CN1207744C - 双稳态电磁型微驱动器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种双稳态电磁型微驱动器及其制备方法，以分布于基体上的软磁衬底为基础，其上分两侧对称设置一对永磁体基座，软磁性扭梁通过软磁过渡层安置在一对基座之上形成桥式结构，桥的两侧衬底上分别设置一组包含铁芯的平面绕组；扭梁中部的两侧双向水平伸展软磁性悬臂梁，悬臂梁两端处于平面绕组的上方，并在悬臂梁和绕组之间形成可供悬臂梁运动的气隙。在上述构造中，永磁体借助衬底的联系作用与扭梁、悬臂梁和绕组构成两个并联磁回路，借助绕组中脉冲电流方向的改变可以任意选择其中气隙之一闭合，靠永磁力实现双稳态。本发明可借助微机械加工技术完全集成制造，使悬臂梁驱动导电触点并接入信号线路，便可构成机械式微开关或者微继电器。

Description

双稳态电磁型微驱动器及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种双稳态电磁型微驱动器及其制备方法，是一种通过绕组电磁效应实现位移驱动、借助永磁体实现无功耗姿态保持的电磁型微驱动器及其集成制造方法，与电磁驱动的开关类器件有关，属于自动控制或者微机电系统

技术领域。

背景技术：

微机电系统及其相关技术，将光、机、电功能器件的尺寸不同程度地推向接近微电子器件的尺寸水平，赋予了它们集成制造和功能复合的机遇和可能，不但可以显著提高现有产品的功效和竞争能力，而且还有可能创造全新的结构形式，因而备受重视，发展迅速。

微驱动器是微机电系统(MEMS)的核心，八十年末第一个静电型微马达(微驱动器)诞生引起轰动，静电驱动以其结构简单、形式多样和低功耗姿态保持等鲜明特点占据了MEMS驱动的主导地位，此后的事实证明，MEMS技术的发展深受上述观点的影响，绝大多数器件和系统是基于静电驱动原理设计并制造的，其中部分获得了成功，如DMD系统的数字微镜阵列等，但大多数却为此付出了沉重的代价，各种原型器件研制获得初步成功之后很难达到实用化要求，迟迟难以进入产业化阶段，个中的原因不尽相同，但微驱动器的不足被认为是主要原因之一，其中静电驱动电压高、驱动力小以及由此导致的结构脆弱、介质层带电等一系列因素成为器件寿命提高的障碍，此外基于电磁和压电、形状记忆、热气动、电致伸缩、磁致伸缩等驱动原理的微驱动器开发也不尽如人意，因此，探索新驱动机制和更有效地利用上述各种驱动原理仍然是MEMS技术实现突破的关键技术领域之一。

电磁驱动能够较好地兼顾位移和驱动力两个方面的要求，一直受到广泛重视并被深入研究，多种不同结构形式的电磁型微驱动器设计先后有原型样品问世，如电磁型微马达(张寿柏，赵小林，丁桂甫等，电磁型微马达研究，功能材料与器件，42(1998)，73-77)，电磁型微悬臂梁执行器(Arai K.I.，Micromagnetic actuators Robotica 14 pt 5 Sep-Oct 1996 Cambridge Univ Pressp477-481)，电磁微继电器(J.Williams et al，UV-LIGA fabrication ofelectromagnetic power micro-relays，Proceedings of the InternationalSymposium on Test and Measurement v 1 Jun 1-3 2001 2001 p 1-9)、电磁驱动微光开关(Toshiyoshi H.et al，Micro-mechanical fiber optic switchesbased on electromagnetic torsion mirrors LEOS Summer Topical Meeting Jul20-24 1998 1998 IEEE p 23-24)等等，它们与静电驱动的同类驱动器相比驱动力比较大，可以实现的位移也相对较长，而驱动电压却可以显著降低，能够有效提高微器件的结构稳定性。然而，它们的功耗都显著高于静电驱动的相应器件，考虑到微驱动器结构紧凑的特点，高功耗将会导致热积聚问题，当微驱动器以阵列形式出现的时候影响更大。分析发现，与静电驱动相比，电磁型微驱动器的功耗高主要是在姿态保持时段。为了解决上述问题，人们试图在电磁型微驱动器中采用无功耗姿态保持的灵巧机构，九十年代中，H.Ren等提出了一种平面结构的双稳态设计(Design and fabrication of acurrent-pulse-excited bistable magnetic microactuator，Sensors andActuators，A58(1997)259-264)。在平面分布的软磁回环双臂上，手工绕制的铜线绕组形成双螺线管结构，双螺线管被一软磁材料悬臂梁对称分开，悬臂梁一端通过精密机械加工的永磁体与软磁双臂环路相通，另一端通过双臂回路的缺口，可以形成并列双环磁路。借助于螺线管通电方向的变化，可以调节双环行磁路中的磁通量分配，从而在悬臂梁上产生偏置力，促使其向一侧弯曲，形成闭合磁路，这时断开激励电流，借助于永磁体的力可以保持该状态不变。施加一个相反方向脉冲电流，即可释放被吸住的悬臂梁，并使其偏向另一个环路支点，闭合另一环路，同样实现断电姿态保持。该设计实现了双稳态功能，但是整体结构包含精密机械和微细加工，需要比较复杂的手工加工和装配，更适合较大的单体器件，难以实现集成制造。

