CN100576404C - 使用导电流体的继电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有出色切换响应的使用导电流体的继电装置。该继电装置主要包括具有内部空间且通过将半导体基板接合到绝缘基板形成的叠层；暴露于该内部空间的至少两个触点；面向该内部空间的隔膜部；密封在该内部空间内的导电流体；以及用于使该隔膜部弹性变形的致动器。通过在半导体基板上形成隔膜部，可以减小使隔膜部弹性变形所需的致动器驱动力，并以良好响应实现内部空间的容积变化。该容积变化导致该内部空间内的导电流体的位置偏移，由此形成该触点之间的导电状态和不导电状态。

Description

使用导电流体的继电装置

技术领域

本发明涉及通过使用导电流体用于实现触点之间的断开和闭合的继电装置。

背景技术

近年来，由于与常规继电装置相比，通过使用导电流体用于实现触点之间的断开和闭合的继电装置具有例如高可靠性、低接触电阻、防止电弧放电以及尺寸缩小的优点，因此已经引起许多关注。

例如，日本专利早期公报No.9-161640公开了一种使用例如汞和锗的导电流体的热驱动微继电装置。如图21所示，该微继电装置主要由下述部件形成：一对腔体10M、40M；加热器12M、42M，设置于各个腔体内；通道20M，接合在腔体之间；液态金属50M，注入在通道20M内；一对电极30M、32M，位于腔体10M附近的侧面并暴露于通道20M；以及一对电极34M、36M，位于腔体20M附近的侧面并暴露于通道20M。例如，当将设置于腔体10M内的加热器12M激活时，腔体10M内的空气被加热，从而内部压力增大。该内部压力的增大允许通道20M内的液态金属50M沿着朝向腔体40M的方向移动，如图21中箭头所示。结果，由该液态金属50M形成了电极34M、36M之间的导电状态。相反，当将设置于腔体40M内的加热器42M激活时，腔体40M内的空气被加热，从而内部压力增大。该内部压力的增大允许通道20M内的液态金属50M沿着朝向腔体20M的方向移动。结果，由该液态金属50M形成了电极30M、32M之间的导电状态。因此，由于受热空气导致的液态金属50M的移动提供了切换操作。然而，由于在激活加热器之后使腔体内部压力增大所需的延迟时间，切换响应存在改进的空间。

此外，日本专利早期公报No.2004-193133公开了一种容易制作的切换装置。如图22所示，该切换装置主要是由下述部件形成：通道板1N，由玻璃材料制成，并包括主通道10N以及与该主通道连通的多个子通道20N、22N；多个接触垫30N、32N、34N，彼此隔开并暴露于主通道10N的内部；导电流体50N，例如汞，注入在该主通道内；腔体40N、42N，形成于子通道的其他端；驱动装置60N、62N，例如热产生装置，形成于各个腔体内；以及不导电驱动流体70N，例如填充在子通道内的惰性气体。例如，当将驱动装置60N激活时，驱动流体70N从子通道20N推出而进入主通道10N，如图22中箭头所示，由此断开通过导电流体50N形成于主通道内接触垫30N、32N之间的导电状态。结果，在接触垫30N、32N之间获得不导电状态。另一方面，当驱动装置60N处于休眠状态时，驱动流体70N从主通道10N朝子通道20N移动，从而接触垫30N、32N之间的导电状态由导电流体50N恢复。因此，通过导电流体50N以及作为不导电流体的驱动流体70N实现了切换操作。然而，由于需要加热驱动流体70N，切换响应成为问题，正如上述的情形。此外，不能保证驱动流体70N向填充有导电流体50N的主通道10N的流动总是以相同的方式重复。因此会发生继电特性的变化。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种使用导电流体的继电装置，与使用加热装置的常规继电装置相比，该继电装置的具有出色切换响应、容易缩小尺寸和稳定继电特性的优点。

即，本发明的继电装置包括：

叠层，具有内部空间且通过将半导体基板结合到绝缘基板而形成；

至少两个触点，暴露于该内部空间；

隔膜部，形成于该半导体基板上以面向该内部空间；

导电流体，密封在该内部空间内；以及

致动器，构造成使该隔膜部弹性变形；

其中由该隔膜部的弹性变形引起的该内部空间的容积改变导致该内部空间内的该导电流体的位置偏移，由此形成触点之间的导电状态和不导电状态。

根据本发明，由于该导电流体的位置偏移是通过由于隔膜部的弹性变形引起的该内部空间的容积改变而获得的，与借助空气的热膨胀来移动液态金属的情形相比，可以实现切换响应的改善。此外，由于形成于该半导体基板上的隔膜部变形，与使例如玻璃的刚性材料弹性变形的情形相比，借助该致动器的减小的驱动力可以以良好响应获得内部空间的容积改变。因此，通过使用能够产生比较小驱动力的致动器，可以提供具有高切换响应的小型继电装置。本发明的技术概念可以提供一种常开继电装置，其中触点之间的导电状态在致动器的休眠状态下得以保持，且在致动器的激活状态下实现触点之间的不导电状态；以及一种常闭继电装置，其中触点之间的不导电状态在致动器的休眠状态下得以保持，且在致动器的激活状态下实现触点之间的导电状态。

在上述继电装置中，优选该半导体基板为Si基板，且该隔膜部与该Si基板一体形成。通过使用半导体微加工技术，该隔膜部可以容易地形成于Si基板上。有效地缩小了该继电装置的尺寸。

