專利名稱：具有液體金屬接觸件的微機電微繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電氣和電子電路和元件。特別是，本發(fā)明涉及具有液體金屬接觸件的微機電(MEM)繼電器。
背景技術(shù)：
MEM開關(guān)是由靜電電荷、熱、壓電或其它激勵機構(gòu)操作并采用微機電制造技術(shù)制造的開關(guān)。MEM開關(guān)可控制電氣、機械、或光學(xué)信號流。常規(guī)MEM通常是具有正常為打開的靜止狀態(tài)的單刀單擲(SPST)結(jié)構(gòu)。在具有靜電激勵器的開關(guān)中，給控制電極施加靜電電荷(或相反極性的靜電電荷施加于兩個電極結(jié)構(gòu))將在開關(guān)上產(chǎn)生靜電吸引力(“拉力”)，使開關(guān)閉合。通過除去控制電極上的靜電電荷而使該開關(guān)打開，允許電樞的機械彈簧恢復(fù)力打開開關(guān)。激勵器特性包括所需要的接通和斷開力、操作速度、使用壽命、可密封性和與接觸結(jié)構(gòu)的化學(xué)兼容性。
微繼電器包括MEM電子開關(guān)結(jié)構(gòu)，它由分開的MEM電子激勵結(jié)構(gòu)進行機械操作。在微繼電器的開關(guān)部分和激勵器部分之間只有機械接口。當開關(guān)電子電路與激勵電子電路隔離時，得到的器件通常稱為代替微繼電器的開關(guān)。雖然這里公開的電子開關(guān)結(jié)構(gòu)不需要用于成功實現(xiàn)的這種基片，但MEM器件通常采用與集成電路制造兼容的基片制造。MEM微繼電器通常為一側(cè)上的100微米到另一側(cè)上的幾毫米。電子開關(guān)基片必須具有與所希望的開關(guān)性能兼容和如果分開制造的話應(yīng)適合于具有激勵器結(jié)構(gòu)的機械接口的特性(介電損失、電壓等)。
MEM開關(guān)的構(gòu)成是采用金或鎳(或其它合適金屬)作為用于器件的接觸材料。目前制造技術(shù)趨于限制能采用的接觸金屬的類型。用常規(guī)方式制造的接觸件趨于具有百萬周期或更少的使用壽命。遇到的問題之一是MEM器件上的微尺度接觸件趨于具有非常小的接觸面區(qū)域(通常為5微米×5微米)。能承載電流的總接觸表面的部分受到顯微表面粗糙度的限制，并且很難實現(xiàn)形成機械和電接觸的兩個表面的平面對準。因此，即使在好像具有可利用的幾百或幾千平方微米的接觸表面的表面上，大多數(shù)接觸是點接觸。這些小而有效的接觸區(qū)域中的高電流密度產(chǎn)生微焊和表面熔化，如果不控制的話，將產(chǎn)生故障或無效接觸。這種金屬接觸件趨于具有短使用壽命，通常為百萬循環(huán)。
微尺度繼電器/開關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)被很好地發(fā)展。在研制用于信號接觸的長壽命接觸冶金上已經(jīng)做了相當大的努力。信號接觸壽命和合適的接觸冶金趨于由應(yīng)用確定，如“干”信號(非有效電流或電壓)、感應(yīng)負載和高電路負載。
在本領(lǐng)域中眾所周知，采用汞(化學(xué)符號為Hg)作為用于開關(guān)接觸導(dǎo)電性的增強器的電接觸件產(chǎn)生更長的接觸壽命。還知道，Hg增強接觸件能操作比沒有汞的相同接觸結(jié)構(gòu)高的電流。汞浸濕簧片開關(guān)就是一個例子。其它例子或汞浸濕開關(guān)在美國專利US5686875、4804932、4652710、4368442、4085392和日本專利申請03118510(公報No.JP04345717A)中有說明。
在美國專利5912606中提出了在被高電壓靜電信號控制的微型繼電器(比MEM繼電器大得多)中采用汞滴。美國專利5912606在柵極上采用靜電信號，以便將從第一接觸件抽取的液體金屬吸引到從第二接觸件抽取的液體金屬或從兩個接觸件抽取液體金屬到安裝在柵極上的短路導(dǎo)體，以便電連接這兩個接觸件。
常規(guī)垂直激活表面微機械靜電MEM微繼電器10的結(jié)構(gòu)示于

圖1中。MEM微繼電器10包括其上微機械加工的懸臂支架34的單個基片30。第一信號接觸件50、第二信號接觸件54和第一激勵器控制接觸件60a設(shè)置在同一基片30上。為了連接微繼電器和外部信號，接觸件具有外部連接件(未示出)。懸臂40的一端設(shè)置在懸臂支架34上。懸臂40包括第二激勵器控制接觸件60b。懸臂40的第二端包括短路棒52。兩個導(dǎo)電激勵器控制接觸件60a和60b控制MEM微繼電器10的激勵。
在沒有控制信號的情況下，懸臂40上的短路棒52由支架34定位在基片30上。通過使懸臂40位于這個位置上，基片34上的第一和第二信號接觸件50和54未被電連接。由基片30控制連接件上的第二激勵器控制接觸件60b和第一激勵器控制接觸件60a之間的電位差產(chǎn)生的靜電力用于將懸臂40向下拉向基片30。MEM微繼電器10采用導(dǎo)電短路棒52作為懸臂40和懸臂支架34，以便形成固定于同一基片30上的兩個信號接觸件50和54之間的連接。當被拉到基片30時，短路棒52接觸第一和第二信號接觸件50和54并將它們電連接在一起。懸臂40通常具有使短路棒52與懸臂靜電激勵器控制接觸件60b分開的絕緣部分(未示出)。這樣，第一和第二信號接觸件50和54被懸臂40和短路棒52連接，其中短路棒由采用兩個激勵器控制接觸件60a和60b表面的隔離靜電力機構(gòu)操作。接觸件50、54和短路棒52由于上述問題而通常具有短使用壽命。
微機械靜電MEM微繼電器10作為正常打開(NO)開關(guān)接觸結(jié)構(gòu)而示出。激勵器控制接觸件60a和懸臂40之間的打開間隙通常為幾微米(1/1000000米)寬。短路棒和信號接觸件之間的間隙約為相同的尺寸。當開關(guān)閉合時，懸臂40更靠近但不直接電接觸激勵器控制接觸件60a。
如果信號接觸金屬是可用汞濕潤的，并且微繼電器的支架(rest)是不可濕潤的，則汞可以淀積在信號金屬化狀態(tài)并由于毛細管作用而允許汞流進懸臂下面的有源接觸區(qū)域中。在這些靠近間隔上的汞橋接的問題必須被尋址。當不包含汞接觸件時，接觸件將具有在包括濺射和需要液體金屬再裝滿的上面參考專利中所述的所有問題。
汞接觸件代表對于常規(guī)MEM開關(guān)的一個重要挑戰(zhàn)?；系慕佑|件和短路棒之間的一般物理分離為幾微米到幾十微米。在微繼電器制造期間在接觸表面上放置汞需要可與汞或其它液體金屬兼容的化學(xué)工藝。汞已經(jīng)限制或不與用于制造垂直結(jié)構(gòu)微繼電器的典型CMOS工藝兼容。
短路棒和接觸件之間的靠近隔離使在微繼電器完全操作之后很難在接觸件上插入汞。給完全功能接觸件和短路棒表面施加汞濕潤是很困難的，并且必須克服在這些靠近間隔上的汞橋接問題。對于宏觀尺寸液體接觸件所出現(xiàn)的公知的所有問題也將同樣出現(xiàn)在MEM微繼電器10的結(jié)構(gòu)上。給由此設(shè)計的這個MEM微繼電器添加液體接觸件需要采用不同的構(gòu)成技術(shù)和不同的接觸系統(tǒng)。
采用靜電激勵器的垂直結(jié)構(gòu)MEM繼電器可用多個支撐點以及作為圖1中的懸臂的替代物的兩個接觸簧片和脫扣彈簧制造。在下面文獻中介紹了具有接觸件和脫扣彈簧的射頻(RF)繼電器MicroMachined Relay for High Frequency Application，Komura et a1.，OMRONCorporation 47thAnnual International Relay Conference(1999年4月19-21日)Newport Beach，CA.，Page 12-1，和公報號為11-134998
公開日為1999年5月21日的日本專利文摘。
