开关结构制造技术

本发明专利技术涉及一种开关结构。提供了一种装置，例如开关结构（１００）。该开关结构可包括各自分别设置在衬底（１０８）上的触头（１０２）和导电元件（１０４）。导电元件可基本由金属材料组成，并且可构造成可在第一位置和第二位置之间变形，在第一位置上，导电元件与触头分开一段间距，而在第二位置上，导电元件接触触头且存储机械能。导电元件可进一步构造成使得在介于约室温和金属材料的熔化温度的约一半之间的温度处变形到第二位置上达至少１０７秒的累计时间之后，间距在没有外力的情况下经过该累计时间改变小于２０％。还提供了相关联的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的实施例大体涉及用于开关电流的装置，并且更具体而言涉及微机电开关 结构。
技术介绍
断路器是设计成保护电气装备免受电路中的故障导致的损害的电气装置。在传统 上，许多传统的断路器包括大体积(宏)机电开关。不幸的是，这些传统的断路器在大小上 较大，可能必须使用较大的力来启动开关机构。另外，这些断路器的开关大体而言以相对低 的速度操作。此外，这些断路器建立起来可能复杂并且因此制造昂贵。另外，当传统的断路 器中的开关机构的触头在物理上分开时，有时可在它们之间形成电弧，该电弧允许电流继 续流过开关，直到电路中的电流中断为止。此外，与电弧相关联的能量可严重地损害触头， 并且/或者对人员造成烧伤的危险。作为慢速机电开关的备选方案，已经在高速开关应用中采用了相对快速的固态开 关。这些固态开关通过受控地施加电压或偏置来在导通状态和非导通状态之间切换。但是， 因为固态开关在它们切换到非导通状态时不在触头之间产生物理间隙，所以在名义上非导 通时，固态开关会经历泄露电流。此外，由于内部电阻的原因，在导通状态中操作的固态开 关会经历电压降。在正常操作情形下，电压降和泄露电流两者都会助长功率耗散及产生过 量的热量，这可对开关性能和寿命有害。此外，至少部分地由于与固态开关相关联的固有泄 露电流的原因，在断路器应用中使用固态开关是不可行的。基于微机电系统(MEMS)的开关装置可对上面针对某些电流开关应用所描述的宏 机电开关和固态开关提供有用的备选方案。基于MEMS的开关在设定成导通电流时往往具 有低的电阻，并且在设定成中断通过其中的电流流动时具有低的(或没有)泄露。另外，期 望基于MEMS的开关比宏机电开关展现更快速的响应时间。
技术实现思路
在一方面，提供了一种装置，例如开关结构。该开关结构可包括各自分别设置在衬 底上的触头和导电元件。导电元件可基本由金属材料组成，并且可构造成可在第一位置和 第二位置之间变形，在第一位置上，导电元件与触头隔开一段间距，而在第二位置上，导电 元件接触触头(并且在一些情况下，与触头建立电连通)，并且存储机械能(例如，足以促使 导电元件在没有外力的情况下基本呈现第一位置的机械能)。例如，导电元件可包括悬臂、 双端固定梁、扭转元件和/或隔膜。开关结构可包括电极，电极设置在衬底上，并且构造成 以便被充电，以便施加配置成朝向第二位置驱动导电元件的静电力。导电元件可进一步构造成使得在介于约室温和金属材料的熔化温度的约一半之 间的温度处变形到第二位置上达至少IO7秒的累计时间之后，间距在没有外力的情况下 经过该累计时间改变小于20%。导电元件可包括从衬底延伸的锚固部，以及具有联接到 该锚固部上的端部以便从锚固部如悬臂那样伸出的梁。梁和锚固部可在它们之间限定角度，并且导电元件可构造成使得在介于约室温和金属材料的熔化温度的约一半之间的温度 处变形到第二位置上达至少IO7秒的累计时间之后，该角度在没有外力的情况下改变小于 0.1%。另外或备选地，导电元件可构造成使得当导电元件在介于约室温和金属材料的熔化 温度的约一半之间的温度处变形到第二位置上时，锚固部中的最大非局部化稳态应变率保 持小于约ΙΟ—1、—1。在一些情况下，导电元件可构造成使得导电元件最初变形到第二位置上 会在锚固部中引起第一弹性应变，而且导电元件在介于约室温和金属材料的熔化温度的约 一半之间的温度处变形到第二位置上达至少IO7秒的累计时间之后，锚固部经历小于第一 弹性应变的约一半的最大非局部总塑性应变。在一些实施例中，金属材料可包括至少65%原子百分比的镍和至少原子百分 比的钨的合金，而导电元件可构造成使得当该导电元件在第一位置和第二位置之间变形 时，锚固部中的应力小于lOOOMPa。