此外，优选的是该半导体基板的相对两个表面之一接合到绝缘基板，另一个表面具有凹部，且其中该隔膜部形成于该凹部的底部且该致动器容纳在该凹部内。通过将该致动器置于该凹部内，可以进一步缩小该继电装置的尺寸。

此外，优选的是该隔膜部和该致动器之一具有凸部，且该隔膜部通过该凸部连接到该致动器。该致动器可以精确地接合于最有效地实现使该隔膜部的弹性变形的位置，因此可以稳定地提供高质量的继电装置。

此外，优选的是该绝缘基板具有在该内部空间面向该隔膜部的位置凸起的止挡凸块(stopper boss)。或者，优选的是该隔膜部具有朝该内部空间伸出的止挡凸块。通过防止隔膜部过量弹性变形，有效防止继电装置的失效延长了继电装置的寿命并的。

本发明优选实施例中使用的致动器选自：单晶片型(unimorph type)压电致动器，包括形成于隔膜部的表面上的金属膜以及形成于该金属膜上的压电膜；双晶片型(bimorph type)压电致动器，包括形成于该隔膜部的表面上的第一压电膜、形成于该第一压电膜上的金属膜以及形成于该金属膜上的第二压电膜；以及多层型压电致动器，通过在隔膜部的表面上交替地堆叠多个金属膜和多个压电膜而形成。

在上述继电装置中，还优选的是该叠层具有的内部空间包括该隔膜部面对的流体存储部，以及一端连接到该流体存储部且另一端封闭的流体通道，且其中该至少两个触点置于该流体通道内。这种情况下，由于通过隔膜部的弹性变形而获得该导电流体的充分的移动距离，通过致动器的小驱动力可以有效地实现该流体通道内彼此隔开的触点之间的开关操作。

此外，优选的是该流体存储部构造为这种形状，即其孔径面积沿着朝该流体通道的方向逐渐减小。通过该隔膜部的弹性变形，该导电流体可以平稳地从该流体存储部移动到该流体通道。具体而言，当面向该流体存储部的隔膜部构造为近似矩形形状，且该流体通道在该矩形形状的角落部分连接到该流体存储部时，则该流体存储部和该流体通道之间的位置关系变得优选以获得上述效应。

还优选的是，该流体通道具有对于该导电流体具有不同润湿性能的第一和第二区域，且该第二区域形成于相邻触点之间，且与该第一区域相比具有更低的润湿性能。在这种继电装置中，即触点之间的不导电状态在该致动器的复位状态下得以保持，且触点之间的导电状态是通过允许导电流体在该致动器的激活状态下流入流体通道内而实现，则当停止激活该致动器时，大部分导电流体从该流体通道朝该流体存储部移动。然而，此时，部分导电流体可能残留在该流体通道内。当该导电流体残留在该流体通道内的触点之间时，则会担心即使在该致动器的休眠状态下，仍维持触点之间的导电状态，且因此无法稳定地实现期望的继电操作。在这点上，当具有更低润湿性能的第二区域形成于该触点之间时，与该第一区域相比，该导电流体变得难以停留在第二区域。因此，可以防止出现导电流体残留在触点之间的不便。因此，通过在该流体通道内的触点之间形成该导电流体难以稳定停留的位置(该第二区域)，则可以进一步改善切换操作的可靠性。

对于形成该第二区域的情形，优选的是该第二区域比该第一区域具有更大的表面粗糙度。具体而言，当沟槽形成于该半导体基板或该绝缘基板内作为该流体通道时，具有不同表面粗糙度的该第一和第一区域可以通过对该沟槽表面执行喷丸(blast)处理或蚀刻处理而获得。

或者，优选的是该流体通道具有截面积不同或截面形状不同的第一和第二区域，该第二区域形成于相邻触点之间，且比该第一区域对所述导电流体的移动具有更大的阻力。这意味着，该流体通道内导电流体的移动容易中断的位置故意形成于触点之间。因此，即使当该导电流体残留在触点之间时，该导电流体由该第二区域断开。结果，可以可靠地实现该不导电状态。具体而言，该第二区域可以设计成具有小于该第一区域的内径。或者，该第一和第二区域可以形成为分别具有圆形截面和三角形截面。因此，可以在该流体通道内获得对该导电流体的移动具有更大阻力的该第二区域。

此外，优选的是本发明的继电装置的半导体基板形成有该流体通道，该流体通道使得该导电流体在导电状态下接触设置于绝缘基板上的触点的一部分，且半导体基板形成有浅沟槽，其与该流体通道连通并形成于该触点的周围以防止该触点接触该半导体基板。例如，具有小内径的流体通道可以通过半导体微加工技术形成于该半导体基板内。另一方面，该触点需要具有一定的外径，以通过接触该导电流体来实现导电状态。因此，在该触点的外径大于流体通道内径的状况下，当该半导体基板(例如Si)通过阳极键合接合到该绝缘基板(例如玻璃)时，则会担心由于该触点夹在该Si基板和玻璃之间而在阳极键合时出现接合失效或放电。由于形成于该半导体基板内的浅沟槽防止该触点直接接触该半导体基板，因此可以避免上述不便。在这点上，该浅沟槽设计为这样的深度，即该导电流体不由于表面张力而流入该浅沟槽。因此，无需忧虑由于导电流体泄漏到该浅沟槽中而减小在流体通道内移动的该导电流体的数量，使得开关操作变得不稳定(unstable)。

