本實用新型涉及測試測量領域，具體涉及一種傳感器的原位校準裝置及方法。

背景技術：

在半導體行業中，集成電路的加工制造離不開大量晶圓片的使用，所有集成電路的設計和加工最終均需要集成在晶圓片上。晶圓片很薄，通常只有零點幾個毫米，而且脆性較大，操作上稍有不當將可能直接導致晶片破損報廢，另一方面考慮到晶圓片制備過程復雜，價格昂貴，因而晶圓片的制備和運輸時的安全性和可靠性一直都是各大半導體行業所關注的重點。晶圓片在制備過程中，需要參與多個不同的工序才能得到最終的成品，而在不同工序之間流轉時，其運輸和保管都需要用到晶圓盒，起到防塵防碰的作用。晶圓盒一般是由白色透明、韌性較好的材料(如尼龍)制成，其外部結構設有晶圓盒把手，以方便對其搬運。對于晶圓盒的搬運，通常的做法是采用人工直接操作的方式，然而手工搬運承放有像晶圓片這類脆性材料的物件時，其中包含著較多人為的隨機不良因素，比如因搬運不小心而導致物料滑落、取放時的人為沖擊等等，因而稍有不當極易造成晶圓片的破裂。因此，現階段，在自動化程度較高的半導體工廠中，已逐漸開始嘗試采用裝載有機械手的機械臂來替代人工進行作業。通過預先規劃好機械臂的運動軌跡，使機械臂末端機械手能夠到達晶圓盒的位置并實施抓取、搬運動作。相比于人工作業而言，由于避免了人為不良因素的影響，物料搬運時的可靠性和安全性得到了大幅度的提高。而且，在作業效率方面，人工也是不能與之相提并論的。雖然隨著半導體工廠的自動化程度日益提高，自動化產品如機械臂、機器人逐漸可以代替人工進行作業，但是機器代替人工操作有時并不能完美的如人所愿。采用機械臂搬運晶圓盒時，對機械臂本身的重復定位精度和運動時的平穩性要求較高，而且也要求晶圓盒在載物貨臺上的定位也必須很準確。如果晶圓盒有所偏離機械臂末端機械手抓取時的空間定位點，機械手極有可能出現抓空甚至會因直接碰撞晶圓盒上的非抓取點而造成晶圓盒翻倒或碰碎晶圓片等現象。此外，在機械臂搬運過程中，由于晶圓盒材料的摩擦系數較低，也極容易導致因抓取不牢靠造成晶圓盒從機械手中滑落。以上所述現象，在當今半導體領域利用機械臂搬運晶圓盒時常會發生，而該問題的解決方案在已有的相關領域專利中均很少提及。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本實用新型的發明目的在于提供一種用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手，該機械手體積小、結構緊湊、帶視覺識別和傳感檢測功能，并在機械結構上配置有物料鎖緊機構。可保證機械手能夠準確可靠地抓取晶圓盒，在搬運過程中可避免晶圓盒滑落，有助于實現高效可靠地作業。

為實現上述發明目的，本實用新型提供以下的技術方案：一種用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手，所述晶圓盒定位于載物臺上，所述晶圓盒包括盒體和把手，所述把手俯視大體呈U字形，所述把手的兩自由端分別連接在所述盒體的外側面上，所述機械手包括：

手爪，所述手爪側視大體呈J字形；

定位傳感器，所述定位傳感器設置在所述手爪的非彎鉤一側并與搬運控制器通訊，所述搬運控制器分別控制搬運驅動單元驅動機械臂動作和控制所述定位傳感器在移動過程中對設置在所述載物臺上的定位件進行檢測以得到檢測到的反饋，所述搬運控制器根據檢測到的反饋發出執行抓取動作的指令；

鎖緊機構，所述鎖緊機構包括鎖緊塊、鎖緊驅動單元以及鎖緊控制器，所述鎖緊塊設置在所述手爪的彎鉤一側，所述鎖緊驅動單元驅動所述鎖緊塊上下運動并與所述鎖緊控制器通訊，所述鎖緊控制器與所述搬運控制器通訊，所述鎖緊塊上行以使其下端遠離所述手爪的彎鉤自由端或下行以使其下端抵靠在所述手爪的彎鉤自由端。

