CN113820515B - 一种全向微流体惯性阈值加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向微流体惯性阈值加速度计，包括衬底、液滴固定凸块、通道凸块、封装盖、导电液滴和信号电极；液滴固定凸块和通道凸块呈圆周阵列分布在衬底上，其间隙分别形成微流体通道、空气循环通道和储液腔；封装盖与衬底对应设置，并通过螺栓固定；导电液滴设置在储液腔内；信号电极与微流体通道对应；微流体通道外端通过密封胶密封；通过使用导电液滴和微流体通道结构，形成“固‑液”接触式机构，惯性加速度超过设计阈值时，导电液滴向微流体通道内流动并与信号电极接触，信号电极瞬间导通，当惯性消失，导电液滴重新回复到初始状态，信号电极断开，可实现水平面对高精度的惯性测量、高精度的角度测量，并且使用寿命得到大幅提升。

Description

一种全向微流体惯性阈值加速度计

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，更具体的说是涉及一种基于微流控芯片设计的全向微流体惯性阈值加速度计。

背景技术

惯性阈值加速度计是一种集传感与执行于一体的传感器件，作为一种无源器件，在消费电子、航空航天、军事机械设备领域等有广泛的潜在运用需求。随着物联网系统的发展，惯性检测/检测器件在物联系统中需求量大，特别是在供电困难的偏远物联系统中，或者更换电池困难的物联系统内部，无源的惯性阈值传感器表现中了极大的优势。然而，在集成安装系统中，为了能够监测多个方向的加速度阈值，常常需要在不同方向上安装多个单轴阈值加速度计，使系统的集成度降低，全向阈值加速度计的提出可在集成安装中提高系统集成度。因此，全向阈值加速度计是当前集成系统运用的最佳选择。

目前，惯性阈值减速度计的研制主要采用的是“固-固”接触式的机械结构设计，这种结构设计接触电阻大、机械结构之间的碰撞接触造成结构破坏。因此，针对“固-固”接触式的惯性阈值传感器的缺陷提出“固-液”接触式结构设计在延长器件使用寿命，提高器件性能方面有极大的优势。

但是，在目前的市场中，使用液态导电液体作为敏感元件设计的阈值传感器在市场上尚为空白，不能满足市场的需求。

因此，如何提供一种采用固液接触式机械结构设计的加速度计是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种全向微流体惯性阈值加速度计，以至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种全向微流体惯性阈值加速度计，包括衬底、液滴固定凸块、通道凸块、封装盖、导电液滴和信号电极；

所述液滴固定凸块和所述通道凸块均设有多块，分别呈圆周阵列分布在靠近所述衬底顶部平面的中部和边缘的位置，每相邻的两块所述液滴固定凸块的侧壁之间和两块所述通道凸块的侧壁之间设有对应的间隙，共同形成沿衬底中部向边缘延伸的微流体通道，每块所述通道凸块和对应的液滴固定凸块之间设有间隙，形成环状的空气循环通道；

所述封装盖与所述衬底对应设置，其底部平面与所述通道凸块和所述液滴固定凸块的顶部平面抵接，并通过螺栓固定；

多块所述液滴固定凸块靠近所述衬底中部的一端与所述衬底的顶部平面和封装盖的底部平面共同形成储液腔；所述导电液滴设置在所述储液腔内；

所述信号电极设有多片，分别与所述微流体通道对应，沿所述微流体通道外侧向内侧延伸，固定在所述封装盖的下端面；

所述微流体通道靠近所述衬底和封装盖边缘的一端通过密封胶密封。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种全向微流体惯性阈值加速度计，本方案针对惯性阈值传感器“固-固”接触式机械机构的缺陷，通过使用导电液滴和微流体通道结构，实现了“固-液”接触式机构，利用导电液体在微尺度下的表面张力和微流体通道毛细力，实现水平面全向阈值加速度检测；当惯性加速度超过设计阈值时，导电液滴向微流体通道内流动并与信号电极接触，使信号电极瞬间导通，当惯性消失后，导电液滴重新回复到初始状态，信号电极断开，由于中心对称的结构设计、且具有多个信号电极，本产品可实现水平面对高精度的惯性测量、高精度的角度测量，并且使用寿命得到大幅提升。

优选的，在上述的一种全向微流体惯性阈值加速度计中，相邻两块所述通道凸块靠近所述衬底的边缘的一端开有贯通所述微流体通道的缺口，与所述衬底的顶部端面和所述封装盖的底部端面共同形成封装口，并通过密封胶密封；此方案能够将内部结构密封，形成整体结构，防止导电液滴损失，保证其工作状态。

优选的，在上述的一种全向微流体惯性阈值加速度计中，所述液滴固定凸块和所述通道凸块均设有3～36块，高度为100微米～5毫米。

优选的，在上述的一种全向微流体惯性阈值加速度计中，所述液滴固定凸块为扇形体，其轴线端朝向所述储液腔，且端部作圆角处理；

所述通道凸块为扇环形柱体，其内侧的弧形面与所述液滴固定凸块的外侧的弧形面对应，形成环状空气循环通道；此方案中在受到惯性力时，导电液滴向一侧移动进入微流体通道，挤压空气在空气循环通道内流动，保证检测的精准性。

