（机械电子工程专业论文）含柔性放大臂的超磁致伸缩高速点胶阀研究.pdf

原创性声明 f i l ll r fer l li i r lii l ll t r r l l l l y 19 15 2 6 5 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：础牟年丘月巫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名 导师签名盟日期：童坐上月显日 摘要 喷射点胶是一种非接触式点胶技术，具有传统的接触式点胶技术 无法比拟的优势，逐渐成为微电子封装领域的主流点胶技术。超磁致 伸缩材料( g m m ) 是一种新型的功能材料，在外界磁场的作用下可 以产生较大的应变，常被用来制作微位移驱动器。本文在前人的研究 基础上，对一种新型的超磁致伸缩驱动的喷射点胶阀做了优化。本文 的主要研究工作如下： 1 - 建立了点胶阀的数学模型和仿真模型，实测数据和仿真数据的 对比结果说明了仿真模型能较为准确地反映点胶阀的实际工作情况； 2 对点胶阀的励磁线圈和柔性铰链放大臂做了优化设计，介绍了 线圈的设计方法，开发了线圈设计软件。对柔性铰链放大臂的结构做 了改进，对比了前后两种放大臂的受力状态，分别给出了两种放大臂 柔性铰链的强度校核方法并做了校核对比。 3 对点胶阀的动态性能进行了实验研究。通过对点胶阀喷针位移 曲线的分析，发现了点胶阀存在的问题，提出了喷针位置的调整方法， 解决了先前点胶阀不能稳定将胶液喷出的问题，使点胶阀的性能有了 较为明显的改善，并使点胶阀的稳定工作频率从原先的3 5 h z 提高到了 目前的2 0 0 h z 以上。 4 对点胶工艺开展了探索性的实验，研究了控制信号高压时间、 驱动电流及供胶压力对胶点尺寸的影响，用高速摄像系统观察了胶液 喷射过程，展示了几种基本点胶图案的效果。 关键词：喷射点胶，点胶阀，超磁致伸缩，点胶工艺 本课题得到国家8 6 3 项目( 2 7 儿0 4 2 3 5 0 ) 资助 a b s t r a c t j e td i s p e n s i n gi san o n - c o n t a c td i s p e n s i n gt e c h n o l o g y i th a ss o m e i n h e r e n ta d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a lc o n t a c td i s p e n s i n gt e c h n o l o g y g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ( g m m ) i san e wf u n c t i o n a lm a t e r i a la n du s u a l l y u s e do nm i c r o - d i s p l a c e m e n ta c t u a t o r , o nt h eb a s i so fo t h e r sr e s e a r c h ，t h i s p a p e rd os o m eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho naj e td i s p e n s e rd r i v e nb yg i a n t m a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r t h em a i nr e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed i s p e n s e r sm a t h e m a t i c sm o d e la n de m u l a t i o n a lm o d e la r e e s t a b l i s h e d t h ec o m p a r i s o no fm e a s u r e dd a t aa n ds i m u l a t i o nd a t a d e m o n s t r a t e st h a tt h em o d e lc a nc o r r e c t l yr e f l e c tt h ed i s p e n s e r sa c t u a l w o r k i n gs i t u a t i o n 2 t h ec o i la n dl e v e rw i t