靜電誘導的高黏膠液微量分配技術與設備

徐 征，錢艷文，秦少春，王曉東，徐曉羽

（大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連116085）

1 引 言

基于高黏液態膠（黏度>1 Pa·s）的微量精密點膠廣泛應用于微小零件連接，是加速度計、陀螺儀等微小精密系統的關鍵裝配環節［1-3］。隨著微系統集成度的日益提高，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液體由微針流出，轉移到目標位置［4-5］，其分配膠量通過控制驅動力和作用時間調節。然而，高黏膠管式注射體系的流阻極高，易出現流動不暢和堵塞問題，需要通過改變驅動方式、提高溫度和優化吐膠結構等實現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。生產中仍大量依賴工人手工取膠和點膠，能效低，嚴重影響器件性能，亟待發展高黏膠微量轉移分配的新方法。

由電動流體力學理論可知：對介電液體施加電場力能誘導出界面極化電荷，進而產生電場力操縱微量液體運動［8］。靜電驅動的優勢在于：（1）電場力是微尺度下占優的表面力；（2）電極不需接觸液體本體，有效消除了黏附污染；（3）應用面廣，適合環氧基類膠液；（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加載與微力反饋轉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氧樹脂高黏膠為對象，計算分析了轉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指標，研制樣機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，利用靜電誘導極化力拖曳作用在膠膜-轉印頭間形成錐狀液橋，隨后液橋-轉印頭表面相接觸，以接觸電流突變信號為觸發，控制轉印頭向上運動拉斷液橋，實現膠液可控加載；（2）基于微力反饋的膠液轉移，控制轉印頭下降，與零件表面再次形成液橋，同時監測由壓膜流阻引起的轉印頭所受的Z向作用力，達到閾值力后觸發轉印頭快速上升拉斷液橋，最終將轉印頭上的膠滴轉移到零件表面。可見基于靜電作用加載的膠滴量對最終轉移到零件基底的膠量影響顯著。

圖1 基于靜電誘導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。假設膠液為介電物質，則電場力僅作用在膠液-空氣界面上，用麥克斯韋應力張量構建電場力，實現靜電-流動耦合計算。最終通過計算確定可控參量和關鍵技術指標。采用軸對稱坐標系建模，所用參數見表1。

表1 靜電加載模型的物理參數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。繼而液錐持續攀升，直至接觸轉印頭形成液橋。定義初始界面狀態轉印頭距膠面的初始高度為h0，設液橋接觸轉印頭底部0.1 s的浸潤半徑為初始浸潤半徑r0，之后為rw，轉印頭與極板間的電壓為U，電流為Im，拉斷液橋后轉印頭上取得的膠滴半徑為rl，膠滴體積為Vl，完成膠液轉移后的膠滴半徑為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

初步實驗發現：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。當h0為140μm、U為600 V時，浸潤半徑rw從62μm增加到89μm，對應的加載膠滴體積Vl由60 p L增至600 p L［13］。當膠膜厚度為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U為200 V和h0>100μm，液膜無法克服黏性約束形成液橋；當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，應選分辨率約為1μm的運動平臺控制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 浸潤半徑與監測電流的關系

當膠膜厚度為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U為600 V時，Im從1.12 nA增加至1.41 nA，rw從50μm增加至128μm。可根據Im的變化來確定轉印頭拉斷液橋，從而達到控制膠滴加載體積的目的，為滿足監測電流要求，應選用分辨率為皮安級的電流表。

圖4 浸潤半徑與監測電流的關系Fig.4 Relation between wetting radius and monitored current

前期對高黏液滴的轉印擠壓機理研究表明：將轉印頭上的膠滴轉移到零件上時，可以通過控制轉印力調整轉印率。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，當臨界接觸力從1 mN增加至5 mN時，膠滴的轉印率由46%線性增至82%［14］。因此，應選擇分辨率約為1 mN的力傳感器精確監測膠液轉移時的接觸力變化。

3 設備硬件組成

根據靜電加載膠滴的機理分析，通過調節初始高度、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的技術指標應能滿足上節要求的位控、電控和力控單元等。設備結構如圖5所示，包括精密定位模塊、微量移膠模塊、取膠臺和轉印臺。

圖5 微量膠液分配設備的整體結構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，以實現膠液的加載和轉移動作，選擇3軸精密移動機器人定位（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移位置。不銹鋼轉印頭直徑為0.4 mm，為保證轉印頭的端面平整度，將其安裝在機器人上進行原位研磨。選用Keithley精密電流表（范圍為20 fA～20 mA）實時監測靜電加載電流。

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的環氧樹脂膠樣品，一組典型的參數是：0.8 mL的膠液1 200 r/min持續60 s離心甩膠，得到600μm厚的膠膜。轉印臺用于放置待黏接零件，轉印臺內安裝的微力傳感器（范圍為0～2 000 mN，分辨率為1 mN）可測量膠液轉移時轉印頭或零件所受的接觸力。

4 控制流程設計與軟件實現

微量膠液加載和轉移的控制流程見圖6，主要步驟如下：

圖6 微量膠滴加載和轉移軟件控制流程及人機交互界面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，控制機器人移動使激光位移傳感器位于膠液上方進行陣列掃描，測得膠膜對應點的厚度。

（2）膠液加載。移動機器人使轉印頭位于膠液上方，在轉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印頭底部形成液橋，接觸瞬間電流變大，當達到電流閾值時觸發轉印頭上升拉斷液橋，完成膠液加載。

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

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

開發的程序包含系統管理、激光掃描、膠液加載及膠液轉移模塊。其中，系統管理模塊實現初始化、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；膠液加載模塊實現對轉印頭距離膠膜面的高度等調整；膠液轉移模塊實現轉移膠液等。

5 實驗及結果分析

圖7 （a）所示為開發的樣機，為驗證其性能，用環氧樹脂膠進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，膠液由平緩到出現液態錐，液態錐持續攀升直至接觸轉印頭，與仿真結果一致。當膠液接觸轉印頭后，電路中的電流持續升高，直至達到閾值電流時，觸發轉印頭上升拉斷液橋，完成膠液加載。圖7（d）為完成膠液轉移的膠點圖，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的關系曲線，如圖8所示。當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［14］），結果如圖9所示。當加載高度為100μm、轉印頭拉斷速度為0.12 mm/s、電流閾值It設置為1～6 nA時，rl從67μm增至130 μm，兩者近似呈線性關系；Vl從0.52 nL增至3.51 nL。可見，通過設置觸發拉斷液橋的電流閾值能夠對加載膠滴量進行調整。

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行力反饋轉印，獲得電流閾值It與轉印膠滴半徑rt及體積Vt的關系曲線，如圖10所示。當電流閾值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的條件下重復實驗20次，加載的膠滴半徑均值為80μm，體積均值為0.71 nL，轉移到零件表面的膠滴半徑均值為118μm，體積均值為0.56 nL，轉移膠滴半徑的一致性誤差約為4%。

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

6 結 論

本文計算分析了轉印頭距膠膜表面高度、觸發拉斷液橋的閾值電流信號等參數對高黏膠液加載和轉移的影響，確定了高黏膠液微量分配的技術指標，研制了微量膠液分配樣機，實現完整的膠液加載和轉移功能。以環氧樹脂膠為樣品，通過調整液膜-轉印頭之間的高度和觸發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；轉移膠滴半徑控制在96～193μm、體積控制在0.43～2.81 nL，轉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。