摘 要: 主要研究了自动微器件装配系统的定标技术和操纵策略两个问题. 在加入了尺度因子优化步骤之后, 一种基于Tsai 两步法的自定标方法实现了亚微米级的定标精度, 并且获得了更加可信的定标角度参数. 这种定标方法应用于微器件装配系统中并可以实现高精度的微器件定位. 除了精确定标之外, 我们还应该选择合适的工作环境来控制粘附力的大小来提高微器件操纵成功率, 选择合适的夹持和释放方式来提高微器件操纵效率和释放位置精度, 选择一种安全简单的移动路径来缩短移动时间. 实验表明, 我们的自动微器件装配系统可以在10 s 内完成一个器件的定位和移动操作, 并实现数微米的释放位置精度.
关键词: 微器件装配; 显微镜定标; 尺度因子; 相对湿度; 操纵策略; 操纵效率
微器件装配技术是实现复杂三维微系统的一个潜在的手段, 不仅对于解决微细加工工艺兼容性和降低工艺成本有着显著的作用, 而且可以制造出传统微加工手段无法实现的复杂微结构[ 1] . 自组装技术[ 2] 是一种低成本的并行装配集成技术, 但由于自组装对组件的几何外形和物理化学特性有着严格的要求, 无法广泛应用于微系统装配之中. 一种高效通用的微装配技术仍然是广大研究者追求的目标.
通用微装配系统的核心是微操作系统, 主要包括微操作器、精密位移台、位置检测等部分. 对于微系统装配, 一般要求将特征尺寸为数十微米到数百微米的组件精确移动到目标位置并以特定的姿态放置. 这样的任务一般选择在光学显微镜下通过视频反馈系统来完成工作场景中物体的精确定位工作.
为了实现亚微米级的物体定位, 首先要对显微镜系统进行精确定标, 然后再通过采集到的图像计算出物体的实际位置. 对于自动微装配系统来说, 一种不需要标准靶标的自动定标技术将有助于远程或封闭环境内的系统标定, 并降低定标成本. 为了能够精确控制微操作器和基底之间的距离, 除了平面内的定标精度之外, 定标角度的误差也应该予以关注.
除了精确定标显微镜系统之外, 高效可靠的微操作器和操纵策略也是实现高效微器件装配的关键. 微操作器的设计较为复杂, 由于受粘附力的影响, 目前尚没有特别高效的可用于微器件装配的主动式微操作器报道. 但就最常见最通用的双臂微夹持器来说,由于粘附力受环境温湿度的影响很大, 通过操作环境的选择来减少粘附现象的发生, 提高物体放置的位置精度是可能的. 而对微器件的夹持和释放策略则会影响到操纵的效率和装配精度. 此外, 通过选择合适的移动策略也可以减少控制程序的运算量并提高效率.
1 实验系统
自动微装配实验系统主要由两组三维移动工作台, 微操作器, 光学变倍显微镜, 环形照明冷光源和视频监视系统组成( 图1) . 微操作器和样品分别放在两组三维移动台上. 移动台的移动分辨率为0. 01 um,单向定位精度0. 1 um. 显微镜放大倍率在2. 8X-18X之间连续可调, 工作距离约33 mm. CCD 摄像机型号为PanasoNIc WV-CP410, 采用1/ 3 彩色CCD 阵列成像. 微操作器是压电陶瓷双晶片驱动的双臂微夹持器, 夹持臂是经过电化学腐蚀得到的钨针尖[ 3] .
整个实验系统放置在一个温湿度可控的密闭工作腔内. 工作腔内的气压调节范围在几帕到一个大气压内. 腔内湿度可以通过N2 和水蒸气的比例调节, 相对湿度可调范围为5%-95%. 腔内温度恒定在20 ± 2 ℃ .
2 自动定标技术
对于普通的摄像机定标, R. Y. Tsai 的两步法[ 4] 和张正友的多平面法[ 5] 均是优异的定标方法.但由于显微摄像系统的物平面和摄像机平面是近平行配置的, 并且也无法让物平面多次处于不同姿态成像, 所以必须有新的方法来标定显微摄像系统.Y. Zhou 等[ 6] 把经过修改的T sai 两步法用于光学显微镜系统定标, 并在物平面内获得了亚微米的定标精度. 但这种方法定标的偏航角和俯仰角的误差非常大, 以至于无法将这些数据用于预测微操作器和基底之间的精确距离. 这会导致操作难度加大甚至有可能导致微操作器和基底发生碰撞而损坏. 经过分析和实验, 我们认为这种偏航角和俯仰角的巨大误差来源于对尺度因子的不精确估计.
如图2 所示, 世界坐标系内的点p ( x g , y g , z g )( 通过选择坐标系原点使z g = 0) 在摄像机坐标系内的坐标为p ( x , y , z ) , 经过成像以后的理想像点为pd( uc, vc) , 考虑透镜畸变后物体的实际像点为pc( u, v) . 在经过CCD 成像和图像采集后的数字图像中, 物体所在位置是P (X , Y) ( 单位像素) .
