專利名稱：小型繼電器和相應的用途的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及小型繼電器。本發(fā)明還涉及按照本發(fā)明小型繼電器的不同用途。
背景技術：
目前制作小型繼電器有各種方法，具體地說，在稱之為MEMS技術(微機電系統(tǒng))，微系統(tǒng)和/或微型機械加工的技術領域內(nèi)。原則上，這些方法可以按照它們用于移動接觸電極的力類型或激勵機構進行分類。通常的分類是在靜電繼電器，磁繼電器，熱繼電器和壓電繼電器之間。每種繼電器有它各自的優(yōu)點和缺點。然而，小型技術要求利用盡可能小的激勵電壓和表面?，F(xiàn)有技術中已知的繼電器存在幾個阻礙它們發(fā)展的問題。
減小激勵電壓的方式正好是增大繼電器的表面積，除了外觀容易發(fā)生變形，從而降低繼電器的工作壽命和可靠性以外，它還使小型化變得困難。在靜電繼電器中，減小激勵電壓的另一種方法是大大減小電極之間的空間，或使用非常薄的電極或特殊材料，可以使機械恢復力非常低。然而，這意味著粘連問題，因為毛細作用力非常大，它也降低這些繼電器的工作壽命和可靠性。使用高激勵電壓也有負面效應，例如，元件的電離，強機械拉力引起加速磨損以及繼電器產(chǎn)生的電噪聲。
靜電繼電器還有與可靠性有關的嚴重問題，這是由于稱之為“牽引”的現(xiàn)象，一旦超過給定的閾值，接觸電極以相對于其他自由電極的增大加速度運動。這是由于當繼電器閉合時，施加靜電力閉合的電容器極大地增加它的電容量(若預先不設置擋板，則電容量可以增加到無限大)。因此，由于產(chǎn)生的高電場和運動電極加速度造成的撞擊使電極產(chǎn)生重大的磨損。
熱學，磁學和壓電方法要求特殊的材料和微型機械加工過程，因此，集成在較復雜的MEMS器件中，或有電路集成的相同器件是困難和/或昂貴的。此外，熱學方法是非常慢(即，電路有很長的斷開或閉合時間)并使用大量功率。磁學方法產(chǎn)生電磁噪聲，它使閉合電路更加困難并要求高的峰值電流進行切換。
在這個說明書中，繼電器應當理解為適合于斷開和閉合至少一個外電路的任何裝置，其中至少一個外電路的斷開和閉合動作是借助于電磁信號完成的。
在以下的描述和權利要求書中，術語“接觸點”是指形成(或可以形成)電接觸的接觸面。在這一方面，它們不應當理解為幾何意義上的點，因為它們是三維元件，而應當從電學意義上考慮，它們是電路中的點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述缺點。這是借助于一種小型繼電器實現(xiàn)的，其特征是，它包括面對第二區(qū)的第一區(qū)，第一電容器板，第二區(qū)中安排的第二電容器板，其中第二板小于或等于第一板，第一區(qū)與第二區(qū)之間的過渡空間過渡空間中安排的導電單元，導電單元機械上獨立于第一區(qū)和第二區(qū)，并適合于運動穿越過渡空間，它取決于第一電容器板和第二電容器板上的電壓，電路的第一接觸點，該電路的第二接觸點，其中第一接觸點和第二接觸點限定第一擋板，其中導電單元適合于接觸第一擋板，在與第一擋板接觸時，導電單元閉合該電路。
事實上，在按照本發(fā)明的繼電器中，導電單元是能夠自由運動的分離部分，就是說，導電單元是響應于斷開和閉合外電路(第一接觸點與第二接觸點之間)的單元。即，材料的彈性力沒有用于迫使一種繼電器運動。這可以有多種不同的解決方案，其優(yōu)點是要求非常低的激勵電壓并可以有非常小的設計尺寸。導電單元放置在過渡空間。過渡空間是利用第一區(qū)和第二區(qū)以及側壁閉合，它們可以防止導電單元離開過渡空間。當電壓加到第一電容器板和第二電容器板上時，在導電單元中誘發(fā)電荷分布，它產(chǎn)生導電單元沿過渡空間運動的靜電力。借助于以下詳細描述的不同設計，這種效應可用于幾種不同的方式。
此外，按照本發(fā)明的繼電器還滿意地解決上述的“牽引”問題。
