[发明专利]开关结构和方法

说明书

技术领域

本发明的实施例一般涉及用于切换电流的装置，且更具体地涉及微机电开关结构。

背景技术

断路器是设计成保护电气设备不受电路中的故障导致的损害的影响的电气装置。传统上，许多常规的断路器包括大体积(宏)机电开关。不幸的是，这些常规的断路器尺寸较大，且可必须使用较大的力来促动切换机构。另外，这些断路器的开关一般以相对低的速度操作。此外，这些断路器可构造起来复杂，并且从而制造昂贵。另外，当常规断路器中的切换机构的触头在物理上分开时，有时可在触头之间形成电弧，该电弧允许电流继续流过开关，直到电路中的电流停止为止。而且，与电弧相关联的能量可严重地损害触头，以及/或者对人员造成烧伤危险。

作为慢机电开关的备选方案，相对快速的固态开关已经用于高速切换应用中。这些固态开关通过电压或偏压的受控制的应用来在导电(conducting)状态和非导电(non-conducting)状态之间切换。但是，因为当固态开关切换到非导电状态中时，它们不在触头之间产生物理间隙，所以当名义上不导电时，它们会经受泄漏电流。此外，由于内部阻抗的原因，在导电状态中操作的固态开关会经受电压降。电压降和泄漏电流两者在正常的操作环境下会促成功率耗散和过热的产生，这对开关性能和寿命可能是有害的。而且，至少部分由于与固态开关相关联的固有泄漏电流的原因，固态开关不可能在断路器应用中使用。

基于微机电系统(MEMS)的切换装置可对以上针对某些电流切换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的开关往往在设置成传导电流时具有低电阻，且在设置成中断通过其中的电流时具有低的(或没有)泄漏。另外，期望基于MEMS的开关比宏机电开关展现更快的响应时间。

发明内容

在第一个方面，提供了一种诸如开关结构的装置。该装置包括触头和构造成可在第一位置和第二位置之间变形的导电元件，在第一位置上，导电元件与触头分开，而在第二位置上，导电元件接触触头，并且有可能与该触头建立电连通。例如，导电元件可包括悬臂、两端固定梁(fixed-fixed beam)、扭转元件和/或隔膜。导电元件还可包括电极，该电极构造成被充电以便施加构造成将导电元件推向第二位置的静电力。

触头和导电元件(以及电极)可为微机电装置或纳机电装置的一部分。例如，导电元件具有大于或等于约10³m^-1的表面积对体积比率。触头和导电元件中的各个可设置在基底上，该基底可包括金属氧化物半导体场效应晶体管。

导电元件可构造成在变形期间将足够的能量存储到其中，以促使导电元件在没有外力的情况下呈现第一位置。另外，导电元件可构造成当导电元件基本占据第一位置时，与触头分开变化小于约40％的间距，并且由施加的力推向第二位置，并且在没有施加的力的情况下，基本返回到第一位置。在一些实施例中，导电元件可构造成在占据第二位置时，经历至少约100MPa的应力达至少约10000秒的累计时间。

导电元件基本可由构造成在例如高于约40℃的温度下抑制取决于时间的变形的金属材料形成。例如，金属材料可构造成在经历金属材料的屈服强度的至少约25％的应力和低于或等于金属材料的熔化温度约一半的温度时，展现小于10^-12s^-1的最大程度的稳态塑性应变率。在一些实施例中，金属材料可包括至少镍和钨的合金，例如，包含至少65原子百分比的镍和至少1原子百分比的钨的合金。镍和钨的合金可具有小于或等于约1μm的平均晶粒度(grain size)。在其它实施例中，金属材料可包括非晶态金属。在又另外的实施例中，金属材料可具有至少700℃的熔化温度。在再其它的实施例中，金属材料可为无磁性的。

装置还可包括具有在不同电势处的第一侧和第二侧的电路。触头和导电元件可分别连接到电路的第一侧和第二侧中的一个和另一个上，从而使得导电元件在第一位置和第二位置之间的变形起这样的作用：例如在低于金属材料的熔化温度的30％的环境温度下传递和中断通过其中的电流。第一侧可包括构造成供应带有至少1mA的幅度和小于或等于约1kHz的振荡频率的电流的功率源。在一些实施例中，装置可包括基本由构造成抑制取决于时间的变形的金属材料形成的第二导电元件。第二导电元件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，导电元件与第二触头分开，而在第二位置上，导电元件接触第二触头。导电元件和第二导电元件可作为设置在基底上的电路的一部分串联和并联排列。