專利名稱：一種皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置及點(diǎn)膠方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微點(diǎn)膠技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種能實(shí)現(xiàn)皮升級(jí)膠量的點(diǎn)膠裝置與點(diǎn)膠方法。
背景技術(shù)：
微膠接技術(shù)是使用膠粘劑把金屬、塑料、硅等不同材料制成的微型零件聯(lián)接起來，并且零件表面不熔化的工藝。隨著光刻等微小零件制作工藝的快速發(fā)展，微小零件的加工尺寸越來越小，點(diǎn)膠量也越來越小，如何能夠獲得與微小零件尺寸相匹配的皮升級(jí)微小膠滴是微膠接的關(guān)鍵技術(shù)之一。日本AIST機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室曾對(duì)生物領(lǐng)域用來向細(xì)胞內(nèi)注射化學(xué)試劑的細(xì)胞注射器進(jìn)行改進(jìn)，利用毛細(xì)現(xiàn)象將膠體吸進(jìn)毛細(xì)針尖的末端，根據(jù)膠量大小與針尖內(nèi)膠液長度成正比的關(guān)系控制吸入膠體的多少，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)膠時(shí)不需要很精確的壓力控制便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)膠量大小的控制，并將其用于三維微裝配中5微米球體之間的微膠接。但是，該方法上膠時(shí)必須在顯微鏡下觀察膠液的高度，而且每次上膠后只能得到一個(gè)膠滴，多次點(diǎn)膠時(shí)需要反復(fù)上膠，工藝十分復(fù)雜。南京理工大學(xué)基于噴射原理設(shè)計(jì)了一種非接觸式點(diǎn)樣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，得到了平均直徑為326微米的樣品點(diǎn)陣列。該方法的缺點(diǎn)是噴射時(shí)液滴方向不易控制，很難在微裝配中將膠滴精確定位到指定位置。加拿大TOTonto大學(xué)曾加工出不同尺寸、端部帶有方形儲(chǔ)膠塊的微探針，根據(jù)探針上儲(chǔ)膠塊的特征尺寸與蘸取膠量大小成正比的關(guān)系控制蘸取膠量，該形狀的探針有效改善了蘸取膠體時(shí)爬山現(xiàn)象導(dǎo)致的膠量控制問題。該方法也是每次加膠后只能得到一個(gè)膠滴，需要反復(fù)加膠，點(diǎn)膠效率低?？傊m然開展了微裝配中的皮升(pL)級(jí)點(diǎn)膠的相關(guān)工作，但是現(xiàn)有技術(shù)還存在如下問題(I)需要反復(fù)上膠；(2)膠滴定位精度不高；(3)工藝復(fù)雜；(4)效率低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置點(diǎn)膠位置不準(zhǔn)，工藝復(fù)雜，效率低下的問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種點(diǎn)膠裝置及其相應(yīng)的點(diǎn)膠方法，點(diǎn)膠裝置主要由智能顯微攝像鏡頭、四自由度智能微操作儀、壓力控制器和點(diǎn)膠針組件構(gòu)成。智能顯微攝像鏡頭對(duì)點(diǎn)膠針尖的位置和膠斑的直徑進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，四自由度智能微操作儀控制點(diǎn)膠針尖的位置，壓力控制器控制點(diǎn)膠時(shí)作用在膠液表面的壓力值本發(fā)明是一種將顯微視覺檢測技術(shù)、微裝配技術(shù)和微點(diǎn)膠技術(shù)結(jié)合起來的完整的、具有通用性和實(shí)用性的方法，可方便高效的實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同的皮升級(jí)點(diǎn)膠作業(yè)。本發(fā)明的點(diǎn)膠裝置所得到的最小膠斑尺寸可達(dá)到10微米，即皮升級(jí)。


圖I為本發(fā)明的皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明的皮升級(jí)點(diǎn)膠方法的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式如前所述，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠滿足微小零件裝配中皮升級(jí)膠斑需求的點(diǎn)膠裝置和點(diǎn)膠方法。本發(fā)明可用于MEMS制造中微小零件粘接時(shí)的皮升級(jí)點(diǎn)膠。本發(fā)明的點(diǎn)膠裝置包括顯微攝像鏡頭、微操作儀、壓力控制器和點(diǎn)膠針組件。