微装配技术的研究进展及其展望

摘要：微装配是电子制造、微制造、机器人操作等制造领域的共性前沿技术之一，近年来得到了广泛的研究与应用。首先，指出了微装配技术与纳米装配技术的本质区别，阐明了尺度效应和粘附效应给微装配技术带来的问题与挑战；分别介绍了传统微装配技术和新兴自装配技术的最新研究进展，讨论了一些急待解决的关键技术问题；最后对微装配技术的研究趋势进行了展望。      关键词：微装配；自装配；粘附效应 1 引言 随着芯片和微机电产品(MEMS)的特征尺寸不断减小、结构日益复杂，对其制造和装配提出了更高的要求。目前，大多数微电子产品是基于单片集成电路工艺，很少或几乎不需要装配。然而，随着微电子产品尤其是微系统技术的发展，会涉及不相容的加工工艺、复杂的几何外形和不同的制造材料，其产品实现将依赖于微尺度（零件尺寸在 1mm～1mm之间）的定位、定向和装配操作，即微装配技术[1]。      微装配是属于微观领域的超精密操作，介于传统的宏观装配（零件尺寸大于1mm）和新兴的纳米装配（分子级，零件尺寸小于1mm）之间。微装配与纳米装配技术有着本质的区别。纳米装配技术研究分子级和原子级的操作，其科学基础是分子化学和物理学，而微装配技术通常可看成是“从上到下”的学科，它的目标是“缩小”传统装配和操作的机理，显然，经典力学、机器人学和控制论仍是这一学科的基础。不过，由于尺度效应、粘附效应等影响，微装配产生了许多新的问题与挑战。例如，在传统的机器人操作中最具挑战性的问题是如何可靠地抓住物体，而在微装配中，由于静电力、范德华力等表面力作用，一个主要的问题是如何释放物体。目前，针对微米级的装配操作，主要有两类解决思路：一是将传统的机器人、夹持器微型化，通过视觉、力反馈控制实现超精密操作；二是在开环控制方式下通过细微零件的自装配实现并行操作。由于前一类方法存在传感器信息准确获取困难、难以实时处理和控制精度低等固有问题，越来越多的学者将注意力放在自装配技术的研究上。      2 粘附效应 对于传统的机器人装配，在抓取——移动 ——释放典型操作中，由于物体的重力起主要作用，当机器人手张开时，被抓物体将在重力的作用下准确落到预定位置。如图1(a)所示，当物体尺寸小于1mm（或物体重量小于10-6kg）时，与物体表面积相关的粘附力如范德华力、表面张力和静电力等将大于重力、惯性力等体积力，出现所谓的“尺度效应”或“粘附效应”。由于表面粘附力的作用，微操作的一个典型问题是抓取容易而释放相对困难（如图1(b)所示），甚至在MEMS器件中悬臂结构在表面张力作用下粘附到基板上，随后在范德华力作用下发生永久连接。在微装配作业时，不但需要规划抓取操作，还需要规划释放操作。在微尺度下，装配和拆卸不再是一个相互可逆过程，传统的基于拆卸的装配规划方法不再有效。另外，由于现有的装配经验和知识都是在宏观领域获取的，在微观领域不一定适用，传统的基于知识的装配规划方法也不再有效。 微装配中的粘附力主要包括范德华力、表面张力和静电力。其中，范德华力是由量子机械效应所引起的分子或原子瞬时极化产生的，其作用力大小与物体之间的距离平方成反比，只在物体间距小于100 nm时显现出来。表面张力是由两个表面液体层之间的相互作用引起的，在干燥或真空环境下可以有效地消除表面张力作用。静电力来源于物体接触时电荷产生或电荷转移，作用距离比较长。与范德华力相比较，物体表面粗糙度对静电力的影响较小。因此，在抓取或操作10 mm至1 mm物体时，静电力将是最主要的作用力。由于流体环境有助于消除表面张力和静电力，很多学者研究了流体环境中的微装配问题[2]。