微小型繼電器也是微電機系統(tǒng)中的一個典型分支。全世界繼電器開關市場是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(xiàn)有的應用市場外，還有一些巨大的潛在商機，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(yōu)勢是結構和制作工藝相對簡單，沒有靜態(tài)電流，因此，其功耗較小。缺點是所需驅動電壓大（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，從而驅動彈片動作（圖4）。這種機制的優(yōu)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(wěn)態(tài)結構可克服靜態(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，高可靠性難以達到。另外，形變（位移）要有電流通過才能維持。鎖扣結構可以形成雙穩(wěn)態(tài)，但微觀機械鎖扣結構比較復雜，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）。這種機制無靜態(tài)功耗，但位移較小，所需材料比較特殊。

 

    3微電機系統(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。微電機系統(tǒng)制作的開關尺寸一般在微米數(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單元。因此，每個單元的成本可以很低。然而，在最后封裝成產(chǎn)品時，由于可動部分需要得到保護，使得封裝成本較高。另外，雖微電機系統(tǒng)制作的開關往微觀方向發(fā)展會使成本越來越低，但從應用的角度來看，一些對物理特性的要求會給尺寸帶來極限限制。比如在繼電器開關方面，應用市場在以觸點切換電流來劃分的話，1安培以下占整個市場的25%,1安培至2安培占另外25%,其余占50%的市場。微型開關（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用（包括切換1安培及以上電流）的繼電器開關就成為行業(yè)的巨大挑戰(zhàn)和機遇。

 

    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，在功能方面它能達到比它大五倍的同類產(chǎn)品的主要指標，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，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、控制與負載隔離等）。這給設計工程師在一些對體積密度要求高的應用中提供了一個全新的選擇。該公司還在開發(fā)高頻和陣列開關等幾款新產(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)及相關行業(yè)提升到一個嶄新的空間。