一种基于液态金属的数字加速度计的制作方法

1.本发明涉及加速度计技术领域，特别涉及一种基于液态金属的数字加速度计。


背景技术：

2.传统电感式、压电式以及电容式等加速度传感器体积大、灵敏度低、线性度较差、使用频率范围低等缺点。
3.传统的加速度计大多都是通过将模拟信号输出为数字信号来测量加速度的大小，模拟信号向数字信号的转化过程中，需要经过采样、量化、编码从而转变为数字信号，且模拟信号的抗干扰能力弱。即，需要复杂的信号处理电路才能完成数字信号的输出，导致测量单元成本增加。
4.传统的加速度计输出连续的模拟信号，无法标明数值1和0的位置，其要经过变压，整流，取样，滤波，稳压等复杂的处理过程才能转化为数字信号，增加了工艺成本，且其取样电路随机，以局部点代表整体信号，易造成信号失真，线性度差。
5.因此，为了解决传统电感式、压电式以及电容式等加速度传感器体积大、灵敏度低、线性度较差、使用频率范围低等缺点，设计一种可直接将加速度转换为数字信号输出的基于液态金属的加速度传感器，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的一种基于液态金属的数字加速度计，可直接将加速度转换为数字信号输出，无需进一步信号处理。
7.本发明实施例提供一种基于液态金属的数字加速度计，自下而上包括三层结构；
8.第一层结构为衬底；所述衬底具有多条纵向设置的电极槽；所述多条纵向设置的电极槽对称分布于所述衬底纵向中心线两侧；所述电极槽内镶嵌有不连通的两段信号电极；
9.第二层结构为功能结构层；所述功能结构层沿纵向中心线设有两个对称分布的v形流道；所述两个对称分布的v形流道，开口相对设置，且位于所述不连通的两段信号电极上方；所述两个对称分布的v形流道中心位置为金属液滴限位孔，所述金属液滴限位孔内具有液态金属；
10.第三层结构为限位盖板；所述限位盖板下表面设有空气回流通道，所述空气回流通道的部分区域与所述v形流道相通；
11.所述衬底、功能结构层和限位盖板上分别具有上下对应的固定螺栓孔，通过螺栓实现固定。
12.进一步地，所述多条纵向设置的电极槽包括三部分；
13.第一部分和第三部分具有多条相同数量的电极槽，且分别位于所述衬底纵向中心线两侧；第二部分为一条电极槽，且与所述衬底纵向中心线重合；
14.所述第一部分和第三部分电极槽内部的信号电极称为脉冲电极；所述第二部分电
极槽内部的信号电极称为静止电极。
15.进一步地，所述信号电极厚度为5
‑
50微米，宽度为1
‑
200微米。
16.进一步地，所述信号电极材料为镍、铜或者镍铜合金。
17.进一步地，所述金属液滴限位孔为圆形或者方形。
18.进一步地，所述液态金属为镓、镓铟合金或钠钾合金。
19.进一步地，所述衬底与所述功能结构层之间、所述功能结构层与所述限位盖板之间均采用低温压封方式相互粘合。
20.进一步地，所述衬底、功能结构层和/或限位盖板采用以下任意一种绝缘材料：聚甲基丙烯酸甲酯、硅或树脂。
21.本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
22.本发明实施例提供的一种基于液态金属的数字加速度计，自下而上包括三层结构：第一层结构为衬底；衬底具有多条纵向设置的电极槽；多条纵向设置的电极槽对称分布于衬底纵向中心线两侧；电极槽内镶嵌有不连通的两段信号电极。第二层结构为功能结构层；功能结构层沿纵向中心线设有两个对称分布的v形流道；两个对称分布的v形流道，开口相对设置，且位于不连通的两段信号电极上方；两个对称分布的v形流道中心位置为金属液滴限位孔，金属液滴限位孔内具有液态金属。第三层结构为限位盖板；限位盖板下表面设有空气回流通道，空气回流通道的部分区域与v形流道相通。衬底、功能结构层和限位盖板上分别具有上下对应的固定螺栓孔，通过螺栓实现固定。本基于液态金属的数字加速度计输出的结果更直接，更容易处理，抗干扰能力也更强，直接输出的数字信号省略了复杂的信号处理过程，信号不失真，线性度好，集成度高，抗干扰能力强。有望取代现有加速度计，推动更多领域的发展。
23.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
24.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
25.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
