磁致雙穩(wěn)態(tài)MEMS電磁微繼電器的研制.pdf

1、繼電器是廣泛應(yīng)用于汽車、通訊、家電、精密儀器等領(lǐng)域的電器控制元件,隨著機(jī)電元件使用密度的提高,小尺寸、低功耗的微型繼電器的研究成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。然而,傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工技術(shù)已經(jīng)難以完全滿足器件小尺寸的精密要求,基于微電子工藝發(fā)展起來(lái)的MEMS技術(shù)使機(jī)電繼電器的微小型化成為了可能。典型的傳統(tǒng)繼電器多采用電磁驅(qū)動(dòng),而基于MEMS技術(shù)研制的微型繼電器采用的驅(qū)動(dòng)手段比較多樣化,基于硅微細(xì)加工技術(shù)研制的靜電MEMS繼電器是最早出現(xiàn)的微型繼電器,

2、工藝成熟、響應(yīng)速度快是其最大的特點(diǎn),只是受靜電驅(qū)動(dòng)能力的限制,多應(yīng)用于小功率的RFMEMS器件中；電熱MEMS繼電器的驅(qū)動(dòng)力大,運(yùn)行位移較長(zhǎng),但散熱問(wèn)題導(dǎo)致響應(yīng)速度慢成為其難以克服的缺點(diǎn)；電磁驅(qū)動(dòng)是一種可以在較低的電壓驅(qū)動(dòng)下短時(shí)間內(nèi)完成長(zhǎng)距離運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)方式,而且,電磁驅(qū)動(dòng)對(duì)工作環(huán)境的要求很低,因此,基于電磁驅(qū)動(dòng)的MEMS繼電器具有更廣闊的應(yīng)用天地。目前,MEMS電磁微繼電器的結(jié)構(gòu)多數(shù)是傳統(tǒng)繼電器的縮微化。其微型電磁系統(tǒng)主要包括電學(xué)和磁學(xué)

3、兩個(gè)系統(tǒng),相對(duì)于其他方式驅(qū)動(dòng)的微小器件來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜,特別是對(duì)于制作電磁系統(tǒng)的磁學(xué)材料,沒(méi)有成熟的MEMS工藝作為技術(shù)支撐,因此,所做的工藝研究工作也相對(duì)較多。為此,很多研究人員選擇對(duì)電磁MEMS繼電器的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門(mén)的研究,希望通過(guò)提高核心部件的性能來(lái)提高整體器件的性能。但器件封裝后,微型繼電器的整體性能優(yōu)勢(shì)卻并不明顯。針對(duì)典型的MEMS電磁微繼電器的現(xiàn)狀,本文著重從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：1、一種新型的磁致鎖定電磁微繼電器的整

4、體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及其仿真優(yōu)化分析利用直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微型執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng),采用了環(huán)形的結(jié)構(gòu),降低了端面效應(yīng)對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)效率的影響；“三明治”式的對(duì)稱結(jié)構(gòu)使軸向上的磁作用力相互抵消,緩解了軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中摩擦力對(duì)器件運(yùn)行的影響；在線圈中嵌入的鐵芯結(jié)構(gòu)改變了工作氣隙中的磁通密度分布,由此產(chǎn)生的磁力很好地執(zhí)行了狀態(tài)鎖定的功能,實(shí)現(xiàn)了器件的無(wú)功耗姿態(tài)保持；電接觸系統(tǒng)在擺動(dòng)中完成對(duì)外電路的通斷控制,觸點(diǎn)間的接觸方式是滑動(dòng)接觸；設(shè)計(jì)的動(dòng)觸點(diǎn)呈弧面

5、薄膜結(jié)構(gòu),接觸的過(guò)程中,弧面結(jié)構(gòu)有利于提高接觸的穩(wěn)定性,并且在壓力的作用下,薄膜觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的形變,增大接觸面積,降低接觸電阻,提高器件的電流承載能力；電接觸結(jié)構(gòu)可以根據(jù)要求進(jìn)行更換,這樣,即可以保持器件良好的電接觸性能,還能夠適應(yīng)不用應(yīng)用領(lǐng)域的要求,也不必?fù)?dān)心因?yàn)橛|點(diǎn)這種易損結(jié)構(gòu)的失效而導(dǎo)致整個(gè)器件的報(bào)廢。根據(jù)磁通總是優(yōu)先經(jīng)過(guò)磁導(dǎo)率較高的介質(zhì)這一基本原理,在線圈嵌入了軟磁鐵芯結(jié)構(gòu)以改變工作氣隙內(nèi)的鐵芯周圍的磁通密度,從而導(dǎo)致鐵芯受到

