CN100542002C - 永磁双稳态电热微驱动器 - Google Patents

Abstract

一种永磁双稳态电热微驱动器，用于微机电***技术领域。本发明包括：悬臂梁，扭梁，触点，软磁过渡层，永磁体，基体，热驱动机构，引线端口，软磁衬底。以分布于基片上的软磁薄膜为导磁衬底，其上两侧对称制作一对永磁体；软磁性扭梁通过软磁过渡层安置在一对基座之上形成桥式结构；桥的两侧衬底上分别制作一组触点；扭梁中部的两侧双向水平伸展软磁性悬臂梁，悬臂梁两端触点正好处于热驱动机构的上方，热驱动机构安装在基体上，触点闭合后通过引线端口与外电路连接。本发明借助永磁作用力实现稳态热驱动，不但具有一般热微驱动器的优势，驱动电压低而输出力矩大，体积功率密度高稳定可靠，而其双稳态结构可使功耗降低，响应时间显著减少。

Description

永磁双稳态电热微驱动器

技术领域

本发明涉及一种电热微驱动机构，具体是一种永磁双稳态电热微驱动器。用于微机电***技术领域。

背景技术

微驱动器是微机电***(MEMS)的核心，其中基于静电驱动、电磁驱动和热驱动原理的微驱动器是研究开发的重点。静电驱动的MEMS微驱动器结构简单，功耗可以较低。但是保持良好工作特性所需要的静电驱动电压较高，高电压不但造成电源问题，而且有损于使用寿命和稳定性。电磁驱动所需要的驱动电压可以达到很低水平，但其工作特性的尺度效应明显，结构复杂，功耗高而效率低。双稳态设计虽然可以缓解集中发热所造成的散热困难，但是无法从根本上改变小尺寸器件功效低的难题。热机械(电热)驱动是一种适合微尺度运动的驱动机制，驱动电压低而输出力矩大，相同尺度下体积功率密度显著高于静电和电磁驱动，稳定可靠。但是热驱动有两个显著的缺点，功耗较大而响应速度慢。多方研究表明引入双稳态机构有助于改善热驱动的缺陷。

经对现有技术的文献检索发现，Jin Qiul等人在Micro Electro MechanicalSystems，2003.MEMS-03 Kyoto.IEEE The Sixteenth Annual InternationalConference on，19-23 Jan.2003 Pages：64-67(微机电***，IEEE第16届国际年会)发表了“A high-current electrothermal bistable MEMS relay”(最新电热双稳态微机电继电器)一文，该文章提及用两端固定支撑的弯曲梁所构成的双稳态机构实现热驱动开关的稳态保持。它的3A的电流载荷和闭合状态的60mΩ使得它可以与最好的MEMS开关相媲美。这种设计看似简单，但是借助微加工制作的微弯曲梁在没有预置应力的情况下只能在一定条件下实现双稳态功能，并且整体结构复杂，原位制作的弯曲梁易于疲劳损伤导致寿命有限，加工难度颇大，因此并未得到广泛接受。热驱动型微驱动器缺陷可以通过引入双稳态结构加以改善。但目前已有的双稳态结构不尽如人意，影响了热驱动机构整体效能的发挥。稳态设计是热驱动实用化必须首先解决的关键技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种永磁双稳态电热微驱动器，使其借助永磁作用力实现稳态热驱动的集成微驱动器，以充分发挥热驱动原理和集成制造的优势，促进微型热驱动器在开关类微器件中的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：悬臂梁，扭梁，触点，软磁过渡层，永磁体，热驱动机构，引线端口，导磁衬底。以分布于基体上的软磁薄膜为导磁衬底，其上两侧对称制作一对永磁体；软磁性扭梁通过软磁过渡层安置在一对基座之上形成桥式结构；桥的两侧衬底上分别制作一组触点；扭梁中部的两侧双向水平伸展软磁性悬臂梁，悬臂梁两端触点正好处于热驱动机构的上方，热驱动机构安装在基体上，触点闭合后可通过引线端口与外电路连接。其中，永磁体借助导磁衬底与扭梁、悬臂梁和触点共同构成两个并联磁回路，改变引线端口引入的脉冲电流方向可以任意驱使热驱动机构使其中触点之一闭合，靠永磁力实现断电姿态保持，构成双稳态。以悬臂梁驱动导电触点，适当集成接入信号线路便可以构成机械式微开关或者微继电器。

