TW200421378A - High frequency bending-mode latching relay - Google Patents

Description

200421378 玖、發明說明： ~【發明戶/f屬X技術領域】 ^—— 相關申請案資料 本案係有關於下列依序排列之美國專利申請案，它們 5 與本案的申請人皆為相同，且其内容與本案有關並附送參 考： 2002年5月2日之申請案10010448-1，名稱為“壓電致動 的液態金屬開關”，案號為10/137691 ; 與本案申請日相同之申請案10010529-1，名稱為“高頻 10 彎曲型閂鎖繼電器”； 2002年5月2日之申請案10010570-1，名稱為“壓電致動 的液態金屬開關’’，案號為10/142076 ; 與本案申請日相同之申請案10010571-1，名稱為“具有 接觸面之高頻液態金屬閂鎖繼電器’’； 15 與本案申請日相同之申請案10010572-1，名稱為“具有 接觸面之液態金屬閂鎖繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10010573-1，名稱為“插入 式液態金屬閂鎖繼電器’’； 與本案申請日相同之申請案10010617-1，名稱為“高頻 20 液態金屬閂鎖繼電器陣列”； 與本案申請日相同之申請案10010618-1，名稱為“插入 式液態金屬閂鎖繼電器陣列’’； 與本案申請日相同之申請案10010634-1，名稱為“液態 金屬光學繼電器 5 200421378 2001年10月31日之申請案10010640-1，名稱為“一種縱 向ίϋ光學閂鎖繼Ϊ器” 7案號為09/9995 90 ; ^ 一 與本案申請日相同之申請案10010643-1，名稱為“剪切 型液態金屬開關’’； 5 與本案申請日相同之申請案10010644-1，名稱為“彎曲 型液態金屬開關’’； 與本案申請日相同之申請案10010656-1，名稱為“縱向 型光學閂鎖繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10010663-1，名稱為“用於 10 推動式壓電致動的液態金屬開關之方法和結構”； 與本案申請日相同之申請案10010664-1，名稱為“用於 推動式壓電致動的液態金屬光學開關之方法和結構”； 2002年12月12日之申請案10010790-1，名稱為“開關及 其製法”，案號為10/317597 ; 15 與本案申請曰相同之申請案10011055-1，名稱為“具有 彎曲切換桿之高頻閂鎖繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10011056-1，名稱為“具有 切換桿之閂鎖繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10011064-1，名稱為“高頻 20 推動式閂鎖繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10011065-1，名稱為“推動 式閂鎖繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10011121-1，名稱為“封閉 迴路壓電泵”； 6 200421378 2002年5月2日之申請案10011329-1，名稱為“固體蕊心 縱鎖繼 t^Kii^T〇7l37,692 ; — ——一 與本案申請日相同之申請案10011344-1，名稱為“用於 蕊心推動式壓電致動的液態金屬開關之方法和結構”； 5 與本案申請日相同之申請案10011345-1，名稱為“用於 蕊心輔助式縱向壓電致動的液態金屬光學開關之方法和結 構，，； 與本案申請日相同之申請案10011397-1，名稱為“用於 蕊心輔助推動式壓電致動的液態金屬光學開關之方法和結 10 構，，； 與本案申請日相同之申請案10011398-1，名稱為“聚合 物液態金屬開關”； 與本案申請日相同之申請案10011410-1，名稱為“聚合 物液態金屬光學開關”； 15 