專利名稱：應(yīng)用于聚合物微器件聯(lián)接的吸附式超聲波工具頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚合物微器件的組裝技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種通過真空吸附及超聲 波塑料焊接技術(shù)對(duì)聚合物微器件進(jìn)行定位放置及聯(lián)接的裝置，應(yīng)用于聚合物微 流控芯片上聚合物微流體器件的聯(lián)接及封裝。
技術(shù)背景隨著聚合物材料在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用，聚合物微功能器件的組裝成為重要研 究課題。傳統(tǒng)的聯(lián)接方法如熱焊接、膠粘接等存在效率不高、強(qiáng)度低、長(zhǎng)期穩(wěn) 定性差等缺陷；近年來得到研究的封接方法如紅外焊接、激光焊接等存在著材 料選擇上的局限性。超聲波焊接具有焊接強(qiáng)度高、效率高、局部受熱、適用材 料廣泛等優(yōu)點(diǎn)，可以克服其它技術(shù)與方法中存在的問題，解決聚合物微器件組 裝中的問題。超聲波塑料焊接系統(tǒng)由超聲換能器、超聲波發(fā)生器、變幅桿、工具頭等幾 個(gè)主要功能部件構(gòu)成?，F(xiàn)有超聲波焊接系統(tǒng)工作頻率在20-40kHz范圍內(nèi)，振幅 大、功率高，并不適用于聚合物微器件的封接，而高頻超聲波焊接系統(tǒng)產(chǎn)生的 振幅較小，將提高焊接精度，是解決聚合物微器件封接的最佳技術(shù)手段。目前 超聲波塑料焊接中多采用變幅桿和工具頭耦合聯(lián)接，如發(fā)明專利諧振器、超 聲頭和利用超聲頭的超聲波焊接機(jī)。公開號(hào)CN1783448A，將超聲波能量傳遞 到工具頭表面，但變幅桿與工具頭的聲阻抗相差較大，耦合系數(shù)小，降低了超 聲波的傳輸效率，將損失一部分超聲波能量，而目前高頻超聲換能器又很難實(shí) 現(xiàn)高功率，能量的損失將影響焊接質(zhì)量。因此具有幅度放大功能的超聲波工具 頭將會(huì)提高高頻超聲波能量的傳輸效率，將能量損失降低到最小。目前的超聲 波工具頭均針對(duì)較大的聚合物器件，如使用新型專利超聲波焊接用模頭。授權(quán)公告號(hào)CN257152S，并未考慮超聲波焊接在聚合物微器件的組裝領(lǐng)域應(yīng)用 時(shí)存在的問題，并不具有對(duì)零件的夾持及固定功能，不適用于微器件的聯(lián)接。 針對(duì)微器件的安裝，精確位置是十分必要的，這就要求微器件在焊接前被定位 安放，焊接過程中被穩(wěn)定固緊，不發(fā)生任何微動(dòng)。因此，具有夾持及固緊功能 的超聲波焊接工具頭的設(shè)計(jì)將是解決聚合物微器件組裝的重要環(huán)節(jié)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于聚合物微器件聯(lián)接的吸附式超 聲波工具頭。在微流控芯片工作過程中，保證液體注入過程的精確性和密封性， 設(shè)計(jì)了微流體器件結(jié)構(gòu)，本發(fā)明為該器件與微流控芯片應(yīng)用超聲波塑料焊接技 術(shù)密封聯(lián)接的專用超聲波工具頭。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明所設(shè)計(jì)的超聲波工具頭主要由固定結(jié)構(gòu)、通氣結(jié)構(gòu)及通氣接口構(gòu)成， 所述的固定結(jié)構(gòu)為圓柱形結(jié)構(gòu)，位于超聲波輻射面的中心位置；該圓形固定結(jié) 構(gòu)直徑尺寸與待聯(lián)接的微流體器件間隙相配合，高度不超過導(dǎo)流孔深度；所述 的吸附夾持結(jié)構(gòu)為兩條通氣孔，通氣孔對(duì)稱分布于工具頭主體軸線兩側(cè)，保證 工具頭振動(dòng)平衡性；該兩條通氣孔的一端通至超聲波輻射面與待聯(lián)接器件相接 觸，從而對(duì)器件進(jìn)行吸附夾持；另一端通至工具頭節(jié)點(diǎn)位置，與通氣接口相連 接，通氣接口與空氣用管接頭緊配合連接，外接套管連接到真空泵從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 聚合物微器件的真空吸附功能。本發(fā)明的效果和益處是經(jīng)過結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲波 換能器振動(dòng)的幅度放大功能，輻射面振動(dòng)均勻，保證了器件均勻焊接且焊縫整
