微系统装配关键技术
微组装的主要工作内容
微组装的主要工作内容1.引言微组装是一种先进的技术，可以将微小尺寸的元件组装成复杂的微系统。
本文将介绍微组装的主要工作内容，包括工作原理、关键技术以及应用领域。
2.工作原理微组装的工作原理是将微小元件按照设计要求组合在一起，形成功能完整的微系统。
主要包含以下几个步骤：2.1材料准备首先需要准备适合微组装的材料，常用的材料包括晶片、微机械元件、光学元件等。
这些材料通常具有微米级甚至纳米级尺寸，要求在组装过程中具有良好的可控性和可靠性。
2.2组件定位组件定位是微组装中的关键步骤，通过精确的定位技术将不同元件放置在指定位置。
常用的定位技术包括光学定位、机械臂定位和电磁定位等，以确保组件的精确定位和对齐。
2.3组装连接组装连接是将不同组件连接在一起，形成功能完整的微系统。
常见的组装连接方式包括焊接、粘接和激光焊接等。
这些连接方式需要具有高精度和高可靠性，以保证微系统的工作性能和稳定性。
2.4封装保护封装保护是微组装的最后一步，目的是保护组装好的微系统免受外界环境影响。
常用的封装保护方式包括薄膜封装、气体封装和真空封装等。
这些封装方式要求具有良好的密封性和稳定性，以确保微系统的长期可靠性。
3.关键技术微组装涉及到多个关键技术，以下是其中几个重要的技术：3.1微定位技术微定位技术是微组装中的核心技术之一，用于实现微小组件的精确定位和对齐。
常见的微定位技术包括光学定位、机械臂定位和电磁定位等。
这些技术要求高精度、低误差，以确保微组装的成功进行。
3.2微连接技术微连接技术是将不同微组件连接在一起的重要技术，常见的微连接方式包括焊接、粘接和激光焊接等。
这些连接方式要求高精度、高可靠性，以确保微系统的良好工作。
3.3微封装技术微封装技术是保护微组装好的微系统免受外界环境影响的关键技术，常见的微封装方式包括薄膜封装、气体封装和真空封装等。
这些封装方式要求具有良好的密封性和稳定性，以提高微系统的可靠性。
4.应用领域微组装技术在多个领域得到广泛应用，以下是其中几个典型的应用领域：4.1生物医学领域微组装技术可以应用于微管道、微阀门和微探测器的组装，用于生物医学领域的细胞培养、药物筛选和疾病诊断等。
微器件高精度装配精确对准关键技术研究共3篇
微器件高精度装配精确对准关键技术研究共3篇微器件高精度装配精确对准关键技术研究1微器件高精度装配精确对准关键技术研究近年来，随着微电子技术的快速发展，微器件已经成为许多领域的重要应用之一。
微器件具有尺寸小、体积小、功耗低、能耗小等优点，因此越来越受到人们的关注。
然而，微器件的尺寸非常小，需要高精度的装配和精确对准才能发挥其最大的效能，这也是微器件制造面临的一大难题。
本文将介绍微器件高精度装配精确对准关键技术研究的现状和进展。
一、微器件高精度装配技术微器件的装配需要高精度的加工设备和技术，目前主要的装配工艺有薄膜堆叠、压合连接和自组装等。
薄膜堆叠是将多个薄膜按照设计要求堆叠在一起，形成一个完整的器件结构。
薄膜堆叠的优点是可以实现三维结构，缺点是依赖于制备工艺，其精度受制于加工工艺的精度。
压合连接是将两个部件通过力的作用连接在一起，一般通过热压、超声波压合和机械压合等方法进行。
压合连接的优点是装配速度快、精度高，缺点是难以实现复杂结构的装配。
自组装是指通过气相、液相或界面自行排列，自行组合成所需要的结构。
自组装的优点是不需要设备和工艺，可以在自然条件下进行，并且可以实现复杂结构的装配。
二、微器件高精度对准技术微器件在装配后需要进行精确的对准，以确保器件可以正常工作。
微器件的对准技术需要满足高精度、快速、非接触和无损等要求。
目前主要的对准技术有光学对准、电学对准和机械对准等。
光学对准是指通过光学显微镜观察加工部件进行对准，适用于透明材料的对准。
电学对准是指利用电场或磁场对层间距进行对准，适用于需要多次对准或对准部件不能直接观察的情况。
机械对准是指通过机械手臂将部件对准到目标位置，适用于量产阶段整体加工的对准。
三、微器件高精度装配、对准技术的发展趋势随着科学技术的发展，微机电系统将越来越多地运用于智能终端设备、生物医学、环境监测等领域，这就迫使微器件制造需要高效、准确和经济的装配和对准技术。
因此，制造商需要不断研究和开发新的高精度装配和对准技术。
微系统封装技术-键合技术
航空航天领域
用于制造微型化航空电子设备、 卫星电路模块等。
通信领域
用于制造手机、路由器、交换 机等通信设备中的微型化电路 模块。
医疗领域
用于制造微型化医疗器械，如 植入式电子器件、医疗传感器 等。
智能制造领域
用于制造微型化工业传感器、 控制器等智能制造设备中的电 路模块。
02
键合技术的基本原理
键合技术的定义
键合技术的关键要素
键合材料的选择
总结词
选择合适的键合材料是实现高质量微系统封装的关键，需要考虑材料的物理性质、化学稳定性、热膨胀系数匹配 等因素。
详细描述
在微系统封装中，键合材料的选择至关重要。材料需要具备优良的导热性、导电性、耐腐蚀性和稳定的化学性质， 以确保键合的可靠性和长期稳定性。此外，材料的热膨胀系数也需要与基材相匹配，以减少因温度变化引起的应 力，防止键合层破裂或脱落。
