可锁定的微型磁继电器及其操作方法

专利名称：可锁定的微型磁继电器及其操作方法
技术领域：
本发明涉及继电器，具体涉及一种可锁定的微磁继电器，以及制作和使用操作微 磁继电器的方法。
背景技术：
继电器通常是电控装置，该器件通过断开或闭合电接触从而影响电路中电流的流 通或光纤中光路的转换。继电器被广泛应用于电话通讯、射频(RF)通讯、便携式电子产品、 消费电子、工业电子、航空航天和光纤通讯等系统。常用的继电器是由一个电磁铁、一个软铁弹性片、一个移动的电接触点和一个固 定的电接触点组成，它通过电磁铁有选择地闭合与断开软铁弹性片。传统的机械继电器是 作为分离元件单个制造的。它们的尺寸比较大。作为一个工业的趋势，一些应用，包含自动 测试、通讯和消费电子在使用中要求较高密度的继电器部署。大尺寸型继电器不再符合要 求。微电子机械系统(MEMS)技术提供了一种新的方法来制作微继电器。双稳态、可锁 定的继电器在触发后不需要持续通电来保持状态，因此应用更广泛。微型可锁定磁继电器 的各种设计方案已在以往的专利中有所公开。美国专利U. S. Pat. No. 5，818，316公开了一种可锁定可编程开关，其包含第一和 第二可磁化导体。第一导体永久性磁化，第二个导体是应外磁场而改变磁化。通过可编程 导线来切换第二个导体的磁化，以实现对第二个导体的吸引或排斥。美国专利U. S. Pat. No. 6，124，650公开了另一种可锁定微型继电器，其采用“方形 磁滞回线”磁性材料，它的磁化可随外磁场方向而变化并有记忆功能。导体产生的外部磁场 使磁性物质按所需要求而磁化。从而与外磁场之间产生磁吸引力和排斥力，使继电器保持 在闭合或断开状态。美国专利U. S. Pat. No. 7，106，159中介绍了又一个种可锁定微继电器，该继电器 有一个可移动永久磁铁，根据需要选择性地加热一个固定磁性部件到居里温度以上使其失 去磁性，使可该移动永久磁铁从一个位置切换到另一个位置。美国专利U. S. Pat. No. 7，482，899中描述了又一种可锁定微型继电器，其继电器 采用薄永久磁铁作为移动悬臂。通过在线圈施加一定方向的电流，线圈电流产生的瞬间垂 直磁场在悬臂上产生力矩，并使之旋转到它的两个稳定的位置之一。以上的继电器各自提供了一些独特的方法。每种继电器各有一定的优点，但也有 一些缺点和局限性。有的受材料限制只能产生很小的接触力；有的需要大的电流来驱动； 有的需要把永久磁铁精确地放置在可移动的结构上。通常生产永久磁铁需要高温和高压， 这些条件会损坏相关的可移动结构。另外，具有高温稳定性的永久磁铁是比较脆的，很容易 碎裂。如果在应用中经受数百万次的接触和撞击，它的可靠性是难以保证的。这些缺点和 局限性提高了制造难度和成本，也阻碍它们在实际中的应用。美国专利U. S. Pat. No. 6，469，602B2中描述又一种可锁定的继电器，该种继电器包含一个软磁悬臂，一个较大尺寸的扁平永久磁铁和一个电磁铁线圈。扁平永久磁铁产生 的均勻磁场大致垂直于悬臂的中性平面。软磁悬臂在扁平永久磁铁产生的均勻磁场中呈现 出一个第一状态和一个第二状态，分别对应于继电器断开状态和闭合状态。其中，电磁铁线 圈中的电流产生第二个磁场可以控制继电器的断开和闭合。通过提供不同方向的电流，悬 臂可以在第一个状态和第二个状态之间切换。其物理机制是，软磁悬臂在一个大约均勻的 垂直磁场B (是一个向量)中感生出磁矩m(也是一个向量)。永久磁铁磁场在软磁悬臂上 产生的磁力矩等于mXB(两向量的叉乘)。这个磁力矩使得软磁悬臂有一个与外磁场对齐 或平行的动作和趋势。相应的传感器以及应用也是在此基础上发明的。要使该器件正常工作，悬臂需要一个大约均勻的磁场。因此，它要求永久磁铁的长 度大大超过悬臂的长度以提供大约均勻的垂直磁场；或者需要悬臂的位置远离永久磁铁以 获得相对均勻磁场，但在这种情形下均勻磁场往往很弱，导致器件的性能不佳。使用特殊技 术可以产生均勻磁场，但大尺寸永久磁铁还是必需的。这会导致对周边继电器、磁器件或工 具的磁性干扰。由于磁干扰，该继电器在印刷电路板上的密集部署是禁止的。缩小器件尺 寸，特别是永久磁铁，是困难的。原因是，在小永久磁铁附近的磁场分布是不均勻的。各磁 力线指向不同的方向而且严重弯曲，使悬臂与该磁场对齐是不切实际的。当永久磁铁很小时，附近的软磁悬臂感受到非常不均勻的磁场B。磁场的强度和方 向都随着位置而急剧变化，因而磁场梯度很强。在软磁悬臂上的磁力(ιη·ν)Β (磁矩m和磁 场B梯度的点乘)变得很重要而且起主导作用。磁力矩mXB在软磁悬臂上的作用相对而 言是次要的。

发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种可锁定的微型磁继电器及其操作方法， 以解决现有技术性能不佳或干扰较强的问题。一种可锁定的微型磁继电器，包括一基底；一可动部件，所述可动部件连接在所 述基底上并有一旋转轴，所述可动部件包含一软磁性材料，并有一第一端和一第二端，所述 可动部件有两个稳定位置一第一稳定位置和一第二稳定位置，它们分别对应于两个稳定 状态中的一闭合状态和一断开状态；一第一永久磁铁，所述的第一永久磁铁有一第一磁极 和一第二个磁极，并被放置在所述可动部件的所述第一端附近，所述第一永久磁铁对所述 可动部件产生一第一磁力和相对于所述旋转轴的一第一力矩，其中，与所述第二磁极相比， 所述第一磁极贡献了所述第一磁力的大部分和所述第一力矩的大部分；一第二永久磁铁， 所述第二永久磁铁有一第三磁极和一第四磁极，并被放置在所述可动部件的所述第二端附 近，所述第二永久磁铁对所述的可动部件产生一第二磁力和相对于所述旋转轴的一第二力 矩，其中，与所述第四磁极相比，所述第三磁极贡献了所述第二磁力的大部分和所述第二力 矩的大部分，并且，所述第二永久磁铁的所述第三磁极与所述第一永久磁铁的所述第一磁 极之间保持一个预先设定的大于零的间距；以及一电磁铁，在所述的电磁铁中通过一具有 一定强度、持续时间和方向的电流，在所述可动部件所在区域产生一瞬间切换磁场导致所 述可动部件上的所述软磁性材料的磁化发生变化，并使所述可动部件上的力矩总和的方向 发生反转，从而使所述可动部件绕所述旋转轴旋转，达到所述两个稳定状态之间的切换，其 中，所述电流的方向决定所述可动部件旋转的方向；其中，所述第一永久磁铁、所述第二永久磁铁、所述基底以及所述可动部件的设置，使得所述可动部件在所述瞬间切换磁场不存 在的情况下可以维持在所述两个稳定状态之一。本发明同时提供一种操作微型磁继电器的方法，包括以下步骤提供一个基底；提供与所述基底连接的一可动部件，所述可动部件有一软磁性材料，以及有一第 一端和一个第二端，并有一个旋转轴，所述的可动部件有两个稳定状态一第一稳定状态和 一第二稳定状态；提供一第一永久磁铁，从而在所述可动部件上产生一第一磁力和相对于所述旋转 轴的一第一力矩，所述第一永久磁铁被放置在所述可动部件的所述第一端的附近；提供一第二永久磁铁，从而在所述可动部件上产生一第二磁力和相对于所述旋转 轴的一第二力矩，所述第二永久磁铁被放置在所述可动部件的所述第二端的附近；提供一切换磁场，从而使所述可动部件在所述两个稳定状态之间切换，其中所述 切换磁场改变了所述可动部件上所述软磁性材料的磁化，从而反转了所述可动部件上的相 对于所述旋转轴的力矩总和的方向，导致所述可动部件绕所述旋转轴旋转，达到在所述两 个稳定状态之间的切换；设置所述第一永久磁铁、所述第二永久磁铁、所述基底以及所述可动部件，使所述 可动部件在没有所述切换磁场时，能够保持在所述两个稳定状态之一。