微器件自动装配系统的定标和操纵策略

　　微器件装配技术是实现复杂三维微系统的一个潜在的手段, 不仅对于解决微细加工工艺兼容性和降低工艺成本有着显著的作用, 而且可以制造出传统微加工手段无法实现的复杂微结构[ 1] . 自组装技术[ 2] 是一种低成本的并行装配集成技术, 但由于自组装对组件的几何外形和物理化学特性有着严格的要求, 无法广泛应用于微系统装配之中. 一种高效通用的微装配技术仍然是广大研究者追求的目标.

　　通用微装配系统的核心是微操作系统, 主要包括微操作器、精密位移台、位置检测等部分. 对于微系统装配, 一般要求将特征尺寸为数十微米到数百微米的组件精确移动到目标位置并以特定的姿态放置. 这样的任务一般选择在光学显微镜下通过视频反馈系统来完成工作场景中物体的精确定位工作.

　　为了实现亚微米级的物体定位, 首先要对显微镜系统进行精确定标, 然后再通过采集到的图像计算出物体的实际位置. 对于自动微装配系统来说, 一种不需要标准靶标的自动定标技术将有助于远程或封闭环境内的系统标定, 并降低定标成本. 为了能够精确控制微操作器和基底之间的距离, 除了平面内的定标精度之外, 定标角度的误差也应该予以关注.

　　除了精确定标显微镜系统之外, 高效可靠的微操作器和操纵策略也是实现高效微器件装配的关键. 微操作器的设计较为复杂, 由于受粘附力的影响, 目前尚没有特别高效的可用于微器件装配的主动式微操作器报道. 但就最常见最通用的双臂微夹持器来说,由于粘附力受环境温湿度的影响很大, 通过操作环境的选择来减少粘附现象的发生, 提高物体放置的位置精度是可能的. 而对微器件的夹持和释放策略则会影响到操纵的效率和装配精度. 此外, 通过选择合适的移动策略也可以减少控制程序的运算量并提高效率.

　　1 实验系统

　　自动微装配实验系统主要由两组三维移动工作台, 微操作器, 光学变倍显微镜, 环形照明冷光源和视频监视系统组成( 图1) . 微操作器和样品分别放在两组三维移动台上. 移动台的移动分辨率为0. 01 um,单向定位精度0. 1 um. 显微镜放大倍率在2. 8X-18X之间连续可调, 工作距离约33 mm. CCD 摄像机型号为Panasonic WV-CP410, 采用1/ 3 彩色CCD 阵列成像. 微操作器是压电陶瓷双晶片驱动的双臂微夹持器, 夹持臂是经过电化学腐蚀得到的钨针尖[ 3] .

　　整个实验系统放置在一个温湿度可控的密闭工作腔内. 工作腔内的气压调节范围在几帕到一个大气压内. 腔内湿度可以通过N2 和水蒸气的比例调节, 相对湿度可调范围为5%-95%. 腔内温度恒定在20 ± 2 ℃ .