徐 征，錢艷文，秦少春，王曉東，徐曉羽

（大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116085）

1 引 言

基于高黏液態(tài)膠（黏度>1 Pa·s）的微量精密點膠廣泛應(yīng)用于微小零件連接，是加速度計、陀螺儀等微小精密系統(tǒng)的關(guān)鍵裝配環(huán)節(jié)［1-3］。隨著微系統(tǒng)集成度的日益提高，連接膠點所需要的分配體積由納升～微升量級減小至皮升～納升級。目前微注射是主要的膠液分配方式，它以高壓氣體等推動針筒內(nèi)液體由微針流出，轉(zhuǎn)移到目標(biāo)位置［4-5］，其分配膠量通過控制驅(qū)動力和作用時間調(diào)節(jié)。然而，高黏膠管式注射體系的流阻極高，易出現(xiàn)流動不暢和堵塞問題，需要通過改變驅(qū)動方式、提高溫度和優(yōu)化吐膠結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)特定場合的膠液微量分配［6-7］，但高黏流阻問題并未從根本上解決。生產(chǎn)中仍大量依賴工人手工取膠和點膠，能效低，嚴(yán)重影響器件性能，亟待發(fā)展高黏膠微量轉(zhuǎn)移分配的新方法。

由電動流體力學(xué)理論可知：對介電液體施加電場力能誘導(dǎo)出界面極化電荷，進(jìn)而產(chǎn)生電場力操縱微量液體運(yùn)動［8］。靜電驅(qū)動的優(yōu)勢在于：（1）電場力是微尺度下占優(yōu)的表面力；（2）電極不需接觸液體本體，有效消除了黏附污染；（3）應(yīng)用面廣，適合環(huán)氧基類膠液；（4）可控性好，易于集成。目前，基于靜電力操縱微量液體的報道有靜電涂覆［9］、靜電紡絲［10］、靜電成形［11］和靜電混合［12］等，但利用靜電力操縱高黏膠液分配的研究尚未見報道。

本課題組提出一種靜電誘導(dǎo)加載與微力反饋轉(zhuǎn)移作用的高黏膠液微量分配方法［13］，基于該方法本文選擇環(huán)氧樹脂高黏膠為對象，計算分析了轉(zhuǎn)印頭距離膠面的初始高度等對膠液加載量的影響，確定了微量高黏膠分配的技術(shù)指標(biāo)，研制樣機(jī)并實驗驗證了其有效性。

2 靜電加載膠滴的計算與分析

基于靜電誘導(dǎo)與力反饋的高黏膠液微量分配原理如圖1所示，分為兩步：（1）電拖曳膠液加載，利用靜電誘導(dǎo)極化力拖曳作用在膠膜-轉(zhuǎn)印頭間形成錐狀液橋，隨后液橋-轉(zhuǎn)印頭表面相接觸，以接觸電流突變信號為觸發(fā)，控制轉(zhuǎn)印頭向上運(yùn)動拉斷液橋，實現(xiàn)膠液可控加載；（2）基于微力反饋的膠液轉(zhuǎn)移，控制轉(zhuǎn)印頭下降，與零件表面再次形成液橋，同時監(jiān)測由壓膜流阻引起的轉(zhuǎn)印頭所受的Z向作用力，達(dá)到閾值力后觸發(fā)轉(zhuǎn)印頭快速上升拉斷液橋，最終將轉(zhuǎn)印頭上的膠滴轉(zhuǎn)移到零件表面?？梢娀陟o電作用加載的膠滴量對最終轉(zhuǎn)移到零件基底的膠量影響顯著。

圖1 基于靜電誘導(dǎo)與力反饋的高黏膠液微量分配原理Fig.1 Principle for high-viscous adhesive micro-dispensing based on electrostatic induction and force feedback

利用靜電力加載膠液的過程是微尺度下靜電場與兩相流的耦合作用。本文利用Comsol軟件進(jìn)行有限元計算：選擇層流模塊計算流動，選擇水平集兩相流模型計算膠液演變，用靜電方程描述電場分布。假設(shè)膠液為介電物質(zhì)，則電場力僅作用在膠液-空氣界面上，用麥克斯韋應(yīng)力張量構(gòu)建電場力，實現(xiàn)靜電-流動耦合計算。最終通過計算確定可控參量和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。采用軸對稱坐標(biāo)系建模，所用參數(shù)見表1。

