高效率的微器件自動裝配技術研究.pdf

1、微器件裝配技術是獲得三維微細結構、解決工藝兼容性問題和組件級分工合作問題的有效手段。這種技術采用有別于傳統(tǒng)微細加工手段的整體加工方法，根據(jù)器件不同組成部分的工藝或功能進行劃分，分別加工出這些組件后再進行組裝。微裝配技術降低了復雜結構的加工成本，把微細加工的生產(chǎn)組織方式向傳統(tǒng)生產(chǎn)組織方式靠攏，是實現(xiàn)毫米或亞毫米大小復雜機器系統(tǒng)的關鍵技術之一。 目前，微裝配技術中仍亟待解決的核心問題是進一步提高裝配效率。由于微器什操縱的拾取、轉移、

2、釋放三個階段都深受粘附力的影響。對粘附力的應對直接關系到操縱的成敗和微器件最終安裝的位置精度。而粘附力的三種主要組成部分，范德華力、靜電力和表面張力都受到環(huán)境參數(shù)特別是相對濕度的影響。所以研究環(huán)境參數(shù)如何影響微操縱成功率對于實現(xiàn)高效率的微器件裝配有著重要意義。此外，對于一次完成上萬個器件加工的并行微細加工技術來說，這種串行化的組裝過程會是一個嚴重的速度瓶頸。所以還要縮短單個器件裝配所消耗的時間。 本論文通過對環(huán)境參數(shù)如何影響微操

3、縱成功率的研究，為不同的操縱原理和實驗配置選擇一個最優(yōu)的環(huán)境相對濕度水甲，以便在不改變其它實驗裝置的情況下獲得最優(yōu)的操縱成功率；并在視覺伺服系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)了微器件自動裝配，以提高操作速度和可重復性。論義完成的具體研究工作可以概括為如下三方面： 1．基于動力學模型，用鍍金的鎢探針作為粘附型微操作器在大氣環(huán)境下進行微操縱實驗。并在恒溫恒壓條件下，研究不同環(huán)境相對濕度下進行微操縱的效率變化。實驗結果的統(tǒng)計分析表明，環(huán)境相對濕度對操

4、縱過程中的接觸界面破壞和粘附兩個階段均有顯著影響。雖然對于不同的實驗配置(樣品情況和基底情況)，操縱效率的具體數(shù)值會有不同，但對這種操縱方式來說，操縱效率受環(huán)境濕度的影響都表現(xiàn)出了類似的變化趨勢。即隨著環(huán)境適度的增加，釋放微器件的效率會增加。而拾取微器件的效率先逐漸增加，在相對濕發(fā)大于85％后出現(xiàn)急劇下降，在相對濕度大于90％的環(huán)境下難于拾取任何物體?？偟膩碚f，對于我們的實驗配置，在相對濕度處于65-85％之間時可以獲得最優(yōu)的操縱效率。

5、在此研究基礎上，本文用鍍金的探針對高分子小球、隨機形狀的氧化硅顆粒、氮化硅覆蓋的高分子小球等樣品在硅片和鍍金的粗糙硅片上進行了成功的操縱。然后用三維立體光刻技術在玻璃基底上制作了微型齒輪和齒輪軸，并用該裝配技術將這些零件裝配成互相嚙合且傳動良好的齒輪組。 2．研制了適合實現(xiàn)自動操作的微操作器。該機械災持微操作器利用壓電陶瓷艤品片驅動，能對球、立方體、圓柱體等彩種形狀的微小物體進行操縱。在視覺們服系統(tǒng)的幫助下，實現(xiàn)了壓電微操作器的

6、位移視頻反饋控制，并結合夾持臂的剛度實現(xiàn)了夾持力控制。該微操作器在70 V的電壓驅動下可以閉合約200 μm的距離，適用于10 μm到200 μm之間的微小物體操縱。微操作器的位移控制精度為亞微米，夾持力控制精度約200 nN。 3．研制了環(huán)境可控的微器什自動裝配系統(tǒng)。整個微裝配系統(tǒng)的執(zhí)行部件都放置在一個環(huán)境控制系統(tǒng)的工作腔內(nèi)，該環(huán)境控制系統(tǒng)可以調節(jié)工作腔內(nèi)的氣壓和溫度，并可以通過調節(jié)腔內(nèi)的氣體成分來調節(jié)相對濕度。自動微裝配系