Arai和Fukuda等人研究了如何通过调节接触面积和表面张力来控制微小物体粘附力，达到自如拿、放和灵活操作[3]。 3 串行微装配 目前，微装配主要是借助镊子在显微镜下人工实现或通过高精度的抓放机器人自动完成，这些方法试图将传统“抓放”装配操作扩展到微观领域，本质上都属于串行微装配范畴。在人工交互式微操作时，友好的人机界面将是人们完成日益复杂的微细操作的前提。为方便微操作，研究人员开发了基于遥操作技术的微操作系统，以把操作员的装配运动和操作技巧传递给遥控机械手。文献[4]报道了一个能够完成灵活、复杂的微装配任务的灵巧微操作系统，该系统的一个关键技术是采用了基于触觉/视觉的人机接口。Tanikawa等人开发的微操作系统包括一个压电驱动的并联操作臂和一个拥有两个手指的微装配手[5]。 随着物体尺寸不断缩小，在宏观世界可以忽略的干扰因素（如加工缺陷、摩擦、热变形、计算误差等）在微观世界起着明显作用，应用传统的操作机器人来装配微系统变得越来越困难。基于上述原因，柔性微机器人和桌面微操作系统的研究引起了人们极大兴趣。为保持操作臂的末端作用器在显微镜的视野内并减少遮挡及避免碰撞，必须使微机器人的外观尺寸尽量小。另一方面，实现3D微装配任务通常需要4-6自由度及亚微米级的装配精度。因此,设计一个适合于微装配的多自由度的柔性机器人是一个富有挑战性的课题。国内许多科研单位对微操作机器人系统进行了研究[6,7]：上海交大研制一个全方位的微加工机器人；哈尔滨工业大学研制成机构、检测、定位一体化的微装配机器人；北京航空航天大学开发了面向生物工程及显微手术的微操作机器人系统；Fatikow等人设计了两个柔性微操作机器人MINIMAN和SPIDER[8]，如图2 所示。每个机器人包括一个压电驱动的基本平台和一个可以安装不同工具的操作臂，能实现抓、移动、放等基本装配操作。在此基础上，他们开发了一个基于微机器人的微装配桌面工作站，实现了微机器人、显微镜、定位平台、传感器以及一些专用微装配设备的有机集成。Yang等人报道了一个晶圆级3D微装配实验平台，能够把大量的细小金属物体装配到100mm硅晶圆上的微加工孔中[9]。另外，设计与制造适合于微装配的微夹持器也是一个挑战，目前国外已制造出基于压电效应、硅加工以及LIGA等技术的微夹持器。 微装配的部件尺寸大多在几微米到几百微米之间，一般装配精度要求为亚微米级。这个精度要求已经超出了一般工业应用的开环精密装配系统的标定精度。因此，应用实时视觉反馈，组成闭环精确定位系统是必要的。Feddema和Simon[10]报道了一个用于装配LIGA零件的视觉伺服机器人系统，讨论了微器件装配系统机器视觉的实现。另外，视觉伺服可以有效补偿在光学镜头、操作臂和工作空间校正中所产生的不确定性。如Ralis等人应用“先粗后精”的视觉伺服策略在校准比较差的情况下实现了微装配系统的高精度微定位[11]。随着零件尺寸的不断缩小，要求更高精度的装配能力，机器视觉作为其中关键的辅助手段，要求它有更高的处理速度，这包括图像的采集、传输及处理算法等。视觉系统在微装配中面临的问题依旧是速度、精度和稳定性。 为避免在操作过程中损坏工件，必须在微装配和微操作的控制系统中引入力反馈。高加速度、高灵敏度、高精度和快响应力传感器的设计也是一个难题，目前用于微机器人的力传感器大多是基于应变测量原理，测力范围介于nN与μN之间，所存在的问题也是精度、速度和价格等方面。在力控制策略方面，阻抗控制和力/位混合控制作为两种经典的力控制策略仅仅具有理论上的探索意义，在实际中很难应用。以外部力环包容位置环为代表的现代控制结构和以智能力/位并环为代表的智能控制结构是两种比较有效的新策略。