CN1578997A - 微动继电器 - Google Patents

Abstract

一种微动继电器，包括机身(1)，电枢组件(3)和盖(4)。机身(1)具有电磁机构(2)并由硅或玻璃制成。盖也由硅或玻璃制成。由硅制成的电枢组件(3)一体地形成有电枢基座(30)和框架(31)，框架(31)环绕电枢基座(30)的整个周边，并旋转支撑电枢基座(30)。电枢基座(30)在其下表面上设置有磁性元件(32)以构成电枢(300)。当电枢(300)转动时，固定触点(14A、14B、15A、15B)接触活动触点(33B)或与其分开。当框架(31)沿其整个周边直接粘结到机身(1)的周边(19)和盖(4)的周边(41)时，在机身(1)和盖(4)之间形成由框架(31)环绕的密封空间。电枢(300)、固定触点(14，15)和活动触点(33B)容纳在该密封空间内。

Description

微动继电器

技术领域

本发明涉及一种利用半导体显微机械加工技术制造的微动继电器，更特别地涉及一种具有在密封空间中工作的接触机构的密封微动继电器。

背景技术

普通的微动继电器包括电磁机构，电枢，和具有固定触点和活动触点的接触机构，这些触点通过电枢的绕枢轴转动(pivot motion)而选择性地闭合和断开。优选地，微动继电器的接触机构置于密封空间中，以防止灰尘或污物沉积在活动触点上，或者用以改善触点的切换性能。为此，在普通的微动继电器中，在将电枢和接触机构放置于由机身和盖形成的空间中之后，用密封剂将机身和盖密封。

但是，由于微动继电器变得小型化，因此用密封剂密封微动继电器变得更加困难。此外，利用密封剂浪费钱，且密封过程浪费时间。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种小型且容易制造的密封微动继电器。

根据本发明的微动继电器包括机身，盖，电枢组件和接触机构。机身由硅或玻璃制成，具有电磁机构。盖也由硅或玻璃制成。电枢组件由硅制成。电枢组件包括电枢基座和框架。框架环绕电枢基座的整个外围部分，并旋转支撑电枢基座。电枢基座与电枢基座表面上的磁性材料合作以确定电枢。接触机构具有固定触点和活动触点，它们通过电枢的绕枢轴转动而选择性地闭合和断开。该框架在其整个外围部分直接粘结到机身的周边和盖的周边，从而确定通过框架环绕并且在机身和盖之间封闭的密封空间，所述空间用于容纳电枢和接触机构。

因此，由于微动继电器的机身和盖直接粘结到框架，因此为了将电枢和接触机构置于密封空间中，不需要在机身和盖之间用密封剂来密封。并且，由于机身和框架之间的粘合，以及盖和框架之间的粘合分别是硅与玻璃的粘合或者硅与硅的粘合，因此通过利用公知的粘合方法可以很容易地粘合机身、框架和盖。另外，对于硅与玻璃的加工，通过利用半导体显微机械加工技术可以很容易地使微动继电器小型化。

优选地，电磁机构具有一磁轭，该磁轭形成在激励下产生的磁场的磁路，机身具有从其上表面延伸到其下表面的开口，上表面一侧的开口的一端通过薄膜封闭，从而在机身下表面形成用于容纳磁轭的凹进部分。薄膜由硅或玻璃制成，并且紧密粘结到机身，用以将密封空间和凹进部分隔离。

在这种情况下，仅仅通过薄膜将密封空间与凹进部分隔开从而使凹进部分中的磁轭与密封空间中的电枢之间的磁隙最小，由此可以增大电磁机构的吸引力，同时保持密封空间的气密性。另外，可以通过调整薄膜的厚度来调整吸引力。

优选地，机身具有从其上表面延伸到其下表面的通孔，电通路以及用于封闭通孔的开口的封闭装置，所述电通路在通孔中形成，用于将负载微动继电器的印刷电路板上的电路与密封空间中的接触机构进行电连接。

在这种情况下，可以通过电通路容易地进行接触机构与印刷电路板上电路之间的电连接。密封空间的气密性通过封闭装置来保持。

封闭装置可以是横跨下表面一侧通孔的开口的突起。在这种情况下，微动继电器可以通过倒装片接合(flip-chip bonding)安装在印刷电路板上，同时保持通孔封闭。

