專利名稱：：雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器及其制備方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器及其制備方法，是一種通過繞組電磁效應實現(xiàn)位移驅動、借助永磁體實現(xiàn)無功耗姿態(tài)保持的電磁型微驅動器及其集成制造方法，與電磁驅動的開關類器件有關，屬于自動控制或者微機電系統(tǒng)微驅動器是微機電系統(tǒng)(MEMS)的核心，八十年末第一個靜電型微馬達(微驅動器)誕生引起轟動，靜電驅動以其結構簡單、形式多樣和低功耗姿態(tài)保持等鮮明特點占據(jù)了MEMS驅動的主導地位，此后的事實證明，MEMS技術的發(fā)展深受上述觀點的影響，絕大多數(shù)器件和系統(tǒng)是基于靜電驅動原理設計并制造的，其中部分獲得了成功，如DMD系統(tǒng)的數(shù)字微鏡陣列等，但大多數(shù)卻為此付出了沉重的代價，各種原型器件研制獲得初步成功之后很難達到實用化要求，遲遲難以進入產(chǎn)業(yè)化階段，個中的原因不盡相同，但微驅動器的不足被認為是主要原因之一，其中靜電驅動電壓高、驅動力小以及由此導致的結構脆弱、介質(zhì)層帶電等一系列因素成為器件壽命提高的障礙，此外基于電磁和壓電、形狀記憶、熱氣動、電致伸縮、磁致伸縮等驅動原理的微驅動器開發(fā)也不盡如人意，因此，探索新驅動機制和更有效地利用上述各種驅動原理仍然是MEMS技術實現(xiàn)突破的關鍵
技術領域：
之一。電磁驅動能夠較好地兼顧位移和驅動力兩個方面的要求，一直受到廣泛重視并被深入研究，多種不同結構形式的電磁型微驅動器設計先后有原型樣品問世，如電磁型微馬達(張壽柏，趙小林，丁桂甫等，電磁型微馬達研究，功能材料與器件，42(1998)，73-77)，電磁型微懸臂梁執(zhí)行器(AraiK.I.，MicromagneticactuatorsRobotica14pt5Sep-Oct1996CambridgeUnivPressp477-481)，電磁微繼電器(J.Williamsetal，UV-LIGAfabricationofelectromagneticpowermicro-relays，ProceedingsoftheInternationalSymposiumonTestandMeasurementv1Jun1-320012001p1-9)、電磁驅動微光開關(ToshiyoshiH.etal，Micro-mechanicalfiberopticswitchesbasedonelectromagnetictorsionmirrorsLEOSSummerTopicalMeetingJul20-2419981998IEEEp23-24)等等，它們與靜電驅動的同類驅動器相比驅動力比較大，可以實現(xiàn)的位移也相對較長，而驅動電壓卻可以顯著降低，能夠有效提高微器件的結構穩(wěn)定性。然而，它們的功耗都顯著高于靜電驅動的相應器件，考慮到微驅動器結構緊湊的特點，高功耗將會導致熱積聚問題，當微驅動器以陣列形式出現(xiàn)的時候影響更大。分析發(fā)現(xiàn)，與靜電驅動相比，電磁型微驅動器的功耗高主要是在姿態(tài)保持時段。為了解決上述問題，人們試圖在電磁型微驅動器中采用無功耗姿態(tài)保持的靈巧機構，九十年代中，H.Ren等提出了一種平面結構的雙穩(wěn)態(tài)設計(Designandfabricationofacurrent-pulse-excitedbistablemagneticmicroactuator，SensorsandActuators，A58(1997)259-264)。