CN1774782A - 浸湿指状物闭锁压电继电器 - Google Patents

浸湿指状物闭锁压电继电器 Download PDF

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CN1774782A
CN1774782A CNA2004800097783A CN200480009778A CN1774782A CN 1774782 A CN1774782 A CN 1774782A CN A2004800097783 A CNA2004800097783 A CN A2004800097783A CN 200480009778 A CN200480009778 A CN 200480009778A CN 1774782 A CN1774782 A CN 1774782A
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马文·格伦·黄
保罗·托马斯·卡若森
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Abstract

一种电气继电器，具有两个可湿电触头(118和120)，每个都支撑导电液体(126)。执行器(130、132或140)的动作使可湿开关指状物(114)从未偏转位置移动到第一和第二位置。在第一位置中，开关指状物(114)触及导电液体(126)，并且使导电液体在这些触头与开关指状物之间浸湿，从而使这些触头之间的电路变完整。当开关指状物(114)在第二位置中时，导电液体(126)不能在第一和第二触头与开关指状物之间浸湿，从而第一和第二触头之间的电路被切断。开关指状物(114)可以被定位在可被压电元件(130、132或140)的动作偏转或弯曲的梁(112)的自由端。

Description

浸湿指状物闭锁压电继电器
相关申请交叉引用
本申请与下面的未决美国专利申请相关，这些申请由下面的数字标号标识，并且按照字母顺序排列，这些申请具有与本申请相同的所有者，并且从而与本申请相关，通过引用这些申请被包含于此：
申请10010448-1，题为″Piezoelectrically Actuated Liquid MetalSwitch″，2002年5月2日提交，序列号为10/137,691；
申请10010529-1，题为″Bending Mode Latching Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010531-1，题为″High Frequency Bending Mode LatchingRelay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010570-1，题为″Piezoelectrically Actuated Liquid MetalSwitch″，2002年5月2日提交，序列号为10/142,076；
申请10010571-1，题为″High-frequency，Liquid Metal，Latching Relaywith Face Contact″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010572-1，题为″Liquid Metal，Latching Relay with FaceContact″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010573-1，题为″Insertion Type Liquid Metal Latching Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010617-1，题为″High-frequency，Liquid Metal，Latching RelayArray″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010618-1，题为″Insertion Type Liquid Metal Latching RelayArray″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010634-1，题为″Liquid Metal Optical Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010640-1，题为″A Longitudinal Piezoelectric Optical LatchingRelay″，2001年10月31日提交，序列号为09/999,590；
申请10010643-1，题为″Shear Mode Liquid Metal Switch″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010644-1，题为″Bending Mode Liquid Metal Switch″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010656-1，题为″A Longitudinal Mode Optical Latching Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010663-1，题为″Method and Structure for a Pusher-ModePiezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch″；具有与本申请相同的申请日；
