专利名称：一种电磁双稳态微继电器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及利用电磁力进行驱动，永磁力保持其稳定状态的基于微机电系统 (MEMS)技术的双稳态继电器，具体是一种电磁双稳态微继电器，属于制造技术领域。
背景技术：
继电器作为一种基本的电气元件，广泛的应用于自动控制系统、电力保护系统、电 气系统、通讯系统以及仪器仪表等领域。 常规的继电器分为两大类机电继电器和固态继电器。机电继电器是基于金属电 极的吸合与断开来实现的，这种继电器有着近乎完美的电学性能，即闭合阻抗小、导通电流 大、开路阻抗大、漏电电流小，但由于是机械接触，其响应速度慢，工作寿命也比较短。固态 继电器是基于光电晶体管和发光二极管的耦合。这种继电器有着与机电继电器相比拟的绝 缘性能，能提供1500V的抗压强度。但固态继电器在插入损耗和负载电流两项指标上远远 不如机电继电器。因此固态继电器主要应用于要求可靠性极高或要求微型化的场合。此外 固态继电器的价格大约是机电继电器的三倍以上。因此性能和价格在机电继电器和固态继 电器之间的继电器，特别是性能与机电继电器相当的微型化继电器有很大的市场需求。所 以近几年有很多在继电器领域研究人员的目光投向代表微型化和集成化方向的微机电系 统(MEMS)技术。 基于微机电技术加工工艺的继电器从工作原理角度看，主要有静电型、电磁型、热 机械型、热磁型等，其主要的优点体积小、功耗低、响应快、隔离度高、负载能力强等。主要 的研究方向集中在由静电和电磁驱动的继电器上，其中静电型继电器由于其驱动电压过高 而限制了其进一步发展，而电磁驱动以其驱动电压低、产生力矩大、寿命长、驱动信号和传 输信号的相互隔离等特点成为了研究和微继电器发展的方向。目前电磁继电器最大的困境 在于结构复杂，工艺实现困难、及其平面线圈产生的电磁场强度小等。
实用新型内容本实用新型目的在于既兼顾传统继电器的优点又克服现有MEMS继电器存在不足
的情况下，设计开发的一种微电磁继电器，本继电器基于微电子机械系统(MEMS)微细加工
工艺技术，使整个继电器各个结构(永磁铁(1)除外)集成在一个硅基板上制作，磁路趋于
闭合电磁场强度大，具有可靠性高、结构和制作工艺简单、加工成本低等特点。 为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案本装置包括硅基板、在硅基
板的下表面刻蚀的磁芯铁芯系统、在硅基板的上面制作的驱动线圈系统、以及在驱动线圈
系统上部布置的触点系统。 所述的磁芯铁芯系统包括一个铁芯和两个磁芯，所述的铁芯的中心与硅基板的中 心重合，所述的两个磁芯沿硅基板中心线的方向相对于铁芯对称分布，所述的铁芯为在硅 基板的下表面刻蚀出截面形状为三角形的硅杯，在硅杯上镀有坡莫合金层组成铁芯，两个 磁芯的结构和铁芯的结构相同，磁芯和铁芯之间也通过坡莫合金层连接；在铁芯和磁芯的
3下面设置有起绝缘作用的保护层，在保护层的下面贴合有永磁铁。 所述的驱动线圈系统包括两个平面布置的驱动线圈、连接驱动线圈的导线和两对 载荷电极。在硅基板的上表面制作有一连接驱动线圈的导线，导线的两个端子分别位于两 个线圈磁芯的正上方，整个导线成"U"字形结构，在去除导线的两个端子的上面制作有一层 绝缘层，在绝缘层的上面制作有两个平面线圈和两对载荷端子，平面线圈的中央端子处在 导线的端子的正上方，并与导线端子相导通，两对载荷端子分别对称分布在两个驱动线圈 的两侧； 所述的触点系统包括两对静触点、支座、扭转梁和转轴。在线圈的上面制作有绝缘 层，并露出线圈电极和两对载荷端子，在绝缘层的上面制作有两对静触点、支座、扭转梁和 转轴，扭转梁、支座和转轴为电镀的坡莫合金层，成"十"字形结构，十字结构的中心与硅基 板的中心重合，扭转梁和转轴具有相同的厚度，支座与转轴两端连接，支座与静触点和转轴 厚度差形成继电器的工作间隙，两对静触点对称布置的扭转梁的两端，并与两对载荷电极 一一对应连接，扭转梁转动时其端部能够与静触点接触。 本实用新型具有制作可靠性高、驱动力矩大、工艺简单、结构简单、制造成本低等 优点。
