水银微流体惯性开关的制作与测试*

徐 媛，杨 涛，蔺 怡，刘婷婷，陈光焱，王 超

（1．西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010;2．中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳 621900）

0 引言

惯性开关，也称为g值开关、阈值加速度计等［1］，是在超过阈值加速度作用下执行开关动作的精密惯性器件，被广泛应用于航空航天、汽车行业、惯性导航、弹药安全与控制系统等领域。传统的微机械惯性开关多采用“固—固”型接触方式，存在触点磨损、接触不稳定［2，3］、导通电阻大［3］、抗干扰能力差等缺点。水银微流体惯性开关是在微机械惯性开关与微流体驱动基础上提出的一种新型微流体惯性元器件，它采用水银液滴作为敏感惯性力的部件，替代了传统的固体弹性电极，并利用其在微通道中的流动来实现开关的通断。这种“固—液”型接触方式，增大了开关触点的有效接触面积，保证了稳定的电流特性［4］，也提高了开关的过载能力。

文献［5］中提出了一种基于毛细管阀的微流体惯性开关，分析了惯性开关的工作机理，推导出了加速度阈值的解析公式。文献［6］模拟了此开关在加速度作用下水银液滴在微通道中的流动特性，研究了各结构参数对开关阈值特性和响应历程的影响。本文给出了水银微流体惯性开关的微机械加工工艺，提出了开关的准静态阈值和冲击阈值的测试方案，通过开关样件的实验测试结果表明:冲击阈值较准静态阈值小。

1 水银微流体惯性开关的结构与原理

以硅为基底设计了带有毛细管无源阀的微流体惯性开关，在硅基板上刻蚀出毛细管微阀门、导气管和液槽，注入水银引出电极信号线后由玻璃盖板封闭，其敏感方向为平行于硅基底的水平方向，整个结构沿敏感方向轴对称。如图1所示，微阀门由垂直截面为矩形的微通道渐变汇聚而成，与之相对接的是侧壁陡然扩张的储液槽，与微阀门和储液槽相连通的是用于减小空气阻力的导气管。信号电极制作在玻璃盖板上，且伸入液槽合适位置。水银液滴位于初始位置，正向惯性力的作用使得水银液滴在截面为矩形的毛细管微通道里运动，在大于正向加速度阈值的情况下，水银液滴将克服毛细管力通过微阀，从而导通电极。

图1 水银微流体惯性开关总体结构图Fig 1 Overall structure diagram of mercury micro-fluidic inertial switch

2 水银微流体惯性开关的微机械加工技术

2．1 金属电极材料的选用

如图2所示，金质材料的导电性较好，但水银液滴在金质材料表面会产生黏着现象。所以，考虑到导电性、溶解度和制作便利性，本文采用金属Cr作为电极材质。

图2 水银与其他金属的溶解度和导电性质图Fig 2 Solubility and conductivity of mercury with other metals

2．2 开关制作工艺

2．2．1 微通道刻蚀

带有微阀门的变矩形截面微通道可采用以下3种加工方案制作:1）采用深反应离子刻蚀（deep reactive ion etching，DRIE）在硅片上加工出特定深度的沟槽;2）采用DRIE在SoI晶片上加工出沟槽;3）采用阳极键合实现硅片和玻璃的键合，然后利用DRIE将特定厚度的硅片刻穿。若采用方案（1），虽然开关水平方向的尺寸容易保证，但由于通道形状不规则，深度均匀性难以保证，因而难以满足理想通道结构的需要。而对于方案（2）中的SoI技术将会引入较大的加工成本。方案（3）既能保证沟槽的深度，且成本也较低。因此，本文采用该方法制作变矩形截面微通道。

刻蚀微通道所采用的工艺流程见图3。

图3 微通道刻蚀流程Fig 3 Etching process of microchannel

1）硅片/玻璃阳极键合:将清洗干净的硅片置于玻璃表面，加热至400℃，再给两者之间加1．2 kV的电压，相对于玻璃，硅片为正极。

2）硅片减薄和涂抹光胶:根据开关微通道深度的要求，采用化学机械抛光（chemical mechanical polishing，CMP）技术将硅片减薄至250 μm。通过甩胶机采用旋涂法将光胶均匀覆盖在硅片上，其方法为先将定量的光胶布施于硅片中心，再施以2段不同的转速和时间控制。其中，第一阶段为低速和数秒时间，目的是将光胶均匀的散布满整个硅片。第二阶段为高速、长时间，目的是控制光胶在硅片上的厚度。

3）曝光和显影:一般光胶对200～400 nm的紫外线敏感。利用接触式光刻机将掩模上的图形（即变截面微通道和微导气管形状）经紫外线曝光，转印至硅片上。光胶经曝光后，再在碱性溶液中显影，以达到图形显现的目的。

4）DRIE:刻蚀过程中，在交替利用SF6等离子体进行刻蚀和利用C4F8等离子体进行聚合物沉淀中进行。在刻蚀的时候，图像结构底层部的聚合物被迅速移走，而侧壁上的聚合物被保留下来。虽然刻蚀后的通道侧壁相当笔直，但由于交替进行刻蚀和钝化而会产生轻微的扇形化侧壁，不平整度大约为200 nm。

5）剥离光胶:刻蚀完全后将光刻胶剥离，即完成了带微阀门的变截面微通道和微导气管的刻蚀。

2．2．2 电极沉淀

电极制作所采用的工艺流程见图4。金属薄膜沉积的方法主要有2种:物理气相沉积、化学气相沉积。其中，物理气相沉积中又分为蒸镀沉积和溅镀沉积2种。考虑到作为电极材质的金属Cr的熔点较高，采用蒸镀沉积难以实现，因此，本文采用物理气相沉积方式中的溅射沉积方式来沉积所需的Cr金属薄膜，溅射厚度约为100 nm。

