DE10231935A1

DE10231935A1 - Longitudinales, piezoelektrisches, optisches Verriegelungsrelais

Info

Publication number: DE10231935A1
Application number: DE10231935A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Wong; Arthur Fong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: GB2381595B; US7078849B2; DE10231935B4; GB0224877D0; GB2381595A; TW583701B; JP2003222810A; US20030080650A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist ein piezoelektrisch betätigtes Relais, das verriegelt. Das Relais arbeitet durch die longitudinale Verschiebung eines piezoelektrischen Elements in einem Ausdehnungsmodus. Das piezoelektrische Element verschiebt einen flüssigen Metalltropfen und bewirkt, daß derselbe zumindest zwischen einem Satz von Kontaktanschlußflächen und zumindest einem anderen Satz von Kontaktanschlußflächen benetzt. Das Positionieren des flüssigen Metalls bewirkt, daß der optische Weg blockiert wird. Die gleiche Bewegung, die bewirkt, daß der flüssige Metalltropfen die Position ändert, kann bewirken, daß der optische Weg zwischen der festen Anschlußfläche und einer Kontaktanschlußfläche auf dem piezoelektrischen Element oder einem Substrat in der Nähe desselben frei wird. DOLLAR A Die Bewegung des piezoelektrischen Elements ist schnell und bewirkt, daß der übertragene Impuls des Flüssigmetalltropfens die Oberflächenspannungskräfte überwindet, die die Masse des Flüssigmetalltropfens in Kontakt mit der Kontaktanschlußfläche oder Kontaktanschlußflächen in der Nähe des betätigenden piezoelektrischen Elements halten würden. Der Schalter verriegelt durch die Oberflächenspannung und dadurch, daß das flüssige Metall die Kontaktanschlußflächen benetzt.

Description

Piezoelektrische Materialien und magnetostriktive Materialien (nachfolgend gemeinsam als "piezoelektrische Materialien" bezeichnet) deformieren sich, wenn ein elektrisches Feld oder ein Magnetfeld angelegt wird. Somit sind piezoelektrische Materialien, wenn sie als Betätigungsvorrichtung verwendet werden, in der Lage, die relative Position von zwei Oberflächen zu steuern.

Piezoelektrizität ist der allgemeine Begriff zum Beschreiben der Eigenschaft, die von bestimmten Kristallen gezeigt wird, die elektrisch polarisiert werden, wenn eine mechanische Belastung an dieselben angelegt wird. Quarz ist ein gutes Beispiel für ein piezoelektrisches Kristall. Falls an ein solches Kristall eine mechanische Belastung angelegt wird, entwickelt dasselbe ein elektrisches Moment proportional zu der angelegten mechanischen Belastung.

Dies ist der direkte piezoelektrische Effekt. Falls es dagegen auf ein elektrisches Feld plaziert wird, ändert ein piezoelektrisches Kristall seine Form leicht. Dies ist der umgekehrte piezoelektrische Effekt.

Eines der am häufigsten verwendeten piezoelektrischen Materialien ist das vorher erwähnte Quarz. Ferroelektrische Kristalle, z. B. Turmalin und Rochellesalz, zeigen ebenfalls Piezoelektrizität. Diese weisen bereits eine spontane Polarisation auf, und der piezoelektrische Effekt zeigt sich in denselben als eine Änderung bei dieser Polarisation. Andere piezoelektrische Materialien umfassen bestimmte Keramikmaterialien und bestimmte Polymermaterialien. Da dieselben in der Lage sind, die relative Position von zwei Oberflächen zu steuern, wurden piezoelektrische Materialien in der Vergangenheit als Ventilbetätigungsvorrichtungen und Positionssteuerungen für Mikroskope verwendet. Piezoelektrische Materialien, insbesondere diejenigen des keramischen Typs, sind in der Lage, eine große Menge an Kraft zu erzeugen. Sie sind jedoch nur in der Lage, eine kleine Verschiebung zu erzeugen, wenn eine große Spannung angelegt wird. In dem Fall von piezoelektrischer Keramik kann die Verschiebung ein Maximum von 0,1% der Länge des Materials betragen. Somit wurden piezoelektrische Materialien als Ventilbetätigungsvorrichtungen und Positionssteuerungen für Anwendungen verwendet, die kleine Verschiebungen erfordern.