點(diǎn)膠針組件與壓力控制器相連接，點(diǎn)膠針組件通過點(diǎn)膠針夾持器固定在微操作儀上，顯微攝像鏡頭水平放置，點(diǎn)膠工件上的點(diǎn)膠位置位于顯微攝像鏡頭的視場內(nèi)。點(diǎn)膠針組件包括點(diǎn)膠針、點(diǎn)膠針夾持器、塑料軟管。壓力控制器具有一個(gè)氣路出口，可與塑料軟管進(jìn)行快速插拔連接。點(diǎn)膠針的前端與點(diǎn)膠針夾持器的一端連接，點(diǎn)膠針夾持器的另一端與塑料軟管的一端連接，塑料軟管的另一端與壓力控制器的氣路出口相連接。點(diǎn)膠針夾持器通過機(jī)械方式固定在微操作儀上，使點(diǎn)膠針的末端(針尖)位于點(diǎn)膠工件上點(diǎn)膠位置附近。顯微攝像鏡頭用于對(duì)點(diǎn)膠針組件的點(diǎn)膠針的位置和膠斑的直徑進(jìn)行在線檢測。本發(fā)明的顯微攝像鏡頭優(yōu)選為智能顯微攝像鏡頭，其能夠連續(xù)變倍和自動(dòng)調(diào)焦，并通過自動(dòng)變倍和調(diào)焦，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠針的針尖、點(diǎn)膠零件和膠斑的成像。顯微攝像鏡頭水平放置，其光軸高度與點(diǎn)膠位置的高度基本上相同，以便點(diǎn)膠位置位于顯微攝像鏡頭的視場內(nèi)。微操作儀用于對(duì)點(diǎn)膠針組件的點(diǎn)膠針的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明的微操作儀優(yōu)選為四自由度微操作儀，其具有三個(gè)移動(dòng)自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，可用于調(diào)節(jié)點(diǎn)膠針的位置和角度，特別是點(diǎn)膠針的針尖位置及針尖的角度。并且，根據(jù)本發(fā)明的更優(yōu)選的實(shí)施方式，微操作儀是一種由微處理器控制的四自由度智能微操作儀，其可通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝在其上的點(diǎn)膠針位置進(jìn)行精確控制。壓力控制器用于調(diào)節(jié)點(diǎn)膠針組件的點(diǎn)膠針內(nèi)的膠液表面壓力值，以便在點(diǎn)膠時(shí)膠液能以穩(wěn)定的速度從點(diǎn)膠針尖流出。壓力控制器由氣泵和穩(wěn)壓閥等構(gòu)成，優(yōu)選為內(nèi)含小型氣泵的小體積集成壓力控制器。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖I為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置的示意圖。參見附圖1，在實(shí)施例中，皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置包括智能顯微攝像鏡頭I、四自由度智能微操作儀2、壓力控制器3和點(diǎn)膠針組件4。在該實(shí)施例中，顯微攝像鏡頭I選用Navitar公司的12倍金相變倍顯微鏡頭，該鏡頭能夠?qū)崿F(xiàn)從11. 08倍到133. 25倍之間的自動(dòng)連續(xù)變倍和自動(dòng)調(diào)焦，該鏡頭所能達(dá)到的最小光學(xué)分辨率為O. 7微米，能夠通過自動(dòng)變倍和調(diào)焦，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠針的針尖、點(diǎn)膠零件和膠斑的清晰成像，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和提取等處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)徑I微米以上的點(diǎn)膠針尖、點(diǎn)膠零件上的點(diǎn)膠位置和膠斑直徑尺寸的自動(dòng)識(shí)別和檢測。根據(jù)本發(fā)明，點(diǎn)膠針優(yōu)選為外徑為I暈米，內(nèi)徑為O. 8暈米,長100暈米的管狀玻璃針，拉制后的點(diǎn)膠針長約50毫米，前端外徑仍為I毫米，末端內(nèi)徑為I微米到10微米之
4間。在該實(shí)施例中，采用使用拉針儀制作的末端內(nèi)徑從I微米到10微米各種尺寸的點(diǎn)膠針。在該實(shí)施例中，四自由度智能微操作儀2選用Sutter公司的MP-285，該操作儀具有XYZ三個(gè)移動(dòng)自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，三個(gè)移動(dòng)自由度的行程為25毫米，最小可驅(qū)動(dòng)步長為O. 04微米?？赏ㄟ^編程實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝在其上的點(diǎn)膠針尖的位置進(jìn)行精確控制，一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的行程為360度，可以調(diào)節(jié)點(diǎn)膠針與水平面之間的夾角大小。