微機(jī)械干簧開(kāi)關(guān)的MEMS解決方案

微型干簧開(kāi)關(guān)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各種各樣的應(yīng)用，要求高可靠性，小尺寸和低成本。簡(jiǎn)單地說(shuō)，微機(jī)械加工技術(shù)是利用半導(dǎo)體制造設(shè)備以創(chuàng)造微機(jī)械的方式為特定目的服務(wù)的系統(tǒng)。 MEDER的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種微型密封簧片開(kāi)關(guān)，其功能與較大的標(biāo)準(zhǔn)密封簧片開(kāi)關(guān)完全相同。

簧片開(kāi)關(guān)的基本關(guān)鍵要求是觸點(diǎn)必須在接近足夠的磁場(chǎng)時(shí)閉合強(qiáng)度，并且當(dāng)處于關(guān)閉或打開(kāi)狀態(tài)時(shí)它們必須消耗零功率。 MEDER與瑞士斯沃琪集團(tuán)合作開(kāi)發(fā)了一種微型密封簧片開(kāi)關(guān)。在斯沃琪集團(tuán)之外，MEDER是微機(jī)械微型磁簧開(kāi)關(guān)的全球獨(dú)家營(yíng)銷部門。

根據(jù)定義，磁簧開(kāi)關(guān)是一種小型機(jī)電設(shè)備，包含一個(gè)或多個(gè)密封在玻璃外殼中的鐵磁簧片。當(dāng)簧片開(kāi)關(guān)進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，簧片閉合，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)功能。典型的簧片開(kāi)關(guān)如圖1所示。鎳/鐵基金屬相對(duì)較軟，不適合用于簧片開(kāi)關(guān)。這是因?yàn)楦唛_(kāi)關(guān)負(fù)載引發(fā)大量金屬轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致觸點(diǎn)卡在閉合位置。然而，開(kāi)關(guān)的鐵磁特性對(duì)于正確的磁致動(dòng)是必不可少的。更優(yōu)選的制造選擇是在開(kāi)關(guān)接觸表面處使用硬金屬。通常，使用銠和/或釕為簧片開(kāi)關(guān)增加顯著更長(zhǎng)的壽命。然而，無(wú)論是將硬金屬層電鍍還是濺射到鐵磁引線，都需要過(guò)渡層以確保所有金屬冶金地彼此結(jié)合。金，銅和鎢通常用作過(guò)渡層。

圖1：底板內(nèi)的簧片開(kāi)關(guān)。

在新的MEDER微型密封簧片開(kāi)關(guān)中，（見(jiàn)圖2）使用硼硅酸鹽玻璃，其下部厚度為0.35 mm，厚度為0.40 mm上部。在玻璃邊緣使用專有的金屬化工藝，使其在約320℃的溫度下沐浴時(shí)密封。刀片材料是鎳/鐵基上的銠，厚度為0.15微米。接觸間隙為4至5微米，氬氣為腔介質(zhì)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，使用了兩個(gè)4英寸晶圓，容納10，000多個(gè)器件。頂部和底部配合在一起，整個(gè)晶圓經(jīng)過(guò)氣密密封過(guò)程。

