吳雅蘋,盧奕宏,柯聰明

(廈門大學(xué) 物理系 a.福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361005)

微電磁繼電器磁場和力學(xué)性質(zhì)模擬研究

吳雅蘋a,b,盧奕宏a,b,柯聰明a,b

(廈門大學(xué) 物理系 a.福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361005)

運(yùn)用有限元分析ANSYS和Mathematica軟件對平面線圈的電磁場分布、懸臂梁與固定電極之間的電磁力、懸臂梁應(yīng)力分布和受力形變等進(jìn)行了理論分析和仿真模擬，為線圈結(jié)構(gòu)、懸臂梁位置、懸臂梁與線圈距離的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

微電磁繼電器；磁場分布；力學(xué)性質(zhì)；有限元分析

微機(jī)電系統(tǒng) (Microelectro mechanical system，MEMS) 技術(shù)是在半導(dǎo)體制造技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合其他特殊工藝而發(fā)展起來的新興前沿領(lǐng)域，利用該技術(shù)可以將集成電路和微機(jī)械構(gòu)造集成到硅片上，形成微機(jī)電系統(tǒng)[1-2]. 通訊等應(yīng)用領(lǐng)域微型化的需求和微機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了基于MEMS技術(shù)的微繼電器的快速發(fā)展. MEMS微繼電器綜合了機(jī)電繼電器的低導(dǎo)通電阻、無漏電流和固態(tài)繼電器開關(guān)頻率高、能大批量生產(chǎn)及易于集成等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)彌補(bǔ)了機(jī)電繼電器開關(guān)速度慢、生產(chǎn)效率低、體積大、觸點(diǎn)易磨損和固態(tài)繼電器不能實(shí)現(xiàn)控制端和開關(guān)端的隔離、導(dǎo)通電阻大、漏電流大等缺點(diǎn). 微繼電器作為功能模塊，廣泛地應(yīng)用于通信、宇航、電力保護(hù)、自動(dòng)測試儀表和工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域中[3-5]. 其中，微電磁繼電器采用電磁力驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓比較低，易與一般的電壓兼容，可在較低的電壓下產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力，使銜鐵產(chǎn)生較大位移，利于觸點(diǎn)的開關(guān)動(dòng)作，而且可以在多塵、潮濕、低溫等惡劣環(huán)境下工作. 因此，微電磁繼電器倍受重視，且利用硅工藝和MEMS工藝已制作出特定結(jié)構(gòu)的微型電磁繼電器. 本文運(yùn)用有限元分析ANSYS和Mathematica 等軟件對微型電磁繼電器工作原理以及平面線圈的電磁場分布、懸臂梁與固定電極之間的電磁力、懸臂梁應(yīng)力分布和受力形變等進(jìn)行了理論分析和模擬仿真[6]，從而提出線圈結(jié)構(gòu)、懸臂梁位置、懸臂梁與線圈距離的設(shè)計(jì)依據(jù). 目前，該仿真實(shí)驗(yàn)已作為研究型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目引入本校物理開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，該模擬課程的設(shè)置充分利用了本校開放研究型實(shí)驗(yàn)平臺，將虛擬仿真和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式在時(shí)間和空間上的局限，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力. 微電磁繼電器磁場和力學(xué)性質(zhì)模擬研究加深了學(xué)生對微型電磁繼電器工作原理和設(shè)計(jì)策略的理解和認(rèn)識；同時(shí)，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究過程，提高其創(chuàng)新精神和實(shí)踐素質(zhì).

1 微電磁繼電器的基本構(gòu)造及工作原理

1.1 微電磁繼電器的基本構(gòu)造

微電磁繼電器主要由勵(lì)磁線圈、絕緣層、導(dǎo)磁體層、活動(dòng)電極(銜鐵)、固定電極和硅基底等構(gòu)成，如圖1所示. 其中底層磁路、勵(lì)磁線圈和活動(dòng)電極(銜鐵)構(gòu)成比較完整的磁路，依靠勵(lì)磁線圈的電流控制其開關(guān)動(dòng)作.

