一种新型微小型继电器的介绍

1 引言

人类对微观世界的探索和小型化的追求是无止境的。各种应用的智能化和自动化需要把更多的功能集成在越来越紧凑的空间中，而小型化同时可以使一些功能提高(如速度、效率等)，并使材料和制造成本不断降低。

上世纪中叶半导体集成电路的发明在电子信息产业引发了一场革命。大规模平面集成式微电子制作工艺把一代又一代的更好、更快而且更便宜的电子、通讯和消费产品展现在人们眼前。拿一个80 年代初期的“ 手提” 电脑(Osbourne Executive ) 与iPhone 作比较(图1)，前者比iPhone 重100 倍，运算速度慢100 倍，体积要大485 倍，价钱要贵10 倍，存储量、新功能、高清显示等其他方面的差距更是天壤之别。

这个行业的发展在集成电路发明后的半个多世纪来基本上遵循了英特尔(Intel)公司创始人摩尔(G.Moore)在1965 年作的一项预测：集成电路元件密度大致每年增加一倍(图2)。而这种近指数式的发展趋势主要归功于平面集成式的整体制造(BatchFabrication)工艺，系统中(如微处理器等)的元部件(如三极管)不再是用传统的零件加工组装模式制作，而是整体制作完成。这样，在制造工艺和精度不断提高的同时，人们就可以在同样单位面积里放置越来越多的，这样就带来了功能的不断提高和成本的不断降低。

 

 

电子信息产业的这种近指数式的发展是史无前例的，而且在其他工业界也难以复制。多年前就有人半开玩笑地拿汽车工业与半导体微电子行业作比较：

如果汽车工业的进步能像微电子工业一样的话，那么，一辆宝马在经过几十年的不断改进与发展，到今天其最高速度应该能达到每小时5000 公里，1 公升的汽油可以跑800 公里，每辆车只需要10 元人民币。

在微电子工艺不断向更小尺寸(纳米级)和更高密度推进的同时，人们也在不断地思考和探索如何把微电子这种先进的、并且经过不断发展而非常成熟的平面集成式制造工艺推广到半导体器件之外的领域中。微电机系统(MEMS: Micro-Electro-MechanicalSystems)就是在这样的环境中孕育而生的一个交叉领域。顾名思义，微电机系统一般指的是微小的、带电性能的机械系统，并且其制作方式采用的是集成电路式的整体制作方式。现在市场上常见的一些产品有汽车里的压力传感器、加速度传感器、手机里的各种传感器、指南针、麦克风、喷墨打印机喷头、电镜投影仪等。发展到现在，微电机系统已是包罗万象，其驱动机制有电、热、磁、压电等等，应用覆盖通讯、汽车、消费、生物、医疗、化工、军工、航天等，甚至一些不带电的、没有机械部件的系统有时也被归纳到这个领域。总之，它是人们利用微电子集成式制造工艺的优势去制作微电子器件之外的感知和驾驭自然界的新手段和工具。

 

 

微小型继电器也是微电机系统中的一个典型分支。全世界继电器开关市场是60 亿美元， 发展趋向小型化、低功耗、高可靠性。国际最先进的是第四代信号继电器(DPDT 尺寸约为10 ×6畅5 ×5畅2mm3)，其主要制造和市场还在由美、日几个大公司控制。除了现有的应用市场外，还有一些巨大的潜在商机，由于现有继电器产品的局限性，这些新的市场还有待开发。继电器制造几十年一直还是沿用传统的零件机械加工组装模式，给产品带来很大局限性。传统继电器制作工艺一般采取零件加工组装的流水线形式，它主要有冲压、注塑、点焊、绕线圈和封装等。

2 微小型继电器(MEMS)的常见驱动方式

2.1 静电(Electrostatic)

在两个金属板间加电压，使异性电荷分别积累在金属表面。由于异性电荷吸引的作用导致两块金属板相互吸引闭合(图3)。这种机制一般优势是结构和制作工艺相对简单，没有静态电流，因此，其功耗较小。缺点是所需驱动电压大(一般需要几十伏)，动作位移小，所产生的作用力也相对较小。而且容易产生静电粘接(Stiction)。

 

 

2.2 电磁(Electromagnetic)

一般由线圈、弹片结合磁铁组成。电流通过线圈产生磁场，磁场与磁体产生相互作用，从而驱动弹片动作(图4)。这种机制的优势是作用距离长，位移大。但只有线圈通电时才有电磁场作用力，需要功耗维持位移。磁保持型双稳态结构可克服静态功耗的问题。[!--empirenews.page--]

 

 

2.3 电热(Electro -thermo)

一般由两片不同热膨胀系数的金属片组成。金属片中电流通过时产生热，而由于热膨胀系数的差别使金属片弯曲产生位移(图5)。这种机制产生的作用力比静电产生的要大，但其对材料和环境的要求较高，高可靠性难以达到。另外，形变(位移)要有电流通过才能维持。锁扣结构可以形成双稳态，但微观机械锁扣结构比较复杂，所以，其可靠性难以保障。

 

 

2.4 压电(Piezoelectric)

利用压电材料的特性，外加电压产生体内电场致使压电材料产生形变(图6)。这种机制无静态功耗，但位移较小，所需材料比较特殊。

 

 

3 微电机系统(MEMS)

一般采用的工艺是基于微电子芯片制作工艺：甩胶、光刻、腐蚀、蒸发、溅射、电镀等。微电机系统制作的开关尺寸一般在微米数量级。在一片6 英寸大小的硅片上，可以制作出几千几万个单元。因此，每个单元的成本可以很低。然而，在最后封装成产品时，由于可动部分需要得到保护，使得封装成本较高。另外，虽微电机系统制作的开关往微观方向发展会使成本越来越低，但从应用的角度来看，一些对物理特性的要求会给尺寸带来极限限制。比如在继电器开关方面，应用市场在以触点切换电流来划分的话，1 安培以下占整个市场的25%,1 安培至2 安培占另外25%,其余占50%的市场。微型开关(毫米以下)可以切换小信号(毫安至百毫安级)，它们对接近1 安培及以上的电流切换就望尘莫及了。怎样利用微电子平面集成式工艺的优势制造出适合各种市场应用(包括切换1 安培及以上电流)的继电器开关就成为行业的巨大挑战和机遇。

 

 

4 新型微小型继电器

苏州磁明科技在这方面开辟了一条新的方向。

利用电子陶瓷多层层叠印刷的工艺， 他们成功地制造出世界上最小的电磁继电器(尺寸为6 ×5 ×2mm3 , 图7)， 其体积为目前世界上最小继电器的1/5.其体积虽小， 在功能方面它能达到比它大五倍的同类产品的主要指标， 见表1 所示。其载体及线圈是在微米厚的绝缘介质膜上通过打孔、印刷、烘干、层叠、压制等工艺整体制作而成的， 每批(15 平方厘米) 可以出近500 个， 其精度、效率和生产线灵活性可以大幅度提高。该产品在尺寸上已趋近半导体功率三极管的大小， 而在性能上保持了电磁继电器的特性(如小接触电阻、高耐压、控制与负载隔离等)。这给设计工程师在一些对体积密度要求高的应用中提供了一个全新的选择。该公司还在开发高频和阵列开关等几款新产品， 相信在其工艺的不断完善和市场不断开拓中， 更多更好的产品会带动本行业及相关行业提升到一个崭新的空间。