图1双稳态电磁微继电器的结构剖视图 图2驱动线圈系统及电极系统结构图 图3触点系统结构图 图中1、永磁铁；2、磁芯；3、保护层；4、磁路；5、硅基板；6、静触点；7、铁芯；8、支 座；9、线圈；10、绝缘层；11、扭转梁；12、导线；13、线圈电极；14、转轴；15、载荷端子。
具体实施方式结合图1-图3对本实用新型做进一步说明 本实施例的结构如图1所示，包括包括硅基板5、在硅基板5的下表面刻蚀的磁芯 铁芯系统、在硅基板的上面制作的驱动线圈系统、以及在驱动线圈系统上部布置的触点系 统。磁芯铁芯系统包括一个铁芯7和两个磁芯2。驱动线圈系统包括两个平面布置的驱动 线圈9、连接驱动线圈的导线12和两对载荷电极5。触点系统包括两对静触点6、支座8、扭 转梁11和转轴14。其各部分的具体位置关系如下 如图1所示，磁芯铁芯系统包括一个铁芯7和两个磁芯2，铁芯的中心与硅基板的 中心重合，两个磁芯沿硅基板中心线的方向相对于铁芯7对称分布，铁芯7为在硅基板的下 表面刻蚀出截面形状为三角形的硅杯，在硅杯上镀有坡莫合金层组成铁芯7，两个磁芯2的 结构和铁芯7的结构相同，磁芯2和铁芯7之间也通过坡莫合金层连接。在铁芯和磁芯的 下面设置有起绝缘作用的保护层3，在保护层3的下面贴合有永磁铁1。 驱动线圈系统的结构如图2所示，，在硅基板5的另一面上制作一连接驱动线圈9 的导线12，导线12的两个端子分别在位于两个线圈磁芯2的中央电极的正上方，并与驱动 线圈的中央电极相导通，整个导线12成"U"字形结构，在除去导线12的两个端子的上面制 作一层绝缘层IO，使导线12与驱动线圈9绝缘。在绝缘层10的上面制作有两个平面线圈9和四个载荷端子15，平面线圈9的中央端子处在导线12的端子的正上方，载荷端子15对 称分布在线圈9的两侧。 触点系统的结构如图1、图3所示，在线圈9的上面制作一层绝缘层IO，使驱动线 圈9与上层的结构绝缘，并露出线圈电极13以及四个载荷端子15。四个载荷端子15组成 电极系统。在线圈绝缘层10的上面依次制作有静触点6、支座8、扭转梁11和转轴14。扭 转梁11、支座8和转轴14为电镀的坡莫合金层，成"十"字形结构，十字中心位于硅基板5 的正中央，扭转梁11和转轴14具有相同的厚度，支座8与转轴14两端连接，支座8与静触 点6和转轴14厚度差形成继电器的工作间隙。两对静触点6对称布置的扭转梁11的两端， 并与两对载荷电极15 —一对应连接，扭转梁11转动时其端部能够与静触点接触。 本实施例的工作原理如下 双稳态继电器的工作过程，在两对静触点上分别加载一个载荷，串联的两个驱动 线圈两端施加一矩形脉冲，当在串联的两个线圈施加一个正向的脉冲时，瞬时两个驱动线 圈产生相反的电磁场，电磁场使扭转梁朝一个方向磁化，磁化的扭转梁在电磁场和永磁场 的合场中受到一顺时针方向的扭矩那么在扭矩的作用下，扭转梁绕着转轴顺时针旋转，进 而使左侧的扭转梁的一端与对应一边的静触点接触，接通左侧的加载的载荷，左侧处于闭 合状态另一侧处于断开状态并且由永磁铁保持这种状态；反之在其驱动线圈施加反向的脉 冲是使扭转梁受到逆时针方向的扭矩，进而扭转梁逆时针旋转，右侧载荷导通，处于闭合状 态，左侧处于断开状态，由永磁铁保持这种状态。 