本發(fā)明涉及微納系統(tǒng)裝配技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種超聲波精密封接裝置及方法。

背景技術(shù)：

熱塑性聚合物材料在微納制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)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(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。超聲波封接具有強(qiáng)度高、效率高、局部產(chǎn)熱、無(wú)需引入助劑等優(yōu)點(diǎn)，自2006年被應(yīng)用于微流控芯片、微泵、微閥的封裝以來(lái)已展示出良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與潛力。隨著超聲波焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域由大尺寸零件轉(zhuǎn)向尺寸更小、精度要求更高的微納結(jié)構(gòu)，其研究重點(diǎn)由強(qiáng)度轉(zhuǎn)向精度，既要保證封接的強(qiáng)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(guò)程的可控性。

超聲波焊接技術(shù)在大尺寸結(jié)構(gòu)焊接的應(yīng)用已較為成熟，主要通過(guò)控制加載超聲波的時(shí)間、能量、零件承載的壓力、工具頭絕對(duì)行程和相對(duì)行程等參量來(lái)控制焊接流程，而在微納制造領(lǐng)域，對(duì)于尺寸更小且對(duì)形狀保持精度要求更高的微納器件封接，則對(duì)界面熔合質(zhì)量的控制要求更為精確。超聲波封接是由超聲波的界面效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熔接，其熔接程度受界面影響，聚合物試件表面的面積、平面度、力學(xué)性能等均存在著一定的差異，而傳統(tǒng)的超聲波焊接工藝中均采用相同的振幅，上述差異的存在導(dǎo)致各組界面熔接程度存在著不一致性問(wèn)題，該問(wèn)題在宏觀大尺寸的焊接中可予以忽略，但在對(duì)熔接質(zhì)量控制要求更為精確的微納封裝領(lǐng)域，熔接不一致所導(dǎo)致的裝配誤差會(huì)嚴(yán)重的影響微納系統(tǒng)的整體性能，因此該問(wèn)題不可忽視。

現(xiàn)有技術(shù)中有將超聲波焊接技術(shù)應(yīng)用于PMMA微流控芯片的鍵合封裝及微單向閥、盤(pán)形微瓣膜泵等微流控部件的組裝。還有針對(duì)金屬和聚合物MEMS器件對(duì)超聲波封接技術(shù)展開(kāi)研究，研制了小型超聲波焊接裝置，并應(yīng)用該裝置實(shí)現(xiàn)了醋酸纖維素微器件的密封聯(lián)接?，F(xiàn)有技術(shù)中還有采用超聲波焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了PMMA微連通管與微流控芯片的密封聯(lián)接，并解決了封接過(guò)程中熔融液堵塞微通道問(wèn)題。

但上述技術(shù)中超聲波封接技術(shù)在宏觀器件聯(lián)接方面已較為成熟，但針對(duì)微器件的聯(lián)接還存在一定問(wèn)題，較大的振幅將對(duì)微器件的形狀精度產(chǎn)生影響，并且會(huì)使微結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的損壞；此外，現(xiàn)有技術(shù)中難以實(shí)現(xiàn)壓力及工具頭位置的精確控制，對(duì)能量的精確控制存在著一定的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種超聲波精密封接裝置及方法，針對(duì)微器件精密封裝過(guò)程中的精度問(wèn)題，建立了超聲波精密封接裝置，針對(duì)超聲波在不同振幅下的作用機(jī)理及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了振幅自適應(yīng)的超聲波精密封接方法，該裝置及方法能夠?qū)ξ⑵骷砻娲嬖诘恼`差進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償，提高了封接質(zhì)量的一致性，提高了封接精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種超聲波精密封接裝置，包括超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、超聲波工具頭、施加壓力機(jī)構(gòu)、封接工作臺(tái)、數(shù)據(jù)處理單元及控制單元；

所述超聲波發(fā)生器與所述超聲波換能器相連接，所述超聲波工具頭與所述超聲波換能器相連接；

所述施加壓力機(jī)構(gòu)包括與所述超聲波工具頭相連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，所述控制單元控制所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制所述超聲波工具頭沿所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)；

