一種微納結構的超聲波封接裝置及其封接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微納結構的超聲波封接裝置及其封接方法，所述的裝置包括超聲波發(fā)生器、功率調節(jié)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(tǒng)；輔助傳感組件包括稱重傳感器和位移傳感器，運動控制組件包括運動控制卡、驅動電機和直線運動導軌，控制系統(tǒng)通過電纜依次經(jīng)功率調節(jié)器和超聲波發(fā)生器后與超聲換能器連接，用于控制超聲波通斷及調節(jié)超聲波振幅。本發(fā)明針對超聲波在固相和液相聚合物界面間的兩種加熱機理，分別加載不同的超聲波能量，可提高界面熔接行為的可控性。本發(fā)明可提高封接過程中產(chǎn)熱速率的平穩(wěn)性，有利于提高界面聚合物熱熔行為的控制精確性。
【專利說明】一種微納結構的超聲波封接裝置及其封接方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微納系統(tǒng)(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】
[0002]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聞、效率聞、局部廣熱、無需引入助劑等優(yōu)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(yōu)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。
[0003]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(qū)域聚合物材料在超聲波作用下的粘性流動。
[0004]超聲波封接的機理在于:超聲波在界面間產(chǎn)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(chǎn)熱效應可根據(jù)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Tg (玻璃化轉變溫度)，聚合物處于玻璃態(tài)，即固態(tài)，固體界面的摩擦效應所產(chǎn)生的熱量起主要作用，即摩擦產(chǎn)熱階段；第二階段界面溫度高于Tg，聚合物處于粘態(tài)(粘彈態(tài)和粘流態(tài))，即液態(tài)，超聲波在粘性材料中的能量損耗產(chǎn)熱起主要作用，即粘彈體產(chǎn)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(tài)，而一旦第二階段致熱被激發(fā)則引起熱量過剩，因此封接質量難以精確控制。
[0005]由于超聲波封接技術效率非常高，加熱過程通常在I秒內(nèi)，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(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)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。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:
[0008]一種微納結構的超聲波封接裝置，包括超聲波發(fā)生器、功率調節(jié)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(tǒng)；
[0009]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；
[0010]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(tǒng)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；
[0011]所述的控制系統(tǒng)通過電纜依次經(jīng)功率調節(jié)器和超聲波發(fā)生器后與超聲換能器連接，用于控制超聲波通斷及調節(jié)超聲波振幅；
[0012]所述的控制系統(tǒng)通過電纜經(jīng)信號處理模塊后分別與位移傳感器和稱重傳感器連接;
[0013]所述的信號處理模塊包括數(shù)據(jù)采集卡和電荷放大器；
[0014]所述的控制系統(tǒng)還通過信號處理模塊與在線超聲檢測模塊連接；
[0015]所述的在線超聲檢測模塊包括壓電傳感器、蓋板和連接板；