Zwei Verfahren zum Erzeugen von mehr Verschiebung pro Einheit angelegter Spannung umfassen bimorphe Anordnungen und Stapelanordnungen. Bimorphe Anordnungen weisen zwei piezoelektrische Keramikmaterialien auf, die miteinander verbunden sind und an ihren Kanten durch einen Rand begrenzt sind, so daß sich eines der piezoelektrischen Materialien ausdehnt, wenn eine Spannung angelegt wird. Die resultierende mechanische Belastung bewirkt, daß die Materialien eine Kuppel bilden. Die Verschiebung an der Mitte der Kuppel ist größer als die Schrumpfung oder Ausdehnung der einzelnen Materialien. Das Begrenzen des Rands der bimorphen Anordnung verringert jedoch die Menge an verfügbarer Verschiebung. Darüber hinaus ist die Kraft, die durch eine bimorphe Anordnung erzeugt wird, wesentlich geringer als die Kraft, die durch die Schrumpfung oder Ausdehnung der einzelnen Materialien erzeugt wird.

Stapelanordnungen enthalten mehrere Schichten von piezoelektrischen Materialien, die mit Elektroden verschachtelt sind, die miteinander verbunden sind. Eine Spannung über die Elektroden bewirkt, daß sich der Stapel ausdehnt oder zusammenzieht. Die Verschiebung des Stapels ist gleich der Summe der Verschiebung der einzelnen Materialien. Um somit vernünftige Verschiebungsabstände zu erreichen, ist eine sehr hohe Spannung oder viele Schichten erforderlich. Herkömmliche Stapelbetätigungsvorrichtungen verlieren jedoch Positionssteuerung aufgrund der Wärmeausdehnung des piezoelektrischen Materials und des Materials/der Materialien, auf dem/denen der Stapel befestigt ist.

Aufgrund der hohen Festigkeit oder Steifheit des piezoelektrischen Materials ist es in der Lage, sich gegen hohe Kräfte zu öffnen und zu schließen, wie z. B. die Kraft, die durch einen hohen Druck erzeugt wird, der auf einen großen Oberflächenbereich wirkt. Somit ermöglicht die hohe Festigkeit des piezoelektrischen Materials die Verwendung einer großen Ventilöffnung, die die Verschiebung oder Betätigung verringert, die notwendig ist, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen.

Bei einem herkömmlichen piezoelektrisch betätigten Relais wird das Relais durch Bewegen eines mechanischen Teils "geschlossen", so daß zwei Elektrodenkomponenten in Kontakt sind. Das Relais wird durch Bewegen des mechanischen Teils "geöffnet", so daß die zwei Elektrodenkomponenten nicht mehr in Kontakt sind. Der elektrische Schaltpunkt entspricht dem Kontakt zwischen den Elektrodenkomponenten der festen Elektroden. Herkömmliche piezoelektrisch betätigte Relais verriegeln jedoch nicht leicht. Falls eine Verriegelung verfügbar ist, wird eine Restladung in dem piezoelektrischen Material oder das Schalten von Kontakten, die einen Verriegelungsmechanismus enthalten, verwendet.

Herkömmliche optische Relais und Relaisarrays verwenden die Erzeugung von Blasen in dem optischen Weg, um die optischen Signale zu schalten, und verriegeln nicht. Ferner neigen Blasentyprelais dazu, einen großen Leistungsverbrauch aufzuweisen und unerwünschte Wärme zu erzeugen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches optisches Verriegelungsrelais mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Relais gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 10 gelöst.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mikroelektromechanische System-(MEMS-; MEMES = microelectromechanical)Betätigungsvorrichtungsanordnung. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung ein piezoelektrisch betätigtes optisches Relais, das durch ein flüssiges Metall, wie z. B. Quecksilber, schaltet und verriegelt.

