段俊萍,曹合適,張斌珍,王萬軍,賈志浩

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;3.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原 030051)

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微型電磁繼電器的仿真與加工工藝研究*

段俊萍*,曹合適,張斌珍,王萬軍,賈志浩

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;3.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原 030051)

設(shè)計了一種新型的MEMS微型繼電器,該繼電器采用電磁驅(qū)動方式,繼電器大小約為1.2 mm×1 mm×1 mm,驅(qū)動力大、體積小、便于集成。用ANSYS和MATLAB仿真分析各參數(shù)對微繼電器性能的影響,對其進行優(yōu)化分析和理論驗證。該微型繼電器能產(chǎn)生最大60 mN左右的驅(qū)動力,實現(xiàn)30 μm的驅(qū)動行程,滿足性能要求。運用UV-LIGA技術(shù),完成工藝的流程設(shè)計。通過反復(fù)實驗,提出了增強金屬與基底的粘附性的有效方法。

電磁繼電器;電磁驅(qū)動;UV-LIGA;電鍍

繼電器作為一種重要的機電元件廣泛地應(yīng)用于各種通信、航空航天和工業(yè)自動控制系統(tǒng)中[1]。傳統(tǒng)繼電器體積大、響應(yīng)速度慢等缺點,已經(jīng)不再能夠滿足我們的需要。相比于傳統(tǒng)機械繼電器,微型繼電器具有體積小、響應(yīng)快、插入損耗低、功耗低等優(yōu)點[2]。微電子機械系統(tǒng)MEMS(Micro-Electromechanical Systems)繼電器開關(guān)在1979年提出并逐步發(fā)展起來[3],1994年,加州大學(xué)的Simon J等研制出無固體觸點、低噪聲的水銀滴型微繼電器[4],到21世紀微繼電器技術(shù)已經(jīng)逐步走向成熟,具有低插入損耗、響應(yīng)速度快的平面螺旋線圈電磁型微繼電器[5]和雙穩(wěn)態(tài)電磁式微繼電器等相繼研制成功[6]。

微繼電器按驅(qū)動方式分為:微靜電繼電器、微熱驅(qū)動繼電器和微電磁繼電器等[7]。與其它類型的微繼電器相比,雖然電磁驅(qū)動微繼電器的制備工藝相對復(fù)雜,但是其優(yōu)點也相對明顯,它能在較大的作用行程里產(chǎn)生較大的驅(qū)動力,在驅(qū)動電壓較低的情況下,具有驅(qū)動力矩大、性能可靠、工作環(huán)境的要求較低等優(yōu)點[8]。因此,電磁驅(qū)動式微繼電器有望在更廣泛的領(lǐng)域里得到應(yīng)用。

本文提出的電磁驅(qū)動式微繼電器采用三維繞線電磁線圈,可以通過改變電磁線圈的線圈匝數(shù)以及繞線的材料和直徑來滿足微繼電器的性能要求,同時省去復(fù)雜的工藝過程。采用一種新型的打折梁結(jié)構(gòu),可以在保證小尺寸的同時,得到適合的彈性系數(shù)。

1 工作原理和結(jié)構(gòu)模型

圖1為該微型繼電器的結(jié)構(gòu)模型。它分為上部的響應(yīng)部分和下部的驅(qū)動部分。這兩大部分由纏有線圈的電磁鐵、中心質(zhì)量塊(銜鐵)、彈性梁、磁杯等組成,其工作電路由低壓控制電路和高壓工作電路兩部分構(gòu)成。給纏有線圈的鎳芯施加適當?shù)尿?qū)動電流,會產(chǎn)生電磁效應(yīng),上部的方形中心質(zhì)量塊會在電磁力的作用下克服梁的彈力向鎳芯運動,從而實現(xiàn)動靜觸點的結(jié)合,實現(xiàn)導(dǎo)通的目的。驅(qū)動電流消失后,電磁的吸力也隨之消失,中心質(zhì)量塊在彈簧彈力的作用下返回到原來位置,從而實現(xiàn)電路的斷開。

圖1 電磁驅(qū)動微繼電器結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)電磁鐵的磁路模型可知,磁路在螺線管周圍是發(fā)散的,這樣不可避免的會產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象而影響驅(qū)動力的大小。為了解決這個問題,在鎳芯的周圍設(shè)計了一個磁杯。

微型繼電器的的基本模型確定以后就可以根據(jù)安培和法拉第電磁定律求出驅(qū)動力的表達式[9]:

(1)