在該實(shí)施例中，壓力控制器3選用Eppendorf公司的Femtojet細(xì)胞注射器,該注射器能夠提供從O到6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓之間的壓力值，并能保持壓力穩(wěn)定，在點(diǎn)膠時(shí)，可通過調(diào)節(jié)注射器面板上的壓力值實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)膠針內(nèi)膠液表面壓力值的調(diào)節(jié)。圖2為本發(fā)明的皮升級(jí)點(diǎn)膠方法的工藝流程圖。下面參照附圖2描述本發(fā)明的點(diǎn)膠方法的工藝流程。工藝流程的步驟主要包括在所述點(diǎn)膠針中填充一定量的膠液；將點(diǎn)膠針組件安裝固定到所述微操作儀上，根據(jù)點(diǎn)膠位置對(duì)點(diǎn)膠針的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)；使用所述顯微攝像鏡頭搜索尋找所述點(diǎn)膠針的針尖，找到該針尖后，利用所述顯微攝像鏡頭和所述微操作儀形成閉環(huán)視覺伺服，將所述針尖定位到點(diǎn)膠位置附近；調(diào)節(jié)所述壓力控制器，使膠液從點(diǎn)膠針尖流出，并使用所述顯微攝像鏡頭對(duì)膠斑的直徑大小進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)膠斑的直徑接近預(yù)定值時(shí)，所述微操作儀驅(qū)動(dòng)點(diǎn)膠針離開所述點(diǎn)膠位置，點(diǎn)膠終止。下面參照實(shí)施例進(jìn)行具體說明首先，從拉制好的點(diǎn)膠針的前端往點(diǎn)膠針的末端填充一定量的膠液，添加膠液的液面以不溢出點(diǎn)膠針的末端為宜。接著，將點(diǎn)膠針的前端插入點(diǎn)膠針夾持器的一端，這時(shí)因?yàn)辄c(diǎn)膠針夾持器的另外一端已經(jīng)與通過塑料軟管與壓力控制器相連接，所以這時(shí)點(diǎn)膠針與壓力控制器已經(jīng)連通。接著，將點(diǎn)膠針夾持器通過機(jī)械方式安裝固定到四自由度微操作儀的安裝面上，安裝好后，可根據(jù)具體點(diǎn)膠位置對(duì)點(diǎn)膠針的角度進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。然后，使用顯微攝像鏡頭搜索尋找點(diǎn)膠針尖，找到點(diǎn)膠針尖后，利用顯微攝像鏡頭和微操作儀形成閉環(huán)視覺伺服，將點(diǎn)膠針尖定位到點(diǎn)膠位置附近。最后，調(diào)節(jié)壓力控制器中的壓力參數(shù)，使得膠液緩慢從點(diǎn)膠針尖流出，并使用顯微攝像鏡頭對(duì)膠斑的直徑大小進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測，一旦膠斑的直徑接近理想值時(shí)，微操作儀自動(dòng)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)膠針離開點(diǎn)膠位置，點(diǎn)膠終止。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的上述實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)最小膠斑直徑為10微米的膠量控制?？梢?，本發(fā)明實(shí)施方便，能夠方便快速、高精度的實(shí)現(xiàn)皮升級(jí)的點(diǎn)膠，可以滿足微裝配中皮升級(jí)膠量的需要。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置，包括點(diǎn)膠針組件，點(diǎn)膠針組件包括點(diǎn)膠針，其特征在于，該裝置還包括顯微攝像鏡頭、微操作儀、壓力控制器，其中，所述顯微攝像鏡頭用于對(duì)所述點(diǎn)膠針組件的點(diǎn)膠針的位置和膠斑的直徑進(jìn)行在線檢測；所述微操作儀用于調(diào)節(jié)點(diǎn)膠針的位置和角度；所述壓力控制器用于在點(diǎn)膠針內(nèi)的膠液表面施加一個(gè)可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定壓力值，以便在點(diǎn)膠時(shí)膠液能以穩(wěn)定的速度從點(diǎn)膠針的針尖流出。
2.如權(quán)利要求I所述的皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置，其特征在于，所述點(diǎn)膠針組件與所述壓力控制器相連接，點(diǎn)膠針組件固定在所述微操作儀上，所述顯微攝像鏡頭水平放置。
