CN103692648A - 一种微纳结构的超声波封接装置及其封接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳结构的超声波封接装置及其封接方法，所述的装置包括超声波发生器、功率调节器、在线超声检测模块、信号处理模块、超声换能器、超声波工具头、运动控制组件、辅助传感组件、调平基座和控制***；辅助传感组件包括称重传感器和位移传感器，运动控制组件包括运动控制卡、驱动电机和直线运动导轨，控制***通过电缆依次经功率调节器和超声波发生器后与超声换能器连接，用于控制超声波通断及调节超声波振幅。本发明针对超声波在固相和液相聚合物界面间的两种加热机理，分别加载不同的超声波能量，可提高界面熔接行为的可控性。本发明可提高封接过程中产热速率的平稳性，有利于提高界面聚合物热熔行为的控制精确性。

Description

一种微纳结构的超声波封接装置及其封接方法

技术领域

本发明属于微纳***（简称M/NEMS）装配技术领域，涉及一种微纳结构的超声波封接装置及其封接方法，应用于热塑性聚合物微纳器件的精密封装。

背景技术

热塑性聚合物材料在微纳制造领域的应用越来越广泛，聚合物微纳功能器件的集成与部件的组装成为微纳制造技术中的关键技术。超声波封接具有强度高、效率高、局部产热、无需引入助剂等优点，自2006年被应用于微流控芯片、微泵、微阀的封装以来已展示出良好的技术优势与潜力。随着超声波焊接技术的应用领域由大尺寸零件转向尺寸更小、精度要求更高的微纳结构，其研究重点由强度转向精度，既要保证封接的强度及密封性，又需要保证器件的形状精度，这就要求提高超声波作用下界面熔接过程的可控性。

超声波焊接技术在大尺寸结构焊接的应用已较为成熟，但在微纳制造领域的应用尚处于研究初期，基本沿袭了大尺寸零件的焊接流程，仍通过控制加载超声波的时间或能量、零件承载的压力、工具头的行程等参量来控制焊接流程，而对于尺寸更小且对形状精度要求更高的微纳器件，则要求更加精确地控制熔合区域聚合物材料在超声波作用下的粘性流动。

超声波封接的机理在于：超声波在界面间产生热量，增加高分子链活性，在压力和振动的作用下形成界面熔合。其产热效应可根据聚合物材料的玻璃化转变点划分为两个阶段，第一阶段界面温度低于T_g（玻璃化转变温度），聚合物处于玻璃态，即固态，固体界面的摩擦效应所产生的热量起主要作用，即摩擦产热阶段；第二阶段界面温度高于T_g，聚合物处于粘态（粘弹态和粘流态），即液态，超声波在粘性材料中的能量损耗产热起主要作用，即粘弹体产热阶段。由于超声波在两个阶段的加热效率相差很大，超声振幅过低则无法使聚合物过渡到粘态，而一旦第二阶段致热被激发则引起热量过剩，因此封接质量难以精确控制。

由于超声波封接技术效率非常高，加热过程通常在1秒内，目前的超声波封接方法难以提升界面热熔程度的控制精确性，因此在微纳制造领域的应用尚难以满足精密封接的精度要求。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明设计一种易于精确控制封接质量的微纳结构的超声波封接装置及其封接方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种微纳结构的超声波封接装置，包括超声波发生器、功率调节器、在线超声检测模块、信号处理模块、超声换能器、超声波工具头、运动控制组件、辅助传感组件、调平基座和控制***；

所述的辅助传感组件包括称重传感器和位移传感器，所述的称重传感器和位移传感器分别安装于调平基座上方和直线运动导轨下方，用于检测超声波工具头对零件加载的压力和移动位置；