Meichun Ruan在最新的美国专利(Meichun Ruan，Jun Shen，CharlesWheelers，Electronically latching micro-magnetic switches and method ofoperating same USP6496612，2002/12/17)中提出了一种基于微悬臂梁结构和平面线圈驱动的磁锁定开关设计，其工作原理是软磁材料制作的悬臂梁在磁场中被磁化，所产生的扭矩被悬臂梁弹性和定位机构约束，形成了无功耗的稳态。调节磁场方向与悬臂梁的夹角可以改变扭矩方向，于是便有可能形成两个无功耗的稳定状态，分别对应开关类器件的开和关两种状态。该设计借助于通电平面线圈所产生磁场的方向变化实现双向驱动。该项专利的主要发明者以此项技术为基础成立的Microlab公司宣称拥有首创的磁锁定技术(WWW.MICROLAB.net)，并正在着力开发相应的电磁驱动微开关产品。但是，该设计中用于姿态保持的恒定磁力并不是通常的闭合磁通在气隙处所产生的电磁作用力，而是软磁悬臂梁在磁场中被磁化的扭矩，电磁作用效率低，扭矩与悬臂梁的尺寸成成正比，会造成运动部件质量难以降低，运动响应速度受制约。另外，背部贴覆式的永磁体结构也不利于集成制造。

发明内容：

本发明的目的在于针对前述各种设计所存在的不足，提供一种磁路闭合的双稳态电磁型微驱动器及其制备方法，以充分发挥电磁驱动原理和集成制造的优势，降低电磁驱动的功耗，提高器件集成制造的可行性，促进电磁型微驱动器在开关类微器件中的应用。

为实现这样的目的，本发明的微驱动器以分布于基体上的软磁衬底为基础，其上分两侧对称设置一对永磁体基座；软磁性扭梁通过软磁过渡层安置在一对基座之上形成桥式结构；桥的两侧衬底上分别设置一组平面绕组；扭梁中部的两侧双向水平伸展软磁性悬臂梁，使悬臂梁两端正好达到平面绕组的上方，并在悬臂梁和绕组之间形成可供悬臂梁运动的气隙。在上述构造中，永磁体借助衬底的联系作用与扭梁、悬臂梁和绕组铁芯等共同构成两个并联磁回路，借助绕组中脉冲电流方向的改变可以任意选择其中气隙之一闭合，靠永磁力实现断电姿态保持，构成双稳态。本发明可借助微机械加工技术完全集成制造，以悬臂梁驱动导电触点，适当集成接入信号线路便可以构成机械式微开关或者微继电器。

上述双稳态电磁型微驱动器可以采用微机械加工技术完全集成制造：在基体上通过掩膜电镀方法首先制作设计的软磁衬底，然后在绕组设计位置的软磁衬底上通过非硅材料的微机械加工技术加工两组带铁心的平面绕组，在永磁体基座设计位置的软磁衬底上通过微电铸工艺制作微型永磁体。在永磁体的上端以微细加工技术制作软磁材料覆盖层，并在此基础上借助牺牲层技术和掩膜电沉积工艺构造软磁性的扭梁、悬臂梁及其前端的磁体，将扭梁、悬臂梁及其前端的磁体释放便可以构成一种具有双稳态功能的电磁型微驱动器。如果在悬臂梁的前端延伸段嫁接导电触点，籍此介入线路就能够构成微机械开关或继电器。

