CN101138060A - 具有电磁控制的微系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微系统，包括：磁性微致动器(2，2”)，具有活动元件，该活动元件由基板(3)支承并且受到磁效应的控制在第一位置和第二位置之间移动从而开关至少一个电路；由此，永磁体或电磁体使该活动元件经受第一均匀磁场(B0)的作用从而将其保持在第一位置；以及在基板(3)外部的激励线圈(4，6)，所述激励线圈(4，6)能够在通电时使活动元件经受第二磁场(BSi)的作用，从而使活动元件从第一位置移动到第二位置，激励线圈是螺线管类型的并且其环绕支承该活动元件的基板。

Description

具有电磁控制的微系统
技术领域
本发明涉及一种包括借助外部激励线圈致动的至少一个磁性微致动器的微系统。这种微系统可用作电中断器，尤其是开关、接触器或继电器类型。这种类型的微系统尤其适于在MEMs技术中生产。
背景技术
文件US 6 320 145记载一种静电继电器。该继电器借助可磁化的和单稳态杆进行操作。在磁场的作用下，该杆弯曲，从而趋向于沿该磁场方向对齐以及闭通电路。由于该杆采用弹性材料制成，所以当不存在磁场/杆相互作用时该杆仅通过机械作用返回到其初始位置。该杆上的将其恢复至初始位置的恢复力因此属于纯机械来源并且仅仅通过用于制造该杆的材料的本质以及相关元件的几何结构产生。
专利US 6 469 602和US 6 750 745记载一种使用双稳态可磁化杆在断开或闭通电路的两个位置之间的移动的磁性微继电器。该杆的移动借助电磁体致动。当该杆处于第一位置时，电路断开，当该杆处于第二位置时，电路闭通。当该杆处于其第二位置时，电路通过由该杆提供的与位于基板上的固定触头接触的触头而闭通。在停止位置，该杆处于其第一位置，电路因此断开。通过永磁体产生的可磁化杆上的磁场对该停止位置进行保持。当电磁体被激励时，其产生第二磁场，该磁场的导向使得该杆从其第一位置转换到第二位置。一旦该杆处于其第二位置，那么电磁体不活动，并且该杆在永磁场的作用下被保持在该第二位置。
在专利US 6 750 745中，可将若干相同的微致动器设置在一个和相同的基板上并且因此可通过电磁体瞬间致动。在该专利中，线圈是扁平线圈并且集成入该基板中。微致动器设置在扁平线圈的各个面上。虽然这种装置可使若干致动器通过单一线圈瞬时致动，但是其具有许多缺点。这些缺点如下：
-使用集成入基板的平面线圈增加了每个微致动器所需的平均基板面积，由此产生了对应于每个微致动器的额外成本；
-将线圈集成入基板增加了平面制造过程的步骤，由此减小了生产效率并且产生了对应于每个微致动器的额外成本；以及
-集成入基板的线圈的电阻通过焦耳作用将用于激活微致动器的一些能量转换为热量，该热量在基板中和电极中消散。这一产生热量的后果是降低用作开关、接触器或继电器的微致动器的电性能。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种消除上述缺点的微系统，该系统设计简单、成本适中并且必要时可包括大量的微致动器。
这一目的通过下述微系统实现，该微系统包括：
-磁性微致动器，具有活动元件，该活动元件由基板支承并且受到磁效应的控制，能够在第一位置和第二位置之间移动从而开关至少一个电路；
-永磁体或电磁体，使该活动元件经受第一磁场的作用从而将其保持在第一位置；以及
-在基板外部的激励线圈，所述激励线圈能够在通电时使活动元件经受第二磁场的作用，从而使活动元件从第一位置移动到第二位置，
其特征在于：
-激励线圈是螺线管类型的并且其环绕支承该活动元件的基板。
根据本发明，微致动器因此位于螺线管线圈的中心。与上述专利的教导相反，根据本发明，线圈位于基板外部，也就是说，不是集成入其中的。这可消除上述一些缺点。通过印刷电路技术、通过缠绕铜线或者任何其他的三维封装方案制造外部线圈不具有集成线圈的缺点，并且这些技术的生产效率是受到很好的控制的。
