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引言：本文对新型基于水银为介质的微流体加速度开关进行了理论可行性分析研究。在理论上说明了水银加速度开关的原理。这对于整个开关的研究具有重要意义。
一、微开关的发展
自Frobenius在1973[1]年首先制作出一种金属悬臂梁型加速度开关以来，已经出现了各种不同的MEMS加速度开关。在工作原理上可以分为两类：一类是准静态开关，该开关结构是通过弹性结构连接一个质量块，并将质量块作为一个敏感质量和可动电极，当所受的加速度达到一个预定阀值时，质量块受力作用，克服弹性恢复力，发生位移达到一个预设位置，并与一个定电极接触，从而触发电信号，导通电路使开关工作，开关阈值由惯性力和弹性恢复力之间的线性关系确定。这种开关对于工艺容差要求严格，精度较低，阈值范围局限在低频低量程加速度范围内，测量能力和环境适应能力较弱，容易造成开关失灵或误操作，并且此类开关测量阈值单一，难以实现智能化集成。另一类开关是动态开关，这类开关受惯性力，弹性恢复力，应力和静电吸引力等多个力共同作用。加速度阈值通过动态方程计算分析确定，因而这种开关具有动态信号的测量能力。
加速度开关是感受加速度的重要惯性器件，为了满足控制系统的保险功能要求，加速度开关应具备体积小、机械接触可靠、允许通过电流大、精度较高等特点。传统的加速度开关采用精密机械加工，存在体积较大、抗震能力较弱等不足。因此，迫切要求研制新型的微加速度开关。其中如准LIGA[2]技术因简单易行，只需通过厚胶光刻和微电铸工艺即可实现惯性器件的制作而被采用。该技术采用紫外光曝光，由于不必使用同步辐射光源，所以研制成本较低，同时以金属镍为材料，使得器件本身可作为电极导电并通大电流。
以上所介绍的都是机械的微开关，其中利用硅表面加工技术的微机械加速度开关与微电子加工工艺完全兼容，但其惯性质量轻，给前置检测电路的设计和加工带来了难度；并且由于残余应力和粘附现象，敏感结构的成品率不高。用LIGA工艺加工复杂的敏感结构，需要采用厚膜技术或其它微组装技术。微加速度开关的发展重要方向是追求更高的精度。但其敏感结构都存在着灵敏与抗冲击过载的矛盾。现有的微开关多以机械触点实现开关功能，受到触点接触面积小和接触力小的限制，接触电阻大，不能用于通过大电流，例如数安培的电流。
微流体加速度开关是一种受加速度控制的开关量传感器。它可以作为控制开关使用，也可以用来提供开关量信号。随着微机械加工技术在传感器领域中的应用和推广，已经出现了不同类型的微加速度开关，这些开关根据用途的不同而具有不同的结构形式。本文中以水银为介质的微加速度开关，利用在常温下水银是液态金属、表面张力大的特点，构成对加速度敏感的液体电极，水银电极与固定电极组成加速度开关，它的抗载能力不受元件（水银）强度的限制，因此过载量程比可以极大提高。
二、水银加速度开关原理
本文探索新型原理的微加速度传感器——利用水银作为惯性敏感元件及开关触点，利用水银这种导电液体作为开关通断的介质，具有接触面积达，接触电阻小的特点。因而适用于大电流应用领域。
用水银作为对加速度敏感的弹性电极与硅片上电极构成硅微加速度计，独特之处是用液体弹性电极代替通常的固体弹性电极。其目的是探索一种抗高过载、低量程、高灵敏度、低成本的加速度传感器。这种加速度计具有结构简单、对硅微加工工艺要求低、本征抗高过载、易于集成SOC（system on a chip）、易于实现三维加速度测量的突出优点；对于冲击环境下的惯性测量有不可替代的作用。高性能、低成本、微体积、易于与相关系统集成SOC的微加速度传感系统的应用前景十分广阔。现有的微开关多以机械触点实现开关功能，受到触点接触面积小和接触力小的限制，接触电阻大，不能用于通过大电流，例如数安培的电流。本文探索新型原理的微加速度传感器——利用水银作为惯性敏感元件及开关触点，利用水银这种导电液体作为开关通断的介质，具有接触面积达，接触电阻小的特点。因而适用于大电流应用领域。