上述集成双稳态设计可以在维持高效电磁作用的同时，实现断电姿态保持，显著降低电磁驱动的功耗。

附图说明：

图1是本发明双稳态电磁型微驱动器一种典型设计的结构示意图。

图1中，1为悬臂梁，2为扭梁，3为磁体，4为软磁过渡层，5为永磁体基座，6为基体，7为绕组，8为铁芯，9为软磁衬底，10为磁体3与绕组7之间的气隙。

图2为本发明集成加工过程中的一系列中间结构侧面示意图。

图2中，1为悬臂梁，2为扭梁，3为磁体，4为软磁过渡层，5为永磁体基座，6为基体，7为绕组，8为铁芯，9为软磁衬底，21为电镀起始层，22为牺牲性介质，23为电镀起始层，24为掩膜光刻胶，25为Cr/Cu或Ti/Cu起始层。

图3为软磁衬底9的一种平面设计的示意图。

图3中，31为作为磁通道的软磁性衬底，32为作为防止磁通发散的软磁性衬底。

图4是单层平面绕组结构示意图。

图4(a)是单层平面绕组结构的俯视图，图4(b)是侧视图。

图4中，41为绕组的通电导体，42为绝缘介质，43/44为通电导体的电流引入/引出端，45为电镀起始层，46为绝缘覆盖层，8为绕组7的软磁性铁芯。

图5是悬臂梁的典型结构设计。

图5中，1为悬臂梁，2为扭梁。图5(a)中悬臂梁1的横截面呈“十”字型，图5(b)中悬臂梁1的横截面则呈“T”字型。

具体实施方式：

以下结合附图和具体的设计实施例进一步说明本发明的技术方案。

图1是代表本发明主要技术特征的一种典型设计的立体结构示意图，需要指出的是：图中各部分的尺寸比例并不一定符合本发明的最优化结构尺寸，仅仅表示各部分的相互位置关系。

参照图1所示，本发明的双稳态微驱动器以分布于基体6上的软磁衬底9为基础，其上两侧对称设置一对永磁体基座5；软磁性扭梁2通过软磁过渡层4安置在一对基座5之上形成桥式结构；桥的两侧软磁衬底9上分别设置一组平面绕组7，其中包含铁芯8；扭梁2中部的两侧双向水平伸展软磁性悬臂梁1，悬臂梁两端连接磁体3正好处于平面绕组7的上方，并在磁体3和铁芯8之间形成可供悬臂梁运动的气隙10。

下面逐一介绍上述各组成部分的材料选择和结构特点；

基体6可以根据器件的使用要求加以选择，如玻璃片、硅片、氧化铝陶瓷或者其它任何表面平整的基片。为了与控制电路集成的需要，硅片是较好的选择，但是在一些高频器件体系中，特殊功能的陶瓷基片更有利于提高器件的性能，如氧化铝陶瓷、BST陶瓷等，特殊情况下金属基片也可以使用。器件从设计原理上对基片的厚度没有特别的要求，平整的基片有利于微细加工工艺的实施。

软磁衬底9主要承担汇集磁通并建立传输通道的作用，以高磁导率软磁材料为好，其中坡莫合金最具有实用性，特别是电沉积的坡莫合金薄膜，不但内应力低，磁导率高，而且可以借助掩膜电镀方便地实现选择性沉积，在基体表面的部分区域构造衬底和通道。也可以采用软磁性能优越的纳米磁性薄膜材料。衬底的厚度可以取数微米到数十微米，以能够有效防止磁通发散为准。

对于软磁衬底9，图1所示的连续膜只是它的一种结构形式，图3显示了另一种衬底结构形式，其中：线型结构31是专门承担磁通道功能的软磁衬底，方块结构32是降低磁通发散的软磁性衬底，两部分组合构成了软磁性衬底的一种新结构形式。该设计的优势在于扭梁2和悬臂梁1的正下方不再有软磁衬底，将更有利于抑制梁上磁通的发散。其实针对不同的驱动器整体设计还有不同的形式，只要能够满足会聚磁通、构筑通道和有利于集成制造的要求即可。