根据一项特征，该活动元件包括安装在基板上的隔膜，其具有纵向轴线并且能够沿着垂直于纵向轴线的轴线在各种位置之间枢转，所述隔膜具有至少一层由磁性材料制成的层。
在现有技术中，借助例如粘和至基板的永磁体产生磁场。在现有技术的微系统的组装期间，一个步骤包括相对于微致动器正确地定位永磁体，使得由磁体产生的磁场对于微致动器的活动元件产生所需的作用。根据本发明，间隙间的第一产生磁场是均匀的，使用这一间隙可免除组装期间的这一步骤。
如公知的那样，该间隙中产生的第一磁场是均匀的并且其定向为垂直于支承微致动器的基板的表面。该第一磁场沿其轴线在隔膜中产生磁分量。由该磁场和隔膜中的磁分量产生的磁力矩使得后者保持在一个位置。由激励线圈产生的第二磁场垂直于第一磁场的方向。该第二磁场在与由磁场产生的第一分量相对的轴线上在隔膜中产生磁分量。如果该新磁分量具有更大的幅值，那么隔膜枢转至其另一位置。
根据另一特征，螺线管类型的激励线圈延其长度具有可变密度的匝数。
根据另一特征，激励线圈的每一端具有更大量的匝数。这使得在螺线管中产生的第二轴向磁场均匀，因此增加螺线管的有用容积。
根据另一特征，用于产生第一磁场的磁路的磁源是永磁体或电磁线圈。
根据另一特征，基板经受均匀磁场，其场线沿着非垂直于由基板的支承磁性微致动器的表面限定的平面的方向。这种构造可增加隔膜上的磁力矩，因此增加微致动器的接触力。此外，与这一倾斜关联的另一优势在采用MEMs(微电子机械系统)技术制造微系统的过程中清楚地体现出来，由于在这种情况下，微致动器隔膜的倾斜通过将微系统设置在产生均匀场的磁通路中而得以保证，而不是通过牺牲层的厚度。位于隔膜和基板之间的牺牲层因此可以较薄。
根据本发明，微系统控制两个电路的断开和闭通。
根据本发明，微系统可至少部分地采用MEMs类型技术制造。
根据一项非常有利的实施例，基板支承多个相同的磁性微致动器，所述多个磁微致动器能够由所述激励线圈瞬时致动。因此，环绕基板的只一个螺线管类型的激励线圈作用在微致动器矩阵上。该矩阵位于螺线管线圈的中心。例如，微致动器是经由电迹(track)连接的并且串联布置从而增加绝缘电压或者平行布置从而减小电流强度的微继电器。
附图说明
其他特征和优势将在随后参照实施例说明的详细说明中变得清楚，其中：
-图1示出根据本发明一项具体实施例的微系统的透视图；
-图2A和2B示出根据可用在根据本发明的微系统中的两个变形实施例的微致动器的透视图；
-图3A至3C示出用于使微致动器的活动元件进行枢转的各种实施步骤的侧视图；
-图4A和4B示出位于磁通路的两个间隙部件之间的根据本发明的微系统；
-图5A和5B示出用于改善微致动器的接触力的两项实施例；
-图6以简化的方式示出可用于根据本发明的微系统的螺线管线圈的绕组匝数的实例；
-图7示出用于致动两个电路的根据本发明的微系统的操作。
具体实施方式
本发明将参照图1-7进行说明。
如上述现有技术所述，根据本发明的微系统使用磁性微致动器2、2’控制电路的断开或闭通。
参照图2A和2B，微系统包括由基板3支承的微致动器2、2’。该基板3例如采用诸如玻璃、塑料或者为了施加电力而应用的基于硅或陶瓷的良性热导体的材料进行制造。基板3具有固定有微致动器2、2’的平表面30。如公知的那样(参见专利申请US 2002/0140533)，基板3承载例如至少两个用于电连接从而闭通电路的电极31、32(图2A和2B)。为了实现这一目的，磁性微致动器2、2’承载至少一个活动触头21、21’，当微致动器2、2’被激活时，所述活动触头能够电连接两个电极31、32。
在图2A所示的第一实施例变化方案中，微致动器2包括活动元件，该活动元件具有隔膜20，例如平行六面体的隔膜，具有纵向轴线(A)并且经由其端部之一连接至锚定安装件23，该锚定安装件经由两个平行连接臂22a、22b固紧至基板3。触头21例如形成在隔膜20上接近隔膜20的自由端并且面对基板3的表面30。
