DE10234131B4 - Ein piezoelektrisch betätigter Biegeflüssigmetallschalter - Google Patents
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Abstract
Piezoelektrisch
betätigtes
Relais (100), das folgende Merkmale umfaßt:
einen Flüssigmetallkanal (195);
eine erste und eine zweite Fluidkammer (180), wobei jede der Fluidkammern (180) mit dem Kanal über eine erste beziehungsweise zweite Leitung verbunden ist;
eine erste und eine zweite Membran (170), die eine Oberseite der ersten und der zweiten Fluidkammer (180) bilden;
eine erste, eine zweite und eine dritte Kontaktanschlußfläche (200), die gleich voneinander beabstandet sind, wobei jede der Kontaktanschlußflächen (200) zumindest einen Abschnitt in der Kammer (195) aufweist;
eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (160), die einen ersten und einen zweiten Satz von Elementen bilden, wobei der erste Satz an der ersten Membran (170) befestigt ist und der zweite Satz an der zweiten Membran (170) befestigt ist; und
eine bewegliche leitfähige Flüssigkeit (190) in dem Kanal (195), wobei ein erster Teil der Flüssigkeit die erste der Kontaktanschlußflächen (200) benetzt, und ein Teil der...
einen Flüssigmetallkanal (195);
eine erste und eine zweite Fluidkammer (180), wobei jede der Fluidkammern (180) mit dem Kanal über eine erste beziehungsweise zweite Leitung verbunden ist;
eine erste und eine zweite Membran (170), die eine Oberseite der ersten und der zweiten Fluidkammer (180) bilden;
eine erste, eine zweite und eine dritte Kontaktanschlußfläche (200), die gleich voneinander beabstandet sind, wobei jede der Kontaktanschlußflächen (200) zumindest einen Abschnitt in der Kammer (195) aufweist;
eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (160), die einen ersten und einen zweiten Satz von Elementen bilden, wobei der erste Satz an der ersten Membran (170) befestigt ist und der zweite Satz an der zweiten Membran (170) befestigt ist; und
eine bewegliche leitfähige Flüssigkeit (190) in dem Kanal (195), wobei ein erster Teil der Flüssigkeit die erste der Kontaktanschlußflächen (200) benetzt, und ein Teil der...
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 Verschiebungen des Stapels sind 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 je doch 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 kommen. Das Relais wird durch Bewegen des mechanischen Teils „geöffnet", so daß die zwei Elektrodenkomponenten nicht mehr in elektrischem Kontakt sind. Der elektrische Schaltpunkt entspricht dem Kontakt zwischen den Elektrodenkomponenten der festen Elektroden.
- Es wurden Flüssigmetallmikroschalter entwickelt, die Flüssigmetall als Schaltelement verwenden, und die Ausdehnung von Gas, wenn es erwärmt wird, zum Betätigen der Schaltfunktion. Das Flüssigmetall hat einige Vorteile im Vergleich zu anderen Mikrobearbeitungstechnologien, wie z. B. die Fähigkeit, unter Verwendung von Metall-zu-Metall-Kontakten ohne Mikroschweißen eine relativ hohe Leistung (etwa 100 mW) zu schalten, die Fähigkeit, so viel Leistung zu übertragen, ohne den Schaltermechanismus zu überhitzen und nachteilig zu beeinträchtigen, und die Fähigkeit, die Schaltfunktion zu verriegeln. Die Verwendung von erwärmten Gas zum Betätigen des Schalters weist jedoch mehrere Nachteile auf. Es ist eine relativ große Menge an Leistung erforderlich, um den Zustand des Schalters zu ändern, die Wärme, die durch das Schalten erzeugt wird, muß effektiv zurückgewiesen werden, falls der Schalterarbeitszyklus hoch ist und die Betätigungsgeschwindigkeit relativ langsam ist, d. h. die maximale Schaltfrequenz ist auf mehrere 100 Hertz begrenzt.
