徐 媛，楊 濤，藺 怡，劉婷婷，陳光焱，王 超

（1．西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)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(guān)，也稱為g值開關(guān)、閾值加速度計(jì)等［1］，是在超過閾值加速度作用下執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作的精密慣性器件，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車行業(yè)、慣性導(dǎo)航、彈藥安全與控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的微機(jī)械慣性開關(guān)多采用“固—固”型接觸方式，存在觸點(diǎn)磨損、接觸不穩(wěn)定［2，3］、導(dǎo)通電阻大［3］、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。水銀微流體慣性開關(guān)是在微機(jī)械慣性開關(guān)與微流體驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)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(tǒng)的固體彈性電極，并利用其在微通道中的流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的通斷。這種“固—液”型接觸方式，增大了開關(guān)觸點(diǎn)的有效接觸面積，保證了穩(wěn)定的電流特性［4］，也提高了開關(guān)的過載能力。

文獻(xiàn)［5］中提出了一種基于毛細(xì)管閥的微流體慣性開關(guān)，分析了慣性開關(guān)的工作機(jī)理，推導(dǎo)出了加速度閾值的解析公式。文獻(xiàn)［6］模擬了此開關(guān)在加速度作用下水銀液滴在微通道中的流動(dòng)特性，研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對開關(guān)閾值特性和響應(yīng)歷程的影響。本文給出了水銀微流體慣性開關(guān)的微機(jī)械加工工藝，提出了開關(guān)的準(zhǔn)靜態(tài)閾值和沖擊閾值的測試方案，通過開關(guān)樣件的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明:沖擊閾值較準(zhǔn)靜態(tài)閾值小。

1 水銀微流體慣性開關(guān)的結(jié)構(gòu)與原理

以硅為基底設(shè)計(jì)了帶有毛細(xì)管無源閥的微流體慣性開關(guān)，在硅基板上刻蝕出毛細(xì)管微閥門、導(dǎo)氣管和液槽，注入水銀引出電極信號(hào)線后由玻璃蓋板封閉，其敏感方向?yàn)槠叫杏诠杌椎乃椒较?，整個(gè)結(jié)構(gòu)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(cè)壁陡然擴(kuò)張的儲(chǔ)液槽，與微閥門和儲(chǔ)液槽相連通的是用于減小空氣阻力的導(dǎo)氣管。信號(hào)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(xì)管微通道里運(yùn)動(dòng)，在大于正向加速度閾值的情況下，水銀液滴將克服毛細(xì)管力通過微閥，從而導(dǎo)通電極。

圖1 水銀微流體慣性開關(guān)總體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Overall structure diagram of mercury micro-fluidic inertial switch

2 水銀微流體慣性開關(guān)的微機(jī)械加工技術(shù)

2．1 金屬電極材料的選用

如圖2所示，金質(zhì)材料的導(dǎo)電性較好，但水銀液滴在金質(zhì)材料表面會(huì)產(chǎn)生黏著現(xiàn)象。所以，考慮到導(dǎo)電性、溶解度和制作便利性，本文采用金屬Cr作為電極材質(zhì)。

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

2．2 開關(guān)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(yīng)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(shí)現(xiàn)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(guān)水平方向的尺寸容易保證，但由于通道形狀不規(guī)則，深度均勻性難以保證，因而難以滿足理想通道結(jié)構(gòu)的需要。而對于方案（2）中的SoI技術(shù)將會(huì)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(jù)開關(guān)微通道深度的要求，采用化學(xué)機(jī)械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）技術(shù)將硅片減薄至250 μm。通過甩膠機(jī)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(zhuǎn)速和時(shí)間控制。其中，第一階段為低速和數(shù)秒時(shí)間，目的是將光膠均勻的散布滿整個(gè)硅片。第二階段為高速、長時(shí)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(jī)將掩模上的圖形（即變截面微通道和微導(dǎo)氣管形狀）經(jīng)紫外線曝光，轉(zhuǎn)印至硅片上。光膠經(jīng)曝光后，再在堿性溶液中顯影，以達(dá)到圖形顯現(xiàn)的目的。

4）DRIE:刻蝕過程中，在交替利用SF6等離子體進(jìn)行刻蝕和利用C4F8等離子體進(jìn)行聚合物沉淀中進(jìn)行。在刻蝕的時(shí)候，圖像結(jié)構(gòu)底層部的聚合物被迅速移走，而側(cè)壁上的聚合物被保留下來。雖然刻蝕后的通道側(cè)壁相當(dāng)筆直，但由于交替進(jìn)行刻蝕和鈍化而會(huì)產(chǎn)生輕微的扇形化側(cè)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(dǎo)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(xué)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(zhì)的金屬Cr的熔點(diǎn)較高，采用蒸鍍沉積難以實(shí)現(xiàn)，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(guān)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(nèi)聚力的平衡狀態(tài)，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?fàn)顟B(tài)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?fàn)顟B(tài)Fig 5 Static state of mercury droplet

