CN102543590B - 一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，包括：励磁线圈、横置永磁体、固定触点、励磁铁芯、励磁弹性平台、负性光刻胶垫片和可动触点。其中：励磁铁芯位于励磁线圈的中央、四周和底部；横置永磁体对称设置，水平固定于励磁铁芯的下方且极性相对；固定触点制作在励磁线圈上表面；可动触点制作在励磁弹性平台的下表面，并通过其悬挂在固定触点的正上方。固定触点、励磁线圈、励磁铁芯之间用绝缘材料聚酰亚胺隔离；励磁铁芯与励磁弹性平台之间、固定触点与可动触点之间存在气隙，励磁弹性平台可相对于励磁铁芯上下平移。本发明有效改善了电磁继电器工作的稳定性并有效降低了其功耗。

Description

一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器

技术领域

本发明涉及的是一种继电器，特别是一种低功耗高稳定性的双稳态磁保持继电器，属于继电器和MEMS领域。

背景技术

继电器是一种基础性控制元件，除了广泛应用于各种仪器仪表、自动控制和安全防护***中外，通讯继电器是继电器主要应用方向之一，其产值大约占整个继电器产业的四分之一，并且是继电器产品中技术含量和附加值较高的一部分。随着电信设备规模和容量的增加，对通讯继电器的体积和功耗提出了更高的要求，传统机电继电器微型化进程赶不上其他电子器件发展的速度，已经成为制约相关产品功能提升和技术进步的瓶颈，微型化设计的MEMS继电器以机电继电器金属触点导通的结构形式设计继电器，同时采用微加工工艺实现芯片级集成制造，有望同时拥有机电继电器综合性能优越和固态继电器集成制造两个方面的技术优势，为继电器微型化进程提供了可行的途径。

应用于通讯领域的继电器通常要求能够在开、关两种状态中自由切换且稳定保持，响应时间在毫秒甚至微秒量级，功耗低、寿命长。当前的MEMS继电器按照工作原理主要可以分为三大类：静电驱动、电热驱动和电磁驱动。基于静电驱动的微型继电器由于高工作电压导致稳定性不足和寿命较短，难以满足通讯继电器的要求；对于热驱动的微型继电器，其利用的是温度变化导致的体积膨胀的原理来实现通断功能，但是温度变化固有的滞后性决定了该类型继电器的响应速度较低，也不适合应用于通讯领域；而基于电磁驱动的微型继电器有望从根本上满足上述要求，但是必须重点解决功耗和稳定性等问题。目前在微电磁驱动器研究领域，双稳态驱动正受到越来越多的关注，国内外研究机构纷纷开展相关研究，提出了多种基于双稳态原理的微电磁驱动器结构。

经对现有技术文献的检索发现，Hideyuki Maekoba等人在《Sensors andActuators》(传感器与执行器)A，87，2001，172～178撰文“Self-aligned verticalmirror and V-grooves applied to an optical-switch modeling and optimization ofbi-stable operation by electromagnetic actuation”(应用于电磁驱动的双稳态光开关的自对准垂直镜面和微型槽的建模和优化)，提出了一种磁双稳微执行器的结构，该结构通过悬臂梁内在的弹性变形力来保持执行器的打开状态；当需要将其切换到闭合状态时，在线圈中通以正向的脉冲电流，电流产生的磁场方向与底部永磁产生的磁场方向相同，二者叠加后对位于悬臂梁下表面的坡莫合金的吸引力超过了悬臂梁内在的弹性变形力，从而将坡莫合金下拉至闭合状态；此时，由于气隙很小，底部永磁对于坡莫合金的吸引力已经足够抵消悬臂梁内在的弹性变形力，因而不再需要通电即可保持闭合状态不变；当需要将执行器切换到打开状态时，在线圈中通以反向的脉冲电流，电流产生的磁场方向与底部永磁产生的磁场方向相反，二者相互抵消，从而在悬臂梁内在弹性变形力的作用下，坡莫合金被上拉至打开状态；此时，由于气隙较大，底部永磁对坡莫合金的吸引力相对于悬臂梁内在的弹性变形力来说较小，不足以下拉坡莫合金，因此也不需要通电就可以保持打开状态不变。该执行器虽然实现了双稳态功能，但是仍然具有以下不足：1.其制造过程需要精密的机械加工和装配，没能实现集成制造。2.该执行器中包含有两个线圈绕组，不但增加了器件的复杂性，也增大了功耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，使其满足功耗、稳定性等方面的要求。

本发明是根据以下技术方案实现的：

本发明所述的一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，包括：固定电极和可动电极，所述的固定电极包括：励磁线圈，横置永磁体，固定触点和励磁铁芯，所述励磁铁芯位于励磁线圈的中央、四周和底部，固定触点制作在励磁线圈上表面。