从世界坐标系向摄像机坐标系的变换包括一个旋转矩阵R 和一个平移向量T ,
在CCD 成像和图像采集过程中, 我们引入两个系数Mx 和My 来表示在横向和纵向的放大倍率. 它们的单位是像素/ 微米.
在Mo 和Mx (My ) 均为未知的时候, 我们将无法区分光学放大和采集过程中的数字放大. 这个时候就需要指定光学放大倍率和数字放大倍率中一个( 本文均指定Mo ) , 指定值和真实值之间的误差将被另外一个放大倍率吸收.
把式( 1) , ( 3( a) ) , ( 4) , ( 5) 代入式( 6) 可得,
方程( 7) 内的5 个组合未知数含有6 个独立变量, 因此其中一个变量必须采用其他途径求得. 对于任意给定的一个尺度因子, 均可以通过式( 7) 求得除T z外的其它外部参数[ 4] . 本文采用试根法, 对不同尺度因子解得的内外参数进行优劣比较, 然后采用优化的尺度因子来求解其他参数. 对于显微摄像系统, 物平面是与显微镜光轴近乎垂直的, 即偏航角和俯仰角很小( 近平行配置) . 因此在摄像机坐标系下, 物体的z 坐标变化( △z ) 很小. △z 定义为
把经过两次优化的S x 代入式( 7) 求得除Tz 之外的五个外部参数, 然后由式( 10) 求得内部参数k1 , Mx ,My , 即完成了弱透视模型的全部参数求解. 对于长工作距离的物镜, 通过式( 9) 解得的T z 将有很大的误差. 因此透视模型仅用于对S x 的优化, 最终的计算均采用弱透视模型. 实验中, 在基底上选择一个灰度对比明显的图案进行亚像素级的视频跟踪, 驱动电控移动台产生一系列共面点并记录移动台反馈的位置坐标和跟踪到的图案坐标. 记录的移动台位置被视为世界坐标系( x g-y g-z g ) 内的坐标, 视频跟踪到的图案位置被视为图像坐标系(X-Y) 内的坐标.然后通过上述求解过程解得内外部参数.
图3 显示了在不同尺度因子下计算得到的偏航角(B) , 俯仰角(C) 和$z . 由图可知Sx 的微小变化均会导致较大的偏航角和俯仰角误差. 在本例中, 经过第一次优化得到的尺度因子是0. 953 7, 经过第二次优化得到的是0. 955 7. 在4X 光学放大倍率下的定标结果如表1 所示, 其中A是绕z 轴的旋转角. 定标的平均误差是0. 971 um, 最大误差2. 217 um ( 均指平面内的误差) .
由于我们无法获得A, B和C角的真实值, 因此无法直接判断对这些角度的定标精度. 在另一个实验中, 我们把显微镜的俯仰角调整了约1. 1°, 并在调整前后分别进行了定标, 部分结果如表2 所示. 由调整前后的定标结果可知, 通过这种方法定标的角度是比较可信的. 调整前后A和B角的变化可能来源于调整过程中的位移, 也可能来源于定标误差.
3 操纵策略
3. 1 环境参数选择
在两个微小物体之间的粘附力中, 毛细力、范德华力和静电力是三个最主要的部分, 其大小受环境湿度、表面材料和表面形貌等因素的影响. 随着环境湿度的增加, 两个接触面间形成的液桥数目和面积均会增加, 毛细力急剧上升[ 7] . 图4 是估算的镀金钨针尖侧壁和一个150 um 大小的高分子小球之间的粘附力( At ) 以及小球和硅基底之间的粘附力( A s )随环境湿度的变化. 由图可知, 随着环境相对湿度上升, A t 和A s 均显著增加.
一般来说, A t 增加有助于微操作器拾取微小物体, 而A s 增加有助于微操作器释放微小物体. 在A t和A s 两者都增加的情况下, 难以简单的推论拾取和释放操作将会如何变化. 图5 显示的是利用10um 直径的镀金钨针尖在镀金硅片上( Ra= 50 nm)拾取和释放150Lm 直径高分子小球的效率随环境湿度的变化[ 8] . 随着环境湿度的增加, 针尖拾取和释放小球的成功率均会有显著的上升, 但在相对湿度超过80% 后, 拾取效率急剧下降. 这是因为在高湿度下, 小球和镀金基底之间形成的液桥极大地增强了这个接触界面, 以至于用单探针难于破坏这个接触界面并拾取小球. 对其他材料物体的操纵实验亦显示出类似的趋势. 因此对于单探针微操作器来说, 当环境湿度在60%-80%的区间将容易获得较高的成功率.