與本案申請日相同之申請案10011436-1，名稱為“縱向 電磁閂鎖光學繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10011437-1，名稱為“縱向 電磁閂鎖光學繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10011458-1，名稱為“阻滯 20 縱向型光學閂鎖繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10011459-1，名稱為“阻滯 縱向型光學閂鎖繼電器”； 2002年12月12曰之申請案10020013-1，名稱為“開關及 其製造方法”，案號為10/317963 ; 7 200421378 2002年3月28日之申請案10020027-1，名稱為“壓電光 二—繼—研涵 09T— — 2002年10月8日之申請案10020071-1，名稱為“整體屏 蔽的微電路之電隔離液態金屬微開關”，案號為10/266872 ; 5 2002年4月10日之申請案10020073-1，名稱為“壓電式 光多工解調開關”，案號為10/119503 ; 2002年12月12日之申請案10020162-1，名稱為“體積調 整裝置及使用方法”，案號為10/317293 ; 與本案申請日相同之申請案1002024M，名稱為“將一 10 液態金屬開關保持在準備切換狀態的方法和裝置”； 與本案申請日相同之申請案10020242-1，名稱為“縱向 型固體蕊心光學閂鎖繼電器’’； 與本案申請日相同之申請案10020473-1，名稱為“反應 楔光波長多工器/多工解調器”； 15 與本案申請日相同之申請案10020540-1，名稱為“用於 固體蕊心履帶壓電式繼電器的方法和結構”； 與本案申請日相同之申請案1002054M，名稱為“用於 固體蕊心履帶壓電式光學繼電器的方法和結構”； 與本案申請日相同之申請案10030438-1，名稱為“插入 20 銷指液態金屬繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10030440-1，名稱為“潤濕 銷指液態金屬閂鎖繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10030521-1，名稱為“壓力 致動的光學閂銷繼電器’’； 200421378 與本案申請日相同之申請案10030522-1，名稱為“壓力 —致動的固體蕊心光學閂鎖繼電器_ 與本案申請日相同之申請案10030546-1，名稱為“用於 蕊心履帶壓電反射光學繼電器之方法和結構”。 5 發明領域 本發明係有關用於電切換之微機電系統(MEMS)的領 域，尤係關於具有液態金屬觸點之壓電致動的閂鎖繼電器。

L· U 發明背景 鲁 10 液態金屬例如水銀曾被使用於電開關中，而在二導體 之間來形成一電通路。此之一例係為水銀控溫開關，其中 有一雙金屬片捲圈會回應於溫度來改變一裝有水銀之細長 腔穴的角度。在該腔穴中的水銀會因高表面張力而形成單 粒液滴。重力會將該水銀液滴移向該含有電觸點之腔穴的 15 一端或另一端，耑視該腔穴的角度而定。若在一手動液態 金屬開關中，則一永久磁鐵會被用來移動一腔穴内的水銀 液滴。 鲁 液態金屬亦被使用於繼電器中。金屬液滴可藉多種技 術來移動，包括靜電力，熱膨脹收縮造成的形狀變化，及 20 磁致流體動力等。 傳統的壓電繼電器或不會閂鎖，或會使用在壓電材料 中的殘餘電荷來閂鎖或者作動一接觸一閂鎖機構的開關。 高電流的快速切換會被使用於許多裝置中，但對固體 接觸式的繼電為'會形成一問題’因為電流中斷時會產生電 9 200421378 弧。該電弧會造成電極表面的熔蝕而使該等觸點受損並劣 —化並導電性7 微開關已被發展到使用液態金屬來作為切換元件，並 可利用氣體的加熱膨脹來移動該液態金屬而達到切換功 5 能。液態金屬會比其它微製造技術具有某些優點，例如能 夠使用金屬對金屬之觸點來切換較高的功率（約100mW)， 而不會微熔或過度加熱該切換機構。但是，使用加熱氣體 亦有一些缺點。