CN103971978B - 利用感应加热的热膨胀液体触点微开关 - Google Patents

Abstract

利用感应加热的热膨胀液体触点微开关，属于热驱动微开关和微继电器的领域。其包括微开关壳体（9）、感应线圈（4）、铁芯（8）、水银（3）、信号电极I（10）、信号电极II（7）、环氧树脂胶帽I（2）、环氧树脂胶帽II（5）、导线I（1）、导线II（6）。采用感应加热的方式，工作热能主要集中在微开关的内部，与传统的电阻热驱动开关相比，本发明具有响应速度快、可靠性高、能量损失少等优点。

Description

利用感应加热的热膨胀液体触点微开关

技术领域

本发明是一种热膨胀驱动的微开关，具体为通过微加工技术制作，利用电磁感应的原理加热导体，导电液体作为动触点，通过改变导电液体的温度控制导电液体的膨胀与收缩，进而控制微开关的通、断状态，属于热驱动微开关和微继电器的领域。微开关可应用于通讯设备、测量设备、自动化设备以及工业控制等多个方面。

背景技术

热驱动微开关是基于热膨胀效应的开关，其原理是利用物体的热胀冷缩使物体的长度发生变化，动触点随物体的长度变化而运动，从而实现对微开关的通断控制。加州大学的J.Simon等人在JournalofMicroelectromechanicalSystem（1997，6（3）：208—216）上发表了一篇“Aliquid-filledmicrorelaywithamovingmercurymicrodrop”的文章，该文章介绍了一种微继电器，继电器的两端分别是一个储液腔，两储液腔通过一个微流道连通,储液腔和微流道内充满绝缘液体。两个信号电极垂直于微通道，关于微通道对称分布，两电极的一端在微通道内，另一端在微通道外。在微通道内信号电极的附近放置一个水银滴，利用电阻丝加热微通道内的液体,液体气化产生的气泡将会推动水银滴移动,当水银滴移动到两信号电极断开处,水银滴与两信号电极接触，两信号电极连通，当水银滴离开信号电极所在的位置时，两信号电极断开，从而实现继电器的通断。JitendraPal等人，在2013年第八届的IEEE的工业电子与应用的会议（20138thIEEEConferenceonIndustrialElectronicsandApplications(ICIEA)）上发表了一篇“AnovelelectrothermallyactuatedRFMEMSswitchforwirelessapplications”的论文，该论文提出了一种多重V字形结构的弯曲梁，V字梁的两端固定，尖端自由。当在V字梁上施加电压时，就会有电流通过，在热膨胀的作用下，V字梁就会变长，而由于V字梁的下端固定，V字梁只能沿着尖顶方向运动，当触点接触时开关接通。

目前，热驱动微开关都是利用电阻加热的方法，存在着功耗大且响应慢等问题，并且上述的移动水银滴型微继电器中气体推动水银滴移动时，水银滴的位置难以控制，不能保证与信号电极的准确接触。

发明内容

本发明的目的在于克服电阻加热存在的效率低、响应时间长以及水银滴位置移动难以控制等问题。本发明提出了一种基于感应加热原理的热膨胀液体触点微开关。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

利用感应加热的热膨胀液体触点微开关，其包括微开关壳体9、感应线圈4、铁芯8、水银3、信号电极I10、信号电极II7、环氧树脂胶帽I2、环氧树脂胶帽II5、导线I1、导线II6。微开关壳体9为一段直径较大，另一段直径较小的变截面玻璃管，其中较大段的直径为较小段直径的2～8倍，微开关壳体9直径较大段的外侧缠绕有感应线圈4，在微开关壳体9的内部设置有铁芯8，铁芯8位于感应线圈4的中心，在微开关壳体9的较大段装满水银3，并浸没铁芯8。微开关壳体9的直径较大段的端部连接有环氧树脂胶帽II5，微开关壳体9的直径较小段的端部连接有环氧树脂胶帽I2，信号电极I10和信号电极II7的一端分别穿过环氧树脂胶帽I2和环氧树脂胶帽II5至微开关壳体9内部，另一端分别与导线I1、导线II6连接；信号电极II7与水银3接触，信号电极I10不与水银3接触；铁芯8和水银3在变化的磁场作用下会发热，水银3在自身的热量以及铁芯8传导的热量下受热膨胀就会与信号电极I10和信号电极II7都保持接触。

