微机械干簧开关的MEMS解决方案

微型干簧开关已经实现了各种各样的应用，要求高可靠性，小尺寸和低成本。简单地说，微机械加工技术是利用半导体制造设备以创造微机械的方式为特定目的服务的系统。 MEDER的目标是开发一种微型密封簧片开关，其功能与较大的标准密封簧片开关完全相同。

簧片开关的基本关键要求是触点必须在接近足够的磁场时闭合强度，并且当处于关闭或打开状态时它们必须消耗零功率。 MEDER与瑞士斯沃琪集团合作开发了一种微型密封簧片开关。在斯沃琪集团之外，MEDER是微机械微型磁簧开关的全球独家营销部门。

根据定义，磁簧开关是一种小型机电设备，包含一个或多个密封在玻璃外壳中的铁磁簧片。当簧片开关进入磁场时，簧片闭合，产生开关功能。典型的簧片开关如图1所示。镍/铁基金属相对较软，不适合用于簧片开关。这是因为高开关负载引发大量金属转移，导致触点卡在闭合位置。然而，开关的铁磁特性对于正确的磁致动是必不可少的。更优选的制造选择是在开关接触表面处使用硬金属。通常，使用铑和/或钌为簧片开关增加显着更长的寿命。然而，无论是将硬金属层电镀还是溅射到铁磁引线，都需要过渡层以确保所有金属冶金地彼此结合。金，铜和钨通常用作过渡层。

图1：底板内的簧片开关。

在新的MEDER微型密封簧片开关中，（见图2）使用硼硅酸盐玻璃，其下部厚度为0.35 mm，厚度为0.40 mm上部。在玻璃边缘使用专有的金属化工艺，使其在约320℃的温度下沐浴时密封。刀片材料是镍/铁基上的铑，厚度为0.15微米。接触间隙为4至5微米，氩气为腔介质。为实现这一目标，使用了两个4英寸晶圆，容纳10，000多个器件。顶部和底部配合在一起，整个晶圆经过气密密封过程。

图2：密封微小型簧片开关。多年来，MEDER通过持续改进理念改进了微型干簧开关。例如，许多实验室，大学研究机构和半导体代工厂最初认为环氧树脂密封就足够了。此情况并非如此。环氧树脂往往会以非常低的水平持续排出气体，温度升高会加剧这种情况。在接触区域上或接触区域中的任何少量环氧树脂相关薄膜被证明对于簧片开关是致命的。这是因为这些薄膜产生的绝缘量足以防止任何电压，电流或信号通过触点传递。虽然这并不是一直发生的，但它往往足以降低簧片开关的长期可靠性，从而使这种制造方法失去资格。经过一些资格试验和不同的掩蔽方法，真正的密封微小型簧片开关最终实现了玻璃 - 金属密封。这种开关的可靠性已经大量反复证明，寿命超过1亿次。 MEDER还发现，这种簧片开关基本上不受冲击影响，因为它已经在高达5，000 G的测试中没有检测到故障。这与较大的簧片开关形成对比，后者以传统方式制造，并且只能承受高达100 Gs的冲击。另一项关键的资格测试被认为是长期暴露于高温，触点处于开启和关闭状态。 MEDER选择100°C作为浴温，并在每种状态下将开关浸泡数周。在此环境中测试了1，000多个交换机，零故障。为商业应用生产的簧片开关经过16小时的质量控制筛选，在此期间进行温度循环和温度筛选，温度范围为-40°C至125°C，每个温度下的停留时间为1小时。改进微机械簧片开关，MEDER开发了不同的封装，使客户更容易将开关安装在PCB（印刷电路板）上。 MEDER在一种封装方案中增加了一个铁磁引线框架，大大增加了其磁敏感性（见图3）。这允许客户从更远的距离感知和激活。

图3：在镀金引线框架上包覆成型的微小型簧片开关。使用严格的鉴定测试，MEDER可以将微型干簧开关设计成要求高可靠性的应用。例如，它已经被设计到医疗应用中，其中开关的正确操作通常可以是生死攸关的问题。干簧开关还可在高达200°C的温度下成功运行，这在某些应用中非常有用，例如汽车和可能涉及高温的小型家用电器。

应用

MEDER的微型干簧开关允许设计人员开发以前无法实现的新产品。这种获得专利的簧片开关是迄今为止发明的最小的簧片开关，经过了时间的考验，在过去的15年里已经成功制造和销售。许多竞争对手尝试生产类似的干簧开关并在过去的25年中失败。

以下是MEDER开发的应用的一些示例以及设计微型干簧开关的应用。

In-the -canal助听器

过去助听器戴在耳朵外面。它们挂在耳朵上方并在它后面休息。许多人在公共环境中穿着这些助听器感到自我意识，有些人根本不会穿它们。这些大型耳背助听器使用旋转机械拇指开关来调节音量。设计师一直致力于开发一种适合耳道的更小，更好的助听器。这些新型高科技微型助听器已经通过IC技术的不断发展成为可能，并且由于它们的位置更靠近耳鼓而需要较少的声音放大。在设计这些较小的助听器时，有必要调整音量并对微电子进行编程。 MEDER的微型密封簧片开关提供了完美的解决方案。一根小的棒，类似于但比铅笔小，在其末端安装有磁铁，当靠近耳朵时激活簧片开关。这将启动各种模式和音量控制的设置。这种由簧片开关提供的远程激活是实施小型耳道式助听器的基本要素。