- Die
US 4,200,779 A beschreibt ein piezoelektrisches Relais mit Elektroden, die durch einen Isolator voneinander getrennt sind. Innerhalb der Elektroden sind Durchführungen gebildet, die teilweise mit einer leitfähigen Flüssigkeit, z. B. Quecksilber, gefüllt sind, wobei die leitfähige Flüssigkeit die Elektroden und die Durchbohrung benetzt. Die leitfähige Flüssigkeit ist in einem nicht-betätigten Zustand eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes in zwei Teile getrennt und verbindet sich auf das Anlegen einer Steuerungsspannung an das piezoelektrisches Betätigungselement und verbindet so die zwei Elektroden. - Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisch betätigtes Relais mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Relais gemäß Anspruch 1 oder 14 gelöst.
- Die vorliegende Erfindung verwendet ein piezoelektrisches Verfahren zum Betätigen von Flüssigmetallschaltern. Die Betätigungsvorrichtung der Erfindung verwendet piezoelektrische Elemente in einem Biegemodus und nicht in einem Scher-Modus. Ein piezoelektrischer Treiber gemäß der Erfindung ist ein kapazitives Bauelement, das Energie speichert und nicht verbraucht. Als Folge ist der Leistungsverbrauch viel niedriger, obwohl die Spannungen, die erforderlich sind, um dasselbe zu treiben, höher sein können. Piezoelektrische Pumpen können zum Ziehen und auch zum Drücken verwendet werden, daher gibt es einen doppelten Wirkungseffekt, der bei einer Betätigungsvorrichtung nicht verfügbar ist, die lediglich durch den Schubeffekt des ausdehnenden Gases angetrieben wird. Durch die Verwendung der piezoelektrischen Schalter gemäß der Erfindung ergibt sich eine reduzierte Schaltzeit.
- Ein piezoelektrisch betätigter Flüssigmetallschalter gemäß der Erfindung besteht aus einer Mehrzahl von Schichten. Flüssigmetall ist in einem Kanal in einer Schicht enthalten, und ist in Kontakt mit Schaltungsanschlußflächen auf einem Schaltungssubstrat. Die Menge und Position des Flüssigmetalls in dem Kanal ist so, daß nur zwei Kontaktanschlußflächen zu einem Zeitpunkt verbunden sind. Das Metall ist beweglich, so daß es die Mittelkontaktanschlußfläche und eine der Endkontaktanschlußflächen durch Erzeugen eines
- erhöhten Drucks zwischen der Mittelkontaktanschlußfläche und der ersten Endkontaktanschlußfläche kontaktiert, so daß das Flüssigmetall bricht und sich ein Teil desselben bewegt, um sich mit der anderen Endkontaktanschlußfläche zu verbinden. Aufgrund des Verriegelungseffekts des Flüssigmetalls ergibt sich eine stabile Konfiguration, wenn dasselbe die Kontaktanschlußfläche benetzt und durch eine Oberflächenspannung festgehalten wird.
- Eine träge und elektrisch nicht leitfähige Flüssigkeit füllt den verbleibenden Raum in dem Schalter. Die oben beschriebene Druckerhöhung wird durch die Bewegung einer piezoelektrischen Pumpe oder piezoelektrischer Pumpen erzeugt. Der Typ von Pumpe der Erfindung verwendete den Biegevorgang von piezoelektrischen Elementen auf einer Membran, um positive und negative Volumenänderungen zu erzeugen. Diese Vorgänge können Druckminderungen und auch Drucksteigerungen bewirken, um beim Bewegen des Flüssigmetalls zu helfen.
