CN101159202A - Mems电磁继电器 - Google Patents

Abstract

MEMS电磁继电器，属于继电器技术和MEMS技术领域。为解决现有微电磁继电器体积大、功耗高，不能适用微型自动检测仪器及微型航空航天器对小体积、智能化、低功耗电磁继电器的需求，本发明公开了一种MEMS电磁继电器，采用三层结构，自上而下依次是上层硅基底、下层硅基底、永磁体；上层硅基底中空，中间通过两个扭梁支撑一个扭板形成扭摆结构，扭板最下层是活动接触电极；下层硅基底表面的凹槽中设有两个平面螺旋线圈，在两个平面螺旋线圈之上覆盖有绝缘层，绝缘层上设有两对固定接触电极，每对固定接触电极含有两个相互间隔的独立的固定接触电极。本发明可以大规模阵列，并且可以与控制电路集成在同一基底上。

Description

MEMS电磁继电器

技术领域

本发明涉及一种电磁继电器，属于微继电器(Micro Relay)和MEMS技术(MicroElectro-Mechanical System)领域。

背景技术

继电器广泛应用在航空航天、军用电子装备、信息产业及国民经济的其它各种自动控制设备中，是最重要的控制元件之一，基本上所有自动控制***都要用到继电器，传统继电器主要分为机电继电器和固态继电器两大类。随着数字化、信息化时代的到来，自动控制***对继电器的需求逐渐向微型化、集成化、智能化方向发展，而机电继电器具有开关速度慢、生产效率低、体积大、触点容易磨损等缺点，固态继电器具有不能实现控制端和开关端隔离、导通电阻大、漏电流大等缺点，传统继电器的突出缺点阻碍了某些对继电器微型化、智能化、集成化要求高的自控***，如微小卫星等微型航空航天器，以及自动检测仪器(ATE)。

基于MEMS技术的微型继电器(简称MEMS继电器)是一个新兴的研究领域，从二十世纪七十年代末第一个MEMS继电器诞生，之后国际上有很多研究机构先后开展相关研究。美欧日等国家和地区的一些研究机构和公司已经取得重要进展，例如美国林肯实验室、德国慕尼黑工学院、AD公司，有的已经成熟转化为产品。国内有关研究院所在相关研究方面也取得了一定成就。

MEMS继电器在结构上对传统的继电器进行了融合和微型化，在工艺上结合了先进的微/纳米技术和微加工技术。目前研究的MEMS继电器，按照工作原理主要分为三大类：静电型、热型以及电磁型，另外还有热磁型、电磁静电混合型、液态触点型等，后三种研究者较少。本发明属于MEMS继电器领域。

MEMS静电继电器，一般利用静电力使活动电极弯曲或扭转，导致活动电极上集成的活动接触电极与固定接触电极接触从而完成开关动作。静电力是面力，因此产生的静电力与极板面积和驱动电压有直接关系，由于继电器结构尺寸很小，因此产生的静电力也小，导致接触电阻很大。MEMS静电继电器的活动电极主要有悬臂梁、双端固定梁、扭转梁等三种形式，悬臂梁结构的驱动电压小、开关速度快、功耗小、导通电阻小，因此应用最为广泛。不论MEMS静电继电器采用何种活动电极结构，要增大吸引力需要通过增大极板面积或者提高驱动电压，前者会造成结构尺寸增大、后者将造成驱动电压增大，因此需要对高电压进行隔离，导致应用***成本上升，甚至无法在集成电路中应用。

MEMS热继电器，利用体膨胀原理，仅需要很低的驱动电压(一般为3V-5V)便能产生较大的接触力，因此适用于IC电路，但功耗较电磁型和静电型大。体膨胀效应固有滞后性决定了它响应速度低。MEMS热继电器的开关时间至少为几至几百微秒，成为阻碍其广泛应用的主要原因，但适用于对开关速度要求不高的场所。

