1摘要通過對微型繼電器研究歷史和現(xiàn)狀的回顧和研究，對靜電型和電磁型微繼電器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和探討，提出了繼電器研究中存在的問及解決對策。

　　繼電器作為種基本的機電元件廣泛地應(yīng)用于各種電力保護(hù)儀器儀和自動控制系統(tǒng)中。在國防航空航天器和各種地面控制設(shè)備中，也根據(jù)需要使用各種規(guī)格的繼電器，這種場合對它們的要求除動作可靠閉合時電流大開路時漏電小接觸阻抗小外，有時還要求其體積小重量輕響應(yīng)速度快壽命長等。

　　由于各種繼電器的市場需求量很大，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家不計其數(shù)，其生產(chǎn)品種多達(dá)上萬種，僅以日本富±電機吹上工廠為例，其全自動化的電磁繼電器柔性生產(chǎn)線可組裝8000多個品種，每班產(chǎn)量3200只1.軍用或航天用繼電器代著個國家的水平，美國從50年代中期開始生產(chǎn)航天繼電器算起己有40余年的歷史，其技術(shù)稱雄于世界，具有代性的廠家有1680，6饑5也，661001等公司。國內(nèi)生產(chǎn)繼電器的廠家眾多，其產(chǎn)品雖然能基本滿足國內(nèi)需要，但與發(fā)達(dá)國家相比仍有定的差距。

　　繼電器是種可控開關(guān)，通常分為無觸點式固態(tài)繼電器和有觸點式兩種。前者為采用半導(dǎo)體工藝制作的半導(dǎo)體型，其體積小開關(guān)速度快壽命長導(dǎo)通電流大，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備。近年國外廠商推出了光電耦合3型繼電器，以松下電工的，繼電器家族為例，控制端與輸出部分，用光電耦實現(xiàn)了完全電氣隔離，它還具有體積小和集成電路封裝等優(yōu)點，在些小電流場合已獲得了廣泛的應(yīng)用2.但是固態(tài)繼電器由，是半導(dǎo)體構(gòu)造，其導(dǎo)通阻抗通常約數(shù)歐姆至數(shù)十歐姆，漏電流約數(shù)微安程度，這兩項指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及電磁繼電器。有機械觸點的電磁繼電器近乎理想繼電器，它具有導(dǎo)通時電流大接觸阻抗小，開路時電阻大漏電小，動作可靠等優(yōu)點，在大電流或精密控制場合獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，電磁繼電器正是由于其觸點構(gòu)造因而響應(yīng)速度較慢，使用壽命也較短。另外采用傳統(tǒng)工藝制做的繼電器除有較大的驅(qū)動用線外，還須將數(shù)項目來源國家自然科學(xué)基金資助，批準(zhǔn)號為699760種零件組合裝配起來才能形成完整的功能，因而其生成效率較低，也使繼器的重量，尺寸難有根本的減小。

　　它是在半導(dǎo)體制造技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合其它特殊工藝發(fā)展起來的新興前沿領(lǐng)域，利用這種技術(shù)易于將集成電路和微機械構(gòu)造集成到硅片上，形成微機電系統(tǒng)。在國外利用MEMS技術(shù)制造的微型壓力傳感器微型加速度傳感器微型轉(zhuǎn)速儀等產(chǎn)品市場占有率愈來愈高，應(yīng)用前景看好。MEMS技術(shù)也為研制新型繼電器提供了種手段。早在1978年。660博士即試制出種靜電式微型繼電器也稱微型機電開關(guān)，它是利用靜電引力使懸臂梁彎曲，觸點閉合完成開關(guān)動作的，其構(gòu)造13.另外，它的梁長150μm，寬30μm，厚0，4μm，動作電壓為62V，能流過約lmA的電流，并且控制部和開關(guān)部完全電隔離進(jìn)入90年代后為了降低這種繼電器的驅(qū)動電壓或增加導(dǎo)通電流，許多學(xué)者進(jìn)行了有益的嘗試45.2是這些學(xué)者所試制的微型繼電器的尺寸及動作電壓，其中日本町丁公司枚田。耵1研究小組己達(dá)比較小驅(qū)動電壓1代6.靜電式微型繼電器的特點是工藝較簡單，易于微型化，但是影響其實用化的比較大障礙還是它的驅(qū)動電壓與普通了孔電平的工作電壓不兼容。另外由于繼電器面積過小致使觸點接觸壓力很小難以通過較大電流；反言之，增大繼電器接觸面積會降低觸點吸合電壓，但是同時又增大了器件體積也是該種器件尚未實用化的理由之。

