本发明公开了一种高冲击惯性微流体接电开关及其制造方法，包括基底、盖板、金属电极、微通道、金属液滴；盖板位于基底上端；基底上设有微通道，金属电极设置在盖板上；微通道包括U型储液池、毛细阀和导气通道；金属液滴位于U型储液池内；第一毛细阀与U型储液池相连；第二毛细阀与第一毛细阀相连，另一端与第三毛细阀相连；第三毛细阀与第二毛细阀相连，另一端与第四毛细阀相连；第四毛细阀与第三毛细阀相连；第五毛细阀与第六毛细阀相连；第六毛细阀另一端与第七毛细阀相连；第七毛细阀与第六毛细阀相连，另一端与第八毛细阀相连；第八毛细阀与第七毛细阀相连，另一端与U型储液池相连；第四毛细阀与第五毛细阀通过导气通道相连；该开关可识别引信环境力。
1.一种高冲击惯性微流体接电开关，其特征在于，包括基底(1)、盖板(2)、两个金属电极(3)、微通道(5)、金属液滴；所述盖板(2)位于基底(1)上端，两者之间密封；所述基底(1)上设有微通道(5)，所述金属电极(3)设置在盖板(2)上；所述微通道(5)包括U型储液池(6)、第一毛细阀(7)、第二毛细阀(8)、第三毛细阀(9)、第四毛细阀(10)、导气通道(11)、第五毛细阀(12)、第六毛细阀(13)、第七毛细阀(14)、第八毛细阀(15)；所述金属液滴位于U型储液池(6)内；所述第一毛细阀(7)为收缩型毛细阀，其与U型储液池(6)一端相连；所述第二毛细阀(8)为扩张型毛细阀，其一端与第一毛细阀(7)相连，另一端与第三毛细阀(9)相连；所述第三毛细阀(9)为收缩型毛细阀，其一端与第二毛细阀(8)相连，另一端与第四毛细阀(10)相连；所述第四毛细阀(10)为直线型毛细阀，其一端与第三毛细阀(9)相连；所述第五毛细阀(12)为直线型毛细阀，其一端与第六毛细阀(13)相连；所述第六毛细阀(13)为收缩型毛细阀，其一端与第五毛细阀(12)相连，另一端与第七毛细阀(14)相连；所述第七毛细阀(14)为扩张型毛细阀，其一端与第六毛细阀(13)相连，另一端与第八毛细阀(15)相连；所述第八毛细阀(15)为收缩型毛细阀，其一端与第七毛细阀(14)相连，另一端与U型储液池(6)相连；
所述第四毛细阀(10)与第五毛细阀(12)之间通过导气通道(11)相连；
所述U型储液池(6)与第八毛细阀(15)相连端到U型储液池(6)底部的高度要大于U型储液池(6)与第一毛细阀(7)相连端到U型储液池(6)底部的高度；其中一个金属电极(3)的一端触点位于第三毛细阀(9)内，且靠近第四毛细阀(10)，另一端触点位于基底(1)、盖板(2)重合区之外；另一个金属电极(3)的一端触点位于U型储液池(6)内，且靠近第一毛细阀(7)端，另一端触点位于基底(1)、盖板(2)重合区之外。
2.根据权利要求1所述的一种高冲击惯性微流体接电开关，其特征在于，所述导气通道(11)为U型导气通道。
3.根据权利要求1所述的一种高冲击惯性微流体接电开关，其特征在于，所述基底(1)上设有一圈密封槽(4)，所述微通道(5)位于密封槽内部，密封槽(4)内设有紫外线固化胶，所述基底(1)与盖板(2)之间通过密封槽(4)密封连接。
4.根据权利要求1或3所述的一种高冲击惯性微流体接电开关，其特征在于，所述基底(1)为硅基底。
5.根据权利要求1所述的一种高冲击惯性微流体接电开关，其特征在于，所述盖板(2)为玻璃盖板。
6.根据权利要求1所述的一种高冲击惯性微流体接电开关，其特征在于，所述金属液滴为水银。
7.根据权利要求1所述的一种高冲击惯性微流体接电开关，其特征在于，其制造方法包括以下步骤：
步骤4、对准好金属电极与毛细阀的相对位置后，即一个电极对准第三毛细阀，另一个电极对准U型储液池，将基底与盖板固定。
8.根据权利要求7所述的一种高冲击惯性微流体接电开关，其特征在于，利用湿法刻蚀技术，在硅基底上刻蚀出微通道、密封槽；将紫外线固化胶放入密封槽内，使用紫外线灯照射密封槽中的紫外线固化胶，进行固化。
