CN102044380A - 一种金属mems电磁继电器 - Google Patents

Abstract

一种金属MEMS电磁继电器，属于MEMS技术和继电器技术领域。为解决现有电磁继电器体积重量大、集成度低，不能满足微小型自动控制系统对空间占用小、低功耗以及集成化程度要求高的继电器的需求，本发明提供了一种基于金属结构的MEMS电磁继电器，包括活动电极、支撑梁、平面线圈、固定接触电极对、基底和永磁体，平面线圈与基底的接触面、固定接触电极对与基底的接触面以及支撑梁与基底的接触面位于同一个平面内，活动电极高于平面线圈，活动电极与平面线圈之间有一定间隙，永磁体位于基底的下方或者悬臂梁的上方。本发明具有结构简单、工艺易于实现以及成本低的突出优点。

Description

一种金属MEMS电磁继电器

技术领域

本发明涉及了一种金属MEMS电磁继电器，属于MEMS技术和继电器技术领域。

背景技术

继电器在航空航天、军事装备、信息通信、汽车工业等众多领域有着广泛的应用，是最重要的控制和通信元件之一。目前常用的继电器一般分为电磁继电器和固态继电器。电磁继电器的优点是绝缘性好、隔热好、抗意外波动电流能力强。电磁继电器在控制电路中有独特的电气、物理特性，其断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻，是固态继电器无法与其相比的。加上电磁继电器标准化程度高、通用性好、可简化电路等优点，一直广泛应用。

利用MEMS(Micro Electrical Mechanical System)技术制作的MEMS继电器相比传统电磁继电器具有体积更小、重量更轻、功耗更低的优点。并且由于减小了活动部件和线圈的尺寸，继电器的开关速度和灵敏度等性能也都将得到提升。同时，MEMS继电器通过微系统集成可以将微电子技术、智能控制技术等融为一体，在很小的体积内集成各种器件和电路，实现如延时、放大、运算、监控等多种控制功能。

静电驱动和电磁驱动已成为MEMS继电器两大主流发展方向，静电驱动利用静电场原理，具有结构简单功耗低的优点，目前已推出产品，但驱动电压高达几十伏甚至上百伏，难以降低，无法与普通电路兼容，大大增加了使用难度和成本。此外，电热型驱动的研究也在进行，但存在响应滞后、功耗大等突出缺点，适合对功耗消耗不敏感、散热良好以及响应速度低的集成控制系统。

采用电磁驱动的MEMS电磁继电器可以兼容普通电路电压，易于集成。MEMS电磁继电器活动电极可由软磁材料、永磁材料或者线圈组成，比较容易实现的是由软磁材料组成。MEMS电磁继电器一般由线圈产生的磁场改变状态，状态的保持则由线圈或者永磁体产生的磁场实现。状态如果由线圈磁场保持，则容易产生较大的功耗。而由永磁体产生的磁场保持状态则可以实现较低的功耗。

现有的MEMS电磁电器存在的缺点：1)工艺复杂。限于MEMS加工工艺技术成熟度，目前，大部分MEMS电磁继电器采用MEMS工艺、微组装工艺及精密加工工艺结合而成，工艺步骤多、工艺难度高。2)成本高。由工艺复杂导致的加工成本高，是目前MEMS电磁继电器的主要缺点之一。继电器作为用量很大的元件，如果生产成本无法降低，则不利于实际应用推广。3)体积大。由于多采用MEMS工艺与精密加工工艺等多种工艺结合的方式，造成体积比较大

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种金属MEMS电磁继电器，解决了现有电磁继电器体积重量大、集成度低，不能满足微小型自动控制系统对空间占用小、低功耗以及集成化程度要求高的继电器的需求。

本发明的技术解决方案是：

一种金属MEMS电磁继电器，所述继电器包括活动电极、支撑梁、平面线圈、固定接触电极对、基底和永磁体；所述活动电极包括软磁材料层和电接触材料层，电接触材料层面向固定接触电极对，所述活动电极和基底之间通过支撑梁支撑连接，平面线圈紧贴在基底的上表面或被支撑在基底的上方且平面线圈与活动电极之间有间距；固定接触电极对位于活动电极的正下方，紧贴在基底的上表面，且活动电极向基底运动时能够与固定接触电极对接触；活动电极基底上的垂直投影覆盖平面线圈的一部分，平面线圈通电时，所述基底上的垂直投影覆盖的这部分导线段中电流方向一致；永磁体位于基底的正下方或者永磁体位于活动电极的正上方或者基底的正下方和活动电极的正上方均有永磁体；所述平面线圈与基底的接触面、固定接触电极对与基底的接触面以及支撑梁与基底的接触面位于同一个平面内。所述活动电极和固定接触电极对有多个。所述软磁材料层有多层，均位于电接触材料层上方。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明MEMS电磁继电器工艺简单。为解决MEMS电磁继电器普遍具有的工艺复杂的缺点和劣势，本发明电磁继电器的机构，仅通过两次光刻，即可将支撑梁、固定接触电极对及平面线圈制作在同一基底上，与现有技术相比，极大的降低了工艺复杂度，易于实现；

