TW583701B - A longitudinal piezoelectric optical latching relay - Google Patents

Description

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(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ^ ι電材料及磁致伸縮性材料（下文統稱為“壓電材料，，） 系在知加電场或磁場時產生變形，因此在使用壓電材料 作為致動器時能夠控制兩表面的相對位置。 —壓電性係為描述受到施加應力日寺變成電性極化的特 定晶體所表現性質之-般謂，石英為壓電晶體的一種良 好範例。若應力施加至此晶體，將形成與所施加應力成正 比之一電矩。 上述即為直接壓電效應。相反地，若一壓電晶體放在 一電場上時略微改變形狀，則為反向壓電效應。 訂· 種隶常用的壓電材料為上述的石英，亦可由譬如電 氣石及洛瑟爾鹽（Rochelle salt)等鐵電晶體展現壓電性，其 係為自發極化並且其顯示的壓電效應為此極化作用的改 變。其他壓電材料包括特定陶瓷材料及特定聚合物材料， 因為壓電材料能夠控制兩表面的相對位置，過去已採用壓 電材料作為閥致動器及顯微鏡的位置控制器。壓電材料尤 其疋陶兗型壓電材料係能夠產生大的力量，但在施加大電 壓時只能夠產生小的位移。在壓電陶瓷的情形中，此位移 的最大值可為材料長度的0.1 %，因此，對於需要小位移的 應用已採用壓電材料作為閥致動器及位置控制器。 對於每單位施加電壓產生更大位移之兩種方法包括： 雙壓電晶片組裝件（bimorph assemblies)及堆疊組裝件 (stack assemblies)。雙壓電晶片組裝件係將兩壓電陶兗材 料結合在一起並在邊緣由一外圈加以束限，所以在施加一 583701 A7 ~---— —_£7_ 五、發明説明（2 ) ~ -— 電壓日寸其中一種壓電材料將膨脹。所產生的應力係使材料 形成一圓頂’圓頂中心、的位移大於各別材料的收縮或膨 脹。=而，雙壓電晶片組裝件的外圈束限將減小可得到的 位移置。並且，一雙壓電晶片組裝件所產生之力量係明顯 小於各別材料的收縮及膨脹所產生之力量。 堆s組I件包含與連接在一起的電極呈交織狀之多 f壓電材料’跨過電極的—電壓可使堆疊膨脹或收縮，堆 疊的位移係等於各別材料的位移之總和。因此，為了達成 合理的位移距離，需要一極高的電壓或許多層。然而，由 於壓電材料及安裝有堆疊的材料之熱膨脹，習知的堆疊致 動器係喪失位置控制作用。 由於壓電材料的高強度或勁度（stiffness)，其能夠對抗 大力里（譬如作用在大表面積上的高壓所產生之力量）而開 啟及關閉。因此，藉由壓電材料的高強度可採用一大的閥 開口，藉以降低將閥開啟或關閉所需要的位移或致動。 白知的壓電致動繼電器中，藉由移動一機械性元件 使兩電極組件接觸以“關閉，，繼電器，並藉由移動此機械性 元件使兩電極組件不再接觸以“開啟，，繼電器。電切換點係 對應於固體電極的電極組件之間的接觸點，但習知的壓電 致動繼電器並不易閂鎖。若可獲得閂鎖，則使用一壓電材 料中的一殘留電荷或使用包含一閂鎖機構的開關接觸點。 習知的光學繼電器及繼電器陣列利用光學路徑中的 氣泡生成來切換光學訊號而且不閂鎖，並且，氣泡型繼電 器容易有大的耗電量且容易不良地發熱。 本紙張尺度適用中國國表標準（cns) A4規格（210X297公爱）

——ri:f! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 583701 A7 一 ___B7_ 五、發明説明（3 ) 發明概述 本發明有關於一種微機電系統（MEMS)致動器總成， 並且’本發明為一種利用一譬如汞等液體金屬進行切換及 閂鎖之壓電致動光學繼電器。 本發明為一種壓電致動式閂鎖繼電器，繼電器的操作 係利用一壓電元件以延伸模式縱向位移，壓電元件使一液 體金屬滴位移並使其濕潤於至少一組接觸墊與至少另一組 接觸墊之間。液體金屬的定位可阻擋住光學路徑，令液體 金屬滴改變位置的相同動作可在壓電元件或靠近的基材上 之一接觸墊與固定的墊之間使光學路徑不受阻擋。 