hf l e x u r eh i n g ei sd e s i g n e da n do p t i m i z e d t h ed e s i g nm e t h o do ft h ec o i li si n t r o d u c e da n das o f t w a r eu s e dt od e s i g n t h ec o i li sd e v e l o p e d t h es t r u c t u r eo ft h el e v e rw i t hf l e x u r eh i n g ei s i m p r o v e d ，t h es t r a i n e dc o n d i t i o nc o n t r a s to ft h ef o r m e ra n dc u r r e n tl e v e r s i sp r e s e n t e d ，t h em e c h a n i c a ls t r e n g t hc h e c k i n gm e t h o d so ft h et w ol e v e r s a r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l ya n dt h ec h e c k i n ge x a m p l e sa r eg i v e n 3 e x p e r i m e n t so nt h ed i s p e n s e r sd y n a m i c si sc a r r i e do u t t h r o u g h a n a l y s i n g t h e d i s p l a c e m e n t c u r v eo ft h e d i s p e n s e r sn e e d l e ，s o m e p r o b l e m sa r ef o u n d ，s o m em e t h o d so nr e l o c a t i n gt h en e e d l ea r ep r e s e n t e d ， t h ep r o b l e mt h a tt h ed i s p e n s e rc a n tj e ts t e a d i l yi ss o l v e dp e r f e c t l y , t h e d i s p e n s e r sp e r f o r m a n c ei si m p r o v e do b v i o u s l y , t h ed i s p e n s e r sw o r k i n g f r e q u e n c yh a sb e e np r o m o t e dt oa b o v e2 0 0 h zf r o mp r e v i o u s35 h z 4 s o m eg r o p i n ge x p e r i m e n t so n d i s p e n s i n gi n d u s t r i a la r ta r ec a r r i e d o u t t h ed i f f e r e n c e st ot h es i z eo ft h ef l u i dd o t sm a d eb yp u l s ew i d t ho f c o n t r o ls i g n a l ，d r i v i n gc u r r e n ta n dg a sp r e s s u r ea r er e s e a r c h e d ，t h ef l u i d j e t t i n gp r o c e s si so b s e r v e du n d e rt h eh e l po ft h eh i g hf r a m ev i s i o ns y s t e m ， s o m eb a s i cp a t t e r n sd i s p e n s e da r es h o w n k e y w o r d s ：j e t ，d i s p e n s e r , m a g n e t o s t r i c t i v e ，d i s p e n s i n gi n d u s t r i a la r t t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l8 6 3p r o g r a mo f c h i n a ( c r a mn o 2 0 0 7 a a 0 4 2 3 5 0 ) i i 摘要兽。