本白皮書(shū)是Coto Technology對(duì)新興簧片傳感技術(shù)的討論。該傳感器具有傳統(tǒng)干簧開(kāi)關(guān)的最佳功能，并結(jié)合了MEMS處理的固有優(yōu)勢(shì)。本文還討論了RedRock MEMS傳感器以及高縱橫比微細(xì)加工（HARM）的使用。

介紹

自75年前，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)明了簧片開(kāi)關(guān)以來(lái)，它一直是一種廣泛使用的傳感技術(shù)，他們一直在尋找對(duì)電話交換器中笨拙的機(jī)電繼電器進(jìn)行改進(jìn)的方法。但是，在那75年中，至少直到現(xiàn)在，它的設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有改變。傳統(tǒng)的簧片傳感器仍然由兩個(gè)彈性黑色金屬刀片組成，這些刀片密封在玻璃管中，其尖端之間的間隙很小。（圖1）將永磁體或?qū)Ь€的載流線圈靠近，使葉片磁化并相互吸引，從而完成兩個(gè)葉片之間的電路。盡管簡(jiǎn)單，但干簧傳感器仍具有許多優(yōu)勢(shì)。它們堅(jiān)固耐用，可以根據(jù)其尺寸切換高功率；它們是密封的，因此可以保護(hù)觸點(diǎn)免受污染，與機(jī)電式電樞繼電器不同；而且它們不像某些固態(tài)開(kāi)關(guān)那樣容易受到靜電放電的損害。數(shù)十億的干簧傳感器和干簧繼電器已用于各種系統(tǒng)中，例如自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE），汽車，洗衣機(jī)，行星際探頭，助聽(tīng)器和便攜式計(jì)算機(jī)。

簧片開(kāi)關(guān)從1940年到2015年

但是，干簧傳感器有兩個(gè)缺點(diǎn)。它們的制造成本相對(duì)較高，并且無(wú)法進(jìn)一步縮小。在1940年，它們的長(zhǎng)度為50毫米，而現(xiàn)在已降至約5毫米，雖然小得多，但對(duì)于許多新興應(yīng)用來(lái)說(shuō)卻太大了。但是現(xiàn)在，微細(xì)加工將徹底改變干簧傳感器的制造方式。自從智能電話，平板電腦和大量其他個(gè)人便攜式電子設(shè)備問(wèn)世以來(lái)，電子組件不得不縮小以啟用和測(cè)試這種技術(shù)。簧片傳感器也不例外。結(jié)果，非常需要比現(xiàn)有類型小得多的磁簧傳感器，該磁簧傳感器可以處理相似的開(kāi)關(guān)功率，并且可以通過(guò)表面安裝附接到電路板上。表面貼裝技術(shù)（SMT）組件已經(jīng)取代了通孔零件，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩陌b密度，并且能夠使用自動(dòng)拾放機(jī)械進(jìn)行安裝，而傳統(tǒng)的干簧傳感器卻無(wú)法適應(yīng)不斷變化的時(shí)代。本白皮書(shū)介紹了由Coto Technology開(kāi)發(fā)的一種新型干簧傳感器，它填補(bǔ)了這一空白。在本白皮書(shū)中，我們將術(shù)語(yǔ)“干簧傳感器”與“干簧繼電器”區(qū)分開(kāi)來(lái)?；诖呕砷_(kāi)關(guān)技術(shù)的傳感器是一種獨(dú)立的設(shè)備，可以通過(guò)磁鐵，載流線圈或兩者的組合進(jìn)行操作。磁簧繼電器將磁簧開(kāi)關(guān)和線圈組合為一個(gè)組件。本白皮書(shū)介紹了由Coto Technology開(kāi)發(fā)的一種新型干簧傳感器，它填補(bǔ)了這一空白。在本白皮書(shū)中，我們將術(shù)語(yǔ)“干簧傳感器”與“干簧繼電器”區(qū)分開(kāi)來(lái)?；诖呕砷_(kāi)關(guān)技術(shù)的傳感器是一種獨(dú)立的設(shè)備，可以通過(guò)磁鐵，載流線圈或兩者的組合進(jìn)行操作。磁簧繼電器將磁簧開(kāi)關(guān)和線圈組合為一個(gè)組件。本白皮書(shū)介紹了由Coto Technology開(kāi)發(fā)的一種新型干簧傳感器，它填補(bǔ)了這一空白。在本白皮書(shū)中，我們將術(shù)語(yǔ)“干簧傳感器”與“干簧繼電器”區(qū)分開(kāi)來(lái)?；诖呕砷_(kāi)關(guān)技術(shù)的傳感器是一種獨(dú)立的設(shè)備，可以通過(guò)磁鐵，載流線圈或兩者的組合進(jìn)行操作。磁簧繼電器將磁簧開(kāi)關(guān)和線圈組合為一個(gè)組件。