MEMS电磁继电器利用MEMS工艺，主要利用线圈和软磁材料及硬磁材料具有的产生磁场功能以及磁力载体作用。MEMS电磁继电器磁场的产生形式对继电器的结构起关键决定作用，一般是由通电线圈或者永磁体产生，而软磁体与永磁体通常作为磁力载体，具体组合根据不同结构而有所不同。MEMS电磁继电器的磁路组成通常由线圈和永磁体、线圈与软磁体、线圈和软磁体以及永磁体等这三类材料结合形式组成。前两种形式均由通电线圈产生磁场，因此，如果需要长期保持工作状态，就需要一直给线圈通电从而产生持续的磁场，功耗就相对来说比较大，另外也会持续产生热量，可能会对工作环境有影响。例如，在ATE中，需要用到多路继电器进行多通道的数据获取及输出，因此低功耗是很必要，同样对微型航天器而言，本身基本所有自控***都要用到继电器而自身条件决定它又不可能携带过多能源，因此它对继电器的需求是体积小且功耗低。

最理想的结构是第三种材料组合形式，线圈与永磁体均可以产生磁场，同时由软磁体作磁力载体，能够在线圈短暂通电后继续利用永磁体产生的磁场来保持继电器的状态。

现有的MEMS电磁继电器存在下述问题：

1.功耗高。如果MEMS电磁继电器需要线圈一直通电来保持继电器的工作状态，因此长时间运行功耗可观。长时间通电使通电线圈升温，导致继电器内部环境温度升高，影响磁性材料的磁特性，从而进一步影响继电器工作性能。MEMS电磁继电器的重要应用领域是微型航空航天器、ATE，对功耗要求都比较高，前者能源和应用环境受限制需要尽量采用低功耗的继电器，后者需要大阵列继电器无损切换各种信号，继电器被密集安排在很小的空间内，线圈产生大量的热量需要挥发，低功耗继电器一直都是ATE继电器追求的目标。

2.可靠性差。MEMS电磁器件驱动器一般都是微米量级，如果只有一个稳定状态，在电源不稳定或其它外界扰动时，导致继电器状态发生改变，从而造成***出错。

3.成本高。工艺步骤繁杂，导致批量生产成本很高，不利于大规模生产。

发明内容

本发明的目的是发明一种结构简单的MEMS电磁继电器，使其具有结构简单、开关速度快、体积小、功耗低、可靠性高、可大规模阵列等特点。

本发明提供了一种MEMS电磁继电器，所述继电器采用三层结构，自上而下依次是上层硅基底、下层硅基底、永磁体；所述上层硅基底和下层硅基底两部分键合，所述永磁体接合在所述下层硅基底下方；

所述上层硅基底中空，中间通过两个扭梁支撑一个扭板形成扭摆结构；所述扭板为多层结构，其中面对下层硅基底的一层是活动接触电极；

所述下层硅基底表面的凹槽中设有两个平面螺旋线圈，在所述两个平面螺旋线圈之上覆盖有绝缘层，绝缘层上设有两对固定接触电极，每对固定接触电极含有两个相互间隔的独立的固定接触电极；所述两对固定接触电极分别设在所述扭梁的中心轴线在所述绝缘层上的垂直投影两侧；所述活动接触电极总是与一对固定接触电极保持稳定接触，即两对固定接触电极总是保持一对导通、另外一对断开的状态。

在本发明中，所述扭板的多层结构中有一层是软磁材料。

在本发明中，所述平面螺旋线圈为矩形，即相邻两段垂直。

在本发明中，所述两个平面螺旋线圈可以采用镜象并联连接方式，两个平面螺旋线圈绕向相反，呈现镜象布局，所述两个平面螺旋线圈的外输入端对应连接，内输入端对应相连，分别作为继电器的两个输入端；

在本发明中，所述两个平面螺旋线圈还可采用顺序串联方式，两个平面螺旋线圈绕向相同，所述两个平面螺旋线圈的两个外输入端对应相连接，两个内输入端作为继电器的两个输入端。

