慣性力作用下金屬液滴在變截面微通道內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、液態(tài)金屬在常溫下呈液態(tài)，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和流動(dòng)性，已經(jīng)逐步滲透到了多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。隨著MEMS技術(shù)不斷發(fā)展和先進(jìn)制造技術(shù)的不斷完善，液態(tài)金屬在MEMS領(lǐng)域開(kāi)始用作電開(kāi)關(guān)的接觸材料，這種“液-固”接觸方式替代傳統(tǒng)的“固-固”接觸，解決了接觸點(diǎn)磨損、信號(hào)跳變、可靠性差等問(wèn)題。將金屬液滴應(yīng)用在微慣性開(kāi)關(guān)中不僅可用作電接觸材料，還可用于敏感加速度信號(hào)，這種基于金屬液滴的微慣性開(kāi)關(guān)具有接觸電阻小、無(wú)可動(dòng)部件、可靠性高、過(guò)載電流大等特點(diǎn)。其工

2、作原理是通過(guò)水銀液滴受慣性力作用在變截面微通道中的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的閉合。當(dāng)慣性力達(dá)到加速度閾值時(shí)，水銀液滴通過(guò)微閥門(mén)進(jìn)入儲(chǔ)液槽，閉合信號(hào)電極。微流體慣性開(kāi)關(guān)的微通道設(shè)計(jì)為變截面微通道，由變截面微通道形成的毛細(xì)管微閥門(mén)使得水銀液滴運(yùn)動(dòng)到微閥門(mén)時(shí)受到毛細(xì)管力作用，阻止水銀液滴通過(guò)微閥。只有水銀液滴受到的慣性力達(dá)到臨界狀態(tài)（加速度閾值）時(shí)，水銀液滴才會(huì)通過(guò)微閥門(mén)。因此，基于金屬液滴的微流體慣性開(kāi)關(guān)具有較好的閾值特性。金屬液滴在變截面微通道內(nèi)的動(dòng)

3、態(tài)特性與常規(guī)尺度通道和等截面微通道內(nèi)時(shí)存在明顯不同，此時(shí)表面張力、沿程阻力、粘滯力、毛細(xì)管力都成為影響動(dòng)態(tài)特性的主要因素，水銀液滴在變截面微通道中的動(dòng)態(tài)特性反映到開(kāi)關(guān)中就是微流體慣性開(kāi)關(guān)的加速度閾值和響應(yīng)時(shí)間，在本文中將開(kāi)關(guān)加速度閾值和響應(yīng)時(shí)間作為評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)特性的主要指標(biāo)。慣性力、變截面微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)、表面粗糙度及外界環(huán)境等因素均會(huì)影響金屬液滴在變截面微通道中的動(dòng)態(tài)特性，開(kāi)關(guān)的加速度閾值及響應(yīng)時(shí)間也會(huì)受到這些因素的影響。
　　本文以

4、微慣性開(kāi)關(guān)為應(yīng)用背景，研究金屬液滴在變截面微通道中的動(dòng)態(tài)特性。采用理論分析、數(shù)值仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試等手段研究慣性力、變截面微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)、表面粗糙度及外界環(huán)境等因素對(duì)動(dòng)態(tài)特性及開(kāi)關(guān)閾值、響應(yīng)時(shí)間的影響，初步獲得了變截面微通道內(nèi)金屬液滴在多物理場(chǎng)耦合作用下的動(dòng)態(tài)特性，其研究方法對(duì)其它基于液態(tài)金屬的新型MEMS器件的設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有重要參考價(jià)值。本文主要進(jìn)行了以下幾方面研究:
　　(1)根據(jù)微流體慣性開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理，從靜力學(xué)

5、和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面研究了金屬液滴在慣性力、表面張力、粘滯力、壁面正壓力及毛細(xì)管力作用下的多物理場(chǎng)耦合力學(xué)特性，基于Young-Laplace方程建立了加速度閾值的半解析模型框架;采用Morris法對(duì)變截面微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了局部和全局靈敏度分析，確定了影響金屬液滴動(dòng)態(tài)特性的變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　(2)表面粗糙度對(duì)金屬液滴的動(dòng)態(tài)特性通常有較大的影響，本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就考慮了表面粗糙度對(duì)金屬液滴動(dòng)態(tài)特性的影響。由于實(shí)際的粗糙