常溫20℃時(shí)，水銀的飽和蒸氣壓為0．1601 Pa，不到水的0．01%。因此，在實(shí)驗(yàn)的操作過程中由水銀的微量蒸發(fā)導(dǎo)致的體積誤差可忽略不計(jì)。我國規(guī)定的汞在室內(nèi)空氣中的最大允許濃度為0．01 mg/m3;一般認(rèn)為，人在汞濃度為1．2～8．5 mg/m3的環(huán)境中很快會(huì)引起中毒。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為一間通風(fēng)良好、光線明亮、面積為86 m2和高為3 m的實(shí)驗(yàn)室，假設(shè)水銀完全蒸發(fā)后室內(nèi)濃度為0．01 mg/m3，則取出的水銀質(zhì)量應(yīng)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(jì)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(nèi)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(shí)驗(yàn)所需體積的小液滴，然后將其放入刻蝕好的微通道內(nèi)，最后用環(huán)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(guān)如圖6所示。

3 水銀微流體慣性開關(guān)的測試

3．1 準(zhǔn)靜態(tài)閾值的測試方案

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

在微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)中常采用離心轉(zhuǎn)臺(tái)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(zhuǎn)臺(tái)的加速過程進(jìn)行設(shè)置，使作用在開關(guān)上的離心力隨時(shí)間線性變化。交流電源（內(nèi)阻小于5 mΩ）通過限流電阻連接到被測開關(guān)上。為了測試開關(guān)的準(zhǔn)靜態(tài)閾值，在60 s內(nèi)將離心轉(zhuǎn)臺(tái)線性加速至20gn。通過檢測開關(guān)兩端電壓來捕獲開關(guān)的狀態(tài)變化，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生跳變時(shí)，所對應(yīng)的加速度便為開關(guān)的準(zhǔn)靜態(tài)閾值。

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

3．2 沖擊閾值的測試方案

當(dāng)沖擊加速度大于開關(guān)導(dǎo)通閾值時(shí)，水銀液滴從初始位置到達(dá)電極位置所需時(shí)間約為2 ms，在此短時(shí)間內(nèi)沖擊加速度變化很小，因此，可近似認(rèn)為沖擊加速度即為開關(guān)導(dǎo)通加速度。

圖8為采用微控制器STC89C52結(jié)合加速度傳感器ADXL345組成的開關(guān)沖擊閾值測試系統(tǒng)，將開關(guān)與該測試系統(tǒng)集成在電路板上，二者建立在同一坐標(biāo)系中。在沖擊加速度作用下，一方面加速度傳感器實(shí)時(shí)采集加速度值，微控制器采用先入先出（first input first output，F(xiàn)IFO）方式將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到E2ROM中;另一方面，微控制器實(shí)時(shí)查詢開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)微控制器外部中斷有效觸發(fā)，將連續(xù)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(jī)，再在上位機(jī)上利用串口調(diào)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(shí)間約為2 ms，而測試系統(tǒng)采樣周期為 12．5 μs，因此，所采集數(shù)據(jù)量足以覆蓋開關(guān)從閾值狀態(tài)到導(dǎo)通的過程。

3．3 樣件測試與結(jié)果分析

圖8 測試系統(tǒng)原理圖Fig 8 Primciple diagram of testing system

為了測試準(zhǔn)靜態(tài)閾值和沖擊閾值，制備了開關(guān)樣件，其中，微閥門寬度W1=220 μm，微通道深度h=250 μm，側(cè)壁A擴(kuò)張角β1=8°，側(cè)壁B擴(kuò)張角β2=70°。開關(guān)芯片的外框尺寸為4．75 mm×3 mm，電極尺寸為7 mm×4 mm。

根據(jù)3．1節(jié)和3．2節(jié)的測試原理分別對開關(guān)樣件進(jìn)行測試，所得數(shù)據(jù)見表1。開關(guān)加速度閾值通過實(shí)驗(yàn)逼近的方式獲取:開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)跳變前后各有一個(gè)加速度值，可認(rèn)為開關(guān)的閾值介于二者之間，取二者均值作為開關(guān)的實(shí)驗(yàn)閾值。因此，從表中可以推算出開關(guān)的準(zhǔn)靜態(tài)閾值和沖擊閾值分別為8．525，5．09gn。通過開關(guān)樣件的實(shí)驗(yàn)測試可以得到如下結(jié)論:加速度的施加方式與施加時(shí)間對開關(guān)的開啟閾值存有一定程度的影響，通常沖擊閾值較準(zhǔn)靜態(tài)閾值小。

表1 水銀微流體慣性開關(guān)測試結(jié)果Tab 1 Measurement result of mercury microfluidic inertial switch

4 結(jié)論

本文對同一種結(jié)構(gòu)尺寸的開關(guān)樣件分別進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)閾值和沖擊閾值的測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊閾值較準(zhǔn)靜態(tài)閾值小。通過實(shí)驗(yàn)樣件測試發(fā)現(xiàn)，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(shí)現(xiàn);2）加速度的施加方式與施加時(shí)間對開關(guān)的開啟閾值也存有一定程度的影響，通常沖擊閾值較準(zhǔn)靜態(tài)閾值小。

由于微流體慣性開關(guān)的閾值精度要求較高，需要采用后工藝修調(diào)的方法來保證。通過穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得微流體慣性開關(guān)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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