微型零件胶粘接的微装配技术

微型零件的胶粘接技术是微装配中一种重要的联接技术，用于微小型产品的制造。本文介绍了微型零件的胶粘接技术及其所研制开发的用于胶粘接的微装配机器人系统，对微型直线电机导轨的胶粘接进行了说明，分析了胶粘接过程中可能出现的问题，提出了基于视觉图象对微型零件胶接过程的检测方法，通过图象处理测量胶滴的点样位置和大小，以确保胶粘接的质量。     

用于微胶接的pL级点胶方法

为了获得与微米级零件尺寸相匹配的pL级胶滴,分析了注射式、喷射式和转移式3种常用的微小液滴生成机制。基于注射式原理设计了一种时间压力型pL级点胶方案,通过视觉在线检测胶斑直径,控制点胶针尖内径、作用压力和时间,得到pL级胶斑。实验研究了针尖内径、压力、时间对胶斑直径的影响,并将此方法应用于激光惯性约束核聚变实验中冷冻靶装配时靶丸零件与充气管零件之间的微胶接。实验结果表明:胶斑直径与点胶针尖内径、压力和时间三者成正比例关系,当使用端部1.2μm内径的点胶针,设置压力为0psi(1psi≈6.895kPa),时间为8～10s时,可以满足胶斑体积小于3pL,直径小于40μm的指标要求。该方法可实现微米级零件微胶接时的pL级点胶,而且工艺简单,易于实现。     

凹槽微通道铜-水纳米流体传热与流动分析

对铜-水纳米流体在圆弧型凹槽微通道中的传热与流动特性进行了分析。比较了不同体积分数的铜-水纳米流体在深宽比分别为0.3和0.5的凹槽微通道中的温度和速度分布,分析了体积分数和凹槽深宽比对凹槽微通道中铜-水纳米流体的传热系数和流体输运动力因子的影响。凹槽强化了微通道对流传热,与平板型微通道相比,铜-水纳米流体在圆弧型凹槽微通通内呈现出不同的传热特性。纳米流体体积分数、流体输运动力因子和凹槽深宽比对凹槽强化微通道传热影响较大。分析结果与已有的实验结果符合较好。     

跨尺度微管微球三维半自动装配点胶系统

设计和搭建了一个3D半自动装配点胶系统,用于完成跨尺度零件微管与微球的三维装配点胶任务。系统主要由体视显微镜、变焦金相显微镜、发光二极管(LED)背光源、pL级点胶机、微操作手和零件夹持器组成。采用显微镜高低倍转换的方式实现了零件跨尺度特征的检测。基于提出的半自动装配点胶策略,并配合人工引导和显微视觉伺服技术,快速完成了跨尺度零件的半自动高精度对准和插入点胶。在搭建完成的系统上开展微管与微球的装配点胶实验,对提出的方法和装配精度进行了实验验证。结果表明,系统的位置对准误差优于1μm,角度对准误差优于0.5°,可以实现末端直径10μm的微管与孔径12μm的微球之间的装配和胶接,基本满足对该组件的装配精度和成功率要求。     

胶接技术在光学仪器中的应用

本文介绍了简化结构、节约材料与工时的胶接技术中光学装配胶的选择依据、调制与添加剂的多少及其影响,并指出被胶接零件的材料、形状和表面清洁度对胶接质量的影响。     

三角形与梯形凹槽微通道流动换热特性试验研究

为研究壁面凹槽对微通道热沉流动和传热性能的影响，设计了两种侧壁具有不同凹槽结构的微通道热沉模型，以去离子水作为流体介质展开试验，并通过综合进出口压降、摩擦因子、加热面温度、努塞尔数和综合传热因子评价侧壁凹槽结构对流动换热特性的影响。结果表明，当凹槽开口长度同为1 mm、开口倾角同为25°时，三角形凹槽微通道的压降相对于梯形凹槽最高提高了9.36%；当加热功率同为240 W、入口温度同为20℃时，三角形凹槽微通道散热能力始终大于梯形凹槽微通道；当通道内雷诺数处于试验设定的500～3 500区间时，三角形凹槽微通道的流动与传热综合性能始终优于梯形凹槽微通道；设计微通道热沉侧壁凹槽结构应优先考虑三角形凹槽结构。     

表面微凹槽对机械密封性能的影响

采用FLUENT软件分析微凹槽结构对机械密封性能的影响,探讨凹槽深度比（凹槽深度与油膜厚度比值）、凹槽宽度比（微凹槽宽度与内环圆弧的直线长度比值）和凹槽长度比（微凹槽长度与圆环宽度比值）对开启力、液膜刚度、泄漏率的影响。结果表明：凹槽深度比、凹槽宽度比均存在一个最佳值使开启力和液膜刚度达到最大值,开槽深度与油膜厚度有着密切的关系;在凹槽宽度比一定时,凹槽宽度越大,开启力和液膜刚度也越大,而泄漏率基本保持不变,这表明毫米级宽度凹槽比微米级凹槽具有更好的密封性能;凹槽长度比越大,开启力和液膜刚度也越大,但是泄漏率也会同时增大。     

