MEMS开关继电器及其控制方法与功率设备与流程

mems开关继电器及其控制方法与功率设备
技术领域
1.本技术涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种mems开关继电器及其控制方法与功率设备。


背景技术：

2.近年来，电力电子技术向着高电流高电压的方向发展飞速，而开关继电器作为电力电子系统的重要组成部分，对其性能的要求也越来越高。开关继电器是一种输入信号较小，控制输出电路导通或断开的可控开关。继电器控制的输出电路通常承载大电压或大电流。继电器的开关一般是机械触点开关。继电器断开是物理断开，安全性能高。传统继电器的缺点：体积大，笨重，驱动功率大，开关速度慢ms量级。
3.为了解决传统继电器的缺点，新型mems(micro electrical mechanical system)继电器使用mems工艺制作继电器，革新传统开关继电器，使得继电器小型化、芯片化。mems开关继电器使用隔离小信号控制继电器，机械接触，快速响应。当前的mems开关继电器的主要类型为静电型继电器，但是静电型继电器的驱动电压高，同时由于其结构限制，其控制的电压不能太大，在当前的高压大电流场景下，使用越来越受限，因此需要一种新型的mems开关继电器，来满足当前的需求。


技术实现要素：

4.为此本技术的实施例提供一种新型的mems开关继电器及其控制方法与功率设备，本技术中的mems开关继电器采用磁场力取代静电力控制，由于磁场力比静电力具有更大的施力距离，降低驱动电源的电压值的同时，增大悬梁臂与栅极之间的距离，以提高mems隔离电压vds。由于线圈产生的磁场力可以很高，并且达到比静电力更长的范围，因此可以提高隔离电压vds。
5.第一方面，本技术提供一种mems开关继电器，所述mems开关继电器包括源极、漏极、电感线圈、悬梁臂、永磁薄膜、锚和基板；所述源极、所述漏极沿第一方向依次设置于所述基板的第一表面；所述悬梁臂的固定端通过所述锚与所述源极连接，所述悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面；所述永磁薄膜表贴于所述悬梁臂的表面，且位于所述悬梁臂靠近所述基板的一面；所述电感线圈包括绕组与磁芯，所述电感线圈与所述永磁薄膜相对设置，所述电感线圈设置于所述基板靠近所述悬梁臂的一侧，且位于所述基板内，所述磁芯与所述永磁薄膜之间在第二方向上形成磁场空间，所述第二方向与第一方向相互垂直。
6.可以理解的，第一方面提供的mems开关继电器中的电感线圈用于连接电源vcoil，并产生磁场力，以控制所述悬梁臂与所述漏极之间的断开或闭合。首先在悬梁臂上设置有永磁薄膜，一方面可以提高悬梁臂与基板之间的磁场强度，另一方面由于永磁薄膜具有南北极，可以与电感线圈相互配合，既可以与电感线圈相互吸引也可以相互排斥，提高mems开关继电器的控制的灵活性，再一方面由于电感线圈中采用了磁芯，既增强了电感线圈的所产生的磁场强度，同时磁芯与永磁薄膜相互作用，可以降低对电感线圈中电流的依赖性，减
少能耗；然后使用电磁力取代了静电力，由于电磁力的作用范围更广，从而在减小驱动电压的同时增加悬梁臂与漏极之间距离，提高mems源极与漏极之间的隔离电压。
7.一种可能的实施方式中，所述永磁薄膜表贴于所述悬梁臂的表面，所述永磁薄膜表贴于所述悬梁臂远离所述基板的一面。也就是说永磁薄膜既可以表贴于所述悬梁臂靠近所述基板的一面，也可以表贴于所述悬梁臂远离所述基板的一面。一般的，永磁薄膜，为永磁磁粉混合pi胶或环氧树脂，旋涂在悬梁臂的表面。
8.一种可能的实施方式中，所述电感线圈设置于所述基板靠近所述悬梁臂的一侧，所述电感线圈设置于所述基板的第一表面。也就是说，电感线圈既可以设置在基板的内部，也可以设置在基板的表面。
9.一种可能的实施方式中，所述磁芯与所述永磁薄膜之间在第二方向上形成磁场空间，所述磁芯在所述第二方向上的投影与所述永磁薄膜在第二方向上的投影相互重叠。可以理解的，所述磁芯与所述永磁薄膜相对设置，可以使两者之间的受力方向与悬梁臂的运动的方向更加一致，提高磁场力的做功效率。
10.一种可能的实施方式中，所述漏极包括第一漏极与第二漏极，所述第一漏极、所述源极与所述第二漏极沿第一方向依次设置于所述基板的第一表面；所述悬梁臂包括第一悬梁臂与第二悬梁臂，所述第一悬梁臂与所述第二悬梁臂共用固定端，所述第一悬梁臂与第二悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面；所述永磁薄膜包括第一永磁薄膜与第二永磁薄膜，所述第一永磁薄膜表贴于所述第一悬梁臂的表面，所述第二永磁薄膜表贴于所述第二悬梁臂的表面；所述电感线圈包括第一电感线圈与第二电感线圈，所述第一电感线圈与所述第一永磁薄膜相对设置，所述第二电感线圈与所述第二永磁薄膜相对设置。
11.可以理解的，mems开关继电器中所述第一电感线圈和所述第二电感线圈分别用于连接电源，以控制所述第一悬梁臂的活动端与所述第一漏极以及所述第二悬梁臂的活动端与所述第二漏极之间的断开与闭合。悬梁臂具有两个活动端，即第一悬梁臂的活动端与第二悬梁臂的活动端，两个活动端分别在固定端两侧，当两个活动端执行闭合或关断的动作时，对两个活动端同时控制，相比于悬梁臂具有单个活动端的情况，锚同时受到两个大小相同但方向相反的切向拉力或张力，使锚的受力达到平衡，增强了锚的结构稳定性，增加了mems开关继电器的使用寿命。