圖1 微電磁繼電器基本結(jié)構(gòu)示意圖

勵(lì)磁線圈是微電磁繼電器中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[7-8]，一般采用平面線圈作為驅(qū)動(dòng)器與微繼電器結(jié)構(gòu)集成在一起，不僅克服了復(fù)雜的三維制造工藝和磁芯的制作，而且可以增加線圈的匝數(shù)，降低繼電器的生產(chǎn)成本、物理尺寸和制造的復(fù)雜性[5,9]. 通常采用的平面線圈主要有方形螺旋線圈和多重彎曲的磁芯線圈，其中方形螺旋線圈結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖2 方形螺旋線圈結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 微電磁繼電器的工作原理

當(dāng)勵(lì)磁線圈通過足夠大的電流時(shí)將產(chǎn)生磁通，磁通大部分集中于線圈平面的中心區(qū)域. 這時(shí)位于線圈上方的活動(dòng)電極被磁化后受到電磁力作用將向下彎曲，與2個(gè)固定電極接觸從而停止運(yùn)動(dòng)[2-3]. 由于活動(dòng)電極的材料(鐵鎳)是磁性材料又是導(dǎo)體，導(dǎo)通電流將從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極，這樣繼電器處在“接通”狀態(tài)；當(dāng)線圈的驅(qū)動(dòng)電流被切斷時(shí)，活動(dòng)電極依靠自身的機(jī)械恢復(fù)力拉動(dòng)自身離開觸點(diǎn)，使繼電器處在“斷開”狀態(tài).

2 仿真結(jié)果分析與討論

要設(shè)計(jì)出符合實(shí)際要求且性能穩(wěn)定可靠的微電磁繼電器，必須了解勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的電磁場的分布情況(本文主要進(jìn)行二維的分析)以及活動(dòng)電極的受力情況，以便對固定電極、活動(dòng)電極的放置位置和間距做出合理的設(shè)計(jì)[10]. 下面運(yùn)用有限元分析ANSYS和Mathematica等軟件對方形螺旋勵(lì)磁線圈的電磁場分布情況以及懸臂梁活動(dòng)電極的受力情況進(jìn)行仿真模擬，并得出與設(shè)計(jì)相關(guān)的一些結(jié)論.

2.1 方形螺旋平面勵(lì)磁線圈的電磁場分布

對于圖2所示的方形螺旋線圈，可截取其縱向剖面進(jìn)行分析，為了簡化模型，將排列緊密的平行線圈中的電流近似為密度均勻且連續(xù)分布的電流. 仿真模型由活動(dòng)電極、平面線圈和空氣組成. 圖3(a)和(b)分別為硅片底部無鎳層和硅片底部有鎳層的模型示意圖.

圖3 硅片底部的模型示意圖

當(dāng)線圈中通入一定電流時(shí)，仿真所得磁感線分布如圖4所示. 從圖4顯示的結(jié)果可知，磁感線在越近線圈處分布越密，說明此處電磁力越大，這與電磁場理論相符. 且通過比較可以看出，基底材料對活動(dòng)電極所受的電磁力會產(chǎn)生較大的影響：當(dāng)硅片底部有鎳層時(shí)，上部的磁感線分布比下部要密集很多，說明此時(shí)磁路得到了改善，減少了磁漏和矯頑力，提高了線圈的電磁性能，從而增強(qiáng)了作用在活動(dòng)電極上的電磁力，利于活動(dòng)電極向固定電極方向彎曲并與之接觸，從而完成開關(guān)動(dòng)作. 此外，通過在不同電流下對電磁場的仿真結(jié)果可知，當(dāng)電流增大時(shí)，電磁力會有較大的增強(qiáng)，因此增大電流有利于活動(dòng)電極的接通動(dòng)作，但電流的增強(qiáng)會增大勵(lì)磁線圈的功率，所以應(yīng)綜合考慮這兩方面的因素來決定通入電流的大小.

(b)有鎳層圖4 硅片底部的磁感線分布

圖5為線圈周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度向量分布圖，從圖中可以看出，線圈中心處上方有較大的電磁場分布，可對活動(dòng)電極產(chǎn)生較強(qiáng)的吸引力，因此活動(dòng)電極的接觸區(qū)域宜放置在此位置，有利于活動(dòng)電極與固定電極之間的穩(wěn)定接觸.

(a)無鎳層

(b)有鎳層圖5 硅片底部的磁感應(yīng)強(qiáng)度向量分布

2.2 懸臂梁的受力形變

電磁力F是懸臂梁與固定電極接觸的主要驅(qū)動(dòng)力. 為了便于分析，這里假設(shè)電磁力F集中作用于x0處，可得在F的作用下，懸臂梁的形變方程為[11-12]

Δz=Fzx26EI(3x0-x),0≤x≤x0；
Fzx26EI(3L-x0),x0

(1)

由式(1)可得，當(dāng)電磁力作用在懸臂梁末端時(shí)，懸臂梁的形變方程應(yīng)為

Δz=Fzx26EI(3L-x).

