專利名稱：可鎖定的微型磁繼電器及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及繼電器，具體涉及一種可鎖定的微磁繼電器，以及制作和使用操作微 磁繼電器的方法。
背景技術(shù)：
繼電器通常是電控裝置，該器件通過斷開或閉合電接觸從而影響電路中電流的流 通或光纖中光路的轉(zhuǎn)換。繼電器被廣泛應(yīng)用于電話通訊、射頻(RF)通訊、便攜式電子產(chǎn)品、 消費(fèi)電子、工業(yè)電子、航空航天和光纖通訊等系統(tǒng)。常用的繼電器是由一個電磁鐵、一個軟鐵彈性片、一個移動的電接觸點(diǎn)和一個固 定的電接觸點(diǎn)組成，它通過電磁鐵有選擇地閉合與斷開軟鐵彈性片。傳統(tǒng)的機(jī)械繼電器是 作為分離元件單個制造的。它們的尺寸比較大。作為一個工業(yè)的趨勢，一些應(yīng)用，包含自動 測試、通訊和消費(fèi)電子在使用中要求較高密度的繼電器部署。大尺寸型繼電器不再符合要 求。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)提供了一種新的方法來制作微繼電器。雙穩(wěn)態(tài)、可鎖 定的繼電器在觸發(fā)后不需要持續(xù)通電來保持狀態(tài)，因此應(yīng)用更廣泛。微型可鎖定磁繼電器 的各種設(shè)計方案已在以往的專利中有所公開。美國專利U. S. Pat. No. 5，818，316公開了一種可鎖定可編程開關(guān)，其包含第一和 第二可磁化導(dǎo)體。第一導(dǎo)體永久性磁化，第二個導(dǎo)體是應(yīng)外磁場而改變磁化。通過可編程 導(dǎo)線來切換第二個導(dǎo)體的磁化，以實(shí)現(xiàn)對第二個導(dǎo)體的吸引或排斥。美國專利U. S. Pat. No. 6，124，650公開了另一種可鎖定微型繼電器，其采用“方形 磁滯回線”磁性材料，它的磁化可隨外磁場方向而變化并有記憶功能。導(dǎo)體產(chǎn)生的外部磁場 使磁性物質(zhì)按所需要求而磁化。從而與外磁場之間產(chǎn)生磁吸引力和排斥力，使繼電器保持 在閉合或斷開狀態(tài)。美國專利U. S. Pat. No. 7，106，159中介紹了又一個種可鎖定微繼電器，該繼電器 有一個可移動永久磁鐵，根據(jù)需要選擇性地加熱一個固定磁性部件到居里溫度以上使其失 去磁性，使可該移動永久磁鐵從一個位置切換到另一個位置。美國專利U. S. Pat. No. 7，482，899中描述了又一種可鎖定微型繼電器，其繼電器 采用薄永久磁鐵作為移動懸臂。通過在線圈施加一定方向的電流，線圈電流產(chǎn)生的瞬間垂 直磁場在懸臂上產(chǎn)生力矩，并使之旋轉(zhuǎn)到它的兩個穩(wěn)定的位置之一。以上的繼電器各自提供了一些獨(dú)特的方法。每種繼電器各有一定的優(yōu)點(diǎn)，但也有 一些缺點(diǎn)和局限性。有的受材料限制只能產(chǎn)生很小的接觸力；有的需要大的電流來驅(qū)動； 有的需要把永久磁鐵精確地放置在可移動的結(jié)構(gòu)上。通常生產(chǎn)永久磁鐵需要高溫和高壓， 這些條件會損壞相關(guān)的可移動結(jié)構(gòu)。另外，具有高溫穩(wěn)定性的永久磁鐵是比較脆的，很容易 碎裂。如果在應(yīng)用中經(jīng)受數(shù)百萬次的接觸和撞擊，它的可靠性是難以保證的。這些缺點(diǎn)和 局限性提高了制造難度和成本，也阻礙它們在實(shí)際中的應(yīng)用。美國專利U. S. Pat. No. 6，469，602B2中描述又一種可鎖定的繼電器，該種繼電器包含一個軟磁懸臂，一個較大尺寸的扁平永久磁鐵和一個電磁鐵線圈。扁平永久磁鐵產(chǎn)生 的均勻磁場大致垂直于懸臂的中性平面。軟磁懸臂在扁平永久磁鐵產(chǎn)生的均勻磁場中呈現(xiàn) 出一個第一狀態(tài)和一個第二狀態(tài)，分別對應(yīng)于繼電器斷開狀態(tài)和閉合狀態(tài)。其中，電磁鐵線 圈中的電流產(chǎn)生第二個磁場可以控制繼電器的斷開和閉合。通過提供不同方向的電流，懸 臂可以在第一個狀態(tài)和第二個狀態(tài)之間切換。其物理機(jī)制是，軟磁懸臂在一個大約均勻的 垂直磁場B (是一個向量)中感生出磁矩m(也是一個向量)。永久磁鐵磁場在軟磁懸臂上 產(chǎn)生的磁力矩等于mXB(兩向量的叉乘)。這個磁力矩使得軟磁懸臂有一個與外磁場對齊 或平行的動作和趨勢。相應(yīng)的傳感器以及應(yīng)用也是在此基礎(chǔ)上發(fā)明的。要使該器件正常工作，懸臂需要一個大約均勻的磁場。因此，它要求永久磁鐵的長 度大大超過懸臂的長度以提供大約均勻的垂直磁場；或者需要懸臂的位置遠(yuǎn)離永久磁鐵以 獲得相對均勻磁場，但在這種情形下均勻磁場往往很弱，導(dǎo)致器件的性能不佳。使用特殊技 術(shù)可以產(chǎn)生均勻磁場，但大尺寸永久磁鐵還是必需的。這會導(dǎo)致對周邊繼電器、磁器件或工 具的磁性干擾。由于磁干擾，該繼電器在印刷電路板上的密集部署是禁止的?？s小器件尺 寸，特別是永久磁鐵，是困難的。原因是，在小永久磁鐵附近的磁場分布是不均勻的。各磁 力線指向不同的方向而且嚴(yán)重彎曲，使懸臂與該磁場對齊是不切實(shí)際的。當(dāng)永久磁鐵很小時，附近的軟磁懸臂感受到非常不均勻的磁場B。磁場的強(qiáng)度和方 向都隨著位置而急劇變化，因而磁場梯度很強(qiáng)。在軟磁懸臂上的磁力(ιη·ν)Β (磁矩m和磁 場B梯度的點(diǎn)乘)變得很重要而且起主導(dǎo)作用。磁力矩mXB在軟磁懸臂上的作用相對而 言是次要的。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種可鎖定的微型磁繼電器及其操作方法， 以解決現(xiàn)有技術(shù)性能不佳或干擾較強(qiáng)的問題。一種可鎖定的微型磁繼電器，包括一基底；一可動部件，所述可動部件連接在所 述基底上并有一旋轉(zhuǎn)軸，所述可動部件包含一軟磁性材料，并有一第一端和一第二端，所述 可動部件有兩個穩(wěn)定位置一第一穩(wěn)定位置和一第二穩(wěn)定位置，它們分別對應(yīng)于兩個穩(wěn)定 狀態(tài)中的一閉合狀態(tài)和一斷開狀態(tài)；一第一永久磁鐵，所述的第一永久磁鐵有一第一磁極 和一第二個磁極，并被放置在所述可動部件的所述第一端附近，所述第一永久磁鐵對所述 可動部件產(chǎn)生一第一磁力和相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的一第一力矩，其中，與所述第二磁極相比， 所述第一磁極貢獻(xiàn)了所述第一磁力的大部分和所述第一力矩的大部分；一第二永久磁鐵， 所述第二永久磁鐵有一第三磁極和一第四磁極，并被放置在所述可動部件的所述第二端附 近，所述第二永久磁鐵對所述的可動部件產(chǎn)生一第二磁力和相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的一第二力 矩，其中，與所述第四磁極相比，所述第三磁極貢獻(xiàn)了所述第二磁力的大部分和所述第二力 矩的大部分，并且，所述第二永久磁鐵的所述第三磁極與所述第一永久磁鐵的所述第一磁 極之間保持一個預(yù)先設(shè)定的大于零的間距；以及一電磁鐵，在所述的電磁鐵中通過一具有 一定強(qiáng)度、持續(xù)時間和方向的電流，在所述可動部件所在區(qū)域產(chǎn)生一瞬間切換磁場導(dǎo)致所 述可動部件上的所述軟磁性材料的磁化發(fā)生變化，并使所述可動部件上的力矩總和的方向 發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而使所述可動部件繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，達(dá)到所述兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間的切換，其 中，所述電流的方向決定所述可動部件旋轉(zhuǎn)的方向；其中，所述第一永久磁鐵、所述第二永久磁鐵、所述基底以及所述可動部件的設(shè)置，使得所述可動部件在所述瞬間切換磁場不存 在的情況下可以維持在所述兩個穩(wěn)定狀態(tài)之一。本發(fā)明同時提供一種操作微型磁繼電器的方法，包括以下步驟提供一個基底；提供與所述基底連接的一可動部件，所述可動部件有一軟磁性材料，以及有一第 一端和一個第二端，并有一個旋轉(zhuǎn)軸，所述的可動部件有兩個穩(wěn)定狀態(tài)一第一穩(wěn)定狀態(tài)和 一第二穩(wěn)定狀態(tài)；提供一第一永久磁鐵，從而在所述可動部件上產(chǎn)生一第一磁力和相對于所述旋轉(zhuǎn) 軸的一第一力矩，所述第一永久磁鐵被放置在所述可動部件的所述第一端的附近；提供一第二永久磁鐵，從而在所述可動部件上產(chǎn)生一第二磁力和相對于所述旋轉(zhuǎn) 軸的一第二力矩，所述第二永久磁鐵被放置在所述可動部件的所述第二端的附近；提供一切換磁場，從而使所述可動部件在所述兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間切換，其中所述 切換磁場改變了所述可動部件上所述軟磁性材料的磁化，從而反轉(zhuǎn)了所述可動部件上的相 對于所述旋轉(zhuǎn)軸的力矩總和的方向，導(dǎo)致所述可動部件繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，達(dá)到在所述兩 個穩(wěn)定狀態(tài)之間的切換；設(shè)置所述第一永久磁鐵、所述第二永久磁鐵、所述基底以及所述可動部件，使所述 可動部件在沒有所述切換磁場時，能夠保持在所述兩個穩(wěn)定狀態(tài)之一。