微機(jī)械電磁繼電器動(dòng)致鎖定機(jī)理及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究

本項(xiàng)目提出了將器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和磁路優(yōu)化相互結(jié)合改進(jìn)微機(jī)械繼電器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，從而為解決制約繼電器進(jìn)一步推廣應(yīng)用的可靠性問(wèn)題提供可行的方法。對(duì)于進(jìn)一步提高現(xiàn)有器件性能而言，難點(diǎn)是如何在微型化的器件中有效改善器件的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性、同時(shí)提高器件的能量轉(zhuǎn)換效率，對(duì)此本項(xiàng)目通過(guò)分布式磁路法建立器件的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換模型，結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化和磁路優(yōu)化以調(diào)整器件的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而探索出切實(shí)可行，具備原創(chuàng)性的解決方案,取得的成果有: (1)運(yùn)用分布模型對(duì)原有的集總磁路法模型作了進(jìn)一步改進(jìn)，從而能夠定量評(píng)估繞組占空比、內(nèi)外圈直徑等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)器件輸出電磁力的影響，為進(jìn)一步分析器件的動(dòng)力學(xué)特性提供了快速有效的分析工具。在此基礎(chǔ)上，以動(dòng)態(tài)響應(yīng)全過(guò)程優(yōu)化為目標(biāo)，采用MATLAB 優(yōu)化了線(xiàn)圈匝數(shù)、鐵鎳厚度及面積，并以此為基礎(chǔ)，利用ANSYS 對(duì)器件的磁場(chǎng)分布及磁力進(jìn)行了仿真分析?；谡蛲?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化法，設(shè)計(jì)了非線(xiàn)性度最弱的蛙腳型平面彈簧結(jié)構(gòu)，并以磁力為參考，運(yùn)用卡式定理和有限元法，優(yōu)化彈簧的臂寬和厚度?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)，分析了器件穩(wěn)定切換的閾值范圍，結(jié)合設(shè)計(jì)與工藝考慮優(yōu)化后的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：6mm器件平面線(xiàn)圈匝數(shù)60 匝，底部、頂部鐵鎳厚度10μm，平面彈簧的臂寬100μm，厚度12μm，彈性系數(shù)為6.84N/m，工作行程375μm，驅(qū)動(dòng)電流100mA。相關(guān)論文已在Applied Physics letters、Electromagnetics等期刊發(fā)表； (2)提出了一種低功耗高穩(wěn)定性的磁雙穩(wěn)微型繼電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)磁路優(yōu)化，將橫置永磁體對(duì)稱(chēng)設(shè)置于勵(lì)磁鐵芯的下方且極性相對(duì)，使得永磁體并聯(lián)而不是串聯(lián)在切換磁路中，從而避免了切換電磁磁動(dòng)勢(shì)對(duì)偏置永磁體的退磁作用，有效改善了電磁繼電器工作的穩(wěn)定性并有效降低了其功耗。 (3) 綜合運(yùn)用UV-LIGA和其他非硅表面微加工技術(shù)，研究了兩種結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的成套微加工工藝技術(shù)，其中 6mm 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)微加工技術(shù)制備完成的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)尺寸為6mm*6mm* 2mm。3mm 集成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的器件整體尺寸為3mm*3mm*1mm；針對(duì)微繼電器的核心部件，提出了借鑒TSV電鍍技術(shù)簡(jiǎn)化線(xiàn)圈繞組制造成套工藝的思路，以紫外光刻成型的SU-8膠實(shí)現(xiàn)微電鑄掩膜與絕緣填充層合二為一，既發(fā)揮了SU-8膠結(jié)構(gòu)高深寬比的優(yōu)勢(shì)，又避免了SU-8膠難以去膠的困難.

MEMS電磁繼電器是繼電器微型化主流方案、代表了未來(lái)繼電器高端產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。但觸頭彈跳已成為限制其壽命、制約實(shí)用化的瓶頸問(wèn)題之一，需要針對(duì)器件微型化后的結(jié)構(gòu)、尺寸特點(diǎn)，研究有別于傳統(tǒng)宏觀(guān)器件的彈跳抑制方法。在前期研究的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目提出分析/利用動(dòng)致鎖定機(jī)理來(lái)抑制觸頭彈跳，綜合運(yùn)用改變器件動(dòng)力學(xué)傳遞函數(shù)和調(diào)整外加激勵(lì)時(shí)/頻特性的方法優(yōu)化器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，探尋從根本上抑制觸頭彈跳的有效途徑。在此基礎(chǔ)上，評(píng)估器件尺寸加工偏差及驅(qū)動(dòng)電壓脈沖波形失真對(duì)彈跳抑制效果的影響，提出可以在集成制造的批量化器件中實(shí)現(xiàn)的彈跳抑制方法，據(jù)此設(shè)計(jì)、制造器件、測(cè)試其性能，驗(yàn)證該方法的有效性與可行性。本項(xiàng)目是微米尺度上抑制結(jié)構(gòu)沖擊與振動(dòng)的有益嘗試，將為機(jī)械學(xué)科的相關(guān)研究向微觀(guān)領(lǐng)域推進(jìn)探索可行的分析方法和研究手段。研究成果有望克服限制MEMS電磁繼電器壽命的重要因素，加速其實(shí)用化進(jìn)程，提升國(guó)內(nèi)繼電器產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平。

《工程巖體微震機(jī)制及其應(yīng)用》結(jié)合工程實(shí)際，全面分析和論述工程巖體微震機(jī)制、信號(hào)規(guī)律、頻譜特征、微震監(jiān)測(cè)實(shí)施與洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。全書(shū)共8章，分別介紹了微震機(jī)制的研究意義、現(xiàn)狀和趨勢(shì)，巖體損傷與震動(dòng)規(guī)律、巖石聲發(fā)射釋放與信號(hào)分析、微震波場(chǎng)特征與震源反演、微震監(jiān)測(cè)工程實(shí)施與微震活動(dòng)規(guī)律，以及地下工程微震監(jiān)測(cè)的安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究。

《工程巖體微震機(jī)制及其應(yīng)用》可供水電、礦山、隧道、巖土、石油、地質(zhì)等相關(guān)工程領(lǐng)域的廣大科技人員、工程技術(shù)人員和大專(zhuān)院校師生參考。