微开关壳体9选用内径φ0.5～5mm，长15～20mm的玻璃管制作；感应线圈4选用直径φ0.05～0.5mm的带漆包线的铜线缠绕而成；铁芯8选用φ0.4～4.8mm，长2～5mm的高磁导率的钢；信号电极I10和信号电极II7选用直径φ0.5～1mm铜丝，长5～10mm。

所述的微开关壳体9直径较大段的长度为6～7mm，玻璃管壁厚为0.1～0.2mm；

所述的感应线圈4缠绕在开关壳体9直径较大的那一段上，绕制20～50匝，缠绕层数不限于1层，并用胶水固定；

所述的铁芯8与感应线圈4同心且铁芯8先进入微开关壳体9的一端与微开关壳体9的直径较大和较小段之间的缩颈处接触；

所述的水银3通过使用注射器从开关壳体9的小端注入，水银柱长度约为9～10mm，使其浸没铁芯8；

所述的信号电极I10长度为10～20mm，接在微开关壳体9的直径较小端，伸进微开关壳体9内3～5mm，保证信号电极I10与微开关壳体9同心，用环氧树脂胶在微开关壳体9的直径较小段将信号电极I10的位置固定，形成环氧树脂胶帽I2；信号电极II7长度为10～20mm，接在微开关壳体9的直径较大端，伸进微开关壳体9内2～3mm，保证信号电极II7与微开关壳体9同心，用环氧树脂胶在微开关壳体9的直径较大端将信号电极II7的位置固定，形成环氧树脂胶帽II5；在露在微开关壳体外9的信号电极I10和信号电极II7的两端上分别接上导线I1和导线II6。

本发明的热膨胀液体触点微开关的工作原理表述如下：

已知液体的体膨胀系数公式为

β=ΔV/（V×ΔT）......................................................................（1）

其中，β为体膨胀系数，ΔV为体积的变化量，V为初始体积，ΔT为温度变化量

若将液体装在圆柱形的玻璃管内，则液体的体膨胀系数公式可变形为下式

$\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{\β\π}{r}_0^2{L}_0(t-t_0)}{{\mathrm{\πr}}^2}...\left(2\right)$

其中，β为体膨胀系数，ΔL为液体在玻璃管内变化的长度，L₀为液体在玻璃管内的初始长度，r为玻璃管的半径，t₀为初始温度，t为变化后的温度。

结合上式可知，微开关的壳体制作成附图3（b）的形状时，在相同的温度变化下可以有更大的膨胀位移，有利于微开关的快速动作。

当对感应线圈两端通入的交变电流时，在线圈的周围就会产生交变的磁场，从而会产生感应电动势。在铁芯的内部可以构成闭合回路，从而能够产生感应电流，即涡流。根据焦耳—楞次定理，电涡流产生的热量Q=I²Rt，感应加热的效率高达60%—70%，在短时间内即可产生大量的热。而水银具有较大的膨胀系数，当水银受热之后就会膨胀，水银作为开关的动触点，水银的一端与信号电极II导通，另一端在热膨胀时与信号电极I相导通，利用水银的膨胀来实现开关的接通与断开，并且水银又是良好的导电体，触点电阻小。