优选地，电枢基座的壁厚小于框架的壁厚，电枢基座由框架支撑，使电枢的下表面相对于框架的下表面凹进，由此形成用于容纳电枢绕枢轴转动的空间。

在这种情况下，仅仅通过将机身与框架彼此粘合而在电枢下表面和机身之间获得用于容纳电枢绕枢轴转动的空间。

优选地，通过具有弹性变形性的弹性部件将电枢基座支撑到框架上，弹性部件的一端与电枢基座整体连接，弹性部件的另一端与框架整体连接，弹性部件具有在一端与另一端之间的弯曲部分，该弯曲部分在与框架共有的平面内弯曲。

在这种情况下，弹性部件可以在框架中的有限空间内变得尽可能长，因此，当电枢基座在绕枢轴转动时可以适当降低由弹性部件的扭矩产生的弹簧弹力的弹簧常数。另外，施加到弹性部件的应力可以被分散。

优选地，弯曲部分包括至少一个U形结构。在这种情况下，弹性部件可以有效地被拉长。

优选地，电枢基座和机身之一在其与电枢基座和机身中另一个相对的表面上形成有突起，电枢基座支撑在突起的顶点上，从而产生环绕该顶点的绕枢轴转动。在这种情况下，因为电枢基座也通过突起而由机身支撑，因此可以稳定地旋转。另外，由于突起配置在电枢和机身之间，因此可以防止电磁机构的过度吸引力使整个电枢吸引到机身，以及由此使电枢不能产生绕枢轴转动的情况。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的微动继电器的分解透视图。

图2是从底部观看的微动继电器的透视图。

图3是微动继电器机身的分解透视图。

图4和图5分别是显示薄板和磁轭的接合的示意图。

图6是从底部观看的微动继电器的电枢组件的分解透视图。

图7是微动继电器的电枢组件的顶视图。

图8是带有打开的盖的微动继电器的分解透视图。

图9是微动继电器的剖面图。

图10是微动继电器的电磁机构的另一结构。

图11是微动继电器的突起的另一结构。

图12是微动继电器的弯曲部件的其他结构。

图13是根据本发明第二实施例的微动继电器的分解透视图。

图14是从底部观看的微动继电器的透视图。

图15是微动继电器的机身的另一结构。

图16是根据本发明第三实施例的微动继电器的分解透视图。

图17是从底部观看的微动继电器的分解透视图。

图18是微动继电器的剖面图。

具体实施方式

在下文，参考附图更详细地描述本发明。

图1示出根据本发明第一实施例的微动继电器。该微动继电器包括机身1，电磁机构2，电枢组件3和盖4。

机身1是呈矩形的玻璃基底。机身1在其四个角附近设有通孔10A到10D，每个通孔从机身1的上表面延伸到机身1的下表面。在通孔10A到10D中每一个的内表面上，形成电通路11A到11D，该电通路用于在负载微动继电器的印刷电路板上的电路(未示出)与固定触点(在后面描述)之间进行电连接。电通路11A到11D中的每一个由例如铬，钛，铂，钴，镍，金，金钴热电偶合金或它们的一种合金制成，并且通过例如电镀，沉积或溅射形成。在每个通孔每一端的开口边缘，形成与邻近的电通路相连的平台12。如图2所示，机身1下侧的每个平台12上设置一个突起13。为了封闭每个通孔下侧的开口，通过例如热将每个突起13紧密地粘结到平台12上。

在机身1的上表面上，形成两对固定触点14A-14B，15A-15B。两对固定触点中的每一个(至少是固定触点的表面)由例如铬，钛，铂，钴，镍，金，金钴热电偶合金或它们的一种合金制成。固定触点14A，14B置于两个通孔10A，10B之间，且彼此分开。一个固定触点14A电连接于通孔10A的平台12上，另一个固定触点14B电连接于通孔10B的平台12上。以同样的方式，固定触点15A，15B置于两个通孔10C，10D之间，且彼此分开，并且一个固定触点15A电连接于通孔10C的平台12上，另一个固定触点15B电连接于通孔10D的平台12上。