在平面分布的軟磁回環(huán)雙臂上，手工繞制的銅線繞組形成雙螺線管結構，雙螺線管被一軟磁材料懸臂梁對稱分開，懸臂梁一端通過精密機械加工的永磁體與軟磁雙臂環(huán)路相通，另一端通過雙臂回路的缺口，可以形成并列雙環(huán)磁路。借助于螺線管通電方向的變化，可以調(diào)節(jié)雙環(huán)行磁路中的磁通量分配，從而在懸臂梁上產(chǎn)生偏置力，促使其向一側彎曲，形成閉合磁路，這時斷開激勵電流，借助于永磁體的力可以保持該狀態(tài)不變。施加一個相反方向脈沖電流，即可釋放被吸住的懸臂梁，并使其偏向另一個環(huán)路支點，閉合另一環(huán)路，同樣實現(xiàn)斷電姿態(tài)保持。該設計實現(xiàn)了雙穩(wěn)態(tài)功能，但是整體結構包含精密機械和微細加工，需要比較復雜的手工加工和裝配，更適合較大的單體器件，難以實現(xiàn)集成制造。MeichunRuan在最新的美國專利(MeichunRuan，JunShen，CharlesWheelers，Electronicallylatchingmicro-magneticswitchesandmethodofoperatingsameUSP6496612，2002/12/17)中提出了一種基于微懸臂梁結構和平面線圈驅動的磁鎖定開關設計，其工作原理是軟磁材料制作的懸臂梁在磁場中被磁化，所產(chǎn)生的扭矩被懸臂梁彈性和定位機構約束，形成了無功耗的穩(wěn)態(tài)。調(diào)節(jié)磁場方向與懸臂梁的夾角可以改變扭矩方向，于是便有可能形成兩個無功耗的穩(wěn)定狀態(tài)，分別對應開關類器件的開和關兩種狀態(tài)。該設計借助于通電平面線圈所產(chǎn)生磁場的方向變化實現(xiàn)雙向驅動。該項專利的主要發(fā)明者以此項技術為基礎成立的Microlab公司宣稱擁有首創(chuàng)的磁鎖定技術(WWW.MICROLAB.net)，并正在著力開發(fā)相應的電磁驅動微開關產(chǎn)品。但是，該設計中用于姿態(tài)保持的恒定磁力并不是通常的閉合磁通在氣隙處所產(chǎn)生的電磁作用力，而是軟磁懸臂梁在磁場中被磁化的扭矩，電磁作用效率低，扭矩與懸臂梁的尺寸成成正比，會造成運動部件質(zhì)量難以降低，運動響應速度受制約。另外，背部貼覆式的永磁體結構也不利于集成制造。為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的微驅動器以分布于基體上的軟磁襯底為基礎，其上分兩側對稱設置一對永磁體基座；軟磁性扭梁通過軟磁過渡層安置在一對基座之上形成橋式結構；橋的兩側襯底上分別設置一組平面繞組；扭梁中部的兩側雙向水平伸展軟磁性懸臂梁，使懸臂梁兩端正好達到平面繞組的上方，并在懸臂梁和繞組之間形成可供懸臂梁運動的氣隙。在上述構造中，永磁體借助襯底的聯(lián)系作用與扭梁、懸臂梁和繞組鐵芯等共同構成兩個并聯(lián)磁回路，借助繞組中脈沖電流方向的改變可以任意選擇其中氣隙之一閉合，靠永磁力實現(xiàn)斷電姿態(tài)保持，構成雙穩(wěn)態(tài)。本發(fā)明可借助微機械加工技術完全集成制造，以懸臂梁驅動導電觸點，適當集成接入信號線路便可以構成機械式微開關或者微繼電器。