上述技術方案中，所述機械手還包括檢測傳感器，所述檢測傳感器設置在所述手爪的非彎鉤一側并與所述鎖緊控制器通訊，所述鎖緊控制器控制所述檢測傳感器對所述盒體的設定位置進行檢測已得到檢測到或未檢測到的反饋，所述搬運控制器根據檢測到的反饋發出執行搬運動作的指令或根據未檢測到的反饋重新執行抓取動作的指令。

上述技術方案中，所述定位傳感器采用視覺傳感器，所述檢測傳感器采用光電傳感器。

上述技術方案中，所述手爪的非彎鉤部分設有貫通至所述手爪的彎鉤自由端的釋放槽，所述釋放槽的下端口位置的兩槽壁主視大體呈八字形。

上述技術方案中，所述手爪的彎鉤自由端和與其相對的手爪的非彎鉤部分的相對面分別加工有兩導向斜面，所述兩導向斜面側視大體呈倒置八字形。

上述技術方案中，所述鎖緊驅動單元包括電機和減速器，所述電機設有一編碼器且其輸出端連接所述減速器，所述電機與所述鎖緊控制器通訊，所述鎖緊機構還包括鎖緊傳動單元和鎖緊導向單元，所述鎖緊傳動單元包括絲桿螺母組件和齒輪組件，所述絲桿螺母組件包括絲桿和螺母，所述螺母可轉動的支撐在一對軸承上，所述絲桿沿上下方向旋移連接在所述螺母的內側，所述齒輪組件包括第一齒輪和第二齒輪，所述第一齒輪套設安裝在所述減速器的輸出端上，所述第二齒輪套設安裝在所述螺母的外側，所述第一齒輪與所述第二齒輪嚙合傳動，所述鎖緊導向單元包括移動塊和導向桿，所述移動塊連接在所述絲桿的下端并上下可移動的設置，所述移動塊的上端連接所述導向桿。

上述技術方案中，所述絲桿和所述螺母之間為梯形螺牙旋移傳動，所述第一齒輪和所述第二齒輪之間為直形齒牙嚙合傳動，所述軸承與所述螺母之間還設置有三波峰墊圈。

上述技術方案中，所述鎖緊機構還包括接近傳感器，所述接近傳感器設置在所述導向桿的上方，所述接近傳感器與所述鎖緊控制器通訊，所述鎖緊控制器分別控制所述電機驅動導向桿動作和控制所述接近傳感器檢測其與運動中的所述導向桿的距離以得到二者之間為設定距離的反饋，當接近傳感器發出反饋信號時，此時導向桿的位置為鎖緊機構上下移動的零點位置，機構在運動過程中的其余位置點都是相對零點來確定的。

上述技術方案中，所述螺母、所述第一齒輪以及所述第二齒輪內置在一殼體中，所述絲桿和所述導向桿穿過所述殼體的通孔并且分別與所述殼體的通孔螺紋連接和滑動連接，所述殼體的內壁設有一儲存油脂以為所述第一齒輪和所述第二齒輪供油的儲油槽，所述導向桿和與其配合的通孔之間還過盈安裝有無油軸承。

上述技術方案中，所述機械手通過安裝板連接在所述機械臂的末端，所述手爪的非彎鉤自由端連接在所述安裝板上，所述定位傳感器和所述檢測傳感器分別裝配在所述安裝板上，所述鎖緊機構裝配在所述手爪的非彎鉤部分，所述機械手還包括封板，所述封板包括罩設在所述定位傳感器的上方的第一封罩和罩設在所述鎖緊機構的外側的第二封罩，所述第一封罩的下端設有與所述安裝板連接敞開口，所述第二封罩的一側設有與手爪的非彎鉤部分連接的第二敞開口。

