本文關(guān)鍵詞： 微電子機械系統(tǒng) 金屬液滴 慣性開關(guān) 動態(tài)特性 加速度閾值　出處：《中國科學技術(shù)大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：液態(tài)金屬在常溫下呈液態(tài),具有良好的導電性、導熱性和流動性,已經(jīng)逐步滲透到了多個技術(shù)領(lǐng)域。隨著MEMS技術(shù)不斷發(fā)展和先進制造技術(shù)的不斷完善,液態(tài)金屬在MEMS領(lǐng)域開始用作電開關(guān)的接觸材料,這種“液-固”接觸方式替代傳統(tǒng)的“固-固”接觸,解決了接觸點磨損、信號跳變、可靠性差等問題。將金屬液滴應用在微慣性開關(guān)中不僅可用作電接觸材料,還可用于敏感加速度信號,這種基于金屬液滴的微慣性開關(guān)具有接觸電阻小、無可動部件、可靠性高、過載電流大等特點。其工作原理是通過水銀液滴受慣性力作用在變截面微通道中的流動實現(xiàn)開關(guān)的閉合。當慣性力達到加速度閡值時,水銀液滴通過微閥門進入儲液槽,閉合信號電極。微流體慣性開關(guān)的微通道設計為變截面微通道,由變截面微通道形成的毛細管微閥門使得水銀液滴運動到微閥門時受到毛細管力作用,阻止水銀液滴通過微閥。只有水銀液滴受到的慣性力達到臨界狀態(tài)(加速度閾值)時,水銀液滴才會通過微閥門。因此,基于金屬液滴的微流體慣性開關(guān)具有較好的閡值特性。金屬液滴在變截面微通道內(nèi)的動態(tài)特性與常規(guī)尺度通道和等截面微通道內(nèi)時存在明顯不同,此時表面張力、沿程阻力、粘滯力、毛細管力都成為影響動態(tài)特性的主要因素,水銀液滴在變截面微通道中的動態(tài)特性反映到開關(guān)中就是微流體慣性開關(guān)的加速度閾值和響應時間,在本文中將開關(guān)加速度閾值和響應時間作為評價動態(tài)特性的主要指標。慣性力、變截面微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)、表面粗糙度及外界環(huán)境等因素均會影響金屬液滴在變截面微通道中的動態(tài)特性,開關(guān)的加速度閾值及響應時間也會受到這些因素的影響。 本文以微慣性開關(guān)為應用背景,研究金屬液滴在變截面微通道中的動態(tài)特性。采用理論分析、數(shù)值仿真、優(yōu)化設計及實驗測試等手段研究慣性力、變截面微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)、表面粗糙度及外界環(huán)境等因素對動態(tài)特性及開關(guān)閾值、響應時間的影響,初步獲得了變截面微通道內(nèi)金屬液滴在多物理場耦合作用下的動態(tài)特性,其研究方法對其它基于液態(tài)金屬的新型MEMS器件的設計及優(yōu)化具有重要參考價值。本文主要進行了以下幾方面研究： (1)根據(jù)微流體慣性開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理,從靜力學和動力學兩個方面研究了金屬液滴在慣性力、表面張力、粘滯力、壁面正壓力及毛細管力作用下的多物理場耦合力學特性,基于Young-Laplace方程建立了加速度閾值的半解析模型框架；采用Morris法對變截面微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了局部和全局靈敏度分析,確定了影響金屬液滴動態(tài)特性的變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。 (2)表面粗糙度對金屬液滴的動態(tài)特性通常有較大的影響,本文在結(jié)構(gòu)設計階段就考慮了表面粗糙度對金屬液滴動態(tài)特性的影響。由于實際的粗糙表面結(jié)構(gòu)復雜,分布隨機,很難清晰描述實際粗糙表面對金屬液滴動態(tài)特性的影響。因此在實際粗糙表面上構(gòu)造規(guī)則微結(jié)構(gòu),通過合理設計微結(jié)構(gòu)形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù),使得金屬液滴在規(guī)則微結(jié)構(gòu)上的潤濕行為處于穩(wěn)定的Cassie狀態(tài),再采用Cassie接觸角滯后模型定量分析規(guī)則微結(jié)構(gòu)對金屬液滴動態(tài)特性的影響,使得表面粗糙度對水銀動態(tài)特性的影響變得可控。 (3)針對數(shù)值仿真中計算效率及精度問題,采用VOF-CLSVOF聯(lián)合模型追蹤相界面,在金屬液滴運動的不同階段通過Matlab軟件自動調(diào)用不同相界面追蹤模型。VOF-CLSVOF聯(lián)合模型結(jié)合了VOF和CLSVOF模型的各自優(yōu)點,有效提高了計算效率和計算精度。