專利名稱：一種電磁雙穩(wěn)態(tài)微繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及利用電磁力進(jìn)行驅(qū)動，永磁力保持其穩(wěn)定狀態(tài)的基于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)的雙穩(wěn)態(tài)繼電器，具體是一種電磁雙穩(wěn)態(tài)微繼電器，屬于制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
繼電器作為一種基本的電氣元件，廣泛的應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)、電力保護(hù)系統(tǒng)、電 氣系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及儀器儀表等領(lǐng)域。 常規(guī)的繼電器分為兩大類機(jī)電繼電器和固態(tài)繼電器。機(jī)電繼電器是基于金屬電 極的吸合與斷開來實(shí)現(xiàn)的，這種繼電器有著近乎完美的電學(xué)性能，即閉合阻抗小、導(dǎo)通電流 大、開路阻抗大、漏電電流小，但由于是機(jī)械接觸，其響應(yīng)速度慢，工作壽命也比較短。固態(tài) 繼電器是基于光電晶體管和發(fā)光二極管的耦合。這種繼電器有著與機(jī)電繼電器相比擬的絕 緣性能，能提供1500V的抗壓強(qiáng)度。但固態(tài)繼電器在插入損耗和負(fù)載電流兩項(xiàng)指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn) 不如機(jī)電繼電器。因此固態(tài)繼電器主要應(yīng)用于要求可靠性極高或要求微型化的場合。此外 固態(tài)繼電器的價格大約是機(jī)電繼電器的三倍以上。因此性能和價格在機(jī)電繼電器和固態(tài)繼 電器之間的繼電器，特別是性能與機(jī)電繼電器相當(dāng)?shù)奈⑿突^電器有很大的市場需求。所 以近幾年有很多在繼電器領(lǐng)域研究人員的目光投向代表微型化和集成化方向的微機(jī)電系 統(tǒng)(MEMS)技術(shù)。 基于微機(jī)電技術(shù)加工工藝的繼電器從工作原理角度看，主要有靜電型、電磁型、熱 機(jī)械型、熱磁型等，其主要的優(yōu)點(diǎn)體積小、功耗低、響應(yīng)快、隔離度高、負(fù)載能力強(qiáng)等。主要 的研究方向集中在由靜電和電磁驅(qū)動的繼電器上，其中靜電型繼電器由于其驅(qū)動電壓過高 而限制了其進(jìn)一步發(fā)展，而電磁驅(qū)動以其驅(qū)動電壓低、產(chǎn)生力矩大、壽命長、驅(qū)動信號和傳 輸信號的相互隔離等特點(diǎn)成為了研究和微繼電器發(fā)展的方向。目前電磁繼電器最大的困境 在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝實(shí)現(xiàn)困難、及其平面線圈產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度小等。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的在于既兼顧傳統(tǒng)繼電器的優(yōu)點(diǎn)又克服現(xiàn)有MEMS繼電器存在不足
的情況下，設(shè)計(jì)開發(fā)的一種微電磁繼電器，本繼電器基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)微細(xì)加工
工藝技術(shù)，使整個繼電器各個結(jié)構(gòu)(永磁鐵(1)除外)集成在一個硅基板上制作，磁路趨于
閉合電磁場強(qiáng)度大，具有可靠性高、結(jié)構(gòu)和制作工藝簡單、加工成本低等特點(diǎn)。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案本裝置包括硅基板、在硅基
