專利名稱：液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性導(dǎo)電開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微慣性導(dǎo)電開(kāi)關(guān)，特別涉及一種集永磁微機(jī)械開(kāi)關(guān)與液態(tài)金屬微
流體開(kāi)關(guān)于一體的高精度液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)。
背景技術(shù)：
微慣性開(kāi)關(guān)是一種特殊的加速度傳感器。它省去了普通加速度計(jì)的信號(hào)處理時(shí)
間，直接控制開(kāi)關(guān)的通斷。其輸出結(jié)果不需模數(shù)轉(zhuǎn)換，直接產(chǎn)生數(shù)字量輸出，容易與數(shù)字電
路集成，構(gòu)成慣性加速度閾值測(cè)量單元，可以直接用于加速度測(cè)量，在工業(yè)和國(guó)防領(lǐng)域有重
要的應(yīng)用。慣性驅(qū)動(dòng)具有無(wú)源特性，可以用于特殊場(chǎng)合。其通常采用"彈簧-質(zhì)量塊"結(jié)
構(gòu)，利用慣性力和彈性力的平衡關(guān)系確定系統(tǒng)可測(cè)的閾值加速度，工作原理是當(dāng)大于某個(gè)
閾值的加速度作用在質(zhì)量塊上時(shí)，慣性力使彈性結(jié)構(gòu)(大多是懸臂梁)產(chǎn)生的形變超過(guò)吸
附(靜電、電磁力的作用)的極限位置，開(kāi)關(guān)產(chǎn)生正反饋效應(yīng)而迅速閉合。微機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)
除了具有較高的響應(yīng)速度外，還具有低功耗、低成本、小體積、高過(guò)載能力、接口電路簡(jiǎn)單等
優(yōu)點(diǎn)，但是微機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)的主要缺陷是電接觸問(wèn)題，導(dǎo)致其可靠性降低。 采用移動(dòng)液態(tài)金屬(水銀或鎵銦錫)的開(kāi)關(guān)與"彈簧_質(zhì)量塊"結(jié)構(gòu)的機(jī)械開(kāi)關(guān)相
比，可以在惡劣環(huán)境條件下使用，且通斷所需的外力小。在宏觀尺度下，其慣性力與表面張
力之比較大，只要稍加外力便可移動(dòng)，使開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)通斷。液態(tài)金屬的導(dǎo)電性好，開(kāi)關(guān)電極間
的接觸電阻小，允許通過(guò)的電流大，可以長(zhǎng)期可靠地工作；且電極的接點(diǎn)是液態(tài)接觸，無(wú)任
何噪聲。此類開(kāi)關(guān)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、全密封等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)在于現(xiàn)有的微機(jī)
械開(kāi)關(guān)集傳感和致動(dòng)于一體，采用移動(dòng)液態(tài)金屬作為開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)時(shí)，微通道中微流體受多物
理場(chǎng)耦合特性的影響，其在加速度作用下的流動(dòng)特性與粘性力、慣性力、表面張力等有關(guān)，
同時(shí)在制造過(guò)程中液態(tài)金屬的尺寸難以精確控制且熱膨脹系數(shù)較大，從而導(dǎo)致浸潤(rùn)金屬觸
點(diǎn)的開(kāi)關(guān)在慣性驅(qū)動(dòng)時(shí)，其閾值及其精度不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)。傳感和致動(dòng)分別由永磁 微機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)與液態(tài)金屬微流體開(kāi)關(guān)分別承擔(dān)，易于對(duì)閾值及其精度進(jìn)行控制的液態(tài)金 屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與制造方法。 液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)由兩部分組成其一是永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)部 分，其二是液態(tài)金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)部分。為了使永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)閉合后驅(qū)動(dòng)液態(tài) 金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)的電壓明顯增大，兩者的負(fù)極之間通過(guò)大電容連接(遠(yuǎn)大于前者正負(fù) 極之間的電容)。最終起作用的是液態(tài)金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通，永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān) 只是敏感加速度，驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)，起到精確控制開(kāi)關(guān)閾值的作用。其作用機(jī) 理是當(dāng)加速度大于閾值時(shí)，永磁微機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)閉合，使驅(qū)動(dòng)控制靜電電壓突然增大，微 通道中的液態(tài)金屬液滴在驅(qū)動(dòng)控制靜電電壓、信號(hào)靜電電壓和慣性力的作用下突然運(yùn)動(dòng)， 接通開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)采用微加工工藝在硅片上制 作，其特征在于包括永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)部分和液態(tài)金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)部分。采用 "彈簧-質(zhì)量塊"結(jié)構(gòu)制作永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)部分，液態(tài)金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)采用三維 微通道結(jié)構(gòu)。液滴采用水銀或鎵銦錫液態(tài)金屬。 本發(fā)明的特點(diǎn)在于采用微機(jī)械加工工藝獲得體積很小的液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣 性開(kāi)關(guān)。采用"彈簧_質(zhì)量塊"結(jié)構(gòu)的永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)可有效控制開(kāi)關(guān)閾值和精度。 采用三維微通道腔結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)可有效降低接觸電阻、加大開(kāi)關(guān)允許通 過(guò)的電流、可長(zhǎng)期可靠地工作，同時(shí)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、全密封的優(yōu)點(diǎn)?？蛇M(jìn)行 批量生產(chǎn)，降低器件成本。