本发明工作时，外界电流通过一侧的引线端口流入微继电器。当电流流经该侧的热驱动机构时，热驱动器受到激发向上翘曲，碰到悬臂梁该端的触点，然后继续翘曲，将悬臂梁该端向上抬。于是，悬臂梁的另外一端下降，直至与它这一侧的导磁衬底和引线端口接触。随即，永磁体，导磁衬底，扭梁，悬臂梁构成的该侧的磁回路闭合。引线端口的与悬臂梁的接触即闭合了与之相连的外电路。而当磁回路闭合后，电流即可停止输入，原翘曲的热驱动器自然冷却而恢复原貌。磁回路靠永磁力实现断电姿态保持，这是本发明的一个稳态。当在另一侧引线端口输入电流，该侧热驱动机构将驱动下沉的悬臂梁的端点离开原来位置，触点和底部脱离接触，悬臂梁会向另一个方向倾斜，并同样形成另一个对称的无功耗稳态。悬臂梁的端部在稳态之间实现切换的过程中同时完成了位移，于是就构成了本发明的双稳态热驱动器。

本发明借助永磁作用力实现稳态热驱动，充分发挥了热驱动原理和集成制造的优势，不但具有一般热微驱动器的优势，驱动电压低而输出力矩大，体积功率密度高稳定可靠，而其双稳态结构可使功耗降低，响应时间显著减少。故而，本永磁双稳态电热微驱动器可以促进微型热驱动器在开关类微器件中的应用，使得开关的微型化水平得到提升。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是热驱动机构的立体结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：悬臂梁1，扭梁2，触点3，软磁过渡层4，永磁体5，基体6，热驱动机构7，引线端口8，导磁衬底9。以分布于基体6上的软磁薄膜为导磁衬底9，其上两侧对称制作一对永磁体5；软磁性扭梁2通过软磁过渡层4安置在一对永磁体5之上形成桥式结构；桥的两侧导磁衬底9上分别制作一组触点3；扭梁2中部的两侧双向水平伸展软磁性悬臂梁1，悬臂梁1两端触点3正好处于热驱动机构7的上方，热驱动机构7通过与悬臂梁1端部上下重叠，热驱动机构7安装在基体6上，触点3闭合后接通引线端口8所在的外电路。

基体6根据器件的使用要求加以选择，如玻璃片、硅片、氧化铝陶瓷或者其它任何表面平整的基体。为了与控制电路集成的需要，硅片是较好的选择，但是在一些高频器件体系中，特殊功能的陶瓷基体更有利于提高器件的性能，如氧化铝陶瓷、BST陶瓷等，特殊情况下金属基体也可以使用。器件从设计原理上对基体的厚度没有特别的要求，平整的基体有利于微细加工工艺的实施。

导磁衬底9主要承担汇集磁通并建立磁通传输通道的作用，以高磁导率软磁材料为好，其中坡莫合金最具有实用性，特别是电沉积的坡莫合金薄膜，不但内应力低，磁导率高，而且可以借助掩膜电镀方便地实现选择性沉积，在基体表面的部分区域构造衬底和通道。也可以采用软磁性能优越的纳米磁性薄膜材料。衬底的厚度可以取数微米到数十微米，以能够有效防止磁通发散为准。

如图2所示，热驱动机构7是通过电热作用产生驱动力的部分，其包括：电极10，驱动介质11，翘曲层12，基座13。其连接关系为：电极10紧连着驱动介质11，驱动介质11淀积在翘曲层12上方，翘曲层12的端部固定在基座13上。其立体结构如图2所示。热驱动机构7安装在基体6上。热驱动机构可以溅射沉积镍钛形状记忆合金薄膜作为驱动介质11。其一端通过电极10固定在基座13上，另一端位于触点3的正下方。驱动介质结构为栅形结构，以利于其面内膨胀。驱动介质下面为绝缘的氧化铝翘曲层12，其膨胀系数与驱动介质差别较大。翘曲层悬空安放在基座13上。当热驱动结构通电发热时，由于驱动介质的形状记忆效应和其与基体的双金属效应，热驱动机构受激发向上驱动，它正好能顶上触点，从而引发双稳态结构。电极材料，基座材料等可以根据性能需要独立选取。驱动介质尺寸可取几十到几百微米，厚度几微米即可。电极和基座尺寸尽可能取大些，数百到数千微米，以方便操作和增大结合力。

