CN110120324B - 一种自保持mems继电器的触点结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自保持MEMS继电器的触点结构，其包括第一、第二支撑梁，以及用于分别驱动第一、第二支撑梁的第一、第二驱动结构；第一、第二支撑梁的固定端固定在继电器衬底上，活动端分别设置有第一、二触点；第一触点相对于第一支撑梁的固定端的极惯性矩大于第二触点相对于第二支撑梁的固定端的极惯性矩。本发明中触点结构，使得器件在简单的驱动时序下就实现了两个触点的对应运动时序，以实现自保持功能，达到了简化驱动电路结构的有益效果。

Description

一种自保持MEMS继电器的触点结构

技术领域

本发明属于微机电系统器件技术领域，特别涉及一种自保持MEMS继电器的触点结构。

背景技术

微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，是在微电子技术基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的电子机械器件。如MEMS继电器(微机电系统继电器)是用以上制造技术实现的电动开关。

MEMS继电器按照可动部分的驱动原理划分，包括压电式、电磁式、热电式以及静电驱动式几种。其中，静电式MEMS继电器的驱动机理为依赖库仑力驱动可动部分运动，相较电流驱动器件动作，可以实现更低功耗工作。但维持驱动电压的激励电路却往往会消耗额外能量来维持输出电平，以维持MEMS继电器保持在导通状态。因此，出现了具有自保持功能的MEMS继电器。

如图1所示，为现有自保持MEMS继电器中实现自保持功能的触点结构示意图，该结构中包括第一触点11和第二触点12，第一触点11和第二触点12分别对应由各自的支撑结构13、14固定在15衬底上。还包括与第一触点11和第二触点12分别对应的第一驱动结构和第二驱动结构(图中未示出)。第二触点12、第一触点11可以被各自对应的驱动结构所产生的驱动力(图中16、17为驱动结构产生的驱动力)所驱动离开原平衡位置(图1中的虚线位置)。并可在驱动力消失后，分别依靠各自的支撑结构所对应产生的回复力18和回复力19回到原平衡位置。

以下结合图2至图7对图1所示结构的工作过程进行示意说明：

如图2所示，为工作过程的第一阶段，对第二驱动结构施加电激励产生驱动力17，其驱动第二触点12离开平衡位置，为第一触点11的运动创造条件。并且在第二触点12动作完成后保持第二驱动结构的电激励，确保第二触点12能够保持在正确位置(图2中竖直虚线)；

之后进入第二阶段，如图3所示，对第一驱动结构施加电激励产生驱动力16，其使第一触点11离开平衡位置，到达新位置(图3中水平虚线)，并保持第一驱动结构的电激励，确保为第一触点11能够保持在该正确位置；

之后进入第三阶段，如图4所示，撤去第二触点12对应的第二驱动结构的电激励，令第二触点12在其支撑结构的回复力18的作用下回到原平衡位置(图4中的竖直虚线)；

之后进入第四阶段，如图5所示，撤去第一触点11对应的第一驱动结构的电激励，令第一触点11在其支撑结构的回复力弹性19的作用下向原平衡位置运动。

由于第二触点12已返回原平衡位置，第一触点11已无法自由返回其平衡位置，而是在返回过程中与第二触点12发生接触并停止运动，实现第一触点11、第二触点12的搭接，这样以使继电器稳定在闭合状态(如图6所示)，从而实现了自保持功能。

从以上描述可以看出，现有的自保持MEMS继电器的功能实现需要复杂的电路时序支持，显著的增加了驱动电路的复杂程度，不利于器件的实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种自保持MEMS继电器的触点结构，可以不依赖特定的电路时序实现自保持功能，从而可以简化驱动电路设计，有利于器件的应用。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例提供了一种自保持MEMS继电器的触点结构，包括第一支撑梁和第二支撑梁，以及用于分别驱动所述第一支撑梁和第二支撑梁的第一驱动结构和第二驱动结构；所述第一支撑梁和第二支撑梁的固定端固定在继电器衬底上，活动端分别设置有第一触点和第二触点；

