骆 宽
（邯郸派瑞节能控制技术有限公司 河北 邯郸 056000）
【摘 要】本文详细地综述了近年来微装配技术的国内外发展现状以及其发展过程中面临的一些关键技术，并对微装配的发展进行了展望。
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关键词 微机电系统；微装配；微夹持器；显微视觉
1. 引言?
（1）自从20世纪80年代以来，微机电系统(MEMS)以飞快的速度发展成为一个集微型机械、微传感器、微能源、微致动器、微控制器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的新兴研究领域，如微型药泵、微传感器、微驱动器、微加速度计以及其他光电子医学器件等。微机电系统(MEMS)如果按照外形尺寸大小可分为：1～10 mm的微小机械，1μm～1 mm的微机械以及1nm～1μm的纳米机械。由于具有在狭小空间内进行作业而有不扰乱工作环境和对象的特点，微机电系统的意义和应用将涉及航空航天、军事、生物医学工程、太空探险、深海探查等诸多领域。如果一旦技术上成熟并形成产业化，必将对国民经济建设、国防建设乃至社会发展产生深远地影响，因此被誉为20世纪十大关键技术之首，21世纪最具代表性的技术。?
（2）微机电系统具有体积小、精度高、质量轻、性能稳定、可靠性高、能耗低、灵敏性和工作效率高、多功能和智能化、适合大批量生产、制造成本低廉等特点。其基本技术主要有微机械系统设计技术、复杂可动结构微细加工(高深宽比多层微结构加工)、微机械材料、微装配和封装、微操作、微测量、微系统的集成与控制、微宏接口等技术。微传感器、微致动器、微控制器，是微系统的基础单元。?
（3）随着微机电系统技术的深入发展，微机械技术的研究已经从基础研究阶段逐步发展到研制开发与实用阶段，许多微传感器、微执行器和微光学部件已经在许多行业获得应用。国外也正在从微型机械电子系统向微型光机电系统方向发展和扩展，在尺寸上会向更微型化电子机械系统逼近。而且，这些微机电系统日趋复杂，其中许多包含了不同的材料或者需要经过多种工序来实现。因此，针对微机电系统的微装配和微操作的研究日益引起国内外研究人员的高度重视。
2. 微装配的国内外发展概况?
（1）微装配主要指对亚毫米尺寸(通常在几μm～几百μm之间)的零部件进行的装配作业。目前针对微米级的操作和装配问题，主要有2种解决方法：一是用带有超精密控制系统的一般操作手和系统，另一是将操作手微型化。利用集成电路工艺制造微装配系统是未来发展的方向，但目前还有许多问题要解决。在传统的宏观技术上实现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，越来越多的微装配领域的学者把注意力放在了自动微装配系统的研究上。?
（2）鉴于微装配系统技术的优势和广阔的发展前景，各先进的工业化国家为了维持自身的竞争优势都对微机电系统技术表现出了足够的重视，纷纷投入巨资开展研究。日本、德国和美国在微装配系统的研究方面比较突出，已具有一定的成果。它们研制成功的微装配系统大致可分为2类：一种是基于SEM的装配系统，另一种是基于传统光学显微镜的装配系统。前者具有放大倍数高、焦深大、分辨率高等特点，相比之下是一种理想的装配方法，但其不足之处是操作复杂且设备昂贵。而后者则有操作简单，成本低廉等优点。美国在微装配系统的开发研究方面取得了显著的进展，他们利用AFM(原子力显微镜)和高精度反馈技术，成功地感知了超光滑表面原子级尺寸的凹凸不平，同时还实现了原子迁移，展示了惊人的成就。?
（3）日本东京大学研制的纳米机器人是由右腕、左腕和基座三部分组成，是在电子显微镜下工作的系统。右腕由压电元件驱动3轴，左腕由粗动和压电元件驱动3轴，基座有2轴机构。其使用金刚石刀或用电解的钨针作为工具，该纳米机器人已做过LSI表面的铝配线切断实验。?
（4）日本岛津制作所研制的生物细胞微操作器，具有2套三轴粗动、微动的作业腕。粗动作业腕由步进电机驱动，微动作业腕由音圈电机驱动。?
（5）名古屋大学研制在血管中操作的有源导管，利用3个SMA(形状记忆合金)细丝来控制前端的导向。瑞典Uppsala大学研制的微机器人也是在电子显微镜下工作的，该机器人有两个作业腕，分别有4个和3个自由度。其工具为针状的镊子．利用该机器人已进行了切割200μm硅片、硅片熔接、制作硅单晶微型针等工作。?
（6）我国的微装配系统的研究工作起步于九十年代初，10多年来，国家自然科学基金委员会、国家科技部、中国科学院、国家教育部、总装备部和地方立了10余项与MEMs相关的重点和重大课题以及若干面上课题，总投资约1亿元人民币，其中也包括微装配系统的研究。目前，清华大学、大连理工大学和中国科学院长春光学精密机械研究所、北京大学、上海交通大学、重庆大学、中国科技大学、中国科学院电子所、中国科学院半导体所、南开大学、东南大学、复旦大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学、浙江大学、华中理工大学、中国科学院高能物理研究所、中国科学院力学所、中国科学院物理所、华东师范大学等，在微系统方面开展了微装配装置、生物细胞转基因微操作系统、微型光谱仪、微电泳芯片及细小管道微机器人等研究工作。其中，上海交通大学在成功研制2 mm微动电机的基础上，自建了一套微型装配实验系统，主要是用来提供精密定位装置的操作平台；北京航空航天大学机器人研究所利用微机器人对微观领域的操作技术开展了实验研究；清华大学精密仪器与机械学系仪器科学与技术研究所自1996年以来从事微装配技术与系统方面的实验研究，并取得了一定的成果。这些工作都为真正的微装配系统的构建奠定了基础。
3. 微装配系统的关键技术?