优选的，在上述的一种全向微流体惯性阈值加速度计中，所述空气循环通道与所述储液腔之间的距离大于所述信号电极靠近所述储液腔的一端与所述储液腔之间的距离；此方案为导电液滴提供较长的流动区域，避免其流入空气循环通道，影响数据的精度。

优选的，在上述的一种全向微流体惯性阈值加速度计中，所述衬底和所述封装盖采用半导体材料或绝缘材料制备。

优选的，在上述的一种全向微流体惯性阈值加速度计中，所述半导体材料或绝缘材料为：硅、硅酸盐玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、石英玻璃或聚二甲基硅氧烷。

优选的，在上述的一种全向微流体惯性阈值加速度计中，所述导电液滴为水银、镓基液态金属、或液体导电油墨，其体积尺寸与所述储液腔大小相同。

优选的，在上述的一种全向微流体惯性阈值加速度计中，所述信号电极采用镍、铬、铜或金制备。

优选的，在上述的一种全向微流体惯性阈值加速度计中，所述衬底、所述液滴固定凸块和所述通道凸块为一体制备；所述信号电极采用电镀或溅射沉积工艺固定在封装盖的底部端面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的结构示意图；

图2附图为本发明去除封装板和信号电极的结构示意图；

图3附图为本发明封装板和信号电极的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅附图1-3，为本发明的一种全向微流体惯性阈值加速度计，包括：

衬底1、液滴固定凸块2、通道凸块3、封装盖4、导电液滴5和信号电极6；

液滴固定凸块2和通道凸块3均设有多块，分别呈圆周阵列分布在靠近衬底1顶部平面的中部和边缘的位置，每相邻的两块液滴固定凸块2的侧壁之间和两块通道凸块3的侧壁之间设有对应的间隙，共同形成沿衬底1中部向边缘延伸的微流体通道7，每块通道凸块3和对应的液滴固定凸块2之间设有间隙，形成环状的空气循环通道8；

封装盖4与衬底1对应设置，其底部平面与通道凸块3和液滴固定凸块2 的顶部平面抵接，并通过螺栓固定；

多块液滴固定凸块2靠近衬底1中部的一端与衬底1的顶部平面和封装盖4的底部平面共同形成储液腔；导电液滴5设置在储液腔内；

导电液滴5设置在储液腔内；

信号电极6设有多片，分别与微流体通道7对应，沿微流体通道7外侧向内侧延伸，固定在封装盖4的下端面；

微流体通道7靠近衬底1和封装盖4边缘的一端通过密封胶密封。

具体的，衬底1为正多边形板材，其边数为3～36条，直径尺寸为1～ 100mm，厚度为0.5～6mm。。

具体的，封装盖4的形状与衬底1对应，直径尺寸为5～100mm，厚度为 0.5～6mm。

具体的，微流体通道7的长度为0.29～98mm，宽度为0.02～3mm。

具体的，储液腔的直径为0.1～10mm，深度为0.1～5mm，导电液滴5形状尺寸与储液腔对应。

在本发明的上述实施例中，相邻两块通道凸块3靠近衬底1的边缘的一端开有贯通微流体通道7的缺口，与衬底1的顶部端面和封装盖4的底部端面共同形成封装口9，并通过密封胶密封。

具体的，封装口9的与微流体通道7对应，长度为0.2～2.5mm，宽度为 0.2～2mm，深度为0.2～2mm。

在本发明的上述实施例中，液滴固定凸块2和通道凸块3均设有3～36 块。

具体的，液滴固定凸块2高度为0.1～5毫米

在本发明的上述实施例中，液滴固定凸块2为扇形体，其轴线端朝向储液腔，且端部作圆角处理；

通道凸块3为扇环形柱体，其内侧的弧形面与液滴固定凸块的外侧的弧形面对应，形成环状空气循环通道8。

具体的，圆角处理的圆角半径为0.1～1mm。

在本发明的上述实施例中，空气循环通道8与储液腔之间的距离大于信号电极6靠近储液腔的一端与储液腔之间的距离。

具体的，空气循环通道8距离储液腔的距离为0.5～5mm，通道宽度为 0.3～3mm。

在本发明的上述实施例中，衬底1和封装盖4采用半导体材料或绝缘材料制备。

在本发明的上述实施例中，半导体材料或绝缘材料为：硅、硅酸盐玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、石英玻璃或聚二甲基硅氧烷。

在本发明的上述实施例中，导电液滴5为水银、镓基液态金属、或液体导电油墨，其体积尺寸与储液腔大小相同。

在本发明的上述实施例中，信号电极6采用镍、铬、铜或金制备。

具体的，信号电极6为L型，其短边设置在对应封装口9顶部的封装盖4 上，长边沿微流体通道7的外侧向内侧延伸，其长边长度为0.3～100mm，线宽为0.008～1.4mm，厚度为0.001～1mm。