12.一种可能的实施方式中，所述mems开关继电器还包括绝缘层，所述绝缘层设置于所述基板的第一表面，且位于所述源极、所述漏极与所述基板之间。可以理解的，一般的，基板、源极以及漏极都具有导电特性，如果基板与源极或漏极直接接触，有时会出现短路现象，因此需要利用绝缘层将基板与源极以及漏极隔离。
13.一种可能的实施方式中，所述mems开关继电器还包括触点，所述触点包括第一触点与第二触点，所述第一触点与所述第二触点相对设置，所述第一触点设置于所述悬梁臂活动端靠近所述漏极的一侧，所述第二触点设置于所述漏极靠近所述悬梁臂活动端的一侧。可以理解的，mems开关继电器通过第一触点与第二触点的闭合或断开，来实现控制电路的闭合或断开，因此，一般的，所述触点具有良好的电学与热学性能，可以很好的导电以及导热。
14.一种可能的实施方式中，所述mems开关继电器中的电感线圈可以为一个也可以为多个。可以理解的，当电感线圈为多个时，可以将磁场力分散的更为均匀，便于对悬梁臂的
控制，提高电感线圈控制的灵活性，当电感线圈为一个时，可以更节省成本。
15.一种可能的实施方式中，所述mems开关继电器的悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面，所述悬梁臂的活动端悬空设置于所述漏极背离所述基板的一侧的正上方，所述悬梁臂的活动端与所述漏极之间形成活动空间。可以理解的，悬梁臂只有固定端通过锚与源极连接，其余部分均处于悬空状态，悬梁臂与电感线圈之间的施力空间，为磁场力的施力空间，悬梁臂活动端与漏极之间形成活动空间，在活动空间中，悬梁臂活动端通过上下活动，完成与漏极的连接以及断开。
16.一种可能的实施方式中，所述mems开关继电器还包括壳体，所述壳体内设置有高介电强度气体，所述壳体用于封装所述mems开关继电器。一般的，高介电强度气体为sf6气体，或其他气体如：氮气、氧气、氩气等。可以理解的，高介电强度气体可以起到电气隔离的作用，保护mems开关继电器，减少mems开关继电器短路的发生。
17.一种可能的实施方式中，所述悬梁臂的材料为金属材料，所述基板的材料为半导体材料，或其他材料如：石英、玻璃、陶瓷，所述电感线圈中的磁芯为金属材料。一般的，悬梁臂的材料为ni金属合金或软磁材料。一般的，电感线圈中的磁芯为软磁材料。一般的，基板材料为硅，硅不仅具有良好的机械及电性能,而且加工工艺和手段也较完善。根据微观晶体组成不同又可分为单晶硅和多晶硅。单晶硅断裂强度和硬度比不锈钢的高,而弹性模量与不锈钢相近,密度却仅为不锈钢的1/3，机械稳定性极好。多晶硅是由许多排列和取向无序的单晶颗粒构成的,它一般通过薄膜工艺制作在衬底上,性能受工艺影响较大。硅的导热性较好,硅材料还有多种传感特性。因此,硅是一种十分优良的mems开关继电器材料。在加工中,应该注意减少硅片表面、边缘和体内缺陷的形成,尽量少用切、磨、抛光等机械加工；在高温工艺、多重薄膜的淀积中要尽量减少内应力；采取一定的表面钝化、保护措施。
18.第二方面，本技术提供一种mems开关继电器的控制方法，所述控制方法应用于mems开关继电器，所述mems开关继电器包括源极、漏极、电感线圈、悬梁臂、永磁薄膜、锚和基板，所述源极与所述漏极沿第一方向依次设置于所述基板的第一表面，所述悬梁臂的固定端通过所述锚与所述源极连接，所述悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面，所述永磁薄膜表贴于所述悬梁臂的表面，且位于所述悬梁臂靠近所述基板的一面，所述电感线圈包括绕组与磁芯，所述电感线圈与所述永磁薄膜相对设置，所述电感线圈设置于所述基板靠近所述悬梁臂的一侧，且位于所述基板的内，所述磁芯与所述永磁薄膜之间在第二方向上形成磁场空间，所述第二方向与第一方向相互垂直，所述方法包括：
19.第一步：将所述电感线圈与电源连接；
20.第二步：控制所述电感线圈中电流，以使所述悬梁臂的活动端与所述漏极闭合或断开。
21.可以理解的，电感线圈与电源连接，可以在悬梁臂与电感线圈之间形成可以变化的动磁场，通过控制电感线圈与电源的通断或者电感线圈中电流的方向或大小，可以在mems继电器的施力空间中控制动磁场的有无、方向以及大小，从而控制悬梁臂的活动端靠近或远离漏极；同时，由于永磁薄膜与磁芯的相对设置，可以在悬梁臂与电感线圈之间形成稳定存在的静磁场，静磁场与动磁场之间相互配合，既可以相互叠加也可以相互抵消，从而增加mems开关继电器控制的灵活性。
22.在一种可能是实施方式中，在上述控制方法的第二步：控制所述电感线圈中电流，
以使所述悬梁臂的活动端与所述漏极闭合或断开，具体包括：
23.首先，导通与所述电感线圈连接的电源，电流方向为第一电流方向，以使所述悬梁臂的活动端与所述漏极闭合；
24.然后，断开所述电感线圈中的电流，所述悬梁臂的活动端与所述漏极保持闭合；
25.最后，导通与所述电感线圈连接的电源，且电流方向与第一电流方向相反，以使所述悬梁臂的活动端与所述漏极断开。
26.可以理解的，在mems开关继电器工作的过程中，首先导通电感线圈，使电感线圈中具有电流，产生磁场力，与永磁薄膜和磁芯之间的静磁场相互叠加，吸引悬梁臂，悬梁臂与漏极的距离缩短直至悬梁臂的活动端与漏极闭合。悬梁臂与漏极闭合时，永磁薄膜与磁芯之间的距离最小，两者之间的磁场力最大，这时断开与电感线圈相连的电源，取消动磁场，仅仅依靠永磁薄膜与磁芯之间的静磁场力也可以维持悬梁臂与漏极的闭合，从而达到节省能耗的目的。当悬梁臂与漏极需要断开时，需要在电感线圈中通入反向电流，使电感线圈中产生的动磁场的极性翻转，从而和永磁薄膜与磁芯之间的静磁场相互抵消，悬梁臂受到磁场力不足以维持悬梁臂与漏极之间的闭合，悬梁臂与漏极断开。