申请10010664-1，题为″Method and Structure for a Pusher-ModePiezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch″，具有与本申请相同的申请日；
申请10010790-1，题为″Switch and Production Thereof′，2002年12月12日提交，序列号为10/317,597；
申请10011055-1，题为″High Frequency Latching Relay with BendingSwitch Bar″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011056-l，题为″Latching Relay with Switch Bar″，具有与本申请相同的申请日：
申请10011064-1，题为″High Frequency Push-mode Latching Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011065-1，题为″Push-mode Latching Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011121-1，题为″Closed Loop Piezoelectric Pump″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011329-1，题为″Solid Slug Longitudinal Piezoelectric LatchingRelay″，2002年5月2日提交，序列号为10/137,692；
申请10011344-1，题为″Method and Structure for a Slug Pusher-ModePiezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011345-1，题为″Method and Structure for a Slug AssistedLongitudinal Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011397-1，题为″Method and Structure for a Slug Assisted Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011398-1，题为″Polymeric Liquid Metal Switch″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011410-1，题为″Polymeric Liquid Metal Optical Switch″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011436-1，题为″Longitudinal Electromagnetic Latching OpticalRelay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011437-1，题为″Longitudinal Electromagnetic Latching Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011458-1，题为″Damped Longitudinal Mode Optical LatchingRelay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10011459-1，题为″Damped Longitudinal Mode Latching Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10020013-1，题为″Switch and Method for Producing the Same″，2002年12月12日提交，序列号为10/317,963；
申请10020027-1，题为″Piezoelectric Optical Relay″，2002年3月28日提交，序列号为10/109,309；
申请10020071-1，题为″：Electrically Isolated Liquid Metal Micro-Switches for Integrally Shielded Microcircuits″，2002年10月8日提交，序列号为10/266,872；
申请10020073-1，题为″Piezoelectric Optical Demultiplexing Switch″，2002年4月10日提交，序列号为10/119,503；
申请10020162-1，题为″Volume Adjustment Apparatus and Method forUse″，2002年12月12日提交，序列号为10/317,293；
申请10020241-1，题为″Method and Apparatus for Maintaining a LiquidMetal Switch in a Ready-to-Switch Condition″，具有与本申请相同的申请日；
