电润湿修调惯性微流体导电开关的仿真与优化

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针对传统“固-固”型微机械开关存在信号跳变、触点易磨损、接触电阻大等缺点,设计了一种利用水银微液滴在变矩形截面微通道中流动来实现通断的惯性微流体导电开关。通过改变惯性开关的结构参数尺寸,可设计不同的阈值加速度。另外,基于电润湿原理,能实现惯性开关的后工艺阈值修调。  根据惯性开关的结构组成和工作原理,基于Young-Laplace方程建立了惯性开关在断开-闭合临界状态下的准静态阈值解析模型。分别根据Bracke、Jiang和Seebergh动态接触角模型以及介质上电润湿原理编写用户自定义函数UDF,并采用CFD仿真软件,基于VOF-CSF多相流数值计算方法,讨论了动态接触角、外加电压、介质层厚度、水银微液滴体积以及外界温度变化对开关阈值特性和响应时间的影响,并模拟了加速度作用下水银微液滴在微通道中连续变形的动态过程。  为了降低微机械加工误差对开关性能的影响,给出了对关键结构参数进行优化的稳健设计方法。首先,结合解析分析和数值仿真确定影响开关阈值的微阀口宽度、微通道深度、微通道侧壁扩张角等关键结构参数,并将田口稳健设计方法用于参数的优化设计,利用正交试验设计和信噪比分析得到最优尺寸组合。正交试验涉及3因素6水平,考虑到内表设计具有可控因素少、水平多的特点,对传统的正交试验设计进行了改进:各因素水平按照从小到大的顺序进行分组,再三个一组,通过全面试验获得内表,并利用正交试验设计内表。这种全面试验和正交试验相结合的方式,不仅扩大了参数的搜索范围,而且提高了试验结果的准确性。  最后,采用MEMS微机械加工技术制备开关样件,并在离心转台上对开关的准静态阈值进行测试。另外,采用电润湿技术,通过外加电压改变水银微液滴与固体表面的润湿性,实现惯性开关的后工艺阈值修调。实验测试结果表明了CFD数值仿真的有效性,也验证了电润湿修调开关阈值的可行性。
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