专利名称：一种皮升级点胶装置及点胶方法
技术领域：
本发明属于微点胶技术领域，具体地说是一种能实现皮升级胶量的点胶装置与点胶方法。
背景技术：
微胶接技术是使用胶粘剂把金属、塑料、硅等不同材料制成的微型零件联接起来，并且零件表面不熔化的工艺。随着光刻等微小零件制作工艺的快速发展，微小零件的加工尺寸越来越小，点胶量也越来越小，如何能够获得与微小零件尺寸相匹配的皮升级微小胶滴是微胶接的关键技术之一。日本AIST机械工程实验室曾对生物领域用来向细胞内注射化学试剂的细胞注射器进行改进，利用毛细现象将胶体吸进毛细针尖的末端，根据胶量大小与针尖内胶液长度成正比的关系控制吸入胶体的多少，实现了点胶时不需要很精确的压力控制便可以实现对胶量大小的控制，并将其用于三维微装配中5微米球体之间的微胶接。但是，该方法上胶时必须在显微镜下观察胶液的高度，而且每次上胶后只能得到一个胶滴，多次点胶时需要反复上胶，工艺十分复杂。南京理工大学基于喷射原理设计了一种非接触式点样实验系统，得到了平均直径为326微米的样品点阵列。该方法的缺点是喷射时液滴方向不易控制，很难在微装配中将胶滴精确定位到指定位置。加拿大TOTonto大学曾加工出不同尺寸、端部带有方形储胶块的微探针，根据探针上储胶块的特征尺寸与蘸取胶量大小成正比的关系控制蘸取胶量，该形状的探针有效改善了蘸取胶体时爬山现象导致的胶量控制问题。该方法也是每次加胶后只能得到一个胶滴，需要反复加胶，点胶效率低。总之，虽然开展了微装配中的皮升(pL)级点胶的相关工作，但是现有技术还存在如下问题(I)需要反复上胶；(2)胶滴定位精度不高；(3)工艺复杂；(4)效率低下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的皮升级点胶装置点胶位置不准，工艺复杂，效率低下的问题。为解决上述技术问题，本发明提出一种点胶装置及其相应的点胶方法，点胶装置主要由智能显微摄像镜头、四自由度智能微操作仪、压力控制器和点胶针组件构成。智能显微摄像镜头对点胶针尖的位置和胶斑的直径进行实时检测，四自由度智能微操作仪控制点胶针尖的位置，压力控制器控制点胶时作用在胶液表面的压力值本发明是一种将显微视觉检测技术、微装配技术和微点胶技术结合起来的完整的、具有通用性和实用性的方法，可方便高效的实现人机协同的皮升级点胶作业。本发明的点胶装置所得到的最小胶斑尺寸可达到10微米，即皮升级。
图I为本发明的皮升级点胶装置的示意图；图2为本发明的皮升级点胶方法的工艺流程图。
具体实施例方式如前所述，本发明的目的在于提供一种能够满足微小零件装配中皮升级胶斑需求的点胶装置和点胶方法。本发明可用于MEMS制造中微小零件粘接时的皮升级点胶。本发明的点胶装置包括显微摄像镜头、微操作仪、压力控制器和点胶针组件。点胶针组件与压力控制器相连接，点胶针组件通过点胶针夹持器固定在微操作仪上，显微摄像镜头水平放置，点胶工件上的点胶位置位于显微摄像镜头的视场内。点胶针组件包括点胶针、点胶针夹持器、塑料软管。压力控制器具有一个气路出口，可与塑料软管进行快速插拔连接。点胶针的前端与点胶针夹持器的一端连接，点胶针夹持器的另一端与塑料软管的一端连接，塑料软管的另一端与压力控制器的气路出口相连接。点胶针夹持器通过机械方式固定在微操作仪上，使点胶针的末端(针尖)位于点胶工件上点胶位置附近。显微摄像镜头用于对点胶针组件的点胶针的位置和胶斑的直径进行在线检测。本发明的显微摄像镜头优选为智能显微摄像镜头，其能够连续变倍和自动调焦，并通过自动变倍和调焦，实现点胶针的针尖、点胶零件和胶斑的成像。显微摄像镜头水平放置，其光轴高度与点胶位置的高度基本上相同，以便点胶位置位于显微摄像镜头的视场内。微操作仪用于对点胶针组件的点胶针的位置进行调节。