專利名稱：浸濕指狀物閉鎖壓電繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電氣開關(guān)的微機電系統(tǒng)(MEMS)的領(lǐng)域，更具體地說，涉及壓電促動的液體金屬繼電器。
背景技術(shù)：
諸如水銀之類的液體金屬已用于電氣開關(guān)，以在兩個導(dǎo)體之間提供電氣路徑。一個示例是水銀調(diào)溫開關(guān)，其中，雙金屬條線圈對溫度作出反應(yīng)，從而改變包含水銀的拉長式腔的角度。由于高表面張力，腔中的水銀形成單個小液滴。取決于腔的角度，重力使水銀液滴移動到包含電觸頭的腔的一端，或者移動到另一端。在手動液體金屬開關(guān)中，永久磁鐵被用來移動腔中的水銀液滴。
液體金屬也被用在繼電器中?？梢杂枚喾N技術(shù)使液體金屬液滴移動，包括靜電力、由于熱膨脹/收縮所導(dǎo)致的形變和磁流體力(magneto-hydrodynamic force)。
高電流的快速開關(guān)被用在非常多種器件中，但是對于基于固體觸頭的繼電器來說，由于電流中斷所導(dǎo)致的燃弧(arcing)，這也帶來了問題。這種燃弧導(dǎo)致觸頭損傷，并且由于使電極表面變得不平而使觸頭的導(dǎo)電性能下降。
傳統(tǒng)的壓電繼電器或者不閉鎖(latch)，或者使用壓電材料中的殘留電荷來閉鎖，或者激活使用閉鎖機構(gòu)的開關(guān)。
已經(jīng)開發(fā)出了一種微動開關(guān)，該微動開關(guān)使用液體金屬作為開關(guān)元件，并且氣體被加熱時的膨脹致使液體金屬移動，從而促動開關(guān)功能。與其他微機械技術(shù)相比，液體金屬具有某些優(yōu)點，例如，能夠使用金屬對金屬觸頭來開關(guān)相對較高的功率(約100mW)，而無需使用微焊接或過度加熱該開關(guān)機構(gòu)。然而，使用加熱的氣體也有一些缺點。這需要相對大量的能量來改變該開關(guān)的狀態(tài)，并且如果切換占空比較高，則開關(guān)所生成的熱量必須被有效地驅(qū)散。另外，促動速率要相對較低，最大速率要限制在數(shù)百赫茲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種電氣繼電器陣列，它將導(dǎo)電液體用于開關(guān)機構(gòu)。該繼電器使用壓電元件使導(dǎo)電的、可濕的開關(guān)指狀物移動到與由兩個固定電觸頭支撐的導(dǎo)電液滴相接觸。導(dǎo)電液體使固定的電觸頭與開關(guān)指狀物之間浸濕以形成電路。液體中的表面張力維持該電路，并且提供閉鎖機構(gòu)。開關(guān)指狀物被縮回以切斷表面張力結(jié)合，從而斷開該電路。該繼電器陣列是利用微機械技術(shù)制造的。


本發(fā)明的新特性在權(quán)利要求中闡述。但是，當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時，通過參考示例性實施例的以下詳細(xì)描述，將最好地理解本發(fā)明自身，以及本發(fā)明的優(yōu)選實施方式、其他目的和優(yōu)點，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明某些實施例的繼電器的側(cè)視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明某些實施例的繼電器的頂視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明某些實施例的繼電器的剖視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明某些實施例處于打開狀態(tài)的繼電器的剖視圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明某些實施例處于打開并閉鎖狀態(tài)的繼電器的頂視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明某些實施例處于正在閉合狀態(tài)的繼電器的頂視圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