TW200421382A - Bending-mode latching relay - Google Patents

Description

200421382 玫、發明說明： L發明所屬之技術領域3 本案係有關於下列依序排列之美國專利申請案，它們 與本案的申請人皆為相同，且其内容與本案有關並附送參 5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10010531-1，名稱為“高頻 彎曲型閂鎖繼電器”； 10 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’’； 與本案申請日相同之申請案10010572-1，名稱為“具有 15 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 液態金屬閂鎖繼電器陣列”； 20 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”； 2001年10月31日之申請案10010640-1，名稱為“一種縱 5 200421382 5 10 15 20 向壓電式光學閂鎖繼電器”，案號為09/999590 ; 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”； 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 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”； 與本案申請日相同之申請案100Π055-1，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”； 與本案申請曰相同之申請案10011064-1，名稱為“高頻 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”； 2002年5月2日之申請案10011329-1，名稱為“固體蕊心

6 200421382 縱向壓電閂鎖繼電器”，案號為10/137,692 ; 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”； 與本案申請日相同之申請案10011345-1，名稱為“用於 5 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 構”； 名稱為“聚合 名稱為“聚合 _名稱為“縱向 名稱為“縱向 名稱為“阻滯 名稱為“阻滯 10 15 20 與本案申請日相同之申請案10011398-1， 物液態金屬開關”； 與本案申請日相同之申請案10011410-1， 物液態金屬光學開關”； 與本案申請日相同之申請案10011436-1， 電磁閂鎖光學繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10011437-1， 電磁閂鎖光學繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10011458-1， 縱向型光學閂鎖繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10011459-1， 縱向型光學閂鎖繼電器”； 2002年12月12日之申請案10020013-1，名稱為“開關及 其製造方法”，案號為10/317963 ; 2002年3月28日之申請案10020027-1，名稱為“壓電光 7 200421382 繼電器”，案號為10/109309 ; 5 10 15 20 2002年10月8日之申請案1002007Γ-Γ，名"稱為屏 蔽的微電路之電隔離液態金屬微開關”，案號為10/266872 ; 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10020241-1，名稱為“將一 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’’； 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10020541-1，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 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 致動的光學閂鎖繼電器”； 與本案申請日相同之申請案10030522-1，名稱為“壓力

8 200421382 致動的固體蕊心光學閂鎖繼電器”；及 與本案申請日相同之申請案10030546 -1「名稱於 蕊心履帶壓電反射光學繼電器之方法和結構”。 發明領域 5 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先前技術3 發明背景 液態金屬例如水銀曾被使用於電開關中，而在二導體 10 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 一端或另一端，耑視該腔穴的角度而定。若在一手動液態 15 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。 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 磁致流體動力等。 20 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 接觸式的繼電器會形成一問題，因為電流中斷時會產生電 弧。該電弧會造成電極表面的熔蝕而使該等觸點受損並劣 9 200421382 化並導電性。 —微開關已被發展到使用液態金屬來作為切換元件，i 可利用氣體的加熱膨脹來移動該液態金屬而達到切換功 能。液態金屬會比其它微製造技術具有某些優點，例如能 5 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 被有效地消散。此外，其運作速率會相對較低，其最大速 10 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 一導電液體者。於該繼電器中，有一對可動的電觸點被固 15 設於一壓電致動器的自由端，並定位於一對固定的電觸點 之間。該等觸各撐持一滴導電液體，例如液態金屬。該壓 電致動器會被充能而變形呈彎曲狀，並移動該對可動觸 點，來封閉其中之一固定觸點與一可動觸點之間的間隙， 而使該二導電液滴合併來形成一電迴路。在此時，於其另 20 一固定觸點與另一可動觸點之間的間隔會增大，而使該二 導電液滴分開來中斷一電迴路。 圖式簡單說明 本發明的新穎特徵係被詳述於申請專利範圍中。但， 本發明與較佳使用模式及其目的和優點等，將可參照所附 10 200421382 圖式詳閱以下所示實施例之詳細說明 5 10 15 20 中 第1圖為本發明之1鎖繼電器的側視圖。 第2圖為本發明之_問鎖繼電 _去。 貞視圖，而其蓋層已 第3圖為本發明之—問鎖繼電器的截面圖 “第4圖為本發明另—實施例之問鎖繼電二 盍層已被除去。 、頁現圖，其 第5圖為本發明另—實施例之閃鎖繼第6圖為依據本發明之概念的電路義板：¥面圖。 «:實施方式】 I路基板之頂板圖。 較佳實施例之詳細說明 雖树明可有許乡不同型式的實關，但 文中僅詳揭一或多個p Y t ，式及本 夕购疋實施例，故請瞭解本揭露雇、目 發明原理的舉例說明，而非欲將本發日月限制 …現為 實施例。在以下說明中, ；返的特定 中代表相同、類似或對應的部件。 絲個圖式 本發明的繼電器係使用導電流體例如液態金屬 橋接二電觸點之__，而得完成該二觸點之間的電迴 路:二可動的電觸點會被固設於一壓電致動器的自由端， 並定；•固之電觸點之間。磁致伸縮致動器例如 T—-D，其當有磁場存在時即會變形，亦可被用來作為 壓電致動器的替代物。因此’壓電致動器和磁致伸縮致動 器“被.·先稱為壓電致動器”。該各固定電觸點的相對表 而得更清楚瞭解；