含铁芯8的平面绕组7至少包括以下精细结构(如图4a所示)：金属导线41、电流引入/引出端43/44、绝缘介质42、绝缘覆盖层46和铁芯8，其中导线41等可以采用铜、金、银等良好导电性金属制备，绝缘介质42和46必须包覆全部导线41及其两端43、44，形成如图4b所示的整体结构。如果采用掩膜电镀方法制备导线，则需要在实现与衬底隔离的绝缘层上先沉积一层电镀种子层45，否则掩膜电沉积便无法进行。该种子层通常很薄，不会大于100纳米，只要最后将导线覆盖之外的种子层清除，对绕组的整体特性没有多大影响。

导线41的尺寸受留给绕组的整体空间制约，需要在环绕匝数和导线截面积之间求得兼顾，因为掩膜电沉积的导线41电阻值比较高，不可能一味追求绕组匝数而极力追求细导线加工能力，否则，绕组7的电流负载能力太低，而且驱动电压也会偏高，无法体现电磁驱动的低电压优势。但是，在厚度方向追求极限加工能力通常是有益的，有助于缓解线宽与匝数之间的矛盾，基于厚胶深度光刻技术的掩膜电镀工艺为此提供了相当大的发展空间，考虑到空间利用率和工艺可靠性，单层导线41的厚度依线宽大小可以取数微米到数十微米，一般不会大于40微米。

单层线圈的匝数和导线截面积受空间制约，有时难以满足较大驱动力需求，这时可丁以借助单层绕组叠加构成多层线圈绕组，以达到增加匝数的目的。实际上，只要重复上述结构即可实现。

绕组的铁芯8与与软磁衬底9直接相连，构成了闭合磁路的一部分，同时起到抑制绕组磁通发散的作用，采用与软磁衬底9同样的材料制备，比如坡莫合金或者其它软磁材料。从工艺兼容性考虑，这里采用掩膜电沉积的坡莫合金最为有利。铁芯8的厚度略低于绝缘介质42，保证至少存在微小气隙46。水平方向的尺寸因与绕组的空间竞争，所以不能够很大，一般取铁芯8底面积占绕组7总底面积的5％-20％之间。如果铁芯8面积比较大，还可以采用分区电铸办法，将铁芯8分割成一系列更小的单元以降低涡流损耗，改善高频工作特性。

绕组的绝缘介质42主要是隔绝绕组中的线圈导体与衬底之间的直接电接触(但是允许导线41的一端43与铁芯8相通以接通电源)，同时也填充导线41之间的空隙，防止线圈相邻导线41之间的意外沟通。能够使用的材料包括各种绝缘介质如聚酰亚胺、各种光刻胶、多种有机物、氧化铝等。绝缘介质42要比绕组导体41更厚一些，保证线圈导线的上下均能够有效绝缘。

永磁体5位于软磁性衬底9之上，对矫顽力的要求并不高，各类永磁材料都可以胜任，但是掩膜电镀方法直接制备最为可取，采用合适的镀液成分，包括Co-P，Co-Fe-Ni等体系的磁性合金都可以满足要求。也可以通过精密机械加工稀土永磁体如Nd-Fe-B，Sm-Co、Al-Ni-Co等材料，使之初步成型，安装到位之后再通过精细加工达到设计高度，这样加工的磁体性能更为优越，但是加工工艺复杂。永磁体5同时还承担扭梁2承载基座的作用，对其高度尺寸必须按设计要求严格控制，借助对其上软磁体4厚度的适当调整可以对其高度进行一定调节。

软磁体4主要作用是降低永磁体5的磁通发散，材料选择和工艺选择与软磁性衬底9相似，厚度没有十分严格的要求，能够显著抑制永磁体磁通发散即可，厚度增加没有明显的限制因素，这为适当调节扭梁2的承载基座的高度提供了方便。

