微机械电磁继电器动致锁定机理及其应用基础研究

MEMS电磁继电器是继电器微型化主流方案、代表了未来继电器高端产品的发展趋势。但触头弹跳已成为限制其寿命、制约实用化的瓶颈问题之一，需要针对器件微型化后的结构、尺寸特点，研究有别于传统宏观器件的弹跳抑制方法。在前期研究的基础上，本项目提出分析/利用"动致锁定"机理来抑制触头弹跳，综合运用改变器件动力学传递函数和调整外加激励时/频特性的方法优化器件的动态响应，探寻从根本上抑制触头弹跳的有效途径。在此基础上，评估器件尺寸加工偏差及驱动电压脉冲波形失真对弹跳抑制效果的影响，提出可以在集成制造的批量化器件中实现的弹跳抑制方法，据此设计、制造器件、测试其性能，验证该方法的有效性与可行性。本项目是微米尺度上抑制结构冲击与振动的有益尝试，将为机械学科的相关研究向微观领域推进探索可行的分析方法和研究手段。研究成果有望克服限制MEMS电磁继电器寿命的重要因素，加速其实用化进程，提升国内继电器产业技术水平。

本项目提出了将器件结构优化和磁路优化相互结合改进微机械继电器的动态响应过程，从而为解决制约继电器进一步推广应用的可靠性问题提供可行的方法。对于进一步提高现有器件性能而言，难点是如何在微型化的器件中有效改善器件的动力学响应特性、同时提高器件的能量转换效率，对此本项目通过分布式磁路法建立器件的电-机械转换模型，结合结构优化和磁路优化以调整器件的电-机械转换过程，从而探索出切实可行，具备原创性的解决方案,取得的成果有:.(1)运用分布模型对原有的集总磁路法模型作了进一步改进，从而能够定量评估绕组占空比、内外圈直径等关键参数对器件输出电磁力的影响，为进一步分析器件的动力学特性提供了快速有效的分析工具。在此基础上，以动态响应全过程优化为目标，采用MATLAB 优化了线圈匝数、铁镍厚度及面积，并以此为基础，利用ANSYS 对器件的磁场分布及磁力进行了仿真分析。基于正向拓扑结构优化法，设计了非线性度最弱的蛙脚型平面弹簧结构，并以磁力为参考，运用卡式定理和有限元法，优化弹簧的臂宽和厚度。基于上述设计，分析了器件稳定切换的阈值范围，结合设计与工艺考虑优化后的主要结构参数如下：6mm器件平面线圈匝数60 匝，底部、顶部铁镍厚度10μm，平面弹簧的臂宽100μm，厚度12μm，弹性系数为6.84N/m，工作行程375μm，驱动电流100mA。相关论文已在Applied Physics letters、Electromagnetics等期刊发表；.(2)提出了一种低功耗高稳定性的磁双稳微型继电器结构设计方案，通过磁路优化，将横置永磁体对称设置于励磁铁芯的下方且极性相对，使得永磁体并联而不是串联在切换磁路中，从而避免了切换电磁磁动势对偏置永磁体的退磁作用，有效改善了电磁继电器工作的稳定性并有效降低了其功耗。.(3) 综合运用UV-LIGA和其他非硅表面微加工技术，研究了两种结构实验样机的成套微加工工艺技术，其中 6mm 实验样机微加工技术制备完成的实验样机尺寸为6mm*6mm* 2mm。3mm 集成实验样机的器件整体尺寸为3mm*3mm*1mm；针对微继电器的核心部件，提出了借鉴TSV电镀技术简化线圈绕组制造成套工艺的思路，以紫外光刻成型的SU-8胶实现微电铸掩膜与绝缘填充层合二为一，既发挥了SU-8胶结构高深宽比的优势，又避免了SU-8胶难以去胶的困难.