本发明的微操作仪优选为四自由度微操作仪，其具有三个移动自由度和一个旋转自由度，可用于调节点胶针的位置和角度，特别是点胶针的针尖位置及针尖的角度。并且，根据本发明的更优选的实施方式，微操作仪是一种由微处理器控制的四自由度智能微操作仪，其可通过编程实现对安装在其上的点胶针位置进行精确控制。压力控制器用于调节点胶针组件的点胶针内的胶液表面压力值，以便在点胶时胶液能以稳定的速度从点胶针尖流出。压力控制器由气泵和稳压阀等构成，优选为内含小型气泵的小体积集成压力控制器。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。图I为本发明的一个实施例的皮升级点胶装置的示意图。参见附图1，在实施例中，皮升级点胶装置包括智能显微摄像镜头I、四自由度智能微操作仪2、压力控制器3和点胶针组件4。在该实施例中，显微摄像镜头I选用Navitar公司的12倍金相变倍显微镜头，该镜头能够实现从11. 08倍到133. 25倍之间的自动连续变倍和自动调焦，该镜头所能达到的最小光学分辨率为O. 7微米，能够通过自动变倍和调焦，实现点胶针的针尖、点胶零件和胶斑的清晰成像，对采集到的图像进行目标识别和提取等处理，可实现对内径I微米以上的点胶针尖、点胶零件上的点胶位置和胶斑直径尺寸的自动识别和检测。根据本发明，点胶针优选为外径为I晕米，内径为O. 8晕米,长100晕米的管状玻璃针，拉制后的点胶针长约50毫米，前端外径仍为I毫米，末端内径为I微米到10微米之
4间。在该实施例中，采用使用拉针仪制作的末端内径从I微米到10微米各种尺寸的点胶针。在该实施例中，四自由度智能微操作仪2选用Sutter公司的MP-285，该操作仪具有XYZ三个移动自由度和一个旋转自由度，三个移动自由度的行程为25毫米，最小可驱动步长为O. 04微米。可通过编程实现对安装在其上的点胶针尖的位置进行精确控制，一个旋转自由度的行程为360度，可以调节点胶针与水平面之间的夹角大小。在该实施例中，压力控制器3选用Eppendorf公司的Femtojet细胞注射器,该注射器能够提供从O到6个标准大气压之间的压力值，并能保持压力稳定，在点胶时，可通过调节注射器面板上的压力值实现对点胶针内胶液表面压力值的调节。图2为本发明的皮升级点胶方法的工艺流程图。下面参照附图2描述本发明的点胶方法的工艺流程。工艺流程的步骤主要包括在所述点胶针中填充一定量的胶液；将点胶针组件安装固定到所述微操作仪上，根据点胶位置对点胶针的角度进行调节；使用所述显微摄像镜头搜索寻找所述点胶针的针尖，找到该针尖后，利用所述显微摄像镜头和所述微操作仪形成闭环视觉伺服，将所述针尖定位到点胶位置附近；调节所述压力控制器，使胶液从点胶针尖流出，并使用所述显微摄像镜头对胶斑的直径大小进行在线实时检测，当胶斑的直径接近预定值时，所述微操作仪驱动点胶针离开所述点胶位置，点胶终止。下面参照实施例进行具体说明首先，从拉制好的点胶针的前端往点胶针的末端填充一定量的胶液，添加胶液的液面以不溢出点胶针的末端为宜。接着，将点胶针的前端插入点胶针夹持器的一端，这时因为点胶针夹持器的另外一端已经与通过塑料软管与压力控制器相连接，所以这时点胶针与压力控制器已经连通。接着，将点胶针夹持器通过机械方式安装固定到四自由度微操作仪的安装面上，安装好后，可根据具体点胶位置对点胶针的角度进行手动调节。然后，使用显微摄像镜头搜索寻找点胶针尖，找到点胶针尖后，利用显微摄像镜头和微操作仪形成闭环视觉伺服，将点胶针尖定位到点胶位置附近。最后，调节压力控制器中的压力参数，使得胶液缓慢从点胶针尖流出，并使用显微摄像镜头对胶斑的直径大小进行在线实时检测，一旦胶斑的直径接近理想值时，微操作仪自动驱动点胶针离开点胶位置，点胶终止。