仿蚂蚁口器大颚表面结构的微镊及其测试制备装置和方法与流程

本发明属于微器件操作技术领域，具体涉及一种仿蚂蚁口器大颚表面的毛夹式微镊、微镊测试装置、微镊制备装置和方法。

背景技术：

微芯片的拾取与封装一直以来都是电子封装行业的难题。近年来，为了获得更轻、更小、更薄的电子产品，半导体芯片的微小化已成趋势，因此，芯片的拾取与封装难度进一步加大了。普通芯片通常采用镊子夹取的方式直接对芯片进行转移，但是微芯片比较脆，在使用镊子夹取的过程中，容易对芯片造成损伤，并且微芯片释放的过程中，由于受尺度效应的影响，芯片的重力不再起支配作用，此时的范德华力将大于芯片的重力，使得芯片的释放变的困难。因此设置一种仿蚂蚁口器大颚表面结构的毛夹式微镊是十分必要的。

目前，在相关领域基本没有能够在不损伤位芯片的基础上，可以对微芯片取放自如的装置，如申请专利号201510750450.7的发明专利公开了一种芯片抓手，该装置包括点击安装座、主体框、光耦合挡片、光电传感器、直线电机、电机丝杆、活动连板、连接机构、活动夹持机构以及抓取机构。使用时，启动直线电机带动电机丝杆和活动连板一起运动，从而使得夹持片左右运动进行夹持，并且通过光耦合挡片和光电传感器实现丝杆前后运动的定位，控制夹爪夹取芯片的松紧度。但是该发明专利没有考虑芯片在释放的过程中，由于范德华力大于芯片的重力，使得芯片的释放变的困难的问题。申请专利号201510006911.x的发明专利公开了一种ic芯片真空夹持装置，该装置包括机座、横梁架、z轴升降器、真空发生器、伺服电机、丝杆、真空吸头、旋转电机、旋转盘、芯片装料模。其操作步骤是通过旋转电机带动旋转盘旋转，伺服电机带动丝杆推动z轴升降器在横梁架上左右移动，z轴升降器输送真空吸头到芯片装料模上端，真空发生器对真空吸头产出真空，将ic芯片吸起，最后由丝杆推动z轴升降器将芯片搬运到指定位置。但是真空夹持的条件相对复杂，要求芯片与真空吸头接触表面非常光滑，并且真空夹持方法会在芯片拾取的过程中由于吸附力过大会对芯片造成损伤。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于针对目前电子芯片(如0.1mm*0.2mm)、微小生物(0.1mm*0.1mm)等领域微小物体的取放和抓取难题，提出了一种仿蚂蚁口器大颚表面的毛夹式微镊。本发明受蚂蚁大颚表面(由硬质表面+纤维的特殊结构组成)在进食液滴和粘性物质过程中的防粘附和吸附作用启发，将大颚表面的特殊结构映射到镊子尖端，从而形成一种特殊的微器件取放器——“微镊”。

本发明毛夹式微镊，包括镊子主体和两个毛式夹持组件。两个毛式夹持组件分别设置在镊子主体上两个夹臂的夹持部上。毛式夹持组件包括纤维束组。纤维束组包括多根纤维束。各碳纤维依次间隔排列，内端与对应夹臂的夹臂的夹持部固定。

作为优选，所述的毛式夹持组件还包括纤维承载片。纤维承载片上设置有条横状微结构；条横状微结构包括依次等间距排列的多条纤维嵌入槽。各纤维束的内端镶嵌在各纤维嵌入槽内。镊子主体上两个夹臂的夹持部的内平面开设有用于定位纤维承载片的凹坑。纤维承载片上设置有条横状微结构的侧面朝内设置，嵌入对应的夹持部内平面的凹坑中。