超声键合技术
超声键合技术是一种利用超声波能量实现芯片 与基板连接的封装技术。
超声键合技术具有非热、非机械接触、快速和 低成本的优点，适用于各种不同类型的材料和 器件。
超声键合技术的关键在于超声波的传播和控制， 需要精确控制超声波的频率、振幅和作用时间 等参数，以确保键合的质量和可靠性。
热压键合技术
环境友好型封装技术
无铅封装
推广无铅封装技术，减少 对环境的重金属污染，满 足绿色环保要求。
可回收封装
研究开发可回收再利用的 封装材料和工艺，降低资 源消耗和环境污染。
节能封装
优化封装设计和工艺，降 低微系统封装的能耗，实 现节能减排的目标。
06
结论
微系统封装技术的重要性
提升电子设备性能
节能环保
键合质量的检测与控制
微组装技术概念
微组装技术概念微组装技术是一种将微小尺寸的元件组装成功能完整的微系统的技术。
它是微电子技术、微机电系统技术和微纳米加工技术的重要组成部分，是实现微型化、高性能、低功耗的关键技术之一。
微组装技术的发展历程可以追溯到20世纪50年代，当时主要是针对电子元器件的微型化和高密度集成的需求而发展起来的。
随着微机电系统技术和微纳米加工技术的发展，微组装技术逐渐成为实现微型化、高性能、低功耗的重要手段。
微组装技术主要包括芯片级组装、封装级组装和系统级组装三个层次。
芯片级组装是将微小尺寸的芯片元件组装成功能完整的芯片，封装级组装是将芯片组装到封装中，形成完整的电子元器件，系统级组装是将多个电子元器件组装成系统。
微组装技术的应用范围非常广泛，涉及到电子、通信、医疗、能源、环保等多个领域。
在电子领域，微组装技术可以实现高密度集成、高速传输、低功耗等特性，推动了电子产品的微型化和高性能化。
在通信领域，微组装技术可以实现高速传输、低功耗、小型化等特性，推动了通信设备的微型化和高性能化。
在医疗领域，微组装技术可以实现微型化、高精度、低功耗等特性，推动了医疗设备的微型化和高性能化。
在能源和环保领域，微组装技术可以实现高效、低耗、小型化等特性，推动了能源和环保设备的微型化和高性能化。
微组装技术的发展离不开微纳米加工技术的支持。
微纳米加工技术是一种将微小尺寸的结构制造出来的技术，包括光刻、薄膜沉积、离子注入、等离子体刻蚀等多种技术。
微纳米加工技术的发展为微组装技术提供了更多的可能性，可以制造出更小、更精密、更复杂的微小结构，为微组装技术的发展提供了更多的支持。
总之，微组装技术是一种将微小尺寸的元件组装成功能完整的微系统的技术，是实现微型化、高性能、低功耗的关键技术之一。
它的应用范围非常广泛，涉及到电子、通信、医疗、能源、环保等多个领域。
微组装技术的发展离不开微纳米加工技术的支持，微纳米加工技术为微组装技术的发展提供了更多的可能性。
微组装技术简述及工艺流程及设备
微组装技术简述及工艺流程及设备引言微组装技术是现代制造领域的重要技术之一，它通常用于在微尺度下组装微型元件和器件。
微组装技术的应用范围非常广泛，包括微电子组装、微光学组装、生物医学器械组装等。
本文将对微组装技术进行简述，并介绍其工艺流程及所需的设备。
微组装技术简述微组装技术是利用微加工技术和微纳米尺度力学手段，在微尺度下实现元件和器件的组装。
与传统组装技术相比，微组装技术具有更高的精度、更小的尺寸、更好的可靠性和更高的集成度。
微组装技术是当今微电子、纳米科技和生物医学等领域的重要基础技术，对于实现微纳系统和微型器件的集成化具有重要意义。
微组装技术可以分为两种基本形式：硬微组装和软微组装。
硬微组装是指在刚性基板上进行器件组装，主要包括微芯片组装、微连接组装等。
软微组装主要指在柔性基板上进行器件组装，如可穿戴设备组装、生物医学器械组装等。
工艺流程微组装技术的工艺流程一般包括以下几个步骤：1. 设计和制造基板首先需要根据组装要求设计并制造基板。
基板材料通常选用硅、玻璃或聚合物材料，并依据器件的尺寸和形状进行加工。
2. 准备组装元件接下来，需要准备待组装的微型元件和器件。
这些元件通常是在其他工艺步骤中制备好的，如微电子芯片、光学元件、传感器等。
3. 准备组装工具和设备在微组装过程中，需要使用一些特殊的工具和设备，如显微镜、激光加工设备、微针等。
这些设备通常需要根据具体的组装任务进行选择。
4. 进行组装操作组装操作是微组装技术的核心步骤。
根据组装要求，将待组装的元件定位到基板上，并使用适当的力或温度进行粘合或焊接。
组装过程需要在洁净的环境中进行，以避免灰尘或杂质对器件性能的影响。
5. 测试和质量控制完成组装后，需要对组装好的器件进行测试和质量控制。
这包括检查组装位置的准确性、元件之间的连接可靠性以及器件的功能性能等。
设备微组装技术需要使用一系列特殊的设备来完成组装任务。
下面列举一些常用的微组装设备：1.显微镜：用于精确定位待组装的微元件，可采用光学显微镜或电子显微镜等。
微组装技术简述及工艺流程及设备概述
微组装技术简述及工艺流程及设备概述引言随着科技的发展，微组装技术在电子、光学、生物医学等领域得到了广泛的应用和发展。
微组装技术是指将微尺度的部件组装成为具有特定功能的微系统的技术。
本文将简要介绍微组装技术的基本概念、工艺流程以及相关的设备。