由于夹持器提供的机械夹持力的大小相比于粘附力和重力具有绝对的优势, 所以双臂微夹持器对物体的拾取不会成为难题. 而在释放物体的过程中,如果物体的重力小于夹持臂与被夹持物体之间的粘附力, 则物体会粘附在夹持臂上, 即释放失败. 这是仅依赖物体重力释放的情形. 在这种释放方式中, 较小的粘附力将有助于实现物体释放, 因此环境相对湿度宜选择在较低的区域. . 如果在释放的过程中保持物体和基底的接触, 则物体和基底之间的粘附力也将对释放操作做出贡献, 这和采用单探针操纵的情形是类似的. 根据图5 所示的结果, 此时选择较高的环境湿度有助于实现高成功率的物体释放.
3. 2 夹持策略
为了实现对微器件的稳定夹持, 需要控制夹持力在一定的范围内. 过小的夹持力不能确保拾取微器件, 过大的夹持力则会损坏器件或把器件挤压脱离微操作器. 虽然具有力反馈的微操作器可以很好的控制夹持力的大小并实现对微器件的稳定夹持,但由于在微操作器上集成传感装置会增加工艺难度和制做成本, 所以目前也有大量不具有反馈功能的微操作器在实际的微操作系统中应用. 而我们的实验表明, 在精确定标过的视频反馈系统的帮助下, 使用不具有反馈功能的微操作器也能在一定程度上控制夹持力的大小.
图6( a) 显示的是我们实验所用的微操作器的结构示意图. 终效器是安装在压电陶瓷双晶片末端的通过电化学腐蚀得到的直径约10 Lm 的钨探针,其有效长度约2 mm. 微操作器的位移- 电压曲线如图6( b) 所示. 由于压电陶瓷的迟滞特性, 其位移- 电压曲线显示出强烈的非线性特征. 为了精确控制微操作器的位移, 可以通过拟合的位移- 电压线( 图中点划线) 计算出目标位移所需的近似电压, 从当前电压向目标电压缓慢升高或降低. 在到达距目标位移约30 um 的安全距离后启用视频跟踪功能不断检测微操作器的实际位移, 达到所需的位移后停止电压升降. 由于两次相邻的电压变化量很小, 微操作器的位置也必定在上一次跟踪到的位置附近很小的一个区域, 因此一次视频跟踪可以在小于0. 1 s的时间内完成, 不会造成过大的系统负担.
在微操作器接触到微器件后, 根据拟合的位移- 电压斜率和终效器的刚度, 适当降低驱动电压即可获得合适的夹持力. 通过这种方法, 夹持力的控制精度可以达到约1 LN.
3. 3 定位和移动策略
在一次操作任务开始的时候, 首先通过图像匹配寻找出微操作器左右夹持臂的中心, 目标器件和目标点的位置, 然后再根据定标的参数解算出相应的世界坐标. 由于我们关心的是这些点之间的相对坐标差, 所以在同一帧图像内对完成对三个物体的定位可以获得更高的相对定位精度.
对于简单的微器件移动任务, 仅需移动微操作器或工作台中的任意一组三维移动台即可完成. 在我们的实验中采用固定微操作器的方式. 一般来说,工作场景内的微器件高度都在几百微米的范围内.
为了简化控制程序, 在移动台水平移动之前先降低工作台的高度使工作台上最高的器件都低于微操作器的位置, 水平移动后再上升到所需的高度. 这样的移动方式避开了复杂的路径规划算法, 水平面内的移动可以直线到达, 从而缩短了移动时间.
3. 4 释放策略
在微操作器张开的过程中, 由于左右夹持臂和微器件之间的粘附力不相等, 微器件总是先和其中一个夹持臂分离. 此时微器件受到重力和来自另一个夹持臂的粘附力的综合作用, 其合力含有水平方向的分量. 如果微器件和夹持臂分离时距基底还有一定的距离, 则会在下落的过程中有水平速度分量,产生释放位置误差[ 3] .
为了减小释放位置误差, 减少粘附现象的发生,在我们的试验中采取接触释放的方式. 将目标器件移动到目标位置后( 此时器件刚好接触基底) , 逐渐张开微操作器并开始对微操作器的视频跟踪. 当发现左右夹持臂之间的距离有突然增大时, 即可判断为其中一个夹持臂已经和微器件分离. 此时将工作台抬升数微米的距离以协助破坏微器件和另外一个夹持臂之间形成的接触界面, 从而完成微器件的释放.
图7 显示了一次微器件搬运过程. 完成整个过程消耗的时间少于10 s, 对球形物体的释放位置精度约几微米.
4 结 论
精确定标, 灵巧可靠的微操作器和适当的操纵策略是实现高效微器件装配的三个关键问题. 加入了尺度因子优化步骤后, 系统定标的面内距离误差和角度误差都得到了满意的结果. 精确定标过的微器件装配系统可以很好的完成目标定位工作, 但要实现稳定的高成功率的微器件夹持和释放, 还需要选择适当的操纵环境和适当的微器件夹持与释放方法. 在采用了微移动工作台/ 下沉移动0的方式后, 无需对移动路径进行仔细考虑, 减少了系统负担, 缩短了移动时间. 通过这些措施, 我们的自动微器件装配实现了稳定可靠的微器件装配.
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