本发明还提供了一种微型磁继电器，包括一基底；一连接到所述基底的可动部 件，该可动部件有一旋转轴以及一软磁性材料，所述可动部件有一第一端和一第二端，所述 可动部件有两个状态一第一状态和一第二状态；一第一永久磁铁被设置在所述可动部件的所述第一端的附近，所述第一永久磁铁 在所述可动部件上产生第一磁吸引力，并使所述可动部件保持在所述第一状态，其中，当所 述可动部件在所述第一状态时，所述可动部件绕所述旋转轴倾斜，并且所述第一端靠近所 述第一永久磁铁；一可移动第二永久磁铁，用来在所述两个状态之间切换所述可动部件，当所述可 移动第二永久磁铁在一切换位置时，在所述可动部件上产生一预定强度的第二磁吸引力并 把所述可动部件切换到第二状态，其中，当所述可动部件在所述第二状态时，所述可动部件 绕所述旋转轴倾斜，并且其所述第一端远离所述第一永久磁铁。依照本发明的技术特征的，一种继电器，它充分利用磁力(ιη·ν)Β作为主导作用 来控制悬臂运动，同时也不忽略磁力矩mXB作为辅助因素，它具有以下的特征接触力大、 永久磁铁尺寸小、磁干扰低、器件体积小、器件密度高、可靠性高和对制造过程中产生的误 差具有高容忍度，并且这种新型继电器易于操作和制造。


图IA是一个平面线圈作为电磁铁的俯视图；图IB是一个图IA的沿线IB的电磁铁剖面图；图IC是一个用绕组线圈作为一个电磁铁的正视图；图2A是本发明第一个实施例子的正视图，其中可锁定继电器处于稳定的断开状 态；
图2B是本发明第一个实施例子的正视图，其中可锁定继电器处于稳定的闭合状 态；图2C是本发明第一个实施例子的正视图，其中一个正电流施加于电磁铁使继电 器从闭合状态向断开状态切换；图2D是本发明第一个实施例的俯视图；图3是本发明的第二个实施例正视图；图4是本发明的第三个实施例正视图；图5是本发明的第四个实施例正视图；图6是本发明的第五个实施例正视图；图7是本发明的第六个实施例正视图；图8是本发明的第七个实施例正视图；图9是本发明的第八个实施例正视图；图10是一个根据本发明的实施例组成的继电器阵列正视图；图11是一个根据本发明的实施例组成的在X轴方向具有共用的永久磁铁的继电 器阵列正视图。
具体实施例方式应当明白这里所示和描述的具体范例和应用只是本发明的例子，而不是为了限 制本发明的范围。事实上，为了简洁起见，传统的电子、制造、MEMS技术及其它系统的功能 (和系统中的各个组成部分的其它工作元件)这里不再详细描述。为了简短起见，下文也经 常将该发明描述成属于电器或电子系统使用的微型电子机械继电器。应该认识到，很多其 它的制造技术可用于制造此处所述的继电器，而本文所述的技术可以在机械继电器、光继 电器或任何其它开关器件使用。此外，该技术适合应用在电力系统、光学系统、消费电子、工 业电子、无线系统、空间应用或任何其它应用场合。此外，应该认识到，这里的空间描述只是 为了描述的目的，而实际的可锁定继电器可以采用任何方向或方式的空间排列。作为一个 发明的范围，应由所附的权利要求以及它们的法律等效物来定义。更应当认识到，图纸不一 定是按比例绘制的，除非另有描述，他们只是为了描述此处所述的继电器工作原理和结构。 如果通过适当的方式连接及提供适当的器件，这些继电器也可以形成阵列。图IA和IB是电磁铁20的俯视图和截面图，这个电磁铁是用一个平面线圈20做 成的。电流从输入端25流向输出端26，使线圈20在附近产生磁场B。正如图IA和IB所 描述的，在右侧导线段21中的电流和左侧导线段22中的电流是方向相反的。因此，线圈20 右侧导线段21上方的矢量磁场方向和左侧导线段22上方的矢量磁场方向是相反的。应当 明白的是，如图IB所示，在线圈20上方的附近，磁场矢量方向大约与线圈20所在平面28 平行。如果改变线圈20中的电流方向，各个区域的磁场B矢量方向也随着改变。图IC是 一个围绕基底51的三维绕组线圈20的正视图，这是另一种常用的电磁铁20。图2A-C是可锁定继电器201的第一个实施例子的正视图。继电器201包含一个 基底51 ；—个第一绝缘层52 ；—个电磁铁20，在这实施例子里是一个平面线圈20 ；—个第 二绝缘层53 ；设置在绝缘层53上的导电接触41以及导电接触42 ；—个第一永久磁铁101 ； 一个第二永久磁铁102 ；—个保护层54 ；以及一个可动部件30，该可动部件是一个悬臂30，它处于导电接触41和42的上方，同时在永久磁铁101和102的下面。图2D是第一个可锁 定继电器201实施例子的俯视图。永久磁铁101和102，绝缘层52和53，以及保护层54在 图2D中没有显示。保护层54可以是任何能够支持永久磁铁101和102的材料。适当的材料可以是 玻璃、硅、陶瓷、金属或类似的材料，厚度可在10-5000微米。第一永久磁铁101和第二永久磁铁102可以是任何类型的永久磁铁，它们的永久 磁化方向都在正Z轴方向。适用的磁铁一般是市面上有售的具有较高剩余磁化B^ (如从 0. 01特斯拉至2特斯拉)和较高矫顽力Hc(如大于100奥斯特)的材料，如钐钴、铷铁硼、 铁铝镍钴、陶瓷永久磁铁和其它材料。钐钴材料是首选，因为它具有高温稳定性和高磁性能 及强度。除了如图2A所示安装在保护层54的下方，永久磁铁101和永久磁铁102列也可 以嵌入保护层54内，他们还可以放在保护层54的上方。永久磁铁101和永久磁铁102可 以单独安装到保护层54上，也可以采用丝网印刷、模具填充、电镀或其它工艺技术批量制 造在保护层54上。基底51可以是任何类型基底，如硅、砷化镓、玻璃、陶瓷、塑料、环氧基基底，或者 是金属，如镍、铁、镍铁合金、镍铁钴软磁性材料合金、镍钴合金、铁硅合金或各种其它合金。 基底51表面可用绝缘材料(如氧化物)覆盖，使之平坦化或绝缘。一个可锁定继电器201 可有一个单独的基底51，或多个继电器201共用一个基底51。另外，其它器件(如晶体管， 二极管，或其它电子器件)通过传统的集成电路制造技术也可以制造在同一基底51上。绝缘层52和绝缘层53可以是任何绝缘材料，如玻璃、高电阻率硅、砷化镓、氧化铝 陶瓷、PECVD氧化硅、可甩涂玻璃、氮化物、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或其它绝缘体。绝缘层52 和绝缘层53的厚度从0. 1微米到1000微米不等。在第一个实施例子中，用于绝缘线圈20 的绝缘层52可以是PECVD法形成的氧化硅。图2A所示的电磁铁20是一个平面线圈20。它有一个输入端25和一个输出端 26。电磁铁20中的导线段可以是一个或多个导线以各种方式连接，如蜿蜒的图案、螺旋形 图案、甚至不规则图案，或三维的结构。电磁铁20可以由任何导电材料构成，如金、银、铜、 铝、其它金属或类似的导电材料。当电磁铁20导电时，周围产生磁场。如果要产生一个更 强的磁场，除了增加电流强度，以及线圈20的导线段21和22的密度，也可以通过适当的绝 缘把多层的平面线圈20叠加起来，每层线圈20之间通过孔化实现电连接。导电接触41和42放置在绝缘层53上。导电接触41和42可以是任何导电材料 如金、金的合金、银、铜、铝、钨、钌、铑、钼、钯、其它合金或其它金属。