永磁体5位于软磁性衬底9之上，对其矫顽力的要求并不高，多种永磁材料都可以胜任，但是掩膜电镀方法直接制备最为可取，采用合适的镀液成分，包括Co-P，Co-Fe-Ni等体系的磁性合金都有可能满足要求。也可以通过精密机械加工稀土永磁体如Nd-Fe-B，Sm-Co、Al-Ni-Co等材料，使之初步成型，安装到位之后再通过精细加工达到设计高度，这样加工的磁体性能更为优越，但是加工工艺复杂。永磁体5同时还承担扭梁2承载基座的作用，对其高度尺寸必须按设计要求严格控制，借助对其上软磁过渡层4厚度的适当调整可以对基座整体高度进行一定调节。

软磁过渡层4主要作用是降低永磁体5的磁通发散，材料选择和工艺选择与软磁性衬底9相似，厚度没有十分严格的要求，但一般要几个微米以上，能够显著抑制永磁体磁通发散即可，厚度增加没有明显的限制因素，这为适当调节扭梁2的承载基座的高度提供了方便。

扭梁2承载全部运动结构，按照整体设计思想，运动造成的主要结构变形也发生在扭梁2上，它还为稳态切换提供部分驱动力(扭变回复力)，同时它还是并联闭合磁路的一部分，所以，扭梁2的结构设计须为细长型以使其能方便的扭转，并且其必须由软磁性材料制作。从磁性能方面考虑，材料选择的依据与衬底9相似，但是，这里必须同时兼顾机械性能和微加工可行性，特别是当它的结构造型十分重要时，这一点尤其重要。能够兼顾上述要求的最具可能的材料仍然是电沉积的软磁材料，如坡莫合金等。

扭梁2的形状最好是各向异性的，因为希望大部分形变发生在扭梁2上，而不是悬臂梁1上面，所以，它的扭转刚度不能够太大，但是承载悬臂梁1和磁体3的重量，以及它们高速运动的冲击，需要它在垂直方向拥有较高的强度，所以，扭梁2的结构高宽比应该大于1，至于它的宽度、高度和长度的具体数值，则存在相互制约的关系，扭梁2长度越长，允许的宽度和高度值也越大。扭梁2的长度可以取100～1000微米之间，相应的厚度可以在3～100微米之间，而宽度可以在1～50微米之间，确切的数值要根据设计参数结合工艺条件加以确定。扭梁2还可以取其它特殊设计的结构形式以满足***对其强度各向异性的要求，比如曲折梁等。

悬臂梁1向两个方向水平伸展分布在扭梁2的两边，在本发明的结构中，它并不像一般的悬臂梁那样是产生变形进而导致运动的主要载体，它的作用更多地体现为环绕扭梁2作圆周运动，放大扭梁2的扭转变形，而自身却能够基本保持原来形状不变。为此，需要悬臂梁的强度明显高于扭梁，所以，悬臂梁1的结构尺寸和形状有别于扭梁2。然而，从运动部件的响应速度制约因素考虑，又不希望运动的悬臂梁1过于笨重，因此，需要将其结构设计为较扭梁数倍宽但也不过分宽，以便在获得高强度的同时拥有较低的质量。

悬臂梁1的长度对微驱动器的位移有直接影响，但是没有明显的制约因素限制它的选择，每一侧臂长50～1000微米比较合适，当然并不排除特殊情况下悬臂更长的可能。悬臂梁1同时也是稳态保持磁路的一部分，在材料磁性上的要求与扭梁2基本一致。悬臂梁1的两端延伸到热驱动机构7前端上方，并形成约十到数十微米的交叉重叠但不直接铰合，这构成了本发明的一个显著特色，即驱动机构7与姿态保持机构既可以联动，又能够分离，以减少它们之间的相互牵制。

触点3与悬臂梁1的外端相连，是悬臂梁1的延伸变形段，直接参与磁作用产生驱动力或姿态保持力，也是闭合磁路的一部分，触点形状采用特殊结构的目的主要是与引线端口8和热驱动机构7的端面相匹配，以减少磁通发散的损失。