此外，优选的是该流体通道形成为波浪形，其包括相互平行延伸的直通道以及连接在相邻直通道之间的弯曲通道。在该流体通道内形成多对触点的情况下，需要延长该流体通道的长度。另一方面，该流体通道的延长会导致继电装置尺寸的增大。如上所述，通过形成具有波浪形的流体通道，可以延长该流体通道的长度而不增大其中形成有该流体通道的该叠层的尺寸。当使用这种流体通道时，特别优选地，该触点设置于该弯曲通道附近。

在本发明的继电装置中，还优选的是该叠层具有构造成将该导电流体注入到该流体存储部的注入通道，且该注入通道的内表面具有金属膜，该金属膜对该导电流体具有高的润湿性能。这种情况下，在该导电流体注入到该流体存储部之后，由于导电流体在形成于注入通道内表面的金属膜上的良好润湿性能，该导电流体容易保持在具有该金属膜的位置。此外，这对于防止在该继电装置制作工艺时在该注入通道密封之前该导电流体发生泄漏是有用的。

为了平稳地在触点之间的导电状态和触点之间的不导电状态之间切换，优选该导电流体如下所述地在该流体通道内移动。也就是说，在该致动器的休眠状态下，这些触点中有且仅有一个总是接触该导电流体，且在该致动器的激活状态下，该导电流体移动到该流体通道内以形成触点之间的导电状态。这种情况下，由于导电流体在流体通道内的移动距离变短，可以减小该隔膜部的弹性变形，且因此节省了操作该隔膜部所需的能量。此外，由于获得了该导电流体的平稳移动，与导电流体穿过这些触点的两个的情形相比，可以实现切换可靠性的进一步改善。或者，在下面情况下也可以获得如上所述的相同效应，即，在致动器的休眠状态时，触点之间的导电状态通过该导电流体来保持，且在该致动器的激活状态下，该导电流体移动到该流体通道内以将该导电流体与该触点之一分离，由此形成触点之间的不导电状态。

在本发明的继电装置中，优选的是如上所述地形成该流体存储部和该流体通道。或者，该触点可设置于该流体存储部内而不形成该流体通道。例如，该叠层包括面向该隔膜部的流体存储部，且该至少两个触点设置于该流体存储部内，且其中由该隔膜部的弹性变形引起在该流体存储部内该导电流体的位置偏移，由此形成该触点之间的导电状态和不导电状态。这种情况下，优选该隔膜部构造成基本为圆形形状。

根据本发明的继电装置的基本概念，可以提供一种继电装置，该继电装置具有同时执行触点之间的断开和闭合的多次操作的能力。例如，该叠层具有内部空间，所述内部空间包括：流体存储部，该流体存储部面对该隔膜部并配置成容纳该导电流体；第二流体存储部，构造为与该流体存储部分开并容纳该导电流体；以及流体通道，连接在该流体存储部和该第二流体存储部之间。一对触点在该流体通道内置于距该流体存储部预定范围内，且另一对触点在该流体通道内置于距该第二流体存储部预定范围内。在用于弹性变形该隔膜部的该致动器的激活状态下，该继电装置通过使用从该流体存储部提供的导电流体来提供该对触点之间的导电状态的形成，并保持该另一对触点之间的不导电状态。另一方面，在该致动器的休眠状态中，该继电装置通过使用从该第二流体存储部提供的导电流体来提供该另一对触点之间的导电状态的形成，并保持该对触点之间的不导电状态。

此外，通过如下所述的用于实施本发明的最佳模式，将更详细地理解本发明的特性和优点。

附图说明

图1A为根据本发明第一实施例的继电装置的俯视图，图1B为示出了该继电装置的流体存储部和流体通道的平面示意图，图1C为沿图1B中的线X-X切取的剖面图，以及图1D为沿图1B中的线Y-Y切取的剖面图；

图2A为示出了激活致动器时流体通道内导电流体的位置偏移的平面示意图，图2B为示出了沿图2A中的线X-X切取的剖面图，图2C为沿图2A中的线Y-Y切取的剖面图；

图3A为根据本发明第一实施例的变型的继电装置的俯视图，图3B为示出该继电装置的流体存储部和流体通道的平面示意图，图3C为沿图3B中的线X-X切取的剖面图，以及图3D为沿图3B中的线Y-Y切取的剖面图；

