李思觅200802010222开题报告.docx

成 都 理 工 大 学学生毕业设计（论文）开题报告题目名称：压电-弹簧复合驱动高粘性液体微滴分配单元的（中英文） 设计Design of A New Type of Piezostack-driven Jetting dispenser Basend on Quadrature Amplifier题目类型：技术开发题目来源：其他学生姓名：李思觅学生学号：200802010222专业名称：机械工程及自动化导师姓名：胡波专业职称：讲师指导人数：10 主要研究内容、预期成果（鼓励有创新点）：1）在充分了解课题背景及需求分析的基础上，研究压电-弹簧复合驱动方法的工作机理、椭圆放大机构的放大原理，确定压电陶瓷型号，并基于此确定椭圆放大机构、弹簧复位机构等关键结构的尺寸参数2）在上述工作的基础上，构建分配单元的三维模型，要求以三维动画的形式展示工作过程；3）基于模型分析结果，设计分配系统的装配图；4）针对压电振动要求，设计驱动和控制电路，并给出电路原理图和仿真图。要求能够提供可调频调幅的正弦驱动电压信号。 拟采用的研究思路（研究方法、技术路线、可行性论证）：首先进行压电-弹簧复合驱动分配原理分析，其中包括介绍压电-弹簧复合驱动原理、压电叠堆特性分析、微位移放大原理分析。而后开展压电-弹簧复合驱动高粘性液体微滴分配机械系统设计，其中包括分析机械系统构成及功能、设计压电椭圆位移放大机构、设计弹簧复位机构、设计分配头机构、进行机械系统动作仿真研究。然后设计压电-弹簧复合驱动高粘性液体微滴分配控制系统，其中包括分析驱动控制系统组成原理、设计信号发生电路、设计功率放大与驱动电路、进行系统电路仿真。最终得出结论。点胶设备是一个复杂的系统，需要精确控制点胶流量和点胶的位置。国外很多大型公司从事流体点胶技术研究和装备开发已经有很多年历史，而我国在这一领域的研究才刚刚起步。从查阅国内文献来看，国内的主要研究机构有华中科技大学机械学院和中南大学机电工程学院。华中科技大学的丁汉教授等人针对时间/压力型点胶过程的系统建模、理论分析以及控制系统优化等方面进行了大量研究，大大提高了时间/压力型点胶的精度。中南大学的邓圭玲教授等人针对螺杆泵点胶的胶液挤出机理及其实验研究方面进行了深入的研究，取得了很大进步。关于非接触式点胶技术国外也刚刚起步，只有少数几家公司从事这方面研究和设备开发，美国的Asymtek公司，德国的Picodostec公司已经推出产品，这些设备价格非常昂贵。非接触式点胶技术的诸多优点越来越受到微电子工业界的青睐，越来越多的科研人员从事各种新型点胶技术研究。 现有工作基础（毕业实习、资料收集情况及空间设备仪器条件等）：毕业实习情况： 2011年9月在湖北十堰东风汽车发动机厂进行了为期两周的生产实习，参观了发动机五大件的生产过程，了解其工艺方案。2012年2月在哈尔滨工业大学（威海）机器人研究实习，调试设备，及进行单片机编程。资料收集情况：现在，已经在EI工程索引、CNKI中国期刊全文数据库中查找了多篇有关于压电陶瓷的工作特性、铰链放大机构、粘性流体研究、国外制作的相关产品的论文，有助于我们进行进一步研究。 空间设备仪器条件：课题进行的场所是哈尔滨工业大学（威海）机器人研究，所需的仪器设备是计算机一台，数字电路仿真板一块。 主要参考文献目录及文献综述：文献综述：【前言】流体点胶是微电子封装工业中一道很重要的工序，广泛应用于集成电路封装和表面贴装。将一定量的胶体涂敷到基板上看起来是很容易实现的工作，然而在微电子封装中使用的流体大多是高黏度、非牛顿流体，其复杂多变的特性使得点胶的性能和质量难以保证。对点胶性能的不断提升的要求，不仅激发了制造商研究开发新的点胶方法，而且也促使了越来越多的研究人员针对流体点胶技术的理论研究也越来越深入。最近几年在针对点胶系统的系统建模、过程控制、测量技术、系统集成等方面的研究，提升了点胶系统的点胶性能精度和一致性。随着全球半导体行业向中国转移，国内电子封装行业正蓬勃发展，但国内使用的高精度自动化点胶设备绝大多数是从国外进口，价格也十分昂贵。