所述触点结构中，当所述第一驱动结构和第二驱动结构在同一电激励下输出驱动力时，所述第一支撑梁和第二支撑梁分别带动所述第一触点和第二触点离开平衡位置，当所述第一驱动结构和第二驱动结构同时停止输出驱动力时，所述第一支撑梁和第二支撑梁依靠自身刚性分别带动所述第一触点和第二触点朝着平衡位置运动，

其中，所述第一触点相对于第一支撑梁的固定端的极惯性矩大于所述第二触点相对于第二支撑梁的固定端的极惯性矩，使得在所述第一触点和第二触点离开平衡位置的过程中，所述第一触点与第二触点不能彼此接触，而在回到平衡位置的过程中，所述第一触点与第二触点能够彼此接触形成搭接。

优选地，在所述第一触点和第二触点中仅所述第一触点包括第一质量块，以使所述第一触点相对于第一支撑梁的固定端的极惯性矩大于所述第二触点相对于第二支撑梁的固定端的极惯性矩。

优选地，所述第一质量块的质心相对于所述第一支撑梁的固定端的第一距离，与所述第一支撑梁的活动端相对于所述第一支撑梁的固定端的第二距离的大小相近，所述第一距离与第二距离的差值小于给定阈值。

优选地，所述第一距离与所述第二距离之比为0.8～1.2。

优选地，所述第一触点包括第一质量块，所述第二触点包括第二质量块，所述第二质量块的质量小于所述第一质量块的质量，以使所述第一触点相对于第一支撑梁的固定端的极惯性矩大于所述第二触点相对于第二支撑梁的固定端的极惯性矩。

优选地，所述第一触点的形状与所述第二触点的形状相互配合，使得所述第一触点和第二触点能够形成搭接。

优选地，所述第一触点的形状为一字型，所述第二触点的形状为能够与该一字型配合形成搭接的L型。

优选地，所述第一支撑梁和第二支撑梁为悬臂梁结构。

优选地，所述第一驱动结构和第二驱动结构为静电梳齿结构。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明设计的触点结构，通过配置两触点的极惯性矩的大小，使得器件在两套驱动结构同时受到同一激励的情况下，实现了两个触点的对应运动时序，以最终实现自保持功能，从而简化了驱动电路时序，达到了简化驱动电路结构的有益效果。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1是现有技术中自保持MEMS继电器实现自保持功能的触点结构示意图；

图2是图1所示触点结构工作过程中第一阶段的原理示意图；

图3是图1所示触点结构工作过程中第二阶段的原理示意图；

图4是图1所示触点结构工作过程中第三阶段的原理示意图；

图5是图1所示触点结构工作过程中第四阶段的原理示意图；

图6是图1所示触点结构的闭合状态示意图；

图7是根据本发明一实施例的自保持MEMS继电器的触点结构的结构示意图；

图8是图7所示触点结构工作过程中第一阶段的原理示意图；

图9是图7所示触点结构工作过程中第二阶段的原理示意图；

图10是图7所示触点结构工作过程中第三阶段的原理示意图；

图11是图7所示触点结构工作过程中第四阶段的原理示意图；

图12是图7所示触点结构工作过程中第五阶段的原理示意图；

图13根据本发明一实施例的自保持MEMS继电器的触点结构的版图示意图；

图14是本发明中自保持MEMS继电器的器件工艺结构说明示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

如图7所示，为本发明中自保持MEMS继电器的触点结构的结构示意图，该触点结构包括第一支撑梁70和第二支撑梁71，以及用于分别驱动第一支撑梁70和第二支撑梁71的第一驱动结构和第二驱动结构(图中未示出)；第一支撑梁和第二支撑梁的固定端固定在继电器衬底72上，活动端分别设置有第一触点73和第二触点74；