由于上述技術方案運用，本實用新型與現有技術相比具有下列優點：

1)本實用新型的機械手通過設置定位傳感器，可獲取機械手相對于晶圓盒的相對位置信息，確保機械手能準確到達晶圓盒抓取點位置，減小甚至可消除位置偏差的影響，有效避免了機械手直接碰撞到晶圓盒上的非抓取點而造成晶圓盒翻倒或碰碎晶圓片等現象的發生；

2)本實用新型的機械手通過設置鎖緊機構，可實現對把手的閉合連接，避免晶圓盒從手爪的鉤槽中滑落，確保了晶圓盒在搬運過程中的安全性；

3)本實用新型的機械手通過設置鎖緊機構，采用電機驅動的方式，通過利用編碼器的反饋，可實現對電機的轉速和角位移進行精確調節。經齒輪機構和絲桿螺母機構最終轉化成鎖緊塊的往復移動，該移動行程的精度進而也可以得到保證；

4)本實用新型的機械手通過設置檢測傳感器，檢測晶圓盒的有無，可避免機械手遇到抓空情況時繼續執行下一步的搬運操作，提高了機械臂的工作效率和可靠性；

5)本實用新型的機械手的手爪通過設置釋放槽和導向斜面，與晶圓盒的接觸面均打磨光滑，晶圓盒抓取點與機械臂定位點之間即便存在著位置偏差，在偏差不是很大的情況下，均能夠引導手爪順利抓住晶圓盒把手；

6)本實用新型的機械手的鎖緊機構通過利用梯形絲桿螺母機構所具備的自鎖性可使晶圓盒把手可靠地被鎖緊在手爪的鉤形槽中，即使機構失電也不會發生松動，可避免晶圓盒從鉤槽中滑落，確保了晶圓盒在搬運過程中的安全性。

附圖說明

圖1為本實用新型公開的用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手在機械臂的帶動下搬運晶圓盒的示意圖；

圖2為本實用新型公開的用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手的整體外觀示意圖；

圖3為本實用新型公開的用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手的整體結構爆炸圖；

圖4為本實用新型公開的用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手的鎖緊機構和手爪的爆炸圖；

圖5為本實用新型公開的用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手的鎖緊機構和手爪的主視圖；

圖6為本實用新型公開的用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手的鎖緊機構和手爪的側視剖視圖；

圖7為本實用新型公開的用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手的固定塊的結構示意圖；

圖8為本實用新型公開的用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手抓取晶圓盒時的動作流程圖；

圖9為本實用新型公開的用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手的控制原理方框圖。

其中，A、晶圓盒；B、機械手；C、機械臂；D、搬運控制器；E、搬運驅動單元；

11、盒體；12、把手；

21、安裝板；22、固定塊；23、分塊；24、第一封罩；25、第二封罩；

31、手爪；32、釋放槽；33、導向斜面；

41、視覺傳感器；

51、鎖緊塊；52、鎖緊驅動單元；521、電機；522、減速器；523、編碼器；53、鎖緊控制器；54、鎖緊傳動單元；541、絲桿；542、螺母；543、滾動軸承；544、第一齒輪；545、第二齒輪；546、三波峰墊圈；547、無油軸承；

61、光電傳感器；

71、接近傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。

實施例一

參見圖1至圖9，如其中的圖例所示，一種用于晶圓盒可靠高效搬運的機械手，晶圓盒A定位于載物臺上，機械手B通過機械臂C帶動抓取搬運晶圓盒A。

晶圓盒A包括盒體11和把手12，把手12俯視大體呈U字形，把手12的兩自由端分別連接在盒體11的外側面上。

機械手B包括：

安裝板21，安裝板21連接在機械臂C的末端；

手爪31，手爪31側視大體呈J字形，手爪31的非彎鉤部分的上端連接在安裝板21上；

視覺傳感器41，視覺傳感器41設置在手爪31的非彎鉤一側并與搬運控制器通訊，視覺傳感器41裝配在安裝板21上，搬運控制器D分別控制搬運驅動單元E驅動機械臂C動作和控制視覺傳感器41對設置在載物臺上的定位件(二維碼)進行檢測以得到檢測到的反饋，搬運控制器D根據上述檢測到的反饋發出執行抓取動作的指令；

