1 引言

人類對微觀世界的探索和小型化的追求是無止境的。各種應用的智能化和自動化需要把更多的功能集成在越來越緊湊的空間中，而小型化同時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。

上世紀中葉半導體集成電路的發(fā)明在電子信息產業(yè)引發(fā)了一場革命。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、通訊和消費產品展現(xiàn)在人們眼前。拿一個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，運算速度慢100 倍，體積要大485 倍，價錢要貴10 倍，存儲量、新功能、高清顯示等其他方面的差距更是天壤之別。

這個行業(yè)的發(fā)展在集成電路發(fā)明后的半個多世紀來基本上遵循了英特爾(Intel)公司創(chuàng)始人摩爾(G.Moore)在1965 年作的一項預測：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)展趨勢主要歸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，人們就可以在同樣單位面積里放置越來越多的，這樣就帶來了功能的不斷提高和成本的不斷降低。

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

如果汽車工業(yè)的進步能像微電子工業(yè)一樣的話，那么，一輛寶馬在經過幾十年的不斷改進與發(fā)展，到今天其最高速度應該能達到每小時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)和更高密度推進的同時，人們也在不斷地思考和探索如何把微電子這種先進的、并且經過不斷發(fā)展而非常成熟的平面集成式制造工藝推廣到半導體器件之外的領域中。微電機系統(tǒng)(MEMS: Micro-Electro-MechanicalSystems)就是在這樣的環(huán)境中孕育而生的一個交叉領域。顧名思義，微電機系統(tǒng)一般指的是微小的、帶電性能的機械系統(tǒng)，并且其制作方式采用的是集成電路式的整體制作方式?，F(xiàn)在市場上常見的一些產品有汽車里的壓力傳感器、加速度傳感器、手機里的各種傳感器、指南針、麥克風、噴墨打印機噴頭、電鏡投影儀等。發(fā)展到現(xiàn)在，微電機系統(tǒng)已是包羅萬象，其驅動機制有電、熱、磁、壓電等等，應用覆蓋通訊、汽車、消費、生物、醫(yī)療、化工、軍工、航天等，甚至一些不帶電的、沒有機械部件的系統(tǒng)有時也被歸納到這個領域?？傊?，它是人們利用微電子集成式制造工藝的優(yōu)勢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，所產生的作用力也相對較小。而且容易產生靜電粘接(Stiction)。

2.2 電磁(Electromagnetic)

一般由線圈、彈片結合磁鐵組成。電流通過線圈產生磁場，磁場與磁體產生相互作用，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。[!--empirenews.page--]

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生熱，而由于熱膨脹系數(shù)的差別使金屬片彎曲產生位移(圖5)。這種機制產生的作用力比靜電產生的要大，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，外加電壓產生體內電場致使壓電材料產生形變(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、效率和生產線靈活性可以大幅度提高。該產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， 更多更好的產品會帶動本行業(yè)及相關行業(yè)提升到一個嶄新的空間。