Die vorliegende Erfindung ist ein piezoelektrisch betätigtes Relais, das verriegelt. Das Relais arbeitet durch die longitudinale Verschiebung eines piezoelektrischen Elements in einem Ausdehnungsmodus. Das piezoelektrische Element verschiebt einen flüssigen Metalltropfen und bewirkt, daß derselbe eine Benetzung zumindest zwischen einem Satz von Kontaktanschlußflächen und zumindest einem anderen Satz von Kontaktanschlußflächen bewirkt. Das Positionieren des flüssigen Metalls bewirkt, daß der optische Weg blockiert wird. Die gleiche Bewegung, die bewirkt, daß der flüssige Metalltropfen die Position ändert, kann bewirken, daß der optische Weg zwischen der festen Anschlußfläche und einer Kontaktanschlußfläche auf dem piezoelektrischen Element oder dem Substrat in der Nähe desselben wieder frei wird.

Die Bewegung des piezoelektrischen Elements ist schnell und bewirkt, daß der übertragene Impuls des Flüssigmetalltropfens die Oberflächenspannungskräfte überwindet, die die Masse des Flüssigmetalltropfens in Kontakt mit der Kontaktanschlußfläche oder den Kontaktanschlußflächen in der Nähe des betätigenden piezoelektrischen Elements halten würden. Der Schalter verriegelt durch die Oberflächenspannung und dadurch, daß das Flüssigmetall die Kontaktanschlußflächen benetzt.

