CN100414651C - 集成永磁双稳态微电磁驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种属于精密机械技术领域集成永磁双稳态微电磁驱动器，本发明包括：衬底、定子、动子，所述的定子包括：微驱动线圈绕组、永磁体、软磁磁轭，永磁体位于微驱动线圈绕组中央，软磁磁轭位于微驱动线圈绕组的下方和四周，软磁磁轭位于永磁体下方，定子和动子固定在衬底上。本发明满足微型光开关等器件对微驱动器在行程、驱动力、响应时间、功耗、集成制造等方面的综合要求。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种驱动器，特别是一种集成永磁双稳态微电磁驱动器，属于精密机械技术领域。
背景技术
基于MEMS技术的光开关、微继电器和射频开关等器件分别是应用于未来全光通信网、先进仪器仪表和控制系统、相控阵雷达与移动通信等领域的基础性关键器件。这类器件通常工作在开、关状态，驱动行程在10微米至100微米，驱动力为毫牛顿量级、响应时间在毫秒至微秒量级，要求低功耗。静电驱动由于工作电压高、驱动力和输出行程较小，难以满足上述要求。微电磁驱动有望从根本上克服上述缺点，但需解决功耗和集成制造问题，以及如何进一步优化器件动态响应时间等性能指标。目前，在光开关、微继电器、射频开关等器件研究领域，微电磁驱动正受到越来越多的关注，国内外相关机构纷纷开展研究，研发基于微电磁作用原理，适用于上述领域的微驱动方法及实现方式。
经对现有技术文献的检索发现，Lionet HouLet等人在《IEEE JOURNAL ONSELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS》(量子电子学报)VOL.8，NO.1，58～63，JANUARY/FEBRUARY 2002，撰文“Movable Vertical Mirror Arraysfor Optical Microswitch Matrixes and Their Electromagnetic Actuation(用于光开关矩阵的可动垂直镜阵列及其电磁驱动)”，该文介绍的微电磁驱动器阵列采用SU-8厚胶工艺制作电铸微线圈和软磁材料的掩模，该设计实现了微电磁驱动器阵列的集成制造，但由于没有引入双稳态机制，难以解决状态保持阶段的功耗问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种集成永磁双稳态微电磁驱动器，使其满足微型光开关等器件对微驱动器在行程、驱动力、响应时间、功耗、集成制造等方面的综合要求。
本发明是根据以下技术方案实现的，本发明包括：衬底、定子、动子，所述的定子包括：微驱动线圈绕组、永磁体、软磁磁轭，永磁体位于微驱动线圈绕组中央，软磁磁轭位于微驱动线圈绕组的下方和四周，软磁磁轭位于永磁体下方，定子和动子固定在衬底上。
所述的微驱动线圈绕组、中央永磁体、软磁磁轭集成在一起。
所述的动子包括：微悬臂梁和软磁衔铁，软磁衔铁通过衬底上的微悬臂梁固定在软磁磁轭、永磁体的上方。
所述的软磁磁轭、永磁体与软磁衔铁之间存在气隙。软磁衔铁可以相对于软磁磁轭、永磁体上下移动或转动。
所述的微驱动线圈绕组由方形或圆形的多层螺旋金属线圈组合构成，线圈组合之间设有绝缘材料。
定子和动子通过衬底固定在一起，通过将永磁体置于微驱动线圈绕组的中央，改变定子中的微驱动线圈绕组中电流流过的方向，就可以改变作用在微驱动线圈绕组中央的永磁体的外加磁场的方向，当外加磁场对永磁体充磁时，可以使永磁体位于高工作点，产生强大的磁场力，当外加磁场对永磁体退磁时，可以使永磁体位于低工作点，输出的磁场力大大减小。定子中的软磁磁轭可以减小磁路中的漏磁。动子中的微悬臂梁一方面将软磁衔铁固定在定子上方，另一方面提供软磁衔铁脱离吸合状态所需的弹性回复力。