其需要較大量的能量來改變該開關的狀 態，且若該切換工作循環較高，則因切換所產生的熱必須 10 被有效地消散。此外，其運作速率會相對較低，其最大速 率僅限於數百Hz。 【發明内容】 發明概要 本發明所揭係為一種繼電器，其在切換機構中係使用 15 一導電液體者。於該繼電器中，有一對可動的切換觸點被 固設在一壓電致動器的自由端，並置於一對固定觸墊之 間。各觸點皆撐持一^高導電液體’例如液態金屬。該致動 器會被充能來變形呈彎曲狀，並移動該對切換觸點，關閉 其一固定觸墊與一切換觸點之間的間隙，而使導電液滴取 20 結合併形成一電迴路。同時，另一固定觸墊與另一切換觸 點之間的間隙會加大，致使導電液滴分開而中斷一電迴路。 圖式簡單說明 第1圖為本發明之一閂鎖繼電器的側視圖。 第2圖為本發明之一閂鎖繼電器的頂視圖，而其蓋層已 10 200421378 被除去。 _囡為本奂明之一閂鎖繼電器的電路基板之頂視 圖，其頂蓋已被除去。 5 第5圖為本發明之閂鎖繼電器的另一戴面圖。 【實旋^方式】 較佳實施例之詳細說明 雖本發明可有許多不同型式的實施例，但在圖式及本 文中僅洋揭4多個特定貫施例，故請瞭解本揭露應視為 10發明原理的舉例說明，而非欲將本發明限制於所述的特定 實施例。在以下說明中，相同的標號會被用來在數個圖式 中代表相同、類似或對應的部件。 本發明的繼電器係使用導電液體，例如液態金屬，來 橋接二電觸點之間的間隙，而將完成該二觸點之間的電迴 15路。二可動的電觸點將被稱為切換觸點，乃被固設於一壓 電致動為的自由端，並置於一對固定觸墊之間。磁致伸縮 致動器例如Terenol-D，其在有磁場存在時即會變形，亦可 被用來作為壓笔致動為的替代物。因此，壓電致動器和磁 致伸縮致動器皆可被統稱為“壓電致動器”。該各觸點的 2〇表面會撐持一滴液恶金屬。在較佳實施例中，該導電液體 係為一液態金屬，例如水銀，其具有高導電性、低揮發性 及高表面張力。當被充能時，該壓電致動器會變形呈彎曲 狀，並移動該等切換觸點，而使一第一切換觸點移向一第 -固定觸塾，致令該等觸點上的導電液滴聚結合併，而完 11 200421378 蛩之間，故若第一切換觸點 移向第一固定觸墊，則第二切換觸合由堂 兴碉點會由乐二固定觸墊移 ίο 開。當該開關狀態改變之後，該壓電致動器會被除能，而 該等切換觸點會回復至其原來位置。該等導電液滴會保持 聚結呈單-體積’因為其體積係被選成能使其表面張力來 將該液滴凝聚在一起。藉著再充能於該壓電致動器，以使 第一切換觸點由第一固定觸塾移開，而斷開該等導電液滴 之間的表面張力接合，則該電趣路會再中斷。當該壓電致 動器被除能，而未能提供足夠的液體來橋接該等觸點之間 的間隙時，則該《滴將會保持分開。該繼電器係可用微 機製技術來製成。 15 第1圖為本發明之—_繼電器實施例的側視圖。請參 閱第i圖’該繼電器⑽包含三層：—電路基板102, 一切換 20 塾之間的電迴路。由於該 層104 ’及一蓋層106。該三層會址成該繼電器的殼體。該 電路基板1G2會設㈣切換層中之元件的電連接物，並對該 切換層提供n該電路基板1G2可例如由喊或石夕製 成，並可使用譬如製造微電子裝置的微機製技術來製成。 該切換層104亦< 例如使用陶隻或玻璃來製成，或以塗覆一 絕緣層（如陶幻的金屬來製成。該蓋層1()6會覆蓋切換層⑽ 的頂部，並密封該切換腔穴⑽。該蓋層1%例可由陶究、 玻璃、金屬或聚合物，或該等材料的組合物等來製成。在 較佳實施例中係使用玻璃、_或金屬以提供氣密封閉。 第2圖為該繼電器已除去蓋層的頂視圖。請參閱第2 12 200421378 圖’該切換層104設有一切換腔穴108。該切換腔穴108底下 ——— 一 一一一 係被该電路基板102所密封，而上方則被蓋層106所密封。 该腔穴可被填入一惰氣。一壓電致動器丨12被固設於該切換 層。該致動器係可呈彎曲狀變形，而使其自由端在二固定 5觸墊122與124之間橫向地移動◦該致動器可包含一疊壓電 元件。在較佳實施例中，一電信號會經由該致動器上之附 加的可動觸點118和120來送至所電連接的切換觸點114和 116。該等附加的可動觸點會透過一滴導電液體，例如一液 態金屬，而來連接於一電接墊126，該液態金屬會潤濕於可 10動觸點與接墊126之間。