(2)本发明MEMS电磁继电器成本低。继电器作为使用量很大的元件，如果生产成本无法降低，则不利于实际应用推广。本发明电磁继电器采用基本的MEMS工艺步骤即可实现制造，无需减薄、抛光等比较昂贵复杂的工艺步骤，因此工艺成本可以大大降低，有益于大批量的使用；

(3)本发明MEMS电磁继电器体积小。与现有MEMS电磁继电器相比，本发明采用基本MEMS工艺在同一基底上制作活动电极、平面线圈及固定接触电极对，这样就使得本发明的结构非常紧凑，体积可以大大减小，这样在对于空间占用异常敏感的某些领域的需求，如航空航天，可以更好的满足。

附图说明

图1为本发明MEMS电磁继电器的结构示意图；

图2a为支撑梁锚点完全位于线圈外部的俯视示意图；

图2b为支撑梁锚点位于线圈外部和中心的俯视示意图；

图2c为图2a和图2b所示继电器的侧视示意图；

图3a为支撑梁锚点位于线圈导线段之间的俯视示意图；

图3b为图3a所示继电器的侧视示意图；

图4a为双端固定的单直扭转梁形式的俯视示意图；

图4b为双端固定的单直扭转梁形式的侧视示意图；

图4c为双端固定的一种单折叠扭转梁形式的俯视示意图；

图4d为双端固定的一种单折叠扭转梁形式的侧视示意图；

图4e为单端固定的一种直悬臂梁形式的俯视示意图；

图4f为单端固定的一种直悬臂梁形式的侧视示意图；

图5a为以四电极为代表的多电极结构继电器俯视示意图；

图5b为以四电极为代表的多电极结构继电器XZ侧视示意图；

图5c为以四电极为代表的多电极结构继电器YZ侧视示意图；

图6a为固定平面线圈位于基底平面上的侧视示意图；

图6b为悬浮平面线圈位于基底平面上的侧视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

图1显示了一种金属MEMS电磁继电器，包括活动电极1、支撑梁2、平面线圈5、固定接触电极对6、基底7和永磁体8；活动电极1包括软磁材料层3和电接触材料层4，电接触材料层4面向固定接触电极对6，活动电极1和基底7之间通过支撑梁2支撑连接，平面线圈5紧贴在基底7的上表面或被支撑在基底7的上方且平面线圈5与活动电极1之间有间距；固定接触电极对6位于活动电极1的正下方，紧贴在基底7的上表面，且活动电极1向基底7运动时能够与固定接触电极对6接触；活动电极1在基底7上的垂直投影覆盖平面线圈5的一部分，平面线圈5通电时，基底7上的垂直投影覆盖的这部分导线段中电流方向一致；永磁体8位于基底7的正下方或者永磁体8位于活动电极1的正上方或者基底7的正下方和活动电极1的正上方均有永磁体8；平面线圈5与基底7的接触面、固定接触电极对6与基底7的接触面以及支撑梁2与基底7的接触面位于同一个平面内。活动电极1和固定接触电极对6有多个。软磁材料层3有多层，均位于电接触材料层4上方。

活动电极1含有一个基准轴方向。平面线圈5通电时产生的磁场可使活动电极1中软磁材料沿活动电极1基准轴方向磁化。活动电极1为多层材料，其中一层或者多层为磁性材料，活动电极1含有多层磁性材料时，每层磁性材料与其它层磁性材料类型不同或者相同，可含有其它非磁性的辅助材料层。软磁材料层3中的软磁材料选用的标准是矫顽力小、剩磁感应强度小、磁导率高及磁滞回线接近原点，例如可以为坡莫合金、镍钴合金等，或者为实现特定的功能采用几种磁特性不同的软磁材料组合为多层磁性材料。软磁材料层一般也采用电镀、溅射等工艺方法。

固定接触电极对6为贵金属材料，例如金、铂、铑等，或者贵金属材料合金，例如AuNi5。活动电极1面向固定接触电极对6所在平面的一层为电接触材料层4。电接触材料层4为整层或者由数个接触材料图形组成。