明某些實施例處于正在閉合狀態(tài)的繼電器的剖視圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明某些實施例處于閉合并閉鎖狀態(tài)的繼電器的頂視圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明某些實施例處于正在打開狀態(tài)的繼電器的頂視圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明某些實施例的繼電器的電路基板的頂視圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明某些實施例的繼電器的電路基板的側(cè)視圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明某些實施例處于打開狀態(tài)的繼電器的頂視圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明某些實施例的繼電器的剖視圖。
圖14是根據(jù)本發(fā)明某些實施例處于正在閉合狀態(tài)的繼電器的頂視圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明某些實施例處于閉合并閉鎖狀態(tài)的繼電器的頂視圖。
圖16是根據(jù)本發(fā)明某些實施例處于正在打開狀態(tài)的繼電器的頂視圖。
圖17是根據(jù)本發(fā)明某些實施例的繼電器的電路基板的頂視圖。
具體實施例方式
盡管本發(fā)明準(zhǔn)許多種不同形式的實施例，但是在附圖中示出并將在這里詳細(xì)描述一個或多個特定的實施例，同時應(yīng)當(dāng)理解，本公開應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為本發(fā)明的原理的示例，而不是要將本發(fā)明限制于所示出并描述的特定實施例。在下面的描述中，相似的標(biāo)號用來描述在附圖的多個視圖中相同的、類似的或?qū)?yīng)的部分。
本發(fā)明涉及電氣繼電器，其中，通過導(dǎo)電的、可濕指狀物的動作，從而輔助在兩個固定的觸頭之間形成導(dǎo)電液體橋。導(dǎo)電液體可以是液體金屬，例如水銀或鎵合金。指狀物被附接到梁的一端，梁的另一端被固定到繼電器的基板。梁和附接的指狀物由充當(dāng)作用于梁上的一個或多個壓電元件的動作所移動。壓電元件可操作來使梁彎曲或偏轉(zhuǎn)。
圖1是本發(fā)明的繼電器的示例性實施例的側(cè)視圖。該繼電器具有3層覆蓋層102、壓電層104和基板層106?；鍖?06支撐到開關(guān)的電連接108、到壓電執(zhí)行器的電連接110和關(guān)聯(lián)電路。這3層構(gòu)成繼電器外殼。
圖2是圖1的繼電器的頂視圖。虛線表示隱藏結(jié)構(gòu)，其包括可動梁112和附接到梁112的自由端的開關(guān)指狀物114。這些元件都安置在繼電器的壓電層中的開關(guān)腔116內(nèi)。還示出了兩個電觸頭118和120，它們具有支撐導(dǎo)電液體的液滴的可濕表面。下面將分別參考圖3和圖4描述剖面3-3和4-4。
圖3是通過圖2中的剖面3-3的剖視圖。可動梁112的一端被固定到壓電層104的基板。該梁的自由端支撐開關(guān)指狀物114。這些元件都安置在開關(guān)腔116內(nèi)。利用不可濕盤124，觸頭120被附接到基板106。利用不可濕盤122，另一個觸頭(圖2中的118)被附接到基板106。這些電觸頭被安置在開關(guān)腔中的壁凹內(nèi)。這些觸頭具有可濕表面，該表面支撐一定量的導(dǎo)電液體126。導(dǎo)電液體的容量被這樣選擇在不存在可濕指狀物的情況下，該液體在每個觸頭上形成一個分離的小液滴。這些觸頭被電連接到允許信號通過繼電器被路由的連接器108。梁112由壓電執(zhí)行器的動作所移動?？刂菩盘柦?jīng)由連接器110被耦合到執(zhí)行器，連接器110被電耦合到開關(guān)腔中的觸盤128。