圖2：密封微小型簧片開(kāi)關(guān)。多年來(lái)，MEDER通過(guò)持續(xù)改進(jìn)理念改進(jìn)了微型干簧開(kāi)關(guān)。例如，許多實(shí)驗(yàn)室，大學(xué)研究機(jī)構(gòu)和半導(dǎo)體代工廠最初認(rèn)為環(huán)氧樹(shù)脂密封就足夠了。此情況并非如此。環(huán)氧樹(shù)脂往往會(huì)以非常低的水平持續(xù)排出氣體，溫度升高會(huì)加劇這種情況。在接觸區(qū)域上或接觸區(qū)域中的任何少量環(huán)氧樹(shù)脂相關(guān)薄膜被證明對(duì)于簧片開(kāi)關(guān)是致命的。這是因?yàn)檫@些薄膜產(chǎn)生的絕緣量足以防止任何電壓，電流或信號(hào)通過(guò)觸點(diǎn)傳遞。雖然這并不是一直發(fā)生的，但它往往足以降低簧片開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)期可靠性，從而使這種制造方法失去資格。經(jīng)過(guò)一些資格試驗(yàn)和不同的掩蔽方法，真正的密封微小型簧片開(kāi)關(guān)最終實(shí)現(xiàn)了玻璃 - 金屬密封。這種開(kāi)關(guān)的可靠性已經(jīng)大量反復(fù)證明，壽命超過(guò)1億次。 MEDER還發(fā)現(xiàn)，這種簧片開(kāi)關(guān)基本上不受沖擊影響，因?yàn)樗呀?jīng)在高達(dá)5，000 G的測(cè)試中沒(méi)有檢測(cè)到故障。這與較大的簧片開(kāi)關(guān)形成對(duì)比，后者以傳統(tǒng)方式制造，并且只能承受高達(dá)100 Gs的沖擊。另一項(xiàng)關(guān)鍵的資格測(cè)試被認(rèn)為是長(zhǎng)期暴露于高溫，觸點(diǎn)處于開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)。 MEDER選擇100°C作為浴溫，并在每種狀態(tài)下將開(kāi)關(guān)浸泡數(shù)周。在此環(huán)境中測(cè)試了1，000多個(gè)交換機(jī)，零故障。為商業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)的簧片開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)16小時(shí)的質(zhì)量控制篩選，在此期間進(jìn)行溫度循環(huán)和溫度篩選，溫度范圍為-40°C至125°C，每個(gè)溫度下的停留時(shí)間為1小時(shí)。改進(jìn)微機(jī)械簧片開(kāi)關(guān)，MEDER開(kāi)發(fā)了不同的封裝，使客戶更容易將開(kāi)關(guān)安裝在PCB（印刷電路板）上。 MEDER在一種封裝方案中增加了一個(gè)鐵磁引線框架，大大增加了其磁敏感性（見(jiàn)圖3）。這允許客戶從更遠(yuǎn)的距離感知和激活。

圖3：在鍍金引線框架上包覆成型的微小型簧片開(kāi)關(guān)。使用嚴(yán)格的鑒定測(cè)試，MEDER可以將微型干簧開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)成要求高可靠性的應(yīng)用。例如，它已經(jīng)被設(shè)計(jì)到醫(yī)療應(yīng)用中，其中開(kāi)關(guān)的正確操作通?？梢允巧镭P(guān)的問(wèn)題。干簧開(kāi)關(guān)還可在高達(dá)200°C的溫度下成功運(yùn)行，這在某些應(yīng)用中非常有用，例如汽車和可能涉及高溫的小型家用電器。

應(yīng)用

MEDER的微型干簧開(kāi)關(guān)允許設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新產(chǎn)品。這種獲得專利的簧片開(kāi)關(guān)是迄今為止發(fā)明的最小的簧片開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)了時(shí)間的考驗(yàn)，在過(guò)去的15年里已經(jīng)成功制造和銷售。許多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手嘗試生產(chǎn)類似的干簧開(kāi)關(guān)并在過(guò)去的25年中失敗。

以下是MEDER開(kāi)發(fā)的應(yīng)用的一些示例以及設(shè)計(jì)微型干簧開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。

In-the -canal助聽(tīng)器

過(guò)去助聽(tīng)器戴在耳朵外面。它們掛在耳朵上方并在它后面休息。許多人在公共環(huán)境中穿著這些助聽(tīng)器感到自我意識(shí)，有些人根本不會(huì)穿它們。這些大型耳背助聽(tīng)器使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械拇指開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)音量。設(shè)計(jì)師一直致力于開(kāi)發(fā)一種適合耳道的更小，更好的助聽(tīng)器。這些新型高科技微型助聽(tīng)器已經(jīng)通過(guò)IC技術(shù)的不斷發(fā)展成為可能，并且由于它們的位置更靠近耳鼓而需要較少的聲音放大。在設(shè)計(jì)這些較小的助聽(tīng)器時(shí)，有必要調(diào)整音量并對(duì)微電子進(jìn)行編程。 MEDER的微型密封簧片開(kāi)關(guān)提供了完美的解決方案。一根小的棒，類似于但比鉛筆小，在其末端安裝有磁鐵，當(dāng)靠近耳朵時(shí)激活簧片開(kāi)關(guān)。這將啟動(dòng)各種模式和音量控制的設(shè)置。這種由簧片開(kāi)關(guān)提供的遠(yuǎn)程激活是實(shí)施小型耳道式助聽(tīng)器的基本要素。