起搏器和植入式除颤器

40多年前IC的发明，第一个心脏起搏器是介绍。根据今天的标准，它们非常大，不能植入人体。多年来，由于所有组件的小型化增加，它们经历了显着的尺寸减小，使得可以将起搏器植入人体（参见图4）。

图4：可植入起搏器的示例。

簧片开关起着重要作用，因为它们允许在植入后与器件进行通信。当外部磁铁放置在胸腔附近时，它会使簧片开关触点闭合，从而允许与植入装置通信。微型干簧开关关闭后，可以无线下载起搏器中的信息，可以调整心率，启动校准，并可以设置不同的模式。当簧片开关处于打开位置时，仅使用最小量的电池电量，从而延长电池寿命。当簧片开关闭合或激活时，例如用于编程，电池消耗仅仅暂时增加。因此，极大地节省了电池电量。使用微型干簧开关，心脏起搏器变得只有厚厚的银元大小。现在，心脏起搏器和除颤器组合在一个单元中，仍然没有比银元大小设计大得多。

微量葡萄糖检测和管理系统

任何被诊断患有糖尿病的人都会告诉你，用手指刺血液样本和每天用针注射胰岛素多达八次远非最佳。传统的糖尿病治疗方法是每天检查血糖四次，然后根据血糖水平给予指定剂量的胰岛素。每次胰岛素注射都有助于控制血糖，但它也会对系统造成电击，这些可能会对身体器官造成累积的负面影响。医生和医疗电子设计师联手开发了一种更好，统一的胰岛素管理系统，模仿胰腺的自然功能。具体地说，植入腰部区域的传感器与小型胰岛素储存器和分配系统结合使用，在腰部外部佩戴（见图5）。植入物中的微小型干簧传感器用于校准和模式改变，其方式类似于起搏器。使用该系统，当血糖水平发生非常小的变化时，施用少量胰岛素来校正糖水平。这可以最大限度地减少对系统的冲击，使糖尿病患者能够过上更长寿，更健康的生活。

图5：在皮带水平佩戴的葡萄糖监测系统。

用于内部器官视频拍摄的药丸

几年前，FDA批准了一种摄取的药丸，其中包含连接到其微电路的摄像机（见图6）。当这个电池供电的设备被吞下并穿过消化道时，它会通过视频将其下降到胃部和小肠中。微型摄像机记录了小肠区域的视频图像，这些图像是通过内窥镜检查或结肠镜检查无法到达的。这些图像以无线方式传输，以便在身体外观看。微小型簧片开关在这种药丸中起着关键作用。在制造之后，药丸可以放在库存中，然后在医院放养区域中放置数月。避孕药的电池寿命只有几个小时。设计人员通过将微小型磁簧开关与磁铁结合使用，开发出了解决这一问题的方案。在运输容器中，每个槽具有专用于每个药丸的磁铁，因为电池尚未启动。一旦药丸从磁铁附近移开，微型干簧开关打开并激活电池，继而为电路和视频系统供电。由于这些药丸，许多以前无法诊断的消化道问题已经被发现和治疗。

图6：可摄取的药丸，记录其进入胃和小肠的视频。

动物追踪装置

有几种动物在濒临灭绝的物种名单上。为了防止它们灭绝，政府和私人捐助者已经制定了一些计划，例如开发在衣领上或植入动物的跟踪装置（见图7）。植入式设备已被证明更可靠，因为衣领随着时间的推移而磨损或者可能被主人撕掉。这些跟踪设备必须非常小，当然，它们是电池供电的。当使用植入的跟踪装置时，在跟踪动物一段给定的时间后，它被捕获并且安静。然后将永磁体放置在植入装置附近，关闭微机械密封的簧片开关，其将所有跟踪信息无线传输到接收器。然后可以分析跟踪信息，并就如何帮助动物更好地生存做出决定。

图7：从已被跟踪的动物中移除信息。

用于迁移研究的鱼类跟踪装置

以类似于动物跟踪装置的方式，将具有微小苇形开关的电子装置植入洄游鱼类中（见图8）。鲑鱼是追踪的主要鱼类，因为它们被广泛用作食物来源。捕获鱼时，使用永磁体关闭簧片开关，然后将重要信息无线传输到接收器，在接收器中记录以供以后分析。

图8：植入鱼类的微电子电路。颈动脉斑块检测，植入式肌肉刺激和失禁预防系统

设计和放置在人体内的微小植入式电子系统的数量正在快速增长率。这些设备有以下共同点：它们用于检测人体的故障，它们需要在检测到故障时执行功能，它们经常在人体内停留数年，它们是电池供电的，它们使用最少电池电量，他们需要偶尔调整或模式更改。微机械密封的簧片开关用于执行调整或模式改变。重要的是，簧片开关在其“关闭”状态下不消耗功率，并且在短暂通电后，它可以执行其预期功能，例如无线传输信息，调整或模式改变。

微机械密封簧片开关越来越多地被用于需要传感的物理接触，而不是需要通过微型设备进行遥感。

总结和未来方向

研究设施，学院，大学和企业利用半导体制造技术投入大量时间和精力来开发可以执行特定功能的微小型机械系统。绝大多数人都感到失望和失败。 MEDER是为数不多的几家成功开发微机械密封簧片开关的公司之一，仅仅是因为这项工作投入了大量的时间，精力和奉献精神。此外，MEDER通过使用更加机械化的自动化方法扩展了其制造，从而以更低的成本实现了更高的产量。 Meder目前正致力于开发更小的微型干簧开关，这将启动新的要求，从而激发新的应用。