所述的运动控制组件包括运动控制卡、驱动电机和直线运动导轨，所述的控制***通过运动控制卡与驱动电机连接，驱动电机控制直线运动导轨纵向移动；

所述的控制***通过电缆依次经功率调节器和超声波发生器后与超声换能器连接，用于控制超声波通断及调节超声波振幅；

所述的控制***通过电缆经信号处理模块后分别与位移传感器和称重传感器连接；

所述的信号处理模块包括数据采集卡和电荷放大器；

所述的控制***还通过信号处理模块与在线超声检测模块连接；

所述的在线超声检测模块包括压电传感器、盖板和连接板；

所述的压电传感器选择外形为阶梯形状的压电传感器，所述的传感器盖板中心开有阶梯孔，与压电传感器过渡配合，所述的压电传感器安装在传感器盖板的中心阶梯孔中，与连接板通过螺栓连接固定，压电传感器的上测量面略高于传感器盖板上平面；所述的连接板由中心孔向侧向开有贯通孔，用于引出压电传感器的导线，连接板与称重传感器在中心孔位置由螺栓连接；

所述的超声波工具头与超声换能器连接；

所述的调平基座与称重传感器在中心孔位置由螺栓连接，用于调整封接零件承载面水平角度。

一种固液分相变振幅控制的超声波封接方法，包括以下步骤：

A、通过控制***设置触发压力、分相衰减比、结束衰减比、一阶段振幅、二阶段振幅和保压时间参数；

B、通过控制***下移超声波工具头使其与待封接零件接触，调整其对待封接零件所施加的压力以达到预设触发压力参数；

C、在达到预设触发压力参数时以一阶振幅参数开启超声波发生器，使超声波工具头以一阶振幅加载超声波；在加载超声波同时，通过在线超声检测模块的压电传感器检测传递到待封接零件底面的超声波振幅，通过电荷放大器将压电传感器的弱信号放大，由信号处理模块的数据采集卡的A/D转换功能将数据传输到控制***中，并通过控制***记录：开启超声波发生器初始时刻传递到待封接零件底面的超声波振动幅值u₀和在焊接过程中实时检测传递到待封接零件底面的超声波振动幅值u；由控制***根据以下公式计算振幅的衰减比：

I＝(u₀-u)/u₀

当振幅衰减比达到设定的分相衰减比参数后即通过功率调节器将超声波发生器调整为二阶振幅参数，继续在线检测并实时计算振幅的衰减比，当振幅衰减比到达设定的结束衰减比参数后关闭超声波发生器，经过对待封接零件保压一段时间后，上移超声波工具头，一次焊接流程结束。

本发明的工作原理如下：

在超声波封接过程中，聚合物会发生玻璃化转变，由玻璃态（固态）经粘弹态转变为粘流态（液态），在不同状态下超声波在界面间的产热也各不相同，当聚合物处于玻璃态时，固体界面的摩擦效应所产生的热量起主要作用，即摩擦产热；当聚合物处于粘态时，超声波在粘性材料中的能量损耗产热起主要作用，即粘弹体产热。由于摩擦产热和粘弹体产热效率差异很大，振幅过低的超声波在摩擦产热阶段无法聚集足够多的热量使聚合物过渡到粘态，而一旦过度到粘态，粘弹体产热被激发，相同振幅的超声波能量则引起热量过剩，由于加热速率过快导致封接质量难以精确控制。

超声波振幅是决定界面产热速率的主要因素，本发明针对两种不同的加热机理，分别加载不同振幅的超声波能量，通过调整分相振幅来匹配加热速率，减小超声波在两个阶段加热速率的差异，提高加热过程的平稳性，提高超声波封接过程界面聚合物热熔行为的控制精确性。具体实施方法如下：针对聚合物处于固态的摩擦产热阶段，加载较大振幅的超声波能量以促使界面聚合物由固态过渡到液态，而在聚合物处于液态的粘弹体产热阶段，降低振幅以降低超声波在粘弹性体中的损耗产热速率，针对两阶段分别加载适当的振幅，匹配超声波加热速率。

为实现超声波封接过程中的分相变振幅加载，需要确定聚合物的玻璃化转变点，本发明通过在线超声检测判定聚合物的状态。超声波封接过程中，界面在超声波作用下温度升高，在界面局部形成热熔区域，该区域内随着温度的升高聚合物力学状态发生变化，经历玻璃态、粘弹态、粘流态的转变过程。在此过程中，聚合物材料的声阻抗逐渐增大，声波在其中的传播效率将发生大幅度衰减，由超声工具头发出并在聚合物材料中传播的超声波信号可以反应聚合物的状态。