圖4是通過圖2的剖面4-4的剖視圖。開關(guān)指狀物114被附接到可動梁112的自由端，并且被安置在電觸頭和所支撐的液滴126附近。導(dǎo)電液體126不浸濕不可濕盤124。在本實施例中，附接到梁一側(cè)并且可操作來使梁彎曲的壓電元件130的動作使梁112移動。
圖5是去除了覆蓋層102的繼電器的頂視圖。由于液體金屬未橋接電觸頭之間的間隙，所以開關(guān)處于打開狀態(tài)。在本實施例中，附接到梁的側(cè)面的壓電元件130和132使可動梁112向上動作。壓電元件130沿梁的長度膨脹，或者壓電元件132沿梁的長度收縮將使梁彎曲，從而使梁的自由端和附接的開關(guān)指狀物在箭頭134所指示的方向上移動。壓電元件可以單獨使用或同時使用。到壓電元件的控制信號經(jīng)由觸盤128提供。
圖6是去除了覆蓋層102的繼電器的頂視圖。該開關(guān)處于正在閉合狀態(tài)。壓電元件130和132的動作已使梁112彎曲，這使開關(guān)指狀物114觸及導(dǎo)電液體容量126。導(dǎo)電液體126浸濕可濕指狀物的表面，從而在兩個固定電觸頭之間形成導(dǎo)電橋。這使這兩個電觸頭之間的電連接變完整，并且使該電路閉合。開關(guān)指狀物可以是不導(dǎo)電的，但是導(dǎo)電開關(guān)指狀物可減少通過該連接的電阻。
圖7是通過圖6的剖面7-7的剖視圖。在該圖中，梁112的自由端已相對于其在圖4中的位置被垂直移位。開關(guān)指狀物114已完全插入到導(dǎo)電液體容量126中，這使兩部分接合，并且使該電連接完整。
圖8是去除了覆蓋層102的處于閉合并閉鎖狀態(tài)中的繼電器的頂視圖。一旦開關(guān)指狀物已使導(dǎo)電液體連接完整，就解除激發(fā)壓電元件130和132，并且梁112返回到它的未偏轉(zhuǎn)位置。然而，導(dǎo)電液體126中的表面張力維持電觸頭和可濕開關(guān)指狀物之間的液體橋。兩個電觸頭之間的電連接被維持，從而開關(guān)被閉鎖在閉合狀態(tài)中。
為了打開開關(guān)，可濕開關(guān)指狀物被移得離電觸頭更遠(yuǎn)。這在圖9中被示出，其是去除了覆蓋層102的處于正在打開狀態(tài)中的繼電器的頂視圖。參考圖9，壓電元件130和132被用反向極性激發(fā)，以使元件130收縮而元件132伸展來使梁彎曲，從而在箭頭134所示出的方向上移動梁的自由端。開關(guān)指狀物被移動得遠(yuǎn)離電連接，從而維持液體橋的表面張力結(jié)合被切斷。導(dǎo)電液體斷開為兩部分容量126，電路被切斷。即使出現(xiàn)主體力(body force)(例如由于整個繼電器運動所導(dǎo)致的主體力)，液體中的表面張力也將液體保留在兩個觸頭上。這樣，繼電器被閉鎖在打開狀態(tài)中。
圖10是繼電器的基板層106的頂視圖。兩個電觸頭118和120分別被固定到不可濕的盤，這些盤又被固定到基板106。電盤128提供到壓電元件的電連接?？梢允褂靡阎奈C械技術(shù)將這些盤和觸頭形成在基板上。
在圖11中示出電路基板的側(cè)視圖。電觸頭118和120分別被固定到不可濕盤122和124，這些盤又被固定到基板106。電觸頭118和120被電耦合到基板外表面上的連接器108?；蛘撸@些電連接器可以經(jīng)由基板頂上的跡線而被連接到基板邊沿上的連接器。電盤128提供到壓電元件的電連接，并且被電耦合到基板外表面上的連接器110。
圖12是去除了覆蓋層102的繼電器的替換實施例的頂視圖。該開關(guān)處于閉合狀態(tài)。在本實施例中，附接到開關(guān)通道116的一側(cè)的壓電執(zhí)行器140使可動梁112向上動作。在層平面中并垂直于梁的壓電元件140的膨脹使梁在箭頭134所指示的方向上移動。在本實施例中，與梁的自由端相比，壓電執(zhí)行器被安置得更接近該梁的固定端，以使梁放大壓電元件的運動，從而使開關(guān)指狀物114產(chǎn)生較大位移。也可以使用其他形式的機械放大。經(jīng)由盤128、觸頭142和144，控制信號被提供給壓電元件。壓電執(zhí)行器140可以包括單個壓電元件，或者一堆壓電元件。
