MEMS继电器分类与应用现状

MEMS继电器分类与应用现状

戚中刚

贵州航天电器股份有限公司贵阳550009

摘要：微机电系统(microelectromechanicalsystem，MEMS)继电器具有体积小、功耗低、响应快、隔离度高、负载能力强等优点成为下一代继电器的研究热点。本文主要调研了MEMS继电器的典型结构与研究现状，并对各种结构进行了分析。

关键词：MEMS继电器驱动

1引言

继电器是一种由输入回路来控制输出的闭合与断开的电子元件,是现代自动化系统中最基本的电器元件之一。现代工业生产的特点是生产过程高度自动化和机械化需要有继电器的参与才能实现；因此，继电器被广泛应用于电力系统保护、生产过程自动化及远程控制。随着航天和微小卫星技术的大力发展，对于继电器小体积、低功耗的要求越来越迫切，传统机电式继电器已无法满足这些要求。近年来，微机电系统(microelectromechan

icalsystem，MEMS)技术的大力发展与应用为新型继电器提供了一种新的思路。机电式继电器体积负载比已经很难再做小，而MEMS继电器基于微加工技术，具有体积小，功耗低。此外，MEMS继电器接触电阻低、开关速度快、便于与微电子电路集成等特殊优势，使之成为下一代继电器的研究热点。本文介绍了目前MEMS继电器的一些典型结构以及应用现状。

2MEMS继电器分类与研究现状

2.1静电驱动型MEMS继电器

静电型MEMS继电器由于易于加工、转换速度快、对材料限制小、功耗低等优势使之成为MEMS继电器最常见的驱动方式。由于全靠金属板间的静电来提供驱动，因此其驱动力相对较小，驱动电压较高。研究初期都是以悬臂梁为主，基本原理如图1，通过在两个金属板间加电压，异性电荷会在分别金属表面积累，由于异性电荷相吸使得两块金属板相互吸引闭合，断电后电荷消失而使金属板回复原状。后来逐渐发展了多种不同形式，如简支梁式、扭转梁式、多子梁式、梳齿式结构等[1-4]。

2.2电热驱动型MEMS继电器

跟双金属片温度继电器类似，驱动材料多用双金属片或热敏材料，它通电后会由于蠕变而产生一定的位移，进而驱动继电器的断开与闭合。此种方式比静电型的驱动力要大。为了减小功耗，近年来，QjuJin，LangJH等人[5]设计了一种双稳态热驱微继电器，如下图所示：继电器有两组U型驱动梁，通人电流时内圈梁比外圈梁形变大。当热力驱动器1通人电流时，内外圈梁的不同形变使得驱动器1向下弯曲，推动触点向下运动，继电器闭合。同理，热力驱动器2通人电流时，推动触点向上运动，继电器断开。双弹性梁用于保持继电器的状态。这种继电器降低了功耗，但转换频率较低，最大仅为5Hz，最大可承载3A的电流。

2.3电磁驱动型MEMS继电器

电磁型MEMS继电器一般由线圈、弹片以及磁铁等组成，其工作原理与机电式继电器基本一致，即在线圈中通入电流产生磁场，磁场产生的磁力吸引磁性材料做成的悬臂梁弯曲与触点闭合。同理，当去激励时，磁场消失，悬臂梁依靠自身弹性回复原状，使触点断开，在较小的驱动电压下便可获得较大的驱动力。

电磁驱动型MEMS继电器驱动电压较低，也易于集成，但是制作工艺要求较高，对磁场环境也非常敏感，且功耗较大。为了解决功耗问题，将电磁驱动型MEMS继电器设计成磁保持的结构。基本原理如图3所示。继电器下面有一块永磁体，不通电时永磁体对上方的活动电极提供吸引力，使其与某一触点紧密接触。若要转换继电器的状态，只需在线圈中通人电流并产生与永磁体相反的磁场，当线圈对梁的吸引力大于永磁体的吸引力时，悬臂粱转向另一个方向，与另一触点闭合。因此，这种继电器只需要在状态转换阶段提供电流，稳定状态不消耗能量，降低了功耗。目前这种继电器已经在手持设备上使用[6]。

2007年，上海交通大学的付世等人提出了一种“三明治”式双稳态电磁式微继电器[6]。这种结构的继电器采用面内运动方式，具有过流能力强，响应速度快等优点，但制作繁琐且不太稳定，可靠性还需要进一步提高。

2.4液滴驱动型MEMS继电器

为了减小触点的损耗，科学家们又开发了一种靠导电液滴来驱动的MEMS继电器，如图4所示。当对左边储液腔的液体进行加热时，会使气体膨胀而推动液滴运动，运动到两信号电极的正中间时，由于液滴导电而是继电器接通，对右边液体进行加热而使液体向左运动，继电器断开。虽然此种驱动能减小触点的损耗，但是实际制作时工艺复杂且不易封装[7]。