微组装技术的概念微组装技术是将微尺度的部件组装成为具有特定功能的微系统的技术。
微尺度的部件可以是电子器件、光学器件、生物传感器等，其尺度通常在微米到亚微米的范围内。
微组装技术的最终目标是实现高效、高精度的组装，以满足微系统的特殊需求。
微组装技术的工艺流程微组装技术的工艺流程通常包括以下几个主要步骤：1. 设计和制备微尺度的部件在微组装技术中，首先需要针对具体的应用设计和制备微尺度的部件。
这些部件可以是微电子器件、微光学器件、生物传感器等。
制备的方法包括光刻、薄膜沉积、电子束曝光等。
2. 部件准备和选择在微组装之前，需要对微尺度的部件进行准备和选择。
这包括清洗、对准和检查部件的质量和尺寸等。
3. 对准和定位微组装中，对准和定位是关键步骤。
通过使用显微镜、激光对准系统等工具，将微尺度的部件准确地放置在目标位置。
4. 连接和固定在对准和定位完成后，需要进行连接和固定微尺度的部件。
常用的连接方式包括焊接、粘合、微弯曲等。
固定的方法可以是机械固定、热固定等。
5. 测试和检验完成微组装后，需要进行测试和检验，以确保组装的微系统具有预期的性能和功能。
常用的测试方法包括电性测试、光学测试、力学性能测试等。
微组装技术的设备概述显微镜显微镜是微组装中常用的设备之一。
它能够提供高分辨率的图像，帮助操作人员对微尺度的部件进行准确定位和对准。
常见的显微镜类型包括光学显微镜、扫描电子显微镜等。
激光对准系统激光对准系统是一种用于微组装中的精准定位工具。
通过发射激光光束，检测和测量部件的位置和角度，从而实现高精度的对准。
焊接设备微组装中的焊接设备用于将微尺度的部件连接在一起。
常见的焊接方法包括激光焊接、红外焊接等。
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4) 易于实现多功能。MCM可将模拟电路、数 字电路、光电器件、微波器件、传感器以及 其片式元器件等多种功能的元器件组装在一 起，通过高密度互连构成具有多种功能微电 子部件、子系统或系统。Hughes Reserch laboratory 采用三维多芯片组件技术开发 的计算机系统就是MCM实现系统级组件的 典型实例。
3.类型和特点——
通常可按MCM所用高密度多层布线基板的结构 和工艺，将MCM分为以下几个类型。
1)叠层型MCM（MCM-L，其中L为“叠层”的 英文词“Laminate”的第一个字母）也称为L 型多芯片组件，系采用高密度多层印制电路板 构成的多芯片组件，其特点是生产成本低，制 造工艺较为成熟，但布线密度不够高，其组装 效率和性能较低，主要应用于30MHz和100个 焊点/英寸2以下的产品以及应用环境不太严酷 的消费类电子产品和个人计算机等民用领域。
3)淀积型MCM（MCM-D，其中D是“淀积”的英 文名Deposition 的第一个字母），系采用高密度 薄膜多层布线基板构成的多芯片组件。其主要特 点是布线密度和组装效率高，具有良好的传输特 性、频率特性和稳定性.
微组装技术简述
张经国 1404
Байду номын сангаас
一.微组装技术内涵及其与电子组装技术的关系 1.内涵——微组装技术（micropackging technology） 是微电子组装技术（microelectronic packging technology)的简称，是新一代高级的电子组装技 术。它是通过微焊互连和微封装工艺技术，将高 集成度的IC器件及其他元器件组装在高密度多层 基板上，构成高密度、高可靠、高性能、多功能 的立体结构微电子产品的综合性高技术，是一种 高级的混合微电子技术。
微组装关键工艺技术研究
摘要微组装工艺技术是一个电子行业公司必须具备的工艺技术。
本课题从公司实际需求出发，进行毫米波产品生产中急需的微组装关键工艺技术的开发，微组装关键工艺技术主要是粘接/烧结工艺技术和微型焊接工艺技术，它是微组装工艺技术中的重要和基础技术。
本论文在查阅大量相关技术资料和结合相关工作经验的情况下，首先从技术角度研究和探讨了粘接/烧结工艺技术和微型焊接工艺技术的原理，关键因素，失效模式，不良现象及其解决方法，检验技术要求及方法等。
粘接/烧结工艺技术是指将去除工艺线后的电路基板、陶瓷基板，通过导电胶粘接或者通过合金焊料烧结在器件的金属腔体上，从而实现对基板的物理支撑和散热。
基板粘接/烧结工艺的重点是超声波清洗工艺和焊料烧结/导电胶固化工艺。
微型焊接工艺技术包括芯片的粘接/共晶工艺技术，金丝楔/球键合工艺技术。
芯片的粘接/共晶工艺技术是指半导体芯片与载体（封装壳体或基片）形成牢固的、传导性或绝缘性连接的方法。
焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好的散热通道。
金丝楔/球键合工艺技术是指使用金属丝（金线等），利用热压或超声能源，完成微电子器件中固态电路内部互连接线的连接，即芯片与电路或引线框架之间的连接。
金丝键合按照键合方式和焊点的不同分为球键合和楔键合。
本论文结合多次功能性实验的结果和经验，设计了工艺流程，对具体工艺细则和操作步骤，设备参数设置等进行了开发，开发完毕后再通过实验对开发的工艺进行了验证，实验证明工艺流程合理，工艺方法可靠，工艺参数有效。