i a b s t r a c t 目录。i 第一章绪论1 1 1 、引言1 1 2 、流体点胶技术简介l 1 2 1 、点胶的作用与应用1 1 2 2 、点胶的分类l 1 3 、喷射点胶技术2 1 3 1 、喷射点胶技术的优势2 1 3 2 、喷射点胶技术的发展现状与趋势3 1 4 、超磁致伸缩材料及驱动器3 1 4 1 、磁致伸缩现象3 1 4 2 、超磁致伸缩材料及其性能4 1 4 3 、表征超磁致伸缩材料性能的几个关键参数5 1 4 4 、超磁敛伸缩驱动器的研究与应用现状7 1 5 、课题来源及研究意义7 1 6 、本章小结8 第二章点胶阀动态性能的建模与仿真。9 2 1 、点胶阀结构与工作原理9 2 2 、点胶阀数学模型和仿真模型构建1 0 2 2 1 、g m m 电磁力转换建模1 0 2 2 2 、机械动力学建模1 2 2 2 3 、流体动力学建模1 3 2 2 4 、仿真模型1 4 2 3 、仿真结果分析1 6 2 3 1 、仿真模型准确性验证。1 6 2 3 2 、供胶压力对喷胶量的影响的仿真分析1 7 2 3 3 、喷嘴半径对喷胶量的影响的仿真分析1 8 2 4 、本章小结1 9 第二章点胶阀线圈及放大臂的设计与优化2 0 3 1 、励磁线圈的设计与优化2 0 3 1 1 、励磁线圈的设计方法。2 0 3 1 2 、设计结果检验2 3 3 1 3 、线圈设计软件2 4 3 2 、柔性铰链放大臂的设计与优化2 4 3 2 1 、实验中放大臂出现的问题2 5 3 2 2 、柔性铰链转动刚度计算。2 5 3 2 3 、两种放大臂方案2 6 3 2 4 、放大臂强度校核2 8 3 3 、本章小结3 2 第四章点胶阀驱动系统设计3 3 4 1 、驱动系统方案设计3 3 4 1 1 、驱动系统功能及点胶阀对驱动系统的要求3 3 4 1 2 、几种驱动方案。3 5 4 1 - 3 、驱动系统部分软硬件介绍3 6 4 2 、m o s f e t 驱动电路设计3 7 4 2 1 、常用驱动电路简介3 7 4 2 2 、本文驱动电路设计3 8 4 3 、驱动系统软件开发。3 9 4 3 1 、软件结构体系4 0 4 3 2 、软件功能和特点介绍。4 l 4 4 、本章小结。4 2 第五章点胶阀动态性能的实验研究4 3 5 1 、喷针运动特性分析4 3 5 1 1 、数据测试方法及测试装置4 3 5 1 2 、喷针的动作滞后分析4 4 5 1 3 、对喷针位移曲线的基本分析。4 5 5 1 4 、对喷针速度曲线的基本分析。4 6 5 2 、驱动电流对喷针位移的影响的实验研究。4 7 5 3 、对点胶阀工作频率的探索实验4 9 5 3 1 、点胶阀的一个工作周期4 9 5 3 2 、最高工作频率4 9 5 4 、喷胶体积测量5 0 5 5 、本章小结51 第六章点胶 艺实验研究5 2 6 1 、点胶试验台概述5 2 6 1 1 、超磁致伸缩驱动的喷射点胶阀5 2 6 1 2 、三维运动平台5 2 6 1 3 、精密供压系统5 3 6 1 4 、机器视觉系统。5 3 6 1 5 、其它部分5 4 6 2 、改变胶点尺寸的实验研究5 4 6 2 1 、控制信号高压时间对胶点尺寸的影响分析5 4 6 2 2 、驱动电流对胶点尺寸的影响分析。5 5 6 2 3 、供胶压力对胶点尺寸的影响分析。5 6 6 3 、胶液喷射过程观测与分析5 7 6 4 、几种点胶图案。5 8 6 4 1 、点i 缂5 8 6 4 2 、直线与圆弧5 9 6 4 3 、路线规划6 0 6 4 、本章小结6 l 第七章总结与展望6 2 7 1 、全文总结6 2 7 2 、展望。6 3 参考文献。6 4 致谢。6 7 攻读硕士学位期间主要研究成果。6 8 第一章绪论 1 1 、引言 自1 9 4 7 年第一只晶体管诞生之日起，微电子封装的历史序幕也随之同时被 拉开了。在微电子、光电子的制造过程中，封装通常起着电源分配、信号分配、 散热通道、机械支撑、环境保护等作用。微电子、光电子工业的巨变，促进着封 装技术不断发展。流体点胶在微电子封装技术中扮演着一个重要的角色，点胶速 度、点胶质量上的不断突破推动着微电子封装技术的不断发展。喷射点胶足近几 年发展起来的一种新型的点胶技术。这是一种有别于传统接触式点胶技术的非接 触式点胶技术。喷射点胶具有生产效率高，可避免枕头污染和弯曲，可应用于更 紧凑窀间等优点，被认为是下一代点胶技术。 1 2 、流体点胶技术简介 1 2 1 、点胶的作用与应用 在微电子封装过程中，尽管封装样式多种多样，但微观上都是需要将极少量 的焊剂、导电胶等流体材料进行精确的分配。