隔膜20能够借助这两个连接臂22a、22b围绕与由隔膜20与电极31、32的接触点所示的轴线平行的轴线(P)相对于基板3枢转，该轴线(P)平行于基板的表面(30)并且垂直于其纵向轴线(A)。连接臂22a、22b形成隔膜20与锚定安装件23之间的弹性连接。在这种构造中，隔膜20通过连接臂22a、22b的弯曲而进行枢转。如图2A所示，在所谓的臂22a、22b没有受应力的平衡位置处，隔膜20平行于由基板3的表面30形成的平面。
在图2B所示的第二实施例的变形方案中，可用在根据本发明的微系统中的微致动器2’包括活动元件，该元件具有刚性隔膜，例如具有纵向轴线(A’)的平行六面体隔膜。参照图2B，该隔膜20’经由两个连接臂22a’、22b’固紧至基板3，这两个连接臂将所述隔膜20’连接至两个锚定安装件23a’、23b’，这两个锚定安装件对称地位于隔膜20’的任一侧上并且相对于轴线(A’)对称。活动触头21’例如形成在隔膜20’上接近隔膜20’的端部并且面对基板3的表面30。
隔膜20’能够借助这两个连接臂22a’、22b’围绕与由隔膜20’与电极31、32的接触点所示的轴线平行的轴线(P’)相对于基板3枢转，该轴线(P’)平行于基板的表面(30)并且垂直于隔膜(20’)的纵向轴线(A’)。优选地，在该变形实施例中，隔膜20’的所述枢转轴线(P’)相对于平行中轴线偏移，由此可在隔膜20’的枢转轴线(P’)的任一侧上限定不同列的两个分离部件。隔膜20’的较大部件的自由端承载用于闭通电路的触头21’。
连接臂22a’、22b’形成隔膜20’与其相关的锚定安装件23a’、23b’之间的弹性连接。在这种构造中，隔膜20’因此可通过连接臂22a’、22b’的扭转而进行枢转。也可适当地采用其他构造。如图2B所示，在各臂没有受应力的所谓平衡位置处，隔膜20’平行于由基板3的表面30形成的平面。
微致动器2、2’的两项变形实施例可完美地用在根据本发明的微系统中。下面既说明了根据第一实施例变形方案的微致动器也说明了根据第二实施例变形方案的微致动器。
在本发明中所述的微致动器2、2’可通过MEMS平面复制技术制造。这是因为在重复的过程中通过沉积连续的层而进行生产有助于生产这些物件。在这种情况下，隔膜20、20’和臂22a、22b、22a’、22b’可采用相同的材料层制成。但是，在其他构造中，连接臂22a、22b、22a’、22b’和隔膜20、20’的下层可采用金属层制成。敏感于磁场的材料层沉积在该金属层上从而产生隔膜20、20’的上部。这种构造允许连接臂22a、22b、22a’、22b’的机械属性通过使用机械特性比敏感于磁场的材料更适合的材料进行优化以使隔膜20、20’枢转。另外，金属层可用作闭通电路的触头。敏感于磁场的材料例如是软磁性的并且可以是例如铁镍合金(坡莫合金，Ni80Fe20)。
本发明的原理将在下文结合图2A所示的微致动器的第一实施例进行说明，但是应该理解，其可应用于根据图2B所示的第二实施例的微致动器中。
参照图1和3A至3C，可通过使隔膜20经受由螺线管或平面式外部激励线圈产生的磁场而使隔膜20围绕其枢转轴线(P)枢转。隔膜20因此能够采用两个分离的极限位置。参照图3A至3C，其中只示出致动器的第一实施例，在第一极限位置(图3A和3B)，承载触头21的隔膜20的端部被提升并且没有压靠电极31、32。因此，电路断开。在该第二极限位置(图3C)，承载触头21的隔膜20的端部压靠电极31、32。在该第二位置，电路闭通。
根据本发明，将优选为尽可能均匀的第一磁场B0施加至承载微致动器2的基板3。该第一磁场B0具有垂直于基板的表面30的场线。如图3A至3C所示，该第一磁场B0的场线方向朝向基板3的表面30。该第一磁场B0可通过磁体或电磁体产生。具有永磁体5或电磁线圈5’作为磁场源的磁路可用于产生该第一磁场B0。如图4A和4B所示，该磁通路由永磁体5(图4A)或电磁线圈5’(图4B)以及平行于和位于永磁体5或线圈5’的任一侧上的两个间隙部件50、51组成，在所述间隙部件之间，产生第一磁场B0。这种磁通路可用于在间隙中产生第一均匀磁场B0。