本课题全面完成了微组装关键工艺技术的开发要求，项目组所制定的“毫米波微组装工艺细则”、“微组装关键工艺技术研制”、“毫米波T/R组件生产工艺流程卡片”已通过公司鉴定并归档，本人拟制的“毫米波批生产工艺能力建设方案”已经通过专家评审，并在《硅谷》国家级科技类学术期刊发表“浅谈混合微波集成电路的制作”技术论文一篇。
本课题不但填补了公司在微组装技术方面的空白，解决了公司毫米波产品T/R组件生产问题。
生产装配程序的关键技术与应用
生产装配程序的关键技术与应用生产装配程序是指在工业生产过程中，通过编制一系列的操作指令与参数设置，实现产品的装配和生产过程的自动化。
它是现代工业生产的重要组成部分，不仅可以提高生产效率，减少人力投入，还可以提高产品的质量和稳定性。
以下将介绍生产装配程序的关键技术与应用。
一、生产装配程序的关键技术：1. CAD技术：CAD（计算机辅助设计）技术是生产装配程序的基础。
它可以通过在计算机中绘制产品的三维模型，实现对产品的虚拟设计和组装过程的模拟。
CAD技术不仅可以提高产品设计的精度和效率，还可以为后续的装配程序提供数据基础。
2. CAM技术：CAM（计算机辅助制造）技术是生产装配程序的关键技术之一。
它可以将设计好的产品模型转化为机器加工的指令代码，实现产品的自动加工。
CAM技术可以减少人工干预的误差，提高产品的加工精度和效率。
3. PLC技术：PLC（可编程控制器）技术是生产装配程序的核心技术之一。
它可以通过采集和处理传感器信号，实现对生产装配过程的自动控制和监控。
PLC技术可以根据预设的逻辑和条件，自动调节装配过程的各个参数和操作，从而保证产品的一致性和稳定性。
4. 传感器技术：传感器技术是生产装配程序的重要支持技术。
通过安装不同类型的传感器，可以实时获取产品装配过程中的各种数据，如温度、压力、速度等。
传感器技术为装配过程提供了重要的监测手段，可以及时发现并纠正装配过程中的问题，保证产品的质量和安全性。
5. 人机交互技术：人机交互技术是生产装配程序的重要补充技术。
通过设计直观、简洁的界面和操作方式，可以方便操作人员对装配程序进行设置和调整。
人机交互技术还可以提供实时数据反馈和报警功能，让操作人员及时了解装配过程的状态和异常情况。
二、生产装配程序的应用：1. 工业制造：生产装配程序在工业制造领域应用广泛，可以用于各种传统制造行业，如汽车制造、机械制造、电子设备制造等。
通过自动化装配程序的应用，可以提高工厂的生产效率和产品质量，减少人力投入和人为错误。
微组装技术简述及工艺流程及设备课件
精度控制问题
精度控制问题
微组装技术要求零件的精度非常高，如何确保每个组件的精确位置和尺寸是微组装过程中的一大挑战 。
解决方案
采用高精度的设备和工艺，如激光加工、纳米压印等，同时加强质量检测，对不合格的零件进行修复 或替换。
生产效率问题
生产效率问题
微组装技术的复杂性和高精度要求使 得生产效率相对较低。
ERA
定义及特点
微组装技术定义 高密度组装 高可靠性 高灵活性
微组装技术是一种将微电子器件（如芯片、MEMS等）通过物 理、化学或电学方法组装到基板上，形成复杂电路和系统的技
术。
微组装技术可以实现高密度组装，将多个微电子器件组装到有 限的基板面积内，提高了电路和系统的集成度。
由于微组装技术采用可靠的物理、化学或电学方法进行连接和 固定，因此可以保证组装后的电路和系统具有高可靠性。
05
案例分析
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
案例一：某公司微组装生产线
总结词
高效、自动化、定制化
主要设备
自动拾取机、微型焊接机、芯片贴装机、烘箱、 显微镜等。
详细描述
该公司的微组装生产线采用了先进的自动化设备 和精细的工艺流程，实现了高效的生产。同时， 公司根据客户需求进行定制化生产，满足客户多 样化的需求。
技术参数
引线键合机的主要技术参数包括 金属线的直径、键合压力、加热 温度和键合速度等，这些参数需 要根据不同的芯片和基板材料进 行调整。
芯片封接机
设备功能
芯片封接机主要用于将芯片、引线和基板等部件密封在一起，以保 护电气连接不受环境影响。
工作原理
芯片封接机采用热压、超声波焊接或环氧树脂密封等技术，将芯片 、引线和基板等部件密封在环氧树脂或其他密封材料中。
微组装技术简述及工艺流程及设备
2.优点——MCM技术有以下主要优点。
1）使电路组装更加高密度化，进一步实现整机 的小型化和轻量化。与同样功能的SMT组装 电路相比，通常MCM的重量可减轻 80%~90%，其尺寸减小70~80%。在军事应 用领域，MCM的小型化和轻量化效果更为明 显，采用MCM技术可使导弹体积缩小90%以 上，重量可减轻80%以上。卫星微波通信系 统中采用MCM技术制作的T/R组件，其体积 仅为原来的1/10~1/20。
3)淀积型MCM（MCM-D，其中D是“淀积”的英 文名Deposition 的第一个字母），系采用高密度 薄膜多层布线基板构成的多芯片组件。其主要特 点是布线密度和组装效率高，具有良好的传输特 性、频率特性和稳定性.