本發(fā)明還提供了一種微型磁繼電器，包括一基底；一連接到所述基底的可動部 件，該可動部件有一旋轉(zhuǎn)軸以及一軟磁性材料，所述可動部件有一第一端和一第二端，所述 可動部件有兩個狀態(tài)一第一狀態(tài)和一第二狀態(tài)；一第一永久磁鐵被設(shè)置在所述可動部件的所述第一端的附近，所述第一永久磁鐵 在所述可動部件上產(chǎn)生第一磁吸引力，并使所述可動部件保持在所述第一狀態(tài)，其中，當(dāng)所 述可動部件在所述第一狀態(tài)時，所述可動部件繞所述旋轉(zhuǎn)軸傾斜，并且所述第一端靠近所 述第一永久磁鐵；一可移動第二永久磁鐵，用來在所述兩個狀態(tài)之間切換所述可動部件，當(dāng)所述可 移動第二永久磁鐵在一切換位置時，在所述可動部件上產(chǎn)生一預(yù)定強(qiáng)度的第二磁吸引力并 把所述可動部件切換到第二狀態(tài)，其中，當(dāng)所述可動部件在所述第二狀態(tài)時，所述可動部件 繞所述旋轉(zhuǎn)軸傾斜，并且其所述第一端遠(yuǎn)離所述第一永久磁鐵。依照本發(fā)明的技術(shù)特征的，一種繼電器，它充分利用磁力(ιη·ν)Β作為主導(dǎo)作用 來控制懸臂運(yùn)動，同時也不忽略磁力矩mXB作為輔助因素，它具有以下的特征接觸力大、 永久磁鐵尺寸小、磁干擾低、器件體積小、器件密度高、可靠性高和對制造過程中產(chǎn)生的誤 差具有高容忍度，并且這種新型繼電器易于操作和制造。


圖IA是一個平面線圈作為電磁鐵的俯視圖；圖IB是一個圖IA的沿線IB的電磁鐵剖面圖；圖IC是一個用繞組線圈作為一個電磁鐵的正視圖；圖2A是本發(fā)明第一個實(shí)施例子的正視圖，其中可鎖定繼電器處于穩(wěn)定的斷開狀 態(tài)；
圖2B是本發(fā)明第一個實(shí)施例子的正視圖，其中可鎖定繼電器處于穩(wěn)定的閉合狀 態(tài)；圖2C是本發(fā)明第一個實(shí)施例子的正視圖，其中一個正電流施加于電磁鐵使繼電 器從閉合狀態(tài)向斷開狀態(tài)切換；圖2D是本發(fā)明第一個實(shí)施例的俯視圖；圖3是本發(fā)明的第二個實(shí)施例正視圖；圖4是本發(fā)明的第三個實(shí)施例正視圖；圖5是本發(fā)明的第四個實(shí)施例正視圖；圖6是本發(fā)明的第五個實(shí)施例正視圖；圖7是本發(fā)明的第六個實(shí)施例正視圖；圖8是本發(fā)明的第七個實(shí)施例正視圖；圖9是本發(fā)明的第八個實(shí)施例正視圖；圖10是一個根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例組成的繼電器陣列正視圖；圖11是一個根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例組成的在X軸方向具有共用的永久磁鐵的繼電 器陣列正視圖。
具體實(shí)施例方式應(yīng)當(dāng)明白這里所示和描述的具體范例和應(yīng)用只是本發(fā)明的例子，而不是為了限 制本發(fā)明的范圍。事實(shí)上，為了簡潔起見，傳統(tǒng)的電子、制造、MEMS技術(shù)及其它系統(tǒng)的功能 (和系統(tǒng)中的各個組成部分的其它工作元件)這里不再詳細(xì)描述。為了簡短起見，下文也經(jīng) 常將該發(fā)明描述成屬于電器或電子系統(tǒng)使用的微型電子機(jī)械繼電器。應(yīng)該認(rèn)識到，很多其 它的制造技術(shù)可用于制造此處所述的繼電器，而本文所述的技術(shù)可以在機(jī)械繼電器、光繼 電器或任何其它開關(guān)器件使用。此外，該技術(shù)適合應(yīng)用在電力系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、消費(fèi)電子、工 業(yè)電子、無線系統(tǒng)、空間應(yīng)用或任何其它應(yīng)用場合。此外，應(yīng)該認(rèn)識到，這里的空間描述只是 為了描述的目的，而實(shí)際的可鎖定繼電器可以采用任何方向或方式的空間排列。作為一個 發(fā)明的范圍，應(yīng)由所附的權(quán)利要求以及它們的法律等效物來定義。更應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，圖紙不一 定是按比例繪制的，除非另有描述，他們只是為了描述此處所述的繼電器工作原理和結(jié)構(gòu)。 如果通過適當(dāng)?shù)姆绞竭B接及提供適當(dāng)?shù)钠骷@些繼電器也可以形成陣列。圖IA和IB是電磁鐵20的俯視圖和截面圖，這個電磁鐵是用一個平面線圈20做 成的。電流從輸入端25流向輸出端26，使線圈20在附近產(chǎn)生磁場B。正如圖IA和IB所 描述的，在右側(cè)導(dǎo)線段21中的電流和左側(cè)導(dǎo)線段22中的電流是方向相反的。因此，線圈20 右側(cè)導(dǎo)線段21上方的矢量磁場方向和左側(cè)導(dǎo)線段22上方的矢量磁場方向是相反的。應(yīng)當(dāng) 明白的是，如圖IB所示，在線圈20上方的附近，磁場矢量方向大約與線圈20所在平面28 平行。如果改變線圈20中的電流方向，各個區(qū)域的磁場B矢量方向也隨著改變。圖IC是 一個圍繞基底51的三維繞組線圈20的正視圖，這是另一種常用的電磁鐵20。圖2A-C是可鎖定繼電器201的第一個實(shí)施例子的正視圖。繼電器201包含一個 基底51 ；—個第一絕緣層52 ；—個電磁鐵20，在這實(shí)施例子里是一個平面線圈20 ；—個第 二絕緣層53 ；設(shè)置在絕緣層53上的導(dǎo)電接觸41以及導(dǎo)電接觸42 ；—個第一永久磁鐵101 ； 一個第二永久磁鐵102 ；—個保護(hù)層54 ；以及一個可動部件30，該可動部件是一個懸臂30，它處于導(dǎo)電接觸41和42的上方，同時在永久磁鐵101和102的下面。圖2D是第一個可鎖 定繼電器201實(shí)施例子的俯視圖。永久磁鐵101和102，絕緣層52和53，以及保護(hù)層54在 圖2D中沒有顯示。保護(hù)層54可以是任何能夠支持永久磁鐵101和102的材料。適當(dāng)?shù)牟牧峡梢允?玻璃、硅、陶瓷、金屬或類似的材料，厚度可在10-5000微米。第一永久磁鐵101和第二永久磁鐵102可以是任何類型的永久磁鐵，它們的永久 磁化方向都在正Z軸方向。適用的磁鐵一般是市面上有售的具有較高剩余磁化B^ (如從 0. 01特斯拉至2特斯拉)和較高矯頑力Hc(如大于100奧斯特)的材料，如釤鈷、銣鐵硼、 鐵鋁鎳鈷、陶瓷永久磁鐵和其它材料。釤鈷材料是首選，因為它具有高溫穩(wěn)定性和高磁性能 及強(qiáng)度。除了如圖2A所示安裝在保護(hù)層54的下方，永久磁鐵101和永久磁鐵102列也可 以嵌入保護(hù)層54內(nèi)，他們還可以放在保護(hù)層54的上方。永久磁鐵101和永久磁鐵102可 以單獨(dú)安裝到保護(hù)層54上，也可以采用絲網(wǎng)印刷、模具填充、電鍍或其它工藝技術(shù)批量制 造在保護(hù)層54上?；?1可以是任何類型基底，如硅、砷化鎵、玻璃、陶瓷、塑料、環(huán)氧基基底，或者 是金屬，如鎳、鐵、鎳鐵合金、鎳鐵鈷軟磁性材料合金、鎳鈷合金、鐵硅合金或各種其它合金。 基底51表面可用絕緣材料(如氧化物)覆蓋，使之平坦化或絕緣。一個可鎖定繼電器201 可有一個單獨(dú)的基底51，或多個繼電器201共用一個基底51。另外，其它器件(如晶體管， 二極管，或其它電子器件)通過傳統(tǒng)的集成電路制造技術(shù)也可以制造在同一基底51上。絕緣層52和絕緣層53可以是任何絕緣材料，如玻璃、高電阻率硅、砷化鎵、氧化鋁 陶瓷、PECVD氧化硅、可甩涂玻璃、氮化物、聚酰亞胺、聚四氟乙烯或其它絕緣體。絕緣層52 和絕緣層53的厚度從0. 1微米到1000微米不等。在第一個實(shí)施例子中，用于絕緣線圈20 的絕緣層52可以是PECVD法形成的氧化硅。圖2A所示的電磁鐵20是一個平面線圈20。它有一個輸入端25和一個輸出端 26。電磁鐵20中的導(dǎo)線段可以是一個或多個導(dǎo)線以各種方式連接，如蜿蜒的圖案、螺旋形 圖案、甚至不規(guī)則圖案，或三維的結(jié)構(gòu)。電磁鐵20可以由任何導(dǎo)電材料構(gòu)成，如金、銀、銅、 鋁、其它金屬或類似的導(dǎo)電材料。當(dāng)電磁鐵20導(dǎo)電時，周圍產(chǎn)生磁場。如果要產(chǎn)生一個更 強(qiáng)的磁場，除了增加電流強(qiáng)度，以及線圈20的導(dǎo)線段21和22的密度，也可以通過適當(dāng)?shù)慕^ 緣把多層的平面線圈20疊加起來，每層線圈20之間通過孔化實(shí)現(xiàn)電連接。導(dǎo)電接觸41和42放置在絕緣層53上。導(dǎo)電接觸41和42可以是任何導(dǎo)電材料 如金、金的合金、銀、銅、鋁、鎢、釕、銠、鉬、鈀、其它合金或其它金屬。懸臂30是翹翹板式的可動部件，并受外磁場的磁力影響。在圖2A至2D所示的實(shí) 施例子中，懸臂30包含有一軟磁性層35 ；—導(dǎo)電層33 ；兩端的導(dǎo)電接觸31和32 ；彈性片 34 ；和由基底51以及絕緣層53支持的支撐部36。彈性片34是懸臂30按順時針或逆時針 旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸。軟磁性層35可以是Ni-Fe合金(坡莫合金)、鎳、鐵、鎳鈷合金、鎳鐵鈷合 金、鎳鉬鐵合金(supermalloy)或其它軟磁性材料。導(dǎo)電層33可以是金、銀、銅、鈦、鋁、鎢、 釕、銠、鉬、鈀、其它金屬、合金或其它導(dǎo)電材料。懸臂30有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，分別是斷開狀態(tài)和閉合狀態(tài)，下文將有詳細(xì)的描述。在 許多不同的實(shí)施例子里，如圖2B所示，當(dāng)導(dǎo)電層33通過導(dǎo)電接觸31接通至導(dǎo)電接觸41時， 繼電器201被認(rèn)為是“閉合”。相反，當(dāng)導(dǎo)電接觸31與導(dǎo)電接觸41不相接通時，繼電器被認(rèn)為是“斷開”。一個穩(wěn)定的斷開狀態(tài)如圖2A所示懸臂30繞著彈性片34傾斜，以至于導(dǎo)電 層33通過導(dǎo)電接觸32與導(dǎo)電接觸42相接通。懸臂30可以繞著彈性片34旋轉(zhuǎn)，所以要求 彈性片34有一定的靈活性。彈性片34的靈活性可由它的厚度，長度和寬度來調(diào)節(jié)，或通過 將彈性片34 (或其各個組成層)做成不同的形狀，或使用柔性材料等來調(diào)節(jié)它的彈性。當(dāng) 然，懸臂30的尺寸可以相差很大，在具體實(shí)施中，一個典型的微磁繼電器201使用的懸臂30 沿X軸、Y軸和Z軸的尺寸分別是10-5000微米長，10-5000微米寬，和1-100微米厚。例 如，按照圖2A，懸臂30的典型的尺寸可以是400微米X 400微米X 10微米，或者是1000微 米X 800微米X 20微米，或任何其它適合的尺寸。支撐部36通過彈性片34支撐懸臂30在導(dǎo)電接觸41和42的上方，并在中間形成 了一個空隙44?？障?4可以是真空，也可以填充空氣、氮?dú)?、氦氣或其它氣體，或填充液體， 比如油等。雖然空隙44的大小在不同的實(shí)例中有很大差異，但是一個典型的空隙44范圍 可在0. 1微米到100微米，例如10微米。在對稱設(shè)計中，彈性片34位于懸臂30長度(沿X軸)的中心。兩個永久磁鐵101 和102具有相同的材料、相同的磁特性和相同的大小，他們位于懸臂30的上方。另外，它們 到懸臂30中線39的距離wl和w2大約是相等的，其中wl是從永久磁鐵101到中線39的 距離，w2是從永久磁鐵102到中線39的距離(wl大于0米，w2大于0米)。中線39平行 于Z軸并穿過懸臂30的中心點(diǎn)。其中，永久磁鐵101的南極和永久磁鐵102的南極之間的 間距等于wl與w2的和。但是由于磁鐵在制造過程中會有變化和誤差，所以實(shí)際永久磁鐵 尺寸只是在某個生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)下大約相等。距離wl和w2也可能有一些不同，例如有10%的差 別。應(yīng)該明白，當(dāng)永久磁鐵101和102的大小相等以及距離wl和w2相等時，該器件會表現(xiàn) 出最佳性能，但這些條件并不是必需的。當(dāng)實(shí)際情況與這些條件有一些偏差時，微磁繼電器 201還是會正常工作。作為本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，盡管某些設(shè)計和工藝生產(chǎn)在一定范圍內(nèi)有誤差， 但是微磁繼電器還是會正常工作。對于某些應(yīng)用，不對稱的設(shè)計可能會實(shí)現(xiàn)更大的導(dǎo)電接觸之間的接觸力，或使懸 臂30對入射光線的反射角度更大，或使射頻信號在路徑上的輻射更少。因此，彈性片34可 以不在懸臂30的中心，永久磁鐵101和102也可以不一樣大小，距離wl和w2的也可以不相等。以下部分對本發(fā)明的上述實(shí)施例的工作原理，做進(jìn)一步敘述。現(xiàn)在參照圖2A-D，為了易于解釋，軟磁性層35被假定為高磁導(dǎo)率坡莫合金磁性材 料，基底51假定為常用的硅基底(軟磁性材料基底51的例子將在后面討論)。永久磁鐵 101和102的尺寸和磁特性被認(rèn)為是相同的，它們到懸臂30中線39的距離wl和w2也是相 同的。此外，彈性片34位于懸臂30長度(沿X軸)的中心。正如圖2A和圖2B所示，在線圈20沒有通電流時，永久磁鐵101與軟磁性層35之 間的第一磁力是相吸引的。因為軟磁性層35右側(cè)比左側(cè)與永久磁鐵101靠得更近，軟磁性 層35右側(cè)貢獻(xiàn)了第一磁力中的大多數(shù)。此外，與永久磁鐵101北極相比，永久磁鐵101南 極是主導(dǎo)的磁極并且貢獻(xiàn)了第一磁力的大多數(shù)，因為它與軟磁性層35靠得更近。同樣，在 線圈20沒有通電流時，第二永久磁鐵102和軟磁性層35之間的磁力也相吸引的。軟磁性 層35的左側(cè)貢獻(xiàn)了第二磁力的大多數(shù)。與永久磁鐵102的北極相比，永久磁鐵102南極是 主導(dǎo)的磁極，并且貢獻(xiàn)了第二磁力的大多數(shù)。
懸臂30具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。第一個穩(wěn)定的狀態(tài)是閉合狀態(tài)，如圖2B所示，導(dǎo)電接 觸31和導(dǎo)電接觸41相接通。在圖2B所示的閉合狀態(tài)，因為永久磁鐵101與軟磁性層35之間的間距比永久磁 鐵102和軟磁性層35之間的間距大，所以永久磁鐵101和磁性層35之間的第一磁力小于 永久磁鐵102和軟磁性層35之間的第二磁力。為了便于解釋，第一磁力和第二磁力都簡化為分別作用在軟磁性層35右端和左 端的點(diǎn)作用力。與每個力相對應(yīng)的繞旋轉(zhuǎn)軸(彈性片34)的第一類力矩簡化為位置向量和 磁力向量的一個矢量叉乘。位置向量定義為由旋轉(zhuǎn)軸指向軟磁性層35的被相應(yīng)的力作用 的一端。因此，由第一磁力產(chǎn)生繞著懸臂30的旋轉(zhuǎn)軸的第一力矩是沿著逆時針方向，第一 力矩值比由第二個磁力產(chǎn)生的順時針方向的第二力矩值小。力矩的總和，也就是所有施加于懸臂30上的繞著旋轉(zhuǎn)軸的力矩的總和，決定了懸 臂30的運(yùn)動方向。在這個非磁性硅基底51的實(shí)施例子中，力矩的總和是第一個永久磁鐵 101引起的第一力矩和第二個永久磁鐵102引起的第二力矩的總和。因此在閉合狀態(tài)，第 一力矩和第二力矩的總和是沿著順時針方向的，并使懸臂30停留在圖2B所示的閉合狀態(tài)。 相應(yīng)的角度β大于90度。(后面還將討論當(dāng)基底51是一種軟磁性材料如坡莫合金時，它 會對懸臂30產(chǎn)生一個第三磁力和一個第三力矩。因此，力矩的總和是第一個永久磁鐵101 所產(chǎn)生的第一力矩、第二個永久磁鐵102所產(chǎn)生第二力矩以及軟磁基底51所產(chǎn)生的第三力 矩的總和。)顯然，相對于永久磁鐵101的北極，永久磁鐵101的南極貢獻(xiàn)了作用在懸臂30上 的第一力矩的大多數(shù)，這是因為永久磁鐵101的南極貢獻(xiàn)了第一磁力的大多數(shù)。同樣，永久 磁鐵102南極貢獻(xiàn)了第二力矩的大多數(shù)。軟磁性層35在閉合狀態(tài)下的磁化的例子由圖2Β所示。如圖中箭頭所示，由永久 磁鐵101和永久磁鐵102引起的磁矩ml和m2方向相反。相對與永久磁鐵101，由于永久磁 鐵102和軟磁性層35之間的間距更小，磁矩m2強(qiáng)于ml并且在軟磁性層35中覆蓋更多的 區(qū)域。正如本文在開始部分所述的，只要懸臂30的軟磁性層35的局域磁化m和外部磁 場B共存，懸臂30上也有第二類的力矩mXB。其中m是軟磁性層35中各個區(qū)域的磁矩，B 是外部磁場。一般而言，當(dāng)永久磁鐵101和永久磁鐵102體積小而且與懸臂30靠得近時， 磁力和相應(yīng)的繞著彈性片34的第一類力矩起主導(dǎo)作用并決定著懸臂30運(yùn)動。第二類力矩 是次要的。為簡潔起見，第二類力矩的作用，不再單獨(dú)討論，這里假設(shè)在各種實(shí)施例子里，第 一類和第二類力矩共同存在并作用于懸臂30。懸臂30的第二個穩(wěn)定的狀態(tài)是穩(wěn)定的斷開狀態(tài)。如圖2A所示，懸臂30傾斜在斷 開狀態(tài)，它的左邊的導(dǎo)電接觸32與導(dǎo)電接觸42相接通。在圖2A所示的穩(wěn)定的斷開狀態(tài)，由于與以上論述相類似的原因，永久磁鐵101與 軟磁性層35之間的第一磁力比永久磁鐵102與軟磁性層35之間第二磁力強(qiáng)。第一磁力對 軟磁性層35產(chǎn)生的第一力矩是逆時針方向的，并且第一力矩比第二磁力產(chǎn)生的順時針的 方向的第二力矩強(qiáng)。因此，力矩的總和是沿著逆時針方向的，懸臂30穩(wěn)定地停留在β小于 90度的斷開狀態(tài)。圖2Α也描述了軟磁性層35在斷開狀態(tài)的磁化分布，局域磁化由右側(cè)磁矩ml和左