扭梁2承载全部运动结构，按照整体设计思想，运动造成的主要结构变形也发生在扭梁2上，它还为稳态切换提供部分驱动力(扭变回复力)，同时它还是并联闭合磁路的一部分，所以，扭梁2必须由软磁性材料制作并采用特殊设计的结构形式。从磁性能方面考虑，材料选择的依据与衬底9相似，但是，这里必须同时兼顾机械性能和微加工可行性，特别是当它的结构造型十分重要时，这一点尤其重要。能够兼顾上述要求的最具可能的材料仍然是电沉积的软磁材料，如坡莫合金等。

扭梁2的形状最好是各向异性的，因为希望大部分形变发生在扭梁2上，而不是悬臂梁1上面，所以，它的扭转刚度不能够太大，但是承载悬臂梁1和磁体3的重量，以及它们高速运动的冲击，需要它在垂直方向拥有较高的强度，所以，扭梁2的结构高宽比应该大于1，至于它的宽度、高度和长度的具体数值，则存在相互制约的关系，扭梁2长度越长，允许的宽度和高度值也越大。参考图1所展示的整体设计思想，扭梁2的长度可以取100～1000微米之间，相应的厚度可以在3～100微米之间，而宽度可以在1～50微米之间，确切的数值要根据设计参数结合工艺条件加以确定。扭梁2还可以取其它特殊设计的结构形式以满足系统对其强度各向异性的要求，比如曲折梁等。

悬臂梁1向两个方向水平伸展分布在扭梁2的两边，在本发明的结构中，它并不像一般的悬臂梁那样是产生变形进而导致运动的主要载体，它的作用更多地体现为环绕扭梁2作圆周运动，放大扭梁2的扭转变形，而自身却能够基本保持原来形状不变。为此，需要悬臂梁的强度明显高于扭梁，所以，悬臂梁1的结构尺寸和形状有别于扭梁2。然而，从运动部件的响应速度制约因素考虑，又不希望运动的悬臂梁1过于笨重，因此，需要对其结构进行特殊设计，以便在获得高强度的同时拥有较低的质量。

图5展示了两种典型的结构设计范例，其中一种悬臂梁1的横截面呈“十”字型，另一种则呈“T”字型，它们在一定程度上可以降低悬臂梁1的运动惯量而拥有高的机械强度。达到前述效果的设计并不止图5所展示的两种，任何能够减少悬臂梁1运动惯量而同时增强其机械强度的结构形式均可以采用。

悬臂梁1的长度对微驱动器的位移有直接影响，但是没有明显的制约因素限制它的选择，每一侧臂长50～1000微米比较合适，当然并不排除特殊情况下悬臂更长的可能。

悬臂梁1同时也是稳态保持磁路的一部分，在材料磁性上的要求与扭梁2基本一致。

磁体3与悬臂梁1的外端相连，是悬臂梁1的延伸变形段，直接参与电磁作用产生驱动力或姿态保持力，也是闭合磁路的一部分，该段磁体的尺寸比悬臂梁1偏大一些的目的主要是与绕组铁芯8的端面相匹配，以减少磁通发散的损失，假如悬臂梁1的尺寸已经可以与之相当，则完全可以取与悬臂梁1一样的尺寸，这样，磁体3也就是悬臂梁1的延长段了。

具备上述材料和结构特征的双稳态微驱动器可以采用非硅材料的微机械加工技术集成制造，图2给出了微加工过程中一系列中间结构的剖面图，借助这些显示工艺进程的结构图示，阐述本发明的主要制造工艺如下：

1.参照图2a，采用常规工艺，基体6上首先沉积电镀起始层21，悬涂光刻胶，经光刻、显影、电镀软磁性材料如坡莫合金等工艺，去胶后构成作为磁通道的软磁衬底9，该衬底也可以采用干法沉积方法制备连续薄膜，然后用掩膜化学刻蚀工艺实现图形化，这样就不需要预先沉积电镀起始层21。

2.接着在软磁衬底9上制备绝缘隔离层42，绝缘层可以用无机物、光刻胶或者其他有机物，如氧化铝、氧化硅SU-8胶等等，厚度应以能够保证绝缘效果为准。不管用何种绝缘材料，都应该作图形化加工，为后面的铁芯8制备留出贯通软磁衬底的窗口。然后采用常规掩膜电镀工艺在绝缘隔离层上面制作平面绕组7(参见图2b)。

