微流體慣性開關(guān)用液態(tài)金屬的精密操控與封裝*

劉 瑞,商二威,謝 晉,劉 禹,熊 壯,唐 彬

(1.江南大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122； 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

微流體慣性開關(guān)作為一種優(yōu)異的加速度傳感器和執(zhí)行器,具有集成度高、體積小、低功耗甚至無功耗等優(yōu)勢[1,2],其原型系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航空航天、安全氣囊、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域[3]。其主要工作原理是,當(dāng)基底液滴槽內(nèi)的導(dǎo)電液滴所受慣性力(或加速度)達到閥門預(yù)設(shè)值,導(dǎo)電液滴在基底微通道內(nèi)運動至覆蓋兩固定電極,形成閉環(huán)開關(guān)導(dǎo)通。

常見的微流體慣性開關(guān)主要采用具有較高表面張力和導(dǎo)電性能的水銀作為金屬導(dǎo)電液。然而,汞在常溫下即可蒸發(fā),容易通過呼吸吸入人體造成慢性中毒,且會對環(huán)境造成污染。為改善這一情況,Shen T等人首次提出采用鎵銦合金作為自動恢復(fù)慣性開關(guān)的導(dǎo)電液滴[4]。劉軍山等人提出在鎵基液滴外包覆石墨烯,可以避免鎵基合金氧化層的粘附[5]。在這些基礎(chǔ)上,本文選擇了環(huán)保無毒的鎵銦錫合金作為微流體慣性開關(guān)的導(dǎo)電液,探究相關(guān)液滴的工藝過程。

微流體慣性開關(guān)常采用微通道加工、電極沉淀、液態(tài)金屬攝入與密封的制作流程,其中導(dǎo)電液滴攝入體積會影響開關(guān)閾值[6]。劉婷婷通過特定計算得出,液滴體積變化±20 %時,閾值波動11.79 %和-8.76 %,并采用基底變截面的設(shè)計,預(yù)留微通道空間用于液滴體積的修調(diào)[7]。由于液態(tài)金屬具有很好的內(nèi)聚力,常采用薄片切割的方法控制水銀液滴的大小[8],但此方法不適合量產(chǎn)且存在一定誤差。本文致力于解決液態(tài)金屬微量攝入不穩(wěn)定這一問題,通過氣動式撞針閥進行液態(tài)金屬的攝入,并采用直書寫3D打印的方法涂覆紫外(UV)光固化膠粘結(jié)蓋板,實現(xiàn)液態(tài)金屬的精密操控與微流體慣性開關(guān)的封裝。

1 閾值分析與閾值影響因素

1.1 微流體慣性開關(guān)液態(tài)金屬

鎵銦錫合金無毒且性能優(yōu)異,在多種領(lǐng)域中被視為汞的替代品。本文采用鎵銦錫作為金屬導(dǎo)電液,用于兩個固定電極的連通。然而,鎵在空氣中易氧化,當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)達到1×10-6時,液滴表面會形成氧化鎵薄膜[9]。氧化膜改變了液滴的表面形態(tài)、導(dǎo)電性能、表面張力及黏附性等,流動時易出現(xiàn)粘滯現(xiàn)象[10],直接影響開關(guān)的閾值與響應(yīng)穩(wěn)定,所以本文涉及鎵銦錫的試驗均在低氧環(huán)境中進行。

對于已經(jīng)形成的氧化膜,可以利用稀鹽酸清洗有效去除。氧化物與鹽酸生成氯化物和水,而氯化物中氯化銦(InCl3)提供了最大的吉布斯自由能還原,導(dǎo)致氯化鎵被銦原子還原,InCl3在表面占主導(dǎo)地位[11],液滴恢復(fù)流動性能。

1.2 微流體慣性開關(guān)基底與蓋板

本文采用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)作為微流體慣性開關(guān)的基底與蓋板,利用非溶劑誘導(dǎo)相分離的原理,制備具有高疏液性能的PMMA-SiO2表面涂層,將鎵銦錫液滴的接觸角從135°提升至158.8°。

1.3 微流體慣性開關(guān)的閾值分析

基于藺怡等人在微通道內(nèi)液滴流動性能方面的研究結(jié)果,通過對金屬液滴通過閥門時臨界狀態(tài)的毛細(xì)管力分析,建立Young-Laplace方程得到金屬液滴通過閥門所需的加速度閾值[12]

(1)

