形模式、彎曲模式，或以上項(xiàng)的任何組合。
[0090]了解電路襯底內(nèi)的結(jié)構(gòu)之后，該論述現(xiàn)轉(zhuǎn)向如何將那些結(jié)構(gòu)用于移動(dòng)機(jī)械臂。為了提供論述的背景，且無意將微工廠限于任何特定配置，圖16示出了一個(gè)8區(qū)域工作表面，其包括液體沉積和清潔站112、輸入站114、多個(gè)輸出站116、再循環(huán)緩沖區(qū)域118以及分級(jí)區(qū)域120。工作表面可以具有一致移動(dòng)的多個(gè)機(jī)械臂，以及位于交替區(qū)域中的多組機(jī)械臂。對機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)必須要協(xié)調(diào)。這些機(jī)械臂可以使用附接到機(jī)械臂的延伸部分，其中各種末端執(zhí)行器(工具)是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。在一些情況下，末端執(zhí)行器可以為簡單的銳尖端或純尖。
[0091]在之字形和平行線路走線中，正交驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于產(chǎn)生磁力，以推動(dòng)機(jī)械臂。這兩個(gè)走線是用正交時(shí)間相關(guān)電流來驅(qū)動(dòng)的；行進(jìn)波將使機(jī)械臂垂直于平行線路模式的正交驅(qū)動(dòng)走線移動(dòng)。例如，兩個(gè)交錯(cuò)走線的平行線路模式(如上述圖4中的走線40和41)在y方向上發(fā)生空間變化，它們將使機(jī)械臂在X方向上移動(dòng)。如果使用一種表示法，其中(+，+)表示每個(gè)走線都是用正電流驅(qū)動(dòng)的階段，那么第一層和第二層或(L1，L2)、(-，+)將表示LI驅(qū)動(dòng)為負(fù)而L2驅(qū)動(dòng)為正等等。那么，用于垂直于平行走線移動(dòng)的正交驅(qū)動(dòng)便根據(jù)電流的時(shí)間序列給出:(+，+)、(_，+)、(_，-)和(+，-)。使該序列反向會(huì)使運(yùn)動(dòng)方向反向，因而可以使用微分步(microstepping)來獲得離散步驟之間的中間位置。微分步可以使用中間值來實(shí)現(xiàn)。例如，為了獲得(+，+)與(_，+)之間的位置，可以將電流驅(qū)動(dòng)為(0，+)，其中0表示兩種狀態(tài)之間的走線I中的平均電流(零)。或者，實(shí)現(xiàn)微步的方式可以為，使用平均分配給所需狀態(tài)的狀態(tài)高速時(shí)間序列，例如，狀態(tài)(+，+)與(+，+)之間的高速振蕩。
[0092]使用此控制方法，電流的切換速度必須比機(jī)械臂可以對各組電流作出響應(yīng)要快，這樣機(jī)械臂的慣性便會(huì)有效地平均分配高速序列。機(jī)械臂可以使用其他組走線以垂直運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)，例如，第三層(L3)和第四層(L4)中的那些走線。當(dāng)在X方向上移動(dòng)時(shí)，通常可以使I走線保持固定電流，以防止在X方向上移動(dòng)的過程中出現(xiàn)不合需要的y運(yùn)動(dòng)。類似地，當(dāng)在y方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，X走線中的電流通常將保持固定。然而，也有可能使用如圖6所示的走線模式在任意對角線方向上移動(dòng)，方式是同時(shí)適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)X和y走線中的正交電流。盡管此處的描述論述了使用正交驅(qū)動(dòng)而在X和y方向上移動(dòng)，但也可以使用走線電流的大小進(jìn)行控制，例如，使用較高電流，且因此較強(qiáng)磁力拉動(dòng)懸浮機(jī)械臂的一部分或全部，使之更接近抗磁層14的表面。