本发明提出的微开关具有如下优点：

1.采用感应加热的方式，工作热能主要集中在微开关的内部，与传统的电阻热驱动开关相比，本发明微开关响应速度快、可靠性高、能量损失少；

2.采用液体触点，与普通固态金属触点开关相比，减少了触点磨损以及触点粘合的发生；

3.盛放水银的壳体采用变截面结构，提高了微开关的响应速度。

附图说明

图1：本发明热膨胀液体触点微开关结构示意图

图2：本发明热膨胀液体触点微开关全剖视图

图3（a）：本发明制作过程示意图一

图3（b）：本发明制作过程示意图二

图3（c）：本发明制作过程示意图三

图3（d）：本发明制作过程示意图四

图3（e）：本发明制作过程示意图五

图3（f）：本发明制作过程示意图六

图4（a）：本发明微开关动作示意图一

图4（b）：本发明微开关动作示意图二

图4（c）：本发明微开关动作示意图三

图4（d）：本发明微开关动作示意图四

图中：1.导线I，2.环氧树脂胶帽I，3.水银，4.感应线圈，5.环氧树脂胶帽II，6.导线II，7.信号电极II，8.铁芯，9.微开关壳体，10.信号电极I。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明热膨胀液体触点微开关的结构如附图1～2所示，包括导线I1、环氧树脂胶帽I2、水银3、感应线圈4、环氧树脂胶帽II5、导线II6、信号电极II7、铁芯8、微开关壳体9、信号电极I10。

结合附图3详细说明热膨胀液体触点微开关的制作流程。

微开关的壳体9采用玻璃管制成。用夹具夹持玻璃管，将需要拉伸变细的部分在酒精喷灯（或电阻丝）上加热，加热到玻璃管变软时，用夹具夹住玻璃管被加热的一端缓慢拉伸，在拉伸的作用下，玻璃管会变细变长，达到合适的直径时，停止拉伸，使玻璃管自然冷却，然后用玻璃刀、切割机或锉截取所需的长度作为开关的壳体9。

选用直径φ0.08mm的带漆包线的铜丝，将其一圈一圈的紧密的缠绕在微开关壳体9直径较大的一段上，绕制20～50匝制成感应线圈4。为了防止感应线圈4散落和位置的变动，使用环氧树脂胶将其固定在微开关的壳体9上。

选用顺磁性金属通过车削或电铸的方法制作铁芯8，从微开关壳体9的大端先装入铁芯8，使先伸入微开关壳体9内的一端接触到壳体9的缩颈处。选用直径为0.5mm的铜导线做信号电极Ⅰ10和信号电极Ⅱ7，两信号电极长度均为10mm。在微开关壳体9的大端处插入信号电极II7，伸进微开关壳体9内2～3mm，保证信号电极II7与微开关壳体9同心，用环氧树脂胶在微开关壳体9的大端将信号电极II7的位置固定，形成环氧树脂胶帽II5；在微开关壳体9的小端，用注射器向壳体内注入9～10mm的水银3，并保证水银3要淹没铁芯8。在微开关壳体9的小端插入信号电极I10，伸进微开关壳体9内3～5mm，并保持信号电极I10与水银3不接触，起到开关断开的作用。该端的信号电极I10与水银3保持八十微米到二百微米的距离，并保证信号电极I10与微开关壳体9同心。确定好信号电极I10的位置之后，用环氧树脂胶在微开关壳体9的小端将信号电极I10的位置固定，形成环氧树脂胶帽I2。在露在微开关壳体9外面的信号电极I10和信号电极II7的两端分别接上导线I1和导线II6。

使用方法：

本发明的微开关的工作需要外界提供交变电流，交变电流的频率可以是5KHz～50KHz。微开关的工作过程如附图4所示，水银3与信号电极II7一直导通，当有交变电流通入感应线圈4时，在感应线圈4附近会产生交变的磁场，铁芯8在交变磁场的作用下会产生感应电动势，进而在铁芯8内产生涡流，发热，微开关内的水银3受热膨胀，水银3会向信号电极I10的一端伸长，当水银3与信号电极I10接触时，微开关的两电极接通；当停止输入交流电时，感应加热过程停止，水银3的温度下降，水银3将向信号电极II7的一端收缩，水银3与信号电极I10分离，微开关的两电极断开。