- Die Erfindung ist mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser verständlich. Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, statt dessen wurde der Schwerpunkt darauf gelegt, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung deutlich darzustellen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Seitenansicht der Schichten eines piezoelektrischen Metallschalters gemäß der Erfindung; -
2 ein seitlicher Querschnitt einer Seitenansicht der Schichten eines piezoelektrischen Schalters gemäß der Erfindung; -
3 eine Draufsicht der Substratschicht mit den Schalterkontakten; -
4A eine Draufsicht der Flüssigmetallkanalschicht; -
4B eine Seitenschnittansicht der Flüssigmetallschicht; -
5A eine Draufsicht der piezoelektrischen Schicht, die zwei Sätze von piezoelektrischen Elementen zeigt; -
5B eine Seitenschnittansicht der piezoelektrischen Schicht; -
6 eine Draufsicht der Betätigungsvorrichtungsfluidreservoirschicht; und -
7 einen anderen Seitenquerschnitt einer Seitenansicht der Schichten eines piezoelektrischen Schalters gemäß der Erfindung. -
1 ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, die vier Schichten eines Relais100 zeigt. Die obere Schicht110 ist eine Betätigungsvorrichtungsfluidreservoirschicht und wirkt als ein Reservoir für Fluid, das in der Betätigungsvorrichtung verwendet wird. Die zweite Schicht120 ist eine piezoelektrische Schicht, die einen piezoelektrischen Schaltmechanismus unterbringt. Die dritte Schicht130 ist eine Flüssigmetallkanalschicht und bringt ein Flüssigmetall unter, das in dem Schaltmechanismus verwendet wird. Die Substratschicht140 wirkt als eine Basis und liefert eine gemeinsame Grundlage für eine Mehrzahl von Schaltungselementen, die vorliegen können. -
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Betätigungsvorrichtung100 gemäß der Erfindung.2 ist ebenfalls eine Querschnittsansicht von1 . Die Betätigungsvorrichtungsfluidreservoirschicht110 weist eine Kammer150 auf, in der sich eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen160 befinden, die von dem Relais100 verwendet werden. Die Kammer150 enthält außerdem ein Volumen an Betätigungsvorrichtungsfluid. Das Betätigungsvorrichtungsfluid ist ein träges, elektrisch nicht leitfähiges Fluid. Dieses Fluid ist vorzugsweise eine niedrigviskose, träge, organische Flüssigkeit, wie z. B. ein Perfluorkohlenstoff von geringem Molekulargewicht, wie er in der 3M-Reihe von Fluorinert-Produkten zu finden ist. Es kann alternativ beispielsweise aus einem Leichtmineralöl oder synthetischen Öl bestehen. Die piezoelektrischen Elemente160 sind in zwei Sätze gruppiert. Für einen Fachmann auf diesem Gebiet ist es klar, daß das Gruppieren der piezoelektrischen Elemente160 eine Funktion des Zwecks der Betätigungsvorrichtung100 ist. Dementsprechend kann das Gruppieren der piezoelektrischen Elemente160 zu mehreren Sätzen führen, die gleich mehr als zwei sind. - Jeder Satz von piezoelektrischen Elementen
160 in2 ist an einer Membran170 befestigt, die einen Teil der Oberseite der piezoelektrischen Schicht120 bildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die Membrane170 aus Metall. Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Membrane170 aus einem Polymer aufgebaut. Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Membrane aus jedem Material aufgebaut, das ausreichend Geschmeidigkeit aufweist, um sich ansprechend auf das Biegen der piezoelektrischen Elemente160 zu biegen. Die Membrane170 sind ansprechend auf die piezoelektrischen Elemente160 entweder nach oben oder nach unten biegsam. - Bei dem in
2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die piezoelektrischen Elemente als laminiert auf und über der piezoelektrischen Schicht120 gezeigt. - Die Membrane
