CN108878205A - 可延时惯性微流体接电开关 - Google Patents

可延时惯性微流体接电开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可延时惯性微流体接电开关，属于微流控芯片领域，包括基底、盖板、四个金属电极、微通道、金属液滴；盖板位于基底上端，两者之间密封；所述基底上设有微通道，金属电极设置于盖板上；所述微通道包括J形储液池、毛细阀、直通道、延时通道、U形闭锁通道以及导气通道；所述金属液滴位于J形储液池内。所述四个金属电极的一端触点位于微通道内，另一端触点位于基底和盖板重合区之外。当开关所受惯性力大于其阈值时，金属液滴会突破毛细阀流至延时通道进行延时，并在惯性力的作用下最终流至金属电极处，开关导通。本发明的可延时微流体惯性开关结构简单，接触稳定可靠，与现有的微流体惯性开关比较，本开关具有精确的延时功能。

Description

可延时惯性微流体接电开关
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，特别是可延时惯性微流体接电开关。
背景技术
微流体惯性接电开关，是在微机械惯性开关与微流控技术的基础下提出的一种新型的开关。传统微机械惯性开关的基本结构通常为悬臂梁和弹簧-质量块系统组成，该开关的导通是基于“固-固接触”。微流体惯性开关则一般以液态金属作为工作流体，当开关受到大于其阈值的加速度时，工作流体将运动到金属电极的位置，进而导通开关。传统微机械惯性开关的“固-固接触”模式具有导通电阻大，抗干扰能力差，接触不稳定，且会使金属接触点发生磨损等缺点，进而降低其开关接电可靠性。而微流体惯性开关则可以有效避免此类缺点。
2013年，中国台湾清华大学的Y-C Huang在Design and implementation oftime-delay switch论文中设计了一种可延时微流体惯性开关。该开关在受到大于其阈值的加速度载荷时，该开关的工作流体可与固定电极接触，导通电极。但该开关也存在缺点，如开关的工作流体的流动方式近似为射流，延时时间不能精确控制，并且容易出现微流体液滴分离的情况，降低开关使用的可靠性。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种新型可延时惯性微流体接电开关，可在一定加速度载荷作用下，开关精确延时后接电。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种可延时惯性微流体接电开关，包括基底、盖板、微通道、金属液滴、第一电极、第二电极；所述微通道设置在基底上；所述基底、盖板之间密封，避免金属液滴从微通道内溅出；所述微通道包括J形储液池、第一毛细阀、第二毛细阀、第三毛细阀、第四毛细阀、第五毛细阀、第六毛细阀、第七毛细阀、第八毛细阀、第九毛细阀、第十毛细阀、第十一毛细阀、第一直通道、曲形通道、第二直通道、第三直通道、延时通道、U 形闭锁通道以及导气通道；
所述J形储液池短边上端与第一毛细阀相连，第一毛细阀上端与第二毛细阀相连；所述第二毛细阀上端与第一直通道相连；所述第一直通道与第三毛细阀之间的轴向相互垂直，二者之间通过曲形通道过渡连接；所述第三毛细阀另一端与第四毛细阀相连；所述第四毛细阀与第五毛细阀之间通过延时通道相连；所述第五毛细阀与U形闭锁通道一端相连；U形闭锁通道另一端与第六毛细阀相连；所述第六毛细阀另一端毛细阀相连；所述第七毛细阀另一端与第八毛细阀之间通过第二直通道相连；所述第八毛细阀另一端与第十一毛细阀上端之间通过导气通道相连；所述第十一毛细阀下端与第十毛细阀上端之间通过第三直通道相连；所述第十毛细阀下端与第九毛细阀上端相连；所述第九毛细阀下端与J形储液池长边上端相连；
所述第一电极从U形闭锁通道下端引出，所述第二电极从U形闭锁通道上端引出，由第一电极和第二电极构成延时开关。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)发明的可延时微流体惯性接电开关，在一定的加速度载荷作用下，可在精确的延时后接电，并且可通过调整延时通道的形状以调整延时时间。