双稳态电磁微继电器的结构如图l所示，线圈的中心端子中心和导线的端子中心 必须要与线圈磁芯中心上下对正；制作线圈磁芯和铁芯的硅杯刻蚀剩余厚度大约50微米。 触点系统结构如图3所示，扭转梁的长度应超过线圈中心端子的外侧100微米左 右，这样可以使扭转梁所受到的驱动力矩较大；扭转梁的左右两侧分别与对应的静触点左 右两侧对齐；成对的静触点之间的距离大约为200微米。
权利要求一种电磁双稳态微继电器，其特征在于包括硅基板(5)、在硅基板(5)的下表面刻蚀的磁芯铁芯系统、在硅基板的上面制作的驱动线圈系统、以及在驱动线圈系统上部布置的触点系统；所述的磁芯铁芯系统包括一个铁芯(7)和两个磁芯(2)，所述的铁芯的中心与硅基板的中心重合，所述的两个磁芯沿硅基板中心线的方向相对于铁芯(7)对称分布，所述的铁芯(7)为在硅基板的下表面刻蚀出截面形状为三角形的硅杯，在硅杯上镀有坡莫合金层组成铁芯(7)，两个磁芯(2)的结构和铁芯(7)的结构相同，磁芯(2)和铁芯(7)之间也通过坡莫合金层连接；在铁芯和磁芯的下面设置有起绝缘作用的保护层(3)，在保护层(3)的下面贴合有永磁铁(1)；所述的驱动线圈系统包括两个平面布置的驱动线圈(9)、连接驱动线圈的导线(12)和两对载荷电极(5)；在硅基板(5)的上表面制作有一连接驱动线圈(9)的导线(12)，导线(12)的两个端子分别位于两个线圈磁芯(2)的正上方，整个导线(12)成“U”字形结构，在去除导线(12)的两个端子的上面制作有一层绝缘层(10)，在绝缘层(10)的上面制作有两个平面线圈(9)和两对载荷端子(15))，平面线圈(9)的中央端子处在导线(12)的端子的正上方，并与导线端子相导通，两对载荷端子(15)分别对称分布在两个驱动线圈(9)的两侧；所述的触点系统包括两对静触点(6)、支座(8)、扭转梁(11)和转轴(14)；在线圈(9)的上面制作有绝缘层(10)，并露出线圈电极(13)和两对载荷端子(15)，在绝缘层(10)的上面制作有两对静触点(6)、支座(8)、扭转梁(11)和转轴(14)，扭转梁(11)、支座(8)和转轴(14)为电镀的坡莫合金层，成“十”字形结构，十字结构的中心与硅基板(5)的中心重合，扭转梁(11)和转轴(14)具有相同的厚度，支座(8)与转轴(14)两端连接，支座(8)与静触点(6)和转轴(14)厚度差形成继电器的工作间隙，两对静触点(6)对称布置的扭转梁(11)的两端，并与两对载荷电极(15)一一对应连接，扭转梁(11)转动时其端部能够与静触点接触。
专利摘要本实用新型是一种双稳态电磁微继电器，属于制造技术领域。它采用了将驱动线圈系统、电极系统、触点系统及其磁芯和铁芯制作在半导体硅基板上，然后和永磁铁进行贴装组合的结构。驱动线圈系统由驱动线圈、导线和组成，导线连接两个平面驱动线圈中心电极。触点系统由两对静触点、扭转梁、支座、转轴组成，分布在芯片的正中央。磁芯和铁芯是硅基板背面的三个刻蚀的面上镀坡莫合金层的硅杯。本继电器采用基本结构一体式的结构，克服了分体式结构可靠性差，结构精度低等弊端。本实用新型具有工艺简单、成本低、结构简单、可靠性高等优点。
文档编号H01H51/27GK201522974SQ20092024652
公开日2010年7月7日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者刘本东, 李德胜, 郭学平 申请人:北京工业大学