27.在一种可能的实施方式中，在悬梁臂的活动端与漏极闭合后，减小电感线圈中电流的大小，以使悬梁臂的活动端与漏极保持闭合。可以理解的，由于永磁薄膜与磁芯之间的距离减小，导致两者之间的静磁场力增大，静磁场力与电感线圈产生的动磁场力的叠加，超过了维持悬梁臂活动端与漏极闭合所需的力，可以减小电感线圈中的电流，降低电感线圈产生的动磁场，只要悬梁臂的活动端与漏极可以保持闭合即可，从而达到减少能耗的目的。
28.在一种可能的实施方式中，在悬梁臂的活动端与漏极闭合的过程中，减小电感线圈中电流的大小，以使悬梁臂的活动端与漏极可以闭合。可以理解的，由于永磁薄膜与磁芯之间的距离减小，导致两者之间的静磁场力增大，静磁场力与电感线圈产生的动磁场力的叠加，超过了悬梁臂活动端与漏极执行闭合动作所需的力，可以减小电感线圈中的电流，降低电感线圈产生的动磁场，减少能耗。
29.在一种可能的实施方式中，悬梁臂的活动端与漏极由闭合状态转为断开状态，如果悬梁臂的活动端与漏极在闭合状态时，电感线圈内部仍然有电流，在需要将mems开关继电器的悬梁臂与漏极断开时，可以继续降低或者直接断开电感线圈中的电流，从而降低悬梁臂与漏极之间磁场力，以使其小于维持悬梁臂活动端与漏极闭合所需的力，从而悬梁臂与漏极分离。
30.在一种可能的实施方式中，当mems开关继电器具有双悬梁臂，与之相适应的，所述漏极包括第一漏极与第二漏极，所述第一漏极、所述源极与所述第二漏极沿第一方向依次设置于所述基板的第一表面，所述悬梁臂包括第一悬梁臂与第二悬梁臂，所述第一悬梁臂与所述第二悬梁臂共用固定端，所述第一悬梁臂与第二悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面，所述永磁薄膜包括第一永磁薄膜与第二永磁薄膜，所述第一永磁薄膜表贴于所述第一悬梁臂的表面，所述第二永磁薄膜表贴于所述第二悬梁臂的表面，所述电感线圈包括第一电感线圈与第二电感线圈，所述第一电感线圈与所述第一永磁薄膜相对设置，所述第二电感线圈与所述第二永磁薄膜相对设置，所述mems开关继电器控制方法相适应的为：
31.首先，导通与所述第一电感线圈和所述第二电感线圈连接的电源，电流方向为第一电流方向，以使所述第一悬梁臂的活动端与所述第一漏极以及所述第二悬梁臂的活动端
与所述第二漏极同时闭合；
32.然后，断开或减小所述第一电感线圈和所述第二电感线圈中的电流，以使所述第一悬梁臂的活动端与所述第一漏极以及所述第二悬梁臂的活动端与所述第二漏极保持闭合；
33.最后，导通与所述第一电感线圈和所述第二电感线圈连接的电源，且电流方向与第一电流方向相反，以使所述第一悬梁臂的活动端与所述第一漏极以及所述第二悬梁臂的活动端与所述第二漏极同时断开。
34.可以理解的，当mems开关继电器具有两个悬梁臂时，对两个悬梁臂同时控制，双悬梁臂结构的锚同时受到两个大小相等的切向拉力或张力，可以相互抵消，从而增强锚的结构稳定性，进而增加mems开关继电器的使用寿命。
35.第三方面，本技术提供一种功率设备，所述功率设备包括电路板和至少一个如第一方面申请的mems开关继电器，所述至少一个mems开关继电器设置于所述电路板上，所述至少一个mems开关继电器与电路连接，所述至少一个mems开关继电器用于控制所述电路的连接与关断。可以理解的，mems开关继电器在功率设备中起到控制电路通断的作用，所述功率设备中使用所述mems开关继电器，可以起到如本技术第一方面或第二方面中优点，在此不再复述。
附图说明
36.图1为本技术中的mems开关继电器应用场景示意图；
37.图2a为现有技术静电型mems开关继电器示意图；
38.图2b为现有技术静电型mems开关继电器控制示意图；
39.图3a、3b、3c、3d、3e、3f为本技术中mems开关继电器示意图；
40.图4为本技术中另一种mems开关继电器示意图；
41.图5a为本技术中mems开关继电器控制方法流程图；
42.图5b为本技术中mems开关继电器控制方法细化流程图；
43.图6为本技术中另一种mems开关继电器控制方法流程图。
44.附图标记：
45.功率设备-01，电路一-11，电路二-12，继电器-13/14，外部电源或电路等-15，基板-21，绝缘层-22，源极-23，栅极-24，漏极-25、第一漏极-251、第二漏极-252，锚-26，悬梁臂-27、悬梁臂固定端-27a、悬梁臂活动端-27b、第一悬梁臂-271、第一悬梁臂的活动端-271b、第二悬梁臂-272、第二悬梁臂的活动端-272b，触点-28、第一触点-28a、第二触点-28b，第一子单元触点-281、第一子单元第一触点-281a、第一子单元第二触点-281b，第二子单元触点-282、第二子单元第一触点-282a、第二子单元第二触点-282b，电感线圈-29、绕组-29a、磁芯-29b、第一电感线圈-291、第一电感线圈绕组-291a、第一电感线圈磁芯-291b、第二电感线圈-292、第二电感线圈绕组-292a、第二电感线圈磁芯-292b，永磁薄膜-30、第一永磁薄膜-301、第二永磁薄膜-302。
具体实施方式
46.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
