专利名称：一种微机械电磁继电器及其制备方法
技术领域：
一种微机械电磁继电器属于工业用继电器，其制造方法为基于半导体微细加工技术制造一种微机械电磁继电器的工艺过程，属于先进制造与自动化技术领域。
背景技术：
继电器作为一种基本的机电元件广泛地应用于各种电力保护、仪器仪表和自动控制系统中。在国防、航空航天器和各种地面控制设备中，也根据需要使用各种规格的继电器。这些应用包括例如选择不同的导电路径或开启或关闭电路。一般来说继电器包括励磁线圈和用于结合或分离一对触点的机械元件(活动衔铁)。在给线圈通入电流时，产生电磁场来驱动衔铁结合触点，形成电连接。目前存在对工业产品(例如电子通信、航空航天)小型化的要求，这就产生了对继电器减小尺寸的相应需求。但是，传统的电子继电器除有较大的驱动线圈外，而且需要将数种零件手工组合装配起来才能形成完整的功能，这种使其重量，尺寸很难有根本的减小，而且生成效率较低。这种限制减少了利用继电器产品的小型化程度。
发明内容
本发明的目的在于在兼有传统继电器优点的情况下，设计一种微机械电磁继电器的结构。本发明是采用基于半导体微细加工技术制造一种微结构的继电器。
本发明微机械电磁继电器的技术方案参见结构示意图2，其特征在于，它包括有底层磁路8、励磁线圈13、励磁线圈的两个端子14和15、继电器触点16、活动衔铁17和硅基板3以及聚酰亚胺隔离层9；硅基板3正面开有底层磁路槽2和凹孔状的线圈端子槽4，底层磁路槽2中设置铬铜薄膜5和铁镍合金薄膜7，凹孔状的线圈端子槽4中设置有导电的金属；硅基板3的正面表面设置有绝缘的聚酰亚胺隔离层9和溅射生成的二氧化硅膜10，并开孔露出贯通孔11和励磁线圈端子引出孔12；励磁线圈端子引出孔12中的位置与凹孔状的线圈端子槽4的位置对应，在溅射生成的二氧化硅膜10绝缘层上设置励磁线圈13，励磁线圈端子14与凹孔状的线圈端子槽4和底层磁路8中的金属以及励磁线圈13的另一励磁线圈端子15实现电联结，这样底层磁路8既兼做磁路一部分，又作为励磁线圈13的一部分引出了线圈的中心端子；在溅射生成的二氧化硅膜10绝缘层的表面设置有继电器触点16，硅基板3的正面还设置有铁镍合金制作的两端部分与硅基板3固定、两端之间设置有可向下连通继电器触点13的活动衔铁17。
本发明的这种微电继电器工作原理叙述如下，当直流电流接入励磁线圈13的两励磁线圈端子14和15时，左侧的励磁线圈端子14通过底层磁路8的导通孔上及它们之间附着的铁镍合金与励磁线圈13的中心端连通，继而与右侧的励磁线圈端子15形成闭合电路，从而使呈平面螺旋线分布的励磁线圈13将产生磁通，由于硅基板3的正面包括底层磁路8附着有磁性铁镍合金，又由于活动衔铁17的材料也是铁镍合金，这样底层磁路8附着的铁镍合金与活动衔铁17就形成了近似的闭合磁路。当励磁电流足够大时，活动衔铁17的自由端被磁化后，将受到电磁引力向下弯曲，与继电器触点16接触，由于活动衔铁17为导电体，从而使继电器导通。当线圈的励磁电流断开时，活动衔铁17依靠其自身的弹力与继电器触点16分离，从而使继电器断开，从而实现继电器的开路和闭合功能。