式中V1=2VW1/(W1+W2),θ1=min{θA+β2,180°}；ρ,γ,C分別為液態(tài)金屬密度、表面張力系數(shù)、表面粗糙度系數(shù)；θA/R分別為液滴與壁面的前進/后退接觸角。由計算公式可知,閥門寬度W1,微流道深度h,微通道的擴張角β均會影響閾值大??；除此之外,金屬液滴的體積V不僅會對閾值產(chǎn)生影響,也是造成設(shè)計值與實際值誤差的主要因素。

根據(jù)表1的參數(shù)，通過式(1)計算得到解析計算閾值為27.35 g,為實現(xiàn)液滴體積偏差對于閾值的誤差影響小于1 %,需保證金屬液滴攝入范圍為0.096 7～0.104 5 μL,即液滴目標(biāo)攝入體積約為0.1 μL×(1±3.9 %)。

表1 微流體慣性開關(guān)參數(shù)

2 微流體慣性開關(guān)封裝工藝設(shè)計

為抑制鎵銦錫合金的氧化,搭建無氧試驗環(huán)境,將0.5 mol/L[13]稀鹽酸浸泡清洗后的鎵銦錫合金在水氧濃度均小于0.1×10-6的氬氣手套箱內(nèi)進行攝入和密封。

2.1 液態(tài)金屬操控

在微流體慣性開關(guān)的研制中,穩(wěn)定且精準(zhǔn)地攝入液態(tài)金屬一直是試驗的難點與重點,本文在手套箱內(nèi)搭建撞針閥系統(tǒng),此設(shè)備為氣動式可調(diào)節(jié)的模塊化膠閥,可將微量液態(tài)金屬精密噴射至基底。撞針閥能夠提供良好的控制以及較小殘余量,實現(xiàn)目標(biāo)液滴精確且穩(wěn)定的攝入。

當(dāng)具有一定輸入氣壓時,撞針閥活塞和撞針將從位于專用針頭內(nèi)的底座抬起,以使液態(tài)金屬通過針頭流出。完成周期后,氣壓耗盡,活塞彈簧會使撞針歸位至點膠針頭處,阻斷流體流出(如圖1所示)。液態(tài)金屬攝入量取決于撞針行程、輸入氣壓、開閥時間、點膠針頭尺寸及流體粘度等因素。

圖1 撞針閥系統(tǒng)與撞針閥原理

2.2 液態(tài)金屬封裝

本文設(shè)計的微流體慣性開關(guān)封通過圖2的封裝工藝流程：a.手套箱外通過直書寫3D打的印方法涂覆UV固化膠；b.手套箱內(nèi)通過撞針閥系統(tǒng)進行液態(tài)金屬攝入；c.蓋板對接與d.UV光固密封;e.完成的封裝樣品。

圖2 微流體慣性開關(guān)封裝工藝流程

試驗采用SEAYU 3108UV膠,相比于手動涂膠的方法,直書寫通過對打印氣壓、運動速度、針尖與基底距離等參數(shù)的調(diào)控,實現(xiàn)更加穩(wěn)定的線條與合理的涂覆量,避免膠量過多溢出堵塞流道或過少滲入空氣,有效地提高密封性能。

直書寫又稱直接墨水書寫(direct ink writing,DIW),作為重要的增材制造技術(shù),在電子微器件、生物醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。其主要系統(tǒng)構(gòu)成包括三維運動平臺、墨水?dāng)D出噴嘴及具有一定流變性能的打印材料[14],通過軟件規(guī)劃運動路徑,匹配打印參數(shù),可實現(xiàn)特定圖案沉積,非常適用于膠體成型。

3 試驗結(jié)果

3.1 液滴攝入試驗

采用撞針閥攝取液滴的試驗中,常用攝入量小于1 μL,所以選擇最小可讀性為0.01 mg的半微量電子天平進行結(jié)果表征。每組數(shù)據(jù)以連續(xù)5個液滴的體積均值作為試驗結(jié)果。

3.1.1 單因素變量對攝入體積的影響

如圖3所示,通過控制變量試驗得出：液滴體積與三個參數(shù)之間均呈正相關(guān)關(guān)系。這是由于撞針行程越大,抬針后形成的空隙則可補充更多液態(tài)金屬；而輸入氣壓越大導(dǎo)致噴射速度加快；開閥時間越長,氣壓驅(qū)動下擠出的液滴量也隨之增大。

