MEMS器件微装配系统的设计与研制

　　0　引言

　　微机电系统(MEMS)具有微型化、多样化、微电子化的特点,具有传统机电系统无法比拟的优点,被视为对未来科技发展具有重要影响的高技术。然而,要实现功能更强大的MEMS系统,必须具有更复杂的结构,因此必须借助MEMS微装配技术来实现MEME器件的组装。

　　目前,微装配技术的研究得到了普遍重视。各国都针对不同的操作对象,采用不同的操作策略和微机器人系统进行了微型物体装配的探讨。其中,日本、德国和美国在微装配系统的研究方面比较突出,已经能够实现直径500μm的微型齿轮的抓取、释放和装配[1~3]。尽管如此,微装配系统和实验的研究仍处于刚刚起步阶段,尤其在国内,微装配技术的发展仅处于关键技术的研究阶段。

　　本文在分析微装配系统特点的基础上,讨论微装配系统的组成原则,选取典型的MEMS芯片类器件的对准、封装任务为目标,研制微装配机器人样机并开展试验研究。

　　1　微装配系统的特点及功能分析

　　操作对象的微小化使得宏观条件下人们所认知的规律、定理等在微观条件下都变得不可预知。与宏观装配相比,微装配系统有其特殊之处:

　　(1)随着三维尺寸的减小,操作对象变得更轻、更有弹性、更容易损坏,结构刚度也相应降低,因此,高精度的微力传感模块必不可少;

　　(2)微装配过程必须在显微镜下进行,操作空间狭小,作业工具很容易移出视野而无法控制,因此,需要高精度、多自由度的微操作手及作业工具;

　　(3)显微镜下的操作对象形状复杂,操作变得很困难,必须采用视觉反馈的方法指导微操作的进行;

　　(4)由于操作对象的微小化,在宏观条件下起主导作用的重力、惯性力等退居次要地位,而附着力、表面张力、静电力、范德华力甚至光辐射等起到了主导作用[4],因此,在进行作业时,不但需要实现抓取操作,还需要实现释放操作;

　　(5)相对器件的尺寸来说,操作空间太大,很难实现精确摆放,同时在搬运过程中还容易出现器件的损坏、丢失等。

　　因此,实现典型的MEMS器件装配的微操作机器人应具备以下几方面的功能:

　　(1)宏微结合的定位方式　满足大运动行程和高精度定位的要求;

　　(2)多自由度操作手　实现灵活操作;

　　(3)微力传感功能模块　避免器件损坏,并在装配策略中发挥重要作用;

　　(4)显微视觉系统　完成器件的识别和定位,并作为整个系统的反馈;

　　(5)微作业工具　保证器件的搬运和安全操作;

　　(6)自动化的操作方式　实现微装配的批量化。