应用于MEMS通讯继电器的双稳态微电磁驱动器的研究

论文摘要

继电器是一种常用的基本机电元件,在航空航天领域、计算机、通讯等领域中起着十分重要的作用。通讯继电器是继电器主要应用方向之一,其产值大约占整个继电器产业的四分之一,并且是继电器产品中技术含量和附加值较高的一部分。本文设计了一种应用于微型化通讯继电器的双稳态电磁驱动器,主要由平面线圈、镍弹性平台和中央硅垫片三部分组成。使用双层铜线圈与中央铁芯磁化的方法来增强电磁作用力;采用聚酰亚胺作为绝缘层;采用永磁体实现器件的双稳机制。采用基本磁路原理初步分析了本文所设计的电磁驱动MEMS平面线圈微驱动器。考虑气隙中漏磁通,感应磁动势的分布效应,与软磁材料相对磁导率的非线性这几方面的影响,基于分段磁路的方法建立了器件的磁路模型。用Matlab编程、Ansys模拟,计算比较了活动悬臂梁厚度与工作气隙宽度等结构参数对器件性能的影响,悬臂梁厚度是影响器件性能的关键因素。得到优化的结构参数,为器件的工艺制作提供理论参考。采用微细加工技术制作了这种微电磁驱动器。主要采用聚酰亚胺绝缘层工艺制作了平面线圈,讨论了聚酰亚胺的甩胶,热处理及磨抛等工艺,完成了器件绝缘部分的制作。同时,本文采用微电铸和湿法刻蚀工艺制作了镍弹性平台,并通过在镍弹性平台背面电镀一层坡莫合金的方法来制成衔铁,采用湿法刻蚀工艺制作了硅垫片,用来调整器件的工作气隙。利用测量显微镜、激光测位计等设备测量了镍弹性平台的弹性系数,并对器件的双稳态进行了调试。实验结果表明,器件具有良好的双稳特性,响应时间约为10ms,从而验证了双稳态微电磁驱动器原型的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微机电系统（MEMS）简介
• 1.1.1 MEMS 技术的发展现状和发展趋势
• 1.1.2 MEMS 的材料
• 1.1.3 MEMS 的设计
• 1.1.4 MEMS 主要加工工艺
• 1.1.5 MEMS 的应用
• 1.2 微驱动器概况
• 1.2.1 微驱动器的种类
• 1.2.2 通信继电器发展历程简要回顾
• 1.2.3 通信继电器未来的发展趋势
• 1.3 本课题的主要研究内容与研究意义
• 参考文献
• 第二章 器件的工作原理及设计
• 2.1 微驱动器的工作原理
• 2.2 微驱动器的结构设计
• 2.3 器件电磁模型
• 2.3.1 磁路基本定理
• 2.3.2 磁路分段与磁阻计算
• 2.3.3 坡莫合金相对磁导率的计算
• 2.3.4 磁路网格建模（程序流程图）
• 2.4 镍平台悬臂梁弹性系数的计算
• 2.5 双稳态的实现
• 2.5.1 双稳态微电磁驱动器
• 2.5.2 双稳机构的磁路分析
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 器件制备及主要工艺分析
• 3.1 MEMS 基本工艺介绍
• 3.1.1 光刻
• 3.1.2 溅射
• 3.1.3 电镀
• 3.1.4 刻蚀
• 3.1.5 净化与清洗
• 3.2 平面线圈的制作
• 3.2.1 反面套刻对准
• 3.2.2 聚酰亚胺绝缘层的制作
• 3.3 镍弹性平台的制作
• 3.4 中央硅垫片的制作
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 器件性能的分析与测试
• 4.1 镍平台弹性系数的测试
• 4.2 双稳态的调试
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文