3.再次涂胶并使胶厚略大于前一次，按照常规工艺光刻、显影、电沉积并去胶，制作成绕组7的铁芯8。

4.采用选择性化学刻蚀方法或者反溅射刻蚀方法清除去胶后起始层45的暴露部分，露出绝缘隔离层，再用隔离层同样的介质填充成型的绕组相邻导线之间以及绕组与铁芯间的空隙，直到缝隙处介质层高出导体41和铁芯8的高度。

上述复合结构表面各处高低不平，用精密研磨工艺整平减薄至导体41和铁芯8刚刚暴露出为止，然后再制备1～2微米的绝缘层46，并按照常规方法去除绕组之外的绝缘介质，就可以得到如图2c所示的中间微结构。

如果需要，可以重复上述工艺步骤2-4就可以制备叠层结构绕组。

5.接着采用掩膜微电铸技术加工永磁体5，去胶后便可以得到图2d所示的中间微结构。

永磁体5还可以借助精密机械加工和装配工艺制作：先将永磁体如Nd-Fe-B，Sm-Co、Al-Ni-Co等材料进行精密加工，使之初步成型，借助粘合剂安装到指定位置，同样可以得到如图2d所示的微结构，但是，该工艺的批量加工效率低。

将图2d所示的微结构填充牺牲性介质22，并使填充物的最小厚度大于永磁体5的设定厚度，研磨至永磁体5的设定厚度，得到图2e所示的平滑表面，作为继续加工的复合衬底。填充介质22的选择很重要，它必须能够与基片上已经存在的微结构兼容，同时又能够在上层结构加工完成后被选择性刻蚀清除。可以选择的材料如光刻胶(正胶、SU-8胶)、氧化铝、电沉积锌等，其中低应力硫酸盐镀锌能够较好兼顾多方面要求，可以采用，待上层结构完成以后以稀盐酸选择性刻蚀去除。

6.在图2e所示的复合衬底表面采用常规工艺，经溅射种子层23、涂胶、光刻、显影、电镀和去胶等工艺步骤，制备永磁体5的软磁过渡层4，材料选择的依据同软磁衬底9，平面尺寸与永磁体截面相当，厚度并无严格要求，只要大于数微米可以保证磁通不致有太多发散即可，所以，可以借此步骤适当调整扭梁2基座的高度，使之精确符合设计要求(图2f)。

7.再次悬涂光刻胶，采用常规工艺，经光刻、显影、电镀和去胶工艺，制备扭梁2(图2g)。扭梁采用电沉积的铁镍合金，梁的长度、宽度在设计掩膜板时设定，厚度靠掩膜电沉积厚度控制，通过调整上述各方向上的尺寸，该工艺可以加工各向异性微结构以满足对扭梁2的特殊要求。

8.磁体3可以在制备扭梁2的工艺过程中一起完成，只要在设计掩膜板时在相应的位置开窗口便可；也可以采用类似工艺单独制备，这样便于控制气隙10高度。保留最后一步的掩膜光刻胶24，于是形成图2h所示的微结构。

9.上述电沉积扭梁2和磁体3的结构(图2h)上部如果不够平整，可以采用精密切削设备旋切找平，然后再次溅射沉积Cr/Cu或Ti/Cu起始层25，然后采用常规掩膜电沉积铁镍合金软磁性薄膜工艺制作悬臂梁1，工艺流程与第7步制备扭梁2相同，厚度依设定值，长度方向上将扭梁2和磁体3联系起来(如图2i所示)。

10.依次采用丙酮和稀盐酸，结合超声搅拌，刻蚀各次牺牲性填充介质和过渡层(电镀起始层)，就可以得到图2j所示的双稳态电磁驱动微驱动器原型结构。

上述设计的微驱动器拥有一组对称并联的环形磁路，它们不能同时闭合，但闭合状态可以互相更替。任一磁路闭合便形成一个无功耗姿态保持的稳态，使微驱动器在此基础上拥有双稳态的电磁驱动能力。

