微型继电器的研究现状及进展

1摘要通过对微型继电器研究历史和现状的回顾和研究，对静电型和电磁型微继电器的结构进行了分析和探讨，提出了继电器研究中存在的问及解决对策。

继电器作为种基本的机电元件广泛地应用于各种电力保护仪器仪和自动控制系统中。在国防航空航天器和各种地面控制设备中，也根据需要使用各种规格的继电器，这种场合对它们的要求除动作可靠闭合时电流大开路时漏电小接触阻抗小外，有时还要求其体积小重量轻响应速度快寿命长等。

由于各种继电器的市场需求量很大，国内外生产厂家不计其数，其生产品种多达上万种，仅以日本富±电机吹上工厂为例，其全自动化的电磁继电器柔性生产线可组装8000多个品种，每班产量3200只1.军用或航天用继电器代着个国家的水平，美国从50年代中期开始生产航天继电器算起己有40余年的历史，其技术称雄于世界，具有代性的厂家有1680，6饥5也，661001等公司。国内生产继电器的厂家众多，其产品虽然能基本满足国内需要，但与发达国家相比仍有定的差距。

继电器是种可控开关，通常分为无触点式固态继电器和有触点式两种。前者为采用半导体工艺制作的半导体型，其体积小开关速度快寿命长导通电流大，广泛应用于各种电子设备。近年国外厂商推出了光电耦合3型继电器，以松下电工的，继电器家族为例，控制端与输出部分，用光电耦实现了完全电气隔离，它还具有体积小和集成电路封装等优点，在些小电流场合已获得了广泛的应用2.但是固态继电器由，是半导体构造，其导通阻抗通常约数欧姆至数十欧姆，漏电流约数微安程度，这两项指标远远不及电磁继电器。有机械触点的电磁继电器近乎理想继电器，它具有导通时电流大接触阻抗小，开路时电阻大漏电小，动作可靠等优点，在大电流或精密控制场合获得了广泛的应用。但是，电磁继电器正是由于其触点构造因而响应速度较慢，使用寿命也较短。另外采用传统工艺制做的继电器除有较大的驱动用线外，还须将数项目来源国家自然科学基金资助，批准号为699760种零件组合装配起来才能形成完整的功能，因而其生成效率较低，也使继器的重量，尺寸难有根本的减小。

它是在半导体制造技术基础上结合其它特殊工艺发展起来的新兴前沿领域，利用这种技术易于将集成电路和微机械构造集成到硅片上，形成微机电系统。在国外利用MEMS技术制造的微型压力传感器微型加速度传感器微型转速仪等产品市场占有率愈来愈高，应用前景看好。MEMS技术也为研制新型继电器提供了种手段。早在1978年。660博士即试制出种静电式微型继电器也称微型机电开关，它是利用静电引力使悬臂梁弯曲，触点闭合完成开关动作的，其构造13.另外，它的梁长150μm，宽30μm，厚0，4μm，动作电压为62V，能流过约lmA的电流，并且控制部和开关部完全电隔离进入90年代后为了降低这种继电器的驱动电压或增加导通电流，许多学者进行了有益的尝试45.2是这些学者所试制的微型继电器的尺寸及动作电压，其中日本町丁公司枚田。耵1研究小组己达小驱动电压1代6.静电式微型继电器的特点是工艺较简单，易于微型化，但是影响其实用化的大障碍还是它的驱动电压与普通了孔电平的工作电压不兼容。另外由于继电器面积过小致使触点接触压力很小难以通过较大电流；反言之，增大继电器接触面积会降低触点吸合电压，但是同时又增大了器件体积也是该种器件尚未实用化的理由之。

除静电式微型继电器之外，笔者在日本国内的学术会议上还看到了公司研制微型热磁继电器的报告它是平面型双触点构造，用微型加热器控制磁性膜钕铁硼的温度，利用居里效应完成继电器吸合功能的。这种构造可望降低控制电压，但制造中要溅射较萼出电厚的磁膜，热处理要求高，另外由于热致动系统固有的滞后性决定了响应速度底，因而目前还尚处于研究阶段。

基于技术的微型电磁继电器与前两种微型继电器相比，无疑是很有魅力的。

若能采用MEMS技术生产电磁继电器的话，可使它象集成电路样批量制造封装使用，这可能望大幅度降低造价。采用无装配工艺设计可使它可靠性提高体积小动作速度快，具有固态继电器的些优点。另外，它与普通电磁继电器动作原理样，这使它拥有普通继电器的优点并与其兼容。

与静电式微型继电器相比，微型电磁继电器由于制作工艺较复杂，国外文献报导的还很少，国内尚未开展这方面的研究。在国外，98年1期刊报导的瑞士和比利时学者共同研制的种微型电磁继电器很引人瞩目7，该继电器尺寸5.5父4.2，驱动线圈为127匝两层构造，磁路由铁镍合金铸制作。测试1果明，该器件导通电阻1于0.4，开路电阻大于10G，导通时间约0，2ms.当负载电流3.5roA，1500万次导通实验后，它的导通电阻仅从0.4，增大到1.仍能工作。由以上性能指标可，该器件既有固态继电器响应速度快，长寿命的优点，又有电磁继电器导通电阻小，开路电阻大的特点。值得提的是该器件是由两片基板对接而成的，制造工艺仍需优化。

近年来，基于MEMS技术的微传感器微电磁型执行器的研究方兴未艾，这些研究为研制微型电磁型继电器提供了借鉴。微型电磁继电器与普通电磁继电器样应主要由磁路系统和触点系统构成，考虑到MEMS工艺条件限制，其电流驱动线圈必然是平面型金等得到。关于硅片上制作微线圈的工艺，在微型电感微型磁通门微型电磁发电机或电动机以及微型电磁执行器的研究中均有涉及89，如笔者曾到日本富士电机公司位于横须贺的研究所交流访问，该所从事，5研究的中泽小组研制了种微型永磁电动机1Q，其线圈直径约lmm，线径17.μm，线间间隔3μm，占空比约75ㄇ，共4层总计40匝，笔者认为这样的技术可用于微继电器制造中。随着或准1技术的推广，在微构造中采用电镀工艺已比较普遍，笔者在阵列式微型磁性开关的研究中比较成功地使用了电镀镍工艺，13.