其中N為線圈匝數(shù),i為驅(qū)動電流,μ0為氣隙的磁導(dǎo)率,xgap為初始氣隙,x為彈片位移。h為材料的高度,μ為磁導(dǎo)率,P代表鎳芯,S代表磁性彈片。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析

本文所設(shè)計的電磁驅(qū)動式微繼電器主要包括電磁驅(qū)動部分和彈性梁響應(yīng)部分,其中彈性梁的尺寸、氣隙、彈片半徑、鎳芯的高度等對繼電器的整體性能尤為重要。

彈性梁是微繼電器最主要的組成部分,它的結(jié)構(gòu)選擇直接影響到微繼電器的性能,因此本文中彈性梁的選擇也是一個比較重要的部分。為了減小微繼電器的驅(qū)動電流,彈性梁要具有適度的彈性系數(shù)和恢復(fù)力,在本設(shè)計中,使用銅來制作彈性梁,這主要是由于銅具有良好的彈性和導(dǎo)電性。

本文采用獨特的折疊梁結(jié)構(gòu)如圖2所示,圖3是給方形銜鐵施加1 mN的力時,用ANSYS仿真出的應(yīng)力云圖和位移圖。與傳統(tǒng)的彈性梁相比,該折疊梁結(jié)構(gòu)不僅有較高的靈敏度,而且其頻率響應(yīng)范圍較寬。機構(gòu)的各部分主要沿徑向,因此梁的尺寸會更小,從而使微繼電器的結(jié)構(gòu)也更小。當彈性梁的性能不能達到繼電器的要求時,可以通過改變折疊梁的折疊數(shù)來進行調(diào)整,但是對尺寸的影響卻很小,因此選用該折疊梁更有利于實現(xiàn)對尺寸的控制。在應(yīng)力方面:由應(yīng)力云圖3(a)可知,該結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要集中在銜鐵上,用于彈片與鎳芯的接合,只有極小的一部分集中在梁上,這樣使得響應(yīng)部分能夠承受更大的驅(qū)動力而不產(chǎn)生失效。

圖2 微型繼電器折疊梁結(jié)構(gòu)圖

圖3 微型繼電器響應(yīng)部分仿真圖

圖4 微繼電器響應(yīng)部分材料組成

由以上分析,選用該折疊梁結(jié)構(gòu)能比較好的滿足微型繼電器的性能要求。但是銅不是導(dǎo)磁材料,所以只有銅并不能產(chǎn)生驅(qū)動力。為了使繼電器產(chǎn)生所需的電磁力,需要在銅彈片上鍍上一層導(dǎo)磁材料。本文選擇鎳,因為鎳具有較高的相對磁導(dǎo)率[10]。鎳與彈性梁的結(jié)合如圖4所示。

影響微型繼電器性能的因素除了響應(yīng)部分的結(jié)構(gòu)和尺寸外,還有初始氣隙的高度和鎳芯的高度等。氣體間隙是指彈性梁在平衡位置時,中心質(zhì)量塊與鎳芯之間的距離。氣隙磁阻直接影響到電磁驅(qū)動力的大小,初始氣隙長度決定著微型繼電器的行程和驅(qū)動力。當彈片位移為零時,不同氣體間隙對電磁力的影響如圖5所示。由圖5可知,當給微繼電器施加電流時,驅(qū)動力隨著氣隙的增加而減小。其它參數(shù)不變的情況下,氣隙越小就越容易使彈片與鎳芯接觸,但是考慮到電擊穿和外界的震動干擾,氣隙又不能過小。據(jù)此,選取氣隙長度為30 μm。

圖5 不同氣隙對為繼電器驅(qū)動力影響

鎳芯高度的大小也將直接影響到驅(qū)動力的大小,圖6為鎳芯高度對微繼電器驅(qū)動力的影響。從圖6可以看出,當鎳芯的高度從800 μm增加到1 200 μm時,所對應(yīng)的電磁力雖然是逐漸增加的,但是影響不大?？紤]到加工工藝的影響,鎳芯的高度越小越容易制作,因此磁路中鎳芯的高度確定為800 μm。

圖6 鎳芯高度對微繼電器驅(qū)動力影響

該微型繼電器的各個參數(shù)都將影響繼電器的性能,考慮各方面的影響因素并結(jié)合實際的加工工藝,對各參數(shù)值進行優(yōu)化設(shè)計,最后確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)如表1所示。

表1 微型繼電器的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

由上文ANSYS軟件分析得出的應(yīng)力云圖3(a)和位移圖3(b)可知,微型繼電器彈性梁的彈性系數(shù)為

K=1/0.0141=71.43 N/m

(2)