11 200421382 面會撐持一滴導電液體。在該較佳實施例中，該導電液體 ----_ _一_ . ___—— 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，該壓電致動器將會彎曲，而 使該自由端移動於該二固定觸點之間，且第一可動觸點會 5 移向第一固定觸點，致使該二導電液滴併合而在該二觸點 之間完成一電迴路。同時其第二可動觸點會移離第二固定 觸點。在開關狀態改變之後，該壓電致動器會被除能，而 使該等可動觸點回復它們的原來位置。該等導電液滴會保 持聚結，因為其體積係被選成使其表面張力能將該液滴凝 10 聚在一起。藉著再充能於該壓電致動器，來使第一可動觸 點移離第一固定觸點，而斷開該等導電液滴之間的表面張 力接合，則該電迴路會再中斷。當該壓電致動器被除能， 而未能提供足夠的液體來橋接該二觸點之間的間隙時，則 該等液滴將會保持分開。該繼電器係可用微機製技術來製 15 成。 第1圖為本發明之一閂鎖繼電器實施例的側視圖。請參 閱第1圖，該繼電器100包含三層：一電路基板102，一切換 層104 ’及一蓋層1〇6。該三層會組成該繼電器的殼體。該 電路基板102會設有對切換層中之元件的電連接物，並對該 20 切換層提供一下蓋。該電路基板102可例如由陶瓷或矽製 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亦可例如使用陶瓷或玻璃來製成，或以塗覆一 絕緣層（如陶瓷）的金屬來製成。該蓋層106會覆蓋切換層108 的頂部，並密封該切換腔穴108。該蓋層1〇6例可由陶瓷、 12 200421382 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、陶瓷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 圖，該切換層104設有一切換腔穴108。該切換腔穴108底下 5 係被該電路基板102所密封，而上方則被蓋層106所密封。 該腔穴可被填入一惰氣。一壓電元件110被固設於該切換 層。該壓電元件110可被極化來變形呈彎曲狀，而使其自由 端在圖中橫向地移動。該致動器可包含一疊壓電元件。固 定電觸點114和116係固設於該切換層。可動電觸點118和 10 120則固設於該致動器110的自由端。該等可動觸點亦可互 相電連接。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。而在該等觸點之間的表面係不可潤濕 的，以避免該液體滲移。該等觸點的表面會撐持導電液滴。 於第2圖中，在二觸點114和118之間的液體係分開成二液滴 15 122，而在每一觸點114和118上各沾附其一。在觸點120和 116之間的液體則聚結成一單獨體積的較大液圍124。故， 在觸點120和116之間會形成電連接，但在觸點Π4和118之 間則未連結。 當該致動器的自由端將第一可動觸點118移離第一固 20 定觸點114時，則第二可動觸點120會移向第二固定觸點 116。相反地，當該致動器110的自由端將第一可動觸點118 移向第一固定觸點114時，則第二可動觸點120會移離第二 固定觸點116。當該二觸點116和120之間的間隙夠大時’該 液團124的體積將不足以橋接二觸點之間的間隙，故該導電 13 200421382 液體的連結將會斷開。當該二觸點118與114之間的間隙夠 小時該二觸點上的〖夜22將會互相聚結 而形 成電連接。