9.根据权利要求7所述的一种高冲击惯性微流体接电开关，其特征在于，设置金属电极时利用电镀技术，在玻璃盖板上镀上金属电极。
10.根据权利要求7所述的一种高冲击惯性微流体接电开关，其特征在于，填充金属液滴时利用注射泵产生对应体积的水银液滴充满U型储液池。
一种高冲击惯性微流体接电开关及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明属于微流控芯片技术领域，特别是一种高冲击惯性微流体接电开关及其制造方法。
背景技术
[0002] 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。微流体惯性接电开关是一种操纵微小体积的流体在微小通道或构件中流通的系统，其中通道和构件的尺寸为几十到几百微米。与传统的微机械开关不同在于，微流体惯性接电开关一般采用金属液滴作为工作流体，其工作原理为金属液滴受到一定的加速度载荷时，会通过微通道到达固定信号电极的位置，进而导通开关。这种工作模式能克服传统微机械在触点处接触电阻大、触点容易氧化、接触不稳定等问题，同时增大了开关触点的有效接触面积。
[0003] 2011年，浦项科技大学的Yoo K在Development and characterization of a novel configurable MEMS inertial switch using a microscale liquid-metal droplet in a microstructured channel的论文中设计了一种微流体惯性接电开关。该开关受到大于阈值的加速度时，能突破毛细阀，导通电极。当受到小于阈值的加速度时，不能突破毛细阀，不导通电极。但是其开关的阈值很小，受到较大的加速度作用时容易发生液滴分离，且只能区分加速度的幅值大小，不能区分加速度的脉宽。
[0004] 引信中常用微机械惯性开关在响应后坐加速度载荷，进而使引信上电。但引信在意外跌落的情况下，开关可能会闭合，不利于引信的安全性。
发明内容
[0005] 本发明所解决的技术问题在于提供一种高冲击惯性微流体接电开关及其制造方法，以解决目前引信中的微机械惯性开关的不足，采用微流体惯性开关，实现引信在勤务跌落环境的安全保险，以及正常发射的后坐环境的可靠上电。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0007] 一种高冲击惯性微流体接电开关，包括基底、盖板、两个金属电极、微通道、金属液滴；所述盖板位于基底上端，两者之间密封；所述基底上设有微通道，所述金属电极设置在盖板上；所述微通道包括U型储液池、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、导气通道；所述金属液滴位于U型储液池内；所述第一毛细阀为收缩型毛细阀，其与U型储液池一端相连；所述第二毛细阀为扩张型毛细阀，其一端与第一毛细阀相连，另一端与第三毛细阀相连；所述第三毛细阀为收缩型毛细阀，其一端与第二毛细阀相连，另一端与第四毛细阀相连；所述第四毛细阀为直线型毛细阀，其一端与第三毛细阀相连；所述第五毛细阀为直线型毛细阀，其一端与第六毛细阀相连；所述第六毛细阀为收缩型毛细阀，其一端与第五毛细阀相连，另一端与第七毛细阀相连；所述第七毛细阀为扩张型毛细阀，其一端与第六毛细阀相连，另一端与第八毛细阀相连；所述第八毛细阀为收缩型毛细阀，其一端与第七毛细阀相连，另一端与U型储液池相连；所述第四毛细阀与第五毛细阀之间通过导气通道相连；
[0008] 所述U型储液池与第八毛细阀相连端到U型储液池底部的高度要大于U型储液池与第一毛细阀相连端到U型储液池底部的高度；其中一个金属电极的一端触点位于第三毛细阀内，且靠近第四毛细阀，另一端触点位于基底、盖板重合区之外；另一个金属电极的一端触点位于U型储液池内，且靠近第一毛细阀端，另一端触点位于基底、盖板重合区之外。
