双稳态微机电继电器制造技术

一种双稳态微机电继电器涉及一种具有状态保持功能的微型化继电器，主要应用于电源管理、仪器仪表、自动控制和宽带通讯等系统。该继电器包括封装盖、管脚，可动膜片、微球、电磁基板，可动膜片与微球位于封装盖与电磁基板固定连接后的空腔内，可动膜片的两端各有与电磁基板的基板上表面左右端上的下电极相对的上电极，沿可动膜片的纵向对称轴上分布有圆孔，该圆孔活动地位于对应微球上，微球活动地置于电磁基板上的微球基座的圆孔上。该继电器集成度高，实现双稳态电磁驱动和状态锁定，在显著提高该继电器的响应速度和工作寿命的同时，降低驱动能耗和工作损耗，响应时间短，绝缘耐压强度高，工作稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有状态保持功能的微型化机电继电器，主要应用于电源 管理、仪器仪表、自动控制和宽带通讯等系统。
技术介绍
微小型继电器作为一种基本的机电元件在电源管理、仪器仪表、自动控制和通讯系统中有着广泛的应用。典型的应用宽带宽(DC-10GHz)、宽负载 (DC10mV10mA-2A50V)线路交换，低插入损耗、高隔离度的射频通讯，低能 耗、响应快的机电控制以及机电继电器用量多或要求微型化、阵列化的地方， 如通讯上的交换机和备用线路切换系统，汽车上的控制系统等。这些应用对微 小型继电器的性能提出了更高的要求。机电继电器的工作原理是通过金属电极的吸合与断开实现电路的开关或切 换。这种继电器有着优异的电气开关性能，即闭合时导通阻抗小，而关断时隔 离度很高，同时这些性能在很宽频率范围和负载范围均有效。但是，因为继电 器需要机械接触，其响应速度较慢，工作寿命较短。市场现有小型信号继电器 的响应时间大于0.005秒，工作寿命仅100万次，如OmronLG6H-2和 NaisLATQ209继电器。现有小型机电继电器由于采用枢轴、扭转梁或凸点支撑型倾转结构，机械 和电气性能都受到一定限制，如枢轴不易微型化且存在轴向滑动；扭转梁受支 撑强度和疲劳寿命的限制，转动灵敏度较低，并易受内应力、热应力和蠕变等 影响；而凸点支撑型倾转结构因为单点接触，易造成尖端磨损和滑动，使定位 精度和寿命受到限制，且高精度微小凸点对材料和加工技术要求很高。此外，上述转轴结构使可动部件的转动灵敏度较低，迫使继电器采用更大的驱动力， 这又降低了继电器的能量效率，而且使可动部件的碰撞磨损和振荡时间增加， 影响继电器的响应时间和工作寿命。提高机电继电器性能的主要途径就是微型化和集成化，即减小运动部件的 尺寸和质量，从而减小运动惯量和碰撞冲击力，同时通过集成技术使内部电路 一体化，减少接头和连接距离，提高均匀性和可靠性。现有的微机电继电器通 常采用以多层膜技术和牺牲层技术为基础的片上集成技术，该技术存在很大的 局限性，如高效率线圈和永磁铁的制作较困难，接触电极的结构尺寸和和悬空 高度小， 一般在微米量级，表面粘附效应比较突出等，使微机电继电器的性能 和价格不能满足市场需求。US4223290， Electromagnetic Device of The Flat Package Tape(扁平封装 型电磁器件)提出了一种可用于电磁继电器的扁平封装类型电磁装置，该装置 使用两个平行放置的永磁体实现双稳态驱动。US6492887B1, Miniaturized flat spool relay(微型化扁平绕组继电器) 提出了一种微型化扁平绕组继电器，该继电器采用两段相向极化的永磁体和一 个扁平线圈绕组构成，利用对称双环静磁场和反对称双环电磁场实现双稳态电 磁驱动。US660853 9B2 ， Electromagnetic driving apparatus and electromagnetic relay (电磁驱动器与电磁继电器)提出了一个利用永磁铁非对称设置实现单稳态驱 动的电磁驱动装置和继电器。