1 / 11 大连理工大学研究生试卷系别： 机械工程学院课程名称：微制造与微机械电子系统学号： 21304203 姓名：纪潇考试时间： 2018 年 1 月 13 日类别标准分数实得分数平时成绩10 作业成绩90 总分100 授课教师刘冲签字精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 11 页2 / 11 聚合物微纳器件超声波焊接技术研究现状纪潇 Abstract：As the polymer material is used in the MEMS field more widely,sealing the polymer micro-nano devices produced bypolymer materials will become a key technology in MEMS manufacture. There are various disadvantages and limitations of conventional sealing methods of polymer micro-nano devices. Owing tomanymeritsofthePlastic ultrasonicweldingtechnology, thenovelapproachhasgainedunceasingdevelopmentandapplicationintheMEMSresearchfieldinrecentyears, andwillbecomeaneffectivetechnologicalapproachtosolvethepresent problemofthebondingfor polymer micro-nano components. This paper gives a brier introduction to the ultrasonic welding technology of polymer micro-nano devices and overviews of its current situation and development trend. Key words：Polymer micro-nano devices ；ultrasonic welding 0 背景微机电系统 MicroElectroMechanicalSystem ，MEMS ）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。由于聚合物材料具有种类繁多、耐氧化、耐腐蚀、易成形、熔点低、导电率低、抗冲击性能好等优点，其在MEMS 制造领域的优势己经逐渐显现。聚合物材料逐渐取代玻璃、石英、硅等材料，己经广泛应用于微流控生物芯片、微型燃料电池、微阀、微泵等精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 11 页3 / 11 MEMS器件的制造1。聚合物微纳器件具有质量轻、体积小、抗腐蚀、绝缘性能好、尺寸一致性好、成形效率高等优点，在航空航天、精密仪器、生物与基因工程、生命科学、医药工程、信息通讯、环境工程和军事等领域，尤其是微光学器件和生物分析芯片领域，有着广阔的应用前景2。尽管聚合物微纳器件在MEMS 领域得到了广泛的应用，但目前其主要的封接技术却在适用性、制作质量和效率等方面存在问题和局限性，成为目前制约聚合物MEMS 技术发展的瓶颈问题3。聚合物的联接是实现微器件精密联接过程的重要一环，在产业化的过程中，聚合物微纳器件的联接技术一直是批量化生产中的关键问题，例如在聚合物微流控芯片的制作中，基片与盖片的封接形成封闭的微通道网络；微阀、微泵等功能器件及其它各种聚合物微器件的封接及在MEMS 系统上的集成等4。目前应用于聚合物微纳器件的封接方法主要有胶粘接、溶剂联接、激光焊接、微波焊接、直接热键合、等离子体辅助热键合等。其中胶粘接与溶剂联接由于胶粘剂和溶剂的引入对联接质量及精度产生影响，为后续的实验应用造成了一定的不便，甚至会影响实验的分析结果，另外，粘接工艺需要复杂的表面处理，生产率相对较低；激光焊接与微波焊接要求待联接器件材料本身能够吸收激光和微波辐射能量，此条件限制了对微纳器件材料的选择，目前通常采用在表面植入激光或微波吸收剂，但此方法也在一定程度上增加了工艺的复杂性；热键合则存在着键合效率低，基片整体加热温度在材料的玻璃转化温度左右，容易引起基片变形等缺点。上述联接技术在生物适用性、兼容性、制作质量、效率等方面存在着各自的问题及局限性，制约着聚合物微纳制造技术的发展。近年来在聚合物焊接领域得到广泛应用的超声波焊接技术具有联接效率高、不引入中间介质、绿色环保、适合于自动化批量制作等优点，使其成为解决聚合物微纳器件封接问题的一个重要方法。1 聚合物超声波焊接技术研究现状1.1 超声波焊接技术简介超声波焊接技术是利用超声波频率超过 20kHz）的机械振动能量，转化为待焊接器件的热能，使器件接触表面熔融，从而连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷的特殊焊接方法。自 1958 年在一次实验中偶然发现了超声波的焊接能力以来，超声焊接技术以其不引入外部材料、生产成本低、生产效率高、精度保证高、均匀性高和使用方便等优点而被广泛应用于同种或不同材料: 4403-4419 2孙屹博面向聚合物微流控器件的超声波精密联接技术研究D 大连理工大学，2018 SUN Yibo StudyofultrasonicprecisebondingforpolymermicrofluidicdevicesDDalian University of Technology , 20183冯余其聚合物微器件超声波联接机理与方法研究D 大连理工大学， 2018FENG Yuqi Researchon bonding mechanismand processing methodof ultrasonic weldingfor polymer micro componentsDDalian University of Technology, 2018 4张苗苗阵列微结构对微器件超声波精密封接的影响D大连理工大学， 2018ZHANG Miaomiao Micro energy director arrayfor precise ultrasonic sealing of polymer micro device D Dalian University of Technology, 2018 5 Brodyanski A, Born C, Kopnarski M Nm-scale resolution studies of the bond interface between ultrasonically welded Al-alloys by an analytical TEM: a path to comprehend bonding phenomena?J Applied surface science, 2005, 252(1: 94-976张彦国聚合物微流控芯片超声波熔融键合技术研究D大连理工大学，2009ZHANG Yanguo Ultrasonic fusion bondingfor polymer microfluidic chips D Dalian University of Technology，2009精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 11 页10 / 11 7弗兰茨阿贝尔 (FAbel，孟宪知 (译塑料超声波焊接J焊接 1999(6:30-33FAbel Ultrasonic plastic weldingJ Welding 1999(6:30-338孙强义，辛乐超声塑焊技术的发展J声学技术 1994，(4:149-150 SUN Qiangyi, XIN Le Development ofultrasonic plastic welding technology JAcoustic Technology1994，(4:149-150. 