[0009] 一种高冲击惯性微流体接电开关的制造方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1、在基底上设置微通道；
[0011] 步骤2、在盖板上设置金属电极；
[0012] 步骤3、在U型储液池中填充金属液滴；
[0013] 步骤4、对准好金属电极与毛细阀的相对位置后，将基底与盖板固定。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点：
[0015] (1)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、生产成本低等优点，有助于引信的小型化和灵巧化。
[0016] (2)发明的微流体惯性接电开关，是通过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。
[0017] (3)发明的微流体惯性接电开关，相较于传统的微流体惯性接电开关，具有能实现区分两种不同的加速度载荷，并能在载荷消失后也能导通电极、在较大的载荷作用下不发生液滴分离等优点。
[0018] (4)发明的微流体惯性接电开关，加工方法简单，易于装配。
[0019] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0020] 图1为高冲击惯性微流体接电开关的三维示意图。
[0021] 图2为镀有金属电极的盖板示意图。
[0022] 图3为高冲击惯性微流体接电开关的俯视图。
[0023] 图4为基底内刻蚀出的微通道的示意图。
[0024] 图5为初始状态下金属液滴位置的仿真图。
[0025] 图6为后坐加速度载荷作用下金属液滴位置的仿真图。
[0026] 图7为后坐加速度载荷消失后金属液滴位置的仿真图。
[0027] 图8为勤务跌落加速度载荷的作用下金属液滴位置的仿真图。
[0028] 图9为勤务跌落加速度载荷消失后金属液滴位置的仿真图。
[0029] 图10为勤务跌落加速度载荷消失后水银液滴回到初始状态的过程仿真图。
[0030] 图11为本发明的高冲击惯性微流体接电开关制造方法的流程图。
具体实施方式
[0031] 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。
[0032] 结合图1-4，本发明的一种高冲击惯性微流体接电开关，包括基底1、盖板2、两个金属电极3、微通道5、金属液滴；所述盖板2位于基底1上端，两者之间密封；所述基底1上设有微通道5，所述金属电极3设置在盖板2上；所述微通道5包括U型储液池6、第一毛细阀7、第二毛细阀8、第三毛细阀9、第四毛细阀10、第五毛细阀12、第六毛细阀13、第七毛细阀14、第八毛细阀15、导气通道11；所述金属液滴位于U型储液池6内；所述第一毛细阀7为收缩型毛细阀，其与U型储液池6一端相连；所述第二毛细阀8为扩张型毛细阀，其一端与第一毛细阀7相连，另一端与第三毛细阀9相连；所述第三毛细阀9为收缩型毛细阀，其一端与第二毛细阀8相连，另一端与第四毛细阀10相连；所述第四毛细阀10为直线型毛细阀，其一端与第三毛细阀9相连；所述第五毛细阀12为直线型毛细阀，其一端与第六毛细阀13相连；所述第六毛细阀13为收缩型毛细阀，其一端与第五毛细阀12相连，另一端与第七毛细阀14相连；所述第七毛细阀14为扩张型毛细阀，其一端与第六毛细阀13相连，另一端与第八毛细阀15相连；所述第八毛细阀15为收缩型毛细阀，其一端与第七毛细阀14相连，另一端与U型储液池6相连；所述第四毛细阀10与第五毛细阀12之间通过导气通道11相连。
[0033] 所述U型储液池6与第八毛细阀15相连端到U型储液池6底部的高度要大于U型储液池6与第一毛细阀7相连端到U型储液池6底部的高度；其中一个金属电极3的一端触点位于第三毛细阀9内，且靠近第四毛细阀10，另一端触点位于基底1、盖板2重合区之外；另一个金属电极3的一端触点位于U型储液池6内，且靠近第一毛细阀7端，另一端触点位于基底1、盖板2重合区之外。