点胶是通过可控的方式，使流体材 料被精确分配在工件的合适位置以实现元器件之间机械或电气的连接和保护1 1 】。 流体点胶主要有以下几个作用： ( i ) 辅助作用，比如在制造过程中元件完全焊接前临时固定元件； ( 2 ) 减轻焊接部位的应力，防止电子连接的过早损坏； ( 3 ) 在结构卜起粘结作用，防止振动造成元件引线位置的移动； ( 4 ) 避免元件受外围环境的化学或物理危害。 流体点胶在现代制造业中应用广泛。现代微电子、光电子封装行业是流体点 胶技术最重要的应用场合，但不仅如此，其它诸如平板显示器制造、磁盘制造以 及许多需要密封的场合也部足点胶技术的用武之地。 1 2 2 、点胶的分类 随着微电子封装技术的发展，点胶技术日新月异，采用的胶水种类越来越多， 以适应越来越苛刻的封装要求。流体点胶技术按其工作原理可分为以下几种： ( 1 ) 时间压力式点胶。如图1 1 ( a ) 所示，该技术对气压进行时间上的控制， 使胶液从针管流出，从而实现点胶f 2 】。该方式结构简单，使用及维护方便，但效 率较低，一般最高也只有4 0 ，0 0 0 点每小时，而且随着点胶速度的提升，胶点一 致性难以保证。此外，随着针筒内胶量发生改变，也会使得胶点一致性下降。 生由厶鲎亟堂僮论塞箍：空绪：| 金 ( 2 ) 螺杆泵式点胶。其方式工作原理如图1 1 ( b ) 所示，它通过螺杆旋转带动 胶液从喷嘴流出从而完成点胶。该方式的优点是适用的胶液粘度范围广；可以通 过调节螺杆转速和针管直径来调节胶点尺寸：胶点均匀性好；可以产生胶点及线 条等图案；缺点是结构复杂，维护不便。 q 嚣 ( a ) 时间，雎力式 ( b ) 螺杆泵式 ( c ) 活塞式( d ) 喷射式 图1 i 各种点胶技术i ：作原理示意 ( 3 ) 活塞式点胶。该方式结构上采用了一个活塞，其工作原理见图i 1 ( c ) 。 这种方式实际上控制的是胶筒内的胶液体积而非压力，因此，对于不同粘度的胶 液，该方式点出的胶量能够保持相同。其优点是工作效率比时间一压力式和螺杆 泵式高；胶点体积不随粘度等胶液属性改变。缺点是不能方便调节胶点大小；不 适宜于含有较大微粒的胶液；只适合于滴点，不适合于画线或绘制轮廓图案。 ( 4 ) 喷射点胶。喷射点胶是最新发展起来的一种流体点胶技术，其原理是 通过向流体施加一个足够大的力使其被切断从而被喷出，如图1 1 ( d ) 所示。这种 技术并不依靠重力或表面张力来分离流体，因此点胶头不必再做垂直运动，点胶速 度也大大提高。该方式的最大优点是点胶速度快，缺点是适用的流体材料有限。 1 3 、喷射点胶技术 1 3 1 、喷射点胶技术的优势 喷射点胶是一种非接触式点胶技术，较之传统的接触式点胶技术，喷射点胶 具有很多无可比拟的优势，被认为是下一代的点胶技术。以美国a s y m t e k 公司 d j 9 0 0 0 系列喷射点胶阀为例，喷射点胶具有以f 优势： 点胶速度喷射点胶不需要z 轴移动，所需要的高度校准的工作量很少， 因此可以大大提高点胶速度，喷射频率高达2 0 0 h z 以上。 精密点胶一可产生很小的胶点，胶点直径可至0 2 5 m m ，体积可至l n l 。 非接触点胶一没有针管，喷嘴与工件不接触，可避免喷嘴对t 件造成划破 2 等损害。 1 3 2 、喷射点胶技术的发展现状与趋势 非接触式的喷射点胶目前尚处于发展阶段，美国的a s y m t e k 公司和日本的 m u s a s h l 公司足喷射点胶技术的先行者。 a s y m t e k 公司最新研发的d j 9 0 0 0 点胶阀采用气动系统和弹簧实现喷针的 往复高加速运动。d j 9 0 0 0 系列喷射点胶头能注入d n - 百微米的紧密空间，也 能在芯片内核的一边创造出小到宽度为三百微米的树脂嵌条。它将胶粘剂或者分 离成为小点，或者快速地连续产生小点从点胶喷嘴中形成直径1 0 0 微米的液体状 点胶流来进行点胶。最大循环频率2 0 0 h z 。 j e t m a s t e r 2 型1 接触式喷射点胶机是口本m u s a s h i 公司最新研发的喷 射点胶机，该型点胶机最大循环喷射频率达到2 7 0 h z ，喷射胶量小至o o l m g ， 由j ：附加了连续模式功能可实现画线点胶。 第一代的喷射阀是为表面贴装而研发，以后每一代喷射阀的在速度、精度、 胶点质量及材料的适应性方面都有明显改善。点胶系统其它设备的改进与喷射点 胶阀相得益彰，提高了点胶的效果和点胶系统的功能，使点胶精度更优于传统式 点胶。喷射点胶技术可以让设计者设计出更精密的电子产品。 在微电子和光电子封装领域，喷射点胶正成为一种主流的点胶技术。