一種新型微加速度開關理論分析

孫憲南，賈建援

（1.陜西廣播電視大學,710068；2.西安電子科技大學,710068）

一種新型微加速度開關理論分析

孫憲南1，賈建援2

（1.陜西廣播電視大學,710068；2.西安電子科技大學,710068）

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。在分析了水銀加速度開關可行性及其潛在的優點的基礎上，本文對于在不同加速度作用下，水銀運動的方程進行了理論探索，這對于整個開關的研究具有重要意義。

微流體；微開關 ；微機械

1 微開關簡介

加速度開關是在檢測到超過設置閾值的加速度信號幅值時閉合開關，觸發電信號的慣性敏感器件，使用微機械加工技術制作的MEMS加速度開關，具有體積小,功耗低,導通電阻小,接口電路簡單,便于與數字系統集成等特點，適用于替代傳統加速度控制單元在諸多控制系統中的應用，加速度開關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。如安全氣囊系統,工業安全控制等。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。

2 結構組成

2.1 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。

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。

圖2.1 結構示意圖

2.2 工作原理

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。在加速度由9.9g降至或低于1g的過程中，出于觸點斷開、閥門關閉，開關恢復到初始限位狀態。

3 靜力學公式

圖3.1 圓管道液面模型示意圖

3.1 靜力學分析

由圖3.1可看出，B和C點是等壓面，即PB=PC，由靜止液體靜壓強公式

因為表面張力的作用，還要考慮附加壓強的作用。所以：

上式為重力加速度下的兩管水銀液面高度差公式，當加速度變為a時，上式變為：

考慮幾何約束條件（微管道中水銀運動時體積不變），即：

代入式（3-6）和（3-7）得出：

此式即為在加速度a下，兩微管中水銀液面的位移方程。由此看出，接觸角和表面確定，水銀微通道在加速度a下的上升高度，就能確定。

4 運動學分析

圖4.1 圓截面微通道內水銀運動分析

如圖4.1，微圓管中的流體流動是旋轉對稱的，將x軸選在管軸上，令y表示管軸向外度量的徑向坐標。假設周向和徑向的速度分量都為零，平行于管軸的速度分量為u，它僅依賴于Y．如圖所示。圖中取一單元格進行分析，其兩端壓力分別為p1、p2。設離開固體表面一個極小距離才具備流動性，此時粘度度才有意義。由于流體具有粘性，流體與固體壁面有粘性作用，因此流體在固體壁面上沒有滑移現象。

由納維——斯托克斯方程

由于水銀可以看做是不可壓縮流體，所以

Y方向無速度，又因為流體為微流體，質量力忽略，所以簡化方程后非定常不可壓縮微流體滿足以下無滑移條件：

邊界條件：

著力，流體流經物體壁面時，緊貼壁面的物體必然粘附于壁面，相對流速為零，即流體壁面上沒有滑移。但流體畢竟易于流動，在壁面附近隨著離壁面法向距離增大，壁面對流體的影響減弱，流體的流速有很快的增長，至一定距離處，接近于原來未受固體擾動的速度。因此速度改變的現象只發生在緊鄰壁面很薄的流層內，這個薄層就稱為邊界層或者附面層，在附面層外即使流體具有較大的粘性，但由于不存在速度梯度，或者速度梯度極小，流體將不存在剪切應力，或者剪切應力小的可以忽略。

將式（4-10）變形，得

兩邊積分得

微流體的運動是受毛細作用力、表面張力、粘性力、慣性力、液體壓力共同影響而實現的。微管運動為正向，邊界流運動也為正向，粘性力帶動中間流向前運動，此時粘性力為中問流運動的主要驅動力。邊界流和固壁產生加速度，但運動傳遞給中間流，則需邊界流和中間流具有一定的速度差，所以中間流具有滯后性，這樣就產生了一個滯后時間，則式（4-15）需要修正得

現在確定式（4-16）中的c1

此式表征了微管中速度的分布情況。圖4.2是給定一定壓強差和管徑，模擬出的速度在管徑上的分布圖。豎坐標表征管半徑，橫坐標表征速度。

圖4.2 管中速度分布情況模擬

由圖中可以看出，在管道壁面，流體的相對運動速度為零，在管道中心處，速度達到最大值。這主要是由于粘性引起的剪切力作用的結果。

5 總結

利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。

[1] 章梓雄，董曾南.粘性流體力學[M]，清華大學出版社, 1998.

[2] 李仁年等.液壓流體動力學[M]，機械工業出版社, 2002.

孫憲南.陜西廣播電視大學.工程師.機械電子碩士

賈建援.西安電子科技大學.教授.博士生導師

A new type of micro acceleration switch of theoretical analysis

Sun Xiannan1，Jia Jianyuan2
(1.Shaanxi Open Uuiversity,710068；2.XIDIAN Uuiversity,710068)

This paper presented the movement analysis of micro-fluid in micro acceleration switch．which was based on the micro fluidic technology．This paper explained the elements of micro mercury acceleration switch.In the basis of the feasibility analyses and potential advantages of micro mercury acceleration switch,a move function of mercury under different accelerations is explored theoretically,which is meaning to the whole study of mercury acceleration switch .

Micro fluid system；Micro switch；Micro mechanical