超声波键合熔接结构及压力自平衡夹具

聚合物微流控芯片对键合精度、键合强度及键合效率要求高。为了避免超声波键合中微通道被堵塞,解决键合过程中由调平精度和高频振动引起的键合强度低、键合压力分布不均的问题,设计了一种基于超声波键合的熔接结构和压力自平衡夹具。首先,利用感压胶片对压力自平衡夹具和不带自平衡功能的夹具的压力分布进行测量,并定义了压力分布系数进行量化。其次,利用两种夹具分别对设计芯片进行超声键合,并利用工具显微镜对焊线和微通道截面进行观测。最后,对两组芯片进行键合强度测试和密封性测试。实验结果表明:所设计的熔接接头结构对微通道的控制精度可达2.0μm。压力自平衡夹具结构简单可靠,可提高压力均匀性35.20%~43.18%,并使得焊线均匀一致,同时可提高键合强度15.3%~45.1%,并保证密封性。该熔接结构和压力自平衡夹具可满足聚合物微流控芯片的控制精度、键合强度、压力均匀性及其密封性的要求。     

PC微流控芯片黏接筋与溶剂的协同辅助键合

为了在微流控芯片上形成封闭的微通道等功能单元,克服热压键合中微流控结构的塌陷和热压所致芯片微翘曲对后续键合的影响,提出了一种适用于硬质聚合物微流控芯片的黏接筋与溶剂协同辅助的键合方法。以聚碳酸酯(PC)微流控芯片为研究对象,通过热压法在PC微流控芯片上的微通道两侧制作凸起的黏接筋,通过化学溶剂丙酮微溶PC圆片的表面,然后将PC圆片与带有黏接筋的PC微流控芯片贴合、加压、加热,从而实现微流控芯片的键合。分析了键合机理,并对键合工艺参数进行了优化。实验结果表明:键合质量受丙酮溶剂溶解PC圆片的时间和键合温度的影响,能够保证键合质量的最佳键合温度为80~90°,溶解时间为35~45s,芯片的键合总耗时为3min。与已有键合工艺相比,所提出的黏接筋与溶剂辅助键合工艺有效提高了键合效率。该键合方法不仅适用于具有不同宽度尺寸微通道的微流控芯片,还可扩展用于不同材料的硬质聚合物微流控芯片。     

塑料微流控芯片的超声波焊接键合的仿真

阐述了适合于塑料微流控芯片键合的超声波焊接的原理,设计了适用于微流控芯片的超声波焊接的两种导能筋,利用有限元软件模拟超声波焊接的过程,利用单元的"生死"和热焓法控制相变,计算出导能筋中温度场的分布情况,及微沟道在焊接过程中的变形情况.理论上验证了利用超声波焊接进行芯片键合的可行性.     

辅助溶剂对PMMA微流控芯片模内键合的影响

为了提高聚合物微流控芯片的键合效率,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片为对象,以微型注塑机为平台,研究了聚合物模内键合方法.利用注塑机提供的合模力作为键合力,利用模温机提供键合温度,选择异丙醇作为辅助溶剂,借助溶剂溶解特性来降低模内键合中的键合温度和压力.在30～70℃,用测量显微镜和台阶仪测试分析了不同键合温度条件下,辅助溶剂对芯片的表面形貌和微通道结构的影响;利用辅助溶剂进行模内键合实验,用电子万能实验机测试了芯片的键合强度,对模内键合工艺参数进行了优化.结果表明:异丙醇对键合质量的影响与键合温度、键合时间有关,在较高温度下会使芯片产生皲裂、微沟槽变形和堵塞;在键合温度为35℃,键合时间为5 min时,芯片的表面质量和微沟槽形貌较完整,键合强度不小于2.64 MPa.     

PMMA面键合的热压法工艺研究

研究了PMMA热压键合工艺,测量了PMMA的键合强度,利用扫描电镜检测了键合后微流体管道的结构变化,讨论了键合温度、键合压力等因素对键合强度的影响;给出了热压键合的合理工艺参数范围.结果表明,经过参数优化后的热压键合法可以满足PMMA微流体器件对键合的需求.     

