(57)【要約】【課題】スイッチング機構に導電性液体(140,142,144)を使用する電気リレーの提供。【解決手段】このリレーは微細加工技術による製造に適する。このリレーでは、2つの電気接触子(110,112)はわずかな距離だけ離れて保持される。接触子の互いに向かい合う表面はそれぞれ、液体金属などの導電性液体(140,142)の小滴を支持する。アクチュエータ(114)は、電気接触子間のギャップを低減するように付勢され、それにより2つの液体金属の小滴が合体(144)して電気回路を形成する。次に、アクチュエータ(114)は消勢されて、電気接触子はそれらの開始位置に戻る。液体金属の小滴は、表面張力により合体した状態を維持する。電気回路は、アクチュエータを付勢して電気接触子間のギャップを増大させ、液体金属の小滴間の表面張力結合を切断することにより遮断される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気リレー（１００）であって、
濡れる表面を有する第１の電気接触子（１１０）と、
前記第１の電気接触子（１１０）に電気的に結合される第１の信号導体（１３４）と、
前記第１の電気接触子（１１０）と濡れ接触する第１の導電性液体の小滴（１４０）と、
前記第１の電気接触子（１１０）から間隔をおいて配置され、前記第１の電気接触子と整列され、前記第１の電気接触子の濡れる表面に面した濡れる表面を有する第２の電気接触子（１１２）と、
前記第２の電気接触子（１１２）に電気的に結合される第２の信号導体（１３６）と、
前記第２の電気接触子（１１２）と濡れ接触する第２の導電性液体の小滴（１４２）と、
前記第１および第２の電気接触子、並びに前記第１および第２の信号導体を囲む接地シールド（１１８、１２０、１３０、１３２）と、および
休止位置において、前記第１の電気接触子（１１０）に結合され、前記第１の電気接触子（１１０）を前記第２の電気接触子（１１２）の方へ移動させ、前記第１および第２の導電性液体の小滴（１４０、１４２）を合体して、前記第１および第２の電気接触子間に電気回路を完成し、および前記第１の電気接触子を前記第２の電気接触子（１１２）から離れるように移動させ、前記第１および第２の導電性液体の小滴（１４０、１４２）を分離して、前記電気回路を遮断するように動作可能である第１のアクチュエータ（１１４）とを備える、電気リレー（１００）。
【請求項２】
前記第１のアクチュエータ（１１４）が、圧電アクチュエータおよび磁歪アクチュエータのいずれかである、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項３】
前記第１および第２の導電性液体の小滴（１４０、１４２）が、液体金属の小滴である、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項４】
前記第２の電気接触子（１１２）に結合されて、前記第２の電気接触子（１１２）を前記第１の電気接触子（１１０）の方へ移動させ、前記第１および第２の導電性液体の小滴を合体して、電気回路を完成し、および前記第２の電気接触子を前記第１の電気接触子（１１０）から離れるように移動させ、前記第１および第２の導電性液体の小滴を分離し、電気回路を遮断するように動作可能である第２のアクチュエータ（１１６）をさらに含む、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項５】
前記第１および第２の導電性液体の小滴（１４０、１４２）の量は、合体した小滴が、前記第１のアクチュエータ（１１４）がその休止位置に戻った時に合体した状態を維持し、分離した小滴が、前記第１のアクチュエータがその休止位置に戻った時に分離状態を維持するような量である、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項６】
前記第１の電気接触子（１１０）が、前記第１のアクチュエータ（１１４）上の濡れない導電性コーティング（１２６）により第１の信号導体（１３４）に電気的に結合される、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項７】
前記接地シールド（１１８、１２０、１３０、１３２）と前記第１および第２の信号導体（１３４、１３６）との間に配置された誘電体層（１２２、１２４）をさらに含み、前記誘電体層（１２２、１２４）が、前記接地シールドを前記第１および第２の信号導体（１３４、１３６）から電気的に絶縁する、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項８】
前記第１のアクチュエータ（１１４）との電気的接続を支持する回路基板（１０２）と、
キャップ層（１０６）と、および
前記回路基板（１０２）と前記キャップ層（１０６）との間に配置され、内部に形成されたチャネル（１０８）を有するスイッチング層（１０４）とをさらに含み、
前記接地シールド（１１８、１２０、１３０、１３２）が前記チャネル（１０８）および前記第１のアクチュエータ（１１４）を覆い、前記第１および第２の電気接触子（１１０、１１２）、並びに前記第１および第２の信号導体（１３４、１３６）が前記チャネル（１０８）内に配置される、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項９】
