專利名稱：一種微機械電磁繼電器及其制備方法
技術領域：
一種微機械電磁繼電器屬于工業用繼電器，其制造方法為基于半導體微細加工技術制造一種微機械電磁繼電器的工藝過程，屬于先進制造與自動化技術領域。
背景技術：
繼電器作為一種基本的機電元件廣泛地應用于各種電力保護、儀器儀表和自動控制系統中。在國防、航空航天器和各種地面控制設備中，也根據需要使用各種規格的繼電器。這些應用包括例如選擇不同的導電路徑或開啟或關閉電路。一般來說繼電器包括勵磁線圈和用于結合或分離一對觸點的機械元件(活動銜鐵)。在給線圈通入電流時，產生電磁場來驅動銜鐵結合觸點，形成電連接。目前存在對工業產品(例如電子通信、航空航天)小型化的要求，這就產生了對繼電器減小尺寸的相應需求。但是，傳統的電子繼電器除有較大的驅動線圈外，而且需要將數種零件手工組合裝配起來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品的小型化程度。
發明內容
本發明的目的在于在兼有傳統繼電器優點的情況下，設計一種微機械電磁繼電器的結構。本發明是采用基于半導體微細加工技術制造一種微結構的繼電器。
本發明微機械電磁繼電器的技術方案參見結構示意圖2，其特征在于，它包括有底層磁路8、勵磁線圈13、勵磁線圈的兩個端子14和15、繼電器觸點16、活動銜鐵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中設置有導電的金屬；硅基板3的正面表面設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和勵磁線圈端子引出孔12；勵磁線圈端子引出孔12中的位置與凹孔狀的線圈端子槽4的位置對應，在濺射生成的二氧化硅膜10絕緣層上設置勵磁線圈13，勵磁線圈端子14與凹孔狀的線圈端子槽4和底層磁路8中的金屬以及勵磁線圈13的另一勵磁線圈端子15實現電聯結，這樣底層磁路8既兼做磁路一部分，又作為勵磁線圈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絕緣層的表面設置有繼電器觸點16，硅基板3的正面還設置有鐵鎳合金制作的兩端部分與硅基板3固定、兩端之間設置有可向下連通繼電器觸點13的活動銜鐵17。
本發明的這種微電繼電器工作原理敘述如下，當直流電流接入勵磁線圈13的兩勵磁線圈端子14和15時，左側的勵磁線圈端子14通過底層磁路8的導通孔上及它們之間附著的鐵鎳合金與勵磁線圈13的中心端連通，繼而與右側的勵磁線圈端子15形成閉合電路，從而使呈平面螺旋線分布的勵磁線圈13將產生磁通，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銜鐵17就形成了近似的閉合磁路。當勵磁電流足夠大時，活動銜鐵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16接觸，由于活動銜鐵17為導電體，從而使繼電器導通。當線圈的勵磁電流斷開時，活動銜鐵17依靠其自身的彈力與繼電器觸點16分離，從而使繼電器斷開，從而實現繼電器的開路和閉合功能。
本發明的微型電磁繼電器的制造方法參見示意圖1，它是基于半導體微細加工技術在硅片上制作的一種單穩態微電磁繼電器，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雙面生長氧化硅薄膜1，接下來在硅片正面光刻底層磁路槽2和勵磁線圈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，同時形成勵磁線圈的一個驅動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上光刻出與勵磁線圈13的中心端和勵磁線圈13的凹孔狀的線圈端子槽4對應的貫通孔11和勵磁線圈端子引出孔12，采用等離子刻蝕機干法刻蝕孔11和孔12露出來的聚酰亞胺，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，用光刻工藝形成勵磁線圈13，和勵磁線圈13的兩個端子14和15，其中端子14覆蓋勵磁線圈端子引出孔12露出來的鐵鎳合金薄膜；同時形成繼電器的觸點16；7)在硅片的正面旋轉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的鉻銅；繼而利用等離子刻蝕機干法刻蝕聚酰亞胺膜9，得到活動銜鐵17以及活動銜鐵17的活動空間18。
用本發明的方法制造這種微型電磁繼電器的優點是1、質量體積小，繼電器本體部分厚度在0.5mm內，平面幾何尺寸在5mm內；2、生產成本低。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，使性能價格比大幅度地提高；3、基片正面底層的鐵鎳材料部分既作磁路的一部分，又引出了勵磁線圈的中心端子電極充當了一個線圈電極，使線圈的制造工藝簡化；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；同時勵磁線圈采用平面螺線式形狀，便于半導體表面加工技術；5、觸點電流在0-1A之間，可通過較大電流。
圖1本發明的微型電磁繼電器的制作工藝過程示意中(a)為硅基底雙面生長二氧化硅薄膜1，光刻形成低層磁路槽2和勵磁線圈13的一個端子槽4以及在氫氧化鉀溶液腐蝕硅的側視圖；(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電鑄模型的側視圖；(e)為電鍍鐵鎳合金薄膜7，形成底層磁路8的側視圖；(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和勵磁線圈13端子引出孔12的側視圖；(h)為圖(g)的俯視圖；(i)為濺射鋁，光刻形成勵磁線圈13和兩個端子14和15，以及繼電器的觸點16的側視圖；(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，光刻形成活動銜鐵17的電鑄模型的側視圖；(l)為電鍍鐵鎳后干法刻蝕聚酰亞胺膜9，形成活動銜鐵17以及其活動空間18的側視圖；(m)為圖(l)的俯視圖；圖2本發明的微型電磁繼電器結構示意圖；圖1——2中標號說明