起搏器和植入式除顫器

40多年前IC的發(fā)明，第一個(gè)心臟起搏器是介紹。根據(jù)今天的標(biāo)準(zhǔn)，它們非常大，不能植入人體。多年來(lái)，由于所有組件的小型化增加，它們經(jīng)歷了顯著的尺寸減小，使得可以將起搏器植入人體（參見(jiàn)圖4）。

圖4：可植入起搏器的示例。

簧片開(kāi)關(guān)起著重要作用，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S在植入后與器件進(jìn)行通信。當(dāng)外部磁鐵放置在胸腔附近時(shí)，它會(huì)使簧片開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合，從而允許與植入裝置通信。微型干簧開(kāi)關(guān)關(guān)閉后，可以無(wú)線下載起搏器中的信息，可以調(diào)整心率，啟動(dòng)校準(zhǔn)，并可以設(shè)置不同的模式。當(dāng)簧片開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)位置時(shí)，僅使用最小量的電池電量，從而延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)簧片開(kāi)關(guān)閉合或激活時(shí)，例如用于編程，電池消耗僅僅暫時(shí)增加。因此，極大地節(jié)省了電池電量。使用微型干簧開(kāi)關(guān)，心臟起搏器變得只有厚厚的銀元大小?，F(xiàn)在，心臟起搏器和除顫器組合在一個(gè)單元中，仍然沒(méi)有比銀元大小設(shè)計(jì)大得多。

微量葡萄糖檢測(cè)和管理系統(tǒng)

任何被診斷患有糖尿病的人都會(huì)告訴你，用手指刺血液樣本和每天用針注射胰島素多達(dá)八次遠(yuǎn)非最佳。傳統(tǒng)的糖尿病治療方法是每天檢查血糖四次，然后根據(jù)血糖水平給予指定劑量的胰島素。每次胰島素注射都有助于控制血糖，但它也會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成電擊，這些可能會(huì)對(duì)身體器官造成累積的負(fù)面影響。醫(yī)生和醫(yī)療電子設(shè)計(jì)師聯(lián)手開(kāi)發(fā)了一種更好，統(tǒng)一的胰島素管理系統(tǒng)，模仿胰腺的自然功能。具體地說(shuō)，植入腰部區(qū)域的傳感器與小型胰島素儲(chǔ)存器和分配系統(tǒng)結(jié)合使用，在腰部外部佩戴（見(jiàn)圖5）。植入物中的微小型干簧傳感器用于校準(zhǔn)和模式改變，其方式類似于起搏器。使用該系統(tǒng)，當(dāng)血糖水平發(fā)生非常小的變化時(shí)，施用少量胰島素來(lái)校正糖水平。這可以最大限度地減少對(duì)系統(tǒng)的沖擊，使糖尿病患者能夠過(guò)上更長(zhǎng)壽，更健康的生活。

圖5：在皮帶水平佩戴的葡萄糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

用于內(nèi)部器官視頻拍攝的藥丸

幾年前，F(xiàn)DA批準(zhǔn)了一種攝取的藥丸，其中包含連接到其微電路的攝像機(jī)（見(jiàn)圖6）。當(dāng)這個(gè)電池供電的設(shè)備被吞下并穿過(guò)消化道時(shí)，它會(huì)通過(guò)視頻將其下降到胃部和小腸中。微型攝像機(jī)記錄了小腸區(qū)域的視頻圖像，這些圖像是通過(guò)內(nèi)窺鏡檢查或結(jié)腸鏡檢查無(wú)法到達(dá)的。這些圖像以無(wú)線方式傳輸，以便在身體外觀看。微小型簧片開(kāi)關(guān)在這種藥丸中起著關(guān)鍵作用。在制造之后，藥丸可以放在庫(kù)存中，然后在醫(yī)院放養(yǎng)區(qū)域中放置數(shù)月。避孕藥的電池壽命只有幾個(gè)小時(shí)。設(shè)計(jì)人員通過(guò)將微小型磁簧開(kāi)關(guān)與磁鐵結(jié)合使用，開(kāi)發(fā)出了解決這一問(wèn)題的方案。在運(yùn)輸容器中，每個(gè)槽具有專用于每個(gè)藥丸的磁鐵，因?yàn)殡姵厣形磫?dòng)。一旦藥丸從磁鐵附近移開(kāi)，微型干簧開(kāi)關(guān)打開(kāi)并激活電池，繼而為電路和視頻系統(tǒng)供電。由于這些藥丸，許多以前無(wú)法診斷的消化道問(wèn)題已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和治療。