本发明通过将永磁体置于微驱动线圈绕组的中央，因此可以利用集成制造的微驱动线圈来改变永磁体的工作点，使永磁体产生的磁场力增加或减小，从而利用永磁体产生的磁性力和微驱动器内部的微悬臂梁变形产生的弹性变形力之间的此消彼涨，实现状态切换和保持，构成易于模块化的新型微电磁驱动器。软磁磁轭、永磁体与其上方的软磁衔铁之间存在气隙。软磁衔铁可以相对于软磁磁轭、永磁体上下移动或转动。通过改变微驱动线圈绕组中的驱动电流的方向，可以使永磁体位于不同的磁性工作点。当向线圈某一方向通电很短时间再断电，对于永磁体进行脉冲充磁，可以使永磁体位于高工作点，产生强大的磁场力，克服微悬臂梁中的机械变形力，使软磁衔铁向下运动并被永磁体牢牢吸住，驱动器被切换并保持在吸合状态；当向反方向通电很短时间再断电，可以使永磁体退回低工作点，磁场力最小，远小于微悬臂梁中的机械变形力，则软磁衔铁在微悬臂梁机械变形力的作用下远离永磁体，回到初始位置，驱动器被切换并保持在释放状态；从而实现双稳态的保持和切换。
本发明的有益效果是：首先本发明通过将永磁体置于微驱动线圈绕组的中央，一方面，可以将状态保持磁路与状态切换磁路合二为一，通过改变永磁体的工作点实现状态保持磁路与状态切换磁路之间的转换，从而使器件结构更加紧凑，便于进一步降低器件体积。也便于模块化设计以构成不同类型的器件。另一方面，利用永磁体来提供吸合保持力而无须继续对线圈继续通电，可以避免吸合阶段的不必要功率损耗、大大降低器件的功耗。其次是上述驱动器磁路中，定子和动子各构件集成制造在一起，继承了集成电路工艺大批量制作的优点，能够大大降低微驱动器的体积和成本。
附图说明
图1为本发明结构示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：衬底1、定子2、动子3，所述的定子2包括：微驱动线圈绕组4、永磁体5、软磁磁轭6，永磁体5位于微驱动线圈绕组4中央，软磁磁轭6位于微驱动线圈绕组4的下方和四周，软磁磁轭6位于永磁体5下方，定子2和动子3固定在衬底1上。
所述的微驱动线圈绕组4、中央永磁体5、软磁磁轭6集成在一起。
所述的动子3包括：微悬臂梁7和软磁衔铁8，软磁衔铁8通过衬底1上的微悬臂梁7固定在软磁磁轭6、永磁体5的上方。
所述的软磁磁轭6、永磁体5与软磁衔铁8之间存在气隙9。软磁衔铁8可以相对于软磁磁轭6、永磁体5上下移动或转动。
所述的微驱动线圈绕组4由方形或圆形的多层螺旋金属线圈组合构成，线圈组合之间设有绝缘材料。
Claims (4)
1. 一种集成永磁双稳态微电磁驱动器，包括：衬底(1)、定子(2)、动子(3)，其特征在于，所述的定子(2)包括：微驱动线圈绕组(4)、永磁体(5)、软磁磁轭(6)，永磁体(5)位于微驱动线圈绕组(4)中央，软磁磁轭(6)位于微驱动线圈绕组(4)的下方和四周，软磁磁轭(6)位于永磁体(5)下方，定子(2)和动子(3)固定在衬底(1)上；
所述的动子(3)包括：微悬臂梁(7)和软磁衔铁(8)，软磁衔铁(8)通过衬底(1)上的微悬臂梁(7)固定在软磁磁轭(6)、永磁体(5)的上方。
2. 根据权利要求1所述的集成永磁双稳态微电磁驱动器，其特征是，所述的微驱动线圈绕组(4)、中央永磁体(5)、软磁磁轭(6)集成在一起。
3. 根据权利要求1或2所述的集成永磁双稳态微电磁驱动器，其特征是，所述的永磁体(5)、软磁磁轭(6)与软磁衔铁(8)之间存在气隙(9)。
4. 根据权利要求1或2所述的集成永磁双稳态微电磁驱动器，其特征是，所述的微驱动线圈绕组(4)由方形或圆形的多层螺旋金属线圈组合构成，线圈组合之间设有绝缘材料。
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