聚合物微流控芯片的键合技术与方法

在微流控芯片的制作中,键合是关键技术之一,基片与盖片只有通过键合才能形成封闭的微通道,因此键合质量直接影响芯片的制作质量。对键合方法进行了分类,综述了目前已有的芯片键合技术及方法,分析了各种键合方法在制作质量、制作效率以及是否适用于批量化制作等方面的局限性,详细介绍了具有效率高、适合批量化生产等优点的超声波键合技术的研究进展。     

塑料微流控芯片热压及键合设备结构设计研究

微通道的热压成形及盖片与基片的键合是制作塑料微流控芯片的关键工艺。大连理工大学微系统研究中心开发了用于自动化制作塑料微流控芯片的设备。该设备采用封闭的立柱结构，通过力矩电机驱动的螺旋升降机提供所需的压力。对其结构设计进行研究，具体介绍该设备结构设计的特点。     

一种微流控检测芯片的设计与工艺研究

设计并制作了一种PMMA材料的微流控检测芯片,利用外界气体驱动液体,用于实验样品的分析和检测.芯片的整体尺寸为86 mm×60 mm×4.5 mm,利用精密加工的方法进行加工.采用一种简单实用的溶胶.凝胶改性方法对微通道管路进行亲水处理,实验证明亲水性有明显提高.并分析了亲水性提高的机理.提出一种新的溶剂键合方法,在室温下对芯片进行键合.溶剂为二氯乙烷和无水乙醇按1:1混合的混合液.分析了不同溶液配比、键合时间和键合压力对键合效果的影响.同时,芯片上集成了多个阀,对阀膜材料的选择、粘接工艺进行了研究.     

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。     

基于硅硅键合技术的高精度压力传感器的研究

硅压阻压力传感器核心部件一般是由单晶硅和玻璃组成的微结构,由于单晶硅和玻璃的材料特性存在差异,在制造过程中会引入封装应力对传感器的性能产生不利影响。采用硅硅键合技术制造压力传感器核心部件的微结构,以同质材料替代异质材料实现器件的封装,可有效减少封装应力,提升压力传感器的性能。文中通过结合硅压阻压力敏感芯片的制造工艺和硅硅键合工艺,实现了敏感芯片与硅衬底间的硅硅键合,键合强度达到体硅强度。研制的差压型压力敏感芯片装配成传感器的零点温度漂移下降60%,静压误差下降约1个数量级。     

超声波键合能量引导微结构PMMA基片的制作

为了用超声波键合的方法实现微流控芯片的封装,采用选择性键合方式在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片的微沟道两侧设计、制作了能量引导微结构,用热压法在同一PMMA基片上一次成形了凸起的能量引导微结构和凹陷的微沟道。用套刻和湿法腐蚀的方法制作了复合一体化硅模具。通过正交实验,确定了优化后的热压工艺参数。实验结果表明,由于同时存在凹、凸微结构,因此优化后的热压成形温度比传统的热压凹陷结构的成形温度提高15~20 ℃,在温度为140 ℃、保压时间为300 s、压力为1.65 MPa的实验条件下,微结构的复制精度达到了99％。     

AZ91D压铸镁合金超声振动钻削实验

镁合金材料由于特殊的物理性能,传统的机械加工方法很难保证要求的精度和质量,具有一定的局限性。介绍了超声振动钻削镁合金材料的加工机理,通过改变切削速度、进给量、振幅等加工参数,对比分析了超声振动钻削与传统钻削加工工件的孔直线度、孔扩量、毛刺高度、粗糙度、切屑等试验结果,得出超声振动钻削具有较好的加工表面质量和加工效率,对研究镁合金的深加工具有重要的意义。     

工艺参数对6061-T6铝合金真空扩散焊接接头形貌和性能的影响

在不同工艺参数下对化学清洗去除表面氧化膜的6061-T6铝合金进行真空扩散焊接,研究了焊接温度(500~560℃)、焊接压力(1.0~5.0MPa)和保温时间(0.5~3h)对焊接接头界面形貌和剪切强度的影响,得到了优化工艺参数。结果表明:随着焊接温度的升高、焊接压力的增大和保温时间的延长,接头焊缝变窄并最终消失,剪切强度和焊合率增大;但当保温时间延长到3h时,焊缝附近晶粒发生粗化,导致剪切强度降低,且接头发生较大变形;不同工艺参数下接头的剪切断裂形式均为脆性断裂;较优的真空扩散焊接工艺参数为焊接温度540℃、保温时间2h、焊接压力4.0MPa。     

对接TIG焊熔池正面几何形状参数的检测

研制出连续电流对接TIG焊熔池正面形状参数实验检测装置。利用普通CCD摄像机,通过光学参数的优化和采集参数的动态调整,拍摄出了清晰度和分辨率都较高的对接TIG焊熔池正面图像。根据对接TIG焊熔池图像特点,设计出图像处理算法,检测出了焊接熔池的整个边缘,得到了不同工艺条件下对接TIG,焊熔池几何形状参数的实际尺寸。     