11，磁矩ml是強(qiáng)于m2并在軟磁性層35中所占的區(qū)域也比m2所 占的區(qū)域大。應(yīng)該明白，上述插圖所示的在軟磁性層35中的磁化例子只反映了典型的繼電 器設(shè)計所對應(yīng)的狀況。如果繼電器設(shè)計或結(jié)構(gòu)的參數(shù)變化，在軟磁性層35的磁化狀態(tài)也會 相應(yīng)變化。所涉及的參數(shù)包含永久磁鐵位置、兩個永久磁鐵之間的間距、永久磁鐵的強(qiáng)度和 磁化方向、懸臂大小和永久磁鐵與懸臂之間的間距。正如圖2A所示，當(dāng)懸臂30處在中性水平面38時(β = 90度)有一個平衡狀態(tài)。 在此位置，永久磁鐵101和102在懸臂30上的右側(cè)和左側(cè)的磁吸引力是相等的。但這個平 衡狀態(tài)不是一個穩(wěn)態(tài)的平衡狀態(tài)。例如，由于一個小擾動，懸臂30沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)而 偏離平衡位置一點(diǎn)，永久磁鐵101和懸臂30之間的吸引力下降，而永久磁鐵102和懸臂30 之間的吸引力卻在增加，因此，懸臂30被迫按順時針方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)直到其右邊的導(dǎo)電接觸 31碰到導(dǎo)電接觸41，然后停在該處。反之，如果擾動是在逆時針的方向，同樣會導(dǎo)致左邊和 右邊的吸引力失衡，并使懸臂30持續(xù)按逆時針的方向旋轉(zhuǎn)，直到左側(cè)導(dǎo)電接觸32碰到導(dǎo)電 接觸42，然后停在那里。繼電器從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的切換是通過反轉(zhuǎn)作用于懸臂30上的力矩總和 的方向來實(shí)現(xiàn)的。如上所述，當(dāng)繼電器處于穩(wěn)定的閉合狀態(tài)時，作用于懸臂30上的力矩總 和是沿著順時針方向的，為了切換到斷開狀態(tài)，作用于懸臂30上的力矩總和的方向必須反 轉(zhuǎn)為逆時針方向。同樣，當(dāng)繼電器處于穩(wěn)定的斷開狀態(tài)時，作用于懸臂30上的力矩總和是 沿著逆時針方向的，為了切換到閉合狀態(tài)，力矩總和的方向必須反轉(zhuǎn)成順時針方向。如圖2C所示，懸臂30從穩(wěn)定的閉合狀態(tài)到穩(wěn)定的斷開狀態(tài)的切換是通過在線圈 20中提供一個具有一定強(qiáng)度、方向和持續(xù)時間的正電流使其產(chǎn)生瞬間切換磁場來實(shí)現(xiàn)的。 電流的方向(或極性)決定懸臂30的旋轉(zhuǎn)方向和它的最終狀態(tài)。繼續(xù)參照圖2C，懸臂30最初是處于穩(wěn)定的閉合狀態(tài)。若要切換到穩(wěn)定的斷開狀 態(tài)，可在線圈20自輸入端25至輸出端26施加一個有一定強(qiáng)度和持續(xù)時間的正電流，按照 “右手法則”，它在懸臂30附近產(chǎn)生一個主要沿正X軸方向的瞬間切換磁場。如果瞬間切換 磁場足夠強(qiáng)，它將沿長度的方向磁化整個軟磁性層35，并產(chǎn)生一個如圖2C所示的主要沿著 正X軸方向的瞬間磁矩m。永久磁鐵101 (主要是它的南極)和軟磁性層35中的瞬間磁矩m之間的第一磁力 是相吸引的。更準(zhǔn)確地說，由于由瞬間切換磁場的作用，使軟磁性層35右側(cè)的磁化增強(qiáng)，第 一磁力變得比原先線圈20不通電時更大，從而導(dǎo)致了逆時針方向的第一力矩增加。另一方 面，永久磁鐵102 (主要是它的南極)和軟磁性層35中的瞬間磁矩m之間的第二磁力變成 了相斥，所以第二磁力產(chǎn)生的第二力矩也是沿著逆時針的方向。顯然，由第一力矩和第二力 矩構(gòu)成的力矩總和是沿著逆時針方向，因此，懸臂30沿著逆時針旋轉(zhuǎn)。只要正電流在線圈 20中繼續(xù)保持著，懸臂30將在逆時針方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到左側(cè)的導(dǎo)電接觸32碰到導(dǎo)電接觸 42并停止在那里。這樣，懸臂30實(shí)現(xiàn)了從穩(wěn)定的閉合狀態(tài)到穩(wěn)定的斷開狀態(tài)的切換。完成 切換以后，線圈20中的電流就不再需要，可鎖定繼電器201保持著斷開狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)明白，在切換過程中，第二永久磁鐵102和軟磁性層35之間的磁力相斥并不 是必需的，上文給出的例子是為了便于說明。在實(shí)際應(yīng)用中，永久磁鐵102和軟磁性層35之 間的磁力在切換過程中可能是相吸引的。換句話說，在軟磁性層35左側(cè)部分的局域磁化方 向還是在大致沿著負(fù)X軸的方向，但強(qiáng)度隨瞬間切換磁場的影響而變?nèi)?；而在軟磁性?5
12右側(cè)區(qū)域的局域磁化方向還沿著正的X軸的方向，但強(qiáng)度隨瞬間切換磁場的影響而變強(qiáng)。 只要線圈20中的正電流I使得軟磁性層35右側(cè)的第一磁吸力比左側(cè)的第二磁吸力強(qiáng)，由 第一力矩和第二力矩構(gòu)成的力矩總和就是沿著逆時針方向的，懸臂30就會從穩(wěn)定的閉合 狀態(tài)繞著彈性片34向穩(wěn)定的斷開狀態(tài)旋轉(zhuǎn)。所不同的是，在線圈20中的電流I強(qiáng)度一般 不是太大，因此，影響懸臂30切換的驅(qū)動力比較小，切換速度較慢。為了把懸臂30從穩(wěn)定的斷開狀態(tài)切換至穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，須在線圈20的輸入端 25和輸出端26之間施加一個具有一定強(qiáng)度、方向和持續(xù)時間的負(fù)電流I。線圈20在懸臂 30附近產(chǎn)生的瞬間切換磁場主要指向負(fù)X軸的方向。因此，在軟磁性層35中產(chǎn)生的瞬間磁 矩m沿長度主要指向負(fù)X軸方向。類似于上文所述的機(jī)制，懸臂30沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)直 至導(dǎo)電接觸31碰到導(dǎo)電接觸41。上述討論忽略了彈性片34的彈性力，這里假定彈性片34是靈活的，它的彈簧力遠(yuǎn) 比磁場力小。線圈20通電時，線圈20在懸臂30的軟磁性層35中產(chǎn)生的磁力很小，因而也 被忽略。在正常運(yùn)行條件下，永久磁鐵101和102對軟磁性層35產(chǎn)生的力或力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 通電時線圈20產(chǎn)生的力或力矩。很明顯，除了平面線圈，其它類型的電磁鐵也可用于產(chǎn)生一個切換磁場來反轉(zhuǎn)懸 臂。例如，圖IC所示的一個三維纏繞型線圈20也可以用來取代圖2C中的平面線圈20。應(yīng)當(dāng)指出，在對圖2A實(shí)施例子分析中，基底51被假定為常規(guī)的非磁性基底，如硅 或玻璃基底等。事實(shí)上，基底51也可以是軟磁性材料諸如坡莫合金。如果坡莫合金基底51 放在懸臂30以及永久磁鐵101和102的附近，坡莫合金基底51會對懸臂30的軟磁性層35 產(chǎn)生一個第三磁力和一個第三力矩。第三磁力分布在軟磁性層35的各個區(qū)域，特別是集中 在軟磁性層35的左端和右端。以下選擇圖2B所示的閉合狀態(tài)來解釋具有坡莫合金基底51的繼電器201的工作 原理。當(dāng)懸臂30處于閉合狀態(tài)，軟磁性層35和坡莫合金基底51之間有第三磁吸引力。絕 緣層52和53做得越薄，第三磁吸引力則越大。在閉合狀態(tài)，由于懸臂30右側(cè)更靠近基底 51，第三磁吸引力主要分布軟磁性層35右側(cè)，特別是接近導(dǎo)電接觸31的地方。顯然，第三 磁吸引力也貢獻(xiàn)并增強(qiáng)了導(dǎo)電接觸31和41之間的接觸力。這就是在一些應(yīng)用中運(yùn)用軟磁 基底51的原因之一。第三磁力對懸臂30產(chǎn)生了一個繞著彈性片34的第三力矩。在閉合 狀態(tài)時，第三力矩是順時針方向的，這樣使懸臂30的閉合狀態(tài)更穩(wěn)定。如圖2C所示，懸臂30從閉合狀態(tài)向斷開狀態(tài)切換是通過在線圈20中施加一個具 有一定強(qiáng)度和持續(xù)時間的正電流I來實(shí)現(xiàn)的。正如之前所解釋的，電流I在懸臂30附近產(chǎn) 生瞬間切換磁場，并引起軟磁性層35磁化發(fā)生變化。如果電流I足夠強(qiáng)，產(chǎn)生的瞬間切換磁 場沿著正X軸方向，并充分磁化附近的軟磁性層35。類似于上文討論的硅基底51的情況， 永久磁鐵101與軟磁性層35的第一磁力是相吸引的，第一力矩是逆時針方向的。永久磁鐵 102和軟磁性層35之間的第二磁力是相斥的，第二力矩也是逆時針方向的。坡莫合金基底 51在軟磁性層35上產(chǎn)生的第三磁力和第三力矩比較復(fù)雜，以下的詳細(xì)解釋是必要的。繼續(xù)參照圖2C，如果在線圈20中的電流I是零(即I = 0安培)，瞬間切換磁場 就不存在。在懸臂30右側(cè)，基底51近上方并靠近導(dǎo)電接觸41的附近區(qū)域，初始的靜磁場 主要是永久磁鐵101產(chǎn)生的，磁場方向大約是在正Z軸方向。在懸臂30左側(cè)，基底51近上 方并靠近導(dǎo)電接觸42的附近區(qū)域，初始的靜磁場主要是永久磁鐵102產(chǎn)生的，磁場方向大約也是在正Z軸方向。在切換過程中，在線圈20中通過一個正電流I，按“右手規(guī)則”，正電 流I產(chǎn)生的瞬間切換磁場類似與圖IB所示的磁場。線圈20產(chǎn)生的瞬間切換磁場的磁力線 沿著順時針方向圍繞著導(dǎo)線段21。在懸臂30的右側(cè)，瞬間切換磁場在基底51近上方并靠 近導(dǎo)電接觸41的附近區(qū)域是沿著負(fù)Z軸的方向，因此，它是和該區(qū)域初始的靜磁場方向相 反，從而削弱了這個區(qū)域的磁場。