作为优选，所述纤维束的直径为100nm～100μm。

本发明的第二个目的在于提供一种毛夹式微镊的夹取定位精度测试装置及其测试方法。

一种毛夹式微镊的夹取定位精度测试装置，包括底板、夹取模块和芯片升降模块。所述的夹取模块用于安装被测试的毛夹式微镊。所述的毛夹式微镊为前述的毛夹式微镊。所述的夹取模块包括第一升降滑台、夹持带动组件和固定件。芯片升降模块包括第二升降滑台、工作台和规整组件。所述固定件固定在第一升降滑台的滑架的顶部。毛夹式微镊的连接部与固定件固定。毛夹式微镊的夹持部朝下设置。夹持带动组件包括安装块和碾轮。安装块固定在第一升降滑台的滑块上。等高并排设置的两个碾轮均支承在安装块的外侧。两个碾轮分别位于毛夹式微镊的两侧，且与毛夹式微镊的两根夹臂分别接触。

所述的工作台固定在第二升降滑台的滑块上。所述的规整组件安装在工作台上。规整组件包括芯片放置台、两个气缸和两个规整板。芯片放置台可拆安装在工作台顶面的中心位置。芯片放置台的顶面呈矩形。芯片放置台顶面的长度、宽度分别比芯片的长度、宽度大l。l为误差许可阈值。两个气缸均固定在工作台上，且分别位于芯片放置台的两侧。两个气缸的推出杆均朝向芯片放置台。规整板呈l形。两块规整板与两个气缸的推出杆分别固定。两块规整板上翘起的侧板与芯片放置台的两侧边缘分别对齐。所述规整板的顶部边缘高于芯片放置台的顶面。

作为优选，所述的规整组件还包括四个偏移检测传感器。四个偏移检测传感器以两个为一组。两组偏移检测传感器分别安装的芯片放置台的两个对角上。四个偏移检测传感器的检测线分别位于放置台四条边缘的上方，且到放置台顶面的距离小于被夹取芯片的厚度。

作为优选，所述的第一升降滑台和第二升降滑台结构相同，均包括滑架、丝杠、滑块、升降电机、上限传感器、下限传感器和遮光片。上限传感器和下限传感器均采用槽型光电传感器。竖直设置的滑架固定在底板上。竖直设置的丝杠支承在滑架上。滑块与滑架上的导柱构成滑动副，且与丝杠构成螺旋副。升降电机固定在滑架上，且输出轴与丝杠固定。上限传感器、下限传感器均安装在滑架上，且上下间隔设置，通过腰形孔和螺栓调节高度。遮光片固定在滑块上。遮光片的位置与上限传感器和下限传感器上的凹槽对应。