圖13是通過圖13中的剖面13-13的剖視圖。壓電元件140經(jīng)由觸頭142被耦合到基板104，并且經(jīng)由觸頭144被耦合到梁112。當(dāng)電壓被施加到壓電元件時，該壓電元件就以膨脹模式變形(圖中的垂直方向)，從而橫向作用于梁112。然后，這就使開關(guān)指狀物114移動。
圖14是圖12中的繼電器的頂視圖，其示出了該開關(guān)處于正在閉合狀態(tài)。壓電元件140已被激發(fā)，從而使梁112橫向移位。這已使開關(guān)指狀物114移動到觸及導(dǎo)電液體容量126，這使導(dǎo)電液體浸濕開關(guān)指狀物114和兩個電觸頭。這使電觸頭之間的電路完整。
圖15是去除了覆蓋層102的處于閉合并閉鎖狀態(tài)的繼電器的頂視圖。一旦開關(guān)指狀物已使導(dǎo)電液體連接完整，就解除激發(fā)壓電元件140，梁112返回到它的未偏轉(zhuǎn)位置。然而，導(dǎo)電液體126中的表面張力維持電觸頭和可濕開關(guān)指狀物之間的液體橋。兩個電觸頭之間的電連接被維持，從而開關(guān)被閉鎖在閉合狀態(tài)中。
為了打開開關(guān)，可濕開關(guān)指狀物被移得離電觸頭更遠(yuǎn)。這在圖16中被示出，其是去除了覆蓋層102的處于正在打開狀態(tài)中的繼電器的頂視圖。參考圖16，壓電元件140被用反向極性激發(fā)，以使該元件收縮，從而在橫向方向上拉動梁。這使梁112的自由端在箭頭134所示出的方向上移動。開關(guān)指狀物被移動得遠(yuǎn)離電連接，從而維持液體橋的表面張力結(jié)合被切斷。導(dǎo)電液體斷開為兩部分容量126，電路被切斷。即使出現(xiàn)主體力(例如由于整個繼電器運動所導(dǎo)致的主體力)，液體中的表面張力也將液體保留在兩個觸頭上。這樣，繼電器被閉鎖在打開狀態(tài)中。
圖17是圖10-16示出的繼電器的基板層106的頂視圖。兩個電觸頭118和120被固定到不可濕盤，這些不可濕盤又被固定到基板106。電盤128提供到壓電元件兩端的電連接?？梢允褂靡阎奈C械技術(shù)將這些盤和觸頭形成在基板上。
盡管已結(jié)合特定的實施例描述了本發(fā)明，但是很清楚，根據(jù)前面的描述，多種改變、修改、置換和變體將對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員變清楚。因此，本發(fā)明是要包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有這種改變、修改和變體。
權(quán)利要求
1.一種電氣繼電器，包括繼電器外殼，其包含開關(guān)腔(116)；第一電觸頭(118)，其在所述開關(guān)腔(116)中，并且具有可濕表面；第二電觸頭(120)，其在所述開關(guān)腔(116)中，與所述第一電觸頭(118)隔離，并且具有可濕表面；導(dǎo)電液體(126)，其與所述第一(118)和第二(120)電觸頭濕接觸；梁(112)，其具有固定端和自由端，所述固定端在所述開關(guān)腔(116)內(nèi)附接到所述繼電器外殼；可濕開關(guān)指狀物(114)，其附接到所述梁(112)的自由端，并且可移動到觸及所述導(dǎo)電液體(126)；和壓電執(zhí)行器(130、132或140)，其可操作來使所述梁(112)橫向移動，從而使所述開關(guān)指狀物(114)從未偏轉(zhuǎn)的位置移動到第一位置和第二位置，在所述第一位置中，所述導(dǎo)電液體(126)在所述第一和第二觸頭與所述開關(guān)指狀物之間浸濕，從而使所述第一和第二觸頭之間的電路完整，在所述第二位置中，所述導(dǎo)電液體(126)不能在所述第一和第二觸頭與所述開關(guān)指狀物之間浸濕，從而所述第一和第二觸頭之間的電路被切斷。
2.如權(quán)利要求1所述的電氣繼電器，其中，所述開關(guān)指狀物(114)的未偏轉(zhuǎn)的位置和所述導(dǎo)電液體(126)的容量使得所述開關(guān)指狀物(114)從所述第一位置到所述未偏轉(zhuǎn)的位置的移動不切斷由所述導(dǎo)電液體(126)使其變完整的電路。