圖2示出了具有橫向激勵器的常規(guī)MEM開關(guān)。微繼電器10’具有基片32，該基片30支撐連接到短路棒支架44的橫向激勵器70。第一導(dǎo)電控制接觸件60a’安裝在基片32中。短路棒52’設(shè)置在短路棒支架44上。第一信號接觸件50’和第二信號接觸件54’設(shè)置在同一殼體基片30上。當微繼電器10’處于閉合位置時，短路棒52’使信號接觸件50’和54’電接觸。
由于上述原因給這種常規(guī)微繼電器結(jié)構(gòu)施加液體接觸件也是很困難的?；系慕佑|件和短路棒之間的一般物理分離為幾微米。這就很難在制造MEM開關(guān)之后在接觸件上插入液體金屬(例如汞)。
在本領(lǐng)域中需要進一步改進MEM繼電器，消除已有技術(shù)的缺陷。需要一種與MEM激勵器結(jié)合的長壽命、高電流和高電壓接觸結(jié)構(gòu)，以形成用微機電(MEM)工藝制造的直流(DC)或RF微繼電器。在某些應(yīng)用中，由于考慮到環(huán)境條件而需要采用不包括汞的液體金屬接觸件。
液體金屬不限于汞，因為很多金屬和導(dǎo)電合金將在相對于MEM結(jié)構(gòu)的支架的可用溫度下液化。雖然常規(guī)繼電器的物理尺寸使加熱接觸件或整個常規(guī)繼電器的原理不實用，但是與常規(guī)繼電器接觸件相比，MEM微繼電器接觸件的微觀特性使得加熱接觸區(qū)域(或整個MEM微繼電器)是可行的，以便獲得液體接觸操作。
本發(fā)明的MEM設(shè)計和方法滿足了本領(lǐng)域中的需要。
根據(jù)本發(fā)明所述，一種MEM繼電器包括激勵器、設(shè)置在激勵器上的短路棒、接觸件基片、和多個液體金屬接觸件，多個液體金屬接觸件設(shè)置在接觸件基片上，以便在MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時，多個液體金屬接觸件處于電連接狀態(tài)。此外，MEM繼電器包括設(shè)置在所述接觸件基片上的加熱器，其中所述加熱器與多個液體金屬接觸件熱連通。接觸件基片可附加地包括設(shè)置在接觸件基片上的多個可濕潤的金屬接觸件，其中多個可濕潤的金屬接觸件的每個靠近多個液體金屬接觸件的每個，并且每個可濕潤的金屬接觸件與多個液體金屬接觸件的每個電連通。
通過這種設(shè)置，該接觸系統(tǒng)可利用與MEM制造技術(shù)相適應(yīng)的接觸材料，其中這種接觸材料在繼電器在正常溫度下工作時可采用加熱器液化?？蓾駶櫟慕饘俳佑|件和液體金屬接觸件為MEM繼電器提供長壽命、高電流和高電壓接觸件。另外，在某些應(yīng)用中，可避免采用汞。
在本發(fā)明的另一方案中，MEM繼電器包括激勵器、設(shè)置在激勵器上的非濕潤金屬短路棒、和接觸件基片，該接觸件基片具有上表面和下表面、并用非濕潤金屬短路棒隔開。MEM繼電器還包括設(shè)置在接觸件基片上表面上的第一液體金屬接觸件、和設(shè)置在接觸件基片下表面上的第一信號接觸件、以及具有外表面和涂敷液體金屬的內(nèi)表面的第一通路，該通路通過接觸件基片，并且在MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時，使第一液體金屬接觸件和第一信號接觸件電連通。最后，MEM繼電器包括設(shè)置在接觸件基片的所述上表面的第二液體金屬接觸件、和設(shè)置在接觸件基片下表面上的第二信號接觸件、以及具有外表面和涂敷液體金屬的內(nèi)表面的第二通路，該第二通路通過所述接觸件基片，并在MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時使所述第二液體金屬接觸件和所述第二信號接觸件電連通。
通過這種排列，將液體金屬接觸件插入MEM微繼電器中，可以通過利用液體金屬的毛細流和在完全制造微繼電器之后插入液體金屬來實現(xiàn)。這種方法允許MEM接觸結(jié)構(gòu)與MEM激勵器共同被制造。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，制造MEM繼電器的方法包括以下步驟提供激勵器，提供設(shè)置在激勵器上的非濕潤金屬短路棒，提供具有被非濕潤金屬短路棒隔開的上表面和下表面的接觸件基片，和提供設(shè)置在接觸件基片的上表面上的第一液體金屬接觸件。該方法還包括提供設(shè)置在接觸件基片下表面上的第一信號接觸件；提供具有外表面和涂敷液體金屬的內(nèi)表面的第一通路，該第一通路通過接觸件基片并在MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時使第一液體金屬接觸件和第一信號接觸件電連通；提供設(shè)置在接觸件基片上表面上的第二液體金屬接觸件。最后，該方法包括提供設(shè)置在接觸件基片下表面上的第二信號接觸件；和提供具有外表面和涂敷液體金屬的內(nèi)表面的第二通路，該通路通過接觸件基片，并在MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時使第二液體金屬接觸件和第二信號接觸件電連通，并通過第一和第二通路引入液體金屬以濕潤第一和第二接觸件。
利用這種制造技術(shù)，液體金屬接觸件可以從通過通路輸送的外部源接收液體金屬。此外，更大量的液體金屬可以形成液體金屬接觸件，該液體金屬接觸件可形成物理電連接，而不需要導(dǎo)電金屬短路棒。
根據(jù)本發(fā)明的又一方案，MEM繼電器包括分開制造的具有至少兩個液體金屬接觸件的接觸件基片。接觸件基片粘接到激勵器基片上。通過這種設(shè)置，該接觸系統(tǒng)與激勵系統(tǒng)分開制造，然后這兩個組件粘接在一起，以便允許采用插在可濕潤的金屬接觸件表面上的液體金屬、或采用可被置于電氣和機械接觸的液體金屬接觸件。液體金屬濕潤的金屬接觸件和液體金屬接觸件為MEM繼電器提供長壽命、高電流和高電壓接觸件。
雖然本發(fā)明已公開了關(guān)于電應(yīng)用的內(nèi)容，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解的是，本發(fā)明可用于其它MEM繼電器結(jié)構(gòu)和其它應(yīng)用。
根據(jù)下面的附圖及其詳細說明和權(quán)利要求書，將使本發(fā)明的這些和其它目的、特點和優(yōu)點將更明顯。
附圖的簡要說明從下面附圖的說明將更充分理解本發(fā)明的前述特點以及本發(fā)明，附圖中圖1是常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)的垂直激勵的表面微機械靜電MEM微繼電器的示意圖；圖2是常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)的橫向MEM微繼電器的頂視圖；圖3是形成根據(jù)本發(fā)明的微繼電器的集成激勵基片和具有液體金屬的接觸件基片的示意圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的具有集成激勵基片和具有液體金屬接觸件的接觸件基片的垂直MEM器件的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的具有液體金屬接觸件和加熱器的垂直MEM器件的示意圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明的具有液體金屬接觸件和靠近液體金屬接觸件設(shè)置的加熱器的垂直MEM器件的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明可利用液體接觸件的橫向MEM微繼電器基片的頂視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的具有液體填充接觸件的橫向MEM微繼