在觸點ία、120與觸點114、116之 間的表面係不可潤濕的，以防止該導電液體的滲移，並容 許正確的液體體積能被保持。於一變化實施例中，送至該 等切換觸點114和116的電信號會經由設在致動器112上的 線路或導電塗層來供入。固定觸墊122和124係被設在電路 15基板102上。該等觸點的曝露面係可被一導電液體，例如一 液態金屬所潤濕。而分開該等電觸點的外部表面係不可潤 濕的’以避免該液體滲移。在操作時，該致動器112可藉施 加一電壓通過電元件而呈彎曲狀變形。此變形會將切換觸 點114與116移動於固定觸墊122與124之間。用於低頻切換 20時’該等觸墊122、124、126可透過配接的適當電路及設在 該電路基板底面的焊球來連接於一母基板。用於中、高頻 率時，該等觸墊122、124、126則可分別經由路線134、136、 128來電連接’它們可與在電路基板1〇2之邊緣的短帶線結 連接。又’針對高頻切換，接地線路13〇可被含設在該電路 13 200421378 絲102# 丁頁面，而位於該等信號線路的兩側。此將於後參 照第 4 圖 第3圖為第2圖所示之閂鎖繼電器沿截面3-3的剖視 圖。該圖示出三層、電路基板102、切換層1〇4、及蓋層⑺“ 5 °亥壓電致動為112的自由端係可在切換腔室108内移動該第 一固定觸墊122與124之間。供應控制信號至該致動器112的 電連接線路（未示出）可被沈積在該電路基板1〇2的頂面上， 或牙過该基板中的通孔。該等觸點的表面會撐持導電液 滴，它們會被液體的表面張力固持於定位址。因為該等液 1〇滴的尺寸甚小，故表面張力會強過該等液滴上的任何本體 力量，故即使該繼電器移動時，該等液滴仍會保持定位。 在觸點114和122之間的液體會分成兩個液滴14〇，而分屬該 二觸點114和122。在觸點116與124之間的液體則聚結合併 成一較大的液團142。在觸點116與124之間會形成電連接， 15但在觸點114和122之間則未連接。 當該致動器112呈彎曲狀變形時，該第一切換觸點 會移向第一固定觸墊122，而第二切換觸點116會移離第二 固定觸墊124。當觸點116與124之間的間隙夠大時，則該導 電液體將不足以橋接該間隙，故該導電液接點142即會斷 2〇開。當觸點114與122之間的間隙夠小時，則二液滴140將會 互相併合而在该二觸點之間形成電連接。該液體體積係被 選成，當該致動器被除能而回復至其未撓曲位置時，該等 a併的液滴140仍會保持合併，而分開的液滴142仍會保持 分開。以此方式該繼電器即閂鎖成新的開關狀態。此開關 14 200421378 狀態可藉使該致動器112以相反方向變形，俾斷開觸點114 之間~的液並使〉 回復至第3圖所示之狀態。 使用水銀或其它具有高表面張力的液態金屬來形成一 5可撓之非接觸性的電接點，將可製成一具有高電流容量的 繼電器，其能避免因局部加熱所造成之熔钱和氧化物累積。 該電路基板102的頂視圖係示於第4圖中。信號線路 128、134與136分別連接於固定觸墊126、122及124。該等 線路會被覆以一材料而使導電液體不能潤濕，以防止導電 10液體之不良傳導。上接地線路130會被設在信號線路的兩側 來提供電屏蔽。通孔150等會提供由上接地線路130至下接 地線路132的電連接，而使接地電流能包圍該切換結構之上 游及下游的信號電流。在該等線路中之所有彎曲皆小於衫。 俾儘量減少反射。其它供應信號於該致動器的線路(未示出） !5亦可被設在該電路基板上。或者，該致動器亦可經由該基 板底面上的適當電路、接墊及焊球等來連接。 第5圖為穿過第2圖所示之截面Μ的剖視圖。導電液滴 φ ⑸會填滿觸點118、12G與固定觸墊126之間的間隙，而完 成其間的電路。該液體的體積會被選成能使該壓電致動器 2〇 m的運動不會斷開此液體的連接。在該觸塾126兩側的上 接地線路會經㈣孔⑼連接於接地線路132，而來提供 電屏蔽。 可作為一共用端子，故一 器112的動作而來切換至 在一操作模式中，該觸墊126 連通至該端子的信號可藉該致動 15 200421378 該觸墊122或124。 