上述雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器可以采用微機械加工技術完全集成制造在基體上通過掩膜電鍍方法首先制作設計的軟磁襯底，然后在繞組設計的位置上通過非硅微加工技術加工兩組帶鐵心的平面繞組，在永磁體基座的設計位置上通過微電鑄工藝制作微型永磁體。在永磁體的另一端以微細加工技術制作軟磁材料覆蓋層，并在此基礎上借助犧牲層技術和掩膜電沉積工藝構造軟磁性的扭梁、懸臂梁，將扭梁、懸臂梁釋放便可以構成一種具有雙穩(wěn)態(tài)功能的電磁型微驅動器。如果在懸臂梁的前端延伸段嫁接導電觸點，籍此介入線路就能夠構成微機械開關或繼電器。上述集成雙穩(wěn)態(tài)設計可以在維持高效電磁作用的同時，實現(xiàn)斷電姿態(tài)保持，顯著降低電磁驅動的功耗。圖1中，1為懸臂梁，2為扭梁，3為磁體，4為軟磁過渡層，5為永磁體基座，6為基體，7為繞組，8為鐵芯，9為軟磁襯底，10為磁體3與繞組7之間的氣隙。圖2為本發(fā)明集成加工過程中的一系列中間結構側面示意圖。圖2中，1為懸臂梁，2為扭梁，3為磁體，4為軟磁過渡層，5為永磁體基座，6為基體，7為繞組，8為鐵芯，9為軟磁襯底，21為電鍍起始層，22為犧牲性介質(zhì)，23為電鍍起始層，24為掩膜光刻膠，25為Cr/Cu或Ti/Cu起始層。圖3為軟磁襯底9的一種平面設計的示意圖。圖3中，31為作為磁通道的軟磁性襯底，32為作為防止磁通發(fā)散的軟磁性襯底。圖4是單層平面繞組結構示意圖。圖4(a)是單層平面繞組結構的俯視圖，圖4(b)是側視圖。圖4中，41為繞組的通電導體，42為絕緣介質(zhì)，43/44為通電導體的電流引入/引出端，45為電鍍起始層，46為絕緣覆蓋層，8為繞組7的軟磁性鐵芯。圖5是懸臂梁的典型結構設計。圖5中，1為懸臂梁，2為扭梁。圖5(a)中懸臂梁1的橫截面呈“十”字型，圖5(b)中懸臂梁1的橫截面則呈“T”字型。圖1是代表本發(fā)明主要技術特征的一種典型設計的立體結構示意圖，需要指出的是圖中各部分的尺寸比例并不一定符合本發(fā)明的最優(yōu)化結構尺寸，僅僅表示各部分的相互位置關系。參照圖1所示，本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)微驅動器以分布于基體6上的軟磁襯底9為基礎，其上兩側對稱設置一對永磁體基座5；軟磁性扭梁2通過軟磁過渡層4安置在一對基座5之上形成橋式結構；橋的兩側軟磁襯底9上分別設置一組平面繞組7，其中包含鐵芯8；扭梁2中部的兩側雙向水平伸展軟磁性懸臂梁1，懸臂梁兩端連接磁體3正好處于平面繞組7的上方，并在磁體3和鐵芯8之間形成可供懸臂梁運動的氣隙10。下面逐一介紹上述各組成部分的材料選擇和結構特點基體6可以根據(jù)器件的使用要求加以選擇，如玻璃片、硅片、氧化鋁陶瓷或者其它任何表面平整的基片。為了與控制電路集成的需要，硅片是較好的選擇，但是在一些高頻器件體系中，特殊功能的陶瓷基片更有利于提高器件的性能，如氧化鋁陶瓷、BST陶瓷等，特殊情況下金屬基片也可以使用。器件從設計原理上對基片的厚度沒有特別的要求，平整的基片有利于微細加工工藝的實施。軟磁襯底9主要承擔匯集磁通并建立傳輸通道的作用，以高磁導率軟磁材料為好，其中坡莫合金最具有實用性，特別是電沉積的坡莫合金薄膜，不但內(nèi)應力低，磁導率高，而且可以借助掩膜電鍍方便地實現(xiàn)選擇性沉積，在基體表面的部分區(qū)域構造襯底和通道。也可以采用軟磁性能優(yōu)越的納米磁性薄膜材料。襯底的厚度可以取數(shù)微米到數(shù)十微米，以能夠有效防止磁通發(fā)散為準。