(2)发明的微流体惯性接电开关，通过延长过渡毛细阀的长度，有效减少液滴分离情况的发生。
(3)发明的微流体惯性接电开关，是通过惯性力驱动金属液滴运动来导通电极。相较于传统的“固-固”接触的微机械惯性开关，具有接触可靠、接触面积大、接触电阻小等优点。
(4)发明的微流体惯性接电开关，具有尺寸小、结构简单、易于加工、生产成本低，易于装配等优点。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为可延时惯性微流体接电开关的三维示意图。
图2为镀有金属电极的盖板示意图。
图3为可延时惯性微流体接电开关的俯视图。
图4为基底内刻蚀出的微通道的示意图。
图5为初始状态下J形储液池结构示意图。
图6为初始状态下金属液滴位置的仿真图。
图7为水平加速度载荷加载时工作流体突破第二毛细阀位置的仿真图。
图8为水平加速度载荷加载时工作流体部分进入延时通道位置的仿真图。
图9为水平加速度载荷加载时工作流体在延时通道内流动的仿真图。
图10为水平加速度载荷加载时工作流体部分进入闭锁通道位置的仿真图。
图11为金属液滴完全进入闭锁通道开关闭锁位置的仿真图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图4，本发明的一种可延时惯性微流体接电开关，包括基底1、盖板2、微通道7、金属液滴、第一电极31、第二电极32；所述微通道7设置在基底1上；所述基底1、盖板2之间密封，避免金属液滴从微通道7内溅出；所述微通道7包括J形储液池8、第一毛细阀9、第二毛细阀10、第三毛细阀13、第四毛细阀14、第五毛细阀 16、第六毛细阀18、第七毛细阀19、第八毛细阀21、第九毛细阀26、第十毛细阀25、第十一毛细阀23、第一直通道11、曲形通道12、第二直通道20、第三直通道24、延时通道15、U形闭锁通道17以及导气通道22；
所述J形储液池8短边上端与第一毛细阀9相连，第一毛细阀9上端与第二毛细阀10相连；所述第二毛细阀10上端与第一直通道11相连；所述第一直通道11与第三毛细阀13之间的轴向相互垂直，二者之间通过曲形通道12过渡连接；所述第三毛细阀13 另一端与第四毛细阀14相连；所述第四毛细阀14与第五毛细阀16之间通过延时通道 15相连；所述第五毛细阀16与U形闭锁通道17一端相连；U形闭锁通道17另一端与第六毛细阀18相连；所述第六毛细阀18另一端毛细阀19相连；所述第七毛细阀19另一端与第八毛细阀21之间通过第二直通道20相连；所述第八毛细阀21另一端与第十一毛细阀23上端之间通过导气通道22相连；所述第十一毛细阀23下端与第十毛细阀 25上端之间通过第三直通道24相连；所述第十毛细阀25下端与第九毛细阀26上端相连；所述第九毛细阀26下端与J形储液池8长边上端相连。
所述第一电极31从U形闭锁通道17下端引出，所述第二电极32从U形闭锁通道 17上端引出，由第一电极31和第二电极32构成延时开关。
进一步的，可延时惯性微流体接电开关还设有测试开关，所述测试开关包括第三电极61、第四电极62；所述第三电极61从J形储液池8引出，第四电极62从第三毛细阀13和第四毛细阀14之间引出；工作时，测试开关和延时开关先后导通，通过计算两个开关之间的导通时间差，即为接电开关的延时时间。
从金属液滴从J形储液池8短边的流向而言，所述第一毛细阀9为收缩形毛细阀，所述第二毛细阀10为扩张形毛细阀，所述第三毛细阀13为收缩形毛细阀，所述第四毛细阀14为收缩形毛细阀，所述第五毛细阀16为扩张形毛细阀，所述第六毛细阀18为收缩形毛细阀，所述第七毛细阀19为扩张形毛细阀，所述第八毛细阀21为收缩形毛细阀；从金属液滴从J形储液池8长边的流向而言，所述第九毛细阀26为收缩形毛细阀，所述第十毛细阀25为扩张形毛细阀，所述第十一毛细阀23为收缩形毛细阀。