而在懸臂30的左側(cè)，瞬間切換磁場在基底51近上方并靠 近導(dǎo)電接觸42的附近區(qū)域是沿著正Z軸的方向，因此，它是和該區(qū)域初始的靜磁場方向相 同，從而增強(qiáng)了這個區(qū)域的磁場?？傊?，由于正電流I的影響，瞬間切換磁場增強(qiáng)了導(dǎo)電接觸42附近的局域磁場 (包括導(dǎo)電接觸32和42個之間的區(qū)域)，同時也削弱了導(dǎo)電接觸41附近的局域磁場(包 括導(dǎo)電接觸31和41個之間的區(qū)域)。由于導(dǎo)電接觸42附近的局域磁場的增強(qiáng)，坡莫合金 基底51和軟磁性層35的左側(cè)部分之間的局域磁吸引力也得到了增強(qiáng)。隨著正電流I強(qiáng)度 的增強(qiáng)，坡莫合金基底51對軟磁性層35左側(cè)的局域吸引力也隨之增強(qiáng)。因此，由基底51 對磁性層35左側(cè)產(chǎn)生的局域力矩是在逆時針方向，并且它隨著正電流強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)。 與此同時，由于在導(dǎo)電接觸41附近局域磁場的減弱，坡莫合金基底51和軟磁性層35的右 側(cè)部分之間的局域磁吸引力減弱。隨著線圈20中的正電流I強(qiáng)度的增加，坡莫合金基底51 對軟磁性層35右側(cè)的局域吸引力也隨之減弱(假設(shè)線圈20產(chǎn)生的局域磁場弱于由101永 久磁鐵產(chǎn)生的局域磁場)。相應(yīng)地，由基底51對軟磁性層35右側(cè)產(chǎn)生的局域力矩是在順時 針方向，它隨著正電流I強(qiáng)度的增加而減弱。根據(jù)以上分析，以及繼續(xù)參照圖2C，線圈20中正電流I的增強(qiáng)使得坡莫合金基底 51對軟磁性層35左側(cè)產(chǎn)生的逆時針力矩增加，同時使坡莫合金基底51對軟磁性層35右側(cè) 產(chǎn)生的順時針力矩減小。因此，當(dāng)正電流I增強(qiáng)到一定的程度，由坡莫合金基底51在軟磁 性層35左側(cè)和右側(cè)所產(chǎn)生的兩部分力矩的總和也就是第三力矩，變?yōu)槟鏁r針方向。很顯然，如果正電流I足夠強(qiáng)，永久磁鐵101對懸臂30產(chǎn)生的第一力矩，永久磁鐵 102產(chǎn)生的第二力矩，坡莫合金基底51產(chǎn)生的第三力矩都變成逆時針方向。因此，懸臂30 沿著逆時針方向旋轉(zhuǎn)，即從閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，使三個力矩都是逆時 針方向是沒有必要的。只要力矩總和(即第一力矩，第二力矩和第三力矩的總和)是逆時 針方向的，懸臂30就會從閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)向斷開狀態(tài)。在繼電器設(shè)計和制造中，使第三磁力和第三力矩對懸臂30的作用減弱的辦法是 增加絕緣層53的厚度。隨著坡莫合金基底51和懸臂30之間的距離增加，第三磁力和第三 力矩就會急劇減弱。從以上分析來看，由于坡莫合金基底51引起的第三磁力和第三力矩的存在，切換 懸臂30似乎變得更困難了。但實(shí)際情況是，如果線圈20是建立在坡莫合金基底51上的一 個非常薄的絕緣層52上，因為它的高磁導(dǎo)率，坡莫合金基底51會使瞬間切換磁場比對應(yīng)硅 基底51的瞬間切換磁場大致增加一倍。因此，坡莫合金基底51使得線圈20的切換能力變 大，對懸臂30的切換也變得更加容易。這就是為什么在一些應(yīng)用中，使用坡莫合金或其它 軟磁基底51的另一個原因。將具有坡莫合金基底51的繼電器從斷開狀態(tài)切換到閉合狀態(tài)，只需在線圈20中 施加一個具有一定強(qiáng)度和持續(xù)時間的負(fù)電流I。原理與前面討論過的類似，為了簡潔，完整 的解釋在這里就省略了。
繼電器可以通過常用的MEMS工藝技術(shù)(包含表面微加工或立體微加工)來制造。 步驟包括光刻，金屬薄膜生長，絕緣層沉積，蝕刻，晶圓研磨，晶片鍵合和后道工序封裝。其 它如絲網(wǎng)印刷制造技術(shù)，激光切割，或類似與線路板制造工藝中的分層或?qū)娱g結(jié)合工藝，以 及焊接等方法都可用于制造?？涉i定的繼電器的其它的實(shí)施例子圖3公開了本發(fā)明的另外一個實(shí)施例子。其中，可鎖定繼電器202有一對永久磁 化方向相反的永久磁鐵103和104。永久磁鐵103的永久磁化方向在正Z軸的方向，其南 極面向懸臂30右側(cè)端的導(dǎo)電接觸31 ；永久磁鐵104的永久磁化方向在負(fù)Z軸的方向，其北 極面向懸臂30左側(cè)端的導(dǎo)電接觸32。線圈20是這樣放置的它的右側(cè)導(dǎo)線段21大約與 懸臂30的右側(cè)重疊；而線圈20左側(cè)導(dǎo)線段22與懸臂30的左側(cè)重疊。這個實(shí)施例子的優(yōu) 點(diǎn)是，它有效地全部使用了平面線圈20左側(cè)導(dǎo)線段22和右側(cè)導(dǎo)線段21，因此，繼電器面積 較小。彈性片34沒有在圖3中顯示出來，它的位置是在懸臂30的長度(沿X軸)的中心。 另外，兩個永久磁鐵103和104除了磁化方向相反，它們的大小和材料相同，他們離懸臂30 的中線39的距離也一樣。類似于前面所述的原理，繼電器202有兩個穩(wěn)定狀態(tài)一個斷開狀態(tài)和一個閉合 狀態(tài)。該工作原理亦類似于圖2A的實(shí)施例子，只是在切換過程中，懸臂30右側(cè)部分和左側(cè) 部分各自感受到的瞬間切換磁場的矢量方向是大約相反的，這是因為懸臂30右側(cè)和左側(cè) 的瞬間切換磁場是分別由導(dǎo)線段21和導(dǎo)線段22產(chǎn)生的。如圖3所示，懸臂30最初是在一個閉合的狀態(tài)，右側(cè)導(dǎo)電接觸31和導(dǎo)電接觸41 相接通。若要切換到斷開狀態(tài)，需要在線圈20中施加一個具有一定強(qiáng)度和持續(xù)時間的正電 流I。線圈20中電流I流動的方向由導(dǎo)線段21和22在圖3中描述，按“右手法則”，在懸臂 30右側(cè)，由導(dǎo)線段21中電流I產(chǎn)生的瞬間切換磁場B主要沿正X軸方向；在懸臂30左側(cè)， 由導(dǎo)線段22中電流I產(chǎn)生的瞬間切換磁場B主要沿負(fù)X軸方向。如果瞬間切換磁場(或 線圈20中電流I)足夠強(qiáng)，使軟磁性層35的磁化如圖3所示，則在軟磁性層35右側(cè)的磁化 主要是沿其長度方向并大致指向正X軸方向，由圖3中的瞬間磁矩ml表示；而在軟磁性層 35左側(cè)的磁化主要是沿其長度方向并大致指向負(fù)X軸方向，由圖3中的瞬間磁矩m2表示。繼續(xù)參考圖3，在懸臂30右側(cè)，永久磁鐵103的南極是主導(dǎo)的磁極，并貢獻(xiàn)第一磁 力中的大多數(shù)。永久磁鐵103和軟磁性層35 (由瞬間磁矩ml起主要作用)之間的第一磁 力是相吸引的。更準(zhǔn)確地說，由于瞬間切換磁場使得軟磁性層35右側(cè)的磁化增強(qiáng)，永久磁 鐵103和軟磁性層35右側(cè)之間的吸引力比線圈20不通電時有所增強(qiáng)，所以第一磁力對懸 臂30產(chǎn)生的繞著彈性片34(旋轉(zhuǎn)軸)的第一力矩是逆時針方向的。同時，繼續(xù)參考圖3，在懸臂30左側(cè)，永久磁鐵104的北極是主導(dǎo)的磁極，并貢獻(xiàn)第 二磁力中的大多數(shù)。永久磁鐵104和軟磁性層35(由瞬間磁矩m2起主要作用)之間的第 二磁力是相斥的，因此，第二磁力對懸臂30產(chǎn)生的第二力矩也是逆時針方向的。所以，第一 力矩和第二個力矩構(gòu)成的力矩的總和是沿著逆時針的方向，懸臂30繞著彈性片34沿著逆 時針方向轉(zhuǎn)動。只要線圈20中的正電流I保持著，懸臂30將持續(xù)沿著逆時針方向轉(zhuǎn)動，直 到導(dǎo)電接觸32和42相碰并最終停在那里。這樣，懸臂30從閉合狀態(tài)切換到了穩(wěn)定的斷開 狀態(tài)，線圈20中的電流I不再需要，繼電器202會保持著斷開狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)明白，在上述的切換過程，永久磁鐵104和軟磁性層35左側(cè)之間的第二磁力 是相斥的，這是一個相當(dāng)極端的例子。在實(shí)際應(yīng)用中，不必一定要求第二磁力變?yōu)橄喑猓o出這樣一個例子是為了便于說明。在實(shí)際切換過程中，永久磁鐵104和軟磁性層35之間的 磁力可以是吸引的，只要線圈20中的正電流I使永久磁鐵103和軟磁性層35之間的第一磁 吸引力比永久磁鐵104和軟磁性層35之間的第二磁吸引力大，那么第一力矩和第二力矩構(gòu) 成的力矩的總和就是沿著逆時針方向的，懸臂30就會從閉合狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到穩(wěn)定的斷開狀態(tài)。 所不同的是，在線圈20中施加的電流I不再像原先那么強(qiáng)，懸臂30上的驅(qū)動力相對較小， 切換的速度比較慢。為了把懸臂30從穩(wěn)定的斷開狀態(tài)切換至閉合狀態(tài)，需要在線圈20中施加一個有 一定強(qiáng)度和持續(xù)時間的負(fù)電流I。根據(jù)如上所述的原理，懸臂30響應(yīng)線圈20產(chǎn)生的瞬間切 換磁場，沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)至閉合狀態(tài)。