Die Erfindung ist mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser verständlich. Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, statt dessen wird der Schwerpunkt darauf gelegt, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung klar darzustellen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das vier Schichten eines Relais 100 zeigt;
Fig. 2 eine Querschnittsseitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Relais 100 gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Relais 100 gemäß der Erfindung;
Fig. 4A eine Draufsicht der piezoelektrischen Schicht 130;
Fig. 4B eine Querschnittsseitenansicht einer piezoelektrischen Schicht eines Relais gemäß der Erfindung;
Fig. 5 eines Draufsicht der Substratschicht 150 mit den Schalterkontakten 192;
Fig. 6A eine Draufsicht einer piezoelektrischen Schicht eines Relais, das die piezoelektrischen Elemente und die Kammer zeigt;
Fig. 6B eine Querschnittsansicht der piezoelektrischen Schicht eines Relais gemäß der Erfindung;
Fig. 7 eine Draufsicht einer Durchgangslochschicht gemäß der Erfindung;
Fig. 8A eine Unteransicht einer Deckschicht 110 gemäß der Erfindung;
Fig. 8B eine Querschnittsansicht einer Deckschicht eines Relais gemäß der Erfindung;
Fig. 9A ein alternatives Ausführungsbeispiel der piezoelektrischen Schicht 140, das die piezoelektrischen Elemente 190 und die Kammer 180 zeigt; und
Fig. 9B eine perspektivische Querschnittsansicht einer piezoelektrischen Schicht eines Relais an dem Punkt A-A von Fig. 9A.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das vier Schichten eines Relais 100 zeigt. Die oberste Schicht 110 liefert eine Abdeckung für den Schaltmechanismus des Relais 100, und liefert eine Barriere für den Schaltmechanismus des Relais 100. Die zweite Schicht ist eine Durchgangslochschicht 120. Die dritte Schicht 140 ist die piezoelektrische Schicht und umfaßt den Schaltmechanismus (nicht gezeigt) des Relais 100. Die Deckschicht 110 und die Durchgangslochschicht 120 verhindern die Freilegung des Schaltmechanismus in der piezoelektrischen Schicht. Unter der piezoelektrischen Schicht 140 befindet sich eine Substratschicht 150. Die Substratschicht 150 wirkt als eine Basis und liefert eine gemeinsame Grundlage für eine Mehrzahl von Schaltungselementen, die vorliegen können. Ein Faseroptikweg 130, der sich von dem obersten Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 140 erstreckt, ist gezeigt. Der Faseroptikweg 130 erstreckt sich durch die Schicht 140 und liefert eine Einrichtung für eine optische Signalübertragung.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Ausführungsbeispiel eines Relais 100 gemäß der Erfindung. Fig. 2 ist außerdem eine Querschnittsansicht von Fig. 1. Die Substratschicht 130 bildet eine feste Schicht, die eine Barriere und/oder ein Medium für eine Verbindung mit anderen elektronischen Komponenten liefert. Die Deckschicht 110 ist ein dielektrisches Material mit einer Entlastungskammer 160. Die Entlastungskammer 160 liefert eine Einrichtung zum Ablassen von Druck von einem Schaltmechanismus, der in der piezoelektrischen Schicht 140 enthalten ist. Die Durchgangslochschicht 120 ist ein dielektrisches Material mit Durchgangslöchern 170, die die Entlastungskammer 160 mit einer Schaltkammer 180 der piezoelektrischen Schicht verbinden. In der Kammer 180 der piezoelektrischen Schicht 140 ist ein Schaltmechanismus für das Relais 100 untergebracht.
Der Schaltmechanismus umfaßt ein Paar von piezoelektrischen Elementen 190, eine Mehrzahl von Schalterkontakten 192 und eine bewegliche Flüssigkeit 194. Die piezoelektrischen Elemente 190 sind in der Kammer 180 einander gegenüberliegend positioniert. Die bewegliche Flüssigkeit 194 ist in zwei Abschnitten zwischen den piezoelektrischen Elementen 190 positioniert. Die bewegliche Flüssigkeit 194 ist elektrisch leitfähig und weist physikalische Charakteristika auf, die bewirken, daß dieselbe die Schalterkontakte 192 benetzt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die bewegliche Flüssigkeit 194 ein flüssiges Metall, das in der Lage ist, die Schaltanschlußflächen 192 zu benetzen. Ein solches flüssiges Metall ist Germanium. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das flüssige Metall Quecksilber. Der Faseroptikweg 130 verläuft in und aus der Ebene der Figur, ist aber in Fig. 2 nicht gezeigt.
