微電磁繼電器磁場和力學性質模擬研究

吳雅蘋,盧奕宏,柯聰明

(廈門大學 物理系 a.福建省半導體材料及應用重點實驗室； b.半導體光電材料及其高效轉換器件協同創新中心，福建 廈門 361005)

微電磁繼電器磁場和力學性質模擬研究

吳雅蘋a,b,盧奕宏a,b,柯聰明a,b

(廈門大學 物理系 a.福建省半導體材料及應用重點實驗室； b.半導體光電材料及其高效轉換器件協同創新中心，福建 廈門 361005)

運用有限元分析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、懸臂梁應力分布和受力形變等進行了理論分析和仿真模擬，為線圈結構、懸臂梁位置、懸臂梁與線圈距離的設計提供理論依據.

微電磁繼電器；磁場分布；力學性質；有限元分析

微機電系統 (Microelectro mechanical system，MEMS) 技術是在半導體制造技術的基礎上結合其他特殊工藝而發展起來的新興前沿領域，利用該技術可以將集成電路和微機械構造集成到硅片上，形成微機電系統[1-2]. 通訊等應用領域微型化的需求和微機械加工技術的進步推動了基于MEMS技術的微繼電器的快速發展. MEMS微繼電器綜合了機電繼電器的低導通電阻、無漏電流和固態繼電器開關頻率高、能大批量生產及易于集成等優點；同時彌補了機電繼電器開關速度慢、生產效率低、體積大、觸點易磨損和固態繼電器不能實現控制端和開關端的隔離、導通電阻大、漏電流大等缺點. 微繼電器作為功能模塊，廣泛地應用于通信、宇航、電力保護、自動測試儀表和工業自動控制系統等領域中[3-5]. 其中，微電磁繼電器采用電磁力驅動，驅動電壓比較低，易與一般的電壓兼容，可在較低的電壓下產生較大的驅動力，使銜鐵產生較大位移，利于觸點的開關動作，而且可以在多塵、潮濕、低溫等惡劣環境下工作. 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構的微型電磁繼電器. 本文運用有限元分析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、懸臂梁應力分布和受力形變等進行了理論分析和模擬仿真[6]，從而提出線圈結構、懸臂梁位置、懸臂梁與線圈距離的設計依據. 目前，該仿真實驗已作為研究型實驗設計項目引入本校物理開放性實驗教學，該模擬課程的設置充分利用了本校開放研究型實驗平臺，將虛擬仿真和真實實驗相結合，克服了傳統實驗教學方式在時間和空間上的局限，培養了學生的自主學習能力. 微電磁繼電器磁場和力學性質模擬研究加深了學生對微型電磁繼電器工作原理和設計策略的理解和認識；同時，使學生體驗科學研究過程，提高其創新精神和實踐素質.

1 微電磁繼電器的基本構造及工作原理

1.1 微電磁繼電器的基本構造

微電磁繼電器主要由勵磁線圈、絕緣層、導磁體層、活動電極(銜鐵)、固定電極和硅基底等構成，如圖1所示. 其中底層磁路、勵磁線圈和活動電極(銜鐵)構成比較完整的磁路，依靠勵磁線圈的電流控制其開關動作.

圖1 微電磁繼電器基本結構示意圖

勵磁線圈是微電磁繼電器中的關鍵結構[7-8]，一般采用平面線圈作為驅動器與微繼電器結構集成在一起，不僅克服了復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，降低繼電器的生產成本、物理尺寸和制造的復雜性[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構示意圖如圖2所示.

圖2 方形螺旋線圈結構示意圖

1.2 微電磁繼電器的工作原理

當勵磁線圈通過足夠大的電流時將產生磁通，磁通大部分集中于線圈平面的中心區域. 這時位于線圈上方的活動電極被磁化后受到電磁力作用將向下彎曲，與2個固定電極接觸從而停止運動[2-3]. 由于活動電極的材料(鐵鎳)是磁性材料又是導體，導通電流將從一個電極流向另一個電極，這樣繼電器處在“接通”狀態；當線圈的驅動電流被切斷時，活動電極依靠自身的機械恢復力拉動自身離開觸點，使繼電器處在“斷開”狀態.

2 仿真結果分析與討論

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

2.1 方形螺旋平面勵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分布的電流. 仿真模型由活動電極、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

當線圈中通入一定電流時，仿真所得磁感線分布如圖4所示. 從圖4顯示的結果可知，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，基底材料對活動電極所受的電磁力會產生較大的影響：當硅片底部有鎳層時，上部的磁感線分布比下部要密集很多，說明此時磁路得到了改善，減少了磁漏和矯頑力，提高了線圈的電磁性能，從而增強了作用在活動電極上的電磁力，利于活動電極向固定電極方向彎曲并與之接觸，從而完成開關動作. 此外，通過在不同電流下對電磁場的仿真結果可知，當電流增大時，電磁力會有較大的增強，因此增大電流有利于活動電極的接通動作，但電流的增強會增大勵磁線圈的功率，所以應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強度向量分布圖，從圖中可以看出，線圈中心處上方有較大的電磁場分布，可對活動電極產生較強的吸引力，因此活動電極的接觸區域宜放置在此位置，有利于活動電極與固定電極之間的穩定接觸.