電器的接觸區(qū)域的頂視圖；圖7是表示將橫向激勵器與分開制造的一組液體金屬接觸件集成在一起以形成根據(jù)本發(fā)明的MEM微繼電器的示意圖；圖8是在本發(fā)明的替換實施例中、在打開位置的液體金屬接觸件填充橫向MEM微繼電器基片的接觸件基片和短路棒的頂視圖；圖9是在本發(fā)明的替換實施例中、在閉合位置的液體金屬接觸件填充橫向MEM微繼電器基片的接觸件基片和短路棒的頂視圖；圖10是在本發(fā)明的替換實施例中、在閉合位置的液體金屬接觸件填充橫向MEM微繼電器基片的接觸件基片和非導(dǎo)電液體移動棒的頂視圖；圖11是在本發(fā)明的另一替換實施例中、在打開位置的密封液體金屬接觸件填充橫向MEM微繼電器基片的接觸件基片和短路棒的示意圖；圖12是在本發(fā)明的另一替換實施例中、在閉合位置的密封液體金屬接觸件填充橫向MEM微繼電器基片的接觸件基片和短路棒的示意圖；圖13是在本發(fā)明的又一替換實施例中、在打開位置的單個接觸件密封液體金屬填充MEM微繼電器基片的接觸件基片和非濕潤金屬接觸膜片的示意圖；圖14是在本發(fā)明的再一替換實施例中、在打開位置的橫向滑動液體金屬接觸MEM微繼電器基片的示意圖。
本發(fā)明的詳細說明在詳細說明本發(fā)明之前，解釋一下某些引入概念和術(shù)語。術(shù)語“液體金屬接觸件”指的是一種電接觸件，其配合表面在電流導(dǎo)通期間由熔化金屬或熔化金屬合金構(gòu)成。液體金屬接觸件(熔化金屬)將由固體(非熔化)結(jié)構(gòu)保留(保持在原位)。固體結(jié)構(gòu)是可濕潤的，因此保留液體金屬層，例如汞。術(shù)語“液體金屬接觸件”也可以是指形成結(jié)構(gòu)(例如液滴)的一定量的液體金屬，該結(jié)構(gòu)由MEM器件的金屬表面上的表面張力或保留結(jié)構(gòu)保持原位，以便控制液體金屬的位置。術(shù)語開關(guān)和繼電器可互換使用。
MEM器件一般是采用與當前集成電路制造兼容的基片制造的，盡管這里公開的一些電子開關(guān)或繼電器結(jié)構(gòu)不需要這種基片用于成功的實施。電子接觸件基片必須具有與所希望的開關(guān)性能兼容的特性(介質(zhì)損失、承受電壓等)，并且如果激勵器和開關(guān)部分被分開制造，該特性應(yīng)適合于與電子激勵器結(jié)構(gòu)的接口。
MEM器件上的常規(guī)金屬接觸件具有受限制的使用壽命。液體金屬接觸件可以提高接觸系統(tǒng)的使用壽命。然而，給常規(guī)微繼電器結(jié)構(gòu)施加液體接觸件是很困難的。例如，基片上的接觸件和懸臂激勵器之間的一般物理分離為幾微米。這個分離尺寸使得在MEM開關(guān)全操作之后、在接觸件上插入汞很困難。在懸臂上采用寬間隔(需要高的懸臂支架)將增加操作所需要的控制電壓。
參見圖3，高性能MEM繼電器100被示出作為集成封裝。圖3表示在沒有激勵器或接觸機構(gòu)的細節(jié)部件情況下的用于MEM繼電器100的整體結(jié)構(gòu)集成封裝。該MEM繼電器100包括粘接信號接觸件基片106(還稱為接觸區(qū)域)的激勵器基片104，以便形成該模塊化繼電器100。利用印刷布線板和混合模件的目前制造技術(shù)，確定兩個信號接觸件108和109與兩個控制接觸件102a和102b之間的所需要的間隔，最后封裝(未示出)可能是在一側(cè)上為幾毫米(根據(jù)需要，通過機械鋸從整個基片上分開單獨的小片(die))。
MEM繼電器100設(shè)置成以提供自封裝微繼電器。給MEM繼電器100添加頂蓋和底蓋(未示出)制成成品自封裝組件。在基片外部放置外部連接信號接觸件108和109以及控制接觸件102a和102b允許整個組件用作表面安裝部件。MEM繼電器100還可以用作部分高電平組件(例如混合模件)。整個集成結(jié)構(gòu)不再需要與常規(guī)封裝技術(shù)相關(guān)的分離大封裝或內(nèi)部鍵合線。
參見圖3A，示出了以分離激勵器和接觸件基片為基礎(chǔ)的又一實施例，這里為垂直MEM繼電器101。垂直MEM繼電器101包括激勵器基片112，在分開制造每個基片之后，該激勵器基片112與接觸件基片114組合裝在一起。
激勵器基片112包括機加工懸臂支架120和第一激勵器控制接觸件124a。懸臂梁122的一端設(shè)置在懸臂支架120上并包括第二激勵器控制接觸件124b。懸臂梁122的另一端包括短路棒123。兩個導(dǎo)電激勵器控制接觸件124a和124b控制垂直MEM繼電器101的激勵。
在分離接觸件基片114上制造液體金屬信號接觸件116和118。給垂直激勵MEM開關(guān)添加液體接觸件要求接觸件基片114與激勵器基片112分開制造。液體信號接觸件116和118優(yōu)選具有采用汞的液體金屬導(dǎo)電表面。用于液體金屬信號接觸件116和118的分離制造工藝使得接觸結(jié)構(gòu)上的液體金屬的量可被精細控制。在施加液體金屬之后，接觸件基片114與激勵器基片112組裝。應(yīng)該明白的是，可以在液體金屬信號接觸件116和118與接觸件基片114之間制造附加層，例如可濕潤的金屬接觸件和絕緣層。
在操作中，在沒有施加控制信號的情況下，垂直MEM繼電器101處于打開位置。在這種位置，懸臂梁122上的短路棒123被支架120升高到激勵器基片122之上，并且還升高到接觸件基片114之上。接觸件基片114上的第一和第二液體金屬信號接觸件116和118不連接。由激勵器基片112上的第二激勵器控制接觸件124b和第一激勵器控制接觸件124a之間的電位差產(chǎn)生的靜電力用于向下朝向激勵器基片112拉懸臂梁122。它還被用于向下朝向粘接到激勵器基片112上、并被分開制造的接觸件基片114拉懸臂梁122。
垂直MEM繼電器101采用導(dǎo)電短路棒123連接固定到分離接觸件基片114上的兩個信號接觸件116和118。當被拉到分離接觸件基片114時，短路棒123接觸第一和第二液體金屬信號接觸件116和118的液體金屬表面并使它們電連接在一起。懸臂梁122通常具有分離短路棒123和懸臂靜電控制接觸件124b的絕緣部分(未示出)。因此，第一和第二液體金屬信號接觸件116和118被懸臂梁122的短路棒123連接，這由采用兩個激勵器控制接觸件124a和124b的隔離靜電力機構(gòu)操作。
垂直MEM繼電器101作為正常打開(NO)開關(guān)接觸結(jié)構(gòu)而示出。導(dǎo)電控制接觸件124a和懸臂梁122的開口間隙通常為幾微米(1/1000000米)寬。當垂直MEM繼電器101處于閉合位置時，懸臂梁122靠近導(dǎo)電激勵器控制接觸件124a。然而，控制表面激勵器控制接觸件124a和124b不能直接電接觸或控制信號將短路。由于激勵器基片112與接觸件基片114分開制造，因此施加于第一和第二液體金屬信號接觸件116和118的液體金屬不干擾導(dǎo)電激勵器控制接觸件124a和懸臂梁122的操作。
在操作時，接觸件基片114與懸臂梁122和激勵器基片112精確對準，允許懸臂梁122和短路棒123被向下拉到包括制造在分離接觸件基片114上并含有液體金屬的液體金屬信號接觸件116和118的接觸子系統(tǒng)上。由用于懸臂梁激勵器的垂直靜電控制系統(tǒng)產(chǎn)生的弱力是另外的問題。這種弱力限制了可用于懸臂梁的移動，并且液體接觸材料對懸臂梁的任何濕潤都可能產(chǎn)生足夠的表面張力，因此懸臂梁不能被拉離接觸件。結(jié)果是導(dǎo)致無效(短路)的微繼電器系統(tǒng)。為解決這個問題，短路棒123優(yōu)選是非濕潤的。
應(yīng)該理解的是，采用靜電激勵器的垂直結(jié)構(gòu)MEM繼電器可以制造成具有多個支撐點和作為懸臂梁122的替代物的接觸彈簧和脫扣彈簧。由于接觸件基片與可移動的激勵器基片分開制造，因此這種多層垂直結(jié)構(gòu)適用于液體接觸件。