中国专利技术专利申请公开号CN1452202，其专利技术创造名称为双稳态电磁型微驱动器及其制备方法，该驱动器利用平面螺线管线圈进行电磁驱动，采用扭转梁作为动片的倾转轴。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双稳态微机电继电器，使该继电器微型化和集成 化，实现双稳态电磁驱动和状态锁定，使该继电器的能量效率和时间效率得到 改善，从而在显著提高该继电器的响应速度和工作寿命的同时，降低驱动能耗 和工作损耗，并确保长时间工作的稳定性。为了实现上述专利技术目的，其技术方案是本专利技术包括封装盖3、可动膜片1、微球2、电磁基板4和管脚，封装盖3与电磁基板4固定连接，可动膜片1为长1—30mm、宽l一 20mm、厚0.05— lmm的导磁合金片，可动膜片1的两端各为与电磁基板4上表面一端及另一端 上的下电极相对且具有相同弹性结构的上电极，沿可动膜片1的纵向对称轴上 分布有直径均为0.04—0.97mm的圆孔，以直径为0.05—lmm的微球作为轴承， 活动地置于电磁基板4上的微球基座4-3的圆孔上，该微球采用球形度大于80% 至100%的玻璃微球或金属微球或陶瓷微球或塑料微球，可动膜片1内的各圆孔 分别活动地位于对应的微球2上，可动膜片1和微球2位于封装盖3与电磁基 板4固定连接后封闭空腔内，封装盖3的盖底与处于水平状态时的可动膜片1 之间的间隔距离为0.05 —0.5mm，可动膜片1与电磁基板4上的磁路构成对称 并联磁路，磁体位于该对称并联磁路中，并在该对称并联磁路中形成静磁场， 所述管脚固定在电磁基板4的基板4-1下表面的引线端口上；电磁基板主要有四 种电磁基板电磁基板41、电磁基板42、电磁基板43和电磁基板44。其中电 磁基板41包括基板4-l，微球基座4-3，两个相同的磁芯4-5、 4-9，两对相同的 平面螺旋线圈4-4、 4-8，下电极4-2、4-6，导磁基底4-7，引线端口 4-13至4-18、引出导线，采用硬磁材料或永磁磁材料制成的微球基座4-3固定在基板4-l的纵 轴上，微球基座4-3的厚度与基板4-l厚度相同或比基板4-l厚度多0.05—lmm， 微球基座4-3内分布有与可动膜片1内的圆通孔1-1相对且直径均为0.04— 0.97mm的圆通孔，两个磁芯4-5、 4-9和分别绕这两个磁芯的平面螺旋线圈4-4、 4-8以微球基座4-3的纵向中心线为对称轴，对称地印制在微球基座4-3左右两 端相邻的基板4-l上下表面上，构成两对相同的平面螺旋线圈，位于基板4-l上 下表面上的两个平面螺旋线圈4-4、 4-8的始端分别与两个磁芯4-5、 4-9的上下 端固定连接，位于基板4-l上表面上的两个平面螺旋线圈的末端分别通过引出导 线与基板4-l上表面上的两个引线端口对应固定连接，基板4-l下表面上两个平 面螺旋线圈串联，这两个引线端口通过这两个引线端口上的管脚引出基板4-1 外与驱动电路连接，每一磁芯采用导磁性能好的磁性材料，两个磁芯分别是对 应的空心线圈内部的填充物和磁通道，也可构成多层线圈之间的电连接，每一 磁芯均与导磁基底连通，构成低磁阻磁路，导磁基底4-7由导磁的硬磁或软磁材 料构成，下电极4-2、 4-6—般由导电合金构成，下电极4-2、 4-6分别对称地设 置在可动膜片1两端下方的基板4-1上表面两端上，基板4-1 一端及另一端的磁 芯和分别绕基板4-l两端磁芯的一对平面螺旋线圈分别位于基板4-l 一端及另一 端上的下电极4-2、 4-6与微球基座4-3之间，基板4-l两端上的下电极4-2、 4-6分别与基板两端对应的引线端口固定连接，该引线端口的下表面与管脚固定连 接。电磁基板42包括基板4-l，微球基座4-3，两个相同的磁芯4-5、 4-9，两对 相同的平面螺旋线圈4-4、4-8，下电极4-2，导磁基底4-7，引线端口 4-13至4-18 和引出导线。电磁基板42与电磁基板41的不同之处在于微球基座4-3采用软 磁材料制成，导磁基底4-7采用硬磁材料或永磁材料制成，电磁基板42其余部分与电磁基板41的形状、结构相同。