懸臂30切換到穩(wěn)定的閉合狀態(tài)后，線圈20中的 電流I就不再需要。圖4是本發(fā)明的另一個實(shí)施例子的正視圖，與圖2A的實(shí)施例子相比，兩個永久磁 鐵各自由傾斜了 90度或負(fù)90度(事實(shí)上，永久磁鐵可以按任意角度傾斜)?？涉i定繼電器 203有兩個永久磁鐵105和106，它們的永久磁化方向分別沿著正X軸和負(fù)X軸方向。相對 于永久磁鐵105的北極，永久磁鐵105的南極與懸臂30的右側(cè)導(dǎo)電接觸31的距離比較近； 同樣，相對于永久磁鐵106的北極，永久磁鐵106的南極與懸臂30的左側(cè)導(dǎo)電接觸32的距 離比較近。本實(shí)施例子的優(yōu)點(diǎn)是永久磁鐵105和106可以做得非常薄。另一個優(yōu)勢是在陣列 設(shè)計中，相鄰繼電器可以方便地在X軸方向共用同一個永久磁鐵。切換方法類似與以前討 論過的圖2C的實(shí)施例子。通過在線圈20中施加具有一定強(qiáng)度、方向和持續(xù)時間的電流I， 可以把懸臂30在兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間切換。如圖4所示，除了能夠切換電信號，繼電器203 也可以切換或?qū)⑷肷涔夥瓷涞剿璧妮敵龇较?。例如，在穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，懸臂30把入射 光反射至“出射光1”的方向，在穩(wěn)定的斷開狀態(tài)(未在圖4顯示)懸臂30把入射光反射至 “出射光2 ”的方向。顯然，懸臂30還可以將入射光在“出射光1 ”和“出射光2 ”的范圍內(nèi) 連續(xù)作掃描式的反射。所以，繼電器203不僅可用于光纖的光信號轉(zhuǎn)換，它也可以用于大型 投影屏幕上的圖像投影。圖5是本發(fā)明的另一實(shí)施例子的正視圖。可鎖定的繼電器204有兩個永久磁鐵 107和108。它們的永久磁化方向都是沿著正X軸方向。磁鐵107放置在懸臂30的上方， 與其北極相比，磁鐵107的南極與懸臂30的右側(cè)導(dǎo)電接觸31靠得更近；同樣，與其南極相 比，永久磁鐵108的北極與左側(cè)導(dǎo)電接觸32靠得更近?？涉i定繼電器204的優(yōu)點(diǎn)至少有兩 個第一，永久磁鐵107和108可以做得更薄，以及相鄰繼電器可以共用一個磁鐵；第二，它 充分利用了線圈20的右側(cè)導(dǎo)線段21和左側(cè)導(dǎo)線段22，可使器件體積更小。切換方法類似 于圖3所示的實(shí)施例子，通過在線圈20中施加一個具有一定強(qiáng)度、方向和持續(xù)時間的電流 I，懸臂30可以在兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間切換。當(dāng)懸臂切換到目標(biāo)狀態(tài)后，線圈20中不需要繼 續(xù)通電流。圖6是本發(fā)明的另一實(shí)施例子的正視圖。可鎖定的繼電器205有兩個永久磁鐵 109和110。它們的永久磁化方向都沿著負(fù)X軸方向。這個實(shí)施例子的主要特征是永久磁 鐵109和110的間距比前面的那些實(shí)施例子中的間距更小。永久磁鐵109的南極和懸臂30 右側(cè)的導(dǎo)電接觸31靠得較近，它的北極離懸臂30的中心較近。永久磁鐵110北極和懸臂 30左側(cè)的導(dǎo)電接觸32靠得較近，它的南極離懸臂30的中心較近。由于位置不同，在可鎖定繼電器205的操作中，永久磁鐵109的南極以及永久磁鐵110的北極對軟磁性層35的磁力
起主導(dǎo)作用。永久磁鐵109的北極和永久磁鐵110的南極，對軟磁性層35產(chǎn)生的磁力是次要 的，原因是這兩個極性相反的磁極彼此靠得較近，在一定程度上，他們互相抵消了彼此在懸 臂30附近的磁場。他們靠得越近，相互抵消得就越多。繼電器205的工作原理類似于圖5 的實(shí)施例子。通過在線圈20中施加一個具有一定強(qiáng)度、方向和持續(xù)時間的電流I，懸臂30 可以在它的兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間切換。圖7是本發(fā)明的另一種實(shí)施例子，其中永久磁鐵111是單個磁鐵，它的永久磁化方 向指向負(fù)X軸方向。繼電器206是圖6實(shí)施例子的一個極端的情況。那就是當(dāng)圖6實(shí)施例 子中的兩個永久磁鐵109和110靠得非常接近以至于永久磁鐵109的北極碰到永久磁鐵 110的南極，那就相當(dāng)于連成了一個完整的永久磁鐵。繼電器206的工作原理與圖5或圖6 的實(shí)施例子類似。應(yīng)當(dāng)指出，在上述分析的各種實(shí)施例子中，基底51被假定為常規(guī)的MEMS基底，如 玻璃、硅等。事實(shí)上，基底51也可以是軟磁性材料如坡莫合金、鐵、鎳、鈷、軟磁合金或其它 軟磁材料，或者可以在硅基底上加一層軟磁性材料(如在硅基底上電鍍10微米坡莫合金)。 使用軟磁基底51的好處是增強(qiáng)了電磁鐵20產(chǎn)生的瞬間切換磁場，因而增強(qiáng)了電磁鐵20 切換懸臂30的能力；增強(qiáng)了導(dǎo)電接觸31和41之間的接觸力(或?qū)щ娊佑|32和42之間的 接觸力)；提高了懸臂30的切換速度；提供了附加的磁場屏蔽；若是軟磁金屬基底，會使散 熱的速度更快；以及更高的設(shè)計和制造工藝誤差的容忍度。以上討論的各種情形，懸臂30的每一端本質(zhì)上是受一個永久磁鐵的主導(dǎo)磁極所 控制。為了使本發(fā)明的繼電器對相鄰繼電器或其它鄰近磁性器件的磁干擾降低，永久磁鐵 的尺寸要盡可能小。為了使每個主導(dǎo)磁極對懸臂30產(chǎn)生更大的力和力矩，使繼電器更有效 地工作，每個主導(dǎo)永久磁極的位置要盡可能地靠近懸臂30上相對應(yīng)的一端。因此，每個永 久磁鐵的大小，主導(dǎo)永久磁極與懸臂30相對距離(這是一個大于零的距離)，以及兩個主導(dǎo) 磁極之間的距離(也是一個大于零的距離)，都是在具體設(shè)計中的重要參數(shù)。應(yīng)該指出，使用電磁鐵或線圈產(chǎn)生的磁場來切換繼電器只是各種控制方式當(dāng)中的 一種。其它方法也可用于提供切換磁場。例如圖8所示，除了兩個固定的永久磁鐵101和 102，第三個可移動永久磁鐵121在靠近、離開或附近經(jīng)過懸臂30時也可以提供所需的切換 磁場。第三個可移動永久磁鐵121改變了軟磁性層35的磁化，也改變了懸臂30上的力和 力矩，因此，懸臂30就會相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)并切換到所需的狀態(tài)。該方法在位置檢測應(yīng)用方面是非常有用的。由于微型磁繼電器體積小，靈敏度高， 速度快，這種類型繼電器比傳統(tǒng)的干簧管繼電器提供了更高的位置檢測精度。對于兩個固 定永久磁鐵和可移動第三永久磁鐵，有關(guān)永久磁鐵大小、永久磁化方向、材料的強(qiáng)度和相對 位置等在設(shè)計上有許多種可能的組合。為了簡潔，本文只挑選了圖8所示的一種組合作為 一個實(shí)施例子來說明其工作原理。在圖8中，當(dāng)?shù)谌齻€可移動永久磁鐵121離懸臂30很遠(yuǎn)時，如在前文的實(shí)施例子 中討論的，懸臂30有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)永久磁鐵121從遠(yuǎn)處靠近懸臂30并停止在如圖所 示的位置1051時，因為永久磁鐵121與其它兩個永久磁鐵102和101的永久磁化方向是相 同的，懸臂30左側(cè)磁吸引力相對于無永久磁鐵121時有所增加。如果磁力增加幅度足夠
17大，無論懸臂30的初始狀態(tài)是什么樣的，它都將迫使懸臂30處于閉合狀態(tài)，并使導(dǎo)電接觸 31與導(dǎo)電接觸41相接通。反過來，如果永久磁鐵121從位置1051沿著正X軸方向移動到另一虛線所示的位 置1052，可移動永久磁鐵121使得對懸臂30右側(cè)的磁吸引力變大，并使懸臂30旋轉(zhuǎn)到斷 開狀態(tài)(如圖8中懸臂30的虛線位置所示)，這時，導(dǎo)電接觸32與42接通。如果永久磁 鐵121沿著正X軸方向或正Z軸方向離開位置1052，繼電器207保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。但是，如果 永久磁鐵121沿著負(fù)X軸方向離開位置1052并再次回到位置1051，則懸臂30從斷開狀態(tài) 反轉(zhuǎn)回到閉合狀態(tài)，這樣，導(dǎo)電接觸31和41又再次接通。顯然，這是一種非常獨(dú)特的繼電 器，通過測量每對導(dǎo)電接觸之間的導(dǎo)通狀況，它不但可以探測到永久磁鐵121的位置，而且 通過檢測切換后的狀態(tài)，還可以測量出永久磁鐵121移動的方向。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)永久磁鐵121處于位置1051以及位置1051附近的一個小區(qū)域時(而 不僅僅是位置1051 —個單一的點(diǎn))，它可以將懸臂30切換到閉合狀態(tài)。為了便于說明，一 個點(diǎn)位置1051被用來代表永久磁鐵121能將懸臂30切換到閉合狀態(tài)的工作區(qū)域?；谙?同的原因，單一點(diǎn)位置1052被用來代表永久磁鐵121能將懸臂30切換到斷開狀態(tài)的工作 區(qū)域。繼續(xù)參照圖8，如果適當(dāng)設(shè)置初始狀態(tài)，繼電器207還可以測量永久磁鐵121的速 度。