該等導電液滴會被其表面張力來固持於定位。 因為該等液滴的尺寸甚小，故表面張力會較強於任何作用 5 在该液滴上的自然力。 第3圖為第2圖中之閂鎖繼電器由3-3截面所採的剖視 圖。該圖中示出三層：電路基板1〇2、切換層1〇4及蓋層1〇6 等。該致動器110的自由端能在切換腔穴1〇8中移動。可供 應控制信號於該致動器110的電路(未示出）得被沈積在該電 10路基板1〇2的頂面上，或穿過該電路基板中的通孔。同樣 地，連接於接觸墊的線路亦會被沈積於該基板1〇2的頂面 上。外部連接則可經由設在電路基板底面上的焊球，或線 結於電路末端接墊的通孔短帶來完成。 利用水銀或其它具有高表面張力之液態金屬來形成一 15可撓的非接觸性電接點，將可製成一具有高電流容量的繼 電菇，其能避免因局部加熱所造成之溶姓和氧化物累積。 本發明的另一實施例係示於第4圖中。在第4圖中，該 蓋層和導電液體已被除。請參閱第4圖，二固定觸點1145和 116係被固設在電路基板的頂面上，而非在腔穴1〇8的垂直 20側壁上。故觸點114和118會互呈直角來對應，而非呈面對 面地没置。另一觸點120和116亦同樣地互呈直角對應。本 實施例之一優點係水平觸在某些微加工製程中會較容易製 造。此繼電器的操作亦如同前述第2及3圖中所示之實施例。 第5圖為第4圖中之5-5截面的剖視圖。該導電液團124 14 200421382 已填滿觸點120和116之間的間隙，而完成該二觸點之間的 __________________...._________________ -.…一- 一 電迴路。一施於該壓電致動器110的控制信號會使其變形呈 彎曲狀，並將該自由端移向固定觸點114。此動作會加大觸 點120與116之間的間隙，而斷開該液滴124中的表面張力連 5 結。該液體會分成二液滴，使每一觸點各沾附一個液滴， 而該電迴路會被中斷。同時，另二觸點114和118會移動靠 近，而聚結合併來完成該二觸點114和118之間的電路。該 液體的體積係被選成，當該致動器被除能而回復至其未撓 曲位置時，該等聚結的液滴仍會保持聚結，而分開的液滴 10 仍會保持分開。以此方式該繼電器可閂鎖成新的開關狀態。 該繼電器亦可被用來在二端子之間切換信號。 第6圖係為一電路基板102的頂視圖。在本實施例中， 電線路202、204、206會被沈積或設在該基板頂面上，而可 分別電連接於各觸點114、116、126等。 15 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諸於如 附申請專利範圍内的該等選擇及修正變化。 【圖式簡單說明】 20 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 被除去。 第3圖為本發明之一閂鎖繼電器的截面圖。 第4圖為本發明另一實施例之閂鎖繼電器的頂視圖，其 15 200421382 蓋層已被除去。 第5圖為本發明另一實施例之閂鎖繼電器的截面圖。 第6圖為依據本發明之概念的電路基板之頂板圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 100…繼電器 114,116···固定電觸點 102…電路基板 118，120…可動電觸點 106…蓋層 122…液滴 104…切換層 124…液團 108···切換腔穴 202,204,206···電線路 W 110…壓電元件 126…電觸點 t 16