该毛夹式微镊的夹取定位精度测试装置的测试方法如下：

步骤一、工作人员或前置上料设备将被夹取芯片放置在芯片放置台上。

步骤二、两个气缸推出，使得两块规整板推动被夹取芯片摆正。通过相机拍摄被夹取芯片的照片。

步骤三、两个气缸缩回，第二升降滑台驱动工作台升高，使得芯片到达毛夹式微镊上的两个纤维束组外端之间。

步骤四、第一升降滑台驱动夹持带动组件向下运动，使得两个碾轮挤压毛夹式微镊的两根夹臂，使得两个纤维束组的外端夹住芯片。

步骤五、第二升降滑台驱动工作台降低，将被夹取芯片与工作台分离。

步骤六、第二升降滑台驱动工作台升高，将被夹取芯片与工作台重新接触。

步骤七、第一升降滑台驱动夹持带动组件向上运动，使得两根夹臂带动两个纤维束组的外端松开芯片。再次通过相机拍摄被夹取芯片的照片。

步骤八、对被夹取前后的照片，判断毛夹式微镊在夹取、转移芯片过程中对芯片的定位精度。

本发明的第三个目的在于提供一种基于纤维束(束)精确输送、震动挤压固定原理的毛夹式微镊制备装置和方法。

该毛夹式微镊的制备装置，包括纤维转移机构、纤维供料组件和嵌入纤维组件。所述的纤维供料组件包括输料架、输料管和输料轮。输料管固定在输料架上。支承在输料架上的两个输料轮的连接处位于输料管的输出端。所述的纤维转移机构包括x轴滑台、y轴滑台和手指气缸。x轴滑台安装在机架上；y轴滑台安装在x轴滑台的滑移块上；手指气缸安装在y轴滑台的滑移块上。所述的嵌入纤维组件包括旋转气缸、直线轴承、音圈电机、按压板、纤维安装台、顶升气缸和手摇滑台。手摇滑台的滑动方向平行于y轴滑台的滑动方向。活塞杆设置的顶升气缸固定在手摇滑台的滑移块上。纤维安装台固定在顶升气缸的活塞杆顶端。纤维安装台的顶面上开设有纤维承载片定位凹槽。旋转气缸手摇滑台的滑移块固定。旋转气缸的旋转头与连接架固定。音圈电机安装在连接架上。按压板与连接架通过光轴、直线轴承构成滑动副。旋转气缸在第一极限位置下，与纤维安装台分离；旋转气缸在第二极限位置下，按压板水平设置，位于纤维安装台的正上方。按压板由音圈电机驱动进行往复震动。

作为优选，所述的纤维供料组件还包括到位传感器和切断组件。所述的切断组件内设置有能够切断纤维束的切割件。切割件采用切刀、剪刀或电热切割丝。切断组件安装在输料架上，且切割件位于两个输料轮远离输料管的一侧。到位传感器固定在输料架上，且位于两个输料轮远离输料管的一侧。到位传感器的检测头与输料管的输出端等高设置。

用该毛夹式微镊的制备装置来生产毛夹式微镊的方法，具体如下：

步骤一、在纤维承载片上加工出条横状微结构，并将纤维承载片条横状微结构朝上放置到纤维安装台上的定位凹槽内。条横状微结构由依次排列的多条纤维嵌入槽组成。

步骤二、两个输料轮同步反向转动，使得纤维束输出；y轴滑台上的手指气缸移动到纤维束处，并夹住纤维束。之后，切断纤维束；x轴滑台驱动手指气缸移动，使得纤维束移动到其中一条空置的纤维嵌入槽的正上方。之后，通过手摇滑台调节纤维承载片的位置，顶升气缸将纤维承载片顶起，使纤维束嵌入至纤维嵌入槽中。

步骤三、重复步骤二，通过改变x轴滑台的进给量，将纤维承载片上的各纤维嵌入槽中各自填充一根或多根纤维束。

步骤四、旋转气缸驱动按压板翻转至纤维承载片的正上方。之后，音圈电机带动按压板往复震动按压纤维承载片上的纤维束，使得各根纤维束嵌入对应的纤维嵌入槽中内。

步骤五、旋转气缸驱动按压板翻转，离开纤维承载片的正上方。之后，工作人员取出纤维承载片。

步骤六、再取一片纤维承载片，重复步骤一至五。

步骤七、在将镊子主体两个夹臂的夹持部内平面上开设凹坑。将步骤一至六中制备的两片嵌有纤维束的纤维承载片分别安装到镊子主体两个夹臂的凹坑中。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明从仿生学的角度出发，通过对蚂蚁口器大颚表面纤维的观察研究，发现纤维对微芯片的拾取过程中，能够克服释放过程中微芯片与镊子粘附导致微芯片释放难的问题，并且由于纤维是柔性纤维，在对微芯片进行夹取时，不会对微芯片造成损伤。