悬臂30是翘翘板式的可动部件，并受外磁场的磁力影响。在图2A至2D所示的实 施例子中，悬臂30包含有一软磁性层35 ；—导电层33 ；两端的导电接触31和32 ；弹性片 34 ；和由基底51以及绝缘层53支持的支撑部36。弹性片34是悬臂30按顺时针或逆时针 旋转的旋转轴。软磁性层35可以是Ni-Fe合金(坡莫合金)、镍、铁、镍钴合金、镍铁钴合 金、镍钼铁合金(supermalloy)或其它软磁性材料。导电层33可以是金、银、铜、钛、铝、钨、 钌、铑、钼、钯、其它金属、合金或其它导电材料。悬臂30有两个稳定状态，分别是断开状态和闭合状态，下文将有详细的描述。在 许多不同的实施例子里，如图2B所示，当导电层33通过导电接触31接通至导电接触41时， 继电器201被认为是“闭合”。相反，当导电接触31与导电接触41不相接通时，继电器被认为是“断开”。一个稳定的断开状态如图2A所示悬臂30绕着弹性片34倾斜，以至于导电 层33通过导电接触32与导电接触42相接通。悬臂30可以绕着弹性片34旋转，所以要求 弹性片34有一定的灵活性。弹性片34的灵活性可由它的厚度，长度和宽度来调节，或通过 将弹性片34 (或其各个组成层)做成不同的形状，或使用柔性材料等来调节它的弹性。当 然，悬臂30的尺寸可以相差很大，在具体实施中，一个典型的微磁继电器201使用的悬臂30 沿X轴、Y轴和Z轴的尺寸分别是10-5000微米长，10-5000微米宽，和1-100微米厚。例 如，按照图2A，悬臂30的典型的尺寸可以是400微米X 400微米X 10微米，或者是1000微 米X 800微米X 20微米，或任何其它适合的尺寸。支撑部36通过弹性片34支撑悬臂30在导电接触41和42的上方，并在中间形成 了一个空隙44。空隙44可以是真空，也可以填充空气、氮气、氦气或其它气体，或填充液体， 比如油等。虽然空隙44的大小在不同的实例中有很大差异，但是一个典型的空隙44范围 可在0. 1微米到100微米，例如10微米。在对称设计中，弹性片34位于悬臂30长度(沿X轴)的中心。两个永久磁铁101 和102具有相同的材料、相同的磁特性和相同的大小，他们位于悬臂30的上方。另外，它们 到悬臂30中线39的距离wl和w2大约是相等的，其中wl是从永久磁铁101到中线39的 距离，w2是从永久磁铁102到中线39的距离(wl大于0米，w2大于0米)。中线39平行 于Z轴并穿过悬臂30的中心点。其中，永久磁铁101的南极和永久磁铁102的南极之间的 间距等于wl与w2的和。但是由于磁铁在制造过程中会有变化和误差，所以实际永久磁铁 尺寸只是在某个生产标准下大约相等。距离wl和w2也可能有一些不同，例如有10%的差 别。应该明白，当永久磁铁101和102的大小相等以及距离wl和w2相等时，该器件会表现 出最佳性能，但这些条件并不是必需的。当实际情况与这些条件有一些偏差时，微磁继电器 201还是会正常工作。作为本发明的优点，尽管某些设计和工艺生产在一定范围内有误差， 但是微磁继电器还是会正常工作。对于某些应用，不对称的设计可能会实现更大的导电接触之间的接触力，或使悬 臂30对入射光线的反射角度更大，或使射频信号在路径上的辐射更少。因此，弹性片34可 以不在悬臂30的中心，永久磁铁101和102也可以不一样大小，距离wl和w2的也可以不相等。以下部分对本发明的上述实施例的工作原理，做进一步叙述。现在参照图2A-D，为了易于解释，软磁性层35被假定为高磁导率坡莫合金磁性材 料，基底51假定为常用的硅基底(软磁性材料基底51的例子将在后面讨论)。永久磁铁 101和102的尺寸和磁特性被认为是相同的，它们到悬臂30中线39的距离wl和w2也是相 同的。此外，弹性片34位于悬臂30长度(沿X轴)的中心。正如图2A和图2B所示，在线圈20没有通电流时，永久磁铁101与软磁性层35之 间的第一磁力是相吸引的。因为软磁性层35右侧比左侧与永久磁铁101靠得更近，软磁性 层35右侧贡献了第一磁力中的大多数。此外，与永久磁铁101北极相比，永久磁铁101南 极是主导的磁极并且贡献了第一磁力的大多数，因为它与软磁性层35靠得更近。同样，在 线圈20没有通电流时，第二永久磁铁102和软磁性层35之间的磁力也相吸引的。软磁性 层35的左侧贡献了第二磁力的大多数。与永久磁铁102的北极相比，永久磁铁102南极是 主导的磁极，并且贡献了第二磁力的大多数。
悬臂30具有两个稳定状态。第一个稳定的状态是闭合状态，如图2B所示，导电接 触31和导电接触41相接通。在图2B所示的闭合状态，因为永久磁铁101与软磁性层35之间的间距比永久磁 铁102和软磁性层35之间的间距大，所以永久磁铁101和磁性层35之间的第一磁力小于 永久磁铁102和软磁性层35之间的第二磁力。为了便于解释，第一磁力和第二磁力都简化为分别作用在软磁性层35右端和左 端的点作用力。与每个力相对应的绕旋转轴(弹性片34)的第一类力矩简化为位置向量和 磁力向量的一个矢量叉乘。位置向量定义为由旋转轴指向软磁性层35的被相应的力作用 的一端。因此，由第一磁力产生绕着悬臂30的旋转轴的第一力矩是沿着逆时针方向，第一 力矩值比由第二个磁力产生的顺时针方向的第二力矩值小。力矩的总和，也就是所有施加于悬臂30上的绕着旋转轴的力矩的总和，决定了悬 臂30的运动方向。在这个非磁性硅基底51的实施例子中，力矩的总和是第一个永久磁铁 101引起的第一力矩和第二个永久磁铁102引起的第二力矩的总和。因此在闭合状态，第 一力矩和第二力矩的总和是沿着顺时针方向的，并使悬臂30停留在图2B所示的闭合状态。 相应的角度β大于90度。(后面还将讨论当基底51是一种软磁性材料如坡莫合金时，它 会对悬臂30产生一个第三磁力和一个第三力矩。因此，力矩的总和是第一个永久磁铁101 所产生的第一力矩、第二个永久磁铁102所产生第二力矩以及软磁基底51所产生的第三力 矩的总和。)显然，相对于永久磁铁101的北极，永久磁铁101的南极贡献了作用在悬臂30上 的第一力矩的大多数，这是因为永久磁铁101的南极贡献了第一磁力的大多数。同样，永久 磁铁102南极贡献了第二力矩的大多数。软磁性层35在闭合状态下的磁化的例子由图2Β所示。如图中箭头所示，由永久 磁铁101和永久磁铁102引起的磁矩ml和m2方向相反。相对与永久磁铁101，由于永久磁 铁102和软磁性层35之间的间距更小，磁矩m2强于ml并且在软磁性层35中覆盖更多的 区域。正如本文在开始部分所述的，只要悬臂30的软磁性层35的局域磁化m和外部磁 场B共存，悬臂30上也有第二类的力矩mXB。其中m是软磁性层35中各个区域的磁矩，B 是外部磁场。一般而言，当永久磁铁101和永久磁铁102体积小而且与悬臂30靠得近时， 磁力和相应的绕着弹性片34的第一类力矩起主导作用并决定着悬臂30运动。第二类力矩 是次要的。为简洁起见，第二类力矩的作用，不再单独讨论，这里假设在各种实施例子里，第 一类和第二类力矩共同存在并作用于悬臂30。悬臂30的第二个稳定的状态是稳定的断开状态。如图2A所示，悬臂30倾斜在断 开状态，它的左边的导电接触32与导电接触42相接通。在图2A所示的稳定的断开状态，由于与以上论述相类似的原因，永久磁铁101与 软磁性层35之间的第一磁力比永久磁铁102与软磁性层35之间第二磁力强。第一磁力对 软磁性层35产生的第一力矩是逆时针方向的，并且第一力矩比第二磁力产生的顺时针的 方向的第二力矩强。因此，力矩的总和是沿着逆时针方向的，悬臂30稳定地停留在β小于 90度的断开状态。图2Α也描述了软磁性层35在断开状态的磁化分布，局域磁化由右侧磁矩ml和左