本发明的微型电磁继电器的制造方法参见示意图1，它是基于半导体微细加工技术在硅片上制作的一种单稳态微电磁继电器，其制造方法步骤特征如下
1)采用水蒸气氧化方法在硅基底3双面生长氧化硅薄膜1，接下来在硅片正面光刻底层磁路槽2和励磁线圈13的凹孔状的线圈端子槽4，而后在氢氧化钾水溶液中刻蚀硅；2)在硅片的正面生长一层用于线圈间绝缘的二氧化硅薄膜1；3)在硅片的正面溅射一层铬铜薄膜5；然后利用光刻胶6形成电铸模子，4)再用电镀铁镍合金的方法形成底层磁路8，同时形成励磁线圈的一个驱动电极并填充凹孔状的线圈端子槽4；然后剥离光刻胶6，腐蚀表面露出来的铬铜薄膜5；5)硅片表面旋涂生成聚酰亚胺膜9，放在烘箱高温固化；而后在聚酰亚胺表面溅射一层二氧化硅薄膜10，并在二氧化硅膜10上光刻出与励磁线圈13的中心端和励磁线圈13的凹孔状的线圈端子槽4对应的贯通孔11和励磁线圈端子引出孔12，采用等离子刻蚀机干法刻蚀孔11和孔12露出来的聚酰亚胺，直到露出下面的铁镍合金薄膜7；6)在硅片表面溅射一层铝，用光刻工艺形成励磁线圈13，和励磁线圈13的两个端子14和15，其中端子14覆盖励磁线圈端子引出孔12露出来的铁镍合金薄膜；同时形成继电器的触点16；7)在硅片的正面旋转生成一层比较厚的聚酰亚胺膜9，放在烘箱固化；而后在聚酰亚胺膜9溅射一层铬铜薄膜5；然后利用光刻胶6形成活动衔铁电铸模子；8)电镀铁镍合金薄膜7，剥离光刻胶，腐蚀除去表面露出来的铬铜；继而利用等离子刻蚀机干法刻蚀聚酰亚胺膜9，得到活动衔铁17以及活动衔铁17的活动空间18。
用本发明的方法制造这种微型电磁继电器的优点是1、质量体积小，继电器本体部分厚度在0.5mm内，平面几何尺寸在5mm内；2、生产成本低。它的制作方式与微电子芯片类同，不需零件装配，可以大批量，低成本生产，使性能价格比大幅度地提高；3、基片正面底层的铁镍材料部分既作磁路的一部分，又引出了励磁线圈的中心端子电极充当了一个线圈电极，使线圈的制造工艺简化；4、采用聚酰亚胺薄膜使硅片正面底层磁路表面平坦化，利于平面线圈的制作；同时励磁线圈采用平面螺线式形状，便于半导体表面加工技术；5、触点电流在0-1A之间，可通过较大电流。
图1本发明的微型电磁继电器的制作工艺过程示意中(a)为硅基底双面生长二氧化硅薄膜1，光刻形成低层磁路槽2和励磁线圈13的一个端子槽4以及在氢氧化钾溶液腐蚀硅的侧视图；(b)为图(a)的俯视图；(c)为氧化形成二氧化硅薄膜1的侧视图；(d)为溅射铬铜薄膜5，光刻形成底层磁路8电铸模型的侧视图；(e)为电镀铁镍合金薄膜7，形成底层磁路8的侧视图；(f)为图(e)的俯视图；(g)为涂聚酰亚胺膜9亚胺化溅射二氧化硅膜10，并光刻形成贯通孔11和励磁线圈13端子引出孔12的侧视图；(h)为图(g)的俯视图；(i)为溅射铝，光刻形成励磁线圈13和两个端子14和15，以及继电器的触点16的侧视图；(j)为图(i)的俯视图；(k)为涂聚酰亚胺膜9亚胺化并溅射铬铜薄膜5，光刻形成活动衔铁17的电铸模型的侧视图；(l)为电镀铁镍后干法刻蚀聚酰亚胺膜9，形成活动衔铁17以及其活动空间18的侧视图；(m)为图(l)的俯视图；图2本发明的微型电磁继电器结构示意图；图1——2中标号说明