（一）结构组成
1、基板结构
基板为左右对称结构，如图2.1所示。正向加速度阀门开启使水银流动，反向加速度阀门关闭使水银不流动。在硅基板上刻蚀出水银储放腔体、水银微通道和气体微通道，保留通道壁突台和腔体外框突台。水银张力膜将流体区域分隔为水银腔和气体腔，两通道壁所夹下部区域构成水银微通道，腔体外框、通道壁和阀门间的缝隙构成气体微通道。
2、盖板结构
盖板与基板键合封装，形成矩形储液腔和矩形微通道。在基板/盖板/基板与盖板的水银通道位置制备电极，水银张力膜随加速度的变换发生位移，通过水银的流动使电极导通或断开。
（二）工作原理
为保证开关系统具有镇定性，必须设置微流体阀门。当载体的加速度为 时，阀门关闭使开关处于反向限位状态时。水银受阀门缝隙表面张力约束状态而不会流动到空气微通道内，系统处于表面张力与内聚力的自身平衡状态。
当载体发生正向加速度 时，阀门开启。水银所受惯性力和水银腔表面张力的驱动，克服水银与通道壁间的粘性剪应力和微通道表面张力的阻力，使水银触点发生运动。系统处于载体惯性力、流体惯性力、表面张力和流动粘性力的动态多力平衡状态。当载体加速度达到10g时，水银触点恰好到达接通电极的位置，使开关闭合。由于该多力平衡系统具有极强的镇定性，即使当载体加速度 时，触点与阀门的位置差趋于零，无须正向限位。
在载体加速度由10g降低至1g的过程中，开关处于断开过程。首先加速度降至9.9g时，精准的触点结构设计可保证开关在准确的位置断开。然后，在加速度由9.9g降至或低于1g的过程中，出于触点断开、阀门开启状态。当加速度继续降低时，阀门关闭，开关恢复到初始限位状态。
（三）可行性分析
水银是一种银白色有光泽的液态金属，化学名称叫汞，符号是Hg。汞密度大（ ），熔点低（-39℃），沸点为357℃，通常是液体状态，汞原子的内聚力很大，散落后易形成微小的液珠，进入凹坑或者缝隙中间。汞及其蒸汽都具有毒性，而且在常温下即能蒸发，温度越高，蒸发越快。汞蒸汽进入人体后会在人体的组织器官内沉积，严重影响人体的健康。尽量避免汞与铂、铁以外的金属相接触。 1、温度问题：其一，水银的体膨胀系数为1.8×10-4/℃，小于水的体膨胀系数，当温度变化100℃时，水银的体积增大不到2%，而腔体内水银的占空比在10：1以下；选择合适的水银占空比，就远不存在涨满的问题，也不存在与腔体某一面分离的问题。其二，水银在常压下汽化相变温度为357℃（固化相变温度为-39℃），有较宽的液态温度范围，可以承受键合等工艺所需的300℃以下的高温。
2、对硅表面加工技术要求简单，并且与微电子线路加工技术完全兼容。
3、开关没有可运动的固体部件，水银相对于腔体的位移量很小，不会被撞散，易于实现抗高过载。
（四）微尺度效应对微流体的影响
当流道和型腔特征尺寸小于1mm时[3]，支配流体流动的物理环境及其自身特性发生变化，探明微尺度条件下流体的流动特性对微纳零件的制造与微机械装置控制系统的设计十分重要。在有关微流体流动行为的研究中，J.Pfahler[4]等。考察了流体在硅材料矩形微流道中的运动特性。实验结果表明：在截面尺寸相对较大的微流道中流体的运动规律与Navier-Stokes方程式相吻合；而当矩形截面流道深度H降至0.8 时，试验结果偏离Navier-Stokes方程的计算结果。李勇[5]等以微圆管为对象，结果表明，对于运动粘度为2.6×10-6 m2/s的硅油，当圆管直径降至4.5 时，Navier-Stokes方程不再适用；对于管径为11.2 的流道，当流体的运动粘度为4.3×10-4m2/s时，流量与压力损失仍呈比例关系。江小宁[6]等研制了一套测量微尺度流动流量的系统，并测量了管径为8，14和24 圆管流道内流体流量与压力损失的关系。结果表明，在这样的条件下，流体依然不可压缩连续流动，且实验结果与Navier-Stokes方程式的描述十分接近。