所述横置永磁体置于励磁铁芯的下方，横置永磁体的一端位于励磁铁芯中央的下方，横置永磁体的另一端位于励磁铁芯边缘的下方；横置永磁体对称设置，极性相对。

所述的励磁线圈是由多层螺旋式结构的铜线圈组合而成，而每层线圈之间通过有机绝缘材料聚酰亚胺相互隔离，避免短路。

所述的励磁线圈与励磁铁芯之间通过有机绝缘材料聚酰亚胺相互隔离，避免短路。

所述的固定触点与励磁线圈之间通过有机绝缘材料聚酰亚胺相互隔离，避免短路。

所述的可动电极包励磁弹型平台、负性光刻胶垫片和可动触点。其中，励磁弹性平台(带有边框)设置在固定电极的正上方，二者之间通过一层负性光刻胶垫片调整间距；负性光刻胶垫片为框型结构，边框宽度仅与励磁铁芯四周的宽度相同，这样保证了励磁线圈与励磁弹性平台之间有可活动的间隙；所述负性光刻胶垫片制作在励磁铁芯的上表面，可动触点制作在励磁弹性平台的下表面，并通过励磁弹性平台悬挂在固定触点的正上方。

所述的励磁铁芯与励磁弹性平台之间存在空气隙，其最大值由负性光刻胶垫片的厚度决定。励磁弹性平台可以在这段空间内相对于励磁铁芯作上下运动，从而使可动触点与固定触点产生接触导通或者分离断开两种不同的状态。定触点与可动触点之间存在气隙。

所述的可动电极中的励磁弹性平台一方面将可动触点置于固定触点的正上方，另一方面其弹簧状的结构还很好地提供了可动触点脱离固定触点回到平衡位置所需的回复力。

本发明中，上述底部横置永磁体对于顶部励磁弹性平台的吸引力大小与气隙有很大关系：

当继电器处于断开状态时，气隙较大，横置永磁体由于距离顶部弹性平台较远，因此产生的磁通量大部分通过线圈下方的励磁铁芯构成闭合磁路，而通过气隙漏到励磁弹性平台的磁通量则非常非常少，因此横置永磁体对于励磁弹性平台的吸引力几乎可以忽略不计，由于励磁弹性平台内在的弹性变形力的存在，能够支持可动触点固定在固定触点的正上方而不下落，空气隙将二者隔开，继电器保持在断开位置。

当继电器处于导通位置时，气隙很小，永磁产生的磁通量一部分仍然按照原来的路径由底部励磁铁芯构成闭合磁路，而另外一部分则透过微小的气隙通过励磁弹性平台再构成闭合磁路，这样横置永磁体对于励磁弹性平台的吸引力就不再可以忽略不计，相反，其值大大增加，超过了励磁弹性平台内部的弹性变形力，足够保证可动触点与固定触电接触良好，并且不因为励磁弹性平台内在的弹性变形力而反弹离开当前位置，因此无需线圈通电产生电磁场力就能够使继电器一直保持在导通状态。这样，本发明就实现了继电器两个稳态的设计，大大降低了功耗。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.大大提高了继电器的工作稳定性和使用寿命：

(1)本发明采用了将横置永磁体水平固定在励磁铁芯底部的设计，继电器通电时的磁力线分布如图2所示，其中1为横置永磁体产生的磁力线，2为通电线圈产生的磁力线，可以看出在通电时，底部励磁铁芯的作用相当于一块导磁环，使得电磁场的磁通量大部分通过它构成闭合磁路，而只有极其微量的一部分会漏到励磁铁芯下面的横置永磁体上，这样电磁场对横置永磁体的充磁褪磁作用就几乎可以忽略不计，从而在继电器工作过程中保持了横置永磁体本身的工作点基本不变，为继电器的顺利切换和稳定保持提供了保障，这大大提高了继电器的工作可靠性。

(2)本发明采用了对称式的横置永磁体排列方式，这样设计的好处是横置永磁体的磁通分布比较均匀，从而使得励磁弹性平台上各处的受力情况比较均匀，提高了继电器工作的稳定性。如果不采用对称式的排列方式，那么就会出现设置了横置永磁体的部分有磁场分布而未设置横置永磁体的另一部分几乎没有磁场分布的情况，这样整个励磁弹性平台各处受力不均匀，有些部位受力较大，而有些部位几乎不受力，不仅很容易使弹簧发生塑性变形损坏器件，而且励磁弹性平台在运动过程中也不是上下平移，而是带有一定倾角的上下移动，这样可动触点与固定触点的接触就不良好，严重影响器件工作的稳定性。