(2)

在x=L處形變量最大，為

Δz=FzL33EI.

(3)

將懸臂梁的慣性矩I=dh312代入(3)式得：

Δz=4FzL3Edh3，

即

Fz=Edh34L3Δz.

其中:L,d,h分別為懸臂梁的長度、寬度和厚度，E為楊氏模量.

上述理論分析給出了在電磁吸引力作用下懸臂梁不同位置的偏移量Δz與所受電磁力Fz的關(guān)系，應(yīng)用OriginPro7.5軟件作出Fz-Δz的函數(shù)關(guān)系如圖6所示. 懸臂梁活動(dòng)電極與固定電極之間的距離一般為10～50 μm，從函數(shù)圖中可以看出，對于間距為30 μm的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)懸臂梁與固定電極之間的接觸所需的電磁力約為6.08 mN.

圖6 Fz-Δz的函數(shù)關(guān)系

2.3 懸臂梁的受力及形變模擬

將以上的分析所得的電磁力Fz作用于懸臂梁活動(dòng)電極，便可進(jìn)行懸臂梁的受力仿真. 其末端受力遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，因此為了簡化分析只考慮其末端的受力情況，仿真模型如圖7所示.

圖7 懸臂梁受力仿真模型

模擬所得懸臂梁應(yīng)力分布情況如圖8所示. 結(jié)果顯示，懸臂梁受力時(shí)末端發(fā)生的位移量最大，因此宜將此處作為與固定電極接觸的區(qū)域，便于實(shí)現(xiàn)繼電器的開關(guān)動(dòng)作. 圖9為懸臂梁在電磁力作用下的形變模擬結(jié)果. 可見懸臂梁受力彎曲時(shí)，其固定端所受應(yīng)力最大，表明在制作過程中應(yīng)注意加強(qiáng)固定端的連接.

圖8 懸臂梁受力形變圖

圖9 懸臂梁應(yīng)力分布

3 結(jié)束語

微電磁繼電器以其明顯的優(yōu)點(diǎn)而倍受重視，但由于電磁結(jié)構(gòu)的特殊性使磁場分布不均勻、漏磁較多，因此優(yōu)化電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對減小功耗、提高驅(qū)動(dòng)力有重要意義. 本文針對微電磁繼電器基本結(jié)構(gòu)和工作原理，運(yùn)用有限元分析ANSYS和Mathematica 理論分析和仿真模擬了繼電器平面線圈的電磁場分布、懸臂梁與固定電極間的電磁力、懸臂梁應(yīng)力分布和受力形變，提出了線圈結(jié)構(gòu)、懸臂梁位置、懸臂梁與線圈距離的設(shè)計(jì)依據(jù). 此模擬實(shí)驗(yàn)作為開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，與傳統(tǒng)教學(xué)方式互補(bǔ)，通過虛擬仿真和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，拓展了實(shí)踐領(lǐng)域，豐富了教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生的探究精神、創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng).

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Simulating the magnetic field and mechanical properties of electromagnetic microrelay

WU Ya-pinga,b, LU Yi-honga,b, KE Cong-minga,b

(a. Fujian Provincial Key Laboratory of Semiconductors and Applications; b. Collaborative Innovation Center for Optoelectronic Semiconductors and Efficient Devices, Department of Physics, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Using the finite element analysis software ANSYS and Mathematica, theoretical simulation and analysis were performed to study the electromagnetic field distribution within the planar coil, the electromagnetic force between cantilever and fixed electrode, and the electromagnetic force distribution and deformation of the cantilever. Accordingly, the coil structure, the location of the cantilever and the distance between cantilever and the coil were designed.

electromagnetic microrelay; magnetic field distribution; mechanical properties; finite element analysis

2016-05-31

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No.61674124);廈門大學(xué)校長基金項(xiàng)目(No.20720160122)

吳雅蘋(1983-)，女，福建漳州人，廈門大學(xué)物理系高級工程師，博士，研究方向?yàn)槲㈦娮訉W(xué)與固體電子學(xué).

TM581.3

A

1005-4642(2017)01-0029-04

“第9屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文