在上一節我們知道進行銲接時,有幾個重要參數需要知道:工作溫度、工作壓 力與接觸電阻大小。當將尺寸縮小到微米等級時,這些條件依然不變,只是供應這 些條件的方式因尺寸縮小而有所不同。以下將會對我們使用的致動器與微銲接過程 進行說明。
2.2.1 V 型樑電熱式致動器
由於在微小尺寸下不易使用人工或器具供給精確的力量與位移,因此這裡我們 選擇使用 V 型樑電熱式致動器來施加壓力在銲接點上,如圖表 2-1(a),在鉤環的設 計上,我們將懸空的部份設計成數個 V 型樑串聯的組合,在中間利用軛的設計將其 連起;由電路組成來看,串聯的V 型樑會形成並聯的電路,但若是由致動方向來看,
V 型樑會因受熱後往相同的方向致動,如圖表 2-1(b);當我們在致動器兩端施加電 壓後,在上一小節中提到的因焦耳熱形成的溫度分布產生,結構產生熱膨脹效應使 得串聯的 V 型樑致動器產生位移與致動效果,產生的位移量與輸出力量,將會是串
聯的 V 型樑基礎單位的總和,這樣的好處是能夠在很節省的空間內,產生我們進行 微銲接所需要的壓力輸出,在精度上也能有良好的控制。
當V 型樑電熱式致動器在小彎曲角度(θ < 10°)下,可視為直臂線型結構,可使 用1996 年 Lin 與 Chiao 發表線型微結構在穩態下(steady state)的溫度分布解[16],如 下式:
tan( ) 4
G= kL (2-4d)
這裡θ、α、P、EI 與 EA 分別代表彎曲角度、熱膨脹係數、樑在 X 軸向的反應 力、彎折剛性與軸向剛性。這裡我們可以利用式(2-3)、(2-4b)與(2-4c)解出 P 值應用 在(2-4a),並帶回式(2-4)來求得位移量的大小。
如圖表 2-2,在這裡我們設計微鉸鍊的勾環時,將其視為一橋狀結構(bridge),
將 V 型樑電熱式致動器與銲接電路結構作左右對稱的設計,將兩邊橋狀結構並聯,
當我們在固定板1、3 施加電流輸入時,電流便可透過 V 型樑的致動器經過固定板 2、
4 輸出,而 V 型樑電熱式致動器將會因為電阻熱產生昇溫現象,伴隨著熱膨脹現象 後,致動器將會往中央產生推力,如圖表 2-3,在適當的昇溫下提供足夠的位移量與
施力,可將銲接電路結構往內推移,並挾持住銲接結構部份形成銲接點;如圖表 2-4 (a),在銲接點完成接觸的條件後,我們便可以在固定板 a、b 輸入電流,固定板 c、d 輸出電流,如此當電流通過中央銲接點,將會因為接觸電阻與橫截面較小電流密度 提高,又處於電路的中央,因此會形成局部的高溫;此時兩端的 V 型樑仍然是有受 溫度上升的影響,而能持續的給中央銲接處產生需要的壓力,如圖表 2-4(b),在經 過適當的升高電流後,銲接電路結構軛的部分與銲接結構便可造成材料熔接效果,
這裡便是達成我們整個設計最重要的部份;在微銲接現象發生後,最後將電流略為 降下但不關閉,維持溫度一小段時間讓熔核強化後才關閉電流。