(3)永磁体如果长时间放置在一个不封闭的磁回路中，会发生缓慢褪磁的现象，而本发明由于将横置永磁体水平固定在励磁铁芯底部，无论继电器工作于哪种状态，总有相当部分的磁通量由N极出发通过励磁铁芯构成闭合磁路，因此横置永磁体总是固定在一个闭合的磁回路当中，这样即使经过很长的时间，永磁体本身的性质也能够得到很好地保持，从而进一步提高了器件的稳定性，延长了使用寿命。

2.本发明利用永磁的吸引力和励磁弹性平台内在的弹性变形力来保持继电器的导通或者断开状态而无需通电，这可以避免不必要的功率损耗，大大降低器件的功耗。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例继电器通电时磁场线分布情况示意图：其中图a为继电器断开状态下；图b为继电器导通状态下。

图3为本发明实施例1励磁铁芯底部的俯视图。

图4为本发明实施例2励磁铁芯底部的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：以下本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程。

实施例1

如图1所示，本实施提供一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，包括：固定电极1和可动电极2。

所述的固定电极1包括：励磁线圈3，横置永磁体4，固定触点5和励磁铁芯6。励磁铁芯6位于励磁线圈3的中央、四周和底部，固定触点5制作在励磁线圈3上表面。固定触点5、励磁线圈3、励磁铁芯6之间用绝缘材料聚酰亚胺11分隔开。横置永磁体4共两块，水平置于励磁铁芯6的下方且极性相对，其具体设置方式如图3所示(图3为励磁铁芯底部的俯视图)。

所述的可动电极2包括：蛙脚型励磁弹型平台7，负性光刻胶垫片8和可动触点9。负性光刻胶垫片8制作在励磁铁芯6的上表面，可动触点9制作在蛙脚型励磁弹型平台7的下表面，并通过其悬挂在固定触点5的正上方。

所述的励磁铁芯6与蛙脚型励磁弹型平台7之间、固定触点5与可动触点9之间存在气隙10。蛙脚型励磁弹型平台7可相对于励磁铁芯6上下平移，从而实现可动触点9与固定触点5之间的导通与断开的操作。

所述的励磁线圈3为多层螺旋式结构的铜线圈组合而成，线圈组合之间通过绝缘材料隔开。

实施例2

如图1所示，本实施提供一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，包括：固定电极1和可动电极2。

所述的固定电极1包括：励磁线圈3，横置永磁体4，固定触点5和励磁铁芯6。励磁铁芯6位于励磁线圈3的中央、四周和底部；固定触点5制作在励磁线圈3上表面。固定触点5、励磁线圈3、励磁铁芯6之间用绝缘材料聚酰亚胺11分隔开。横置永磁体4共四块，水平置于励磁铁芯6的下方且极性相对，其设置方式的俯视图如图4所示；这样做的好处是，在图4所示X-Y平面上，无论是X方向还是Y方向，均有相同的磁场线分布，使得整个结构更加对称，磁通分布更加均匀，各个方向上的受力更加平衡，从而提高了器件工作的稳定性。

所述的可动电极2包括：励磁弹性平台7，负性光刻胶垫片8和可动触点9。负性光刻胶垫片8制作在励磁铁芯6的上表面，可动触点9制作在励磁弹性平台7的下表面，并通过其悬挂在固定触点5的正上方。

所述的励磁铁芯6与励磁弹性平台7之间、固定触点5与可动触点9之间存在气隙10。励磁弹性平台7可相对于励磁铁芯6上下平移，从而实现可动触点9与固定触点5之间的导通与断开的操作。

所述的励磁线圈3为多层螺旋式结构的铜线圈组合而成，线圈组合之间通过绝缘材料隔开。

上述实施例中，底部横置永磁体对于顶部励磁弹性平台的吸引力大小与气隙有很大关系：

当继电器处于断开状态时，气隙较大，横置永磁体由于距离顶部弹性平台较远，因此产生的磁通量大部分通过线圈下方的励磁铁芯构成闭合磁路(图2中a图)，而通过气隙漏到励磁弹性平台的磁通量则非常非常少，因此横置永磁体对于励磁弹性平台的吸引力几乎可以忽略不计，由于励磁弹性平台内在的弹性变形力的存在，能够支持可动触点固定在固定触点的正上方而不下落，空气隙将二者隔开，继电器保持在断开位置。

当继电器处于导通位置时，气隙很小，永磁产生的磁通量一部分仍然按照原来的路径由底部励磁铁芯构成闭合磁路，而另外一部分则透过微小的气隙通过励磁弹性平台再构成闭合磁路(图2中b图)，这样横置永磁体对于励磁弹性平台的吸引力就不再可以忽略不计，相反，其值大大增加，超过了励磁弹性平台内部的弹性变形力，足够保证可动触点与固定触电接触良好，并且不因为励磁弹性平台内在的弹性变形力而反弹离开当前位置，因此无需线圈通电产生电磁场力就能够使继电器一直保持在导通状态。这样，本发明就实现了继电器两个稳态的设计，大大降低了功耗。