對于軟磁襯底9，圖1所示的連續(xù)膜只是它的一種結構形式，圖3顯示了另一種襯底結構形式，其中線型結構31是專門承擔磁通道功能的軟磁襯底，方塊結構32是降低磁通發(fā)散的軟磁性襯底，兩部分組合構成了軟磁性襯底的一種新結構形式。該設計的優(yōu)勢在于扭梁2和懸臂梁1的正下方不再有軟磁襯底，將更有利于抑制梁上磁通的發(fā)散。其實針對不同的驅動器整體設計還有不同的形式，只要能夠滿足會聚磁通、構筑通道和有利于集成制造的要求即可。含鐵芯8的平面繞組7至少包括以下精細結構(如圖4a所示)金屬導線41、電流引入/引出端43/44、絕緣介質(zhì)42、絕緣覆蓋層46和鐵芯8，其中導線41等可以采用銅、金、銀等良好導電性金屬制備，絕緣介質(zhì)42和46必須包覆全部導線41及其兩端43、44，形成如圖4b所示的整體結構。如果采用掩膜電鍍方法制備導線，則需要在實現(xiàn)與襯底隔離的絕緣層上先沉積一層電鍍種子層45，否則掩膜電沉積便無法進行。該種子層通常很薄，不會大于100納米，只要最后將導線覆蓋之外的種子層清除，對繞組的整體特性沒有多大影響。導線41的尺寸受留給繞組的整體空間制約，需要在環(huán)繞匝數(shù)和導線截面積之間求得兼顧，因為掩膜電沉積的導線41電阻值比較高，不可能一味追求繞組匝數(shù)而極力追求細導線加工能力，否則，繞組7的電流負載能力太低，而且驅動電壓也會偏高，無法體現(xiàn)電磁驅動的低電壓優(yōu)勢。但是，在厚度方向追求極限加工能力通常是有益的，有助于緩解線寬與匝數(shù)之間的矛盾，基于厚膠深度光刻技術的掩膜電鍍工藝為此提供了相當大的發(fā)展空間，考慮到空間利用率和工藝可靠性，單層導線41的厚度依線寬大小可以取數(shù)微米到數(shù)十微米，一般不會大于40微米。單層線圈的匝數(shù)和導線截面積受空間制約，有時難以滿足較大驅動力需求，這時可以借助單層繞組疊加構成多層線圈繞組，以達到增加匝數(shù)的目的。實際上，只要重復上述結構即可實現(xiàn)。繞組的鐵芯8與與軟磁襯底9直接相連，構成了閉合磁路的一部分，同時起到抑制繞組磁通發(fā)散的作用，采用與軟磁襯底9同樣的材料制備，比如坡莫合金或者其它軟磁材料。從工藝兼容性考慮，這里采用掩膜電沉積的坡莫合金最為有利。鐵芯8的厚度略低于絕緣介質(zhì)42，保證至少存在微小氣隙46。水平方向的尺寸因與繞組的空間競爭，所以不能夠很大，一般取鐵芯8底面積占繞組7總底面積的5％-20％之間。如果鐵芯8面積比較大，還可以采用分區(qū)電鑄辦法，將鐵芯8分割成一系列更小的單元以降低渦流損耗，改善高頻工作特性。繞組的絕緣介質(zhì)42主要是隔絕繞組中的線圈導體與襯底之間的直接電接觸(但是允許導線41的一端43與鐵芯8相通以接通電源)，同時也填充導線41之間的空隙，防止線圈相鄰導線41之間的意外溝通。能夠使用的材料包括各種絕緣介質(zhì)如聚酰亞胺、各種光刻膠、多種有機物、氧化鋁等。絕緣介質(zhì)42要比繞組導體41更厚一些，保證線圈導線的上下均能夠有效絕緣。永磁體5位于軟磁性襯底9之上，對矯頑力的要求并不高，各類永磁材料都可以勝任，但是掩膜電鍍方法直接制備最為可取，采用合適的鍍液成分，包括Co-P，Co-Fe-Ni等體系的磁性合金都可以滿足要求。也可以通過精密機械加工稀土永磁體如Nd-Fe-B，Sm-Co、Al-Ni-Co等材料，使之初步成型，安裝到位之后再通過精細加工達到設計高度，這樣加工的磁體性能更為優(yōu)越，但是加工工藝復雜。