因此，研究具有自主知识产权、自主研发的高精度、高可靠性的流体点胶技术势在必行2。国内在面向微电子封装的高黏度流体微量喷射技术研究方面尚属空白。本实验室一直致力于微电子封装、测试设备开发与研究工作。针对微电子封装中对流体点胶工艺的要求，基于对国内外现有的各种流体点胶技术的研究分析，本实验室正独立自主研发了压电-弹簧复合驱动式喷射点胶阀。【正文】非接触式点胶技术国内外研究现状早期的液态点胶过程是通过针头式点胶系统来实现的，在采用针头式点胶系统的过程中，针头必须离器件很近。而对于需要进行底部填充的器件，点胶针头需要降低至器件顶部以下，针头边缘必须尽可能地与器件边缘靠近，且要避免接触和损坏器件。同时，针筒式点胶系统需要精确的高度传感器来决定针头相对于电路板各个器件的高度z，然后通过编程控制针头在电路板上的三维x、y、z运动，避免与器件产生碰撞。面对着封装正在向着微型化的发展趋势，在某些狭小空间里，很难保证元件间有足够的间距便于针头接近需要进行底部填充的器件，所以非接触式点胶成为国内外专家研究的方向3。流体点胶技术实质上就是将理想大小的流体点在工件（芯片、元件、基板等）的合适位置上以实现元器件之间机械的或电气的连接。在封装生产线上，目前主要存在如下几种非接触式点胶技术：机械式喷射点胶技术、压电式点胶技术。现分述如下：(1) 机械式点胶机械式喷射点胶技术原理如图1.1所示：影响胶液喷射量大小的主要参数有：进料筒内的背压、胶液温度、压缩弹簧在喷射活塞杆上的预压量、活塞运动的行程、电磁阀的开启时间、阀杆与配合腔体的间隙、阀杆底部与喷嘴配合面形状、尺寸，喷嘴内径与长度等有关4。图1.1 机械式喷射式点胶技术（美国Asymtek公司）(2) 压电式点胶圆管状压电式点胶原理图如图1.2.a所示，压电陶管在一定频率的激励下，产生径向体积收缩和膨胀，由于体积的变化引起玻璃管内压力的波动，使得玻璃喷嘴附近胶液获得很大动量而飞出，在基板上形成胶滴5。这种方式可以获得很小的胶滴。实物图如1.2.b所示。叠层压电式点胶类似，如图1.2.c，压电陶瓷做沿喷嘴轴向震动，同样可以使液滴获得较大动量，喷射出来6，7。图1.2 压电式点胶(3) 气压式驱动点胶图1.3为美国诺信EFD公司生产的741V系列撞针阀。741V系列撞针阀可以对硅油、溶剂及UV固化粘合剂之类的低粘度流体进行精密可重复的点胶。其不锈钢撞针的针座在针头转接头里上，避免了在胶阀内产生残胶。在操作过程中，通过控制作用在气缸活塞上的压缩空气使撞针按预先设定的行程动作，以保证胶阀流体流量的准确一致。气压式驱动点胶阀的特点有：行程控制行程校正环活塞弹簧气缸外壳活塞和撞针安装孔1/4-28 UNF密封座弹簧撞针密封垫流体槽进胶口1/8 NPT针座和针头转接头点胶针头启动进气口10-32 UNF图1.3 741V系列撞针阀a) 能产生直径为0.18mm的持续的 胶点b) 不受流体中气泡的影响c) 简单的刻度和很短的准备时间d) 无滴漏，e) 循环频率超过400/minutef) 无残留【结论】以上三种驱动方式相比较，机械式驱动运用电磁阀，该方法最高频率为30Hz，气压式点胶阀结构复杂、不易控制，而压电式驱动使用压电陶瓷，最高频率达到20KHz。三者比较相差悬殊，我们选用了压电式驱动。众所周知，压电驱动器是一种可以为微小材料提供有力驱动，快速响应，高频率操作的驱动器。压电材料最主要的局限性在于它的微小应变。压电堆的输出位移一般是小于100微米。但是对于粘性材料的分配，球型针头的要至少抬起0.5毫米。因此，输出位移必须要通过一种机械放大系统来放大。在下一节我将就各种放大机构的原理进行比较。参考文献：1 National Electronics Manufacturing Initiative(NEMI),Inc.National ElectronicsManufacturing Technology Roadmaps,December 1998:1752 李枚.