申请10020242-1，题为″A Longitudinal Mode Solid Slug OpticalLatching Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10020473-1，题为″Reflecting Wedge Optical WavelengthMultiplexer/Demultiplexer″，具有与本申请相同的申请日；
申请10020540-1，题为″Method and Structure for a Solid Slug CaterpillarPiezoelectric Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10020541-1，题为″Method and Structure for a Solid Slug CaterpillarPiezoelectric Optical Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10030438-1，题为″Inserting-finger Liquid Metal Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10030521-1，题为″Pressure Actuated Optical Latching Relay″，具有与本申请相同的申请日；
申请10030522-1，题为″Pressure Actuated Solid Slug Optical LatchingRelay″，具有与本申请相同的申请日；和
申请10030546-1，题为″Method and Structure for a Slug CaterpillarPiezoelectric Reflective Optical Relay″，具有与本申请相同的申请日。
技术领域
本发明涉及用于电气开关的微机电系统(MEMS)的领域，更具体地说，涉及压电促动的液体金属继电器。
背景技术
诸如水银之类的液体金属已用于电气开关，以在两个导体之间提供电气路径。一个示例是水银调温开关，其中，双金属条线圈对温度作出反应，从而改变包含水银的拉长式腔的角度。由于高表面张力，腔中的水银形成单个小液滴。取决于腔的角度，重力使水银液滴移动到包含电触头的腔的一端，或者移动到另一端。在手动液体金属开关中，永久磁铁被用来移动腔中的水银液滴。
液体金属也被用在继电器中。可以用多种技术使液体金属液滴移动，包括静电力、由于热膨胀/收缩所导致的形变和磁流体力(magneto-hydrodynamic force)。
高电流的快速开关被用在非常多种器件中，但是对于基于固体触头的继电器来说，由于电流中断所导致的燃弧(arcing)，这也带来了问题。这种燃弧导致触头损伤，并且由于使电极表面变得不平而使触头的导电性能下降。
传统的压电继电器或者不闭锁(latch)，或者使用压电材料中的残留电荷来闭锁，或者激活使用闭锁机构的开关。
已经开发出了一种微动开关，该微动开关使用液体金属作为开关元件，并且气体被加热时的膨胀致使液体金属移动，从而促动开关功能。与其他微机械技术相比，液体金属具有某些优点，例如，能够使用金属对金属触头来开关相对较高的功率(约100mW)，而无需使用微焊接或过度加热该开关机构。然而，使用加热的气体也有一些缺点。这需要相对大量的能量来改变该开关的状态，并且如果切换占空比较高，则开关所生成的热量必须被有效地驱散。另外，促动速率要相对较低，最大速率要限制在数百赫兹。
发明内容
本发明公开了一种电气继电器阵列，它将导电液体用于开关机构。该继电器使用压电元件使导电的、可湿的开关指状物移动到与由两个固定电触头支撑的导电液滴相接触。导电液体使固定的电触头与开关指状物之间浸湿以形成电路。液体中的表面张力维持该电路，并且提供闭锁机构。开关指状物被缩回以切断表面张力结合，从而断开该电路。该继电器阵列是利用微机械技术制造的。
附图说明
本发明的新特性在权利要求中阐述。但是，当结合附图进行阅读时，通过参考示例性实施例的以下详细描述，将最好地理解本发明自身，以及本发明的优选实施方式、其他目的和优点，在附图中：
图1是根据本发明某些实施例的继电器的侧视图。
图2是根据本发明某些实施例的继电器的顶视图。
图3是根据本发明某些实施例的继电器的剖视图。
图4是根据本发明某些实施例处于打开状态的继电器的剖视图。
图5是根据本发明某些实施例处于打开并闭锁状态的继电器的顶视图。
图6是根据本发明某些实施例处于正在闭合状态的继电器的顶视图。
图7是根据本发明某些实施例处于正在闭合状态的继电器的剖视图。
图8是根据本发明某些实施例处于闭合并闭锁状态的继电器的顶视图。
图9是根据本发明某些实施例处于正在打开状态的继电器的顶视图。
图10是根据本发明某些实施例的继电器的电路基板的顶视图。
图11是根据本发明某些实施例的继电器的电路基板的侧视图。
图12是根据本发明某些实施例处于打开状态的继电器的顶视图。
图13是根据本发明某些实施例的继电器的剖视图。
图14是根据本发明某些实施例处于正在闭合状态的继电器的顶视图。
图15是根据本发明某些实施例处于闭合并闭锁状态的继电器的顶视图。
图16是根据本发明某些实施例处于正在打开状态的继电器的顶视图。
图17是根据本发明某些实施例的继电器的电路基板的顶视图。
具体实施方式
尽管本发明准许多种不同形式的实施例，但是在附图中示出并将在这里详细描述一个或多个特定的实施例，同时应当理解，本公开应当被认为本发明的原理的示例，而不是要将本发明限制于所示出并描述的特定实施例。在下面的描述中，相似的标号用来描述在附图的多个视图中相同的、类似的或对应的部分。
