專利名稱：一種微機(jī)械電磁繼電器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種微機(jī)械電磁繼電器屬于工業(yè)用繼電器，其制造方法為基于半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制造一種微機(jī)械電磁繼電器的工藝過(guò)程，屬于先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
繼電器作為一種基本的機(jī)電元件廣泛地應(yīng)用于各種電力保護(hù)、儀器儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。在國(guó)防、航空航天器和各種地面控制設(shè)備中，也根據(jù)需要使用各種規(guī)格的繼電器。這些應(yīng)用包括例如選擇不同的導(dǎo)電路徑或開啟或關(guān)閉電路。一般來(lái)說(shuō)繼電器包括勵(lì)磁線圈和用于結(jié)合或分離一對(duì)觸點(diǎn)的機(jī)械元件(活動(dòng)銜鐵)。在給線圈通入電流時(shí)，產(chǎn)生電磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)銜鐵結(jié)合觸點(diǎn)，形成電連接。目前存在對(duì)工業(yè)產(chǎn)品(例如電子通信、航空航天)小型化的要求，這就產(chǎn)生了對(duì)繼電器減小尺寸的相應(yīng)需求。但是，傳統(tǒng)的電子繼電器除有較大的驅(qū)動(dòng)線圈外，而且需要將數(shù)種零件手工組合裝配起來(lái)才能形成完整的功能，這種使其重量，尺寸很難有根本的減小，而且生成效率較低。這種限制減少了利用繼電器產(chǎn)品的小型化程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于在兼有傳統(tǒng)繼電器優(yōu)點(diǎn)的情況下，設(shè)計(jì)一種微機(jī)械電磁繼電器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明是采用基于半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制造一種微結(jié)構(gòu)的繼電器。
本發(fā)明微機(jī)械電磁繼電器的技術(shù)方案參見結(jié)構(gòu)示意圖2，其特征在于，它包括有底層磁路8、勵(lì)磁線圈13、勵(lì)磁線圈的兩個(gè)端子14和15、繼電器觸點(diǎn)16、活動(dòng)銜鐵17和硅基板3以及聚酰亞胺隔離層9；硅基板3正面開有底層磁路槽2和凹孔狀的線圈端子槽4，底層磁路槽2中設(shè)置鉻銅薄膜5和鐵鎳合金薄膜7，凹孔狀的線圈端子槽4中設(shè)置有導(dǎo)電的金屬；硅基板3的正面表面設(shè)置有絕緣的聚酰亞胺隔離層9和濺射生成的二氧化硅膜10，并開孔露出貫通孔11和勵(lì)磁線圈端子引出孔12；勵(lì)磁線圈端子引出孔12中的位置與凹孔狀的線圈端子槽4的位置對(duì)應(yīng)，在濺射生成的二氧化硅膜10絕緣層上設(shè)置勵(lì)磁線圈13，勵(lì)磁線圈端子14與凹孔狀的線圈端子槽4和底層磁路8中的金屬以及勵(lì)磁線圈13的另一勵(lì)磁線圈端子15實(shí)現(xiàn)電聯(lián)結(jié)，這樣底層磁路8既兼做磁路一部分，又作為勵(lì)磁線圈13的一部分引出了線圈的中心端子；在濺射生成的二氧化硅膜10絕緣層的表面設(shè)置有繼電器觸點(diǎn)16，硅基板3的正面還設(shè)置有鐵鎳合金制作的兩端部分與硅基板3固定、兩端之間設(shè)置有可向下連通繼電器觸點(diǎn)13的活動(dòng)銜鐵17。
