惯性驱动的微流体导电开关原理和技术研究

针对现有微机械惯性开关导通电阻大、无法承载较大工作电流的问题，提出一种变矩形截面硅微通道惯性驱动水银微流体导电开关的理论分析、优化设计、加工和测试方案。利用解析分析和数值模拟的方法研究变矩形截面硅微通道和微阀门中水银微液滴在惯性力、表面张力、粘滞力和壁面正压力作用下的多物理场耦合力学特性；建立变截面矩形微通道中水银微液滴在加速度作用下的动力学方程,给出开关阈值与液滴及微通道结构和参数之间的定量关系；并基于计算流体力学分析结果采用响应曲面法拟合出开关的响应时间与特征参数之间的关系。利用梯度遗传算法和田口稳健优化设计方法得到在10g以内加速度作用下开启、滞后时间在30ms以内的开关设计参数。采用后工艺修调液滴体积的方法使开关的阈值精度达到1%。该惯性驱动水银微流体导电开关具有无源、接触电阻低、阈值精度高和响应速度快的特点，具有重要的工程应用价值。

设计了一种变矩形截面微通道结构的惯性微流体开关方案，利用水银液滴在微通道中的流动实现开关的导通，克服了传统微机械“固-固”型触点开关触点磨损、接触不稳定、抗干扰能力差等缺点。从静力学和动力学两方面分别考虑了水银微液滴在惯性力、表面张力、粘滞力和壁面正压力等多物理场耦合力学作用下的运动状态和阈值特性：基于Young-Laplace方程建立了开关的阈值理论模型，采用CFD仿真方法分析了开关的动态响应历程。 CFD仿真采用VOF模型追踪相界面，考虑表面张力作用和接触角滞后效应，模拟了水银液滴在微通道中的动态响应历程及其阈值特性。提出了以惯性微流体开关加速度阈值为优化目标的稳健设计思路，以降低设计方案对加工误差等干扰的敏感度。通过数值模拟获得各设计变量与开关阈值的对应关系；在此基础上，采用以正交试验设计为基础的处理多变量问题的响应面法，在局部范围内辨识了开关阈值半解析模型中的未知参量。利用辨识后的阈值解析模型对惯性微流体开关进行稳健设计，得到了使开关阈值性能及其稳健性均较优的关键结构参数组合。通过开关样件加工与测试，惯性微流体导电开关精度约为1%，仿真的冲击响应时间小于30ms，验证了解析模型与数值仿真的有效性以及稳健设计方法的可行性。