在本发明中，所述两个平面螺旋线圈还可采用顺序串联方式，两个平面螺旋线圈绕向相同，所述两个平面螺旋线圈的两个内输入端对应相连接，两个外输入端作为继电器的两个输入端。

本发明的优点是：继电器具有双稳态功能，功耗小，可靠性高。和现有MEMS双稳态电磁继电器相比，本发明有以下特点：1)响应速度快；2)接触方式为垂直接触方式；3)活动电极运动间距大。

附图说明

图1为MEMS电磁继电器的整体结构示意图。

图2为MEMS电磁继电器的纵截面图。

图3为扭摆结构的俯视图。

图4为绕向相反线圈布局示意图。

图5为绕向相同线圈布局示意图。

图6为固定接触电极与活动接触电极位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本发明。

图1显示了本发明所述的MEMS电磁继电器的整体结构，所述继电器采用三层结构，自上而下依次是上层硅基底1、下层硅基底2、永磁体3。上层硅基底1和下层硅基底2两部分键合，永磁体3接合在下层硅基底2下方，通过粘贴或者电镀方法实现。永磁体3的磁化方向垂直下层硅基底2表面，即下层硅基底2下表面与永磁体3的N极面或者S极面接合，如图1所示，下层硅基底2下表面与N极面接合。

上层硅基底1是中空结构，中间通过两个扭梁5支撑一个扭板4形成扭摆结构，扭板4为多层结构，面对下层硅基底的一层是活动接触电极12。两个相同扭梁5的其中一端分别与上层硅基底1的内壁垂直相连，二者另外一端分别与扭板4垂直相连，扭梁5与扭板4的两个不同面垂直相连，这两个面相互平行，扭板4的两个自由端位于扭梁5两侧。

图2详细显示了继电器的纵截面结构。从图2可以看出，扭板4为多层结构，自上而下依次是软磁材料9、其它材料层11、活动接触电极12，其它材料层11与软磁材料9位置可以互换。其它材料层11可由一层材料，例如硅或多晶硅；也可以由一层以上材料组成，例如，金、硅或者铬、金、硅等等。扭板4也可以仅由软磁材料9和活动接触电极12组成。软磁材料9矫顽力越小越适合用于本发明，例如坡莫合金、Ni为本发明的最优软磁材料选择。图3是扭摆结构的俯视图，A-B为扭梁5的中心轴线，扭梁5受到力矩作用时，绕A-B进行旋转，扭板4也随着发生相应方向的旋转。扭梁5材料可以是硅、多晶硅或者金属，例如金。活动接触电极12的材料是金属或者合金，例如金，AuNi5。

下层硅基底2有表面开有凹槽，凹槽中有两个线圈以及两对固定接触电极7，扭梁的中心轴线在凹槽表面的垂直投影两侧各有一个线圈和一对固定接触电极。两个线圈分别是第一平面螺旋线圈8、第二平面螺旋线圈6，两个线圈位于第二绝缘层10之上、第一绝缘层14之下。第二绝缘层10位于凹槽槽底表面上，作用是保证两个线圈与下层硅基底2绝缘，第一绝缘层14的作用是引出两个线圈的全部输入端。两对固定接触电极7位于第一绝缘层14之上，每对固定接触电极均含有一对互相独立的中间设有间距的固定接触电极，受继电器控制的电路的两个输入端与这对固定接触电极分别相连。两对固定接触电极总是保持其中一对导通、另外一对断开的状态。

第一平面螺旋线圈8、第二平面螺旋线圈6为矩形，即相邻两段垂直，是单层或者多层结构均可。第一平面螺旋线圈8和第二平面螺旋线圈6可以采用以下连接方式：顺序串联(两种)或者镜象并联。引线电极13通过第一绝缘材料14对应位置上的通孔将第一平面螺旋线圈8、第二平面螺旋线圈6的内、外输入端引出并连接，使第一平面螺旋线圈8和第二平面螺旋线圈6以顺序串联(两种)和镜象并联的方式连接。