图中1、蒸气氧化生成的二氧化硅膜，2、底层磁路槽，3、硅基板，4、凹孔状的线圈端子槽，5、铬铜薄膜，6、光刻胶，7、铁镍合金薄膜，8、底层磁路，9、聚酰亚胺膜，10、溅射生成的二氧化硅膜，11、贯通孔，12、励磁线圈端子引出孔，13、励磁线圈，14、励磁线圈的一个端子，15、励磁线圈的另一个端子，16、继电器触点，17、活动衔铁，18、活动空间；具体实施方式
根据图1-图2所示的设计方案按以下工艺方法举一实施例，该例具体制造方法步骤为1)用厚度450±5微米、晶向<100>、且单面抛光硅片作基片，采用湿气氧化法在双面生长氧化硅薄膜1，厚度为10000±20，作为刻蚀硅的掩蔽层；接下来在硅片正面光刻，形成底层磁路槽8和凹孔状的线圈端子槽4；而后在33±1％的氢氧化钾水溶液中刻蚀硅，恒温80±2度，适度搅拌120±10秒，腐蚀深度大约3微米；2)把硅片放进氧化炉内氧化，温度1050±1度，炉内通入水蒸气，氧化时间180±5分钟，硅表面生长一层用于绝缘的二氧化硅薄膜1；3)采用溅射工艺，把硅正面的二氧化硅薄膜1上生成铬铜薄膜5；利用光刻胶6形成电铸模子；4)采用电镀的方法，在铬铜薄膜表面电镀大约4微米厚的铁镍合金薄膜7，形成底层磁路8；而后剥离光刻胶6，用腐蚀方法去除露出来的铬铜薄膜5；5)在硅片表面旋转生成聚酰亚胺膜9，对聚酰亚胺进行亚胺化处理；而后利用溅射在其上生成二氧化硅薄膜10，光刻形成励磁线圈13的中心端和励磁线圈13的一个端子对应的贯通孔11和励磁线圈端子引出孔12，露出底层磁路8的铁镍合金薄膜；6)在聚酰亚胺膜9上表面溅射薄膜铝，利用光刻形成励磁线圈13和继电器触点16，其中励磁线圈的端子14对应孔12的位置；
7)在硅片正面旋转生成大约15微米厚的聚酰亚胺膜9，进行亚胺化处理；而后在其上溅射生成铬铜薄膜5，利用光刻胶6形成活动衔铁铸型；8)在活动衔铁铸型电镀铁镍合金膜20大约5±1微米后，除去光刻胶6和腐蚀铬铜薄膜5；利用等离子刻蚀机，用氧气干法腐蚀聚酰亚胺膜9，得到活动衔铁17，形成活动衔铁的动作间隙18。
本实施例所制造的微型电磁继电器达到了前述的目的和效果，并充分证实了本发明技术方案的实用性。
权利要求
1.一种微型电磁继电器，其特征在于，它包括有底层磁路(8)、励磁线圈(13)、励磁线圈的两个端子(14)和(15)、继电器触点(16)、活动衔铁(17)和硅基板(3)以及聚酰亚胺隔离层(9)；硅基板(3)正面开有底层磁路槽(2)和凹孔状的线圈端子槽(4)，底层磁路槽(2)中设置铬铜薄膜(5)和铁镍合金薄膜(7)，凹孔状的线圈端子槽(4)中设置有导电的金属；硅基板(3)的正面表面设置有绝缘的聚酰亚胺隔离层(9)和溅射生成的二氧化硅膜(10)，并开孔露出贯通孔(11)和励磁线圈端子引出孔(12)；励磁线圈端子引出孔(12)中的位置与凹孔状的线圈端子槽(4)的位置对应，在溅射生成的二氧化硅膜(10)绝缘层上设置励磁线圈(13)，励磁线圈端子(14)与凹孔状的线圈端子槽(4)和底层磁路(8)中的金属以及励磁线圈(13)的另一励磁线圈端子(15)实现电联结，这样底层磁路(8)既兼做磁路一部分，又作为励磁线圈(13)的一部分引出了线圈的中心端子；在溅射生成的二氧化硅膜(10)绝缘层的表面设置有继电器触点(16)，硅基板(3)的正面还设置有铁镍合金制作的两端部分与硅基板(3)固定、两端之间设置有可向下连通继电器触点(13)的活动衔铁(17)。
