微流體慣性開(kāi)關(guān)用液態(tài)金屬的精密操控與封裝*

劉 瑞,商二威,謝 晉,劉 禹,熊 壯,唐 彬

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122； 2.中國(guó)工程物理研究院 電子工程研究所,四川 綿陽(yáng) 621900)

0 引 言

微流體慣性開(kāi)關(guān)作為一種優(yōu)異的加速度傳感器和執(zhí)行器,具有集成度高、體積小、低功耗甚至無(wú)功耗等優(yōu)勢(shì)[1,2],其原型系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航空航天、安全氣囊、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域[3]。其主要工作原理是,當(dāng)基底液滴槽內(nèi)的導(dǎo)電液滴所受慣性力(或加速度)達(dá)到閥門預(yù)設(shè)值,導(dǎo)電液滴在基底微通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)至覆蓋兩固定電極,形成閉環(huán)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。

常見(jiàn)的微流體慣性開(kāi)關(guān)主要采用具有較高表面張力和導(dǎo)電性能的水銀作為金屬導(dǎo)電液。然而,汞在常溫下即可蒸發(fā),容易通過(guò)呼吸吸入人體造成慢性中毒,且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。為改善這一情況,Shen T等人首次提出采用鎵銦合金作為自動(dòng)恢復(fù)慣性開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電液滴[4]。劉軍山等人提出在鎵基液滴外包覆石墨烯,可以避免鎵基合金氧化層的粘附[5]。在這些基礎(chǔ)上,本文選擇了環(huán)保無(wú)毒的鎵銦錫合金作為微流體慣性開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電液,探究相關(guān)液滴的工藝過(guò)程。

微流體慣性開(kāi)關(guān)常采用微通道加工、電極沉淀、液態(tài)金屬攝入與密封的制作流程,其中導(dǎo)電液滴攝入體積會(huì)影響開(kāi)關(guān)閾值[6]。劉婷婷通過(guò)特定計(jì)算得出,液滴體積變化±20 %時(shí),閾值波動(dòng)11.79 %和-8.76 %,并采用基底變截面的設(shè)計(jì),預(yù)留微通道空間用于液滴體積的修調(diào)[7]。由于液態(tài)金屬具有很好的內(nèi)聚力,常采用薄片切割的方法控制水銀液滴的大小[8],但此方法不適合量產(chǎn)且存在一定誤差。本文致力于解決液態(tài)金屬微量攝入不穩(wěn)定這一問(wèn)題,通過(guò)氣動(dòng)式撞針閥進(jìn)行液態(tài)金屬的攝入,并采用直書寫3D打印的方法涂覆紫外(UV)光固化膠粘結(jié)蓋板,實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的精密操控與微流體慣性開(kāi)關(guān)的封裝。

1 閾值分析與閾值影響因素

1.1 微流體慣性開(kāi)關(guān)液態(tài)金屬

鎵銦錫合金無(wú)毒且性能優(yōu)異,在多種領(lǐng)域中被視為汞的替代品。本文采用鎵銦錫作為金屬導(dǎo)電液,用于兩個(gè)固定電極的連通。然而,鎵在空氣中易氧化,當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1×10-6時(shí),液滴表面會(huì)形成氧化鎵薄膜[9]。氧化膜改變了液滴的表面形態(tài)、導(dǎo)電性能、表面張力及黏附性等,流動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)粘滯現(xiàn)象[10],直接影響開(kāi)關(guān)的閾值與響應(yīng)穩(wěn)定,所以本文涉及鎵銦錫的試驗(yàn)均在低氧環(huán)境中進(jìn)行。

對(duì)于已經(jīng)形成的氧化膜,可以利用稀鹽酸清洗有效去除。氧化物與鹽酸生成氯化物和水,而氯化物中氯化銦(InCl3)提供了最大的吉布斯自由能還原,導(dǎo)致氯化鎵被銦原子還原,InCl3在表面占主導(dǎo)地位[11],液滴恢復(fù)流動(dòng)性能。

1.2 微流體慣性開(kāi)關(guān)基底與蓋板

本文采用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)作為微流體慣性開(kāi)關(guān)的基底與蓋板,利用非溶劑誘導(dǎo)相分離的原理,制備具有高疏液性能的PMMA-SiO2表面涂層,將鎵銦錫液滴的接觸角從135°提升至158.8°。

1.3 微流體慣性開(kāi)關(guān)的閾值分析

基于藺怡等人在微通道內(nèi)液滴流動(dòng)性能方面的研究結(jié)果,通過(guò)對(duì)金屬液滴通過(guò)閥門時(shí)臨界狀態(tài)的毛細(xì)管力分析,建立Young-Laplace方程得到金屬液滴通過(guò)閥門所需的加速度閾值[12]

(1)

