水銀微流體慣性開關的制作與測試*

徐 媛，楊 濤，藺 怡，劉婷婷，陳光焱，王 超

（1．西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010;2．中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽 621900）

0 引言

慣性開關，也稱為g值開關、閾值加速度計等［1］，是在超過閾值加速度作用下執行開關動作的精密慣性器件，被廣泛應用于航空航天、汽車行業、慣性導航、彈藥安全與控制系統等領域。傳統的微機械慣性開關多采用“固—固”型接觸方式，存在觸點磨損、接觸不穩定［2，3］、導通電阻大［3］、抗干擾能力差等缺點。水銀微流體慣性開關是在微機械慣性開關與微流體驅動基礎上提出的一種新型微流體慣性元器件，它采用水銀液滴作為敏感慣性力的部件，替代了傳統的固體彈性電極，并利用其在微通道中的流動來實現開關的通斷。這種“固—液”型接觸方式，增大了開關觸點的有效接觸面積，保證了穩定的電流特性［4］，也提高了開關的過載能力。

文獻［5］中提出了一種基于毛細管閥的微流體慣性開關，分析了慣性開關的工作機理，推導出了加速度閾值的解析公式。文獻［6］模擬了此開關在加速度作用下水銀液滴在微通道中的流動特性，研究了各結構參數對開關閾值特性和響應歷程的影響。本文給出了水銀微流體慣性開關的微機械加工工藝，提出了開關的準靜態閾值和沖擊閾值的測試方案，通過開關樣件的實驗測試結果表明:沖擊閾值較準靜態閾值小。

1 水銀微流體慣性開關的結構與原理

以硅為基底設計了帶有毛細管無源閥的微流體慣性開關，在硅基板上刻蝕出毛細管微閥門、導氣管和液槽，注入水銀引出電極信號線后由玻璃蓋板封閉，其敏感方向為平行于硅基底的水平方向，整個結構沿敏感方向軸對稱。如圖1所示，微閥門由垂直截面為矩形的微通道漸變匯聚而成，與之相對接的是側壁陡然擴張的儲液槽，與微閥門和儲液槽相連通的是用于減小空氣阻力的導氣管。信號電極制作在玻璃蓋板上，且伸入液槽合適位置。水銀液滴位于初始位置，正向慣性力的作用使得水銀液滴在截面為矩形的毛細管微通道里運動，在大于正向加速度閾值的情況下，水銀液滴將克服毛細管力通過微閥，從而導通電極。

圖1 水銀微流體慣性開關總體結構圖Fig 1 Overall structure diagram of mercury micro-fluidic inertial switch

2 水銀微流體慣性開關的微機械加工技術

2．1 金屬電極材料的選用

如圖2所示，金質材料的導電性較好，但水銀液滴在金質材料表面會產生黏著現象。所以，考慮到導電性、溶解度和制作便利性，本文采用金屬Cr作為電極材質。

圖2 水銀與其他金屬的溶解度和導電性質圖Fig 2 Solubility and conductivity of mercury with other metals

2．2 開關制作工藝

2．2．1 微通道刻蝕

帶有微閥門的變矩形截面微通道可采用以下3種加工方案制作:1）采用深反應離子刻蝕（deep reactive ion etching，DRIE）在硅片上加工出特定深度的溝槽;2）采用DRIE在SoI晶片上加工出溝槽;3）采用陽極鍵合實現硅片和玻璃的鍵合，然后利用DRIE將特定厚度的硅片刻穿。若采用方案（1），雖然開關水平方向的尺寸容易保證，但由于通道形狀不規則，深度均勻性難以保證，因而難以滿足理想通道結構的需要。而對于方案（2）中的SoI技術將會引入較大的加工成本。方案（3）既能保證溝槽的深度，且成本也較低。因此，本文采用該方法制作變矩形截面微通道。

