双稳态电磁微机械继电器.pdf

双稳态电磁微机械继电器，它采用将可动电极系统与平面线圈、触点电极系统及磁芯分别制作然后贴装组合的结构。可动电极系统由可动电极、扭梁、触点和边框构成，平面线圈和触点电极系统制作在硅衬底上，磁芯是硅衬底背面的两个腐蚀的硅杯，硅杯面上镀坡莫合金层。可动电极系统通过边框贴装在制作平面线圈和触点电极的硅底衬上，永磁铁紧贴在坡莫合金磁芯的表面上。本继电器克服了全平面工艺的弊端，利用电磁铁来改变可动电极的磁化方向，发生转动，并稳定在闭合或开路状态。一旦在电磁脉冲作用下改变了状态，继电器就可以稳定在这一状态，直到下一个电磁脉冲来改变其状态。因此，开路或闭合状态都不需要持续的供电来维持。

1、  双稳态电磁微机械继电器，它包括有可动电极系统、平面线圈、触点电极系统及磁芯，其特征在于：可动电极系统与平面线圈、触点电极系统及磁芯采用分别制作然后贴装组合的结构；可动电极系统由可动电极、扭梁、触点和边框构成，可动电极通过中部两侧的扭梁支撑在边框上，可动电极两端有与平面线圈相对应的触点，可动电极、扭梁和触点具有相同的厚度，边框的厚度比可动电极略厚，其厚度差构成可动电极与平面线圈之间的间隙，整个可动电极系统由硅材料上涂敷一层坡莫合金构成；平面线圈和触点电极系统制作在硅衬底上，它们由两个平面线圈和两对接触电极及线圈引出电极构成，平面线圈由多层线圈和绝缘层组成；磁芯是在硅衬底的背面，正对平面线圈的地方有两个腐蚀的硅杯，并在腐蚀硅杯的这一面上镀有坡莫合金层，构成坡莫合金磁芯；可动电极系统通过边框粘接贴装在制作平面线圈和触点电极的硅底衬上，平板型的永磁铁紧贴在坡莫合金磁芯的表面上。

