CN101013639A - 易于集成制造的磁双稳微机械继电器 - Google Patents
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Abstract
一种易于集成制造的磁双稳微机械继电器，属于电子元件技术领域。本发明包括：微驱动线圈、切换机构、固定触点，所述的微驱动线圈包括：微驱动线圈绕组、永磁体、软磁磁轭，软磁磁轭位于微驱动线圈绕组的中央、下方和四周，永磁体位于软磁磁轭下方，切换机构和固定触点制作在微驱动线圈表面。本发明降低了集成制造的难度，可以利用现有微电子工艺在基片的正面制作软磁磁轭、线圈绕组、固定触点及切换机构，在背面制作永磁体；利用永磁体来提供导通状态的保持力而无须继续对线圈继续通电，可以避免导通状态的不必要功率损耗、大大降低器件的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种继电器，特别是一种易于集成制造的磁双稳微机械继电器，属于电子元件技术领域。
背景技术
随着半导体技术不断进步，电子器件和产品集成度不断提高。然而，与电路中使用的IC芯片相比，一直以来继电器在微型化方面技术进步的速度远远不够，在许多场合下其体积和功耗已经成为相关系统进一步提高工作能力的瓶颈，传统机电式继电器微型化进程缓慢与它们的工作原理、设计形式和制造技术不能适应微型化集成制造有关。微机电系统(MEMS)技术提供了这样一种可能，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，这样就有可能将继电器技术纳入微电子芯片相似的技术路线，集中上述两个方面的优势，达到人们期望的理想效果，因此被认为是微型化机电继电器最具潜力的发展方向。鉴于此，基于静电驱动、电磁驱动和热驱动原理的多种微型MEMS继电器设计得到广泛研究，并取得了相当显著的进展。
静电驱动的MEMS微继电器功耗可以低到50μW，但是驱动电压一般在30-60V之间，高电压不但造成电源兼容性难题，而且会导致使用寿命和稳定性等问题，是静电型微继电器难以产业化的主要障碍之一；对于热驱动的微继电器而言，高功耗和低响应速度是其实用化必须克服的致命障碍；微电磁驱动有望从根本上克服上述缺点，但结构比较复杂，整体功耗也比较高。然而，随着设计和加工技术的不断进步，上述两个方面的缺点正在逐渐被克服和弥补。
经对现有技术文献的检索发现，H.Ren在《Sensors and Actuators》(传感器与执行器)A，Vol58，1997，259～264撰文“Design and fabrication ofa current-pulse-excited bistable magnetic microactuator(电流脉冲触发的双稳态磁微驱动器的设计和加工)”，提出了一种平面结构的磁双稳态设计。由永磁体，悬臂梁，软磁回路共同构成磁路，借助于驱动线圈中通电方向的变化，可以调节磁路中的磁通量分配，从而在悬臂梁上产生偏置力，使其向一侧弯曲，当悬臂梁与某一侧磁极吸合后，断开激励电流，借助于永磁体产生的磁动势可以保持该状态不变。施加一个相反方向的脉冲电流，即可释放被吸住的悬臂梁，并使其与另一侧磁极吸合，同样实现断电姿态保持。该设计虽然有望实现双稳态微机械继电器，但其中包含精密机械和微细加工两类部件，与传统继电器结构和制造工艺复杂的缺点相似，难以实现集成制造。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种易于集成制造的磁双稳微机械继电器，使其满足功耗、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：驱动线圈、切换机构、固定触点，切换机构和固定触点设置在驱动线圈表面。
所述的驱动线圈包括：微驱动线圈绕组、永磁体、软磁磁轭，软磁磁轭位于微驱动线圈绕组的中央、下方和四周，永磁体位于软磁磁轭下方。
所述的微驱动线圈绕组、软磁磁轭集成在一起。
所述的切换机构包括：微悬臂梁、软磁衔铁、导通触点，软磁衔铁设置在微悬臂梁表面，导通触点设在软磁衔铁表面、通过线圈表面上的微悬臂梁悬挂在固定触点的上方。微悬臂梁、固定触点与线圈绕组、软磁磁轭之间通过绝缘材料隔开。
所述的软磁磁轭与软磁衔铁之间、导通触点和固定触点之间存在气隙。软磁衔铁可以相对于软磁磁轭上下移动或转动，从而使导通触点和固定触点之间产生导通与断开操作。
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。
本发明所述驱动线圈中的软磁磁轭可以减小磁路中的漏磁。切换机构中的微悬臂梁一方面将导通触点悬挂在固定触点上方，另一方面提供导通触点脱离固定触点所需的弹性回复力。
磁力的大小与软磁衔铁与软磁磁轭之间的气隙有关，在继电器处在断开状态时，气隙较大，磁力很小，单靠永磁体的磁力不足以克服微悬臂梁内的弹性变形力，将软磁衔铁下拉到导通位置，在继电器处在导通状态时，气隙较小，磁力很大，此时永磁体的磁力大于导通状态下悬臂梁内部的弹性变形力，因此无需在微驱动线圈中通电流，仅靠永磁体的磁力就能使继电器保持在导通状态。