基底7可以为硅、玻璃、陶瓷等半导体材料及其它非半导体材料。

如图2a、图2b、图2c所示，支撑梁2与平面线圈5的两种相对位置关系。根据不同的设计需求，支撑梁2的锚点201a和锚点201b可以位于平面线圈5的外部，也可以位于平面线圈5中心处，上述锚点是指支撑梁2与基底7相连接的部分。图2a显示了锚点201a和锚点201b位于平面线圈5外部的情况，两个锚点201a和201b均位于平面线圈5外部。图2b显示了锚点201a和201c位于平面线圈5中心孔处，锚点201b和201d位于平面线圈5外部的情况，其中，图2c是侧视示意图。支撑梁2的锚点位于平面线圈5的中心或者外部这种形式适合要求低功耗、且支撑梁2材料硬度较高的情况。

如图3a、图3b所示，支撑梁2的锚点位于平面线圈5的导线段之间的情况，支撑梁2的锚点201a和锚点201b位于平面线圈5的导线段之间。其中，图3a俯视图，图3b是侧视图。当支撑梁2的材料及尺寸受到严格限制，且功耗要求和体积不高的情况。

如图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f所示，体现了支撑梁2的一些具体形式。支撑梁2可为双端固支扭转梁。扭转梁的形式可为直梁或者折叠梁，梁的个数可为单个或者多个。图4a和图4b分别是直扭转梁的俯视和侧视示意图，其中O-O’是扭转轴心线。图4c和图4d分别是折叠扭转梁的俯视和侧视示意图。图4e和图4f为单端固定的悬臂梁形式的俯视和侧视示意图。以上均为单梁形式，还可以为多梁形式，就不再一一列出示例。各种梁的形式主要体现在活动电极1被支撑梁2支撑，活动电极1为多层结构。支撑梁2与活动电极1结合层位于软磁材料层3之下。支撑梁2的材料可以为金、镍、铝、铜等MEMS工艺常用的结构材料，通常采用电镀、溅射等方法制作支撑梁2。

如图5a、图5b、图5c所示，以四电极为例示意了多电极结构，共含有101、102、103及104四个活动电极。继电器含有多电极时，每个电极的工作方式同单个工作电极结构形式，单独每个活动电极对应一个支撑梁，单个电极与平面线圈5的对应关系与单个电极与平面线圈5的对应关系相同。图5b和图5c分别是同一时刻每个电极沿A-A’和B-B’的侧视图。多电极结构适合一对输入同时许多多组输出的系统需求，比采用多个单电极结构组合具有成本低、体积小以及集成度高等优点。

如图6a、图6b示意了平面线圈5与基底7不同的结合方式。平面线圈5紧贴在基底7的上表面，如图6a，这种形式是最容易实现的结构。平面线圈5还可以被支撑在基底7的上方，如图6b，这种结构与图6a相比可以大幅降低衬底寄生效应，适合要求比较高的场合。

以硅基底为例，金属MEMS电磁继电器的整体结构的工艺主要步骤如下：1)基底7绝缘处理等；2)制作平面线圈5和固定接触电极对；3)制作牺牲层及活动电极及支撑梁图形；4)制作软磁材料层3；5)释放，封装。

本发明电磁继电器可用于直流、交流及高频信号等电信号的传输。

Claims (3)

1.一种金属MEMS电磁继电器，其特征在于：所述继电器包括活动电极(1)、支撑梁(2)、平面线圈(5)、固定接触电极对(6)、基底(7)和永磁体(8)；所述活动电极(1)包括软磁材料层(3)和电接触材料层(4)，电接触材料层(4)面向固定接触电极对(6)，所述活动电极(1)和基底(7)之间通过支撑梁(2)支撑连接，平面线圈(5)紧贴在基底(7)的上表面或被支撑在基底(7)的上方且平面线圈(5)与活动电极(1)之间有间距；固定接触电极对(6)位于活动电极(1)的正下方，紧贴在基底(7)的上表面，且活动电极(1)向基底(7)运动时能够与固定接触电极对(6)接触；活动电极(1)在基底(7)上的垂直投影覆盖平面线圈(5)的一部分，平面线圈(5)通电时，所述基底(7)上的垂直投影覆盖的这部分导线段中电流方向一致；永磁体(8)位于基底(7)的正下方或者永磁体(8)位于活动电极(1)的正上方或者基底(7)的正下方和活动电极(1)的正上方均有永磁体(8)；所述平面线圈(5)与基底(7)的接触面、固定接触电极对(6)与基底(7)的接触面以及支撑梁(2)与基底(7)的接触面位于同一个平面内。

2.根据权利要求1所述的一种金属MEMS电磁继电器，其特征在于：所述活动电极(1)和固定接触电极对(6)有多个。

3.根据权利要求1所述的一种金属MEMS电磁继电器，其特征在于：所述软磁材料层(3)有多层，均位于电接触材料层(4)上方。

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