2．2．3 水银液滴注入与开关封装

图4 电极制作流程Fig 4 Process of electrode fabrication

由于水银液滴处于表面张力和内聚力的平衡状态，液滴近似于球体，因此，可通过体积的近似估算控制水银液滴的体积。如图5所示为水银微液滴在静止状态下的形状，θe为接触角，一般为135°，Re为液滴半径，因而，水银液滴的体积V可估算为

因此，可以得到

图5 水银液滴的静止状态Fig 5 Static state of mercury droplet

常温20℃时，水银的饱和蒸气压为0．1601 Pa，不到水的0．01%。因此，在实验的操作过程中由水银的微量蒸发导致的体积误差可忽略不计。我国规定的汞在室内空气中的最大允许浓度为0．01 mg/m3;一般认为，人在汞浓度为1．2～8．5 mg/m3的环境中很快会引起中毒。实验环境为一间通风良好、光线明亮、面积为86 m2和高为3 m的实验室，假设水银完全蒸发后室内浓度为0．01 mg/m3，则取出的水银质量应为2．58 mg。又20℃下水银的密度为13．6 g/cm3，因此，可得水银液滴的体积约为1．9×10－4cm3。最后通过式（2），计算得出水银液滴的半径Re约为0．36 mm。

表面光滑的玻璃和塑料薄片均为疏水材料，水银液滴对材料的表面粘附力不足以克服水银自身的内聚力，因此，在切割、注入过程中不易使水银液滴破碎分散。用厚度为0．1 mm的塑料薄片将玻璃板上的水银液滴划分为实验所需体积的小液滴，然后将其放入刻蚀好的微通道内，最后用环氧树脂将微通道和玻璃盖板粘合牢固。制作完成的水银微流体惯性开关如图6所示。

3 水银微流体惯性开关的测试

3．1 准静态阈值的测试方案

图6 水银微流体惯性开关样件Fig 6 Prototype of mercury micro-fluidic inertial switch

在微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）动态测试系统中常采用离心转台来加载加速度，测试装置配置如图7所示，即控制模块对离心转台的加速过程进行设置，使作用在开关上的离心力随时间线性变化。交流电源（内阻小于5 mΩ）通过限流电阻连接到被测开关上。为了测试开关的准静态阈值，在60 s内将离心转台线性加速至20gn。通过检测开关两端电压来捕获开关的状态变化，当开关状态发生跳变时，所对应的加速度便为开关的准静态阈值。

图7 水银微流体惯性开关测试平台Fig 7 Testing platform for mercury micro-fluidic inertial switch

3．2 冲击阈值的测试方案

当冲击加速度大于开关导通阈值时，水银液滴从初始位置到达电极位置所需时间约为2 ms，在此短时间内冲击加速度变化很小，因此，可近似认为冲击加速度即为开关导通加速度。

图8为采用微控制器STC89C52结合加速度传感器ADXL345组成的开关冲击阈值测试系统，将开关与该测试系统集成在电路板上，二者建立在同一坐标系中。在冲击加速度作用下，一方面加速度传感器实时采集加速度值，微控制器采用先入先出（first input first output，FIFO）方式将数据存储到E2ROM中;另一方面，微控制器实时查询开关状态，当开关闭合时微控制器外部中断有效触发，将连续读取E2ROM中最新的500组加速度值，并通过串口异步通信输出到上位机，再在上位机上利用串口调试助手查看加速度值。由于水银液滴从初始位置到电极位置所需时间约为2 ms，而测试系统采样周期为 12．5 μs，因此，所采集数据量足以覆盖开关从阈值状态到导通的过程。

3．3 样件测试与结果分析

图8 测试系统原理图Fig 8 Primciple diagram of testing system

为了测试准静态阈值和冲击阈值，制备了开关样件，其中，微阀门宽度W1=220 μm，微通道深度h=250 μm，侧壁A扩张角β1=8°，侧壁B扩张角β2=70°。开关芯片的外框尺寸为4．75 mm×3 mm，电极尺寸为7 mm×4 mm。

根据3．1节和3．2节的测试原理分别对开关样件进行测试，所得数据见表1。开关加速度阈值通过实验逼近的方式获取:开关导通状态跳变前后各有一个加速度值，可认为开关的阈值介于二者之间，取二者均值作为开关的实验阈值。因此，从表中可以推算出开关的准静态阈值和冲击阈值分别为8．525，5．09gn。通过开关样件的实验测试可以得到如下结论:加速度的施加方式与施加时间对开关的开启阈值存有一定程度的影响，通常冲击阈值较准静态阈值小。

表1 水银微流体惯性开关测试结果Tab 1 Measurement result of mercury microfluidic inertial switch

4 结论

本文对同一种结构尺寸的开关样件分别进行了准静态阈值和冲击阈值的测试，实验结果表明，冲击阈值较准静态阈值小。通过实验样件测试发现，测试得到的加速度阈值比理论值略小。存有误差的原因有:1）水银液滴的体积难以精确控制，其体积的一致性也不易实现;2）加速度的施加方式与施加时间对开关的开启阈值也存有一定程度的影响，通常冲击阈值较准静态阈值小。

由于微流体惯性开关的阈值精度要求较高，需要采用后工艺修调的方法来保证。通过稳健优化设计，使得微流体惯性开关的阈值对微加工误差不敏感，但其前提条件是水银体积的精确控制。

［1］ Gregory T A．Kovacs．Micromachined transducers sourcebook［M］．Beijing:Science Press，2003．

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［5］ 陈花卫，杨 涛，蔺 怡，等．基于毛细管阀的微流体惯性开关建模与仿真［J］．微纳电子技术，2010，47（12）:742 －747．

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