專利名稱：具有混合驅(qū)動的微型機(jī)械繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型機(jī)械繼電器，它有一個基座，基座上有一個扁平的基座電極和至少一個固定的靜觸頭，有至少一個舌簧狀的銜鐵，它的一端與基體彈性連接，銜鐵上有一個處于基座電極相對位置的銜鐵電極以及有一個與靜觸頭處于相對位置的銜鐵觸頭，對于這種繼電器，當(dāng)在銜鐵電極與基座電極之間施加一個電壓時，銜鐵被吸引在基座上。
由Minoru Sakata的論文“An Electrostatic Microactuatorfor Electro-Mechanical Relay”(IEEE Micro ElectroMechanical Systems，1989年2月，149至151頁)已知一種具有靜電驅(qū)動的微型機(jī)械繼電器。在那里，一個由硅的基座腐蝕而成的銜鐵通過兩個扭轉(zhuǎn)片支承在中心線上，使它的兩翼的每一個與一個在下面的基座電極相對。為了靜電激勵繼電器，總是要在銜鐵電極和兩個基座電極中的一個之間施加電壓，所以，銜鐵可有選擇地向這一側(cè)或向另一側(cè)進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于扭轉(zhuǎn)支承裝置與基座之間有距離，所以即使作回轉(zhuǎn)運(yùn)動也仍會在電極之間保留某個楔形的空隙，因此保持的靜電吸引力比較小。這同樣會使接觸力比較小。
在DE 3207920 C2中已經(jīng)介紹了一種制造靜電繼電器的方法。在那里，銜鐵由晶體半導(dǎo)體材料的框板腐蝕而成；銜鐵通過框板放在絕緣的底座上，后者也設(shè)有對應(yīng)電極。當(dāng)然，在銜鐵和對應(yīng)電極之間存在一個比較大的距離，即使在銜鐵被吸時仍保持這一距離。為了在銜鐵和對應(yīng)電極之間有此距離時能產(chǎn)生所希望的接觸力，在這種已知的繼電器中要求比較高的電壓。
總之，靜電驅(qū)動繼電器的缺點(diǎn)是，在銜鐵開始運(yùn)動時，亦即電極之間有較大距離時，吸引力比較小，所以只能延遲吸合或要求高的吸動電壓。因此本發(fā)明的目的是，進(jìn)一步改進(jìn)本文開始所述類型的微型機(jī)械繼電器，改善其吸動特性，也就是說，保留靜電驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)—在銜鐵被吸住時有較大的接觸力，但與此同時還提高了開始動作的力。
按本發(fā)明為達(dá)到上述目的，在銜鐵上至少局部設(shè)有一個起彎曲變換器作用的壓電層，在激勵時它的彎曲力支持了基座電極與銜鐵電極之間的靜電吸引力。
在按本發(fā)明的繼電器中，除靜電驅(qū)動外，銜鐵還具有壓電驅(qū)動。在如此構(gòu)成的這種混合驅(qū)動中，兩個驅(qū)動系統(tǒng)的特性有利地組合在一起，使一種驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)償了另一種驅(qū)動系統(tǒng)的缺點(diǎn)壓電驅(qū)動可使銜鐵移動一個較大的距離或走過一個較長的閉合行程，但是在有較大的銜鐵偏轉(zhuǎn)時，亦即在工作位置下，只能產(chǎn)生較小的力。另一方面，靜電驅(qū)動雖然能在工作位置下，亦即銜鐵被吸時，產(chǎn)生較大的接觸力，然而在銜鐵運(yùn)動的一開始，亦即在有較大的電極間距時，靜電吸引力很小。
在按本發(fā)明的繼電器中，形式上為一個帶有銜鐵電極和壓電層的舌簧的銜鐵，在一側(cè)與一個銜鐵基體連接在一起并可以擺動。對于這種繼電器，通過銜鐵和基座之間或多或少存在的楔形空隙，從一開始就產(chǎn)生一個較大的靜電吸引力，通過疊加上壓電的力則進(jìn)一步改善了這個力。此時，基座電極設(shè)在基座的一個腐蝕而成的斜段上，從而使銜鐵電極與基座電極在靜止?fàn)顟B(tài)下構(gòu)成前面曾提到的楔形空隙，而在激勵狀態(tài)下使銜鐵電極近似平行地貼靠在此基座電極上。這樣一來，由于在銜鐵被吸后在電極之間除了必要的薄薄的絕緣層外不再留下任何空隙，因此可以獲得較大的接觸力。