所述封接工作臺(tái)上依次設(shè)有壓電加速度傳感器和壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器，所述壓電加速度傳感器用于檢測(cè)被加工器件底面的振動(dòng)信息，所述壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器用于檢測(cè)被加工器件所受動(dòng)態(tài)壓力；

所述數(shù)據(jù)處理單元包括數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡用于采集所述壓電加速度傳感器檢測(cè)的振動(dòng)信息和所述壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器檢測(cè)的動(dòng)態(tài)壓力；所述數(shù)據(jù)采集卡與所述控制單元相連接，所述控制單元根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息控制所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)和所述超聲波發(fā)生器工作；

所述控制單元與所述超聲波發(fā)生器相連接，用于控制所述超聲波發(fā)生器發(fā)射的不同振幅的超聲波。

可選的，所述封接工作臺(tái)與所述壓電加速度傳感器之間還設(shè)有稱重傳感器，所述稱重傳感器用于檢測(cè)所述超聲波工具頭對(duì)被加工器件施加的壓力。

可選的，所述數(shù)據(jù)處理單元還包括電荷放大器，所述電荷放大器用于放大所述壓電加速度傳感器和所述壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器檢測(cè)的信號(hào)，并將放大后的信號(hào)傳輸至所述數(shù)據(jù)采集卡。

可選的，所述壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器與所述被加工器件之間設(shè)有軟墊。

本發(fā)明還提供了一種超聲波精密封接方法，利用上述超聲波精密封接裝置進(jìn)行封接；封接方法包括：

設(shè)定預(yù)緊壓力、初始振幅、振幅增長(zhǎng)速度、振動(dòng)衰減比和保壓時(shí)間；

控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波工具頭下移至與被加工器件接觸，調(diào)整所述超聲波工具頭對(duì)被加工器件的壓力為預(yù)緊壓力；

控制超聲波發(fā)生器發(fā)出初始振幅u₀的超聲波，對(duì)所述被加工器件加載超聲波振動(dòng)；

實(shí)時(shí)獲取壓電加速度傳感器檢測(cè)的所述被加工器件底面的超聲波振幅u；

計(jì)算實(shí)時(shí)衰減比I＝(u-u₀)/u₀；

判斷所述實(shí)時(shí)衰減比是否等于設(shè)定的振動(dòng)衰減比，獲得判斷結(jié)果；

當(dāng)所述判斷結(jié)果表示是時(shí)，控制所述超聲波工具頭保持對(duì)所述被加工器件施加的壓力大小至設(shè)定的保壓時(shí)間，再控制所述超聲波工具頭上移，完成一次封接；

當(dāng)所述判斷結(jié)果表示否時(shí)，控制所述超聲波發(fā)生器以所述振幅增長(zhǎng)速度增加施加在所述被加工器件上的超聲波的振幅，直至所述實(shí)時(shí)衰減比等于設(shè)定的振動(dòng)衰減比。

可選的，所述初始振幅小于所述被加工器件的臨界振幅。

可選的，所述振動(dòng)衰減比為被加工器件的界面實(shí)現(xiàn)完整融合時(shí)的振幅衰減比。

根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開(kāi)了以下技術(shù)效果：

本發(fā)明提供的超聲波精密封接裝置通過(guò)控制單元實(shí)時(shí)控制超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波振幅的大小，并通過(guò)逐漸遞增的方式調(diào)整超聲波振幅，使超聲波工具頭對(duì)被加工器件加載遞增漸變振幅的超聲波能量，而且在加載超聲波能量的同時(shí)還通過(guò)壓電加速度傳感器和壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器分別檢測(cè)被加工器件底部的振動(dòng)信息和壓力信息，控制單元根據(jù)振動(dòng)信息和壓力信息實(shí)時(shí)控制超聲波發(fā)生器發(fā)出的振幅的大小，從而實(shí)現(xiàn)超聲波振幅的精確控制，并且該控制方式是以逐漸遞增的方式調(diào)整超聲波振幅，這種控制方式能夠更精確的保證熔接程度的一致性和均勻性，提高了封接質(zhì)量。本發(fā)明提供的超聲波精密封接方法是一種全閉環(huán)控制的超聲波封接方法，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)的被加工器件底部的振動(dòng)幅度和所受壓力實(shí)時(shí)調(diào)整超聲波的振幅，以使封接更穩(wěn)定可靠，避免了施加固定振幅所導(dǎo)致的能量過(guò)?；蚰芰枯^低而造成的封接質(zhì)量差的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲波精密封接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲波精密封接方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1本發(fā)明提供的超聲波精密封接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本發(fā)明提供的超聲波精密封接裝置，包括超聲波發(fā)生器1、超聲波換能器2、超聲波工具頭3、施加壓力機(jī)構(gòu)、封接工作臺(tái)、數(shù)據(jù)處理單元及控制單元6；

