摘要：微装配是电子制造、微制造、机器人操作等制造领域的共性前沿技术之一，近年来得到了广泛的研究与应用。首先，指出了微装配技术与纳米装配技术的本质区别，阐明了尺度效应和粘附效应给微装配技术带来的问题与挑战；分别介绍了传统微装配技术和新兴自装配技术的最新研究进展，讨论了一些急待解决的关键技术问题；最后对微装配技术的研究趋势进行了展望。
关键词：微装配；自装配；粘附效应

1 引言

随着芯片和微机电产品(MEMS)的特征尺寸不断减小、结构日益复杂，对其制造和装配提出了更高的要求。目前，大多数微电子产品是基于单片集成电路工艺，很少或几乎不需要装配。然而，随着微电子产品尤其是微系统技术的发展，会涉及不相容的加工工艺、复杂的几何外形和不同的制造材料，其产品实现将依赖于微尺度（零件尺寸在 1mm～1mm之间）的定位、定向和装配操作，即微装配技术[1]。

微装配是属于微观领域的超精密操作，介于传统的宏观装配（零件尺寸大于1mm）和新兴的纳米装配（分子级，零件尺寸小于1mm）之间。微装配与纳米装配技术有着本质的区别。纳米装配技术研究分子级和原子级的操作，其科学基础是分子化学和物理学，而微装配技术通常可看成是“从上到下”的学科，它的目标是“缩小”传统装配和操作的机理，显然，经典力学、机器人学和控制论仍是这一学科的基础。不过，由于尺度效应、粘附效应等影响，微装配产生了许多新的问题与挑战。例如，在传统的机器人操作中最具挑战性的问题是如何可靠地抓住物体，而在微装配中，由于静电力、范德华力等表面力作用，一个主要的问题是如何释放物体。

目前，针对微米级的装配操作，主要有两类解决思路：一是将传统的机器人、夹持器微型化，通过视觉、力反馈控制实现超精密操作；二是在开环控制方式下通过细微零件的自装配实现并行操作。由于前一类方法存在传感器信息准确获取困难、难以实时处理和控制精度低等固有问题，越来越多的学者将注意力放在自装配技术的研究上。
2 粘附效应

对于传统的机器人装配，在抓取——移动 ——释放典型操作中，由于物体的重力起主要作用，当机器人手张开时，被抓物体将在重力的作用下准确落到预定位置。如图1(a)所示，当物体尺寸小于1mm（或物体重量小于10-6kg）时，与物体表面积相关的粘附力如范德华力、表面张力和静电力等将大于重力、惯性力等体积力，出现所谓的“尺度效应”或“粘附效应”。由于表面粘附力的作用，微操作的一个典型问题是抓取容易而释放相对困难（如图1(b)所示），甚至在MEMS器件中悬臂结构在表面张力作用下粘附到基板上，随后在范德华力作用下发生永久连接。在微装配作业时，不但需要规划抓取操作，还需要规划释放操作。在微尺度下，装配和拆卸不再是一个相互可逆过程，传统的基于拆卸的装配规划方法不再有效。另外，由于现有的装配经验和知识都是在宏观领域获取的，在微观领域不一定适用，传统的基于知识的装配规划方法也不再有效。

微装配中的粘附力主要包括范德华力、表面张力和静电力。其中，范德华力是由量子机械效应所引起的分子或原子瞬时极化产生的，其作用力大小与物体之间的距离平方成反比，只在物体间距小于100 nm时显现出来。表面张力是由两个表面液体层之间的相互作用引起的，在干燥或真空环境下可以有效地消除表面张力作用。静电力来源于物体接触时电荷产生或电荷转移，作用距离比较长。与范德华力相比较，物体表面粗糙度对静电力的影响较小。因此，在抓取或操作10 mm至1 mm物体时，静电力将是最主要的作用力。由于流体环境有助于消除表面张力和静电力，很多学者研究了流体环境中的微装配问题[2]。Arai和Fukuda等人研究了如何通过调节接触面积和表面张力来控制微小物体粘附力，达到自如拿、放和灵活操作[3]。

3 串行微装配

目前，微装配主要是借助镊子在显微镜下人工实现或通过高精度的抓放机器人自动完成，这些方法试图将传统“抓放”装配操作扩展到微观领域，本质上都属于串行微装配范畴。在人工交互式微操作时，友好的人机界面将是人们完成日益复杂的微细操作的前提。为方便微操作，研究人员开发了基于遥操作技术的微操作系统，以把操作员的装配运动和操作技巧传递给遥控机械手。文献[4]报道了一个能够完成灵活、复杂的微装配任务的灵巧微操作系统，该系统的一个关键技术是采用了基于触觉/视觉的人机接口。Tanikawa等人开发的微操作系统包括一个压电驱动的并联操作臂和一个拥有两个手指的微装配手[5]。

随着物体尺寸不断缩小，在宏观世界可以忽略的干扰因素（如加工缺陷、摩擦、热变形、计算误差等）在微观世界起着明显作用，应用传统的操作机器人来装配微系统变得越来越困难。基于上述原因，柔性微机器人和桌面微操作系统的研究引起了人们极大兴趣。为保持操作臂的末端作用器在显微镜的视野内并减少遮