在汞未被用作液體接觸材料的情況，并且可提供一種方法和結(jié)構(gòu)(例如設(shè)置在接觸件基片上的加熱器(未示出))以防止液體接觸材料在操作溫度下固化，不要求激勵器和開關(guān)結(jié)構(gòu)分開制造現(xiàn)在參見圖4，其中示出了圖1的另一實施例，這里為簡化的垂直MEM繼電器110。該垂直MEM繼電器110包括圖1的一些元件(與圖1繼電器相同的元件標以相同的參考標記)，并附加地包括設(shè)置在接觸件基片30上的加熱器129。在優(yōu)選實施例中，可濕潤的金屬接觸件125和127制造在采用鎳(Ni)的接觸件基片30上。液體金屬接觸件126和128分別設(shè)置在可濕潤的金屬接觸件125和127上。表面張力對在接觸表面上的液體金屬具有保持效果。表面張力還有助于控制由于在接觸件打開時的濺射造成的液體金屬損失。優(yōu)選的是，金(Au)用于液體金屬接觸件126和128并且可采用本領(lǐng)域公知技術(shù)制造。
在操作中，加熱器129輸送足夠的熱量并傳遞到液體金屬接觸件126和128上，從而保持液體或幾乎保持液體接觸層。加熱器129最好輸送足夠的熱量以產(chǎn)生在液體金屬接觸件126和128層的微熔化(micromelting)，而不使可濕潤金屬接觸件125和127熔化。除了汞之外，典型的接觸材料將在正常繼電器操作溫度下固化。為得到采用典型材料的液體金屬接觸件的優(yōu)點，必須有某種形式的熱源，以便在電流流進微繼電器接觸件期間保持熔化材料狀態(tài)。熱源可以是外部或內(nèi)部的。應(yīng)該理解的是，內(nèi)部熱源可以是用于靠近液體金屬接觸件的接觸區(qū)域的分離加熱器，或者它可以加熱整個微繼電器。接觸區(qū)域可以被由于電流流過而在接觸材料中產(chǎn)生的歐姆(焦耳)熱加熱?？赏瑫r采用若干加熱方法的組合。熱控激勵器還可以產(chǎn)生熱量。其它加熱方法在本領(lǐng)域中是公知的，這里不再具體說明。
當接觸件閉合時適中電阻接觸件(1-10歐姆左右)的存在將促進接觸件加熱。如果在由于微焊破壞而造成的打開過程期間、這些接觸件被分開，接觸表面可能非常粗糙。粗糙表面將導(dǎo)致在閉合時的適中接觸電阻。在閉合時的適中接觸電阻將導(dǎo)致液體金屬接觸件126和128的快速加熱，通過形成液體金屬而恢復(fù)良好的接觸系統(tǒng)。
由于在每次閉合時熔化作用消除了任何的滑動磨損，因此在MEM繼電器110的閉合或打開期間，滑動磨損對液體金屬接觸件126和128造成的損傷減少了。應(yīng)該理解，采用MEM繼電器110的接觸結(jié)構(gòu)的其它繼電器結(jié)構(gòu)可以與靜電激勵器組合，這些靜電激勵器被制造成具有多個支撐點和作為懸臂結(jié)構(gòu)的替代物的接觸彈簧和脫扣彈簧?？刹捎酶鞣N類型的接觸件形狀，包括但不限于平坦表面和配合表面，如凸凹形狀。
現(xiàn)在參見圖4A，圖4的替代實施例即MEM繼電器110’包括設(shè)置在接觸件基片30上的分離加熱器129’，該分離加熱器位于接觸件基片30與可濕潤金屬接觸件125和127之間并靠近液體金屬接觸件126和128。利用這種加熱器129’的布置，熱量可以更有效地傳遞到液體金屬接觸件126和128并且可以更好地控制。
下面參見圖5，其中示出了能采用液體接觸件的橫向MEM繼電器130。該橫向MEM繼電器130可以采用分離激勵器基片140和接觸件基片146制造，其中如果用汞濕潤接觸件，在給基片146上的接觸件施加液體金屬之后將它們結(jié)合在一起?；蛘?，可采用加熱器(未示出)以提供液體金屬接觸件而不需要汞或分開的制造和結(jié)合。
橫向MEM激勵器170制造在激勵器基片140上。短路棒支架144在一端連接到橫向MEM激勵器170，在另一端連接到短路棒132。橫向MEM激勵器170可具有高接觸通斷力與有效移動長度相匹配，以便在結(jié)合兩個分開制造的結(jié)構(gòu)、激勵器基片140和接觸件基片146時可以給橫向結(jié)構(gòu)施加液體接觸件。短路棒132最好被制成金屬結(jié)構(gòu)并且是非濕潤的。
在接觸件基片146上制造第一可濕潤金屬信號接觸件149和第二可濕潤金屬信號接觸件153。如果短路棒132被液體金屬濕潤，在短路棒132被移開以打開接觸件時，接觸斷開操作將由于液體金屬從濕潤表面149和153到短路棒132的橋接而復(fù)雜化。短路棒132優(yōu)選是非濕潤的以避免這個問題。
如果不用加熱器(未示出)，優(yōu)選在制造期間給接觸件施加汞，以便形成液體金屬接觸件150和154。可濕潤金屬信號接觸件149和153是被固定于接觸件基片146的金屬結(jié)構(gòu)(如果采用汞的話，優(yōu)選用銀)，或者作為附著于接觸件基片146的壁上的金屬。優(yōu)選構(gòu)成方法包括整體或表面微機械加工或深活性離子刻蝕。
液體金屬接觸件150設(shè)置在第一可濕潤金屬信號接觸件149上，液體金屬接觸件154設(shè)置在第二可濕潤金屬信號接觸件153上。如果采用加熱器(未示出)，最好將金用于液體金屬接觸件150和154。如果金用作液體金屬，則可濕潤金屬信號接觸件149和153優(yōu)選是鎳結(jié)構(gòu)。應(yīng)該理解的是，還有能用于制造接觸結(jié)構(gòu)的可濕潤金屬和液體金屬的其它組合。可濕潤金屬信號接觸件149和153可以通過附加絕緣層(未示出)而與接觸件基片146絕緣。由于某些基片部分導(dǎo)電，因此有時需要絕緣層。如果可濕潤金屬接觸件附著于絕緣基片上，則絕緣基片不需要絕緣層。
在操作時，激勵器操作以將短路棒132向第一液體金屬接觸件150和第二液體金屬接觸件154移動。當短路棒132接觸液體金屬接觸件150和154的液體金屬表面時，液體金屬接觸件150和154與可濕潤金屬信號接觸件149和153電連接。
短路棒132返回到圖5所示的狀態(tài)使液體金屬接觸件150和154以及可濕潤金屬信號接觸件149和153打開。短路棒132最好是非濕潤的，因此可以更有效地斷開接觸件。如果液體金屬接觸件150和154濕潤短路棒132，當液體金屬接觸件150和154被打開時，液體金屬將附著于短路棒132上并被液體金屬的液體表面張力拉到間隙區(qū)域中。這可能阻止接觸件打開。為解決這個問題，短路棒132優(yōu)選是非濕潤的。
當組裝時，橫向MEM繼電器130與前面結(jié)合圖2所述的常規(guī)橫向激勵微繼電器相同地操作。然而，通過具有在操作溫度下的液體金屬接觸件150和154的分離接觸結(jié)構(gòu)146或通過采用在較低溫度下的被加熱液體金屬接觸件，采用液體接觸表面使得大電流承載截面可以具有非常低的電阻。通過控制寄生電感和電容，精細的構(gòu)成允許橫向MEM繼電器130可用極高頻率的信號?？刂聘唠娏鞯哪芰κ墙佑|結(jié)構(gòu)中的損失的函數(shù)，導(dǎo)致液體金屬被加熱到汽化點。可以通過對在液體接觸件產(chǎn)生的熱量提供低熱阻(和大發(fā)熱體)、可控制過量加熱。在替換實施例中，在低溫操作時，橫向MEM繼電器130可包括在液體金屬接觸件150和154的液體金屬附近的加熱器結(jié)構(gòu)(未示出)，以便避免它們固化。采用正溫度系數(shù)電阻材料的加熱結(jié)構(gòu)不是必須需要獨立的溫度傳感器。在加熱正溫度系數(shù)材料時，增加的電阻將減少產(chǎn)生的熱量并穩(wěn)定化接觸件溫度。液體金屬接觸系統(tǒng)的歐姆損失也將供應(yīng)熱量，并在承載電流時趨于將接觸件保持在液態(tài)。
應(yīng)該理解的是，橫向MEM繼電器130可采用多種技術(shù)之任一種以實現(xiàn)激勵器運動。示例包括靜電梳狀激勵器、磁性激勵器、壓電激勵器和熱激勵器。
