● 摘要
微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）技术是近二十年发展起来的一个新兴技术领域。微机电系统具有体积小、重量轻、功能丰富以及批量生产成本低等特点，在民用和军用领域具有广泛的应用前景和潜力。早期的微机电系统产品多在实验室中制造，结构简单，加工工艺比较单一。当需要进行装配操作时，这项工作多由人工完成。随着MEMS 研究的持续和深入，单一材料、单一工艺的MEMS器件已经远远不能满足需求，将不同材料、不同加工工艺制作的MEMS 器件，按模块组合装配成一个完整的、能够执行特定功能的微型系统是当前微机电系统的发展趋势。因此微装配技术的重要性日益突出，已成为微机电系统的关键技术之一。除了必要的装配机器和操作手外，连接技术是整个装配过程中的核心部分。目前，各国科学界正在研究的微连接技术有固相键合技术、微焊接技术和微胶接技术等。固相键合和微焊接技术对微零件的材料有很强的挑剔性，通常只适用于连接由同一种或同一类材料构成的零件。而且两者的加工温度都高达几百摄氏度以上，要求微零件有很强的耐高温能力。这些缺点限制了它们在微连接中的广泛应用。微胶接技术是近10 年发展起来的微连接技术，具有低的连接温度、均匀的应力分布、可方便进行异种材料连接、以及易于实现附加功能等其它连接技术无法比拟的优点，正受到人们越来越多的重视。胶接技术用于微装配主要有两个技术难点，即胶滴体积的不稳定和胶滴的溢出。由于微零件的尺寸微小，微胶接对胶粘剂的体积有非常严格的要求，通常在纳升甚至皮升范围内。胶粘剂一般为非牛顿流体，具有流变性，其粘度会随着体内压强或流速的改变以及时间的推移而变化。这使得在相同的点胶参数下，生成胶滴的体积无法精确控制。胶滴体积的微小波动都有可能引起胶滴的过量，致使装配失败。胶滴的溢出是指连接时对零件施加的压力很容易将胶滴挤压出指定的胶接区域。胶滴溢出胶接区最直接的后果就是污染需要保持清洁的微零件功能区表面。当胶粘剂在微零件表面间由于表面张力而流动时，也会带动微零件漂移，从而引起微零件的位置误差。胶滴的溢出也会引起胶层的厚度不均，从而导致微零件的倾斜。目前的微胶接研究主要限于如何精确、可重复地生成微小体积的胶粘剂，以及利用毛细现象使胶粘剂渗入难以到达的胶接面等方面。本论文以作者在德国布伦瑞克工业大学机床与制造技术研究所留学期间参与的科研课题为背景，以微零件胶接区的表面结构为研究对象，提出利用表面结构解决上述技术难点的思路，并进行实验。论文主要的创新性内容如下：提出一种胶接区表面结构形式—— 凹槽结构，并进行实验。凹槽结构利用蚀刻技术加工，其底面为点胶面。点胶完成后，胶滴在凹槽底面中心形成一球缺，连接后胶滴被压回凹槽并润湿上零件表面。当胶滴在上下表面润湿面的最外缘不接触凹槽槽壁时，胶滴就被限制在凹槽结构内，胶滴的溢出得到很好的控制。凹槽的深度可以抵消胶层厚度对零件的影响，保证试件之间实现面面接触。由于凹槽容积相对胶滴的体积要大很多，凹槽结构允许胶滴体积在一定范围内波动，具有“容错性”。提出另一种胶接区表面结构形式—— 胶滴自居中结构，并进行实验。胶滴自居中结构能够避免点胶位置偏差引起的胶滴溢出凹槽的现象，使位于结构边缘的胶滴具有自动趋向结构中心的功能。胶滴自居中结构是在凹槽结构内增加凸台，以限制胶滴向凸台以外方向的运动。为了增加居中运动的速度，还在凸台表面增加沟渠结构。实验结果表明，沟渠能够明显提高胶滴自居中运动的速度，沟渠越窄，胶滴的运动速度越快。自居中结构在降低试件的高度和倾斜方面与凹槽结构效果相同，但前者胶层的剪切强度略高于后者。对胶滴自居中运动的不同研究方法进行尝试，包括实验数据统计、仿真和理论建模等。这些研究方法可以为自居中结构的设计提供帮助。胶滴在带有沟渠的凸台表面的运动分为高速和低速两个阶段。高速阶段从点胶完成开始，持续8-10s 结束，可以明显观察到胶滴整体液面的前进。这一阶段包含润湿运动和毛细运动两种形式。扩展距离大致与扩展时间的0.1 次方成线性关系。胶滴在带有沟渠的凸台表面的扩展距离相对于无沟渠的凸台表面情况有一偏移量，该偏移量与所实验沟渠的宽度有关，沟渠越窄，偏移量越大。在低速阶段，润湿运动基本停止，毛细运动是主要的运动形式，它使得沟渠中的胶滴继续向前运动一微小的位移，进一步降低其在凸台表面的表观接触角，使胶滴更好地润湿凸台表面。