按照本發(fā)明繼電器的另一個優(yōu)點是如下所述在常規(guī)的靜電繼電器中，若導電單元粘連到給定的位置(它在很大程度上與濕氣有關)，則不可能使它松開(除非依靠外力，例如，使它干燥)，這是由于恢復力是彈性力，總是相同(僅與位置有關)，且不能增大。與此相反，若導電單元粘連在按照本發(fā)明的繼電器中，則通過增大電壓，總可以使它松開。
過渡空間的幾何形狀和電容器板的位置可以提供幾種不同類型的繼電器，以及它們的許多應用和功能方法。
例如，導電單元的運動可以是如下所述第一種可能性是，導電單元是沿第一區(qū)與第二區(qū)之間的過渡空間作平動方式運動，即，基本直線方式(當然，不排除意外和非所需外力引發(fā)的可能震動或振蕩和/或運動)。
第二種可能性是，導電單元有基本固定端，導電單元可以圍繞該端轉動。轉軸可以具有外電路接觸點的功能，而導電單元的自由端可以在第一區(qū)與第二區(qū)之間運動，它與其他接觸點可以接觸或不接觸，取決于所在的位置。如以下所敘述的，這種方法有許多特定的優(yōu)點。
第三種可能性是，導電單元沿過渡空間的運動是一種組合運動，它是產(chǎn)生的靜電力誘發(fā)第一區(qū)與第二區(qū)之間的平動方式運動和科里奧利力誘發(fā)垂直于以上平動方式的運動。以下更詳細地描述這個方案。
有利的是，第一接觸點是在第二區(qū)與導電單元之間。這可以得到以下討論的各種方案。
當?shù)谝话迨窃诘诙^(qū)時實現(xiàn)一個優(yōu)選實施例?；蛘?，繼電器可以設計成這樣，第一板是在第一區(qū)。在第一種情況下，得到的繼電器有較大的激勵電壓和較快速。另一方面，在第二種情況下，繼電器的速度較慢，這意味著導電單元和擋板經(jīng)受的震動較平滑，且能量消耗較低。顯然，我們可以在這兩個方案之間進行選擇，取決于每種情況的具體要求。
當?shù)诙佑|點也是在第二區(qū)時實現(xiàn)一個優(yōu)選實施例。在這種情況下，我們得到這樣一種繼電器，其中導電單元基本沿直線方向運動。當導電單元與第一擋板接觸時，即，與電路的第一接觸點和第二接觸點接觸時，可以使電路閉合，借助于以下詳細描述的不同類型力，可以使電路斷開。為了再次閉合電路，可以在第一電容器板與第二電容器板之間加電壓。這使導電單元被吸引到第二區(qū)，從而再次接觸第一接觸點和第二接觸點。
若第一電容器板是在第一區(qū)和第二電容器板是在第二區(qū)，則實現(xiàn)上一節(jié)中所述斷開電路所需的力是借助于在第二區(qū)中添加第三電容器板，其中第三電容器板小于或等于第一電容器板，而第二電容器板與第三電容器板一起大于第一電容器板。利用這種安排，第一電容器板是在過渡空間的一側，而第二電容器板和第三電容器板是在過渡空間的另一側且互相接近。按照這種方式，借助于靜電力，我們可以迫使導電單元沿兩個方向運動，此外，即使導電單元保持在基本未知的電壓上，我們可以確保外電路的閉合，導電單元受到閉合外電路作用的力。
實現(xiàn)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施例的情況是，繼電器還包括所述第二區(qū)中安排的第三電容器板和所述第一區(qū)中安排的第四電容器板，其中所述第一電容器板與所述第二電容器板相等，而所述第三電容器板與所述第四電容器板相等。事實上，按照這種方式，若我們希望導電單元運動到第二區(qū)，則可以在第一電容器板和第四電容器板上加電壓以及在第二電容器板或第三電容器板上加電壓。假設導電單元運動到放置最小電容器板的位置，則它就運動到第二區(qū)。同樣地，在第二電容器板和第三電容器板上加電壓以及在第一電容器板或第四電容器板上加電壓，我們可以使導電單元運動到第一區(qū)。這種方案優(yōu)于較簡單的三個電容器板方案，它是完全對稱的，即，不管導電單元運動到第二區(qū)或第一區(qū)，可以獲得完全相同的繼電器性能。有利的是，第一電容器板，第二電容器板，第三電容器板和第四電容器板都相等，因為一般地說，它的設計是方便的，繼電器在幾個方向是對稱的。