本发明涉及电气继电器，其中，通过导电的、可湿指状物的动作，从而辅助在两个固定的触头之间形成导电液体桥。导电液体可以是液体金属，例如水银或镓合金。指状物被附接到梁的一端，梁的另一端被固定到继电器的基板。梁和附接的指状物由充当作用于梁上的一个或多个压电元件的动作所移动。压电元件可操作来使梁弯曲或偏转。
图1是本发明的继电器的示例性实施例的侧视图。该继电器具有3层：覆盖层102、压电层104和基板层106。基板层106支撑到开关的电连接108、到压电执行器的电连接110和关联电路。这3层构成继电器外壳。
图2是图1的继电器的顶视图。虚线表示隐藏结构，其包括可动梁112和附接到梁112的自由端的开关指状物114。这些元件都安置在继电器的压电层中的开关腔116内。还示出了两个电触头118和120，它们具有支撑导电液体的液滴的可湿表面。下面将分别参考图3和图4描述剖面3-3和4-4。
图3是通过图2中的剖面3-3的剖视图。可动梁112的一端被固定到压电层104的基板。该梁的自由端支撑开关指状物114。这些元件都安置在开关腔116内。利用不可湿盘124，触头120被附接到基板106。利用不可湿盘122，另一个触头(图2中的118)被附接到基板106。这些电触头被安置在开关腔中的壁凹内。这些触头具有可湿表面，该表面支撑一定量的导电液体126。导电液体的容量被这样选择：在不存在可湿指状物的情况下，该液体在每个触头上形成一个分离的小液滴。这些触头被电连接到允许信号通过继电器被路由的连接器108。梁112由压电执行器的动作所移动。控制信号经由连接器110被耦合到执行器，连接器110被电耦合到开关腔中的触盘128。
图4是通过图2的剖面4-4的剖视图。开关指状物114被附接到可动梁112的自由端，并且被安置在电触头和所支撑的液滴126附近。导电液体126不浸湿不可湿盘124。在本实施例中，附接到梁一侧并且可操作来使梁弯曲的压电元件130的动作使梁112移动。
图5是去除了覆盖层102的继电器的顶视图。由于液体金属未桥接电触头之间的间隙，所以开关处于打开状态。在本实施例中，附接到梁的侧面的压电元件130和132使可动梁112向上动作。压电元件130沿梁的长度膨胀，或者压电元件132沿梁的长度收缩将使梁弯曲，从而使梁的自由端和附接的开关指状物在箭头134所指示的方向上移动。压电元件可以单独使用或同时使用。到压电元件的控制信号经由触盘128提供。
图6是去除了覆盖层102的继电器的顶视图。该开关处于正在闭合状态。压电元件130和132的动作已使梁112弯曲，这使开关指状物114触及导电液体容量126。导电液体126浸湿可湿指状物的表面，从而在两个固定电触头之间形成导电桥。这使这两个电触头之间的电连接变完整，并且使该电路闭合。开关指状物可以是不导电的，但是导电开关指状物可减少通过该连接的电阻。
图7是通过图6的剖面7-7的剖视图。在该图中，梁112的自由端已相对于其在图4中的位置被垂直移位。开关指状物114已完全插入到导电液体容量126中，这使两部分接合，并且使该电连接完整。
图8是去除了覆盖层102的处于闭合并闭锁状态中的继电器的顶视图。一旦开关指状物已使导电液体连接完整，就解除激发压电元件130和132，并且梁112返回到它的未偏转位置。然而，导电液体126中的表面张力维持电触头和可湿开关指状物之间的液体桥。两个电触头之间的电连接被维持，从而开关被闭锁在闭合状态中。
为了打开开关，可湿开关指状物被移得离电触头更远。这在图9中被示出，其是去除了覆盖层102的处于正在打开状态中的继电器的顶视图。参考图9，压电元件130和132被用反向极性激发，以使元件130收缩而元件132伸展来使梁弯曲，从而在箭头134所示出的方向上移动梁的自由端。开关指状物被移动得远离电连接，从而维持液体桥的表面张力结合被切断。导电液体断开为两部分容量126，电路被切断。即使出现主体力(body force)(例如由于整个继电器运动所导致的主体力)，液体中的表面张力也将液体保留在两个触头上。这样，继电器被闭锁在打开状态中。
图10是继电器的基板层106的顶视图。两个电触头118和120分别被固定到不可湿的盘，这些盘又被固定到基板106。电盘128提供到压电元件的电连接。可以使用已知的微机械技术将这些盘和触头形成在基板上。
在图11中示出电路基板的侧视图。电触头118和120分别被固定到不可湿盘122和124，这些盘又被固定到基板106。电触头118和120被电耦合到基板外表面上的连接器108。或者，这些电连接器可以经由基板顶上的迹线而被连接到基板边沿上的连接器。电盘128提供到压电元件的电连接，并且被电耦合到基板外表面上的连接器110。
图12是去除了覆盖层102的继电器的替换实施例的顶视图。该开关处于闭合状态。在本实施例中，附接到开关通道116的一侧的压电执行器140使可动梁112向上动作。在层平面中并垂直于梁的压电元件140的膨胀使梁在箭头134所指示的方向上移动。在本实施例中，与梁的自由端相比，压电执行器被安置得更接近该梁的固定端，以使梁放大压电元件的运动，从而使开关指状物114产生较大位移。也可以使用其他形式的机械放大。经由盘128、触头142和144，控制信号被提供给压电元件。压电执行器140可以包括单个压电元件，或者一堆压电元件。
图13是通过图13中的剖面13-13的剖视图。压电元件140经由触头142被耦合到基板104，并且经由触头144被耦合到梁112。当电压被施加到压电元件时，该压电元件就以膨胀模式变形(图中的垂直方向)，从而横向作用于梁112。然后，这就使开关指状物114移动。
图14是图12中的继电器的顶视图，其示出了该开关处于正在闭合状态。压电元件140已被激发，从而使梁112横向移位。这已使开关指状物114移动到触及导电液体容量126，这使导电液体浸湿开关指状物114和两个电触头。这使电触头之间的电路完整。