永磁體5同時還承擔扭梁2承載基座的作用，對其高度尺寸必須按設計要求嚴格控制，借助對其上軟磁體4厚度的適當調(diào)整可以對其高度進行一定調(diào)節(jié)。軟磁體4主要作用是降低永磁體5的磁通發(fā)散，材料選擇和工藝選擇與軟磁性襯底9相似，厚度沒有十分嚴格的要求，能夠顯著抑制永磁體磁通發(fā)散即可，厚度增加沒有明顯的限制因素，這為適當調(diào)節(jié)扭梁2的承載基座的高度提供了方便。扭梁2承載全部運動結構，按照整體設計思想，運動造成的主要結構變形也發(fā)生在扭梁2上，它還為穩(wěn)態(tài)切換提供部分驅動力(扭變回復力)，同時它還是并聯(lián)閉合磁路的一部分，所以，扭梁2必須由軟磁性材料制作并采用特殊設計的結構形式。從磁性能方面考慮，材料選擇的依據(jù)與襯底9相似，但是，這里必須同時兼顧機械性能和微加工可行性，特別是當它的結構造型十分重要時，這一點尤其重要。能夠兼顧上述要求的最具可能的材料仍然是電沉積的軟磁材料，如坡莫合金等。扭梁2的形狀最好是各向異性的，因為希望大部分形變發(fā)生在扭梁2上，而不是懸臂梁1上面，所以，它的扭轉剛度不能夠太大，但是承載懸臂梁1和磁體3的重量，以及它們高速運動的沖擊，需要它在垂直方向擁有較高的強度，所以，扭梁2的結構高寬比應該大于1，至于它的寬度、高度和長度的具體數(shù)值，則存在相互制約的關系，扭梁2長度越長，允許的寬度和高度值也越大。參考圖1所展示的整體設計思想，扭梁2的長度可以取100～1000微米之間，相應的厚度可以在3～100微米之間，而寬度可以在1～50微米之間，確切的數(shù)值要根據(jù)設計參數(shù)結合工藝條件加以確定。扭梁2還可以取其它特殊設計的結構形式以滿足系統(tǒng)對其強度各向異性的要求，比如曲折梁等。懸臂梁1向兩個方向水平伸展分布在扭梁2的兩邊，在本發(fā)明的結構中，它并不像一般的懸臂梁那樣是產(chǎn)生變形進而導致運動的主要載體，它的作用更多地體現(xiàn)為環(huán)繞扭梁2作圓周運動，放大扭梁2的扭轉變形，而自身卻能夠基本保持原來形狀不變。為此，需要懸臂梁的強度明顯高于扭梁，所以，懸臂梁1的結構尺寸和形狀有別于扭梁2。然而，從運動部件的響應速度制約因素考慮，又不希望運動的懸臂梁1過于笨重，因此，需要對其結構進行特殊設計，以便在獲得高強度的同時擁有較低的質(zhì)量。圖5展示了兩種典型的結構設計范例，其中一種懸臂梁1的橫截面呈“十”字型，另一種則呈“T”字型，它們在一定程度上可以降低懸臂梁1的運動慣量而擁有高的機械強度。達到前述效果的設計并不止圖5所展示的兩種，任何能夠減少懸臂梁1運動慣量而同時增強其機械強度的結構形式均可以采用。懸臂梁1的長度對微驅動器的位移有直接影響，但是沒有明顯的制約因素限制它的選擇，每一側臂長50～1000微米比較合適，當然并不排除特殊情況下懸臂更長的可能。懸臂梁1同時也是穩(wěn)態(tài)保持磁路的一部分，在材料磁性上的要求與扭梁2基本一致。磁體3與懸臂梁1的外端相連，是懸臂梁1的延伸變形段，直接參與電磁作用產(chǎn)生驅動力或姿態(tài)保持力，也是閉合磁路的一部分，該段磁體的尺寸比懸臂梁1偏大一些的目的主要是與繞組鐵芯8的端面相匹配，以減少磁通發(fā)散的損失，假如懸臂梁1的尺寸已經(jīng)可以與之相當，則完全可以取與懸臂梁1一樣的尺寸，這樣，磁體3也就是懸臂梁1的延長段了。具備上述材料和結構特征的雙穩(wěn)態(tài)微驅動器可以采用非硅材料的微機械加工技術集成制造，圖2給出了微加工過程中一系列中間結構的剖面圖，借助這些顯示工藝進程的結構圖示，闡述本發(fā)明的主要制造工藝如下1.