表1 靜電加載模型的物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters for electrostatic droplet-loading

仿真計算效果如圖2所示。首先在電場力集成區(qū)域，初始平整的膠膜克服表面力和黏性阻力約束形成液錐。繼而液錐持續(xù)攀升，直至接觸轉(zhuǎn)印頭形成液橋。定義初始界面狀態(tài)轉(zhuǎn)印頭距膠面的初始高度為h0，設(shè)液橋接觸轉(zhuǎn)印頭底部0.1 s的浸潤半徑為初始浸潤半徑r0，之后為rw，轉(zhuǎn)印頭與極板間的電壓為U，電流為Im，拉斷液橋后轉(zhuǎn)印頭上取得的膠滴半徑為rl，膠滴體積為Vl，完成膠液轉(zhuǎn)移后的膠滴半徑為rt，膠滴體積為Vt。

圖2 靜電加載膠滴過程的計算仿真Fig.2 Simulation of electrostatic droplet-loading process

2.1 初始加載高度對初始浸潤半徑的影響

初步實驗發(fā)現(xiàn)：初始浸潤半徑r0決定了浸潤半徑rw的變化范圍，而浸潤半徑rw與加載膠滴體積Vl密切相關(guān)。當(dāng)h0為140μm、U為600 V時，浸潤半徑rw從62μm增加到89μm，對應(yīng)的加載膠滴體積Vl由60 p L增至600 p L［13］。當(dāng)膠膜厚度為600μm時，通過改變初始加載高度h0研究它對r0的影響。如圖3所示，初始加載高度h0由80 μm增加至130μm，r0均隨h0的增加而近似線性減小。當(dāng)U為200 V和h0>100μm，液膜無法克服黏性約束形成液橋；當(dāng)U為400 V，在h0由80 μm增至130μm時，r0由46μm減至15μm；而U為600 V，r0由64μm減至33μm。可見，初始浸潤半徑r0對初始加載高度h0敏感，為獲得合適的r0，應(yīng)選分辨率約為1μm的運(yùn)動平臺控制h0。

圖3 初始加載高度對初始浸潤半徑的影響Fig.3 Influence of initial loading height on initial wetting radius

2.2 浸潤半徑與監(jiān)測電流的關(guān)系

當(dāng)膠膜厚度為600μm、初始加載高度h0為100μm時，不同加載電壓U下浸潤半徑rw隨電流Im變化如圖4所示。浸潤半徑rw隨電流Im的增加而變大，近似呈線性。當(dāng)U為400 V時，Im從0.75 nA增至1.13 nA，rw從32μm線性增加至127μm；當(dāng)U為600 V時，Im從1.12 nA增加至1.41 nA，rw從50μm增加至128μm?？筛鶕?jù)Im的變化來確定轉(zhuǎn)印頭拉斷液橋，從而達(dá)到控制膠滴加載體積的目的，為滿足監(jiān)測電流要求，應(yīng)選用分辨率為皮安級的電流表。

圖4 浸潤半徑與監(jiān)測電流的關(guān)系Fig.4 Relation between wetting radius and monitored current

前期對高黏液滴的轉(zhuǎn)印擠壓機(jī)理研究表明：將轉(zhuǎn)印頭上的膠滴轉(zhuǎn)移到零件上時，可以通過控制轉(zhuǎn)印力調(diào)整轉(zhuǎn)印率。對于所用的高黏膠體系，在初始膠滴體積為150 p L的條件下，當(dāng)臨界接觸力從1 mN增加至5 mN時，膠滴的轉(zhuǎn)印率由46%線性增至82%［14］。因此，應(yīng)選擇分辨率約為1 mN的力傳感器精確監(jiān)測膠液轉(zhuǎn)移時的接觸力變化。

3 設(shè)備硬件組成

根據(jù)靜電加載膠滴的機(jī)理分析，通過調(diào)節(jié)初始高度、加載電壓和閾值電流等可控分配膠量，研制的微量膠液分配樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)能滿足上節(jié)要求的位控、電控和力控單元等。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括精密定位模塊、微量移膠模塊、取膠臺和轉(zhuǎn)印臺。

