一種金屬mems電磁繼電器的製作方法

2023-06-10 22:40:36 1

專利名稱：一種金屬mems電磁繼電器的製作方法
技術領域：
本發明涉及了一種金屬MEMS電磁繼電器，屬於MEMS技術和繼電器技術領域。
技術背景
繼電器在航空航天、軍事裝備、信息通信、汽車工業等眾多領域有著廣泛的應用， 是最重要的控制和通信元件之一。目前常用的繼電器一般分為電磁繼電器和固態繼電器。 電磁繼電器的優點是絕緣性好、隔熱好、抗意外波動電流能力強。電磁繼電器在控制電路中 有獨特的電氣、物理特性，其斷態的高絕緣電阻和通態的低導通電阻，是固態繼電器無法與 其相比的。加上電磁繼電器標準化程度高、通用性好、可簡化電路等優點，一直廣泛應用。
利用MEMS(Micro Electrical Mechanical System)技術製作的MEMS 繼電器相比 傳統電磁繼電器具有體積更小、重量更輕、功耗更低的優點。並且由於減小了活動部件和線 圈的尺寸，繼電器的開關速度和靈敏度等性能也都將得到提升。同時，MEMS繼電器通過微 系統集成可以將微電子技術、智能控制技術等融為一體，在很小的體積內集成各種器件和 電路，實現如延時、放大、運算、監控等多種控制功能。
靜電驅動和電磁驅動已成為MEMS繼電器兩大主流發展方向，靜電驅動利用靜電 場原理，具有結構簡單功耗低的優點，目前已推出產品，但驅動電壓高達幾十伏甚至上百 伏，難以降低，無法與普通電路兼容，大大增加了使用難度和成本。此外，電熱型驅動的研究 也在進行，但存在響應滯後、功耗大等突出缺點，適合對功耗消耗不敏感、散熱良好以及響 應速度低的集成控制系統。
採用電磁驅動的MEMS電磁繼電器可以兼容普通電路電壓，易於集成。MEMS電磁繼 電器活動電極可由軟磁材料、永磁材料或者線圈組成，比較容易實現的是由軟磁材料組成。 MEMS電磁繼電器一般由線圈產生的磁場改變狀態，狀態的保持則由線圈或者永磁體產生的 磁場實現。狀態如果由線圈磁場保持，則容易產生較大的功耗。而由永磁體產生的磁場保 持狀態則可以實現較低的功耗。
現有的MEMS電磁電器存在的缺點1)工藝複雜。限於MEMS加工工藝技術成熟度， 目前，大部分MEMS電磁繼電器採用MEMS工藝、微組裝工藝及精密加工工藝結合而成，工藝 步驟多、工藝難度高。幻成本高。由工藝複雜導致的加工成本高，是目前MEMS電磁繼電器 的主要缺點之一。繼電器作為用量很大的元件，如果生產成本無法降低，則不利於實際應用 推廣。幻體積大。由於多採用MEMS工藝與精密加工工藝等多種工藝結合的方式，造成體積 比較大發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種金屬MEMS電磁繼電 器，解決了現有電磁繼電器體積重量大、集成度低，不能滿足微小型自動控制系統對空間佔 用小、低功耗以及集成化程度要求高的繼電器的需求。
本發明的技術解決方案是3
一種金屬MEMS電磁繼電器，所述繼電器包括活動電極、支撐梁、平面線圈、固定接 觸電極對、基底和永磁體；所述活動電極包括軟磁材料層和電接觸材料層，電接觸材料層面 向固定接觸電極對，所述活動電極和基底之間通過支撐梁支撐連接，平面線圈緊貼在基底 的上表面或被支撐在基底的上方且平面線圈與活動電極之間有間距；固定接觸電極對位於 活動電極的正下方，緊貼在基底的上表面，且活動電極向基底運動時能夠與固定接觸電極 對接觸；活動電極基底上的垂直投影覆蓋平面線圈的一部分，平面線圈通電時，所述基底上 的垂直投影覆蓋的這部分導線段中電流方向一致；永磁體位於基底的正下方或者永磁體位 於活動電極的正上方或者基底的正下方和活動電極的正上方均有永磁體；所述平面線圈與 基底的接觸面、固定接觸電極對與基底的接觸面以及支撐梁與基底的接觸面位於同一個平 面內。所述活動電極和固定接觸電極對有多個。所述軟磁材料層有多層，均位於電接觸材 料層上方。
本發明與現有技術相比的有益效果是
(1)本發明MEMS電磁繼電器工藝簡單。為解決MEMS電磁繼電器普遍具有的工藝 複雜的缺點和劣勢，本發明電磁繼電器的機構，僅通過兩次光刻，即可將支撐梁、固定接觸 電極對及平面線圈製作在同一基底上，與現有技術相比，極大的降低了工藝複雜度，易於實 現；
(2)本發明MEMS電磁繼電器成本低。繼電器作為使用量很大的元件，如果生產成 本無法降低，則不利於實際應用推廣。本發明電磁繼電器採用基本的MEMS工藝步驟即可實 現製造，無需減薄、拋光等比較昂貴複雜的工藝步驟，因此工藝成本可以大大降低，有益於 大批量的使用；
