CN1774781A - 插指式液体金属继电器 - Google Patents

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CN1774781A CNA2004800097726A CN200480009772A CN1774781A CN 1774781 A CN1774781 A CN 1774781A CN A2004800097726 A CNA2004800097726 A CN A2004800097726A CN 200480009772 A CN200480009772 A CN 200480009772A CN 1774781 A CN1774781 A CN 1774781A
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保罗·托马斯·卡若森
马文·格伦·黄
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Abstract

一种电气继电器，包括两个支撑导电液体(126)的可湿电触头(118、120)。执行器(130、132或140)的动作使不可湿开关指状物(114)在两个电触头之间的第一和第二位置之间移动。在第一位置中，开关指状物准许导电液体(126)桥接触头(118、120)之间的间隙，从而使这些触头之间的电路完整。在第二位置中，开关指状物使导电液体分离为两个部分，这切断了这些触头之间的电路。开关指状物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

插指式液体金属继电器
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10011056-1，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10030440-1，题为″Wetting Finger Liquid Metal Latching 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。
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，其将导电液体用于开关机构。该继电器使用压电元件来使开关指状物防止或准许在两个固定的电触头之间形成导电液体桥。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闭合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闭合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打开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打开状态的继电器的剖视图。
图8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9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10是根据本发明某些实施例处于闭合状态的继电器的顶视图。
图11是根据本发明某些实施例的继电器的剖视图。
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，其中通过非导电、不可湿的指状物的动作，从而防止或准许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。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。压电元件可以以弯曲或延伸模式工作。在存在磁场时变形的诸如Terenol-D之类的磁限执行器(gnetorestrictive actuator)可以被用作压电执行器的替换。因此，将压电执行器和磁限执行器总称为“压电执行器”。
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：使得该液体在这些触头之间形成桥，该桥由液体中的表面张力维持。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，并且被部分插入到导电液体容量126中。导电液体126填充两个电触头之间的间隙，但是不浸湿不可湿盘124。在本实施例中，附接到梁的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。由于液体金属桥接电触头之间的间隙，所以开关处于闭合状态。在本实施例中，附接到梁的侧面的一个或两个压电元件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。该开关处于打开状态。压电元件130和132的动作已使梁112弯曲，这使开关指状物114插入到导电液体容量126中，并且将该容量分离为两个部分。这切断了两个电触头之间的电连接，从而使电路断开。开关指状物是不可湿的并且是不导电的。
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，从而该容量分离为两个部分，并且切断了电连接。
在本发明的该实施例中，电触头之间的电路是完整的，除非执行器被激发。在本发明的另一实施例中，在压电执行器未被激发时开关指状物分离导电液体容量，并且在执行器被激发时开关指状物被部分抽出，从而使电路变完整。在这另一实施例中，电触头之间的电路是切断的，除非执行器被激发。
图8是继电器的基板层106的顶视图。两个电触头118和120被固定到不可湿盘，然后这些盘被固定到基板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9中示出了电路基板的侧视图。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10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。在本配置中，梁放大了压电元件的运动，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11是通过图10中的剖面11-11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。当电压被施加过压电元件，该压电元件以膨胀模式变形(图中的垂直方向)，并且横向作用于梁112。然后，这就使开关指状物114移动。
图12是图10中的继电器的顶视图，其示出了该开关处于打开状态。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移动到导电液体容量126中，将其分离为两部分，从而切断了电触头之间的电路。
图13是图10、11和12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)，其在所述开关腔中，并且具有可湿表面；
第二电触头(120)，其在所述开关腔中，与所述第一电触头隔离，并且具有可湿表面；
导电液体(126)，其与所述第一和第二电触头湿接触；
梁(112)，其具有固定端和自由端，所述固定端在所述开关腔内附接到所述继电器外壳；
不可湿开关指状物(114)，其附接到所述梁的所述自由端，并且可在所述第一和第二电触头之间移动；和
压电执行器(130、132或140)，其可操作来使所述梁横向移动，从而使所述开关指状物在第一位置和第二位置之间移动；
其中，当所述开关指状物(114)处于所述第一位置时，所述导电液体(126)桥接所述第一(118)和第二(120)触头之间的空间，从而使所述第一和第二触头之间的电路完整，并且当处于所述第二位置时，所述开关指状物(114)将所述导电液体分离为两部分，从而切断所述第一和第二触头之间的电路。
2.如权利要求1所述的电气继电器，其中，当所述压电执行器(130、132或140)被激发时所述开关指状物(114)处于所述第一位置，而当所述压电执行器未被激发时，所述开关指状物(114)处于所述第二位置。
3.如权利要求1所述的电气继电器，其中，当所述压电执行器(130、132或140)被激发时所述开关指状物(114)处于所述第二位置，而当所述压电执行器未被激发时，所述开关指状物(114)处于所述第一位置。
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的纵向方式变形，从而使所述梁(112)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的壁和梁(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的膨胀方式变形，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)。
8.一种用于开关电气继电器中的电路的方法，所述电路由第一可湿触头(118)和第二可湿触头(120)之间的导电液体(126)桥构成，所述方法包括：
激发执行器(130、132或140)，以在第一位置和第二位置之间移动不可湿指状物(114)，其中，在所述第一位置中所述导电液体桥是完整的，在所述第二位置中所述导电液体桥被所述不可湿指状物(114)切断。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述继电器包括具有固定端和固定端的梁(112)，以及被附接到所述梁的自由端的所述不可湿指状物(114)，其中激发所述执行器的步骤包括：
激发附接到所述梁(112)的一侧的压电执行器(130或132)，以在沿所述梁的长度的纵向方向上变形，从而使所述梁弯曲，并移动所述不可湿指状物(114)。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述继电器包括具有固定端和固定端的梁(112)，以及被附接到所述梁的自由端的所述不可湿指状物(114)，其中激发所述执行器的步骤包括：
激发与所述梁和所述继电器的外壳相接触的压电执行器(140)，以在基本垂直于所述梁的长度的方向上变形，从而使所述梁(112)偏转，并移动所述不可湿指状物(114)。
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