26.图1为本发明实施例提供的基于液态金属的数字加速度计整体结构示意图；
27.图2为本发明实施例提供的衬底结构示意图；
28.图3为本发明实施例提供的功能结构层结构示意图；
29.图4为本发明实施例提供的功能结构层阀口和弓背结构示意图；
30.图5为本发明实施例提供的限位盖板结构示意图；
31.图6为本发明实施例提供的液态金属外围电路图；
32.图7为本发明实施例提供的液态金属静止时电路图；
33.图8为本发明实施例提供的液态金属受力时电路图。
34.附图中：1
‑
衬底；2
‑
信号电极；3
‑
功能结构层；4
‑
v形流道；5
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金属液滴限位孔；6
‑
限位盖板；7
‑
空气回流通道；8
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固定螺栓孔；9
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阀口；10
‑
弓背结构。
具体实施方式
35.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
36.本发明实施例提供一种基于液态金属的数字加速度计，参照图1所示，自下而上包括三层结构：第一层结构为衬底1、第二层结构为功能结构层3、第三层结构为限位盖板6。第一层衬底1结构位于最底端，其上设有多对信号电极2，且均断开，通过液态金属的拉伸变形构成导通连接。第二层功能结构层3位于中间层，其上设有两个v形流道4，用于放置液态金属。第三层限位盖板6结构位于最顶层，其上设有空气回流通道7，可以有效减少液态金属流动时的阻力。使用液态金属作为敏感元件设计加速度计，通过液态金属产生的相应惯性力，使其拉伸变形，进而导致所导通的信号电极2对发生变化，实现了将加速度转换为数字信号输出，进而直观、快捷的表征出加速度的大小。
37.具体地，参照图2所示，第一层结构为衬底1，在衬底1上具有多条纵向设置的电极槽，且对称分布于衬底1纵向中心线两侧。上述电极槽由三部分构成。第一部分和第三部分均具有多条电极槽，位于衬底1纵向中心线两侧，任意相邻两条电极槽之间的距离为5微米到5毫米之间。第二部分为一条电极槽，与衬底1纵向中心线重合。
38.可选地，本实施例对第一部分和第三部分电极槽的数量不作限定，可以为5
‑
100条，本实施例对其不作限定。例如，本实施例中，采用第一部分和第三部分电极槽数量分别为9。
39.进一步地，电极槽内均镶嵌有不连通的两段信号电极2，两段信号电极2间隔距离为5微米到5毫米之间，电极厚度与衬底1表面齐平。第一部分和第三部分电极槽内部镶嵌的信号电极2称为脉冲电极，对称分布于衬底1纵向中心线两侧，与纵向中心线间隔预设距离，该预设距离与金属液滴限位孔5的半径相等。
40.可选地，参照图1和图2所示，在本实施例中，采用电极槽数量为9，进而对称分布于衬底1纵向中心线左边的脉冲电极，构成脉冲电极对x1x1＂、x2x2＂、x3x3＂、x4x4＂、x5x5＂、x6x6＂、x7x7＂、x8x8＂和x9x9＂；对称分布于衬底1纵向中心线右边的脉冲电极，构成脉冲电极对y1y1＂、y2y2＂、y3y3＂、y4y4＂、y5y5＂、y6y6＂、y7y7＂、y8y8＂和y9y9＂。第二部分电极槽内部镶嵌的信号电极2称为静止电极(构成电极对ab)，与衬底1纵向中心线重合。
41.进一步地，沿衬底1纵向中心线对称分布的两段脉冲电极对，从衬底1纵向中心线由进及远x1(y1)到x9(y9)的顺序排列，金属液滴的拉伸变形长度随着惯性力的大小而改变，加速度越大，惯性力越大，金属液滴被拉的越长，从静止电极对ab到偏离中心位置越远的电极对导通，所导通的信号电极2级数越高，所测得的加速度越大，实现了对加速度大小的测量；进而再根据所导通的脉冲电极对位于衬底1纵向中心线的左右位置(即表示x或者y)，实现对加速度方向的测量。
42.具体地，在衬底1上，预先使用微加工方法刻蚀有电极排布位置，然后通过表面微加工技术电镀信号电极2。信号电极2材料为镍、铜或者镍铜合金，厚度为5
‑
50微米，宽度为1
‑
200微米。
43.进一步地，上述衬底1上还设有固定螺栓孔8，用以和其他两层(功能结构层3和限
位盖板6)通过螺栓实现定位和固定。
44.参照图3所示，第二层结构为功能结构层3。沿功能结构层3纵向中心线设有两个对称分布的v形流道4。两个对称分布的v形流道4中心位置为金属液滴限位孔5，内部具有液态金属。