(3)本發明MEMS電磁繼電器體積小。與現有MEMS電磁繼電器相比，本發明採用基 本MEMS工藝在同一基底上製作活動電極、平面線圈及固定接觸電極對，這樣就使得本發明 的結構非常緊湊，體積可以大大減小，這樣在對於空間佔用異常敏感的某些領域的需求，如 航空航天，可以更好的滿足。


圖1為本發明MEMS電磁繼電器的結構示意圖加為支撐梁錨點完全位於線圈外部的俯視示意圖2b為支撐梁錨點位於線圈外部和中心的俯視示意圖2c為圖加和圖2b所示繼電器的側視示意圖3a為支撐梁錨點位於線圈導線段之間的俯視示意圖北為圖3a所示繼電器的側視示意圖如為雙端固定的單直扭轉梁形式的俯視示意圖4b為雙端固定的單直扭轉梁形式的側視示意圖如為雙端固定的一種單摺疊扭轉梁形式的俯視示意圖4d為雙端固定的一種單摺疊扭轉梁形式的側視示意圖如為單端固定的一種直懸臂梁形式的俯視示意圖4f為單端固定的一種直懸臂梁形式的側視示意圖fe為以四電極為代表的多電極結構繼電器俯視示意圖恥為以四電極為代表的多電極結構繼電器)(Z側視示意圖5c為以四電極為代表的多電極結構繼電器H側視示意圖6a為固定平面線圈位於基底平面上的側視示意圖6b為懸浮平面線圈位於基底平面上的側視示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述
圖1顯示了一種金屬MEMS電磁繼電器，包括活動電極1、支撐梁2、平面線圈5、固 定接觸電極對6、基底7和永磁體8 ；活動電極1包括軟磁材料層3和電接觸材料層4，電接 觸材料層4面向固定接觸電極對6，活動電極1和基底7之間通過支撐梁2支撐連接，平面 線圈5緊貼在基底7的上表面或被支撐在基底7的上方且平面線圈5與活動電極1之間有 間距；固定接觸電極對6位於活動電極1的正下方，緊貼在基底7的上表面，且活動電極1 向基底7運動時能夠與固定接觸電極對6接觸；活動電極1在基底7上的垂直投影覆蓋平 面線圈5的一部分，平面線圈5通電時，基底7上的垂直投影覆蓋的這部分導線段中電流方 向一致；永磁體8位於基底7的正下方或者永磁體8位於活動電極1的正上方或者基底7 的正下方和活動電極1的正上方均有永磁體8 ；平面線圈5與基底7的接觸面、固定接觸電 極對6與基底7的接觸面以及支撐梁2與基底7的接觸面位於同一個平面內。活動電極1 和固定接觸電極對6有多個。軟磁材料層3有多層，均位於電接觸材料層4上方。
活動電極1含有一個基準軸方向。平面線圈5通電時產生的磁場可使活動電極1 中軟磁材料沿活動電極1基準軸方向磁化。活動電極1為多層材料，其中一層或者多層為 磁性材料，活動電極1含有多層磁性材料時，每層磁性材料與其它層磁性材料類型不同或 者相同，可含有其它非磁性的輔助材料層。軟磁材料層3中的軟磁材料選用的標準是矯頑 力小、剩磁感應強度小、磁導率高及磁滯回線接近原點，例如可以為坡莫合金、鎳鈷合金等， 或者為實現特定的功能採用幾種磁特性不同的軟磁材料組合為多層磁性材料。軟磁材料層 一般也採用電鍍、濺射等工藝方法。
固定接觸電極對6為貴金屬材料，例如金、鉬、銠等，或者貴金屬材料合金，例如 AuNi50活動電極1面向固定接觸電極對6所在平面的一層為電接觸材料層4。電接觸材料 層4為整層或者由數個接觸材料圖形組成。
基底7可以為矽、玻璃、陶瓷等半導體材料及其它非半導體材料。
如圖2a、圖2b、圖2c所示，支撐梁2與平面線圈5的兩種相對位置關係。根據不 同的設計需求，支撐梁2的錨點201a和錨點201b可以位於平面線圈5的外部，也可以位於 平面線圈5中心處，上述錨點是指支撐梁2與基底7相連接的部分。圖加顯示了錨點201a 和錨點201b位於平面線圈5外部的情況，兩個錨點201a和201b均位於平面線圈5外部。 圖2b顯示了錨點201a和201c位於平面線圈5中心孔處，錨點201b和201d位於平面線圈 5外部的情況，其中，圖2c是側視示意圖。支撐梁2的錨點位於平面線圈5的中心或者外部 這種形式適合要求低功耗、且支撐梁2材料硬度較高的情況。
如圖3a、圖北所示，支撐梁2的錨點位於平面線圈5的導線段之間的情況，支撐梁 2的錨點201a和錨點201b位於平面線圈5的導線段之間。其中，圖3a俯視圖，圖北是側 視圖。當支撐梁2的材料及尺寸受到嚴格限制，且功耗要求和體積不高的情況。