6、表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布隨機(jī)，很難清晰描述實(shí)際粗糙表面對(duì)金屬液滴動(dòng)態(tài)特性的影響。因此在實(shí)際粗糙表面上構(gòu)造規(guī)則微結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得金屬液滴在規(guī)則微結(jié)構(gòu)上的潤(rùn)濕行為處于穩(wěn)定的Cassie狀態(tài)，再采用Cassie接觸角滯后模型定量分析規(guī)則微結(jié)構(gòu)對(duì)金屬液滴動(dòng)態(tài)特性的影響，使得表面粗糙度對(duì)水銀動(dòng)態(tài)特性的影響變得可控。
　　(3)針對(duì)數(shù)值仿真中計(jì)算效率及精度問(wèn)題，采用VOF-CLSVOF聯(lián)合模型追蹤相界面，在金屬液滴運(yùn)動(dòng)的

7、不同階段通過(guò)Matlab軟件自動(dòng)調(diào)用不同相界面追蹤模型。VOF-CLSVOF聯(lián)合模型結(jié)合了VOF和CLSVOF模型的各自優(yōu)點(diǎn)，有效提高了計(jì)算效率和計(jì)算精度。在數(shù)值仿真中，采用VOF-CLSVOF聯(lián)合相界面追蹤模型，考慮表面張力作用、動(dòng)態(tài)接觸角滯后模型的影響，研究了變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)、金屬液滴體積、外界環(huán)境等因素對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響?；谖⒘黧w慣性開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)靜態(tài)加速度閾值和響應(yīng)時(shí)間的數(shù)值仿真結(jié)果，采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)開(kāi)關(guān)加速度閾值半解析模

8、型框架進(jìn)行辨識(shí)，并采用一次回歸正交設(shè)計(jì)方法建立了開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間的回歸模型，為變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
　　(4)在加速度閾值半解析模型及響應(yīng)時(shí)間回歸模型的基礎(chǔ)上，以目標(biāo)加速度閾值及穩(wěn)健性能作為優(yōu)化目標(biāo)，開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍作為約束條件，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了快速穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了在金屬液滴體積一定的情況下選擇滿足目標(biāo)閾值、魯棒性高且響應(yīng)時(shí)間滿足約束條件的一組參數(shù)作為最優(yōu)變截

9、面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　(5)研究垂直微通道加工技術(shù)、微通道深度均勻性控制技術(shù)和金屬電極材料兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)，采用ICP干法刻蝕、金屬濺射、陽(yáng)極鍵合等關(guān)鍵工藝加工了開(kāi)關(guān)樣片，并通過(guò)調(diào)節(jié)孔和調(diào)節(jié)通道實(shí)現(xiàn)了金屬液滴體積的修調(diào)。測(cè)試結(jié)果表明開(kāi)關(guān)加速度閾值隨著金屬液滴體積的增加而減小，通過(guò)金屬液滴體積修調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)加速度閾值可調(diào)。加速度閾值的測(cè)試結(jié)果與平均測(cè)試閾值相比，最高精度為0.6％，最低精度為2.3％，表明微流體慣性開(kāi)關(guān)具有較

10、好的性能穩(wěn)定性。將測(cè)試結(jié)果與解析結(jié)果、數(shù)值仿真結(jié)果相比，一致性較好，證明了半解析模型及數(shù)值仿真模型的有效性。
　　(6)最后，作為探索性研究，研究了慣性-電潤(rùn)濕耦合作用下金屬液滴在變截面微通道中的動(dòng)態(tài)特性。針對(duì)目標(biāo)加速度閾值，對(duì)變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和金屬液滴體積進(jìn)行了容差分析，通過(guò)外加電壓調(diào)整金屬液滴在微通道中的接觸角滯后性，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微流體慣性開(kāi)關(guān)的加速度閾值可調(diào)，為閾值修調(diào)提供了另一種備選方案。
　　綜上所述，本文以