在微流体流动过程中，由于微尺度效应作用，表面力作用增强，粘性力远远超过惯性力，流道直径减小导致微流体雷诺数减小，沿程阻力系数增大，且微流道的长径比增大。
三、总结
本论文研究探索新型原理的微加速度开关——利用水银作为介质的微加速度开关。最终目标是实现抗高过载的低量程，接触性好的加速度开关。下一步研究要依据流体力学基本原理建立了基本数学模型，并进行模拟。进一步分析不同管截面尺寸突变、串联与并联时的流动阻力，计算水银微通道及腔体、阀门空气缝隙和空气微通道的流动阻力；要进一步研究水银液面在不同加速度下的接触角变化趋势，针对载体加速度为阶跃、斜坡和正弦三种时变加速度，考虑气体的可压缩性和载体的牵连运动以及传热的影响，将水银流体具有的惯性力用载体加速度与流体相对载体流动的加速度之和来表达，得到惯性力表达式，进而更精确可求得触点相对于载体的运动。并找到在微管道中精确注入水银的合理方法，在此基础上制作实验模拟装置，进行精确分析，为产品提供可靠的设计数据。
参考文献
[1]陈光焱，何晓平，施志贵等。开关点电可调节的MEMS冲击加速度锁定开关[J].半导体学报.2007，8，Vol.28，No.8.1295-07.
[2]陈光焱，何晓平，施志贵等.准LIGA微加速度开关的研制[J].微纳电子技术.2003，8.0312-02.
[3]蒋炳炎，谢磊，谭险峰等.流道截面形状对微流体流动性能的影响[J].中南大学学报（自然科学版）.2006，10，Vol.37，No.5.0964-06.
[4]PFAHLER J，HARLEY J，BAU H.Liquid transport in micron and submicron channels[J].Sensors and Actuators，1990，22（1/3）：431-434.
[5]李勇，江小宁，周兆英，等.微管道流体的流动特性[J].中国机械工程，1994，5（3）：24-25.
[6]江小宁，周兆英，李勇等.微流体流动的试验研究[J].光学精密工程，1995，3（3）：51-55.
（作者单位：陕西广播电视大学）
一、微开关的发展
自Frobenius在1973[1]年首先制作出一种金属悬臂梁型加速度开关以来，已经出现了各种不同的MEMS加速度开关。在工作原理上可以分为两类：一类是准静态开关，该开关结构是通过弹性结构连接一个质量块，并将质量块作为一个敏感质量和可动电极，当所受的加速度达到一个预定阀值时，质量块受力作用，克服弹性恢复力，发生位移达到一个预设位置，并与一个定电极接触，从而触发电信号，导通电路使开关工作，开关阈值由惯性力和弹性恢复力之间的线性关系确定。这种开关对于工艺容差要求严格，精度较低，阈值范围局限在低频低量程加速度范围内，测量能力和环境适应能力较弱，容易造成开关失灵或误操作，并且此类开关测量阈值单一，难以实现智能化集成。另一类开关是动态开关，这类开关受惯性力，弹性恢复力，应力和静电吸引力等多个力共同作用。加速度阈值通过动态方程计算分析确定，因而这种开关具有动态信号的测量能力。
加速度开关是感受加速度的重要惯性器件，为了满足控制系统的保险功能要求，加速度开关应具备体积小、机械接触可靠、允许通过电流大、精度较高等特点。传统的加速度开关采用精密机械加工，存在体积较大、抗震能力较弱等不足。因此，迫切要求研制新型的微加速度开关。其中如准LIGA[2]技术因简单易行，只需通过厚胶光刻和微电铸工艺即可实现惯性器件的制作而被采用。该技术采用紫外光曝光，由于不必使用同步辐射光源，所以研制成本较低，同时以金属镍为材料，使得器件本身可作为电极导电并通大电流。
以上所介绍的都是机械的微开关，其中利用硅表面加工技术的微机械加速度开关与微电子加工工艺完全兼容，但其惯性质量轻，给前置检测电路的设计和加工带来了难度；并且由于残余应力和粘附现象，敏感结构的成品率不高。用LIGA工艺加工复杂的敏感结构，需要采用厚膜技术或其它微组装技术。微加速度开关的发展重要方向是追求更高的精度。但其敏感结构都存在着灵敏与抗冲击过载的矛盾。现有的微开关多以机械触点实现开关功能，受到触点接触面积小和接触力小的限制，接触电阻大，不能用于通过大电流，例如数安培的电流。