雖本發明係配合特定實施例來說明，但顯然仍有許多 選擇、修正、更換及變化等將可在專業人士參考上述說明 之後而可容易得知。因此，本發明乃應涵蓋所有落諳於如 5 附申請專利範圍内的該等選擇及修正變化。 【圖式簡單說明】 第1圖為本發明之一閂鎖繼電器的侧視圖。 第2圖為本發明之一閂鎖繼電器的頂視圖，而其蓋層已 被除去。 Φ 10 第3圖為本發明之一閂鎖繼電器的截面圖。 第4圖為本發明之一閂鎖繼電器的電路基板之頂視 圖，其頂蓋已被除去。 第5圖為本發明之閂鎖繼電器的另一截面圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 100···繼電器 102···電路基板 104···切換層 106…蓋層 108···切換腔穴 112···壓電致動器 114，116···切換觸點 118，120···可動觸點 122，124···固定觸墊 126···電接墊 128，134，136···線路 130，132···接地線路 140…液滴 142…液圑 150···通孔 152···導電液滴 16

Claims (1)

1. 200421378 拾、申請專利範圍： 一___ 1 . 一種繼電器，包含： 一蓋層； 一電路基板； 5 一切換層設在該電路基板和蓋層之間，並有一切換 腔穴形成於其内； 第一和第二線路設在該電路基板上，並分別終接於 該切換腔穴中的第一和第二固定觸墊； 一壓電致動器具有一固定端連接於該切換層，以及 10 一自由端，該電壓電致動器係可變形呈彎曲狀； 第一和第二切換觸點固設於該壓電致動器的自由 端，並被置於第一和第二固定觸墊之間； 一第三線路設在該電路基板上，並電連接於該第一 與第二切換觸點之至少一者； 15 多數的接地線路設在該電路基板上，而可對第一、 第二及第三線路提供電屏蔽； 一第一導電液圑潤濕觸接該第一切換觸點與第一 固定觸墊；及 一第二導電液圑潤濕觸接該第二切換觸點與第二 20 固定觸墊；其中： 該等切換觸點沿一第一方向的運動會使第一導電 液團造成第一切換觸點與第一固定觸墊之間的連接，並 使第二導電液團分成二液滴，而斷開該第二切換觸點與 第二固定觸墊之間的連接；及 17 该專切換觸點沿一第—士 的運動會使第一導電 拙 研Ί茨弟一切換觸點與第一固定觸 墊之間的連接，並使第二導電 夜團k成弟二切換觸點與 弟一固定觸墊之間的連接。 5 2·如申請專利範圍第1項之繼雷哭甘+ ^ ，其中該第一和第二導 兒液團係為液態金屬液滴。 3.如申請專利範圍第i項之繼電器，其中該第—和第二導 10 =團在當紐動_復至其靜止位置時，已連接的液 團=保持連接，而已分開的液滴仍會保持分開。 〇申凊專利範圍第1項之繼電器，更包含·· 二第一可動觸點被襲電致動器所撐持，並電連接 於該第一和第二切換觸點； 15 一第三固定觸墊置設於第—可動觸 接於第三線路，·及 6 -第三導電液團潤濕觸接第一可動觸點與第三固 定觸墊，而在其間形成電連接； 其中該第三導電液團的體積係被設成當該麼電致 動器變形時，在第一可動觸點與第三固定觸墊之間仍會 保持電連接。 20 5.如申請專利範圍第i項之繼電器，其中該第一、第二和 弗三線路之至少一者會終接於該切換層之一邊緣。 6·=申請專利範圍第1項之繼電器，更包含一第二組接地 線路沈積在該電路基板的底面上，而前述第—組接地線 路係藉一或多個貫穿該電路基板的通路來與第二組接 18 200421378 地線路電連接。 7. 如申請專利範圍第1項之繼電器，其中該繼電器係由微 機製方法所製成。 8. 如申請專利範圍第1項之繼電器，其中該壓電致動器的 5 固定端係牢固地固定於該切換層。 9. 如申請專利範圍第1項之繼電器，其中該壓電致動器的 固定端係樞接於該切換層。 10. 如申請專利範圍第1項之繼電器，其中該第一和第二切 換觸點係被該首電液體不能潤濕的表面所分開。 ® 10 11.如申請專利範圍第1項之繼電器，其中所有的該等接地 線路皆互相電連接。 12. 如申請專利範圍第1項之繼電器，其中該第一和第二切 換觸點係互相電連接。 13. 如申請專利範圍第1項之繼電器，其中該第三線路係電 15 連接於第一切換觸點，並更包含一第四線路設在該電路 基板上，而電連接於第二切換觸點。 19