本发明拥有一组对称并联的由永磁体5，扭梁2，软磁过渡层4，悬臂梁1，触点3，导磁衬底9所构成的环形磁路它们不能同时闭合，但闭合状态可以互相更替。任一磁路闭合便形成一个无功耗姿态保持的稳态，使从而在此基础上拥有双稳态功能。

在没有外加电流通过的初始态，扭梁2保持初始状态，两侧的悬臂梁1托起的触点3与热驱动机构7都不接触，永磁体5产生的磁通量M₀自然均分为两个部分，分别通过两个磁路形成两侧都有气隙存在的回路，扭梁2两侧悬臂梁1两端受到的引力相同，保持原来姿态。这时给两个回路中的一个热驱动机构7触发信号，热驱动机构7就会启动，推动悬臂梁1的一侧，使之向另一个方向倾斜。这种由受力不平衡产生的驱动力一部分会被扭梁2的回复力抵消，但是，只要热驱动力足够大，悬臂梁1端部的触点便会经过足够的位移基本弥合该侧回路中的气隙，达到与导磁衬底9的表面接触的定位点位置，形成几近闭合的磁路，同时实现与外接引线的沟通。这时再断开热驱动机构7的驱动电流，该倾斜接触状态将会被永磁力保持住，这就是上述***的一个稳态。要使悬臂梁1离开目前的稳定状态，只要在另一个热驱动机构7中接入启动电流，该侧热驱动机构7将驱动下沉的悬臂梁1端点离开原来位置，与触点3和底部脱离接触，悬臂梁1会向另一个方向倾斜，并同样形成另一个对称的无功耗稳态。悬臂梁1的端部在稳态之间实现切换的过程中同时完成了位移，于是就构成了本发明的双稳态热驱动器。

Claims (6)

1、一种永磁双稳态电热微驱动器，包括：基体(6)，引线端口(8)，其特征在于，还包括：悬臂梁(1)，扭梁(2)，触点(3)，软磁过渡层(4)，永磁体(5)，热驱动机构(7)，导磁衬底(9)，以分布于基体(6)上的软磁薄膜为导磁衬底(9)，其上两侧对称制作一对永磁体(5)，扭梁(2)通过软磁过渡层(4)安置在一对永磁体(5)之上形成桥式结构，桥的两侧导磁衬底(9)上分别制作一组触点(3)，扭梁(2)中部的两侧双向水平伸展悬臂梁(1)，悬臂梁(1)两端触点(3)正好处于热驱动机构(7)的上方，热驱动机构(7)通过与悬臂梁(1)端部上下重叠，热驱动机构(7)安装在基体(6)上，触点(3)闭合后接通引线端口(8)所在的外电路。

2、根据权利要求1所述的永磁双稳态电热微驱动器，其特征是，热驱动机构(7)包括：电极(10)，驱动介质(11)，翘曲层(12)，基座(13)，其连接关系为：电极(10)紧连着驱动介质(11)，驱动介质(11)淀积在翘曲层(12)上方，翘曲层(12)的端部固定在基座(13)上。

3、根据权利要求2所述的永磁双稳态电热微驱动器，其特征是，热驱动机构(7)溅射沉积镍钛形状记忆合金薄膜作为驱动介质(11)，其一端通过电极(10)固定在基座(13)上，另一端位于触点(3)的正下方，驱动介质(11)结构为栅形结构，驱动介质(11)下面为绝缘的氧化铝翘曲层(12)，翘曲层(12)悬空安放在基座(13)上。

4、根据权利要求1所述的永磁双稳态电热微驱动器，其特征是，扭梁(2)的结构高宽比大于1，扭梁(2)长度越长，允许的宽度和高度值也越大，扭梁(2)长度在100～1000微米之间，厚度在3～100微米之间，宽度在1～50微米之间。

5、根据权利要求1所述的永磁双稳态电热微驱动器，其特征是，悬臂梁(1)的每一侧臂长50～1000微米，悬臂梁(1)的两端延伸到热驱动机构(7)前端上方，并形成十到数十微米的交叉重叠。

6、根据权利要求1所述的永磁双稳态电热微驱动器，其特征是，由永磁体(5)，扭梁(2)，软磁过渡层(4)，悬臂梁，触点(3)，导磁衬底(9)构成一组对称并联的环形磁路，它们不能同时闭合，但闭合状态互相更替。

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