CN101236847A

CN101236847A - 基于微电子机械技术的灭弧电接触器件

Info

Publication number: CN101236847A
Application number: CNA2007101718866A
Authority: CN
Inventors: 丁桂甫; 周建胜; 杨卓青; 刘瑞
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2008-08-06

Abstract

本发明公开了一种基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，属于微电子机械技术领域。本发明包括：上、下两个部分，上下两部分结构通过集成制造的通孔连接柱结合成为一体，构成电接触器件本体。上部结构包括支撑体和上电极及其触点；下部结构包括一衬底结构，在衬底上设有与上电极相对应的下电极和辅助触点，下电极用做主触点，所有辅助触点与主触点并联，辅助触点由悬臂梁结构来实现，每个辅助触点串联一个限流电阻，选择阻值和并联电阻数目以防止辅助触点起弧。通过让辅助触点承担分断或闭合时的能量，使主触点在最小起弧电压下工作，避免主触点起弧，实现电路的无弧通断。

Description

基于微电子机械技术的灭弧电接触器件

技术领域

本发明涉及一种微电子机械***技术领域的器件，特别涉及一种基于微电子机械技术的灭弧电接触器件。

背景技术

随着科学技术的进步，接触器、断路器、接触器-断路器等电接触元件微型化趋势越来越明显，这一趋势一方面遇到传统机械加工技术极限瓶颈，另一方面给灭弧技术带来前所未有的挑战。研制可靠的微型电接触元件成为产业界的一大课题。近十几年来，以大规模集成电路制造技术和微机械加工技术独有的特殊工艺为基础，实现微型机械结构、微型执行器、微电子器件和电路***的多功能集成，形成所谓的微电子机械***(简称MEMS)，或微***。MEMS器件具有体积小、重量轻、可靠性高，可在无尘室大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度地提高。由于具有上述诸多优点，MEMS技术成为解决小尺寸和灭弧两大矛盾的最佳方法之一。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利(US7053739-B2)公开了一种基于微加工技术的灭弧接触器设计。该设计采用体硅微加工技术分别制备上下两个分立电极结构，然后通过键合把上下两个结构连接起来，通过硅掺杂形成的并联电阻来转移电弧能量，避免起弧。其封闭的上电极结构不利于散热，会大大降低可靠性和熄弧能力。其上下两部分分开的结构设计，不仅会降低器件的成品率，还会提高成本。体硅工艺限制了结构材料和电接触材料选择的多样性，降低了可靠性，同时提高了制造成本。

发明内容

本发明克服现有技术的不足之处，提供一种基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，使其结构简单，具有很高的器件可靠性，具有完全集成制造潜力，成品率高，适合批量生产，既可以单独用作接触器，也可以装配在接触器、断路器、接触器-断路器、启动器型装置中。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：上、下两个部分，上下两部分结构通过集成制造的通孔连接柱结合成为一体，构成电接触器件本体。

所述上部结构包括支撑体和上电极及其触点，上电极与支撑体相连。

所述下部结构包括一衬底结构，衬底上设有与上电极对应的下电极和辅助触点，下电极上制作主触点，辅助触点由悬臂梁来实现，悬臂梁固定在悬臂梁下方的支座上，而悬臂梁支座则固定在衬底上，每个辅助触点串联一个电阻，适当选择阻值和并联电阻数目以防止辅助触点起弧，所有辅助触点与主触点并联。

所述的上电极可上下移动，其可动性是通过与之相连的支撑体来实现，支撑体为弹簧结构，下电极固定在衬底上，上电极和下电极既可采用相同的材料，也可采用不同材料，包括金属和硅基材料。

所述的上电极触点和主触点既可采用相同的材料，也可采用不同材料。

所述的辅助触点由悬臂梁实现且串联一个限流电阻的辅助触点与主触点并联，电阻为通过溅射或复合电镀形成的单层或多层金属膜或硅的P、B、As掺杂。

所述的悬臂梁，连接柱和下电极可以是同种材料，也可以是不同材料，为单层或多层金属膜或单晶硅，二氧化硅，多晶硅，氮化硅中的一种或一种以上的复合层膜，这些单层膜或复合层膜可通过溅射或热氧化或复合电镀来实现。