电磁基板43包括基板4-l、微球本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双稳态微机电继电器，包括封装盖（３）和管脚，其特征在于该继电器还包括可动膜片（１）、微球（２）、电磁基板（４），所述封装盖（３）与电磁基板（４）固定连接，可动膜片（１）为长１－３０ｍｍ、宽１－２０ｍｍ、厚０．０５－１ｍｍ的导磁合金片，可动膜片（１）的两端各为与电磁基板（４）上表面一端及另一端上的下电极相对且具有相同弹性结构的上电极，沿可动膜片（１）的纵向对称轴上分布有直径均为０．０４－０．９７ｍｍ的圆孔，以直径为０．０５－１ｍｍ的微球（２）作为轴承，活动地置于电磁基板（４）上的微球基座（４－３）的圆孔上，该微球采用球形度大于８０％至１００％的玻璃微球或金属微球或陶瓷微球或塑料微球，可动膜片（１）内的各圆孔分别活动地位于对应的微球（２）上，可动膜片（１）和微球（２）位于封装盖（３）与电磁基板（４）固定连接后封闭空腔内，封装盖（３）的盖底与处于水平状态时的可动膜片（１）之间的间隔距离为０．０５－０．５ｍｍ，可动膜片（１）与电磁基板（４）上的磁路构成对称并联磁路，磁体位于该对称并联磁路中，并在该对称并联磁路中形成静磁场，所述管脚固定在电磁基板（４）的基板（４－１）下表面的引线端口上；当该继电器处于初始状态时，电磁基板（４）上的线圈中无电流，可动膜片（１）在磁体提供的静磁场作用下，可动膜片（１）绕微球（２）偏向一端并被该端磁力吸合，可动膜片（１）一端上的上电极与电磁基板（４）上表面一端上的下电极导通；当对线圈通５－５００ｍＡ电流时，该继电器的对称并联磁路中的一磁路中的电磁场与磁体提供的静磁场极性相反，而对称并联磁路中的另一磁路中的电磁场与磁体提供的静磁场极性相同，可动膜片（１）上受到顺时针方向的力矩作用，绕微球（２）向顺时针方向偏转而被另一端磁力吸合，可动膜片（１）另一端上的上电极与电磁基板（４）上表面另一端上的下电极导通；当线圈断电后，可动膜片（１）在磁体提供的静磁场作用下，可动膜片（１）另一端维持吸合状态，可动膜片（１）另一端上的上电极与电磁基板（４）上表面另一端的下电极导通；当对线圈通反向电流时，使继电器的对称并联磁路中的另一磁路中的电磁场与磁体提供的静磁场极性相反，而其左磁路中的电磁场与磁体提供的静磁场极性相同，可动膜片（１）上受到逆时针方向的力矩作用，绕微球（２）向逆时针方向偏转而被一端磁力吸合，可动膜片（１）一端上的上电极与电磁基板（４）上表面一端的下电极导通；当线圈断电后，可动膜片（１）在磁体提供的静...

【技术特征摘要】
1、一种双稳态微机电继电器，包括封装盖(3)和管脚，其特征在于该继电器还包括可动膜片(1)、微球(2)、电磁基板(4)，所述封装盖(3)与电磁基板(4)固定连接，可动膜片(1)为长1-30mm、宽1-20mm、厚0.05-1mm的导磁合金片，可动膜片(1)的两端各为与电磁基板(4)上表面一端及另一端上的下电极相对且具有相同弹性结构的上电极，沿可动膜片(1)的纵向对称轴上分布有直径均为0.04-0.97mm的圆孔，以直径为0.05-1mm的微球(2)作为轴承，活动地置于电磁基板(4)上的微球基座(4-3)的圆孔上，该微球采用球形度大于80％至100％的玻璃微球或金属微球或陶瓷微球或塑料微球，可动膜片(1)内的各圆孔分别活动地位于对应的微球(2)上，可动膜片(1)和微球(2)位于封装盖(3)与电磁基板(4)固定连接后封闭空腔内，封装盖(3)的盖底与处于水平状态时的可动膜片(1)之间的间隔距离为0.05-0.5mm，可动膜片(1)与电磁基板(4)上的磁路构成对称并联磁路，磁体位于该对称并联磁路中，并在该对称并联磁路中形成静磁场，所述管脚固定在电磁基板(4)的基板(4-1)下表面的引线端口上；当该继电器处于初始状态时，电磁基板(4)上的线圈中无电流，可动膜片(1)在磁体提供的静磁场作用下，可动膜片(1)绕微球(2)偏向一端并