參照圖2a，采用常規(guī)工藝，基體6上首先沉積電鍍起始層21，懸涂光刻膠，經(jīng)光刻、顯影、電鍍軟磁性材料如坡莫合金等工藝，去膠后構成作為磁通道的軟磁襯底9，該襯底也可以采用干法沉積方法制備連續(xù)薄膜，然后用掩膜化學刻蝕工藝實現(xiàn)圖形化，這樣就不需要預先沉積電鍍起始層21。2.接著在軟磁襯底9上制備絕緣隔離層42，絕緣層可以用無機物、光刻膠或者其他有機物，如氧化鋁、氧化硅SU-8膠等等，厚度應以能夠保證絕緣效果為準。不管用何種絕緣材料，都應該作圖形化加工，為后面的鐵芯8制備留出貫通軟磁襯底的窗口。然后采用常規(guī)掩膜電鍍工藝在絕緣隔離層上面制作平面繞組7(參見圖2b)。3.再次涂膠并使膠厚略大于前一次，按照常規(guī)工藝光刻、顯影、電沉積并去膠，制作成繞組7的鐵芯8。4.采用選擇性化學刻蝕方法或者反濺射刻蝕方法清除去膠后起始層45的暴露部分，露出絕緣隔離層，再用隔離層同樣的介質(zhì)填充成型的繞組相鄰導線之間以及繞組與鐵芯間的空隙，直到縫隙處介質(zhì)層高出導體41和鐵芯8的高度。上述復合結構表面各處高低不平，用精密研磨工藝整平減薄至導體41和鐵芯8剛剛暴露出為止，然后再制備1～2微米的絕緣層46，并按照常規(guī)方法去除繞組之外的絕緣介質(zhì)，就可以得到如圖2c所示的中間微結構。如果需要，可以重復上述工藝步驟2-4就可以制備疊層結構繞組。5.接著采用掩膜微電鑄技術加工永磁體5，去膠后便可以得到圖2d所示的中間微結構。永磁體5還可以借助精密機械加工和裝配工藝制作先將永磁體如Nd-Fe-B，Sm-Co、Al-Ni-Co等材料進行精密加工，使之初步成型，借助粘合劑安裝到指定位置，同樣可以得到如圖2d所示的微結構，但是，該工藝的批量加工效率低。將圖2d所示的微結構填充犧牲性介質(zhì)22，并使填充物的最小厚度大于永磁體5的設定厚度，研磨至永磁體5的設定厚度，得到圖2e所示的平滑表面，作為繼續(xù)加工的復合襯底。填充介質(zhì)22的選擇很重要，它必須能夠與基片上已經(jīng)存在的微結構兼容，同時又能夠在上層結構加工完成后被選擇性刻蝕清除?？梢赃x擇的材料如光刻膠(正膠、SU-8膠)、氧化鋁、電沉積鋅等，其中低應力硫酸鹽鍍鋅能夠較好兼顧多方面要求，可以采用，待上層結構完成以后以稀鹽酸選擇性刻蝕去除。6.在圖2e所示的復合襯底表面采用常規(guī)工藝，經(jīng)濺射種子層23、涂膠、光刻、顯影、電鍍和去膠等工藝步驟，制備永磁體5的軟磁過渡層4，材料選擇的依據(jù)同軟磁襯底9，平面尺寸與永磁體截面相當，厚度并無嚴格要求，只要大于數(shù)微米可以保證磁通不致有太多發(fā)散即可，所以，可以借此步驟適當調(diào)整扭梁2基座的高度，使之精確符合設計要求(圖2f)。7.再次懸涂光刻膠，采用常規(guī)工藝，經(jīng)光刻、顯影、電鍍和去膠工藝，制備扭梁2(圖2g)。扭梁采用電沉積的鐵鎳合金，梁的長度、寬度在設計掩膜板時設定，厚度靠掩膜電沉積厚度控制，通過調(diào)整上述各方向上的尺寸，該工藝可以加工各向異性微結構以滿足對扭梁2的特殊要求。8.磁體3可以在制備扭梁2的工藝過程中一起完成，只要在設計掩膜板時在相應的位置開窗口便可；也可以采用類似工藝單獨制備，這樣便于控制氣隙10高度。保留最后一步的掩膜光刻膠24，于是形成圖2h所示的微結構。9.