[0016]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；
[0017]所述的超聲波工具頭與超聲換能器連接；
[0018]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。
[0019]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:
[0020]A、通過控制系統(tǒng)設置觸發(fā)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(shù)；
[0021]B、通過控制系統(tǒng)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(fā)壓力參數(shù)；
[0022]C、在達到預設觸發(fā)壓力參數(shù)時以一階振幅參數(shù)開啟超聲波發(fā)生器，使超聲波工具頭以一階振幅加載超聲波；在加載超聲波同時，通過在線超聲檢測模塊的壓電傳感器檢測傳遞到待封接零件底面的超聲波振幅，通過電荷放大器將壓電傳感器的弱信號放大，由信號處理模塊的數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉換功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，并通過控制系統(tǒng)記錄:開啟超聲波發(fā)生器初始時刻傳遞到待封接零件底面的超聲波振動幅值Utl和在焊接過程中實時檢測傳遞到待封接零件底面的超聲波振動幅值u ;由控制系統(tǒng)根據(jù)以下公式計算振幅的衰減比:
[0023]I = (u0-u)/u0
[0024]當振幅衰減比達到設定的分相衰減比參數(shù)后即通過功率調節(jié)器將超聲波發(fā)生器調整為二階振幅參數(shù)，繼續(xù)在線檢測并實時計算振幅的衰減比，當振幅衰減比到達設定的結束衰減比參數(shù)后關閉超聲波發(fā)生器，經(jīng)過對待封接零件保壓一段時間后，上移超聲波工具頭，一次焊接流程結束。
[0025]本發(fā)明的工作原理如下:
[0026]在超聲波封接過程中，聚合物會發(fā)生玻璃化轉變，由玻璃態(tài)(固態(tài))經(jīng)粘彈態(tài)轉變?yōu)檎沉鲬B(tài)(液態(tài))，在不同狀態(tài)下超聲波在界面間的產(chǎn)熱也各不相同，當聚合物處于玻璃態(tài)時，固體界面的摩擦效應所產(chǎn)生的熱量起主要作用，即摩擦產(chǎn)熱；當聚合物處于粘態(tài)時，超聲波在粘性材料中的能量損耗產(chǎn)熱起主要作用，即粘彈體產(chǎn)熱。由于摩擦產(chǎn)熱和粘彈體產(chǎn)熱效率差異很大，振幅過低的超聲波在摩擦產(chǎn)熱階段無法聚集足夠多的熱量使聚合物過渡到粘態(tài)，而一旦過度到粘態(tài)，粘彈體產(chǎn)熱被激發(fā)，相同振幅的超聲波能量則引起熱量過剩，由于加熱速率過快導致封接質量難以精確控制。
[0027]超聲波振幅是決定界面產(chǎn)熱速率的主要因素，本發(fā)明針對兩種不同的加熱機理，分別加載不同振幅的超聲波能量，通過調整分相振幅來匹配加熱速率，減小超聲波在兩個階段加熱速率的差異，提高加熱過程的平穩(wěn)性，提高超聲波封接過程界面聚合物熱熔行為的控制精確性。具體實施方法如下:針對聚合物處于固態(tài)的摩擦產(chǎn)熱階段，加載較大振幅的超聲波能量以促使界面聚合物由固態(tài)過渡到液態(tài)，而在聚合物處于液態(tài)的粘彈體產(chǎn)熱階段，降低振幅以降低超聲波在粘彈性體中的損耗產(chǎn)熱速率，針對兩階段分別加載適當?shù)恼穹?，匹配超聲波加熱速率?br> [0028]為實現(xiàn)超聲波封接過程中的分相變振幅加載，需要確定聚合物的玻璃化轉變點，本發(fā)明通過在線超聲檢測判定聚合物的狀態(tài)。超聲波封接過程中，界面在超聲波作用下溫度升高，在界面局部形成熱熔區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)隨著溫度的升高聚合物力學狀態(tài)發(fā)生變化，經(jīng)歷玻璃態(tài)、粘彈態(tài)、粘流態(tài)的轉變過程。在此過程中，聚合物材料的聲阻抗逐漸增大，聲波在其中的傳播效率將發(fā)生大幅度衰減，由超聲工具頭發(fā)出并在聚合物材料中傳播的超聲波信號可以反應聚合物的狀態(tài)。