所述的辅助触点由悬臂梁实现且串联一个限流电阻的辅助触点与主触点并联。当接触器两端电压为V，触点最小起弧电流为I_min时，每个限流电阻大于V/I_min；当接通电流为I，触点最小起弧电流为V_min，辅助触点所串联电阻值为R_s时，并联电阻数目大于R_sI/V_min。

所述的衬底为绝缘体，它可以是玻璃或带有绝缘层的硅片，绝缘层材料可以是二氧化硅或氮化硅，也可以是其它绝缘衬底。

本发明的灭弧原理如下：当电接触器件闭合时，辅助触点先接通，选择串联电阻值即可避免辅助触点起弧或电弧对辅助开关造成损害。主触点两端的电压取决于辅助触点的串联电阻。当主触点两端的电压低于最小起弧电压V_min时，主触点即可避免起弧，实现无弧闭合。

当触点断开时，主触点先断开。主触点两端的低压等于仍然接通的辅助触点所串联的限流电阻两端的电压。通过改变辅助触点的限流电阻值和选用合适的辅助触点数目，即可降低主触点两端的接触电压。当主触点两端的接触电压低于最小起弧电压V_min时，主触点即可避免起弧，实现无弧开断。

为了防止主触点起弧，并联的辅助触点及其限流电阻数目N应满足：

N＞R_sI/V_min

其中V_min表示最小起弧电压，I表示总通断电流。

为了防止辅助触点起弧，每个限流电阻R_s应满足：

R_s＞V/I_min

其中V为辅助触点和限流电阻两端的最大接触电压，I_min为每个辅助触点的最小起弧电流。

选取合适的N和R_s满足上述两个式子即可成功实现灭弧功能。

本发明的有益效果是触点闭合时为金属直接接触，接触电阻小，***损耗低；触点断开时为气隙隔绝，开路电阻大、隔断效果好，具有传统机电接触器件的优点。上下两部分结构一体化设计，具有结构简单，可靠性高，工艺简单，易加工，成品率高，适合批量生产的特点。非硅表面微加工技术的应用使本发明相对于体硅技术具有很高的性价比。

附图说明

图1为本发明电接触器件的等效电路

图2为本发明电接触器件的运作模式

图3为本发明电接触器件的断开状态剖面示意图

图4为本发明电接触器件的闭合状态初期剖面示意图

图5为本发明电接触器件的闭合状态末期剖面示意图

图6为本发明电接触器件的实施例结构示意图

图7为本发明电接触器件的实施例结构示意图

图8为本发明电接触器件的实施例结构示意图

图9为本发明电接触器件的实施例结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图6-图9所示，本发明包括：上、下两个部分，上下两部分结构通过集成制造的通孔连接柱4结合成为一体，构成电接触器件本体。

所述上部结构包括支撑体2和上电极1及其触点3，上电极1与支撑体2相连。

所述下部结构包括一衬底结构10，衬底10上设有与上电极1对应的下电极9和辅助触点5，下电极9上制作主触点8，辅助触点5由悬臂梁6来实现，悬臂梁6固定在悬臂梁6下方的支座上，而悬臂梁支座则固定在衬底10上，每个辅助触点5串联一个电阻，适当选择阻值和并联电阻数目以防止辅助触点起弧，所有辅助触点5与主触点8并联。

所述的上电极1通过与之相连的弹簧支撑体2来实现移动，下电极9固定在衬底10上，弹簧支撑体2可以为单层或多层金属膜或聚合物膜。上电极1和下电极9既可采用相同的材料，也可采用不同材料，上电极1为单层或多层金属膜，这些单层膜或复合层膜可通过溅射或复合电镀来实现。

所述的上电极触点3和主触点8既可采用相同的材料，也可采用不同材料，为Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Ni，W，C中的一种或以上的复合层膜，这些单层膜或复合层膜可通过溅射或复合电镀来实现。