圖6：可攝取的藥丸，記錄其進(jìn)入胃和小腸的視頻。

動(dòng)物追蹤裝置

有幾種動(dòng)物在瀕臨滅絕的物種名單上。為了防止它們滅絕，政府和私人捐助者已經(jīng)制定了一些計(jì)劃，例如開(kāi)發(fā)在衣領(lǐng)上或植入動(dòng)物的跟蹤裝置（見(jiàn)圖7）。植入式設(shè)備已被證明更可靠，因?yàn)橐骂I(lǐng)隨著時(shí)間的推移而磨損或者可能被主人撕掉。這些跟蹤設(shè)備必須非常小，當(dāng)然，它們是電池供電的。當(dāng)使用植入的跟蹤裝置時(shí)，在跟蹤動(dòng)物一段給定的時(shí)間后，它被捕獲并且安靜。然后將永磁體放置在植入裝置附近，關(guān)閉微機(jī)械密封的簧片開(kāi)關(guān)，其將所有跟蹤信息無(wú)線傳輸?shù)?a target="_blank">接收器。然后可以分析跟蹤信息，并就如何幫助動(dòng)物更好地生存做出決定。

圖7：從已被跟蹤的動(dòng)物中移除信息。

用于遷移研究的魚類跟蹤裝置

以類似于動(dòng)物跟蹤裝置的方式，將具有微小葦形開(kāi)關(guān)的電子裝置植入洄游魚類中（見(jiàn)圖8）。鮭魚是追蹤的主要魚類，因?yàn)樗鼈儽粡V泛用作食物來(lái)源。捕獲魚時(shí)，使用永磁體關(guān)閉簧片開(kāi)關(guān)，然后將重要信息無(wú)線傳輸?shù)浇邮掌?，在接收器中記錄以供以后分析?/p>

圖8：植入魚類的微電子電路。頸動(dòng)脈斑塊檢測(cè)，植入式肌肉刺激和失禁預(yù)防系統(tǒng)

設(shè)計(jì)和放置在人體內(nèi)的微小植入式電子系統(tǒng)的數(shù)量正在快速增長(zhǎng)率。這些設(shè)備有以下共同點(diǎn)：它們用于檢測(cè)人體的故障，它們需要在檢測(cè)到故障時(shí)執(zhí)行功能，它們經(jīng)常在人體內(nèi)停留數(shù)年，它們是電池供電的，它們使用最少電池電量，他們需要偶爾調(diào)整或模式更改。微機(jī)械密封的簧片開(kāi)關(guān)用于執(zhí)行調(diào)整或模式改變。重要的是，簧片開(kāi)關(guān)在其“關(guān)閉”狀態(tài)下不消耗功率，并且在短暫通電后，它可以執(zhí)行其預(yù)期功能，例如無(wú)線傳輸信息，調(diào)整或模式改變。

微機(jī)械密封簧片開(kāi)關(guān)越來(lái)越多地被用于需要傳感的物理接觸，而不是需要通過(guò)微型設(shè)備進(jìn)行遙感。

總結(jié)和未來(lái)方向

研究設(shè)施，學(xué)院，大學(xué)和企業(yè)利用半導(dǎo)體制造技術(shù)投入大量時(shí)間和精力來(lái)開(kāi)發(fā)可以執(zhí)行特定功能的微小型機(jī)械系統(tǒng)。絕大多數(shù)人都感到失望和失敗。 MEDER是為數(shù)不多的幾家成功開(kāi)發(fā)微機(jī)械密封簧片開(kāi)關(guān)的公司之一，僅僅是因?yàn)檫@項(xiàng)工作投入了大量的時(shí)間，精力和奉獻(xiàn)精神。此外，MEDER通過(guò)使用更加機(jī)械化的自動(dòng)化方法擴(kuò)展了其制造，從而以更低的成本實(shí)現(xiàn)了更高的產(chǎn)量。 Meder目前正致力于開(kāi)發(fā)更小的微型干簧開(kāi)關(guān)，這將啟動(dòng)新的要求，從而激發(fā)新的應(yīng)用。