被该端磁力吸合，可动膜片(1)一端上的上电极与电磁基板(4)上表面一端上的下电极导通；当对线圈通5-500mA电流时，该继电器的对称并联磁路中的一磁路中的电磁场与磁体提供的静磁场极性相反，而对称并联磁路中的另一磁路中的电磁场与磁体提供的静磁场极性相同，可动膜片(1)上受到顺时针方向的力矩作用，绕微球(2)向顺时针方向偏转而被另一端磁力吸合，可动膜片(1)另一端上的上电极与电磁基板(4)上表面另一端上的下电极导通；当线圈断电后，可动膜片(1)在磁体提供的静磁场作用下，可动膜片(1)另一端维持吸合状态，可动膜片(1)另一端上的上电极与电磁基板(4)上表面另一端的下电极导通；当对线圈通反向电流时，使继电器的对称并联磁路中的另一磁路中的电磁场与磁体提供的静磁场极性相反，而其左磁路中的电磁场与磁体提供的静磁场极性相同，可动膜片(1)上受到逆时针方向的力矩作用，绕微球(2)向逆时针方向偏转而被一端磁力吸合，可动膜片(1)一端上的上电极与电磁基板(4)上表面一端的下电极导通；当线圈断电后，可动膜片(1)在磁体提供的静磁场作用下，可动膜片(1)一端维持吸合状态，可动膜片(1)一端上的上电极与电磁基板(4)上表面一端的下电极导通；该继电器回到初始状态。2、根据权利要求1所述的双稳态微机电继电器，其特征在于双稳态微机电 继电器l中的封装盖(3)用陶瓷材料通过模具压制并烧结成长、宽、高分别为 10mm 、 6mm 、 0.6mm的长方体，封装盖(3)内有长、宽、高分别为9mm 、 4mm 、 0.4mm的盲孔，在与微球(2)相对的封装盖(3)底部的纵轴上有长为 3mm的凸棱(3-1)，该凸棱(3-1)的横截面由上部宽、高分别为0.2 mm、 O.lmm 的方形和下部向下凸且半径为O.lmm的圆弧形构成，该凸棱(3-1)下端面到可 动模片(1)处于水平状态时的上表面之间的距离为0.05mm，使微球(2)始终 位于可动膜片(1)内的圆通孔(1-1)和微球基座(4-3)内的圆通孔(4-11) 之间，在与基板(4-1)上的引线端口 (4-13)至(4-18)的圆通孔相对的封装 盖(3)下底面上前后各有三个凸点，以便封装盖(3)与电磁基板(41)自动 对准并嵌入到基板(4-1)上的引线端口 (4-13)至(4-18)的圆通孔内，通过 粘接或焊接使封装盖(3)和电磁基板(41)结合在一起；可动膜片(1)用软 磁合金或半硬磁合金材料制成长、宽、高分别为8.6mm、 3.8 mm、 O.lmm的长方形片，可动膜片(1)的一端及另一端分别用激光切割成与下电极(4-2)、 (4-6)相对的对称的T型上电极(1-2)、 (1-3)，当可动膜片(l) 一端上的T 型上电极(1-2)与基板(4-1) 一端上的两个下电极(4-2)接触时，基板(4-1) 一端上的两个下电极(4-2)导通，基板(4-1)另一端上的两个下电极(4-6) 断开；当可动膜片(1)另一端上的T型上电极(1-3)与基板(4-1)另一端上 的两个接下电极(4-2)接触时，基板(4-1)另一端上的两个下电极(4-6)导 通，基板(4-1) 一端上的两个下电极(4-2)断开，在可动膜片(1)的纵向对 称轴上用激光加工出直径均为0.3mm且中心线相距2.4mm的两个对称圆通孔(1-1 )，可动膜片(1 )内的两个对称圆通孔(1-1 )分别置于两个直径均为0.32mm 且球形度为95 %的玻璃微球(2)上；电磁基板(41)包括基板(4-1)，下电极 (4-2)、 (4-6)，微球基座(4-3)，两对相同的平面螺旋线圈(4-4)、 (4-8)，两 个磁芯(4-5)、 (4-9)，导磁基底(4-7)、引线端口 (4-13)至(4-18)和引出导 线，基板(4-1)用陶瓷材料制成长、宽、高分别为10mm、 6mm、 0.5mm的长 方形板；在该基板的纵轴上印制硬磁材料或永磁材料，制成长、宽、高分别为 4mm、 lmm、 0.7mm的长方体形微球基座(4-3)，该微球基座(4-3)的横截面 