170 bilden außerdem eine Barriere zwischen den piezoelektrischen Elementen160 und einer Betätigungsvorrichtungsfluidkammer180 , die sich in der piezoelektrischen Schicht120 befindet. Zwei Betätigungsvorrichtungsfluidkammern180 sind in2 getrennt durch einen Abschnitt der piezoelektrischen Schicht gezeigt. Die Betätigungsvorrichtungsfluidkammern180 sind mit Betätigungsvorrichtungsfluid gefüllt. Ein Zwischenraum in der Flüssigmetallschicht130 gegenüber von jedem Satz der piezoelektrischen Elemente160 liefert Leitungen zwischen den Fluidkammern180 und der Flüssigmetallschicht130 . Die Leitungen ermöglichen einen Fluidfluß zwischen den Kammern180 und der Flüssigmetallschicht130 . - Die Flüssigmetallschicht
130 enthält ein Flüssigmetall190 , das in einem Kanal195 enthalten ist, und einen Satz von Schalterkontaktanschlußflächen200 , die auf dem Schaltungssubstrat140 positioniert sind. Der Raum in dem Kanal195 , der nicht mit Flüssigmetall190 gefüllt ist, ist mit dem Fluid gefüllt. Das Flüssigmetall ist träge und elektrisch leitfähig. Die Menge und Position des Flüssigmetalls190 ist so, daß nur zwei Kontaktanschlußflächen200 zu einem Zeitpunkt verbunden sind. Die Mittelkontaktanschlußfläche200 ist immer in Kontakt und entweder die linke oder rechte Kontaktanschlußfläche200 . Bei dem in2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Flüssigmetall190 in Kontakt mit der Mittelkontaktanschlußfläche200 und der rechten Kontaktanschlußfläche200 . Das Flüssigmetall190 wird durch den Biegevorgang der piezoelektrischen Elemente160 bewegt, um mit der linken Kontaktanschlußfläche200 in Kontakt zu kommen. - Die Biegung der piezoelektrischen Elemente
160 bewirkt entweder einen Anstieg oder eine Minderung in der Kammer180 . Bei dem in2 gezeigten Beispiel biegt sich der rechte Satz von piezoelektrischen Elementen nach unten, um eine Erhöhung in der rechten Kammer180 zu bewirken. Der Druckanstieg bewirkt, daß sich das Flüssigmetall190 nach links bewegt, bis es mit der Mittelkontaktanschlußfläche200 und der linken Kontaktanschlußfläche200 in Kontakt ist. Die Pumpvorgänge der piezoelektrischen Elemente erzeugen entwe der eine positive oder negative Volumen- und Druckänderung in den Kammern180 . Wenn der rechte Satz von piezoelektrischen Elementen160 einen Druckanstieg bewirkt – vermindertes Volumen – kann die linke Seite durch Biegen nach oben eine Druckminderung – angestiegenes Volumen – bewirken. Die entgegengesetzten Bewegungen der beiden Sätze von piezoelektrischen Elementen190 tragen zu der Bewegung des Flüssigmetalls200 bei. - Die piezoelektrischen Elemente
160 können an die Membran170 laminiert sein, oder sie können als Dünnfilm- oder Dickfilmschichten auf der Membran170 aufgebracht sein.2 zeigt Sätze von fünf piezoelektrischen Elementen160 , sowohl auf der rechten als auch auf der linken Seite. Für einen Fachmann auf diesem Gebiet ist es klar, daß die Anzahl von piezoelektrischen Elementen160 in jedem Satz variabel ist. Von einem bis zehn oder mehr piezoelektrische Elemente sind möglich, abhängig nur von der Größe jedes Elements und der Größe der Anwendung. Die Membran besteht normalerweise aus Metall, obwohl andere Materialien, wie z. B. Polymere, möglich sind. - Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Flüssigmetall
190 Quecksilber. Bei einer alternativen bevorzugten Version der Erfindung ist das Flüssigmetall eine Legierung, die Gallium enthält. - Beim Betrieb arbeitet der Schaltmechanismus der Erfindung durch eine Biegemodusverschiebung der piezoelektrischen Elemente
160 . Eine elektrische Ladung wird an die piezoelektrischen Elemente160 angelegt, die bewirkt, daß sich die Elemente160 biegen. Wie oben erörtert wurde, kann der Biegevorgang der piezoelektrischen Elemente auf individueller Basis sein – jeweils ein Satz – oder auf kooperative Weise – beide Sätze zusammen. Das Abwärtsbiegen der piezoelektrischen Elemente160 von einem der Sätze bewirkt einen Druckanstieg und eine Volumenminderung in der Kammer180 direkt unterhalb dem sich nach unten biegenden Satz. Diese Änderung beim Druck/Volumen bewirkt eine Verschiebung des beweglichen Flüssigmetalls190 . Um die Effektivität zu erhöhen, können sich die piezoelektrischen Elemente des anderen Satzes gleichzeitig nach