CN102700137A

CN102700137A - 一种聚合物微器件的超声波焊接装置及其焊接方法

Info

Publication number: CN102700137A
Application number: CN2012102280968A
Authority: CN
Inventors: 孙屹博; 王晓东; 罗怡
Original assignee: Dalian Jiaotong University
Current assignee: Dalian Jiaotong University
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种聚合物微器件的超声波焊接装置及其焊接方法，所述的装置包括超声换能器、超声波工具头、超声波发生器和工控机，所述的工控机通过电缆经继电器卡与超声波发生器连接，所述的超声波发生器通过电缆与超声换能器连接，所述的超声波工具头与超声换能器连接；所述的工控机还通过数据线与在线超声检测装置连接；所述的在线超声检测装置包括信号处理模块和传感器组件，所述的信号处理模块通过数据线分别与工控机和传感器组件连接。本发明可以更为直接地控制热影响区域中聚合物材料的力学状态，在超声波焊接过程中对于界面熔合行为的控制更加精确。本发明为聚合物MEMS器件的精密封装提供了有效的技术手段。

Description

一种聚合物微器件的超声波焊接装置及其焊接方法

技术领域

本发明属于微机电系统（简称MEMS）装配技术领域，涉及一种聚合物微器件的超声波焊接装置及其焊接方法，应用于热塑性聚合物MEMS器件的精密封装。

背景技术

热塑性聚合物材料在MEMS领域的应用越来越广泛，聚合物微功能器件的集成与部件的组装成为MEMS制造中的关键技术。超声波焊接具有强度高、效率高、局部产热、无需引入助焊剂等优点，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的塑料零件转向尺寸更小、精度要求更高的MEMS器件，其研究重点由强度转向精度，既要保证焊接的强度及密封性，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，但在聚合物MEMS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MEMS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。由于超声波封接技术效率非常高，加热过程通常在1秒内，且热影响区域很小，仅局限于界面附近，在目前的超声波焊接技术中针对如此小区域内的聚合物进行在线检测并无有效手段。中国专利ZL 200910301066.3公开了《一种压力自适应超声波精密焊接方法及装置》（公开号：CN101544060），该专利对聚合物微器件施加递减的压力，并以压力在聚合物器件间传递效率的变化来控制超声波焊接流程，该专利实现了在焊接过程中对压力进行自动选择，增加了焊接质量对待焊接微器件表面差异的兼容性，初步实现了界面的高质量熔接，但尚未能实现界面熔接程度的精确控制。

目前超声波焊接技术在界面熔接行为的精确控制方面并无有效技术手段，因此在MEMS领域的应用尚难以满足精密封接的精度要求，难以实现高密封性、低形变的界面封接。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可实现界面熔接程度精确控制的聚合物微器件的超声波焊接装置及其焊接方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种聚合物微器件的超声波焊接装置，包括超声换能器、超声波工具头、超声波发生器和工控机，所述的工控机通过电缆经继电器卡与超声波发生器连接，所述的超声波发生器通过电缆与超声换能器连接，所述的超声波工具头与超声换能器连接；

所述的工控机还通过数据线与在线超声检测装置连接；

所述的在线超声检测装置包括信号处理模块和传感器组件，所述的信号处理模块包括数据采集卡和电荷放大器，所述的信号处理模块通过数据线分别与工控机和传感器组件连接；

所述的传感器组件包括压电传感器、传感器盖板、传感器连接板、称重传感器和调平基座，所述的压电传感器选择阶梯形状，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，与传感器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；所述的传感器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，传感器连接板与称重传感器在中心孔位置由螺栓连接，称重传感器与调平基座在中心孔位置由螺栓连接，调平基座用于调整待焊接微器件承载面即压电传感器的上测量面的水平角度。

一种聚合物微器件的超声波焊接装置及其焊接方法，包括以下步骤：

A、通过工控机中的控制系统设置触发压力、振幅衰减比和保压时间的设置；

B、下移超声波工具头使其与待焊接微器件接触，调整其对待焊接微器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开启超声波发生器，使超声换能器发出超声波能量；通过压电传感器检测传递到待焊接基片底面的超声波振幅，通过电荷放大器将压电传感器的弱信号放大，由数据采集卡的A／D转换功能将数据传输到工控机（9）中的控制系统中；并通过工控机中的控制系统记录：开启超声波发生器初始时刻传递到待焊接基片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焊接基片底面的超声波振动幅值u；由工控机中的控制系统根据以下公式计算振幅衰减比：