所述的辅助触点5由悬臂梁6实现且串联一个限流电阻的辅助触点5与主触点8并联，悬臂梁6可以单独制作在衬底上也可以通过刻蚀衬地来形成；限流电阻为通过溅射或复合电镀形成的单层或多层金属膜或硅的P、B、As掺杂。

所述的悬臂梁6，连接柱4和下电极9可以是同种材料，也可以是不同材料，为单层或多层金属膜或单晶硅，二氧化硅，多晶硅，氮化硅中的一种或一种以上的复合层膜，这些单层膜或复合层膜可通过溅射或热氧化或复合电镀来实现。

所述的辅助触点由悬臂梁6实现且串联一个限流电阻的辅助触点5与主触点8并联。当接触器两端电压为V，触点最小起弧电流为I_min时，每个限流电阻大于V/I_min；当接通电流为I，触点最小起弧电流为V_min，辅助触点5所串联电阻值为R_s时，并联电阻数目大于R_sI/V_min。

所述的衬底10为绝缘体，它可以是玻璃或带有绝缘层的硅片，绝缘层材料可以是二氧化硅或氮化硅，也可以是其它绝缘衬底。

所述的上电极1的接触面直径为200～2000um，所述的下电极9的接触面直径为100～1500um，所述的上电极触点3和主触点8的间隔距离为20～100um，所述的辅助触点5的高度在0～20um，所述的悬臂梁支座4的高度为40～200um，所述的悬臂梁6长度在50～500um，所述的悬臂梁支座7的高度为10～100um，整个器件尺寸为2×2×0.08～10×10×0.5mm。

图1给出了本发明电接触器件的等效电路图。整个电路由电源S、负载L、辅助触点5、限流电阻R、主触点8和接地端G组成，I表示电流。电源S、负载L、辅助触点5、限流电阻R、主触点8、接地端G构成整个回路。辅助触点5和主触点8并联，每一个辅助触点5串联一个相同的限流电阻R。

图2给出了辅助触点5和主触点8的通断模式。A和B分别别表示辅助触点5和主触点8的状态。1表示接通状态，0表示断开状态。当接触器闭合时，辅助触点3先接通A1，然后主触点8接通B1，电路接通1，辅助触点5被短路；当接触器断开0时，主触点8先断开B0，辅助触点5随后断开A0，电路彻底断开0。

图3给出了本发明电接触器件的断开状态。上电极触点3与主触点8及辅助触点5气隙隔绝，电路处于断开状态。

图4给出了本发明电接触器件的闭合状态初期。上电极1向下移动，上电极触点3先与悬臂梁6结构的辅助触点5接触，辅助电路接通，而上电极触点3与主触点8尚有一段距离，仍处于断开状态。

图5给出了本发明电接触器件的闭合状态末期。上电极1继续向下移动至下电极9为止，此时上电极触点3与主触点8接触，主电路接通，辅助电路被短路而断开。

下面通过实施例进一步说明本发明的实施方案和技术细节，但涉及的实施方案和技术细节并不局限于这些实施例。

实施例1

如图6所示，悬臂梁6高度与下电极9持平，悬臂梁6上做辅助触点5。辅助触点5和主触点8的通断时间差通过辅助触点5高度来实现，限流电阻和悬臂梁6数目均为24，阻值240Ω，上电极1，支撑体2，连接柱4，悬臂梁6，悬臂梁支座7和下电极9都采用镍；衬底结构10为玻璃；上电极触点3、辅助触点5和主触点8都采用金；电阻采用钛。具体实施方法如下：首先在玻璃片上溅射500nm钛薄膜，再通过RIE干法刻蚀或HF湿法刻蚀图形化出电阻，其次溅射Cu/Cr种子层，300nm厚，接着电铸镍下电极9，连接柱4和悬臂梁支座7，20um厚，随后电铸1um厚的金作为主触点8；然后再次溅射300nm Cu/Cr种子层，电铸镍悬臂梁6，20um厚，接着电铸金辅助触点5，10um厚，随后甩20um正胶作为牺牲层，在牺牲层上光刻出连接柱4，电铸镍连接柱4，20um；最后在牺牲层上再次溅射300nm Cu/Cr种子层，电铸镍上电极1和支撑体2，20um，释放下面的正胶和种子层即得所要结构。本实施例中的关键结构都由金属制成，因此可最大限度的发挥三维非硅微加工技术的集成制造，叠层非硅微结构和工艺成熟的优势，通过微电子加工技术的感光材料光刻显影技术、金属选择性电镀技术来实现，使成本同比硅器件降低50％，整体器件尺寸6×6×0.3mm，接触电阻为0.5Ω，通断能力为91.2V/1.5A。