图4为继电装置的剖面图，该继电装置在致动器上具有凸部；

图5为继电装置的剖面图，该继电装置在隔膜部上具有止挡凸块；

图6为继电装置的剖面图，该继电装置在绝缘基板上具有止挡凸块；

图7为继电装置的剖面图，该继电装置在凹部具有台阶以用于容纳致动器；

图8A为形成于流体通道内触点之间的低润湿性能区域的示意图，图8B为在流体通道内形成于触点之间的小直径区域的示意图；

图9A为在流体通道内具有多对触点的继电装置的平面示意图，图9B为沿图9A中的线Y-Y切取的剖面图；

图10为继电装置的平面示意图，其具有形成为波浪形图案的流体通道；

图11A和11B分别为形成于触点周围的浅沟槽的示意图和剖面图；

图12A和12B分别为形成于触点周围的另一个浅沟槽的示意图和剖面图；

图13A为继电装置的剖面示意图，其具有形成于用于导电流体的注入部内的金属膜，图13B为用于导电流体的另一个注入部的剖面图；

图14A为根据本发明第二实施例的继电装置的俯视图，图14B为示出该继电装置的流体存储部的平面示意图，图14C为沿图14B中的线Z-Z切取的剖面图；

图15A为示出了激活致动器时流体存储部内导电流体的位置偏移的示意图，图15B为沿图15A中的线Z-Z切取的剖面图；

图16A为示出根据本发明第三实施例的继电装置的流体存储部和流体通道的平面示意图，图16B为沿图16A中的线X-X切取的剖面图；

图17A为示出了激活致动器时流体存储部内导电流体的位置偏移的平面示意图，图17B为沿图17A中的线X-X切取的剖面图；

图18A和18B为示出了根据第三实施例的变型的继电装置的操作的示意图；

图19A和19B为在操作继电装置时导电流体的移动的示意图；

图20A和20B为在操作另一个继电装置时导电流体的移动的示意图；

图21为示出了使用导电流体操作常规继电装置的示意图；以及

图22为示出了使用导电流体操作另一种常规继电装置的示意图。

具体实施方式

参考附图，详细地根据优选实施例解释本发明的继电装置。

(第一实施例)

如图1A至1D所示，本发明第一实施例的继电装置主要设有：叠层，该叠层通过绝缘基板1和半导体基板2之间的阳极键合而形成，以具有内部空间(流体腔)，该内部空间包括供导电流体5注入的流体存储部30和流体通道32；一对触点40、42，暴露于该流体通道；隔膜部20，形成于该半导体基板内并面对流体存储部30；以及致动器6，构造成弹性变形该隔膜部20。

用于该叠层的绝缘基板1没有限制，具有绝缘性能的基板是可用的。例如，绝缘基板1可以由玻璃材料或绝缘树脂材料制成。在本实施例中，玻璃基板用作该绝缘基板1。绝缘基板1具有多个通孔10，各个通孔构造成基本上圆锥形形状，以使得该圆锥形形状的顶端到达玻璃基板的顶面。导电材料(例如，焊料)的镀覆层形成于各个通孔10的内表面上。通孔10的圆锥形形状的顶端被该镀覆层封闭以提供相应触点40、42。在图示中，附图标记45表示形成于绝缘基板1底面上的端部。附图标记43表示用于电连接各个触点40、42和相应端部45之间的布线图案。在这一点上，假设各个触点面向该内部空间，且该导电流体5可通过，则形成触点40、42的位置不限于绝缘基板1。

对于用于该叠层的半导体基板2，例如可以使用Si单晶基板。在本实施例中，对半导体基板2的底面执行例如加工和蚀刻的半导体微加工，且随后将绝缘基板1的顶面接合到半导体基板2的底面，以获得具有流体存储部30和流体通道32的叠层来作为该内部空间。替代该半导体基板2，绝缘基板1的顶面可以被机械处理。或者，在将绝缘基板1接合到半导体基板2以获得叠层之前，绝缘基板和半导体基板两者均可被处理。

另一方面，用于容纳致动器6的凹部21形成于半导体基板2的顶面内。这种情况下，凹部的底部作为隔膜部20。流体通道32具有小于流体存储部30的内径且构造成基本为J形状，以使得流体通道32的一端连接到流体存储部30且另一端密封。该流体通道的形状不限于特定形状。如下所述，流体通道可选地可根据设置于流体通道内的触点对的数目来设计。为了简化解释，单对触点40、42设置于流体通道32内，且彼此分隔预定距离。此外，不同于空气的例如氮气或惰性气体的不导电流体可填充在该流体通道的空间内，其中该空间内不存在导电流体5。

流体存储部30在平面图中形成为基本上为菱形形状。对于注入到流体存储部30内的导体流体5，可以使用例如汞的导电流体，其在常温和常压下处于液态。如图1B所示，流体通道32连接到基本上为菱形形状的角落部分31。因此，由于流体存储部30和流体通道32之间的连接部形成为使得孔径面积朝流体通道逐渐减小，该导电流体可以平稳地从流体存储部30移动到流体通道32。此外，在致动器6处于激活状态下的导电流体5的移动距离可以容易地控制，且气泡难以残留在容纳导电流体5的流体存储部30内。在图示中，附图标记34表示用于将导电流体5注入到流体存储部30的注入孔。注入孔形成于该流体存储部的角落部分，且位于连接到流体通道32的角落部分的对立侧。在注入导电流体5之后，注入孔34由盖7封闭，且内部空间被密封。

隔膜部20为用于导电流体5注入的流体存储部30提供了顶面。优选该隔膜部20通过利用例如各向异性蚀刻的半导体微加工技术与Si基板一体形成。对于用于使隔膜部30弹性变形的致动器6，可以使用单晶片型压电致动器，该致动器是由形成于隔膜部20顶面上的金属膜60和形成于该金属膜上的压电膜62来形成。当需要更大的驱动力时，可以使用双晶片型压电致动器或多层型压电致动器。双晶片型压电致动器是由形成于隔膜部表面上的第一压电膜、形成于该第一压电膜上的金属膜以及形成于该金属膜上的第二压电膜来形成。多层型压电致动器是通过在隔膜部表面上交替层叠多个金属膜和多个压电膜来形成。通过施加预定电压，致动器6沿厚度方向发生弯曲以使隔膜部20弹性变形。