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、勵磁線圈端子引出孔，13、勵磁線圈，14、勵磁線圈的一個端子，15、勵磁線圈的另一個端子，16、繼電器觸點，17、活動銜鐵，18、活動空間；具體實施方式
根據圖1-圖2所示的設計方案按以下工藝方法舉一實施例，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氧化硅薄膜1，厚度為10000±20，作為刻蝕硅的掩蔽層；接下來在硅片正面光刻，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)把硅片放進氧化爐內氧化，溫度1050±1度，爐內通入水蒸氣，氧化時間180±5分鐘，硅表面生長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的鉻銅薄膜5；5)在硅片表面旋轉生成聚酰亞胺膜9，對聚酰亞胺進行亞胺化處理；而后利用濺射在其上生成二氧化硅薄膜10，光刻形成勵磁線圈13的中心端和勵磁線圈13的一個端子對應的貫通孔11和勵磁線圈端子引出孔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，利用光刻形成勵磁線圈13和繼電器觸點16，其中勵磁線圈的端子14對應孔12的位置；
7)在硅片正面旋轉生成大約15微米厚的聚酰亞胺膜9，進行亞胺化處理；而后在其上濺射生成鉻銅薄膜5，利用光刻膠6形成活動銜鐵鑄型；8)在活動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，用氧氣干法腐蝕聚酰亞胺膜9，得到活動銜鐵17，形成活動銜鐵的動作間隙18。
本實施例所制造的微型電磁繼電器達到了前述的目的和效果，并充分證實了本發明技術方案的實用性。
權利要求
1.一種微型電磁繼電器，其特征在于，它包括有底層磁路(8)、勵磁線圈(13)、勵磁線圈的兩個端子(14)和(15)、繼電器觸點(16)、活動銜鐵(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)中設置有導電的金屬；硅基板(3)的正面表面設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)和勵磁線圈端子引出孔(12)；勵磁線圈端子引出孔(12)中的位置與凹孔狀的線圈端子槽(4)的位置對應，在濺射生成的二氧化硅膜(10)絕緣層上設置勵磁線圈(13)，勵磁線圈端子(14)與凹孔狀的線圈端子槽(4)和底層磁路(8)中的金屬以及勵磁線圈(13)的另一勵磁線圈端子(15)實現電聯結，這樣底層磁路(8)既兼做磁路一部分，又作為勵磁線圈(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)絕緣層的表面設置有繼電器觸點(16)，硅基板(3)的正面還設置有鐵鎳合金制作的兩端部分與硅基板(3)固定、兩端之間設置有可向下連通繼電器觸點(13)的活動銜鐵(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)雙面生長氧化硅薄膜(1)，接下來在硅片正面光刻底層磁路槽(2)和勵磁線圈(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)，同時形成勵磁線圈的一個驅動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)上光刻出與勵磁線圈(13)的中心端和勵磁線圈(13)的凹孔狀的線圈端子槽(4)對應的貫通孔(11)和勵磁線圈端子引出孔(12)，采用等離子刻蝕機干法刻蝕孔(11)和孔(12)露出來的聚酰亞胺，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，用光刻工藝形成勵磁線圈(13)，和勵磁線圈(13)的兩個端子(14)和(15)，其中端子(14)覆蓋勵磁線圈端子引出孔(12)露出來的鐵鎳合金薄膜；同時形成繼電器的觸點(16)；7)在硅片的正面旋轉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的鉻銅；繼而利用等離子刻蝕機干法刻蝕聚酰亞胺膜(9)，得到活動銜鐵(17)以及活動銜鐵(17)的活動空間(18)。
全文摘要
一種微機械電磁繼電器及其制備方法，屬于制造技術領域。本發明是基于半導體微細加工工藝在硅片上制作的一種單穩態微機械電磁繼電器，它由硅基板(3)、勵磁線圈(13)、繼電器觸點(16)、活動銜鐵(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；主要制造工藝特點是，1)首先從硅片正面制作底層磁路槽，利用濺射、電鍍在槽內形成底層磁路，同時引出勵磁線圈的中心端子；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磁線圈和觸點；4)采用電鑄鐵鎳工藝制作活動銜鐵。本發明具有質量體積小，生產成本低，工藝簡單，繼電器觸點可通過較大電流等特點。
文檔編號H01H49/00GK1558433SQ20041000066
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月16日 優先權日2004年1月16日
發明者李德勝, 張宇峰, 李浩群 申請人:北京工業大學