慣性力作用下金屬液滴在變截面微通道內(nèi)的動態(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)熱性和流動性，已經(jīng)逐步滲透到了多個技術(shù)領(lǐng)域。隨著MEMS技術(shù)不斷發(fā)展和先進制造技術(shù)的不斷完善，液態(tài)金屬在MEMS領(lǐng)域開始用作電開關(guān)的接觸材料，這種“液-固”接觸方式替代傳統(tǒng)的“固-固”接觸，解決了接觸點磨損、信號跳變、可靠性差等問題。將金屬液滴應(yīng)用在微慣性開關(guān)中不僅可用作電接觸材料，還可用于敏感加速度信號，這種基于金屬液滴的微慣性開關(guān)具有接觸電阻小、無可動部件、可靠性高、過載電流大等特點。其工

2、作原理是通過水銀液滴受慣性力作用在變截面微通道中的流動實現(xiàn)開關(guān)的閉合。當(dāng)慣性力達到加速度閾值時，水銀液滴通過微閥門進入儲液槽，閉合信號電極。微流體慣性開關(guān)的微通道設(shè)計為變截面微通道，由變截面微通道形成的毛細管微閥門使得水銀液滴運動到微閥門時受到毛細管力作用，阻止水銀液滴通過微閥。只有水銀液滴受到的慣性力達到臨界狀態(tài)（加速度閾值）時，水銀液滴才會通過微閥門。因此，基于金屬液滴的微流體慣性開關(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

3、態(tài)特性與常規(guī)尺度通道和等截面微通道內(nèi)時存在明顯不同，此時表面張力、沿程阻力、粘滯力、毛細管力都成為影響動態(tài)特性的主要因素，水銀液滴在變截面微通道中的動態(tài)特性反映到開關(guān)中就是微流體慣性開關(guān)的加速度閾值和響應(yīng)時間，在本文中將開關(guān)加速度閾值和響應(yīng)時間作為評價動態(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)境等因素均會影響金屬液滴在變截面微通道中的動態(tài)特性，開關(guān)的加速度閾值及響應(yīng)時間也會受到這些因素的影響。
　　本文以

4、微慣性開關(guān)為應(yīng)用背景，研究金屬液滴在變截面微通道中的動態(tài)特性。采用理論分析、數(shù)值仿真、優(yōu)化設(shè)計及實驗測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)境等因素對動態(tài)特性及開關(guān)閾值、響應(yīng)時間的影響，初步獲得了變截面微通道內(nèi)金屬液滴在多物理場耦合作用下的動態(tài)特性，其研究方法對其它基于液態(tài)金屬的新型MEMS器件的設(shè)計及優(yōu)化具有重要參考價值。本文主要進行了以下幾方面研究:
　　(1)根據(jù)微流體慣性開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理，從靜力學(xué)

5、和動力學(xué)兩個方面研究了金屬液滴在慣性力、表面張力、粘滯力、壁面正壓力及毛細管力作用下的多物理場耦合力學(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法對變截面微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了局部和全局靈敏度分析，確定了影響金屬液滴動態(tài)特性的變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　(2)表面粗糙度對金屬液滴的動態(tài)特性通常有較大的影響，本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段就考慮了表面粗糙度對金屬液滴動態(tài)特性的影響。由于實際的粗糙

6、表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布隨機，很難清晰描述實際粗糙表面對金屬液滴動態(tài)特性的影響。因此在實際粗糙表面上構(gòu)造規(guī)則微結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計微結(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)對金屬液滴動態(tài)特性的影響，使得表面粗糙度對水銀動態(tài)特性的影響變得可控。
　　(3)針對數(shù)值仿真中計算效率及精度問題，采用VOF-CLSVOF聯(lián)合模型追蹤相界面，在金屬液滴運動的

7、不同階段通過Matlab軟件自動調(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，有效提高了計算效率和計算精度。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)境等因素對動態(tài)特性的影響?；谖⒘黧w慣性開關(guān)的準(zhǔn)靜態(tài)加速度閾值和響應(yīng)時間的數(shù)值仿真結(jié)果，采用正交試驗的方法對開關(guān)加速度閾值半解析模

8、型框架進行辨識，并采用一次回歸正交設(shè)計方法建立了開關(guān)響應(yīng)時間的回歸模型，為變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計打下基礎(chǔ)。
　　(4)在加速度閾值半解析模型及響應(yīng)時間回歸模型的基礎(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)，開關(guān)響應(yīng)時間及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍作為約束條件，采用粒子群優(yōu)化算法對變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了快速穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計，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)計技術(shù)，采用ICP干法刻蝕、金屬濺射、陽極鍵合等關(guān)鍵工藝加工了開關(guān)樣片，并通過調(diào)節(jié)孔和調(diào)節(jié)通道實現(xiàn)了金屬液滴體積的修調(diào)。測試結(jié)果表明開關(guān)加速度閾值隨著金屬液滴體積的增加而減小，通過金屬液滴體積修調(diào)技術(shù)實現(xiàn)了開關(guān)加速度閾值可調(diào)。加速度閾值的測試結(jié)果與平均測試閾值相比，最高精度為0.6％，最低精度為2.3％，表明微流體慣性開關(guān)具有較

10、好的性能穩(wěn)定性。將測試結(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-電潤濕耦合作用下金屬液滴在變截面微通道中的動態(tài)特性。針對目標(biāo)加速度閾值，對變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和金屬液滴體積進行了容差分析，通過外加電壓調(diào)整金屬液滴在微通道中的接觸角滯后性，進一步實現(xiàn)微流體慣性開關(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