CN110033982A - 一种具有柔性结构的微型液态金属开关 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种具有柔性结构的微型液态金属开关，包括：基体、上储液池、下储液池、液态金属、液态金属通流道、气流道、顶面密封薄膜、底面密封薄膜、侧面密封薄膜和外接电极。本公开还提供一种具有柔性结构的微型液态金属开关的控制方法。本公开能够通过外部机械应力挤压高弹性基体促使液态金属运动连通电路，通过高弹性基体材料自动回弹以及液态金属表面张力收缩实现快速电路分断。本公开使用液态金属作为导电介质，无接触电阻，能够避免正常额定、短路或者雷电冲击电流下的电动斥力，同时还有助于解决现有固态金属触头开关由于弹跳、熔焊、烧蚀等带来的寿命问题。本公开结构简单、体积微小、开断性能好，可以应用于电路的功率开断场合。

Description

一种具有柔性结构的微型液态金属开关

技术领域

本公开涉及一种微型领域，具体涉及一种具有柔性结构的微型液态金属开关。

背景技术

近年来，随着国防及民用通讯、控制领域向大容量高功率的发展，系统电路对开关性能提出了更高的要求。一方面，系统容量的提升要求电路开关具有更大的开断能力，同时能够保证较高的使用寿命；另一方面，系统控制性能的提高依赖于开关装置快速的开断及关合。

对于传统的机械式微型开关，其开关功能的实现依赖于外部机械装置(通常为弹簧等部件)相对于固体触头的压缩与拉动。机械式开关的开断及关合时间取决于动触头的运动速度。固体触头的高速运动带来的机械磨损以及弹跳问题严重影响了开关的使用寿命。当系统容量提升时，电压等级的提高更容易在开断及闭合弹跳中带来严重的触头烧蚀和材料转移问题，极大降低了开关设备的寿命及稳定性。同时，机械触头的运动速度限制了开关的开断时间。固体触头的接触电阻较大，增加了线路损耗。除了触头损伤带来的接触电阻不稳定之外，闭合的动静触头在雷击或者较大短路电流的作用下会因大量微小接触点的存在产生很大的电动力斥开触头。

发明内容

针对机械式微型开关存在的上述问题，为了更好满足大容量通讯及控制领域的电路开关需求，本公开的目的在于提供一种具有柔性结构的微型液态金属开关，通过以流体金属代替固体触头，能够从根本上解决机械式微型开关中动静触头之间的接触电阻问题。

本公开的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有柔性结构的微型液态金属开关，包括：基体、上储液池、下储液池、液态金属、液态金属通流道、气流道、顶面密封薄膜、底面密封薄膜、侧面密封薄膜和外接电极；其中，

所述上储液池位于所述基体覆盖有所述顶面密封薄膜的一侧；

所述下储液池位于所述基体覆盖有所述底面密封薄膜的一侧；

所述基体的侧面覆盖有所述侧面密封薄膜；

所述液态金属分别储存于所述上储液池与所述下储液池内；

所述液态金属通流道的两端分别与所述上储液池和所述下储液池相通；

所述气流道位于所述液态金属通流道两侧并与所述液态金属通流道相通；

所述外接电极通过所述基体的侧面分别穿入所述上储液池和下储液池内。

优选的，所述基体由液态高分子混合溶液在金属模具中浇铸而成；所述液态金属通流道和所述气流道是由所述基体浇铸完成后通过二次加工获得的。

优选的，所述液态金属通流道为空心圆柱结构。

优选的，所述液态金属开关的通流能力通过改变所述液态金属通流道的直径进行控制。

优选的，所述液态金属开关开断起弧时的电弧电压通过改变所述液态金属通流道的长度进行控制。

优选的，所述顶面密封薄膜、底面密封薄膜及侧面密封薄膜采用弹性材料制成。

本公开还提供一种具有柔性结构的微型液态金属开关的控制方法，包括如下步骤：

S100：通过外力按压基体，基体产生形变导致上储液池和下储液池中所储存的液态金属向液态金属通流道内流动形成液桥，液态金属通过外接电极与外部直流电路连通，电路正常通流；

S200：外力消除，基体依靠自身弹性回弹至原状，液桥被拉伸变细并依靠自身表面张力的收缩被截断，电路断开。

优选的，在液态金属向液态金属通流道内流动形成液桥的过程中，液态金属通流道内的空气通过气流道排出致使侧面密封薄膜膨胀鼓起；在基体回弹过程中，侧面密封薄膜中的空气通过气流道回流至液态金属通流道内对液桥进行切割。

优选的，当所述液桥断裂时，断裂口两端的液态金属因承载系统电压产生电弧，促使外部直流电路的电流减小直至完全开断。

优选的，液态金属在自身表面张力及基体的拉伸作用下能够克服重力回流至上储液池和下储液池中。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、相对于使用贵重良导体金属和外加机械结构，利用液态金属降低接触电阻的措施，效果更好、成本更低；

