液态金属微流体机械惯性导电开关制造技术

本发明专利技术公开了一种液态金属微流体机械惯性开关，包括敏感单元永磁微机械惯性开关和致动单元液态金属微流体静电开关。液态金属微流体机械惯性开关采用微加工工艺制作，采用激光后工艺修调调整开关精度和阈值，采用环氧键合或局部加热键合的方法对微通道结构进行封装。本发明专利技术具有体积小、结构简单、低接触电阻、可有效控制开关阈值和精度、开关允许通过的电流大、高可靠性的特点。微加工工艺可进行批量生产，降低器件成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微惯性导电开关，特别涉及一种集永磁微机械开关与液态金属微流体开关于一体的高精度液态金属微流体机械惯性开关。
技术介绍
微惯性开关是一种特殊的加速度传感器。它省去了普通加速度计的信号处理时间，直接控制开关的通断。其输出结果不需模数转换，直接产生数字量输出，容易与数字电路集成，构成惯性加速度阈值测量单元，可以直接用于加速度测量，在工业和国防领域有重要的应用。惯性驱动具有无源特性，可以用于特殊场合。其通常采用"弹簧-质量块"结构，利用惯性力和弹性力的平衡关系确定系统可测的阈值加速度，工作原理是当大于某个阈值的加速度作用在质量块上时，惯性力使弹性结构(大多是悬臂梁)产生的形变超过吸附(静电、电磁力的作用)的极限位置，开关产生正反馈效应而迅速闭合。微机械惯性开关除了具有较高的响应速度外，还具有低功耗、低成本、小体积、高过载能力、接口电路简单等优点，但是微机械惯性开关的主要缺陷是电接触问题，导致其可靠性降低。 采用移动液态金属(水银或镓铟锡)的开关与"弹簧_质量块"结构的机械开关相比，可以在恶劣环境条件下使用，且通断所需的外力小。在宏观尺度下，其惯性力与表面张力之比较大，只要稍加外力便可移动，使开关实现通断。液态金属的导电性好，开关电极间的接触电阻小，允许通过的电流大，可以长期可靠地工作；且电极的接点是液态接触，无任何噪声。此类开关具有体积小、结构简单、价格低、全密封等优点。但缺点在于现有的微机械开关集传感和致动于一体，采用移动液态金属作为开关触点时，微通道中微流体受多物理场耦合特性的影响，其在加速度作用下的流动特性与粘性力、惯性力、表面张力等有关，同时在制造过程中液态金属的尺寸难以精确控制且热膨胀系数较大，从而导致浸润金属触点的开关在惯性驱动时，其阈值及其精度不易控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种液态金属微流体机械惯性开关。传感和致动分别由永磁 微机械惯性开关与液态金属微流体开关分别承担，易于对阈值及其精度进行控制的液态金 属微流体机械惯性开关设计与制造方法。 液态金属微流体机械惯性开关由两部分组成其一是永磁微梁机械惯性开关部 分，其二是液态金属微流体静电开关部分。为了使永磁微梁机械惯性开关闭合后驱动液态 金属微流体静电开关的电压明显增大，两者的负极之间通过大电容连接(远大于前者正负 极之间的电容)。最终起作用的是液态金属微流体静电开关的导通，永磁微梁机械惯性开关 只是敏感加速度，驱动液态金属微流体静电开关，起到精确控制开关阈值的作用。其作用机 理是当加速度大于阈值时，永磁微机械惯性开关闭合，使驱动控制静电电压突然增大，微 通道中的液态金属液滴在驱动控制静电电压、信号静电电压和惯性力的作用下突然运动， 接通开关。 本专利技术的技术方案是液态金属微流体机械惯性开关采用微加工工艺在硅片上制 作，其特征在于包括永磁微梁机械惯性开关部分和液态金属微流体静电开关部分。采用 "弹簧-质量块"结构制作永磁微梁机械惯性开关部分，液态金属微流体静电开关采用三维 微通道结构。液滴采用水银或镓铟锡液态金属。 本专利技术的特点在于采用微机械加工工艺获得体积很小的液态金属微流体机械惯 性开关。采用"弹簧_质量块"结构的永磁微梁机械惯性开关可有效控制开关阈值和精度。 采用三维微通道腔结构的液态金属微流体静电开关可有效降低接触电阻、加大开关允许通 过的电流、可长期可靠地工作，同时具有体积小、结构简单、价格低、全密封的优点。可进行 批量生产，降低器件成本。附图说明 图1 :水银微流体机械惯性开关结构框图； 图2 :永磁微梁机械惯性开关示意图； 图3 :水银微流体静电开关俯视图； 图4 :水银微流体静电开关截面图。 