前記第１のアクチュエータ（１１４）に対する電気接続の少なくとも１つが、前記回路基板（１０２）を貫通して、はんだボールで終端する、請求項８に記載の電気リレー（１００）。
【請求項１０】
前記第１のアクチュエータ（１１４）に対する電気接続が、前記回路基板（１０２）の表面に配置されたトレースを含む、請求項８に記載の電気リレー（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気スイッチングのための微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の分野に関し、特に、液体金属接触子を有する高周波の圧電作動式のラッチングリレーに関する。
【背景技術】
【０００２】
水銀などの液体金属は、２つの導体間に電気経路を提供するために電気スイッチに使用されてきた。一例は、バイメタルストリップコイルが温度に反応して、水銀を含む細長いキャビティの角度を変更する水銀サーモスタットスイッチである。キャビティ内の水銀は、大きい表面張力により単一の小滴を形成する。重力は、キャビティの角度に応じて電気接触子を含むキャビティの端部、または他方の端部に水銀の小滴を移動させる。手動の液体金属スイッチの場合、永久磁石を使用してキャビティ内の水銀の小滴を移動させる。
【０００３】
また、液体金属は、リレーにも使用される。液体金属の小滴は、静電力、熱膨張／収縮による可変の幾何学的形状、および磁気流体力学的力を含む様々な技術により移動させることができる。
【０００４】
従来の圧電リレーは、ラッチしないか、または圧電材料内の残留電荷を使用してラッチング機構に接触するスイッチをラッチまたは代わりに付勢することはなかった。
【０００５】
高電流の迅速なスイッチングは、多種多様な装置に使用されるが、電流が分断した時のアーク放電により、固体接触子を用いたリレーには問題となる。アーク放電により接触子が損傷し、電極表面の点蝕によりそれらの導電性が劣化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
液体金属をスイッチング要素として使用し、加熱時のガスの膨張を使用して、液体金属を移動させて、スイッチング機能を作動させるマイクロスイッチが開発された。液体金属は、他の微細加工技術より優れたいくつかの利点を有し、たとえば、金属対金属接触子を使用して、スイッチング機構を微細溶接または過熱せずに、比較的高い電力（約１００ｍＷ）をスイッチングする能力が挙げられる。しかしながら、加熱されたガスの使用にはいくつかの欠点がある。それは、スイッチの状態を変更するために比較的多量のエネルギーを必要とし、スイッチングによって生じる熱は、スイッチングの負荷サイクルが高い場合、効果的に散逸させる必要がある。さらに、作動速度が比較的遅く、最大速度は数百Ｈｚに制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
スイッチング機構に導電性液体を使用する高周波の電気リレーが開示される。このリレーでは、２つの接触子はわずかな距離だけ離れて保持される。接触子の互いに向かい合う表面はそれぞれ、液体金属などの導電性液体の小滴を支持する。例示的な実施形態において、圧電アクチュエータは好適には、電気接触子間のギャップを低減するように付勢され、それにより２つの導電性液体の小滴が合体して電気回路を形成する。次に、圧電アクチュエータは消勢されて、電気接触子はそれらの開始位置に戻る。液体金属の小滴は、表面張力により合体した状態を維持する。電気回路は、圧電アクチュエータを付勢して電気接触子間のギャップを増大させ、導電性液体の小滴間の表面張力結合を切断することにより遮断される。小滴は、圧電アクチュエータが消勢されると、接触子間のギャップを架橋するための導電性液体が不十分であるので、分離された状態を維持する。追加の導体は、同軸構造を提供して、高周波スイッチングを考慮するためにアセンブリ内に含められる。このリレーは、微細加工技術による製造に適している。
【０００８】
新規であると考えられる本発明の特徴は、特に添付の特許請求の範囲に記載される。しかしながら、本発明自体は、添付図面に関連してなされる本発明の特定の例示的な実施形態を説明する本発明の以下の詳細な説明を参照することにより、構成および動作方法の両方に関して、本発明の目的および利点と共に最も良く理解され得る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、大きい表面張力を有する水銀または他の液体金属を使用して、フレキシブルな非接触型の電気接続を形成することにより、高い電流容量のリレーが結果として得られ、局所的な加熱によって生じる点蝕および酸化物の蓄積を防ぐことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、多くの異なる形態の実施形態が可能であるが、１つまたは複数の特定の実施形態が図面に示され、本明細書で詳細に説明される。本発明の開示は、本発明の原理の一例として考えられるべきであり、図示および説明された特定の実施形態に本発明を限定する意図はないことを理解すべきである。以下の説明では、いくつかの図面において、類似の参照符号を用いて、同じ部品、類似の部品または対応する部品を説明する。