11，磁矩ml是强于m2并在软磁性层35中所占的区域也比m2所 占的区域大。应该明白，上述插图所示的在软磁性层35中的磁化例子只反映了典型的继电 器设计所对应的状况。如果继电器设计或结构的参数变化，在软磁性层35的磁化状态也会 相应变化。所涉及的参数包含永久磁铁位置、两个永久磁铁之间的间距、永久磁铁的强度和 磁化方向、悬臂大小和永久磁铁与悬臂之间的间距。正如图2A所示，当悬臂30处在中性水平面38时(β = 90度)有一个平衡状态。 在此位置，永久磁铁101和102在悬臂30上的右侧和左侧的磁吸引力是相等的。但这个平 衡状态不是一个稳态的平衡状态。例如，由于一个小扰动，悬臂30沿着顺时针方向旋转而 偏离平衡位置一点，永久磁铁101和悬臂30之间的吸引力下降，而永久磁铁102和悬臂30 之间的吸引力却在增加，因此，悬臂30被迫按顺时针方向持续旋转直到其右边的导电接触 31碰到导电接触41，然后停在该处。反之，如果扰动是在逆时针的方向，同样会导致左边和 右边的吸引力失衡，并使悬臂30持续按逆时针的方向旋转，直到左侧导电接触32碰到导电 接触42，然后停在那里。继电器从一个状态到另一个状态的切换是通过反转作用于悬臂30上的力矩总和 的方向来实现的。如上所述，当继电器处于稳定的闭合状态时，作用于悬臂30上的力矩总 和是沿着顺时针方向的，为了切换到断开状态，作用于悬臂30上的力矩总和的方向必须反 转为逆时针方向。同样，当继电器处于稳定的断开状态时，作用于悬臂30上的力矩总和是 沿着逆时针方向的，为了切换到闭合状态，力矩总和的方向必须反转成顺时针方向。如图2C所示，悬臂30从稳定的闭合状态到稳定的断开状态的切换是通过在线圈 20中提供一个具有一定强度、方向和持续时间的正电流使其产生瞬间切换磁场来实现的。 电流的方向(或极性)决定悬臂30的旋转方向和它的最终状态。继续参照图2C，悬臂30最初是处于稳定的闭合状态。若要切换到稳定的断开状 态，可在线圈20自输入端25至输出端26施加一个有一定强度和持续时间的正电流，按照 “右手法则”，它在悬臂30附近产生一个主要沿正X轴方向的瞬间切换磁场。如果瞬间切换 磁场足够强，它将沿长度的方向磁化整个软磁性层35，并产生一个如图2C所示的主要沿着 正X轴方向的瞬间磁矩m。永久磁铁101 (主要是它的南极)和软磁性层35中的瞬间磁矩m之间的第一磁力 是相吸引的。更准确地说，由于由瞬间切换磁场的作用，使软磁性层35右侧的磁化增强，第 一磁力变得比原先线圈20不通电时更大，从而导致了逆时针方向的第一力矩增加。另一方 面，永久磁铁102 (主要是它的南极)和软磁性层35中的瞬间磁矩m之间的第二磁力变成 了相斥，所以第二磁力产生的第二力矩也是沿着逆时针的方向。显然，由第一力矩和第二力 矩构成的力矩总和是沿着逆时针方向，因此，悬臂30沿着逆时针旋转。只要正电流在线圈 20中继续保持着，悬臂30将在逆时针方向持续旋转，直到左侧的导电接触32碰到导电接触 42并停止在那里。这样，悬臂30实现了从稳定的闭合状态到稳定的断开状态的切换。完成 切换以后，线圈20中的电流就不再需要，可锁定继电器201保持着断开状态。应当明白，在切换过程中，第二永久磁铁102和软磁性层35之间的磁力相斥并不 是必需的，上文给出的例子是为了便于说明。在实际应用中，永久磁铁102和软磁性层35之 间的磁力在切换过程中可能是相吸引的。换句话说，在软磁性层35左侧部分的局域磁化方 向还是在大致沿着负X轴的方向，但强度随瞬间切换磁场的影响而变弱；而在软磁性层35
12右侧区域的局域磁化方向还沿着正的X轴的方向，但强度随瞬间切换磁场的影响而变强。 只要线圈20中的正电流I使得软磁性层35右侧的第一磁吸力比左侧的第二磁吸力强，由 第一力矩和第二力矩构成的力矩总和就是沿着逆时针方向的，悬臂30就会从稳定的闭合 状态绕着弹性片34向稳定的断开状态旋转。所不同的是，在线圈20中的电流I强度一般 不是太大，因此，影响悬臂30切换的驱动力比较小，切换速度较慢。为了把悬臂30从稳定的断开状态切换至稳定的闭合状态，须在线圈20的输入端 25和输出端26之间施加一个具有一定强度、方向和持续时间的负电流I。线圈20在悬臂 30附近产生的瞬间切换磁场主要指向负X轴的方向。因此，在软磁性层35中产生的瞬间磁 矩m沿长度主要指向负X轴方向。类似于上文所述的机制，悬臂30沿着顺时针方向旋转直 至导电接触31碰到导电接触41。上述讨论忽略了弹性片34的弹性力，这里假定弹性片34是灵活的，它的弹簧力远 比磁场力小。线圈20通电时，线圈20在悬臂30的软磁性层35中产生的磁力很小，因而也 被忽略。在正常运行条件下，永久磁铁101和102对软磁性层35产生的力或力矩远远超过 通电时线圈20产生的力或力矩。很明显，除了平面线圈，其它类型的电磁铁也可用于产生一个切换磁场来反转悬 臂。例如，图IC所示的一个三维缠绕型线圈20也可以用来取代图2C中的平面线圈20。应当指出，在对图2A实施例子分析中，基底51被假定为常规的非磁性基底，如硅 或玻璃基底等。事实上，基底51也可以是软磁性材料诸如坡莫合金。如果坡莫合金基底51 放在悬臂30以及永久磁铁101和102的附近，坡莫合金基底51会对悬臂30的软磁性层35 产生一个第三磁力和一个第三力矩。第三磁力分布在软磁性层35的各个区域，特别是集中 在软磁性层35的左端和右端。以下选择图2B所示的闭合状态来解释具有坡莫合金基底51的继电器201的工作 原理。当悬臂30处于闭合状态，软磁性层35和坡莫合金基底51之间有第三磁吸引力。绝 缘层52和53做得越薄，第三磁吸引力则越大。在闭合状态，由于悬臂30右侧更靠近基底 51，第三磁吸引力主要分布软磁性层35右侧，特别是接近导电接触31的地方。显然，第三 磁吸引力也贡献并增强了导电接触31和41之间的接触力。这就是在一些应用中运用软磁 基底51的原因之一。第三磁力对悬臂30产生了一个绕着弹性片34的第三力矩。在闭合 状态时，第三力矩是顺时针方向的，这样使悬臂30的闭合状态更稳定。如图2C所示，悬臂30从闭合状态向断开状态切换是通过在线圈20中施加一个具 有一定强度和持续时间的正电流I来实现的。正如之前所解释的，电流I在悬臂30附近产 生瞬间切换磁场，并引起软磁性层35磁化发生变化。如果电流I足够强，产生的瞬间切换磁 场沿着正X轴方向，并充分磁化附近的软磁性层35。类似于上文讨论的硅基底51的情况， 永久磁铁101与软磁性层35的第一磁力是相吸引的，第一力矩是逆时针方向的。永久磁铁 102和软磁性层35之间的第二磁力是相斥的，第二力矩也是逆时针方向的。坡莫合金基底 51在软磁性层35上产生的第三磁力和第三力矩比较复杂，以下的详细解释是必要的。继续参照图2C，如果在线圈20中的电流I是零(即I = 0安培)，瞬间切换磁场 就不存在。在悬臂30右侧，基底51近上方并靠近导电接触41的附近区域，初始的静磁场 主要是永久磁铁101产生的，磁场方向大约是在正Z轴方向。在悬臂30左侧，基底51近上 方并靠近导电接触42的附近区域，初始的静磁场主要是永久磁铁102产生的，磁场方向大约也是在正Z轴方向。