进一步的，所述第二毛细阀10、第三毛细阀13、第五毛细阀16、第九毛细阀26 的长度要大于其他毛细阀的长度；第九毛细阀26长度较长，可增加J形储液池的储液量；第二毛细阀10的长度较长，便于金属液滴流动时平滑过渡；第三毛细阀13与第五毛细阀16的长度较长，可有效减少液滴分离情况的出现；结合图7，当金属液滴从J 形储液池8经第二毛细阀10、第一直通道11、曲形通道12流向第三毛细阀13，较长的第三毛细阀13可避免金属液滴发生液滴分离；结合图10，当金属液滴从延时通道15 流向第五毛细阀16时，较长的第五毛细阀16可避免金属液滴发生液滴分离。
作为优选的实施方式，所述延时通道15为蛇形通道，形成多个弯曲通道，以延长液滴的流动时间。
进一步的，所述基底1上设有第一密封槽4和第二密封槽5；所述微通道7位于第一密封槽4内部，所述一密封槽4位于第二密封槽5内；所述第二密封槽5内设有紫外线固化胶，第一密封槽4可防止第二密封槽5的固化胶在注胶时进入微通道7，所述基底1与盖板2之间通过第二密封槽5中的紫外线固化胶密封连接。
进一步的，所述基底1采用不导电的材料制成，如硅、PMMA、PDMS等。
优选的，所述基底1采用硅基底，硅基底与金属液体的接触角大，有利于金属液滴在初始状态下始终位于J形储液池8内。
优选的，所述盖板2为玻璃盖板，玻璃盖板便于观察金属液滴的位置。
所述金属液滴为水银或镓铟锡合金。
下面结合附图进行更加详细的工作原理介绍：
微流体惯性接电开关在没有受到其它外加载荷的作用下，其金属液滴的受力状态如图5所示。
左侧的液气分界面位于第十毛细阀25，左侧的分界面受到空气压力PO和毛细力P1。右侧的液气分界面位于第二毛细阀10，分界面受到空气压力PO和毛细力P2。通过以下公式可求出左右液面压力差ΔP1、ΔP2。
其中σ是金属液滴的表面张力系数，θ为金属液滴在基底1上的接触角，w1、w2分别代表左侧分界面和右侧分界面的宽度，h1、h2分别是左侧分界面和右侧分界面的深度，θI＝min{θ+α3,180°}，α1为第九毛细阀26的壁面与竖直方向的夹角，α3为第二毛细阀10壁面与竖直方向的夹角，ρ为金属液滴密度，R为J形储液池外圆半径，r为J形储液池内圆半径。
如图6，对于初始状态，ΔP2-ΔP1>0，表明若没有外加的加速度载荷作用，工作流体会一直保持在J形储液池8内。图7中，当微流体惯性接电开关受到向第二毛细阀10的水平加速度载荷作用时，工作流体会突破第二毛细阀10。可用以下公式计算接电开关的加速度阈值a；其中W＝R-r。
图6-图11为本发明的仿真结果图，图6为初始状态，当开关受到大于阈值的加速度载荷作用时，金属液滴依次流过第二毛细阀10，第一直通道11，曲形通道12，第三毛细阀13，第四毛细阀14，延时通道15，第五毛细阀16，最终进入U形闭锁通道17。
如图7，当金属液滴进入位置第三毛细阀13时，流体突破第二毛细阀10。如图8，当金属液滴刚进入延时通道15位置时，金属液滴与第四电极62接触，第三电极61与第四电极62导通，测试开关导通。如图9，金属液滴完全位于延时通道15内时，金属液滴在延时通道内运动，起到延时功能。如图11，金属液滴完全进入U形闭锁通道，金属液滴将第一电极31和第二电极31导通，延时开关导通。通过测量测试开关和延时开关的导通时间，可得到延时具体时间。
第一毛细阀9和第九毛细阀26为收缩形毛细阀，可使金属液滴在初始状态下不会流出J形储液池。第二毛细阀10、第一直通道11、曲形通道12、第三毛细阀13和第四毛细阀14相连实现通道平滑过渡，避免金属液滴出现液滴分离的情况。延时通道15的曲形结构实现延时功能。第五毛细阀16和第六毛细阀18在金属液滴进入U形闭锁通道 17后均为收缩形毛细阀，可防止金属液滴进入U形闭锁通道17后流出。第七毛细阀19、第二直通道20、第八毛细阀21、导气通道22相连，实现防止金属液滴流出并使空气回流的功能。第十毛细阀25可防止受到反向加速度加载时，金属液滴流入导气通道。第三直通道24与第十一毛细阀23可增大体积，实现缓冲回流气体的作用。