在上述继电装置中，导电流体5注入到流体存储部30的数量被确定，从而当致动器6处于休眠状态时导电流体5不存在于流体通道32内的触点40、42之间。接着，当致动器6被操作时，由致动器6的驱动力导致隔膜部20弹性变形，以减小流体存储部30的容积，如图2A至2C所示，以使得导电流体5沿图2A中箭头所示方向被推出而进入流体通道32。被推出而进入流体通道32的导电流体形成触点40、42之间的导电状态。随后，当致动器6停止操作时，流体存储部30的原始容积恢复，以使得被推出而进入流体通道32的导电流体5朝流体存储部30往回移动。结果，获得触点40、42之间的不导电状态。因此，本实施例的继电装置为常开型继电器，其中触点40、42之间的不导电状态得以维持，除非致动器6激活。或者，本实施例的继电装置可以设置为常闭型继电器。这种情况下，导电流体5注入到流体存储器30的数量被确定，从而当致动器6处于休眠状态时，导电流体5存在于流体通道32内的触点40、42之间。当致动器6被激活时，隔膜部20弹性变形，以使得流体通道32内的导电流体5被吸入流体存储部30。结果，通过导电流体5的移动可以获得触点之间的不导电状态。

为了有效地通过致动器6来引起隔膜部20的弹性变形，优选的是凸部22与该隔膜部一体形成，并基本上位于(配置成菱形形状的)隔膜部20的中心部分，如图3A至3D所示。在这种情况下，隔膜部20通过该凸部22连接到致动器6，以使得致动器6的驱动力可以通过凸部22有效地传递到隔膜部20。或者，如图4所示，致动器6可以通过形成于致动器6上的凸部64而连接到隔膜部20，以获得与上述相同的效果。在该继电装置中，致动器6的一端以悬臂方式接合到半导体基板2的顶面，且致动器的另一端凸部凸伸于凹部21的上方，如图3A所示。如果需要，致动器6的两端均可结合到半导体基板2以具有双支撑梁结构，其中致动器6横跨凹部21。此外，凸部22、64的形状不限于特定形状。从防止应力集中的角度，优选的是该凸部构造成柱状或锥形梯形形状。当该凸部构造成截棱锥形形状时，优选对边缘部分进行倒角。

为了防止过量地引起隔膜部20的弹性变形，还优选的是止挡凸块23形成于面向流体存储部30的隔膜部20的表面上，如图5所示。止挡凸块23的高度被确定，从而在隔膜部20过量变形时，该止挡凸块接触绝缘基板1。由此，可以防止发生隔膜部20的破裂。替代在隔膜部20上形成止挡凸块23，止挡凸块12可以形成于面向隔膜部20的绝缘基板1的表面上以获得与上述相同的效果，如图6所示。

此外，如图7所示，优选的是台阶部24形成于凹部21内，从而在过量引起隔膜部20的弹性变形时，致动器6接触该台阶部。可以控制由致动器5引起的隔膜部20的弹性变形量，并获得与止挡凸块23、12相同的效果。

顺便指出，在流体通道32内径比较小(例如，1mm或1mm以下)的小型继电装置的情况下，则会担心由于流体通道32内的导电流体5的移动距离的变化而无法获得稳定的继电操作。例如，在导电流体5被隔膜部20的弹性变形推出而进入流体通道32的状况下，当停止激活致动器6时，大部分导电流体6借助流体通道32内的空气压力朝流体存储部30往回移动。然而，一部分导电流体经常残留在流体通道32内。在这种情况下，当导电流体残留在触点40、42之间时，尽管致动器6处于休眠状态，但触点之间的不导电状态仍无法获得。

为了即使当流体通道32具有如此小内径时能获得稳定继电操作，优选的是采取措施以使得残留在流体通道32内的导电流体5难以稳定地停留在触点40、42之间。例如，如图8A所示，对导电流体具有低润湿性能的区域35可以形成于流体通道32的内表面上且位于触点40、42之间。在这种情况下，即使当导电流体残留在触点40、42之间，由于导电流体在具有低润湿性能的区域35具有低的接触电阻，因此导电流体能容易地朝具有更高润湿性能的另一个区域移动。因此，在致动器的休眠状态下，该导电流体难以停留在触点之间，且因此触点之间的不导电状态可以高可靠性地获得。在这点上，由于当激活致动器6时，触点之间的流体通道32的内部空间填充有导电流体5，则触点之间具有低润湿性能的区域35的存在不会干扰触点间导电状态的性能。为了形成具有低润湿性能的区域35，例如，可以对在半导体基板2内由流体通道32形成的沟槽进行喷丸处理或蚀刻处理。或者，可以形成碳氟化合物作为表面粗糙化处理。

此外，在流体通道32内的触点40、42之间可以形成对导电流体5的移动具有增大的阻力的区域。例如，如图8B所示，优选在流体通道32内的触点40、42之间形成具有内径局部变窄的区域36，或者改变触点之间该流体通道的截面形状(例如，具有圆形截面的流体通道32内可以局部地形成具有三角形截面的区域)。在这些情况下，可以容易地中断触点之间的导电流体5流。因此，即使在致动器休眠状态下当部分导电流体残留在触点之间时，当导电流体流容易被中断的位置故意形成于触点之间时，可以可靠地获得触点40、42之间的不导电状态。

对于通过流体通道32内导电流体5的移动而产生触点之间的开启和闭合的情况下，理想地说，在流体通道32内形成一对触点40、42是足够的。然而，实际上，由于例如致动器的驱动力、隔膜部的弹性变形量、叠层的内部空间的容积、以及注入到流体存储部内的导电流体的量的各种因素，流体通道32内导电流体5的移动距离会发生变化。因此，从实现改善继电装置的可靠性的角度来说，优选的是该继电装置具有应对这些变化发生的灵活性。