2、本发明中的毛夹式微镊的夹取定位精度测试装置能够自动规整芯片，使得毛夹式微镊能够更容易地夹起芯片，且能够保证芯片转移过程中的定位精度。

3、本发明通过逐段切断成卷或长条的纤维束，通过纤维束输送机构将纤维束精准地输送至条横状微结构，实现了成排纤维束的自动上料，大大提高了微镊上纤维束的位置精度。

附图说明

图1为实施例1的设计路线图；

图2为实施例1中毛式夹持组件的示意图；

图3为实施例2的结构示意图；

图4为实施例2中规整组件的示意图；

图5为实施例2中对被夹取芯片进行规整的示意图；

图6为实施例3的结构示意图；

图7为实施例3中旋转气缸两个极限位置示意图；

图8为实施例3的步骤七中纤维承载片安装到镊子主体夹臂的凹坑内的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和2所示，仿蚂蚁口器大颚表面的毛夹式微镊，包括镊子主体1和两个毛式夹持组件2。两个毛式夹持组件2分别设置在镊子主体1上两个夹臂的夹持部1-1内侧，用于与芯片接触，起到夹起芯片的作用。毛式夹持组件2包括打有条横状微结构的纤维承载片2-2和纤维束组2-3。条横状微结构包括开设在纤维承载片上，且依次等间距排列的多条纤维嵌入槽。纤维承载片2-2采用铜片。纤维束组2-3由多根纤维束组成。各纤维束的内端镶嵌在纤维承载片2-2的条横状微结构中，外端悬空。各纤维束沿着镊子主体1的夹持部1-1宽度方向依次等间隔排列。纤维束的直径为100nm～100μm。镊子主体1上两个夹臂的夹持部1-1的内平面2-1开设有用于定位纤维承载片2-2的凹坑。纤维承载片2-2的条横状微结构朝内设置，镶嵌入对应的夹持部1-1的内平面2-1的凹坑中。

实施例2

如图3所示，一种毛夹式微镊的夹取定位精度测试装置，包括底板4、夹取模块5和芯片升降模块6。夹取模块5用于安装被测试的毛夹式微镊3。毛夹式微镊3为实施例1所述仿蚂蚁口器大颚表面的毛夹式微镊3。夹取模块5包括第一升降滑台、夹持带动组件(5-1～5-2)和固定件5-3。芯片升降模块6包括第二升降滑台、工作台6-1和规整组件7。第一升降滑台和第二升降滑台结构相同，均包括滑架、丝杠、滑块、升降电机、上限传感器8、下限传感器9和遮光片10。上限传感器8和下限传感器9均采用槽型光电传感器。竖直设置的滑架固定在底板4上。竖直设置的丝杠支承在滑架上。滑块与滑架上的导柱构成滑动副，且与丝杠构成螺旋副。升降电机固定在滑架上，且输出轴与丝杠固定。上限传感器8、下限传感器9均安装在滑架上，且上下间隔设置，通过腰形孔和螺栓调节高度。遮光片10固定在滑块上。遮光片10的位置与上限传感器8和下限传感器9上的凹槽对应。遮光片10随滑块上下移动，当触发上限传感器8时到达上极限位置，触发下限传感器9传感器时到达下极限位置。

固定件5-3固定在第一升降滑台的滑架的顶部。固定件5-3上开设有安置槽缝。毛夹式微镊3上两个夹臂的连接部穿过固定件5-3上的安置槽缝。固定件5-3的侧部设置有紧定螺栓。紧定螺栓抵住毛夹式微镊3上两个夹臂的连接部，实现对毛夹式微镊3固定。毛夹式微镊3的夹持部1-1朝下设置。夹持带动组件包括安装块5-1和碾轮5-2。安装块5-1固定在第一升降滑台的滑块上。等高并排设置的两个碾轮5-2均支承在安装块5-1的外侧。两个碾轮5-2分别位于毛夹式微镊3的两侧，且与毛夹式微镊3的两根夹臂分别接触。当第一升降滑台驱动两个碾轮5-2向下运动时，将驱动毛夹式微镊3夹合。当第一升降滑台驱动两个碾轮5-2向上运动时，将驱动毛夹式微镊3松开。

如图3和4所示。工作台6-1固定在第二升降滑台的滑块上。规整组件7安装在工作台6-1上。规整组件7包括芯片放置台7-1、四个偏移检测传感器7-2、两个气缸7-3和两个规整板7-4。芯片放置台7-1可拆安装在工作台6-1顶面的中心位置。芯片放置台7-1的顶面呈矩形，与被夹取的芯片的形状对应。芯片放置台7-1顶面的长度、宽度分别比芯片的长度、宽度大l。l为芯片摆放的误差许可阈值。若被夹取的芯片在芯片放置台7-1顶面四条边缘的范围内，则认为芯片已经摆放端正的。四个偏移检测传感器7-2以两个为一组。两组偏移检测传感器7-2分别安装的芯片放置台7-1的两个对角上，且检测头的朝向呈90°夹角。四个偏移检测传感器7-2的检测线分别位于放置台四条边缘的上方，且到放置台顶面的距离小于被夹取芯片7-5的厚度。四个偏移检测传感器7-2用于检测被夹取芯片7-5是否完全在芯片放置台7-1四条边缘的范围内。

