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《上海交通大学》 2008年
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磁致双稳态MEMS电磁微继电器的研制

付世  
【摘要】: 继电器是广泛应用于汽车、通讯、家电、精密仪器等领域的电器控制元件,随着机电元件使用密度的提高,小尺寸、低功耗的微型继电器的研究成为人们关注的焦点。然而,传统的精密机械加工技术已经难以完全满足器件小尺寸的精密要求,基于微电子工艺发展起来的MEMS技术使机电继电器的微小型化成为了可能。 典型的传统继电器多采用电磁驱动,而基于MEMS技术研制的微型继电器采用的驱动手段比较多样化,基于硅微细加工技术研制的静电MEMS继电器是最早出现的微型继电器,工艺成熟、响应速度快是其最大的特点,只是受静电驱动能力的限制,多应用于小功率的RFMEMS器件中;电热MEMS继电器的驱动力大,运行位移较长,但散热问题导致响应速度慢成为其难以克服的缺点;电磁驱动是一种可以在较低的电压驱动下短时间内完成长距离运行的驱动方式,而且,电磁驱动对工作环境的要求很低,因此,基于电磁驱动的MEMS继电器具有更广阔的应用天地。 目前,MEMS电磁微继电器的结构多数是传统继电器的缩微化。其微型电磁系统主要包括电学和磁学两个系统,相对于其他方式驱动的微小器件来说,结构稍显复杂,特别是对于制作电磁系统的磁学材料,没有成熟的MEMS工艺作为技术支撑,因此,所做的工艺研究工作也相对较多。为此,很多研究人员选择对电磁MEMS继电器的部分结构进行专门的研究,希望通过提高核心部件的性能来提高整体器件的性能。但器件封装后,微型继电器的整体性能优势却并不明显。 针对典型的MEMS电磁微继电器的现状,本文着重从以下几个方面进行了研究: 1、一种新型的磁致锁定电磁微继电器的整体结构设计方案及其仿真优化分析利用直线电机的驱动原理来实现对微型执行器的驱动,采用了环形的结构,降低了端面效应对电磁驱动效率的影响;“三明治”式的对称结构使轴向上的磁作用力相互抵消,缓解了轴承在转动过程中摩擦力对器件运行的影响;在线圈中嵌入的铁芯结构改变了工作气隙中的磁通密度分布,由此产生的磁力很好地执行了状态锁定的功能,实现了器件的无功耗姿态保持;电接触系统在摆动中完成对外电路的通断控制,触点间的接触方式是滑动接触;设计的动触点呈弧面薄膜结构,接触的过程中,弧面结构有利于提高接触的稳定性,并且在压力的作用下,薄膜触点会产生细微的形变,增大接触面积,降低接触电阻,提高器件的电流承载能力;电接触结构可以根据要求进行更换,这样,即可以保持器件良好的电接触性能,还能够适应不用应用领域的要求,也不必担心因为触点这种易损结构的失效而导致整个器件的报废。 根据磁通总是优先经过磁导率较高的介质这一基本原理,在线圈嵌入了软磁铁芯结构以改变工作气隙内的铁芯周围的磁通密度,从而导致铁芯受到磁场力的作用,由于定子固定不动,因此这个反作用于转子,形成锁定器件某个姿态的效果。由于电磁系统的结构复杂且不规则,ANSYS有限元分析软件给我们提供了一个解决这个问题的方法。利用ANSYS软件分析了工作气隙内的磁场状态,优化了铁芯结构以达到最好的锁定效果,展示了线圈所在位置的磁场分布状态,为电磁驱动能力的理论计算以及器件中各部件的几何尺寸优化设计和运行方式的确定提供了很大的帮助。 2、弧形电接触结构的研制 根据电磁驱动器的运行特点,设计了一种弧面的电接触结构,以缓解在接触过程中,动触点对静触点产生的冲击;在接触的过程中,动触点会在静触点上滑行一段距离,一方面可以确保触点间的稳定接触,避免出现弹跳的现象,另一方面,通过滑动接触可以破坏触点间的氧化绝缘薄膜,提高电导率;利用溶胶的工艺原理,开发了一种大曲率半径的微型弧面结构的制作方法,同时还解决了光刻胶作为牺牲层的工艺难点。 3、基于碳纳米纤维复合材料在电接触系统中的工艺研究 电接触系统是器件的易损部件,而且为了适应不同领域的应用要求,有必要对触点材料做针对性地研究。电镀金薄膜作为触点的接触材料是MEMS继电器采用的常规手段,虽然金的物理化学性质稳定,但金薄膜材料质地较软,难以承受长时间的运行。碳纳米纤维复合金属薄膜材料是一种具有良好的机械和电学性能的电接触材料,通过调整和改进电镀工艺的参数和条件,开发了一种制作铜基碳纳米纤维复合材料作为接触材料的工艺,不仅提高了材料本身的机械和电学性能,而且其制作工艺也能够与常规的MEMS工艺兼容,为基于碳纳米纤维复合金属材料在MEMS器件中的应用奠定了一定的技术基础。 4、双稳态MEMS电磁微继电器样品的批量加工与测试 根据器件整体结构的设计要求,对器件的核心部件都实现了集成化加工制造,主要包括:带有软磁铁心结构的平面定子绕组和带有弧面触点结构的电接触刷结构以及相应的带有静触点的顶盖结构,对于永磁转子和封装外壳等配套的零部件采用的是精密模具冲压成型工艺,同样具备批量加工的特点,最后,通过精密组装来完成对整体器件的研制。这种制作复杂MEMS器件结构的方法降低了电磁MEMS继电器集成制作的工艺难度,有效地结合了精密机械加工的特点,基本上实现了器件的集成化批量制造,有利于提高器件的成品率,降低器件的封装难度,也有利于利用现有仪器实现对MEMS器件性能的测试。 经测试表明:器件的响应时间和器件的接触电阻与转子摆臂的摆幅有关。最短响应时间可以达到0.3ms;此外,因为响应时间很短,因此所采用的直流脉冲电磁驱动的时间相应缩短,而且,由于磁致锁定结构的引入使稳态时的功耗为0,因此,整个器件的理论驱动功耗不到1mJ,远远小于同类微型继电器的功耗。对于金薄膜触点结构来说,其最小的接触电阻可以达到120~200m?,最大承载电流可达2A,而对于CNF复合铜金属薄膜材料来说,其接触电阻为200~300m?,虽然接触电阻稍微增大,但其硬度提高了50.9%,这样,对于不同领域的应用要求,可以采用相应的具有特殊电接触特性的电接触结构,提高了器件使用的灵活性,扩展了器件的应用范围,降低了应用成本。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TM581.3

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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10 孙发威;扭臂式MEMS光开关的建模与优化[D];西安电子科技大学;2010年
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