板的下表面刻蝕的磁芯鐵芯系統(tǒng)、在硅基板的上面制作的驅(qū)動線圈系統(tǒng)、以及在驅(qū)動線圈
系統(tǒng)上部布置的觸點(diǎn)系統(tǒng)。 所述的磁芯鐵芯系統(tǒng)包括一個鐵芯和兩個磁芯，所述的鐵芯的中心與硅基板的中 心重合，所述的兩個磁芯沿硅基板中心線的方向相對于鐵芯對稱分布，所述的鐵芯為在硅 基板的下表面刻蝕出截面形狀為三角形的硅杯，在硅杯上鍍有坡莫合金層組成鐵芯，兩個 磁芯的結(jié)構(gòu)和鐵芯的結(jié)構(gòu)相同，磁芯和鐵芯之間也通過坡莫合金層連接；在鐵芯和磁芯的
3下面設(shè)置有起絕緣作用的保護(hù)層，在保護(hù)層的下面貼合有永磁鐵。 所述的驅(qū)動線圈系統(tǒng)包括兩個平面布置的驅(qū)動線圈、連接驅(qū)動線圈的導(dǎo)線和兩對 載荷電極。在硅基板的上表面制作有一連接驅(qū)動線圈的導(dǎo)線，導(dǎo)線的兩個端子分別位于兩 個線圈磁芯的正上方，整個導(dǎo)線成"U"字形結(jié)構(gòu)，在去除導(dǎo)線的兩個端子的上面制作有一層 絕緣層，在絕緣層的上面制作有兩個平面線圈和兩對載荷端子，平面線圈的中央端子處在 導(dǎo)線的端子的正上方，并與導(dǎo)線端子相導(dǎo)通，兩對載荷端子分別對稱分布在兩個驅(qū)動線圈 的兩側(cè)； 所述的觸點(diǎn)系統(tǒng)包括兩對靜觸點(diǎn)、支座、扭轉(zhuǎn)梁和轉(zhuǎn)軸。在線圈的上面制作有絕緣 層，并露出線圈電極和兩對載荷端子，在絕緣層的上面制作有兩對靜觸點(diǎn)、支座、扭轉(zhuǎn)梁和 轉(zhuǎn)軸，扭轉(zhuǎn)梁、支座和轉(zhuǎn)軸為電鍍的坡莫合金層，成"十"字形結(jié)構(gòu)，十字結(jié)構(gòu)的中心與硅基 板的中心重合，扭轉(zhuǎn)梁和轉(zhuǎn)軸具有相同的厚度，支座與轉(zhuǎn)軸兩端連接，支座與靜觸點(diǎn)和轉(zhuǎn)軸 厚度差形成繼電器的工作間隙，兩對靜觸點(diǎn)對稱布置的扭轉(zhuǎn)梁的兩端，并與兩對載荷電極 一一對應(yīng)連接，扭轉(zhuǎn)梁轉(zhuǎn)動時其端部能夠與靜觸點(diǎn)接觸。 本實(shí)用新型具有制作可靠性高、驅(qū)動力矩大、工藝簡單、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等 優(yōu)點(diǎn)。

圖1雙穩(wěn)態(tài)電磁微繼電器的結(jié)構(gòu)剖視圖 圖2驅(qū)動線圈系統(tǒng)及電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖3觸點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖中1、永磁鐵；2、磁芯；3、保護(hù)層；4、磁路；5、硅基板；6、靜觸點(diǎn)；7、鐵芯；8、支 座；9、線圈；10、絕緣層；11、扭轉(zhuǎn)梁；12、導(dǎo)線；13、線圈電極；14、轉(zhuǎn)軸；15、載荷端子。
具體實(shí)施方式結(jié)合圖1-圖3對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明 本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括包括硅基板5、在硅基板5的下表面刻蝕的磁芯 鐵芯系統(tǒng)、在硅基板的上面制作的驅(qū)動線圈系統(tǒng)、以及在驅(qū)動線圈系統(tǒng)上部布置的觸點(diǎn)系 統(tǒng)。磁芯鐵芯系統(tǒng)包括一個鐵芯7和兩個磁芯2。驅(qū)動線圈系統(tǒng)包括兩個平面布置的驅(qū)動 線圈9、連接驅(qū)動線圈的導(dǎo)線12和兩對載荷電極5。觸點(diǎn)系統(tǒng)包括兩對靜觸點(diǎn)6、支座8、扭 轉(zhuǎn)梁11和轉(zhuǎn)軸14。