一種新型的微加速度開關理論設想

引言：本文對新型基于水銀為介質的微流體加速度開關進行了理論可行性分析研究。在理論上說明了水銀加速度開關的原理。這對于整個開關的研究具有重要意義。

一、微開關的發展

自Frobenius在1973[1]年首先制作出一種金屬懸臂梁型加速度開關以來，已經出現了各種不同的MEMS加速度開關。在工作原理上可以分為兩類：一類是準靜態開關，該開關結構是通過彈性結構連接一個質量塊，并將質量塊作為一個敏感質量和可動電極，當所受的加速度達到一個預定閥值時，質量塊受力作用，克服彈性恢復力，發生位移達到一個預設位置，并與一個定電極接觸，從而觸發電信號，導通電路使開關工作，開關閾值由慣性力和彈性恢復力之間的線性關系確定。這種開關對于工藝容差要求嚴格，精度較低，閾值范圍局限在低頻低量程加速度范圍內，測量能力和環境適應能力較弱，容易造成開關失靈或誤操作，并且此類開關測量閾值單一，難以實現智能化集成。另一類開關是動態開關，這類開關受慣性力，彈性恢復力，應力和靜電吸引力等多個力共同作用。加速度閾值通過動態方程計算分析確定，因而這種開關具有動態信號的測量能力。

加速度開關是感受加速度的重要慣性器件，為了滿足控制系統的保險功能要求，加速度開關應具備體積小、機械接觸可靠、允許通過電流大、精度較高等特點。傳統的加速度開關采用精密機械加工，存在體積較大、抗震能力較弱等不足。因此，迫切要求研制新型的微加速度開關。其中如準LIGA[2]技術因簡單易行，只需通過厚膠光刻和微電鑄工藝即可實現慣性器件的制作而被采用。該技術采用紫外光曝光，由于不必使用同步輻射光源，所以研制成本較低，同時以金屬鎳為材料，使得器件本身可作為電極導電并通大電流。

以上所介紹的都是機械的微開關，其中利用硅表面加工技術的微機械加速度開關與微電子加工工藝完全兼容，但其慣性質量輕，給前置檢測電路的設計和加工帶來了難度；并且由于殘余應力和粘附現象，敏感結構的成品率不高。用LIGA工藝加工復雜的敏感結構，需要采用厚膜技術或其它微組裝技術。微加速度開關的發展重要方向是追求更高的精度。但其敏感結構都存在著靈敏與抗沖擊過載的矛盾。現有的微開關多以機械觸點實現開關功能，受到觸點接觸面積小和接觸力小的限制，接觸電阻大，不能用于通過大電流，例如數安培的電流。

微流體加速度開關是一種受加速度控制的開關量傳感器。它可以作為控制開關使用，也可以用來提供開關量信號。隨著微機械加工技術在傳感器領域中的應用和推廣，已經出現了不同類型的微加速度開關，這些開關根據用途的不同而具有不同的結構形式。本文中以水銀為介質的微加速度開關，利用在常溫下水銀是液態金屬、表面張力大的特點，構成對加速度敏感的液體電極，水銀電極與固定電極組成加速度開關，它的抗載能力不受元件（水銀）強度的限制，因此過載量程比可以極大提高。

二、水銀加速度開關原理

本文探索新型原理的微加速度傳感器——利用水銀作為慣性敏感元件及開關觸點，利用水銀這種導電液體作為開關通斷的介質，具有接觸面積達，接觸電阻小的特點。因而適用于大電流應用領域。

用水銀作為對加速度敏感的彈性電極與硅片上電極構成硅微加速度計，獨特之處是用液體彈性電極代替通常的固體彈性電極。其目的是探索一種抗高過載、低量程、高靈敏度、低成本的加速度傳感器。這種加速度計具有結構簡單、對硅微加工工藝要求低、本征抗高過載、易于集成SOC（system on a chip）、易于實現三維加速度測量的突出優點；對于沖擊環境下的慣性測量有不可替代的作用。高性能、低成本、微體積、易于與相關系統集成SOC的微加速度傳感系統的應用前景十分廣闊。現有的微開關多以機械觸點實現開關功能，受到觸點接觸面積小和接觸力小的限制，接觸電阻大，不能用于通過大電流，例如數安培的電流。本文探索新型原理的微加速度傳感器——利用水銀作為慣性敏感元件及開關觸點，利用水銀這種導電液體作為開關通斷的介質，具有接觸面積達，接觸電阻小的特點。因而適用于大電流應用領域。

（一）結構組成

1、基板結構

基板為左右對稱結構，如圖2.1所示。正向加速度閥門開啟使水銀流動，反向加速度閥門關閉使水銀不流動。在硅基板上刻蝕出水銀儲放腔體、水銀微通道和氣體微通道，保留通道壁突臺和腔體外框突臺。水銀張力膜將流體區域分隔為水銀腔和氣體腔，兩通道壁所夾下部區域構成水銀微通道，腔體外框、通道壁和閥門間的縫隙構成氣體微通道。

2、蓋板結構

蓋板與基板鍵合封裝，形成矩形儲液腔和矩形微通道。在基板/蓋板/基板與蓋板的水銀通道位置制備電極，水銀張力膜隨加速度的變換發生位移，通過水銀的流動使電極導通或斷開。

（二）工作原理

為保證開關系統具有鎮定性，必須設置微流體閥門。當載體的加速度為 時，閥門關閉使開關處于反向限位狀態時。水銀受閥門縫隙表面張力約束狀態而不會流動到空氣微通道內，系統處于表面張力與內聚力的自身平衡狀態。

