一种液态金属全向多阈值惯性开关的制作方法

1.本发明涉及惯性开关技术领域，更具体的说是涉及一种液态金属全向多阈值惯性开关。


背景技术：

2.惯性开关是一种依靠惯性驱动实现外电路通断的传感与执行器件，可用作振动检测、惯性触发等，在航天航空、引信系统、民用消费电等领域有广泛的应用。然而，传统的机械式结构惯性开关接触电阻大、信号弹跳严重、稳定性难以提高，特别是面向低阈值民用惯性系统。使用多自由度弹簧悬挂系统作为可动电极的机械结构振动模态多，难以实现低阈值惯性开关的制备。
3.因此，如何提供一种能够实现多阈值控制，并具有高稳定性的液态金属全向多阈值惯性开关是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种液态金属全向多阈值惯性开关，使用液态金属作为可动部件，并在受惯性力时伸缩变形进入微流控变截面通道，与相应阈值处的电极接触使外部电路导通，实现对加速度的多阈值稳定测量。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种液态金属全向多阈值惯性开关，包括：衬底、功能结构层和封装盖；所述衬底为正多边形结构；所述衬底表面分布有多个电极组；所述电极组的数量与所述衬底的边数对应，且绕所述衬底的中心一一对应固定于所述衬底的各个边位置处；
7.所述功能结构层层叠粘结于所述衬底表面，并与所述衬底的中心重合；所述功能结构层上设置有储液池、多个微流控变截面通道和多个卡槽；所述储液池位于所述功能结构层的中心位置，且其内部盛装有液态金属；所述微流控变截面通道绕所述储液池径向设置，并与所述储液池相连通；所述电极组与所述卡槽一一对应，并适配卡接，且每个所述电极组的触头位于与其位置相对应的所述微流控变截面通道内部；
8.所述封装盖层叠粘结于所述功能结构层表面。
9.优选的，在上述一种液态金属全向多阈值惯性开关中，每个所述电极组包括1
‑
20个电极对；每个所述电极组中的各个电极对的长度均不相同，且各个电极对远离所述储液池的一端对齐，其触头相对所述储液池之间的距离呈梯度递增。
10.优选的，在上述一种液态金属全向多阈值惯性开关中，每组所述电极组中的各个电极对按照其自身长度的递减关系，自两侧向中间依次排布。
11.优选的，在上述一种液态金属全向多阈值惯性开关中，每个所述电极组中的电极对的长度为10
‑
1000微米，厚度为1
‑
500微米；相邻两个电极对之间的间距为10
‑
1000微米。
12.优选的，在上述一种液态金属全向多阈值惯性开关中，所述衬底的材质为无机非金属材料。
13.优选的，在上述一种液态金属全向多阈值惯性开关中，所述衬底的边数为3
‑
36边；所述衬底的内切圆直径为2
‑
100毫米。
14.优选的，在上述一种液态金属全向多阈值惯性开关中，所述卡槽开设于所述功能结构层背面，且自所述微流控变截面通道远离所述储液池的一端向所述功能结构层的边缘径向设置。
15.优选的，在上述一种液态金属全向多阈值惯性开关中，所述微流控变截面通道为v形结构；所述微流控变截面通道的角度为0
‑
75
°
，且其截面积自与所述储液池连通的一端向另一端逐渐减小。
16.优选的，在上述一种液态金属全向多阈值惯性开关中，所述液态金属为常温下呈液态的金属或导电液体。
17.优选的，在上述一种液态金属全向多阈值惯性开关中，所述封装盖与所述功能结构层相接触的一面刻蚀有环形槽；所述环形槽的中心与所述功能结构层的中心重合，且所述环形槽覆盖于所述微流控变截面通道表面。
18.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种液态金属全向多阈值惯性开关，液态金属作为可动部件置于储液池内，液态金属受外部惯性力作用伸缩变形进入变截面流道，与相应长度的电极对接触使外电路导通，不同长度的电极对代表不同的阈值，惯性力不同则液态金属向微流控变截面通道内移动的距离不同，因而实现对不同惯性力的测量功能。本发明通过多角度设置多个微流控变截面通道和电极组，实现在任意角度收到惯性力作用，均能实现惯性力的采集过程，可实现低阈值下的高稳定性器件设计。本发明使用液态金属作为可动部件，具有绿色无毒、导电性好、接触电阻小、接触时间长、信号无弹跳特性，器件结构设计和制作工艺简单，产业化前景好。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1附图为本发明提供的液态金属全向多阈值惯性开关的封装结构示意图；
21.图2附图为本发明提供的衬底的结构示意图；