为了减小上述变化对继电装置操作可靠性的影响，优选在流体通道32内每隔预定距离就形成一对触点，且该多对触点中的一对触点用于形成导电状态。具体而言，如图9A和9B所示，一对第一触点40A、42A和一对第二触点40B、42B形成于流体通道32内。第一触点的一个40A和第二触点的一个40B通过绝缘基板1底面上的布线图案43电连接到相应端部45。类似地，第一触点的另一个42A和第二触点的另一个42B通过绝缘基板1底面上的布线图案43电连接到相应端部45。通过在流体通道32内形成多对触点，当在致动器6的激活状态下导电流体5的移动距离比较短时，第一对触点40A、42A用于在导电状态和不导电状态之间切换。另一方面，当在致动器6的激活状态下导电流体5的移动距离比较长时，第二对触点40B、42B用于在导电状态和不导电状态之间切换。因此，该继电装置具有应对导电流体5的位置偏移(移动距离)变化的灵活性。在这一点上，如果需要，无用触点和端部之间的电连接可以被切断。

如上所述，当在流体通道32内形成多对触点时，需要根据待形成的触点的数目来延长流体通道32的长度。然而，流体通道32长度的增大会导致继电装置整体尺寸的增大。因此，如图10所示，优选的是该流体通道32构造成波浪形形状。该流体通道32形成有基本上相互平行地延伸的直通道37和连接在相邻直通道37之间的弯曲通道38。各个触点可以设置于弯曲通道38附近。流体通道32的形状不限于波浪形形状。假设可以在特定面积内形成具有期望长度的流体通道，流体通道32的其他形状也是可用的。

顺便指出，具有小内径(例如，1mm或1mm以下)的流体通道32可以通过使用半导体微加工技术形成。然而，存在这样的情形，即形成于绝缘基板1上的触点必须具有特定尺寸以保证电连接的可靠性。例如，在流体通道32的内径小于触点尺寸的情况下，当具有触点40、42的绝缘基板1通过阳极键合接合到具有作为流体通道32的沟槽的半导体基板2以形成叠层时，则会担心由于半导体材料(Si)附着到触点表面而导致电连接可靠性的退化。因此，当形成这样的细微流体通道32时，优选的是在各个触点40、42外围形成与流体通道32连通的浅沟槽26，如图11A和11B所示。形成的浅沟槽26使得当绝缘基板1接合到半导体基板2时，触点40、42不直接接触半导体基板2。此外，确定浅沟槽26的深度，以使得在流体通道32内流动的导电流体5不会由于表面张力而泄漏到浅沟槽内。由此，即使当继电装置尺寸缩小时，仍可以保证电连接的可靠性。

此外，如图12A和12B所示，优选的是各个触点40、42形成于离开流体通道32的位置，且引导部47形成为在流体通道32和触点之间延伸。这种情况下，浅沟槽26形成为这种形状，即使得半导体基板2不直接接触触点40、42和引导部47。

如图13A所示，还优选在用于将导电流体5注入到流体存储部30的注入孔34的内表面形成对具有高润湿性能的导电流体5的金属膜28。当半导体基板由Si制成时，金属膜28的材料可使用铬或钛。由此，导电流体5变得难以从流体存储部30泄漏，直到注入孔34被盖7封闭。此外，如图13B所示，当注入孔34形成为具有宽开口时，注入导电流体5的操作变得容易。此外，在注入孔34被盖7封闭之后，导电流体5变得难以接触盖7。

(第二实施例)

本实施例的继电装置的特征在于，流体存储部在其俯视图中具有基本上圆形的形状，且一对触点设置于该流体存储部内而不形成流体通道。也就是说，该继电装置基本上与第一实施例的继电装置相同，除了下述特征之外。因此，将省略对相同部分的重复解释。

在本实施例的继电装置中，如图14A至14C所示，流体存储部30在其俯视图中具有基本上圆形的形状，且该对触点40、42形成于绝缘基板1上以暴露于流体存储部30。导电流体5注入到流体存储部30内，以在致动器6的休眠状态下导电流体5总是仅接触该触点中的一个40。当在这种状态下激活致动器时，圆形隔膜部30弹性变形，以使得导电流体在流体存储部内朝另一个触点42移动，如图15A和15B所示。由此，在流体存储部30内形成了触点40、42之间的导电状态。

本实施例中使用的致动器6为双晶片型压电致动器，其包括形成于隔膜部20表面上的第一压电膜65、形成于第一压电膜65上的金属膜67、以及形成于该金属膜上的第二压电膜68。此外，凸部22形成于该圆形隔膜部20的基本为中心处，且致动器6通过凸部22连接到隔膜部。凸部22的位置不限于隔膜部20的基本为中心处。或者，凸部22可以形成于这样的位置，即由于隔膜部20弹性变形，该导电流体可以有效地朝另一个触点移动。

(第三实施例)

根据第一实施例的基本概念，本实施例的继电装置的特征在于，通过操作致动器来同时控制构造为常开状态的一对触点和构造为常闭状态的一对触点。也就是说，该继电装置基本上与第一实施例的继电装置相同，除了下述特征之外。因此，将省略对相同部分的重复解释。

如图16A和16B所示，本实施例的继电装置具有：内部空间，其包括面向隔膜部20并构造成容纳导电流体5的流体存储部30；第二流体存储部90，形成为离开该流体存储部30以容纳导电流体5；以及流体通道32，连接在该流体存储部30和该第二流体存储部90之间。如同第一实施例，一对触点40、42设置于流体通道32内与流体存储部30间隔预定距离的位置。另一方面，另一对触点80、82设置于流体通道32内与第二流体存储部90间隔预定距离的位置。当致动器6未激活时，由从第二流体存储部90提供的导电流体5形成触点80、82之间的导电状态，且保持触点40、42之间的不导电状态，如图16A所示。