在本发明的上述实施例中，衬底1、液滴固定凸块2和通道凸块3为一体制备；信号电极6采用电镀或溅射沉积工艺固定在封装盖4的底部端面。

具体的，液滴固定凸块2和通道凸块3与衬底1为一体，通过在衬底1 上刻蚀加工或者通过倒模制备而成；信号电极6与封装盖4为一体，通过正向光刻胶铸模的金属电镀生长出信号电极6

具体的，衬底1、封装盖4和对应位置的通道凸块3上均开有对应的定位螺栓孔，通过螺栓依次贯穿并固定。

具体的，衬底1上、封装盖4和通道凸起3上的定位螺栓孔可以通到化学溶液刻蚀，也可以通过激光打孔等方法制备。

具体的，衬底1和封装盖4使用热压、冷压等键合方式在无氧环境中封装好后，使用微量进样器将导电液滴5从微流体通道7中注入到储液腔中，最后使用密封胶在封装口92中灌封，完成器件制备。

具体的，本发明的原理为：

使用导电液滴5设置在储液腔内，处于整体结构的中心位置，在中心位置360°空间内分布有微流体通道7，导电液滴5在惯性驱动下在360°的平面空间内有向微流体通道7内流动的趋势，当惯性加速度超过设计阈值时，导电液滴5向微流体通道7内流动并与信号电极6接触，使信号电极6瞬间导通，当惯性消失后，导电液滴5重新回复到初始状态，与信号电极6断开。

由于中心对称的结构设计、由于设置多个信号电极6，本装置可实现水平面对高精度的惯性测量、高精度的角度测量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种全向微流体惯性阈值加速度计，其特征在于，包括衬底(1)、液滴固定凸块(2)、通道凸块(3)、封装盖(4)、导电液滴(5)和信号电极(6)；

所述液滴固定凸块(2)和所述通道凸块(3)均设有多块，分别呈圆周阵列分布在靠近所述衬底(1)顶部平面的中部和边缘的位置，每相邻的两块所述液滴固定凸块(2)的侧壁之间和两块所述通道凸块(3)的侧壁之间设有对应的间隙，共同形成沿所述衬底(1)中部向边缘延伸的微流体通道(7)，每块所述通道凸块(3)和对应的液滴固定凸块(2)之间设有间隙，形成环状的空气循环通道(8)；

所述封装盖(4)与所述衬底(1)对应设置，其底部平面与所述通道凸块(3)和所述液滴固定凸块(2)的顶部平面抵接，并通过螺栓固定；

多块所述液滴固定凸块(2)靠近所述衬底(1)中部的一端与所述衬底(1)的顶部平面和封装盖(4)的底部平面共同形成储液腔；所述导电液滴(5)设置在所述储液腔内；

所述信号电极(6)设有多片，分别与所述微流体通道(7)对应，沿所述微流体通道(7)外侧向内侧延伸，固定在所述封装盖(4)的下端面；

所述微流体通道(7)靠近所述衬底(1)和封装盖(4)边缘的一端通过密封胶密封。

2.根据权利要求1所述的一种全向微流体惯性阈值加速度计，其特征在于，相邻两块所述通道凸块(3)靠近所述衬底(1)的边缘的一端开有贯通所述微流体通道(7)的缺口，与所述衬底(1)的顶部端面和所述封装盖(4)的底部端面共同形成封装口(9)，并通过密封胶密封。

3.根据权利要求2所述的一种全向微流体惯性阈值加速度计，其特征在于，所述液滴固定凸块(2)和所述通道凸块(3)均设有3～36块，高度为100微米～5毫米。

4.根据权利要求3所述的一种全向微流体惯性阈值加速度计，其特征在于，所述液滴固定凸块(2)为扇形体，其轴线端朝向所述储液腔，且端部作圆角处理；

所述通道凸块(3)为扇环形柱体，其内侧的弧形面与所述液滴固定凸块(2)的外侧的弧形面对应，形成环状空气循环通道(8)。

5.根据权利要求4所述的一种全向微流体惯性阈值加速度计，其特征在于，所述空气循环通道(8)与所述储液腔之间的距离大于所述信号电极(6)靠近所述储液腔的一端与所述储液腔之间的距离。

6.根据权利要求5所述的一种全向微流体惯性阈值加速度计，其特征在于，所述衬底(1)和所述封装盖(4)采用半导体材料或绝缘材料制备。

7.根据权利要求6所述的一种全向微流体惯性阈值加速度计，其特征在于，所述半导体材料或绝缘材料为：硅、硅酸盐玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、石英玻璃或聚二甲基硅氧烷。

8.根据权利要求7所述的一种全向微流体惯性阈值加速度计，其特征在于，所述导电液滴(5)为水银、镓基液态金属、或液体导电油墨，其体积尺寸与所述储液腔大小相同。

9.根据权利要求8所述的一种全向微流体惯性阈值加速度计，其特征在于，所述信号电极(6)采用镍、铬、铜或金制备。

10.根据权利要求9所述的一种全向微流体惯性阈值加速度计，其特征在于，所述衬底(1)、所述液滴固定凸块(2)和所述通道凸块(3)为一体制备；所述信号电极(6)采用电镀或溅射沉积工艺固定在封装盖(4)的底部端面。

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