其各部分的具體位置關(guān)系如下 如圖1所示，磁芯鐵芯系統(tǒng)包括一個鐵芯7和兩個磁芯2，鐵芯的中心與硅基板的 中心重合，兩個磁芯沿硅基板中心線的方向相對于鐵芯7對稱分布，鐵芯7為在硅基板的下 表面刻蝕出截面形狀為三角形的硅杯，在硅杯上鍍有坡莫合金層組成鐵芯7，兩個磁芯2的 結(jié)構(gòu)和鐵芯7的結(jié)構(gòu)相同，磁芯2和鐵芯7之間也通過坡莫合金層連接。在鐵芯和磁芯的 下面設(shè)置有起絕緣作用的保護(hù)層3，在保護(hù)層3的下面貼合有永磁鐵1。 驅(qū)動線圈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，，在硅基板5的另一面上制作一連接驅(qū)動線圈9 的導(dǎo)線12，導(dǎo)線12的兩個端子分別在位于兩個線圈磁芯2的中央電極的正上方，并與驅(qū)動 線圈的中央電極相導(dǎo)通，整個導(dǎo)線12成"U"字形結(jié)構(gòu)，在除去導(dǎo)線12的兩個端子的上面制 作一層絕緣層IO，使導(dǎo)線12與驅(qū)動線圈9絕緣。在絕緣層10的上面制作有兩個平面線圈9和四個載荷端子15，平面線圈9的中央端子處在導(dǎo)線12的端子的正上方，載荷端子15對 稱分布在線圈9的兩側(cè)。 觸點(diǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1、圖3所示，在線圈9的上面制作一層絕緣層IO，使驅(qū)動線 圈9與上層的結(jié)構(gòu)絕緣，并露出線圈電極13以及四個載荷端子15。四個載荷端子15組成 電極系統(tǒng)。在線圈絕緣層10的上面依次制作有靜觸點(diǎn)6、支座8、扭轉(zhuǎn)梁11和轉(zhuǎn)軸14。扭 轉(zhuǎn)梁11、支座8和轉(zhuǎn)軸14為電鍍的坡莫合金層，成"十"字形結(jié)構(gòu)，十字中心位于硅基板5 的正中央，扭轉(zhuǎn)梁11和轉(zhuǎn)軸14具有相同的厚度，支座8與轉(zhuǎn)軸14兩端連接，支座8與靜觸 點(diǎn)6和轉(zhuǎn)軸14厚度差形成繼電器的工作間隙。兩對靜觸點(diǎn)6對稱布置的扭轉(zhuǎn)梁11的兩端， 并與兩對載荷電極15 —一對應(yīng)連接，扭轉(zhuǎn)梁11轉(zhuǎn)動時其端部能夠與靜觸點(diǎn)接觸。 本實(shí)施例的工作原理如下 雙穩(wěn)態(tài)繼電器的工作過程，在兩對靜觸點(diǎn)上分別加載一個載荷，串聯(lián)的兩個驅(qū)動 線圈兩端施加一矩形脈沖，當(dāng)在串聯(lián)的兩個線圈施加一個正向的脈沖時，瞬時兩個驅(qū)動線 圈產(chǎn)生相反的電磁場，電磁場使扭轉(zhuǎn)梁朝一個方向磁化，磁化的扭轉(zhuǎn)梁在電磁場和永磁場 的合場中受到一順時針方向的扭矩那么在扭矩的作用下，扭轉(zhuǎn)梁繞著轉(zhuǎn)軸順時針旋轉(zhuǎn)，進(jìn) 而使左側(cè)的扭轉(zhuǎn)梁的一端與對應(yīng)一邊的靜觸點(diǎn)接觸，接通左側(cè)的加載的載荷，左側(cè)處于閉 合狀態(tài)另一側(cè)處于斷開狀態(tài)并且由永磁鐵保持這種狀態(tài)；反之在其驅(qū)動線圈施加反向的脈 沖是使扭轉(zhuǎn)梁受到逆時針方向的扭矩，進(jìn)而扭轉(zhuǎn)梁逆時針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)載荷導(dǎo)通，處于閉合狀 態(tài)，左側(cè)處于斷開狀態(tài)，由永磁鐵保持這種狀態(tài)。 雙穩(wěn)態(tài)電磁微繼電器的結(jié)構(gòu)如圖l所示，線圈的中心端子中心和導(dǎo)線的端子中心 必須要與線圈磁芯中心上下對正；制作線圈磁芯和鐵芯的硅杯刻蝕剩余厚度大約50微米。 觸點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，扭轉(zhuǎn)梁的長度應(yīng)超過線圈中心端子的外側(cè)100微米左 右，這樣可以使扭轉(zhuǎn)梁所受到的驅(qū)動力矩較大；扭轉(zhuǎn)梁的左右兩側(cè)分別與對應(yīng)的靜觸點(diǎn)左 右兩側(cè)對齊；成對的靜觸點(diǎn)之間的距離大約為200微米。