[0034] 优选的，所述导气通道11为U型导气通道。
[0035] 进一步的，所述基底1上设有一圈密封槽4，所述微通道5位于密封槽内部，密封槽4内设有紫外线固化胶，所述基底1与盖板2之间通过密封槽4密封连接。
[0036] 进一步的，所述第二毛细阀12的收缩角为31～47°，使得载荷消失后金属液滴更容易从第三毛细阀9进入第四毛细阀10。
[0037] 优选的，所述基底1为硅基底，硅基底不导电，且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U型储液池6内。
[0038] 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。
[0039] 优选的，所述金属液滴为水银。
[0040] 下面结合附图进行更加详细的工作原理介绍：
[0041] 微流体惯性接电开关在没有受到其它外加载荷的作用下，其水银液滴的受力状态如图5所示。左侧的液气分界面位于第七毛细阀14，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8，分界面受到空气压力PO和毛细力P2。
[0042]
[0043]
[0044] 其中σ是金属液滴的表面张力，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+α,180°}，α为相应毛细阀对应的壁面与竖直方向的夹角，如图4中的α为第三毛细阀9壁面与竖直方向的夹角。
[0045] 如图5，对于初始状态，P2-P1＞0，表明若没有外加的加速度载荷作用，金属液滴会一直保持在储液池内。图6中当后坐加速度载荷作用时，金属液滴会突破第二毛细阀8，在后坐加速度载荷的持续作用下，会一直保持在图6的状态。当后坐加速度载荷消失后，此时P2-P1＜0，金属液滴会在毛细力的作用下，到达第四毛细阀10，如图7所示。当金属液滴处于第四毛细阀10时，P2-P1＞0，在没有外力的作用下，金属液滴会一直保持在图7的状态，进而持续接通电极。
[0046] 而在勤务跌落加速度载荷的作用，金属液滴的运动状态如图8-10所示。金属液滴在勤务跌落加速度载荷的作用下，开始突破第二毛细阀8，如图8所示。但勤务跌落加速度载荷的脉宽比较小，金属液滴还没有完全突破第二毛细阀8，加速度载荷就已经消失。由于没有充分粘附到微通道的壁面，金属液滴能达到的最高位置如图9所示。在此过程中，金属液滴始终没有到达电极的位置，不能导通金属电极3。最后金属液滴回到初始状态，如图10所示。
[0047] 由以上工作原理可知，本发明的高冲击惯性微流体接电开关，在后坐加速度载荷的作用下，金属液滴完全突破第二毛细阀8，后坐加速度载荷消失后，金属液滴到达第四毛细阀10的位置，并一直保持在该状态，持续导通金属电极3。在勤务跌落加速度载荷的作用下，金属液滴始终没有到达第四毛细阀10，无法导通金属电极3，载荷消失后回到初始状态。
[0048] 如图11所示，本发明的一种高冲击惯性微流体接电开关的制造方法，包括以下步骤：
[0049] 步骤1、在硅基底上设置微通道；
[0050] 优选的，利用湿法刻蚀技术，在硅基底上刻蚀出微通道。
[0051] 步骤2、在盖板上设置金属电极；
[0052] 优选的，利用电镀技术，在玻璃盖板上镀上设计好的金属电极。
[0053] 步骤3、在U型储液池中填充金属液滴；
[0054] 优选的，估算U型储液池的体积，利用注射泵产生对应体积的水银液滴充满U型储液池。
[0055] 步骤4、对准好金属电极与毛细阀的相对位置后，将基底与盖板固定。
[0056] 对准好金属电极与毛细阀的相对位置后，将基底与盖板固定；优选的，利用湿法刻蚀技术，在硅基底上刻蚀出密封槽；将紫外线固化胶放入密封槽内，使用紫外线灯照射密封槽中的紫外线固化胶，进行固化。