【００１１】
本発明の電気リレーは、液体金属などの導電性液体を使用して、２つの電気接触子間のギャップを架橋して、接触子間に電気回路を完成する。２つの電気接触子は、わずかな距離だけ離れて保持される。接触子の互いに向かい合う表面のそれぞれは、導電性液体の小滴を支持する。例示的な実施形態では、導電性液体は好適には、高い導電性、低い揮発性、および大きい表面張力を有する水銀などの液体金属である。アクチュエータは、第１の電気接触子に結合される。例示的な実施形態において、アクチュエータは好適には、圧電アクチュエータであるが、磁歪アクチュエータのような他のアクチュエータを使用しても良い。アクチュエータは、付勢されると、第１の電気接触子を第２の電気接触子の方へ移動させ、それにより２つの導電性液体の小滴が合体して、接触子間に電気回路を完成する。次に、圧電アクチュエータが消勢されて、第１の電気接触子はその開始位置に戻る。導電性液体の小滴は、表面張力により合体した状態を維持する。このようにして、リレーはラッチされる。電気回路は、圧電アクチュエータを付勢して、第１の電気接触子を第２の電気接触子から離れるように移動させて、導電性液体の小滴間の表面張力結合を切断することにより遮断される。小滴は、圧電アクチュエータが消勢されると、接触子間のギャップを架橋する液体が不十分であるので、分離した状態を維持する。リレーは微細加工技術による製造に適している。
【００１２】
図１は、本発明によるラッチングリレーの一実施形態の図である。図１を参照すると、リレー１００は３つの層、即ち、回路層１０２と、スイッチング層１０４と、キャップ層１０６とを含む。回路層１０２は、スイッチング層内にある素子に対する電気接続を支持し、下側のキャップをスイッチング層に提供する。また、回路層１０２は、スイッチング素子を囲む接地導体の一部を形成する接地トレース１１８も支持する。回路層１０２は、たとえばセラミックまたはシリコンから作成されることができ、超小型電子装置の製造に使用されるような微細加工技術による製造に適している。スイッチング層１０４は、たとえばセラミックまたはガラスから作成されるか、または絶縁層（セラミックなど）でコーティングされた金属から作成され得る。チャネルは、スイッチング層を貫通する。スイッチング層内にあるチャネルの一方の端部には、リレーのスイッチ接触子の一方に電気的に結合される信号導体１３４が存在する。さらなる接地導体１３０、１３２および１２０は、電気的に結合されて、信号導体１３４と同軸の接地導体またはシールドを形成する。信号導体１３４は、その信号導体を囲む誘電体層１２２により接地トレースから電気的に絶縁される。例示的な実施形態において、接地導体１２０は好適には、キャップ層１０６の下側に配置されるトレースとして形成され、導体１３０および１３２はスイッチング層の基板に固定される。キャップ層１０６は、スイッチング層１０４の上部を覆って封止する。キャップ層１０６は、たとえばセラミック、ガラス、金属もしくはポリマー、またはこれらの材料の組合せから作成され得る。ガラス、セラミックまたは金属は好適には、ハーメチックシールを提供するために例示的な実施形態で使用される。
【００１３】
図２は、本発明のラッチングリレー１００の一実施形態の断面図である。この断面は、図１の２−２により示される。図２を参照すると、スイッチング層はスイッチングキャビティ１０８を組み込む。キャビティは、不活性ガスで充填され得る。第１および第２の電気接触子１１０および１１２は、キャビティ１０８内に位置する。第１のアクチュエータ１１４は、一方の端部で信号導体１３４に取り付けられ、他方の端部で第１の電気接触子１１０を支持する。動作時、アクチュエータ１１４の長さは増減して、第１の電気接触子１１０を第２の電気接触子１１２の方へ、または第２の電気接触子１１２から離れるように移動させる。例示的な実施形態において、アクチュエータは好適には、圧電アクチュエータである。第２の電気接触子１１２は、第１の電気接触子１１０に面して配置される。第２の電気接触子１１２は、信号導体１３６に直接取り付けられるか、または図面に示されるように第１のアクチュエータに対抗して動作する第２のアクチュエータ１１６に取り付けられても良い。第１および第２の電気接触子の互いに向かい合う表面は、導電性液体により濡れる。動作時、これらの表面は、液体の表面張力により所定位置に保持される導電性液体の小滴を支持する。小滴の小さいサイズに起因して、表面張力は小滴の体積力より優勢であるので、小滴は所定位置に保持される。例示的な実施形態において、電気接触子１１０および１１２は好適には、段付きの表面を有する。これにより、表面積が増加して、導電性液体のリザーバが提供される。アクチュエータ１１４および１１６は、それぞれ濡れない導電性コーティング１２６および１２８でコーティングされる。コーティング１２６および１２８は、接触子１１０および１１２をそれぞれ信号導体１３４および１３６に電気的に結合し、導電性液体がアクチュエータに沿って移動するのを防止する。信号導体１３６は、誘電体層１２２により接地トレースから電気的に絶縁される。
【００１４】
