一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器制造技术

一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，属于微电子机械系统（ＭＥＭＳ）中使用的静电继电器。该静电微继电器的双稳态全柔性梁采用二个柔性梁，一个左柔性梁的一端固定于左绝缘锚点上，另一端固定在构件上，另一个右柔性梁的一端固定于右绝缘锚点上，另一端也固定在构件上；在电压激励下，可动梳齿带动双稳态全柔性梁横向运动，并发生快速翻转到第二稳态位置，可动触点与固定于下绝缘锚点上的左固定触点和右固定触点形成桥接，接通电路，在施加异向驱动电压时，继电器迅速跳转返回第一稳态位置。该静电微继电器采用双稳态柔性机构来代替传统的线弹性结构以提高响应速度和稳态保持能力，具有机构简单、短程驱动、能耗低和抗干扰能力强的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，属于微电子机械系统(MEMS)中使用的静电继电器，主要应用于通信工程、信息处理、工业控制以及仪器仪表等系 统。
技术介绍
基于微机械系统(MEMS)技术的微机电式继电器通过金属电极的吸合与断开实现 电路的开关切换，具有尺寸小、质量小、易于集成、宽带宽、响应快、功耗低、适于大批量生产 等优点，在通讯、宇航、自动检测仪器等系统中具有广泛需求。近年来，很多单位和研究机构致力于微继电器结构和驱动形式的研究，包括静电 型、热驱动型、电磁型、水银滴型等。由于静电驱动具有结构简单、工艺兼容性好的优点，其 研究也最为广泛。其中基于线弹性元件的静电型微继电器利用静电吸合力使悬臂梁式的活 动电极弯曲，双接触电极与固定电极接触完成开关动作，具有结构简单，工艺容易实现。但 是，由于采用线弹性元件，继电器需要一直供能才能保持闭合状态，存在接触力小、能耗高 和抗干扰能力弱的问题。热机械型微继电器采用热致动器，由水平接触电极，加热器、触点和温度补偿结构 组成，结构较为复杂，它依靠梁结构的热变形来使触点接触，电路闭合。由于采用热驱动变 形，这就容易造成微系统中的散热问题。并且体膨胀效应固有的滞后性决定了它响应速度 低，成为阻碍其广泛应用的主要原因。水银滴型微继电器，依靠加热产生的气泡推动水银滴 移动实现电路连通，但由于采用热驱动仍然会产生散热问题，并且水银的密封与控制也会 存在不少问题。电磁型微继电器与传统电磁继电器原理基本相同，在双稳态微继电器研制方 面主要采用电磁型，但其结构较为复杂。US422390，“Electromagnetic deviceof the flat package tape”(扁平封装电磁器件)采用两个平放的永磁体实现双稳态驱动。 US6492887B1, "Miniaturized flat spool relay”(微小型扁平绕组继电器)提出 了一种 微型化扁平绕组继电器，利用双环静磁场和反对称双环电磁场实现双稳态电磁驱动。中国 专利技术专利CN1452202，“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。US7221817，“Beam switch structures and methods", “一种梁式开关结构和制备方法”，采用屈曲双稳态梁结构设计了一种双稳 态开关装置。中国专利CN101206973，“双稳态微机电继电器”采用电磁基板和微球组合的 形式提出了一种具有状态保持功能的微型化继电器。中国专利CN101197226A，“低阈值电 压静电型微继电器”，采用并联梳齿级数和增加叉齿数目来降低微继电器的阈值电压，提出 一种采用线弹性结构的微继电器。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是解决现有的基于线弹性结构的静电微继电器存在的不足，提供一种具有双稳态保持功能、短程驱动、低能耗和大接触力的双稳态微继电器。该微 继电器具有结构简单、大行程、响应迅速、抗干扰能力强和接触可靠的特点，适用于通讯、工 业控制和仪器仪表等军用和民用场合。本专利技术的技术解决方案是一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，它主要包 括可动梳齿和固定梳齿、可动触点和固定触点。它还包括双稳态全柔性梁，所述可动梳齿和 可动触点采用构件连接成一体，所述双稳态全柔性梁采用二个柔性梁，一个左柔性梁的一 端固定于左绝缘锚点上，另一端固定在构件上，另一个右柔性梁的一端固定于右绝缘锚点 上，另一端也固定在构件上；在电压激励下，可动梳齿带动双稳态全柔性梁横向运动，并发 生快速翻转到第二稳态位置，可动触点与固定于下绝缘锚点上的左固定触点和右固定触点 形成桥接，接通电路，在施加异向驱动电压时，继电器迅速跳转返回第一稳态位置。