壓電元件具有快速的動作並使得賦予液體金屬滴的 動畺可克服令液體金屬滴體積與致動壓電元件附近的接觸 墊保持接觸之表面張力，此開關藉由表面張力及濕潤至接 觸墊之液體金屬來進行閂鎖。 1式簡單說明 參照下列圖式可更加暸解本發明，圖中的組件未必為 實際比例，重點在於清楚地顯示本發明的原理。 第1圖為本發明一項實施例之側視圖，其中顯示一繼 電器100的四層； 第2圖顯示根據本發明之一繼電器i 〇〇的一項實施例 之剖側視圖； 第3圖顯示根據本發明之一繼電器ι〇〇的一項實施例 之剖視圖； 第4A圖顯示壓電層13〇的俯視圖； 本紙張尺度適财關_準（⑽概格（2歡297公幻 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 583701 五 、發明説明（4 弟4B圖顯示根播太义 艨本發明之一繼電器的一壓電層的剖 側視圖； —第5圖為具有開關接觸點192之基材層15〇的俯視圖； -第6A圖為-繼電器之_壓電層的俯視圖，其中顯示慶 電元件及室； 第6B圖為根據本發明之一繼電器的壓電層的剖視圖； 第7圖顯示根據本發明之一通道層的俯視圖； 第8A圖顯示根據本發明之一蓋層11〇的仰視圖； 第8B圖顯示根據本發明之_繼電器的一蓋層的剖視 圖； 第9A圖為壓電層14〇的一替代性實施例，其中顯示壓 電元件190及室180 ; 第9B圖為第9A圖的點Α·Α所取之一繼電器的一壓電 層之剖視圖。 曼明詳細描沭 第1圖為本發明的一實施例的側視圖並顯示一繼電器 100的四層。頂層110提供用於繼電器100的切換機構之一蓋 並長:供用於繼電器100的切換機構之一阻障；第二層為一通 道層120;第三層140為壓電層並包含繼電器1〇〇的切換機構 (未圖示），蓋層110及通道層120可防止暴露出壓電層内的 切換機構；一基材層150位於壓電層140下方，基材層15〇 作為一基底並對於可能出現的多個電路元件作為一共同美 礎。圖中一光纖路徑130從壓電層140的頂部延伸，光纖路 徑130延伸通過層140而提供一種光學訊號傳輸用的装置。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公釐） 0^ 、可----------…… (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 7 Α7 ---------— —____Β7 五、發明説明（-- 第圖”、、員不根據本發明之一繼電器100的一實施例之 剖側視圖’第2圖亦為第1圖的剖視圖，基材層no形成固體 層而提_供—阻障及/或與其他電子組件連接的-媒體。蓋層 110為一種具有-洩壓室160之介電材料，洩壓室160提供一 種用於使[電層14〇内含的—切換機構汽除壓力之裝置。通 運層120為-種具有通道m之介電材料，通道1观泡壓室 160與壓電層的一切換室180連接。壓電層140的室180係容 置有繼電器100所用之一切換機構。 切換機構包含一對壓電元件19〇、複數個開關接觸點 2及可私式液體194，壓電元件19〇位於室18〇内而彼此 相對’可移式液體194位於壓電元件⑽之間的兩部份中， 可&式液體194為導電性並具有可濕潤至開關接觸點192的 物理特彳政。本發明的一項較佳實施例中，可移式液體194 為月b夠濕潤至開關接觸點丨92之一液體金屬，其中一種液體 =屬為鍺。本發明的一項最佳實施例中，液體金屬為汞。 光纖路徑130進入及離開圖示平面但未顯示於第2圖。 操作時，切換機構的操作係利用壓電元件19〇的縱向 位移，將一電荷施加至壓電元件19〇使得壓電元件19〇延 伸。藉由壓電元件190的延伸可使可移式液體滴194產生位 移，壓電兀件190具有快速及強制的延伸而造成液體194的 乒乓（Ping-P〇ng)效應。液體194濕潤至接觸墊192而造成閂 鎖效應，當從壓電元件19〇移除電荷時，液體並不回到原始 位置而疋仍對接觸墊192保持濕潤。