微小型继电器常见的驱动方式

    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。

 

    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。