[0093]圖17示出了在走線的平行線路模式中使用正交驅(qū)動(dòng)信號(hào)來定時(shí)的一個(gè)實(shí)例，所述走線產(chǎn)生磁力，以推動(dòng)機(jī)械臂18穿過區(qū)域邊界122。在該圖中，為清楚起見，只示出了在頁面上的垂直或Y方向上移動(dòng)的一組走線。其他組走線(X走線)可以在需要X運(yùn)動(dòng)時(shí)以類似方式驅(qū)動(dòng)。區(qū)域124中的正交走線A和B以及區(qū)域126中的對應(yīng)走線A’和B’獨(dú)立地受到控制。當(dāng)機(jī)械臂18從區(qū)域124移動(dòng)到區(qū)域126中時(shí)，區(qū)域124中的走線A以及區(qū)域126中的走線A’是由彼此相反的電流驅(qū)動(dòng)的，兩個(gè)B走線中的情況相同。這樣，由區(qū)域124中走線A形成的磁場中的磁性模式峰和谷可以通過走線A’中的反向電流而局部延伸到區(qū)域126中，并且由走線B和B’形成的磁性模式情況類似。
[0094]圖18示出另一實(shí)例，其中工作表面130中的一部分或全部被劃分為較小的區(qū)域，例如132，每個(gè)區(qū)域都具有垂直定向的水平驅(qū)動(dòng)走線，例如134，以及水平定向的垂直驅(qū)動(dòng)走線，例如136。不同區(qū)域?qū)︱?qū)動(dòng)走線的各段加以控制，且可以使用通路等連接到控制電子設(shè)備和電源，所述通路連接到電路板的底部。為了方便論述，這些區(qū)域?qū)⑺胶痛怪钡鼐幪?hào)為1-7。例如，在此實(shí)例中，機(jī)械臂18固定在位置(4，4)。通常，機(jī)械臂固定在穩(wěn)定狀態(tài)位置，方法是使水平和垂直走線中的電流在電流所產(chǎn)生的場中設(shè)置機(jī)械臂18的局部磁能最小的優(yōu)選磁性位置。例如，借助于圖18所示的機(jī)械臂18，并且用(x，y)來表示機(jī)械臂18中心的X和y位置以及用Z(a，b)來表示位置(a，b)處的區(qū)域，如箭頭138所示自下而上的行進(jìn)電流對柵格的右邊施加力，其中所述電流穿過區(qū)域Z (x-1, y) =Z (x-1, y-l)=l (x-1, y+l)=Z(x-1, y-2)=Z(x-l, y+2)。在將機(jī)械臂固定在(4，4)處的實(shí)例中，正電流將穿過(3，2)、(3，3)、(3，4)、(3，5)和(3，6)。隨后，負(fù)電流自上而下行進(jìn)，以對柵格的左邊施加相等的力，如箭頭 140 所示，穿過區(qū)域 Z(x+1, y) =Z(x+1, y-l)=Z(x+l, y+1), Z(x+1, y-2)=Z(x+1, y+2)，或者如固定點(diǎn)左邊的一個(gè)水平走線所示，該水平走線在固定點(diǎn)上方的兩個(gè)區(qū)域處開始且在固定點(diǎn)下方的兩個(gè)區(qū)域處終止。
[0095]類似地，電流穿過水平定向的垂直控制走線142和144，其中正電流按箭頭144從左到右行進(jìn)，距離固定點(diǎn)上方一個(gè)垂直步長。這樣會(huì)對柵格的底部施加力。隨后，負(fù)電流沿著走線142從右到左行進(jìn)，距離固定點(diǎn)下方一個(gè)垂直步長，從而對柵格的頂部施加力。通過以這種方式設(shè)置合適區(qū)域中的電流，可以確定優(yōu)選的磁性位置。具有其他磁性幾何形狀的機(jī)械臂將具有不同組的電流，以設(shè)置優(yōu)選位置。
[0096]使用這些原理，就可以通過對鄰近走線中的電流進(jìn)行控制而將機(jī)械臂移動(dòng)到鄰近區(qū)域，如圖19所示。通過將(4，6)到(4，2)的垂直定向的水平走線146中的電流設(shè)置成某一正電平，將(3，2)到(3,6)的走線138中的電流設(shè)置為零，將(5，2)到(5,6)的走線140中的電流設(shè)置為零，以及將(6，2)到(6，6)的走線148中的電流設(shè)置為走線146中電流的負(fù)電流，機(jī)械臂便將從圖18中的位置在一個(gè)區(qū)域上移動(dòng)。走線148中的電流可以防止機(jī)械臂進(jìn)一步前進(jìn)。走線142和144可以保持與圖18中相同的電流。在這種情況下，走線142和144不使機(jī)械臂移動(dòng)，但是它們用作磁導(dǎo)，以將機(jī)械臂保持在頁面上所需的Y或垂直位置。
[0097]機(jī)械臂可以在水平或垂直方向上移動(dòng)到其他鄰近區(qū)域，并且可以通過同時(shí)水平和垂直移動(dòng)機(jī)械臂而在對角線上移動(dòng)。也可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，方式為選擇性地驅(qū)動(dòng)區(qū)域和電流段，以便對機(jī)械臂的不同部分施加轉(zhuǎn)矩。
