CN201936819U - 一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器 - Google Patents
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Abstract
一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，属于微电子机械系统(MEMS)中使用的静电继电器。该静电微继电器的双稳态全柔性梁采用二个柔性梁，一个左柔性梁的一端固定于左绝缘锚点上，另一端固定在构件上，另一个右柔性梁的一端固定于右绝缘锚点上，另一端也固定在构件上；在电压激励下，可动梳齿带动双稳态全柔性梁横向运动，并发生快速翻转到第二稳态位置，可动触点与固定于下绝缘锚点上的左固定触点和右固定触点形成桥接，接通电路，在施加异向驱动电压时，继电器迅速跳转返回第一稳态位置。该静电微继电器采用双稳态柔性机构来代替传统的线弹性结构以提高响应速度和稳态保持能力，具有机构简单、短程驱动、能耗低和抗干扰能力强的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，属于微电子机械系统(MEMS)中使用的静电继电器，主要应用于通信工程、信息处理、工业控制以及仪器仪表等系统。
背景技术
基于微机械系统(MEMS) 技术的微机电式继电器通过金属电极的吸合与断开实现电路的开关切换，具有尺寸小、质量小、易于集成、宽带宽、响应快、功耗低、适于大批量生产等优点，在通讯、宇航、自动检测仪器等系统中具有广泛需求。
近年来，很多单位和研究机构致力于微继电器结构和驱动形式的研究，包括静电型、热驱动型、电磁型、水银滴型等。由于静电驱动具有结构简单、工艺兼容性好的优点，其研究也最为广泛。其中基于线弹性元件的静电型微继电器利用静电吸合力使悬臂梁式的活动电极弯曲，双接触电极与固定电极接触完成开关动作，具有结构简单，工艺容易实现。但是，由于采用线弹性元件，继电器需要一直供能才能保持闭合状态，存在接触力小、能耗高和抗干扰能力弱的问题。
热机械型微继电器采用热致动器，由水平接触电极，加热器、触点和温度补偿结构组成，结构较为复杂，它依靠梁结构的热变形来使触点接触，电路闭合。由于采用热驱动变形，这就容易造成微系统中的散热问题。并且体膨胀效应固有的滞后性决定了它响应速度低，成为阻碍其广泛应用的主要原因。水银滴型微继电器，依靠加热产生的气泡推动水银滴移动实现电路连通，但由于采用热驱动仍然会产生散热问题，并且水银的密封与控制也会存在不少问题。
电磁型微继电器与传统电磁继电器原理基本相同，在双稳态微继电器研制方面主要采用电磁型，但其结构较为复杂。US422390，“Electromagnetic device of the flat package tape”（扁平封装电磁器件）采用两个平放的永磁体实现双稳态驱动。US6492887B1，“Miniaturized flat spool relay”（微小型扁平绕组继电器）提出了一种微型化扁平绕组继电器，利用双环静磁场和反对称双环电磁场实现双稳态电磁驱动。中国发明专利CN1452202, “双稳态电磁型微驱动器及其制备方法”，该驱动器利用平面螺线管线圈进行电磁驱动，采用扭转梁作为动片的倾转轴。US7221817，“Beam switch structures and methods”,“一种梁式开关结构和制备方法”，采用屈曲双稳态梁结构设计了一种双稳态开关装置。中国专利CN101206973，“双稳态微机电继电器”采用电磁基板和微球组合的形式提出了一种具有状态保持功能的微型化继电器。中国专利CN101197226A，“低阈值电压静电型微继电器”，采用并联梳齿级数和增加叉齿数目来降低微继电器的阈值电压，提出一种采用线弹性结构的微继电器。
发明内容
本发明要解决的问题是：解决现有的基于线弹性结构的静电微继电器存在的不足，提供一种具有双稳态保持功能、短程驱动、低能耗和大接触力的双稳态微继电器。该微继电器具有结构简单、大行程、响应迅速、抗干扰能力强和接触可靠的特点，适用于通讯、工业控制和仪器仪表等军用和民用场合。
本发明的技术解决方案是：一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，它主要包括可动梳齿和固定梳齿、可动触点和固定触点。它还包括双稳态全柔性梁，所述可动梳齿和可动触点采用构件连接成一体，所述双稳态全柔性梁采用二个柔性梁，一个左柔性梁的一端固定于左绝缘锚点上，另一端固定在构件上，另一个右柔性梁的一端固定于右绝缘锚点上，另一端也固定在构件上；在电压激励下，可动梳齿带动双稳态全柔性梁横向运动，并发生快速翻转到第二稳态位置，可动触点与固定于下绝缘锚点上的左固定触点和右固定触点形成桥接，接通电路，在施加异向驱动电压时，继电器迅速跳转返回第一稳态位置。