上述電沉積扭梁2和磁體3的結構(圖2h)上部如果不夠平整，可以采用精密切削設備旋切找平，然后再次濺射沉積Cr/Cu或Ti/Cu起始層25，然后采用常規(guī)掩膜電沉積鐵鎳合金軟磁性薄膜工藝制作懸臂梁1，工藝流程與第7步制備扭梁2相同，厚度依設定值，長度方向上將扭梁2和磁體3聯(lián)系起來(如圖2i所示)。10.依次采用丙酮和稀鹽酸，結合超聲攪拌，刻蝕各次犧牲性填充介質(zhì)和過渡層(電鍍起始層)，就可以得到圖2j所示的雙穩(wěn)態(tài)電磁驅動微驅動器原型結構。上述設計的微驅動器擁有一組對稱并聯(lián)的環(huán)形磁路，它們不能同時閉合，但閉合狀態(tài)可以互相更替。任一磁路閉合便形成一個無功耗姿態(tài)保持的穩(wěn)態(tài)，使微驅動器在此基礎上擁有雙穩(wěn)態(tài)的電磁驅動能力。在沒有外加電流通過的初始態(tài)，扭梁2保持初始狀態(tài)，兩側的懸臂梁1托起的磁體3與繞組都不接觸，永磁體5產(chǎn)生的磁通量自然均分為兩個部分，分別通過兩個磁路形成兩側都有氣隙存在的回路，扭梁2兩側懸臂梁1兩端受到的引力相同，保持原來姿態(tài)。這時給兩個回路中的平面繞組通電，讓它們產(chǎn)生的磁場使一個回路磁通增加，而另一個回路的磁通減少，于是懸臂梁1的一側受力增加，而另一側受力減少，懸臂梁1向一個方向傾斜。這種由受力不平衡產(chǎn)生的驅動力一部分會被扭梁2的回復力抵消，但是，只要繞組7電流足夠大，懸臂梁1端部的磁體便會經(jīng)過足夠的位移基本彌合該側回路中的氣隙10，達到與繞組7的絕緣介質(zhì)42的表面接觸的定位點位置，形成幾近閉合的磁路。這時再斷開繞組7電流，因為該側磁路氣隙10磁阻基本消失，永磁體所產(chǎn)生的磁通大部分將經(jīng)由該閉合通道形成回路，所以，只要設計合理，會有足夠的力保持該定位狀態(tài)，這就是上述系統(tǒng)的一個穩(wěn)態(tài)。要使懸臂梁1離開目前的穩(wěn)定狀態(tài)，只要在兩個繞組7中同時接通電流，使電流方向與前一次通電方向相反，這樣就會在閉合的磁路中產(chǎn)生減弱永磁體5所產(chǎn)生磁通的效應，該磁路氣隙10處的電磁引力便會減少，相反，另一磁路中的磁通會因永磁體5與感生磁通的疊加而增大，從而引力增加，彼消此長，加上扭梁2的回復力共同作用，原來的穩(wěn)態(tài)就有可能被打破，懸臂梁1會向另一個方向傾斜，并同樣形成另一個對稱的無功耗穩(wěn)態(tài)，懸臂梁1的端部在穩(wěn)態(tài)之間實現(xiàn)切換的過程中同時完成了位移，于是就構成了本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)電磁驅動器。本發(fā)明的微驅動器只需簡單接入信號處理線路就可構成開關或繼電器。權利要求1.一種雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器，其特征在于以分布于基體(6)上的軟磁襯底(9)為基礎，其上兩側對稱設置一對永磁體基座(5)，軟磁性扭梁(2)通過軟磁過渡層(4)安置在基座(5)上形成橋式結構，橋的兩側襯底(9)上分別設置一組包含鐵芯(8)的平面繞組(7)，扭梁(2)中部的兩側雙向水平伸展軟磁性懸臂梁(1)，懸臂梁兩端連接的磁體(3)正好處于平面繞組(7)的上方，并在磁體(3)和鐵芯(8)之間形成可供懸臂梁運動的氣隙(10)。2.如權利要求1所說的雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器，其特征在于繞組的鐵芯(8)與軟磁襯底(9)直接相連，構成閉合磁路的一部分，鐵芯(8)底面積占繞組(7)總底面積的5％-20％。