oben biegen. Das Umkehren der Biegebewegung der piezoelektrischen Elemente160 bewirkt, daß sich das Flüssigmetall190 in der entgegengesetzten Richtung verschiebt. Die piezoelektrischen Elemente160 sind entspannt, d. h. die elektrische Ladung ist entfernt, sobald sich das Flüssigmetall190 verschoben hat. Das Flüssigmetall190 benetzt die Kontaktanschlußflächen200 und bewirkt dadurch einen Verriegelungseffekt. Wenn die elektrische Ladung von den piezoelektrischen Elementen160 entfernt ist, kehrt die Flüssigkeit nicht zu ihrer ursprünglichen Position zurück, sondern benetzt weiterhin die Kontaktanschlußflächen200 . -
3 zeigt eine Draufsicht der Substratschicht140 mit den Schalterkontakten200 . Die Schalterkontakte200 können durch das Substrat140 mit Lötkugeln (nicht gezeigt) auf der entgegengesetzten Seite zum Leiten der Signale verbunden sein. Es ist klar, daß es Alternativen zum Leiten von Signalen gibt. Beispielsweise kann die Signalleitung in der Substratschicht140 stattfinden. Es ist außerdem klar, daß die Schalterkontaktanschlußflächen200 in2 für die Schalterkontaktanschlußflächen der Erfindung lediglich darstellend sind. Insbesondere die Substratschicht140 und die Schalterkontaktanschlußflächen200 sind nicht notwendigerweise proportional zu den Schalterkontaktanschlußflächen und der Substratschicht in3 . -
4A ist eine Draufsicht der Flüssigmetallkanalschicht120 . Die Flüssigmetallschicht120 umfaßt den Flüssigmetallkanal195 und ein Paar von Durchgangslöchern210 , die als die Leiter für eine Bewegung der Flüssigkeit von dem Flüssigmetallkanal195 und der Kammer180 , die in2 gezeigt ist, wirken.4B ist eine Seitenschnittansicht der Flüssigmetallschicht120 an dem A-A-Punkt. Der Flüssig metallkanal195 ist als verbindend mit dem Durchgangsloch210 gezeigt. -
5A ist eine Draufsicht der piezoelektrischen Schicht120 , die zwei Sätze von piezoelektrischen Elementen160 zeigt. Die piezoelektrischen Elemente160 liegen über den Fluidkammern180 und sind an der Membran170 befestigt. Die Fluidkammern180 sind mit Fluidflußwiderständen bzw. Fluidflußbegrenzern220 verbunden. Die Fluidflußbegrenzer220 sind Leiter, die mit dem in2 gezeigten Fluidreservoir150 verbinden. Der Fluidflußbegrenzer220 ist hier nur zu Darstellungszwecken gezeigt. Es ist für einen Fachmann auf diesem Gebiet klar, daß die Begrenzer220 , die die Pumpkammer180 mit dem Fluidreservoir verbinden, klein sind und dazu beitragen, daß der Druckimpuls das Flüssigmetall bewegt, durch Leiten des größten Teils des Fluidflusses von dem Pumpvorgang der piezoelektrischen Elemente160 und der Membran170 in den Kanal195 und nicht in das Fluidreservoir. -
5B zeigt eine Seitenschnittansicht der piezoelektrischen Schicht120 an dem Punkt A-A. Die piezoelektrischen Elemente160 sind an der Membran170 und über der Kammer180 befestigt. Die Kammer180 verbindet mit dem Fluidflußbegrenzer220 . -
6 zeigt eine Draufsicht der Betätigungsvorrichtungsfluidreservoirschicht110 mit dem Reservoir150 und einem Fülltor230 . Das Fluidreservoir150 ist hier bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als einzelnes Teil dargestellt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Fluidreservoir aus mehreren Abschnitten. Das Fluidreservoir150 ist ein Aufbewahrungsort des Arbeitsfluids und weist eine nachgiebige Wand auf, um Druckpulsinteraktionen zwischen Pumpelementen – ein Übersprechen – auf einem Minimum zu halten. Das Fluidreservoir150 wird gefüllt, nachdem die Schaltanordnung100 zusammen gebaut wurde. Das Fülltor230 wird abgedichtet, nachdem das Reservoir gefüllt wurde. -
7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Fluidreservoir mehrere Abteile240 umfaßt. Die Wand250 , die die mehreren Abteile trennt, weist ein Druckentlastungstor260 auf, das zu beiden der Abteile240 verbindet, das den Druck zwischen den Abteilen ausgleicht, und jedes der Abteile240 weist eine nachgiebige Außenwand auf, die die Druckimpulsinteraktionen zwischen Pumpelementen – ein Übersprechen – auf einem Minimum hält.