基于以上原理，本发明应用在线超声检测来判定聚合物发生玻璃化转变的时间点，以此划分超声波封接过程中聚合物分别处于固、液两种状态下的产热阶段，针对超声波在界面间的两种产热机理分别加载不同振幅的超声波，以匹配两阶段产热速率。具体实施方法如下：首先设置触发压力、分相衰减比、结束衰减比、一阶段振幅、二阶段振幅和保压时间等参数；下移超声波工具头并对待封接零件加载触发压力；开启超声波发生器，对待封接零件以一阶段振幅施加超声波能量，在线检测超声波在待封接零件中的传播效率，实时计算其衰减比，当到达分相衰减比即通过功率调节器调整为二阶段振幅，当衰减比到达结束衰减比时即停止超声波加载，保压至设定时间后上移超声波工具头，一次封接完成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在超声波封接过程中，热熔聚合物材料发生由弹性体向粘性体的相变，超声波在不同相聚合物中的作用机理并不相同，且加热效率差异很大，因此封接过程存在很大的热突变。本发明针对超声波在固相和液相聚合物界面间的两种加热机理，分别加载不同的超声波能量，可提高界面熔接行为的可控性。本发明应用超声在线检测聚合物的状态，并提供分相点的判定，取代传统方法中对于时间、能量及行程等参量，在控制对象上更为直接，是一种基于全闭环控制的超声波封接方法，且对超声波在两相聚合物中的加热分别提供各自合适的超声波能量，可提高封接过程中产热速率的平稳性，有利于提高界面聚合物热熔行为的控制精确性。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1为本发明的超声波封接装置示意图。

图2为本发明所述的在线超声检测模块示意图。

图3为本发明的超声波封接方法流程图。

图中：1、控制***；2、运动控制卡；3、超声波发生器；4、功率调节器；5、信号处理模块；6、驱动电机；7、直线运动导轨；8、超声换能器；9、超声波工具头；10、位移传感器；11、待封接零件；12、在线超声检测模块；13、称重传感器；14、调平基座；15、盖板；16、压电传感器；17、连接板。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

图1所示为本发明的超声波封接装置实例图，控制***1通过运动控制卡2和驱动电机6控制直线运动导轨承载超声波工具头9纵向移动；控制***1通过功率调节器4与超声波发生器3连接，超声波发生器3向超声换能器8输出以超声频率振荡的电信号，超声换能器8将电能转换为机械能，经超声波工具头9加载到待封接零件11；位移传感器10和称重传感器13用于检测超声波工具头9的运动位置及对待封接零件11所加载的压力，在线超声检测模块12实时检测待封接零件底面的振动信息，以上传感信息通过信号处理模块5传输到控制***1，通过实时分析反馈控制超声波封接流程；调平基座14用于调整待封接零件11的水平角度。

图2为本发明的在线超声检测模块实例图，压电传感器16选择阶梯型，用于检测待封接零件11底面的振动信息，盖板15中心开有阶梯孔，与压电传感器16过渡配合，安装过程中压电传感器16完全进入盖板15的中心阶梯孔，与连接板17通过螺栓连接，将压电传感器16固定其中，并保证其检测面略高于盖板15上平面；连接板17由中心孔至侧面开有贯通孔，用于引出压电传感器16的导线，与信号处理模块5连接；连接板17与称重传感器13在中心孔位置由螺栓连接，称重传感器13与调平基座14在中心孔位置由螺栓连接。

图3为本发明的超声波封接方法流程图，首先设置触发压力、分相衰减比、结束衰减比、一阶段振幅、二阶段振幅和保压时间的参数，快速下移超声波工具头9使其与待封接零件11接触，调整其对待封接零件11所施加的压力以达到设定触发压力值，在触发压力下开启超声波发生器3，通过功率调节器4使其向超声换能器8以一阶段振幅参数所需要的功率发出超声波能量，使超声波工具头9向待封接零件11以一阶段振幅参数发出超声波，同时通过压电传感器16检测传播到待封接零件11底面的超声波振幅，记录初始加载超声波时刻的振幅，并在线检测封接过程中的振幅，实时计算振幅衰减比，当振幅衰减比达到设定分相衰减比参数时，通过功率调节器4改变超声波工具头9向待封接零件11以二阶段振幅参数发出超声波，当振幅衰减比达到设定结束衰减比参数时，关闭超声波，超声波工具头9对待封接零件11保压至设定保压时间参数后，上移超声波工具头9，一次封接流程结束。