4)混合型MCM-H（MCM-C/D和MCM-L/D，其中 英文字母C、D、L的含义与上述相同），系采用 高密度混合型多层基板构成的多芯片组件。这是 一种高级类型的多芯片组件，具有最佳的性能/价 格比、组装密度高、噪声和布线延迟均比其它类 型MCM小等特点。这是由于混合多层基板结合了 不同的多层基板工艺技术，发挥了各自长处的缘 故。特别适用于巨型、高速计算机系统、高速数 字通信系统、高速信号处理系统以及笔记本型计 算机子系统。
2)厚膜陶瓷型MCM（MCM-C，其中C是“陶瓷 ”的英文名Ceramic的第一个字母），系采用 高密度厚膜多层布线基板或高密度共烧陶瓷 多层基板构成的多芯片组件。其主要特点是 布线密度较高，制造成本适中，能耐受较恶 劣的使用环境，其可靠性较高，特别是采用 低温共烧陶瓷多层基板构成的MCM-C，还 易于在多层基板中埋置元器件，进一步缩小 体积，构成多功能微电子组件。MCM-C主 要应用于30~50MHz的高可靠中高档产品。 包括汽车电子及中高档计算机和数字通信领 域。
微装配的若干关键技术
在 微尺度 下 ， 力不再 起主导作 用 ， 重 随着 物体尺 寸的减 小 ， 其重量和 体 积按 尺寸的三 次 方减 小 ； 其 而 表面积 按尺 寸的平 方减 小 。当物体尺 寸 小于 某临界 值后， 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 。不仅 如 此 ， 微 尺 度 在 下 ， 体的 力特性 还与 物 体 密度 、 物 表面 粗 糙 度 、 度 湿 以 及部件 外 形 密切 相关 ， 就 给微操 作 带 来很 大 的 这
技 术发展 的 几个主要 方面 ， 包括 微 装配机 理 、 觉伺服微 装 配的 结 构、 夹特 器等 等 。最后 对微 装 视 微
配 的发 展 方 向 进 行 了讨 论 。
关 键词 ： 装 配 ； 器人 ； 觉伺服 微 机 视 中 图分 类 号 ： ＴＨ一 ３ ９ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ８ ５ ０ （ ０ ２ ０ 一０ ３ 一∞ ｌ０ — ３ ０ ２ ０ ） ｌ ０ ５
的 产值将达 到 ３ ０亿 美元“ 。而且 ， 些 微机 电 系 ４ 】 这
电路工艺制造微装配系统是未来发展的方向 ， 目 但
前还有许 多 问题要 解 决 ； 传统 的宏观 技术 上实 现 在
微装配是 目前许多学者研究的内容 ， 其系统 类型大 致 分为远 端操 作 方 式 “和 自动 操 作 方式 。近 年 来 ，
维普资讯
２０ ０ ２年 第 ｌ ８卷 第 Ｌ 期
２０ ２．Ｖ ｏ ． ８ Ｎ ｏ ０ １ １ ．１
电 ｆ 机 械 工 程
计算机显微视觉伺服控制微装配系统关键技术研究
摘要：微器件装配技术是微机电系统(MEMS)研究的核心内容和热点课题，具有广泛应用前景和重要研究意义。
鉴于此，本文针对计算机视觉伺服微装配系统关键技术进行了深入研究。
分析了当前微器件装配技术国内外现状，掌握了微器件装配技术发展动态。
结合现有研究基础，实现了对微装配系统中关键技术的改进。
提出了一种新型三维整体式双柔性微定位工作台设计方法，采用FEM方法进行仿真分析，有效地减小了耦合微位移影响。
分析了压电陶瓷迟滞特性和动态特性，采用模糊PI控制方法进行闭环补偿，实验表明微定位工作台的位移分辨率优于0.04μm。
设计研制了微夹持平台和SMA微夹持手的集成式微夹持系统。
采用FEM 方法进行仿真分析，结果表明微夹持平台在X、Y和Z方向的行程分别为9.0μm、9.3μm和13.5μm，位移分辨率达到0.1μm；微夹持手采用U型SMA结构进行驱动，分析了设计原理，设计了结构参数，计算了夹持过程耦合微位移。
实验结果表明微夹持手的最大开合量为500μm，满足微器件操作与装配要求。
采用图像边缘特征的粗／精结合调焦方法，实现图像目标自动调焦。
利用了小波尺度归一化模极大值边缘检测方法，精度达到1个像素。
提出了基于最优双正交Gabor小波矩不变量特征提取的图像识别方法，对具有旋转、平移、尺度变换特性的图像进行识别，实验表明识别定位误差小于±1.0％。
构建了显微图像视觉伺服控制器，采用基于单尺度径向基小波框架神经网络非线性视觉映射模型，将图像特征空间与微夹持器运动空间紧密联系起来。
实验表明该方法可减小伺服跟踪误差和计算量，避免了图像雅克比矩阵复杂求逆计算。
建立显微视觉单元标定模型，进行矩形微器件装配实验。
实验表明微装配系统的定位精度可达±4μm，垂直装配分辨率可达0.4μm。
关键词：微装配；机器视觉；微夹持器；微定位工作台；图像处理。
mems和微系统封装基础