在切换过程中，在线圈20中通过一个正电流I，按“右手规则”，正电 流I产生的瞬间切换磁场类似与图IB所示的磁场。线圈20产生的瞬间切换磁场的磁力线 沿着顺时针方向围绕着导线段21。在悬臂30的右侧，瞬间切换磁场在基底51近上方并靠 近导电接触41的附近区域是沿着负Z轴的方向，因此，它是和该区域初始的静磁场方向相 反，从而削弱了这个区域的磁场。而在悬臂30的左侧，瞬间切换磁场在基底51近上方并靠 近导电接触42的附近区域是沿着正Z轴的方向，因此，它是和该区域初始的静磁场方向相 同，从而增强了这个区域的磁场。总之，由于正电流I的影响，瞬间切换磁场增强了导电接触42附近的局域磁场 (包括导电接触32和42个之间的区域)，同时也削弱了导电接触41附近的局域磁场(包 括导电接触31和41个之间的区域)。由于导电接触42附近的局域磁场的增强，坡莫合金 基底51和软磁性层35的左侧部分之间的局域磁吸引力也得到了增强。随着正电流I强度 的增强，坡莫合金基底51对软磁性层35左侧的局域吸引力也随之增强。因此，由基底51 对磁性层35左侧产生的局域力矩是在逆时针方向，并且它随着正电流强度的增强而增强。 与此同时，由于在导电接触41附近局域磁场的减弱，坡莫合金基底51和软磁性层35的右 侧部分之间的局域磁吸引力减弱。随着线圈20中的正电流I强度的增加，坡莫合金基底51 对软磁性层35右侧的局域吸引力也随之减弱(假设线圈20产生的局域磁场弱于由101永 久磁铁产生的局域磁场)。相应地，由基底51对软磁性层35右侧产生的局域力矩是在顺时 针方向，它随着正电流I强度的增加而减弱。根据以上分析，以及继续参照图2C，线圈20中正电流I的增强使得坡莫合金基底 51对软磁性层35左侧产生的逆时针力矩增加，同时使坡莫合金基底51对软磁性层35右侧 产生的顺时针力矩减小。因此，当正电流I增强到一定的程度，由坡莫合金基底51在软磁 性层35左侧和右侧所产生的两部分力矩的总和也就是第三力矩，变为逆时针方向。很显然，如果正电流I足够强，永久磁铁101对悬臂30产生的第一力矩，永久磁铁 102产生的第二力矩，坡莫合金基底51产生的第三力矩都变成逆时针方向。因此，悬臂30 沿着逆时针方向旋转，即从闭合状态切换到断开状态。在实际应用中，使三个力矩都是逆时 针方向是没有必要的。只要力矩总和(即第一力矩，第二力矩和第三力矩的总和)是逆时 针方向的，悬臂30就会从闭合状态转向断开状态。在继电器设计和制造中，使第三磁力和第三力矩对悬臂30的作用减弱的办法是 增加绝缘层53的厚度。随着坡莫合金基底51和悬臂30之间的距离增加，第三磁力和第三 力矩就会急剧减弱。从以上分析来看，由于坡莫合金基底51引起的第三磁力和第三力矩的存在，切换 悬臂30似乎变得更困难了。但实际情况是，如果线圈20是建立在坡莫合金基底51上的一 个非常薄的绝缘层52上，因为它的高磁导率，坡莫合金基底51会使瞬间切换磁场比对应硅 基底51的瞬间切换磁场大致增加一倍。因此，坡莫合金基底51使得线圈20的切换能力变 大，对悬臂30的切换也变得更加容易。这就是为什么在一些应用中，使用坡莫合金或其它 软磁基底51的另一个原因。将具有坡莫合金基底51的继电器从断开状态切换到闭合状态，只需在线圈20中 施加一个具有一定强度和持续时间的负电流I。原理与前面讨论过的类似，为了简洁，完整 的解释在这里就省略了。
继电器可以通过常用的MEMS工艺技术(包含表面微加工或立体微加工)来制造。 步骤包括光刻，金属薄膜生长，绝缘层沉积，蚀刻，晶圆研磨，晶片键合和后道工序封装。其 它如丝网印刷制造技术，激光切割，或类似与线路板制造工艺中的分层或层间结合工艺，以 及焊接等方法都可用于制造。可锁定的继电器的其它的实施例子图3公开了本发明的另外一个实施例子。其中，可锁定继电器202有一对永久磁 化方向相反的永久磁铁103和104。永久磁铁103的永久磁化方向在正Z轴的方向，其南 极面向悬臂30右侧端的导电接触31 ；永久磁铁104的永久磁化方向在负Z轴的方向，其北 极面向悬臂30左侧端的导电接触32。线圈20是这样放置的它的右侧导线段21大约与 悬臂30的右侧重叠；而线圈20左侧导线段22与悬臂30的左侧重叠。这个实施例子的优 点是，它有效地全部使用了平面线圈20左侧导线段22和右侧导线段21，因此，继电器面积 较小。弹性片34没有在图3中显示出来，它的位置是在悬臂30的长度(沿X轴)的中心。 另外，两个永久磁铁103和104除了磁化方向相反，它们的大小和材料相同，他们离悬臂30 的中线39的距离也一样。类似于前面所述的原理，继电器202有两个稳定状态一个断开状态和一个闭合 状态。该工作原理亦类似于图2A的实施例子，只是在切换过程中，悬臂30右侧部分和左侧 部分各自感受到的瞬间切换磁场的矢量方向是大约相反的，这是因为悬臂30右侧和左侧 的瞬间切换磁场是分别由导线段21和导线段22产生的。如图3所示，悬臂30最初是在一个闭合的状态，右侧导电接触31和导电接触41 相接通。若要切换到断开状态，需要在线圈20中施加一个具有一定强度和持续时间的正电 流I。线圈20中电流I流动的方向由导线段21和22在图3中描述，按“右手法则”，在悬臂 30右侧，由导线段21中电流I产生的瞬间切换磁场B主要沿正X轴方向；在悬臂30左侧， 由导线段22中电流I产生的瞬间切换磁场B主要沿负X轴方向。如果瞬间切换磁场(或 线圈20中电流I)足够强，使软磁性层35的磁化如图3所示，则在软磁性层35右侧的磁化 主要是沿其长度方向并大致指向正X轴方向，由图3中的瞬间磁矩ml表示；而在软磁性层 35左侧的磁化主要是沿其长度方向并大致指向负X轴方向，由图3中的瞬间磁矩m2表示。继续参考图3，在悬臂30右侧，永久磁铁103的南极是主导的磁极，并贡献第一磁 力中的大多数。永久磁铁103和软磁性层35 (由瞬间磁矩ml起主要作用)之间的第一磁 力是相吸引的。更准确地说，由于瞬间切换磁场使得软磁性层35右侧的磁化增强，永久磁 铁103和软磁性层35右侧之间的吸引力比线圈20不通电时有所增强，所以第一磁力对悬 臂30产生的绕着弹性片34(旋转轴)的第一力矩是逆时针方向的。同时，继续参考图3，在悬臂30左侧，永久磁铁104的北极是主导的磁极，并贡献第 二磁力中的大多数。永久磁铁104和软磁性层35(由瞬间磁矩m2起主要作用)之间的第 二磁力是相斥的，因此，第二磁力对悬臂30产生的第二力矩也是逆时针方向的。所以，第一 力矩和第二个力矩构成的力矩的总和是沿着逆时针的方向，悬臂30绕着弹性片34沿着逆 时针方向转动。只要线圈20中的正电流I保持着，悬臂30将持续沿着逆时针方向转动，直 到导电接触32和42相碰并最终停在那里。这样，悬臂30从闭合状态切换到了稳定的断开 状态，线圈20中的电流I不再需要，继电器202会保持着断开状态。应当明白，在上述的切换过程，永久磁铁104和软磁性层35左侧之间的第二磁力 是相斥的，这是一个相当极端的例子。在实际应用中，不必一定要求第二磁力变为相斥，给出这样一个例子是为了便于说明。在实际切换过程中，永久磁铁104和软磁性层35之间的 磁力可以是吸引的，只要线圈20中的正电流I使永久磁铁103和软磁性层35之间的第一磁 吸引力比永久磁铁104和软磁性层35之间的第二磁吸引力大，那么第一力矩和第二力矩构 成的力矩的总和就是沿着逆时针方向的，悬臂30就会从闭合状态旋转到稳定的断开状态。 