式中V1=2VW1/(W1+W2),θ1=min{θA+β2,180°}；ρ,γ,C分別為液態(tài)金屬密度、表面張力系數(shù)、表面粗糙度系數(shù)；θA/R分別為液滴與壁面的前進(jìn)/后退接觸角。由計(jì)算公式可知,閥門寬度W1,微流道深度h,微通道的擴(kuò)張角β均會(huì)影響閾值大??；除此之外,金屬液滴的體積V不僅會(huì)對(duì)閾值產(chǎn)生影響,也是造成設(shè)計(jì)值與實(shí)際值誤差的主要因素。

根據(jù)表1的參數(shù)，通過(guò)式(1)計(jì)算得到解析計(jì)算閾值為27.35 g,為實(shí)現(xiàn)液滴體積偏差對(duì)于閾值的誤差影響小于1 %,需保證金屬液滴攝入范圍為0.096 7～0.104 5 μL,即液滴目標(biāo)攝入體積約為0.1 μL×(1±3.9 %)。

表1 微流體慣性開(kāi)關(guān)參數(shù)

2 微流體慣性開(kāi)關(guān)封裝工藝設(shè)計(jì)

為抑制鎵銦錫合金的氧化,搭建無(wú)氧試驗(yàn)環(huán)境,將0.5 mol/L[13]稀鹽酸浸泡清洗后的鎵銦錫合金在水氧濃度均小于0.1×10-6的氬氣手套箱內(nèi)進(jìn)行攝入和密封。

2.1 液態(tài)金屬操控

在微流體慣性開(kāi)關(guān)的研制中,穩(wěn)定且精準(zhǔn)地?cái)z入液態(tài)金屬一直是試驗(yàn)的難點(diǎn)與重點(diǎn),本文在手套箱內(nèi)搭建撞針閥系統(tǒng),此設(shè)備為氣動(dòng)式可調(diào)節(jié)的模塊化膠閥,可將微量液態(tài)金屬精密噴射至基底。撞針閥能夠提供良好的控制以及較小殘余量,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)液滴精確且穩(wěn)定的攝入。

當(dāng)具有一定輸入氣壓時(shí),撞針閥活塞和撞針將從位于專用針頭內(nèi)的底座抬起,以使液態(tài)金屬通過(guò)針頭流出。完成周期后,氣壓耗盡,活塞彈簧會(huì)使撞針歸位至點(diǎn)膠針頭處,阻斷流體流出(如圖1所示)。液態(tài)金屬攝入量取決于撞針行程、輸入氣壓、開(kāi)閥時(shí)間、點(diǎn)膠針頭尺寸及流體粘度等因素。

圖1 撞針閥系統(tǒng)與撞針閥原理

2.2 液態(tài)金屬封裝

本文設(shè)計(jì)的微流體慣性開(kāi)關(guān)封通過(guò)圖2的封裝工藝流程：a.手套箱外通過(guò)直書寫3D打的印方法涂覆UV固化膠；b.手套箱內(nèi)通過(guò)撞針閥系統(tǒng)進(jìn)行液態(tài)金屬攝入；c.蓋板對(duì)接與d.UV光固密封;e.完成的封裝樣品。

圖2 微流體慣性開(kāi)關(guān)封裝工藝流程

試驗(yàn)采用SEAYU 3108UV膠,相比于手動(dòng)涂膠的方法,直書寫通過(guò)對(duì)打印氣壓、運(yùn)動(dòng)速度、針尖與基底距離等參數(shù)的調(diào)控,實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的線條與合理的涂覆量,避免膠量過(guò)多溢出堵塞流道或過(guò)少滲入空氣,有效地提高密封性能。

直書寫又稱直接墨水書寫(direct ink writing,DIW),作為重要的增材制造技術(shù),在電子微器件、生物醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。其主要系統(tǒng)構(gòu)成包括三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、墨水?dāng)D出噴嘴及具有一定流變性能的打印材料[14],通過(guò)軟件規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑,匹配打印參數(shù),可實(shí)現(xiàn)特定圖案沉積,非常適用于膠體成型。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 液滴攝入試驗(yàn)

采用撞針閥攝取液滴的試驗(yàn)中,常用攝入量小于1 μL,所以選擇最小可讀性為0.01 mg的半微量電子天平進(jìn)行結(jié)果表征。每組數(shù)據(jù)以連續(xù)5個(gè)液滴的體積均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.1.1 單因素變量對(duì)攝入體積的影響

如圖3所示,通過(guò)控制變量試驗(yàn)得出：液滴體積與三個(gè)參數(shù)之間均呈正相關(guān)關(guān)系。這是由于撞針行程越大,抬針后形成的空隙則可補(bǔ)充更多液態(tài)金屬；而輸入氣壓越大導(dǎo)致噴射速度加快；開(kāi)閥時(shí)間越長(zhǎng),氣壓驅(qū)動(dòng)下擠出的液滴量也隨之增大。