带有凸凹微结构的微流控基片热压成形特性研究

研究了热压法制作带有导能筋的新型凸凹微结构的成形特性。从理论出发对材料的本构关系及其温变特性进行了表征,通过对商用软件的二次开发实现了成形特性理论模型的应用,利用有限元法对带有导能筋的基片的热压过程进行仿真,分析了在压力受到严格限制的情况下热压温度以及保温保压时间对复制精度的影响,在此基础上优化了工艺参数。利用套刻法和各向异性湿法腐蚀技术制得所需的硅模具,进行了热压试验,试验结果验证了仿真结果的有效性。     

Investigation on overlap joining of AZ61 magnesium alloy: laser welding, adhesive bonding, and laser weld bonding

This paper presents the research on weldability of magnesium alloy AZ61 sheets by overlap laser welding, adhesive bonding, and laser seam weld bonding processes. Microstructures and mechanical properties of the joints are investigated. In overlap laser welding, the joint fractures at the interface between the sheets and maximum shear strength can reach 85% of that of the base metal. Off-center moment during tensile shear test can lead to the strength loss, while the weld edge can also influence the strength as a cracking source. Adhesive bonded joint can offer high tensile shear failure force but low peel strength. Laser weld bonded joint offers higher tensile shear failure force than either laser welded joint or adhesive bonded joint does, and the improved failure load is due to combined contribution of the weld seam and the adhesive. The weld seam can block the adhesive crack propagation, and the adhesive improves the stress distribution, so they can offer a synergistic effect.     

聚合物微器件压力自适应超声波精密联接

将超声波联接技术应用于聚合物微器件的联接,搭建了超声波精密联接系统。为了保证微器件在精密联接中的形状精度,选用工作频率为60 kHz的超声换能器及驱动电源为微器件提供高频、低振幅的超声波振动;以高细分步进电机驱动直线导轨控制超声波工具头的纵向移动,精确控制超声波工具头的位置,并结合力传感器实现了超声波联接过程中聚合物材料力学性能的实时检测。针对联接表面特性差异引起的联接质量不一致问题,提出了基于材料力学性能反馈的压力自适应联接方法,可以对不同零件提供自适应的超声波能量。应用该系统对PMMA材料微器件进行了联接实验,实验结果表明,该方法大幅提高了超声波联接的稳定性,实现了聚合物微器件的超声波精密联接。     

Friction stir weld-bonding defect inspection using phased array ultrasonic testing

Weight reduction is an important driver of the aerospace industry, which encourages the development of lightweight joining techniques to substitute rivet joints. Friction stir welding (FSW) is a solid-state process that enables the production of lighter joints with a small performance reduction compared to the base material properties. Increasing the FSW lap joint performance is an important concern. Friction stir weld bonding is a hybrid joining technology that combines FSW and adhesive bonding in order to increase the mechanical properties of FSW lap joints. FSW and hybrid lap joints were produced, using 2-mm-thick AA6082-T6 plates and a 0.2-mm-thick adhesive layer. Defect detection using the non-destructive test, phased array ultrasonic testing (PAUT), has been made. Microscopic observations were performed in order to validate the phased array ultrasonic testing results. Lap shear strength tests were carried out to quantify the joint’s quality. PAUT inspection successfully detected non-welded specimens but was not able to distinguish specimens with major hook defects from specimens correctly weld bonded with small hook defects.     

轴向拉力对铝合金拉拔式摩擦塞焊接头组织及力学性能的影响

拉拔式摩擦塞补焊是一种固相连接技术,具有接头强度高,焊后残余应力和变形小等优点,在航天领域具有潜在的应用前景。研究轴向拉力对2A70铝合金拉拔式摩擦塞焊焊接成形及接头性能的影响,并分析焊接缺陷、微观组织及断口形貌特征。结果表明,轴向拉力在20~30 kN范围内能够得到良好的焊缝成形;轴向拉力为20 kN时,结合界面存在未焊合缺陷;轴向拉力提高至22 kN及以上,未焊合缺陷完全消除;轴向拉力提高至28~30 kN时,塞棒与母材形成完好的冶金结合,焊接接头的抗拉强度可达到376 MPa,接头系数为83.6%。当轴向拉力较低时（22~25 kN）,结合界面上易出现弱结合缺陷,微观特征为沿结合界面断续分布的微孔,可导致接头抗拉强度和断后伸长率下降;焊接接头中,塞棒侧热影响区硬度值最低,分析表明该区域的晶粒形态和尺寸未发生明显变化,但θ'相部分溶解,θ相发生粗化,导致局部强度下降;断口形貌显示,在优化参数下断口呈现韧性特征。研究结果可为铝合金拉拔式摩擦塞补焊工艺及机理分析提供借鉴和参考价值。