3.如權(quán)利要求2所述的皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置，其特征在于，所述點(diǎn)膠針組件還包括點(diǎn)膠針夾持器和塑料軟管；所述壓力控制器具有一個(gè)氣路出口，可與塑料軟管進(jìn)行快速插拔連接；所述點(diǎn)膠針的前端與點(diǎn)膠針夾持器的一端連接，點(diǎn)膠針夾持器的另一端與塑料軟管的一端連接，塑料軟管的另一端與壓力控制器的氣路出口相連接；點(diǎn)膠針夾持器通過機(jī)械方式固定在微操作儀上。
4.如權(quán)利要求3所述的皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置，其特征在于，所述點(diǎn)膠針為管狀玻璃針，點(diǎn)膠針長50毫米，前端外徑為I毫米，末端內(nèi)徑為I微米到10微米。
5.如權(quán)利要求2所述的皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置，其特征在于，所述顯微攝像鏡頭為智能顯微攝像鏡頭，其能夠連續(xù)變倍和自動(dòng)調(diào)焦，并通過自動(dòng)變倍和調(diào)焦，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠針的針尖、點(diǎn)膠零件和膠斑的成像。
6.如權(quán)利要求2所述的皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置，其特征在于，所述微操作儀為四自由度微操作儀，其具有三個(gè)移動(dòng)自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，用于調(diào)節(jié)點(diǎn)膠針的位置和角度。所述微操作儀是智能微操作儀，其由微處理器控制，并可通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝在其上的點(diǎn)膠針位置進(jìn)行控制。所述微操作儀的三個(gè)移動(dòng)自由度的行程為25毫米，最小可驅(qū)動(dòng)步長為O. 04微米。
7.如權(quán)利要求2所述的皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置，其特征在于，所述壓力控制器可提供從O到50千帕之間任意壓力的空氣,并可對(duì)壓力大小進(jìn)行調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制。
8.一種皮升級(jí)點(diǎn)膠方法，其特征在于，使用如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置進(jìn)行點(diǎn)膠。
9.如權(quán)利要求10所述的皮升級(jí)點(diǎn)膠方法，其特征在于，包括如下步驟在所述點(diǎn)膠針中填充一定量的膠液；將點(diǎn)膠針組件安裝固定到所述微操作儀上，根據(jù)點(diǎn)膠位置對(duì)點(diǎn)膠針的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)；使用所述顯微攝像鏡頭搜索尋找所述點(diǎn)膠針的針尖，找到該針尖后，利用所述顯微攝像鏡頭和所述微操作儀形成閉環(huán)視覺伺服，將所述針尖定位到點(diǎn)膠位置附近；調(diào)節(jié)所述壓力控制器，使膠液從點(diǎn)膠針尖流出，并使用所述顯微攝像鏡頭對(duì)膠斑的直徑大小進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)膠斑的直徑接近預(yù)定值時(shí)，所述微操作儀驅(qū)動(dòng)點(diǎn)膠針離開所述點(diǎn)膠位置，點(diǎn)膠終止。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種皮升級(jí)點(diǎn)膠裝置及點(diǎn)膠方法，裝置主要由智能顯微攝像鏡頭、四自由度智能微操作儀、壓力控制器和點(diǎn)膠針組件構(gòu)成。智能顯微攝像鏡頭對(duì)點(diǎn)膠針尖的位置和膠斑的直徑進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，四自由度智能微操作儀控制點(diǎn)膠針尖的位置，壓力控制器控制點(diǎn)膠時(shí)作用在膠液表面的壓力值，點(diǎn)膠針組件包括點(diǎn)膠針，點(diǎn)膠針采用末端內(nèi)徑1微米到10微米的點(diǎn)膠針。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)皮升級(jí)膠量的點(diǎn)膠作業(yè)，膠斑直徑最小達(dá)到10微米，并且上膠容易、一次上膠后可重復(fù)點(diǎn)出多個(gè)膠滴，具有很高的成功率。
文檔編號(hào)B05C5/00GK102921597SQ20121045704
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者史亞莉, 李福東, 張正濤, 徐德 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所