22.图3附图为本发明提供的功能结构层层叠于衬底上的结构示意图；
23.图4附图为本发明提供的功能结构层的背面结构示意图；
24.图5附图为本发明提供的封装盖的结构示意图；
25.图6附图为本发明提供的阈值标定示意图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1
‑
4所示，本发明实施例公开了一种液态金属全向多阈值惯性开关，包括：衬底1、功能结构层2和封装盖3；衬底1为正多边形结构；衬底1表面分布有多个电极组4；电极组4的数量与衬底1的边数对应，且绕衬底1的中心一一对应固定于衬底1的各个边位置处；
28.功能结构层2层叠粘结于衬底1表面，并与衬底1的中心重合；功能结构层2上设置有储液池5、多个微流控变截面通道6和多个卡槽7；储液池5位于功能结构层2的中心位置，且其内部盛装有液态金属8；微流控变截面通道6绕储液池5径向设置，并与储液池5相连通；电极组4与卡槽7一一对应，并适配卡接，且每个电极组4的触头位于与其位置相对应的微流控变截面通道6内部；
29.封装盖3层叠粘结于功能结构层2表面。
30.本实施例中，衬底1、功能结构层2与封装盖3通过低温键合工艺粘结在一起。衬底1为3
‑
36边形，衬底1的内切圆直径为2
‑
100毫米，其材质为pmma或硅等无机非金属材料。液态金属8为汞、镓基液态金属、铋基液态金属等常温下呈液态的金属或导电液体。
31.在一个实施例中，功能结构层2背面与各个电极组对应的位置处开设有卡槽7，卡槽7与相应电极对的尺寸对应，使衬底上突出的电极刚好卡在卡槽内，且自微流控变截面通道6远离储液池5的一端向功能结构层2的边缘径向设置。卡槽7可以是凹槽结构。
32.在一个具体实施例中，每个电极组4包括1
‑
20个电极对；每个电极组中的各个电极对的长度均不相同，且各个电极对远离储液池5的一端对齐，其触头相对储液池5之间的距离呈梯度递增。每组电极组4中的各个电极对按照其自身长度的递减关系，自两侧向中间依次排布。每个电极组4中的电极对的长度为10
‑
1000微米，厚度为1
‑
500微米；相邻两个电极对之间的间距为10
‑
1000微米。
33.衬底1每边对应的电极组与边垂直排布，每一边对应的电极对的数量和阈值数量相等，比如1对电极能够实现1个阈值测量。
34.每一边对应的电极对数量越多，可测量的阈值数量就越多。每一边都有对应的电极对，边数越多，在任一方向的惯性力下，液态金属流向任意一边上的变截面通道中，就会实现外电路导通，因而从全向来看阈值越均匀。
35.在一个具体实施例中，功能结构层2厚度为50微米
‑
10毫米，微流控变截面通道数量与电极组数量对应，中央储液池的直径为0.5
‑
50毫米。微流控变截面通道6为v形结构；微流控变截面通道6的长度为5微米到25毫米，角度为0
‑
75
°
，且其截面积自与储液池5连通的一端向另一端逐渐减小。液态金属越往v形槽内走，需要的惯性加速度越大。在惯性力作用下，液态金属在加速度方向上变形沿微流控变截面通道移动，使相应电极对短路，实现外电路导通。惯性力消失后，液态金属在表面张力作用下回复到初始状态。
36.如图6所示，每一边对应的电极对距离中心液态金属8的距离呈梯度增加，当液态金属8在惯性力作用下向v形的微流控变截面通道6内移动时，随着惯性力的增加，液态金属8在微流控变截面通道6内的延伸距离就越远。比如，假设在5g加速度作用下，中心液态金属8向v形的微流控变截面通道6内移动的距离到达第一(离中心位置最近的电极对)电极对触头的位置使得第一电极对导通，即此时则可测量的阈值1为5g，假设10g加速度作用下第二电极对导通，则阈值2为10g，依次类推。
37.在其他实施例中，如图5所示，封装盖3与功能结构层2相接触的一面刻蚀有环形槽9；环形槽9的中心与功能结构层2的中心重合，且环形槽9覆盖于微流控变截面通道6表面。
本实施例中，环形槽9的外环直径与微流控变截面通道直径相同，环形槽9宽度为50微米
‑
5毫米，深度为10微米
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1000微米。环形槽9的作用是：当液态金属8向微流控变截面通道6内移动时，空气受到挤压向环形槽9内回流，减少液态金属8在微流控变截面通道6流动时的空气阻力。
38.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
39.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。