所述超聲波發(fā)生器1與所述超聲波換能器2相連接，所述超聲波工具頭3與所述超聲波換能器2相連接；

所述施加壓力機(jī)構(gòu)包括與所述超聲波工具頭3相連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，所述控制單元6控制所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制所述超聲波工具頭3沿所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)；

所述封接工作臺(tái)上依次設(shè)有壓電加速度傳感器5和壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器4，所述壓電加速度傳感器5用于檢測(cè)被加工器件9底面的振動(dòng)信息，所述壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器4用于檢測(cè)被加工器件9所受動(dòng)態(tài)壓力；

所述數(shù)據(jù)處理單元包括數(shù)據(jù)采集卡8，所述數(shù)據(jù)采集卡8用于采集所述壓電加速度傳感器5檢測(cè)的振動(dòng)信息和所述壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器4檢測(cè)的動(dòng)態(tài)壓力；所述數(shù)據(jù)采集卡8與所述控制單元6相連接，所述控制單元6根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集卡8傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息控制所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)和所述超聲波發(fā)生器1工作；

所述控制單元6與所述超聲波發(fā)生器1相連接，用于控制所述超聲波發(fā)生器1發(fā)射的不同振幅的超聲波。

本發(fā)明的工作原理如下：

超聲波封接的機(jī)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(dòng)的作用下形成界面熔合。在此過(guò)程中，超聲波的振幅決定了界面熱量的產(chǎn)生速度，振幅過(guò)低則無(wú)法為界面升溫提供足夠的能量，振幅過(guò)高則會(huì)引起界面升溫速度過(guò)快，導(dǎo)致熔接過(guò)程難以控制，因此在超聲波封接工藝中，對(duì)于界面的熔接存在著一個(gè)臨界振幅，臨界振幅是可實(shí)現(xiàn)界面升溫熔接的最低振幅，振幅低于此值無(wú)法實(shí)現(xiàn)熔接，振幅高于此值則升溫過(guò)快，增加控制難度。以臨界振幅進(jìn)行超聲波封接是提高熔接質(zhì)量可控性一個(gè)有效途徑。但對(duì)于同類聚合物試件的封接，每組接觸界面相互之間會(huì)存在著一定的細(xì)微差異，而超聲波封接是以超聲波能量的界面效應(yīng)實(shí)現(xiàn)界面熔合，界面的接觸決定了所需要的能量，因此每一組試件的封接所需要的臨界振幅均存在著差異，而恒振幅的超聲波封接方法難以為每組試件提供各自所需的臨界振幅，在界面升溫速度上存在著差異，難以實(shí)現(xiàn)在熔接程度的一致性控制。

針對(duì)界面封接一致性的問(wèn)題，本發(fā)明以逐漸增加超聲波振幅的方式，加載逐漸遞增的超聲波能量，通過(guò)細(xì)化調(diào)整超聲波振幅的過(guò)程來(lái)精確控制對(duì)被加工器件加載的超聲波能量，從而避免超聲波能量難以為每組試件提供各自所需的臨界振幅的問(wèn)題，減小界面升溫速度存在的差異，實(shí)現(xiàn)在熔接程度的一致性的精確控制。

