微小型繼電器常見的驅(qū)動方式

    微小型繼電器也是微電機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)典型分支。全世界繼電器開關(guān)市場是60億美元，發(fā)展趨向小型化、低功耗、高可靠性。國際最先進(jìn)的是第四代信號繼電器（DPDT尺寸約為10×6暢5×5暢2mm3），其主要制造和市場還在由美、日幾個(gè)大公司控制。除了現(xiàn)有的應(yīng)用市場外，還有一些巨大的潛在商機(jī)，由于現(xiàn)有繼電器產(chǎn)品的局限性，這些新的市場還有待開發(fā)。繼電器制造幾十年一直還是沿用傳統(tǒng)的零件機(jī)械加工組裝模式，給產(chǎn)品帶來很大局限性。傳統(tǒng)繼電器制作工藝一般采取零件加工組裝的流水線形式，它主要有沖壓、注塑、點(diǎn)焊、繞線圈和封裝等。

 

    2微小型繼電器（MEMS）的常見驅(qū)動方式

 

    2.1靜電（Electrostatic）

 

    在兩個(gè)金屬板間加電壓，使異性電荷分別積累在金屬表面。由于異性電荷吸引的作用導(dǎo)致兩塊金屬板相互吸引閉合（圖3）。這種機(jī)制一般優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)和制作工藝相對簡單，沒有靜態(tài)電流，因此，其功耗較小。缺點(diǎn)是所需驅(qū)動電壓大（一般需要幾十伏），動作位移小，所產(chǎn)生的作用力也相對較小。而且容易產(chǎn)生靜電粘接（Stiction）。

 

    2.2電磁（Electromagnetic）

 

    一般由線圈、彈片結(jié)合磁鐵組成。電流通過線圈產(chǎn)生磁場，磁場與磁體產(chǎn)生相互作用，從而驅(qū)動彈片動作（圖4）。這種機(jī)制的優(yōu)勢是作用距離長，位移大。但只有線圈通電時(shí)才有電磁場作用力，需要功耗維持位移。磁保持型雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)可克服靜態(tài)功耗的問題。

 

    2.3電熱（Electro-thermo）

 

    一般由兩片不同熱膨脹系數(shù)的金屬片組成。金屬片中電流通過時(shí)產(chǎn)生熱，而由于熱膨脹系數(shù)的差別使金屬片彎曲產(chǎn)生位移（圖5）。這種機(jī)制產(chǎn)生的作用力比靜電產(chǎn)生的要大，但其對材料和環(huán)境的要求較高，高可靠性難以達(dá)到。另外，形變（位移）要有電流通過才能維持。鎖扣結(jié)構(gòu)可以形成雙穩(wěn)態(tài)，但微觀機(jī)械鎖扣結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以，其可靠性難以保障。

 

    2.4壓電（Piezoelectric）

 

    利用壓電材料的特性，外加電壓產(chǎn)生體內(nèi)電場致使壓電材料產(chǎn)生形變（圖6）。這種機(jī)制無靜態(tài)功耗，但位移較小，所需材料比較特殊。

 

    3微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS）

 

    一般采用的工藝是基于微電子芯片制作工藝：甩膠、光刻、腐蝕、蒸發(fā)、濺射、電鍍等。微電機(jī)系統(tǒng)制作的開關(guān)尺寸一般在微米數(shù)量級。在一片6英寸大小的硅片上，可以制作出幾千幾萬個(gè)單元。因此，每個(gè)單元的成本可以很低。然而，在最后封裝成產(chǎn)品時(shí)，由于可動部分需要得到保護(hù)，使得封裝成本較高。另外，雖微電機(jī)系統(tǒng)制作的開關(guān)往微觀方向發(fā)展會使成本越來越低，但從應(yīng)用的角度來看，一些對物理特性的要求會給尺寸帶來極限限制。比如在繼電器開關(guān)方面，應(yīng)用市場在以觸點(diǎn)切換電流來劃分的話，1安培以下占整個(gè)市場的25%,1安培至2安培占另外25%,其余占50%的市場。微型開關(guān)（毫米以下）可以切換小信號（毫安至百毫安級），它們對接近1安培及以上的電流切換就望塵莫及了。怎樣利用微電子平面集成式工藝的優(yōu)勢制造出適合各種市場應(yīng)用（包括切換1安培及以上電流）的繼電器開關(guān)就成為行業(yè)的巨大挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

 

    4新型微小型繼電器

 

    蘇州磁明科技在這方面開辟了一條新的方向。

 

    利用電子陶瓷多層層疊印刷的工藝，他們成功地制造出世界上最小的電磁繼電器（尺寸為6×5×2mm3,圖7），其體積為目前世界上最小繼電器的1/5.其體積雖小，在功能方面它能達(dá)到比它大五倍的同類產(chǎn)品的主要指標(biāo)，見表1所示。其載體及線圈是在微米厚的絕緣介質(zhì)膜上通過打孔、印刷、烘干、層疊、壓制等工藝整體制作而成的，每批（15平方厘米）可以出近500個(gè)，其精度、效率和生產(chǎn)線靈活性可以大幅度提高。該產(chǎn)品在尺寸上已趨近半導(dǎo)體功率三極管的大小，而在性能上保持了電磁繼電器的特性（如小接觸電阻、高耐壓、控制與負(fù)載隔離等）。這給設(shè)計(jì)工程師在一些對體積密度要求高的應(yīng)用中提供了一個(gè)全新的選擇。該公司還在開發(fā)高頻和陣列開關(guān)等幾款新產(chǎn)品，相信在其工藝的不斷完善和市場不斷開拓中，更多更好的產(chǎn)品會帶動本行業(yè)及相關(guān)行業(yè)提升到一個(gè)嶄新的空間。