Claims (7)

1.利用感应加热的热膨胀液体触点微开关，其包括微开关壳体(9)、感应线圈(4)、铁芯(8)、水银(3)、信号电极I(10)、信号电极II(7)、环氧树脂胶帽I(2)、环氧树脂胶帽II(5)、导线I(1)、导线II(6)；所述的微开关壳体(9)为一段直径较大，另一段直径较小的变截面玻璃管，其中较大段的直径为较小段直径的2～8倍，微开关壳体(9)直径较大段的外侧缠绕有感应线圈(4)，在微开关壳体(9)的内部设置有铁芯(8)，铁芯(8)位于感应线圈(4)的中心；所述的微开关壳体(9)的较大段装满水银(3)，并浸没铁芯(8)；微开关壳体(9)的直径较大段的端部连接有环氧树脂胶帽II(5)，微开关壳体(9)的直径较小段的端部连接有环氧树脂胶帽I(2)，信号电极I(10)和信号电极II(7)的一端分别穿过环氧树脂胶帽I(2)和环氧树脂胶帽II(5)至微开关壳体(9)内部，另一端分别与导线I(1)、导线II(6)连接；所述的信号电极II(7)与水银(3)接触，信号电极I(10)不与水银(3)接触；铁芯(8)和水银(3)在变化的磁场作用下会发热，水银(3)在自身的热量以及铁芯(8)传导的热量下受热膨胀就会与信号电极I(10)和信号电极II(7)都保持接触。

2.根据权利要求1所述的利用感应加热的热膨胀液体触点微开关，其特征在于：微开关壳体(9)选用内径φ0.5～5mm，长15～20mm的玻璃管制作；感应线圈(4)选用直径φ0.05～0.5mm的带漆包线的铜线缠绕而成；铁芯(8)选用φ0.4～4.8mm，长2～5mm的高磁导率的钢；信号电极I(10)和信号电极II(7)选用直径φ0.5～1mm铜丝，长5～10mm。

3.根据权利要求1所述的利用感应加热的热膨胀液体触点微开关，其特征在于：所述的微开关壳体(9)直径较大段的长度为6～7mm，玻璃管壁厚为0.1～0.2mm。

4.根据权利要求1所述的利用感应加热的热膨胀液体触点微开关，其特征在于：所述的感应线圈(4)缠绕在微开关壳体(9)直径较大的那一段上，绕制20～50匝，缠绕层数不限于1层，并用胶水固定。

5.根据权利要求1所述的利用感应加热的热膨胀液体触点微开关，其特征在于：所述的铁芯(8)与感应线圈(4)同心且铁芯(8)先进入微开关壳体(9)的一端与微开关壳体(9)的直径较大和较小段之间的缩颈处接触。

6.根据权利要求1所述的利用感应加热的热膨胀液体触点微开关，其特征在于：所述的水银(3)通过使用注射器从开关壳体(9)的直径较小端注入，水银柱长度为9～10mm，使其浸没铁芯(8)。

7.根据权利要求1所述的利用感应加热的热膨胀液体触点微开关，其特征在于：所述的信号电极I(10)长度为10～20mm，接在微开关壳体(9)的直径较小端，伸进微开关壳体(9)内3～5mm，保证信号电极I(10)与微开关壳体(9)同心，用环氧树脂胶在微开关壳体(9)的直径较小端将信号电极I(10)的位置固定，形成环氧树脂胶帽I(2)；信号电极II(7)长度为10～20mm，接在微开关壳体(9)的直径较大端，伸进微开关壳体(9)内2～3mm，保证信号电极II(7)与微开关壳体(9)同心，用环氧树脂胶在微开关壳体(9)的直径较大端将信号电极II(7)的位置固定，形成环氧树脂胶帽II(5)；在露在微开关壳体(9)外的信号电极I(10)和信号电极II(7)的两端上分别接上导线I(1)和导线II(6)。