在數(shù)值仿真中,采用VOF-CLSVOF聯(lián)合相界面追蹤模型,考慮表面張力作用、動態(tài)接觸角滯后模型的影響,研究了變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)、金屬液滴體積、外界環(huán)境等因素對動態(tài)特性的影響。基于微流體慣性開關(guān)的準靜態(tài)加速度閾值和響應時間的數(shù)值仿真結(jié)果,采用正交試驗的方法對開關(guān)加速度閡值半解析模型框架進行辨識,并采用一次回歸正交設計方法建立了開關(guān)響應時間的回歸模型,為變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設計打下基礎(chǔ)。 (4)在加速度閾值半解析模型及響應時間回歸模型的基礎(chǔ)上,以目標加速度閾值及穩(wěn)健性能作為優(yōu)化目標,開關(guān)響應時間及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍作為約束條件,采用粒子群優(yōu)化算法對變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了快速穩(wěn)健優(yōu)化設計,得到了在金屬液滴體積一定的情況下選擇滿足目標閾值、魯棒性高且響應時間滿足約束條件的一組參數(shù)作為最優(yōu)變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。 (5)研究垂直微通道加工技術(shù)、微通道深度均勻性控制技術(shù)和金屬電極材料兼容性設計技術(shù),采用ICP干法刻蝕、金屬濺射、陽極鍵合等關(guān)鍵工藝加工了開關(guān)樣片,并通過調(diào)節(jié)孔和調(diào)節(jié)通道實現(xiàn)了金屬液滴體積的修調(diào)。測試結(jié)果表明開關(guān)加速度閾值隨著金屬液滴體積的增加而減小,通過金屬液滴體積修調(diào)技術(shù)實現(xiàn)了開關(guān)加速度閾值可調(diào)。加速度閾值的測試結(jié)果與平均測試閾值相比,最高精度為0.6%,最低精度為2.3%,表明微流體慣性開關(guān)具有較好的性能穩(wěn)定性。將測試結(jié)果與解析結(jié)果、數(shù)值仿真結(jié)果相比,一致性較好,證明了半解析模型及數(shù)值仿真模型的有效性。 (6)最后,作為探索性研究,研究了慣性-電潤濕耦合作用下金屬液滴在變截面微通道中的動態(tài)特性。針對目標加速度閾值,對變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和金屬液滴體積進行了容差分析,通過外加電壓調(diào)整金屬液滴在微通道中的接觸角滯后性,進一步實現(xiàn)微流體慣性開關(guān)的加速度閾值可調(diào),為閾值修調(diào)提供了另一種備選方案。 綜上所述,本文以微慣性開關(guān)為應用背景,通過理論建模、數(shù)值仿真、優(yōu)化設計、實驗測試等手段研究了金屬液滴在變截面微通道中受多物理場耦合作用下的動態(tài)特性,采用VOF-CLSVOF聯(lián)合模型追蹤相界面,獲得了開關(guān)加速度閾值和響應時間與變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系,利用粒子群優(yōu)化算法對變截面微通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行快速穩(wěn)健優(yōu)化設計,研究了微細加工工藝及金屬液滴體積修調(diào)工藝,實現(xiàn)了開關(guān)閾值可調(diào)。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG113.2;TM564

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 王曉東,彭曉峰,閔敬春;接觸角滯后現(xiàn)象的理論分析[J];工程熱物理學報;2002年01期

2 張曉東;張培林;傅建平;王成;;基于Matlab/Fluent的協(xié)同仿真技術(shù)[J];計算機工程;2010年20期

3 王曉東,彭曉峰,陸建峰,劉濤,王補宣;粗糙表面接觸角滯后現(xiàn)象分析[J];熱科學與技術(shù);2003年03期

4 梁剛濤;沈勝強;楊勇;;單液滴撞擊平面液膜飛濺過程的CLSVOF模擬[J];熱科學與技術(shù);2012年01期

5 宋云超;王春海;寧智;;求解不可壓縮兩相流的復合Level Set-VOF方法[J];燃燒科學與技術(shù);2011年05期

6 張雨英;楊晨;;一種協(xié)同仿真方法及其在SOFC數(shù)值模擬中的應用[J];系統(tǒng)仿真學報;2010年03期

，

本文編號：1523118