使用MEMS开关用于故障中断的系统和方法技术方案

一种电气系统包括操作MEMS开关和与操作MEMS开关串联地定位的故障中断MEMS开关，操作MEMS开关能够在导通和截止状态操作以使得电流能够流向负载和禁止电流流向负载。故障中断MEMS开关能够在导通和截止状态操作，以使得电流能够流向电力负载和禁止电流流向电力负载，其中不管操作MEMS开关的状态如何，故障中断MEMS开关在截止状态的操作禁止电流流向负载。故障传感器控制系统操作以感测系统变量，分析系统变量以检测故障是否正影响电气系统，并且一旦检测到故障，则将故障中断MEMS开关从导通状态切换到截止状态，以中断电流通过操作MEMS开关流向负载。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用MEMS开关用于故障中断的系统和方法
技术介绍
本专利技术的实施例大体上涉及微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)开关，并且更具体地涉及使用MEMS开关用于故障中断的系统和方法。MEMS是一种技术，以其最通常的形式，其可以定义为使用微型制造技术制成的小型化的机械和机电元件(即器件和结构)。MEMS器件的临界物理尺寸可以从尺寸谱的较低端的远低于一个微米一直到几个毫米变化。同样，MEMS器件的类型可以从没有任何运动元件的相对简单的结构到具有在集成微电子的控制下的多个运动元件的极端复杂的机电系统变化，其中，独立式(free-standing)MEMS结构或“梁(beam)”经常充当例如继电器。关于具有运动元件的MEMS器件，这种运动元件可以是独立式和悬挂式MEMS结构的形式，其被配置为其中第一端锚定到衬底(例如，熔融石英、玻璃、硅衬底)、以及第二自由端具有触点的悬臂。当MEMS器件被激励时，独立式MEMS结构移动其触点抵靠器件衬底上并在MEMS结构触点下方的衬底触点。具体关于MEMS器件，还认识到，在操作中，独立式结构与衬底触点的接触可以使独立式结构(即独立式结构的触点)经历由于以下情况造成的机械磨损：与衬底触点的重复物理冲击、由焦耳加热造成独立式结构触点的加热以及独立式结构触点和衬底触点之间的放电。独立式结构触点的这种磨损可能最终导致MEMS开关中的可靠性问题。在MEMS开关中由于独立式结构触点的磨损产生的一个常见可靠性问题是触点变成卡在闭合状态。可能造成卡在闭合状态的触点失效模式的其它条件有由于热切换条件造成的电弧、由于德瓦尔斯力(vanderWaalsforce)造成的静摩擦、梁的塑性形变、或当MEMS器件处于导通条件时的栅极驱动器失效。取决于MEMS开关所安装的系统，卡在闭合状态的故障条件可能引起卡住的MEMS开关的上游或下游的更多的失效，且在包括大量的MEMS开关的应用中可能是特别有问题的。要认识到，在MEMS开关中卡在闭合状态的失效模式不是可能出现在电气系统中的唯一失效模式。其它失效模式包括例如短路、开路、电压暂态或电力剧变或尖峰、电力故障、电力跌落、电压不足或欠电压条件、过电压条件、电力线路噪声、频率变化、开关暂态、谐波畸变和冷却系统失效。如同在MEMS开关中的卡在闭合状态的失效模式一样，上面列出的失效中的任何一种如果没有被适当地检测和管理则会对系统造成破坏。因此，期望提供快速动作和成本有效的解决方案以中断包含在正经历失效的电气系统中的MEMS开关的电路。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，一种具有故障中断MEMS开关单元的电气系统包括位于第一电路径中的第一操作MEMS开关，所述第一操作MEMS开关能够在使得电流能够流向第一电力负载的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载的截止状态操作。所述电气系统还包括与所述第一操作MEMS开关串联地定位的第一故障中断MEMS开关，所述第一故障中断MEMS开关能够在使得电流能够流向所述第一电力负载的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载的截止状态操作，其中，不管所述第一操作MEMS开关的状态如何，所述第一故障中断MEMS开关在所述截止状态的操作都禁止电流流向所述第一电力负载。所述电气系统还包括定位成感测第一系统变量的第一故障传感器；以及控制系统，所述控制系统被编程为：从所述第一故障传感器接收所述第一系统变量；分析所述第一系统变量，以检测故障是否正影响所述电气系统；以及一旦检测到故障，则将所述第一故障中断MEMS开关从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一操作MEMS开关流向所述第一电力负载。根据本专利技术的另一方面，一种在检测到故障条件时中断电路中的电流的方法包括：在所述电路的输入处接收电力；以及一旦对所述电路通电，则通过控制器闭合第一故障隔离MEMS开关，以便允许电流从所述输入流向第一电路负载，所述第一故障隔离MEMS开关定位在第一电流路径中。