[發明專利]一種微納結構的超聲波封接裝置及其封接方法

有效

• 申請號: 201410003056.2
• 申請日: 2014-01-03
• 公開（公告）號: CN103692648A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 孫屹博;王曉東;羅怡
• 申請（專利權）人: 大連交通大學
• 主分類號: B29C65/08
• 分類號: B29C65/08
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

技術領域

本發明屬于微納系統（簡稱M/NEMS）裝配技術領域，涉及一種微納結構的超聲波封接裝置及其封接方法，應用于熱塑性聚合物微納器件的精密封裝。

背景技術

熱塑性聚合物材料在微納制造領域的應用越來越廣泛，聚合物微納功能器件的集成與部件的組裝成為微納制造技術中的關鍵技術。超聲波封接具有強度高、效率高、局部產熱、無需引入助劑等優點，自2006年被應用于微流控芯片、微泵、微閥的封裝以來已展示出良好的技術優勢與潛力。隨著超聲波焊接技術的應用領域由大尺寸零件轉向尺寸更小、精度要求更高的微納結構，其研究重點由強度轉向精度，既要保證封接的強度及密封性，又需要保證器件的形狀精度，這就要求提高超聲波作用下界面熔接過程的可控性。

超聲波焊接技術在大尺寸結構焊接的應用已較為成熟，但在微納制造領域的應用尚處于研究初期，基本沿襲了大尺寸零件的焊接流程，仍通過控制加載超聲波的時間或能量、零件承載的壓力、工具頭的行程等參量來控制焊接流程，而對于尺寸更小且對形狀精度要求更高的微納器件，則要求更加精確地控制熔合區域聚合物材料在超聲波作用下的粘性流動。

超聲波封接的機理在于：超聲波在界面間產生熱量，增加高分子鏈活性，在壓力和振動的作用下形成界面熔合。其產熱效應可根據聚合物材料的玻璃化轉變點劃分為兩個階段，第一階段界面溫度低于T_g（玻璃化轉變溫度），聚合物處于玻璃態，即固態，固體界面的摩擦效應所產生的熱量起主要作用，即摩擦產熱階段；第二階段界面溫度高于T_g，聚合物處于粘態（粘彈態和粘流態），即液態，超聲波在粘性材料中的能量損耗產熱起主要作用，即粘彈體產熱階段。由于超聲波在兩個階段的加熱效率相差很大，超聲振幅過低則無法使聚合物過渡到粘態，而一旦第二階段致熱被激發則引起熱量過剩，因此封接質量難以精確控制。

由于超聲波封接技術效率非常高，加熱過程通常在1秒內，目前的超聲波封接方法難以提升界面熱熔程度的控制精確性，因此在微納制造領域的應用尚難以滿足精密封接的精度要求。

發明內容

為解決現有技術存在的上述問題，本發明設計一種易于精確控制封接質量的微納結構的超聲波封接裝置及其封接方法。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種微納結構的超聲波封接裝置，包括超聲波發生器、功率調節器、在線超聲檢測模塊、信號處理模塊、超聲換能器、超聲波工具頭、運動控制組件、輔助傳感組件、調平基座和控制系統；

所述的輔助傳感組件包括稱重傳感器和位移傳感器，所述的稱重傳感器和位移傳感器分別安裝于調平基座上方和直線運動導軌下方，用于檢測超聲波工具頭對零件加載的壓力和移動位置；

所述的運動控制組件包括運動控制卡、驅動電機和直線運動導軌，所述的控制系統通過運動控制卡與驅動電機連接，驅動電機控制直線運動導軌縱向移動；

所述的控制系統通過電纜依次經功率調節器和超聲波發生器后與超聲換能器連接，用于控制超聲波通斷及調節超聲波振幅；

所述的控制系統通過電纜經信號處理模塊后分別與位移傳感器和稱重傳感器連接；

所述的信號處理模塊包括數據采集卡和電荷放大器；

所述的控制系統還通過信號處理模塊與在線超聲檢測模塊連接；

所述的在線超聲檢測模塊包括壓電傳感器、蓋板和連接板；

所述的壓電傳感器選擇外形為階梯形狀的壓電傳感器，所述的傳感器蓋板中心開有階梯孔，與壓電傳感器過渡配合，所述的壓電傳感器安裝在傳感器蓋板的中心階梯孔中，與連接板通過螺栓連接固定，壓電傳感器的上測量面略高于傳感器蓋板上平面；所述的連接板由中心孔向側向開有貫通孔，用于引出壓電傳感器的導線，連接板與稱重傳感器在中心孔位置由螺栓連接；

所述的超聲波工具頭與超聲換能器連接；

所述的調平基座與稱重傳感器在中心孔位置由螺栓連接，用于調整封接零件承載面水平角度。

一種固液分相變振幅控制的超聲波封接方法，包括以下步驟：

A、通過控制系統設置觸發壓力、分相衰減比、結束衰減比、一階段振幅、二階段振幅和保壓時間參數；

B、通過控制系統下移超聲波工具頭使其與待封接零件接觸，調整其對待封接零件所施加的壓力以達到預設觸發壓力參數；