Im Betrieb arbeitet der Schaltmechanismus durch longitudinale Verschiebung der piezoelektrischen Elemente 190. Eine elektrische Ladung wird an die piezoelektrischen Elemente 190 angelegt, was bewirkt, daß sich die Elemente 190 ausdehnen. Die Ausdehnung von einem der piezoelektrischen Elemente 190 verschiebt den beweglichen flüssigen Tropfen 194. Die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 190 ist schnell und stark und bewirkt einen Pingpong-Effekt auf der Flüssigkeit 194. Die Flüssigkeit 194 benetzt die Kontaktanschlußflächen 192 und bewirkt einen Verriegelungseffekt. Wenn die elektrische Ladung von den piezoelektrischen Elementen 190 entfernt wird, kehrt die Flüssigkeit nicht zu ihrer ursprünglichen Position zurück, sondern benetzt weiterhin die Kontaktanschlußflächen 192. In Fig. 2 wurden die piezoelektrischen Elemente 190 auf der linken Seite elektrisch geladen, wodurch eine Ausdehnung bewirkt wird, und hat die Flüssigkeit 194 physikalisch erschüttert, wodurch bewirkt wird, daß sich ein Teil derselben nach rechts bewegt (ping-pong-mäßig), wo derselbe sich mit der Flüssigkeit 194 kombiniert, die die ganz rechten Kontaktanschlußfläche 192 benetzt. Wie es angemerkt ist, ist die Ausdehnungsbewegung der piezoelektrischen Elemente 190 schnell und bewirkt, daß der übertragene Impuls des flüssigen Tropfens 194 die Oberflächenspannungskräfte überwindet, die die Masse des flüssigen Tropfens 194 in Kontakt mit der Kontaktanschlußfläche halten. Der Schaltmechanismus verriegelt durch die Oberflächenspannung und dadurch, daß die Flüssigkeit 194 die Kontaktanschlußflächen benetzt.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Relais 100 gemäß der Erfindung. Zu Bezugszwecken, ist Fig. 3 eine 90-Grad-Ansicht von derjenigen von Fig. 2. Die Deckschicht 110, die Durchgangslochschicht 120, die optische Faser 130, die piezoelektrische Schicht 140 und die Substratschicht 150 sind gemäß der Erfindung gestapelt. Die Kammer 180 ist in der piezoelektrischen Schicht 140 gezeigt, mit einem Schalterkontakt 192, der in der Substratschicht 150 befestigt ist. Die optische Faser 130 verläuft entlang der Oberseite der piezoelektrischen Schicht 140. In der optischen Faser 130 ist eine Unterbrechung, wo die Kammer 180 vorliegt. In Fig. 3 ist der optische Weg zwischen den beiden Abschnitten der optischen Faser 130 nicht behindert. Optische Signale, die entlang der optischen Faser 130 verlaufen, verlaufen ungehindert von einem Abschnitt der Faser zu dem anderen. In Fig. 3 ist das Flüssigmetall 194 nicht gezeigt. Das Positionieren des flüssigen Metalls bewirkt, daß der optische Weg blockiert oder freigemacht wird.
Fig. 4A zeigt eine Draufsicht der piezoelektrischen Schicht 130. Piezoelektrische Elemente 190 sind in der Flüssigmetallkanalkammer 180 einander gegenüberliegend positioniert. Eine bewegliche Flüssigkeit, die zwischen den Elementen 190 angeordnet ist, ist nicht gezeigt. Drei Schalterkontakte 192 sind zwischen den piezoelektrischen Elementen 190 angeordnet gezeigt. Die Schaltungsspuren für die piezoelektrischen Elemente sind nicht gezeigt. Ein Fachmann auf diesem Gebiet versteht die Plazierung und Verwendung solcher Schaltungsspuren. Ein Paar optischer Fasern 130 verläuft durch die piezoelektrische Schicht 140. Die Beabstandung der Fasern 130 ist derart, daß dieselben die Kammer 118 an den Zwischenräumen zwischen den Schalterkontakten 192 schneiden. Es gibt eine Unterbrechung bei den Fasern 130, wo dieselben die Kammer 180 schneiden. Wenn ein Teil der beweglichen Flüssigkeit (nicht gezeigt) bewegt wird, so daß derselbe über zwei der Metallkontakte angeordnet ist (wie es in Fig. 2 gezeigt ist), ist ein Signalweg von einer der optischen Fasern 130 blockiert.
Fig. 4B zeigt eine Querschnittsseitenansicht einer piezoelektrischen Schicht eines Relais gemäß der Erfindung. Ein Paar optischer Fasern 130 liegt in der Oberseite der Schicht 140 vor. Die optischen Fasern sind in Rillen auf der Oberseite der piezoelektrischen Schicht 140 plaziert. Für einen Fachmann auf diesem Gebiet ist klar, daß die Plazierung der optischen Fasern 130 innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung Alternativen aufweist. Als ein Beispiel können die Fasern 130 in Löchern in der Mitte der Schicht 140 plaziert werden. Löcher, die an jeder Stelle in der piezoelektrischen Schicht plaziert sind, können durch die bewegliche Flüssigkeit 194 blockiert werden.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht der Substratschicht 150 mit den Schalterkontakten 192. Die Schalterkontakte 192 können zum Leiten von Signalen durch das Substrat 150 mit Lötkugeln (nicht gezeigt) auf der gegenüberliegenden Seite verbunden sein, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Alternativ können Schaltungsspuren und Kontaktanschlußflächen 192 auf der gezeigten Seite von Fig. 5 vorgesehen sein. Die Substratschicht 150 ist ein festes Blatt aus dielektrischem Material. Die Substratschicht 150 wirkt, um unter dem Relais 100 zu liegen, das den Boden der Kammer 140 bildet. Jede der Kontaktanschlußflächen 192 weist zumindest einen Abschnitt in der Kammer auf.