現(xiàn)在參見圖6，其中示出了采用替換的液體接觸填充技術(shù)制造的橫向MEM繼電器160的接觸區(qū)域。沒有示出整個接觸系統(tǒng)。圖6示出了用于短路棒132(圖5)和MEM繼電器130(圖5)的液體金屬接觸件150和154的替換結(jié)構(gòu)。MEM繼電器160不需要接合分離的激勵器基片和分離的接觸件基片。橫向MEM繼電器160接觸結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在激勵器180上的短路棒184。短路棒184優(yōu)選制造成具有非濕潤金屬表面。接觸件基片188包括在與非濕潤短路棒184分開和面對的接觸件基片188的表面上的兩個液體金屬接觸件185和186。優(yōu)選的是，基片壁的內(nèi)表面具有接觸表面，這些接觸表面被處理成具有用于液體金屬接觸件的兩個濕潤區(qū)域(未示出)，以便保持液體金屬。液體金屬接觸件185和186在接觸件基片188的表面上的兩個位置上垂直金屬化。每個液體金屬信號接觸件185和186具有連接到接觸件基片188的外邊緣的導(dǎo)電通路194。兩個外部信號接觸件190和192設(shè)置在接觸件基片188的外邊緣上。
通路194是在基片上微機械加工的孔。通路194是從基片一側(cè)通過基片到相對一側(cè)的進入路徑。微機械加工之后，通路194可用金屬作襯里，該金屬是可用液體接觸金屬濕潤的，以便形成通過基片的金屬表面。切割晶片之后通路194位于接觸件基片188中，保持單個MEM器件。通路194的區(qū)域是可濕潤的，使毛細流可以用液體金屬填充接觸區(qū)域，該液體金屬是從外部液體金屬源通過通路194填充的。
組裝之后，液體金屬施加于通路194的外表面，并且毛細作用將液體金屬拉入內(nèi)部。表面張力和毛細作用導(dǎo)致用液體金屬涂敷兩個接觸區(qū)域。然后密封到通路194的外部入口，并且兩個外部信號接觸件190和192位于接觸件基片188的外部。
在工作時，金屬短路棒184最好是對于液體金屬接觸件185和186是非濕潤的，以便在橫向MEM繼電器160打開時避免接觸件橋接。當MEM繼電器160閉合時，金屬短路棒184接觸兩個液體金屬信號接觸件185和186，并通過導(dǎo)電通路194電連接到兩個外部信號接觸件190和192。金屬短路棒184的濕潤需要在打開橫向MEM160時接觸件到短路棒的間隔超過液體金屬表面張力橋接距離。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)便于在制造MEM激勵器180和MEM接觸件金屬化之后、向液體金屬接觸件185和186施加液體金屬。利用毛細作用補充液體金屬接觸件185和186上的液體金屬。
金屬短路棒184可制造成具有與液體金屬接觸件185和186的液體金屬表面接觸的非濕潤導(dǎo)電表面。金屬短路棒184的任何顯著的濕潤都可導(dǎo)致形成從液體金屬接觸件185和186到金屬短路棒184的液體橋接，和在激勵器180縮回時液體金屬接觸件185和186打開失敗。液體金屬接觸件185和186上的接觸件材料必須是可濕潤的，以便保持液體金屬。
如果采用任選的可濕潤短路棒(未示出)，它必須能從液體金屬接觸區(qū)域縮回到液體金屬表面張力將斷開任何橋接短路的點。
優(yōu)選的是，在每個可濕潤接觸表面上具有確定量的液體金屬。如果需要在低工作溫度下保持用于接觸件的液體金屬處于液體狀態(tài)，可將加熱裝置(未示出)接合到接觸件基片188上。例如，加熱器將保持汞在低于負37攝氏度的溫度下不固化。加熱器是正溫度系數(shù)電阻器，以便加熱功率和液體金屬溫度某種程度上可以自調(diào)節(jié)。加熱器還可以是與一個或多個微繼電器熱接觸的外部裝置。
頂蓋(未示出)和底蓋(未示出)可粘接到MEM繼電器160上，以便形成在所有側(cè)面上的密封封裝，其中外部信號接觸件190和192以及控制接點(未示出)適于在MEM繼電器160的外表面上，從而形成如圖3所示的結(jié)構(gòu)。
接觸結(jié)構(gòu)占據(jù)接觸件基片壁的整個垂直尺寸。此外，存在封閉接觸區(qū)域的側(cè)壁(未示出)，但在側(cè)壁上存在用于激勵器180的小間隙，以便接觸件基片188周圍的接觸區(qū)域被有效地密封并將使濺射問題最小化。該密封是由于靠著基片壁的非濕潤表面的液體金屬表面張力而形成。圖6中只示出了具有接觸件的壁。最終結(jié)構(gòu)與圖3和5中所示的封裝裝置相似。
參見圖7，MEM繼電器200包括制造在激勵器基片220上的橫向激勵器228和分開制造的接觸件基片240。接觸件基片240包括液體金屬接觸件250和254以及外部接點244。接觸件基片240還包括通過通路242連接到液體金屬接觸件250和254的外部信號接觸件244。這個結(jié)構(gòu)類似于圖3中所示的封裝裝置。
橫向激勵器228一般被制造在激勵器基片220中部的阱中，并且由激勵器基片220支撐。橫向激勵器228相對于激勵器制造基片220運動。激勵器228一般能產(chǎn)生在一個運動方向上的力(朝向或遠離液體金屬接觸件250和254)。激勵器制造基片220具有耦合信號以控制激勵器的外部激勵器控制接觸件224a和224b。在激勵器制造基片220的外表面上制造用于可獲得激勵器控制的這些外部激勵器控制接觸件224a和224b，從而可以制造前面參照圖3介紹的一體化的自封裝MEM繼電器。
絕緣激勵器隔板232連接在橫向激勵器228和短路棒236之間。絕緣激勵器隔板232的作用是為了保證信號路徑與激勵器控制路徑隔離。對于采用液體金屬接觸件，不需要信號路徑與控制路徑的隔離，但是在微繼電器的可用應(yīng)用中通常需要這種隔離。
優(yōu)選的是，液體金屬接觸件250和254以及短路棒236都基本上是平坦表面。還應(yīng)該理解到其它接觸表面的選擇方案也是可以的。通過在接合點238接合激勵器基片220和分開制造的接觸件基片240，由此組裝MEM繼電器200。MEM繼電器200可包括設(shè)置在接觸件基片240上、在液體金屬信號接觸件250和254附近的加熱器248，以便保持它們不固化。如果汞不用作液體金屬，則不需要激勵器基片220和接觸件基片240的分開制造和接合。如果通過采用附加的金屬路徑(未示出)將液體金屬接觸件250和254電連接到外部接點244，則不需要使用通路242。
參見圖8，替換的MEM繼電器258具有短路棒262和采用液體接觸件構(gòu)成的接觸結(jié)構(gòu)276。接觸件基片276包括可濕潤金屬接觸件264和265?？蓾駶櫧饘俳佑|件264和265通過通路280連接到外部信號接觸件278。液體金屬接觸件274和275設(shè)置在可濕潤金屬接觸件264和265上。激勵器(未示出)連接到激勵器絕緣隔板268上。
絕緣隔板268可連接到第二短路棒(未示出)和兩端，并在兩端的接觸組件(圖7中只示出一端)允許制造具有兩個相對的接觸件組的MEM繼電器258，因而MEM繼電器258可具有總是閉合的一組或另一組接觸件，但不是同時閉合。這允許制造用于MEM繼電器258的單刀雙擲開關(guān)(有時在當前繼電器術(shù)語中稱為C形)。采用具有三個位置性能(激活左側(cè)，停止中心，激活右側(cè))的激勵器將允許替換的MEM繼電器結(jié)構(gòu)被形成，提供兩組接觸件中的一個被激活，或不提供一個。
目前短路棒262具有在金屬化一側(cè)的錐形凹陷或V形凹陷、以及氣體通孔260，以便允許被封閉的氣體從短路棒262和液體金屬接觸件274和275之間的區(qū)域釋放出去。如果不需要均衡氣體壓力，或如果開關(guān)速度不需要最大化，則不需要氣體通孔262。V形結(jié)構(gòu)短路棒262包括允許氣體排出的開口端。液體金屬被阻止通過氣體通孔機構(gòu)排出。氣體通孔260很小足以允許被封閉的氣體排出，但并不是大到足以允許對液體金屬上的內(nèi)部壓力可以克服液體金屬的表面張力并強制液體金屬通過氣體通孔290。