權(quán)利要求一種電磁雙穩(wěn)態(tài)微繼電器，其特征在于包括硅基板(5)、在硅基板(5)的下表面刻蝕的磁芯鐵芯系統(tǒng)、在硅基板的上面制作的驅(qū)動線圈系統(tǒng)、以及在驅(qū)動線圈系統(tǒng)上部布置的觸點(diǎn)系統(tǒng)；所述的磁芯鐵芯系統(tǒng)包括一個鐵芯(7)和兩個磁芯(2)，所述的鐵芯的中心與硅基板的中心重合，所述的兩個磁芯沿硅基板中心線的方向相對于鐵芯(7)對稱分布，所述的鐵芯(7)為在硅基板的下表面刻蝕出截面形狀為三角形的硅杯，在硅杯上鍍有坡莫合金層組成鐵芯(7)，兩個磁芯(2)的結(jié)構(gòu)和鐵芯(7)的結(jié)構(gòu)相同，磁芯(2)和鐵芯(7)之間也通過坡莫合金層連接；在鐵芯和磁芯的下面設(shè)置有起絕緣作用的保護(hù)層(3)，在保護(hù)層(3)的下面貼合有永磁鐵(1)；所述的驅(qū)動線圈系統(tǒng)包括兩個平面布置的驅(qū)動線圈(9)、連接驅(qū)動線圈的導(dǎo)線(12)和兩對載荷電極(5)；在硅基板(5)的上表面制作有一連接驅(qū)動線圈(9)的導(dǎo)線(12)，導(dǎo)線(12)的兩個端子分別位于兩個線圈磁芯(2)的正上方，整個導(dǎo)線(12)成“U”字形結(jié)構(gòu)，在去除導(dǎo)線(12)的兩個端子的上面制作有一層絕緣層(10)，在絕緣層(10)的上面制作有兩個平面線圈(9)和兩對載荷端子(15))，平面線圈(9)的中央端子處在導(dǎo)線(12)的端子的正上方，并與導(dǎo)線端子相導(dǎo)通，兩對載荷端子(15)分別對稱分布在兩個驅(qū)動線圈(9)的兩側(cè)；所述的觸點(diǎn)系統(tǒng)包括兩對靜觸點(diǎn)(6)、支座(8)、扭轉(zhuǎn)梁(11)和轉(zhuǎn)軸(14)；在線圈(9)的上面制作有絕緣層(10)，并露出線圈電極(13)和兩對載荷端子(15)，在絕緣層(10)的上面制作有兩對靜觸點(diǎn)(6)、支座(8)、扭轉(zhuǎn)梁(11)和轉(zhuǎn)軸(14)，扭轉(zhuǎn)梁(11)、支座(8)和轉(zhuǎn)軸(14)為電鍍的坡莫合金層，成“十”字形結(jié)構(gòu)，十字結(jié)構(gòu)的中心與硅基板(5)的中心重合，扭轉(zhuǎn)梁(11)和轉(zhuǎn)軸(14)具有相同的厚度，支座(8)與轉(zhuǎn)軸(14)兩端連接，支座(8)與靜觸點(diǎn)(6)和轉(zhuǎn)軸(14)厚度差形成繼電器的工作間隙，兩對靜觸點(diǎn)(6)對稱布置的扭轉(zhuǎn)梁(11)的兩端，并與兩對載荷電極(15)一一對應(yīng)連接，扭轉(zhuǎn)梁(11)轉(zhuǎn)動時其端部能夠與靜觸點(diǎn)接觸。
專利摘要本實(shí)用新型是一種雙穩(wěn)態(tài)電磁微繼電器，屬于制造技術(shù)領(lǐng)域。它采用了將驅(qū)動線圈系統(tǒng)、電極系統(tǒng)、觸點(diǎn)系統(tǒng)及其磁芯和鐵芯制作在半導(dǎo)體硅基板上，然后和永磁鐵進(jìn)行貼裝組合的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動線圈系統(tǒng)由驅(qū)動線圈、導(dǎo)線和組成，導(dǎo)線連接兩個平面驅(qū)動線圈中心電極。觸點(diǎn)系統(tǒng)由兩對靜觸點(diǎn)、扭轉(zhuǎn)梁、支座、轉(zhuǎn)軸組成，分布在芯片的正中央。磁芯和鐵芯是硅基板背面的三個刻蝕的面上鍍坡莫合金層的硅杯。本繼電器采用基本結(jié)構(gòu)一體式的結(jié)構(gòu)，克服了分體式結(jié)構(gòu)可靠性差，結(jié)構(gòu)精度低等弊端。本實(shí)用新型具有工藝簡單、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01H51/27GK201522974SQ20092024652
公開日2010年7月7日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者劉本東, 李德勝, 郭學(xué)平 申請人:北京工業(yè)大學(xué)