高效率的微器件自動(dòng)裝配技術(shù)研究.pdf

1、微器件裝配技術(shù)是獲得三維微細(xì)結(jié)構(gòu)、解決工藝兼容性問題和組件級(jí)分工合作問題的有效手段。這種技術(shù)采用有別于傳統(tǒng)微細(xì)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(jìn)行劃分，分別加工出這些組件后再進(jìn)行組裝。微裝配技術(shù)降低了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工成本，把微細(xì)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(shí)現(xiàn)毫米或亞毫米大小復(fù)雜機(jī)器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 目前，微裝配技術(shù)中仍亟待解決的核心問題是進(jìn)一步提高裝配效率。由于微器什操縱的拾取、轉(zhuǎn)移、

2、釋放三個(gè)階段都深受粘附力的影響。對(duì)粘附力的應(yīng)對(duì)直接關(guān)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(duì)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(duì)于實(shí)現(xiàn)高效率的微器件裝配有著重要意義。此外，對(duì)于一次完成上萬個(gè)器件加工的并行微細(xì)加工技術(shù)來說，這種串行化的組裝過程會(huì)是一個(gè)嚴(yán)重的速度瓶頸。所以還要縮短單個(gè)器件裝配所消耗的時(shí)間。 本論文通過對(duì)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(shí)驗(yàn)配置選擇一個(gè)最優(yōu)的環(huán)境相對(duì)濕度水甲，以便在不改變其它實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了微器件自動(dòng)裝配，以提高操作速度和可重復(fù)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(dòng)力學(xué)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(jìn)行微操縱實(shí)驗(yàn)。并在恒溫恒壓條件下，研究不同環(huán)境相對(duì)濕度下進(jìn)行微操縱的效率變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析表明，環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)操

4、縱過程中的接觸界面破壞和粘附兩個(gè)階段均有顯著影響。雖然對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)配置(樣品情況和基底情況)，操縱效率的具體數(shù)值會(huì)有不同，但對(duì)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(huì)增加。而拾取微器件的效率先逐漸增加，在相對(duì)濕發(fā)大于85％后出現(xiàn)急劇下降，在相對(duì)濕度大于90％的環(huán)境下難于拾取任何物體?？偟膩碚f，對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)配置，在相對(duì)濕度處于65-85％之間時(shí)可以獲得最優(yōu)的操縱效率。

5、在此研究基礎(chǔ)上，本文用鍍金的探針對(duì)高分子小球、隨機(jī)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(jìn)行了成功的操縱。然后用三維立體光刻技術(shù)在玻璃基底上制作了微型齒輪和齒輪軸，并用該裝配技術(shù)將這些零件裝配成互相嚙合且傳動(dòng)良好的齒輪組。 2．研制了適合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作的微操作器。該機(jī)械災(zāi)持微操作器利用壓電陶瓷艤品片驅(qū)動(dòng)，能對(duì)球、立方體、圓柱體等彩種形狀的微小物體進(jìn)行操縱。在視覺們服系統(tǒng)的幫助下，實(shí)現(xiàn)了壓電微操作器的

6、位移視頻反饋控制，并結(jié)合夾持臂的剛度實(shí)現(xiàn)了夾持力控制。該微操作器在70 V的電壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝配系統(tǒng)。整個(gè)微裝配系統(tǒng)的執(zhí)行部件都放置在一個(gè)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(diào)節(jié)工作腔內(nèi)的氣壓和溫度，并可以通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)的氣體成分來調(diào)節(jié)相對(duì)濕度。自動(dòng)微裝配系