下面借助附圖表示的實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。其中

圖1具有單側(cè)支承的舌簧狀銜鐵的混合式繼電器；圖2圖1所示繼電器在銜鐵基體和基座中各層的剖切放大示圖，圖中未按尺寸比例；圖3混合式繼電器的控制線路示意圖；以及圖4混合式繼電器力的曲線簡圖。
圖1中示意表示了一種微型機(jī)械混合式繼電器，為了能看得更清楚，圖中的構(gòu)件未按實(shí)際的尺寸比例。繼電器中有一個基座51，它例如可用硅制成，但最好用硼硅玻璃制成。在此基座51上設(shè)置并固定著一個銜鐵基體52，它最好用硅制成。在銜鐵基體52中有一個設(shè)計(jì)為直接腐蝕的表面區(qū)的舌簧狀銜鐵53。基座51和銜鐵基體52通過直接腐蝕區(qū)在它們的邊緣連接起來，使銜鐵53處于一個封閉的觸頭盒54內(nèi)。
在銜鐵53的自由端有一個銜鐵觸頭55，它與基座上的一個固定的靜觸頭56共同工作。此外，在銜鐵面對基座的它的表面區(qū)，設(shè)有形式上為金屬層的銜鐵電極57，與之相對的是基座的電極58。這兩個電極57和58構(gòu)成繼電器的一個靜電驅(qū)動裝置?；姌O58設(shè)在基座的一個傾斜段59上，所以，在銜鐵被吸引的狀態(tài)下，銜鐵電極57如圖1所示完全平行地貼靠在基座電極58上。
除此之外，銜鐵53上還有一個壓電驅(qū)動裝置，它在形式上是一個壓電層60，并如彎曲變換器那樣進(jìn)行工作，以及，主要是在銜鐵運(yùn)動的開始能在銜鐵上產(chǎn)生必要的吸引力。
盡管在圖1中只是用標(biāo)號64作了粗略的表示，實(shí)際上必須設(shè)置一些電引線，它們通往觸頭55和56以及電極57和59，并通往圖中沒有進(jìn)一步表示的壓電變換器60的電極。這些導(dǎo)線可用傳統(tǒng)的分層技術(shù)鋪設(shè)，當(dāng)然此時每個焊接區(qū)可以并列地在一個平面內(nèi)。故通往動觸頭55的導(dǎo)線可與電極57處于一個平面內(nèi)，并在此平面內(nèi)通過適當(dāng)?shù)拈g隙與之分開。銜鐵53的舌端還可以用縱向槽分割成例如3個可相對運(yùn)動的端頭。以此方式，使設(shè)有觸頭55的那個舌端可彈性彎曲以提高接觸力，而其上帶有電極層的兩側(cè)的舌端則可以平貼在基座電極58上。在這里只是為了說明的完整性還應(yīng)提及，電勢不同的層間絕緣采用適當(dāng)?shù)慕^緣層來保證，在圖中沒有專門表示這些分層。
圖2以略為放大的視圖再次表示了構(gòu)成此繼電器的兩個部分在組裝之前的情況，以便更清楚地表示這些分層。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，在此示意圖中幾何尺寸的關(guān)系與各層實(shí)際的長度和厚度的比例不一致，在制造時，構(gòu)成銜鐵53的舌簧由銜鐵基體52通過有選擇地腐蝕掏空而成。此舌簧因而是由與基體本身相同的材料硅制成的，但是通過加入添加劑而成為耐腐蝕的。在它上面生成一個SiO2層作為絕緣層，并在此絕緣層上再敷設(shè)一個金屬層，例如為鋁構(gòu)成的，它一方面成為銜鐵電極57，但另一方面又形成為觸頭55的引線和在此之后要鋪設(shè)的壓電層60的內(nèi)電極61。一般來說，金屬表面或引線必須互相絕緣，這一點(diǎn)可通過相應(yīng)地縱向隔開加以實(shí)現(xiàn)。在壓電層60之后，同樣鋪設(shè)金屬層作為它的外電極62。在舌簧或銜鐵53的自由端上通過電鍍加上觸頭55。此外，舌簧的前端可通過兩個切槽分成一個開關(guān)彈簧和兩個位于側(cè)邊的靜電銜鐵元件。
基座同樣通過腐蝕用硅或硼硅玻璃制的基座51制成。在第一個腐蝕步驟中，各向異性或各向同性地制出一個凹槽54a，槽底平行于基座表面。接著，在第二個腐蝕步驟中，通過一種傳統(tǒng)的技術(shù)在槽底腐蝕出一個楔形凹口，以便形成斜段59，它相對于基座的表面傾斜一個銳角。此斜度在圖中作了夸大的表示。在一個實(shí)際例子中，這一角度的數(shù)量級約3°。然后在腐蝕后的表面形狀上生成一個金屬層，以構(gòu)成基座電極58和所需要的引線。觸頭56電鍍制成。此外，按傳統(tǒng)的方法敷設(shè)絕緣層63，例如是SiO2絕緣層。在一種可能的改型中，壓電層60也可以沿著舌簧的全長延伸。在這種情況下，它在電極57和58之間起絕緣層的作用，所以不再用另外的絕緣層63。