随着微加工技术、显微技术和集成电路技术的发展，微装配的概念发生了根本性的变化、产品的范围和应用领域被拓宽，出现了许多新的技术。因此，微装配技术的发展是与微机电系统(MEMS)、纳米技术等相关技术密切相关。?
3.1 微装配技术的发展阶段。?
3.1.1 手工装配。
经过特殊培训的操作技术人员可以手工装配一些精密的光学和电磁器件。一些小型光纤、用于小型SCM的Electron Columns也在Illinois大学的微工艺应用实验室手工装配实现。但随着零件的更加微形化，公差变得越来越小，手工装配将受到很大局限。?
3.1.2 自动化的装配。
为了减小操作者的劳动强度，降低微系统的制造成本，自动化的装配是一个合适的选择。例如：使用一个视觉和力混合的机械手在操作杆控制下实现多自由度运动，进行装配工作。使用自动化装配不仅使得装配效率提高，而且可以进行批量装配，降低装配成本。微器件就是因为它体积小成本低才有广阔的发展前途，因此自动化装配应该是微装配的发展目标。?
3.1.3 微机械手的装配。
机械手因具有柔性好、操作灵活、能适应各种作业的特点，被广泛应用于现代工业中。微装配要求较高的定位精度，就必须使得微机械手有高的制造精度，零件的公差必须被限制在纳米范围内。目前，使用微机械手以及微机器人进行微装配是研究的主要方向。?
3.2 微装配中的视觉技术。?
（1）微装配的部件尺寸大多在几μm～几百μm之间，对于装配精度的要求就需要提高，通常为亚微米级。由于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，那么在微装配中使用精确的闭环定位系统是必要的。因此，对于微装配系统，视觉系统作为其柔性反馈系统，所具备的功能应该能够满足装配的要求。?
（2）目前显微视觉研究主要集中在大学和科研单位。美国加利福尼亚大学研制了使用AFM的显微视觉系统进行微装配中高精度定位研究；美国麻省理工大学利用光聚焦显微镜、机器视觉技术和图象处理开发了可靠和廉价的MEMS测试系统；德国斯图加特大学，利用SLM双目立体成像的特点研究了SLM条纹投影系统；韩国科技学院研发出三目立体视觉的微机器人，主要应用于微夹持、微装配和微操作等领域。在国内，南京航空航天大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学机器人研究所和清华大学都开展了与显微视觉相关的研究。?
（3）通过目前国内外的研究情况来看，显微视觉的研究方向主要集中在视觉信息获取和视觉引导、位置和运动的自动控制以及力的传感和控制。前者是微操作系统的基础，因此是目前研究的热点。其研究重点是基于平面显微图象的视觉引导和基于立体显微图象的视觉引导。?
3.3 微夹持器。?
（1）微装配过程中微夹持器的合理设计和制造是一个关键环节。由于微夹持器不仅需要满足微操作条件下复杂的力不确定性，而且必须具有一定的自由度以满足各种不同操作。在微夹持器设计上，灵活抓取目标必需的运动学要求、稳定和安全抓取的力要求、传感和驱动方式以及可控性等特点是必须考虑的。?
（2）微夹持器是一种典型的微执行机构，它在微机械零件加工、微机械装配和生物工程等方面部有较好的应用前景，近来发展十分迅速。目前，按驱动力类型不同，见表1，已经研制出静电力驱动、电磁力驱动、功能材料驱动的种类众多的微小尺度操作和微小尺寸的夹钳，其中一些已研究成功，体现出现时和潜在的应用价值。?
（3）微夹持器的制作技术主要有：一是基于传统工艺技术，如：Shimada等人采用了一种应用传统工艺制成的单自由度微夹持器；另一是LIGA(Lithographic Galvan forming Ab-formung)技术，如Carrozza等制作了一种以镍为基，表面覆盖金的微夹持器厚度只有200μm。该工艺首先使用同步加速器产生的软X射线，通过掩摸照射在光敏聚合物上留下部件的立体模型，再提高电场将金属迁移形成金属结构。在此基础上又出现了不需要昂贵的同步辐射X光源的准LIGA技术，并且与集成电路工艺有更好的兼容性。?
3.4 微驱动技术。
驱动技术也是微操作和微装配领域的关键技术之一。它不仅要求有非常好的响应特性，而且还有工作空间和部件尺寸的限制。国内外研究人员把许多基础效应和新型材料应用到微驱动和精确定位上，做了大量的工作。如压电材料、静电材料、电磁材料以及形状记忆材料等。目前应用的最广泛的还是压电效应技术，如Carrozza等的微夹持器由压电材料驱动。
4. 微装配技术发展展望?
4.1 微装配技术的研究从90年代初始到现在，已有10余年的时间，并且在这10年里取得了长足的进步，但随着微细加工技术等半导体集成电路工艺的发展，微装配和微操作技术中一些不足之处也将日益显示。主要在微装配系统中各个关键技术的研究还不够，如视觉反馈手段、微夹持手的设计、控制以及驱动方式等方面都还有许多问题没有得到完全解决。微装配技术研究的最终目标是实现微器件的全自动装配操作，但到目前为止，这一目标还仍未能实现，其主要原因有以下三方面：
(1)微器件操作的许多关键技术还未被完全掌握；(2)微观领域中出现的特殊现象及其物理机制仍需不断深入研究探讨，如微机械粘附等；(3)简便、廉价的微器件加工设备没有得到开发，这也是由于微装配技术、策略等多方面因素所致。?
4.2 未来的发展方向应当是融合微电子、材料、机械、计算机等多学科技术来解决微观领域的问题。
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参考文献
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［文章编号］1006-7619（2015）06-28-632