47.继电器在电力电子设备中扮演着重要的角色，一般在电路中起着利用小电压控制大电压的作用。随着电力电子技术向着高压高电流方向的发展，对于继电器的要求也逐渐提高，传统的继电器体积大、开关速度慢，已经不适应于当前应用场景。而mems开关继电器，由于其体积小、开关速度快、易于集成的优点，逐渐取代传统继电器，成为主流的继电器。
48.如图1所示，为mems开关继电器的应用场景示意图，在功率设备01中具有电路一11与电路二12，同时在两者之间还有mems开关继电器13，mems开关继电器13可以控制电路一11与电路二12的连接与断开，同时功率设备01还有mems开关继电器14，负责控制功率设备01与外部电源或电路等15的连接与断开。图1中的电路一11与电路二12可以由单个的器件组成也可以由多个器件组成。
49.静电型mems开关继电器是当前的主流的mems开关继电器，静电力是一种表面力，其驱动能力有限，只有微牛顿量级，因此，静电驱动的mems开关继电器的驱动电压一般都较大，有的会达到40v甚至是80v；为了降低驱动电压，减小悬梁臂与栅极之间的间距或者增大悬梁臂与栅极间有效作用面积可以提高器件的驱动能力，但间距过小会影响器件的隔离能力，同时对工艺的要求也相应增大；如果要通过提高电极间的作用面积来增大器件的驱动能力，势必会降低芯片面积的使用效率，不利于减小器件的尺寸，也难以降低器件的成本。由于悬梁臂与漏极之间距离也不能太大，因此mems开关继电器所控制的电压也会受到限制，一般只能在400v左右，这成为限制静电型mems开关继电器发展的主要瓶颈。
50.如图2所示，为现有的静电型mems开关继电器的主视图，静电型mems开关继电器包括基板21、绝缘层22、源极23、栅极24、漏极25、锚26、悬梁臂27以及触点28。由图2a可以看出，源极23、栅极24和漏极25沿第一方向依次设置于基板21的第一表面，当存在绝缘层22时，源极23、栅极24和漏极25沿第一方向依次设置于绝缘层22的第一表面，如图2b所示，源极23与栅极24之间用于连接电源vgs，当电源vgs导通时，悬梁臂27与栅极24的相对表面分别形成正负电荷，正负电荷产生相互吸引的静电力，悬梁臂的活动端27b在静电力的作用下逐渐靠近漏极25，最终第一触点28a与第二触点28b相互接触，这时vds导通。一般的，vgs为几十伏左右，vds为几百伏左右。如果要提高隔离电压vds，例如vds为几千伏，则需要增加第一触点28a与第二触点28b之间的距离，以防第一触点28a与第二触点28b由于距离太近而在高压作用下被直接击穿，而第一触点28a与第二触点28b之间的距离的增加，根据平板电容上的静电力公式：
[0051][0052]
悬梁臂和栅极的距离x越远，悬梁臂的静电力越小，为了使悬梁臂的活动端27b仍然可以与漏极25闭合，需要增大电源vgs的电压，或者增加悬梁臂27与栅极24的面积s，以在悬梁臂与栅极的表面积累更多的电荷，但是这样会增加这个mems开关继电器的体积，不符合当前小型化的发展趋势。
[0053]
针对以上问题，本技术提供了一种新型的mems开关继电器及其控制方法与功率设备。本技术中的mems开关继电器采用磁场力的方案，结合电感线圈产生的磁场与永磁薄膜的静磁场，两者相互配合，降低了对驱动电源的要求。由于磁场力的施力范围广，采用几伏左右的电源即可满足mems开关继电器的关断与闭合的需求，降低了驱动电源的电压，同时悬梁臂与漏极的距离可以做的更长，从而使mems开关继电器可以控制更高的电压。
[0054]
本技术提供的第一种实施例如图3a所示，本技术的第一种实施例提供一种mems开关继电器，该mems开关继电器包括：基板21、源极23、漏极25、锚26、悬梁臂27、电感线圈29和永磁薄膜30，源极23和漏极25沿第一方向依次设置于基板21的第一表面，如图3f所示，当基板21的第一表面设置有绝缘层22时，源极23和漏极25沿第一方向依次设置于绝缘层22的第一表面，悬梁臂27的固定端27a通过锚26与源极23连接，悬梁臂27选用设置于基板21的第一表面，在一些实施例中，悬梁臂的活动端27b悬空设置于漏极25背离基板21的一侧的正上方。由于取消了栅极24，因此也不存在源极23与栅极24之间的电源vgs。
[0055]
为了弥补静电力的不足，在基板21内部靠近悬梁臂27的一侧设置电感线圈29，其中电感线圈29包括绕组29a与磁芯29b。将电感线圈29与电源vcoil连接，使电感线圈29在电流的作用下产生磁场，磁芯29b可以增强电感线圈29中的磁场，通电状态下的电感线圈29可以对悬梁臂27以锚26为轴产生向下的拉力，从而使悬梁臂的活动端27b向靠近漏极25的方向运动或与使悬梁臂的活动端27b与漏极25保持闭合。为了进一步的增强悬梁臂27与电感线圈29之间的磁场，在悬梁臂27靠近基板21的一面表贴设置永磁薄膜30。永磁薄膜30与电感线圈29的磁芯29b之间形成磁场空间，产生稳定的静磁场，静磁场结合电感线圈29产生的动磁场，既可以相互叠加也可以相互抵消，从而增加mems开关继电器控制悬梁臂27的灵活性。
[0056]
磁场力能够在较大的作用行程里产生较大的驱动力。由于磁场力相比静电力的施力范围要大，使用电压值较小的驱动电源，就可以将悬梁臂的活动端27b与漏极25之间的距离设置的更大，也不用增加悬梁臂27的表面积，就可以达到提高控制悬梁臂27与漏极25之间电压vsd的目的，维持了mems开关继电器小型化的发展路线，同时，由于永磁薄膜30的存在，将静磁场与电感线圈中的动磁场相结合，合理设置永磁薄膜30磁场力的大小以及电感线圈29中电流的通断、方向和大小，可以降低mems开关继电器的能耗，以及控制mems开关继电器的开关频率。
