一种新型微加速度开关理论分析

孙宪南，贾建援

（1.陕西广播电视大学,710068；2.西安电子科技大学,710068）

一种新型微加速度开关理论分析

孙宪南1，贾建援2

（1.陕西广播电视大学,710068；2.西安电子科技大学,710068）

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。在分析了水银加速度开关可行性及其潜在的优点的基础上，本文对于在不同加速度作用下，水银运动的方程进行了理论探索，这对于整个开关的研究具有重要意义。

微流体；微开关 ；微机械

1 微开关简介

加速度开关是在检测到超过设置阈值的加速度信号幅值时闭合开关，触发电信号的惯性敏感器件，使用微机械加工技术制作的MEMS加速度开关，具有体积小,功耗低,导通电阻小,接口电路简单,便于与数字系统集成等特点，适用于替代传统加速度控制单元在诸多控制系统中的应用，加速度开关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。如安全气囊系统,工业安全控制等。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。

2 结构组成

2.1 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。

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。

图2.1 结构示意图

2.2 工作原理

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。在加速度由9.9g降至或低于1g的过程中，出于触点断开、阀门关闭，开关恢复到初始限位状态。

3 静力学公式

图3.1 圆管道液面模型示意图

3.1 静力学分析

由图3.1可看出，B和C点是等压面，即PB=PC，由静止液体静压强公式

因为表面张力的作用，还要考虑附加压强的作用。所以：

上式为重力加速度下的两管水银液面高度差公式，当加速度变为a时，上式变为：

考虑几何约束条件（微管道中水银运动时体积不变），即：

代入式（3-6）和（3-7）得出：

此式即为在加速度a下，两微管中水银液面的位移方程。由此看出，接触角和表面确定，水银微通道在加速度a下的上升高度，就能确定。

4 运动学分析

图4.1 圆截面微通道内水银运动分析

如图4.1，微圆管中的流体流动是旋转对称的，将x轴选在管轴上，令y表示管轴向外度量的径向坐标。假设周向和径向的速度分量都为零，平行于管轴的速度分量为u，它仅依赖于Y．如图所示。图中取一单元格进行分析，其两端压力分别为p1、p2。设离开固体表面一个极小距离才具备流动性，此时粘度度才有意义。由于流体具有粘性，流体与固体壁面有粘性作用，因此流体在固体壁面上没有滑移现象。

由纳维——斯托克斯方程

由于水银可以看做是不可压缩流体，所以

Y方向无速度，又因为流体为微流体，质量力忽略，所以简化方程后非定常不可压缩微流体满足以下无滑移条件：

边界条件：

着力，流体流经物体壁面时，紧贴壁面的物体必然粘附于壁面，相对流速为零，即流体壁面上没有滑移。但流体毕竟易于流动，在壁面附近随着离壁面法向距离增大，壁面对流体的影响减弱，流体的流速有很快的增长，至一定距离处，接近于原来未受固体扰动的速度。因此速度改变的现象只发生在紧邻壁面很薄的流层内，这个薄层就称为边界层或者附面层，在附面层外即使流体具有较大的粘性，但由于不存在速度梯度，或者速度梯度极小，流体将不存在剪切应力，或者剪切应力小的可以忽略。

将式（4-10）变形，得

两边积分得

微流体的运动是受毛细作用力、表面张力、粘性力、惯性力、液体压力共同影响而实现的。微管运动为正向，边界流运动也为正向，粘性力带动中间流向前运动，此时粘性力为中问流运动的主要驱动力。边界流和固壁产生加速度，但运动传递给中间流，则需边界流和中间流具有一定的速度差，所以中间流具有滞后性，这样就产生了一个滞后时间，则式（4-15）需要修正得

现在确定式（4-16）中的c1

此式表征了微管中速度的分布情况。图4.2是给定一定压强差和管径，模拟出的速度在管径上的分布图。竖坐标表征管半径，横坐标表征速度。

图4.2 管中速度分布情况模拟

由图中可以看出，在管道壁面，流体的相对运动速度为零，在管道中心处，速度达到最大值。这主要是由于粘性引起的剪切力作用的结果。

5 总结

利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。

[1] 章梓雄，董曾南.粘性流体力学[M]，清华大学出版社, 1998.

[2] 李仁年等.液压流体动力学[M]，机械工业出版社, 2002.

孙宪南.陕西广播电视大学.工程师.机械电子硕士

贾建援.西安电子科技大学.教授.博士生导师

A new type of micro acceleration switch of theoretical analysis

Sun Xiannan1，Jia Jianyuan2
(1.Shaanxi Open Uuiversity,710068；2.XIDIAN Uuiversity,710068)

This paper presented the movement analysis of micro-fluid in micro acceleration switch．which was based on the micro fluidic technology．This paper explained the elements of micro mercury acceleration switch.In the basis of the feasibility analyses and potential advantages of micro mercury acceleration switch,a move function of mercury under different accelerations is explored theoretically,which is meaning to the whole study of mercury acceleration switch .

Micro fluid system；Micro switch；Micro mechanical