平面线圈型MEMS微电磁驱动器的理论分析与实验研究

　　基于MEMS 技术的光开关、微继电器和射频开关等器件分别是应用于未来全光通信网、先进仪器仪表和自动控制设备、相控阵雷达与移动通信等领域的基础性关键器件. 在这类器件的研究中, 微驱动方法的研究是一个关键的环节. 目前, 静电驱动应用较多, 但近年来, 随着半导体工艺的发展及微机电系统领域研究的不断深入, 由于在行程, 工作电压, 可靠性等方面的优势, 微电磁驱动正在受到越来越多的关注, 并且从微电磁驱动器的制备向器件的优化设计拓展.

　　目前微电磁驱动器的研究, 在器件的建模分析方面, 可以分为磁场法( 有限元法) 和磁路法. 有限元法取得的结果精度较高, 但计算过程耗时较长, 而且参数及模型建立方法如果选取不当, 所得结果与实际情况大相径庭. 磁路法可以在对器件工作机理的定性分析基础上简单直观的将器件内部的磁路结构反映出来, 计算和模型的修改较为方便, 但由于把磁路的分布效应做了近似和集中处理, 需要合理选择磁路模型的结构. 本文从磁路分析的网格法出发, 对器件的磁路结构做了分段集中的等效处理, 考虑了构成器件的软磁材料的非线性以及由于平面线圈绕组半径的变化可能会带来磁动势的分布效应, 本文针对考虑分布效应与不考虑分布效应这两种情况,分别建立了平面线圈型微电磁驱动器的磁路模型,并通过实验数据, 评价了这两种模型的适用性.

　　1 建模分析

　　1. 1 器件结构

　　本文所设计的微电磁驱动器的基本结构由硅弹性平台, 平面线圈和硅底座三部分构成, 如图1 所示. 硅平台和平面线圈固定都固定在底部的硅底座上, 通过给平面线圈的两个引脚间加电压可以产生电磁吸力, 拉动底部贴有铁镍片的硅平台上下运动.若平面线圈中通入电流不断增大, 线圈产生磁场也逐渐加强, 对微弹簧上的坡莫合金驱动片产生不断增大的电磁吸力, 带动硅平台垂直向下运动, 直到电磁力与悬臂梁的回复力重新平衡为止. 去掉驱动电流后, 悬臂梁的回复力可使硅平台返回初始位置, 从而达到以电磁力驱动悬臂梁平台的目的.

　　1. 2 理论分析

　　本文所采用的平面线圈结构如图2 所示, 主要采用磁路定理和电磁作用力公式分析并计算平面线圈型微驱动器产生的磁感应强度和电磁力. 由于平面线圈微驱动器的纵横向结构参数差别很大, 横向达到5. 8 mm, 而纵向铁镍片到底部铁镍衬底的距离只有150 Lm 左右, 所以在主磁通5 横向通过导磁材料时会在垂直于线圈平面方向产生不可忽略的纵向漏磁通△$, 因而在对整个微驱动器的结构进行磁路建模时需要将漏磁通的影响考虑进去, 图2( a) 为驱动器平面线圈的示意图. 为此我们基于分段磁路的网格法, 将平面线圈从中心到边缘按照其结构尺寸一共分为10 段, 在每段内将材料磁导的分布影响做集中处理, 等效为一个磁阻, 并将空气隙中漏磁的影响等效为在各段边缘的漏磁阻, 以将漏磁通的影响代入磁路模型, 如图2 所示.