如圖4a、圖4b、圖4c、圖4d、圖如和圖4f所示，體現了支撐梁2的一些具體形式。 支撐梁2可為雙端固支扭轉梁。扭轉梁的形式可為直梁或者摺疊梁，梁的個數可為單個或 者多個。圖如和圖4b分別是直扭轉梁的俯視和側視示意圖，其中0-0』是扭轉軸心線。圖 4c和圖4d分別是摺疊扭轉梁的俯視和側視示意圖。圖如和圖4f為單端固定的懸臂梁形 式的俯視和側視示意圖。以上均為單梁形式，還可以為多梁形式，就不再一一列出示例。各 種梁的形式主要體現在活動電極1被支撐梁2支撐，活動電極1為多層結構。支撐梁2與 活動電極1結合層位於軟磁材料層3之下。支撐梁2的材料可以為金、鎳、鋁、銅等MEMS工 藝常用的結構材料，通常採用電鍍、濺射等方法製作支撐梁2。
如圖5a、圖5b、圖5c所示，以四電極為例示意了多電極結構，共含有101、102、103 及104四個活動電極。繼電器含有多電極時，每個電極的工作方式同單個工作電極結構形 式，單獨每個活動電極對應一個支撐梁，單個電極與平面線圈5的對應關係與單個電極與 平面線圈5的對應關係相同。圖恥和圖5c分別是同一時刻每個電極沿A-A』和B-B』的側 視圖。多電極結構適合一對輸入同時許多多組輸出的系統需求，比採用多個單電極結構組 合具有成本低、體積小以及集成度高等優點。
如圖6a、圖6b示意了平面線圈5與基底7不同的結合方式。平面線圈5緊貼在基 底7的上表面，如圖6a，這種形式是最容易實現的結構。平面線圈5還可以被支撐在基底7 的上方，如圖6b，這種結構與圖6a相比可以大幅降低襯底寄生效應，適合要求比較高的場合。
以矽基底為例，金屬MEMS電磁繼電器的整體結構的工藝主要步驟如下1)基底7 絕緣處理等；幻製作平面線圈5和固定接觸電極對；幻製作犧牲層及活動電極及支撐梁圖 形；4)製作軟磁材料層3 ；5)釋放，封裝。
本發明電磁繼電器可用於直流、交流及高頻信號等電信號的傳輸。
權利要求
1.一種金屬MEMS電磁繼電器，其特徵在於所述繼電器包括活動電極(1)、支撐梁 O)、平面線圈(5)、固定接觸電極對(6)、基底(7)和永磁體(8)；所述活動電極(1)包括軟 磁材料層C3)和電接觸材料層G)，電接觸材料層(4)面向固定接觸電極對(6)，所述活動 電極(1)和基底(7)之間通過支撐梁( 支撐連接，平面線圈( 緊貼在基底(7)的上表 面或被支撐在基底(7)的上方且平面線圈( 與活動電極(1)之間有間距；固定接觸電極 對(6)位於活動電極(1)的正下方，緊貼在基底(7)的上表面，且活動電極(1)向基底(7) 運動時能夠與固定接觸電極對(6)接觸；活動電極(1)在基底(7)上的垂直投影覆蓋平面 線圈(5)的一部分，平面線圈(5)通電時，所述基底(7)上的垂直投影覆蓋的這部分導線段 中電流方向一致；永磁體(8)位於基底(7)的正下方或者永磁體(8)位於活動電極(1)的 正上方或者基底(7)的正下方和活動電極(1)的正上方均有永磁體(8)；所述平面線圈(5) 與基底(7)的接觸面、固定接觸電極對(6)與基底(7)的接觸面以及支撐梁( 與基底(7) 的接觸面位於同一個平面內。
2.根據權利要求1所述的一種金屬MEMS電磁繼電器，其特徵在於所述活動電極(1) 和固定接觸電極對(6)有多個。
3.根據權利要求1所述的一種金屬MEMS電磁繼電器，其特徵在於所述軟磁材料層 (3)有多層，均位於電接觸材料層(4)上方。
全文摘要
一種金屬MEMS電磁繼電器，屬於MEMS技術和繼電器技術領域。為解決現有電磁繼電器體積重量大、集成度低，不能滿足微小型自動控制系統對空間佔用小、低功耗以及集成化程度要求高的繼電器的需求，本發明提供了一種基於金屬結構的MEMS電磁繼電器，包括活動電極、支撐梁、平面線圈、固定接觸電極對、基底和永磁體，平面線圈與基底的接觸面、固定接觸電極對與基底的接觸面以及支撐梁與基底的接觸面位於同一個平面內，活動電極高於平面線圈，活動電極與平面線圈之間有一定間隙，永磁體位於基底的下方或者懸臂梁的上方。本發明具有結構簡單、工藝易於實現以及成本低的突出優點。
文檔編號H01H50/00GK102044380SQ20101062382
公開日2011年5月4日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者孫建, 李慧娟, 苑京立 申請人:航天時代電子技術股份有限公司