在上述實(shí)施方式中，可選的，所述封接工作臺(tái)與所述壓電加速度傳感器之間還設(shè)有稱重傳感器，所述稱重傳感器用于檢測(cè)所述超聲波工具頭對(duì)被加工器件施加的壓力。通過(guò)該稱重傳感器檢測(cè)被加工器件所受壓力的作用是判斷壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器檢測(cè)的動(dòng)態(tài)壓力的準(zhǔn)確性，以便于控制單元能夠更精確的控制超聲波工具頭的運(yùn)動(dòng)，從而提高控制精度，進(jìn)一步提高封接質(zhì)量。

在上述實(shí)施方式中，可選的，所述數(shù)據(jù)處理單元還包括電荷放大器，所述電荷放大器用于放大所述壓電加速度傳感器和所述壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器檢測(cè)的信號(hào)，并將放大后的信號(hào)傳輸至所述數(shù)據(jù)采集卡。由于壓電加速度傳感器和所述壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器檢測(cè)的信號(hào)較弱，通過(guò)電荷放大器放大后更能夠提高控制單元的辨識(shí)能力，從而得到更準(zhǔn)確的判斷結(jié)果。進(jìn)一步提高控制精度和封接質(zhì)量。

在上述實(shí)施方式中，可選的，所述壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器與所述被加工器件之間設(shè)有軟墊。該軟墊的設(shè)置是用于吸收硬碰撞沖擊，且軟墊的選擇需要熔點(diǎn)較高，確保在超聲波作用下不發(fā)生熔化。

本發(fā)明還提供了一種超聲波精密封接方法，利用上述超聲波精密封接裝置進(jìn)行封接；封接方法包括：

步驟201：設(shè)定預(yù)緊壓力、初始振幅、振幅增長(zhǎng)速度、振動(dòng)衰減比和保壓時(shí)間；

步驟202：控制所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述超聲波工具頭下移至與被加工器件接觸，調(diào)整所述超聲波工具頭對(duì)所述被加工器件的壓力為預(yù)緊壓力；

步驟203：控制所述超聲波發(fā)生器發(fā)出初始振幅u₀的超聲波，對(duì)所述被加工器件加載超聲波振動(dòng)；

步驟204：實(shí)時(shí)獲取所述壓電加速度傳感器檢測(cè)的所述被加工器件底面的超聲波振幅u；

步驟205：計(jì)算實(shí)時(shí)衰減比I＝(u-u₀)/u₀；

步驟206：判斷所述實(shí)時(shí)衰減比是否等于設(shè)定的振動(dòng)衰減比，獲得判斷結(jié)果；

步驟207：當(dāng)所述判斷結(jié)果表示是時(shí)，控制所述超聲波工具頭保持對(duì)所述被加工器件施加的壓力大小至設(shè)定的保壓時(shí)間，再控制所述超聲波工具頭上移，完成一次封接；

步驟208：當(dāng)所述判斷結(jié)果表示否時(shí)，控制所述超聲波發(fā)生器以所述振幅增長(zhǎng)速度增加施加在所述被加工器件上的超聲波的振幅，直至所述實(shí)時(shí)衰減比等于設(shè)定的振動(dòng)衰減比。

該封接方法對(duì)聚合物試件加載高細(xì)分遞增的振幅，通過(guò)檢測(cè)振動(dòng)衰減比來(lái)判定界面是否發(fā)生熔合，實(shí)現(xiàn)了單組試件超聲波封接的振幅自適應(yīng)選擇，彌補(bǔ)了各組試件接觸界面差異引起的超聲能量需求不同，提高了封接質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。

在封接過(guò)程中，設(shè)定的初始振幅小于被加工器件的臨界振幅，振動(dòng)衰減比為被加工器件的界面實(shí)現(xiàn)完整融合時(shí)的振幅衰減比，以確保在設(shè)定振幅衰減比下可實(shí)現(xiàn)完整界面熔合且不發(fā)生能量過(guò)剩問(wèn)題。

本說(shuō)明書(shū)中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見(jiàn)即可。對(duì)于實(shí)施例公開(kāi)的系統(tǒng)而言，由于其與實(shí)施例公開(kāi)的方法相對(duì)應(yīng)，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)方法部分說(shuō)明即可。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。