一種新型微小型繼電器的介紹

1 引言

人類對微觀世界的探索和小型化的追求是無止境的。各種應用的智能化和自動化需要把更多的功能集成在越來越緊湊的空間中，而小型化同時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斷降低。

上世紀中葉半導體集成電路的發明在電子信息產業引發了一場革命。大規模平面集成式微電子制作工藝把一代又一代的更好、更快而且更便宜的電子、通訊和消費產品展現在人們眼前。拿一個80 年代初期的“ 手提” 電腦(Osbourne Executive ) 與iPhone 作比較(圖1)，前者比iPhone 重100 倍，運算速度慢100 倍，體積要大485 倍，價錢要貴10 倍，存儲量、新功能、高清顯示等其他方面的差距更是天壤之別。

這個行業的發展在集成電路發明后的半個多世紀來基本上遵循了英特爾(Intel)公司創始人摩爾(G.Moore)在1965 年作的一項預測：集成電路元件密度大致每年增加一倍(圖2)。而這種近指數式的發展趨勢主要歸功于平面集成式的整體制造(BatchFabrication)工藝，系統中(如微處理器等)的元部件(如三極管)不再是用傳統的零件加工組裝模式制作，而是整體制作完成。這樣，在制造工藝和精度不斷提高的同時，人們就可以在同樣單位面積里放置越來越多的，這樣就帶來了功能的不斷提高和成本的不斷降低。

電子信息產業的這種近指數式的發展是史無前例的，而且在其他工業界也難以復制。多年前就有人半開玩笑地拿汽車工業與半導體微電子行業作比較：

如果汽車工業的進步能像微電子工業一樣的話，那么，一輛寶馬在經過幾十年的不斷改進與發展，到今天其最高速度應該能達到每小時5000 公里，1 公升的汽油可以跑800 公里，每輛車只需要10 元人民幣。

在微電子工藝不斷向更小尺寸(納米級)和更高密度推進的同時，人們也在不斷地思考和探索如何把微電子這種先進的、并且經過不斷發展而非常成熟的平面集成式制造工藝推廣到半導體器件之外的領域中。微電機系統(MEMS: Micro-Electro-MechanicalSystems)就是在這樣的環境中孕育而生的一個交叉領域。顧名思義，微電機系統一般指的是微小的、帶電性能的機械系統，并且其制作方式采用的是集成電路式的整體制作方式?，F在市場上常見的一些產品有汽車里的壓力傳感器、加速度傳感器、手機里的各種傳感器、指南針、麥克風、噴墨打印機噴頭、電鏡投影儀等。發展到現在，微電機系統已是包羅萬象，其驅動機制有電、熱、磁、壓電等等，應用覆蓋通訊、汽車、消費、生物、醫療、化工、軍工、航天等，甚至一些不帶電的、沒有機械部件的系統有時也被歸納到這個領域?？傊?，它是人們利用微電子集成式制造工藝的優勢去制作微電子器件之外的感知和駕馭自然界的新手段和工具。

微小型繼電器也是微電機系統中的一個典型分支。全世界繼電器開關市場是60 億美元， 發展趨向小型化、低功耗、高可靠性。國際最先進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、日幾個大公司控制。除了現有的應用市場外，還有一些巨大的潛在商機，由于現有繼電器產品的局限性，這些新的市場還有待開發。繼電器制造幾十年一直還是沿用傳統的零件機械加工組裝模式，給產品帶來很大局限性。傳統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、點焊、繞線圈和封裝等。

2 微小型繼電器(MEMS)的常見驅動方式

2.1 靜電(Electrostatic)

在兩個金屬板間加電壓，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致兩塊金屬板相互吸引閉合(圖3)。這種機制一般優勢是結構和制作工藝相對簡單，沒有靜態電流，因此，其功耗較小。缺點是所需驅動電壓大(一般需要幾十伏)，動作位移小，所產生的作用力也相對較小。而且容易產生靜電粘接(Stiction)。

2.2 電磁(Electromagnetic)

一般由線圈、彈片結合磁鐵組成。電流通過線圈產生磁場，磁場與磁體產生相互作用，從而驅動彈片動作(圖4)。這種機制的優勢是作用距離長，位移大。但只有線圈通電時才有電磁場作用力，需要功耗維持位移。磁保持型雙穩態結構可克服靜態功耗的問題。