电热型永磁双稳态MEMS继电器

摘要

本论文设计了一种电热型永磁双稳态MEMS继电器，在对其进行了仿真模拟分析优化结构参数后根据结果开展了制备研究，并对相关性能进行了测试。 现有主要继电器可分为机电继电器和固态继电器。机电继电器综合性能好，但难以微型化和集成化；固态继电器易于微型化和集成化，但综合性能难以提升。MEMS继电器被广泛认可为机电继电器微型化和阵列化发展的主要方向之一，它可以成为具备性能优良的微型继电器。其中微驱动器对继电器的性能起决定性作用。在各种MEMS驱动机制中，热机械（电热）驱动器具有驱动电压低而输出力矩大，尺寸效应不太显著，相同尺度下体积功率密度高等特点，但是热驱动功耗大，稳态设计是其解决之道。 本论文提出的永磁双稳态机构与电热驱动机制相结合的新型继电器设计，不同于现有的各种机械双稳态设计，独特的分立结构形式使其有望达到更优良的技术参数。我们希望研制出永磁双稳态机构并将其应用到电热型MEMS驱动器中，制备低功耗的电热型MEMS继电器，使电热微驱动器的设计技术在现有基础上向前迈进一步，从而克服热驱动器的缺陷，显著提升热驱动继电器的整体性能，推动技术升级。 本研究首先通过理论分析论证双稳态机制的合理性，同时运用有限元法对电热驱动器和双稳态结构进行仿真模拟，从而得到优化的结构参数。随后进行了一系列的单项工艺研究，分别成功制备了电热微驱动器和永磁双稳态机构。最后用开发出的锌牺牲层工艺将两者进行联合制备以获取电热型永磁双稳态MEMS继电器。 该电热型永磁双稳态MEMS继电器的总体尺寸为4.5mm×2.6mm。其中热驱动器的响应时间为2ms；永磁双稳态机构成功实现了双稳态：稳态保持功耗为0，稳态切换力小于0.1mN，永磁双稳态机构在接通状态下，在输入信号在2GHz处的插入损耗为0.09dB；在断开状态下，在输入信号在2GHz处的隔离度为45dB。 电热型永磁双稳态MEMS继电器的尺寸较小；其热驱动器响应时间合适；永磁双稳态机构实现无功耗姿态保持，与热驱动器匹配较好，同时也具备良好的电学性能。若将永磁双稳态机构与热驱动器联用能降低热驱动器使用时所需的功耗，这对热驱动器的升级起到积极意义。电热型永磁双稳态MEMS继电器可以成为低功耗的、性能良好的微型化继电器。 研究中使用的仿真分析方法比较系统化，具有对MEMS器件进行仿真分析的示范性的作用。在研究过程中对各种微加工工艺开展了广泛研究，其成果具有普遍应用意义。