[0098]在柵格走線中，每個(gè)區(qū)域中的每個(gè)走線均由走線下方的電子設(shè)備的二維陣列單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。對于每個(gè)走線而言，可以用四個(gè)晶體管在兩個(gè)方向上驅(qū)動(dòng)走線中的電流，例如，現(xiàn)有技術(shù)中已知的4個(gè)晶體管的“H橋”配置作為布置晶體管的一種方式，其中觸發(fā)器(flip-flop)等其他電路元件用于維持電流狀態(tài)。為區(qū)域的柵格設(shè)置電流值的行為類似于設(shè)置二維發(fā)光二極管顯示器中的像素值。在每個(gè)時(shí)間周期中，控制器將電流值發(fā)送到電子設(shè)備。或者，該控制器只發(fā)送從一個(gè)周期到下一個(gè)周期發(fā)生變化的值，且電子設(shè)備將針對合適的區(qū)域修改電流值。
[0099]此處所示的設(shè)計(jì)具有之字形交替走線，或者柵格模式，所述柵格模式具有描述成水平線路模式的水平和垂直驅(qū)動(dòng)走線。每個(gè)設(shè)計(jì)具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。之字形模式需要的連接較少并且控制起來較為簡單。可以用類似于平行線路模式的方式來鑲嵌之字形模式。這樣將允許之字形模式對與柵格布置一樣多的機(jī)械臂加以控制。之字形模式只需要一個(gè)帶電流的走線，就可以將(多個(gè))機(jī)械臂固定在固定位置，而柵格或平行線路模式需要兩個(gè)攜載電流的走線(一個(gè)x，一個(gè)y)來維持一個(gè)固定位置。柵格布置更為靈活且控制較好，但是需要更多信號(hào)和更多連接。
[0100]將電流施加給走線可以用許多不同的方式來實(shí)現(xiàn)。圖20示出走線的開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)實(shí)例。先前所述的控制器160對電流的定時(shí)和電流施加給走線進(jìn)行控制，如上所論述。繼電器162，例如，固態(tài)繼電器將正電流驅(qū)動(dòng)到特定走線，而繼電器164驅(qū)動(dòng)負(fù)電流。在此特定實(shí)施例中，每個(gè)繼電器可以使用來自控制器160的5-10毫安的輸入電流進(jìn)行切換，并且繼電器輸出端的一個(gè)端子連接到正或負(fù)電壓供應(yīng)源。該實(shí)例示出12伏的電壓供應(yīng)源，但是也可以使用其他電壓，具體取決于所使用的系統(tǒng)配置、材料和技術(shù)。
[0101]在電位計(jì)168可能被不當(dāng)設(shè)置的情況下，作為保護(hù)措施，電阻器166可以限制電流。在圖20的特定實(shí)例中，借助于電壓和電流供應(yīng)源，總電阻應(yīng)為約10到40歐姆，具體取決于電路正在驅(qū)動(dòng)的走線的電阻。感應(yīng)器170代表電路板上的走線本身，其中地線172用于電源。電阻器以及用于控制的其他電路元件也可以包含在電路襯底中。
[0102]在操作中，系統(tǒng)可以使用模擬電流來進(jìn)行最佳控制。到目前為止，論述集中于走線所界定的區(qū)域上的控制。然而，機(jī)械臂可以從一個(gè)單獨(dú)的控制區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)區(qū)，穿過不受控制的區(qū)。這可以稱為沖擊運(yùn)動(dòng)。一個(gè)區(qū)域內(nèi)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)建立之后，便‘飛’越不受控制的區(qū)而到達(dá)另一個(gè)控制區(qū)。這種運(yùn)動(dòng)可以發(fā)生在同一電路襯底上的區(qū)域之間，或甚至穿過間隙從一個(gè)電路襯底到另一個(gè)電路襯底。
[0103]在其他類型的運(yùn)動(dòng)中，一個(gè)區(qū)可以使機(jī)械臂懸浮，而另一個(gè)區(qū)則可以使機(jī)械臂與表面接觸。然而，通常使機(jī)械臂懸浮將減少磨損并且使移動(dòng)更為自由。圖3中所示的抗磁或電流阻尼層可以經(jīng)拋光以使機(jī)械臂易于移動(dòng)。該層的表面粗糙度應(yīng)小于機(jī)械臂的懸浮距離。非懸浮區(qū)可以用于安全地?cái)嚅_系統(tǒng)電源，而同時(shí)機(jī)械臂在停電狀態(tài)下不會(huì)懸浮或浮動(dòng)到不受控制的位置。在另一個(gè)實(shí)施例中，懸浮表面可以具有淺凹陷處，以在停電狀態(tài)下將機(jī)械臂固定在指定位置。由于機(jī)械臂可以在整個(gè)系統(tǒng)中自由移動(dòng)，因此可以使用斷電例程來將機(jī)械臂移動(dòng)到安全的停電位置，然后再斷開走線的系統(tǒng)電源。
