CN105097353A - 一种自行恢复型微流体惯性接电开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自行恢复式微流体惯性开关装置，该装置包括镓姻金属液滴，PDMA基底，玻璃盖板，液滴储存池，矩形微通道，U型微通道和金属电极。在PMMA板上设置液滴储存池、U型微通道以及矩形微通道。在玻璃盖板上键合金属电极。镓姻金属液滴初始位于液体储存池中，当开关所受的惯性力大于被动阀的阈值时，金属液体会突破被动阀进入微通道电极处，开关导通。液体最多流至U型微通道内的截流被动阀处。当惯性力消失后，由于液体在微通道两端存在毛细力差，液体会自动流至初始位置，开关性能恢复。本发明的微流体惯性接电开关装置结构简单,接触稳定可靠。与现有的微流体惯性开关比较，本开关具有自行恢复能力，可以多次使用。

Description

一种自行恢复型微流体惯性接电开关装置

技术领域

本发明涉及一种自行恢复式惯性延时接电开关装置，特别是一种微流体惯性接电开关装置。

背景技术

惯性开关也称为g开关、阈值传感器等，用于感知加速度信号，当检测到超过设置阈值的加速度信号时，执行开关机械动作，并触发电信号，因此惯性开关是将传感与执行融为一体的精密惯性器件。微惯性开关由于直接响应加速度,省略了对开关运动部件控制所需的内部结构与驱动源,既实现了微型化、低功耗、响应速度快,又提高了工作可靠性,因此被广泛应用于通信、汽车、航空航天和惯性导航等领域,例如:导弹、炸弹和侵彻武器的引信控制,飞行器发射中的整流罩脱落控制,汽车安全系统中的安全气囊以及急刹车系统的跑偏控制等。

目前，对于MEMS惯性开关主要为固-固接触型，但此类开关接触时存在较大的问题：1)触点压力较小，会产生较大的电阻；2)金属固体表面易磨损退化，这将直接影响开关的接触性能；3)弹簧自身会对开关产生振动干扰，影响惯性开关接触的稳定性；4)弹簧在高过载时会产生变形，这都将影响机械式惯性开关的正常工作。微流体惯性开关采用导电液体作为惯性开关的运动电极。当开关所受惯性大于开关阈值时开关工作，此时液体在惯性加速度的作用下流动至电极位置使开关电路导通。采用导电液体能够很好的避免微机械惯性开关的触点在接触时存在的上述问题,且接触点全面接通稳定，同时具有自行恢复能力等特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自行恢复式微流体惯性开关装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种可自行恢复式微流体惯性接电开关装置，包括PMMA基板、玻璃盖板、金属电极、液滴储存池、U型微通道，

所述玻璃盖板位于PMMA基板的上方，二者均为长方形结构，金属电极的数量为两个，该两个金属电极分别键合于玻璃盖板的两个短边并与短边相垂直，PMMA基板上设置圆形液滴储存池，该液滴储存池上设置两个形状相同的矩形槽，该两个矩形槽的长边均与玻璃盖板的短边平行，该两个矩形槽同时关于液滴储存池的直径对称，PMMA基板上设置两个U型微通道，每个U型微通道的一端均与一个矩形槽相连，两个U型微通道的另一端为90°矩形缩口并相互连通，每个金属电极均包括正极和负极，正极和负极均位于相应的U型微通道中；

其中U型微通道与矩形槽相连的一端形成阈值被动阀，U型微通道的90°矩形缩口处形成截流被动阀，所述阈值被动阀的数量为两个，截流被动阀的数量为两个。

优选的，装置整体为对称结构，具体关于两个矩形槽的对称线对称。

优选的，液滴储存池中存储镓姻金属液滴。

优选的，所述矩形槽的通道截面大于U型通道截面。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的自行恢复型微流体惯性接电开关拥有尺寸小、重量轻、可集成性好、功耗低以及对于低精度器件的生产成本低等优点，这对于惯性开关结构的小型化、灵巧化以及智能化有着非同寻常的意义。2)微流体惯性接电开关采用高度疏水的镓姻金属液滴作为开关的运动和接触部分，以金属液滴导通开关，克服了“固-固"接触型微机械惯性开关存在的触点接触压力小、接触电阻大、易磨损退化，抗振动干扰差等缺点。3)本发明的自行恢复型微流体惯性接电开关为“固-液"型的接触，增大了开关触点的有效接触面积，能使开关触点接触更充分，可以给外部电路一个稳定的接电信号，因而电源稳定接电。4)与以往的微流体惯性开关相比，本发明的微流体惯性开关具有自行恢复能力，可以多次使用，很好的解决以往惯性开关一次性的问题，具有有广阔的应用前景，并在现有技术中尚无相关描述。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为自行恢复型微流体惯性接电开关装置立体结构示意图。

图2为键合后玻璃盖板立体示意图。

图3为PMMA基板内微通道立体示意图。

图4为金属液滴在惯性开关的最初位置示意图。

图5为惯性开关导通时刻金属液滴的位置示意图。

图6为惯性开关在导通后金属液滴至多所到达的位置示意图。

图中标号所代表的含义为：1PMMA基板、2玻璃盖板、3金属电极、4液滴储存池、5阈值被动阀、6安保被动阀、7U型微通道，9镓姻金属液滴，10金属电极的位置，F为所受惯性力，P_cap1、P_cap2分别为金属液滴前后表面的毛细压力。