Claims (23)
- Piezoelektrisch betätigtes Relais (
100 ), das folgende Merkmale umfaßt: einen Flüssigmetallkanal (195 ); eine erste und eine zweite Fluidkammer (180 ), wobei jede der Fluidkammern (180 ) mit dem Kanal über eine erste beziehungsweise zweite Leitung verbunden ist; eine erste und eine zweite Membran (170 ), die eine Oberseite der ersten und der zweiten Fluidkammer (180 ) bilden; eine erste, eine zweite und eine dritte Kontaktanschlußfläche (200 ), die gleich voneinander beabstandet sind, wobei jede der Kontaktanschlußflächen (200 ) zumindest einen Abschnitt in der Kammer (195 ) aufweist; eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (160 ), die einen ersten und einen zweiten Satz von Elementen bilden, wobei der erste Satz an der ersten Membran (170 ) befestigt ist und der zweite Satz an der zweiten Membran (170 ) befestigt ist; und eine bewegliche leitfähige Flüssigkeit (190 ) in dem Kanal (195 ), wobei ein erster Teil der Flüssigkeit die erste der Kontaktanschlußflächen (200 ) benetzt, und ein Teil der Flüssigkeit (190 ) sowohl die zweite als auch die dritte der Kontaktanschlußflächen (200 ) benetzt; wobei die Kammern (180 ) und der Kanal (195 ) mit einem Fluid gefüllt sind, und wobei der Teil der Flüssigkeit (190 ), der die zweite und dritte der Kontaktanschlußflächen (200 ) benetzt, zu dem Teil beweglich ist, der die erste der Kontaktanschlußflächen (200 ) benetzt. - Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 1, das ferner ein Fluidreservoir (
150 ) umfaßt, das die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (160 ) umgibt, wobei das Reservoir (150 ) über ein erstes und ein zweites Durchgangsloch (210 ) mit der Kammer (180 ) verbunden ist. - Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 2, bei dem jedes des ersten Satzes von piezoelektrischen Elementen zumindest zwei piezoelektrische Biegemoduselemente umfaßt, und der zweite Satz von piezoelektrischen Elementen zumindest zwei piezoelektrische Biegemoduselemente umfaßt.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 3, bei dem das Fluidreservoir ein einzelnes Abteil umfaßt.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 3, bei dem das Fluidreservoir eine Mehrzahl von Abteilen (
240 ) umfaßt, wobei jedes der Mehrzahl von Abteilen (240 ) nachgiebige Wände (250 ) aufweist. - Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 5, das ferner ein Entlastungstor (
260 ) umfaßt, das die Mehrzahl von Abteilen (240 ) verbindet. - Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die bewegliche leitfähige Flüssigkeit durch Druckunterschiede beweglich ist, die in der ersten und zweiten Fluidkammer erzeugt werden, die durch die Betätigung von zumindest einem Satz von piezoelektrischen Elementen bewirkt werden, wobei die Betätigung der piezoelektrischen Elemente bewirkt, daß sich die Membran biegt.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die bewegliche leitfähige Flüssigkeit durch Druckunterschiede beweglich ist, die in der ersten und der zweiten Fluidkammer erzeugt werden, die durch die Betätigung sowohl des ersten als auch des zweiten Satzes der piezoelektrischen Elemente in Zusammenarbeit miteinander bewirkt werden, wobei die Betätigung der piezoelektrischen Elemente bewirkt, daß sich die Membran biegt.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem die Membran Metall ist.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, bei dem die Membran ein Polymer ist.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem das Flüssigmetall Quecksilber ist.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem das Flüssigmetall eine Legierung ist, die Gallium enthält.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, das ferner ein Fülltor enthält, das sich über dem Fluidreservoir befindet.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais (
100 ), das folgende Merkmale umfaßt: eine Fluidreservoirschicht (110 ), die ein Fluidreservoir (150 ) umfaßt; eine piezoelektrische Schicht (120 ), die an die Fluidreservoirschicht (150 ) laminiert ist, wobei die piezoelektrische Schicht (120 ) eine erste und eine zweite Fluidkammer (180 ), ein erstes und ein zweites Durchgangsloch, die die erste und die zweite Kammer (180 ) mit dem Reservoir (150 ) verbinden, eine erste und eine zweite Membran (170 ), die eine Oberseite der ersten und der zweiten Fluidkammer (180 ) bilden, und eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (160 ), die einen ersten und einen zweiten Satz von Elementen bilden, umfaßt, wobei der erste Satz an der ersten Membran (170 ) befestigt ist und der zweite Satz an der zweiten Membran (170 ) befestigt ist; eine Flüssigmetallkanalschicht (130 ), die an die piezoelektrische Schicht (120 ) laminiert ist, wobei die Kanalschicht einen Flüssigmetallkanal (150 ), ein erstes Durchgangsloch (210 ), das den Kanal (195 ) mit der ersten der Kammern (180 ) verbindet, ein zweites Durchgangsloch (210 ), das den Kanal (195 ) mit der zweiten der Kammern (180 ) verbindet, eine erste, eine zweite und eine dritte Kontaktanschlußfläche (200 ), die gleichermaßen voneinander beabstandet sind, wobei jede der Kontaktanschlußflächen (200 ) zumindest einen Abschnitt in der Kammer (195 ) und eine bewegliche leitfähige Flüssigkeit (190 ) in dem Kanal (195 ) umfaßt, wobei ein erster Teil der Flüssigkeit (190 ) die erste der Kontaktanschlußflächen (200 ) benetzt, und ein Teil der Flüssigkeit (190 ) sowohl die zweite als auch die dritte der Kontaktanschlußflächen (200 ) benetzt; wobei die Kammern (180 ) und der Kanal (150 ) mit einem Fluid gefüllt sind, und wobei der Teil der Flüssigkeit (190 ), der die zweite und die dritte der Kontaktanschlußflächen (200 ) benetzt, zu dem Teil hin beweglich ist, der die erste der Kontaktanschlußflächen (200 ) benetzt. - Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 14, bei dem jedes der ersten Sätze von piezoelektrischen Elemente zumindest zwei piezoelektrische Biegemoduselemente umfaßt, und der zweite Satz von piezoelektri schen Elementen zumindest zwei piezoelektrische Biegemoduselemente umfaßt.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 15, bei dem das Fluidreservoir ein einzelnes Abteil umfaßt.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 15, bei dem das Fluidreservoir eine Mehrzahl von Abteilen (
240 ) umfaßt, wobei jedes der Mehrzahl von Abteilen (240 ) nachgiebige Wände (250 ) aufweist. - Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 17, das ferner zumindest ein Entlastungstor (
260 ) umfaßt, das jedes der Mehrzahl von Abteilen (240 ) mit benachbarten Abteilen (240 ) verbindet. - Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 16, bei dem das Flüssigmetall Quecksilber ist.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 18, bei dem das Flüssigmetall eine Legierung ist, die Gallium enthält.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 19, bei dem die Membran Metall ist.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 19, bei dem die Membran ein Polymer ist.
- Piezoelektrisch betätigtes Relais gemäß Anspruch 21 oder 22, bei dem die Reservoirschicht ferner ein Fülltor (
230 ) umfaßt.
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