如图1所示的螺线管类型的外部激励线圈4连接至电流源，并且环绕基板3和由基板3支承的微致动器2，从而控制隔膜20在其两个位置之间进行移动。因此，微致动器2位于激励线圈4的中心，处于其中间通道。激励线圈4中的电流使得隔膜20从其中一个位置枢转至另一个位置。流过激励线圈4的电流的方向确定隔膜20是否朝向其一个极限位置或另一极限位置枢转。为了简化以及检查的方便，激励线圈4没有在图3A至3C中示出。但是，必须指出的是，在这些图中，激励线圈4都如图1所示环绕微致动器。
支承微致动器2的以及由螺线管激励线圈环绕的基板3在第一磁场B0的作用下定位，例如处于结合图4A和4B描述的磁场的间隙中。如图3A所示，第一磁场B0初始在隔膜20中沿着其纵向轴线(A)产生磁分量BP0。由磁场B0得到的和由隔膜20中产生的分量BP0得到的磁力矩将隔膜20保持在其极限位置之一，例如在第一位置(图3A)或在第二位置(图3C)。在第一位置，隔膜20的接触部分因此被提升，电路断开。在第二位置，由隔膜20承载的触头21电连接两个电极31、32，电路闭合。
考虑隔膜20初始处于第一位置(图3A)，采用下述方式转换至第二位置：
参照图3B，在环绕基板3的螺线管激励线圈4中沿限定方向的电流产生第二磁场BS1，该磁场的方向平行于基板3并且垂直于隔膜20的枢转轴线(P)，其方向取决于输送至激励线圈4的电流的方向。由激励线圈4产生的第二磁场BS1沿着纵向轴线(A)在隔膜20的磁性层中产生磁分量BP1。如果电流沿着适当方向输送，那么该新磁性分量BP1与在隔膜20的磁性层中由磁场B0产生的分量BP0相对。如果由激励线圈4产生的分量BP1强度高于磁场B0产生的强度，那么由磁场B0和该分量BP1产生的磁力矩反向，使得隔膜20从其第一位置枢转至其第二位置。
一旦隔膜20枢转，那么就不再必要为激励线圈4供电。根据本发明，由磁力线圈4产生的第二磁场BS1只是瞬时磁场并且仅用于使隔膜20从一个位置枢转至另一位置。如图3C所示，隔膜20然后只在第一磁场B0的作用下保持在其第二位置，在隔膜20中产生新的磁分量BP2。在第一磁场B0与在隔膜20中产生的分量BP2之间产生的新磁力矩使得隔膜20保持在其第二位置。
一旦隔膜20已经枢转至其第二位置，那么由隔膜20承载的触头21电连接位于基板3上的两个电极31、32。因此，闭通电路。
为了断开电路，隔膜20必须再次枢转至其第一位置。电流沿与上述方向相反的方向输送至激励线圈4。由激励线圈4产生的磁场因此沿相反的方向导向至先前的磁场BS1。该磁场沿着纵向轴线(A)在隔膜20中产生与分量BP2相反的磁分量。如果该新磁分量的强度高于分量BP2，那么由第一磁场B0和该新磁分量产生的磁力矩使得隔膜20转换至其第一位置。
输送至激励线圈4中从而使隔膜20枢转的电流的强度取决于构成激励线圈4的匝数的数量以及沿着激励线圈4的磁场的强度。
根据本发明，参照图6，螺线管激励线圈4的匝数40的密度沿着其长度改变。激励线圈4端部的匝数40的数量大于中心处的匝数。在螺线管中产生的磁场因此在激励线圈4的整个长度上都很均匀。由激励线圈4产生的磁场(例如，在图3B中BS1)的高度均匀性可增加螺线管中的有用容积。
根据本发明，螺线管类型的激励线圈4可通过印刷电路技术或铜线绕组技术制造。
根据本发明，为了改善隔膜20与基板3之间的接触力，在第一磁场B0与在隔膜20中产生的分量之间存在的磁力矩增加。这样，第一磁场B0的方向与基板3的表面30之间的角度x发生变化(参见图5A和5B)。该角度x必须不同于90°。场线方向与支承微致动器的基板的表面30之间的角度x可通过使基板3相对于永磁场的方向倾斜(图5A)或通过使两个间隙部件50、51具有在间隙中产生以与基板3的表面30成角度x倾斜的方向的磁场的特定形状(图5B)来进行固定。参照图5B，每个间隙部件可形成斜面，或者在其他实施例(未示出)中，这些部件50、51的每个可弯折。