提高点 胶的效率和质量，降低操作的难度，降低成本是喷射点胶技术追求的目标。喷胶 点胶的工艺控制也在不断发展中，这将为用户带来更低的成本，更高的成品率和 产出率以及更好的质鼍【3 1 。 1 4 、超磁致伸缩材料及驱动器 1 4 1 、磁致伸缩现象 当磁性体处于外部磁场中时，磁性体的尺寸将发生变化，这种现象称为磁致 伸缩现象。此时，若磁性体尺寸增加，则称为正磁致伸缩；反之若磁性体尺寸减 小，则称为负磁致伸缩。当对磁性体施加外部压力时，磁性体的磁化状态会发生 变化，这种现象称为逆磁致伸缩现象【4 l 。 磁致伸缩现象的机理可用图l - 2 简单表示。磁性体中存在着大量的磁畴，这 些磁畴的自发方向不尽相同，因此尽管每个磁畴中原子的磁矩有序排列，在没有 外加磁场时，磁畴自发磁化引起的形变互相抵消，显示不出宏观效应。外加磁场 后，各个磁畴中的晶格体都转向外加磁场方向，使磁性体产生了宏观尺寸变化。 如果晶格体沿磁化方向形变伸长，则材料沿外磁场方向将伸长，反之则缩短f 5 ，6 1 。 3 、 退馥状态饱和磁化状态 图l - 2 磁致伸缩机理示意图 1 4 2 、超磁致伸缩材料及其性能 超磁致伸缩材料也称稀土特伏诺合金( t e r f e n o l - - d ) ，其化学成分是 碱砂h f e , 9 2 。化学成分不同，其日一占( 磁场一应变) 曲线也不同【4 1 。超磁致 伸缩材料具有一系列其它材料无可比拟的良好特性1 7 8 9 1 ： 表i - 1t c f f e n o l - - d 、n i 、p z t 的物理性能对比 性能参欲 r e r f e n o i dn ip z 甲 饱和磁致伸缩应变入。( 1 旷) 1 5 0 0 2 0 0 0| ol o o 一6 0 0 疆 动态磁致伸缩系散d | 五m a ) 1 ix i 0 40 3 ，t o 弹( i v ) 畦 机电4 盼系款 o 7 0 7 5o 3 o 4 5 一o 诺 性 能量密度( u ，0 ) 1 4 2 5 o ，o 6 5 1 0 能 能量转换效奉( ) , 4 9 5 69 2 3 一记 响应时阀( “s l约1 0 产弹性模量e ( 1 0 。p | )2 5 - 3 52 l4 6 6 擘 声速v ( m ，毒， 1 7 2 0 4 9 5 03 1 3 0 力 密度p 。( 簖甜 9 2 57 5 擘 抗拉强度m p a )2 87 6 性 抗压强度( m p 曩i7 0 0 聪 承技能力( m p a 2 0 4 磁 相对磁导率p 。5 i o 电 居里温度t c )3 8 0 5 0 0 1 3 0 一枷 热 电阻牵o q 锄)6 0 x l 矿 lx1 0 a 眭 热膨胀系数岱t o g ，1 2 l 乞92 9 能 ( 1 ) 伸缩系数大：可产生5 1 0 倍于压电陶瓷的应变。 ( 2 ) 输出力大：稀土超磁致伸缩材料能承受2 0 0 m p a 以上的压应力，而压 电陶瓷才4 m p a ，宏观表现为稀土超磁致伸缩材料输出力大，负载能力强。 ( 3 ) 机电耦合系数高：超磁致伸缩材料的机电耦合系数可达0 7 o 7 5 ，高 于压电陶瓷和其它磁致伸缩材料。 ( 4 ) 能量密度高：能量密度可达1 4 k j m 3 - - - 2 5 k j m 3 ，是压电陶瓷的1 0 - 2 5 倍，能量转换效率也高得多。 ( 5 ) 响应速度快：响应速度极高，且可重复性好。 4 生由厶鲎亟：堂僮途塞笙：童结i 金 ( 6 ) 町靠性高：超磁致伸缩材料不存存压电陶瓷中退极化引起的失效问题， 也不存在老化、疲劳等问题。当温度高于居里点时，超磁敛伸缩材料的磁敛伸缩 性能会受到严霞影响，但一旦温度下降，其性能又可以马上恢复。压电驱动器一 般需要数千伏的电压，容易出现电击穿，而超磁致伸缩驱动器只需低压驱动。 ( 7 ) 超磁致伸缩材料频率特性好，频带宽。 表1 1 列出了t e r f e n o l d 、n i 、雎电陶瓷( p z t ) 的性能对比1 1 0 l 。 1 4 3 、表征超磁致伸缩材料性能的几个关键参数 ( 1 ) 磁致伸缩系数五与饱和磁敛伸缩系数五 磁致伸缩系数兄定义如下： 名=型1(1-1) 式中址为g m m 的伸长( 缩短) 量，为g m m 原长。饱和磁致伸缩系数五表征 g m m 最大应变能力，定义如下： 以= 争 ( - - 2 ) 式中k 为g m m 的最大伸长( 缩短) 量，为g m m 原长。 ( 2 ) 杨氏模量e ， 杨氏t g i t e ，反映了材料的刚度特性。与普通结构材料不同，g m m 的杨氏模 量不再是常数，而是与边界条件等因素相关。