最近,香港科技大学的李泽湘教授采用速度和加速度前馈，并将运动伺服环作为力环的执行环节，直接对力进行反馈控制，提高响应速度，开发出压力为30±2g、频率为10Hz的高性能力控制系统[12]。 4 自装配 自装配或自组织是指物体自发地形成图形或结构的过程，广泛地存在自然界中，小到晶体中的分子组装，大到天气系统中的行星运动[13]。自装配的概念已经在化学、生物学、材料科学、电子工程等学科得到了广泛应用。最近，自装配的思想被应用到含有大量微装置的制造系统中，零件的定位、定向和装配是在无传感器反馈的前提下以开环的方式实现的。自装配属于一种并行装配方式，在类似“退火”的过程中将大量零件随机地装配到预期位置。与退火过程一样，微细零件的自装配必须满足以下3个条件：①预期的装配位置必须是系统的最小势能形位；②能量陷阱小于驱动的势能；③系统有使零件产生随机运动的激励源。根据激励和驱动方式的不同，现有的自装配技术大致分为4类：①流体激励和零件形状配合；②振动激励和静电力势场；③振动激励和零件形状配合；④自装配单分子层的形状配合。 日本Sony公司的APOS（高级零件定向系统）零件送料器的设计原则非常适合于自装配[14] 。在该送料器中，送料器的振动产生随机运动，该运动与零件自身的重力一起产生并行、非抓握操作所需的驱动力。然而，这种随机微装配常常要面对这样棘手的问题，即静电、流体及其他力与振动往往交织在一起。Cohn等人[15]开发了基于重力和静电力能量陷阱的自装配技术。基于重力的自装配的装配周期大概在0.2s左右，定位精度高达0.1-0.01mm。对于尺寸小于2mm的零件，基于静电力的自装配效率更高，然而定位精度却只有300mm。理论上，该自装配技术可以用于三维物体的装配，目前还没有这方面的实验报导。Srinivasan等人[16]研究了基于毛细管力的流体自装配技术，利用该技术可以将微加工的硅零件自装配到硅或石英基板，装配精度为亚微米级。目前，该技术已成功地应用于MEMS驱动器的超平镜子装配。徐敏、尹周平等人[17]探讨了流体自装配机理与方法，对流体自装配过程中能量地形图进行了计算与仿真，揭示了在表面粘附力作用下绑定点的几何形状与装配效率之间的定性关系。为实现高效精确的自装配，流体自装配系统只能有一个对应于期望装配形位的全局能量陷阱，而尽量避免可能导致误装配的局部能量陷阱。 随着芯片的集成度增加、尺寸减小以及微米级甚至纳米级复合结构的使用，需要研究更加先进的微装配技术。最近，Cracias等人提出了基于自装配的3D组装方法，通过热运动将表面刻有集成电路、发光二极管等毫米级细小多面体装配成具有一定电子功能的3D电子网络[18]。图3给出了一个由 12个小八面体并联组成的2′2′3的3D电子网络，其中每个小八面体上事先安装了3个发光二极管。在图3所示装配体中，已经有2个八面体通过2对引线导通电源，点亮了6个发光二极管。伊利诺斯大学的Heller等人提出了下一代微型器件组装技术——电场贴装，利用分子生物学中的电泳原理把小型元器件准确地放在微阵列芯片上[19]。      5 研究展望 随着微电子技术和微系统技术的发展，微装配和微操作技术将日益显示其重要性。微装配和微操作技术在过去的十年里得到了长足的发展。应当看到，目前对有关理论和应用的研究还远远不够，在装配机理、新材料、测量手段、控制方法等方面都还有许多问题没有得到完全解决。可以预见，今后一段时间微装配技术需要解决的问题有：设计能克服或利用粘附力的稳定微夹持器；研究视觉/力混合引导装配控制策略；微装配规划；可控、高效、高精的自装配技术；三维微装配技术等。