第2圖中，左方的壓電 元件190已經荷電造成延伸並使液體丨94物理衝擊使其一部 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） --------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •訂| 583701 A7 _______B7 I五、發明説明（6 ) "" A以/ 4作用向右而與濕潤至右遠方接觸塾的液體⑼ 0 #彡Ji㉛〖電元件i 90具有快速的延伸動作並使得賦 予液體滴194的動量可克服令液體滴194體積與接觸墊保持 #觸之表面張力’切換機構利用表面張力及濕潤至接觸塾 之液體194產生閂鎖。 第3圖顯示根據本發明之一繼電器1〇〇的一實施例的 視圖為方便參照，第3圖為第2圖的偏轉9〇度圖，蓋層 110、通道層120、光纖130、壓電層14〇及基材層15〇依照本 發明進行堆疊。圖中，室18〇位於壓電層14〇中且具有一個 附接至基材層150的開關接觸點192，光纖13〇沿著壓電層 140頂部行進，在光纖13〇中具有一個設有室18〇之破裂部。 第3圖中，光纖130的兩部份之間的光學路徑不受阻礙，沿 著光纖130行進的光學訊號將從光纖的一部份無阻地通行 至另一部份，液體金屬194未顯示於第3圖，液體金屬的定 位可使得光學路徑受到阻擋或不受阻擔。 第4A圖顯示壓電層130的俯視圖，壓電元件ι9〇在液體 金屬通路室1 80内彼此相對定位。圖中未顯示一種位於元件 190之間的可移式液體，圖中三個開關接觸點192配置於壓 電元件19 0之間’圖中未顯示壓電元件所用之電路跡線，熟 | 悉此技藝者暸解此等電路跡線的放置與使用方式。一對光 纖130行經通過壓電層140,光纖130的間隔可使其在開關接 觸點192之間隙與室180相交，在與室18〇交會處的光纖13〇 中具有一破裂部。由於一部份的可移式液體（未圖示）移動 使其配置於兩金屬接觸點（如第2圖所示）上方，而阻擔住其 ---------- - 本紙張尺度適用中國國家標準（) A4規格（210X297公釐） -9 _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 583701 A7 ---— ___ B7 T、發明 —— 中一個光纖130的一訊號路徑。 第4B圖顯示根據本發明之一繼電器的一壓電層之剖 侧視圖，一對光纖13〇出現在層14〇頂部，光纖放置在壓電 層140頂部的溝槽内，熟悉此技藝者暸解：在本發明範圍 内，光纖130具有替代性的放置方式。一範例中，光纖Η。 可放在層140中間的孔内，位於壓電層中任何位置之孔均可 由可移式液體194加以阻擔。 第5圖顯示具有開關接觸點192之基材層15〇的俯視 圖，如第5圖所示，開關接觸點192可經由基材15〇連接至相 對側之焊球（未圖示）以供訊號繞行。或者，電路跡線及接 觸墊192可設置於第5圖所示的側上，基材層ι5〇為一實心的 介電材料片，基材層15〇作用係為埋設在繼電器1〇〇下形成 室140的底部，各該等接觸墊192具有至少一部份位於室内。 第6A圖為一繼電器100的一壓電層之俯視圖並顯示壓 電元件190及室18〇，壓電元件19〇在室18〇端點處彼此相對 配置’圖中未顯示可移式液體194及壓電元件190所用之電 路跡線。第6B圖顯示第6圖的壓電層之剖視圖，壓電層14〇 包含一用於形成室180的側邊之包封劑21〇，熟悉此技藝者 瞭解，包封劑210為一種介電物質。 第7圖顯示根據本發明之一通道層12〇的俯視圖，通道 層120包含一固體介電物質及一對通道23〇，通道23〇對於來 自蓋層110的洩壓室16〇(未圖示）及室14〇(未圖示）之空氣提 供通路。 第8A圖顯示根據本發明之一蓋層11〇的仰視圖，蓋層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公楚） 10 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂| 583701 A7 ___ _B7_ 五、發明説明（8 ) 110包含一種具有一溝槽240之固體介電物質，溝槽24〇放在 通道層120頂部時作為一洩壓室16〇。