這兩個基體51和52用已知的方法例如通過陽極的底組合在一起。此時還應(yīng)設(shè)有通往金屬層的相應(yīng)導(dǎo)線，在圖中無需對它們作詳細(xì)的表示。
圖3表示了按圖1的混合驅(qū)動的簡單線路圖。其中，基座電極11與銜鐵電極23平行，它們平板狀地彼此對置著，當(dāng)由電源40施加一個電壓時成為一個靜電驅(qū)動裝置。與此靜電驅(qū)動平行地安放著一個壓電變換器41，它有自己的電極42和43，其中，電極43可由與電極23相同的那一層構(gòu)成。通過開關(guān)44，具有電極11和23的靜電驅(qū)動，以及具有電極42和43的壓電驅(qū)動，可以并聯(lián)在電源40上。在這種情況下，兩個驅(qū)動裝置同時動作，并將它們的力疊加起來，去閉合有關(guān)的觸頭。
圖4中示意表示了兩個驅(qū)動裝置的特性曲線。橫座標(biāo)表示銜鐵間距S，縱座標(biāo)是力F。在靜止?fàn)顟B(tài)下，當(dāng)銜鐵間距為a值時，用f1表示的靜電力比較??；隨著銜鐵逐漸接近基座電極，力f1增加，當(dāng)間距S趨于0時它達(dá)到一個高值。用f2表示的壓力的吸引力在銜鐵運(yùn)動開始時為最大，也就是在大的銜鐵間距時最大。隨著此彎曲變換器朝著基座電極方向的逐漸偏轉(zhuǎn)，力f2變小。因此，壓電的力f2在銜鐵間距較大為a時補(bǔ)償了f1較小的值，而在銜鐵閉合后，靜電的力f1又補(bǔ)償了壓電力f2的較小的值。于是形成了一條力f3的綜合變化曲線，力f3在整個行程過程中克服彈性支承的反作用力f4，并在銜鐵閉合時可產(chǎn)生較大的接觸力。
權(quán)利要求
1.微型機(jī)械的繼電器，它有一個基座(51)，基座(51)上有一個扁平的基座電極(58)和至少一個固定的靜觸頭(56)，有至少一個舌簧狀的銜鐵(53)，它的一端與基體(52)彈性連接，銜鐵(53)上有一個處于基座電極(58)相對位置的銜鐵電極(57)以及與靜觸頭(56)處于相對位置的銜鐵觸頭(55)，對于這種繼電器，當(dāng)在銜鐵電極(23、57)與基座電極(11、58)之間施加一個電壓時，銜鐵被吸引在基座上，其特征為銜鐵(53)上至少局部地設(shè)有一個起彎曲變換器作用的壓電層(60)，在激勵時它的彎曲力支持了基座電極與銜鐵電極之間的靜電吸引力。
2.按照權(quán)利要求1所述之繼電器，其特征為基座電極(58)設(shè)在基座(51)的腐蝕而成的斜段上，因此，在靜止?fàn)顟B(tài)下，銜鐵電極(57)與基座電極(58)構(gòu)成了一個楔形的空隙，而在激勵狀態(tài)下，近似平行地貼靠在此基座電極(58)上。
3.按照權(quán)利要求1或2所述之繼電器，其特征為銜鐵(53)由一個用半導(dǎo)體材料尤其是硅制成的銜鐵基體(52)的三側(cè)掏空、下部腐蝕后的表層構(gòu)成，而此由硅或硼硅玻璃制的基座(51)與銜鐵基體(52)的表面連接在一起。
全文摘要
微型機(jī)械繼電器有一個由銜鐵基體(52)腐蝕出來的舌簧狀銜鐵(53)，此銜鐵(53)與銜鐵基體彈性連接，它與一個在它下面的基座(51)的基座電極(58)構(gòu)成了一種靜電驅(qū)動。此外，在銜鐵(53)上設(shè)有壓電層(60)，它起彎曲變換器的作用，并構(gòu)成一種附加的驅(qū)動。當(dāng)在銜鐵(53)的電極、基座(51)的電極和壓電層(60)的電極上施加一個電壓時，銜鐵被吸在此基座上，并因而在至少一個觸頭(55、56)閉合的情況下，銜鐵大面積地貼靠在此基座上。此時，靜電驅(qū)動和壓電驅(qū)動的不同特性線疊加在一起，所以，既能在銜鐵運(yùn)動開始時產(chǎn)生一個大的吸引力，又能在銜鐵吸住后產(chǎn)生一個大的接觸力。
文檔編號H01H1/50GK1118199SQ94191220
公開日1996年3月6日 申請日期1994年2月14日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月18日
發(fā)明者H·-J·吉瓦特, L·基斯韋特, J·辛卡特, H·施拉克 申請人:西門子公司