RedRock?，一種新型的干簧傳感器

新的Coto RedRock傳感器是基于微光刻的磁簧開(kāi)關(guān)。舌簧開(kāi)關(guān)的所有元件和優(yōu)點(diǎn)都在那里，包括金屬刀片，它們?cè)谟写艌?chǎng)的情況下會(huì)卡在一起并形成完整的電路，并且對(duì)涂有釕的觸點(diǎn)進(jìn)行氣密密封。但是，自發(fā)明簧片開(kāi)關(guān)以來(lái)，新傳感器首次以完全不同的方式制造。沖壓鎳鐵刀片和密封玻璃管已一去不復(fù)返了。取而代之的是一個(gè)金屬懸臂，它跨接了兩個(gè)巨大的電隔離金屬塊，這些金屬塊充當(dāng)了磁場(chǎng)放大器，就像傳統(tǒng)干簧傳感器中的外部引線一樣。（圖2）懸臂和一個(gè)模塊之間有一個(gè)很小的間隙–來(lái)自外部磁體的磁通在該間隙中累積，并將懸臂拉到與模塊電接觸。觸頭涂有釕，以實(shí)現(xiàn)最大的觸頭壽命。

RedRock?傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀

構(gòu)造新傳感器的關(guān)鍵是使用光刻生產(chǎn)的犧牲模具，使簧片傳感器葉片從傳感器的陶瓷底座向上生長(zhǎng)的方式。該模具及其平行壁的精確尺寸可確保將簧片傳感器葉片的厚度和接觸間隙控制在幾分之一微米的范圍內(nèi)。圖3示出了典型的HARM微制造結(jié)構(gòu)。這比常規(guī)干簧傳感器的葉片沖壓和玻璃密封過(guò)程所能達(dá)到的精度要高得多。進(jìn)而，這種精確的尺寸控制導(dǎo)致了不同傳感器之間傳感器閉合靈敏度的更高再現(xiàn)性。這類制造稱為“高深寬比微制造”或HARM，正是這種傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳感器基板垂直生長(zhǎng)的方式使這項(xiàng)新技術(shù)與平面MEMS傳感器區(qū)別開(kāi)來(lái)。要解釋這種差異，需要簡(jiǎn)要討論MEMS或MicroElectroMechanical Systems設(shè)備。

高長(zhǎng)寬比超細(xì)結(jié)構(gòu)

危害–背景

讓我們看一下干簧傳感器設(shè)計(jì)的一些背景，以說(shuō)明為什么HARM是構(gòu)建磁控傳感器的絕佳方法。所有干簧傳感器都具有一個(gè)或兩個(gè)柔性金屬刀片，這些刀片在磁化后會(huì)被吸引在一起，從而形成電路。施加更強(qiáng)的磁場(chǎng)，如果葉片沒(méi)有被太多的磁通量飽和而無(wú)法再承載，則葉片會(huì)更加牢固地吸引在一起（如果這是BIG，則為BIG）。發(fā)生這種情況時(shí)，無(wú)論施加多強(qiáng)的磁場(chǎng)，都不會(huì)再對(duì)觸點(diǎn)施加力。正如我們將要展示的，簧片傳感器中的接觸力在很大程度上取決于到達(dá)觸點(diǎn)之間間隙的磁通量。打個(gè)比方；簧片傳感器的葉片就像水管的磁力一樣，通過(guò)太窄的管道來(lái)限制流量，無(wú)論您施加多大的壓力（磁力），水（助焊劑）都會(huì)緩慢滴入。因此，您希望使簧片傳感器葉片的橫截面面積盡可能大，以使大量的磁通量通過(guò)并獲得最大的接觸力。但是，不要使它們過(guò)厚，或者像設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)奶逡粯?，它們?huì)變得太硬而無(wú)法利用磁力彎曲它們。訣竅是通過(guò)加寬葉片來(lái)使橫截面盡可能大，而不會(huì)使它們變厚。寬刀片與窄刀片一樣靈活，只要其厚度相同即可。它的彈簧常數(shù)簡(jiǎn)單地與其寬度成正比地增加。

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