[发明专利]一种微纳结构的超声波封接装置及其封接方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳系统（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、调平基座和控制系统；

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，所述的控制系统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；

所述的控制系统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；

所述的控制系统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；

所述的控制系统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、通过控制系统设置触发压力、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、通过控制系统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；