如图3所示，十字形开口16设置在机身1的中部，从机身1的上表面延伸到机身的下表面。薄膜17紧密地粘结到机身1上表面以封闭开口16，由此在机身1的下侧形成用于容纳电磁机构2的凹进部分18，如图2所示。薄膜17由硅或玻璃制成，并通过蚀刻，研磨等进行处理，使其厚度在5μm到50μm的范围内(优选约为20μm)。

电磁机构2包括磁轭20，永久磁铁21，线圈22A，22B和板23。磁轭20由铁板制成，如软磁性铁片，其形状为具有从矩形中心部件20A的两端直立的两个矩形腿部件(leg piece)20B，20C。磁轭20通过例如弯曲工艺或锻造工艺形成。永久磁铁21呈盒形，其相对的面21A，21B(21B未示出)磁化为彼此具有不同的磁极。永久磁铁21连接到磁轭20，使一个磁极面21B与磁轭20的中心部件20A的中部接触，另一个磁极面21A与腿部件20B和20C的顶部具有相同高度。线圈22A，22B直接在腿部件20B和永久磁铁21之间以及腿部件20C和永久磁铁21之间环绕中心部件20A。板23呈矩形，沿垂直于中心部件20A的方向粘结到磁轭20的中心部件20A的下侧。如图2所示，板23在其下侧具有导电材料23A，线圈22A，22B的终端分别电连接于板23上。每个导电材料23A都有一个突起24，该突起用于在负载微动继电器的印刷电路板上的电路(未示出)与线圈之间进行电连接。

电磁机构2置于凹进部分18中，其腿部件20B，20C向上翻。如图4或5所示，由凹进部分或突起组成的定位部件17A在薄膜17下侧形成，电磁机构2置于凹进部分18中，同时腿部件和磁极面21A中每一个的顶部装配到定位部件17A中。因此，电磁机构2高度精确地置于凹进部分18中。

电枢组件3通过蚀刻由硅基底构成，该基底的厚度在50μm到300μm的范围内(优选约为200μm)。电枢组件3由电枢基座30和框架31组成。框架31环绕电枢基座30的整个外围，并旋转(pivotally)支撑电枢基座30。如图6所示，矩形磁性材料32粘结到电枢基座30的下表面。电枢基座30和磁性材料32确定电枢300。

如图6和7所示，电枢基座30包括一个矩形磁性材料支座30A和多个活动触点支座30B，磁性材料支座在其下侧保持磁性材料32，活动触点支座分别在其下侧保持活动触点33A，33B。活动触点支座30B置于磁性材料支座30A纵向的两侧，并通过具有弹性变形性的铰链部件34保持在磁性材料支座30A上。

磁性材料支座30A宽度方向的两侧由具有弹性变形性的弹性部件35保持在框架31上。弹性部件35关于作为对称线的电枢基座30绕枢轴转动的X轴对称地位于四个位置。每个弹性部件35的一端整体连接于磁性材料支座30A，另一端整体连接于框架31。每个弹性部件35都有一个在一端和另一端之间的弯曲部分35A，该弯曲部分在与框架共有的平面内弯曲。弯曲部分35A包括许多U形结构。

磁性材料支座30A在宽度方向的两侧的中心有伸出部件36。每个伸出部件36在其与框架31相对的表面上具有凸面部分36A。框架31具有伸出部件37，每个伸出部件37在框架31的内表面上与每个凸面部分36A相对的位置具有凹面部分37A。凸面部分36A在与框架31共有的平面内啮合到凹面部分37A中，并确定活动限制部分301，这一部分限制电枢基座30的水平运动。每个伸出部件36还可以在其下侧具有突起36B，该突起用作电枢基座30绕枢轴转动的支点。