2、基体采用柔性材料，可以通过材料自身弹性促进导电流体运动；

3、相对于固体金属触头的机械运动，液态金属具有更快的开断及关合速度。

附图说明

图1是本公开示出的一种具有柔性结构的微型液态金属开关结构示意图；

图2是图1所示液态金属开关在闭合状态下的剖面示意图；

图3是图1所示液态金属开关在电阻限流过程中的剖面示意图；

图4是图1所示液态金属开关在开断起弧过程中的剖面示意图；

图5是图1所示液态金属开关在开断完成状态下的剖面示意图。

附图中标记说明如下：

1、基体；2-1、上储液池；2-2、下储液池；3、液态金属；4、液态金属通流道；5、气流道；6-1、顶面密封薄膜；6-2、底面密封薄膜；7、侧面密封薄膜；8、外接电极。

具体实施方式

下面结合附图1至图5和实施例对本公开的技术方案进行详细描述，以下实施例仅是示例性的，并不作为对本公开的限定。

参见图1，一种具有柔性结构的微型液态金属开关，通过外部机械应力挤压高弹性基体促使液态金属运动连通电路，通过高弹性基体材料自动回弹以及液态金属表面张力收缩实现快速电路分断，包括：基体1、上储液池2-1、下储液池2-2、液态金属3、液态金属通流道4、气流道5、顶面密封薄膜6-1、底面密封薄膜6-2、侧面密封薄膜7和外接电极8；其中，

所述上储液池2-1位于所述基体1覆盖有所述顶面密封薄膜6-1的一侧；

所述下储液池2-2位于所述基体1覆盖有所述底面密封薄膜6-2的一侧；

所述基体1的侧面覆盖有所述侧面密封薄膜7；

所述液态金属3分别储存于所述上储液池2-1与所述下储液池2-2内；

所述液态金属通流道4的两端分别与所述上储液池2-1和所述下储液池2-2相通；

所述气流道5位于所述液态金属通流道4两侧并与所述液态金属通流道4相通；

所述外接电极8通过所述基体的侧面分别穿入所述上储液池2-1和下储液池2-2内。

上述实施例构成了本公开的完整技术方案。上述实施例中，通过外力按压使基体1、顶面密封薄膜6-1和底面密封薄膜6-2收缩，上储液池2-1和下储液池2-2中所储存的液态金属3向液态金属通流道4内流动形成液桥，从而完成电路连通，同时，侧面密封薄膜7因气体流入基体膨胀鼓起。当外力消除后，基体1、顶面密封薄膜6-1、底面密封薄膜6-2及侧面密封薄膜7依靠材料自身弹性同时自动回弹，液态金属通流道4中的液桥被拉伸、变细并在其自身表面张力的收缩作用下被截断，从而完成电路开断。与此同时，在侧面密封薄膜7回缩过程中，通过液态金属通流道4两侧的气流道5中的气体流通进一步促进液桥的截断与分离。

与传统的机械式微型开关相比，本公开采用液态金属微型开关，能够避免机械开关中的触头因接触电阻较大而导致线路损耗，也不存在触头烧蚀和材料转移的问题，能极大提高开关设备的寿命及稳定性；同时，相对于固体金属触头的机械运动，液态金属依靠表面张力收缩能够实现快速电路分断。

作为一种可实施的优选方案，所述基体1由液态高分子混合溶液在金属模具中浇铸而成；所述液态金属通流道4和气流道5是由所述基体1浇铸完成后通过二次加工获得的。

由该混合溶液浇铸而成的基体1具有良好的绝缘性能，适用于交直流开关等电力设备，同时具有无色透明、弹性高等特性，可承受正常开断接通过程中的按压与收缩操作。

作为一种可实施的优选方案，所述液态金属通流道4为空心圆柱结构。

作为一种可实施的优选方案，所述液态金属开关的通流能力通过改变所述液态金属通流道4的直径进行控制。

作为一种可实施的优选方案，所述液态金属开关开断起弧时的电弧电压通过改变所述液态金属通流道4的长度进行控制。

作为一种可实施的优选方案，所述顶面密封薄膜6-1、底面密封薄膜6-2及侧面密封薄膜7采用弹性材料制成。

所述顶面密封薄膜6-1、底面密封薄膜6-2及侧面密封薄膜7用于封装浇铸形成的储液池开口以及气流道，防止液态金属3泄露。其采用弹性材料支撑，通过密封胶与基体1紧密粘合，优选的，密封薄膜和基体均采用聚二甲基硅氧烷制成。