图15是去除了覆盖层102的处于闭合并闭锁状态的继电器的顶视图。一旦开关指状物已使导电液体连接完整，就解除激发压电元件140，梁112返回到它的未偏转位置。然而，导电液体126中的表面张力维持电触头和可湿开关指状物之间的液体桥。两个电触头之间的电连接被维持，从而开关被闭锁在闭合状态中。
为了打开开关，可湿开关指状物被移得离电触头更远。这在图16中被示出，其是去除了覆盖层102的处于正在打开状态中的继电器的顶视图。参考图16，压电元件140被用反向极性激发，以使该元件收缩，从而在横向方向上拉动梁。这使梁112的自由端在箭头134所示出的方向上移动。开关指状物被移动得远离电连接，从而维持液体桥的表面张力结合被切断。导电液体断开为两部分容量126，电路被切断。即使出现主体力(例如由于整个继电器运动所导致的主体力)，液体中的表面张力也将液体保留在两个触头上。这样，继电器被闭锁在打开状态中。
图17是图10-16示出的继电器的基板层106的顶视图。两个电触头118和120被固定到不可湿盘，这些不可湿盘又被固定到基板106。电盘128提供到压电元件两端的电连接。可以使用已知的微机械技术将这些盘和触头形成在基板上。
尽管已结合特定的实施例描述了本发明，但是很清楚，根据前面的描述，多种改变、修改、置换和变体将对本领域的普通技术人员变清楚。因此，本发明是要包括落入所附权利要求范围内的所有这种改变、修改和变体。

Claims (10)

1.一种电气继电器，包括：
继电器外壳，其包含开关腔(116)；
第一电触头(118)，其在所述开关腔(116)中，并且具有可湿表面；
第二电触头(120)，其在所述开关腔(116)中，与所述第一电触头(118)隔离，并且具有可湿表面；
导电液体(126)，其与所述第一(118)和第二(120)电触头湿接触；
梁(112)，其具有固定端和自由端，所述固定端在所述开关腔(116)内附接到所述继电器外壳；
可湿开关指状物(114)，其附接到所述梁(112)的自由端，并且可移动到触及所述导电液体(126)；和
压电执行器(130、132或140)，其可操作来使所述梁(112)横向移动，从而使所述开关指状物(114)从未偏转的位置移动到第一位置和第二位置，在所述第一位置中，所述导电液体(126)在所述第一和第二触头与所述开关指状物之间浸湿，从而使所述第一和第二触头之间的电路完整，在所述第二位置中，所述导电液体(126)不能在所述第一和第二触头与所述开关指状物之间浸湿，从而所述第一和第二触头之间的电路被切断。
2.如权利要求1所述的电气继电器，其中，所述开关指状物(114)的未偏转的位置和所述导电液体(126)的容量使得所述开关指状物(114)从所述第一位置到所述未偏转的位置的移动不切断由所述导电液体(126)使其变完整的电路。
3.如权利要求1所述的电气继电器，其中，所述开关指状物(114)的未偏转的位置和所述导电液体(126)的容量使得所述开关指状物(114)从所述第一位置到所述第二位置的移动切断由所述导电液体(126)使其变完整的电路。
4.如权利要求1所述的电气继电器，其中，所述压电执行器包括附接到所述梁(112)的第一侧的第一压电元件(130或132)，所述第一压电元件(130或132)可操作来以平行于所述梁(112)的纵向方式变形，从而使所述梁弯曲。
5.如权利要求1所述的电气继电器，其中，所述压电执行器包括在所述开关腔(116)的壁和所述梁(112)的所述自由端和所述固定端之间的一个区域之间动作的压电元件(140)，所述压电元件(140)可操作来以基本垂直于所述梁(112)的纵向方式变形，从而使所述梁偏转。
6.如权利要求1所述的电气继电器，其中，所述导电液体(126)是液体金属。
7.如权利要求1所述的电气继电器，其中，所述可湿指状物(114)是导电的。
8.如权利要求1所述的电气继电器，其中，所述继电器外壳包括：
基板层(106)，其支撑到所述第一(118)和第二(120)电触头的电连接(108)和到所述压电执行器(130、132或140)的电连接(110)；
覆盖层(102)；和
压电层(104)，其被安置在所述基板层(106)和所述覆盖层(102)之间，并且具有形成在其中的所述开关腔(116)。
9.一种用于开关电气继电器中的介于第一触头(118)和第二触头(120)之间的电路的方法，所述第一和第二触头被第一导电液体(126)浸湿，所述方法包括：
如果要使所述电路变完整，则：
激发执行器(130、132或140)，以使可湿指状物(114)移动到第一位置，在该位置中，所述可湿指状物(114)触及所述导电液体(126)，从而使所述导电液体在所述第一(118)和第二(120)触头和所述可湿指状物(114)之间浸湿；并且
如果要切断所述电路，则：
激发所述执行器(130、132或140)，以使可湿指状物(114)移动到第二位置，在该位置中，所述导电液体(126)不能在所述第一(118)和第二(120)触头和所述可湿指状物(114)之间浸湿。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
如果要使所述电路变完整，则：
在所述可湿指状物(114)已移动到所述第一位置之后，解除激发所述执行器(130、132或140)；并且
如果要切断所述电路，则：
在所述可湿指状物(114)已移动到所述第二位置之后，解除激发所述执行器(130、132或140)。
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