最常用到的有两个杨氏模量： 髟= 矧 彬= 乱 ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) ( 3 ) 磁导率 磁导率反映了材料的磁化能力。与杨氏模量一样，g m m 的磁导率也不再 是常数，而是与边界条件等因素相关。最常用到的磁导率有两个： 肛筹l ( 1 - 5 ) 5 肛乳 ( i - 6 ) ( 4 ) 压磁系数( 动态磁致伸缩系数) 以，与逆动态磁致伸缩系数d ， 以，反映了g m m 的磁致伸缩量对磁场的敏感程度，也反映厂压磁效应对磁 场的敏感程度。定义为 ，d ei 如2 鬲l ( 1 7 ) 逆动态磁致伸缩系数以，则反映了压磁效应对压应力的敏感程度，定义为： 以，= 乳一 ( 5 ) 磁机耦合系数岛， 磁机祸合系数码，定义为： 输出机械能( 输出) 输出磁能( 输出) 岛，2 丽习丽玎丽2 丽丽而雁丽 ( 1 - 8 ) 磁机耦合系数岛，表征了g m m 内部磁能与机械( 弹性) 能之间的转换效率， 是g m m 的藿要性能参数，它与材料的机械运动方式有关1 1 1 。 橇 电 爨 口 蠢 k 赫 图i - 3 磁机耦合系数岛3 与h 、仃的关系 岛，表示磁致伸缩材料的纵向磁机耦合系数，基本上反映了材料的磁机耦合 特性。在实际的执行器应用中主要利用的是其纵向磁致伸缩效应，因此般丰要 关心其纵向磁机耦合系数岛， 1 2 a 3 1 。 6 生由厶堂亟堂僮淦塞箜二空结论 图l ，3 表示存磁场强度日和压应力盯的共同影响下磁机祸合系数的变化规 律。图中曲线表面对应每个压应力育一使磁机耦合系数最大的磁场强度。 1 4 - 4 、超磁致伸缩驱动器的研究与应用现状 我国足稀上资源的生产大国，但射超磁致伸缩材料及驱动器的研究却不及国 外。国外从上世纪7 0 年代便开始进行超磁致伸缩材料及驱动器的研究，而我国 从9 0 年代才开始进行相关研究。值得欣慰的是超磁致伸缩材料的研究受到了越 来越多的重视与支持，国内多所人学如清华人学、天津大学、浙江人学、中南大 学等都开展了稀土超磁致伸缩驱动器的研制开发。一些商业公司也开发了超磁致 伸缩驱动的产品，如甘肃天星稀土功能材料有限公司开发了商用化的超磁致伸缩 智能振动时效装置和高保真半面扬声器，该扬声器的核心装置是一个磁致伸缩卢 换能器。 另外，作为重要的国家战略资源，近年来稀土资源的开发和出口受到了政府 的控制和管理。 1 5 、课题来源及研究意义 本课题来源于国家8 6 3 项目“基于超磁致伸缩驱动的微量点胶系统研发”( 项 目编号：2 0 0 7 a a 0 4 2 3 5 0 ) 。 在紧凑空间实现纳升、亚纳升体积三维点胶是m e m s 封装和光电子封装对 点胶技术提出的新挑战。生产实践和研究表明，在紧凑空间内宜采用非接触式的 喷射点胶。为此，我们可以充分利用超磁致伸缩驱动的优点并将其应用于关键的 点胶执行器件，以开发更好的微量点胶技术。 对于气体驱动的喷射点胶系统，国际上已有受专利保护的产品，若重复开发 气动的喷射器，容易产生产权纠纷，且很难克服现有喷射器所具有的缺点。目前， 国内外部缺乏将超磁致伸缩驱动用于微量点胶的研究，我们力求通过此课题的研 究，开发出基于超磁致伸缩驱动的微量点胶技术，既能克服现有喷射点胶的缺点， 又能填补我国在微电子封装领域的技术空白。根据专利查新及其它大量资料研 究，国内外公开的专利技术报道中，未见有其它超磁致伸缩驱动的喷射器的专利 报道，本文所研究的基于超磁致伸缩驱动的喷射器已获得了专利保护。 此外，本课题研究需要综合运用智能材料科学、微驱动技术、控制科学与工 程、非牛顿流体动力学、力学、传热学等多学科知识，属于多学科交叉研究。基 于超磁致伸缩驱动的活塞泵和喷射器的微量点胶技术将有力地促进点胶技术的 自主创新和技术升级、促进m e m s 和光电子封装的封装技术的发展。与此同时， 也将有力地扩大磁致伸缩驱动的应用领域。 7 1 6 、本章小结 本章介绍了喷射点胶技术的发展背景，说明r 当自i 喷射点胶技术的优势及存 在的问题，介绍了超磁致伸缩材料的基本特性及超磁致伸缩驱动器的研究现状， 分析了将超磁敛伸缩材料应用于喷射点胶阀的可行性，阐述了本文的研究意义。 8 第二章点胶阀动态性能的建模与仿真 现代微电子封装技术的发展，推动着点胶技术向高频的方向发展，因此，要 设计出一个性能良好的点胶阀，对于其动态性能的研究是必不可少的。本章将建 立超磁致伸缩驱动的点胶阀的数学和仿真模型，对其动态特性进行仿真研究，同 时，将对点胶阀某些能反映其动态性能的参数进行实验研究，以此验证仿真模型 的正确性及辅助仿真模型的修改。 点胶阀仿真模型的建立和动态性能的研究能够指导点胶阀的结构优化，对于 提升点胶阀的工作性能具有重要意义。 