I=(u₀-u)/u₀

当振幅衰减比达到设定的振动衰减比参数后即关闭超声波发生器，从而停止超声波能量，经过对待焊接微器件和待焊接基片保压一段时间后，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：

本发明通过在线超声检测装置，检测传递到待焊接基片底面的超声波信号。使用压电传感器测量超声波幅值，通过电荷放大器将压电传感器输出的弱信号放大至数据采集卡输入电压范围，经过A／D转换输入到工控机的控制系统。压电传感器集成安装于超声波焊接装置的零件承载平台，待焊接基片底面直接与其接触，通过接触式测量方式在超声波焊接过程中检测待焊接基片底面的超声波信号。

本发明针对聚合物MEMS器件的精密封接，将超声波的检测功能应用于超声波焊接过程中热影响区域聚合物材料力学状态的在线检测与控制，设计了基于热影响区域在线超声检测的超声波焊接方法。

超声波焊接是基于超声波的界面效应实现熔接，该过程中超声波能量的作用机理较为复杂，既包括界面间的热效应又包括对局部具有高热运动能量的高分子链的力效应，其效率非常高，加热过程通常在1秒以内，且热影响区域仅局限于界面附近，对力、热场作用复杂的小区域进行在线检测十分困难。超声波具有检测功能，基于声波在传播介质中能量损耗的变化即可检测材料力学状态的变化，这种检测方法灵敏度高、响应速度快，并且将其应用于超声波封接过程可共同使用同一个超声源，因此超声检测可以成为超声波封接过程中在线检测热影响区域聚合物材料状态的有效、便利技术手段。

超声波焊接过程中，界面在超声波作用下温度升高，在界面局部形成热影响区域，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，通过测量由超声工具头发出并穿过聚合物材料的超声波信号可以实现在超声波焊接过程中实时检测热影响区域中聚合物材料力学性能。

基于以上原理，本发明设计了基于热影响区域在线超声检测的超声波焊接方法及可集成于超声波焊接系统的超声检测装置，此方法通过在超声波焊接系统中安装超声检测系统来测量由超声工具头发出穿过聚合物微器件传递到承载面的超声波信号，在热影响区域聚合物材料声阻抗增加过程中检测超声波在其中传播效率的衰减，定义超声传播效率的衰减比。

在基于热影响区域在线超声检测的超声波焊接方法中，以超声波传播效率的衰减比实时检测热影响区域聚合物材料的力学状态，并作为控制超声波能量的主参数，在焊接前设置超声波衰减比参数，在对聚合物微器件施加超声波焊接过程中，实时检测传递到微器件底面的超声波信息，计算超声波传播效率的衰减比，当达到参数设定值时即关闭超声波能量。基于此方法，在设置触发压力、保压时间等辅助参数保持不变的基础上，通过调整超声波衰减比参数即可使界面热影响区域中聚合物材料在不同的力学状态下进行熔接。

本发明的有益效果在于：与传统的超声波焊接方法相比，本发明可以更为直接地控制热影响区域中聚合物材料的力学状态，与传统的超声波焊接控制方法（如通过控制时间、压力、焊接行程及能量等）相比，在超声波焊接过程中对于界面熔合行为的控制更加精确。另一方面，此方法对于待焊零件之间接触界面存在的差异具有一定的兼容性，在焊接质量重复性方面有促进作用。本发明专利所设计的超声波焊接方法为聚合物MEMS器件的精密封装提供了有效的技术手段，对MEMS制造技术的发展具有促进作用。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1为本发明的在线超声检测原理示意图。

图2为本发明的传感器组件结构示意图。

图3为本发明的焊接方法流程图。

图中：1、超声换能器；2、超声波工具头；3、待焊接微器件；4、待焊接基片；5、传感器组件；6、信号处理模块；7、继电器卡；8、超声波发生器；9、工控机；10、传感器盖板；11、压电传感器；12、传感器连接板；13、称重传感器；14、调平基座。