另一方面，通过将永磁体置于软磁磁轭的下方，作用在软磁衔铁上的磁力取决于永磁体产生的磁通量与微驱动线圈绕组产生的磁通量的迭加后产生的总磁通量，改变微驱动线圈绕组中电流流过的方向，就可以使迭加后的总磁通量增加或减少，当总磁通量增加时，作用在软磁衔铁上的磁力增加，当总磁通量减少时，作用在软磁衔铁上的磁力减少。
本发明通过将永磁体置于软磁磁轭的下方，因此可以利用集成制造的微驱动线圈来改变磁路中总磁通量的大小，使磁力增加或减小，从而利用磁力和微悬臂梁变形产生的弹性变形力之间的此消彼涨，使继电器在导通与断开两种状态间切换并保持，构成易于集成制造的磁双稳微机械继电器。软磁磁轭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。当继电器处在断开状态时，气隙较大，磁力很小，单靠永磁体的磁力不足以克服微悬臂梁内的弹性变形力，将软磁衔铁下拉到导通位置，当需要将继电器由断开状态切换至导通状态时，在微驱动线圈绕组中通驱动电流，使迭加后的总磁通量增加、作用在软磁衔铁上的磁力增加，足以克服微悬臂梁中的机械变形力，将软磁衔铁下拉到导通位置，从而将继电器由断开状态切换至导通状态，当继电器处在导通状态时，气隙较小，磁力很大，此时永磁体的磁力大于导通状态下悬臂梁内部的弹性回复力，因此无需在微驱动线圈中通电流，仅靠永磁体的磁力就可以使继电器保持在导通状态。因此只需在切换过程中在微驱动线圈绕组中通驱动电流，在状态保持阶段无需通电。
当需要将继电器由导通状态切换至断开状态时，可以在微驱动线圈绕组中通驱动电流时，使电流方向与断开至导通阶段的通电方向相反，从而使迭加后的总磁通量减少，作用在软磁衔铁上的磁力减少，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软磁磁轭和永磁体，继电器被切换并保持在断开状态；回到断开状态后，由于气隙较大，磁力较小，与微悬臂梁内的弹性变形力相比，磁力很小，单靠微悬臂梁内的弹性变形力就足以将触点位置保持在断开状态，因此只需在切换过程中在微驱动线圈绕组中通驱动电流，在状态保持阶段无需通电。从而实现双稳态的保持和切换。
本发明的有益效果是：首先降低了集成制造的难度，由于现有的微电子工艺还难以在基片的同一面实现永磁材料和软磁磁轭、线圈绕组、固定触点及切换机构的集成制造，通过将永磁体置于软磁磁轭的下方，在制作微驱动线圈时，可以利用现有微电子工艺在基片的正面制作软磁磁轭、线圈绕组、固定触点及切换机构，在背面制作永磁体，从而为批量化制造提供了可行的方法。另一方面，利用永磁体来提供导通状态的保持力而无须继续对线圈继续通电，可以避免导通状态的不必要功率损耗、大大降低器件的功耗。
附图说明
图1为本发明结构示意图
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：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：驱动线圈1、切换机构2、固定触点3，切换机构2和固定触点3制作在驱动线圈1表面。
所述的驱动线圈1包括：微驱动线圈绕组4、永磁体5、软磁磁轭6，软磁磁轭6位于微驱动线圈绕组4的中央、下方和四周，永磁体5位于软磁磁轭6下方。
所述的微驱动线圈绕组4、软磁磁轭6集成在一起。
所述的切换机构2包括：微悬臂梁7、软磁衔铁8、导通触点9，软磁衔铁8制作在微悬臂梁7表面，导通触点9制作在软磁衔铁8表面、通过线圈1表面上的微悬臂梁7悬挂在固定触点3的上方。微悬臂梁7、固定触点3与线圈绕组4、软磁磁轭6之间通过绝缘材料隔开。
所述的软磁磁轭6与软磁衔铁8之间、导通触点9和固定触点3之间存在气隙10。软磁衔铁8可以相对于软磁磁轭6上下移动或转动，从而使导通触点9和固定触点3之间产生导通与断开操作。
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 (6)
1.一种易于集成制造的磁双稳微机械继电器，包括：驱动线圈(1)、切换机构(2)、固定触点(3)，其特征在于，所述的驱动线圈(1)包括：微驱动线圈绕组(4)、永磁体(5)、软磁磁轭(6)，软磁磁轭(6)位于微驱动线圈绕组(4)的中央、下方和四周，永磁体(5)位于软磁磁轭(6)下方，切换机构(2)和固定触点(3)设置在驱动线圈(1)表面。
2.根据权利要求1所述的磁双稳微机械继电器，其特征是，所述的微驱动线圈绕组(4)、软磁磁轭(6)集成在一起。
3.根据权利要求1所述的磁双稳微机械继电器，其特征是，所述的切换机构(2)包括：微悬臂梁(7)、软磁衔铁(8)和导通触点(9)，软磁衔铁(8)设置在微悬臂梁(7)表面，导通触点(9)设置在软磁衔铁(8)表面、通过微悬臂梁(7)悬挂在固定触点(3)的上方。
4.根据权利要求3所述的磁双稳微机械继电器，其特征是，所述的微悬臂梁(7)、固定触点(3)与线圈绕组(4)、软磁磁轭(6)之间通过绝缘材料隔开。
5.根据权利要求1或3所述的磁双稳微机械继电器，其特征是，所述的软磁磁轭(6)与软磁衔铁(8)之间、导通触点(9)和固定触点(3)之间存在气隙(10)。
6.根据权利要求1或2或4所述的磁双稳微机械继电器，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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