[0104]了解機(jī)械臂的整個(gè)系統(tǒng)被移動(dòng)和控制之后，該論述現(xiàn)轉(zhuǎn)向這些機(jī)械臂在各種工廠類型設(shè)置中的應(yīng)用。圖21至圖28示出用于在工廠類系統(tǒng)中執(zhí)行各種過程的各種配置。在圖21中，電路襯底12連接有控制器160，以對走線中的電流加以控制。機(jī)械臂18具有末端執(zhí)行器182，所述末端執(zhí)行器本質(zhì)上是機(jī)械臂的工件。該特定末端執(zhí)行器具有探針或浸泡尖端(dip tip)184,所述尖端上是液體186。液體186可以是將要沉積的液體,或者所述液體可以改變尖端184的表面粘附能量，以使所述尖端能夠拾取零件(piece)并且將它們放置在工作物體190上。所述液體可以從容器180中取出，并且可以用作蝕刻劑、可沉積材料等。通過控制走線中的電流，可以使機(jī)械臂移動(dòng)到容器180并且取出液體，隨后對工作物體190進(jìn)行操作。
[0105]圖22示出機(jī)械臂的替代配置。在這種情況下，工作物體190太高，機(jī)械臂無法在其上方懸浮。作為替代，在此實(shí)施例中，末端執(zhí)行器182的延伸長度允許機(jī)械臂在工作物體的邊緣上工作。末端執(zhí)行器只可以在工作物體的內(nèi)部達(dá)到一定距離，該距離等于延伸長度。
[0106]如圖23所示，在工作物體190超出系統(tǒng)底板的配置中，存在類似的限制。電路襯底12布置成鄰近工作物體190，且機(jī)械臂的延伸臂182可以在工作物體旁邊懸停。同樣，末端執(zhí)行器只可以在工作物體的內(nèi)部達(dá)到一定距離，該距離等于延伸部分的延伸長度。
[0107]如上所述，許多機(jī)械臂可以同時(shí)操作。在圖24的配置中，多個(gè)機(jī)械臂18和200可以在工作物體190上工作。電路襯底12具有孔，例如194，機(jī)械臂可以操作這些孔。機(jī)械臂隨后向下樞轉(zhuǎn)，達(dá)到底板的深度。在此實(shí)施例和其他實(shí)施例中，機(jī)械臂可以具有不同的末端執(zhí)行器延伸部分，以到達(dá)工作物體190的不同部分。
[0108]在圖25中，工作物體位于電路襯底12的上方。它將被固定住以克服重力，或位于某一其他物體的下側(cè)。末端執(zhí)行器經(jīng)定向以允許機(jī)械臂在其上方執(zhí)行任務(wù)。類似地，在圖26中，工作物體在電路襯底12的側(cè)面，在所述電路襯底上，末端執(zhí)行器可以在工作物體190上執(zhí)行拾取和放置，所述工作物體可以從電路襯底上下平移，以實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。
[0109]在圖27所示的替代布置中，工作物體190可以位于電路襯底12的下方，所述電路襯底可以為機(jī)械臂18提供升力。電路襯底將使機(jī)械臂18懸浮起來，如同工作物體190上方有天花板。
[0110]圖28示出從一個(gè)表面到另一個(gè)表面的機(jī)械臂的一個(gè)實(shí)例。電路襯底12使機(jī)械臂18懸浮起來，并且將其移向第二表面210。隨著機(jī)械臂靠近第二電路襯底210，對機(jī)械臂的控制便移到電路襯底210。電路襯底12中對機(jī)械臂18加以控制的走線可以斷開，以便有助于將控制轉(zhuǎn)移到電路襯底210。在一個(gè)實(shí)施例中，電路襯底210的走線中使用0.8至1.0A的強(qiáng)電流脈沖，以進(jìn)一步促進(jìn)控制轉(zhuǎn)移。在垂直方向上移動(dòng)時(shí)，機(jī)械臂通常將不得不停留在電路襯底210的表面上，以便對抗重力。這僅僅表明系統(tǒng)的靈活性，以及四處移動(dòng)機(jī)械臂以便執(zhí)行任務(wù)的能力。
[0111]如圖28所指示，系統(tǒng)可以由各種取向的多個(gè)電路襯底12組成。例如，電路襯底12可以平行于圖26所示的電路襯底復(fù)制許多次，以允許機(jī)械臂于多個(gè)點(diǎn)處在工作物體190上工作。在其他情況下，可以使用多個(gè)電路襯底來增強(qiáng)性能，例如，將一個(gè)電路襯底12放置在機(jī)械臂18下方，而將第二電路襯底放置成靠近機(jī)械臂但在其上方。這類似于圖27中機(jī)械臂18上方所示的電路襯底12，但在機(jī)械臂18下方的是電路襯底而非工作物體190。通過用兩個(gè)而非一個(gè)電路襯底來驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂18，機(jī)械臂18的峰值力和峰值速度得以增加。電路襯底的三維陣列可以如圖32所示進(jìn)行配置，其中機(jī)械臂18使用如圖28所示的方法在電路襯底之間自由移動(dòng)。該系統(tǒng)也可以針對電路襯底12使用柔性電路，以制成曲折或彎曲的路徑，如圖33所示。