例如，要測量永久磁鐵121從很遠(yuǎn)的右側(cè)沿著負(fù)X軸方向的移動速度，懸臂30被預(yù)先 設(shè)置成閉合狀態(tài)，使導(dǎo)電接觸31和41相接通。當(dāng)永久磁鐵121經(jīng)過位置1052，懸臂30在 時間tl反轉(zhuǎn)至斷開狀態(tài)；當(dāng)永久磁鐵121繼續(xù)移動經(jīng)過位置1051，懸臂30在時間t2反轉(zhuǎn) 至閉合狀態(tài)。通過測量位置1052和位置1051的之間的距離，以及時間tl和t2之間的時 間差，可以很容易估算出永久磁鐵121的移動速度。通過詳細(xì)地刻度和校對繼電器，并將懸 臂30的反轉(zhuǎn)時間(懸臂30從閉合狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至斷開狀態(tài)所需的時間或反過來所需的時間) 也計算在內(nèi)，測量的準(zhǔn)確度會得到提高。當(dāng)然，如果多個繼電器排成一列，在每個測試點(diǎn)的速度，移動方向，甚至永久磁鐵 121加速度都可以準(zhǔn)確測量。多個繼電器可以是單獨(dú)封裝的幾個繼電器。他們也可以是多 個繼電器制造在同一塊芯片上，并封裝在同一塊封裝塊(集成塊)中。應(yīng)當(dāng)指出，對于圖8的所示的實(shí)施例子，永久磁鐵121的永久磁化方向也可以是沿 著負(fù)Z軸方向(沒有在圖8中顯示)。其結(jié)果與上面所討論的相反。例如，當(dāng)永久磁鐵121 移動到位置1051時，由于其永久磁化方向與永久磁鐵102的永久磁化方向相反，使得懸臂 30左側(cè)感受到的磁吸引力減弱。因此，懸臂30被迫處于斷開狀態(tài)，使得導(dǎo)電接觸32與導(dǎo) 電接觸42接通。同樣，當(dāng)永久磁鐵121移動到位置1052時，懸臂30將迫處于閉合的狀態(tài)。 這里假設(shè)永久磁鐵121對懸臂30的磁吸引力還沒有強(qiáng)到可以忽略永久磁鐵101和102的 程度，即永久磁鐵121無法超越永久磁鐵101和102而單獨(dú)對懸臂30的狀態(tài)起決定性的控 制。極強(qiáng)的永久磁鐵121的情況將在下文繼續(xù)討論。正如上文提到的，如果永久磁鐵121的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于永久磁鐵101和102的強(qiáng)度， 這種情況下，永久磁鐵121可以超越永久磁鐵101和102而對懸臂30的運(yùn)動起到?jīng)Q定性的 控制，其結(jié)果就又不同了。例如，當(dāng)永久磁鐵121是在位置1051時，永久磁鐵121對懸臂30 左側(cè)產(chǎn)生的決定性的磁吸引力迫使懸臂30處于閉合狀態(tài)，并使導(dǎo)電接觸31和41接通。當(dāng) 永久磁鐵121在位置1052時，其決定性的強(qiáng)大磁吸引力迫使懸臂30處于斷開狀態(tài)，使導(dǎo)電接觸32與導(dǎo)電接觸42相接通。在圖8的實(shí)施例子中，線圈20是可選的，繼電器207在沒有線圈20的情況下也可 以獨(dú)立工作。但是，如果繼電器207同時配有電磁鐵線圈20的話，通過在線圈20中施加一 個有一定強(qiáng)度和持續(xù)時間的正或負(fù)的電流I，繼電器207狀態(tài)可以被重新設(shè)定(測量前的預(yù) 設(shè)置或測量后的重新設(shè)置到它的兩個穩(wěn)定狀態(tài)之一)。因此，其初始和最終狀態(tài)可以被選擇 性地控制，這也是在工業(yè)控制系統(tǒng)中非常重要的功能，因而也有其獨(dú)特的應(yīng)用價值。可移動永久磁鐵121也可以被放置在繼電器207的底部來切換懸臂30，工作原理 是類似的。為簡潔起見，本文省略了詳細(xì)的描述。在圖8的實(shí)施例子中，當(dāng)可移動永久磁鐵121距離懸臂30很遠(yuǎn)時，繼電器207有 兩個可能的穩(wěn)定狀態(tài)。一些簡單的應(yīng)用只需要具有一個穩(wěn)定狀態(tài)的繼電器，即常閉合或常 斷開繼電器，這可以通過把兩個固定永久磁鐵之中的一個變成可移動的磁鐵來實(shí)現(xiàn)。正如圖9所示，繼電器208有一個固定永久磁鐵102和一個可移動永久磁鐵122。 當(dāng)可移動永久磁鐵122在離懸臂30很遠(yuǎn)的位置1054時，固定永久磁鐵102吸引并保持懸 臂30在閉合狀態(tài)，使導(dǎo)電接觸31和導(dǎo)電接觸41接通。當(dāng)可移動永久磁鐵122移動到位置 1053時，由于永久磁鐵122對懸臂30右側(cè)產(chǎn)生的磁吸引力強(qiáng)于永久磁鐵102對懸臂30左 側(cè)產(chǎn)生的磁吸引力，因此，懸臂30從閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)(這里假設(shè)旋轉(zhuǎn)軸是在懸臂 30的中心)。在此實(shí)施例子中，繼電器208是常閉合型繼電器。它通過測量導(dǎo)電接觸31和 導(dǎo)電接觸41之間導(dǎo)電性(或電阻)而探測可移動永久磁鐵122的位置。當(dāng)然，若去掉導(dǎo)電 接觸31和41，而保持導(dǎo)電接觸32和42，繼電器就變成是常斷開型。通過測量導(dǎo)電接觸32 和42之間接觸電阻或?qū)щ娦缘淖兓?，可以相?yīng)地探測到永久磁鐵122的位置變化。永久磁鐵122也可以被放置基底51下方(沒有在圖9中顯示)來切換懸臂30。 在這種情形下，當(dāng)它移動到導(dǎo)電接觸32和42的下方附近時，其強(qiáng)大的磁吸引力使懸臂30 左側(cè)向下轉(zhuǎn)動，迫使導(dǎo)電接觸32和導(dǎo)電接觸42接通。當(dāng)然，永久磁鐵102也可固定于基底51下面靠近導(dǎo)電接觸32和42的地方(沒有 在圖9中顯示)，并使導(dǎo)電接觸32和導(dǎo)電接觸42相接通著。相對應(yīng)的，可移動的永久磁鐵 122在基底51下靠近導(dǎo)電接觸31和41的地方有一個可以切換懸臂30的位置；另外，在導(dǎo) 電接觸32和42的近上方，可移動永久磁鐵122也有一個可以切換懸臂30的位置。通過將 磁鐵102和磁鐵122的強(qiáng)度、永久磁化方向、磁鐵的相對空間位置以及導(dǎo)電接觸的位置作不 同的組合或安排，可以衍生出很多類似的實(shí)施例子，為了簡潔，這里不再一一舉例。除了能夠探測可移動永久磁鐵122的位置，多個繼電器208組合在一起也可用于 測量可移動永久磁鐵122或與其固定在一起的物體的運(yùn)動速度，方向和加速度。例如，三個 繼電器放置在一條直線上的三個不同的位置Dl、D2和D3。可移動永久磁鐵122在三個不同 時間tl、t2和t3依次通過各繼電器。通過求解適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動方程組，一個熟練的專業(yè)人士可 以很容易地分析出可移動永久磁鐵122在位置Dl，D2和D3的速度和平均線性加速度。這 三個繼電器可以是分開封裝的分離的繼電器，也可以是制造在同一個芯片上并封裝在同一 個集成塊上。這也是微型磁繼電器的獨(dú)特優(yōu)勢?？涉i定繼電器的陣列可以很容易被制造，只要把上述各個實(shí)施例子的基本繼電器 單元分別在X軸和Y軸方向復(fù)制并將信號線作適當(dāng)?shù)倪B接和布置。圖10所示的是一個在 X軸方向重復(fù)的陣列的例子。如前所述，在陣列的應(yīng)用中，相鄰繼電器也可以共用一個永久磁鐵。圖11所示的是相鄰的兩個懸臂在X軸方向共用一個永久磁鐵的一個可鎖定繼電器 陣列的正視圖。應(yīng)該明白的是，很多其它的實(shí)施例子可以在沒有脫離本發(fā)明范圍的情況下衍生或 設(shè)計制造出來。例如，可以在以上的某個實(shí)施例子中去除一個導(dǎo)電接觸42，這樣可以產(chǎn)生一 個單擲繼電器。同樣地，繼電器的各個部件可以設(shè)計成不同的幾何形狀，如彈性片34、軟磁 性層35和導(dǎo)電層33都可以被設(shè)計成各種形狀，甚至是不規(guī)則的形狀。為了達(dá)到更高的接觸 可靠性，懸臂30的導(dǎo)電接觸31或32可以設(shè)計成分叉接觸(也就是將單個導(dǎo)電接觸31做 成分開的兩個導(dǎo)電接觸)。在導(dǎo)電接觸31 (或?qū)щ娊佑|32)和懸臂30之間可以加一層絕懸 層來隔離，這樣使得繼電器的各種射頻(RF)性能更好?；?1上的固定導(dǎo)電接觸41 (或 42)也可以分為兩個導(dǎo)電接觸，這樣可以得到更好的信號隔離性能。在繼電器的周邊也可以 適當(dāng)?shù)丶尤胲洿判缘牟牧希缙履辖穑赃_(dá)到磁屏蔽的效果。在權(quán)利要求中，所有相關(guān)的結(jié)構(gòu)、材料、動作和同等的元件旨在包括可完成所需功 能的任何結(jié)構(gòu)、材料或動作，并可與其它要求里的元件相結(jié)合。另外，在任何方法權(quán)利要求 中所列舉的步驟可以按任何順序執(zhí)行。本發(fā)明的范圍應(yīng)該由所附的權(quán)利要求以及它們的法 律等效物，而不是由以上所公開的例子定義。
權(quán)利要求