所不同的是，在线圈20中施加的电流I不再像原先那么强，悬臂30上的驱动力相对较小， 切换的速度比较慢。为了把悬臂30从稳定的断开状态切换至闭合状态，需要在线圈20中施加一个有 一定强度和持续时间的负电流I。根据如上所述的原理，悬臂30响应线圈20产生的瞬间切 换磁场，沿着顺时针方向旋转至闭合状态。悬臂30切换到稳定的闭合状态后，线圈20中的 电流I就不再需要。图4是本发明的另一个实施例子的正视图，与图2A的实施例子相比，两个永久磁 铁各自由倾斜了 90度或负90度(事实上，永久磁铁可以按任意角度倾斜)。可锁定继电器 203有两个永久磁铁105和106，它们的永久磁化方向分别沿着正X轴和负X轴方向。相对 于永久磁铁105的北极，永久磁铁105的南极与悬臂30的右侧导电接触31的距离比较近； 同样，相对于永久磁铁106的北极，永久磁铁106的南极与悬臂30的左侧导电接触32的距 离比较近。本实施例子的优点是永久磁铁105和106可以做得非常薄。另一个优势是在阵列 设计中，相邻继电器可以方便地在X轴方向共用同一个永久磁铁。切换方法类似与以前讨 论过的图2C的实施例子。通过在线圈20中施加具有一定强度、方向和持续时间的电流I， 可以把悬臂30在两个稳定状态之间切换。如图4所示，除了能够切换电信号，继电器203 也可以切换或将入射光反射到所需的输出方向。例如，在稳定的闭合状态，悬臂30把入射 光反射至“出射光1”的方向，在稳定的断开状态(未在图4显示)悬臂30把入射光反射至 “出射光2 ”的方向。显然，悬臂30还可以将入射光在“出射光1 ”和“出射光2 ”的范围内 连续作扫描式的反射。所以，继电器203不仅可用于光纤的光信号转换，它也可以用于大型 投影屏幕上的图像投影。图5是本发明的另一实施例子的正视图。可锁定的继电器204有两个永久磁铁 107和108。它们的永久磁化方向都是沿着正X轴方向。磁铁107放置在悬臂30的上方， 与其北极相比，磁铁107的南极与悬臂30的右侧导电接触31靠得更近；同样，与其南极相 比，永久磁铁108的北极与左侧导电接触32靠得更近。可锁定继电器204的优点至少有两 个第一，永久磁铁107和108可以做得更薄，以及相邻继电器可以共用一个磁铁；第二，它 充分利用了线圈20的右侧导线段21和左侧导线段22，可使器件体积更小。切换方法类似 于图3所示的实施例子，通过在线圈20中施加一个具有一定强度、方向和持续时间的电流 I，悬臂30可以在两个稳定状态之间切换。当悬臂切换到目标状态后，线圈20中不需要继 续通电流。图6是本发明的另一实施例子的正视图。可锁定的继电器205有两个永久磁铁 109和110。它们的永久磁化方向都沿着负X轴方向。这个实施例子的主要特征是永久磁 铁109和110的间距比前面的那些实施例子中的间距更小。永久磁铁109的南极和悬臂30 右侧的导电接触31靠得较近，它的北极离悬臂30的中心较近。永久磁铁110北极和悬臂 30左侧的导电接触32靠得较近，它的南极离悬臂30的中心较近。由于位置不同，在可锁定继电器205的操作中，永久磁铁109的南极以及永久磁铁110的北极对软磁性层35的磁力
起主导作用。永久磁铁109的北极和永久磁铁110的南极，对软磁性层35产生的磁力是次要 的，原因是这两个极性相反的磁极彼此靠得较近，在一定程度上，他们互相抵消了彼此在悬 臂30附近的磁场。他们靠得越近，相互抵消得就越多。继电器205的工作原理类似于图5 的实施例子。通过在线圈20中施加一个具有一定强度、方向和持续时间的电流I，悬臂30 可以在它的两个稳定状态之间切换。图7是本发明的另一种实施例子，其中永久磁铁111是单个磁铁，它的永久磁化方 向指向负X轴方向。继电器206是图6实施例子的一个极端的情况。那就是当图6实施例 子中的两个永久磁铁109和110靠得非常接近以至于永久磁铁109的北极碰到永久磁铁 110的南极，那就相当于连成了一个完整的永久磁铁。继电器206的工作原理与图5或图6 的实施例子类似。应当指出，在上述分析的各种实施例子中，基底51被假定为常规的MEMS基底，如 玻璃、硅等。事实上，基底51也可以是软磁性材料如坡莫合金、铁、镍、钴、软磁合金或其它 软磁材料，或者可以在硅基底上加一层软磁性材料(如在硅基底上电镀10微米坡莫合金)。 使用软磁基底51的好处是增强了电磁铁20产生的瞬间切换磁场，因而增强了电磁铁20 切换悬臂30的能力；增强了导电接触31和41之间的接触力(或导电接触32和42之间的 接触力)；提高了悬臂30的切换速度；提供了附加的磁场屏蔽；若是软磁金属基底，会使散 热的速度更快；以及更高的设计和制造工艺误差的容忍度。以上讨论的各种情形，悬臂30的每一端本质上是受一个永久磁铁的主导磁极所 控制。为了使本发明的继电器对相邻继电器或其它邻近磁性器件的磁干扰降低，永久磁铁 的尺寸要尽可能小。为了使每个主导磁极对悬臂30产生更大的力和力矩，使继电器更有效 地工作，每个主导永久磁极的位置要尽可能地靠近悬臂30上相对应的一端。因此，每个永 久磁铁的大小，主导永久磁极与悬臂30相对距离(这是一个大于零的距离)，以及两个主导 磁极之间的距离(也是一个大于零的距离)，都是在具体设计中的重要参数。应该指出，使用电磁铁或线圈产生的磁场来切换继电器只是各种控制方式当中的 一种。其它方法也可用于提供切换磁场。例如图8所示，除了两个固定的永久磁铁101和 102，第三个可移动永久磁铁121在靠近、离开或附近经过悬臂30时也可以提供所需的切换 磁场。第三个可移动永久磁铁121改变了软磁性层35的磁化，也改变了悬臂30上的力和 力矩，因此，悬臂30就会相应地旋转并切换到所需的状态。该方法在位置检测应用方面是非常有用的。由于微型磁继电器体积小，灵敏度高， 速度快，这种类型继电器比传统的干簧管继电器提供了更高的位置检测精度。对于两个固 定永久磁铁和可移动第三永久磁铁，有关永久磁铁大小、永久磁化方向、材料的强度和相对 位置等在设计上有许多种可能的组合。为了简洁，本文只挑选了图8所示的一种组合作为 一个实施例子来说明其工作原理。在图8中，当第三个可移动永久磁铁121离悬臂30很远时，如在前文的实施例子 中讨论的，悬臂30有两个稳定状态。当永久磁铁121从远处靠近悬臂30并停止在如图所 示的位置1051时，因为永久磁铁121与其它两个永久磁铁102和101的永久磁化方向是相 同的，悬臂30左侧磁吸引力相对于无永久磁铁121时有所增加。如果磁力增加幅度足够