Fig. 6A ist eine Draufsicht einer piezoelektrischen Schicht eines Relais 100, die die piezoelektrischen Elemente 190 und die Kammer 180 zeigt. Die piezoelektrischen Elemente 190 sind einander gegenüberliegend an den Enden der Kammer 180 angeordnet. Schaltungsspuren für die piezoelektrischen Elemente 190 und die bewegliche Flüssigkeit 194 sind nicht gezeigt. Fig. 6B zeigt eine Querschnittsansicht der piezoelektrischen Schicht von Fig. 6A. Die piezoelektrische Schicht 140 umfaßt eine Einkapselung 210, die die Seiten der Kammer 180 bildet. Wie ein Fachmann auf diesem Gebiet erkennt, ist die Einkapselung 210 ein dielektrisches Material.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht einer Durchgangslochschicht 120 gemäß der Erfindung. Die Durchgangslochschicht 120 umfaßt ein festes dielektrisches Material und ein Paar von Durchgangslöchern 230. Die Durchgangslöcher 230 liefern einen Luftdurchlaß von der Kammer 140 (nicht gezeigt) und der Entlastungskammer 160 (nicht gezeigt) in die Deckschicht 110.
Fig. 8A zeigt eine Unteransicht einer Deckschicht 110 gemäß der Erfindung. Die Deckschicht 110 umfaßt ein festes dielektrisches Material mit einer Rille 240. Die Rille 240 wirkt als eine Entlastungskammer 160, wenn sie auf die Durchgangslochschicht 120 plaziert wird. Fig. 8B zeigt eine Querschnittsansicht einer Deckschicht 110 eines Relais gemäß der Erfindung. Bei diesem Beispiel einer Deckschicht 110 erstreckt sich die Rille 240 nicht ganz durch die Schicht.
Fig. 9A ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der piezoelektrischen Schicht und zeigt die piezoelektrischen Elemente 190 und die Kammer 180. Ein Entlüftungsdurchlaß 250 koppelt den Raum zwischen den Kontaktanschlußflächen 192. Schaltungsspuren für die piezoelektrischen Elemente 190 und die bewegliche Flüssigkeit 194 sind nicht gezeigt. Der Entlüftungsdurchlaß 250 ermöglicht das Entlüften der Kammer 180, wenn die bewegliche Flüssigkeit 194 von einer Seite der Kammer 180 zu der anderen gestoßen wird. Das Entlüften ermöglicht eine ungehinderte Bewegung der beweglichen Flüssigkeit 194. Der Entlüftungsdurchlaß 250 fällt an Punkten zwischen den Kontaktanschlußflächen 192 mit der Kammer 140 zusammen. Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 9A gezeigt. Eine Benetzungsanschlußfläche 260 ist an dem Ende von jedem der piezoelektrischen Elemente 190 befestigt. Das Hinzufügen einer Benetzungsanschlußfläche 260 erhöht das Benetzen der Flüssigkeit und verbessert dadurch die Verriegelungsaktion des Relais.
Fig. 9B zeigt eine Querschnittsperspektive einer piezoelektrischen Schicht eines Relais an dem Punkt A-A von Fig. 9A. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Entlüftungsdurchlaß 250 nicht vollständig durch die gesamte Dicke der piezoelektrischen Schicht 140. Es ist für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, daß sich der Entlüftungsdurchlaß 220 vollständig durch die Dicke der piezoelektrischen Schicht 140 erstrecken kann, oder sich nur teilweise von einer der Seiten erstrecken kann. Es ist ferner für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, daß sich die optische Faser (nicht gezeigt) durch den Entlüftungsdurchlaß erstreckt, oder der Entlüftungsdurchlaß ist auf solche Weise aufgebaut, daß derselbe die optische Faser umgeht.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das den Entlüftungsdurchlaß mit der piezoelektrischen Schicht 140 verwendet, wie es in Fig. 7A und 7B gezeigt ist, ist es für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, daß die Durchgangslochschicht 120 und die Entlastungskammer 160 nicht erforderlich sind. Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel umfaßt ein Relais gemäß der Erfindung eine feste Deckschicht 110 aus einem dielektrischen Material, eine piezoelektrische Schicht 140, die den Schaltmechanismus unterbringt, und eine Substratschicht 150.
Es ist für einen Fachmann auf diesem Gebiet klar, daß die longitudinal verschiebbaren piezoelektrischen Elemente, die in dem Beispiel gezeigt sind, nur beispielhaft sind. Es ist klar, daß eine Vielzahl von piezoelektrischen Moden existieren, die verwendet werden können, während die Erfindung implementiert wird. Beispielsweise kann ein piezoelektrisches Biegemodus-Element oder ein piezoelektrisches Shear- Modus-Element verwendet werden. Es ist ferner klar, daß der Verriegelungsmechanismus, der bei der Erfindung verwendet wird, unabhängig von der Einrichtung zum Übertragen des Impulses der Flüssigkeit ist. Jede Einrichtung, die in der Lage ist, ausreichend Kraft zu übertragen, um den Pingpong- Effekt zu bewirken, reicht für die Zwecke dieser Erfindung aus.
Ein Relais gemäß der Erfindung kann unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken für kleine Größen hergestellt werden. Außerdem ist die Schaltzeit für ein Relais gemäß der Erfindung kurz. Piezoelektrisch getriebene thermische Tintenstrahldruckköpfe weisen Abfeuerfrequenzen von mehreren kHz auf, und ein Relais der Erfindung sollte sogar noch schnellere Frequenzen aufweisen, da die Fluiddynamik viel einfacher ist als bei einem Tintenstrahlsystem. Die Wärmeerzeugung sollte ebenfalls minimiert sein, da die einzigen Wärmegeneratoren das piezoelektrische Element und der Durchlaß der Steuer- und elektrischen Ströme durch die Leiter des Schalters ist.