[0057]
电感线圈29磁芯29b可以使电感线圈29中产生更多的磁感线，从而使电感线圈29在同样大小的电流下产生更多的磁场力。由于软磁材料容易被磁化，也容易被退磁，因此，一般的，选用软磁材料作为磁芯29b，这类材料的磁滞回线所包围的面积很小、矫顽力很低、剩磁小、磁化曲线在饱和以前上升的很陡，即磁导率很高。常用的软磁材料主要有：电工用纯铁、铁硅合金、铁镍合金和软磁铁氧体等。铁具有高的饱和磁感应强度、高磁导率和低的矫顽力，但纯铁不太适于用薄膜方法制备。铁硅合金的硅含量在45％左右，其磁导率大大增加，矫顽力很小，但剩磁变化不大。软磁铁氧体最大的特点是具有高的电阻率，其磁导率也较高。在机械性能方面，软磁铁氧体既硬又脆，延展性能极差。由于软磁铁氧体是利用高压高温烧结工艺制造而成，因而它不适合用化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)、溅射、电镀等方法制备成薄膜，也就不适合用作平面线圈的铁芯材料。但由于它的硬度高，可研磨，所以非常适于作线圈的基底材料。一般的，可以根据mems开关继电器应用场景的不同，选择不同的磁芯材料，以及不同的加工工艺。
[0058]
一般的，电感线圈29中的绕组29a是由绝缘材料包裹的，绝缘材料的选择直接影响并决定着mems开关继电器的允许温升和使用寿命。绝缘材料的选用应从其介电强度、绝缘电阻、电介质损耗以及与选用加工工艺相容性等几个方面考虑。
[0059]
同时也可以根据场景的需要设置多个电感线圈29，设置多个电感线圈29一方面可
以增加磁场力，另一方面也可以提高磁场力的控制灵活性，例如将多个电感线圈29按照不同的方式进行排列，可以增加磁场力的施力方向的多样性。
[0060]
由图3a可以看出，电感线圈29在第二方向上的投影与永磁薄膜30在第二方向的投影相互重叠。这样动磁场与静磁场在施力空间中可以相互重叠，使动磁场与静磁场的结合使用更加方便，提高动磁场与静磁场之间的相互补充程度。当然，在一种可行的实施方式中，如图3b所示，电感线圈29在第二方向上的投影与永磁薄膜30在第二方向的投影也可以不相互重叠，这样的设置可以适应一些特殊要求的场景。
[0061]
由图3a可以看出，悬梁臂27除固定端27a的其他部分均悬空设置于基板21的第一表面，这样悬梁臂27与电感线圈29之间的磁场空间中形成施力空间。悬梁臂的活动端27b悬空设置于漏极25背离基板21的一侧的正上方，悬梁臂的活动端27b与漏极25之间形成活动空间。在施力空间中，由电感线圈29产生的磁场力与由永磁薄膜30与磁芯29b之间产生的静磁场均以锚26为轴在施力空间中对悬梁臂27产生向下的力矩，从而使悬梁臂的活动端27b在活动空间中向靠近漏极25的方向运动或使悬梁臂的活动端27b与漏极25保持闭合。一般的，悬梁臂27的材料为金属材料。可选的，悬梁臂27的材料为ni金属合金、软磁材料等。当然，在一种可行的实施方式中，如图3c所示，悬梁臂的活动端27b悬空可以不设置于漏极25背离基板21的一侧的正上方，允许有一定的偏移。
[0062]
如图3d所示，在一些可行的实施方式中，永磁薄膜30也可以表贴于悬梁臂27远离基板21的一面。
[0063]
如图3e所示，在一些可行的实施方式中，电感线圈29设置于基板21的第一表面，这种设置方式。
[0064]
如图3f所示，在第一种实施例提供的mems开关继电器中还包括绝缘层22，绝缘层22设置于基板21的第一表面上，一般的，基板21为半导体材料，如硅，包括多晶硅和单晶硅，而源极23以及漏极25为金属材料，绝缘层22可以起到将基板21与源极23以及漏极25相隔离的作用，防止基板21与源极23以及漏极25之间的短路现象的发生。一般的，绝缘层22所使用的材料可以与电感线圈29中绕组29a所使用的材料相同。同时，基板21也可以包含玻璃，石英，陶瓷等。
[0065]
如图3f所示，在第一种实施例提供的mems开关继电器中还包括触点28，触电28包括第一触点28a与第二触点28b，第一触点28a与第二触点28b相对设置，第一触点28a设置于悬梁臂的活动端27b靠近漏极25的一侧，第二触点28b设置于漏极25靠近悬梁臂27活动端27b的一侧。mems开关继电器通过第一触点28a与第二触点28b的闭合或断开，来实现控制电路的闭合或断开。一般的，触点28具有良好的电学与热学性能，可以很好的导电以及导热。
[0066]
最后，mems开关继电器还包括壳体，本技术中没有给出相应的图示，壳体内设置有高介电强度气体，壳体用于封装mems开关继电器。一般的，高介电强度气体为sf4气体。高介电强度气体可以起到电气隔离的作用，保护mems开关继电器，减少mems开关继电器短路的发生。
[0067]
本技术提供的第二种实施例如图4所示，在实施例一中，mems开关继电器的悬梁臂27为单臂，用于连接悬梁臂27与源极23的锚26长时间工作在受力不平衡的状态，随着时间的累积，锚26经常出现结构性的损坏，造成mems开关继电器使用寿命的下降。为了克服上述问题，实施例二提供了一种双悬梁臂的mems开关继电器。
[0068]