所述方法还包括选择性地操作与所述第一故障隔离MEMS开关串联的第一操作MEMS开关，以将电流通过所述第一电流路径提供至所述第一电路负载，并中断电流通过所述第一电流路径；通过第一故障传感器测量正影响所述电路的第一特性；以及将所述测量的第一特性提供至所述控制器。所述方法还包括通过所述控制器监测所述测量的第一特性，以检测故障条件是否存在；以及一旦检测到故障条件存在，则通过所述控制器打开所述第一故障隔离MEMS开关，以便中断电流流向所述第一电力负载的，并防止对所述电路造成破坏。根据本专利技术的又一方面，一种具有MEMS开关失效保护的电力系统包括：电源；从所述电源接收电力的第一系统负载；以及沿第一电路路径设置在所述电源和所述第一系统负载之间的第一过程MEMS开关，所述第一过程MEMS开关能够在闭合位置和打开位置操作，以选择性地控制电流从所述电源流向所述第一系统负载。所述电力系统还包括失效隔离MEMS开关模块，所述失效隔离MEMS开关模块具有：与所述第一过程MEMS开关串联地定位的第一失效隔离MEMS开关，所述第一失效隔离MEMS开关能够在闭合位置和打开位置操作，以选择性地控制电流流过所述第一过程MEMS开关；第一失效传感器，所述第一失效传感器测量与所述第一过程MEMS开关的位置对应的第一系统特性；以及控制单元，所述控制单元被编程为：从所述第一失效传感器接收所述第一系统特性；使用所述第一系统特性，确定所述第一过程MEMS开关是否被卡在所述闭合位置；以及一旦确定所述第一过程MEMS开关被卡在所述闭合位置，则将所述第一失效隔离MEMS开关从所述闭合位置切换到所述打开位置，以将所述第一系统负载与所述电源电隔离。从以下详细描述和图式，将使各种其它特征和优点显而易见。附图说明附图示出用于执行本专利技术的目前想到的实施例。在附图中：图1是根据本专利技术的示范性实施例的MEMS开关的示意透视图。图2是图1的MEMS开关处于打开位置的示意侧视图。图3是图1的MEMS开关处于闭合位置的示意侧视图。图4是根据本专利技术的实施例的并入故障中断MEMS开关模块的电力系统的示意图。图5是根据本专利技术的另一实施例的并入故障中断MEMS开关模块的电力系统的示意图。具体实施方式本文中陈述的本专利技术的实施例涉及在使用MEMS开关的故障条件或失效模式期间中断电力或电路或系统。提供了一种故障或失效中断或隔离MEMS开关模块，其包括在故障期间用于中断电力或电气系统或电路的故障或失效中断或隔离MEMS开关，以将电源与电力负载隔离。一旦系统通电或启动，在MEMS开关模块中的控制系统闭合故障中断MEMS开关，并基于来自故障或失效传感器的反馈打开故障中断MEMS开关，所述故障或失效传感器对代表是否已经出现故障条件的特性或变量进行测量。参照图1-3，示出根据本专利技术的示范性实施例的静电微机电系统(MEMS)开关10的示意透视图。根据图1-3中所示的示范性实施例，MEMS开关10包括衬底触点12，其包括导电材料(例如金属)。MEMS器件10还包括独立式(free-standing)和悬挂式MEMS结构14，其包括独立式结构/机械元件16-例如梁-其中独立式结构16具有在触点12上方延伸的悬臂部分18，独立式结构16的底侧或底表面17在示范本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有故障中断微机电系统(MEMS)开关单元(44)的电气系统(42、68)，所述电气系统包括：位于第一电路径(56、86)中的第一操作MEMS开关(58)，所述第一操作MEMS开关(58)能够在使得电流能够流向第一电力负载(54、76)的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载(54、76)的截止状态操作；与所述第一操作MEMS开关(58)串联地定位的第一故障中断MEMS开关(46)，所述第一故障中断MEMS开关(46)能够在使得电流能够流向所述第一电力负载(54、76)的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载(54、76)的截止状态操作，其中，不管所述第一操作MEMS开关(58)的状态如何，所述第一故障中断MEMS开关(46)在所述截止状态的操作禁止电流流向所述第一电力负载(54、76)；第一故障传感器(48)，所述第一故障传感器(48)定位成感测第一系统变量；以及控制系统(50、70)，所述控制系统(50、70)被编程为：从所述第一故障传感器(48)接收所述第一系统变量；分析所述第一系统变量，以检测故障是否正影响所述电气系统(42、68)；以及一旦检测到故障，则将所述第一故障中断MEMS开关(46)从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一操作MEMS开关(58)流向所述第一电力负载(54、76)。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.29 US 15/197,2211.