宏-微操作结合的自动微装配系统

　　0　引言

　　随着微装配技术的发展,其工作对象不断扩展。一个突出的特点是微装配任务的尺度交叉,即装配对象涉及宏尺度(macroscale)、中间尺度(mesoscale)及微尺度(microscale)[1]等。另外,实现完全的自动化也是所有微装配研究的目标[1]。本文针对一类宏—微装配问题展开研究,以研制的PMMA(聚甲基丙稀酸甲酯,俗称有机玻璃)微流控芯片自动对准装配系统为例,针对具有尺度交叉特点的微操作对象,阐述了该类微装配问题的特征、解决方法以及自动化操作实现。

　　1　一类典型宏—微操作对象

　　微装配对象的尺度特征包含外形尺寸与操作目标两个要素。据此可将微装配对象分为两类:①具有微尺度或中间尺度的外形尺寸(意味着操作目标的尺度只可能更小),本文称之为微-微装配对象;②具有宏尺度外形尺寸,但具有微尺度或中间尺度的操作目标,本文称之为宏—微操作对象。

　　目前,绝大多数的微装配研究致力于微-微操作对象,如LIGA工艺微齿轮的装配[2]、微轴与微孔的装配[1,3]、光纤对接封装[4]、混合MEMS传感器[5]等。随着微光机电系统(MOEMS)技术与芯片试验室(LOC)技术的飞速发展,针对宏—微操作对象的微装配研究愈加显示出其必要性。目前该类微装配问题在光波导阵列对接、微流控芯片封装等应用领域已经以微对准操作的形式出现。

　　微—微操作对象的微装配研究的核心是克服微尺度效应[6],宏—微装配问题的特征则是解决宏—微矛盾,两类问题有很大不同。

        PMMA微流控芯片是典型宏—微结合的装配对象。其外形尺寸(基片与盖片边长为51mm,厚度约2mm)属于宏观尺度。基片的功能区(微沟道)与盖片的功能区(微孔)需按照严格的位置关系进行装配(图1)。因此引入辅助标记,即分别在基片与盖片上沿对角线设置两个标记,通过基片标记与盖片标记的对准装配,达到微孔与微沟道末端等功能单元之间的位置契合要求。标记的尺寸为90μm,即装配的操作目标属于微观尺度。微流控芯片各功能单元之间的位置精度可以用标记的对准精度来衡量。要求标记以3μm以上的对准精度进行封装,方能满足复杂微流控芯片系统的使用要求。

　　2　宏—微装配的主要操作

　　微装配工作对象的宏尺寸与微特征的结合,决定了针对这类对象的微装配系统必须具备宏操作与微操作的功能,通过宏微操作的切换,完成全自动的微装配任务(图2)。

2.1　宏操作

　　2.1.1　传送

　　由自动化设备将操作对象运送至微装配工作台进行装配,装配完成后,再将成品传送至下一工位,实现微装配的完全自动化。