一方面，如上所述，第一區(qū)與第二區(qū)之間是對稱的。另一方面，需要保持其他類型的對稱性以避免出現(xiàn)其他的問題，例如，導電單元的轉動或擺動問題，以下給以評述。在這個方面，特別有利的是，繼電器還包括第一區(qū)中安排的第五電容器板和第二區(qū)中安排的第六電容器板，其中第五電容器板與第六電容器板相等。一方面，增大電容器板的數(shù)目具有更好補償制造過程變化因素的優(yōu)點。另一方面，可以獨立地激勵幾個不同的電容器板，這是從所加電壓和激勵時間兩個觀點考慮。6個電容器板可以都相等，或者，同側的三個電容器板可以有不同的尺寸。這可以減小激勵電壓。每個區(qū)中有三個或多個電容器板可以實現(xiàn)以下的目的它可以在兩個方向都具有對稱性，對于固定的總體繼電器尺寸，可以設計成有最小的激勵電壓，因為總是可以在一個區(qū)中激勵兩個電容器板而在另一個區(qū)中激勵一個電容器板，它們有不同的表面積，可以使電流和功率消耗最小化，還使繼電器運行較平滑，在它們接觸時，可以確保繼電器的斷開和閉合，它獨立于外電路傳輸?shù)綄щ妴卧碾妷骸?br> 特別是，若繼電器在每個區(qū)中有6個電容器板，則它還可以符合中心對稱的要求，如以下我們將看到的，這是另一個重要的優(yōu)點。所以，當繼電器在第一區(qū)中安排6個電容器板和第二區(qū)中安排6個電容器板時，可以實現(xiàn)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施例。然而，在每個區(qū)中有6個電容器板以獲得中心對稱不是絕對必需的例如，也可以是每個區(qū)中有3個電容器板，雖然在這種情況下，我們必須首先減小繼電器的電流和功率消耗，并優(yōu)化“平滑”功能。一般地說，增大每個區(qū)中的電容器板數(shù)目在設計中具有較大靈活性和通用性，雖然它可以使制造中固有的變化減小，因為每個電容器板的制造因素變化往往是由其余電容器板的變化進行補償。
然而，不應當?shù)凸肋@樣一些情況，有意地產(chǎn)生力矩迫使導電單元完成某些類型的轉動和平動。例如，為了克服導電單元相對于固定壁的可能粘連或摩擦，這種運動方式是可能有益的。
有利的是，繼電器包括第一區(qū)與導電單元之間的第二擋板(或與第一擋板數(shù)目相同的第二擋板)。按照這種方式，我們可以在第一區(qū)與第二區(qū)之間實現(xiàn)幾何對稱性。當導電單元向第二區(qū)運動時，直至與第一擋板接觸，它可以使外電路閉合。當導電單元向第一區(qū)運動時，直至與第二擋板接觸，它也可以使外電路閉合。按照這種方式，導電單元完成的運動是對稱的。
當繼電器包括第一區(qū)與導電單元之間安排的第三接觸點時，可以實現(xiàn)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，其中第三接觸點限定第二擋板，因此，在與第二接觸點和第三接觸點接觸時，導電單元閉合第二電路。在這種情況下，繼電器的作用是換向器，交替地連接第二接觸點與第一接觸點和第三接觸點。
當導電單元包括限定軸的空心圓柱部分和扁平部分時，可以實現(xiàn)以上例子中一個特別優(yōu)選的實施例，其中在其內(nèi)部放置第二接觸點，而扁平部分是從徑向空心圓柱部分的一側突出，并沿軸的方向延伸，其中扁平部分沿軸方向測量的高度小于圓柱部分沿軸方向測量的高度。這種特殊情況同時符合導電單元圍繞它的一端作旋轉運動的情形(參照上述的“第二種可能性”)。此外，圓柱部分放置在承載面上(圓柱體每端有一個面，并沿第一區(qū)與第二區(qū)之間延伸)，而扁平部分懸掛在圓柱部分，因為它的重量較輕。因此，扁平部分不與壁或固定面接觸(除了第一接觸點和第三接觸點以外)，按照這種方式，可以減小粘連和摩擦力。關于第二接觸點，它放置在圓柱部分的內(nèi)部，并作為轉軸和第二接觸點。因此，在第一接觸點與第二接觸點之間建立電連接，或在第三接觸點與第二接觸點之間建立電連接?？招膱A柱部分限定圓柱形空心面，在所有的情況下，它有彎曲到第二接觸點的表面，從而減小粘連和摩擦力的風險。