多材料按需微滴喷射系统设计与实验研究

为满足微电子制造、封装领域中不同性质材料按需精确分配的需求,提出了一种由多微滴喷射单元构成的多材料按需微滴喷射系统。该系统的微滴产生模块由用于低黏度流体材料的气动膜片式微滴喷射单元、用于熔融金属流体的压电活塞式微滴喷射单元和用于高黏度流体的机械阀式微滴喷射单元组成。同时由数字相机、模拟相机+图像采集卡构成的图像采集系统,实现液滴沉积的视觉引导对准定位,以及微滴产生过程的图像采集。利用该系统,进行水基混合物、金属焊料和环氧树脂胶的微滴喷射实验,分析了不同黏度对液体微滴喷射过程的影响,实现了金属焊料的微滴喷射,获得了平均直径为70.5μm的焊球及焊球阵列,其直径偏差小于2%。同时也获得了平均直径为0.6 mm的环氧树脂胶点阵列,其直径偏差小于4%。实验结果表明:该系统可用于包括高黏度环氧树脂胶、金属焊料等在内的多种不同黏度的材料,实现微米级微滴的按需喷射。     

压电驱动微点胶器的控制与实验

针对微型器件封装对非接触式微胶量的需求,研制了压电驱动微点胶器,利用压电陶瓷管挤压毛细管产生的瞬时变形实现了微胶滴的分配。分析了毛细管内的流体行为及液滴形成条件;基于多物理场耦合的方法,建立了压电微喷的三设备(压电陶瓷、毛细管、胶体)耦合模型。然后,讨论了驱动电压、喷嘴直径、胶体黏度对控制胶滴形成的影响。在构建的实验平台上,开展了控制胶滴形成的实验研究。分析了多控制参数(喷嘴直径、胶体黏度、电压幅值、脉冲宽度)的复合作用,通过匹配相应的参数实现了pL级微胶滴的非接触式分配。实验结果显示:使用黏度为30mPa·s胶体,直径为10μm的喷嘴,在驱动电压幅值为50V,脉冲宽度为37μs等参数配置下,可获得最小胶滴的体积为8.31pL。实验结果验证了所提出方法和研制工具的有效性。     

基于MEMS机构装配的微夹持器研究

微夹持器作为末端执行装置,直接决定了微装配的效率。MEMS机构中包含许多微小的活动部件和功能元件,为实现这些微小器件的稳定夹取和自动装配,设计了一种采用压电陶瓷驱动、基于柔性铰链的二级放大微夹持器结构。对该微夹持器的节点应力、刚度及最大张合量等进行了分析计算,并对微夹持器进行了试制。实验与分析结果表明,该夹持器最大张合量是245μm,放大倍数约为12.3倍,满足MEMS机构的装配要求。在此基础上,重点对张合量与夹持力进行了系统测试,通过对测试数据的非线性回归,推导出99.99%可靠度的驱动电压计算公式,实现了微夹持的精确控制。     

BONDING OF MINIATURE PARTS WITH ADHESIVES AND VISION BASED PROCEDURE INSPECTION

Bonding with adhesives is an important technique for building up hybrid microsystems.Some adhesives are tested with capillary dispensing system for microassembly, and volume of dropletsless than 10 nl with good repeatability can be acquired. 1-part UV curing adhesive hardens rapidly andis suitable for bonding of transparent microparts. Light-activated adhesive starts the curing process inan adjustable short period of time after the radiation of visible light, and thus suits bonding ofnon-transoarent microparts. A method is proposed for bonding the guides of a miniature linear motorbeing developed by collaborate research center 516 (SFB516) in Germany.With the method high as-sembly accuracy in the vedical direction can be guaranteed. By making small grooves on the stator forcontaining adhesive, the deterioration of the accuracy due to the thickness of adhesive layer can beavoided. The criteria on deciding the size of the groove are given and analyzed. Vision based inspec-tion method is introduced for aut     

微槽激光电解组合微加工研究

微槽结构作为微型结构的基本单元,具有增加散热面积、存储润滑剂和减少阻力等功能,多用于大热流密度器件的散热或表面润滑,但其存在加工尺寸小、精度要求高以及加工难度大等问题.为了实现微槽的高效高精度加工,提出了一种激光电解组合微加工方法,并搭建了纳秒激光加工装置和数控微细电解加工装置;利用激光烧蚀快速加工出微槽结构的基本形貌...     

