以水银为介质的微加速度开关理论分析

论文摘要

MEMS系统的飞速发展让人们对微尺度领域的研究产生了极大的兴趣。微电子机械系统（Micro Electronic Mechanical System）采用与集成电路技术兼容的加工技术可以制造出尺寸达到微米甚至纳米级的机械。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分析研究。在理论上说明了水银加速度开关的原理、对相关的学科理论也有一定的阐述,诸如表面张力,固液表面的接触理论,固液接触角的测量方法等。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。该微流体系统受粘性力、惯性力、表面张力等共同作用,靠惯性力使微流体运动,产生位移,接通开关。在公式推导一章中,提出了利用表面张力原理构架起来的静力学方程,并依据Navier- Stokes公式推导了微通道中间流的运动方程,探讨了新型开关的制备工艺和材料,最后给出了全文总结,提出了下一步研究的建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 微开关的发展
• 1.3 完成的工作
• 第二章 水银加速度开关原理
• 2.1 引言
• 2.2 水银加速度开关原理
• 2.2.1 结构组成
• 2.2.2 工作原理
• 2.3 可行性分析
• 2.4 微尺度效应对微流体的影响
• 第三章 理论基础
• 3.1 流体力学基本知识
• 3.1.1 流体的性质
• 3.1.2 流体上的作用力
• 3.1.3 表面张力成因
• 3.1.4 接触角
• 3.1.5 表面张力系数
• 3.2 表面张力系数的测量方法
• 3.2.1 毛细上升法
• 3.2.2 最大气泡压力法
• 3.2.3 吊环法
• 3.2.4 滴重法
• 3.2.5 表面波法
• 3.3 接触角的测量
• 3.3.1 躺滴和悬泡接触角直接测量法
• 3.3.2 WiIhelmy吊片法
• 3.3.3 竖板毛细升高法
• 3.3.4 液滴外形分析法
• 3.4 YONG和LAPLACE公式
• 3.4.1 毛细现象
• 3.4.2 附加压强的产生
• 3.4.3 毛细现象基本公式
• 3.5 流体力学基本公式
• 3.5.1 重力场中不可压缩性流体的平衡
• 3.5.2 连续性方程
• 3.5.3 不可压缩、粘性流体的Navier-Stokes方程
• 第四章 基于流体力学的基本公式推导
• 4.1 静力学公式
• 4.1.1 静力学模型
• 4.1.2 水银微通道内的静力学方程
• 4.2 微通道内的运动学分析
• 4.2.1 水银通道内运动方程建模
• 4.2.2 水银微通道内运动方程推导
• 4.3 管道的压力损失分析
• 4.3.1 圆管中的压力损失分析
• 4.3.2 流体受到瞬间加速度后的增压
• 4.3.3 变截面管中的附加压力分析
• 第五章 材料和工艺
• 5.1 微加工工艺简介
• 5.1.1 LIGA技术
• 5.1.2 准LIGA技术
• 5.1.3 硅基微机械加工技术
• 5.2 沉积薄膜材料的简介
• 5.3 本文拟采用的工艺和材料
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献