镜象并联：第一平面螺旋线圈8和第二平面螺旋线圈6绕向相反，呈现镜象布局，外输入端和内输入端通过对应引线电极分别相连，并分别做继电器的两个输入端，如图4，101与102分别指示继电器的第一输入端和第二输入端。

顺序串联(第一种)，第一平面螺旋线圈8和第二平面螺旋线圈6绕向相同，外输入端通过引线电极相连，两个内输入端通过引线电极做继电器的两个输入端，图5是内输入端相连形式，101指示第一输入端，102指示第二输入端。

顺序串联(第二种)，第一平面螺旋线圈8和第二平面螺旋线圈6绕向相同，内输入端通过引线电极相连，两个外输入端通过引线电极做继电器的两个输入端。

两对固定接触电极7中的任一对固定接触电极的电极间距离不大于活动接触电极12的宽度。其中，每对固定接触电极包含两个相互间隔的独立的金属固定接触电极。图6中，7a和7b分别指示一对固定接触电极中的两个独立金属固定接触电极，201指示受继电器控制的回路，当扭梁5旋转导致活动接触电极12向下运动，并最终同时与该对固定接触电极稳定接触时，回路导通。

本发明所述的继电器为双稳态形式，即总是有一对触点闭合；两个平面螺旋线圈未通电以前，软磁材料9在永磁场作用下磁化并受到磁场力矩的作用，带动整个扭板4绕扭梁5中心轴线发生扭转，导致活动接触点极12与两对固定接触电极7中的一对接触，使与这对固定接触电极相连的受控回路导通；受控电路状态需要改变时，两对平面螺旋线圈通一定方向的电流，使软磁材料9反向磁化，在永磁场的作用下，导致活动接触点极12与两对固定接触电极7中的另外一对接触，继电器状态稳定后，两个平面螺旋线圈的电流撤去，继电器状态保持。

Claims (6)

1.MEMS电磁继电器，其特征在于：所述继电器采用三层结构，自上而下依次是上层硅基底、下层硅基底、永磁体；所述上层硅基底和下层硅基底两部分键合，所述永磁体接合在所述下层硅基底下方；

所述上层硅基底中空，中间通过两个扭梁支撑一个扭板形成扭摆结构；所述扭板为多层结构，其中面对下层硅基底的一层是活动接触电极；

所述下层硅基底表面的凹槽中设有两个平面螺旋线圈，在所述两个平面螺旋线圈之上覆盖有绝缘层，绝缘层上设有两对固定接触电极，每对固定接触电极含有两个相互间隔的独立的固定接触电极；所述两对固定接触电极分别设在所述扭梁的中心轴线在所述绝缘层上的垂直投影两侧；所述活动接触电极总是与一对固定接触电极保持稳定接触，即两对固定接触电极总是保持一对导通、另外一对断开的状态。

2.根据权利要求1所述的MEMS电磁继电器，其特征在于：所述扭板的多层结构中有一层是软磁材料。

3.根据权利要求1所述的MEMS电磁继电器，其特征在于：所述平面螺旋线圈为矩形，即相邻两段垂直。

4.根据权利要求1所述的MEMS电磁继电器，其特征在于：所述两个平面螺旋线圈采用镜象并联连接方式，两个平面螺旋线圈绕向相反，呈现镜象布局，所述两个平面螺旋线圈的外输入端对应连接，内输入端对应相连，分别作为继电器的两个输入端；

5.根据权利要求1所述的MEMS电磁继电器，其特征在于：所述两个平面螺旋线圈采用顺序串联方式，两个平面螺旋线圈绕向相同，所述两个平面螺旋线圈的两个外输入端对应相连接，两个内输入端作为继电器的两个输入端。

6.根据权利要求1所述的MEMS电磁继电器，其特征在于：所述两个平面螺旋线圈采用顺序串联方式，两个平面螺旋线圈绕向相同，所述两个平面螺旋线圈的两个内输入端对应相连接，两个外输入端作为继电器的两个输入端。

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