[0029]基于以上原理，本發(fā)明應用在線超聲檢測來判定聚合物發(fā)生玻璃化轉變的時間點，以此劃分超聲波封接過程中聚合物分別處于固、液兩種狀態(tài)下的產(chǎn)熱階段，針對超聲波在界面間的兩種產(chǎn)熱機理分別加載不同振幅的超聲波，以匹配兩階段產(chǎn)熱速率。具體實施方法如下:首先設置觸發(fā)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等參數(shù)；下移超聲波工具頭并對待封接零件加載觸發(fā)壓力；開啟超聲波發(fā)生器，對待封接零件以一階段振幅施加超聲波能量，在線檢測超聲波在待封接零件中的傳播效率，實時計算其衰減比，當?shù)竭_分相衰減比即通過功率調節(jié)器調整為二階段振幅，當衰減比到達結束衰減比時即停止超聲波加載，保壓至設定時間后上移超聲波工具頭，一次封接完成。
[0030]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0031]在超聲波封接過程中，熱熔聚合物材料發(fā)生由彈性體向粘性體的相變，超聲波在不同相聚合物中的作用機理并不相同，且加熱效率差異很大，因此封接過程存在很大的熱突變。本發(fā)明針對超聲波在固相和液相聚合物界面間的兩種加熱機理，分別加載不同的超聲波能量，可提高界面熔接行為的可控性。本發(fā)明應用超聲在線檢測聚合物的狀態(tài)，并提供分相點的判定，取代傳統(tǒng)方法中對于時間、能量及行程等參量，在控制對象上更為直接，是一種基于全閉環(huán)控制的超聲波封接方法，且對超聲波在兩相聚合物中的加熱分別提供各自合適的超聲波能量，可提高封接過程中產(chǎn)熱速率的平穩(wěn)性，有利于提高界面聚合物熱熔行為的控制精確性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]本發(fā)明共有附圖3張，其中:
[0033]圖1為本發(fā)明的超聲波封接裝置示意圖。
[0034]圖2為本發(fā)明所述的在線超聲檢測模塊示意圖。[0035]圖3為本發(fā)明的超聲波封接方法流程圖。
[0036]圖中:1、控制系統(tǒng)；2、運動控制卡；3、超聲波發(fā)生器；4、功率調節(jié)器；5、信號處理模塊；6、驅動電機；7、直線運動導軌；8、超聲換能器；9、超聲波工具頭；10、位移傳感器；
11、待封接零件；12、在線超聲檢測模塊；13、稱重傳感器；14、調平基座；15、蓋板；16、壓電傳感器；17、連接板。
【具體實施方式】
[0037]下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。
[0038]圖1所示為本發(fā)明的超聲波封接裝置實例圖，控制系統(tǒng)I通過運動控制卡2和驅動電機6控制直線運動導軌承載超聲波工具頭9縱向移動；控制系統(tǒng)I通過功率調節(jié)器4與超聲波發(fā)生器3連接，超聲波發(fā)生器3向超聲換能器8輸出以超聲頻率振蕩的電信號，超聲換能器8將電能轉換為機械能，經(jīng)超聲波工具頭9加載到待封接零件11 ;位移傳感器10和稱重傳感器13用于檢測超聲波工具頭9的運動位置及對待封接零件11所加載的壓力，在線超聲檢測模塊12實時檢測待封接零件底面的振動信息，以上傳感信息通過信號處理模塊5傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)1，通過實時分析反饋控制超聲波封接流程；調平基座14用于調整待封接零件11的水平角度。
[0039]圖2為本發(fā)明的在線超聲檢測模塊實例圖，壓電傳感器16選擇階梯型，用于檢測待封接零件11底面的振動信息，蓋板15中心開有階梯孔，與壓電傳感器16過渡配合，安裝過程中壓電傳感器16完全進入蓋板15的中心階梯孔，與連接板17通過螺栓連接，將壓電傳感器16固定其中，并保證其檢測面略高于蓋板15上平面；連接板17由中心孔至側面開有貫通孔，用于引出壓電傳感器16的導線，與信號處理模塊5連接；連接板17與稱重傳感器13在中心孔位置由螺栓連接，稱重傳感器13與調平基座14在中心孔位置由螺栓連接。
[0040]圖3為本發(fā)明的超聲波封接方法流程圖，首先設置觸發(fā)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的參數(shù)，快速下移超聲波工具頭9使其與待封接零件11接觸，調整其對待封接零件11所施加的壓力以達到設定觸發(fā)壓力值，在觸發(fā)壓力下開啟超聲波發(fā)生器3，通過功率調節(jié)器4使其向超聲換能器8以一階段振幅參數(shù)所需要的功率發(fā)出超聲波能量，使超聲波工具頭9向待封接零件11以一階段振幅參數(shù)發(fā)出超聲波，同時通過壓電傳感器16檢測傳播到待封接零件11底面的超聲波振幅，記錄初始加載超聲波時刻的振幅，并在線檢測封接過程中的振幅，實時計算振幅衰減比，當振幅衰減比達到設定分相衰減比參數(shù)時，通過功率調節(jié)器4改變超聲波工具頭9向待封接零件11以二階段振幅參數(shù)發(fā)出超聲波，當振幅衰減比達到設定結束衰減比參數(shù)時，關閉超聲波，超聲波工具頭9對待封接零件11保壓至設定保壓時間參數(shù)后，上移超聲波工具頭9，一次封接流程結束。