在没有外加电流通过的初始态，扭梁2保持初始状态，两侧的悬臂梁1托起的磁体3与绕组都不接触，永磁体5产生的磁通量自然均分为两个部分，分别通过两个磁路形成两侧都有气隙存在的回路，扭梁2两侧悬臂梁1两端受到的引力相同，保持原来姿态。这时给两个回路中的平面绕组通电，让它们产生的磁场使一个回路磁通增加，而另一个回路的磁通减少，于是悬臂梁1的一侧受力增加，而另一侧受力减少，悬臂梁1向一个方向倾斜。这种由受力不平衡产生的驱动力一部分会被扭梁2的回复力抵消，但是，只要绕组7电流足够大，悬臂梁1端部的磁体便会经过足够的位移基本弥合该侧回路中的气隙10，达到与绕组7的绝缘介质42的表面接触的定位点位置，形成几近闭合的磁路。这时再断升绕组7电流，因为该侧磁路气隙10磁阻基本消失，永磁体所产生的磁通大部分将经由该闭合通道形成回路，所以，只要设计合理，会有足够的力保持该定位状态，这就是上述系统的一个稳态。要使悬臂梁1离开目前的稳定状态，只要在两个绕组7中同时接通电流，使电流方向与前一次通电方向相反，这样就会在闭合的磁路中产生减弱永磁体5所产生磁通的效应，该磁路气隙10处的电磁引力便会减少，相反，另一磁路中的磁通会因永磁体5与感生磁通的叠加而增大，从而引力增加，彼消此长，加上扭梁2的回复力共同作用，原来的稳态就有可能被打破，悬臂梁1会向另一个方向倾斜，并同样形成另一个对称的无功耗稳态，悬臂梁1的端部在稳态之间实现切换的过程中同时完成了位移，于是就构成了本发明的双稳态电磁驱动器。

本发明的微驱动器只需简单接入信号处理线路就可构成开关或继电器。

Claims (10)

1、一种双稳态电磁型微驱动器，其特征在于以分布于基体(6)上的软磁衬底(9)为基础，其上两侧对称设置一对永磁体基座(5)，软磁性扭梁(2)通过软磁过渡层(4)安置在基座(5)上形成桥式结构，桥的两侧衬底(9)上分别设置一组包含铁芯(8)的平面绕组(7)，扭梁(2)中部的两侧双向水平伸展软磁性悬臂梁(1)，悬臂梁两端连接的磁体(3)正好处于平面绕组(7)的上方，并在磁体(3)和铁芯(8)之间形成可供悬臂梁运动的气隙(10)。

2、如权利要求1所说的双稳态电磁型微驱动器，其特征在于绕组的铁芯(8)与软磁衬底(9)直接相连，构成闭合磁路的一部分，铁芯(8)底面积占绕组(7)总底面积的5％-20％。

3、如权利要求1所说的双稳态电磁型微驱动器，其特征在于悬臂梁(1)的横截面呈“十”字型或“T”字型。

4、如权利要求1所说的双稳态电磁型微驱动器，其特征在于扭梁(2)的结构高宽比大于1。

5、如权利要求1所说的双稳态电磁型微驱动器，其特征在于扭梁(2)还可以采用曲折梁的结构形式。

6、如权利要求1所说的双稳态电磁型微驱动器，其特征在于磁体(3)与悬臂梁(1)的外端相连，是悬臂梁(1)的延伸变形段或延长段。

7、如权利要求1所说的双稳态电磁型微驱动器，其特征在于软磁衬底(9)由承担磁通道功能的线型结构(31)和降低磁通发散的方块结构(32)组合而成。

8、如权利要求1所说的双稳态电磁型微驱动器，其特征在于平面绕组(7)为单层结构或叠层式结构。

9、一种双稳态电磁型微驱动器的制备方法，其特征在于在基体(6)上通过掩膜电镀方法首先加工设计的软磁衬底(9)，然后在软磁衬底上通过非硅材料的微机械加工技术加工两组带铁芯(8)的平面绕组(7)，再通过微电铸工艺制作微型永磁体(5)，永磁体(5)置于软磁衬底(9)上，上部以微细加工技术制作软磁材料覆盖层(4)，并在此基础上借助牺牲层技术和掩膜电沉积工艺构造软磁性的扭梁(2)、悬臂梁(1)及其前端的磁体(3)，将扭梁(2)、悬臂梁(1)及其前端的磁体(3)释放便构成一种具有双稳态功能的电磁型微驱动器。

10、如权利要求9所说的双稳态电磁型微驱动器的制备方法，其特征在于铁芯(8)采用分区电铸办法加工。

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