由仿真结果可以得到，通过测试测试开关和延时开关的导通时间，计算两者之间的导通时间差，即为接电开关的延时时间。
本发明的可延时微流体惯性接电开关，在一定的加速度载荷作用下，可在精确的延时后接电，且可以通过调整微通道形状调整延时时间。相较于传统的“固-固”接触的微机械惯性开关，本开关具有接触可靠、接触面积大、接触电阻小等优点。在加工工艺上，本开关具有结构简单、易于加工、生产成本低，易于装配等优点。

Claims (8)

1.一种可延时惯性微流体接电开关，其特征在于，包括基底(1)、盖板(2)、微通道(7)、金属液滴、第一电极(31)、第二电极(32)；所述微通道(7)设置在基底(1)上；所述基底(1)、盖板(2)之间密封，避免金属液滴从微通道(7)内溅出；所述微通道(7)包括J形储液池(8)、第一毛细阀(9)、第二毛细阀(10)、第三毛细阀(13)、第四毛细阀(14)、第五毛细阀(16)、第六毛细阀(18)、第七毛细阀(19)、第八毛细阀(21)、第九毛细阀(26)、第十毛细阀(25)、第十一毛细阀(23)、第一直通道(11)、曲形通道(12)、第二直通道(20)、第三直通道(24)、延时通道(15)、U形闭锁通道(17)以及导气通道(22)；
所述J形储液池(8)短边上端与第一毛细阀(9)相连，第一毛细阀(9)上端与第二毛细阀(10)相连；所述第二毛细阀(10)上端与第一直通道(11)相连；所述第一直通道(11)与第三毛细阀(13)之间的轴向相互垂直，二者之间通过曲形通道(12)过渡连接；所述第三毛细阀(13)另一端与第四毛细阀(14)相连；所述第四毛细阀(14)与第五毛细阀(16)之间通过延时通道(15)相连；所述第五毛细阀(16)与U形闭锁通道(17)一端相连；U形闭锁通道(17)另一端与第六毛细阀(18)相连；所述第六毛细阀(18)另一端毛细阀(19)相连；所述第七毛细阀(19)另一端与第八毛细阀(21)之间通过第二直通道(20)相连；所述第八毛细阀(21)另一端与第十一毛细阀(23)上端之间通过导气通道(22)相连；所述第十一毛细阀(23)下端与第十毛细阀(25)上端之间通过第三直通道(24)相连；所述第十毛细阀(25)下端与第九毛细阀(26)上端相连；所述第九毛细阀(26)下端与J形储液池(8)长边上端相连；
所述第一电极(31)从U形闭锁通道(17)下端引出，所述第二电极(32)从U形闭锁通道(17)上端引出，由第一电极(31)和第二电极(32)构成延时开关。
2.根据权利要求1所述的可延时惯性微流体接电开关，其特征在于，还包括测试开关，所述测试开关包括第三电极(61)、第四电极(62)；所述第三电极(61)从J形储液池(8)引出，第四电极(62)从第三毛细阀(13)和第四毛细阀(14)之间引出。
3.根据权利要求1所述的可延时惯性微流体接电开关，其特征在于，所述第二毛细阀(10)、第三毛细阀(13)、第五毛细阀(16)、第九毛细阀(26)的长度要大于其他毛细阀的长度。
4.根据权利要求1所述的可延时惯性微流体接电开关，其特征在于，所述延时通道(15)为蛇形通道。
5.根据权利要求1所述的可延时惯性微流体接电开关，其特征在于，所述基底(1)上设有第一密封槽(4)和第二密封槽(5)；所述微通道(7)位于第一密封槽(4)内部，所述第一密封槽(4)位于第二密封槽(5)内；所述第二密封槽(5)内设有紫外线固化胶；所述基底(1)与盖板(2)之间通过第二密封槽(5)中的紫外线固化胶密封连接。
6.根据权利要求1所述的可延时惯性微流体接电开关，其特征在于，所述基底(1)采用硅基底、PMMA或PDMS基底。
7.根据权利要求1所述的可延时惯性微流体接电开关，其特征在于，所述盖板(2)为玻璃盖板。
8.根据权利要求1所述的可延时惯性微流体接电开关，其特征在于，所述金属液滴为水银或镓铟锡合金。
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