圖5 微量膠液分配設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Framework of adhesive micro-dispensing equip?ment

微量移膠模塊搭載在精密定位模塊上，以實現(xiàn)膠液的加載和轉(zhuǎn)移動作，選擇3軸精密移動機(jī)器人定位（YAMAHA，范圍為250 mm×250 mm×150 mm，分辨率為1μm）。微量移膠模塊由轉(zhuǎn)印頭、激光位移傳感器和顯微視覺裝置組成，激光位移傳感器（KEYENCE，分辨率為1.5 μm）用于膠滴加載前的膠膜測厚。顯微視覺裝置用于觀測和選定膠液轉(zhuǎn)移位置。不銹鋼轉(zhuǎn)印頭直徑為0.4 mm，為保證轉(zhuǎn)印頭的端面平整度，將其安裝在機(jī)器人上進(jìn)行原位研磨。選用Keithley精密電流表（范圍為20 fA～20 mA）實時監(jiān)測靜電加載電流。

在膠臺上放置鍍金硅片，金層作為靜電加載的底電極，膠膜通過離心旋涂制備，對于本文選用的黏度為300 Pa·s的環(huán)氧樹脂膠樣品，一組典型的參數(shù)是：0.8 mL的膠液1 200 r/min持續(xù)60 s離心甩膠，得到600μm厚的膠膜。轉(zhuǎn)印臺用于放置待黏接零件，轉(zhuǎn)印臺內(nèi)安裝的微力傳感器（范圍為0～2 000 mN，分辨率為1 mN）可測量膠液轉(zhuǎn)移時轉(zhuǎn)印頭或零件所受的接觸力。

4 控制流程設(shè)計與軟件實現(xiàn)

微量膠液加載和轉(zhuǎn)移的控制流程見圖6，主要步驟如下：

圖6 微量膠滴加載和轉(zhuǎn)移軟件控制流程及人機(jī)交互界面Fig.6 Control process and human-computer interaction interface of adhesive micro-dispensing loading and transferring software

（1）膠膜膜厚測量。將鍍金硅片上的膠液甩平后置于取膠臺上，控制機(jī)器人移動使激光位移傳感器位于膠液上方進(jìn)行陣列掃描，測得膠膜對應(yīng)點的厚度。

（2）膠液加載。移動機(jī)器人使轉(zhuǎn)印頭位于膠液上方，在轉(zhuǎn)印頭和鍍金硅片間加電，膠液在電場拖曳力作用下形成液錐，液錐逐漸攀升直至接觸轉(zhuǎn)印頭底部形成液橋，接觸瞬間電流變大，當(dāng)達(dá)到電流閾值時觸發(fā)轉(zhuǎn)印頭上升拉斷液橋，完成膠液加載。

（3）膠液轉(zhuǎn)移位置選定。將顯微視覺單元移動至待轉(zhuǎn)移膠液的零件上方獲取圖像，在圖像中用鼠標(biāo)點選位置，并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人坐標(biāo)。

（4）膠液轉(zhuǎn)移。將已加載膠滴的轉(zhuǎn)印頭移動至選定位置上方，控制轉(zhuǎn)印頭向零件靠近，轉(zhuǎn)印頭上的膠滴與零件基板接觸后，在轉(zhuǎn)印頭和零件之間再次形成液橋，并受轉(zhuǎn)印頭的擠壓而變形，同時監(jiān)測膠滴作用在基板的擠壓力F，當(dāng)接觸力達(dá)到閾值時觸發(fā)轉(zhuǎn)印頭向上運(yùn)動拉斷液橋，將膠滴轉(zhuǎn)移到零件表面。

開發(fā)的程序包含系統(tǒng)管理、激光掃描、膠液加載及膠液轉(zhuǎn)移模塊。其中，系統(tǒng)管理模塊實現(xiàn)初始化、界面更新和線程管理；激光掃描模塊用于激光位移傳感器掃描測膠厚；膠液加載模塊實現(xiàn)對轉(zhuǎn)印頭距離膠膜面的高度等調(diào)整；膠液轉(zhuǎn)移模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)移膠液等。