如图4所示，该双悬梁臂的mems开关继电器在实施例一的基础上做了进一步的改进，悬梁臂27包括第一悬梁臂271和第二悬梁臂272，与之相适应的，漏极25包括第一漏极251与第二漏极252，电感线圈29包括第一电感线圈291与第二电感线圈292，永磁薄膜30包括第一永磁薄膜301与第二永磁薄膜302。第一悬梁臂271与第二悬梁臂272共用一个悬梁臂固定端27a，第一悬梁臂271与第二悬梁臂272通过悬梁臂固定端27a与源极23连接，与单悬梁臂类似的，第一悬梁臂271与第二悬梁臂272悬空设置于基板21的第一表面。第一漏极251、源极23与第二漏极252沿第一方向依次设置于基板21的第一表面。第一永磁薄膜301表贴于第一悬梁臂271的表面，第二永磁薄膜302表贴于第二悬梁臂272的表面。第一电感线圈291与第二电感线圈292均设置于基板21内，第一电感线圈291与第一永磁薄膜301相对设置，第二电感线圈292与第二永磁薄膜302相对设置，这里“相对设置”应理解为第一电感线圈291与第一永磁薄膜301在悬梁臂固定端27a的同一侧，第二电感线圈292与第二永磁薄膜302在悬梁臂固定端27a的另一侧。
[0069]
为了使锚26可以达到受力平衡，需要同时控制第一悬梁臂271与第二悬梁臂272的运动。因此，将第一电感线圈291和第二电感线圈292分别与电源vcoil1与vcoil2连接，这样可以分别在对应的施力空间中产生磁场力。相比于悬梁臂具有单个活动端的情况，利用磁场力同时控制第一悬梁臂的活动端271b和第二悬梁臂的活动端272b的运动或静止，锚26同时受到两个大小相等但方向相反的切向拉力或张力，使锚26的受力达到平衡，增强了锚26的结构稳定性，增加了mems开关继电器的使用寿命。实施例二提供的mems开关继电器其他部分的特征，可以与实施例一共享，在这里不再赘述。
[0070]
本技术提供的第三种实施例为本技术提供的mems开关继电器的对应的控制方法，对于mems开关继电器的结构可以参考实施例一或实施例二提供的描述，在这里不再赘述，如图5a所示，为第三种实施例提供的mems开关继电器的控制方法的流程图。包括：
[0071]
s1：将电感线圈29与电源vcoil连接；
[0072]
s2：分别控制电感线圈29与电源vcoil，以使悬梁臂的活动端27b与漏极25的闭合或断开。
[0073]
电感线圈29与电源vcoil连接，通过控制电感线圈29与电源vcoil的通断或者电感线圈29中电流的方向或大小，可以在mems继电器的施力空间中控制动磁场的有无、方向以及大小，从而与永磁薄膜30与磁芯29b之间的静磁场一起控制悬梁臂的活动端27b靠近或远离漏极25。磁场力可以有效的降低由于静电力作用距离短所需隔离电压vds大的问题，同时，合理的控制方式可以使降低mems开关继电器的能耗，以及控制mems开关继电器的开关频率。
[0074]
mems开关继电器在正常工作时，对于mems开关继电器一个完整的开关周期，s2步骤可以进一步的细化，如图5b所示：
[0075]
s21：导通与电感线圈29连接的电源vcoil，其中电流方向为第一电流方向，在悬梁臂27与电感线圈29之间的施力空间中产生动磁场，动磁场与永磁薄膜30与磁芯29b之间的静磁场的相互叠加，使悬梁臂的活动端27b与漏极25闭合。由于磁场力比静电力具有更大的施力距离，使用电压值更小的电源vcoil，就可以使悬梁臂的活动端27b与漏极25闭合。
[0076]
s22：断开或减小电感线圈29中的电流，使悬梁臂的活动端27b与漏极25保持闭合。在悬梁臂的活动端27b与漏极25的闭合状态下，悬梁臂的活动端27b与漏极25之间的距离很
近，根据电磁定理，永磁薄膜30与磁芯29b之间的静磁场强度达到最大，如果永磁薄膜30与磁芯29b的磁场力大于或等于维持悬梁臂的活动端27b与漏极25闭合所需要的拉力，则可以断开电感线圈29中的电流，撤销电感线圈29产生的动磁场，从而使mems开关继电器在闭合时不消耗电能。如果永磁薄膜30与磁芯29b的磁场力仍然小于维持悬梁臂的活动端27b与漏极25闭合所需要的拉力，也可以减小电感线圈29中的电流，从而降低能量消耗。
[0077]
s23：导通与电感线圈29连接的电源vcoil，且电流方向与第一电流方向相反，以使悬梁臂的活动端27b与漏极25断开。电感线圈29中电流方向与第一电流方向相反，在悬梁臂27与电感线圈29之间的施力空间中产生与步骤s21极性相反的动磁场，和永磁薄膜30与磁芯29b之间的静磁场相互抵消，降低整个施力空间中的磁场力且使其小于维持悬梁臂27与漏极25闭合所需的拉力，从而使悬梁臂的活动端27b与漏极25断开。
[0078]
对于步骤s21，在一种可能的实施方式中，在悬梁臂的活动端27b与漏极25闭合的过程中，减小电感线圈29中电流的大小，以使悬梁臂的活动端27b与漏极25可以闭合。由于永磁薄膜30与磁芯29b之间的距离减小，导致两者之间的静磁场力增大，静磁场力与电感线圈29产生的动磁场力叠加，如果超过悬梁臂活动端27b与漏极25执行闭合动作所需的拉力，可以减小电感线圈29中的电流，降低电感线圈29产生的动磁场，减少能耗。需要说明的是，在同等的条件下，采用原步骤s21的方式，悬梁臂活动端27b与漏极25的闭合速度将会加快，有助于提高mems开关继电器的开关频率。
[0079]
对于步骤s23，在一种可能的实施方式中，悬梁臂的活动端27b与漏极25由闭合状态转为断开状态，如果悬梁臂的活动端27b与漏极25在闭合状态时，电感线圈29内部仍然有电流，在需要将mems开关继电器的悬梁臂与漏极断开时，可以继续降低或者直接断开电感线圈29中的电流，从而降低悬梁臂27与漏极25之间磁场力，以使其小于维持悬梁臂活动端27b与漏极25闭合所需的力，从而悬梁臂27与漏极25分离。需要说明的是，在同等的条件下，采用原步骤s23的方式，悬梁臂活动端27b与漏极25的断开速度将会加快，有助于提高mems开关继电器的开关频率。