2.一种微型电磁继电器的制造方法，其特征在于，其制造方法步骤为1)采用水蒸气氧化方法在硅基底(3)双面生长氧化硅薄膜(1)，接下来在硅片正面光刻底层磁路槽(2)和励磁线圈(13)的凹孔状的线圈端子槽(4)，而后在氢氧化钾水溶液中刻蚀硅；2)在硅片的正面生长一层用于线圈间绝缘的二氧化硅薄膜(1)；3)在硅片的正面溅射一层铬铜薄膜(5)；然后利用光刻胶(6)形成电铸模子，4)再用电镀铁镍合金的方法形成底层磁路(8)，同时形成励磁线圈的一个驱动电极并填充凹孔状的线圈端子槽(4)；然后剥离光刻胶(6)，腐蚀表面露出来的铬铜薄膜(5)；5)硅片表面旋涂生成聚酰亚胺膜(9)，放在烘箱高温固化；而后在聚酰亚胺表面溅射一层二氧化硅薄膜(10)，并在二氧化硅膜(10)上光刻出与励磁线圈(13)的中心端和励磁线圈(13)的凹孔状的线圈端子槽(4)对应的贯通孔(11)和励磁线圈端子引出孔(12)，采用等离子刻蚀机干法刻蚀孔(11)和孔(12)露出来的聚酰亚胺，直到露出下面的铁镍合金薄膜(7)；6)在硅片表面溅射一层铝，用光刻工艺形成励磁线圈(13)，和励磁线圈(13)的两个端子(14)和(15)，其中端子(14)覆盖励磁线圈端子引出孔(12)露出来的铁镍合金薄膜；同时形成继电器的触点(16)；7)在硅片的正面旋转生成一层比较厚的聚酰亚胺膜(9)，放在烘箱固化；而后在聚酰亚胺膜(9)溅射一层铬铜薄膜(5)；然后利用光刻胶(6)形成活动衔铁电铸模子；8)电镀铁镍合金薄膜(7)，剥离光刻胶，腐蚀除去表面露出来的铬铜；继而利用等离子刻蚀机干法刻蚀聚酰亚胺膜(9)，得到活动衔铁(17)以及活动衔铁(17)的活动空间(18)。
全文摘要
一种微机械电磁继电器及其制备方法，属于制造技术领域。本发明是基于半导体微细加工工艺在硅片上制作的一种单稳态微机械电磁继电器，它由硅基板(3)、励磁线圈(13)、继电器触点(16)、活动衔铁(21)和硅基板正面的底层磁路(8)、聚酰亚胺绝缘膜(9)等部分组成；主要制造工艺特点是，1)首先从硅片正面制作底层磁路槽，利用溅射、电镀在槽内形成底层磁路，同时引出励磁线圈的中心端子；2)在底层磁路上生成聚酰亚胺膜和二氧化硅膜，使表面平坦并与底层磁路绝缘；3)采用溅射铝和光刻工艺制作继电器的励磁线圈和触点；4)采用电铸铁镍工艺制作活动衔铁。本发明具有质量体积小，生产成本低，工艺简单，继电器触点可通过较大电流等特点。
文档编号H01H49/00GK1558433SQ20041000066
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月16日 优先权日2004年1月16日
发明者李德胜, 张宇峰, 李浩群 申请人:北京工业大学