(a)無鎳層

(b)有鎳層圖5 硅片底部的磁感應強度向量分布

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動力. 為了便于分析，這里假設電磁力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，當電磁力作用在懸臂梁末端時，懸臂梁的形變方程應為

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的關系，應用OriginPro7.5軟件作出Fz-Δz的函數關系如圖6所示. 懸臂梁活動電極與固定電極之間的距離一般為10～50 μm，從函數圖中可以看出，對于間距為30 μm的設計，實現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的函數關系

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作用于懸臂梁活動電極，便可進行懸臂梁的受力仿真. 其末端受力遠大于其他區域，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

模擬所得懸臂梁應力分布情況如圖8所示. 結果顯示，懸臂梁受力時末端發生的位移量最大，因此宜將此處作為與固定電極接觸的區域，便于實現繼電器的開關動作. 圖9為懸臂梁在電磁力作用下的形變模擬結果. 可見懸臂梁受力彎曲時，其固定端所受應力最大，表明在制作過程中應注意加強固定端的連接.

圖8 懸臂梁受力形變圖

圖9 懸臂梁應力分布

3 結束語

微電磁繼電器以其明顯的優點而倍受重視，但由于電磁結構的特殊性使磁場分布不均勻、漏磁較多，因此優化電磁系統的結構對減小功耗、提高驅動力有重要意義. 本文針對微電磁繼電器基本結構和工作原理，運用有限元分析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、懸臂梁應力分布和受力形變，提出了線圈結構、懸臂梁位置、懸臂梁與線圈距離的設計依據. 此模擬實驗作為開放性實驗教學內容，與傳統教學方式互補，通過虛擬仿真和真實實驗的有機結合，拓展了實踐領域，豐富了教學內容，培養了學生的探究精神、創新能力和科研素養.

[1] Dellaert D, Doutreloigne J. Design and characterization of a thermally actuated latching MEMS switch for telecommunication applications [J]. J. Micromech. Microeng., 2014,24(7):165-170.

[2] 尤政,李慧娟,張高飛. MEMS微繼電器及其關鍵問題研究現狀[J]. 壓電與聲光,2006,28(3):278-281.

[3] Miao X, Dai X, Huang Y, et al. Segmented magnetic circuit simulation of the large displacement planar micro-coil actuator with enclosed magnetic yokes [J]. Microelectron. Eng., 2014,129(16):38-45.

[4] Krulevitch P, Lee A D, Ramsey P B, et al. Thin film shape memory alloy microactuators [J]. J. Microelectromech. S., 1996,5(4):270-282.

[5] 張宇峰,李德勝. 一種使用平面線圈結構的微型電磁繼電器[J]. 電子器件,2002,25(3):214-219.

[6] 呂紅英,顧明華,李凌燕,等. 基于LabVIEW的亥姆霍茲線圈磁場自動測量系統 [J].物理實驗，2014,34(5):20-23.

[7] 劉燕. 對“磁場對通電導線的作用”一課的思考 [J]. 物理實驗，2016,36(2):42-44.

[8] 郭玉川,庹晏斌,文小輝,等. 改進型赫姆霍茲線圈磁場均勻性及實用性分析[J]. 物理實驗，2015,35(11):42-46.

[9] 李德勝,張宇峰,王東宏. 一種微型電磁繼電器的制作和仿真[J]. 微細加工技術，2002,23(3):60-64.

[10] Li H Q, Li D S, Liu B D, et al. Dynamic analysis of an electromagnetic microrelay with contact force [C]// Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation. Changsha, 2009:58-61.

[11] 張鵬,劉剛,田揚超. UV-LIGA技術制造微型電磁繼電器的初步研究[J]. 微納電子技術，2002,39(4):33-36.

[12] 朱珂,黃慶安,姚建南. 磁微執行器的原理及應用[J]. 測控技術,2000,19(3):1-5.

[責任編輯：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

國家自然科學基金面上項目(No.61674124);廈門大學校長基金項目(No.20720160122)

吳雅蘋(1983-)，女，福建漳州人，廈門大學物理系高級工程師，博士，研究方向為微電子學與固體電子學.

TM581.3

A

1005-4642(2017)01-0029-04

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文