具体实施方式

本发明的一种自行恢复型微流体惯性接电开关装置，包括PMMA基板1、玻璃盖板2、金属电极3、液滴储存池4、U型微通道7，

所述玻璃盖板2位于PMMA基板1的上方，二者均为长方形结构，金属电极的数量为两个，该两个金属电极分别键合于玻璃盖板2的两个短边并与短边相垂直，PMMA基板1上设置圆形液滴储存池4，该液滴储存池4上设置两个形状相同的矩形槽，该两个矩形槽的长边均与玻璃盖板2的短边平行，该两个矩形槽同时关于液滴储存池4的直径对称，PMMA基板1上设置两个U型微通道7，每个U型微通道7的一端均与一个矩形槽相连，两个U型微通道7的另一端为90°矩形缩口并相互连通，每个金属电极均包括正极和负极，正极和负极均位于相应的U型微通道7中；

其中U型微通道与矩形槽相连的一端形成阈值被动阀5，U型微通道的90°矩形缩口处形成截流被动阀6，所述阈值被动阀5的数量为两个，截流被动阀6的数量为两个。

所述装置整体为对称结构，具体关于两个矩形槽的对称线对称。

所述液滴储存池4中存储镓姻金属液滴。

所述矩形槽的通道截面大于U型通道7截面。

下面进行更详细的描述：

结合图1，本发明的一种MEMS微流体惯性延时接电开关装置，结构包括PMMA基板1、玻璃盖板2、金属电极3、液滴储存池4、阈值被动阀5、截流被动阀6、U型微通道7。

在PMMA基板1上设置工作通道，其正上部是键合的玻璃盖板2，两个金属电极3分别键合于玻璃盖板的两个短边并与短边相垂直，金属液滴开始位于液滴储存池4中，PMMA基板上设置两个U型微通道7，每个U型微通道的一端均与一个矩形槽相连，两个U型微通道的另一端为90°矩形缩口并相互连通，整个开关结构呈中心对称分布。通过压敏胶密封后的金属电极位于U型通道7中，最终整个工作通道得以完成。

其中U型微通道与矩形槽相连的一端形成阈值被动阀5，U型微通道的90°矩形缩口处形成截流被动阀6，所述阈值被动阀的数量为两个，截流被动阀的数量为两个。

结合图2图3，图2为玻璃盖板结构，盖板为长方形，在下部有接电金属电极3，作为感应输出部件。图3为整体工作通道，包括PMMA基板1、液滴储存池4、阈值被动阀5、截流被动阀6、U型微通道7。

图4中，镓姻金属液滴9初始于液滴储存池4中，镓姻金属液滴具有高度疏水性，熔点为29°沸点高达2200°。采用不同截面的微通道，储液池4的通道截面大于U型通道7的截面，因此，金属液体在流动后可根据自身的毛细力差自行恢复至最初位置，保持开关的使用性能。阈值被动阀5的阈值大小可根据所设计的微通道的截面尺寸进行调节，当所受惯性力大于被动阀阈值时，液滴会流至U型微通道7。由于开关是对称结构，所以其具有两个工作方向，且工作原理相同。

当开关所受纵向力F大于被动阀5的阈值时，金属液体由图4位置运动到图5位置，使金属电极3两端导通，开关开始工作。此时由于惯性加速度的存在，金属液体会沿着U型微通道7继续运动，但最多流至截流被动阀6处，如图6所示，液体不会继续运动。当金属液体的速度为零时，由于液体前后界面截面大小不同，所以两端面存在毛细压力差，既P_cap2＞P_cap1。矩形截面内毛细压强可表示为

$P_{cap}=2{\mathrm{cos\θ}}_c{\mathrm{\γ}}_{la}(\frac{1}{H}+\frac{1}{W})$

其中：θ_c，γ_la，H和W分别为液固接触角，液固表面张力，微通道的高以及宽。所以，在两端毛细压力差的作用下，金属液滴由图6位置运动到图4位置，开关性能恢复。

简而言之，该自行恢复式微流体惯性接电开关，当开关所受惯性力大于被动阀5的阈值时，金属液滴会流入U型微通道7，然后导通金属电极3，此时电源接通；当惯性力消失时，液体在毛细压力差的作用下恢复到液体储存池4中，开关保持待工作状态。

由上可知，本发明的自行恢复型微流体惯性接电开关拥有尺寸小、重量轻、可集成性好、功耗低以及对于低精度器件的生产成本低等优点。

Claims (4)

1.一种自行恢复型微流体惯性接电开关装置，其特征在于，包括PMMA基板[1]、玻璃盖板[2]、金属电极[3]、液滴储存池[4]、U型微通道[7]，

所述玻璃盖板[2]位于PMMA基板[1]的上方，二者均为长方形结构，金属电极的数量为两个，该两个金属电极分别键合于玻璃盖板[2]的两个短边并与短边相垂直，PMMA基板[1]上设置圆形液滴储存池[4]，该液滴储存池[4]上设置两个形状相同的矩形槽，该两个矩形槽的长边均与玻璃盖板[2]的短边平行，该两个矩形槽同时关于液滴储存池[4]的直径对称，PMMA基板[1]上设置两个U型微通道[7]，每个U型微通道[7]的一端均与一个矩形槽相连，两个U型微通道[7]的另一端为90°矩形缩口并相互连通，每个金属电极均包括正极和负极，正极和负极均位于相应的U型微通道[7]中；

其中U型微通道与矩形槽相连的一端形成阈值被动阀[5]，U型微通道的90°矩形缩口处形成截流被动阀[6]，所述阈值被动阀[5]的数量为两个，截流被动阀[6]的数量为两个。

2.根据权利要求1所述的自行恢复型微流体惯性接电开关装置，其特征在于，装置整体为对称结构，具体关于两个矩形槽的对称线对称。

3.根据权利要求1所述的自行恢复型微流体惯性接电开关装置，其特征在于，液滴储存池[4]中存储镓姻金属液滴。

4.根据权利要求1所述的自行恢复型微流体惯性接电开关装置，其特征在于，所述矩形槽的通道截面大于U型通道[7]截面。