5 實驗及結(jié)果分析

圖7 （a）所示為開發(fā)的樣機(jī)，為驗證其性能，用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行微量膠液分配實驗，膠液黏度為300 Pa·s（22℃），膠膜厚度為600μm，施加電壓恒為400 V。靜電力加載膠液的過程如圖7（c）所示，膠液由平緩到出現(xiàn)液態(tài)錐，液態(tài)錐持續(xù)攀升直至接觸轉(zhuǎn)印頭，與仿真結(jié)果一致。當(dāng)膠液接觸轉(zhuǎn)印頭后，電路中的電流持續(xù)升高，直至達(dá)到閾值電流時，觸發(fā)轉(zhuǎn)印頭上升拉斷液橋，完成膠液加載。圖7（d）為完成膠液轉(zhuǎn)移的膠點圖，通過控制電流閾值完成不同加載體積膠滴的轉(zhuǎn)移。

圖7 微量膠液分配Fig.7 Adhesive micro-dispensing

在不同初始加載高度h0下進(jìn)行膠液加載實驗，獲得初始浸潤半徑r0與初始加載高度h0的關(guān)系曲線，如圖8所示。當(dāng)h0由80μm增加至130 μm時，r0由36μm減少至17μm，r0隨著h0的增大近似線性地減小。進(jìn)一步分析電流閾值It對加載膠滴半徑rl和體積Vl的影響（膠滴體積的計算方法詳見文獻(xiàn)［14］），結(jié)果如圖9所示。當(dāng)加載高度為100μm、轉(zhuǎn)印頭拉斷速度為0.12 mm/s、電流閾值It設(shè)置為1～6 nA時，rl從67μm增至130 μm，兩者近似呈線性關(guān)系；Vl從0.52 nL增至3.51 nL?？梢?，通過設(shè)置觸發(fā)拉斷液橋的電流閾值能夠?qū)虞d膠滴量進(jìn)行調(diào)整。

圖8 初始加載高度對初始浸潤半徑的影響Fig.8 Influence of initial loading height on initial wetting radius

圖9 閾值電流對加載膠滴尺寸的影響Fig.9 Influence of threshold current on size of loadeddrop

在接觸力閾值恒為5 mN的情況下，對不同電流閾值加載得到的膠滴進(jìn)行力反饋轉(zhuǎn)印，獲得電流閾值It與轉(zhuǎn)印膠滴半徑rt及體積Vt的關(guān)系曲線，如圖10所示。當(dāng)電流閾值It從1 nA增大至6 nA時，rt從96μm增加至193μm，兩者近似呈線性關(guān)系；Vt從0.43 nL增至2.81 nL。最后，在初始加載高度為100μm、電流閾值為2 nA、接觸力閾值為5 mN的條件下重復(fù)實驗20次，加載的膠滴半徑均值為80μm，體積均值為0.71 nL，轉(zhuǎn)移到零件表面的膠滴半徑均值為118μm，體積均值為0.56 nL，轉(zhuǎn)移膠滴半徑的一致性誤差約為4%。

圖10 閾值電流對轉(zhuǎn)移膠滴尺寸的影響Fig.10 Influence of threshold current on size of trans?ferred-drop

6 結(jié) 論

本文計算分析了轉(zhuǎn)印頭距膠膜表面高度、觸發(fā)拉斷液橋的閾值電流信號等參數(shù)對高黏膠液加載和轉(zhuǎn)移的影響，確定了高黏膠液微量分配的技術(shù)指標(biāo)，研制了微量膠液分配樣機(jī)，實現(xiàn)完整的膠液加載和轉(zhuǎn)移功能。以環(huán)氧樹脂膠為樣品，通過調(diào)整液膜-轉(zhuǎn)印頭之間的高度和觸發(fā)液橋拉斷的閾值電流，可將加載膠滴半徑控制在67～130μm、體積控制在0.52～3.51 nL；轉(zhuǎn)移膠滴半徑控制在96～193μm、體積控制在0.43～2.81 nL，轉(zhuǎn)移膠滴半徑的一致性誤差為4%。本文的研究成果為解決高黏膠液微量分配難題提供了新途徑。