此外，磁性材料支座30A在其四个角具有第二伸出部件38。每个第二伸出部件38在其下表面具有第二突起38A，该突起用作电枢基座30绕枢轴转动的止动器。

磁性材料32由磁性材料，如软磁铁、磁性不锈钢和坡莫合金制成，并通过机械加工进行处理。磁性材料32通过例如粘合，焊接，热粘合，或铜焊而粘结到磁性材料支座30A。

电枢基座30的壁厚小于框架31的壁厚，电枢基座固定到框架31的上部，从而使电枢300的下侧(即，磁性材料32的下侧和活动触点33A，33B的下侧)相对于框架31的下侧凹进。因此，当框架31粘结到机身1时，在电枢300下侧和机身1之间形成用于容纳电枢300绕枢轴转动的空间，如后面所描述的。

盖4由例如派热克斯玻璃(Pyrex)(R)的耐热玻璃制成，并呈矩形。盖4在其下侧有一凹进部分40，用于容纳电枢300绕枢轴的转动，如图8所示。

利用例如阳极粘合将上述形成的电枢组件3的框架31在其整个外围部分直接粘结到机身1的周边19和盖4的周边41。因此，形成通过框架环绕且在机身和盖之间封闭的密封空间，电枢300和活动触点33A，33B以及固定触点14A，14B，15A，15B置于密封空间中。活动触点33A，33B和固定触点14A，14B，15A，15B构成接触机构302，在接触机构中通过电枢300绕枢轴转动来选择性地断开和闭合活动触点和固定触点。电枢组件3的突起36B的顶点接触薄膜17。

下面描述微动继电器的工作。当线圈22A，22B沿一个方向激励时，磁性材料32吸引一个腿部件20B，由此电枢300产生环绕突起36B的顶点的绕枢轴转动。当在第二伸出部件38下侧作为止动器而提供的第二突起38A接触机身1上表面时，停止电枢300的绕枢轴转动。此时，在活动触点支座30B下侧的活动触点33A与对置的一对固定触点14A，14B接触，并接近固定触点14A，14B之间。活动触点33A通过铰链部件34的弹性力获得合适的接触压力。如果停止激励线圈22A，22B，那么借助于流过闭合磁路的磁通量使电枢300保持同样的状态；永久磁铁21→磁性材料32→腿部件20B→永久磁铁21。

另一方面，当沿相反方向激励线圈22A，22B时，磁性材料32吸引另一个腿部件20C，借助于除磁性吸引力以外的磁性部件35的回复力，电枢300产生环绕突起36B的顶点的绕枢轴反向转动。此时，在活动触点支座30B下侧的活动触点33B与对置的一对固定触点15A，15B接触，并接近固定触点15A，15B之间。活动触点33B通过铰链部件34的弹性力获得合适的接触压力。如果停止激励线圈22A，22B，那么借助于流过闭合磁路的磁通量使电枢300保持同样的状态：永久磁铁21→磁性材料32→腿部件20C→永久磁铁21。也就是说，该实施例的微动继电器配置为具有常开触点和常闭触点的自锁继电器。

如上所述，通过以下步骤可以很容易地制造本发明的微动继电器，即将电枢组件3置于机身1和盖4之间，然后直接将机身1粘结到框架31的一侧，直接将盖4粘结到框架31的另一侧。优选通过在一个晶片上制成许多机身1，在另一个晶片上制成许多电枢组件3，并将这两个晶片组合来一次制造许多微动继电器。通过半导体显微机械加工技术可以很容易地使机身1，电枢组件3和盖4小型化。为了在印刷电路板(未示出)上安装微动继电器，机身1下侧的突起13，24通过倒装片接合(flip-chip bonding)而粘结到印刷电路板上。

此外，突起36B防止整个电枢300被吸引到机身1上，由此可以适当减小弹性部件35的弹簧常数。此外，提供突起36B能够使电枢300产生稳定地绕枢轴转动。

此外，提供第二突起38A作为止动器防止磁性材料32和薄膜17彼此碰撞和损坏。另外，可以通过调整第二突起38A和机身1之间的距离来调整活动触点33A，33B的过调量(over travel amount)。

此外，如果在机身1中形成用于容纳电枢300绕枢轴转动的凹进部分，类似于在盖4中形成凹进部分40，那么不得不增大机身的尺寸，这是因为凹进部分18也在机身1中形成。但是，在本发明的微动继电器中，由于不一定在机身1中提供凹进部分，因此可以使微动继电器小型化。