在一個實施例中，稍微過量的液體金屬放置在接觸件上，并且短路棒262強制液體金屬接觸件274的液體接觸液體金屬接觸件275的液體。圖8示出了接觸件斷開的MEM繼電器258，圖9示出了接觸件閉合的MEM繼電器258。
現(xiàn)在參見圖9，示出了圖8的MEM繼電器258處于閉合位置。當短路棒262向液體金屬接觸件274和275移動并與之接觸時，包括通過通路280連接的外部信號接觸件278的信號電路閉合。當激勵器(未示出)向接觸件移動短路棒262時，液體金屬接觸件274和275部分發(fā)生位移、并向液體接觸件274和275之間的區(qū)域移動。當足夠的接觸液體移動到液體金屬接觸件274和275之間的容積內(nèi)時，接觸液體形成在可濕潤金屬接觸件264和265之間的附加電流路徑，使非濕潤短路棒金屬262分路。這個接觸結(jié)構(gòu)提供將外部信號接觸件278電連接在一起的兩個路徑，一個路徑是從液體金屬接觸件274通過短路棒262到液體金屬接觸件275，第二個路徑直接通過液體金屬接觸件274并與液體金屬接觸件275直接物理接觸。
現(xiàn)在參照圖10，MEM繼電器286(即MEM繼電器258的替換實施例)在液體金屬接觸件274和275中具有足夠的液體金屬，因此不需要非濕潤金屬短路棒，并且接觸過程完全處于構(gòu)成接觸件的液體金屬內(nèi)部。沒有導(dǎo)電金屬層的錐形或V形液體移動棒292設(shè)置在激勵器基片290上。液體移動棒292是非導(dǎo)電機械結(jié)構(gòu)，用于強制圖8的兩個液體金屬結(jié)構(gòu)274和275組合成如圖所示的一個導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。
在工作中，設(shè)置在激勵器基片290上的錐形或v形液體移動棒292推動液體金屬接觸件274和275在一起，并隨著液體移動棒292移動到液體中而控制液體的噴射。當液體金屬接觸件274和275被機械地推到一起時，它們電接觸。如果強制液體向內(nèi)噴射，則沒有液體從接觸區(qū)域損失，并且延長了MEM繼電器286的使用壽命。氣體通孔260必須很小，足以防止接觸液體流出。在控制液體通過通孔排出的過程中，接觸液體的表面張力是很重要的因數(shù)。
激勵器(未示出)具有收縮力性能和將液體移動棒292推入到液體金屬里面的能力。這里，激勵器參與閉合接觸件之間的信號路徑和斷開接觸件之間的信號路徑。
MEM繼電器286可包括設(shè)置在接觸件基片276上并在液體金屬信號接觸件274和275附近的加熱器(未示出)，以便保持它們不固化。
現(xiàn)在參見圖11和12，MEM繼電器300是如圖8、9和10所示的具有打開系統(tǒng)接觸結(jié)構(gòu)的MEM繼電器258和286的修改形式。MEM繼電器300包括閉合接觸區(qū)域和具有密封液體金屬接觸系統(tǒng)的激勵器結(jié)構(gòu)。圖11表示處于打開位置的MEM繼電器300。
MEM繼電器300包括具有激勵器310的密封液體金屬接觸系統(tǒng)，在MEM繼電器300處于打開位置時，激勵器310與非濕潤金屬短路薄膜316分開。非濕潤金屬短路薄膜316可包括一組氣體通孔314。
在接觸件基片324中的淺阱中制造一組可濕潤接觸件318和319。柔性薄膜316已經(jīng)放置在接觸區(qū)上。在柔性薄膜316中有小氣體通孔314，以便于在開關(guān)操作期間由于溫度變化而使壓力均衡。氣體通孔314足夠小，以便液體金屬接觸件320和322的表面張力不允許液體金屬通過氣體通孔314排出。如果不需要使壓力均衡或加快開關(guān)操作的開關(guān)時間，則不需要氣體通孔314。激勵器310將薄膜316推進液體金屬接觸件320和322中，以便閉合MEM繼電器300，如圖12所示。優(yōu)選的是，薄膜316是導(dǎo)電的，并且薄膜316電接觸每個液體金屬接觸件320和322，由此閉合開關(guān)。在具有非導(dǎo)電薄膜316的替換實施例中，激勵器310利用足夠的力推動薄膜316，從而使兩個液體金屬接觸件320和322結(jié)合在一起以閉合MEM繼電器300。一般情況下，薄膜316應(yīng)該是非濕潤的，以便避免接觸系統(tǒng)的橋接。通過退回激勵器310而斷開MEM繼電器300，通過薄膜316的恢復(fù)彈力，該激勵器釋放保持兩個液體金屬接觸件320和324的力，并使表面張力可將兩個液體金屬接觸件恢復(fù)到非連接狀態(tài)。液體金屬接觸件320和322必須相隔足夠遠的距離放置，當MEM繼電器300打開時，液體金屬的表面張力使液體金屬分離成兩個分開的液體金屬接觸件320和322。
在液體金屬接觸件320和322中使用的液體金屬的主排放機制是通過汽化并通過氣體通孔314排放。如果有一個有效的液體金屬存儲器，則會大大延長液體金屬接觸件320和322的壽命。MEM繼電器300的其他部分不會被液體金屬蒸汽再凝聚在各個內(nèi)表面上而退化。如果MEM繼電器300是全密封的，如前所述，則液體金屬蒸汽不會向外部釋放。如果接觸區(qū)域被密封，在沒有氣體通孔314的情況下，則沒有液體金屬蒸汽排放到密封接觸區(qū)域的外面。
圖12表示處于閉合位置的圖11的MEM繼電器300的接觸區(qū)域和激勵器結(jié)構(gòu)，并且非濕潤金屬短路薄膜316強制兩個液體金屬接觸件320和322在一起以閉合MEM繼電器300。這種接觸結(jié)構(gòu)可以用圖5的MEM繼電器130中使用的接觸結(jié)構(gòu)替換，代替短路棒132和液體金屬接觸件150和154(圖5)。
MEM繼電器300可包括設(shè)置在接觸件基片324、并在液體金屬接觸件320和322附近的加熱器(未示出)，從而保持液體金屬接觸件320和322不固化。
現(xiàn)在參見圖13，示出了包括激勵器310和接觸件基片324的單個接觸件密封結(jié)構(gòu)MEM繼電器335接觸區(qū)域。MEM繼電器335包括單個可濕潤金屬信號接觸件352，它與設(shè)置在接觸件基片324上的非濕潤導(dǎo)電薄膜342隔開。液體金屬接觸件346淀積在單個濕潤金屬接觸件352上。外部信號接觸件340設(shè)置在非濕潤導(dǎo)電薄膜342上。氣體通孔314設(shè)置在非濕潤導(dǎo)電薄膜342上。一組通路328設(shè)置在接觸件基片324上。外部信號接觸件350設(shè)置在接觸件基片324上并通過通路328電連接到可濕潤金屬信號接觸件352。
在工作中，激勵器310將薄膜324推進液體金屬接觸件346以閉合MEM繼電器335。薄膜342是導(dǎo)電的，并且它接觸液體金屬接觸件346以閉合MEM繼電器335。閉合MEM繼電器335就電連接了外部信號接觸件340和350。通過退回激勵器310，打開MEM繼電器335，激勵器310釋放相對液體金屬接觸件346保持薄膜的力，并使得表面張力可將液體金屬接觸件346恢復(fù)到非連接狀態(tài)。氣體通孔314使得壓力均衡并防止液體金屬排出。
MEM繼電器335可包括設(shè)置在接觸件基片324上并在液體金屬接觸件346附近的加熱器(未示出)，由此保持液體金屬接觸件不固化。
參見圖14，其中示出了橫向滑動液體金屬接觸系統(tǒng)MEM繼電器350。該液體金屬接觸MEM繼電器400包括橫向激勵器366，它位于激勵器制造基片362上并借助絕緣激勵臂368連接到導(dǎo)電滑動非濕潤短路棒370。激勵器制造基片362具有外部激勵器控制接觸件364a和364b，用于耦合信號以控制激勵器366。
MEM繼電器400還包括接觸件制造基片380，它能接合到激勵器制造基片362上或與其共同制造。由絕緣體382分離的一組液體金屬接觸件372和373都設(shè)置在接觸件制造基片380上。一對信號接觸件374和376被制造在接觸件制造基片380的表面上并分別電連接到兩個液體金屬接觸件372和373上。