为工字形，该工字形上下端的厚度均为0.1 mm，位于基板通孔内的工字形的竖 直段的宽度为0.5mm，在与可动膜片(1)上的两个圆通孔(1-1)相对的微球 基座(4-3)内有两个直径均为0.3mm的圆通孔(4-11)，两个玻璃微球(2)分 别置于微球基座(4-3)内的圆通孔(4-11)上；在基板(4-1)上对称印制两个 磁芯(4-5、 4-9)，两对平面螺旋线圈(4-4)、 (4-8)，引线端口 (4-13)至(4-18)， 在基板(4-1)的上表面对称印制下电极(4-2)、 (4-6)，两个磁芯(4-5)、) (4-9) 以基板(4-1)的纵轴为对称轴，对称地分布在与基板(4-1)的纵轴相距2.9 mm的基板(4-l)的横轴上，两个磁芯(4-5)、(4-9)的内外直径和高分别均为0.3mm、 0.5 mm 、 0.7mm的空心圆柱体，两对平面螺旋线圈(4-4)、 (4-9)均采用电阻 率小于1 X 10—7 Q .m与导磁率大于100mH/m和深宽比大于0.5的坡莫合金导线， 两个磁芯(4-5)、 (4-9)的上下端分别与位于基板(4-1)上下表面上对应的两 对平面螺旋线圈的一端固定连接，位于基板(4-1)上表面上的两个平面螺旋线 圈(4-4)、 (4-9)的另一端通过引出导线分别与微球基座(4-3)上表面两端所对的 基板(4-l)上的引线端口 (4-14)、 (4-17)固定连接，位于基板(4-1)下表面上 的两个平面螺旋线圈的另一端通过引出导线连接在一起，每一平面螺旋线圈中 的每一圈在基板(4-1)上下两面的印制宽度均为0.05mm，每一圈与其相邻圈 的间隔距离为0.025mm，每对平面螺旋线圈匝数为40X2;位于基板(4-l)上表面 两端上的下电极(4-2)、 (4-6)为四个长、宽、高均为1.8 mm、 0.8 mm、 O.lmm 的长方体形电极，这四个下电极(4-2)、 (4-6)分别与可动膜片一端及另一端上 的T型上电极(1-2)、 (1-3)端部分别相对，并分别与基板(4-1)上表面一端 及另一端上的引线端口 (4-15)、 (4-16)禾n (4-13)、 (4-18)对称固定连接，基 板(4-1)前、后端的三个引线端口 (4-13)至(4-15)和(4-16)至(4-18)的 中心分别位于同一直线上，每一引线端口的长、宽、高分别为0.8 mm、 0.8 mm、 0.7mm的长方形体，每一引线端口的横截面为工字形,该工字形的竖直段宽度、 高度均为0.5 mm、每一引线端口的中部有一直径为0.3mm的圆通孔；两个磁 芯(4-5)、 (4-9)，两对平面螺旋线圈(4-4)、 (4-8)，下电极(4-2)、 (4-6)和 引线端口 (4-13)至(4-18)均用坡莫合金制成，并在两个磁芯(4-5)、 (4-9)， 两对平面螺旋线圈(4-4)、 (4-8)，下电极(4-2)、 (4-6)和引线端口 (4-13)至 (4-18)的表面镀上厚度为0.025 mm且电阻率小于1 X 10—7 Q .m的合金薄膜， 在基板(4-1)下表面引线端口 (4-13)至(4-18)所围的范围内印制长、宽、 厚分别为8.8mm 、 3.9 mm、 0.05 mm的绝缘膜(4-12)，使该绝缘膜覆盖基板 (4-1)下表面上的平面螺旋线圈(4-4)、(4-8)和微球基座(4-3)，在绝缘膜(4-12) 和基板(4-1)上用坡莫合金或铁氧体材料印制长、宽、厚分别为9.0mm、 4.0 mm、 0.1mm的长方形导磁基底(7)，在基板(4-1)下表面的引线端口(4-13)至(4-18) 上分别焊接直径为0.8mm的金属球形管脚。3、 根据权利要求2所述的双稳态微机电继电器，其特征在于双稳态微机 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张流强，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]