[0112]在采用多個(gè)電路襯底12的系統(tǒng)中，多個(gè)板可以是固定的，或者在一些實(shí)施例中，它們是可以替換的，以便用不同方式對系統(tǒng)進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)所需的不同功能。例如，系統(tǒng)可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的“母板”方法，其中各個(gè)電路襯底12以可替換方式插入母板中。
[0113]從以上描述中可以了解到，機(jī)械臂18可以任何取向在電路12上進(jìn)行操作。實(shí)際上，如果電路12的走線中的電流充足，那么機(jī)械臂18甚至可以在取向不斷變化時(shí)進(jìn)行操作，例如，當(dāng)電路襯底12位于便攜式手持裝置中時(shí)，或者當(dāng)電路襯底12附接到可以改變?nèi)∠虻臋C(jī)器人手腕時(shí)。在一個(gè)實(shí)施例中，將如圖26和圖28所不那些的通路模式與導(dǎo)電層26和28中0.8A的走線電流一起使用，用于可以在手動(dòng)改變?nèi)∠虻耐瑫r(shí)進(jìn)行操作的裝置。
[0114]機(jī)械臂所執(zhí)行的任務(wù)可能部分取決于末端執(zhí)行器及其配置。例如，圖21至圖28中的末端執(zhí)行器182將液體用作沉積材料、蝕刻劑，或用作將材料或其他零件附接到末端執(zhí)行器的粘合劑。圖29示出‘叉’或“鏟”型末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器用于在多個(gè)方向上四處移動(dòng)材料，從而允許將材料運(yùn)輸穿過工作表面。圖30示出“推進(jìn)器”式末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器允許在一個(gè)方向上推動(dòng)材料。在一個(gè)實(shí)例中，一個(gè)機(jī)械臂末端的伊型末端執(zhí)行器可以將材料放置在另一機(jī)械臂的掃帚型末端執(zhí)行器的前方，從而允許掃帚型末端執(zhí)行器將材料推向工作物體。
[0115]如上所述，通過合適的編程，機(jī)械臂可以平移和旋轉(zhuǎn)，以使所附接的末端執(zhí)行器平移和旋轉(zhuǎn)，從而執(zhí)行所需的各種任務(wù)。例如，為了圍繞著平行于抗磁層14平面的軸傾斜，走線電流可以受到驅(qū)動(dòng)，以排斥機(jī)械臂18的一部分中的磁體，而同時(shí)吸引機(jī)械臂18的其他部分中的其他磁體。因此，機(jī)械臂18可以圍繞著平行于抗磁層14的軸旋轉(zhuǎn)或傾斜，其中“偏轉(zhuǎn)”被定義為圍繞垂直于電路襯底12的局部平面的軸旋轉(zhuǎn)，而“滾動(dòng)”和“俯仰”為旋轉(zhuǎn)的傾斜方向。在結(jié)合使用末端執(zhí)行器的附加質(zhì)量以及重力的許多情況下，甚至可以針對傾斜使用更簡單的控制策略。
[0116]圖31示出類似于圖23所示配置的簡單實(shí)例。在圖31a中，在電路襯底12上移動(dòng)的帶末端執(zhí)行器182的機(jī)械臂18在通電狀態(tài)下靠近工作物體190。為了使末端執(zhí)行器182向下傾斜以觸摸工作物體190，斷開電源。在此實(shí)施例中，末端執(zhí)行器182相對于機(jī)械臂18具有足夠的質(zhì)量，這樣重力將使機(jī)械臂18及其剛性附接的末端執(zhí)行器182傾斜成“向下傾斜”狀態(tài)，方法是使它們圍繞著傾斜軸230旋轉(zhuǎn)，所述傾斜軸延伸到圖31b中所示的頁面中。傾斜軸230通常與機(jī)械臂18上的至少兩個(gè)點(diǎn)重合，以界定旋轉(zhuǎn)軸。在一些情況下也可以使用機(jī)械臂18上的單個(gè)點(diǎn)，但根據(jù)質(zhì)量分布，單個(gè)點(diǎn)可能會(huì)引起某一部件圍繞著垂直于而非平行于抗磁層14的軸旋轉(zhuǎn)。