图中1为导线，2为框架，3为支撑架，4为质量块，5为触点，6为永磁铁，7为基座， 8为电源，9为永磁微梁惯性开关，10为信号电极，11为驱动电极，12为地，13为基底，14为 氧化硅，15为硅基，16为液态金属，17为水银微流体静电开关，18为负载。具体实施方式 实施例 液态金属微流体机械惯性开关分永磁微梁机械惯性开关部分和液态金属微流体静电开关部分。其特点在于传感与致动分别由不同部件承担，阈值及其精度便于控制。 永磁微梁机械惯性开关作为敏感单元，在加工制作中为使制备的开关满足要求的性能参数，采用激光修调的办法对其进行后加工参数调整，具体方法按如下步骤 1、采用基本的微细加工技术，如氧化、光刻、溅射、电镀以及等离子刻蚀的工艺技术制作如图2所示的永磁微梁机械惯性开关结构。 2、对制作好的永磁微梁机械惯性开关结构根据使用的阈值和精度要求，对其支撑 梁和质量块采用激光修调的方法对其进行后加工调整，根据实验测试结果，制备出符合阈 值及其精度要求的永磁微梁惯性开关。 液态金属微流体机械惯性开关在永磁微梁机械惯性开关导通驱动驱动控制静电 电压，液态金属流体在静电作用下运动导通信号开关，在加工其结构时，应着重考虑微通道 结构与液态金属液滴的匹配问题，具体方法步骤如下 1、采用通用的微系统加工工艺制作微通道结构； 2、通过在种子层上凝结蒸汽和毛细玻璃管滴定的方法形成液态金属液滴，对于热 蒸镀方案，通过控制蒸发温度和蒸发时间的方法，形成符合器件要求的水银液滴尺寸。毛 细管滴定方案，通过配备不同尺寸滴定漏斗的方式形成水银液滴，已便于控制水银液滴大 小； 3、考虑到液态金属的低沸点问题，采用环氧键合或局部加热键合的方法对微通道结构进行封装；将两部分结构加工完毕后，按图1所示连接，形成液态金属微流体机械惯性 开关。权利要求一种液态金属微流体机械惯性开关，包括永磁微机械惯性开关9与液态金属微流体开关17。其特征在于传感和致动分别由永磁微机械惯性开关与液态金属微流体开关分别承担。2. 根据权利要求1所述液态金属微流体机械惯性开关，其特征在于采用微加工工艺 制作，基底材料选用硅。3. 根据权利要求1所述液态金属微流体机械惯性开关，其特征在于永磁微机械惯性 开关9的阈值和精度采用激光后加工修调的办法来调整。液态金属微流体静电开关17中金属液滴采用热蒸镀或毛细玻璃管滴定的方法形成。4. 根据权利要求1和权力要求3所述液态金属微流体静电开关，其特征在于采用环 氧键合或局部加热键合的方法对微通道结构进行封装；5. 根据权利要求4所述的液态金属微流体静电开关。其特征在于由微加工工艺制备 的微通道结构，电极之间之间采用氧化硅和氮化硅做绝缘层，电极材料选用镍。全文摘要本专利技术公开了一种液态金属微流体机械惯性开关，包括敏感单元永磁微机械惯性开关和致动单元液态金属微流体静电开关。液态金属微流体机械惯性开关采用微加工工艺制作，采用激光后工艺修调调整开关精度和阈值，采用环氧键合或局部加热键合的方法对微通道结构进行封装。本专利技术具有体积小、结构简单、低接触电阻、可有效控制开关阈值和精度、开关允许通过的电流大、高可靠性的特点。微加工工艺可进行批量生产，降低器件成本。文档编号H01H29/00GK101702389SQ20091021625公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日专利技术者冯月晖, 刘婷婷, 周玲, 张珂, 李磊民, 杨涛, 梁晋涛, 谭先吉, 陈花卫, 韩宾 申请人:西南科技大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液态金属微流体机械惯性开关，包括永磁微机械惯性开关【９】与液态金属微流体开关【１７】。其特征在于：传感和致动分别由永磁微机械惯性开关与液态金属微流体开关分别承担。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，梁晋涛，韩宾，刘婷婷，李磊民，谭先吉，冯月晖，周玲，陈花卫，张珂，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]