Claims

1. Piezoelektrisches optisches Verriegelungsrelais (100), das folgende Merkmale umfaßt:
eine erste Schicht (110), die ein dielektrisches Material umfaßt;
eine zweite Schicht (120), die unter der ersten Schicht positioniert ist und ein dielektrisches Material umfaßt;
eine dritte Schicht (140), die unter der zweiten Schicht positioniert ist und ein dielektrisches Material und einen piezoelektrischen Schaltmechanismus umfaßt;
eine vierte Schicht (150), die unter der dritten Schicht positioniert ist; und
einen optischen Weg (130), der durch die dritte Schicht verläuft;
wobei der piezoelektrische Schaltmechanismus eine Kammer (180), eine erste, zweite und eine dritte Kontaktanschlußfläche (192), die gleichmäßig voneinander getrennt sind, wobei jede der Kontaktanschlußflächen (192) zumindest einen Abschnitt in der Kammer (180) aufweist, und wobei eine der Trennungen zwischen den Kontaktanschlußflächen (192) den optischen Weg (130) schneidet; ein erstes und ein zweites piezoelektrisches Element (190), die einander gegenüberliegend in der Kammer (180) angeordnet sind; und eine bewegliche leitfähige Flüssigkeit (194) in der Kammer (180) umfaßt, wobei ein erster Teil der Flüssigkeit (194) die erste der Kontaktanschlußflächen (192) benetzt, und ein Teil der Flüssigkeit (194) sowohl die zweite als auch die dritte der Kontaktanschlußflächen (192) benetzt; und
wobei der Teil der Flüssigkeit (194), der die zweite und die dritte Kontaktanschlußfläche (192) benetzt, zu dem Teil beweglich ist, der die erste Kontaktanschlußfläche (192) benetzt, und bei dem die Bewegung der Flüssigkeit bewirkt, daß der optische Weg (130) blockiert wird.