当所述构件位于可动梳齿的中心位置上时，所述双稳态全柔性梁是使所述继电器 作横向运动的对称式V型机构。所述双稳态全柔性梁连接可动梳齿和可动触点，通过左绝缘锚点和右绝缘锚点支 撑形成悬空的可动部分，并与基底之间形成电隔离。所述继电器采用双层结构，其中双稳态全柔性梁、可动梳齿、固定梳齿、可动触点、 左固定触点和右固定触点为采用金属导电材料的上层结构；基底、左绝缘锚点、右绝缘锚点 和下绝缘锚点为采用绝缘材料的下层结构。所述双稳态全柔性梁、可动梳齿和固定梳齿通过双层MEMS电铸镍的方法固定于 带有绝缘凸台的基底上。所述绝缘凸台采用SU-8胶光刻的办法固定于氧化层上。上述的技术方案利用现有的微电铸工艺制作大行程双稳态柔性机构，解决了双稳 态柔性微继电器实用化的主要技术问题。其制作过程工艺简单，便于大批量生产。其工作 过程是双稳态柔性机构在行程范围内具有两个稳定状态，在梳齿驱动下双稳态柔性机构 在两个弹性势能局部最小位置之间跳动，当柔性机构的中心位置达到机构弹性势能局部最 大位置后，机构发生能量释放，不需要静电力作用，机构能够快速跳转到第二稳态位置，实 现电路闭合和断开，整个过程具有短程驱动的特点。本专利技术与现有技术相比具有如下的优点本专利技术采用双稳态柔性梁机构替代传统的线弹性梁结构作为继电器弹性元 件，依靠其双稳态特性来实现继电器响应迅速、重复性好，接触力大，和低能耗的特点。本专利技术为依靠双稳态全柔性梁结构替代电磁双稳态机构，使继电器具有工作 行程大、抗干扰能力强、结构简单易于MEMS加工的特点，提高继电器在各种恶劣环境(雷雨 及振动干扰等)下的动作准确性，适用于多种民用和军用场合。双稳态静电驱动微继电器，依靠双稳态机构的稳态保持无功耗和快速跳转的 特点，使继电器在闭合和断开状态不需要输入能量，具有明显的短程驱动和节能特点。该继电器具有结构简单、驱动电压低、大行程、低能耗、 响应迅速、切换准确、接触 力大、接触可靠和抗干扰能力强的特点。由于本专利技术具有上述优点，因此在通讯、工业控制、 仪器仪表以及消费电子等领域具有广泛的推广应用价值。附图说明图1是一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器结构示意图。图2是图1中的A-A向剖视图。图3是继电器第二稳态位置。 图4是双稳态柔性机构能量示意图。图5是硅基底示意图。图6是氧化后的硅基底示意图。图7是具有绝缘凸台的硅基底示意图。图8是溅射晶种层后的基底示意图。图9是第二次光刻后基底结构示意图。图10是电铸工艺后的结构示意图。图11是第一次去胶后的继电器结构示意图。图12是微继电器结构示意图。图13是两个双稳态柔性机构的静电微继电器结构示意图。图中1a、左柔性梁；lb、右柔性梁；2、可动梳齿；3a、左绝缘锚点；3b、右绝缘锚点； 3c、下绝缘锚点；4、固定梳齿；5、可动触点；6a、左固定触点；6b、右固定触点；7、基底；7a、 硅氧化层；8、SU-8绝缘凸台；8a、晶种层；9、光刻胶模型。具体实施例方式实施例一图1、2示出了一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器。图中，可动梳齿2和可 动触点5采用构件2a连接成一体，双稳态全柔性梁采用二个柔性梁，一个左柔性梁Ia的一 端固定于左绝缘锚点3a上，另一端固定在构件2a上，另一个右柔性梁Ib的一端固定于右 绝缘锚点3b上，另一端也固定在构件2a上。双稳态全柔性梁的两个稳态位置分别使微继 电器处于闭合和断开两个状态。可动梳齿2和固定梳齿4数目相等且间隔排列，所产生的 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双稳态柔性机构的静电微继电器，它主要包括可动梳齿（２）和固定梳齿（４）、可动触点（５）和固定触点；其特征在于：它还包括双稳态全柔性梁，所述可动梳齿（２）和可动触点（５）采用构件（２ａ）连接成一体，所述双稳态全柔性梁采用二个柔性梁，一个左柔性梁（１ａ）的一端固定于左绝缘锚点（３ａ）上，另一端固定在构件（２ａ）上，另一个右柔性梁（１ｂ）的一端固定于右绝缘锚点（３ｂ）上，另一端也固定在构件（２ａ）上；在电压激励下，可动梳齿（２）带动双稳态全柔性梁横向运动，并发生快速翻转到第二稳态位置，可动触点（５）与固定于下绝缘锚点（３ｃ）上的左固定触点（６ａ）和右固定触点（６ｂ）形成桥接，接通电路，在施加异向驱动电压时，继电器迅速跳转返回第一稳态位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵剑，刘蓬勃，常颖，唐祯安，胡平，陈广义，韩小强，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]