再結(jié)合驅(qū)動力表達式以及各參數(shù)值,用MATLAB可以得出微繼電器的性能曲線如圖7所示,分析可知其滿足性能要求。

圖7 微繼電器的性能曲線

圖8 微型繼電器的工藝流程圖

3 制作工藝流程

本文所設(shè)計的微繼電器采用基于SU8膠的UV-LIGA技術(shù),結(jié)合微電鍍工藝制作完成。因為其基底上有很厚的金屬片傳導(dǎo)電流,該微繼電器具有電容高功率、高過電阻、低電阻、低功耗等特點。下面將給出詳細的制作流程,具體包括底部電磁驅(qū)動部分和響應(yīng)部分。

在制作過程中基底采用常規(guī)的硅基板、陶瓷基板、玻璃基板,主要采用SU8做主結(jié)構(gòu),SU8具有很好的機械性能,高介電常數(shù),是一個非常好的絕緣體[11]。整個微繼電器的制作過程可以分為兩部分:頂端響應(yīng)部分和底部驅(qū)動部分。具體工藝流程如圖8所示。

頂端響應(yīng)部分UV-LIGA工藝步驟如下:(a)首先我們對基底通過丙酮、酒精、去離子水三個步驟的清洗工作以確保基片的清潔度;(b)勻一層1 μm～2 μm的EPG正膠(勻膠機低速500 r/min旋轉(zhuǎn)10 s,高速3 000 r/min旋轉(zhuǎn)30 s),光刻并顯影出第一層圖型,然后采用真空濺射機在底部濺射金屬AU或銅,然后用丙酮進行剝離,剩余的光刻膠被剝離,得到金屬種子層;(c)為了第二層電鍍的均勻性,我們在剝離之后在種子層電鍍2 μ左右的金屬;(d)接著我們采用SU8-2150勻第二層,勻膠機低速500 r/min旋轉(zhuǎn)10 s,高速1 050 r/min旋轉(zhuǎn)30 s,高度接近400 μm,為了充分釋放內(nèi)應(yīng)力,采用靜置10 min階梯式緩升到95度保持5小時,為了提高側(cè)壁的陡直度,曝光時加入了PMMA濾光片[12],濾掉365 nm的光,曝光劑量為3 000 mJ/cm2,同樣采用階梯式緩升降溫過程,緩慢降到室溫,然后將其放到顯影液器皿,同時放入超聲設(shè)備進行顯影;(e)顯影完全后進行鎳芯電鍍。由于高度800 μm,因此需要重復(fù)一次步驟(d)、步驟(e)。(f)將SU8結(jié)構(gòu)進行剝離,完成響應(yīng)部分結(jié)構(gòu)。

底部驅(qū)動部分工藝流程如下:(1)采用清洗后的新基底,為了裝配,需要將驅(qū)動部分與硅片分離,因此先做一層犧牲層;(2)由于厚度較薄,采用SU8-2010負膠進行勻膠光刻,勻膠機低速500 r/min旋轉(zhuǎn)10 s,高速1 500 r/min旋轉(zhuǎn)30 s,高度達到15 μm,95度前烘5 min,曝光劑量140 mJ/cm2,然后進行電鍍銅完成;(3)重復(fù)使用SU8-2010勻膠、光刻、顯影、電鍍Ni完成部分驅(qū)動結(jié)構(gòu);(4)重復(fù)使用SU8-2010勻膠、光刻、顯影、電鍍Ni完成整體驅(qū)動部分。(5)最后將SU8-2010結(jié)構(gòu)剝離,整體金屬結(jié)構(gòu)與硅片分離。(6)將響應(yīng)部分和底部驅(qū)動部分通過金屬結(jié)合劑進行封裝。

電磁閥的設(shè)計是使用探針和絕緣銅線,經(jīng)過探針纏繞放入電磁繼電器磁杯中。絕緣銅線圈放入微繼電器磁杯兩側(cè)的插槽而引出,作為輸入激勵電流的電極,對線圈進行通電就能導(dǎo)致磁杯中磁芯的磁化,從而產(chǎn)生電磁驅(qū)動力。圖9為頂端響應(yīng)部分工藝加工圖。

我們分別采用了陶瓷、玻璃、硅片的基底進行電鍍實驗,實驗結(jié)果表明,由于陶瓷本身的粗糙度達到4 μm左右,第一層正膠厚度只有2 μm不能完全覆蓋表面,而且它的白色基底很難進行二次CCD對準;而對于玻璃形狀大都為長方形,勻膠厚度不均勻,粘附性較差,而且電鍍時容易整體脫落;因此最終選擇表面粗糙度較低,形狀規(guī)則的硅片作為基底。