Claims (1)

1. 200421382 請專利範圍： 1· 一種繼電器，包含 一繼電器殼體含有一切換腔穴； 第一與第二固定觸點固設於該繼電器殼體内的切 5 換腔穴中，而各具有一可潤濕表面； 弟一與弟二可動電觸點設在第一與第二固定電觸 點之間，該第一與第二可動電觸點各具有一可潤濕表 面； 一第一導電液團潤濕地接觸第一可動電觸點和第 10 一固定電觸點； 一第二導電液團潤濕地接觸第二可動電觸點和第 二固定電觸點；及 一壓電致動器在一靜止位置時具有一固定端固設 於該繼電器殼體，及一自由端撐設該第一與第二可動電 15 觸點，該壓電致動器係可操作來沿-第-方向移動該自 由立而以減J第-可動電觸點與第一固定電觸點之間距 而增加第二可動電觸點與第二固定觸點之間距，及沿一 第二方向來增加第一可動電觸點與第-固定電觸點之 間距，而減少第二可動電觸點與第二固定電觸點之間 2〇 距；其中： 該壓電致動器之自由端沿第一方向的動作，會使該 第一導電液團造成第一可動電觸點和第-固定電觸點 門的，接’亚斷開第二可動電觸點和第二固定電觸點 之間由第二導電液團造成的連接；及 17 200421382 該壓電致動器之自由端沿第二方向的動作，將會斷 開第一可動電觸點和第一固定電觸點之間由第一導電 液團造成的連接，並使該第二導電液團造成第二可動電 觸點和第二固定電觸點之間的連接。 5 2.如申請專利範圍第1項之繼電器，其中該第一與第二導 電液團係為液怨金屬液滴。

   3.如申請專利範圍第1項之繼電器，其中該第一與第二導 電液團在當該致動器回復至其靜止位置時，已連接的液 團仍會保持連接，而已分開的液滴仍會保持分開。 10 4.如申請專利範圍第1項之繼電器，更包含： 一電路基板設有對該壓電致動器，該第一和第二可 動電觸點及第一和第二固定電觸點等之電連接物； 一蓋層；及 一切換層位於該電路基板與蓋層之間，且其中設有 15 該切換腔穴。

   5. 如申請專利範圍第4項之繼電器，其中至少有一針對第 一和第二固定電觸點及第一和第二可動電觸點等之電 連接物，會穿過該電路基板並終接於一焊球。 6. 如申請專利範圍第4項之繼電器，其中至少有一針對第 20 一和第二固定電觸點及第一和第二可動電觸點等之電 連接物，係為一沈積在該電路基板表面上的線路。 7. 如申請專利範圍第4項之繼電器，其中至少有一針對第 一和第二固定電觸點及第一和第二可動電觸點等之電 連接物，會終接於該切換層之一邊緣。 18 200421382 5 10 8.如申請專利範圍第4項之繼電器，係由微機製方法所製 成。 9·如申請專利範圍第1項之繼電器，其中該第一與第二固 定電觸點係互相電連接。 10. 如申請專利範圍第1項之繼電器，其中該第一與第二可 動電觸點係互相電連接。 11. 一種用來在一繼電器中，切換在第一可動觸點與第一固 定觸點之間的第一電路，及在第二可動觸點與第二固定 觸點之間的第二電路之方法，該繼電器包含一壓電致動 器具有一固定端固設於該繼電器，及一自由端將該第一 和第二可動觸撐持於第一和第二固定觸點之間；該方法 包含：

   15 20 若要選擇第一電路，則： 充能該壓電致動器使其變形呈彎曲狀，而沿第一方 向移動該壓電致動器的自由端，以將第一可動觸點移向 第一固定觸點，並使被該第一可動觸點與第一固定觸點 之至少一者所撐持之一第一導電液體，潤濕於該第一可 動觸點和第一固定觸點之間來完成該第一電路；及 若要選擇第二電路，則： 充能該壓電致動器使其變形呈彎曲狀，而沿第二方 向移動該壓電致動器的自由端，以將第二可動觸點移向 第二固定觸點，並使被該第二可動觸點與第二固定觸點 之至少一者所撐持之一第二導電液體，潤濕於該第二可 動觸點和第二固定觸點之間來完成該第二電路。

   19 200421382 12.如申請專利範圍第11項之方法，其中： 該壓電致動器之自由端沿第一方向的運動會將第 二可動觸點由第二固定觸點移開，致使第二導電液體不 能濕接於第二可動觸點和第二固定觸點之間，而會中斷 5 第二電路；及

   該壓電致動器之自由端沿第二方向的運動會將第 一可動觸點由第一固定觸點移開，致使第一導電液體不 能濕接於第一可動觸點和第一固定觸點之間，而會中斷 第一電路。 10 13.如申請專利範圍第11項之方法，更包含： 若要選擇第一電路，則： 在第一導電液體濕接於第一可動觸點和第一固定 觸點之後來將該壓電致動除能；及 若要選擇第二電路，則： 15 在第二導電液體濕接於第二可動觸點和第二固定

   觸點之後來將該壓電致動除能。 20