2 1 、点胶阀结构与工作原理 超磁致伸缩驱动的喷射点胶阀结构示意如图2 1 所示。本设计中的超磁致伸 缩棒长度为6 0 m m ，点胶阀所要求的喷针位移为0 5 m m 左右，尽管超磁致伸缩材 料的磁致伸缩系数较大( 饱和磁致伸缩系数约为1 0 0 0 p p m ) ，但6 0 m m 长的超磁 致伸缩棒所能产生的位移对于点胶阀来说还是太小，因此设计中需要采取柔性放 大臂来对位移进行放大。 1 端盖2 励磁线圈3 超磁致伸缩棒4 壳体5 顶杆6 - 垫片7 - 柔性铰链放大臂 8 啦置调整螺母9 弹簧预压调整螺母l o 弹簧1 1 喷针1 2 - 压紧螺母1 3 基庵 图2 1 超磁致伸缩驱动的点胶阀结构简图 9 生由厶堂亟堂僮i 佥塞 亟三童直避凶线圈巫趑厶暨的途i 上生馑位 当励磁线圈中的驱动电流斤始上升时，磁场随之开始建讧，超磁致伸缩棒开 始伸长，通过柔性放大臂推动喷针上行，胶筒中的胶液通过胶液入口向下转移， 填充喷针上行所留下的空隙。当驱动电流开始下降时，磁场开始消退，超磁致伸 缩棒开始收缩，喷针在驱动弹簧的作用卜- 向f 运动从而将胶液喷出。 2 2 、点胶阀数学模型和仿真模型构建 点胶阀物理模型如图2 - 2 所示，可分为三部分：g m m 电磁力转换模型、 机械动力学模型和流体动力学模型。图2 2 中，( ，) 、r 、l 分别是线圈的 电流、匝数、电阻和电感，烈f ) 是线圈产生的磁通量，( f ) 是磁致伸缩力，( f ) 是等效液动力，x ( t ) 是喷针位移。 图2 - 2 喷射点胶阀物理模氆 2 2 1 、g m m 电一磁力转换建模 为简化模型，g m m 电磁力转换建模基于以下假设：( 1 ) 超磁致伸缩棒的 性能参数在工作过程中不随激励磁场和温度场变化；( 2 ) 由于超磁致伸缩棒长径 比较大，驱动线圈产生的磁场沿超磁致伸缩棒径向和轴向方向假定是均匀分布 的；( 3 ) 涡流效应仅影响超磁致伸缩棒的输出力和输出位移，忽略其对线圈激励 电流的抑制作用1 1 4 1 ) ( 4 ) 超磁致伸缩材料的响应时间在舢级，因此忽略超磁致 伸缩棒的响应与磁场间的延迟。 点胶阀工作时的驱动电流由功率放大器来提供，功率放大器被设置成电流源 模式，输入一个电压控制信号，即可得到一个输出电流。功率放大器是成熟产品， 其电流上升和下降时间都很小，因此，本节建立从电压控制信号到驱动电流的关 系时，将控制信号简单地乘以一个放大系数，即得到驱动电流： i ( t ) = v ( t ) 式中是放大系数，其单位是a v 。电磁学中磁动势( m m f ) 的定义为 ( 2 1 ) 1 0 m m f ( t ) = n l ( t ) m m f ( f ) ：如+ 如f 掣 d t 式中如为磁路磁阻，f 为涡流时闻常数，由式( 2 - 2 ) 和式( 2 3 ) 可得 m o ) ：如妒( f ) + r 。f d d - ( t ) a t 另外，磁场强度与磁通量的关系可用式( 2 5 ) 表示 即，= 老 ( 2 - 2 ) 式中膨为超磁致伸缩棒的相对磁导率，鳓为真空磁导率，& 一训为螺线管内圆面 积。 因此，驱动线圈所产生的磁场强度与输入电流的关系可由式( 2 4 ) 和式( 2 - 5 ) 综合得出。 为了得出磁场强度与超磁致伸缩棒麻变之间的关系，需要用到厂家提供的应 变测量数据。表2 1 是厂家提供的当预压力为0 3 m p a 时测得的应变数据。 表2 1 超磁致伸缩材料应变测量数据 磁场强度( k a m )应变( p p m )磁场强度( k a m )应变( p p m ) 0o 9 2 4 7 5 5 6 1 9 6 1 9 27 4 21 0 8 7 0 06 0 2 7 2 1 5 8 62 2 5 61 2 3 2 9 46 3 8 4 3 6 1 6 53 3 4 01 3 8 8 2 96 7 3 3 4 9 3 7 14 1 0 51 5 5 0 8 16 9 9 5 6 5 1 4 44 6 4 91 6 9 8 0 37 2 4 7 7 8 2 0 75 1 6 5 在s i m u l i n k 中，l o o k u p - t a b l e ( 查找表) 模块可以用来处理上述的数据表。 将l o o k u p t a b l e 的查找方法( l o o k - u pm e t h o d ) 设置为i n t e r p o l a t i o n e x t r a p o l a t i o n ( 内插值- 夕 插值) ，当查找表的输入数值恰好等于表2 - 1 中左边一列某数据时， 查找表输出与之对应的右边列的数据；当输入处于左边列某两个数据之间时， ) 钟 ) 仁 撕 ， ( 生由厶堂硇：堂僮淦塞筮：三茔壶膣圆线圈巫趑厶暨的邀i 曼优丝 输出的足利用右边列相应两个数据进行线性内插值得到的数据：当输入的数值小 于衷中左边列第一个数据或大于最后一个数据时，对右边列最前的两个数据或最 后的两个数据做线性外插值后再输出。