微装配技术的研究进展及其展望

６ 半导体技术第 ２９ 卷第 ５ 期
二 ＯＯ 四年五月
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。
（ｂ） 尺度效应对微装配的影响 图１ 力的尺度效应及其对微装配的影响
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。
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
基金项目：国家重点基础研究发展计划（９ ７ ３ ）专项经费资 助（２ ０ ０ ３ Ｃ Ｂ ７ １ ６ ２ ０ ７），国家自然科学基金重大项目资助 （５ ０ ３ ９ ０ ０ ６ ３ ）。
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 １µｍ）之间。微 装配与纳米装配技术有着本Leabharlann Baidu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。
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
Ｍａｙ ２００４
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．５ ７
（ａ） ＭＩＮＩＭＡＮ
（ｂ） ＳＰＩＤＥＲ 图２ 德国卡尔斯鲁厄大学设计制造的微机器人［８］
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。
微装配技术的研究进展及其展望
尹周平，熊有伦
（ 华 中 科 技 大 学 机 械 科 学 与 工 程 学 院 ，湖 北 武 汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４ ）
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 。
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 １ ｍｍ（或物体重量小于 １０－６ ｋｇ）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 Ｍ Ｅ Ｍ Ｓ 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
Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ； ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙ； ｓｔｉｃｋ ｅｆｆｅｃｔｓ
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 １µｍ ～１ｍｍ 之间）的定位、定 向 和 装 配 操 作 ， 即 微 装 配 技 术［１］。
ＹＩＮ Ｚｈｏｕ－ｐｉｎｇ ＸＩＯＮＧ Ｙｏｕ－ｌｕｎ
（ Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ， ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｆｒｏｎｔｉｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＩＣ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ， ｍｉｃｒｏ－ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ， ａｎｄ ｒｏｂｏｔ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ， ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｗｉｄｅｌｙ ｒｅｃｅｎｔｌｙ． Ａｔ ｆｉｒｓｔ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ ｎａｎｏａｓｓｅｍｂｌｙ， ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｎｅｗ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ ｄｕｅ ｔｏ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｏｗｎ－ｓｃａｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｉｃｋ ｅｆｆｅｃｔｓ． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｅｍｅｒｇ－ ｉｎｇ ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｗｈｅｒｅ ｓｏｍｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ． Ｌａｓｔｌｙ， ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｏｐｅｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ．
关键词：微 装 配；自 装 配；粘 附 效 应 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－３５３Ｘ（２００４）０５－０００６－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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 µｍ 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］ 。Ａ ｒ ａ ｉ 和 Ｆ ｕ ｋ ｕ ｄ ａ 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］。