本发明通过励磁线圈通电后产生的磁场力来改变励磁弹性平台的位置状态，当需要将继电器切换到导通位置时，在励磁线圈中通以正向电流，产生的电磁场有绝大部分的磁通经过了励磁弹性平台，因而产生对其的下拉力，这种下拉力超过了励磁弹性平台内在的弹性变形力，从而打破了原有的平衡，励磁弹性平台开始向下移动，直至固定触点与可动触点吸合，这样继电器就从断开位置切换到了导通位置。在这一过程中，只有当励磁弹性平台距离横置永磁体足够近(固定触点与可动触点几乎接触导通)时，横置永磁体才会对其有明显的吸引力，因此在整个切换过程中，起主导力量的只有励磁线圈通电产生的磁场力，横置永磁体对于励磁弹性平台的作用可以忽略不计。

当继电器处于导通状态时，气隙较小，横置永磁体距离顶部励磁弹性平台很近，产生的磁通量一部分仍然通过底部励磁铁芯构成闭合磁路，另一部分则透过微小的气隙通过励磁弹性平台再通过底部励磁铁芯的边缘部分构成闭合磁路，此时永磁对于励磁弹性平台的吸引力很大，已经超过了该状态下励磁弹性平台内部的弹性变形力，因此无需线圈通电产生电磁场力就能够使继电器一直保持在导通状态，从而有效降低了功耗。

当需要将继电器从导通状态切换至断开状态时，可以在线圈中通以电流，电流方向与切换至导通阶段的通电方向相反，通过顶部励磁弹性平台的由电磁场产生的磁通量方向与由横置永磁体产生的磁通量方向相反，二者相互抵消，从而通过导致励磁弹性平台的磁通密度减小甚至消失，相应的励磁弹性平台所受到的总磁力也减小，这样原有的平衡就被打破，使得励磁弹性平台在自身内在的弹性变形力的作用下脱离导通状态开始向上移动，一旦脱离导通状态，气隙变大，横置永磁体产生的磁通量又几乎完全通过底部励磁铁芯构成闭合磁路，而不会通过顶部的励磁弹性平台，那么其对励磁弹性平台的吸引力就变得微不足道，这样不再需要通电励磁线圈产生的磁场，励磁弹性平台就能够回到原平衡位置，继电器切换到断开状态。

当继电器处于断开状态时，由于气隙较大，横置永磁体产生的磁通量大部分通过底部励磁铁芯构成闭合磁路，仅有非常非常微小的一部分漏过气隙通过上部的励磁弹性平台，因此其对于励磁弹性平台的吸引力相对于励磁弹性平台内在的弹性变形力来说要小得多得多，完全可以忽略不计，从而断开状态下不需要通电亦可保持该状态的稳定，同样减少了不必要的功耗。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，包括：固定电极和可动电极，其特征在于，所述的固定电极包括：励磁线圈，横置永磁体，固定触点和励磁铁芯，所述励磁铁芯位于励磁线圈的中央、四周和底部，固定触点制作在励磁线圈上表面；所述的可动电极包括励磁弹型平台、负性光刻胶垫片和可动触点，所述的励磁铁芯与励磁弹性平台之间存在空气隙，励磁弹性平台可相对于励磁铁芯上下平移；

所述横置永磁体置于励磁铁芯的下方，横置永磁体的一端位于励磁铁芯中央的下方，横置永磁体的另一端位于励磁铁芯边缘的下方；横置永磁体对称设置，极性相对。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，其特征是，所述励磁弹性平台设置在固定电极的正上方，二者之间通过一层负性光刻胶垫片调整间距。

3.根据权利要求2所述的一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，其特征是，所述负性光刻胶垫片制作在励磁铁芯的上表面，可动触点制作在励磁弹性平台的下表面，并通过励磁弹性平台悬挂在固定触点的正上方。

4.根据权利要求3所述的一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，其特征是，所述的固定触点、励磁线圈、励磁铁芯之间用绝缘材料聚酰亚胺分隔开。

5.根据权利要求3所述的一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，其特征是，所述的固定触点与可动触点之间存在气隙。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，其特征是，所述负性光刻胶垫片为框型结构，边框宽度仅与励磁铁芯四周的宽度相同，保证励磁线圈与励磁弹性平台之间有可活动的间隙。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器，其特征是，所述的励磁线圈为多层螺旋式结构的线圈绕组组合而成，线圈绕组之间通过绝缘材料聚酰亚胺隔离。