[發明專利]開關結構

有效

• 申請號: 201010258366.0
• 申請日: 2010-08-13
• 公開（公告）號: CN102176391A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 王雪峰;M·F·艾米;S·班薩爾;C·F·凱梅爾;K·V·S·R·基肖爾;K·蘇爾布拉馬尼安;D·帕特羅;V·K·辛哈;O·普拉卡什
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: H01H1/00
• 分類號: H01H1/00;H01H59/00;H01H73/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 嚴志軍;譚祐祥

技術領域

本發明的實施例一般涉及用于切換電流的裝置，且更具體地涉及微機電開關結構。

背景技術

斷路器是設計成保護電氣設備不受電路中的故障導致的損害的影響的電氣裝置。傳統上，許多常規的斷路器包括大體積(宏)機電開關。不幸的是，這些常規的斷路器尺寸較大，且可必須使用較大的力來促動切換機構。另外，這些斷路器的開關一般以相對低的速度操作。此外，這些斷路器構造起來復雜，并且從而制造昂貴。另外，當常規斷路器中的切換機構的觸頭在物理上分開時，有時可在觸頭之間形成電弧，該電弧允許電流繼續流過開關，直到電路中的電流停止為止。而且，與電弧相關聯的能量可嚴重地損害觸頭，以及/或者對人員造成燒傷危險。

作為慢機電開關的備選方案，相對快速的固態開關已經用于高速切換應用中。這些固態開關通過電壓或偏壓的受控制的應用來在導電(conducting)狀態和非導電(non-conducting)狀態之間切換。但是，因為當固態開關切換到非導電狀態中時，它們不在觸頭之間產生物理間隙，所以當名義上不導電時，它們會經受泄漏電流。此外，由于內部阻抗的原因，在導電狀態中操作的固態開關會經受電壓降。電壓降和泄漏電流兩者在正常的操作環境下會促成功率耗散和過熱的產生，這對開關性能和壽命可能是有害的。而且，至少部分由于與固態開關相關聯的固有泄漏電流的原因，固態開關不可能在斷路器應用中使用。

基于切換裝置的微機電系統(MEMS)可對以上針對某些電流切換應用所描述的宏機電開關和固態開關提供有用的備選方案。基于MEMS的開關往往在設置成傳導電流時具有低電阻，且在設置成中斷通過其中的電流時具有低的(或沒有)泄漏。另外，期望基于MEMS的開關比宏機電開關展現更快的響應時間。

發明內容

在第一個方面，提供了一種諸如開關結構的裝置，該裝置包括在一些情況下設置在基底上的觸頭和導電(conductive)元件。導電元件可構造成可選擇性地在非接觸位置和接觸位置之間運動，在非接觸位置上，導電元件與觸頭分開(例如，分開小于或等于約4μm的距離，而在一些情況下分開小于或等于約1μm)，而在接觸位置上時，導電元件與觸頭接觸，且與觸頭建立電連通。當導電元件設置在非接觸位置上時，觸頭和導電元件可構造成支持在其之間的、帶有大于320Vμm^-1的量值的電場(例如，由于其之間的至少約330V的電勢差的原因)。

在一些實施例中，觸頭和導電元件可為微機電裝置的一部分，且導電元件可具有大于或等于10³m^-1的表面積對體積比率。導電元件可構造成當在接觸位置和非接觸位置之間運動時經歷變形。導電元件可包括懸臂。觸頭或導電元件中的至少一個可具有構造成使得當導電元件在非接觸位置上時觸頭和導電元件之間的靜電力小于使導電元件和觸頭接觸所需的力的有效接觸表面積(例如，小于或等于約100μm²)。

在一些實施例中，觸頭和導電元件可構造成在導電元件設置在非接觸位置上時將它們之間的電流限制到約1μA或更小。在一些實施例中，當導電元件設置在非接觸位置上時，觸頭和導電元件可構造成保持在以至少約330V的振幅和以小于或等于約40GHz的頻率振蕩的電勢差處，或保持在至少約330V的電勢差處達至少約1μs的時間。

在一些實施例中，裝置可包括與觸頭或導電元件中的至少一個電連通且構造成供應至少約330V的電壓的功率源。該功率源可構造成當導電元件設置在接觸位置上時供應至少約1mA的電流。

在另一方面，提供了一種諸如開關結構的裝置，該裝置包括觸頭和導電元件。導電元件可構造成可選擇性地在非接觸位置和接觸位置之間運動，在非接觸位置上，導電元件與觸頭分開，在接觸位置上，導電元件與觸頭接觸，且與觸頭建立電連通。當導電元件設置在非接觸位置上時，觸頭和導電元件可構造成保持在至少約330V的電勢差處。

附圖說明

在參照附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發明的這些和其它特征、方面及優點，在附圖中，相同標號在整個圖中表示相同部件，其中：

圖1是根據一個實例實施例構造的開關結構的示意性透視圖；

圖2是圖1的開關結構的示意性側視圖；

圖3是圖1的開關結構的示意性分裂的透視圖；

圖4是在斷開位置上的、圖1的開關結構的示意性側視圖；

圖5是在閉合位置上的、圖1的開關結構的示意性側視圖；

圖6A是圖1的開關結構的示意性側視圖，該開關結構包括保持在相同電勢處的梁和觸頭；