圖3 液滴體積與撞針行程、輸入氣壓、開閥時間的關(guān)系

根據(jù)試驗經(jīng)驗,在手套箱內(nèi)不便調(diào)整撞針閥旋鈕,且存在調(diào)控誤差。所以,試驗中選擇固定撞針行程,調(diào)整輸入氣壓與開閥時間,以達到目標(biāo)攝入量。由圖4可知,通過調(diào)整兩個變量可以實現(xiàn)0.1μL以上液滴的穩(wěn)定攝入。

圖4 液滴體積與輸入氣壓和開閥時間的關(guān)系

3.1.2 攝入體積三因素正交試驗

單因素試驗確定攝入體積與各個參數(shù)的關(guān)系后,在撞針行程0.5～2.5格、輸入氣壓5～7 Pa,開閥時間0.01～0.03 s的參數(shù)范圍內(nèi),設(shè)計三因素五水平正交試驗研究不同參數(shù)對攝入體積的影響程度。

極差越大,說明該變量對于液滴攝入量的影響越大,根據(jù)圖5正交試驗結(jié)果可知,各因素對液滴攝入體積的影響程度為：開閥時間>輸入氣壓>撞針行程。為了快捷準(zhǔn)確地實現(xiàn)目標(biāo)攝入體積,完成參數(shù)修調(diào),根據(jù)正交試驗結(jié)果采取固定撞針行程,以開閥時間作為粗調(diào),后采用輸入氣壓進行微調(diào)。

圖5 正交試驗結(jié)果

3.1.3 目標(biāo)液滴體積攝入試驗

根據(jù)開關(guān)閾值的不同,液態(tài)金屬的體積需求也各不相同,所以通過修改控制參數(shù)實現(xiàn)金屬液滴的精密操控十分重要。對比文獻中薄片切割獲取液滴的方法,撞針閥系統(tǒng)明顯提高攝入效率和成功率,同時將穩(wěn)定性能提高約10倍(±30 %提高至±3 %)。試驗最終實現(xiàn)體積0.1 μL金屬液滴的精確攝入,重復(fù)誤差小于±3 %。理論上,此時液滴體積對于閾值的誤差影響為-0.89 %～0.71 %。如圖6所示,為二種獲取液滴方法對比。

圖6 液滴獲取方法對比

3.2 閾值測試試驗

在旋轉(zhuǎn)平臺上安裝固定夾具(如圖7所示),設(shè)定轉(zhuǎn)速計算離心力,用于微流體慣性開關(guān)的閾值檢測。試驗中增加離心力,觀測液滴是否經(jīng)微流道抵達固定電極,不斷逼近調(diào)整獲得閾值,選擇臨界范圍的中間值作為最終結(jié)果。

圖7 微流體慣性開關(guān)測試平臺

由檢測得出,液滴體積在0.101μL×(1±3 %)范圍內(nèi),開關(guān)閾值均值為27.61g,波動范圍為-0.75 %～0.69 %,滿足1 %的誤差范圍。說明液態(tài)金屬的精密操控降低了導(dǎo)電液體積對于閾值的誤差影響,提高了開關(guān)穩(wěn)定性能。測試結(jié)果如表2所示。

表2 微流體慣性開關(guān)閾值測試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文采用鎵銦錫合金作為導(dǎo)電液滴,研究微流體慣性開關(guān)的液態(tài)金屬精密操控與封裝工藝。重點優(yōu)化液滴攝入的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性,降低導(dǎo)電液滴體積誤差對于開關(guān)閾值的影響。1)通過氣動式撞針閥將液態(tài)金屬攝入微流道,實現(xiàn)最小體積為0.1μL液滴的穩(wěn)定攝取,誤差范圍小于±3 %。2)通過優(yōu)化液態(tài)金屬的操控,實現(xiàn)鎵銦錫微流體開關(guān)閾值誤差范圍小于0.75 %。3)通過直書寫3D打印的方法實現(xiàn)了UV膠在引膠凹槽內(nèi)定位定量涂覆,并在手套箱內(nèi)完成了蓋板對接與UV光固化,實現(xiàn)了微流體慣性開關(guān)的精確封裝。試驗結(jié)果表明,通過撞針閥系統(tǒng)與直書寫3D打印結(jié)合的方法,可以完成液態(tài)金屬的精密操控與封裝,實現(xiàn)微流體慣性開關(guān)的工藝優(yōu)化,可為后續(xù)研究與自動化集成提供參考和技術(shù)支持。