3.如權(quán)利要求1所述的電氣繼電器，其中，所述開關(guān)指狀物(114)的未偏轉(zhuǎn)的位置和所述導(dǎo)電液體(126)的容量使得所述開關(guān)指狀物(114)從所述第一位置到所述第二位置的移動切斷由所述導(dǎo)電液體(126)使其變完整的電路。
4.如權(quán)利要求1所述的電氣繼電器，其中，所述壓電執(zhí)行器包括附接到所述梁(112)的第一側(cè)的第一壓電元件(130或132)，所述第一壓電元件(130或132)可操作來以平行于所述梁(112)的縱向方式變形，從而使所述梁彎曲。
5.如權(quán)利要求1所述的電氣繼電器，其中，所述壓電執(zhí)行器包括在所述開關(guān)腔(116)的壁和所述梁(112)的所述自由端和所述固定端之間的一個區(qū)域之間動作的壓電元件(140)，所述壓電元件(140)可操作來以基本垂直于所述梁(112)的縱向方式變形，從而使所述梁偏轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求1所述的電氣繼電器，其中，所述導(dǎo)電液體(126)是液體金屬。
7.如權(quán)利要求1所述的電氣繼電器，其中，所述可濕指狀物(114)是導(dǎo)電的。
8.如權(quán)利要求1所述的電氣繼電器，其中，所述繼電器外殼包括基板層(106)，其支撐到所述第一(118)和第二(120)電觸頭的電連接(108)和到所述壓電執(zhí)行器(130、132或140)的電連接(110)；覆蓋層(102)；和壓電層(104)，其被安置在所述基板層(106)和所述覆蓋層(102)之間，并且具有形成在其中的所述開關(guān)腔(116)。
9.一種用于開關(guān)電氣繼電器中的介于第一觸頭(118)和第二觸頭(120)之間的電路的方法，所述第一和第二觸頭被第一導(dǎo)電液體(126)浸濕，所述方法包括如果要使所述電路變完整，則激發(fā)執(zhí)行器(130、132或140)，以使可濕指狀物(114)移動到第一位置，在該位置中，所述可濕指狀物(114)觸及所述導(dǎo)電液體(126)，從而使所述導(dǎo)電液體在所述第一(118)和第二(120)觸頭和所述可濕指狀物(114)之間浸濕；并且如果要切斷所述電路，則激發(fā)所述執(zhí)行器(130、132或140)，以使可濕指狀物(114)移動到第二位置，在該位置中，所述導(dǎo)電液體(126)不能在所述第一(118)和第二(120)觸頭和所述可濕指狀物(114)之間浸濕。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括如果要使所述電路變完整，則在所述可濕指狀物(114)已移動到所述第一位置之后，解除激發(fā)所述執(zhí)行器(130、132或140)；并且如果要切斷所述電路，則在所述可濕指狀物(114)已移動到所述第二位置之后，解除激發(fā)所述執(zhí)行器(130、132或140)。
全文摘要
一種電氣繼電器，具有兩個可濕電觸頭(118和120)，每個都支撐導(dǎo)電液體(126)。執(zhí)行器(130、132或140)的動作使可濕開關(guān)指狀物(114)從未偏轉(zhuǎn)位置移動到第一和第二位置。在第一位置中，開關(guān)指狀物(114)觸及導(dǎo)電液體(126)，并且使導(dǎo)電液體在這些觸頭與開關(guān)指狀物之間浸濕，從而使這些觸頭之間的電路變完整。當(dāng)開關(guān)指狀物(114)在第二位置中時，導(dǎo)電液體(126)不能在第一和第二觸頭與開關(guān)指狀物之間浸濕，從而第一和第二觸頭之間的電路被切斷。開關(guān)指狀物(114)可以被定位在可被壓電元件(130、132或140)的動作偏轉(zhuǎn)或彎曲的梁(112)的自由端。
文檔編號H01L41/08GK1774782SQ200480009778
公開日2006年5月17日 申請日期2004年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月14日
發(fā)明者馬文·格倫·黃, 保羅·托馬斯·卡若森 申請人:安捷倫科技有限公司