双稳态电磁微机械继电器
技术领域
本发明涉及一种利用电磁力进行驱动的基于微电子机械系统(MEMS)技术的继电器，具体是一种双稳态电磁微机械继电器。
技术背景
微小型继电器作为一种基本的机电元件在电源管理、仪器仪表、自动控制和通讯系统中有着广泛的应用。常规的继电器分为两大类：机电继电器(ElectromechanicalRelays)和固态继电器(Solid-State Relays)。机电继电器是基于金属电极的吸合与断开。这种继电器有着近乎完美的电学性能，即闭合阻抗小(小于1欧姆)、导通电流大、开路阻抗大、漏电电流小，但由于是机械接触，其响应速度较慢，工作寿命也较短。固态继电器是基于光电晶体管和发光二极管(LED)的耦合。这种继电器有着与机电继电器相比拟的绝缘性能，能提供1500V的抗压强度。但固态继电器在插入损耗(约数欧姆至数十欧姆)和负载电流两项指标上远逊于机电继电器。因此，固态继电器主要应用于要求可靠性极高或要求微型化的场合。此外，固态继电器的价格大约是机电继电器价格的三倍以上。因此性能和价格在机电继电器和固态继电器之间的继电器，特别是性能与机电继电器相当的微型化继电器，有很大的市场需求。这就使得不少的研究人员将目光投向代表微型化和集成化方向的微电子机械系统(MEMS)技术。
比较典型的MEMS继电器大致有三种：静电驱动型、电热驱动型和电磁驱动型。静电型MEMS继电器是通过静电吸引使两块电极板闭合，其结构相对简单，体积也最小。但由于静电力有作用距离短、力量小等固有缺点，静电型MEMS继电器的驱动电压较大(一般为几十伏到上百伏)，电极板的接触力较小且电极的分开距离有限，这就使其负载电流和抗压能力不能做到很大。电热驱动型继电器是用电加热驱动器来驱动开关电极的打开与闭合。电热驱动可以克服静电力作用距离短、力量小等缺点，但其响应时间较长，且要考虑芯片的散热问题。电磁型MEMS继电器利用电磁力来进行开关动作，这种继电器的驱动电压很低，一般在12V以下，因此可以采用金属氧化物半导体(MOS)电路的驱动电源来驱动。由于电磁力的作用距离较大，电极之间的间隙可以做得很大，因而抗击穿电压较高。不过，一般的电磁型MEMS继电器不具有锁定功能，因而其闭合或开路状态必须通过持续的供电来驱动，是一种单稳态的继电器。单稳态继电器不仅消耗的能量较大，而且一旦断电就不能维持其开(或关)的状态。上海交通大学申请了一个专利“双稳态电磁型微驱动器及其制备方法”，该专利是在平面线圈的基础上，采用LIGA工艺制作可动电极，由于受牺牲层厚度的限制，可动电极与触点电极的间隙高度将不超过10μm，因而其断路阻抗和抗击穿电压受到很大限制(现有的微小继电器的电极间隙高达400μm以上)。此外，该驱动器的五层金属结构皆需采用平面工艺制作在硅基片上，技术难度很大，成本也很高。
发明内容
针对现有MEMS继电器存在的不足，本发明提出了一种基于MEMS技术的微型继电器——双稳态电磁微机械继电器。这种继电器的可动电极和平面线圈及永磁铁是组装在一起的，制造成本较低。该继电器利用电磁铁来改变一个可动电极板的磁化方向，从而使其在磁力的作用下发生转动，并稳定在使继电器处于闭合或开路的状态。一旦继电器在电磁脉冲的作用下改变了状态，继电器就可以稳定在这一状态，直到下一个电磁脉冲来改变其状态。因此，继电器的开路或闭合状态都不需要持续的供电来维持。
本发明的技术方案如下：
双稳态电磁微机械继电器，它包括有可动电极系统、平面线圈和触点电极系统、坡莫合金磁芯及永磁铁。可动电极系统与平面线圈、触点电极系统及磁芯采用分别制作然后贴装组合的形式。其中，可动电极系统由可动电极、扭梁、触点和边框构成，可动电极中部通过扭梁支撑在边框上，可动电极两端有与平面线圈相对应的触点，可动电极、扭梁和触点具有相同的厚度，边框的厚度比可动电极略厚，其厚度差构成可动电极与平面线圈之间的间隙，整个可动电极系统由硅材料上涂敷一层坡莫合金构成。平面线圈和触点电极系统制作在硅衬底上，它们由两个平面线圈和两对接触电极及线圈引出电极构成，平面线圈由多层线圈和绝缘层组成，在硅衬底的背面，正对平面线圈的地方有两个腐蚀的硅杯，并在腐蚀硅杯的这一面上镀有坡莫合金层，以构成坡莫合金磁芯。可动电极系统通过边框粘接在制作平面线圈和触点电极的硅底衬上。平板型的永磁铁紧贴在坡莫合金磁芯的表面上。
双稳态电磁微机械继电器的工作原理如图4所示。继电器的初始状态如图4(a)所示，可动电极被磁化，左端被永磁铁的磁场所吸引，使可动电极左端上的触点与硅基底上的接触电极接触。在线圈中通以电流，则线圈中产生电磁场，该磁场使可动电极的磁化发生改变，磁场方向变为与原来相反，如图4(b)所示。此时若去除电流，则在永磁铁的磁场的作用下，可动电极将向右偏转，最终使可动电极右端上的触点与硅基底上的接触电极接触，并稳定下来，如图4(c)所示。
由此可见，在平面线圈中施加一定地电流，可以改变可动电极的磁化状态，使可动电极在磁力的作用下发生转动，并稳定在使继电器处于闭合或开路的状态。一旦继电器在电磁脉冲的作用下改变了状态，继电器就可以稳定在这一状态，直到下一个电磁脉冲来改变其状态。因此，继电器的开路或闭合状态都不需要持续的供电来维持。因此，该双稳态MEMS电磁继电器具有导通阻抗小、断路阻抗大、驱动电压低等优点。
这种继电器结构形式决定了可动电极和平面线圈及永磁铁是分别制作，再组装到一起的结构，这就克服了全平面工艺结构的弊端，使其更容易制作，降低成本。
附图说明
图1是双稳态电磁微机械继电器的结构示意图；
图2是平面线圈的结构图；
图3是可动电极系统的结构图；
图4(a)、图4(b)、图4(c)是双稳态电磁微机械继电器的工作原理；
具体实施方式
双稳态电磁微机械继电器的结构如图1所示，它由可动电极系统、平面线圈和触点电极系统、坡莫合金磁芯及永磁铁构成。
可动电极系统的结构如图3所示，它由可动电极2、扭梁1、触点13和边框4构成，可动电极2通过中部两侧的扭梁1支撑在边框4上，可动电极2两端有与平面线圈相对应的触点13，可动电极2、扭梁1和触点13具有相同的厚度，边框4的厚度比可动电极2略厚，其厚度差将构成可动电极2与平面线圈3之间的间隙。整个可动电极系统由硅材料上涂敷一层坡莫合金构成，它通过边框4由粘接剂5粘接在制作平面线圈和触点电极的硅底衬7上。可动电极的制备可用常规的微机械加工工艺制备。
参见图2，平面线圈3和触点电极系统制作在硅衬底7上，它由两个平面线圈4和两对接触电极11及线圈引出电极12构成，平面线圈4由多层线圈和绝缘层组成。结合图1，在硅衬底7的背面，正对平面线圈4的地方有两个腐蚀的硅杯8，在腐蚀硅杯8的这一面上镀有坡莫合金层9，以构成磁芯。平面线圈和触点电极系统也可用常规的微机械加工工艺制备。
参见图1，当可动电极2和平面线圈4分别制作完成后，将两者对准并通过粘接剂5贴装在一起。然后，将平板型的永磁铁10贴装在坡莫合金磁芯的表面上，即构成一完整的继电器。