刻蝕微通道所采用的工藝流程見圖3。

圖3 微通道刻蝕流程Fig 3 Etching process of microchannel

1）硅片/玻璃陽極鍵合:將清洗干凈的硅片置于玻璃表面，加熱至400℃，再給兩者之間加1．2 kV的電壓，相對于玻璃，硅片為正極。

2）硅片減薄和涂抹光膠:根據開關微通道深度的要求，采用化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）技術將硅片減薄至250 μm。通過甩膠機采用旋涂法將光膠均勻覆蓋在硅片上，其方法為先將定量的光膠布施于硅片中心，再施以2段不同的轉速和時間控制。其中，第一階段為低速和數秒時間，目的是將光膠均勻的散布滿整個硅片。第二階段為高速、長時間，目的是控制光膠在硅片上的厚度。

3）曝光和顯影:一般光膠對200～400 nm的紫外線敏感。利用接觸式光刻機將掩模上的圖形（即變截面微通道和微導氣管形狀）經紫外線曝光，轉印至硅片上。光膠經曝光后，再在堿性溶液中顯影，以達到圖形顯現的目的。

4）DRIE:刻蝕過程中，在交替利用SF6等離子體進行刻蝕和利用C4F8等離子體進行聚合物沉淀中進行。在刻蝕的時候，圖像結構底層部的聚合物被迅速移走，而側壁上的聚合物被保留下來。雖然刻蝕后的通道側壁相當筆直，但由于交替進行刻蝕和鈍化而會產生輕微的扇形化側壁，不平整度大約為200 nm。

5）剝離光膠:刻蝕完全后將光刻膠剝離，即完成了帶微閥門的變截面微通道和微導氣管的刻蝕。

2．2．2 電極沉淀

電極制作所采用的工藝流程見圖4。金屬薄膜沉積的方法主要有2種:物理氣相沉積、化學氣相沉積。其中，物理氣相沉積中又分為蒸鍍沉積和濺鍍沉積2種?？紤]到作為電極材質的金屬Cr的熔點較高，采用蒸鍍沉積難以實現，因此，本文采用物理氣相沉積方式中的濺射沉積方式來沉積所需的Cr金屬薄膜，濺射厚度約為100 nm。

2．2．3 水銀液滴注入與開關封裝

圖4 電極制作流程Fig 4 Process of electrode fabrication

由于水銀液滴處于表面張力和內聚力的平衡狀態，液滴近似于球體，因此，可通過體積的近似估算控制水銀液滴的體積。如圖5所示為水銀微液滴在靜止狀態下的形狀，θe為接觸角，一般為135°，Re為液滴半徑，因而，水銀液滴的體積V可估算為

因此，可以得到

圖5 水銀液滴的靜止狀態Fig 5 Static state of mercury droplet

常溫20℃時，水銀的飽和蒸氣壓為0．1601 Pa，不到水的0．01%。因此，在實驗的操作過程中由水銀的微量蒸發導致的體積誤差可忽略不計。我國規定的汞在室內空氣中的最大允許濃度為0．01 mg/m3;一般認為，人在汞濃度為1．2～8．5 mg/m3的環境中很快會引起中毒。實驗環境為一間通風良好、光線明亮、面積為86 m2和高為3 m的實驗室，假設水銀完全蒸發后室內濃度為0．01 mg/m3，則取出的水銀質量應為2．58 mg。又20℃下水銀的密度為13．6 g/cm3，因此，可得水銀液滴的體積約為1．9×10－4cm3。最后通過式（2），計算得出水銀液滴的半徑Re約為0．36 mm。

表面光滑的玻璃和塑料薄片均為疏水材料，水銀液滴對材料的表面粘附力不足以克服水銀自身的內聚力，因此，在切割、注入過程中不易使水銀液滴破碎分散。用厚度為0．1 mm的塑料薄片將玻璃板上的水銀液滴劃分為實驗所需體積的小液滴，然后將其放入刻蝕好的微通道內，最后用環氧樹脂將微通道和玻璃蓋板粘合牢固。制作完成的水銀微流體慣性開關如圖6所示。

