摘要：微裝配是電子制造、微制造、機器人操作等制造領(lǐng)域的共性前沿技術(shù)之一，近年來得到了廣泛的研究與應(yīng)用。首先，指出了微裝配技術(shù)與納米裝配技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別，闡明了尺度效應(yīng)和粘附效應(yīng)給微裝配技術(shù)帶來的問題與挑戰(zhàn)；分別介紹了傳統(tǒng)微裝配技術(shù)和新興自裝配技術(shù)的最新研究進展，討論了一些急待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題；最后對微裝配技術(shù)的研究趨勢進行了展望。
關(guān)鍵詞：微裝配；自裝配；粘附效應(yīng)

1 引言

隨著芯片和微機電產(chǎn)品(MEMS)的特征尺寸不斷減小、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，對其制造和裝配提出了更高的要求。目前，大多數(shù)微電子產(chǎn)品是基于單片集成電路工藝，很少或幾乎不需要裝配。然而，隨著微電子產(chǎn)品尤其是微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，會涉及不相容的加工工藝、復(fù)雜的幾何外形和不同的制造材料，其產(chǎn)品實現(xiàn)將依賴于微尺度（零件尺寸在 1mm～1mm之間）的定位、定向和裝配操作，即微裝配技術(shù)[1]。

微裝配是屬于微觀領(lǐng)域的超精密操作，介于傳統(tǒng)的宏觀裝配（零件尺寸大于1mm）和新興的納米裝配（分子級，零件尺寸小于1mm）之間。微裝配與納米裝配技術(shù)有著本質(zhì)的區(qū)別。納米裝配技術(shù)研究分子級和原子級的操作，其科學(xué)基礎(chǔ)是分子化學(xué)和物理學(xué)，而微裝配技術(shù)通�？煽闯墒恰皬纳系较隆钡膶W(xué)科，它的目標(biāo)是“縮小”傳統(tǒng)裝配和操作的機理，顯然，經(jīng)典力學(xué)、機器人學(xué)和控制論仍是這一學(xué)科的基礎(chǔ)。不過，由于尺度效應(yīng)、粘附效應(yīng)等影響，微裝配產(chǎn)生了許多新的問題與挑戰(zhàn)。例如，在傳統(tǒng)的機器人操作中最具挑戰(zhàn)性的問題是如何可靠地抓住物體，而在微裝配中，由于靜電力、范德華力等表面力作用，一個主要的問題是如何釋放物體。

目前，針對微米級的裝配操作，主要有兩類解決思路：一是將傳統(tǒng)的機器人、夾持器微型化，通過視覺、力反饋控制實現(xiàn)超精密操作；二是在開環(huán)控制方式下通過細(xì)微零件的自裝配實現(xiàn)并行操作。由于前一類方法存在傳感器信息準(zhǔn)確獲取困難、難以實時處理和控制精度低等固有問題，越來越多的學(xué)者將注意力放在自裝配技術(shù)的研究上。
2 粘附效應(yīng)

對于傳統(tǒng)的機器人裝配，在抓取——移動 ——釋放典型操作中，由于物體的重力起主要作用，當(dāng)機器人手張開時，被抓物體將在重力的作用下準(zhǔn)確落到預(yù)定位置。如圖1(a)所示，當(dāng)物體尺寸小于1mm（或物體重量小于10-6kg）時，與物體表面積相關(guān)的粘附力如范德華力、表面張力和靜電力等將大于重力、慣性力等體積力，出現(xiàn)所謂的“尺度效應(yīng)”或“粘附效應(yīng)”。由于表面粘附力的作用，微操作的一個典型問題是抓取容易而釋放相對困難（如圖1(b)所示），甚至在MEMS器件中懸臂結(jié)構(gòu)在表面張力作用下粘附到基板上，隨后在范德華力作用下發(fā)生永久連接。在微裝配作業(yè)時，不但需要規(guī)劃抓取操作，還需要規(guī)劃釋放操作。在微尺度下，裝配和拆卸不再是一個相互可逆過程，傳統(tǒng)的基于拆卸的裝配規(guī)劃方法不再有效。另外，由于現(xiàn)有的裝配經(jīng)驗和知識都是在宏觀領(lǐng)域獲取的，在微觀領(lǐng)域不一定適用，傳統(tǒng)的基于知識的裝配規(guī)劃方法也不再有效。

微裝配中的粘附力主要包括范德華力、表面張力和靜電力。其中，范德華力是由量子機械效應(yīng)所引起的分子或原子瞬時極化產(chǎn)生的，其作用力大小與物體之間的距離平方成反比，只在物體間距小于100 nm時顯現(xiàn)出來。表面張力是由兩個表面液體層之間的相互作用引起的，在干燥或真空環(huán)境下可以有效地消除表面張力作用。靜電力來源于物體接觸時電荷產(chǎn)生或電荷轉(zhuǎn)移，作用距離比較長。與范德華力相比較，物體表面粗糙度對靜電力的影響較小。因此，在抓取或操作10 mm至1 mm物體時，靜電力將是最主要的作用力。由于流體環(huán)境有助于消除表面張力和靜電力，很多學(xué)者研究了流體環(huán)境中的微裝配問題[2]。Arai和Fukuda等人研究了如何通過調(diào)節(jié)接觸面積和表面張力來控制微小物體粘附力，達到自如拿、放和靈活操作[3]。

3 串行微裝配

目前，微裝配主要是借助鑷子在顯微鏡下人工實現(xiàn)或通過高精度的抓放機器人自動完成，這些方法試圖將傳統(tǒng)“抓放”裝配操作擴展到微觀領(lǐng)域，本質(zhì)上都屬于串行微裝配范疇。在人工交互式微操作時，友好的人機界面將是人們完成日益復(fù)雜的微細(xì)操作的前提。為方便微操作，研究人員開發(fā)了基于遙操作技術(shù)的微操作系統(tǒng)，以把操作員的裝配運動和操作技巧傳遞給遙控機械手。文獻[4]報道了一個能夠完成靈活、復(fù)雜的微裝配任務(wù)的靈巧微操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)是采用了基于觸覺/視覺的人機接口。Tanikawa等人開發(fā)的微操作系統(tǒng)包括一個壓電驅(qū)動的并聯(lián)操作臂和一個擁有兩個手指的微裝配手[5]。

隨著物體尺寸不斷縮小，在宏觀世界可以忽略的干擾因素（如加工缺陷、摩擦、熱變形、計算誤差等）在微觀世界起著明顯作用，應(yīng)用傳統(tǒng)的操作機器人來裝配微系統(tǒng)變得越來越困難�；谏鲜鲈颍嵝晕C器人和桌面微操作系統(tǒng)的研究引起了人們極大興趣。為保持操作臂的末端作用器在顯微鏡的視野內(nèi)并減少遮