図３は、図４に示されるラッチングリレーの断面３−３を通る断面図である。この図は、３つの層、即ち、回路層１０２と、スイッチング層１０４と、キャップ層１０６とを示す。図３を参照すると、第１のアクチュエータ１１４はスイッチングキャビティ１０８内に配置される。スイッチングキャビティ１０８は、下部が回路層１０２により封止され、上部がキャップ層１０６により封止される。接地導体１２０、１２２、１３０および１３２は、アクチュエータ１１４およびその濡れない導電性コーティング１２６を包囲する。これにより、リレーの高周波スイッチングが容易にされる。
【００１５】
図４は、キャップ層を取り除いた状態、即ち図１の断面４−４の上から（図１、図２および図３に対して）リレーを見た図である。スイッチング層１０４は、２つの信号導体１３４と１３６との間のチャネルに形成されたスイッチングキャビティ１０８を組み込む。スイッチングキャビティ１０８内には、第１および第２の電気接触子１１０および１１２、並びにこれらの電気接触子が取り付けられるアクチュエータが存在する。コーティング１２６を有する第１のアクチュエータは、一方の端部で第１の信号導体１３４に取り付けられ、第１の電気接触子１１０を他方の端部で支持する。第２の電気接触子１１２は、第１の電気接触子１１０に面して配置される。第２の電気接触子１１２は、第２の信号導体１３６に直接取り付けられるか、または図面に示されるように、第１のアクチュエータに対抗して動作する、コーティング１２８を有する第２のアクチュエータに取り付けられても良い。接地導体１３０および１３２は、スイッチング層内のチャネルを覆う。
【００１６】
動作時、電気接触子１１０および１１２は、液体水銀などの導電性液体の小滴を支持する。図５は、上部層を取り除いた状態で上からリレーを見たさらに別の図である。図５を参照すると、導電性液体の小滴１４０および１４２は電気接触子を覆う。導電性液体の量、および接触子間の間隔は、接触子間のギャップを架橋するのに液体が不十分となるような量および間隔である。図５に示されるように液体の小滴が分離すると、接触子間の電気回路は開放する。
【００１７】
接触子間の電気回路を完成するために、接触子は共に移動し、その結果、２つの液体小滴は合体する。これは、一方または両方のアクチュエータを付勢することにより達成され得る。小滴が合体すると、電気回路が完成する。アクチュエータが消勢されると、接触子はそれらの元の位置に戻る。しかしながら、導電性液体の量および接触子の間隔は、液体の小滴が、液体の表面張力により合体した状態を維持するような量および間隔である。これを図６に示す。図６を参照すると、２つの小滴は、１つの液体の塊１４４として合体した状態を維持している。このようにして、リレーはラッチされ、電気回路は、リレーのアクチュエータが消勢された時に完成状態を維持する。電気回路が閉じると、信号経路は第１の信号導体から第１の導電性コーティング、第１の接触子、導電性液体、第２の接触子および第２の導電性コーティング、最後に第２の信号導体を通る。接地導体は、信号経路を囲むシールドを提供する。大きい表面張力を有する水銀または他の液体金属を使用して、フレキシブルな非接触型の電気接続を形成することにより、高い電流容量のリレーが結果として得られ、局所的な加熱によって生じる点蝕および酸化物の蓄積を防ぐことができる。再び電気回路を遮断するためには、２つの液体小滴間の表面張力の結合が切断されるまで、２つの電気接触子間の距離を増加する。
【００１８】
図７は、キャップ層１０６の内面の図である。キャップ層１０６は、スイッチング層内のチャネルにシールを提供する。接地トレース１２０は、キャップ層の表面上に配置され、信号導体およびスイッチング機構と同軸である接地導体の一方の側部を形成する。類似の接地トレースは、回路層の内面に配置される。
【００１９】
本発明は、特定の実施形態に関連して説明されたが、上記の説明に鑑みて当業者には、、多くの代案、修正、置換および変形が明らかになることは明白である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるこうしたすべての代案、修正および変形を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の特定の実施形態によるラッチングリレーの端面図である。
【図２】本発明の特定の実施形態によるラッチングリレーの断面図である。
【図３】本発明の特定の実施形態によるラッチングリレーのさらに別の断面図である。
【図４】本発明の特定の実施形態によるラッチングリレーのスイッチング層の図である。
【図５】本発明の特定の実施形態による開スイッチ状態にあるラッチングリレーのスイッチング層の図である。
【図６】本発明の特定の実施形態による閉スイッチ状態にあるラッチングリレーのスイッチング層の図である。
【図７】本発明の特定の実施形態によるラッチングリレーのキャップ層の図である。
【符号の説明】
【００２１】
100  ラッチングリレー
102  回路基板
106  キャップ層
108  チャネル
110、112  電気接触子
114、116  アクチュエータ
118、120、130、132  接地シールド
122、124  誘電体層
126  濡れない導電性コーティング
134、136  信号導体
140、142  導電性液体の小滴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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