实施例2

如图7所示，仍然采用辅助触点5来实现辅助触点5和主触点8的先后通断。限流电阻和悬臂梁6数目均为80，阻值80Ω，同图6所示的实施例1结构不同之处在于，悬臂梁6与下电极9制作在一起。所用材料也有所不同，支撑体2采用SU-8胶；上电极1，连接柱4，悬臂梁6和悬臂梁支座7都采用镍；下电极9采用铜；衬底结构10为硅片；上电极触点3采用银钯合金；辅助触点5和主触点8采用金镍合金；电阻采用铬。具体实施方法如下：首先在硅片上氧化形成一层二氧化硅绝缘层，随后溅射300nm铬薄膜，再通过RIE干法刻蚀图形化出电阻，其次溅射Cu/Cr种子层，300nm厚，接着电铸铜下电极9和镍连接柱4及悬臂梁支座7，20um厚，随后电铸1um厚的金镍合金作为主触点8；然后再次溅射300nm Cu/Cr种子层，电铸出镍悬臂梁6，20um厚，接着电铸金镍合金辅助触点5，10um厚，随后甩20um正胶作为牺牲层，在牺牲层上光刻出连接柱4，电铸20um镍；最后在牺牲层上再次溅射300nm Cu/Cr，电铸镍上电极1，去掉正胶，甩50um厚SU-8胶，光刻出支撑体2，释放下面的正胶和种子层即得所要结构。本实施例的支撑体2采用高弹性的SU-8胶，使得支撑体寿命同比其它金属或非金属要延长100％，而SU-8胶优异的绝缘特性又可将器件的耐压强度从几十V提高到200V以上。触点采用银钯合金和金镍合金配对，相对于金-金配对可提高触点寿命一个数量级，整体器件尺寸5×5×0.2mm，，接触电阻0.1Ω，通断能力为30V/15A。

实施例3

如图8所示，通过加高悬臂梁支座4高度或悬臂梁6高度来实现辅助触点5和主触点8的先后通断，限流电阻和悬臂梁6数目均为100，阻值300Ω。下面仅列举加高悬臂梁支座4的实例。悬臂梁6略高于下电极9，悬臂梁6本身用做辅助触点5。辅助触点5和主触点8的通断时间差通过悬臂梁6与下电极9的高度差来实现。上电极1采用铁镍合金，下电极9采用铜；支撑体2采用聚酰亚胺；连接柱4和悬臂梁支座7采用铁镍合金；悬臂梁6采用镍；衬底结构10为玻璃；上电极触点3采用金，辅助触点5和主触点8采用铂；电阻采用铬钛复合膜。具体实施方法如下：首先在玻璃片上先后溅射500nm铬/钛薄膜，再通过刻蚀图形化出电阻，其次溅射Cu/Cr种子层，300nm厚，接着电铸铜下电极9，铁镍连接柱4和悬臂梁支座7，20um厚，随后电铸1um厚的铂作为主触点8；然后再次溅射300nm Cu/Cr种子层，电铸出镍悬臂梁6，20um厚，随后甩20um正胶作为牺牲层，在牺牲层上光刻出连接柱4，电铸20um铁镍连接柱4；最后在牺牲层上再次溅射300nm Cu/Cr种子层，电铸铁镍合金上电极1，20um，再甩聚酰亚胺50um，光刻出支撑体2，释放下面的正胶和种子层即得所要结构。本实施例中的关键结构都由金属或聚合物制成，因此可最大限度的发挥三维非硅微加工技术的集成制造，叠层非硅微结构，工艺成熟的优势，支撑体采用高弹性的聚酰亚胺，使得支撑体寿命同比其它金属或非金属要延长100％以上，而聚酰亚胺优异的绝缘特性又可将器件的耐压强度从几十V提高到200V以上，玻璃衬底的应用降低衬底成本90％，整体器件尺寸5×5×0.2mm，接触电阻0.05Ω，通断能力为120V/6A。