微电子封装技术的发展与展望.半导体杂志，2000，25(2)：32-363 罗荣德.无接触式点胶技术的应用.电子与封装，2009，74：64 Steven J.Adamson,David Wang.A change in dispensing technologyjetting takes off.Semiconductor technology vol.29.No.35 D.J.Hayes,D.B.Wallace,M.T.Boldman.Picoliter Solder Droplet Dispensing ,Proceedings, ISHM92, San Francisco,Calif.October.1992.316-3216 D.Rose,Micro-dispensing technologies in drug discovery,Drug Discovery Today, 1999.vol. 4:4114197 Jonas Bergkvist,Tobias Lilliehorn,Johan Nilsson.Miniaturized Flow through Micro-dispenser With Piezo-ceramic Tripod Actuation.Journal of microelectromechanical systems.vol.14, No.1.february 20058 Q H Nguyen,YMHan, S B Choi, andSMHong. Design of a new mechanism for jetting dispenser featuring piezoactuator. Mechanical Engineering Science.2008. Vol. 222:712-7149 Jun Hyung Kima, Soo Hyun Kimb, Yoon Keun Kwak b. Development and optimization of 3-D bridge-type hinge mechanisms. Sensors and Actuators A 116 (2004) 53053810 Siu Wing Or,Kowloon(CN).United States Patent Application Publication. Piezoelectric Device with Amplifying Mechanism.US 2006/0175934 A111 王振海,张卫红.柔性结构拓扑优化设计发展概况J.机械设计,2004,21(3):1-4.12 张福学,王丽坤.现代压电学M.北京:科学出版社,2002.13 李俊宝,吕刚.智能桁架结构振动控制中压电主动构件的研究:(一)压电主动构件设计J.压电与声光,1998,20(2):89-94.徐志科，鄢珂。一种正交型压电位移放大机构的研究.压电与声光.工作计划：前期学习查阅相关文献，了解国内外微量液体的非接触式分配方法，特别是现有点胶技术研究现状，了解课题的研究目的意义。接下来设计整个分配系统的结构原理，按照要求设计或者选择合适的器件。包括椭圆位移放大机构、弹簧复位机构、分配头、喷嘴、电器控制部分等。针对分配系统中的关键模块，结合理论研究成果及选型件尺寸参数，给出最终的尺寸结构，完成三维结构图，并进行动画仿真。针对分配工具中的压电元件，设计其功放电路和信号发生电路。要求纪录好每天的工作日志。起止日期主要任务工作地点检查方式2012年2月29日3月5 日查阅文献、收集资料、调研、开题报告哈尔滨工业大学（威海）提交报告2012年 3月17日3月 26日实施研究哈尔滨工业大学（威海）提交报告2012年3月26 日5月25日撰写论文、完成初稿哈尔滨工业大学（威海）提交报告2012年5月25日6月3 日论文修改、定稿成都理工大学汇报2012年6月 4日6月5 日答辩成都理工大学答辩指导教师或指导小组评价（题目、工作要点、方法、进度及准备情况）