45.具体地，参照图1和图3所示，两个对称分布的v形流道4，开口相对设置，且位于衬底1设有的不连通的两段信号电极2上方，两段信号电极2分别沿纵向中心线对称伸出v形流道4预设长度，与金属液滴限位孔5内的液态金属接触。两个对称分布的v形流道4，为用于加速度控制的功能结构，收缩段的v形壁面结构设置，使得离v形流道4中心位置的距离越远，槽体越窄，驱动液态金属流动的加速度越大，进而实现加速度由小到大的测量。
46.进一步地，金属液滴限位孔5具有阀口9和弓背结构10。参照图4所示，阀口9位于v形流道4开口和金属液滴限位孔5交界处，具有四个。弓背结构10为位于金属液滴限位孔5上，分别连接两个沿功能结构层3纵向中心线对称分布的阀口9，具有两个。四个阀口9和两个弓背结构10构成金属液滴限位孔5。
47.金属液滴限位孔5能有效约束金属液滴的位移，阀口9和弓背结构10的设置，实现了当液态金属加速度荷载消失后，被拉伸的液态金属在阀口9和弓背结构10的拉力，以及液态金属本身的表面张力作用下能够恢复到初始状态，使液态金属始终在没有加速度时静止于金属液滴限位孔5内。巧妙地设计使液态金属能在静止时始终固定在槽体的中心位置，并当存在加速度作用时，从金属液滴限位孔5内拉长变形，导通信号电极2，输出数字信号。
48.可选地，金属液滴限位孔5可以为圆形或者方形，本实施例对其不作限定。可以通过改变v形流道4结构长度和开合角度的大小调控数字加速度计的加速度测量阈值，且阈值精度小于0.5g。
49.可选地，使用机械加工方法制备v形流道4。上述液态金属为镓、镓铟合金或钠钾合金。上述液态金属液滴很小，约为纳米量级。由于微尺度效应，表面张力要比惯性力高几个数量级，占据主导地位。液态金属表面张力大，使液滴黏附在与其接触的表面，在振动等物理扰动下具有较大的稳定性。
50.进一步地，上述功能结构层3上还设有固定螺栓孔8，用以和其他两层(衬底1和限位盖板6)通过螺栓实现定位和固定。
51.参照图5所示，第三层结构为限位盖板6，限位盖板6下表面设有空气回流通道7。该空气回流通道7的部分区域与v形流道4相通。空气回流通道7的设置使液态金属在v形流道4内流动时，被挤压的空气和湿润液态金属在空气回流通道7内循环流动，可以有效减少液态金属流动时的阻力。
52.进一步地，上述限位盖板6上还设有固定螺栓孔8，用以和其他两层(衬底1和功能结构层3)通过螺栓实现定位和固定。
53.具体地，衬底1、功能结构层3和限位盖板6上每层设有的固定螺栓孔8，均上下一一对应，固定螺栓孔8有两个作用：一方面用于三层结构的位置定位对齐；另一方面用于作为固定螺栓孔8，固定螺栓，进一步加固加速度计的整体结构。
54.可选地，衬底1、功能结构层3和/或限位盖板6采用以下任意一种材料：聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、硅或树脂等其他绝缘材料，本实施例对其不作限定，只要该材料具备绝缘、表面粗糙度低和易加工等特点即可。
55.工作原理：没有加速度作用时，液态金属在金属液滴限位孔5内固定不动，静止电极对ab导通，输出长脉冲，显示加速度为0。当存在加速度作用时，液态金属受到v形流道4方向的正向或反向加速度冲击，由于惯性力作用，液态金属在金属液滴限位孔5内向与加速度方向相反的方向拉伸变形，使得脉冲电极对x1x1＂、x2x2＂、x3x3＂、x4x4＂、x5x5＂、x6x6＂、x7x7＂、x8x8＂、x9x9＂、y1y1＂、y2y2＂、y3y3＂、y4y4＂、y5y5＂、y6y6＂、y7y7＂、y8y8＂或y9y9＂导通，根据所导通的脉冲电极对所处位置，输出独立的开关型脉冲信号，该信号直接代表数值1和0。加速度荷载卸载后，液态金属在阀口9和弓背结构10的作用下恢复到初始状态，在金属液滴限位孔5内固定不动，脉冲电极对断开，静止电极对ab导通，输出长脉冲，显示加速度为0。
56.本实施例中，利用导电性好、易流动的液态金属作为数字加速度计的感知元件和动作元件，并且配合收缩段的v形壁面结构、金属液滴限位孔5和两段信号电极2的设置，最终直接数字化输出加速度值大小，无需进一步信号处理。直接输出的数字信号，在传输过程中不仅具有较高的抗干扰性，还可以通过压缩，占用较少的带宽，实现在相同的带宽内传输更多、更高音频、视频等数字信号的效果。