根据图7所示的变形实施例，根据本发明的磁系统用于控制两个分离的电路。根据该实施例，第一基板3a承载第一电路的电极31a和第二基板3b，例如，位于第一基板3a上方以及平行于该基板，承载第二电路的电极31b。当隔膜处于正常状态时，电极31a、31b相对于根据本发明的微致动器2的隔膜20的纵向轴线(A)对称设置。两个基板例如经由连接元件5连接。根据本发明的微致动器2固紧至基板3a、3b的至少一个。枢转隔膜20因此可在两个极限位置之间枢转，从而在其极限位置的每个处闭通电路的一个或另一个。在平衡位置(如图7中的实线所示)，两个电路断开并且隔膜20平行于两个基板3a、3b。在第一极限位置(如图7中的虚线所示)，隔膜20与第一电极31a接触从而闭通第一电路，而在其第二、相对、极限位置(如图7的虚线所示)，隔膜20与第二电极31b接触从而闭通第二电路。
根据本发明，根据本发明的微系统可包括多个如上所述相同的微致动器2、2’，形成位于螺线管激励线圈4中心处的矩阵。采用来自螺线管激励线圈4的激活产生的相同致动能量，串联或平行布置的大量磁性微致动器2、2’可瞬间被致动。微致动器2、2’例如沿着若干平行排布置。因此，通过为激励线圈4、6供电，一排或几排的所有微致动器2、2’可被瞬时致动。
当然，在不脱离本发明的范围的情况下，可想象采用其他实施例和详细的改进以实现等同的装置。

Claims (12)

1.一种微系统，包括：
-磁性微致动器(2，2’)，具有活动元件，该活动元件由基板(3)支承并且受到磁效应的控制，能够在第一位置和第二位置之间移动从而开关至少一个电路；
-永磁体或电磁体，使该活动元件经受第一磁场(B0)的作用从而将其保持在第一位置；以及
-在基板(3)外部的激励线圈(4，6)，所述激励线圈(4，6)能够在通电时使活动元件经受第二磁场(BS1)的作用，从而使活动元件从第一位置移动到第二位置，
其特征在于：
-激励线圈是螺线管类型的并且其环绕支承该活动元件的基板。
2.根据权利要求1所述的微系统，其特征在于，该活动元件包括安装在基板(3)上的隔膜(20，20’)，其具有纵向轴线(A，A’)并且能够沿着垂直于纵向轴线(A，A’)的轴线(P，P’)在各种位置之间枢转，所述隔膜(20，20’)具有至少一层由磁性材料制成的层。
3.根据权利要求1或2所述的微系统，其特征在于，第一磁场(B0)是均匀的并且其定向垂直于其上安装有活动元件的基板(3)的平面表面(30)。
4.根据权利要求1至3任一项所述的微系统，其特征在于，支承微致动器(2，2”)的基板(3)位于具有能够产生第一磁场(B0)的磁源和间隙(50，51)的磁通路中。
5.根据权利要求4所述的微系统，其特征在于，磁源是永磁体(5)。
6.根据权利要求4所述的微系统，其特征在于，磁源是电磁线圈(5’)。
7.根据权利要求1至6任一项所述的微系统，其特征在于，激励线圈(4)延其长度具有可变密度的匝数(40)。
8.根据权利要求7所述的微系统，其特征在于，激励线圈(4)的每一端具有更大量的匝数(40)。
9.根据权利要求1至8任一项所述的微系统，其特征在于，第一磁场(B0)具有场线，所述场线沿着非垂直于由基板(3)的支承磁性微致动器(2，2’)的表面(30)限定的平面的方向。
10.根据权利要求1至9任一项所述的微系统，其特征在于，其控制两个电路的断开和闭通。
11.根据权利要求1至10任一项所述的微系统，其特征在于，其采用MEMs类型技术制造。
12.根据权利要求1至11任一项所述的微系统，其特征在于，基板(3)支承多个相同的磁性微致动器(2，2’)，所述多个磁微致动器能够由所述激励线圈(4)瞬时致动。
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