在其它实施例中，金属材料可包括至少80%原子百分比 的金，而该导电元件可构造成使得当导电元件在第一位置和第二位置之间变形时，锚固部 中的应力小于20MPa。在一些实施例中，梁可具有小于梁的厚度的约200倍且还小于间距的约1000倍的 长度。另外，触头可设置成以便在由交迭长度限定的区上与导电元件相对，该交迭长度在悬 臂梁的自由端的20%内。触头和导电元件可为微机电装置或纳米机电装置的一部分，并且 导电元件可具有大于或等于IO3HT1的表面积-体积比率。触头和导电元件可分别连接到电路的第一侧和第二侧上，该第一侧和第二侧处于 不同的电势。导电元件在第一位置和第二位置之间的变形可起作用来分别传递和中断通过 其中的电流。第一侧可包括构造成以便供应在小于或等于约IkHz的频率处振荡的至少ImA 的电流的电源。在另一方面，提供了一种方法，该方法包括提供衬底，在衬底上形成触头，以及在 衬底上形成基本由金属材料制成的导电元件(比如说，具有大于或等于IO3HT1的表面积-体 积比率)。导电元件可形成为以便包括从衬底延伸的锚固部，以及具有联接到锚固部上的端 部以便从锚固部如悬臂那样伸出的梁，锚固部和梁在它们之间限定角度。导电元件可在介 于约室温和金属材料的熔化温度的约一半之间的温度处在第一位置和第二位置之间变形， 在第一位置上，导电元件与触头分开一段间距，而在第二位置上，导电元件接触触头且存储 能量，其中导电元件占据第二位置达至少IO7秒的累计时间。在使导电元件变形之后，可从 导电元件上去除外力，从而使得导电元件返回到第一位置，角度改变小于0. 1%。在一些实 施例中，可在衬底上形成电极，电极构造成以便建立这样的静电力该静电力配置成朝向第 二位置驱动导电元件。而且，触头和导电元件可封闭在衬底和保护盖之间。触头和导电元件可分别连接到电路的相对的侧上，当相对的侧断开连接时，相对 的侧处于不同的电势。导电元件可在第一位置和第二位置之间选择性地变形，以便分别传 递和中断通过其中的电流。权利要求23的方法，其中，使导电元件在第一位置和第二位置 之间选择性地变形，以便分别传递和中断通过其中的电流(比如说，具有至少约ImA的幅度 和小于或等于约IkHz的振荡频率)。附图说明在参照附图阅读以下详细描述时，本专利技术的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，同样的标号在所有图中表示同样的部件，其中图1是根据一个实例实施例构造的开关结构的示意性透视 图2是图1的开关结构的示意性侧视图；图3是图1的开关结构的示意性分段透视图；图4是在断开位置上的、图1的开关结构的示意性侧视图；图5是在闭合位置上的、图1的开关结构的示意性侧视图；图6A-C是表示梁在接触位置和非接触位置之间的移动的、图1的开关结构的侧视 图；图7是根据另一个实例实施例构造的开关结构的示意性侧视图；图8是图7的开关结构的示意性侧视图；图9是图7的开关结构的示意性分段透视图；图10A-E是表示用于制造根据一个实例实施例构造的开关结构的过程的示意性 侧视图；图11是根据另一个实例实施例构造的开关结构的示意性透视图；图12是图11的开关结构的示意性侧视图；图13是图11的开关结构的示意性分段透视图；图14是根据又一个实例实施例构造的开关结构的示意性透视图；图15是图14的开关结构的示意性侧视图；图16是图14的开关结构的示意性分段透视图；图17是根据另外的又一个实例实施例构造的开关结构的示意性透视图；以及图18是根据又一个实例实施例构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：衬底（１０８）；设置在所述衬底上的触头（１０２）；以及设置在所述衬底上且基本由金属材料组成的导电元件（１０４），所述导电元件构造成可在第一位置和第二位置之间变形，在所述第一位置上，所述导电元件与所述触头隔开一段间距，而在所述第二位置上，所述导电元件接触所述触头且存储机械能，其中，所述导电元件构造成使得在介于约室温和所述金属材料的熔化温度的约一半之间的温度处变形到所述第二位置上达至少１０↑［７］秒的累计时间之后，所述间距在没有外力的情况下经过所述累计时间改变小于２０％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MF艾米，S班萨尔，CF凯梅尔，KVSR基肖尔，S孙达拉姆，P塔克雷，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[]