磁致雙穩(wěn)態(tài)MEMS電磁微繼電器的研制.pdf

1、繼電器是廣泛應用于汽車、通訊、家電、精密儀器等領域的電器控制元件,隨著機電元件使用密度的提高,小尺寸、低功耗的微型繼電器的研究成為人們關(guān)注的焦點。然而,傳統(tǒng)的精密機械加工技術(shù)已經(jīng)難以完全滿足器件小尺寸的精密要求,基于微電子工藝發(fā)展起來的MEMS技術(shù)使機電繼電器的微小型化成為了可能。典型的傳統(tǒng)繼電器多采用電磁驅(qū)動,而基于MEMS技術(shù)研制的微型繼電器采用的驅(qū)動手段比較多樣化,基于硅微細加工技術(shù)研制的靜電MEMS繼電器是最早出現(xiàn)的微型繼電器,

2、工藝成熟、響應速度快是其最大的特點,只是受靜電驅(qū)動能力的限制,多應用于小功率的RFMEMS器件中；電熱MEMS繼電器的驅(qū)動力大,運行位移較長,但散熱問題導致響應速度慢成為其難以克服的缺點；電磁驅(qū)動是一種可以在較低的電壓驅(qū)動下短時間內(nèi)完成長距離運行的驅(qū)動方式,而且,電磁驅(qū)動對工作環(huán)境的要求很低,因此,基于電磁驅(qū)動的MEMS繼電器具有更廣闊的應用天地。目前,MEMS電磁微繼電器的結(jié)構(gòu)多數(shù)是傳統(tǒng)繼電器的縮微化。其微型電磁系統(tǒng)主要包括電學和磁學

3、兩個系統(tǒng),相對于其他方式驅(qū)動的微小器件來說,結(jié)構(gòu)稍顯復雜,特別是對于制作電磁系統(tǒng)的磁學材料,沒有成熟的MEMS工藝作為技術(shù)支撐,因此,所做的工藝研究工作也相對較多。為此,很多研究人員選擇對電磁MEMS繼電器的部分結(jié)構(gòu)進行專門的研究,希望通過提高核心部件的性能來提高整體器件的性能。但器件封裝后,微型繼電器的整體性能優(yōu)勢卻并不明顯。針對典型的MEMS電磁微繼電器的現(xiàn)狀,本文著重從以下幾個方面進行了研究：1、一種新型的磁致鎖定電磁微繼電器的整

4、體結(jié)構(gòu)設計方案及其仿真優(yōu)化分析利用直線電機的驅(qū)動原理來實現(xiàn)對微型執(zhí)行器的驅(qū)動,采用了環(huán)形的結(jié)構(gòu),降低了端面效應對電磁驅(qū)動效率的影響；“三明治”式的對稱結(jié)構(gòu)使軸向上的磁作用力相互抵消,緩解了軸承在轉(zhuǎn)動過程中摩擦力對器件運行的影響；在線圈中嵌入的鐵芯結(jié)構(gòu)改變了工作氣隙中的磁通密度分布,由此產(chǎn)生的磁力很好地執(zhí)行了狀態(tài)鎖定的功能,實現(xiàn)了器件的無功耗姿態(tài)保持；電接觸系統(tǒng)在擺動中完成對外電路的通斷控制,觸點間的接觸方式是滑動接觸；設計的動觸點呈弧面

5、薄膜結(jié)構(gòu),接觸的過程中,弧面結(jié)構(gòu)有利于提高接觸的穩(wěn)定性,并且在壓力的作用下,薄膜觸點會產(chǎn)生細微的形變,增大接觸面積,降低接觸電阻,提高器件的電流承載能力；電接觸結(jié)構(gòu)可以根據(jù)要求進行更換,這樣,即可以保持器件良好的電接觸性能,還能夠適應不用應用領域的要求,也不必擔心因為觸點這種易損結(jié)構(gòu)的失效而導致整個器件的報廢。根據(jù)磁通總是優(yōu)先經(jīng)過磁導率較高的介質(zhì)這一基本原理,在線圈嵌入了軟磁鐵芯結(jié)構(gòu)以改變工作氣隙內(nèi)的鐵芯周圍的磁通密度,從而導致鐵芯受到