第紐圖顯示根據本發 明之一繼電器的一蓋層110之剖視圖，一蓋層11〇的此範例 中’溝槽240並未完全延伸通過此層。 第9A圖為壓電層140的一替代性實施例並顯示壓電元 件190及室180，一通氣通路250係耦合接觸墊192之間的空 間，圖中未顯示可移式液體194及壓電元件19〇所用之電路 跡線，當可移式液體194自室180—側衝擊至另一側時，通 氣通路1220可使室180通氣。空氣的通氣作用可使得可移式 液體194不受阻地移動，通氣通路220在接觸墊192之間的點 處與室140重合。本發明另一替代性實施例顯示於第9A 圖’一濕潤墊260附接至各壓電元件190的端點，添加一濕 潤塾260將可增加液體的濕潤藉以改良繼電器的閂鎖作用。 第9B圖顯示第9A圖的點A-A所取之一繼電器的一壓 電層之剖視立體圖，此實施例中，通氣通路2 5 〇不完全延伸 通過壓電層140的全部厚度，熟悉此技藝者瞭解：通氣通路 220可完全延伸通過壓電層14〇的厚度或可僅從任一側部份 地延伸。熟悉此技藝者進一步暸解：光纖（未圖示）將延伸通 過通氣通路；或者通氣通路的構造方式可避開光纖。 在使用如第7A及7B圖所示具有壓電層140的通氣通路 之本發明的一實施例中，熟悉此技藝者暸解並不需要通道 層120及洩壓室16〇。此替代性實施例中，根據本發明之一 繼電器將包含一介電物質的一固體蓋層110、一容置有切換 機構之壓電層140、及一基材層150。 本紙張尺度適用中國國家標準（as) A4規格（210χ297公釐） 11 !#,-------------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

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抑必凡饮醫f目緊解 供示範，已瞭解存在多種 、、^立移賴電元件僅 譬如可使用-彎曲模式仃树明之㈣模式， 止士 件或一剪模式壓電元件。、隹 獨：瞭解本發明相關的問鎖機構係與賦予液體移動之穿置 f热關，任何能夠賦予足以造成兵兵效應、 皆可滿足本發明。 里巧衮置 一可利用小尺寸u加卫技術來製造根據本發明之一繼 電為’亚且’根據本發明之„繼電器具有短的切換時間， 塵電驅動式熱噴墨列印頭具有數仟赫兹的發射頻率，且本 發明之一繼電器因為呈古、告a + g / ^ u為具有延比贺墨系統更簡單的流體力 ¥ ’所以甚至應有更快速的頻率。因為僅有的熱產生器係 為壓電7L件以及通過開關導體的電流與控制通路，所以亦 應盡量減少發熱。 上文雖只描述本發明的特定實施例，熟悉此技藝者瞭 解可在申請專利範圍範圍内作出各種修改。 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 583701 A7 B7 五、發明説明（l〇 ) 100.· •繼電器 110" •蓋層 120·· •通道層 130" •光纖路徑 140·· •壓電層 150·· •基材層 160" •洩壓室 170" •通道 180" •切換室 180" •液體金屬通路室 元件標號對照 190…壓電元件 192…開關接觸點 194…可移式液體 210…包封劑 220…通氣通路 230…通道 240…溝槽 250…通氣通路 260…濕潤墊 ---------:…費------------------、矸---------------0 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 583701 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 1. 2. 