微流体加速度开关是一种受加速度控制的开关量传感器。它可以作为控制开关使用，也可以用来提供开关量信号。随着微机械加工技术在传感器领域中的应用和推广，已经出现了不同类型的微加速度开关，这些开关根据用途的不同而具有不同的结构形式。本文中以水银为介质的微加速度开关，利用在常温下水银是液态金属、表面张力大的特点，构成对加速度敏感的液体电极，水银电极与固定电极组成加速度开关，它的抗载能力不受元件（水银）强度的限制，因此过载量程比可以极大提高。
二、水银加速度开关原理
本文探索新型原理的微加速度传感器——利用水银作为惯性敏感元件及开关触点，利用水银这种导电液体作为开关通断的介质，具有接触面积达，接触电阻小的特点。因而适用于大电流应用领域。
用水银作为对加速度敏感的弹性电极与硅片上电极构成硅微加速度计，独特之处是用液体弹性电极代替通常的固体弹性电极。其目的是探索一种抗高过载、低量程、高灵敏度、低成本的加速度传感器。这种加速度计具有结构简单、对硅微加工工艺要求低、本征抗高过载、易于集成SOC（system on a chip）、易于实现三维加速度测量的突出优点；对于冲击环境下的惯性测量有不可替代的作用。高性能、低成本、微体积、易于与相关系统集成SOC的微加速度传感系统的应用前景十分广阔。现有的微开关多以机械触点实现开关功能，受到触点接触面积小和接触力小的限制，接触电阻大，不能用于通过大电流，例如数安培的电流。本文探索新型原理的微加速度传感器——利用水银作为惯性敏感元件及开关触点，利用水银这种导电液体作为开关通断的介质，具有接触面积达，接触电阻小的特点。因而适用于大电流应用领域。
（一）结构组成
1、基板结构
基板为左右对称结构，如图2.1所示。正向加速度阀门开启使水银流动，反向加速度阀门关闭使水银不流动。在硅基板上刻蚀出水银储放腔体、水银微通道和气体微通道，保留通道壁突台和腔体外框突台。水银张力膜将流体区域分隔为水银腔和气体腔，两通道壁所夹下部区域构成水银微通道，腔体外框、通道壁和阀门间的缝隙构成气体微通道。
2、盖板结构
盖板与基板键合封装，形成矩形储液腔和矩形微通道。在基板/盖板/基板与盖板的水银通道位置制备电极，水银张力膜随加速度的变换发生位移，通过水银的流动使电极导通或断开。
（二）工作原理
为保证开关系统具有镇定性，必须设置微流体阀门。当载体的加速度为 时，阀门关闭使开关处于反向限位状态时。水银受阀门缝隙表面张力约束状态而不会流动到空气微通道内，系统处于表面张力与内聚力的自身平衡状态。
当载体发生正向加速度 时，阀门开启。水银所受惯性力和水银腔表面张力的驱动，克服水银与通道壁间的粘性剪应力和微通道表面张力的阻力，使水银触点发生运动。系统处于载体惯性力、流体惯性力、表面张力和流动粘性力的动态多力平衡状态。当载体加速度达到10g时，水银触点恰好到达接通电极的位置，使开关闭合。由于该多力平衡系统具有极强的镇定性，即使当载体加速度 时，触点与阀门的位置差趋于零，无须正向限位。
在载体加速度由10g降低至1g的过程中，开关处于断开过程。首先加速度降至9.9g时，精准的触点结构设计可保证开关在准确的位置断开。然后，在加速度由9.9g降至或低于1g的过程中，出于触点断开、阀门开启状态。当加速度继续降低时，阀门关闭，开关恢复到初始限位状态。
（三）可行性分析
