微装配技术的发展现状

　　微装配是指毫米以下大于纳米的器件装配,微装配并不是一个新兴的领域,它很早就存在于人们的生活中,例如钟表的装配,只不过随着微机电系统(MEMS)和纳米技术(Nanotechnology)的发展,以及人们在生活中对微产品的迫切需要,使得微装配技术的地位越来越重要。

　　现在,有许多微机电产品应用于生物医学、汽车工业、航空航天、环境监测等领域。在医学外科中,为了减轻患者的痛苦,提高诊治的准确性,现一般采用非开放性手术诊治,如采用细(直径100μm左右)光纤连接的微摄像系统可拍摄体内的组织图像,传送给外部计算机分析后,可帮助医生识别病变组织和器官;使用头部装有微小刀具的微型机器可清除动脉中的脂肪组织,同样这种机器也可用于眼外科手术。在汽车中,各种灵巧传感器监测着油压、空气流量、速度和加速度等,它们控制着燃油/空气混合比、安全气囊的打开、制动器的开合等。未来的安全气囊传感器可与全球定位系统(GPS)集成在一起,当车祸发生时,救援机构可确定事故地点,以便展开救援。二十一世纪是信息时代,不论是Internet还是国际通讯都离不开人造卫星,为了降低制造和发射成本,小型卫星是最好的选择,这些卫星大约重10 kg或20 kg被称为“微卫星”或“纳米卫星”,主要用于移动电话通讯和卫星电视接受,它们内部包含许多微机电系统,如微加速度传感器、微陀螺仪、微温度控制系统、微泵和微光学系统等。

　　图1是一个微系统的市场收益预测[1]。微器件由于尺寸的减小,使得制造和装配都非常困难,虽然“宏”机械加工方法可应用于微器件的加工,但由于微系统种类的增加以及使用越来越广泛,原有的加工方法(切削、磨、冲压、铸、锻等)远远不能满足需要,许多新的加工方法被使用,如激光束和电子束加工方法,它们是将表面加工部分融化蒸发掉,加工时无切削力,加工出的表面无应力,加工精度非常高,但会在工件表面形成热影响层。化学蚀刻是另一种无切削力的加工方法,它是利用液体的离子反应加工工件表面,加工出的零件表面的应力和热影响为零,其他的加工方法还有超声波加工、电化学加工、立体平板印刷等。本文只对微器件的装配技术现状进行阐述。

　　1　微装配技术需克服的困难

　　微装配首先需解决的问题是装配时的定位精度,对于“宏”装配几百微米的定位精度是正常的,而对于微装配,定位精度的要求要低于微米。实时图像反馈、高精度的传感器必须被用来补偿定位误差。图像处理有直观、信息量的优点,但它也有光照要求严格、处理速度慢、图像易被遮挡等缺点。另一被经常使用的传感器是力传感器,力传感器定位精度高,但普通的力传感器由于有较大的重量,不能被使用在微装配机械手上,在这里一般使用压电器件作为手爪的力传感器。文献[1]设计了一套“手-眼”视觉系统,他是集成的小型化内窥镜安装在微机械手手爪上,随机械手一起移动,这样就增加了视觉系统视野,避免图像被遮挡。文献[2]使用压电陶瓷作为力传感器,该传感器被集成在活动手爪上,既是传感器又是活动手爪。