9Masuzawa N, Ohdaira E Information contained in the radiating ultrasound during ultrasonic weldingJ Ultrasonics, 2000, 38(1: 609-613 10杨士勤，阎久春超声波塑料焊机的能量控制模式J焊接学报， 1995， 16(2: 118-123 YANG Shiqin, YAN Jiuchun Energy-controlled mode of ultrasonic plastic welderJ HanJie XueBao ，1995， 16(2: 118-12311田修波，杨士勤超声波塑料焊机的气动加压系统J焊接， 1996 (10: 16-19 TIAN Xiubo, YANG ShiqinPneumatic pressure system of ultrasonic plastic welding machineJWelding，1996 (10: 16-19 12田修波，杨士勤压力可变的超声波塑料焊机J电焊机， 1999， 29(12: 14-17TIAN Xiubo, YANG ShiqinPressure-variable ultrasonic plastic welderJ Welder， 1999， 29(12: 14-1713董震，顾洪涛超声波塑料焊接过程场学系统电参数的检测J哈尔滨工业大学学报， 1999， 31(6: 5-8DONG Zhen, GU Hongtao Measurement of ultrasonicelectric signals of acoustic system during ultrasonicplastic weldingJ Journal of Harbin Institute of Technology ， 1999， 31(6: 5-8 14侯旭超声波塑料焊接工艺参数的研究D 哈尔滨工业大学， 2001HOU Xu Process parameters study ofultrasonic plastic welding D Harbin Institute of Technology，200115刘川超声波塑料焊接机理和工艺实验研究J大连理工大学， 2003LIU Chuan Mechanism and process study ofultrasonic plastic welding J Dalian University of Technology ，200316 韦鹤，王晓东，刘冲，等塑料微流控芯片的超声波焊接键合的仿真J中国机械工程，2005，16(z1WEI He, WANG Xiaodong, LIU Chong Bonding simulation of ultrasonic welding method for plastic microfluidic chipJ China Mechanical Engineering ， 2005， 16(z117 Truckenm ller R, Cheng Y, Ahrens R, et al Micro ultrasonic welding: joining of chemically inert polymer microparts for single material fluidic components and systemsJ Microsystem technologies, 2006, 12(10-11: 1027-102918Kim J, Jeong B, Chiao M, et alUltrasonic bonding for MEMS sealing and packagingJ Advanced Packaging, IEEE Transactions on, 2009, 32(2: 461-467 19Ng S H, Wang Z F, de Rooij N F Microfluidic connectors by ultrasonic weldingJ Microelectronic Engineering, 2009, 86(4: 1354-1357 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 11 页11 / 11 20孙屹博，罗怡，王晓东聚合物微器件压力自适应超声波精密联接J光学精密工程，2018， 18(5: 1189SUN Yibo, LUO Yi, WANG XiaodongUltrasonic precise bonding for polymer micro device based on adaptive pressure control JOptics and Precision Engineering， 2018， 18(5: 118921罗怡，张苗苗，孙屹博，等面向聚合物微器件超声波精密封接的阵列微导能结构J光学精密工程，2018， 19(4LUO YI, ZHANG Miaomiao, SUN Yibo, etcMicro energy director array for ultrasonic precise sealing of polymer MEMS divice J Optics and Precision Engineering ， 2018， 19(422罗怡，何盛强，王晓东聚合物多层微流控芯片超声波键合界面温度研究J材料科学与工艺，2018，1: 019LUO Yi, HE Shengqiang, WANG XiaodongInterfacial temperature study of multi-layer ultrasonic bonding for polymer microfluidic chip JMaterials Science & Technology ，2018， 1: 019精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 11 页