[发明专利]开关结构

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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％。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10⁷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10^-12s^-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10⁷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1％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1000MPa。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10³m^-1的表面积-体积比率。