一种全新的MEMS开关——高性能、快速、低能耗以及双稳态

　　这种开关最早由申军教授和研究生阮梅春发明，研究生埃里克·朗格卢瓦在简化结构和缩小尺寸上作了探索，黄志林用相同原理做出了MEMS光学镜子开关，曹志良改变设计、材料和工艺后制作出了能同步开关的矩阵。这种MEMS开关的悬臂镀有软磁材料，在外磁场中趋向磁场方向排列从而稳定住开或关的状态，衬底上的平面线圈在需要开关切换时瞬间通电，产生的电磁场将改变悬臂的磁化方向，从而使悬臂在外磁场作用下旋转，改变开关状态。

一、软磁悬臂在外磁场中的双稳态

　　用软磁材料制造的悬臂在外磁场中总是趋向于跟外磁场平行。图一显示了软磁悬臂在磁场中的趋向和优先磁化方向。悬臂首先沿着长轴方向磁化，磁化强度正比于外磁场在长轴方向的分量。换句话说，把一根软磁悬臂放进外磁场，悬臂就会作顺时针或者逆时针转动。图二是磁场分布图。如果在悬臂上做一个支点，两头安放两个阻挡块，悬臂就有两个稳定状态。（图三）一旦悬臂转动到某个状态，它就会保持在这个状态而不需要任何能量。

（图一）

（图二） 
 
（图三）

二、软磁悬臂在两个稳定态间的切换 

软磁悬臂能够一直保持在一个状态直到作用在它上面的力矩逆转。而逆转力矩的最好方法就是逆转悬臂的磁化方向从而逆转跟外磁场作用产生的磁力矩。逆转磁化方向的有效方法是逆转外磁场在悬臂上的投影分量。这就需要瞬间磁场，它大于永久外磁场在悬臂上的分量但是方向正好相反。在图四中，悬臂下的平面线圈垂直于悬臂和永久外磁场。当一个电流脉冲通过线圈时，一个跟悬臂基本上平行的磁场就产生了。如果这个瞬间磁场足够大就会改变悬臂上的磁化方向，从而改变作用在它上面的力矩方向，这个时候悬臂就会转动。当它越过水平线后，撤去瞬间磁场，悬臂会继续转动，最后被外磁场稳定在新的状态。 

（图四）

三、设计和制造 
图五是这种MEMS开关的三维立体图。图六是Layout图。 悬臂上的软磁材料是Ni₈₀Fe₂₀合金，10至20微米厚，是电镀上去的。平面线圈是3微米厚的金，也是电镀的。 图七是几种略微不同的MEMS开关，图八是2x2矩阵。 

（图五）
 
（图六） 

（图七）
 
（图八）

四、测量结果 
图八是输出电压（深蓝）对应驱动电压（粉红）图。驱动电压是很短的脉冲。输出电压一正一负表示关和开两个状态。 图九和图十是开关合上跟打开的时间图。关上时间大约0.125毫秒，打开时间大约0.03毫秒。这个时间快过绝大多数机械开关。（曹志良）

（图九）

（图十）
 
（图十一）