圖3 液滴體積與撞針行程、輸入氣壓、開(kāi)閥時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),在手套箱內(nèi)不便調(diào)整撞針閥旋鈕,且存在調(diào)控誤差。所以,試驗(yàn)中選擇固定撞針行程,調(diào)整輸入氣壓與開(kāi)閥時(shí)間,以達(dá)到目標(biāo)攝入量。由圖4可知,通過(guò)調(diào)整兩個(gè)變量可以實(shí)現(xiàn)0.1μL以上液滴的穩(wěn)定攝入。

圖4 液滴體積與輸入氣壓和開(kāi)閥時(shí)間的關(guān)系

3.1.2 攝入體積三因素正交試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)確定攝入體積與各個(gè)參數(shù)的關(guān)系后,在撞針行程0.5～2.5格、輸入氣壓5～7 Pa,開(kāi)閥時(shí)間0.01～0.03 s的參數(shù)范圍內(nèi),設(shè)計(jì)三因素五水平正交試驗(yàn)研究不同參數(shù)對(duì)攝入體積的影響程度。

極差越大,說(shuō)明該變量對(duì)于液滴攝入量的影響越大,根據(jù)圖5正交試驗(yàn)結(jié)果可知,各因素對(duì)液滴攝入體積的影響程度為：開(kāi)閥時(shí)間>輸入氣壓>撞針行程。為了快捷準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)攝入體積,完成參數(shù)修調(diào),根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果采取固定撞針行程,以開(kāi)閥時(shí)間作為粗調(diào),后采用輸入氣壓進(jìn)行微調(diào)。

圖5 正交試驗(yàn)結(jié)果

3.1.3 目標(biāo)液滴體積攝入試驗(yàn)

根據(jù)開(kāi)關(guān)閾值的不同,液態(tài)金屬的體積需求也各不相同,所以通過(guò)修改控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)金屬液滴的精密操控十分重要。對(duì)比文獻(xiàn)中薄片切割獲取液滴的方法,撞針閥系統(tǒng)明顯提高攝入效率和成功率,同時(shí)將穩(wěn)定性能提高約10倍(±30 %提高至±3 %)。試驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)體積0.1 μL金屬液滴的精確攝入,重復(fù)誤差小于±3 %。理論上,此時(shí)液滴體積對(duì)于閾值的誤差影響為-0.89 %～0.71 %。如圖6所示,為二種獲取液滴方法對(duì)比。

圖6 液滴獲取方法對(duì)比

3.2 閾值測(cè)試試驗(yàn)

在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝固定夾具(如圖7所示),設(shè)定轉(zhuǎn)速計(jì)算離心力,用于微流體慣性開(kāi)關(guān)的閾值檢測(cè)。試驗(yàn)中增加離心力,觀測(cè)液滴是否經(jīng)微流道抵達(dá)固定電極,不斷逼近調(diào)整獲得閾值,選擇臨界范圍的中間值作為最終結(jié)果。

圖7 微流體慣性開(kāi)關(guān)測(cè)試平臺(tái)

由檢測(cè)得出,液滴體積在0.101μL×(1±3 %)范圍內(nèi),開(kāi)關(guān)閾值均值為27.61g,波動(dòng)范圍為-0.75 %～0.69 %,滿足1 %的誤差范圍。說(shuō)明液態(tài)金屬的精密操控降低了導(dǎo)電液體積對(duì)于閾值的誤差影響,提高了開(kāi)關(guān)穩(wěn)定性能。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 微流體慣性開(kāi)關(guān)閾值測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文采用鎵銦錫合金作為導(dǎo)電液滴,研究微流體慣性開(kāi)關(guān)的液態(tài)金屬精密操控與封裝工藝。重點(diǎn)優(yōu)化液滴攝入的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性,降低導(dǎo)電液滴體積誤差對(duì)于開(kāi)關(guān)閾值的影響。1)通過(guò)氣動(dòng)式撞針閥將液態(tài)金屬攝入微流道,實(shí)現(xiàn)最小體積為0.1μL液滴的穩(wěn)定攝取,誤差范圍小于±3 %。2)通過(guò)優(yōu)化液態(tài)金屬的操控,實(shí)現(xiàn)鎵銦錫微流體開(kāi)關(guān)閾值誤差范圍小于0.75 %。3)通過(guò)直書寫3D打印的方法實(shí)現(xiàn)了UV膠在引膠凹槽內(nèi)定位定量涂覆,并在手套箱內(nèi)完成了蓋板對(duì)接與UV光固化,實(shí)現(xiàn)了微流體慣性開(kāi)關(guān)的精確封裝。試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)撞針閥系統(tǒng)與直書寫3D打印結(jié)合的方法,可以完成液態(tài)金屬的精密操控與封裝,實(shí)現(xiàn)微流體慣性開(kāi)關(guān)的工藝優(yōu)化,可為后續(xù)研究與自動(dòng)化集成提供參考和技術(shù)支持。