mems和微系统封装基础MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种将微型机械和微电子器件集成在一起的微型系统。
它们通常由微型传感器、微型执行器和微型电子控制器组成。
MEMS技术是将微型机械部件与微型电子器件结合在一起，以实现微型化和集成化的系统。
微系统封装是将MEMS芯片集成到封装体中，以保护芯片并提供接口以连接到外部系统。
在MEMS和微系统封装基础方面，有几个关键概念和技术需要了解。
首先，MEMS技术包括微型加工技术、微型传感器和执行器技术、微型控制技术等。
微型加工技术是制造微型器件和结构的基础，包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀等工艺。
微型传感器和执行器技术是实现微型机械运动和响应的关键，如压力传感器、加速度计、微型马达等。
微型控制技术则是用来实现对MEMS系统的控制和驱动。
其次，微系统封装是将MEMS芯片封装到封装体中的过程，以保护MEMS芯片并提供电气和机械连接。
封装技术包括封装材料的选择、封装结构设计、封装工艺等。
封装材料通常需要具有良好的机械性能、热性能和尺寸稳定性，以确保封装的可靠性和稳定性。
封装结构设计需要考虑封装体的尺寸、形状、接口等，以满足MEMS系统的要求。
封装工艺包括封装体的制造、封装芯片的封装、封装过程的控制等。
另外，MEMS和微系统封装的研究和应用领域包括传感器、微型马达、微型执行器、微型流体控制器、微型光学器件等。
传感器是MEMS技术的重要应用领域，包括压力传感器、加速度计、陀螺仪等。
微型马达和微型执行器可以实现微型机械部件的运动和操作。
微型流体控制器可以用于微型生物芯片、微型实验室等领域。
微型光学器件可以用于微型成像、光通信、光传感等应用。
综上所述，MEMS和微系统封装是微型系统领域的重要技术和研究方向，涉及微型加工技术、微型传感器和执行器技术、微型控制技术、封装技术等。
它们的应用领域广泛，包括传感器、微型马达、微型执行器、微型流体控制器、微型光学器件等。
微组装工艺技术
微组装工艺技术微组装工艺技术是一种用于制造微小尺寸产品的技术，它涉及到微电子、微机电系统（MEMS）等领域。
这项技术的发展为制造各种微型设备和器件提供了可能，包括智能手机、传感器、医疗器械等。
微组装工艺技术的核心目标是将微小尺寸的部件和元件精确地组装到目标设备中。
这项技术涉及到许多步骤，其中包括设计、制造、自动化组装和测试等。
首先，在微组装工艺技术中，设计是至关重要的。
设计人员需要考虑到所需组装的部件和元件的大小、形状和功能。
同时，他们还需要考虑到材料的选择，以确保所使用的材料具有足够的硬度、耐腐蚀性和导电性等特性。
接下来，制造部门使用先进的制造技术来制造所需的部件和元件。
这些技术包括光刻、沉积、腐蚀、离子注入和薄膜沉积等。
这些制造技术能够以微米甚至纳米级别的精度制造出所需的部件和元件。
一旦部件和元件制造完成，它们就需要进行组装。
为了实现高度的精确度和效率，自动化组装系统被广泛应用于微组装工艺技术中。
这些自动化系统可以根据预定的指令，将部件和元件按照特定的顺序和位置精确地组装在一起。
在组装过程中，需要确保组装的部件和元件的精确定位和连接。
为了实现这一点，一些高精度的工具和设备被使用，如显微镜、激光焊接装置和精确控制的机械臂等。
这些设备能够提供足够的精度和控制力来确保组装的准确性和稳定性。
最后，组装完成后，所组装的设备需要经过测试和质量检查。
这些测试和检查可以确保所组装的部件和元件在功能和性能上达到设计要求。
同时，它们还可以检测潜在的缺陷和问题，以便及时修复和改进。
总之，微组装工艺技术是一项复杂而精细的技术，涵盖了设计、制造、自动化组装和测试等多个环节。
它为微小尺寸产品的制造提供了可能，并在各个领域中发挥着重要的作用。
随着科技的不断发展和进步，相信微组装工艺技术将会继续演变和完善，为我们的生活和工作带来更多的便利和创新。
微系统装配关键技术PPT文档共30页
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
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参考文献
自动微装配系统的关键技术研究_吴朝明 微装配机器人关键技术研究_刘畅 微装配系统关键技术的研究_陈航 高效率的微器件自动装配技术研究_吴建华 微装配的若干关键技术_罗翔 一种MEMS自动微装配机器人_谢晖 具备多操作手协调的微装配机器人系统_吕遐东 微装配机器人系统_陈国良 基于MEMS机构装配的微夹持器研究
吉林大学于保军等人将压电执行器用于微操作时的精