基于微液滴介质和差分电容器的静电式微型振动发电机

针对现有悬臂梁式微型振动发电机存在低频响应不敏感,抗冲击能力差等问题,提出了一种利用微液滴介质拾振实现差分电容器变化及电荷转移的静电式微型振动发电机新结构.根据驻极体模型,推导出了差分电容器极板的电荷分布公式;结合微液滴作受迫正弦振动假设,建立了静电式微型振动发电机的数学模型.采用COMSOL Multiphysics软件对微液滴运动及电容器极板电荷分布进行了仿真,得到了发电机的输出电压幅频特性.制作出了以汞为介质的静电式微型振动发电机样机,进行了样机的性能测试.实验结果表明:该静电式微型振动发电机共振频率为3 Hz,在加速度为3 9、振动激励频率为3 Hz,负载为1 MΩ时,测得样机输出电压峰-峰值为1.21V,输出功率为0.73 μW,实现了环境中低频振动能量的获取与转换.     

微细电解加工用中空电极的制备

为了改进加工间隙内电解产物的排出条件和加速电解液的更新,提出了一种嵌套式微细中空电极的精确可控焊接制备工艺。仿真分析了电极的过流特性,优化了电极长度,并进行了性能测试及加工实验。通过穿丝、黏结、嵌套尺寸及位置调整和焊接工序,制备出加工段内径为65μm、外径为130μm、长3.25mm左右,后段便于装夹和连通的嵌套式中空电极。在供液压力为1.15 MPa时,其出口流速可达10m/s左右。利用制备的中空电极,开展微细孔电解加工实验,在0.5mm厚不锈钢片上加工出最小入口孔径约为157μm,出口孔径约为133μm的微细孔,并将其延伸应用于微结构加工中,铣削出了长554μm、宽160μm、深224μm的微细T型槽。实验结果表明:制备的微细中空电极有效提高了加工间隙内电解液的流动特性,且连/导通可靠、装夹方便,适用于高深宽比微结构的电解加工。     

微型弯曲模制造

随着微机电系统技术的发展对微型制件需求的不断增长,以传统的微细加工方法成形微小制件难以满足微系统的应用要求,而用微型模具成形微小制件,具有生产效率高、制件质量稳定等优点,成为微成形加工领域的重要工艺发展方向。研究对实验所用的微型弯曲模进行了总体结构设计,得到了模具的装配图和零件图。在分析微细加工方法的技术特点的基础上采用微机械加工法加工模具,并在万能试验机上进行试验,试验表明,所冲制的弯曲件符合要求。     

加工沟槽式微热管的微型多齿刀具研究

分别采用GCr15和W18Cr4V微型多齿刀具,利用充液高速钢球旋压技术加工微型圆热管内壁的轴向微沟槽,进行了刀具性能实验,介绍了多齿刀具的齿型对微沟槽形状的影响及刀具位置对沟槽壁面结构和沟槽走向的影响,分析了刀具的磨损和破损特征。实验结果表明:GCr15刀具在加工热管内壁微沟槽时,刀具的失效形式主要是断齿与压溃,且刀具寿命短;W18Cr4V高速钢刀具在加工圆热管内壁微沟槽时,刀具的失效形式主要表现为磨损,但磨损量很小,刀具寿命长。     

应用于水下微型潜器的导电滑环结构设计

针对水下微型潜器移动控制的普遍性技术难题,设计了一种导电滑环接线结构。该结构能够实现水下微型潜器灵活的移动控制,实现了稳定的信息数据传输。导电滑环通过采用滑动轴承链接,使微型潜器可实现水下定位的无限制转动。同时,滑动轴承与套筒发生相对转动时,通过采用套筒内部的滑槽结构,使滑动轴承上的凸起触点与滑槽内部的定子直接接触,消除了连接线处的扭转力,提高了导电滑环的使用寿命。     

玻璃浆料键合中的孔洞抑制和微复合调控

提出了包含三步式排泡过程的预烧结工艺以及双凹凼-凸台的微复合键合结构方案,以便有效控制玻璃浆料层中的孔洞生成并精确控制键合间隙。预烧结工艺涉及的三步式排泡包含玻璃液形成、真空排泡与孔洞流平3个过程,该过程有效地排除了气泡,从而抑制了键合中间层中的孔洞形成,其工艺的重复性和鲁棒性很强。微复合键合结构中的内外凹凼用于有效控制多余的熔融的玻璃浆料的流动路径,避免其对封装结构的污染;微阻挡凸台则可以精确地将玻璃浆料层的厚度即键合间隙控制到凸台高度。对键合性能的测试表明,该方案简单有效,键合强度和气密性良好,键合间隙为10.1μm,键合强度为19.07 MPa,键合漏率小于5×10-9 Pa·m3/s。