圖1 :水銀微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖；
圖2 :永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)示意圖；
圖3 :水銀微流體靜電開(kāi)關(guān)俯視圖；
圖4 :水銀微流體靜電開(kāi)關(guān)截面圖。 圖中1為導(dǎo)線，2為框架，3為支撐架，4為質(zhì)量塊，5為觸點(diǎn)，6為永磁鐵，7為基座， 8為電源，9為永磁微梁慣性開(kāi)關(guān)，10為信號(hào)電極，11為驅(qū)動(dòng)電極，12為地，13為基底，14為 氧化硅，15為硅基，16為液態(tài)金屬，17為水銀微流體靜電開(kāi)關(guān)，18為負(fù)載。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例 液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)分永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)部分和液態(tài)金屬微流體
靜電開(kāi)關(guān)部分。其特點(diǎn)在于傳感與致動(dòng)分別由不同部件承擔(dān)，閾值及其精度便于控制。 永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)作為敏感單元，在加工制作中為使制備的開(kāi)關(guān)滿足要求的
性能參數(shù)，采用激光修調(diào)的辦法對(duì)其進(jìn)行后加工參數(shù)調(diào)整，具體方法按如下步驟 1、采用基本的微細(xì)加工技術(shù)，如氧化、光刻、濺射、電鍍以及等離子刻蝕的工藝技
術(shù)制作如圖2所示的永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。 2、對(duì)制作好的永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)根據(jù)使用的閾值和精度要求，對(duì)其支撐 梁和質(zhì)量塊采用激光修調(diào)的方法對(duì)其進(jìn)行后加工調(diào)整，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，制備出符合閾 值及其精度要求的永磁微梁慣性開(kāi)關(guān)。 液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)在永磁微梁機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制靜電 電壓，液態(tài)金屬流體在靜電作用下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)通信號(hào)開(kāi)關(guān)，在加工其結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)著重考慮微通道 結(jié)構(gòu)與液態(tài)金屬液滴的匹配問(wèn)題，具體方法步驟如下
1、采用通用的微系統(tǒng)加工工藝制作微通道結(jié)構(gòu)； 2、通過(guò)在種子層上凝結(jié)蒸汽和毛細(xì)玻璃管滴定的方法形成液態(tài)金屬液滴，對(duì)于熱 蒸鍍方案，通過(guò)控制蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)時(shí)間的方法，形成符合器件要求的水銀液滴尺寸。毛 細(xì)管滴定方案，通過(guò)配備不同尺寸滴定漏斗的方式形成水銀液滴，已便于控制水銀液滴大 ??； 3、考慮到液態(tài)金屬的低沸點(diǎn)問(wèn)題，采用環(huán)氧鍵合或局部加熱鍵合的方法對(duì)微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝；將兩部分結(jié)構(gòu)加工完畢后，按圖1所示連接，形成液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性 開(kāi)關(guān)。
權(quán)利要求
一種液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)，包括永磁微機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)9與液態(tài)金屬微流體開(kāi)關(guān)17。其特征在于傳感和致動(dòng)分別由永磁微機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)與液態(tài)金屬微流體開(kāi)關(guān)分別承擔(dān)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)，其特征在于采用微加工工藝 制作，基底材料選用硅。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)，其特征在于永磁微機(jī)械慣性 開(kāi)關(guān)9的閾值和精度采用激光后加工修調(diào)的辦法來(lái)調(diào)整。液態(tài)金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)17
中金屬液滴采用熱蒸鍍或毛細(xì)玻璃管滴定的方法形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)力要求3所述液態(tài)金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)，其特征在于采用環(huán) 氧鍵合或局部加熱鍵合的方法對(duì)微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝；
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的液態(tài)金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)。其特征在于由微加工工藝制備 的微通道結(jié)構(gòu)，電極之間之間采用氧化硅和氮化硅做絕緣層，電極材料選用鎳。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)，包括敏感單元永磁微機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)和致動(dòng)單元液態(tài)金屬微流體靜電開(kāi)關(guān)。液態(tài)金屬微流體機(jī)械慣性開(kāi)關(guān)采用微加工工藝制作，采用激光后工藝修調(diào)調(diào)整開(kāi)關(guān)精度和閾值，采用環(huán)氧鍵合或局部加熱鍵合的方法對(duì)微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝。本發(fā)明具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低接觸電阻、可有效控制開(kāi)關(guān)閾值和精度、開(kāi)關(guān)允許通過(guò)的電流大、高可靠性的特點(diǎn)。微加工工藝可進(jìn)行批量生產(chǎn)，降低器件成本。
文檔編號(hào)H01H29/00GK101702389SQ20091021625
公開(kāi)日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者馮月暉, 劉婷婷, 周玲, 張珂, 李磊民, 楊濤, 梁晉濤, 譚先吉, 陳花衛(wèi), 韓賓 申請(qǐng)人:西南科技大學(xué)