鎖緊機構，鎖緊機構裝配在手爪31的非彎鉤部分，包括鎖緊塊51、鎖緊控制器52以及鎖緊驅動單元，鎖緊塊51設置在手爪31的彎鉤一側，鎖緊驅動單元驅動鎖緊塊51上下運動并與鎖緊控制器52通訊，鎖緊控制器52與搬運控制器D通訊，鎖緊塊51上行以使其下端遠離手爪31的彎鉤自由端或下行以使其下端抵靠在手爪31的彎鉤自由端；

光電傳感器61，光電傳感器61設置在手爪31的非彎鉤一側并與鎖緊控制器52通訊，光電傳感器61裝配在安裝板21上，鎖緊控制器52控制光電傳感器61對盒體11的設定位置進行檢測以得到檢測到的反饋和未檢測到的反饋，搬運控制器D根據檢測到的反饋發出執行搬運動作的指令或根據未檢測到的反饋重新執行抓取動作的指令。

視覺傳感器41通過利用圖像處理技術對固定在載物臺上的定位件(如二維碼)進行圖像識別，經計算處理后，可獲取晶圓盒相對于機械手的位置信息。由于視覺傳感器41的分辨率通常很高，因而可大大降低機械手的定位誤差，確保機械手能夠準確到達晶圓盒抓取點實施抓取動作。

光電傳感器61用于檢測機械手下方有無晶圓盒；當晶圓盒被準確抓取后，光電傳感器61的光源發射端能夠正對著晶圓盒把手的一棱邊，發射光被反射回傳感器的接收端，引起光電傳感器61持續觸發；控制器檢測到這一觸發信號之后才會通知機械臂去執行接下來的搬運動作，否則將重新執行一次抓取，有效避免了因抓空但仍然繼續執行下一步工序而降低機械臂的實際工作效率。

一種實施方式中：

手爪31的非彎鉤部分設有貫通至手爪31的彎鉤自由端的釋放槽32，釋放槽32的下端口位置的兩槽壁主視大體呈八字形。手爪31的彎鉤自由端和與其相對的手爪的非彎鉤部分的相對面分別加工有兩導向斜面33，兩導向斜面33側視大體呈倒置八字形。

與晶圓盒的接觸部分均要求打磨光滑，因此若晶圓盒抓取點與機械臂定位點之間存在不是很明顯的位置偏差時，均能夠引導手爪順利插入到晶圓盒把手的槽內并鉤住把手外沿。

一種實施方式中：

鎖緊驅動單元包括電機531和減速器532，電機531設有一編碼器533且其輸出端連接減速器532，電機531與鎖緊控制器52通訊，鎖緊機構還包括鎖緊傳動單元和鎖緊導向單元，鎖緊傳動單元包括絲桿螺母組件和齒輪組件，絲桿螺母組件包括絲桿541和螺母542，螺母542可轉動的支撐連接在一對固定的軸承543上，絲桿541沿上下方向旋移連接在螺母542的內側，齒輪組件包括第一齒輪544和第二齒輪545，第一齒輪544套設安裝在減速器532的輸出端上，第二齒輪545套設安裝在螺母542的外側，第一齒輪544與第二齒輪545嚙合傳動，鎖緊導向單元包括移動塊551和導向桿552，移動塊551連接在絲桿541的下端并且可上下移動的設置，移動塊551的上端連接導向桿552。

