一種新型微小型繼電器的介紹

1 引言

人類對(duì)微觀世界的探索和小型化的追求是無(wú)止境的。各種應(yīng)用的智能化和自動(dòng)化需要把更多的功能集成在越來(lái)越緊湊的空間中，而小型化同時(shí)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(jì)中葉半導(dǎo)體集成電路的發(fā)明在電子信息產(chǎn)業(yè)引發(fā)了一場(chǎng)革命。大規(guī)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(fèi)產(chǎn)品展現(xiàn)在人們眼前。拿一個(gè)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(yùn)算速度慢100 倍，體積要大485 倍，價(jià)錢要貴10 倍，存儲(chǔ)量、新功能、高清顯示等其他方面的差距更是天壤之別。

這個(gè)行業(yè)的發(fā)展在集成電路發(fā)明后的半個(gè)多世紀(jì)來(lái)基本上遵循了英特爾(Intel)公司創(chuàng)始人摩爾(G.Moore)在1965 年作的一項(xiàng)預(yù)測(cè)：集成電路元件密度大致每年增加一倍(圖2)。而這種近指數(shù)式的發(fā)展趨勢(shì)主要?dú)w功于平面集成式的整體制造(BatchFabrication)工藝，系統(tǒng)中(如微處理器等)的元部件(如三極管)不再是用傳統(tǒng)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(shí)，人們就可以在同樣單位面積里放置越來(lái)越多的，這樣就帶來(lái)了功能的不斷提高和成本的不斷降低。

電子信息產(chǎn)業(yè)的這種近指數(shù)式的發(fā)展是史無(wú)前例的，而且在其他工業(yè)界也難以復(fù)制。多年前就有人半開(kāi)玩笑地拿汽車工業(yè)與半導(dǎo)體微電子行業(yè)作比較：

如果汽車工業(yè)的進(jìn)步能像微電子工業(yè)一樣的話，那么，一輛寶馬在經(jīng)過(guò)幾十年的不斷改進(jìn)與發(fā)展，到今天其最高速度應(yīng)該能達(dá)到每小時(shí)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(jí))和更高密度推進(jìn)的同時(shí)，人們也在不斷地思考和探索如何把微電子這種先進(jìn)的、并且經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展而非常成熟的平面集成式制造工藝推廣到半導(dǎo)體器件之外的領(lǐng)域中。微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS: Micro-Electro-MechanicalSystems)就是在這樣的環(huán)境中孕育而生的一個(gè)交叉領(lǐng)域。顧名思義，微電機(jī)系統(tǒng)一般指的是微小的、帶電性能的機(jī)械系統(tǒng)，并且其制作方式采用的是集成電路式的整體制作方式。現(xiàn)在市場(chǎng)上常見(jiàn)的一些產(chǎn)品有汽車?yán)锏膲毫鞲衅?、加速度傳感器、手機(jī)里的各種傳感器、指南針、麥克風(fēng)、噴墨打印機(jī)噴頭、電鏡投影儀等。發(fā)展到現(xiàn)在，微電機(jī)系統(tǒng)已是包羅萬(wàn)象，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制有電、熱、磁、壓電等等，應(yīng)用覆蓋通訊、汽車、消費(fèi)、生物、醫(yī)療、化工、軍工、航天等，甚至一些不帶電的、沒(méi)有機(jī)械部件的系統(tǒng)有時(shí)也被歸納到這個(gè)領(lǐng)域。總之，它是人們利用微電子集成式制造工藝的優(yōu)勢(shì)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(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)典型分支。全世界繼電器開(kāi)關(guān)市場(chǎng)是60 億美元， 發(fā)展趨向小型化、低功耗、高可靠性。國(guó)際最先進(jìn)的是第四代信號(hào)繼電器(DPDT 尺寸約為10 ×6暢5 ×5暢2mm3)，其主要制造和市場(chǎng)還在由美、日幾個(gè)大公司控制。除了現(xiàn)有的應(yīng)用市場(chǎng)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(chǎng)還有待開(kāi)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(lái)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(jiàn)驅(qū)動(dòng)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(shì)是結(jié)構(gòu)和制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有靜態(tài)電流，因此，其功耗較小。缺點(diǎn)是所需驅(qū)動(dòng)電壓大(一般需要幾十伏)，動(dòng)作位移小，所產(chǎn)生的作用力也相對(duì)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(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與磁體產(chǎn)生相互作用，從而驅(qū)動(dòng)彈片動(dòng)作(圖4)。這種機(jī)制的優(yōu)勢(shì)是作用距離長(zhǎng)，位移大。但只有線圈通電時(shí)才有電磁場(chǎng)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(wèn)題。