[实用新型]一种高度集成的电磁双稳态MEMS继电器

说明书

技术领域

本实用新型是涉及一种高度集成的电磁双稳态MEMS继电器，属于微电子机械技术领域。

背景技术

继电器是通过小电流控制大电流运作的一种“自动开关”，通过自动接通/断开来转换电路。在电路中，通过远程控制，可用继电器实现安全保护、电路切换等功能，广泛应用于电源管理、仪器仪表、自动控制和通讯连接等领域。

在现今的继电器市场，通信继电器已占据了25％以上的份额。通信继电器主要应用于网络、仪器仪表、自动控制等能够通过远程或者间接自动进行开关转换的场合。随着信息技术的发展，通信已经从传统的语音信号转化为集语音、数据、音视频以及图像等复杂信号并扩展至数据领域，便携式通讯设备以及相应的标准也已经得到极大的发展和提高，因此，对通信领域的电子元器件—通信继电器也提出了更高的要求。

第一代、第二代通信继电器起始于20世纪70～80年代，到90年代已实现第三代和第四代的量产。第四代通讯继电器相对于第一代通讯继电器体积已经缩小了50％，功耗降低了80％。随着通信技术的发展，需要增加数据传输、降低运行成本，这都对通信继电器体积、功耗和可靠性提出了更高的要求，而采用传统精密机械加工的微型继电器的工艺已经达到了极限。微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems，简称MEMS)技术的出现，突破了通信继电器的发展瓶颈，为通信继电器的进一步发展提供了新的概念和途径。MEMS技术与继电器的融合，能够保持传统机电继电器接触电阻小、绝缘电阻高、隔离度高等优势，同时，采用微加工工艺可实现通讯继电器的批量制造，实现所制通讯继电器体积小、功耗低、功能多和可靠性高的特点，并可继承固态继电器集成制造的生产优势和机电继电器电器综合性能好的技术优势，代表了未来通信继电器的发展方向。

随着MEMS继电器器件尺寸的缩小，各种不同驱动方式的继电器其驱动原理已经产生了较大的变化。当然，各种驱动类型和结构也都有优缺点，其性能也不尽相同，但随着MEMS继电器尺寸的减小，电磁驱动继电器的优势较静电驱动继电器的优势更为明显。静电驱动MEMS继电器由于结构简单，非常易于加工制备，然而驱动电压过高，不易于和传统集成电路工艺(Integrated Circuit，简称IC)兼容，也容易造成两电极之间的绝缘层击穿，降低器件寿命。相对于静电驱动的MEMS继电器，电热驱动型微继电器能够产生较大的能量密度，具有更大的输出力，显示出更为明显的输出位移，然而，电热继电器的散热过程通常需要较长的时间。相对于采用前述两种方式驱动的继电器，电磁驱动型继电器具有行程大、绝缘性能好、响应速度快、且有良好的力-位移非线性，能够适应各种不同的环境，综合性能更加突出。

Gary D.Gray Jr.等在《传感器与执行器》杂志发表的“电磁驱动双稳态驱动器第一部超低开关功耗和建模”(《Sensors and Actuators》A，Vol119，2005，489～501“Magnetically bistable actuator Part 1.Ultra-low switching energy and modeling)一文中，提出一种两片式装配而成的电磁MEMS继电器，上片衬底制备平面线圈，下片衬底制备悬臂梁及支撑结构，上下衬底通过信号柱进行支撑和封装，悬臂梁在永磁体所产生的磁场中处于第一个稳定状态，随着线圈中通入脉冲电流，悬臂梁在外电磁场力的作用下切换向另一稳态，并借助于永磁体实现第二个稳态的保持，其基本工作原理是借助于在上衬底的线圈中通入脉冲电流来实现双稳态的切换，借助于永磁体实现保持。该继电器输出位移大，响应速度快，功耗低。然而，在该设计中，基于两衬底式的装配难以实现电磁继电器的高度集成、批量制造。