本發(fā)明的這種微電繼電器工作原理敘述如下，當(dāng)直流電流接入勵(lì)磁線圈13的兩勵(lì)磁線圈端子14和15時(shí)，左側(cè)的勵(lì)磁線圈端子14通過(guò)底層磁路8的導(dǎo)通孔上及它們之間附著的鐵鎳合金與勵(lì)磁線圈13的中心端連通，繼而與右側(cè)的勵(lì)磁線圈端子15形成閉合電路，從而使呈平面螺旋線分布的勵(lì)磁線圈13將產(chǎn)生磁通，由于硅基板3的正面包括底層磁路8附著有磁性鐵鎳合金，又由于活動(dòng)銜鐵17的材料也是鐵鎳合金，這樣底層磁路8附著的鐵鎳合金與活動(dòng)銜鐵17就形成了近似的閉合磁路。當(dāng)勵(lì)磁電流足夠大時(shí)，活動(dòng)銜鐵17的自由端被磁化后，將受到電磁引力向下彎曲，與繼電器觸點(diǎn)16接觸，由于活動(dòng)銜鐵17為導(dǎo)電體，從而使繼電器導(dǎo)通。當(dāng)線圈的勵(lì)磁電流斷開時(shí)，活動(dòng)銜鐵17依靠其自身的彈力與繼電器觸點(diǎn)16分離，從而使繼電器斷開，從而實(shí)現(xiàn)繼電器的開路和閉合功能。
本發(fā)明的微型電磁繼電器的制造方法參見示意圖1，它是基于半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)在硅片上制作的一種單穩(wěn)態(tài)微電磁繼電器，其制造方法步驟特征如下
1)采用水蒸氣氧化方法在硅基底3雙面生長(zhǎng)氧化硅薄膜1，接下來(lái)在硅片正面光刻底層磁路槽2和勵(lì)磁線圈13的凹孔狀的線圈端子槽4，而后在氫氧化鉀水溶液中刻蝕硅；2)在硅片的正面生長(zhǎng)一層用于線圈間絕緣的二氧化硅薄膜1；3)在硅片的正面濺射一層鉻銅薄膜5；然后利用光刻膠6形成電鑄模子，4)再用電鍍鐵鎳合金的方法形成底層磁路8，同時(shí)形成勵(lì)磁線圈的一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極并填充凹孔狀的線圈端子槽4；然后剝離光刻膠6，腐蝕表面露出來(lái)的鉻銅薄膜5；5)硅片表面旋涂生成聚酰亞胺膜9，放在烘箱高溫固化；而后在聚酰亞胺表面濺射一層二氧化硅薄膜10，并在二氧化硅膜10上光刻出與勵(lì)磁線圈13的中心端和勵(lì)磁線圈13的凹孔狀的線圈端子槽4對(duì)應(yīng)的貫通孔11和勵(lì)磁線圈端子引出孔12，采用等離子刻蝕機(jī)干法刻蝕孔11和孔12露出來(lái)的聚酰亞胺，直到露出下面的鐵鎳合金薄膜7；6)在硅片表面濺射一層鋁，用光刻工藝形成勵(lì)磁線圈13，和勵(lì)磁線圈13的兩個(gè)端子14和15，其中端子14覆蓋勵(lì)磁線圈端子引出孔12露出來(lái)的鐵鎳合金薄膜；同時(shí)形成繼電器的觸點(diǎn)16；7)在硅片的正面旋轉(zhuǎn)生成一層比較厚的聚酰亞胺膜9，放在烘箱固化；而后在聚酰亞胺膜9濺射一層鉻銅薄膜5；然后利用光刻膠6形成活動(dòng)銜鐵電鑄模子；8)電鍍鐵鎳合金薄膜7，剝離光刻膠，腐蝕除去表面露出來(lái)的鉻銅；繼而利用等離子刻蝕機(jī)干法刻蝕聚酰亞胺膜9，得到活動(dòng)銜鐵17以及活動(dòng)銜鐵17的活動(dòng)空間18。