一種閂鎖壓電光學繼電器（100)，其包含： 一第一層（110)，其包含一介電物質； (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 一第二層（120)，其位於該第一層下方並包含一介 電物質； 一第三層（140)，其位於該第二層下方並包含一介 電物質及一壓電切換機構； 一第四層（150)，其位於該第三層下方；及 一光學路徑（130)，其行進經過該第三層； 訂丨 其中該壓電切換機構包含一室（18〇); 一第一、第 二及第三接觸墊（192)彼此等距分隔，各該等接觸墊 (192)具有至少一部份位於該室（18〇)内且其中位於該 等墊（192)之間的一分隔係與該光學路徑（13〇)相交；一 第一及第二壓電元件（丨9〇)彼此相對配置在該室（18〇) 内，及一位於該室（180)内之可移式導電液體（194)，該 液體（194)的一第一部份濕潤至第一個該等接觸墊 (192)且該液體（194)的一部份濕潤至第二個及第三個 該等接觸墊（192);及 其中濕潤至該等第二及第三個接觸墊（192)之該 液體（192)部份係可移往該濕潤至該第一個接觸墊 (192)之部份，且其中該液體的移動係使該光學路徑 (130)受到阻擋。 如申請專利範圍第1項之繼電器（100)，其中該第一層 (11〇)具有一溝槽而形成一室（160)，且該第二層具有一 對通道（17〇)，該對通道（170)係與該等墊（192)之間的

   583701 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 3· 4. 5. 6. 7. 8. 9. 分隔對應地分佈。 如申請專利範圍第2項之繼電器（1〇〇)，其進一步包含 一第二光學路徑（130)，該第二光學路徑（13〇)係與不和 該第一光學路徑（130)相交之該等訊號墊之間的分隔 父會’且其中該液體（194)的移動將使得該光學路徑 (130)不受阻擔。 如申請專利範圍第3項之繼電器（100)，其中該可移式 液體（194)為采。 如申請專利範圍第3項之繼電器（1〇〇)，其中該可移式 液體（194)為錯。 如申請專利範圍第丨項之繼電器（1〇〇)，其中該第三層 〇4〇)進一步包含一通氣通路（250)，該通氣通路（25〇) 係在該等墊（192)的分隔之間延伸。 如申請專利範圍第6項之繼電器（1〇〇)，其進一步包含 一第二光學路徑（130)，該第二光學路徑（13〇)係與不和 该第一光學路徑（130)相交之該等訊號墊（192)之間的 分隔交會，且其中該液體（194)的移動可使該光學路徑 (130)不受阻擔。 如申請專利範圍第7項之繼電器（100),其中該可移式 液體為采。 如申請專利範圍第7項之繼電器（100)，其中該可移式 液體為鍺。 一種光學壓電繼電器（100)，其包含彼此相對配置於一 室（180)中之一第一及第二壓電致動元件（19〇)，配置於 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、可I 15 10. 583701 A8 B8 C8 _ D8 六、申請專利範圍 該等第一及第二元件（190)之間之一可移式液體 (194)，及與該室（180)交會之一光學路徑（13〇)，其中 該第一元件（190)的致動將造成該液體（194)的一第一 移動，而該液體（194)的第一移動將使該光學路徑（13〇) 受到阻擋，且該第二元件（190)的致動將造成該液體 (194)的一第二移動，而該第二移動將使該光學路徑 (130)不受阻擋。 11. 如申請專利範圍第10項之繼電器（1〇〇)，其進一步包含 在該室（180)内彼此等距分隔且配置於該等元件（19〇) 之間之一第一、第二及第三接觸墊（192)，使得該可移 式液體（194)濕潤至該等墊（192)而造成閃鎖。 12. 如申請專利範圍第ii.項之繼電器（1〇〇)，其進一步包含 一第二光學路徑（13〇)，其中該第一光學路徑（13〇)係在 該等訊號墊（192)的一第一分隔而與該室（18〇)相交 會，且該第二光學路徑（130)係在該等訊號墊（192)的一 弟一分隔而與該室（180)相交會，且其中該液體（194) 的第一移動將使該第二光學路徑（13〇)不受阻擋，且該 液體（194)的弟一移動將使該第二光學路徑（13 〇)受到 阻擋。 本紙張尺度適用中國國家標準（娜〉A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂丨 16