如图4和5所示，两个气缸7-3均固定在工作台6-1上，且分别位于芯片放置台7-1的两侧。两个气缸7-3的推出杆均朝向芯片放置台7-1。规整板7-4呈l形。两块规整板7-4的一个侧板与两个气缸7-3的推出杆分别固定。两块规整板7-4的另一块侧板位于相反侧，与芯片放置台7-1的两侧边缘分别对齐。规整板7-4的顶部边缘高于芯片放置台7-1的顶面。当两个气缸7-3推出时，两块规整板7-4上的合计四块侧板与芯片放置台7-1的四条边缘分别接触，从而将被夹取芯片7-5超出芯片放置台7-1外的部分被推到芯片放置台7-1内。

该毛夹式微镊的夹取定位精度测试装置的测试方法如下：

步骤一、工作人员或前置上料设备将被夹取芯片7-5放置在芯片放置台7-1上。

步骤二、四个激光传感器19发射激光检测被夹取芯片7-5是否芯片放置台7-1的范围，从而判断被夹取芯片7-5是否摆放端正。若四个激光传感器19均未检测到被夹取芯片7-5，则直接进入步骤四；若任意一个激光传感器19检测到被夹取芯片7-5，则两个气缸7-3推出，使得两块规整板7-4推动被夹取芯片7-5摆正，过程如图5所示。之后，通过相机拍摄被夹取芯片7-5的照片。

步骤三、两个气缸7-3缩回，第二升降滑台驱动工作台6-1升高，使得芯片到达毛夹式微镊3上的两个纤维束组2-3外端之间。

步骤四、第一升降滑台驱动夹持带动组件向下运动，使得两个碾轮5-2挤压毛夹式微镊3的两根夹臂，两个纤维束组2-3的外端夹住芯片。实现对摆正后的被夹取芯片7-5的无损伤夹起；

步骤五、第二升降滑台驱动工作台6-1降低，将被夹取芯片7-5与工作台6-1分离。

步骤六、第二升降滑台驱动工作台6-1升高，将被夹取芯片7-5与工作台6-1重新接触。

步骤七、第一升降滑台驱动夹持带动组件向上运动，使得两根夹臂带动两个纤维束组2-3的外端松开芯片。再次通过相机拍摄被夹取芯片7-5的照片。

步骤八、对被夹取前后的照片(步骤二与七所得的照片)，判断毛夹式微镊在夹取、转移芯片过程中对芯片的定位精度；从而达到检验制备出的毛夹式微镊质量的效果。

实施例3

如图6所示，制备实施例1所述的毛夹式微镊3的装置，包括纤维转移机构、纤维供料组件和嵌入纤维组件。

纤维供料组件包括输料架13、输料管14、输料轮15、到位传感器16、切断组件(图上未标出)。到位传感器16采用光电传感器，型号为zx1-ld50a81。输料架13固定在机架上。两个输料轮15的连接处位于输料管26的输出端。成卷或长条形的纤维束的端部穿过输料管14，并穿过两个输料轮15的连接处。两个输料轮15通过限位输料电机和齿轮驱动进行反向等速转动，能够将穿过输料管14内的纤维束持续输出。切断组件内设置有能够切断纤维束的切割件(由电机或电动推杆驱动)。切割件采用切刀、剪刀或电热切割丝。切断组件安装在输料架13上，且切割件位于两个输料轮15远离输料管14的一侧。到位传感器16固定在输料架13上，且位于两个输料轮15远离输料管14的一侧。到位传感器16的检测头与输料管15的输出端等高设置，当两个输料轮15输出的纤维束的端部达到与到位传感器16的检测头对齐的位置时，到位传感器16能够将检测到纤维束，从而使得控制器停止输料轮15的转动，切断组件切割纤维束。