2. Relais (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die erste Schicht (110) eine Rille aufweist, die eine Kammer (160) bildet, und die zweite Schicht ein Paar von Durchgangslöchern (170) aufweist, die voneinander beabstandet sind, um den Trennungen zwischen den Kontaktanschlußflächen (192) zu entsprechen.

3. Relais (100) gemäß Anspruch 2, das ferner einen zweiten optischen Weg (130) umfaßt, der die Trennung zwischen den Signalkontaktanschlußflächen schneidet, die nicht von dem ersten optischen Weg (130) geschnitten wird, und bei dem die Bewegung der Flüssigkeit (194) bewirkt, daß der optische Weg (130) frei wird.

4. Relais (100) gemäß Anspruch 3, bei dem die bewegliche Flüssigkeit (194) Quecksilber ist.

5. Relais (100) gemäß Anspruch 3, bei dem die bewegliche Flüssigkeit (194) Germanium ist.

6. Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die dritte Schicht (140) ferner einen Entlüftungsdurchlaß (250) umfaßt, der sich zwischen den Trennungen zwischen den Kontaktanschlußflächen (192) erstreckt.

7. Optisches piezoelektrisches Relais (100), das ein erstes und ein zweites piezoelektrisch betätigtes Element (190), die einander gegenüberliegend in einer Kammer (180) angeordnet sind, eine bewegliche Flüssigkeit (194), die zwischen dem ersten und dem zweiten Element (190) angeordnet ist, und einen optischen Weg (130), der diese Kammer kreuzt, umfaßt, wobei die Betätigung des ersten Elements (190) eine erste Bewegung der Flüssigkeit (194) bewirkt und die erste Bewegung der Flüssigkeit (194) bewirkt, daß der optische Weg (130) blockiert wird, und die Betätigung des zweiten Elements (190) eine zweite Bewegung der Flüssigkeit (194) bewirkt und die zweite Bewegung bewirkt, daß der optische Weg (130) frei wird.

8. Relais gemäß Anspruch 7, das ferner eine erste, zweite und eine dritte Kontaktanschlußfläche umfaßt, die in der Kammer (180) gleichmäßig voneinander beabstandet sind und zwischen den Elementen angeordnet sind, so daß die bewegliche Flüssigkeit (194) die Kontaktanschlußflächen benetzt, wodurch eine Verriegelung verursacht wird.

9. Relais gemäß Anspruch 8, das ferner einen zweiten optischen Weg umfaßt, wobei der erste optische Weg die Kammer an einer ersten Trennung der Signalkontaktanschlußflächen schneidet und der zweite optische Weg die Kammer an einer zweiten Trennung der Signalkontaktanschlußflächen schneidet, und wobei die erste Bewegung der Flüssigkeit bewirkt, daß der zweite optische Weg frei wird, und die zweite Bewegung der Flüssigkeit bewirkt, daß der zweite optische Weg blockiert wird.

10. Relais gemäß Anspruch 9, bei dem das Relais in einer dielektrischen piezoelektrischen Schicht untergebracht ist, und ferner eine dielektrische Durchgangslochschicht mit einer Rille an einer Seite, die über der Kammer angeordnet ist, eine Deckschicht mit einem Paar von Durchgangslöchern, die durch dieselbe gebohrt sind, die über der Durchgangslochschicht angeordnet ist, und eine Substratschicht, die unter der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, umfaßt.

11. Relais gemäß Anspruch 10, bei dem die bewegliche Flüssigkeit Quecksilber ist.

12. Relais gemäß Anspruch 10, bei dem die bewegliche Flüssigkeit Germanium ist.

13. Relais gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die piezoelektrische Schicht ferner einen Entlüftungsdurchlaß (250) umfaßt, der sich zwischen den Trennungen zwischen den Kontaktanschlußflächen erstreckt.