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(yīng)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(dǎo)體集成電路的發(fā)明在電子信息產(chǎn)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(chǎn)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(yù)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(chǎn)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(fù)制。多年前就有人半開玩笑地拿汽車工業(yè)與半導(dǎo)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(jīng)過幾十年的不斷改進與發(fā)展，到今天其最高速度應(yīng)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(jīng)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(dǎo)體器件之外的領(lǐng)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(lǐng)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。現(xiàn)在市場上常見的一些產(chǎn)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(fēng)、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(qū)動機制有電、熱、磁、壓電等等，應(yīng)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(lǐng)域。總之，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(guān)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(yīng)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(qū)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(qū)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(jié)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(qū)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可以形成雙穩(wěn)態(tài)，但微觀機械鎖扣結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(guān)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(guān)往微觀方向發(fā)展會使成本越來越低，但從應(yīng)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(guān)方面，應(yīng)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(guān)（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(yīng)用（包括切換1 安培及以上電流）的繼電器開關(guān)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(dǎo)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(shè)計工程師在一些對體積密度要求高的應(yīng)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(guān)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(guān)行業(yè)提升到一個嶄新的空間。