通过实验发现，本发明的上述实施例能够实现最小胶斑直径为10微米的胶量控制。可见，本发明实施方便，能够方便快速、高精度的实现皮升级的点胶，可以满足微装配中皮升级胶量的需要。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种皮升级点胶装置，包括点胶针组件，点胶针组件包括点胶针，其特征在于，该装置还包括显微摄像镜头、微操作仪、压力控制器，其中，所述显微摄像镜头用于对所述点胶针组件的点胶针的位置和胶斑的直径进行在线检测；所述微操作仪用于调节点胶针的位置和角度；所述压力控制器用于在点胶针内的胶液表面施加一个可调节的稳定压力值，以便在点胶时胶液能以稳定的速度从点胶针的针尖流出。
2.如权利要求I所述的皮升级点胶装置，其特征在于，所述点胶针组件与所述压力控制器相连接，点胶针组件固定在所述微操作仪上，所述显微摄像镜头水平放置。
3.如权利要求2所述的皮升级点胶装置，其特征在于，所述点胶针组件还包括点胶针夹持器和塑料软管；所述压力控制器具有一个气路出口，可与塑料软管进行快速插拔连接；所述点胶针的前端与点胶针夹持器的一端连接，点胶针夹持器的另一端与塑料软管的一端连接，塑料软管的另一端与压力控制器的气路出口相连接；点胶针夹持器通过机械方式固定在微操作仪上。
4.如权利要求3所述的皮升级点胶装置，其特征在于，所述点胶针为管状玻璃针，点胶针长50毫米，前端外径为I毫米，末端内径为I微米到10微米。
5.如权利要求2所述的皮升级点胶装置，其特征在于，所述显微摄像镜头为智能显微摄像镜头，其能够连续变倍和自动调焦，并通过自动变倍和调焦，实现点胶针的针尖、点胶零件和胶斑的成像。
6.如权利要求2所述的皮升级点胶装置，其特征在于，所述微操作仪为四自由度微操作仪，其具有三个移动自由度和一个旋转自由度，用于调节点胶针的位置和角度。所述微操作仪是智能微操作仪，其由微处理器控制，并可通过编程实现对安装在其上的点胶针位置进行控制。所述微操作仪的三个移动自由度的行程为25毫米，最小可驱动步长为O. 04微米。
7.如权利要求2所述的皮升级点胶装置，其特征在于，所述压力控制器可提供从O到50千帕之间任意压力的空气,并可对压力大小进行调节和稳定控制。
8.一种皮升级点胶方法，其特征在于，使用如权利要求1-7中任一项所述的皮升级点胶装置进行点胶。
9.如权利要求10所述的皮升级点胶方法，其特征在于，包括如下步骤在所述点胶针中填充一定量的胶液；将点胶针组件安装固定到所述微操作仪上，根据点胶位置对点胶针的角度进行调节；使用所述显微摄像镜头搜索寻找所述点胶针的针尖，找到该针尖后，利用所述显微摄像镜头和所述微操作仪形成闭环视觉伺服，将所述针尖定位到点胶位置附近；调节所述压力控制器，使胶液从点胶针尖流出，并使用所述显微摄像镜头对胶斑的直径大小进行在线实时检测，当胶斑的直径接近预定值时，所述微操作仪驱动点胶针离开所述点胶位置，点胶终止。
全文摘要
本发明公开了一种皮升级点胶装置及点胶方法，装置主要由智能显微摄像镜头、四自由度智能微操作仪、压力控制器和点胶针组件构成。智能显微摄像镜头对点胶针尖的位置和胶斑的直径进行实时检测，四自由度智能微操作仪控制点胶针尖的位置，压力控制器控制点胶时作用在胶液表面的压力值，点胶针组件包括点胶针，点胶针采用末端内径1微米到10微米的点胶针。本发明能够实现皮升级胶量的点胶作业，胶斑直径最小达到10微米，并且上胶容易、一次上胶后可重复点出多个胶滴，具有很高的成功率。
文档编号B05C5/00GK102921597SQ20121045704
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者史亚莉, 李福东, 张正涛, 徐德 申请人:中国科学院自动化研究所