一種可鎖定的微型磁繼電器，其特征在于，包括一基底；一可動部件，所述可動部件連接在所述基底上并有一旋轉(zhuǎn)軸，所述可動部件包含一軟磁性材料，并有一第一端和一第二端，所述可動部件有兩個穩(wěn)定位置一第一穩(wěn)定位置和一第二穩(wěn)定位置，它們分別對應(yīng)于兩個穩(wěn)定狀態(tài)中的一閉合狀態(tài)和一斷開狀態(tài)；一第一永久磁鐵，所述的第一永久磁鐵有一第一磁極和一第二個磁極，并被放置在所述可動部件的所述第一端附近，所述第一永久磁鐵對所述可動部件產(chǎn)生一第一磁力和相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的一第一力矩，其中，與所述第二磁極相比，所述第一磁極貢獻(xiàn)了所述第一磁力的大部分和所述第一力矩的大部分；一第二永久磁鐵，所述第二永久磁鐵有一第三磁極和一第四磁極，并被放置在所述可動部件的所述第二端附近，所述第二永久磁鐵對所述的可動部件產(chǎn)生一第二磁力和相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的一第二力矩，其中，與所述第四磁極相比，所述第三磁極貢獻(xiàn)了所述第二磁力的大部分和所述第二力矩的大部分，并且，所述第二永久磁鐵的所述第三磁極與所述第一永久磁鐵的所述第一磁極之間保持一個預(yù)先設(shè)定的大于零的間距；一電磁鐵，在所述的電磁鐵中通過一具有一定強(qiáng)度、持續(xù)時間和方向的電流，在所述可動部件所在區(qū)域產(chǎn)生一瞬間切換磁場導(dǎo)致所述可動部件上的所述軟磁性材料的磁化發(fā)生變化，并使所述可動部件上的力矩總和的方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而使所述可動部件繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，達(dá)到所述兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間的切換，其中，所述電流的方向決定所述可動部件旋轉(zhuǎn)的方向；其中，所述第一永久磁鐵、所述第二永久磁鐵、所述基底以及所述可動部件的設(shè)置，使得所述可動部件在所述瞬間切換磁場不存在的情況下可以維持在所述兩個穩(wěn)定狀態(tài)之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型磁繼電器，其特征在于，所述可動部件在所述第一端有 一第一導(dǎo)電接觸，在所述基底上有相應(yīng)的一第二導(dǎo)電接觸，其中，通過所述可動部件在所 述兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間的切換，所述第一導(dǎo)電接觸和所述第二導(dǎo)電接觸可以被選擇性地接通 和斷開。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型磁繼電器，其特征在于，所述可動部件在所述第二端有 一第三導(dǎo)電接觸，在所述基底上有相應(yīng)的一第四導(dǎo)電接觸，其中，通過所述可動部件在所述 兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間的切換，所述第三導(dǎo)電接觸和所述第四導(dǎo)電接觸可以被選擇性地接通和 斷開。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型磁繼電器，其特征在于，所述可動部件有一彈性片，所述 彈性片由所述基底支撐。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型磁繼電器，其特征在于，所述的第一永久磁鐵和所述第 二永久磁鐵有大約相同或相反的的永久磁化矢量方向。
6.一種操作微型磁繼電器的方法，其特征在于，包括以下步驟提供一個基底；提供與所述基底連接的一可動部件，所述可動部件有一軟磁性材料，以及有一第一端 和一個第二端，并有一個旋轉(zhuǎn)軸，所述的可動部件有兩個穩(wěn)定狀態(tài)一第一穩(wěn)定狀態(tài)和一第 二穩(wěn)定狀態(tài)；提供一第一永久磁鐵，從而在所述可動部件上產(chǎn)生一第一磁力和相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的一第一力矩，所述第一永久磁鐵被放置在所述可動部件的所述第一端的附近；提供一第二永久磁鐵，從而在所述可動部件上產(chǎn)生一第二磁力和相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的 一第二力矩，所述第二永久磁鐵被放置在所述可動部件的所述第二端的附近；提供一切換磁場，從而使所述可動部件在所述兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間切換，其中所述切換 磁場改變了所述可動部件上所述軟磁性材料的磁化，從而反轉(zhuǎn)了所述可動部件上的相對于 所述旋轉(zhuǎn)軸的力矩總和的方向，導(dǎo)致所述可動部件繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，達(dá)到在所述兩個穩(wěn) 定狀態(tài)之間的切換；設(shè)置所述第一永久磁鐵、所述第二永久磁鐵、所述基底以及所述可動部件，使所述可動 部件在沒有所述切換磁場時，能夠保持在所述兩個穩(wěn)定狀態(tài)之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述的切換磁場是由一個電磁鐵提供。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括以下的步驟提供所述的電磁鐵；以及在所述電磁鐵中施加一具有一定強(qiáng)度，持續(xù)時間和方向的電流，來產(chǎn)生一個切換磁場， 使所述可動部件從所述兩個穩(wěn)定狀態(tài)中的一個狀態(tài)切換到另一個狀態(tài)，所述可動部件的旋 轉(zhuǎn)方向由所述電磁鐵中的所述電流的方向來決定。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述的切換磁場是由一個可移動第三永 久磁鐵提供。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括以下的步驟提供所述的可移動第三永久磁鐵，所述可移動第三永久磁鐵具有預(yù)定的尺寸、永久磁 化強(qiáng)度和永久磁化方向，其中，當(dāng)所述可移動第三永久磁鐵分別在它的一第一切換位置和 一第二切換位置時能夠把所述可動部件切換到相應(yīng)的所述第一穩(wěn)定狀態(tài)和所述第二穩(wěn)定 狀態(tài)；以及移動所述可移動第三永久磁鐵到所述第一切換位置和所述第二切換位置，使所述可動 部件切換到相應(yīng)的所述第一穩(wěn)定狀態(tài)和所述第二穩(wěn)定狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括以下的步驟提供一電磁鐵；以及在所述電磁鐵中施加一具有一定強(qiáng)度、持續(xù)時間和方向的電流，從而把所述可動部件 切換到所述兩個穩(wěn)定狀態(tài)之一，其中，所述電磁鐵中所述電流的方向決定所述可動部件的 切換方向。
12.—種微型磁繼電器，其特征在于，包括一基底；一連接到所述基底的可動部件，該可動部件有一個旋轉(zhuǎn)軸以及一軟磁性材料，所述可 動部件有一第一端和一第二端，所述可動部件有兩個狀態(tài)一第一狀態(tài)和一第二狀態(tài)；一第一永久磁鐵被設(shè)置在所述可動部件的所述第一端的附近，所述第一永久磁鐵在所 述可動部件上產(chǎn)生第一磁吸引力，并使所述可動部件保持在所述第一狀態(tài)，其中，當(dāng)所述可 動部件在所述第一狀態(tài)時，所述可動部件繞所述旋轉(zhuǎn)軸傾斜，并且所述第一端靠近所述第 一永久磁鐵；一可移動第二永久磁鐵，用來在所述兩個狀態(tài)之間切換所述可動部件，當(dāng)所述可移動 第二永久磁鐵在一個切換位置時，在所述可動部件上產(chǎn)生一預(yù)定強(qiáng)度的第二磁吸引力并把所述可動部件切換到第二狀態(tài)，其中，當(dāng)所述可動部件在所述第二狀態(tài)時，所述可動部件繞 所述旋轉(zhuǎn)軸傾斜，并且其所述第一端遠(yuǎn)離所述第一永久磁鐵。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可鎖定的微型磁繼電器及其操作方法，該微型繼電器具有一個含軟磁性材料的懸臂，懸臂有一個由基底支撐的彈性片作為旋轉(zhuǎn)軸，懸臂有第一端和第二端。一個第一永久磁鐵和一個第二永久磁鐵分別放置在懸臂的第一端點(diǎn)和第二端點(diǎn)的附近。每個永久磁鐵都各自在懸臂上產(chǎn)生一個磁力和一個力矩。第一永久磁鐵，第二永久磁鐵和基底的設(shè)置使懸臂有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)。一個電磁鐵用于提供一個瞬間切換磁場，并改變懸臂的軟磁性材料中各個區(qū)域的磁化，使懸臂上的磁力和力矩發(fā)生變化，并使懸臂上的總的力矩的方向反轉(zhuǎn)。因此，懸臂從兩個穩(wěn)定狀態(tài)中的一個切換到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。
文檔編號H01H50/00GK101930876SQ20101015452
公開日2010年12月29日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者衛(wèi)群英, 阮梅春 申請人:阮梅春;衛(wèi)群英