确定位，开发了一套宏/微定位结合的微装配系统。 上海交通大学李江昊等人研制了由零件搬运微机器人 OMMR-I 和微装配微机器人 CRABOT 和视觉系统组 成的微装配系统。
自动微装配系统原理图
典型微装配系统的构成
显微视觉系统 承载系统 微夹持操作系统 控制驱动系统
任务 10：自动调焦。该任务应用基于双侧预测求交的自 动调焦方法实现在光轴垂直布置的显微视觉系统的视 场中被压电致动微夹钳夹持的无缺口微型金属圆柱腔 的聚焦。 任务 11：特征提取。该任务基于轮廓点余弦值的角点提 取方法提取在光轴垂直布置的显微视觉系统的视场中 被压电致动微夹钳夹持的无缺口微型金属圆柱腔的轮 廓并拟合该轮廓，计算拟合轮廓的圆心坐标。 任务 12：对准和堆叠零件。该任务应用基于图像的显微 视觉伺服控制方法将夹爪移动到夹持无缺口的微型金 属圆柱腔的位置。
微型夹钳的最新研究_王晓东
参考文献
微型夹钳的最新研究_王晓东 机械装配过程自动化浅析_李岩
一种带力传感的微夹持器设计及试验_韩江义
具备多操作手协调的微装配机器人系统_吕遐东
1.2静电驱动式微夹持器
静电驱动式微夹持器一般以多晶硅为原材料制造， 利用平板电容器产生的侧向静电吸引力来驱动夹持器 运动，通常电容器设计为叉指状或梳齿状。图为美国 的 KIM 等人研制的梳齿状静电驱动微夹持器，厚度为 2μm，长度为 500μm，在 20V 电压驱动下位移量可达 10μm，夹持力的大小与加载电压成线性关系，当电压 撤销时，夹持臂依靠自身弹性势能恢复原位。静电驱 动式微夹持器体积小巧、集成性高，但夹持力和张合 量较小。
微系统与微装配
微系统：是指由集成电路制造技术和微加工技术制造的微传 感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源 等部件组成的一体化的微型系统，全称为微机电系统 （micro-electro-mechanical system，MEMS） 。典型 MEMS 的尺度在毫米或毫米量级。MEMS 具有微型化、智能 化、低能耗、易集成、低成本、高性能等显著优点。 微装配：微装配是指在微小误差范围内对毫米以下微米以上 尺度的微零件的装配。在结构复杂的 MEMS 生产中，微装 配技术的使用不仅能够降低生产成本，提高生产效率。另 外，使用最合适的材料和微细加工方法生产的零件能获得 最佳的性能，相应的也提高了 MEMS 的整体性能。
微装配的特点
1、定位精度高：在微装配中，被装配的零件尺寸通常 都是从 1μm 到 1 mm，因此，微装配中经常要求亚微 米的定位精度。这样的定位精度远远超出了工业中传 统开环精密装配设备的能力。 2、工具性能限制：显微镜景深有限和其它传感能力的 缺失限制了对被装配零件的各种状态的反馈。高分辨 率的需求要求显微镜具有高的光学放大倍数，这限制 显微镜的视场和景深，以致很难获得微零件的完整信 息。
3、操作难以控制：一些力（静电力、范得华力和表面 张力等）的作用机理尚未被人们完全理解，也不易控 制。
微装配系统设计
法国 FEMTO-ST 学院 Tamadazte 等人将轴孔插入装
配从开始到结束分为十二个任务，建立了微装配系统。 美国 Lawrence Livemore 国家实验室为装配激光核聚 变中用于点火的冷冻靶，在自动光学测量系统 SmartScope Vantage 650的工作平台上建立了一套由 五个机械手和微夹钳组成的复杂半自动微装配系统， 该系统解决了在线测量微装配过程中的装配精度问题。 日本贸易与工业部机械实验室 Tanaka研制的便携式微 工厂系统 德国 Karlsruhe 大学的 Fatikow 等人建立了一套基于 微机器人 Miniman 的微装配系统。
任务 7：旋转零件。该任务应用基于图像的显微视觉伺 服控制方法，通过控制工作台的旋转控制带缺口的微 型金属圆柱腔的缺口在水平布置的显微视觉系统的视 场中的大小，使带缺口的微型金属圆柱腔的缺口旋转 到期望角度。 任务 8：自动调焦。该任务应用基于双侧预测求交的自 动调焦方法实现在光轴垂直布置的显微视觉系统的视 场中工作台上的带缺口的微型金属圆柱腔的聚焦。 任务 9：特征提取。该任务应用阈值分割和八邻域轮廓 跟踪方法提取带缺口的微型金属圆柱腔的轮廓并拟合 该轮廓，计算拟合轮廓的圆心坐标。
清华大学段瑞玲等人设计了一套由Nikon公司的SMZ-
2T 型立体显微镜，Mintron 公司的 MTV-1801C 型 CCD 和电动平移台及其驱动装置组成的自动微装配系 统 南京航空航天大学王化明等人建立的由宏/微定位系统、 双目显微视觉系统、同轴照明系统、末端执行器和控 制系统构成的微装配系统
任务 13：释放零件。在微型金属圆柱腔的对准和堆叠 后，该任务通过减小压电陶瓷驱动器的驱动电压，使 压电致动微夹钳的夹爪张开，释放无缺口的微型金属 圆柱腔。