17大，无论悬臂30的初始状态是什么样的，它都将迫使悬臂30处于闭合状态，并使导电接触 31与导电接触41相接通。反过来，如果永久磁铁121从位置1051沿着正X轴方向移动到另一虚线所示的位 置1052，可移动永久磁铁121使得对悬臂30右侧的磁吸引力变大，并使悬臂30旋转到断 开状态(如图8中悬臂30的虚线位置所示)，这时，导电接触32与42接通。如果永久磁 铁121沿着正X轴方向或正Z轴方向离开位置1052，继电器207保持断开状态。但是，如果 永久磁铁121沿着负X轴方向离开位置1052并再次回到位置1051，则悬臂30从断开状态 反转回到闭合状态，这样，导电接触31和41又再次接通。显然，这是一种非常独特的继电 器，通过测量每对导电接触之间的导通状况，它不但可以探测到永久磁铁121的位置，而且 通过检测切换后的状态，还可以测量出永久磁铁121移动的方向。应当指出，当永久磁铁121处于位置1051以及位置1051附近的一个小区域时(而 不仅仅是位置1051 —个单一的点)，它可以将悬臂30切换到闭合状态。为了便于说明，一 个点位置1051被用来代表永久磁铁121能将悬臂30切换到闭合状态的工作区域。基于相 同的原因，单一点位置1052被用来代表永久磁铁121能将悬臂30切换到断开状态的工作 区域。继续参照图8，如果适当设置初始状态，继电器207还可以测量永久磁铁121的速 度。例如，要测量永久磁铁121从很远的右侧沿着负X轴方向的移动速度，悬臂30被预先 设置成闭合状态，使导电接触31和41相接通。当永久磁铁121经过位置1052，悬臂30在 时间tl反转至断开状态；当永久磁铁121继续移动经过位置1051，悬臂30在时间t2反转 至闭合状态。通过测量位置1052和位置1051的之间的距离，以及时间tl和t2之间的时 间差，可以很容易估算出永久磁铁121的移动速度。通过详细地刻度和校对继电器，并将悬 臂30的反转时间(悬臂30从闭合状态旋转至断开状态所需的时间或反过来所需的时间) 也计算在内，测量的准确度会得到提高。当然，如果多个继电器排成一列，在每个测试点的速度，移动方向，甚至永久磁铁 121加速度都可以准确测量。多个继电器可以是单独封装的几个继电器。他们也可以是多 个继电器制造在同一块芯片上，并封装在同一块封装块(集成块)中。应当指出，对于图8的所示的实施例子，永久磁铁121的永久磁化方向也可以是沿 着负Z轴方向(没有在图8中显示)。其结果与上面所讨论的相反。例如，当永久磁铁121 移动到位置1051时，由于其永久磁化方向与永久磁铁102的永久磁化方向相反，使得悬臂 30左侧感受到的磁吸引力减弱。因此，悬臂30被迫处于断开状态，使得导电接触32与导 电接触42接通。同样，当永久磁铁121移动到位置1052时，悬臂30将迫处于闭合的状态。 这里假设永久磁铁121对悬臂30的磁吸引力还没有强到可以忽略永久磁铁101和102的 程度，即永久磁铁121无法超越永久磁铁101和102而单独对悬臂30的状态起决定性的控 制。极强的永久磁铁121的情况将在下文继续讨论。正如上文提到的，如果永久磁铁121的强度远远强于永久磁铁101和102的强度， 这种情况下，永久磁铁121可以超越永久磁铁101和102而对悬臂30的运动起到决定性的 控制，其结果就又不同了。例如，当永久磁铁121是在位置1051时，永久磁铁121对悬臂30 左侧产生的决定性的磁吸引力迫使悬臂30处于闭合状态，并使导电接触31和41接通。当 永久磁铁121在位置1052时，其决定性的强大磁吸引力迫使悬臂30处于断开状态，使导电接触32与导电接触42相接通。在图8的实施例子中，线圈20是可选的，继电器207在没有线圈20的情况下也可 以独立工作。但是，如果继电器207同时配有电磁铁线圈20的话，通过在线圈20中施加一 个有一定强度和持续时间的正或负的电流I，继电器207状态可以被重新设定(测量前的预 设置或测量后的重新设置到它的两个稳定状态之一)。因此，其初始和最终状态可以被选择 性地控制，这也是在工业控制系统中非常重要的功能，因而也有其独特的应用价值。可移动永久磁铁121也可以被放置在继电器207的底部来切换悬臂30，工作原理 是类似的。为简洁起见，本文省略了详细的描述。在图8的实施例子中，当可移动永久磁铁121距离悬臂30很远时，继电器207有 两个可能的稳定状态。一些简单的应用只需要具有一个稳定状态的继电器，即常闭合或常 断开继电器，这可以通过把两个固定永久磁铁之中的一个变成可移动的磁铁来实现。正如图9所示，继电器208有一个固定永久磁铁102和一个可移动永久磁铁122。 当可移动永久磁铁122在离悬臂30很远的位置1054时，固定永久磁铁102吸引并保持悬 臂30在闭合状态，使导电接触31和导电接触41接通。当可移动永久磁铁122移动到位置 1053时，由于永久磁铁122对悬臂30右侧产生的磁吸引力强于永久磁铁102对悬臂30左 侧产生的磁吸引力，因此，悬臂30从闭合状态切换到断开状态(这里假设旋转轴是在悬臂 30的中心)。在此实施例子中，继电器208是常闭合型继电器。它通过测量导电接触31和 导电接触41之间导电性(或电阻)而探测可移动永久磁铁122的位置。当然，若去掉导电 接触31和41，而保持导电接触32和42，继电器就变成是常断开型。通过测量导电接触32 和42之间接触电阻或导电性的变化，可以相应地探测到永久磁铁122的位置变化。永久磁铁122也可以被放置基底51下方(没有在图9中显示)来切换悬臂30。 在这种情形下，当它移动到导电接触32和42的下方附近时，其强大的磁吸引力使悬臂30 左侧向下转动，迫使导电接触32和导电接触42接通。当然，永久磁铁102也可固定于基底51下面靠近导电接触32和42的地方(没有 在图9中显示)，并使导电接触32和导电接触42相接通着。相对应的，可移动的永久磁铁 122在基底51下靠近导电接触31和41的地方有一个可以切换悬臂30的位置；另外，在导 电接触32和42的近上方，可移动永久磁铁122也有一个可以切换悬臂30的位置。通过将 磁铁102和磁铁122的强度、永久磁化方向、磁铁的相对空间位置以及导电接触的位置作不 同的组合或安排，可以衍生出很多类似的实施例子，为了简洁，这里不再一一举例。除了能够探测可移动永久磁铁122的位置，多个继电器208组合在一起也可用于 测量可移动永久磁铁122或与其固定在一起的物体的运动速度，方向和加速度。例如，三个 继电器放置在一条直线上的三个不同的位置Dl、D2和D3。可移动永久磁铁122在三个不同 时间tl、t2和t3依次通过各继电器。通过求解适当的运动方程组，一个熟练的专业人士可 以很容易地分析出可移动永久磁铁122在位置Dl，D2和D3的速度和平均线性加速度。这 三个继电器可以是分开封装的分离的继电器，也可以是制造在同一个芯片上并封装在同一 个集成块上。这也是微型磁继电器的独特优势。可锁定继电器的阵列可以很容易被制造，只要把上述各个实施例子的基本继电器 单元分别在X轴和Y轴方向复制并将信号线作适当的连接和布置。图10所示的是一个在 X轴方向重复的阵列的例子。如前所述，在阵列的应用中，相邻继电器也可以共用一个永久磁铁。图11所示的是相邻的两个悬臂在X轴方向共用一个永久磁铁的一个可锁定继电器 阵列的正视图。应该明白的是，很多其它的实施例子可以在没有脱离本发明范围的情况下衍生或 设计制造出来。例如，可以在以上的某个实施例子中去除一个导电接触42，这样可以产生一 个单掷继电器。同样地，继电器的各个部件可以设计成不同的几何形状，如弹性片34、软磁 性层35和导电层33都可以被设计成各种形状，甚至是不规则的形状。为了达到更高的接触 可靠性，悬臂30的导电接触31或32可以设计成分叉接触(也就是将单个导电接触31做 成分开的两个导电接触)。在导电接触31 (或导电接触32)和悬臂30之间可以加一层绝悬 层来隔离，这样使得继电器的各种射频(RF)性能更好。基底51上的固定导电接触41 (或 42)也可以分为两个导电接触，这样可以得到更好的信号隔离性能。在继电器的周边也可以 适当地加入软磁性的材料，如坡莫合金，以达到磁屏蔽的效果。在权利要求中，所有相关的结构、材料、动作和同等的元件旨在包括可完成所需功 能的任何结构、材料或动作，并可与其它要求里的元件相结合。另外，在任何方法权利要求 中所列举的步骤可以按任何顺序执行。本发明的范围应该由所附的权利要求以及它们的法 律等效物，而不是由以上所公开的例子定义。
