惯性力作用下金属液滴在变截面微通道内的动态特性研究

发布时间：2018-02-21 23:27

本文关键词： 微电子机械系统金属液滴惯性开关动态特性加速度阈值　出处：《中国科学技术大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：液态金属在常温下呈液态,具有良好的导电性、导热性和流动性,已经逐步渗透到了多个技术领域。随着MEMS技术不断发展和先进制造技术的不断完善,液态金属在MEMS领域开始用作电开关的接触材料,这种“液-固”接触方式替代传统的“固-固”接触,解决了接触点磨损、信号跳变、可靠性差等问题。将金属液滴应用在微惯性开关中不仅可用作电接触材料,还可用于敏感加速度信号,这种基于金属液滴的微惯性开关具有接触电阻小、无可动部件、可靠性高、过载电流大等特点。其工作原理是通过水银液滴受惯性力作用在变截面微通道中的流动实现开关的闭合。当惯性力达到加速度阂值时,水银液滴通过微阀门进入储液槽,闭合信号电极。微流体惯性开关的微通道设计为变截面微通道,由变截面微通道形成的毛细管微阀门使得水银液滴运动到微阀门时受到毛细管力作用,阻止水银液滴通过微阀。只有水银液滴受到的惯性力达到临界状态(加速度阈值)时,水银液滴才会通过微阀门。因此,基于金属液滴的微流体惯性开关具有较好的阂值特性。金属液滴在变截面微通道内的动态特性与常规尺度通道和等截面微通道内时存在明显不同,此时表面张力、沿程阻力、粘滞力、毛细管力都成为影响动态特性的主要因素,水银液滴在变截面微通道中的动态特性反映到开关中就是微流体惯性开关的加速度阈值和响应时间,在本文中将开关加速度阈值和响应时间作为评价动态特性的主要指标。惯性力、变截面微通道结构参数、表面粗糙度及外界环境等因素均会影响金属液滴在变截面微通道中的动态特性,开关的加速度阈值及响应时间也会受到这些因素的影响。本文以微惯性开关为应用背景,研究金属液滴在变截面微通道中的动态特性。采用理论分析、数值仿真、优化设计及实验测试等手段研究惯性力、变截面微通道结构参数、表面粗糙度及外界环境等因素对动态特性及开关阈值、响应时间的影响,初步获得了变截面微通道内金属液滴在多物理场耦合作用下的动态特性,其研究方法对其它基于液态金属的新型MEMS器件的设计及优化具有重要参考价值。本文主要进行了以下几方面研究： (1)根据微流体惯性开关的结构和工作原理,从静力学和动力学两个方面研究了金属液滴在惯性力、表面张力、粘滞力、壁面正压力及毛细管力作用下的多物理场耦合力学特性,基于Young-Laplace方程建立了加速度阈值的半解析模型框架；采用Morris法对变截面微通道结构参数进行了局部和全局灵敏度分析,确定了影响金属液滴动态特性的变截面微通道关键结构参数。 (2)表面粗糙度对金属液滴的动态特性通常有较大的影响,本文在结构设计阶段就考虑了表面粗糙度对金属液滴动态特性的影响。由于实际的粗糙表面结构复杂,分布随机,很难清晰描述实际粗糙表面对金属液滴动态特性的影响。因此在实际粗糙表面上构造规则微结构,通过合理设计微结构形状及结构参数,使得金属液滴在规则微结构上的润湿行为处于稳定的Cassie状态,再采用Cassie接触角滞后模型定量分析规则微结构对金属液滴动态特性的影响,使得表面粗糙度对水银动态特性的影响变得可控。 (3)针对数值仿真中计算效率及精度问题,采用VOF-CLSVOF联合模型追踪相界面,在金属液滴运动的不同阶段通过Matlab软件自动调用不同相界面追踪模型。VOF-CLSVOF联合模型结合了VOF和CLSVOF模型的各自优点,有效提高了计算效率和计算精度。在数值仿真中,采用VOF-CLSVOF联合相界面追踪模型,考虑表面张力作用、动态接触角滞后模型的影响,研究了变截面微通道关键结构参数、金属液滴体积、外界环境等因素对动态特性的影响。基于微流体惯性开关的准静态加速度阈值和响应时间的数值仿真结果,采用正交试验的方法对开关加速度阂值半解析模型框架进行辨识,并采用一次回归正交设计方法建立了开关响应时间的回归模型,为变截面微通道关键结构参数的优化设计打下基础。 (4)在加速度阈值半解析模型及响应时间回归模型的基础上,以目标加速度阈值及稳健性能作为优化目标,开关响应时间及关键结构参数范围作为约束条件,采用粒子群优化算法对变截面微通道关键结构参数进行了快速稳健优化设计,得到了在金属液滴体积一定的情况下选择满足目标阈值、鲁棒性高且响应时间满足约束条件的一组参数作为最优变截面微通道关键结构参数。 (5)研究垂直微通道加工技术、微通道深度均匀性控制技术和金属电极材料兼容性设计技术,采用ICP干法刻蚀、金属溅射、阳极键合等关键工艺加工了开关样片,并通过调节孔和调节通道实现了金属液滴体积的修调。测试结果表明开关加速度阈值随着金属液滴体积的增加而减小,通过金属液滴体积修调技术实现了开关加速度阈值可调。加速度阈值的测试结果与平均测试阈值相比,最高精度为0.6%,最低精度为2.3%,表明微流体惯性开关具有较好的性能稳定性。将测试结果与解析结果、数值仿真结果相比,一致性较好,证明了半解析模型及数值仿真模型的有效性。 (6)最后,作为探索性研究,研究了惯性-电润湿耦合作用下金属液滴在变截面微通道中的动态特性。针对目标加速度阈值,对变截面微通道关键结构参数和金属液滴体积进行了容差分析,通过外加电压调整金属液滴在微通道中的接触角滞后性,进一步实现微流体惯性开关的加速度阈值可调,为阈值修调提供了另一种备选方案。综上所述,本文以微惯性开关为应用背景,通过理论建模、数值仿真、优化设计、实验测试等手段研究了金属液滴在变截面微通道中受多物理场耦合作用下的动态特性,采用VOF-CLSVOF联合模型追踪相界面,获得了开关加速度阈值和响应时间与变截面微通道关键结构参数之间的关系,利用粒子群优化算法对变截面微通道关键结构参数进行快速稳健优化设计,研究了微细加工工艺及金属液滴体积修调工艺,实现了开关阈值可调。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG113.2;TM564

【参考文献】