图2 - 3 是l o o k u p - t a b l e 生成的超磁致伸缩 材料的磁伸曲线。 图2 - 3 磁伸曲线 设磁场强度与超磁致伸缩棒应变之间的关系用e ( h ) 表示，则超磁致伸缩棒 的输出力为 f ( f ) = e a e ( 1 7 ) ( 2 6 ) 式中e 为超磁致伸缩棒的弹性模量，彳为超磁致伸缩棒的横截面积。 综上，方程( 2 一1 ) 、( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 以及表2 - 1 建竟了g m m 电磁力 转换的模型。 2 2 2 、机械动力学建模 该部分建模旨在构建出喷针输出位移x ( f ) 与g m m 棒输出力f ( t ) 以及液动 力e ( f ) 之间的关系。机械动力学建模较为繁琐，可分为三部分：g m m 棒及项杆 部分，柔性放大臂部分，喷针及驱动弹簧部分。根据动力学知识，喷射点胶阀机 械动力学微分方程如下： ，谚x ( t ) + c wx o ) + k w x ( t ) = f ( ，) + f w o ) + 磊自矿 m e f f 、嘞分别是系统的等效质量、等效刚度和等效阻尼。 所谚= 丢c 三所g 删+ 小晰，+ 等c 三脚簧+ 针，+ 石1 厶 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 1 2 1 7 1k g m m + 等略簧+ 壶 ( 2 9 ) ，i 、厶是放大臂的两个参数( 如图2 - 1 ) ；所g 删、m 项扦、簧分别是超磁致伸缩 棒、顶杆和驱动弹簧的质量，勺= 了卅臂，i 是柔性放大臂的转动惯量，脚臂是放大 臂的质量；k 删、簧、b 6 1 分别是超磁致伸缩棒的刚度、驱动弹簧的刚度和 柔性放大臂的转角刚度。 系统等效阻尼的取值应依据经验和实验数据。 兄是等效液动力，其与胶液作用于喷针的力e 的关系为： = 等吒 协 f o 是等效弹簧压力，其与施加于喷针上的弹簧预压力昂的关系为： 一鲁昂 协 喷针下行的最后要与喷嘴碰撞，在仿真模型里将该碰撞当作弹性碰撞处理。 2 2 3 、流体动力学建模 由于胶液的高粘性，可以假设胶液流动时是层流。点胶过程分为两个阶段： 喷射阶段和填充阶段。喷射阶段是喷针往下运动将胶液从喷嘴喷射出的过程，填 充阶段是喷针往上运动时胶液填充喷针留下的空白空间的过程。 口 图2 4 喷针、基座、喷嘴结构 q 胶液在喷嘴中的速度分配规律由下式描述 1 7 1 8 , 1 9 l ： 1 3 l + i ，一 u ( t ， = 口( f ) ( 1 一y ) ( 2 1 2 ) 其中，u ( t ，力是在针管中无因次半径几y = 0 1 ) 处随时间变化的胶液流速，口( f ) 是 针管中心处的流速，可由下式求得【：o ，2 1 2 2 ，2 3 l ： 丝l s o z 一面2 k ( 1 + l n 黼脚百d a ( t ) ( 2 _ 1 3 ) 其中，只为喷针底部附近胶液的平均压力，只为大气压力。d z 和r d z 分别为 喷嘴长度和半径。k 为稠度系数，其单位为p a s “。刀为无因次幂律流体常数。 p 为胶液密度。 于是，通过针管的流量可表示为： q d z = f2 破眦矽( f ，力办= 等孥缸) 。2 舶， 在填充阶段，由于喷针移到最高位置后要停留一段时间，可以合理假设在这 段时间内供胶筒内的胶液向f 转移并完全填充了基座腔和储胶腔的空白空间。 胶液对喷针的作用力为： e ( f ) = 4 只 ( 2 1 5 ) 以是喷针球头部分有效横截面积。喷针底部附近胶液的平均压力只影响到胶液 对喷针的作用力大小，该压力的变化规律详见参考文献 2 4 1 、【2 5 】和 2 6 】。 综上，式( 2 一t 2 卜( 2 1 5 ) 描述了流体动力学模型。 2 2 4 、仿真模型 利用s i m u l i n k ，将前述的一系列方程构建出喷射点胶阀的仿真模型，图 2 - 6 是仿真模型流程图。表2 1 是部分主要仿真参数。 1 4 生直厶堂亟堂位淦塞釜三童壶膣阀线圈缝趑厶璧的邀让曼馋他 回一 二 一e 罩j 口 i f 一 _ _ _ _ _ 一 二 + 喷分勺棒 喷铲毋夸 x ：t )r ( 7 式( 7 ) 、( ：0 ) 1 jl