[0080]
本技术提供的第四种实施例是针对第二种实施例中提供的mems开关继电器的控制方法，对于实施例二中的mems开关继电器具体结构，在此处不再赘述，同时本实施例中的控制方法与实施三的控制方法在整体的控制逻辑上一致，因此这里仅对其中的不同点做出描述，具体的，如图6所示：
[0081]
s21’：导通第一电感线圈291与第二电感线圈292中的电源vcoil1与vcoil2，电流方向为第一电流方向，同时在第一悬梁臂271与第一电感线圈291之间的施力空间以及第二悬梁臂272与第二电感线圈292之间的施力空间中分别产生动磁场，动磁场分别与第一永磁薄膜301和第一磁芯291b以及第二永磁薄膜302和第二磁芯292b之间各自的静磁场的相互叠加，以使第一悬梁臂的活动端271b与第一漏极251以及第二悬梁臂的活动端272b与第二漏极252在磁场力的作用下同时闭合；
[0082]
s22’：断开或减小第一电感线圈291和第二电感线圈292中的电流，同时撤销或减小第一电感线圈291和第二电感线圈292产生的静磁场，以使第一悬梁臂的活动端271b与第一漏极251以及第二悬梁臂的活动端272b与第二漏极252在静磁场或较小的动磁场的作用下保持闭合；
[0083]
s23’：导通与第一电感线圈291和第二电感线圈292连接的电源vcoil1与vcoil2，
且电流方向与第一电流方向相反，在第一悬梁臂271与第一电感线圈291以及第二悬梁臂272与第二电感线圈292之间的施力空间中产生与步骤s21’极性相反的动磁场，分别和第一永磁薄膜301与第一磁芯291b以及第二永磁薄膜302与第二磁芯292b之间的静磁场相互抵消，以使第一悬梁臂的活动端271b与第一漏极251以及第二悬梁臂的活动端272b与第二漏极252同时断开。需要说明的，对于步骤s21’与步骤s23’中的第一电流与第二电流，都应理解为包含两个电流，分别为第一电感线圈291的第一电流、第二电感线圈292的第一电流以及第一电感线圈291的第二电流、第二电感线圈292的第二电流。第一电感线圈291的第一电流与第二电感线圈292的第一电流的方向可以相同，也可以不同；第一电感线圈291的第二电流、第二电感线圈292的第二电流的方向可以相同，也可以不同。只要在第一电感线圈291与第二电感线圈292产生的磁场极性方向相同即可。
[0084]
本实施例针对实施例二提供的mems开关继电器的两个悬梁臂进行同步控制，使mems开关继电器的锚26始终处于受力平衡的状态中，从而增强锚26的结构稳定性，提高mems开关继电器的使用寿命。
[0085]
本技术的第五种实施方式提供了一种功率设备。该功率设备包括电路板和至少一个如实施例一到四中的mems开关继电器，至少一个mems开关继电器设置于电路板上，至少一个mems开关继电器与电路连接，至少一个mems开关继电器用于控制电路的连接与关断。如图1中所示，至少一个mems开关继电器可以控制功率设备内部电路的关断与连接或功率设备与外部电路的关断与连接。可以理解的，mems开关继电器在功率设备中起到控制电路通断的作用，功率设备使用如实施例一到四中的mems开关继电器，可以起到如实施例一到四中描述的mems开关继电器的优点，在此不再复述。
[0086]
以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种mems开关继电器，其特征在于，所述mems开关继电器包括源极、漏极、电感线圈、悬梁臂、永磁薄膜、锚和基板；所述源极与所述漏极沿第一方向依次设置于所述基板的第一表面；所述悬梁臂的固定端通过所述锚与所述源极连接，所述悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面；所述永磁薄膜表贴于所述悬梁臂的表面，且位于所述悬梁臂靠近所述基板的一面；所述电感线圈包括绕组与磁芯，所述电感线圈与所述永磁薄膜相对设置，所述电感线圈设置于所述基板靠近所述悬梁臂的一侧，且位于所述基板内，所述磁芯与所述永磁薄膜之间在第二方向上形成磁场空间，所述第二方向与所述第一方向相互垂直。2.根据权利要求1所述的mems开关继电器，其特征在于，所述永磁薄膜表贴于所述悬梁臂的表面，包括：所述永磁薄膜表贴于所述悬梁臂远离所述基板的一面。3.根据权利要求1或2所述的mems开关继电器，其特征在于，所述电感线圈设置于所述基板靠近所述悬梁臂的一侧，包括：所述电感线圈设置于所述基板的第一表面。4.根据权利要求1-3任一项所述的mems开关继电器，其特征在于，所述磁芯与所述永磁薄膜之间在第二方向上形成磁场空间，包括：所述磁芯在所述第二方向上的投影与所述永磁薄膜在第二方向上的投影相互重叠。5.根据权利要求1-4任一所述的mems开关继电器，其特征在于，所述悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面，包括：所述悬梁臂的活动端悬空设置于所述漏极背离所述基板的一侧的正上方，所述悬梁臂的活动端与所述漏极之间形成活动空间。6.