作为一种可实施的优选方案，所述外接电极8为固态导电金属。

为避免液态金属因长期与电极接触而发生化学反应，一般优选采用化学性质稳定的金属钨或钨合金作为制作电极的材料。

图2为液态金属开关在闭合状态下的剖面示意图。如图2所示，在施加于基体1覆盖有顶面密封薄膜6-1和底面密封薄膜6-2的两侧的外力挤压下，基体1发生形变，从而推动上储液池2-1和下储液池2-2中的液态金属3同时向液态金属通流道4内流动。在液态金属3流动的过程中，液态金属通流道4内的空气通过气流道5排出致使侧面密封薄膜7膨胀鼓起。当上储液池2-1和下储液池2-2中的液态金属3在液态金属通流道4内汇合后，液态金属3通过外接电极8连接至外部直流电路，此时，电路处于正常通流状态。

图3为液态金属开关在电阻限流过程中的剖面示意图。如图3所示，当电路出现故障或者需要正常断电操作时，开关设备执行分闸动作，该过程的第一阶段称为电阻限流：此时将通流状态下施加的外力撤除，处于形变状态下的顶面密封薄膜6-1、底面密封薄膜6-2、侧面密封薄膜7以及基体1依靠自身高弹性瞬间拉伸或收缩恢复原状。在此过程中，液态金属通流道4中的液态金属3随基体1弹性运动产生拉伸形变，从而导致液态金属3的通流电阻迅速增大，电路电流得到限制。

图4是液态金属开关在开断起弧过程中的剖面示意图。如图4所示，当电路出现故障或者需要正常断电操作时，开关设备执行分闸动作，该过程的第二阶段称为开断起弧：随着液态金属通流道4中液态金属3发生拉伸形变，侧面密封薄膜7中膨胀鼓起的空气受薄膜材料的弹性压缩通过气流道5开始进入基体1内部。当液态金属通流道4中液态金属3被拉伸到一定程度之后，液桥在气流道5两侧运动气流的切割以及液体本身表面张力的收缩作用下发生断裂。此时，断裂口两端液态金属3的截面承载系统电压，在此作用下产生电弧。电弧继续拉伸，使得电弧电压高于系统电压。在电弧电压作用下，系统电流迅速减小，直至完全断开。

图5是液态金属开关在开断完成状态下的剖面示意图。如图5所示，液态金属3在自身表面张力收缩以及气流作用下回流到上储液池2-1和下储液池2-2中，为下一次通流做准备。由于液态金属3与基体1材料之间的表面张力较大，上储液池2-1和下储液池2-2中的液态金属3可以克服重力作用避免在分闸状态下落入液态金属通流道4中。

尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。

Claims (10)

1.一种具有柔性结构的微型液态金属开关，包括：基体、上储液池、下储液池、液态金属、液态金属通流道、气流道、顶面密封薄膜、底面密封薄膜、侧面密封薄膜和外接电极；其中，

所述上储液池位于所述基体覆盖有所述顶面密封薄膜的一侧；

所述下储液池位于所述基体覆盖有所述底面密封薄膜的一侧；

所述基体的侧面覆盖有所述侧面密封薄膜；

所述液态金属分别储存于所述上储液池与所述下储液池内；

所述液态金属通流道的两端分别与所述上储液池和所述下储液池相通；

所述气流道位于所述液态金属通流道两侧并与所述液态金属通流道相通；

所述外接电极通过所述基体的侧面分别穿入所述上储液池和下储液池内。

2.根据权利要求1所述的开关，优选的，其特征在于，所述基体由液态高分子混合溶液在金属模具中浇铸而成；所述液态金属通流道和所述气流道是由所述基体浇铸完成后通过二次加工获得的。

3.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述液态金属通流道为空心圆柱结构。

4.根据权利要求3所述的开关，其特征在于，所述液态金属开关的通流能力通过改变所述液态金属通流道的直径进行控制。

5.根据权利要求1或4所述的开关，其特征在于，所述液态金属开关开断起弧时的电弧电压通过改变所述液态金属通流道的长度进行控制。

6.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述顶面密封薄膜、底面密封薄膜及侧面密封薄膜采用弹性材料制成。

7.一种如权利要求1所述的具有柔性结构的微型液态金属开关的控制方法，包括如下步骤：

S100：通过外力按压基体，基体产生形变导致上储液池和下储液池中所储存的液态金属向液态金属通流道内流动形成液桥，液态金属通过外接电极与外部直流电路连通，电路正常通流；

S200：外力消除，基体依靠自身弹性回弹至原状，液桥被拉伸变细并依靠自身表面张力的收缩被截断，电路断开。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在液态金属向液态金属通流道内流动形成液桥的过程中，液态金属通流道内的空气通过气流道排出致使侧面密封薄膜膨胀鼓起；在基体回弹过程中，侧面密封薄膜中的空气通过气流道回流至液态金属通流道内对液桥进行切割。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述液桥断裂时，断裂口两端的液态金属因承载系统电压产生电弧，促使外部直流电路的电流减小直至完全断开。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，液态金属在自身表面张力及基体的拉伸作用下能够克服重力回流至上储液池和下储液池中。