用本發(fā)明的方法制造這種微型電磁繼電器的優(yōu)點(diǎn)是1、質(zhì)量體積小，繼電器本體部分厚度在0.5mm內(nèi)，平面幾何尺寸在5mm內(nèi)；2、生產(chǎn)成本低。它的制作方式與微電子芯片類同，不需零件裝配，可以大批量，低成本生產(chǎn)，使性能價(jià)格比大幅度地提高；3、基片正面底層的鐵鎳材料部分既作磁路的一部分，又引出了勵(lì)磁線圈的中心端子電極充當(dāng)了一個(gè)線圈電極，使線圈的制造工藝簡(jiǎn)化；4、采用聚酰亞胺薄膜使硅片正面底層磁路表面平坦化，利于平面線圈的制作；同時(shí)勵(lì)磁線圈采用平面螺線式形狀，便于半導(dǎo)體表面加工技術(shù)；5、觸點(diǎn)電流在0-1A之間，可通過(guò)較大電流。


圖1本發(fā)明的微型電磁繼電器的制作工藝過(guò)程示意中(a)為硅基底雙面生長(zhǎng)二氧化硅薄膜1，光刻形成低層磁路槽2和勵(lì)磁線圈13的一個(gè)端子槽4以及在氫氧化鉀溶液腐蝕硅的側(cè)視圖；(b)為圖(a)的俯視圖；(c)為氧化形成二氧化硅薄膜1的側(cè)視圖；(d)為濺射鉻銅薄膜5，光刻形成底層磁路8電鑄模型的側(cè)視圖；(e)為電鍍鐵鎳合金薄膜7，形成底層磁路8的側(cè)視圖；(f)為圖(e)的俯視圖；(g)為涂聚酰亞胺膜9亞胺化濺射二氧化硅膜10，并光刻形成貫通孔11和勵(lì)磁線圈13端子引出孔12的側(cè)視圖；(h)為圖(g)的俯視圖；(i)為濺射鋁，光刻形成勵(lì)磁線圈13和兩個(gè)端子14和15，以及繼電器的觸點(diǎn)16的側(cè)視圖；(j)為圖(i)的俯視圖；(k)為涂聚酰亞胺膜9亞胺化并濺射鉻銅薄膜5，光刻形成活動(dòng)銜鐵17的電鑄模型的側(cè)視圖；(l)為電鍍鐵鎳后干法刻蝕聚酰亞胺膜9，形成活動(dòng)銜鐵17以及其活動(dòng)空間18的側(cè)視圖；(m)為圖(l)的俯視圖；圖2本發(fā)明的微型電磁繼電器結(jié)構(gòu)示意圖；圖1——2中標(biāo)號(hào)說(shuō)明
圖中1、蒸氣氧化生成的二氧化硅膜，2、底層磁路槽，3、硅基板，4、凹孔狀的線圈端子槽，5、鉻銅薄膜，6、光刻膠，7、鐵鎳合金薄膜，8、底層磁路，9、聚酰亞胺膜，10、濺射生成的二氧化硅膜，11、貫通孔，12、勵(lì)磁線圈端子引出孔，13、勵(lì)磁線圈，14、勵(lì)磁線圈的一個(gè)端子，15、勵(lì)磁線圈的另一個(gè)端子，16、繼電器觸點(diǎn)，17、活動(dòng)銜鐵，18、活動(dòng)空間；具體實(shí)施方式
根據(jù)圖1-圖2所示的設(shè)計(jì)方案按以下工藝方法舉一實(shí)施例，該例具體制造方法步驟為1)用厚度450±5微米、晶向<100>、且單面拋光硅片作基片，采用濕氣氧化法在雙面生長(zhǎng)氧化硅薄膜1，厚度為10000±20，作為刻蝕硅的掩蔽層；接下來(lái)在硅片正面光刻，形成底層磁路槽8和凹孔狀的線圈端子槽4；而后在33±1％的氫氧化鉀水溶液中刻蝕硅，恒溫80±2度，適度攪拌120±10秒，腐蝕深度大約3微米；2)把硅片放進(jìn)氧化爐內(nèi)氧化，溫度1050±1度，爐內(nèi)通入水蒸氣，氧化時(shí)間180±5分鐘，硅表面生長(zhǎng)一層用于絕緣的二氧化硅薄膜1；3)采用濺射工藝，把硅正面的二氧化硅薄膜1上生成鉻銅薄膜5；利用光刻膠6形成電鑄模子；4)采用電鍍的方法，在鉻銅薄膜表面電鍍大約4微米厚的鐵鎳合金薄膜7，形成底層磁路8；而后剝離光刻膠6，用腐蝕方法去除露出來(lái)的鉻銅薄膜5；5)在硅片表面旋轉(zhuǎn)生成聚酰亞胺膜9，對(duì)聚酰亞胺進(jìn)行亞胺化處理；而后利用濺射在其上生成二氧化硅薄膜10，光刻形成勵(lì)磁線圈13的中心端和勵(lì)磁線圈13的一個(gè)端子對(duì)應(yīng)的貫通孔11和勵(lì)磁線圈端子引出孔12，露出底層磁路8的鐵鎳合金薄膜；6)在聚酰亞胺膜9上表面濺射薄膜鋁，利用光刻形成勵(lì)磁線圈13和繼電器觸點(diǎn)16，其中勵(lì)磁線圈的端子14對(duì)應(yīng)孔12的位置；
7)在硅片正面旋轉(zhuǎn)生成大約15微米厚的聚酰亞胺膜9，進(jìn)行亞胺化處理；而后在其上濺射生成鉻銅薄膜5，利用光刻膠6形成活動(dòng)銜鐵鑄型；8)在活動(dòng)銜鐵鑄型電鍍鐵鎳合金膜20大約5±1微米后，除去光刻膠6和腐蝕鉻銅薄膜5；利用等離子刻蝕機(jī)，用氧氣干法腐蝕聚酰亞胺膜9，得到活動(dòng)銜鐵17，形成活動(dòng)銜鐵的動(dòng)作間隙18。
本實(shí)施例所制造的微型電磁繼電器達(dá)到了前述的目的和效果，并充分證實(shí)了本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種微型電磁繼電器，其特征在于，它包括有底層磁路(8)、勵(lì)磁線圈(13)、勵(lì)磁線圈的兩個(gè)端子(14)和(15)、繼電器觸點(diǎn)(16)、活動(dòng)銜鐵(17)和硅基板(3)以及聚酰亞胺隔離層(9)；硅基板(3)正面開有底層磁路槽(2)和凹孔狀的線圈端子槽(4)，底層磁路槽(2)中設(shè)置鉻銅薄膜(5)和鐵鎳合金薄膜(7)，凹孔狀的線圈端子槽(4)中設(shè)置有導(dǎo)電的金屬；硅基板(3)的正面表面設(shè)置有絕緣的聚酰亞胺隔離層(9)和濺射生成的二氧化硅膜(10)，并開孔露出貫通孔(11)和勵(lì)磁線圈端子引出孔(12)；勵(lì)磁線圈端子引出孔(12)中的位置與凹孔狀的線圈端子槽(4)的位置對(duì)應(yīng)，在濺射生成的二氧化硅膜(10)絕緣層上設(shè)置勵(lì)磁線圈(13)，勵(lì)磁線圈端子(14)與凹孔狀的線圈端子槽(4)和底層磁路(8)中的金屬以及勵(lì)磁線圈(13)的另一勵(lì)磁線圈端子(15)實(shí)現(xiàn)電聯(lián)結(jié)，這樣底層磁路(8)既兼做磁路一部分，又作為勵(lì)磁線圈(13)的一部分引出了線圈的中心端子；在濺射生成的二氧化硅膜(10)絕緣層的表面設(shè)置有繼電器觸點(diǎn)(16)，硅基板(3)的正面還設(shè)置有鐵鎳合金制作的兩端部分與硅基板(3)固定、兩端之間設(shè)置有可向下連通繼電器觸點(diǎn)(13)的活動(dòng)銜鐵(17)。