　　除靜電式微型繼電器之外，筆者在日本國內(nèi)的學(xué)術(shù)會議上還看到了公司研制微型熱磁繼電器的報告它是平面型雙觸點構(gòu)造，用微型加熱器控制磁性膜釹鐵硼的溫度，利用居里效應(yīng)完成繼電器吸合功能的。這種構(gòu)造可望降低控制電壓，但制造中要濺射較萼出電厚的磁膜，熱處理要求高，另外由于熱致動系統(tǒng)固有的滯后性決定了響應(yīng)速度底，因而目前還尚處于研究階段。

　　基于技術(shù)的微型電磁繼電器與前兩種微型繼電器相比，無疑是很有魅力的。

　　若能采用MEMS技術(shù)生產(chǎn)電磁繼電器的話，可使它象集成電路樣批量制造封裝使用，這可能望大幅度降低造價。采用無裝配工藝設(shè)計可使它可靠性提高體積小動作速度快，具有固態(tài)繼電器的些優(yōu)點。另外，它與普通電磁繼電器動作原理樣，這使它擁有普通繼電器的優(yōu)點并與其兼容。

　　與靜電式微型繼電器相比，微型電磁繼電器由于制作工藝較復(fù)雜，國外文獻(xiàn)報導(dǎo)的還很少，國內(nèi)尚未開展這方面的研究。在國外，98年1期刊報導(dǎo)的瑞士和比利時學(xué)者共同研制的種微型電磁繼電器很引人矚目7，該繼電器尺寸5.5父4.2，驅(qū)動線圈為127匝兩層構(gòu)造，磁路由鐵鎳合金鑄制作。測試1果明，該器件導(dǎo)通電阻1于0.4，開路電阻大于10G，導(dǎo)通時間約0，2ms.當(dāng)負(fù)載電流3.5roA，1500萬次導(dǎo)通實驗后，它的導(dǎo)通電阻僅從0.4，增大到1.仍能工作。由以上性能指標(biāo)可，該器件既有固態(tài)繼電器響應(yīng)速度快，長壽命的優(yōu)點，又有電磁繼電器導(dǎo)通電阻小，開路電阻大的特點。值得提的是該器件是由兩片基板對接而成的，制造工藝仍需優(yōu)化。

　　近年來，基于MEMS技術(shù)的微傳感器微電磁型執(zhí)行器的研究方興未艾，這些研究為研制微型電磁型繼電器提供了借鑒。微型電磁繼電器與普通電磁繼電器樣應(yīng)主要由磁路系統(tǒng)和觸點系統(tǒng)構(gòu)成，考慮到MEMS工藝條件限制，其電流驅(qū)動線圈必然是平面型金等得到。關(guān)于硅片上制作微線圈的工藝，在微型電感微型磁通門微型電磁發(fā)電機或電動機以及微型電磁執(zhí)行器的研究中均有涉及89，如筆者曾到日本富士電機公司位于橫須賀的研究所交流訪問，該所從事，5研究的中澤小組研制了種微型永磁電動機1Q，其線圈直徑約lmm，線徑17.μm，線間間隔3μm，占空比約75ㄇ，共4層總計40匝，筆者認(rèn)為這樣的技術(shù)可用于微繼電器制造中。隨著或準(zhǔn)1技術(shù)的推廣，在微構(gòu)造中采用電鍍工藝已比較普遍，筆者在陣列式微型磁性開關(guān)的研究中比較成功地使用了電鍍鎳工藝，13.

　　筆者通過對近年來國際上微機械繼電器現(xiàn)狀的研究，將目前研究中出現(xiàn)的幾種有代1996年第九屆國際真空微電子會議，Grigorishin，I，L；Mukhurov，N，I；Efemov，G，I發(fā)了為帶有寬電壓范圍的微轉(zhuǎn)換靜電器件系列14.文中介紹了包括兩種電介質(zhì)的襯底，種較厚的2，3，4另種較薄1540，且有個可動的轉(zhuǎn)換單元。在膜電極沉積和互連后，器件的形成是通過引腳和孔將兩個襯底緊密焊接在起。

　　這種繼電器的操作電壓范圍可做到50200，且當(dāng)可動陽極用鋁材料厚度為5 4時，電極自身是絕緣層。為將動作電壓降到1520，以下，還開發(fā)了種絕緣層厚度在0.51.0 4的器件。在另設(shè)計中，用帶有孤島的分立絕緣層取代了連續(xù)的絕緣層以防止出現(xiàn)很高的駐留電荷。如將絕緣層厚度降為O.lμm以下，可進(jìn)步降低吸合電壓。在理論上，實現(xiàn)操作電壓達(dá)到500，是可能的。

　　種用于微機械繼電器的熱控制磁執(zhí)行器了它的動作是通過器件外激光束加熱而改變局部磁化強度來實現(xiàn)的。制作是通過面鍍鎳實現(xiàn)。用于驅(qū)動1的激光極管的功率是30mW.微繼電器的開關(guān)時間經(jīng)實驗測得為10mS，與傳統(tǒng)機械繼電器相當(dāng)。經(jīng)計算觸點接觸力為20μN，這個力通過增加TCMA的尺寸可得以改善。