当所述构件位于可动梳齿的中心位置上时，所述双稳态全柔性梁是使所述继电器作横向运动的对称式V型机构。
所述双稳态全柔性梁连接可动梳齿和可动触点，通过左绝缘锚点和右绝缘锚点支撑形成悬空的可动部分，并与基底之间形成电隔离。
所述继电器采用双层结构，其中双稳态全柔性梁、可动梳齿、固定梳齿、可动触点、左固定触点和右固定触点为采用金属导电材料的上层结构；基底、左绝缘锚点、右绝缘锚点和下绝缘锚点为采用绝缘材料的下层结构。
所述双稳态全柔性梁、可动梳齿和固定梳齿通过双层MEMS电铸镍的方法固定于带有绝缘凸台的基底上。
所述绝缘凸台采用SU-8胶光刻的办法固定于氧化层上。
上述的技术方案利用现有的微电铸工艺制作大行程双稳态柔性机构，解决了双稳态柔性微继电器实用化的主要技术问题。其制作过程工艺简单，便于大批量生产。其工作过程是：双稳态柔性机构在行程范围内具有两个稳定状态，在梳齿驱动下双稳态柔性机构在两个弹性势能局部最小位置之间跳动，当柔性机构的中心位置达到机构弹性势能局部最大位置后，机构发生能量释放，不需要静电力作用，机构能够快速跳转到第二稳态位置，实现电路闭合和断开，整个过程具有短程驱动的特点。
本发明与现有技术相比具有如下的优点：
[1] 本发明采用双稳态柔性梁机构替代传统的线弹性梁结构作为继电器弹性元件，依靠其双稳态特性来实现继电器响应迅速、重复性好，接触力大，和低能耗的特点。
[2] 本发明为依靠双稳态全柔性梁结构替代电磁双稳态机构，使继电器具有工作行程大、抗干扰能力强、结构简单易于MEMS加工的特点，提高继电器在各种恶劣环境（雷雨及振动干扰等）下的动作准确性，适用于多种民用和军用场合。
[3] 双稳态静电驱动微继电器，依靠双稳态机构的稳态保持无功耗和快速跳转的特点，使继电器在闭合和断开状态不需要输入能量，具有明显的短程驱动和节能特点。
该继电器具有结构简单、驱动电压低、大行程、低能耗、响应迅速、切换准确、接触力大、接触可靠和抗干扰能力强的特点。由于本发明具有上述优点，因此在通讯、工业控制、仪器仪表以及消费电子等领域具有广泛的推广应用价值。
附图说明
图1是一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器结构示意图。
图2是图1中的A-A向剖视图。
图3是继电器第二稳态位置。
图4是双稳态柔性机构能量示意图。
图5是硅基底示意图。
图6是氧化后的硅基底示意图。
图7是具有绝缘凸台的硅基底示意图。
图8是溅射晶种层后的基底示意图。
图9是第二次光刻后基底结构示意图。
图10是电铸工艺后的结构示意图。
图11是第一次去胶后的继电器结构示意图。
图12是微继电器结构示意图。
图13是两个双稳态柔性机构的静电微继电器结构示意图。
图中：1a、左柔性梁；1b、右柔性梁；2、可动梳齿；3a、左绝缘锚点；3b、右绝缘锚点；3c、下绝缘锚点；4、固定梳齿；5、可动触点；6a、左固定触点；6b、右固定触点；7、基底；7a、硅氧化层；8、SU-8绝缘凸台；8a、晶种层；9、光刻胶模型。
具体实施方式
实施例一
图1、2示出了一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器。图中，可动梳齿2和可动触点5采用构件2a连接成一体，双稳态全柔性梁采用二个柔性梁，一个左柔性梁1a的一端固定于左绝缘锚点3a上，另一端固定在构件2a上，另一个右柔性梁1b的一端固定于右绝缘锚点3b上，另一端也固定在构件2a上。双稳态全柔性梁的两个稳态位置分别使微继电器处于闭合和断开两个状态。可动梳齿2和固定梳齿4数目相等且间隔排列，所产生的静电力来驱动继电器动作。在可动触点5的正下方为固定在下绝缘锚点3c上的左固定触点6a和右固定触点6b，左固定触点6a和右固定触点6b通过导线连入控制电路中。左绝缘锚点3a、右绝缘锚点3b、下绝缘锚点3c、硅氧化层7a和基底7为绝缘材料，保证集成电路与微继电器之间的电隔离。
如图3、4所示，当施加电压激励后，可动梳齿2推动双稳态全柔性梁横向运动，当运动到一定位置后，双稳态全柔性梁所存储的弹性势能达到最大值，然后在不需要电压驱动的情况下迅速跳转到第二稳态位置，具有短程驱动的特点。如图4所示，双稳态柔性机构的能量示意图中第二稳态位置设置在弹性势能未完全释放的位置，依靠双稳态柔性机构的弹性力增大可动触点5与左固定触点6a和右固定触点6b之间的接触力，降低接触电阻，使接触可靠。另外，继电器在断开状态下可动触点5与左固定触点6a和右固定触点6b之间的间距较大，使继电器具有大行程和抗干扰能力强的特点。