笔者通过对近年来国际上微机械继电器现状的研究，将目前研究中出现的几种有代1996年第九届国际真空微电子会议，Grigorishin，I，L；Mukhurov，N，I；Efemov，G，I发了为带有宽电压范围的微转换静电器件系列14.文中介绍了包括两种电介质的衬底，种较厚的2，3，4另种较薄1540，且有个可动的转换单元。在膜电极沉积和互连后，器件的形成是通过引脚和孔将两个衬底紧密焊接在起。

这种继电器的操作电压范围可做到50200，且当可动阳极用铝材料厚度为54时，电极自身是绝缘层。为将动作电压降到1520，以下，还开发了种绝缘层厚度在0.51.04的器件。在另设计中，用带有孤岛的分立绝缘层取代了连续的绝缘层以防止出现很高的驻留电荷。如将绝缘层厚度降为O.lμm以下，可进步降低吸合电压。在理论上，实现操作电压达到500，是可能的。

种用于微机械继电器的热控制磁执行器了它的动作是通过器件外激光束加热而改变局部磁化强度来实现的。制作是通过面镀镍实现。用于驱动1的激光极管的功率是30mW.微继电器的开关时间经实验测得为10mS，与传统机械继电器相当。经计算触点接触力为20μN，这个力通过增加TCMA的尺寸可得以改善。

1997年5月传感器与执行器58卷尺66咖3.栳1等人发文为脉冲电流激励的双稳态磁执行器的设计与制作16.该文描述了种脉冲电流激励的双稳态磁执行器的设计与制作过程文中所述的执行器包括个带有双极片的平面型导磁体，个导磁的悬臂梁，个激励线圈和磁铁。悬臂梁的运动有两个稳定状态，即总是能与其中之保持接触。通过流经激励线圈的脉冲电流切换悬臂梁的接触状态。该微执行器采用紫外光刻技术合金蒸镀工艺牺牲层蚀刻工艺进行制作的。开关脉冲电流施加在悬臂梁上的励磁线圈产生的电磁力为5，悬臂梁端点处的接触力可达0.25，1.

5也；16.1等人1997年6月，在芝加哥召开的关于固态传感器与执行器国际会议上发文章17，该文给出了种静电驱动的微继电器，它们都是悬臂梁结构。固定梁和带有双触点的活动梁作为继电器的主要结构。由于完全采用面微机械加工工艺，因而省去了器件粘接过程。在上述同会议上，013.；31汩山5等人发了为静电型微继电器的非线性机电行为的研究18.该文通过实验对静电型多晶硅材料的微继电器在半静态和动态情况下提出了新的非线性动态模型。实验是在MIT的实验室进行的。利用该模型对继电器的吸合电压响应频率品质因数开关时间以及静电力对继电器弹性部件软化因素进行了仿真。对吸合电压的仿真采用的是MIT开发调电感芯片的制作。这种微继电器是采用丁35252双金属形变悬臂梁，接触面为金金接触，人1作牺牲层，静电与热作为至动机制。在电感区域之下的硅衬底利用蚀刻工艺制作以减少衬底边缘处的电流损失。利用4只继电器可获得电感量在2.5nH到324.8，的16种电感值。小的谐振频率为1.90.实验测得吸合时小的热功率和电压分别为。0.8，1以和20，接触电阻典型值为0.6至0.8，范围之内。

Vol.72的全集成磁致微机械继电器2这种继电器与目前通用型继电器的工作原理极为接近，与般的开放式电磁继电器利用磁的闭合使之动作原理样，不同之处在于它的体积更小。3显了磁通是如何构成闭合回路的。该器件的工作是通过给线圈通入适当大的电流约600在副磁线圈中产生集中的磁通量，磁通流经磁隙包括上部活动触点和静止输出触点之间的气隙，然后磁通沿上部磁极流到临近的外磁芯，19942015ChinaAcademicJoumal磁通再次经过磁隙向下个外磁芯传播。磁通的流动产生了个力驱动活动极板向下运动与固定电极吸合力约为0.9，于是将两个彼此绝缘的输出电极接通，闭合负载回路。该继电器是目前较为成功的种之。

可以看出，由于早期微加工技术较不完善，器件制作的工艺条件较难满足，因而，早期研究微继电器的多数人都从设计和制作静电型入手，建立了整套的加工工艺，为电磁型继电器的研究和应用奠定了基础。由于微继电器应用前景十分诱人，感性趣和研究的人员越来越多，研究的范围和方法也越来越广，所有这些都处进了微继电器的研究进程，为微继电器的早日应用奠定了基础。同时，我们也应该看到，由于微型器件的尺寸效应，微继电器研究中还存在许多困难需要克服，诸如静电型继电器结构尺寸与吸合电压之间的矛盾；电磁型继电器激励线圈电阻换句话说就是激励源所提供的功率与触点吸合力之间的矛盾；继电器响应速度与环境干扰之间的矛盾等。另外还可看出，为解决这些矛盾需要更多的人进行更广泛为的研究，同时将相关科学与微机械加工技术相结合，开拓更广的思路，只有这样才能有较大的突破。

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