一种具有故障中断微机电系统(MEMS)开关单元(44)的电气系统(42、68)，所述电气系统包括：位于第一电路径(56、86)中的第一操作MEMS开关(58)，所述第一操作MEMS开关(58)能够在使得电流能够流向第一电力负载(54、76)的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载(54、76)的截止状态操作；与所述第一操作MEMS开关(58)串联地定位的第一故障中断MEMS开关(46)，所述第一故障中断MEMS开关(46)能够在使得电流能够流向所述第一电力负载(54、76)的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载(54、76)的截止状态操作，其中，不管所述第一操作MEMS开关(58)的状态如何，所述第一故障中断MEMS开关(46)在所述截止状态的操作禁止电流流向所述第一电力负载(54、76)；第一故障传感器(48)，所述第一故障传感器(48)定位成感测第一系统变量；以及控制系统(50、70)，所述控制系统(50、70)被编程为：从所述第一故障传感器(48)接收所述第一系统变量；分析所述第一系统变量，以检测故障是否正影响所述电气系统(42、68)；以及一旦检测到故障，则将所述第一故障中断MEMS开关(46)从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一操作MEMS开关(58)流向所述第一电力负载(54、76)。2.根据权利要求1所述的电气系统，还包括第二故障传感器(48)，所述第二故障传感器(48)定位成感测第二系统变量；以及其中，所述控制系统(50、70)还被编程为：从所述第二故障传感器(48)接收所述第二系统变量；分析所述第二系统变量，以检测故障是否正影响所述电气系统(42、68)；以及一旦基于对所述第一和第二系统变量的任何一个的分析检测到故障，则将所述第一故障中断MEMS开关(46)从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一操作MEMS开关(58)流向所述第一电力负载(54、76)。3.根据权利要求1所述的电气系统，还包括定位在第二电路径(62)中并与所述第一故障中断MEMS开关(46)串联的第二操作MEMS开关(58)，所述第二操作MEMS开关(58)能够在使得电流能够流向所述第一电力负载(54)的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载(54)的截止状态操作；并且其中，当所述第一故障中断MEMS开关(46)处于所述截止状态时，不管所述第二操作MEMS开关(58)的状态如何，都禁止电流流向所述电力负载(54)。4.根据权利要求1所述的电气系统，还包括：位于与所述第一电路径(86)不同的第二电路径(88)中的第二操作MEMS开关(58)，所述第二操作MEMS开关(58)能够在使得电流能够流向第一电力负载(76)的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载(76)的截止状态操作；以及与所述第二操作MEMS开关(58)串联地定位的第二故障中断MEMS开关(46)，所述第二故障中断MEMS开关(46)包括使得电流能够流向所述第一电力负载(76)的导通状态和不管所述第二操作MEMS开关(58)的状态如何都禁止电流流向所述第一电力负载(76)的截止状态；并且其中，所述控制系统(70)还被编程为一旦检测到故障，则将所述第二故障中断MEMS开关(46)从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一和第二操作MEMS开关(58)流向所述第一电力负载(76)。5.根据权利要求1所述的电气系统，还包括定位在与所述第一电路径(86)并联的第二电路径(88)中的第二操作MEMS开关(58)，所述第二操作MEMS开关(58)能够在使得电流能够流向第二电力负载(80)的导通状态和禁止电流流向所述第二电力负载(80)的截止状态操作；还包括与所述第二操作MEMS开关(58)串联地定位的第二故障中断MEMS开关(46)，所述第二故障中断MEMS开关(46)包括使得电流能够流向所述第二电力负载(80)的导通状态和不管所述第二操作MEMS开关(58)的状态如何都禁止电流流向所述第二电力负载(80)的截止状态；并且其中，所述控制系统(70)还被编程为一旦检测到故障，则将所述第二故障中断MEMS开关(46)从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一和第二操作MEMS开关(58)流向所述第一电力负载(80)。6.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·E·韦弗，R·圣皮埃尔，G·S·克莱登，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US