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所示为一种聚合物微器件的超声波焊接装置的检测原理示意图，超声换能器1发出的超声波能量通过超声波工具头2作用于待焊接微器件3和待焊接基片4。集成超声检测功能的基座5与待焊接基片4的底面直接接触，在超声波焊接过程中检测由传递到待焊接基片4底面的振动信号，通过信号处理模块6处理后输送到工控机9，工控机9通过继电器卡7控制超声波发生器8的通断，从而控制超声波换能器1的工作状态。

图2为本发明的传感器组件构成及安装示意图，选用压电传感器11检测待焊接基片4底面的超声波信号，压电传感器11选择为阶梯形状，传感器盖板11中心开有阶梯孔，与压电传感器11过渡配合，安装过程中压电传感器11完全进入传感器盖板10的中心阶梯孔，与传感器连接板12利用螺栓连接，将压电传感器11固定其中，并保证其检测面略高于盖板上平面。传感器连接板12与称重传感器13在中心孔位置由螺栓连接，称重传感器12与调平基座13在中心孔位置由螺栓连接，调平基座用于调整压电传感器11检测面的水平角度。传感器连接板12由中心孔至侧面开有贯通孔，用于引出压电传感器11的导线，与信号处理模块6相连接。

图3为本发明的超声波焊接流程图，首先进行触发压力、振幅衰减比、保压时间参数的设置，下移超声波工具头2使其与待焊接微器件3接触，调整其对待焊接微器件3所施加的压力以达到触发压力参数。在触发压力下开启超声波发生器8，使超声换能器1发出超声波能量，并在开启超声波的初始时刻记录信号处理模块6输出的电压信号幅值u₀，在焊接过程中实时检测该信号幅值u，并计算振幅衰减比，当衰减比到达振动衰减比参数后即关闭超声波发生器8，从而停止超声波能量，经过对待焊接微器件3和待焊接基片4保压至保压时间参数后，上移超声波工具头2，一次焊接流程结束。

Claims

1.一种聚合物微器件的超声波焊接装置，包括超声换能器（1）、超声波工具头（2）、超声波发生器（8）和工控机（9），所述的工控机（9）通过电缆经继电器卡（7）与超声波发生器（8）连接，所述的超声波发生器（8）通过电缆与超声换能器（1）连接，所述的超声波工具头（2）与超声换能器（1）连接；

其特征在于：所述的工控机（9）还通过数据线与在线超声检测装置连接；

所述的在线超声检测装置包括信号处理模块（6）和传感器组件（5），所述的信号处理模块（6）包括数据采集卡和电荷放大器，所述的信号处理模块（6）通过数据线分别与工控机（9）和传感器组件（5）连接；

所述的传感器组件（5）包括压电传感器（11）、传感器盖板（10）、传感器连接板（12）、称重传感器（13）和调平基座（14），所述的压电传感器（11）选择阶梯形状，所述的传感器盖板（10）中心开有阶梯孔，与压电传感器（11）过渡配合，所述的压电传感器（11）安装在传感器盖板（10）的中心阶梯孔中，与传感器连接板（12）通过螺栓连接固定，压电传感器（11）的上测量面略高于传感器盖板（10）上平面；所述的传感器连接板（12）由中心孔向侧向开有贯通孔，用于引出压电传感器（11）的导线，传感器连接板（12）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，调平基座（14）用于调整待焊接微器件（3）承载面即压电传感器（11）的上测量面的水平角度。

2.一种如权利要求1所述的聚合物微器件的超声波焊接装置及其焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、通过工控机（9）中的控制系统设置触发压力、振幅衰减比和保压时间的设置；

B、下移超声波工具头（2）使其与待焊接微器件（3）接触，调整其对待焊接微器件（3）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开启超声波发生器（8），使超声换能器（1）发出超声波能量；通过压电传感器（11）检测传递到待焊接基片（4）底面的超声波振幅，通过电荷放大器将压电传感器（11）的弱信号放大，由数据采集卡的A／D转换功能将数据传输到工控机（9）（9）中的控制系统中；并通过工控机（9）中的控制系统记录：开启超声波发生器（8）初始时刻传递到待焊接基片（4）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焊接基片（4）底面的超声波振动幅值u；由工控机（9）中的控制系统根据以下公式计算振幅衰减比：

I=(u₀-u)/u₀

当振幅衰减比达到设定的振动衰减比参数后即关闭超声波发生器（8），从而停止超声波能量，经过对待焊接微器件（3）和待焊接基片（4）保压一段时间后，上移超声波工具头（2），一次焊接流程结束。