此外，虽然在该实施例中电磁机构2是具有永久磁铁21极化电磁机构，但是也可以使用没有永久磁铁的非极性电磁机构，如图10所示。

此外，虽然在该实施例中在电枢基座30下侧(伸出部件36)配有突起36B，但是如图11所示，也可以在薄膜17上表面上为电枢基座30配置突起17B来代替突起36B，从而产生环绕突起17B顶点的绕枢轴转动。

此外，虽然在该实施例中机身和盖由玻璃制成，但是机身和盖也可以由硅制成。

此外，弯曲部分35A可以是图12(a)至12(d)中所示的形状。弯曲部分35A的宽度和形状根据弹性部件35所需的弹簧常数来确定。如果弹性部件35的长度很长，那么可以使施加到弹性部件35上的应力分散。

图13示出根据本发明第二实施例的微动继电器。微动继电器具有在机身表面上形成的线圈，第一和第二实施例之间的类似部件由相同的附图标记来表示，这里不再重复说明。

线圈22A，22B中的每一个都呈螺旋形，它们通过构图工艺在机身1的表面上形成。线圈22A的一端和线圈22B的一端彼此连接，线圈22A的另一端与通孔10D的平台12连接，线圈22B的另一端与通孔10C的平台12连接。通过重复利用光刻法形成铝薄膜的过程，以及利用TEOS的CVD方法在铝薄膜上形成绝缘体膜(氧化硅薄膜)的过程来形成线圈22A，22B，从而使这些线圈具有层状结构。

如图14所示，通过鼓风过程在机身1下侧形成用于容纳磁轭20和永久磁铁21凹进部分18。

电枢基座30由硅制成，且呈矩形。磁性材料32通过例如电镀，沉积或溅射在电枢基座30上表面上形成。电枢基座30和磁性材料32确定电枢300。在电枢基座30下侧，矩形活动触点33A在纵向的一端固定。电枢基座30宽度方向的两侧的每个中心通过弹性部件35固定到框架31上。电枢基座30和弹性部件35中每一个的壁厚都小于框架31的壁厚，电枢基座30固定到框架31的下侧，使电枢300的下侧相对于框架31的下侧凹进。电枢300产生环绕弹性部件35的绕枢轴转动。

如同在第一实施例的情况，电枢组件3的框架31在其整个外围部分直接粘结到机身1的周边19和盖4的周边41，由此构成具有一个触点的密封微动继电器。

如上所述，直接使线圈22A，22B位于机身1表面上能够使微动继电器更加小型化。

虽然通孔10A至10D通过突起13封闭，但是如果存在这种可能，即通过倒装片接合方法熔化而在平台12和突起13之间产生间隙，那么可以借助于作为封闭装置的帽5将通孔10A至10D中每一个上部的开口封闭，如图15所示。优选地，当形成电枢组件3时，帽5与硅基底隔离开。

图16示出根据本发明第三实施例的微动继电器。虽然类似于第二实施例在机身的表面上形成线圈能够使微动继电器小型化，但是这种线圈与类似于第一实施例的缠绕线圈相比具有较低的吸引力。在该实施例中，为了增大线圈而不会产生与固定触点的干扰，在盖上形成固定触点。在第一或第二实施例与第三实施例之间的类似部件由相同的附图标记表示，这里不再重复说明。

线圈22A，22B和电极极板6A，6B在机身1上表面上形成。电极极板6A，6B位于线圈22B宽度方向的两侧上。线圈22A的一端和线圈22B的一端彼此连接，线圈22A的另一端与电极极板6A连接，线圈22B的另一端与电极极板6B连接。

如图17所示，在电枢基座30的上表面上，矩形活动触点33A在电枢基座30的纵向一端固定，并且在电枢基座30的下侧形成磁性材料32。电枢基座30和弹性部件35中每一个的壁厚都小于框架31的壁厚，电枢基座30固定在框架31高度方向的中部，使电枢300的下侧相对于框架31的下侧凹进，以及电枢300的上表面相对于框架31的上表面凹进。