在这种情况下，当致动器6激活时，流体存储部30内的导电流体5由隔膜部20的弹性变形而推出进入流体通道32，由此形成触点40、42之间的导电状态，如图17A和17B所示。另一方面，在致动器6的休眠状态下用于形成触点80、82之间的导电状态的导电流体5通过流体通道32内的空气压力朝第二流体存储部90移动，由此形成触点80、82之间的不导电状态。

在这种情况下，当致动器6停止时，用于形成触点40、42之间的导电状态的导电流体5朝流体存储部30往回移动，由此重新获得触点40、42之间的不导电状态。另一方面，由于流体通道32的内部由于导电流体5移动到流体存储部30内而变为降低的大气压，导电流体5从第二流体存储部90吸入到流体通道32内，由此再次形成触点80、82之间的导电状态。因此，通过使用单个致动器6即可控制触点40、42之间和触点80、82之间的断开和闭合操作。在这点上，当为常开触点的触点40、42之一与为常闭触点的触点80、82之一短路时，其可以用作转换触点。

本实施例的变型如图18A和18B所示。通过允许流体通道具有分支通道，且通过操作单个致动器而同时控制四对触点的断开和闭合操作，该变型与本实施例不同。然而，操作机制基本上相同。

也就是说，该变型的流体通道32形成有：第一流体通道P1，在其一端连接到流体存储部30且在其另一端连接到分支部B1；一对第一平行通道P2，形成于分支部B1和合并部C1之间；第二流体通道P3，在其一端连接到第二流体存储部90且在其另一端连接到分支部B2；一对第二平行通道P4，形成于分支部B2和合并部C2之间；以及连接通道P5，在合并部C1，C2之间延伸。如同第一实施例，在各个该第一平行通道P2内设置有一对触点40、42和46、48。类似地，一对触点80、82和86、88设置于各个该第二平行通道P4内。如图18A所示，当不激活致动器6时，在第一平行通道P2内保持触点40、42之间和触点46、48之间的不导电状态，且通过从第二流体存储部90提供的导电流体5而在第二平行通道P4内形成触点80、82之间和触点86、88之间的导电状态。

在这种情况下，当激活致动器6时，导电流体5通过隔膜部20的弹性变形被推出流体存储部30进入流体通道32，使得在第一平行通道P2内形成触点40、42之间和触点46、48之间的导电状态，如图18B所示。另一方面，在致动器6的休眠状态下用于在第二平行通道P4内在触点80、82之间和触点86、88之间形成导电状态的导电流体5，通过连接通道P5内的空气压力而朝第二流体存储部90移动，以使得在第二平行通道P4内获得触点80、82之间和触点86、88之间的不导电状态。因此，通过使用单个致动器可以控制四对触点的断开和闭合操作。

在本实施例中，解释了通过使用单个致动器来控制两对触点或四对触点的断开和闭合操作的情形。然而，待控制的触点对的数目不限于此，可选地通过恰当地设计流体通道来确定。

在图1A和2A所示的第一实施例的继电装置中，解释了下述情形，其中在致动器6的休眠状态下导电流体5不接触两个触点40、42，且在致动器6的激活状态下导电流体5接触两个触点。或者，如图19A和19B所示，在致动器6的休眠状态下(图19A)，导电流体5总是接触这些触点中的一个40。当激活致动器时，导电流体5沿离开流体存储部30的方向在流体通道32内移动，以在触点40、42之间形成导电状态，如图19B所示。这种情况下，在致动器的激活状态下，导电流体5需要经过这些触点的仅仅一个。因此，与导电流体经过两个触点40、42的情形相比，触点和导电流体之间的润湿力(摩擦阻力)可以减小一半。结果，可以获得导电流体在流体通道内的平稳移动。该变型同样适用于图16A和17A所示第三实施例的继电装置，以及图18A和18B所示的继电装置。

此外，如图20A和20B所示，在致动器6的休眠状态下(图20A)，导电流体5可以总是接触流体通道32内的两个触点40、42。当激活致动器时，导电流体在流体通道32内朝流体存储部30移动，以形成触点之间的不导电状态，如图20B所示。这种情况下，可以获得与上述相同的优点。在图19A和20A中，附图标记“d”表示导电流体5的移动距离。

工业实用性

从上述实施例可以理解，与通过加热来移动导电流体以执行触点之间的切换操作的这种常规情形相比，本发明的使用导电流体的继电装置具有出色的灵敏性，因为该导电流体通过隔膜部的弹性变形而移动以执行触点之间的切换操作。此外，由于隔膜部形成于例如Si的半导体基板上，可以减小隔膜部弹性变形所需的致动器驱动力。另外，当导电流体具有低润湿性能的区域形成于与该导电流体接触的流体通道的内表面时，触点之间的断开和闭合操作可以通过流体通道内的导电流体的移动而可靠地获得。因此，本发明的继电装置预期特别用于需要高切换响应和尺寸缩小的应用。

Claims (23)