絲桿541和螺母542之間為梯形螺牙旋移傳動，第一齒輪544和第二齒輪545之間為直形齒牙嚙合傳動，軸承543與螺母542之間還設置有三波峰墊圈546。

在鎖緊控制器52的控制下，動力由電機531輸出，經減速器532減速后，得到合適的速度和扭矩，然后傳遞給下一級傳動機構，電機531采用了直流無刷電機，工作可靠性高、無噪聲、工作壽命長；編碼器533采用的是磁性編碼器，分辨率為512CPR，具有體積小、響應速度快、分辨率高、抗干擾能力強以及防塵防油等諸多優點，可實時反饋電機531的轉速和角位移信息，方便對其轉速和角位移進行精確調控。第二齒輪545與鎖緊驅動單元的減速器532的輸出軸固定連接，第一齒輪544具有大中心孔，可套在絲桿螺母組件的螺母542的外表面上，并通過緊定螺釘固定；兩齒輪的齒數相等，因而不改變機構的速度和扭矩，只起傳遞運動的作用；由于采用了齒輪傳動，使得整個自鎖機構結構上變得更加緊湊，且傳動精度也得到了較高的保證，螺母542通過一對軸承543支撐，三波峰墊圈546可對裝配后軸承在軸承孔中形成的軸向間隙進行調整，保證軸承543在螺母542上可靠地軸向定位，防止軸承因軸向竄動使螺母表面磨損，影響機構的工作壽命；由于采用了螺牙為梯形的滑動螺旋傳動，可實現機構本身的自鎖；由于滾動軸承在軸承孔中的軸向定位限制了螺母542的軸向移動，于是當螺母542轉動時，將使絲桿541沿軸線方向作往復直線運動，移動塊551通過一對鎖緊螺母軸向固定在絲桿541上；移動塊551兩側分別與一根導向桿552相連并通過緊定螺釘固定，絲桿541的往復運動將帶動移動塊551作來回直線移動；鎖緊塊51與移動塊551固定連接，由于自鎖機構在鎖緊后鎖緊塊51可能會與晶圓盒把手直接接觸，為了不磨損和劃傷晶圓盒，鎖緊塊51的材料選擇尼龍或POM，這類材料的摩擦系數較低、本身具備良好的自潤滑性，因而可對晶圓盒起到較好的保護作用。

一種實施方式中：

螺母542、第一齒輪544以及第二齒輪545內置在一殼體中，上述殼體由固定塊22和固定塊23組成，絲桿541和導向桿552穿過殼體的通孔并且分別與殼體的通孔螺紋連接和滑動連接，固定塊22的內壁設有一儲存油脂以為第一齒輪544和第二齒輪545供油的儲油槽26，用于儲存潤滑脂，給第一齒輪544和第二齒輪545及時地補充潤滑，導向桿552和與其配合的通孔之間還過盈安裝有無油軸承57，以減小導向桿552相對其作直線運動時的摩擦阻力，固定塊23通過螺釘固定在手爪31上。

一種實施方式中：

鎖緊機構還包括接近傳感器71，接近導向傳感器設置在導向桿552的上方，接近傳感器71與鎖緊控制器52通訊，鎖緊控制器52分別控制電機531驅動導向桿552動作和控制接近傳感器71檢測其與導向桿552的距離以得到二者之間為設定距離的反饋，鎖緊控制器52根據二者之間為設定距離的反饋發出執行鎖緊動作指令。

接近傳感器71采用了SICK公司的IM系列電感式微型接近傳感器，通過傳感器固定塊固定在手爪31上；鎖緊機構動作時，當導向桿552與接近傳感器71的距離達到其檢測范圍，將引起傳感器發出觸發脈沖，此時機構所在位置即為自鎖機構運動時的零位，以后任意時刻鎖緊塊51運動的絕對位置都將以該零位作為參考基準。由于鎖緊機構采用了較高分辨率編碼器以便對電機的速度和角位移進行精確控制，動力由電機輸出，經傳動比準確的減速器、齒輪機構和絲桿螺母機構，最終實現鎖緊塊51的往復移動，使自鎖機構完成鎖緊和松開兩個動作，因而可使鎖緊機構在運動行程上具有較高的定位精度，保證鎖緊機構動作上的可靠性。

一種實施方式中：

上述機械手還包括封板，上述封板包括罩設在視覺傳感器41的上方的第一封罩25和罩設在鎖緊機構的外側的第二封罩26，第一封罩25的下端設有與安裝板21連接的敞開口，第二封罩26的一側設有與手爪31的非彎鉤部分連接的第二敞開口。

為了便于裝配，第一封罩25采用了分離式結構，是由罩殼、后蓋板和下封板組成；第二封罩26的作用是將機械手的組成零部件保護起來，防止灰塵、液滴進入以及與外界發生剛性碰撞。

以上為對本實用新型實施例的描述，通過對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。