实施例4

如图9所示，具体结构参考实施例1、2或3，不同之处在于把体硅MEMS技术和非硅MEMS表面微加工技术结合起来，实现两者的相得益彰，同时可满足特定需求，限流电阻和悬臂梁6数目均为50，阻值600Ω。具体结构为：上电极1采用铜；下电极9采用硅；连接柱4采用镍，黏附层11为铬；支撑体2，悬臂梁支座7和悬臂梁6采用镍；衬底结构10为硅片；上电极触点3，辅助触点5和主触点8采用铬/金；电阻通过硅的磷掺杂实现。具体实施方式如下：首先，对硅片进行ICP-RIE各向同性刻蚀，刻蚀出5um高的辅助触点5，接着溅射Cr/Au(500A/9500A)作为触点5电接触层；然后对硅片进行ICP-RIE各向异性刻蚀，刻蚀出30um高的悬臂梁6悬空高度，接着再进行ICP-RIE各向同性刻蚀，释放出悬臂梁6；随后用正胶将整个下部结构悬空部分填满，光刻出连接柱4，溅射Cr/Cu黏附层兼种子层，甩30um正胶作为牺牲层，光刻出连接柱4，电铸镍30um；最后，将牺牲层磨平，溅射Cr/Cu种子层300nm厚，先甩正胶光刻出上电极，电铸铜25um，再甩30正胶保护上电极，光刻出支撑体2，电铸镍，25um厚，去掉所有正胶和种子层，即可。本实施例将三维非硅微加工技术和硅基微加工技术结合起来，实现制造方法的优势互补和器件性能的多样性，电阻既可以通过硅参杂P、As或B来实现，也可以通过溅射铬或钛金属膜来实现，上电极可采用上述实施例中的任意方案，显示出极大的灵活性，整体器件尺寸3×3×0.1mm，接触电阻0.4Ω，通断能力为240V/1.4A。

Claims

1、一种基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，由上、下两个联体部分构成电接触器件本体，其特征在于：所述上部结构包括支撑体(2)和上电极(1)及其触点(3)，上电极(1)与支撑体(2)相连，下部结构包括一衬底结构(10)，衬底(10)上设有与上电极(1)对应的下电极(9)和辅助触点(5)，下电极(9)上设主触点(8)，辅助触点(5)由悬臂梁(6)来实现，每个辅助触点(5)串联一个电阻，所有辅助触点(5)与主触点(8)并联。

2、根据权利要求1所述的基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，其特征是：所述上下两部分结构通过通孔连接柱(4)结合成为一体。

3、根据权利要求1所述的基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，其特征是：所述上电极(1)通过与之相连的弹簧支撑体(2)来实现移动，下电极(9)固定在衬底(10)上。

4、根据权利要求1或3所述的基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，其特征是：所述上电极(1)为单层或多层金属膜。

5、根据权利要求1所述的基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，其特征是：所述上电极触点(3)和主触点(8)，其材料为可电铸的金属。

6、根据权利要求1所述的基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，其特征是：所述辅助触点(5)串联的电阻，该电阻为单层或多层金属膜或硅的P、B、As掺杂。

7、根据权利要求1所述的基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，其特征是：所述悬臂梁(6)、连接柱(4)和下电极(9)，其材料为硅或非硅材料。

8、根据权利要求1所述的基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，其特征是：所述衬底(10)为绝缘体。

9、根据权利要求1或8所述的基于微电子机械技术的灭弧电接触器件，其特征是：所述衬底(10)，其材料是玻璃或硅片。