根据权利要求1-5任一项所述的mems开关继电器，其特征在于，所述漏极包括第一漏极与第二漏极，所述第一漏极、所述源极与所述第二漏极沿第一方向依次设置于所述基板的第一表面；所述悬梁臂包括第一悬梁臂与第二悬梁臂，所述第一悬梁臂与所述第二悬梁臂共用固定端，所述第一悬梁臂与第二悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面；所述永磁薄膜包括第一永磁薄膜与第二永磁薄膜，所述第一永磁薄膜表贴于所述第一悬梁臂的表面，所述第二永磁薄膜表贴于所述第二悬梁臂的表面；所述电感线圈包括第一电感线圈与第二电感线圈，所述第一电感线圈与所述第一永磁薄膜相对设置，所述第二电感线圈与所述第二永磁薄膜相对设置。7.根据权利要求1-6任一所述的mems开关继电器，其特征在于，所述mems开关继电器还包括绝缘层，所述绝缘层设置于所述基板的第一表面，且位于所述源极、所述漏极与所述基板之间。8.根据权利要求1-7任一所述的mems开关继电器，其特征在于，所述mems开关继电器还包括触点，所述触点包括第一触点与第二触点，所述第一触点与所述第二触点相对设置，所述第一触点设置于所述悬梁臂活动端靠近所述漏极的一侧，所述第二触点设置于所述漏极靠近所述悬梁臂活动端的一侧。9.根据权利要求1-8任一所述的mems开关继电器，其特征在于，所述mems开关继电器还
包括壳体，所述壳体内设置有高介电强度气体，所述壳体用于封装所述mems开关继电器。10.根据权利要求1-9任一所述的mems开关继电器，其特征在于，所述悬梁臂的材料为金属材料。11.一种mems开关继电器的控制方法，其特征在于，应用于所述mems开关继电器，所述mems开关继电器包括源极、漏极、电感线圈、悬梁臂、永磁薄膜、锚和基板，所述源极与所述漏极沿第一方向依次设置于所述基板的第一表面，所述悬梁臂的固定端通过所述锚与所述源极连接，所述悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面，所述永磁薄膜表贴于所述悬梁臂的表面，且位于所述悬梁臂靠近所述基板的一面，所述电感线圈包括绕组与磁芯，所述电感线圈与所述永磁薄膜相对设置，所述电感线圈设置于所述基板靠近所述悬梁臂的一侧，且位于所述基板的内，所述磁芯与所述永磁薄膜之间在第二方向上形成磁场空间，所述第二方向与第一方向相互垂直，所述方法包括：将所述电感线圈与电源连接；控制所述电感线圈中电流，以使所述悬梁臂的活动端与所述漏极闭合或断开。12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述电感线圈中电流，以使所述悬梁臂的活动端与所述漏极闭合或断开，包括：导通与所述电感线圈连接的电源，电流方向为第一电流方向，以使所述悬梁臂的活动端与所述漏极闭合；断开或减小所述电感线圈中的电流，所述悬梁臂的活动端与所述漏极保持闭合；导通与所述电感线圈连接的电源，且电流方向与所述第一电流方向相反，以使所述悬梁臂的活动端与所述漏极断开。13.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述漏极包括第一漏极与第二漏极，所述第一漏极、所述源极与所述第二漏极沿第一方向依次设置于所述基板的第一表面，所述悬梁臂包括第一悬梁臂与第二悬梁臂，所述第一悬梁臂与所述第二悬梁臂共用固定端，所述第一悬梁臂与第二悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面，所述永磁薄膜包括第一永磁薄膜与第二永磁薄膜，所述第一永磁薄膜表贴于所述第一悬梁臂的表面，所述第二永磁薄膜表贴于所述第二悬梁臂的表面，所述电感线圈包括第一电感线圈与第二电感线圈，所述第一电感线圈与所述第一永磁薄膜相对设置，所述第二电感线圈与所述第二永磁薄膜相对设置，所述方法包括：导通与所述第一电感线圈和所述第二电感线圈连接的电源，电流方向为第一电流方向，以使所述第一悬梁臂的活动端与所述第一漏极以及所述第二悬梁臂的活动端与所述第二漏极同时闭合；断开或减小所述第一电感线圈和所述第二电感线圈中的电流，以使所述第一悬梁臂的活动端与所述第一漏极以及所述第二悬梁臂的活动端与所述第二漏极保持闭合；导通与所述第一电感线圈和所述第二电感线圈连接的电源，且电流方向与所述第一电流方向相反，以使所述第一悬梁臂的活动端与所述第一漏极以及所述第二悬梁臂的活动端与所述第二漏极同时断开。14.一种功率设备，其特征在于，所述功率设备包括电路板和至少一个如权利要求1-10所述的mems开关继电器，所述至少一个mems开关继电器设置于所述电路板上，所述至少一个mems开关继电器与电路连接，所述至少一个mems开关继电器用于控制所述电路的连接与
关断。

技术总结
本申请提供了一种MEMS开关继电器以及控制方法和功率设备，MEMS开关继电器包括源极、漏极、永磁薄膜、电感线圈、悬梁臂、锚和基板；源极与漏极沿第一方向依次设置于基板的第一表面；悬梁臂的固定端通过锚与源极连接，所述悬梁臂悬空设置于所述基板的第一表面；所述永磁薄膜表贴于所述悬梁臂的表面，且位于所述悬梁臂靠近所述基板的一面；所述电感线圈包括绕组与磁芯，所述电感线圈与所述永磁薄膜相对设置，所述电感线圈设置于所述基板靠近所述悬梁臂的一侧，且位于所述基板的内，所述磁芯与所述永磁薄膜之间在第二方向上形成磁场空间，所述第二方向与第一方向相互垂直。该MEMS开关继电器可以降低驱动电压，同时也可以提高隔离电压。压。压。


技术研发人员：罗涛 赖彬 胡小情 景遐明
受保护的技术使用者：华为数字能源技术有限公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/22