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

簧片開關(guān)的基本關(guān)鍵要求是觸點必須在接近足夠的磁場時閉合強度，并且當(dāng)處于關(guān)閉或打開狀態(tài)時它們必須消耗零功率。 MEDER與瑞士斯沃琪集團合作開發(fā)了一種微型密封簧片開關(guān)。在斯沃琪集團之外，MEDER是微機械微型磁簧開關(guān)的全球獨家營銷部門。

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

圖1：底板內(nèi)的簧片開關(guān)。

在新的MEDER微型密封簧片開關(guān)中，（見圖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)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，使用了兩個4英寸晶圓，容納10，000多個器件。頂部和底部配合在一起，整個晶圓經(jīng)過氣密密封過程。

圖2：密封微小型簧片開關(guān)。多年來，MEDER通過持續(xù)改進(jìn)理念改進(jìn)了微型干簧開關(guān)。例如，許多實驗室，大學(xué)研究機構(gòu)和半導(dǎo)體代工廠最初認(rèn)為環(huán)氧樹脂密封就足夠了。此情況并非如此。環(huán)氧樹脂往往會以非常低的水平持續(xù)排出氣體，溫度升高會加劇這種情況。在接觸區(qū)域上或接觸區(qū)域中的任何少量環(huán)氧樹脂相關(guān)薄膜被證明對于簧片開關(guān)是致命的。這是因為這些薄膜產(chǎn)生的絕緣量足以防止任何電壓，電流或信號通過觸點傳遞。雖然這并不是一直發(fā)生的，但它往往足以降低簧片開關(guān)的長期可靠性，從而使這種制造方法失去資格。經(jīng)過一些資格試驗和不同的掩蔽方法，真正的密封微小型簧片開關(guān)最終實現(xiàn)了玻璃 - 金屬密封。這種開關(guān)的可靠性已經(jīng)大量反復(fù)證明，壽命超過1億次。 MEDER還發(fā)現(xiàn)，這種簧片開關(guān)基本上不受沖擊影響，因為它已經(jīng)在高達(dá)5，000 G的測試中沒有檢測到故障。這與較大的簧片開關(guān)形成對比，后者以傳統(tǒng)方式制造，并且只能承受高達(dá)100 Gs的沖擊。另一項關(guān)鍵的資格測試被認(rèn)為是長期暴露于高溫，觸點處于開啟和關(guān)閉狀態(tài)。 MEDER選擇100°C作為浴溫，并在每種狀態(tài)下將開關(guān)浸泡數(shù)周。在此環(huán)境中測試了1，000多個交換機，零故障。為商業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)的簧片開關(guān)經(jīng)過16小時的質(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，每個溫度下的停留時間為1小時。改進(jìn)微機械簧片開關(guān)，MEDER開發(fā)了不同的封裝，使客戶更容易將開關(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鐵磁引線框架，大大增加了其磁敏感性（見圖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關(guān)。使用嚴(yán)格的鑒定測試，MEDER可以將微型干簧開關(guān)設(shè)計成要求高可靠性的應(yīng)用。例如，它已經(jīng)被設(shè)計到醫(yī)療應(yīng)用中，其中開關(guān)的正確操作通?？梢允巧镭P(guān)的問題。干簧開關(guān)還可在高達(dá)200°C的溫度下成功運行，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的微型干簧開關(guān)允許設(shè)計人員開發(fā)以前無法實現(xiàn)的新產(chǎn)品。這種獲得專利的簧片開關(guān)是迄今為止發(fā)明的最小的簧片開關(guān)，經(jīng)過了時間的考驗，在過去的15年里已經(jīng)成功制造和銷售。許多競爭對手嘗試生產(chǎn)類似的干簧開關(guān)并在過去的25年中失敗。

以下是MEDER開發(fā)的應(yīng)用的一些示例以及設(shè)計微型干簧開關(guān)的應(yīng)用。

In-the -canal助聽器

過去助聽器戴在耳朵外面。它們掛在耳朵上方并在它后面休息。許多人在公共環(huán)境中穿著這些助聽器感到自我意識，有些人根本不會穿它們。這些大型耳背助聽器使用旋轉(zhuǎn)機械拇指開關(guān)來調(diào)節(jié)音量。設(shè)計師一直致力于開發(fā)一種適合耳道的更小，更好的助聽器。這些新型高科技微型助聽器已經(jīng)通過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)計這些較小的助聽器時，有必要調(diào)整音量并對微電子進(jìn)行編程。 MEDER的微型密封簧片開關(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)靠近耳朵時激活簧片開關(guān)。這將啟動各種模式和音量控制的設(shè)置。這種由簧片開關(guān)提供的遠(yuǎn)程激活是實施小型耳道式助聽器的基本要素。