权利要求
一种可锁定的微型磁继电器，其特征在于，包括一基底；一可动部件，所述可动部件连接在所述基底上并有一旋转轴，所述可动部件包含一软磁性材料，并有一第一端和一第二端，所述可动部件有两个稳定位置一第一稳定位置和一第二稳定位置，它们分别对应于两个稳定状态中的一闭合状态和一断开状态；一第一永久磁铁，所述的第一永久磁铁有一第一磁极和一第二个磁极，并被放置在所述可动部件的所述第一端附近，所述第一永久磁铁对所述可动部件产生一第一磁力和相对于所述旋转轴的一第一力矩，其中，与所述第二磁极相比，所述第一磁极贡献了所述第一磁力的大部分和所述第一力矩的大部分；一第二永久磁铁，所述第二永久磁铁有一第三磁极和一第四磁极，并被放置在所述可动部件的所述第二端附近，所述第二永久磁铁对所述的可动部件产生一第二磁力和相对于所述旋转轴的一第二力矩，其中，与所述第四磁极相比，所述第三磁极贡献了所述第二磁力的大部分和所述第二力矩的大部分，并且，所述第二永久磁铁的所述第三磁极与所述第一永久磁铁的所述第一磁极之间保持一个预先设定的大于零的间距；一电磁铁，在所述的电磁铁中通过一具有一定强度、持续时间和方向的电流，在所述可动部件所在区域产生一瞬间切换磁场导致所述可动部件上的所述软磁性材料的磁化发生变化，并使所述可动部件上的力矩总和的方向发生反转，从而使所述可动部件绕所述旋转轴旋转，达到所述两个稳定状态之间的切换，其中，所述电流的方向决定所述可动部件旋转的方向；其中，所述第一永久磁铁、所述第二永久磁铁、所述基底以及所述可动部件的设置，使得所述可动部件在所述瞬间切换磁场不存在的情况下可以维持在所述两个稳定状态之一。
2.根据权利要求1所述的微型磁继电器，其特征在于，所述可动部件在所述第一端有 一第一导电接触，在所述基底上有相应的一第二导电接触，其中，通过所述可动部件在所 述两个稳定状态之间的切换，所述第一导电接触和所述第二导电接触可以被选择性地接通 和断开。
3.根据权利要求2所述的微型磁继电器，其特征在于，所述可动部件在所述第二端有 一第三导电接触，在所述基底上有相应的一第四导电接触，其中，通过所述可动部件在所述 两个稳定状态之间的切换，所述第三导电接触和所述第四导电接触可以被选择性地接通和 断开。
4.根据权利要求1所述的微型磁继电器，其特征在于，所述可动部件有一弹性片，所述 弹性片由所述基底支撑。
5.根据权利要求1所述的微型磁继电器，其特征在于，所述的第一永久磁铁和所述第 二永久磁铁有大约相同或相反的的永久磁化矢量方向。
6.一种操作微型磁继电器的方法，其特征在于，包括以下步骤提供一个基底；提供与所述基底连接的一可动部件，所述可动部件有一软磁性材料，以及有一第一端 和一个第二端，并有一个旋转轴，所述的可动部件有两个稳定状态一第一稳定状态和一第 二稳定状态；提供一第一永久磁铁，从而在所述可动部件上产生一第一磁力和相对于所述旋转轴的一第一力矩，所述第一永久磁铁被放置在所述可动部件的所述第一端的附近；提供一第二永久磁铁，从而在所述可动部件上产生一第二磁力和相对于所述旋转轴的 一第二力矩，所述第二永久磁铁被放置在所述可动部件的所述第二端的附近；提供一切换磁场，从而使所述可动部件在所述两个稳定状态之间切换，其中所述切换 磁场改变了所述可动部件上所述软磁性材料的磁化，从而反转了所述可动部件上的相对于 所述旋转轴的力矩总和的方向，导致所述可动部件绕所述旋转轴旋转，达到在所述两个稳 定状态之间的切换；设置所述第一永久磁铁、所述第二永久磁铁、所述基底以及所述可动部件，使所述可动 部件在没有所述切换磁场时，能够保持在所述两个稳定状态之一。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的切换磁场是由一个电磁铁提供。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下的步骤提供所述的电磁铁；以及在所述电磁铁中施加一具有一定强度，持续时间和方向的电流，来产生一个切换磁场， 使所述可动部件从所述两个稳定状态中的一个状态切换到另一个状态，所述可动部件的旋 转方向由所述电磁铁中的所述电流的方向来决定。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的切换磁场是由一个可移动第三永 久磁铁提供。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下的步骤提供所述的可移动第三永久磁铁，所述可移动第三永久磁铁具有预定的尺寸、永久磁 化强度和永久磁化方向，其中，当所述可移动第三永久磁铁分别在它的一第一切换位置和 一第二切换位置时能够把所述可动部件切换到相应的所述第一稳定状态和所述第二稳定 状态；以及移动所述可移动第三永久磁铁到所述第一切换位置和所述第二切换位置，使所述可动 部件切换到相应的所述第一稳定状态和所述第二稳定状态。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括以下的步骤提供一电磁铁；以及在所述电磁铁中施加一具有一定强度、持续时间和方向的电流，从而把所述可动部件 切换到所述两个稳定状态之一，其中，所述电磁铁中所述电流的方向决定所述可动部件的 切换方向。
12.—种微型磁继电器，其特征在于，包括一基底；一连接到所述基底的可动部件，该可动部件有一个旋转轴以及一软磁性材料，所述可 动部件有一第一端和一第二端，所述可动部件有两个状态一第一状态和一第二状态；一第一永久磁铁被设置在所述可动部件的所述第一端的附近，所述第一永久磁铁在所 述可动部件上产生第一磁吸引力，并使所述可动部件保持在所述第一状态，其中，当所述可 动部件在所述第一状态时，所述可动部件绕所述旋转轴倾斜，并且所述第一端靠近所述第 一永久磁铁；一可移动第二永久磁铁，用来在所述两个状态之间切换所述可动部件，当所述可移动 第二永久磁铁在一个切换位置时，在所述可动部件上产生一预定强度的第二磁吸引力并把所述可动部件切换到第二状态，其中，当所述可动部件在所述第二状态时，所述可动部件绕 所述旋转轴倾斜，并且其所述第一端远离所述第一永久磁铁。
全文摘要
本发明提供一种可锁定的微型磁继电器及其操作方法，该微型继电器具有一个含软磁性材料的悬臂，悬臂有一个由基底支撑的弹性片作为旋转轴，悬臂有第一端和第二端。一个第一永久磁铁和一个第二永久磁铁分别放置在悬臂的第一端点和第二端点的附近。每个永久磁铁都各自在悬臂上产生一个磁力和一个力矩。第一永久磁铁，第二永久磁铁和基底的设置使悬臂有两个稳定的状态。一个电磁铁用于提供一个瞬间切换磁场，并改变悬臂的软磁性材料中各个区域的磁化，使悬臂上的磁力和力矩发生变化，并使悬臂上的总的力矩的方向反转。因此，悬臂从两个稳定状态中的一个切换到另一个稳定状态。
文档编号H01H50/00GK101930876SQ20101015452
公开日2010年12月29日 申请日期2010年4月2日 优先权日2009年9月14日
发明者卫群英, 阮梅春 申请人:阮梅春;卫群英