在工作中，非濕潤短路棒370可滑動穿過兩個液體金屬接觸件372和373，其中這兩個液體金屬接觸件372和373被兩側(cè)的絕緣體382和下面的接觸件制造基片380分開并包含。非濕潤短路棒370平行移動到由兩個液體金屬接觸件372和373形成的平面。
在橫向激勵器366改變短路棒的位置時，它可以交替地與液體接觸件接合以便接通電路，或只接合液體接觸件中的一個(或不接合)以斷開電路。非濕潤短路棒370沿著分開兩個液體金屬接觸件372和373的絕緣體382的上表面(非濕潤的)滑動。如果滑動短路棒370被液體金屬接觸件372和373濕潤，可減少摩擦和磨損，并且由于液體金屬與液體金屬的接觸而改進了導(dǎo)電性，但是必須防止接觸件之間的液體金屬橋接的控制。通過兩個液體金屬接觸件372和373之間的足夠的間隔、足夠的橫向激勵器366的行程長度和足夠的液體金屬表面張力，可以克服橋接問題。在克服橋接問題上，接觸件制造基片380的非濕潤特性也非常重要。
如果在滑動非濕潤短路棒370和激勵器絕緣體之間有柔性密封薄膜(未示出)，則可以密封這個系統(tǒng)。這種密封薄膜(未示出)將激勵部分與液體金屬部分分離開。這將控制接觸部分外部的液體金屬移動到激勵器制造基片362上。
應(yīng)該理解的是，MEM繼電器350的接觸結(jié)構(gòu)可適用于各種激勵器和各種激勵器移動結(jié)構(gòu)。
還應(yīng)該理解，還有其它結(jié)構(gòu)的MEM繼電器350，在一個實施例中，該MEM繼電器350包括與接觸件制造基片380熱接觸的接觸件加熱系統(tǒng)384。頂蓋360和底蓋386可封閉MEM繼電器350。
應(yīng)該明白的是，前面已經(jīng)一般性地以優(yōu)選實施例的形式示出了具有兩個液體金屬接觸件的實施例，但是，MEM繼電器可制造成例如具有替換的短路棒和接觸結(jié)構(gòu)，以便提供多接觸件MEM繼電器。本領(lǐng)域技術(shù)人員都能理解到，采用下述MEM繼電器制造技術(shù)可得到各種接觸和激勵器結(jié)構(gòu)。
這里引證的所有出版物和參考文獻都在此明確地結(jié)合其全部內(nèi)容供參考的。
前面已經(jīng)介紹了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說很清楚的是，可采用結(jié)合本發(fā)明的原理的其它實施例。
例如，包括多個液體金屬接觸件、替換的液體金屬接觸裝置和替換的激勵器結(jié)構(gòu)的MEM繼電器可結(jié)合本發(fā)明的原理。
權(quán)利要求
1.一種MEM繼電器，包括接觸件基片；至少兩個液體金屬接觸件，設(shè)置在所述接觸件基片上；和激勵器基片，被固定在所述接觸件基片上，其中所述接觸件基片與所述激勵器基片分開制造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的MEM繼電器，其中所述激勵器基片還包括設(shè)置在所述激勵器基片上的懸臂支承部件；具有第一端和第二端的懸臂梁，其中所述第二端設(shè)置在所述懸臂支承部件上；和短路棒，設(shè)置在所述懸臂梁的第一端上，使得當MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時、所述短路棒使所述至少兩個液體金屬接觸件電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的MEM繼電器，其中所述激勵器基片還包括橫向激勵器，設(shè)置在所述激勵器基片上；和非濕潤金屬短路棒，設(shè)置在所述橫向激勵器上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的MEM繼電器，其中所述接觸件基片還包括至少一個外部填充口，設(shè)置在所述接觸件基片上，以便液體金屬可以通過毛細流被引入該器件中；和至少一個蓋子，使得當MEM繼電器接收預(yù)定量的液體金屬時、所述至少一個外部填充口可以被封閉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的MEM繼電器，其中所述激勵器基片還包括橫向激勵器，設(shè)置在所述激勵器基片上；和短路棒，可移動地連接到所述橫向激勵器，使得當MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時、所述短路棒使所述至少兩個液體金屬接觸件電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的MEM繼電器，其中，所述短路棒的移動平行于由所述至少兩個液體金屬接觸件形成的平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的MEM繼電器，還包括與所述接觸件基片熱連通的加熱器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的MEM繼電器，其中所述短路棒通過絕緣激勵臂可移動地連接到所述橫向激勵器。
9.一種MEM繼電器，包括激勵器；非濕潤短路棒，設(shè)置在所述激勵器上；接觸件基片，具有上表面和下表面并與所述非濕潤短路棒隔開；第一液體金屬接觸件，設(shè)置在所述接觸件基片的所述上表面上；第一信號接觸件，設(shè)置在所述接觸件基片的所述下表面上；第一通路，具有涂敷液體金屬的內(nèi)表面和外表面，該第一通路通過所述接觸件基片，并在該MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時使所述第一液體金屬接觸件和所述第一信號接觸件電連接；第二液體金屬接觸件，設(shè)置在所述接觸件基片的所述上表面上；第二信號接觸件，設(shè)置在所述接觸件基片的所述下表面上；和第二通路，具有涂敷液體金屬的內(nèi)表面和外表面，該第二通路通過所述接觸件基片，并在該MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時使所述第二液體金屬接觸件和所述第二信號接觸件電連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的MEM繼電器，其中，該非濕潤短路棒具有導(dǎo)電金屬表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的MEM繼電器，其中，該非濕潤短路棒是非導(dǎo)電薄膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的MEM繼電器，其中，該非濕潤短路棒是液體移動棒。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的MEM繼電器，其中，該非濕潤短路棒是非濕潤金屬短路薄膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的MEM繼電器，其中，該非濕潤金屬短路薄膜還包括多個氣體通孔。
15.一種MEM繼電器，包括接觸件基片；設(shè)置在所述接觸件基片上的多個通路；和多個信號接觸件，設(shè)置在所述接觸件基片上，其中通過所述多個通路傳送液體金屬，用液體金屬涂敷所述多個液體金屬接觸件。