触点结构中，当第一驱动结构和第二驱动结构在同一电激励下输出驱动力时(图中实心箭头75、76为对应的驱动力)，第一支撑梁70和第二支撑梁71分别带动第一触点73和第二触点74离开平衡位置(图中虚线所示)，当第一驱动结构和第二驱动结构同时停止输出驱动力时，第一支撑梁70和第二支撑梁71依靠自身刚性分别带动第一触点73和第二触点74朝着平衡位置运动(图中空心箭头75、76为支撑梁对应产生的回复力)，其中，第一触点73相对于第一支撑梁的固定端的极惯性矩大于第二触点74相对于第二支撑梁的固定端的极惯性矩，使得在第一触点73和第二触点74离开平衡位置的过程中，第一触点73与第二触点74不能彼此接触，而在回到平衡位置的过程中，第一触点73与第二触点74能够彼此接触形成搭接。

在一具体的实施例中，如图7所示，第一触点和第二触点中仅第一触点73包括第一质量块79，以使第一触点73相对于第一支撑梁的固定端的极惯性矩大于第二触点74相对于第二支撑梁的固定端的极惯性矩。

为便于理解本发明，下面结合图8至图12对图7所示结构的工作过程进行详细说明。

如图8所示，为图7所示结构工作过程中第一阶段的原理示意图。首先同时对第一驱动结构和第二驱动结构施加同一电激励，在该电激励作用第一、第二驱动结构对应产生驱动力75和76，以实现驱动第一触点73和第二触点74运动。由于第一质量块79的惯性作用，第一触点73的加速度低于第二触点74的加速度。因此第二触点74先到达一中间位置。此时第一触点73虽然已开始运动，由于运动缓慢，其运动行程较小，不足以使第一触点73和第二触点74之间发生干涉彼此接触及碰撞，保证了第一触点73和第二触点74的顺利移动；

之后进入第二阶段，如图9所示，第一触点73和第二触点74继续移动；

之后进入第三阶段，如图10所示，在第一、第二驱动机构的驱动力75、76的作用下，第一触点73和第二触点74各自移动到其预期位置；

之后进入第四阶段，如图11所示，同时撤去第一、第二驱动机构上的电激励，也即停止输出驱动力75、76。此时由于第一支撑梁70、第二支撑梁71具有刚性，其产生相应的回复力77和78，第一触点73和第二触点74触点在各自所对应的回复力的作用下向原平衡位置运动；

之后进入第五阶段，如图12所示，由于第一质量块79的惯性作用，第一触点73的加速度低于第二触点74的加速度，在两触点向原平衡位置运动过程中，第二触点74先到达其平衡位置，使第一触点73触点无法顺利返回其平衡位置，而是和第二触点74发生彼此接触而形成搭接，进而使继电器稳定在自保持状态。

在该实施例中，上述触点结构的版图如图12所示，其中第一、第二驱动结构由静电梳齿结构实现，第一支撑梁70、第二支撑梁71均由硅悬臂梁结构实现。第一质量块79的质心相对于第一支撑梁70的固定端的第一距离，与第一支撑梁70的活动端相对于第一支撑梁70的固定端的第二距离的大小相近，第一距离与第二距离的差值小于给定阈值。在一具体的实施例中，第一距离与第二距离之比为0.8～1.2。

在另一具体实施例中，第一触点包括第一质量块，第二触点包括第二质量块，第二质量块的质量小于第一质量块的质量，以使第一触点相对于第一支撑梁的固定端的极惯性矩大于第二触点相对于第二支撑梁的固定端的极惯性矩。该实施例中触点结构的工作过程与前文实施例类似，这里就不在详述了。

作为一种优选的实施方式，触点结构中第一触点的形状与第二触点的形状相互配合，使得第一触点、第二触点能够形成搭接。举例而言，第一触点的形状为一字型，第二触点的形状为能够与该一字型配合形成搭接的的L型。

为了进一步理解本发明，下面结图14对本发明中MEMS继电器的器件工艺结构进行简要说明。本发明中，MEMS继电器的衬底为玻璃，继电器本体的相关结构由硅刻蚀形成，并最终通过阳极键合完成器件组装。