6、磁場力的作用,由于定子固定不動,因此這個反作用于轉(zhuǎn)子,形成鎖定器件某個姿態(tài)的效果。由于電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜且不規(guī)則,ANSYS有限元分析軟件給我們提供了一個解決這個問題的方法。利用ANSYS軟件分析了工作氣隙內(nèi)的磁場狀態(tài),優(yōu)化了鐵芯結(jié)構(gòu)以達到最好的鎖定效果,展示了線圈所在位置的磁場分布狀態(tài),為電磁驅(qū)動能力的理論計算以及器件中各部件的幾何尺寸優(yōu)化設計和運行方式的確定提供了很大的幫助。2、弧形電接觸結(jié)構(gòu)的研制根據(jù)電磁驅(qū)動器的運行特點,設計了一

7、種弧面的電接觸結(jié)構(gòu),以緩解在接觸過程中,動觸點對靜觸點產(chǎn)生的沖擊；在接觸的過程中,動觸點會在靜觸點上滑行一段距離,一方面可以確保觸點間的穩(wěn)定接觸,避免出現(xiàn)彈跳的現(xiàn)象,另一方面,通過滑動接觸可以破壞觸點間的氧化絕緣薄膜,提高電導率；利用溶膠的工藝原理,開發(fā)了一種大曲率半徑的微型弧面結(jié)構(gòu)的制作方法,同時還解決了光刻膠作為犧牲層的工藝難點。3、基于碳納米纖維復合材料在電接觸系統(tǒng)中的工藝研究電接觸系統(tǒng)是器件的易損部件,而且為了適應不同領域的應用

8、要求,有必要對觸點材料做針對性地研究。電鍍金薄膜作為觸點的接觸材料是MEMS繼電器采用的常規(guī)手段,雖然金的物理化學性質(zhì)穩(wěn)定,但金薄膜材料質(zhì)地較軟,難以承受長時間的運行。碳納米纖維復合金屬薄膜材料是一種具有良好的機械和電學性能的電接觸材料,通過調(diào)整和改進電鍍工藝的參數(shù)和條件,開發(fā)了一種制作銅基碳納米纖維復合材料作為接觸材料的工藝,不僅提高了材料本身的機械和電學性能,而且其制作工藝也能夠與常規(guī)的MEMS工藝兼容,為基于碳納米纖維復合金屬材料

9、在MEMS器件中的應用奠定了一定的技術(shù)基礎。4、雙穩(wěn)態(tài)MEMS電磁微繼電器樣品的批量加工與測試根據(jù)器件整體結(jié)構(gòu)的設計要求,對器件的核心部件都實現(xiàn)了集成化加工制造,主要包括：帶有軟磁鐵心結(jié)構(gòu)的平面定子繞組和帶有弧面觸點結(jié)構(gòu)的電接觸刷結(jié)構(gòu)以及相應的帶有靜觸點的頂蓋結(jié)構(gòu),對于永磁轉(zhuǎn)子和封裝外殼等配套的零部件采用的是精密模具沖壓成型工藝,同樣具備批量加工的特點,最后,通過精密組裝來完成對整體器件的研制。這種制作復雜MEMS器件結(jié)構(gòu)的方法降低了電

10、磁MEMS繼電器集成制作的工藝難度,有效地結(jié)合了精密機械加工的特點,基本上實現(xiàn)了器件的集成化批量制造,有利于提高器件的成品率,降低器件的封裝難度,也有利于利用現(xiàn)有儀器實現(xiàn)對MEMS器件性能的測試。經(jīng)測試表明：器件的響應時間和器件的接觸電阻與轉(zhuǎn)子擺臂的擺幅有關(guān)。最短響應時間可以達到0.3ms；此外,因為響應時間很短,因此所采用的直流脈沖電磁驅(qū)動的時間相應縮短,而且,由于磁致鎖定結(jié)構(gòu)的引入使穩(wěn)態(tài)時的功耗為0,因此,整個器件的理論驅(qū)動功耗不到