微继电器的工作状态如图1、3、4所示，图1是为微继电器的第一稳态位置，继电器保持断开状态。在电压激励作用下，由可动梳齿2和固定梳齿4所组成的驱动部分为继电器提供静电力，推动双稳态柔性机构的中心位置横向运动，当达到如图4所示的机构弹性势能最大点后，弹性势能释放，机构发生跳转，可动触点5与左固定触点6a和右固定触点6b接触，导通电路。微继电器处于第二稳态位置，如图3所示。根据图4，机构需要较小的能量输入便可达到弹性势能最大值，施加较小的反向驱动电压，梳齿电容提供反向作用力拉动双稳态柔性机构中心位置脱离左固定触点6a和右固定触点6b，越过最大势能位置后，机构迅速跳转到第一稳态位置，即继电器处于断开状态。
如图5-12所示，本发明采用硅表面加工技术和微电铸工艺相结合的办法实现器件研制，具有工艺流程简单、成本低的特点，并且提高了继电器的可靠性。电铸中采用的材料是镍，镍的柔韧性较好，增强了双稳态柔性梁的使用寿命和稳定性。具体设计参数：底层光刻胶牺牲层厚度10-20微米；电铸镍厚度20-30微米；溅射钛晶种层的厚度500-800纳米；溅射铜晶种层的厚度500-800纳米；双稳态柔性梁的宽度为5-10微米，长度为50-200微米；整个V型梁继电器的长度为300-1000微米。具体制造工艺流程如下：
(1) 清洗硅片，作为基底7，参考图5；
(2) 高温氧化，在基底上形成绝缘氧化层7a，参考图6；
(3) 光刻显影后形成绝缘凸台8，如图7所示；
(4) 通过溅射，在绝缘凸台8和氧化层7a上形成晶种层8a，如图8所示；
(5) 通过第二次光刻、曝光显影，在晶种层8a上形成需要电铸的光刻胶模型9，如图9所示；
(6) 将基底放入电铸液中电铸，形成继电器基本结构，如图10所示；
(7) 第一次去胶去胶后的继电器结构，如图11所示；
(8) 结构释放，形成微继电器器件，如图12所示。
实施例二
图13示出了具有两个双稳态柔性机构的静电微继电器结构示意图。在实施例一的基础上，采用MEMS集成工艺将两个双稳态微继电器实现多点控制。施加驱动电压时，上方的可动梳齿2带动上方的可动触点5横向运动，导通上方的固定触点，实现上继电器的导通。同时，下方的可动梳齿2带动下方的可动触点5产生横向运动，闭合下方的固定触点，实现下继电器导通。上下两继电器的固定梳齿4施加同向电压，只需改变上方的可动梳齿2和下方的可动梳齿2的输入电压方向，即可实现上下继电器的动作控制。
Claims (6)
1.一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，它主要包括可动梳齿（2）和固定梳齿（4）、可动触点（5）和固定触点；其特征在于：它还包括双稳态全柔性梁，所述可动梳齿（2）和可动触点（5）采用构件（2a）连接成一体，所述双稳态全柔性梁采用二个柔性梁，一个左柔性梁（1a）的一端固定于左绝缘锚点（3a）上，另一端固定在构件（2a）上，另一个右柔性梁（1b）的一端固定于右绝缘锚点（3b）上，另一端也固定在构件（2a）上；在电压激励下，可动梳齿（2）带动双稳态全柔性梁横向运动，并发生快速翻转到第二稳态位置，可动触点（5）与固定于下绝缘锚点（3c）上的左固定触点（6a）和右固定触点（6b）形成桥接，接通电路，在施加异向驱动电压时，继电器迅速跳转返回第一稳态位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，其特征在于：当所述构件（2a）位于可动梳齿（2）的中心位置上时，所述双稳态全柔性梁是使所述继电器作横向运动的对称式V型机构。
3.根据权利要求1所述的一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，其特征在于：所述双稳态全柔性梁连接可动梳齿（2）和可动触点（5），通过左绝缘锚点（3a）和右绝缘锚点（3b）支撑形成悬空的可动部分，并与基底（7）之间形成电隔离。
4.根据权利要求1所述的一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，其特征在于：所述继电器采用双层结构，其中双稳态全柔性梁、可动梳齿（2）、固定梳齿（4）、可动触点（5）、左固定触点（6a）和右固定触点（6b）为采用金属导电材料的上层结构；基底（7）、左绝缘锚点（3a）、右绝缘锚点（3b）和下绝缘锚点（3c）为采用绝缘材料的下层结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，其特征在于：所述双稳态全柔性梁、可动梳齿（2）和固定梳齿（4）通过双层MEMS电铸镍的方法固定于带有绝缘凸台（8）的基底（7）上。
6.根据权利要求5所述的一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，其特征在于：所述绝缘凸台（8）采用SU-8胶光刻的办法固定于氧化层（7a）上。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110817 Termination date: 20111207 |