在图14中，图例141表示玻璃，图例142表示键合区域的硅材料，图例143表示形成功能结构的硅材料。硅材料通过键合区域与衬底玻璃实现刚性连接，

具体的，在工艺上讲，硅材料形成的功能结构讲包括固定结构144、可动结构145。对于固定结构144，在刻蚀及键合工艺后，硅材料143的大部分版图面积均被键合区域所覆盖，硅材料143几乎无法在外力作用下发生弹性变形，因此称之为固定结构，如上述实施例中支撑梁的固定端。

而对于可动结构145，在刻蚀及键合工艺后，虽然硅材料143同样被键合区域刚性固定在玻璃衬底上，但由于硅材料143具有细长几何形状，其尖端145a相比于固定结构更容易受到外力作用，而产生XY面内的弹性变形，因此称之为可动结构。上述实施例中的支撑梁就是属于可动结构，其中的第一、第二触点相当于图14中的尖端145a。

基于上述器件工艺和图13所示的器件版图，进行工艺实施，就可以最终得到本发明中所提出的自保持MEMS继电器的触点结构。

本发明所提供的触点结构，通过配置两动触点的极惯性矩的大小，使得器件在两套驱动结构同时受到同一激励的情况下，实现了两个触点的对应运动时序，以最终实现自保持功能，从而简化了驱动电路时序，达到了简化驱动电路结构的有益效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种自保持MEMS继电器的触点结构，包括第一支撑梁和第二支撑梁，以及用于分别驱动所述第一支撑梁和第二支撑梁的第一驱动结构和第二驱动结构；所述第一支撑梁和第二支撑梁的固定端固定在继电器衬底上，所述第一支撑梁的活动端为与其固定端相对的另一端，所述第二支撑梁的活动端为与其固定端相对的另一端，所述第一支撑梁和第二支撑梁的活动端分别设置有第一触点和第二触点；

所述触点结构中，当所述第一驱动结构和第二驱动结构在同一电激励下输出驱动力时，所述第一支撑梁和第二支撑梁分别带动所述第一触点和第二触点离开平衡位置，当所述第一驱动结构和第二驱动结构同时停止输出驱动力时，所述第一支撑梁和第二支撑梁依靠自身刚性分别带动所述第一触点和第二触点朝着平衡位置运动，

其中，所述第一触点相对于第一支撑梁的固定端的极惯性矩大于所述第二触点相对于第二支撑梁的固定端的极惯性矩，使得在所述第一触点和第二触点离开平衡位置的过程中，所述第一触点与第二触点不能彼此接触，而在回到平衡位置的过程中，所述第一触点与第二触点能够彼此接触形成搭接。

2.根据权利要求1所述的触点结构，其特征在于，在所述第一触点和第二触点中仅所述第一触点包括第一质量块，以使所述第一触点相对于第一支撑梁的固定端的极惯性矩大于所述第二触点相对于第二支撑梁的固定端的极惯性矩。

3.根据权利要求2所述的触点结构，其特征在于，所述第一质量块的质心相对于所述第一支撑梁的固定端的第一距离，与所述第一支撑梁的活动端相对于所述第一支撑梁的固定端的第二距离的大小相近，所述第一距离与第二距离的差值小于给定阈值。

4.根据权利要求3所述的触点结构，其特征在于，所述第一距离与所述第二距离之比为0.8～1.2。

5.根据权利要求1所述的触点结构，其特征在于，所述第一触点包括第一质量块，所述第二触点包括第二质量块，所述第二质量块的质量小于所述第一质量块的质量，以使所述第一触点相对于第一支撑梁的固定端的极惯性矩大于所述第二触点相对于第二支撑梁的固定端的极惯性矩。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的触点结构，其特征在于，所述第一触点的形状与所述第二触点的形状相互配合，使得所述第一触点和第二触点能够形成搭接。

7.根据权利要求6所述的触点结构，其特征在于，所述第一触点的形状为一字型，所述第二触点的形状为能够与该一字型配合形成搭接的L型。

8.根据权利要求1所述的触点结构，其特征在于，所述第一支撑梁和第二支撑梁为悬臂梁结构。

9.根据权利要求1所述的触点结构，其特征在于，所述第一驱动结构和第二驱动结构为静电梳齿结构。

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