【權利要求】
1.一種微納結構的超聲波封接裝置，其特征在于:包括超聲波發(fā)生器(3)、功率調節(jié)器(4)、在線超聲檢測模塊(12)、信號處理模塊(5)、超聲換能器(8)、超聲波工具頭(9)、運動控制組件、輔助傳感組件、調平基座(14)和控制系統(tǒng)(I)； 所述的輔助傳感組件包括稱重傳感器(13)和位移傳感器(10)，所述的稱重傳感器(13)和位移傳感器(10)分別安裝于調平基座(14)上方和直線運動導軌(7)下方，用于檢測超聲波工具頭(9)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(2)、驅動電機(6)和直線運動導軌(7)，所述的控制系統(tǒng)(I)通過運動控制卡(2)與驅動電機(6)連接，驅動電機(6)控制直線運動導軌(7)縱向移動； 所述的控制系統(tǒng)(I)通過電纜依次經(jīng)功率調節(jié)器(4)和超聲波發(fā)生器(3)后與超聲換能器(8)連接，用于控制超聲波通斷及調節(jié)超聲波振幅； 所述的控制系統(tǒng)(I)通過電纜經(jīng)信號處理模塊(5)后分別與位移傳感器(10)和稱重傳感器(13)連接； 所述的信號處理模塊(5)包括數(shù)據(jù)采集卡和電荷放大器； 所述的控制系統(tǒng)(I)還通過信號處理模塊(5)與在線超聲檢測模塊(12)連接； 所述的在線超聲檢測模塊(12)包括壓電傳感器(16)、蓋板(15)和連接板(17)； 所述的壓電傳感器(16)選擇外形為階梯形狀的壓電傳感器(16)，所述的傳感器蓋板(15)中心開有階梯孔，與壓電傳感器(16)過渡配合，所述的壓電傳感器(16)安裝在傳感器蓋板(15)的中心階梯孔中，與連接板(17)通過螺栓連接固定，壓電傳感器(16)的上測量面略高于傳感器蓋板(15)上平面；所述的連接板(17)由中心孔向側向開有貫通孔，用于引出壓電傳感器(16)的導線，連接板(17)與稱重傳感器(13)在中心孔位置由螺栓連接； 所述的超聲波工具頭(9)與超聲換能器(8)連接； 所述的調平基座(14)與稱重傳感器(13)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。
2.一種固液分相變振幅控制的超聲波封接方法，其特征在于:包括以下步驟: A、通過控制系統(tǒng)(I)設置觸發(fā)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(shù)； B、通過控制系統(tǒng)(I)下移超聲波工具頭(9)使其與待封接零件(11)接觸，調整其對待封接零件(11)所施加的壓力以達到預設觸發(fā)壓力參數(shù)； C、在達到預設觸發(fā)壓力參數(shù)時以一階振幅參數(shù)開啟超聲波發(fā)生器(3)，使超聲波工具頭(9)以一階振幅加載超聲波；在加載超聲波同時，通過在線超聲檢測模塊(12)的壓電傳感器(16 )檢測傳遞到待封接零件(11)底面的超聲波振幅，通過電荷放大器將壓電傳感器(16)的弱信號放大，由信號處理模塊(5)的數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉換功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)(I)中，并通過控制系統(tǒng)(I)記錄:開啟超聲波發(fā)生器(3)初始時刻傳遞到待封接零件(11)底面的超聲波振動幅值Utl和在焊接過程中實時檢測傳遞到待封接零件(11)底面的超聲波振動幅值u ;由控制系統(tǒng)(I)根據(jù)以下公式計算振幅的衰減比:
I = (u0-u)/u0 當振幅衰減比達到設定的分相衰減比參數(shù)后即通過功率調節(jié)器(4)將超聲波發(fā)生器(3)調整為二階振幅參數(shù)，繼續(xù)在線檢測并實時計算振幅的衰減比，當振幅衰減比到達設定的結束衰減比參數(shù)后關閉超聲波發(fā)生器(3)，經(jīng)過對待封接零件(11)保壓一段時間后，上移超聲波工具頭(9 )，一次焊接流程結`束。
【文檔編號】B29C65/08GK103692648SQ201410003056
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權日:2014年1月3日
【發(fā)明者】孫屹博, 王曉東, 羅怡 申請人:大連交通大學