6、磁場(chǎng)力的作用,由于定子固定不動(dòng),因此這個(gè)反作用于轉(zhuǎn)子,形成鎖定器件某個(gè)姿態(tài)的效果。由于電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則,ANSYS有限元分析軟件給我們提供了一個(gè)解決這個(gè)問(wèn)題的方法。利用ANSYS軟件分析了工作氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)狀態(tài),優(yōu)化了鐵芯結(jié)構(gòu)以達(dá)到最好的鎖定效果,展示了線圈所在位置的磁場(chǎng)分布狀態(tài),為電磁驅(qū)動(dòng)能力的理論計(jì)算以及器件中各部件的幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式的確定提供了很大的幫助。2、弧形電接觸結(jié)構(gòu)的研制根據(jù)電磁驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一

7、種弧面的電接觸結(jié)構(gòu),以緩解在接觸過(guò)程中,動(dòng)觸點(diǎn)對(duì)靜觸點(diǎn)產(chǎn)生的沖擊；在接觸的過(guò)程中,動(dòng)觸點(diǎn)會(huì)在靜觸點(diǎn)上滑行一段距離,一方面可以確保觸點(diǎn)間的穩(wěn)定接觸,避免出現(xiàn)彈跳的現(xiàn)象,另一方面,通過(guò)滑動(dòng)接觸可以破壞觸點(diǎn)間的氧化絕緣薄膜,提高電導(dǎo)率；利用溶膠的工藝原理,開(kāi)發(fā)了一種大曲率半徑的微型弧面結(jié)構(gòu)的制作方法,同時(shí)還解決了光刻膠作為犧牲層的工藝難點(diǎn)。3、基于碳納米纖維復(fù)合材料在電接觸系統(tǒng)中的工藝研究電接觸系統(tǒng)是器件的易損部件,而且為了適應(yīng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用

8、要求,有必要對(duì)觸點(diǎn)材料做針對(duì)性地研究。電鍍金薄膜作為觸點(diǎn)的接觸材料是MEMS繼電器采用的常規(guī)手段,雖然金的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,但金薄膜材料質(zhì)地較軟,難以承受長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。碳納米纖維復(fù)合金屬薄膜材料是一種具有良好的機(jī)械和電學(xué)性能的電接觸材料,通過(guò)調(diào)整和改進(jìn)電鍍工藝的參數(shù)和條件,開(kāi)發(fā)了一種制作銅基碳納米纖維復(fù)合材料作為接觸材料的工藝,不僅提高了材料本身的機(jī)械和電學(xué)性能,而且其制作工藝也能夠與常規(guī)的MEMS工藝兼容,為基于碳納米纖維復(fù)合金屬材料

9、在MEMS器件中的應(yīng)用奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。4、雙穩(wěn)態(tài)MEMS電磁微繼電器樣品的批量加工與測(cè)試根據(jù)器件整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求,對(duì)器件的核心部件都實(shí)現(xiàn)了集成化加工制造,主要包括：帶有軟磁鐵心結(jié)構(gòu)的平面定子繞組和帶有弧面觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的電接觸刷結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的帶有靜觸點(diǎn)的頂蓋結(jié)構(gòu),對(duì)于永磁轉(zhuǎn)子和封裝外殼等配套的零部件采用的是精密模具沖壓成型工藝,同樣具備批量加工的特點(diǎn),最后,通過(guò)精密組裝來(lái)完成對(duì)整體器件的研制。這種制作復(fù)雜MEMS器件結(jié)構(gòu)的方法降低了電

10、磁MEMS繼電器集成制作的工藝難度,有效地結(jié)合了精密機(jī)械加工的特點(diǎn),基本上實(shí)現(xiàn)了器件的集成化批量制造,有利于提高器件的成品率,降低器件的封裝難度,也有利于利用現(xiàn)有儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS器件性能的測(cè)試。經(jīng)測(cè)試表明：器件的響應(yīng)時(shí)間和器件的接觸電阻與轉(zhuǎn)子擺臂的擺幅有關(guān)。最短響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到0.3ms；此外,因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間很短,因此所采用的直流脈沖電磁驅(qū)動(dòng)的時(shí)間相應(yīng)縮短,而且,由于磁致鎖定結(jié)構(gòu)的引入使穩(wěn)態(tài)時(shí)的功耗為0,因此,整個(gè)器件的理論驅(qū)動(dòng)功耗不到