　　1997年5月傳感器與執(zhí)行器58卷尺66咖3.栳1等人發(fā)文為脈沖電流激勵的雙穩(wěn)態(tài)磁執(zhí)行器的設(shè)計與制作16.該文描述了種脈沖電流激勵的雙穩(wěn)態(tài)磁執(zhí)行器的設(shè)計與制作過程文中所述的執(zhí)行器包括個帶有雙極片的平面型導(dǎo)磁體，個導(dǎo)磁的懸臂梁，個激勵線圈和永久磁鐵。懸臂梁的運動有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，即總是能與其中之保持接觸。通過流經(jīng)激勵線圈的脈沖電流切換懸臂梁的接觸狀態(tài)。該微執(zhí)行器采用紫外光刻技術(shù)合金蒸鍍工藝犧牲層蝕刻工藝進(jìn)行制作的。開關(guān)脈沖電流施加在懸臂梁上的勵磁線圈產(chǎn)生的電磁力為5，懸臂梁端點處的接觸力可達(dá)0.25，1.

　　5也；16.1等人1997年6月，在芝加哥召開的關(guān)于固態(tài)傳感器與執(zhí)行器國際會議上發(fā)文章17，該文給出了種靜電驅(qū)動的微繼電器，它們都是懸臂梁結(jié)構(gòu)。固定梁和帶有雙觸點的活動梁作為繼電器的主要結(jié)構(gòu)。由于完全采用面微機械加工工藝，因而省去了器件粘接過程。在上述同會議上，013.；31汩山5等人發(fā)了為靜電型微繼電器的非線性機電行為的研究18.該文通過實驗對靜電型多晶硅材料的微繼電器在半靜態(tài)和動態(tài)情況下提出了新的非線性動態(tài)模型。實驗是在MIT的實驗室進(jìn)行的。利用該模型對繼電器的吸合電壓響應(yīng)頻率品質(zhì)因數(shù)開關(guān)時間以及靜電力對繼電器彈性部件軟化因素進(jìn)行了仿真。對吸合電壓的仿真采用的是MIT開發(fā)調(diào)電感芯片的制作。這種微繼電器是采用丁35252雙金屬形變懸臂梁，接觸面為金金接觸，人1作犧牲層，靜電與熱作為至動機制。在電感區(qū)域之下的硅襯底利用蝕刻工藝制作以減少襯底邊緣處的電流損失。利用4只繼電器可獲得電感量在2.5nH到324.8，的16種電感值。比較小的諧振頻率為1.90.實驗測得吸合時比較小的熱功率和電壓分別為。0.8，1以和20，接觸電阻典型值為0.6至0.8，范圍之內(nèi)。

　　Vol.72的全集成磁致微機械繼電器2這種繼電器與目前通用型繼電器的工作原理極為接近，與般的開放式電磁繼電器利用磁的閉合使之動作原理樣，不同之處在于它的體積更小。3顯了磁通是如何構(gòu)成閉合回路的。該器件的工作是通過給線圈通入適當(dāng)大的電流約600在副磁線圈中產(chǎn)生集中的磁通量，磁通流經(jīng)磁隙包括上部活動觸點和靜止輸出觸點之間的氣隙，然后磁通沿上部磁極流到臨近的外磁芯，19942015ChinaAcademicJoumal磁通再次經(jīng)過磁隙向下個外磁芯傳播。磁通的流動產(chǎn)生了個力驅(qū)動活動極板向下運動與固定電極吸合力約為0.9，于是將兩個彼此絕緣的輸出電極接通，閉合負(fù)載回路。該繼電器是目前較為成功的種之。

　　可以看出，由于早期微加工技術(shù)較不完善，器件制作的工藝條件較難滿足，因而，早期研究微繼電器的多數(shù)人都從設(shè)計和制作靜電型入手，建立了整套的加工工藝，為電磁型繼電器的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。由于微繼電器應(yīng)用前景十分誘人，感性趣和研究的人員越來越多，研究的范圍和方法也越來越廣，所有這些都處進(jìn)了微繼電器的研究進(jìn)程，為微繼電器的早日應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時，我們也應(yīng)該看到，由于微型器件的尺寸效應(yīng)，微繼電器研究中還存在許多困難需要克服，諸如靜電型繼電器結(jié)構(gòu)尺寸與吸合電壓之間的矛盾；電磁型繼電器激勵線圈電阻換句話說就是激勵源所提供的功率與觸點吸合力之間的矛盾；繼電器響應(yīng)速度與環(huán)境干擾之間的矛盾等。另外還可看出，為解決這些矛盾需要更多的人進(jìn)行更廣泛為的研究，同時將相關(guān)科學(xué)與微機械加工技術(shù)相結(jié)合，開拓更廣的思路，只有這樣才能有較大的突破。

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