1.一种继电装置，包括：

叠层，其具有内部空间且通过将半导体基板接合到绝缘基板而形成；

至少两个触点，其暴露于所述内部空间；

隔膜部，其形成于所述半导体基板上以面向所述内部空间；

导电流体，其密封在所述内部空间内；以及

致动器，其构造成使所述隔膜部弹性变形，

其中由所述隔膜部的弹性变形引起的所述内部空间的容积改变导致所述内部空间内的所述导电流体的位置偏移，由此形成所述触点之间的导电状态和不导电状态。

2.如权利要求1所述的继电装置，其中所述半导体基板为Si基板，且所述隔膜部与所述Si基板一体形成。

3.如权利要求1所述的继电装置，其中所述半导体基板的相对两个表面之一接合到所述绝缘基板，另一个表面具有凹部，且其中所述隔膜部形成于所述凹部的底部且所述致动器容纳在所述凹部内。

4.如权利要求1所述的继电装置，其中所述隔膜部和所述致动器之一具有凸部，且所述隔膜部通过所述凸部连接到所述致动器。

5.如权利要求1所述的继电装置，其中所述绝缘基板具有在所述内部空间面向所述隔膜部的位置凸起的止挡凸块。

6.如权利要求1所述的继电装置，其中所述隔膜部具有朝所述内部空间凸起的止挡凸块。

7.如权利要求1所述的继电装置，其中所述致动器选自：

单晶片型压电致动器，其包括形成于所述隔膜部的表面上的金属膜以及形成于所述金属膜上的压电膜；

双晶片型压电致动器，其包括形成于所述隔膜部的表面上的第一压电膜、形成于所述第一压电膜上的金属膜以及形成于所述金属膜上的第二压电膜；以及

多层型压电致动器，其通过在隔膜部的表面上交替地堆叠多个金属膜和多个压电膜而形成。

8.如权利要求1所述的继电装置，其中所述叠层具有的所述内部空间包括所述隔膜部面对的流体存储部，以及一端连接到所述流体存储部且另一端封闭的流体通道，且其中所述至少两个触点置于所述流体通道内。

9.如权利要求8所述的继电装置，其中所述流体存储部构造为这种形状，即其孔径面积沿着朝所述流体通道的方向逐渐减小。

10.如权利要求9所述的继电装置，其中面向所述流体存储部的所述隔膜部构造为近似矩形形状，且所述流体通道在所述矩形形状的角落部分连接到所述流体存储部。

11.如权利要求8所述的继电装置，其中所述流体通道具有对于所述导电流体具有不同润湿性能的第一区域和第二区域，且所述第二区域形成于相邻触点之间，且与所述第一区域相比所述第二区域对所述导电流体的润湿性能更低。

12.如权利要求11所述的继电装置，其中所述第二区域比所述第一区域具有更大的表面粗糙度。

13.如权利要求8所述的继电装置，其中所述流体通道具有截面积不同或截面形状不同的第一区域和第二区域，且所述第二区域形成于相邻触点之间，且与所述第一区域相比所述第二区域对所述导电流体的移动的阻力更大。

14.如权利要求13所述的继电装置，其中所述第二区域的内径小于所述第一区域的内径。

15.如权利要求8所述的继电装置，其中所述半导体基板具有的所述流体通道形成为使得所述导电流体在导电状态下接触设置于所述绝缘基板上的所述触点的一部分；且所述半导体基板具有浅沟槽，其与所述流体通道连通并形成于所述触点的周围以防止所述触点接触所述半导体基板。

16.如权利要求8所述的继电装置，其中所述流体通道形成为波浪形，其包括相互平行延伸的直通道以及连接在相邻直通道之间的弯曲通道。

17.如权利要求16所述的继电装置，其中各所述触点均设置于所述弯曲通道附近。

18.如权利要求8所述的继电装置，其中所述叠层具有构造成将所述导电流体注入到所述流体存储部的注入通道，且所述注入通道的内表面具有金属膜，该金属膜对所述导电流体具有高的润湿性能。

19.如权利要求8所述的继电装置，其中在所述致动器的休眠状态下，所述至少两个触点中有且仅有一个总是接触所述导电流体，且在所述致动器的激活状态，所述导电流体移动到所述流体通道内以形成所述触点之间的导电状态。

20.如权利要求8所述的继电装置，其中在所述致动器的休眠状态时，所述触点之间的导电状态通过所述导电流体来保持，且在所述致动器的激活状态下，所述导电流体移动到所述流体通道内以将该导电流体与所述触点之一分离，由此形成所述触点之间的不导电状态。

21.如权利要求1所述的继电装置，其中所述叠层包括面向所述隔膜部的流体存储部，所述至少两个触点设置于所述流体存储部内，且其中由所述隔膜部的弹性变形引起所述流体存储部内所述导电流体的位置偏移，由此形成所述触点之间的导电状态和不导电状态。

22.如权利要求21所述的继电装置，其中所述隔膜部分构造为近似圆形形状。

23.如权利要求1所述的继电装置，其中所述叠层具有的所述内部空间包括：流体存储部，所述流体存储部面对所述隔膜部并构造成容纳所述导电流体；第二流体存储部，其构造为与所述流体存储部分开并容纳所述导电流体；以及流体通道，其连接在所述流体存储部和所述第二流体存储部之间；

所述至少两个触点包括在所述流体通道内置于距所述流体存储部预定范围内的一对触点，以及在所述流体通道内置于距所述第二流体存储部预定范围内的另一对触点；

其中在用于使所述隔膜部弹性变形的所述致动器的激活状态下，所述继电装置通过使用从所述流体存储部提供的导电流体来提供所述一对触点的导电状态的形成，并保持所述另一对触点之间的不导电状态，以及

其中在所述致动器的休眠状态中，所述继电装置通过使用从所述第二流体存储部提供的导电流体来提供所述另一对触点之间的导电状态的形成，并保持所述一对触点之间的不导电状态。

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