3 水銀微流體慣性開關的測試

3．1 準靜態閾值的測試方案

圖6 水銀微流體慣性開關樣件Fig 6 Prototype of mercury micro-fluidic inertial switch

在微機電系統（micro-electro-mechanical system，MEMS）動態測試系統中常采用離心轉臺來加載加速度，測試裝置配置如圖7所示，即控制模塊對離心轉臺的加速過程進行設置，使作用在開關上的離心力隨時間線性變化。交流電源（內阻小于5 mΩ）通過限流電阻連接到被測開關上。為了測試開關的準靜態閾值，在60 s內將離心轉臺線性加速至20gn。通過檢測開關兩端電壓來捕獲開關的狀態變化，當開關狀態發生跳變時，所對應的加速度便為開關的準靜態閾值。

圖7 水銀微流體慣性開關測試平臺Fig 7 Testing platform for mercury micro-fluidic inertial switch

3．2 沖擊閾值的測試方案

當沖擊加速度大于開關導通閾值時，水銀液滴從初始位置到達電極位置所需時間約為2 ms，在此短時間內沖擊加速度變化很小，因此，可近似認為沖擊加速度即為開關導通加速度。

圖8為采用微控制器STC89C52結合加速度傳感器ADXL345組成的開關沖擊閾值測試系統，將開關與該測試系統集成在電路板上，二者建立在同一坐標系中。在沖擊加速度作用下，一方面加速度傳感器實時采集加速度值，微控制器采用先入先出（first input first output，FIFO）方式將數據存儲到E2ROM中;另一方面，微控制器實時查詢開關狀態，當開關閉合時微控制器外部中斷有效觸發，將連續讀取E2ROM中最新的500組加速度值，并通過串口異步通信輸出到上位機，再在上位機上利用串口調試助手查看加速度值。由于水銀液滴從初始位置到電極位置所需時間約為2 ms，而測試系統采樣周期為 12．5 μs，因此，所采集數據量足以覆蓋開關從閾值狀態到導通的過程。

3．3 樣件測試與結果分析

圖8 測試系統原理圖Fig 8 Primciple diagram of testing system

為了測試準靜態閾值和沖擊閾值，制備了開關樣件，其中，微閥門寬度W1=220 μm，微通道深度h=250 μm，側壁A擴張角β1=8°，側壁B擴張角β2=70°。開關芯片的外框尺寸為4．75 mm×3 mm，電極尺寸為7 mm×4 mm。

根據3．1節和3．2節的測試原理分別對開關樣件進行測試，所得數據見表1。開關加速度閾值通過實驗逼近的方式獲取:開關導通狀態跳變前后各有一個加速度值，可認為開關的閾值介于二者之間，取二者均值作為開關的實驗閾值。因此，從表中可以推算出開關的準靜態閾值和沖擊閾值分別為8．525，5．09gn。通過開關樣件的實驗測試可以得到如下結論:加速度的施加方式與施加時間對開關的開啟閾值存有一定程度的影響，通常沖擊閾值較準靜態閾值小。

表1 水銀微流體慣性開關測試結果Tab 1 Measurement result of mercury microfluidic inertial switch

4 結論

本文對同一種結構尺寸的開關樣件分別進行了準靜態閾值和沖擊閾值的測試，實驗結果表明，沖擊閾值較準靜態閾值小。通過實驗樣件測試發現，測試得到的加速度閾值比理論值略小。存有誤差的原因有:1）水銀液滴的體積難以精確控制，其體積的一致性也不易實現;2）加速度的施加方式與施加時間對開關的開啟閾值也存有一定程度的影響，通常沖擊閾值較準靜態閾值小。

由于微流體慣性開關的閾值精度要求較高，需要采用后工藝修調的方法來保證。通過穩健優化設計，使得微流體慣性開關的閾值對微加工誤差不敏感，但其前提條件是水銀體積的精確控制。

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