水银是一种银白色有光泽的液态金属，化学名称叫汞，符号是Hg。汞密度大（ ），熔点低（-39℃），沸点为357℃，通常是液体状态，汞原子的内聚力很大，散落后易形成微小的液珠，进入凹坑或者缝隙中间。汞及其蒸汽都具有毒性，而且在常温下即能蒸发，温度越高，蒸发越快。汞蒸汽进入人体后会在人体的组织器官内沉积，严重影响人体的健康。尽量避免汞与铂、铁以外的金属相接触。 1、温度问题：其一，水银的体膨胀系数为1.8×10-4/℃，小于水的体膨胀系数，当温度变化100℃时，水银的体积增大不到2%，而腔体内水银的占空比在10：1以下；选择合适的水银占空比，就远不存在涨满的问题，也不存在与腔体某一面分离的问题。其二，水银在常压下汽化相变温度为357℃（固化相变温度为-39℃），有较宽的液态温度范围，可以承受键合等工艺所需的300℃以下的高温。
2、对硅表面加工技术要求简单，并且与微电子线路加工技术完全兼容。
3、开关没有可运动的固体部件，水银相对于腔体的位移量很小，不会被撞散，易于实现抗高过载。
（四）微尺度效应对微流体的影响
当流道和型腔特征尺寸小于1mm时[3]，支配流体流动的物理环境及其自身特性发生变化，探明微尺度条件下流体的流动特性对微纳零件的制造与微机械装置控制系统的设计十分重要。在有关微流体流动行为的研究中，J.Pfahler[4]等。考察了流体在硅材料矩形微流道中的运动特性。实验结果表明：在截面尺寸相对较大的微流道中流体的运动规律与Navier-Stokes方程式相吻合；而当矩形截面流道深度H降至0.8 时，试验结果偏离Navier-Stokes方程的计算结果。李勇[5]等以微圆管为对象，结果表明，对于运动粘度为2.6×10-6 m2/s的硅油，当圆管直径降至4.5 时，Navier-Stokes方程不再适用；对于管径为11.2 的流道，当流体的运动粘度为4.3×10-4m2/s时，流量与压力损失仍呈比例关系。江小宁[6]等研制了一套测量微尺度流动流量的系统，并测量了管径为8，14和24 圆管流道内流体流量与压力损失的关系。结果表明，在这样的条件下，流体依然不可压缩连续流动，且实验结果与Navier-Stokes方程式的描述十分接近。
在微流体流动过程中，由于微尺度效应作用，表面力作用增强，粘性力远远超过惯性力，流道直径减小导致微流体雷诺数减小，沿程阻力系数增大，且微流道的长径比增大。
三、总结
本论文研究探索新型原理的微加速度开关——利用水银作为介质的微加速度开关。最终目标是实现抗高过载的低量程，接触性好的加速度开关。下一步研究要依据流体力学基本原理建立了基本数学模型，并进行模拟。进一步分析不同管截面尺寸突变、串联与并联时的流动阻力，计算水银微通道及腔体、阀门空气缝隙和空气微通道的流动阻力；要进一步研究水银液面在不同加速度下的接触角变化趋势，针对载体加速度为阶跃、斜坡和正弦三种时变加速度，考虑气体的可压缩性和载体的牵连运动以及传热的影响，将水银流体具有的惯性力用载体加速度与流体相对载体流动的加速度之和来表达，得到惯性力表达式，进而更精确可求得触点相对于载体的运动。并找到在微管道中精确注入水银的合理方法，在此基础上制作实验模拟装置，进行精确分析，为产品提供可靠的设计数据。
参考文献
[1]陈光焱，何晓平，施志贵等。开关点电可调节的MEMS冲击加速度锁定开关[J].半导体学报.2007，8，Vol.28，No.8.1295-07.
[2]陈光焱，何晓平，施志贵等.准LIGA微加速度开关的研制[J].微纳电子技术.2003，8.0312-02.
[3]蒋炳炎，谢磊，谭险峰等.流道截面形状对微流体流动性能的影响[J].中南大学学报（自然科学版）.2006，10，Vol.37，No.5.0964-06.
[4]PFAHLER J，HARLEY J，BAU H.Liquid transport in micron and submicron channels[J].Sensors and Actuators，1990，22（1/3）：431-434.
[5]李勇，江小宁，周兆英，等.微管道流体的流动特性[J].中国机械工程，1994，5（3）：24-25.
[6]江小宁，周兆英，李勇等.微流体流动的试验研究[J].光学精密工程，1995，3（3）：51-55.
（作者单位：陕西广播电视大学）