面向聚合物微器件超声波精密封接的阵列微导能结构

　　1　引　言

　　聚合物材料以其价格低廉、制作成本低、易于批量制作等优点已经广泛应用于微流控生物芯片、微型燃料电池、微阀、微泵等MEMS器件的制造。随着聚合物材料在 MEMS领域越来越广泛的应用，聚合物微器件的快速精密封接已成为MEMS制造技术中的关键环节[1]，例如在聚合物微流控芯片的制作中，为形成封闭的微通道网络而进行的基片与盖片的键合;微阀、微泵等功能器件的密封组装，以及与其它微流体器件的集成等。目前，在 MEMS领域应用的聚合物封接方法主要包括热键合[2]、胶/溶剂粘结[3]、激光/微波焊接[4-5]等，但这些方法大都在封接效率和封接质量上存在一定的问题。超声波封接技术以其高效率，无其他物质引入，局部产热等优点在 MEMS领域倍受关注，2006年，R.Truckenmüller首次应用超声波封接技术实现了微流控芯片的封装及微泵、微阀的组装，验证了超声波封接技术应用于微器件封装的可行性[6]。

　　2009 年 Kim　Jong-baeg[7]实现了外径和内径分别为1.8mm 和0.85mm 的醋酸纤维素微器件的密封联接。2009年S.H.Ng[8]采用超声波技术在1s内实现了外径为3mm 的PMMA管道与微流控芯片的封接，接头处的承压能力为6bar。上述研究报道将超声波焊接技术拓展到了聚合物 MEMS器件封接领域，验证了该技术的可行性，但是对于器件微小化后引入的封接质量对输入能量的敏感性未加讨论和深入研究。

　　在宏观塑料超声波焊接中，为了促进焊件界面的产热速率以提高效率，通常在接头表面制作突起的导能筋[9]。对于超声波焊接中的导能结构，M.R.Rani等研究了不同的接头形式，结果表明表面带有粗糙结构的封接强度大于尺寸较大的导能结构的封接强度，同时吸收能量较小，微器件变形较小[10];Jianhui　Qiu等认为对于一定的表面结构的高度和粗糙度，存在合适的压力使键合效果最佳[11];Buckley等将粗糙表面的形貌简化为理想的矩形模型，采用近似的挤出流体理论来模拟润湿过程，其研究结果表明封接面的表面形貌对聚合物的扩散润湿过程非常敏感，差的表面平整度容易在封接面产生不均匀扩散，从而增加缺陷发生的几率[12-13]。

　　在 MEMS领域由于微器件尺寸很小，传统的导能筋结构并不适用，在目前针对 MEMS器件的超声波封接技术中基本不采用导能结构，而是以平面接头进行封接[8]。同一批试件中，由于封接表面的表面形貌和粗糙度存在差异，对封接面的接触面积、接触方式及接触力等有一定的影响，因此在超声波封接过程中封接界面的产热速率及产热区域存在着一定的差异，使超声波封接过程具有一定的随机性，进而影响了封接的精度[14]。