[0117]為了向上傾斜，向電路襯底12施加電力，且磁力足夠使機(jī)械臂18和末端執(zhí)行器182重新定向回到“向上傾斜”狀態(tài)?？梢韵蚰┒藞?zhí)行器182的結(jié)構(gòu)添加質(zhì)量或從中減去質(zhì)量，以相對于得自電路襯底12的可用磁力而實(shí)現(xiàn)可靠的向下傾斜和向上傾斜狀態(tài)。通過在低摩擦抗磁層14上進(jìn)行適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量平衡，機(jī)械臂18甚至可以在低電流模式下平行于電路襯底平面來平移，而高電流模式用于向上傾斜操作。在一個(gè)實(shí)施例中，對于電路襯底12中的導(dǎo)電層26、28、30和32 (見圖3)而言，低電流模式為0.25A、0.33A、0.5A和0.7A，而針對導(dǎo)電層26、28、30和32的高電流模式，高電流模式分別使用0.8A、0.8A、0.5A和0.1k0
[0118]這樣，可以提供微工廠系統(tǒng)，其允許在電路襯底表面上控制多個(gè)機(jī)械臂。該電路襯底可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)進(jìn)行制造?？刂破鲗C(jī)械臂進(jìn)行精確控制，以在工作物體上執(zhí)行任務(wù)。
[0119]應(yīng)了解，可以根據(jù)需要將若干上文所披露的以及其他特征和功能或其替代方案與許多其他不同的系統(tǒng)或應(yīng)用相結(jié)合。另外，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員之后可以做出各種當(dāng)前未預(yù)見到或未預(yù)料到的替代、修改、變化或改進(jìn)，而這些也希望被包含在隨附權(quán)利要求書中。
【權(quán)利要求】
1.一種懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其包括: 電路襯底，所述襯底的至少第一層中具有導(dǎo)電走線，所述走線布置在獨(dú)立區(qū)域中； 位于所述電路襯底的表面上的抗磁層； 鄰近磁層的至少兩個(gè)機(jī)械臂，所述機(jī)械臂可以在所述區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，所述機(jī)械臂具有磁性并且可由磁場控制；以及 電耦合到所述走線的控制器，所述控制器經(jīng)布置以產(chǎn)生信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生磁場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電走線形成重復(fù)模式，所述重復(fù)模式經(jīng)配置以允許將正交驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加給所述機(jī)械臂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述電路襯底具有多層導(dǎo)電走線，每層都具有導(dǎo)電走線模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括跳線，從而連接不同組的跳線導(dǎo)致不同的導(dǎo)電走線模式之間形成連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中與距離所述電路襯底的第一表面較近的層相比，距離所述襯底的第一表面較遠(yuǎn)的層配置成用更高的電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電走線形成以下項(xiàng)之一的重復(fù)模式:通路模式、轉(zhuǎn)子模式、圓形模式，以及柵格模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電走線以平行線路模式形成于至少兩個(gè)分開的層中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述平行線路模式包括交錯(cuò)模式。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述交錯(cuò)模式包括具有兩個(gè)交錯(cuò)模式的第一導(dǎo)電層，其中第二平行線路模式在第一方向上相對于第一平行線路模式空間偏移。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述第二平行線路模式相對于所述第一平行線路模式空間偏移了所述第一平行線路模式中的走線到走線距離的一半。