2.一種微型電磁繼電器的制造方法，其特征在于，其制造方法步驟為1)采用水蒸氣氧化方法在硅基底(3)雙面生長(zhǎng)氧化硅薄膜(1)，接下來(lái)在硅片正面光刻底層磁路槽(2)和勵(lì)磁線圈(13)的凹孔狀的線圈端子槽(4)，而后在氫氧化鉀水溶液中刻蝕硅；2)在硅片的正面生長(zhǎng)一層用于線圈間絕緣的二氧化硅薄膜(1)；3)在硅片的正面濺射一層鉻銅薄膜(5)；然后利用光刻膠(6)形成電鑄模子，4)再用電鍍鐵鎳合金的方法形成底層磁路(8)，同時(shí)形成勵(lì)磁線圈的一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極并填充凹孔狀的線圈端子槽(4)；然后剝離光刻膠(6)，腐蝕表面露出來(lái)的鉻銅薄膜(5)；5)硅片表面旋涂生成聚酰亞胺膜(9)，放在烘箱高溫固化；而后在聚酰亞胺表面濺射一層二氧化硅薄膜(10)，并在二氧化硅膜(10)上光刻出與勵(lì)磁線圈(13)的中心端和勵(lì)磁線圈(13)的凹孔狀的線圈端子槽(4)對(duì)應(yīng)的貫通孔(11)和勵(lì)磁線圈端子引出孔(12)，采用等離子刻蝕機(jī)干法刻蝕孔(11)和孔(12)露出來(lái)的聚酰亞胺，直到露出下面的鐵鎳合金薄膜(7)；6)在硅片表面濺射一層鋁，用光刻工藝形成勵(lì)磁線圈(13)，和勵(lì)磁線圈(13)的兩個(gè)端子(14)和(15)，其中端子(14)覆蓋勵(lì)磁線圈端子引出孔(12)露出來(lái)的鐵鎳合金薄膜；同時(shí)形成繼電器的觸點(diǎn)(16)；7)在硅片的正面旋轉(zhuǎn)生成一層比較厚的聚酰亞胺膜(9)，放在烘箱固化；而后在聚酰亞胺膜(9)濺射一層鉻銅薄膜(5)；然后利用光刻膠(6)形成活動(dòng)銜鐵電鑄模子；8)電鍍鐵鎳合金薄膜(7)，剝離光刻膠，腐蝕除去表面露出來(lái)的鉻銅；繼而利用等離子刻蝕機(jī)干法刻蝕聚酰亞胺膜(9)，得到活動(dòng)銜鐵(17)以及活動(dòng)銜鐵(17)的活動(dòng)空間(18)。
全文摘要
一種微機(jī)械電磁繼電器及其制備方法，屬于制造技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是基于半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝在硅片上制作的一種單穩(wěn)態(tài)微機(jī)械電磁繼電器，它由硅基板(3)、勵(lì)磁線圈(13)、繼電器觸點(diǎn)(16)、活動(dòng)銜鐵(21)和硅基板正面的底層磁路(8)、聚酰亞胺絕緣膜(9)等部分組成；主要制造工藝特點(diǎn)是，1)首先從硅片正面制作底層磁路槽，利用濺射、電鍍?cè)诓蹆?nèi)形成底層磁路，同時(shí)引出勵(lì)磁線圈的中心端子；2)在底層磁路上生成聚酰亞胺膜和二氧化硅膜，使表面平坦并與底層磁路絕緣；3)采用濺射鋁和光刻工藝制作繼電器的勵(lì)磁線圈和觸點(diǎn)；4)采用電鑄鐵鎳工藝制作活動(dòng)銜鐵。本發(fā)明具有質(zhì)量體積小，生產(chǎn)成本低，工藝簡(jiǎn)單，繼電器觸點(diǎn)可通過(guò)較大電流等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01H49/00GK1558433SQ20041000066
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月16日
發(fā)明者李德勝, 張宇峰, 李浩群 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)