基于力学状态反馈的聚合物微器件超声波精密联接系统

　　1 引言

　　聚合物材料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[1-2],聚合物MEMS器件的快速有效联接成为批量制作的瓶颈,如在聚合物微流控芯片的制作中,基片与盖片的键合从而形成封闭的微通道网络;微阀、微泵等功能器件的密封组装,以及与其他微流体器件的集成等。

　　目前,在聚合物MEMS领域较为常用的联接方法主要有胶/溶剂粘接[3]、热压键合[4]、激光/微波焊接[5-6]等。胶/溶剂粘接方法简单,对大多数材料都能获得较高的联接强度,但由于其引入了化学溶剂,对后续的生化检测等应用产生不良影响;此外,多数胶粘剂对于有机溶剂抵抗性较差,仅适合于某些检测场合。热压键合和激光/微波焊接均属于熔化联接,通过不同加热手段提高待联接聚合物表面分子链的活性并发生缠结进而实现联接,其中热压键合是通过电热板直接对零件进行加热,该方法联接时间通常需要20min,效率较低,由于聚合物基片整体加热,微结构变形较大,同时键合强度较低;激光/微波焊接通过电磁波对聚合物界面的作用进行局部加热,微波焊接需要界面聚合物具有极性分子在微波的作用下发生极化及损耗,激光焊接则需要聚合物材料具有透射及吸收作用,因此这两种方法在材料的应用范围具有一定的局限性,对于不适用的材料需要在待联接区域添加辅助材料,增加了联接工艺的复杂性。

　　超声波联接技术起源于20世纪50年代,经过半个世纪的发展,已广泛应用于各个领域。超声波联接技术具有时间短、联接强度高、无其他物质引入、局部产热等优点,且适用的材料广泛,如金属、玻璃、塑料、陶瓷等。

　　目前商用超声波焊机通过时间、压力、焊接行程及能量等模式来控制焊接过程。超声波焊接技术在宏观零件的联接方面已较为成熟。

　　在聚合物MEMS器件封装领域,超声波联接技术的研究尚处于起步阶段, 2005年韦鹤[7]等对超声波焊接技术应用于微流控芯片的封装进行了仿真研究及可行性分析。2006年,R.Truckenm ller[8-9]等应用超声波联接技术实现微流控芯片的封装及微泵、微阀的组装。2009年Kmi Jongbaeg[10]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[11]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联接,接头处的承压能力为6bar。上述研究报导将超声波焊接技术拓展到了聚合物MEMS器件联接领域,验证该技术的可行性,但是对于器件微小化后引入的联接质量对输入能量的敏感性未加讨论和深入研究。

　　超声波联接技术在MEMS领域的应用中能量的提供至关重要。由于联接面积很小,超声波能量的少量过度会微器件的形变、坍塌以及微结构损坏;而能量不足又不能保证完整的密封。目前的超声波联接基本采用时间、压力、行程模式间接地反映施加的能量,而能量控制模式也是采用超声波振幅与时间的积分计算施加能量,因此上述方法在MEMS器件的联接中需要大量实验确定工艺参数,而不同零件切换时又需要重新实验。本文针对此问题设计了一种基于聚合物力学状态检测的超声波精密联接系统,在超声波联接系统中加入了反馈控制,通过对联接过程中压力的检测确定聚合物材料弹性模量迅速下降的时间点,并自动反馈作为控制超声波振动的信息。该方法以聚合物材料的力学性能作为控制点,较已有方法更为直接、实时地反映了聚合物在联接中的力学状态。