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括具有通路的第二層，所述通路經(jīng)布置以在特定區(qū)域從所述第一層中引出連接，否則在所述特定區(qū)域中，所述第一和第二平行線路模式會(huì)發(fā)生接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括第三層，所述第三層具有相對所述第一和第二平行線路模式旋轉(zhuǎn)九十度的第三和第四平行線路模式，所述第四平行線路模式相對于第三平行線路模式空間偏移。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電走線布置成之字形模式。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述之字形模式包括: 位于所述電路襯底的第一層中的第一之字形模式； 位于所述電路襯底的第二層中的第二之字形模式，所述第二之字形模式在第一方向上相對于所述第一之字形模式空間偏移； 位于所述電路襯底的第三層中的第三之字形模式，所述第三之字形模式相對于所述第一之字形模式旋轉(zhuǎn)九十度；以及 位于所述電路襯底的第四層中的第四之字形模式，所述第四之字形模式在第二方向上相對于所述第三之字形模式空間偏移。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)子模式，所述轉(zhuǎn)子模式的角與所述第一之字形模式的交替角對準(zhǔn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括位于所述抗磁層上的電流阻尼層。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括布置成與所述電路襯底的第一層相鄰的機(jī)械止動(dòng)件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述機(jī)械止動(dòng)件位于所述抗磁層上的電流阻尼層上。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括至少一個(gè)傳感器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電走線包括與所述傳感器電耦合的至少一個(gè)導(dǎo)電走線，所述傳感器配置成以電感方式感測至少一個(gè)機(jī)械臂的位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括第二電路襯底，其中所述信號(hào)經(jīng)配置以使至少一個(gè)機(jī)械臂從所述第一電路襯底移動(dòng)到所述第二電路襯底。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括位于所述電路襯底的所述第一表面上的拋光表面，所述機(jī)械臂經(jīng)布置以在所述拋光表面上移動(dòng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述拋光表面的粗糙度低于所述機(jī)械臂的懸浮 距離。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述電路襯底包括經(jīng)配置以控制所述走線中的電流的電氣部件。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述機(jī)械臂經(jīng)配置以排斥同一運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)的其他機(jī)械臂。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述機(jī)械臂具有零凈磁偶極矩。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮微機(jī)械臂系統(tǒng)，其中所述機(jī)械臂包括中心磁體，所述中心磁體的外側(cè)上具有對消極，經(jīng)配置以使所述機(jī)械臂的磁矩為零并且排斥其他機(jī)械臂。
【文檔編號(hào)】H01F7/08GK203491037SQ201190000922
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2010年12月3日
【發(fā)明者】R·E·裴爾林, G·K·邁爾斯, A·黃-福伊, J·A·赫森, T·P·羅 申請人:美國斯坦福國際研究院