16.一種MEM繼電器，包括激勵器；設(shè)置在所述激勵器上的短路棒；接觸件基片；多個液體金屬接觸件，設(shè)置在所述接觸件基片上，使得當該MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時、所述多個液體金屬接觸件電連接；和至少一個加熱器，設(shè)置在所述接觸件基片上，其中所述加熱器與所述多個液體金屬接觸件熱連通。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的MEM繼電器，其中，該接觸件基片還包括多個可濕潤金屬接觸件，它們設(shè)置在所述接觸件上，使得每個所述可濕潤金屬接觸件靠近所述多個液體金屬接觸件的每個，并且每個所述可濕潤金屬接觸件與所述多個液體金屬接觸件的每個處于電連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的MEM繼電器，其中所述短路棒還包括設(shè)置在所述短路棒上的非濕潤金屬表面。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的MEM繼電器，其中所述短路棒是非導(dǎo)電液體移動棒。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的MEM繼電器，其中所述短路棒是非濕潤金屬短路薄膜。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的MEM繼電器，其中所述非濕潤金屬短路薄膜還包括多個氣體通孔。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的MEM繼電器，其中所述多個可濕潤金屬接觸件的每一個包括過量液體金屬，使得在多個可濕潤金屬接觸件的每個上形成液體金屬滴。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的MEM繼電器，其中所述短路棒是非濕潤金屬短路薄膜。
24.根據(jù)權(quán)利要求16的MEM繼電器，其中所述短路棒是懸臂非濕潤金屬短路薄膜。
25.一種MEM繼電器，包括激勵器；激勵器隔板，可移動地設(shè)置在所述激勵器上；設(shè)置在所述激勵器隔板上的短路棒；接觸件基片，具有上表面和下表面并與所述短路棒隔開；多個可濕潤金屬接觸件，設(shè)置在所述接觸件基片的所述上表面上；多個液體金屬接觸件，設(shè)置在所述多個可濕潤金屬接觸件上，使得當MEM處于閉合狀態(tài)時、所述多個可濕潤金屬接觸件電連接；多個外部接觸件，設(shè)置在所述接觸件基片的所述下表面上；和多個導(dǎo)電通路，使所述多個可濕潤金屬接觸件的每個電連接于所述多個外部接觸件的相應(yīng)一個。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的MEM繼電器，其中所述短路棒還包括多個氣體通孔。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的MEM繼電器，其中所述短路棒還包括設(shè)置在所述短路棒上的非濕潤金屬表面。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的MEM繼電器，其中所述短路棒是非導(dǎo)電液體移動棒。
29.根據(jù)權(quán)利要求25的MEM繼電器，其中所述短路棒是非濕潤金屬短路薄膜。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的MEM繼電器，其中所述非濕潤金屬短路薄膜還包括多個氣體通孔。
31.根據(jù)權(quán)利要求25的MEM繼電器，其中所述多個可濕潤金屬接觸件的每一個包括過量液體金屬，使得在多個可濕潤金屬接觸件的每個上形成液體金屬滴。
32.根據(jù)權(quán)利要求25的MEM繼電器，其中所述短路棒是非濕潤金屬短路薄膜。
33.根據(jù)權(quán)利要求25的MEM繼電器，其中所述短路棒是懸臂非濕潤金屬短路薄膜。
34.根據(jù)權(quán)利要求25的MEM繼電器，其中所述激勵器隔板使所述短路棒與所述激勵器電絕緣。
35.一種MEM繼電器，包括激勵器；非濕潤金屬短路薄膜，設(shè)置在所述激勵器上并具有外表面和內(nèi)表面；多個上外部接觸件，設(shè)置在所述非濕潤金屬短路薄膜的所述外表面上；接觸件基片，具有上表面和下表面并與所述非濕潤金屬短路薄膜隔開和絕緣；液體金屬接觸件，設(shè)置在所述接觸件的所述上表面上；多個下外部接觸件，設(shè)置在所述接觸件基片的所述下表面，使得當MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時、所述多個下外部接觸件的至少一個電連接于所述多個上外部接觸件的至少一個；和多個導(dǎo)電通路，使所述多個可濕潤金屬接觸件的每個電連接于所述多個下外部接觸件的相應(yīng)一個。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的MEM繼電器，其中所述非濕潤金屬短路薄膜還包括多個氣體通孔。
37.一種制造MEM繼電器的方法，包括以下步驟提供激勵器基片；向接觸件基片提供多個液體金屬接觸件；和結(jié)合所述激勵器基片與所述接觸件基片，由此形成MEM繼電器。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中提供激勵器基片的步驟還包括以下步驟提供設(shè)置在所述激勵器基片上的橫向激勵器；和提供設(shè)置在所述橫向激勵器上的非濕潤金屬短路棒。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中提供接觸件基片的步驟還包括以下步驟提供設(shè)置在所述接觸件基片上的至少一個外部填充口；通過毛細管流將液體金屬引入到該器件中，和用蓋子封閉所述至少一個外部填充口。
40.一種制造MEM繼電器的方法，包括以下步驟提供激勵器；提供設(shè)置在所述激勵器上的非濕潤短路棒；提供具有上表面和下表面并與所述非濕潤金屬短路棒隔開的接觸件基片；提供設(shè)置在所述接觸件基片的所述上表面上的第一液體金屬接觸件；提供設(shè)置在所述接觸件基片的所述下表面上的第一信號接觸件；提供具有涂敷液體金屬的內(nèi)表面和外表面的第一通路，該第一通路通過所述接觸件基片，并在該MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時、使所述第一液體金屬接觸件和所述第一信號接觸件電連接；提供設(shè)置在所述接觸件基片上的所述上表面的第二液體金屬接觸件；提供設(shè)置在所述接觸件基片的所述下表面上的第二信號接觸件；提供具有涂敷液體金屬的內(nèi)表面和外表面的第二通路，該第二通路通過所述接觸件基片，并在該MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時、使所述第二液體金屬接觸件和所述第二信號接觸件電連接；和通過所述第一和第二通路引入液體金屬，以便濕潤所述第一和第二接觸件。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的制造MEM繼電器的方法，還包括以下步驟提供設(shè)置在所述激勵器基片上、并與所述第一液體金屬接觸件和所述第二液體金屬接觸件熱連通的加熱器。
全文摘要
一種MEM繼電器(110′)，包括激勵器、設(shè)置在激勵器上的短路棒(52)、接觸件基片和設(shè)置在接觸件基片上的多個液體金屬接觸件(126，128)，使得當MEM繼電器處于閉合狀態(tài)時、多個液體金屬接觸件電連接。此外，MEM繼電器包括設(shè)置在所述接觸件基片上的加熱器(129，129′)，其中所述加熱器與多個液體金屬接觸件熱連通。接觸件基片可另外包括設(shè)置在接觸件基片上的多個可濕潤金屬接觸件(125，127)，其中多個可濕潤金屬接觸件的每個靠近多個液體金屬接觸件(126，128)的每個，并且每個可濕潤金屬接觸件與多個液體金屬接觸件的每個電連接。
文檔編號H01H1/08GK1422433SQ01807804
公開日2003年6月4日 申請日期2001年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月2日
發(fā)明者羅伯特·D·斯特里特, 李·A·麥克米倫, 羅德里克·G·貝里斯泰特 申請人:雷聲公司