3.如權利要求1所說的雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器，其特征在于懸臂梁(1)的橫截面呈“十”字型或“T”字型。4.如權利要求1所說的雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器，其特征在于扭梁(2)的結構高寬比大于1。5.如權利要求1所說的雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器，其特征在于扭梁(2)還可以采用曲折梁的結構形式。6.如權利要求1所說的雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器，其特征在于磁體(3)與懸臂梁(1)的外端相連，是懸臂梁(1)的延伸變形段或延長段。7.如權利要求1所說的雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器，其特征在于軟磁襯底(9)由承擔磁通道功能的線型結構(31)和降低磁通發(fā)散的方塊結構(32)組合而成。8.如權利要求1所說的雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器，其特征在于平面繞組(7)為單層結構或疊層式結構。9.一種雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器的制備方法，其特征在于在基體(6)上通過掩膜電鍍方法首先加工設計的軟磁性襯底(9)，然后在軟磁襯底上通過非硅微加工技術加工兩組帶鐵芯(8)的平面繞組(7)，再通過集成制造工藝制作微型永磁體(5)，永磁體(5)的下部置于軟磁性襯底上，上部以微細加工技術制作軟磁材料覆蓋層(4)，并在此基礎上借助犧牲層技術和掩膜電沉積工藝構造軟磁性的扭梁(2)、懸臂梁(1)及其前端磁體(3)，將扭梁(2)懸臂梁(1)和前端磁體(3)釋放便構成一種具有雙穩(wěn)態(tài)功能的電磁型微驅動器。10.如權利要求9所說的雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器的制備方法，其特征在于鐵芯(8)采用分區(qū)電鑄辦法加工。全文摘要一種雙穩(wěn)態(tài)電磁型微驅動器及其制備方法，以分布于基體上的軟磁襯底為基礎，其上分兩側對稱設置一對永磁體基座，軟磁性扭梁通過軟磁過渡層安置在一對基座之上形成橋式結構，橋的兩側襯底上分別設置一組包含鐵芯的平面繞組；扭梁中部的兩側雙向水平伸展軟磁性懸臂梁，懸臂梁兩端處于平面繞組的上方，并在懸臂梁和繞組之間形成可供懸臂梁運動的氣隙。在上述構造中，永磁體借助襯底的聯(lián)系作用與扭梁、懸臂梁和繞組構成兩個并聯(lián)磁回路，借助繞組中脈沖電流方向的改變可以任意選擇其中氣隙之一閉合，靠永磁力實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)。本發(fā)明可借助微機械加工技術完全集成制造，使懸臂梁驅動導電觸點并接入信號線路，便可構成機械式微開關或者微繼電器。文檔編號H01H51/01GK1452202SQ0311658公開日2003年10月29日申請日期2003年4月24日優(yōu)先權日2003年4月24日發(fā)明者丁桂甫,張永華,趙小林,楊春生,蔡炳初申請人:上海交通大學