齊，可明顯提高超聲波焊接的加工質(zhì)量。所述的通氣接口位于工具頭的節(jié)點(diǎn)位 置，可避免超聲波高頻振動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的影響。本發(fā)明所涉及的超聲波工具頭對(duì) 待聯(lián)接器件具有夾持及固定結(jié)構(gòu)，為聚合物微功能器件的自動(dòng)化裝配奠定了基 礎(chǔ)。


圖1為本專利所述超聲波工具頭的立體圖。圖2為本專利所述超聲波工具頭的透視圖。 圖3為本專利所述超聲波工具頭的剖面圖。圖中l(wèi)超聲波工具頭主體；2工具頭與換能器連接螺紋孔；3空氣用管接頭；4節(jié)點(diǎn)；5固定結(jié)構(gòu)；6通氣孔；7通氣接口； 8氣體流通路徑；9吸附夾持結(jié)構(gòu)；10輻射面。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。在超聲波工具頭主體1頂部設(shè)有螺紋孔2，用于連接換能器；中部突出的位置4為節(jié)點(diǎn)位置，該位置理論振動(dòng)幅度為零，用于將整個(gè)超聲波工具頭裝夾固定，并以此位置對(duì)待聯(lián)接器件施加焊接壓力；在超聲波工具頭的末端為超聲波 輻射面10，整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證該面振幅分布均勻；此面上設(shè)有器件固定結(jié)構(gòu) 5及吸附夾持結(jié)構(gòu)9，固定結(jié)構(gòu)5位于超聲波輻射面10的中心位置，吸附夾持 結(jié)構(gòu)9對(duì)稱分布固定結(jié)構(gòu)5兩側(cè)；在超聲波工具頭的節(jié)點(diǎn)4位置設(shè)有對(duì)稱結(jié)構(gòu) 的通氣接口7，該結(jié)構(gòu)與通用的空氣用管接頭3作緊配合連接，空氣用管接頭3 外側(cè)套管與真空吸附裝置相連接；兩條以工具頭軸線對(duì)稱通氣孔6將吸附夾持 結(jié)構(gòu)9與通氣接口 7連接，工作時(shí)氣體流通狀態(tài)如圖3中虛線表示的氣體流通 路徑8所示。
使用時(shí)螺紋孔2與超聲換能器固緊連接，行程控制單元裝夾固緊節(jié)點(diǎn)4，真 空吸附裝置由兩條氣管連接至空氣用管接頭。
權(quán)利要求
1. 一種應(yīng)用于聚合物微器件聯(lián)接的吸附式超聲波焊接工具頭，其特征在于具有圓形超聲波輻射面(10)，在輻射面(10)設(shè)有待焊件的固定結(jié)構(gòu)(5)及真空吸附夾持結(jié)構(gòu)(9)，在工具頭節(jié)點(diǎn)(4)位置設(shè)有通氣接口(7)。
2. 如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于聚合物微器件聯(lián)接的吸附式超聲波焊接工具 頭，其特征在于所述的固定結(jié)構(gòu)(5 )位于超聲波輻射面(10)中心位置， 其具體尺寸與待聯(lián)接器件的尺寸及結(jié)構(gòu)相配合；所述的真空吸附夾持結(jié)構(gòu)(9 ) 為兩條通氣孔(6 )，對(duì)稱分布在固定結(jié)構(gòu)(5 )的兩側(cè)，與節(jié)點(diǎn)(4 )附近通 氣接口 (7)相連，其具體尺寸與待焊接的器件的尺寸相配合。
全文摘要
一種應(yīng)用于聚合物微器件聯(lián)接的吸附式超聲波焊接工具頭，屬于聚合物微器件的組裝技術(shù)領(lǐng)域。其特征是該吸附式超聲波焊接工具頭，具有圓形超聲波輻射面，在輻射面面設(shè)有待焊件的固定結(jié)構(gòu)及真空吸附夾持結(jié)構(gòu)，在工具頭節(jié)點(diǎn)位置設(shè)有通氣接口。本發(fā)明的效果和益處是經(jīng)過結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲波換能器振動(dòng)的幅度放大功能，輻射面振動(dòng)均勻，保證了器件均勻焊接且焊縫整齊，可明顯提高超聲波焊接的加工質(zhì)量。所述的通氣接口位于工具頭的節(jié)點(diǎn)位置，可避免超聲波高頻振動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的影響本發(fā)明所涉及的超聲波工具頭對(duì)待聯(lián)接器件具有夾持及固定結(jié)構(gòu)，為聚合物微功能器件的自動(dòng)化裝配奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)B29C65/08GK101396866SQ20081022882
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者鵬 喬, 孫屹博, 王曉東, 王立鼎, 怡 羅 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)