57.使用无毒的新型材料液态金属作为敏感材料设计数字加速度计，液态金属性能与汞类似，但其熔点比汞高，沸点高，高温环境下仍能保持原有形态，能够保证实现高精度的测量。相较传统加速度计有低成本、低功耗的优势。液态金属易变形，在v形流道4中与信号电极2紧密接触，液
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固接触面积比固
‑
固接触面积要大，因此更加紧密，且液态金属导电性强，使用液态金属导通电极可以获得低的接触电阻。使用液态金属作为惯性加速度计的质量块和导通电极介质，具有低的表面磨损和接触退化；固
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液接触不受磨损和接触退化的影响，使得液态金属加速度计具有长期的稳定性和可靠性。本实施例提供的基于液态金属的数字加速度计，具有微型化、成本低、功耗低、高分辨率、低噪声、高稳定性以及高抗冲击能力，响应时间小于1ms，阈值精度小于0.5g。
58.具体地，本实施例提供的液态金属数字加速度计的制备方法，为基于微尺度加工技术将三层结构相互固定连接。将衬底1和功能结构层3使用低温压力粘合后，在功能结构层3上的v形流道4使用微量控制器注入液态金属，最后在惰性气体的环境中使用低温压封将限位盖板6固定，得到数字加速度计。通过真空封装可以大大提高加速度计的精确度和灵敏度。
59.可选地，本实施例中，衬底1、功能结构层3和/或限位盖板6采用以下任意一种材料：聚甲基丙烯酸甲酯、硅或树脂，本实施例对其不作限定。
60.进一步地，当存在加速度信号输入时，加速度计的质量块液态金属会出现相应的惯性力，拉伸变形，信号电极2导通，输出开关型脉冲信号，直接将加速度信号输出为数字信号。随着加速度的增大，液态金属所导通的信号电极2距离v形流道4中心位置越远，从而所产生的回路信号也距离v形流道4中心位置越远，进而得出所测量的加速度越大。从而表征出加速度的大小。
61.参照图6、图7和图8所示，液态金属静止时，固定在v形流道4中心位置的金属液滴限位孔5内，此时电极槽内的两段电极并未导通。当外界产生加速度变化时，液态金属受惯性力作用从金属液滴限位孔5内拉伸变长，每拉伸微小距离就会产生一定大小的加速度，加速度越大运动拉伸距离就越远，从而使得离中心位置越远的信号电极对导通，并随着拉伸距离的改变，所导通的外围电路的电阻阻值发生改变。此时拉伸的液态金属导通电极槽内
的两段信号电极，外围电路产生回路信号，直接输出脉冲信号，进而直观快捷的表征出加速度的大小。
62.具体地，参照图6所示，每一对信号电极均与外围电路形成一个完整的闭合回路，闭合回路中连接有一定大小的电阻，在电阻的两端引出信号输出端，当信号电极被液态金属导通时，闭合回路导通，信号输出端输出高电平。当信号电极断开时，信号输出端输出电平为0，输出低电平。从而实现信号电极导通和断开的瞬间外围电路直接输出脉冲信号。
63.本实施例提供的基于液态金属的数字加速度计可以广泛应用于汽车和航空领域，同时也可以广泛应用于受欢迎的消费电子产品，包括智能手机、游戏机、个人媒体播放器、辅助导航系统和摄像机稳定系统、可穿戴设备、运动计数、倾倒开关、汽车碰撞开关、惯性导航、娱乐性电子的虚拟现实和it附件等需要检测惯性的领域，本实施例对其不作限定。
64.例如，作为可穿戴设备作用于人体，人体在运动过程中，身体各部位会随着运动产生相应的加速度信号，将加速度计穿戴在人体不同部位，比如手腕、脚踝等，可以实时获取人体在运动过程中不同部位产生的加速度信号，经过分析和处理，从而实现对人体运动姿势的捕捉，进而可以根据人体运动时产生的加速度变化情况分析人的健康状况。
65.本实施例提供的基于液态金属的数字加速度计，由数字电路提取信号和输出，实现加速度到电信号的转变，并且其本身拥有非常优越的阻尼性能和较好的线性度，能够实时反映加速度的大小，其响应时间小于1ms，能更直观的表征出加速度的大小，输出的结果更直接，更易于处理，其还拥有较好的阈值区分度，并可以调整该阈值，有着传统加速度计所不能比拟的优越性能。相对于与传统加速度计，该加速度计直接输出数字信号，省却了数模转换的复杂过程，测量结果直观精确，实验测试结果标定为多少其就显示为多少，信号不失真，线性度好，集成度高，能够实现较高精度的测量，可以适应军事装备发展的需求，故其在军事方面也有很大的推广前景。经研究，该数字加速度计未来的发展方向还可以作为全方位的角度测量工具。
66.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。