纤维转移机构包括x轴滑台11、y轴滑台12和手指气缸17。x轴滑台11安装在机架上；y轴滑台12安装在x轴滑台的滑移块上；y轴滑台12上设置有两个同向、等速滑动的滑移块。两个手指气缸17分别固定在y轴滑台12的两个滑移块上。x轴滑台11和y轴滑台12均为电动滑台，且滑动方向相互垂直。

嵌入纤维组件包括旋转气缸18、直线轴承19、音圈电机20、按压板21、纤维安装台23、顶升气缸24和手摇滑台25。手摇滑台25安装在机架上，且滑动方向平行于y轴滑台12的滑动方向。活塞杆设置的顶升气缸24固定在手摇滑台25的滑移块上。纤维安装台23固定在顶升气缸24的活塞杆顶端。纤维安装台23的顶面上开设有定位凹槽。定位凹槽的形状与纤维承载片2-2的形状对应，用于定位纤维承载片2-2。纤维承载片2-2放置在纤维安装台23顶面的定位凹槽内；旋转气缸18通过l板与手摇滑台25的滑移块固定，且高于纤维安装台23。旋转气缸18的旋转头与连接架固定。音圈电机安装在连接架上。按压板21与连接架通过光轴、直线轴承19构成沿竖直方向滑动的滑动副。按压板21由音圈电机驱动，进行往复震动按压。旋转气缸通气后带动音圈电机20、按压板2翻转。旋转气缸在第一极限位置下，按压板竖直设置，与纤维安装台分离；旋转气缸在第二极限位置下，按压板水平设置，位于纤维安装台的正上方。

用该毛夹式微镊3的制备装置来生产毛夹式微镊3的方法，具体如下：

步骤一、在纤维承载片2-2上用激光打标机打上条横状微结构，并将纤维承载片条横状微结构朝上放置到纤维安装台上23的定位凹槽内。条横状微结构由多条纤维嵌入槽组成。

步骤二、两个输料轮15同步反向转动，使得纤维束输出；当到位传感器16将检测到纤维束时，两个输料轮15停转。y轴滑台12上的两个手指气缸等间距往输料组件方向运动，当运动到指定位置时，通过给两个手指气缸17通气将纤维束夹持住，切割组件将纤维束切断。电机反转控制y轴滑台12反向运动，当纤维承载片与纤维束中部对齐时，通过手摇滑台25进行微调，x轴滑台11带动y轴滑台12横移，使得纤维束的中部运动至第一条纤维嵌入槽的正上方，给顶升气缸24通气，将纤维承载片2-2顶起，使纤维束嵌入至第一条纤维嵌入槽中。

步骤三、重复步骤二，通过改变x轴滑台的进给量，将纤维承载片2-2上的各纤维嵌入槽中各自填充一根或多根纤维束。

步骤四、给旋转气缸18通气，使按压板21向下翻转至纤维承载片2-2的正上方。之后，音圈电机20带动按压板21来回震动按压纤维承载片上的纤维束，使得各纤维束牢固地嵌入对应的纤维嵌入槽中内。此时，纤维承载片和纤维束形成第一个毛式夹持组件2

步骤五、通过给旋转气缸18通气，使按压板21向上翻转，离开纤维承载片的正上方。之后，工作人员取出纤维承载片2-2。将纤维承载片上其中一侧伸出的纤维束剪平，使得纤维承载片仅一侧边缘伸出多根纤维束。

步骤六、再取一片纤维承载片，重复步骤一至五，加工出第二个毛式夹持组件2。

步骤七、如图8所示，将镊子主体1两个夹臂的夹持部1-1的内平面2-1上开设与纤维承载片形状对应的凹坑。将两个毛式夹持组件2分别安装到镊子主体1两个夹臂的凹坑中，使得两个毛式夹持组件2内的纤维束沿着对应夹臂的长度方向向外伸出，能够用于夹持芯片。