2.5混合动力型MEMS继电器

由于单一驱动各有利弊，混合动力驱动成为MEMS继电器的研究热点，将静电与电磁混合的驱动研究较多，图5为其一种典型结构。首先，线圈通入电路产生磁力使可动梁弯曲，然后在可动电极与固定电极问加电压，产生静电力使触点接触，继电器处于闭合状态，去激励时依靠梁的机械弹性恢复使继电器断开。此种结构综合了静电型的结构简单与电磁型的低驱动电压的特点，具有广阔的研究前景[8-9]。

3MEMS继电器的应用现状

整机武器型号系统指标（超音速、远程、精确制导等）的扩展以及体积小型化的要求使电子器件和产品朝着集成化、数字化、网络化和智能化发展；MEMS继电器体积小、功耗低、响应快、隔离度高、负载能力强，可以实现类似半导体技术的集成制造。因此国内外厂家都在积极进行MEMS继电器的应用研究。MEMS继电器主要采用的工艺主要为微电子加工技术，包括甩胶，光刻，溅射，电镀等。在一个芯片上能制出上万个单元，最后再进行封装，由于可动部分需要保护，因此其封装成本可能会较高。

3.1国外应用现状

目前国外MEMS继电器的厂家主要有松下电机，欧姆龙元器件事业部，富士通等公司，其MEMS（微机电系统）继电器已经形成生产线和商品。

(1)ForwardInd公司FRS13M继电器l4.3×7.5×13.8mm或l5.7×14.3×13.8mm(双继电器型)，额定负载25A，温度范围在-40℃～105℃。

(2)富士通FTR-P6尺寸:11.8×8.8×10.3mm，负载达到25A，比原有产品小33%。最小的微型机电继电器1.5×1.0×0.6mm。触点负荷0.3A，接触电阻小于300mΩ，动作电压5V，可满足长途通信和数据通信以及要求体积小、精度高的电子装置的需要。

(3)松下06年就推出大小仅为4.0mmx2.5mmx1.3mmME-X继电器，融合了MEMS和机电式继电器技术，采用精密活动结构和磁回路。具有低接触阻抗、接点间高绝缘性、可在高频且宽频带下使用的机械式继电器的优点和小型、高效率、可高速开闭的半导体继电器的优点。6GHz时的电阻为50Ω，插入损耗约为0.5dB，隔离度约为28dB，功耗为100mW，可用于IC测试仪、测量仪、BS/地波数字广播、4G/5G移动电话等产品当中。

(4)欧姆龙元器件事业部开发的MEMS传感器技术全球领先，欧姆龙已完成世界首次应用晶圆级真空封装技术的红外线传感器的研发，成功开发了具有90度广视野范围并可实现高精度区域温度检测的16*16单元型非接触式温度传感器。其MEMS主要产品包括如图7。

3.2国内现状

受工艺和设计水平的限制，国内机电继电器体积负载比没有明显改进，各生产厂家推出继电器的体积和负载能力没有特别异军突起的型号规格。在组装技术上还没有自主研发和推出微组装技术（MPT），因此还没有能生产MEMS继电器的厂家。

4总结

随着微加工技术的发展，各种驱动方式的微继电器均有较大发展，国内外众多企业和机构都在积极研制。从各种结构的比较可以发现电磁驱动型MEMS继电器现在发展比较成熟，其驱动电压低，与普通电路兼容，但其工艺结构比较复杂。，

参考文献

[1]静电型微继电器的设计与研究，许高斌等，2007,真空科学与技术学报，27（5）：405-412.

[2]Alow-voltagetorsinalactuatorforapplicationinRF-microswitches，PlotzF,etal,2001,SensorsandActuators,92:312-317.

[3]Electrostaticallyactuatedcopper–blademicrorelays,LeeHSetal,2002,SensorsandActuators,100:105-113.

[4]Alow-loss,single-pole,four-throwRFMEMSswitchesdrivenbyadoublestopcombdrive,KangS,2009,JornalofMicromechanicalsandMicroengneering,13(3):1-10.

[5]Abulk-micromachinedbistablerelaywithashapedthermalactators,QiuJinetal,2005,Jornalofmicro-mechanical-systerm,14(5):1099-1109.

[6]MEMS继电器典型结构与研究进展,黄胡，尤政等，2011,传感器与微系统，30（7）:1-6.

[7]Designandfabricationofamagnetichi-atableelectromagneticMEMSralay,FuShi,DingGuifu,WangHong,2007,MicroelectronicsJournal,38(4-5):556-563.

[8]国外MEMS继电器的发展,黄正,2008,中国电子科学研究院学报，3(5):468-475.

[9]介绍一种新型微小型继电器,申军,2013,机电元件,33(3):29-33