通孔10A到10D的每一个从盖4的上表面延伸到盖4的下侧，它们在盖4的四个角附近形成。在通孔10A到10D中每一个的内表面上，形成电通路11A-11D，类似于第一和第二实施例。在每个通孔每一端开口的周边形成平台12。为了封闭通孔10A到10D中每一个的上部开口，将突起13紧密粘结到盖1上侧的每个平台12上。

在盖4的下侧，在两个通孔10C，10D之间形成一对固定触点14A，14B。一个固定触点14A与通孔10C的平台12连接，另一个固定触点14B与通孔10D的平台12连接。另外，在盖4的下侧形成电极极板7A，7B。一个电极极板7A置于通孔10A，10C之间并靠近通孔10A，与通孔10A的平台12连接。另一个电极极板7B置于通孔10B，10D之间并靠近通孔10B，与通孔10B的平台12连接。在电极极板7A，7B中每一个的表面上，设置由铜制成的金属突起8。

电枢组件3的框架31在其整个外围部分直接粘结到机身1的边缘19和盖4的边缘41，类似于第一和第二实施例。每个金属突起8的顶端接触机身1上配置的电极极板6A，6B中的每一个，同时穿过电枢300和框架31之间。这能够使线圈22A，22B通过金属突起8从通孔10A，10B被激励。由于线圈22A，22B和固定触点14A，14B在分开的基底上形成，因此可以很容易地扩大线圈22A，22B以便增大吸引力。为了在印刷电路板(未示出)上安装微动继电器，盖4向下旋转，然后通过倒装片接合将突起13粘结到印刷电路板。

Claims (8)

1.一种微动继电器，包括：

具有电磁机构的机身，所述机身由硅或玻璃制成；

盖，由硅或玻璃制成；

电枢组件，由硅制成，所述电枢组件包括电枢基座和框架，所述框架环绕所述电枢基座的整个外围部分，并旋转支撑所述电枢基座，所述电枢基座与所述电枢基座表面上的磁性材料合作以确定电枢；

接触机构，具有固定触点和活动触点，它们通过所述电枢的绕枢轴转动而选择性地闭合和断开；

其中所述框架在其整个外围部分直接粘结到所述机身的周边和所述盖的周边，从而确定通过所述框架环绕并且在所述机身和所述盖之间封闭的密封空间，所述空间用于容纳所述电枢和所述接触机构。

2.如权利要求1所述的微动继电器，其中

所述电磁机构具有一磁轭，该磁轭形成在激励下产生的磁场的磁路，

所述机身具有从机身上表面延伸到机身下表面的开口，上表面一侧的所述开口的一端通过薄膜封闭，从而在机身下表面形成用于容纳所述磁轭的凹进部分，所述薄膜由硅或玻璃制成并且紧密粘结到机身，用以将所述密封空间和所述凹进部分隔离。

3.如权利要求1所述的微动继电器，其中

所述机身具有从机身上表面延伸到机身下表面的通孔，在通孔中形成的电通路，用于将负载所述微动继电器的印刷电路板上的电路与所述密封空间中的所述接触机构之间进行电连接，以及

用于封闭所述通孔的开口的封闭装置。

4.如权利要求3所述的微动继电器，其中

所述封闭装置由突起确定，该突起横跨下表面一侧通孔的开口的突起。

5.如权利要求1所述的微动继电器，其中

所述电枢基座的壁厚小于所述框架的壁厚，

所述电枢基座由框架支撑，使电枢的下表面相对于框架的下表面凹进，由此在电枢下表面和机身之间形成用于容纳所述电枢绕枢轴转动的空间。

6.如权利要求1所述的微动继电器，其中

所述电枢基座通过具有弹性变形性的弹性部件支撑到所述框架上，所述弹性部件的一端与所述电枢基座整体连接，弹性部件的另一端与所述框架整体连接，所述弹性部件具有在所述一端与所述另一端之间的弯曲部分，该弯曲部分在与所述框架共有的平面内弯曲。

7.如权利要求6所述的微动继电器，其中

所述弯曲部分包括至少一个U形结构。

8.如权利要求1所述的微动继电器，其中

所述电枢基座和所述机身之一在与所述电枢基座和所述机身中另一个相对的表面上形成有突起，

所述电枢基座支撑在所述突起的顶点上，从而产生环绕所述顶点的所述绕枢轴转动。

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