Claims (2)

1.一种微纳结构的超声波封接装置，其特征在于：包括超声波发生器（3）、功率调节器（4）、在线超声检测模块（12）、信号处理模块（5）、超声换能器（8）、超声波工具头（9）、运动控制组件、辅助传感组件、调平基座（14）和控制***（1）；

所述的辅助传感组件包括称重传感器（13）和位移传感器（10），所述的称重传感器（13）和位移传感器（10）分别安装于调平基座（14）上方和直线运动导轨（7）下方，用于检测超声波工具头（9）对零件加载的压力和移动位置；

所述的运动控制组件包括运动控制卡（2）、驱动电机（6）和直线运动导轨（7），所述的控制***（1）通过运动控制卡（2）与驱动电机（6）连接，驱动电机（6）控制直线运动导轨（7）纵向移动；

所述的控制***（1）通过电缆依次经功率调节器（4）和超声波发生器（3）后与超声换能器（8）连接，用于控制超声波通断及调节超声波振幅；

所述的控制***（1）通过电缆经信号处理模块（5）后分别与位移传感器（10）和称重传感器（13）连接；

所述的信号处理模块（5）包括数据采集卡和电荷放大器；

所述的控制***（1）还通过信号处理模块（5）与在线超声检测模块（12）连接；

所述的在线超声检测模块（12）包括压电传感器（16）、盖板（15）和连接板（17）；

所述的压电传感器（16）选择外形为阶梯形状的压电传感器（16），所述的传感器盖板（15）中心开有阶梯孔，与压电传感器（16）过渡配合，所述的压电传感器（16）安装在传感器盖板（15）的中心阶梯孔中，与连接板（17）通过螺栓连接固定，压电传感器（16）的上测量面略高于传感器盖板（15）上平面；所述的连接板（17）由中心孔向侧向开有贯通孔，用于引出压电传感器（16）的导线，连接板（17）与称重传感器（13）在中心孔位置由螺栓连接；

所述的超声波工具头（9）与超声换能器（8）连接；

所述的调平基座（14）与称重传感器（13）在中心孔位置由螺栓连接，用于调整封接零件承载面水平角度。

2.一种固液分相变振幅控制的超声波封接方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、通过控制***（1）设置触发压力、分相衰减比、结束衰减比、一阶段振幅、二阶段振幅和保压时间参数；

B、通过控制***（1）下移超声波工具头（9）使其与待封接零件（11）接触，调整其对待封接零件（11）所施加的压力以达到预设触发压力参数；

C、在达到预设触发压力参数时以一阶振幅参数开启超声波发生器（3），使超声波工具头（9）以一阶振幅加载超声波；在加载超声波同时，通过在线超声检测模块（12）的压电传感器（16）检测传递到待封接零件（11）底面的超声波振幅，通过电荷放大器将压电传感器（16）的弱信号放大，由信号处理模块（5）的数据采集卡的A/D转换功能将数据传输到控制***（1）中，并通过控制***（1）记录：开启超声波发生器（3）初始时刻传递到待封接零件（11）底面的超声波振动幅值u₀和在焊接过程中实时检测传递到待封接零件（11）底面的超声波振动幅值u；由控制***（1）根据以下公式计算振幅的衰减比：

I＝(u₀-u)/u₀

当振幅衰减比达到设定的分相衰减比参数后即通过功率调节器（4）将超声波发生器（3）调整为二阶振幅参数，继续在线检测并实时计算振幅的衰减比，当振幅衰减比到达设定的结束衰减比参数后关闭超声波发生器（3），经过对待封接零件（11）保压一段时间后，上移超声波工具头（9），一次焊接流程结束。

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