本发明专利技术公开了一种高度集成的电磁双稳态MEMS继电器及其制备方法。所述继电器是在单一基片上集成了包括电磁驱动、弹性支撑、信号切换等继电器所有系统和永磁体的MEMS器件。制备方法包括在基片上溅射种子层、旋涂光刻胶、绝缘层，通过光刻、电镀等工序形成平面线圈、封闭磁轭、悬臂梁、弹性平台、磁轭平台、动静触点、信号线、支撑结构，通过释放法形成气隙并在弹性平台上安装永磁体成为完整的继电器。本发明专利技术通过MEMS技术在单个基片上集成了电磁双稳态继电器的所有系统，提高了集成度，减小了继电器体积、降低了继电器功耗、保证了继电器工作的可靠性，且简化了制作工艺，适合工业化批量生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高度集成的电磁双稳态MEMS继电器及其制备方法，属于微电子机械
技术介绍
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则越专利技术显。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。 B.Rogger等在第八届微电子传感器与执行器会议(TRANSDUCERS，95 the 8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators and Eurosensors IX)上发表的“基于两层LIGA工艺的集成电磁驱动器”(Fully batch fabricated magnetic microactuators using two layer LIGA process)一文中，提出了采用X射线光刻技术(LIGA技术)制备基于立体螺旋线圈结构的电磁继电器，它由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)牺牲层技术结合二次LIGA技术实现铁镍磁芯及立体螺旋线圈组成。通入电流后，悬臂梁实现面内往复运动，断开或者闭合触点。然而，立体螺线管线圈的制备方法复杂，且LIGA技术成本较高，效率低，受外形尺寸的限制多，单片制造线圈容纳的线圈匝数相对要少。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种高度集成的电磁双稳态MEMS继电器及其制备方法，使其满足体积小、功耗低、集成度高、综合性能好，且制备方便、生产成本低、易于工业化批量生产的要求。 为达上述目的，本专利技术采用如下技术方案： 一种高度集成的电磁双稳态MEMS继电器，包括基片和集成在基片上的电磁驱动系统、 弹性支撑系统和永磁体，其特征在于：基片上还集成了信号切换系统；所述的电磁驱动系统包括多匝螺旋状平面线圈和封闭磁轭，封闭磁轭分布于平面线圈的中央、底部和边缘；所述的弹性支撑系统包括磁轭平台和叠置在磁轭平台上面的弹性平台以及与弹性平台的四边分别固定连接的四个悬臂梁，每个悬臂梁的另一端均与一个支撑结构固定连接；所述的永磁体位于弹性支撑系统的弹性平台的上表面；所述的信号切换系统包括静触点、动触点和两个外接信号线，所述的静触点位于电磁驱动系统的上表面，与一个外接信号线连接，所述的动触点位于弹性支撑系统的底部，与另一个外接信号线连接；在动触点与静触点之间存在由四个支撑结构支撑所形成的气隙。 作为优选方案，线圈之间设有绝缘层，所述绝缘层的厚度为10～24μm。 作为优选方案，所述平面线圈的形状为方形、矩形或圆形。 作为优选方案，所述平面线圈为单层线圈，线圈的厚度为22～26μm，宽度为12～15μm。 作为优选方案，所述的支撑结构设在电磁驱动系统与弹性支撑系统之间。 作为优选方案，所述气隙的间距为155～165μm。 一种制备上述高度集成的电磁双稳态MEMS继电器的方法，包括如下步骤： a)将基片表面洗净、烘干，溅射铬铜种子层，在溅射了铬铜种子层的表面旋涂多层光刻胶，然后依次光刻、电镀铁镍层，旋涂绝缘材料并进行热处理、平整化，再电镀铜线圈、铁镍层，形成平面线圈和磁轭； b)去除光刻胶、铬铜种子层，旋涂绝缘材料并进行热处理、平整化，在绝缘层表面旋涂光刻胶，依次光刻、电镀铜形成信号线，再依次电镀金、镍、铜形成静触点； c本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高度集成的电磁双稳态MEMS继电器，包括基片和集成在基片上的电磁驱动系统、弹性支撑系统和永磁体，其特征在于：基片上还集成了信号切换系统；所述的电磁驱动系统包括多匝螺旋状平面线圈和封闭磁轭，线圈之间设有绝缘层，封闭磁轭分布于平面线圈的中央、底部和边缘；所述的弹性支撑系统包括磁轭平台和叠置在磁轭平台上面的弹性平台以及与弹性平台的四边分别固定连接的四个悬臂梁，每个悬臂梁的另一端均与一个支撑结构固定连接；所述的永磁体位于弹性支撑系统的弹性平台的上表面；所述的信号切换系统包括静触点、动触点和两个外接信号线，所述的静触点位于电磁驱动系统的上表面，与一个外接信号线连接，所述的动触点位于弹性支撑系统的底部，与另一个外接信号线连接；在动触点与静触点之间存在由四个支撑结构支撑所形成的气隙。
【技术特征摘要】
1.一种高度集成的电磁双稳态MEMS继电器，包括基片和集成在基片上的电磁驱动
系统、弹性支撑系统和永磁体，其特征在于：基片上还集成了信号切换系统；所述的电磁
驱动系统包括多匝螺旋状平面线圈和封闭磁轭，线圈之间设有绝缘层，封闭磁轭分布于平
面线圈的中央、底部和边缘；所述的弹性支撑系统包括磁轭平台和叠置在磁轭平台上面的
弹性平台以及与弹性平台的四边分别固定连接的四个悬臂梁，每个悬臂梁的另一端均与一
个支撑结构固定连接；所述的永磁体位于弹性支撑系统的弹性平台的上表面；所述的信号
切换系统包括静触点、动触点和两个外接信号线，所述的静触点位于电磁驱动系统的上表
面，与一个外接信号线连接，所述的动触点位于弹性支撑系统的底部，与另一个外接信号
线连接；在动触点与静触点之间存在由四个支撑结构支撑所形成的气隙。
2.一种制备权利要求1所述的电磁双稳态MEMS继电器的方法，其特征在于，包括
如下步骤：
a)将基片表面洗净、烘干，溅射铬铜种子层，在溅射了铬铜种子层的表面旋涂多层光
刻胶，然后依次光刻、电镀铁镍层，旋涂绝缘材料并进行热处理、平整化，再电镀铜线圈、
铁镍层，形成平面线圈和磁轭；
b)去除光刻胶、铬铜种子层，旋涂绝缘材料并进行热处理、平整化，在绝缘层表面旋
涂光刻胶，依次光刻、电镀铜形成信号线，再依次电镀金、镍、铜形成静触点；
c)旋涂厚叠层光刻胶，依次光刻、电镀镍形成支撑结构；
d)旋涂一层光刻胶，依次光刻、依次电镀金、镍、铜形成动触点，电镀铁镍形成磁轭
平台、电镀铁镍形成悬臂梁、弹性平台，电镀镍形成支撑结构；
e)缓慢去除叠层光刻胶，逐层去除铬铜种子层，采用释放法形成气隙；
f)在弹性平台的上表面安装永磁体。
3.如权利要求2所述的方...
【专利技术属性】
技术研发人员：苗晓丹，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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