當載體發生正向加速度 時，閥門開啟。水銀所受慣性力和水銀腔表面張力的驅動，克服水銀與通道壁間的粘性剪應力和微通道表面張力的阻力，使水銀觸點發生運動。系統處于載體慣性力、流體慣性力、表面張力和流動粘性力的動態多力平衡狀態。當載體加速度達到10g時，水銀觸點恰好到達接通電極的位置，使開關閉合。由于該多力平衡系統具有極強的鎮定性，即使當載體加速度 時，觸點與閥門的位置差趨于零，無須正向限位。

在載體加速度由10g降低至1g的過程中，開關處于斷開過程。首先加速度降至9.9g時，精準的觸點結構設計可保證開關在準確的位置斷開。然后，在加速度由9.9g降至或低于1g的過程中，出于觸點斷開、閥門開啟狀態。當加速度繼續降低時，閥門關閉，開關恢復到初始限位狀態。

（三）可行性分析

水銀是一種銀白色有光澤的液態金屬，化學名稱叫汞，符號是Hg。汞密度大（ ），熔點低（-39℃），沸點為357℃，通常是液體狀態，汞原子的內聚力很大，散落后易形成微小的液珠，進入凹坑或者縫隙中間。汞及其蒸汽都具有毒性，而且在常溫下即能蒸發，溫度越高，蒸發越快。汞蒸汽進入人體后會在人體的組織器官內沉積，嚴重影響人體的健康。盡量避免汞與鉑、鐵以外的金屬相接觸。

1、溫度問題：其一，水銀的體膨脹系數為1.8×10-4/℃，小于水的體膨脹系數，當溫度變化100℃時，水銀的體積增大不到2%，而腔體內水銀的占空比在10：1以下；選擇合適的水銀占空比，就遠不存在漲滿的問題，也不存在與腔體某一面分離的問題。其二，水銀在常壓下汽化相變溫度為357℃（固化相變溫度為-39℃），有較寬的液態溫度范圍，可以承受鍵合等工藝所需的300℃以下的高溫。

2、對硅表面加工技術要求簡單，并且與微電子線路加工技術完全兼容。

3、開關沒有可運動的固體部件，水銀相對于腔體的位移量很小，不會被撞散，易于實現抗高過載。

（四）微尺度效應對微流體的影響

當流道和型腔特征尺寸小于1mm時[3]，支配流體流動的物理環境及其自身特性發生變化，探明微尺度條件下流體的流動特性對微納零件的制造與微機械裝置控制系統的設計十分重要。在有關微流體流動行為的研究中，J.Pfahler[4]等。考察了流體在硅材料矩形微流道中的運動特性。實驗結果表明：在截面尺寸相對較大的微流道中流體的運動規律與Navier-Stokes方程式相吻合；而當矩形截面流道深度H降至0.8 時，試驗結果偏離Navier-Stokes方程的計算結果。李勇[5]等以微圓管為對象，結果表明，對于運動粘度為2.6×10-6 m2/s的硅油，當圓管直徑降至4.5 時，Navier-Stokes方程不再適用；對于管徑為11.2 的流道，當流體的運動粘度為4.3×10-4m2/s時，流量與壓力損失仍呈比例關系。江小寧[6]等研制了一套測量微尺度流動流量的系統，并測量了管徑為8，14和24 圓管流道內流體流量與壓力損失的關系。結果表明，在這樣的條件下，流體依然不可壓縮連續流動，且實驗結果與Navier-Stokes方程式的描述十分接近。

在微流體流動過程中，由于微尺度效應作用，表面力作用增強，粘性力遠遠超過慣性力，流道直徑減小導致微流體雷諾數減小，沿程阻力系數增大，且微流道的長徑比增大。

三、總結

本論文研究探索新型原理的微加速度開關——利用水銀作為介質的微加速度開關。最終目標是實現抗高過載的低量程，接觸性好的加速度開關。下一步研究要依據流體力學基本原理建立了基本數學模型，并進行模擬。進一步分析不同管截面尺寸突變、串聯與并聯時的流動阻力，計算水銀微通道及腔體、閥門空氣縫隙和空氣微通道的流動阻力；要進一步研究水銀液面在不同加速度下的接觸角變化趨勢，針對載體加速度為階躍、斜坡和正弦三種時變加速度，考慮氣體的可壓縮性和載體的牽連運動以及傳熱的影響，將水銀流體具有的慣性力用載體加速度與流體相對載體流動的加速度之和來表達，得到慣性力表達式，進而更精確可求得觸點相對于載體的運動。并找到在微管道中精確注入水銀的合理方法，在此基礎上制作實驗模擬裝置，進行精確分析，為產品提供可靠的設計數據。

參考文獻

[1]陳光焱，何曉平，施志貴等。開關點電可調節的MEMS沖擊加速度鎖定開關[J].半導體學報.2007，8，Vol.28，No.8.1295-07.

[2]陳光焱，何曉平，施志貴等.準LIGA微加速度開關的研制[J].微納電子技術.2003，8.0312-02.

[3]蔣炳炎，謝磊，譚險峰等.流道截面形狀對微流體流動性能的影響[J].中南大學學報（自然科學版）.2006，10，Vol.37，No.5.0964-06.

[4]PFAHLER J，HARLEY J，BAU H.Liquid transport in micron and submicron channels[J].Sensors and Actuators，1990，22（1/3）：431-434.

[5]李勇，江小寧，周兆英，等.微管道流體的流動特性[J].中國機械工程，1994，5（3）：24-25.

[6]江小寧，周兆英，李勇等.微流體流動的試驗研究[J].光學精密工程，1995，3（3）：51-55.

（作者單位：陜西廣播電視大學）