如圖10所示,由于單晶硅具有完整的晶格結(jié)構(gòu)和光滑的表面,因此在其上電鍍金屬較困難.種子層較薄而電鍍時間較長,出現(xiàn)電鍍的結(jié)構(gòu)與硅片整體分離現(xiàn)象,如圖10(a)所示。為了解決長時間電鍍金屬種子層脫落問題,我們采用在硅片上先勻一層SU8-2005,厚度在10μm左右,進行表面全曝光,然后再濺射金屬作為種子層,這樣金屬種子層與SU-8基底有很好的粘附性,這種方法有效的解決了電鍍過程中的整體脫落問題,電鍍表面平整光滑,如圖10(b)所示。

圖10 硅表面處理后電鍍效果對比圖

圖11 電鍍表面粗糙度

選用硫酸鎳作為電鍍液,具體配方數(shù)據(jù)為:六水硫酸鎳250 g/L;六水氯化鎳60 g/L;硼酸40 g/L;十二烷基磺酸鈉1 g/L,實驗過程中不斷調(diào)整電鍍液的溶液配比、電源電流的大小,使金屬表面平整度得到較好的效果,電鍍結(jié)構(gòu)表面粗糙度逐步降低。如圖11所示。

通過對比可以看出,大的電鍍電流進行電鍍,雖然電鍍速度較快節(jié)省了時間,但電鍍效果較差,表面粗糙度較大;而用小的電流、合適的電鍍液配比得到表面粗糙度較小、結(jié)構(gòu)緊密的金屬鍍層。為了使繼電器有較好的性能,每次電鍍完成之后要對鍍層表面進行拋光,以達到良好的效果。我們將繼續(xù)優(yōu)化工藝參數(shù),總結(jié)出完善的微型繼電器的加工工藝方案。

4 總結(jié)

電磁驅(qū)動型微繼電器因較低的驅(qū)動電壓,較快的響應(yīng)速度而成為一種前景看好的微繼電器。針對設(shè)計的MEMS繼電器進行了性能仿真與工藝實驗,通過上述的有限元仿真分析方法,可以快速且準確地驗證繼電器電磁系統(tǒng)設(shè)計是否合理,從而達到降低設(shè)計成本,提高設(shè)計效率的目的。工藝流程設(shè)計采用SU8厚膠工藝、微電鑄工藝,結(jié)合金屬犧牲層技術(shù),來完成微型繼電器的制作。通過對犧牲層材料的選擇以及濺射種子層之前的加工工藝的初步研究,有效的解決了微結(jié)構(gòu)電鍍過程中的脫落問題,通過優(yōu)化SU8厚膠工藝以及微電鑄工藝,為大批量、低成本地研制微型MEMS器件提供了可靠的工藝基礎(chǔ)。

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段俊萍(1979-),女,漢,山西清徐人,中北大學(xué),講師,主要研究主要研究微納技術(shù)與儀器制造、微波無源器件的研究工作,duanjunping@nuc.edu.cn;

張斌珍(1974-),男,山西嵐縣人,教授,主要研究方向為微納機電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)惡劣環(huán)境下的動態(tài)測試技術(shù),并在此領(lǐng)域內(nèi)先后開展了微納器件和系統(tǒng)的設(shè)計制造、微弱信號檢測與處理以及惡劣環(huán)境下存儲測試理論與技術(shù)的研究,Zhangbinzhen@nuc.edu.cn。

SimulationandResearchofProcessingTechnologyforMicro-Relay*

DUANJunping*,CAOHeshi,ZHANGBinzhen,WANGWanjun,JIAZhihao

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China),Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,Taiyuan 030051,China;3.School of Instrument and Electronics,Taiyuan 030051,China)

A new kind of MEMS micro relays is designed which driven by electromagnetic force. The relay size is about 1.2 mm×1 mm×1 mm with large driving force,small size,ease of integration. ANSYS and MATLAB are used to simulate and analyze the influence of various parameters on the micro relay performance,and optimize the analysis and verify in theory. The micro relay can produce the greatest driving force of about 60mN,the driving range of 30 μm and meet the performance requirements. UV-LIGA technology is used to finish process design. By repeating experiment,an efficient method is presented to enhance the adhesion between the metal and substrates.

electromagnetic relay;solenoid drive;UV-LIGA;electroplate

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(61401405,51475438);山西省基礎(chǔ)研究項目(2014011021-4);新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(130951862)

2014-08-01修改日期:2014-08-28

TM581.3

:A

:1005-9490(2014)06-1057-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.010