任务 14：夹爪返回初始位置。移动压电致动微夹钳的 夹爪到初始位置。 应用上述的装配序列规划，在构建的自动微装配 系统上可实现微型金属圆柱腔的自动对准和堆叠任务。
微夹持器是完成微装配的直接操作机构，微夹持 器的性能直接决定了微装配的成败。微装配的零件通 常尺寸较小、形状不规则，对外界影响比较敏感。目 前，针对不同材料、形状的零件有机械夹钳式和真空 吸附式两种微夹持器。钳式微夹持器可以完成对轴类 零件的夹持，且在夹持过程中对夹持力实时可控，但 释放时受粘附力影响较大。吸附式夹持器可以完成对 片状不规则零件的夹持操作，但夹持力不易控制。总 之，对微夹持技术的研究是微装配系统的一个研究重 点。
•压电驱动式微夹持器 静电驱动式微夹持器 记忆合金驱动式微夹持器
微夹持器的分类
热变形驱动微夹持器
静电驱动式微夹持器
钳式微夹持器
电磁力驱动式微夹持器 记忆合金驱动式微夹持器 压电驱动式微夹持器
真空吸附式微夹钳
1.1热变形驱动微夹持器
热变形驱动微夹持器是利用材料的热膨胀效应来 驱动夹持器的运动，将热能转化为机械能。下图为一 典型的热驱动夹持器，当受热时，上操作臂向下弯曲， 下操作臂向上弯曲，完成零件的夹持动作。
1.5压电驱动式微夹持器
压电驱动式微夹持器利用了压电陶瓷的逆压电效 应，即在通电情况下长度发生变化，但压电陶瓷输出 位移较小，一般需要放大机构来将位移放大输出。压 电驱动式微夹持器具有体积小、位移分辨率高、响应 速度快、功耗小、控制简单等特点，在近年来得到广 泛应用。
微夹持器的设计要求
微夹持器是微装配系统中的末端执行元件，它的性能 关系到整个微装配的成败。针对微装配操作空间有限，微 小型零件体积小且具有轻、薄、脆、与、易损坏的特点， 对微夹持器提出以下性能要求： （1）微装配系统中操作空间有限，夹持器应设计合理、结构 紧凑、体积小巧、方便安装。 （2）宏微结合，微夹持器能在较大的空间范围内运动，完 成零件的拾取、移动，又具有高的位移分辨率和定位精度。 （3）微夹持器驱动方式应简单可靠、易于操作。能准确可 靠的完成零部件的拾取与释放。 （4）为了防止夹持过程中造成零件的损坏，夹持器的夹持 力应该可以控制，并在夹用电磁线圈通电时产生的电磁 力作为驱动源来完成夹持、释放动作。电磁驱动式微 夹持器具有原理简单、响应速度快、分辨率高等优点， 但工艺复杂、加工难度大、成本较高。
1.4记忆合金驱动式微夹持器
记忆合金是一种具有两种不同金属相的功能材料， 在一定条件下产生塑性变形，在需要时加热到该材料 的固有临界温度，材料会恢复到原来的形状。形状记 忆合金即可作为驱动材料又可作为结构材料，可以实 现夹持器的小型化，但是形状记忆合金在临界温度附 近时几何尺寸变化大，在释放时，受温度影响较大， 难以精确控制。
显微视觉系统
视觉系统包括 CCD 相机、放大镜头、图形采集处 理设备等，可以完成对零件的识别、空间的定位，对 装配过程进行监视，通过视觉反馈对装配过程进行引 导。
承载系统
一般包括行程大、速度快的宏动精密工作台、定 位精确、分辨率高的微动工作台和真空吸附台等。精 密工作台可以带动夹持器在操作空间内移动，微动工 作台可以实现零件位置的微小调整，真空吸附台可以 对待装配零件进行装夹、定位。
微夹持操作系统
一般由钳式夹持器和真空吸附式夹持器组成，可 以完成微小零件的拾取、移动和装配，是实现微装配 的关键部分，微夹持器的性能直接关系到装配的成败。
控制驱动系统
包括各种需要驱动的元件的控制系统，并将这些 控制系统集成在一起由计算机控制，可以根据图像反 馈、力反馈来引导微装配的进行。
微夹持技术
微装配序列规划
任务 1：自动调焦。该任务应用基于双侧预测求交的自 动调焦方法分别实现在光轴垂直布置的显微视觉系统 的视场中压电致动微夹钳的夹爪和微型金属圆柱腔的 自动调焦。 任务 2：检测零件。该任务应用阈值分割和基于八邻域 轮廓跟踪方法查找在双目显微视觉系统视场中的微型 金属圆柱腔和夹爪的轮廓。 任务 3：识别零件。该任务对提取和识别的轮廓，应用 定义的特征集和基于余弦值的角点提取方法识别压电 致动微夹钳的夹爪、带缺口的微型金属圆柱腔和无缺 口的微型金属圆柱腔并计算各个特征在图像中的坐标。
任务 4：夹爪定位。该任务应用基于图像的显微视觉伺 服控制方法将压电致动微夹钳夹爪移动到夹持无缺口 的微型金属圆柱腔的位置。 任务 5：夹持零件。该任务通过压电陶瓷驱动器驱动压 电致动微夹钳，使压电致动微夹钳的夹爪闭合夹持无 缺口的微型金属圆柱腔。在夹持微型金属圆柱腔过程 中，应用基于图像的夹爪间距和夹持力控制方法确保 零件既能可靠夹持又不损坏微型金属圆柱腔。 任务 6：升起零件。该任务应用基于图像的显微视觉伺 服控制方法升起压电致动微夹钳，使无缺口微型金属 圆柱腔离开工作台到达堆叠前的期望高度。