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，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（參見圖4）。

圖4：可植入起搏器的示例。

簧片開關(guān)起著重要作用，因為它們允許在植入后與器件進(jìn)行通信。當(dāng)外部磁鐵放置在胸腔附近時，它會使簧片開關(guān)觸點閉合，從而允許與植入裝置通信。微型干簧開關(guān)關(guān)閉后，可以無線下載起搏器中的信息，可以調(diào)整心率，啟動校準(zhǔn)，并可以設(shè)置不同的模式。當(dāng)簧片開關(guān)處于打開位置時，僅使用最小量的電池電量，從而延長電池壽命。當(dāng)簧片開關(guān)閉合或激活時，例如用于編程，電池消耗僅僅暫時增加。因此，極大地節(jié)省了電池電量。使用微型干簧開關(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單元中，仍然沒有比銀元大小設(shè)計大得多。

微量葡萄糖檢測和管理系統(tǒng)

任何被診斷患有糖尿病的人都會告訴你，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，但它也會對系統(tǒng)造成電擊，這些可能會對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)計師聯(lián)手開發(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，植入腰部區(qū)域的傳感器與小型胰島素儲存器和分配系統(tǒng)結(jié)合使用，在腰部外部佩戴（見圖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，施用少量胰島素來校正糖水平。這可以最大限度地減少對系統(tǒng)的沖擊，使糖尿病患者能夠過上更長壽，更健康的生活。

圖5：在皮帶水平佩戴的葡萄糖監(jiān)測系統(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（見圖6）。當(dāng)這個電池供電的設(shè)備被吞下并穿過消化道時，它會通過視頻將其下降到胃部和小腸中。微型攝像機記錄了小腸區(qū)域的視頻圖像，這些圖像是通過內(nèi)窺鏡檢查或結(jié)腸鏡檢查無法到達(dá)的。這些圖像以無線方式傳輸，以便在身體外觀看。微小型簧片開關(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小時。設(shè)計人員通過將微小型磁簧開關(guān)與磁鐵結(jié)合使用，開發(fā)出了解決這一問題的方案。在運輸容器中，每個槽具有專用于每個藥丸的磁鐵，因為電池尚未啟動。一旦藥丸從磁鐵附近移開，微型干簧開關(guān)打開并激活電池，繼而為電路和視頻系統(tǒng)供電。由于這些藥丸，許多以前無法診斷的消化道問題已經(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。

動物追蹤裝置

有幾種動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)制定了一些計劃，例如開發(fā)在衣領(lǐng)上或植入動物的跟蹤裝置（見圖7）。植入式設(shè)備已被證明更可靠，因為衣領(lǐng)隨著時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，在跟蹤動物一段給定的時間后，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)閉微機械密封的簧片開關(guān)，其將所有跟蹤信息無線傳輸?shù)?a target="_blank">接收器。然后可以分析跟蹤信息，并就如何幫助動物更好地生存做出決定。

圖7：從已被跟蹤的動物中移除信息。

用于遷移研究的魚類跟蹤裝置

以類似于動物跟蹤裝置的方式，將具有微小葦形開關(guān)的電子裝置植入洄游魚類中（見圖8）。鮭魚是追蹤的主要魚類，因為它們被廣泛用作食物來源。捕獲魚時，使用永磁體關(guān)閉簧片開關(guān)，然后將重要信息無線傳輸?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。頸動脈斑塊檢測，植入式肌肉刺激和失禁預(yù)防系統(tǒng)

設(shè)計和放置在人體內(nèi)的微小植入式電子系統(tǒng)的數(shù)量正在快速增長率。這些設(shè)備有以下共同點：它們用于檢測人體的故障，它們需要在檢測到故障時執(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。微機械密封的簧片開關(guān)用于執(zhí)行調(diào)整或模式改變。重要的是，簧片開關(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，例如無線傳輸信息，調(diào)整或模式改變。

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

總結(jié)和未來方向

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)投入大量時間和精力來開發(fā)可以執(zhí)行特定功能的微小型機械系統(tǒng)。絕大多數(shù)人都感到失望和失敗。 MEDER是為數(shù)不多的幾家成功開發(fā)微機械密封簧片開關(guān)的公司之一，僅僅是因為這項工作投入了大量的時間，精力和奉獻(xiàn)精神。此外，MEDER通過使用更加機械化的自動化方法擴展了其制造，從而以更低的成本實現(xiàn)了更高的產(chǎn)量。 Meder目前正致力于開發(fā)更小的微型干簧開關(guān)，這將啟動新的要求，從而激發(fā)新的應(yīng)用。