當導電單元包括限定軸的空心平行六面體部分和扁平部分時，可以實現(xiàn)以上例子中另一個特別優(yōu)選的實施例，其中在其內(nèi)部放置第二接觸點，而扁平部分是從徑向空心平行六面體部分的一側突出，并沿軸的方向延伸，其中扁平部分沿軸方向測量的高度小于平行六面體部分沿軸方向測量的高度。事實上，這個實施例與以上的實施例類似，其中平行六面體部分限定平行六面體空心。這個方案特別適用于非常小繼電器實施例的情況，因為在這種情況下，制造過程(特別是在光刻制造過程的情況下)的分辨率容量不得不使用直線方式。在這種情況下，應當強調的是，決定性的幾何形狀是內(nèi)部空心的幾何形狀，事實上，幾種不同的組合是可能的有矩形斷面和空心矩形斷面的軸(第二接觸點)，有圓形斷面和空心圓形斷面的軸，有圓形斷面和空心矩形斷面的軸，反之亦然，雖然前兩種組合是最有利的。
邏輯上，若斷面是矩形，則在軸與平行六面體部分之間應當有足夠的間隙，使導電單元可以圍繞該軸轉動。同樣地，在圓形斷面的情況下，在軸與圓柱部分之間有很大間隙的情況下，導電單元進行的實際運動是繞軸轉動和第一區(qū)與第二區(qū)之間平動的組合。此外，應當注意，第二擋板不是電連接到任何電路也是可能的在這種情況下，得到的繼電器僅能斷開和閉合一個電路，但其中導電單元的運動是借助于轉動(或借助于平動與轉動的組合)。
當繼電器包括第一區(qū)與導電單元之間安排的第三接觸點和第四接觸點時，可以得到本發(fā)明另一個優(yōu)選實施例，其中第三接觸點和第四接觸點限定第二擋板，因此，在與第三接觸點和第四接觸點接觸時，導電單元閉合第二電路。事實上，在這種情況下，繼電器可以交替地連接兩個電路。
有利的是，第一區(qū)和第二區(qū)中每個區(qū)安排的每個電容器板集合相對于對稱中心是點對稱的，其中所述對稱中心與導電單元的質量中心重合。事實上，每個區(qū)中安排的每個電容器板集合在導電單元上產(chǎn)生力場。若來自這個力場的力相對于導電單元質量中心有非零的力矩，則導電單元不但作平動，而且還作圍繞其質量中心的轉動。在這一方面，每個區(qū)的電容器板集合有點對稱性是合適的，在這種情況下，這種轉動是不利的，或者，另一方面，如果可以誘發(fā)導電單元相對于其質量中心的轉動，則可以方便地提供中心不對稱性，例如，為的是克服摩擦力和/或粘連。
如以上所指出的，導電單元往往實際上封閉在第一區(qū)，第二區(qū)和側壁之間的過渡空間。有利的是，在側壁與導電單元之間的間隙是充分地小，可以防止導電單元同時接觸由第一接觸點和第二接觸點構成的一組接觸點以及由第三接觸點和第四接觸點構成的一組接觸點。就是說，避免導電單元在過渡空間中采取橫向位置，其中它連接第一電路與第二電路。
為了避免粘連和高摩擦力，有利的是，導電單元有球形外表面，最好是圓柱面或球面。球面方案減小沿所有方向的摩擦力和粘連，而有面對第一區(qū)和第二區(qū)的圓柱體底面的圓柱面方案可以減小相對于側壁的摩擦力，而有面對電容器板的大表面可以有效地產(chǎn)生靜電力。這個第二方案還有接觸點的較大接觸面，可以減小交換電路中引入的電阻。
同樣地，若導電單元有垂直于導電單元運動的上表面和下表面，和至少一個側面，則有利的是，側面有細微的突出部分。這種突出部分也可以減小側面與過渡空間側壁之間的粘連和摩擦力。
有利的是，導電單元是空心導電單元。這可以減輕質量，從而實現(xiàn)較小的慣性。
若繼電器有兩個電容器板(第一板和第二板)且這兩個電容器板都在第二區(qū)，則有利的是，第一電容器板和第二電容器板有相同的表面積，因為按照這種方式，在相同的總器件表面積下，可以實現(xiàn)最小的激勵電壓。
若繼電器有兩個電容器板(第一板和第二板)，且第一板是在第一區(qū)，而第二板是在第二區(qū)，則有利的是，第一電容器板的表面積與第二電容器板的表面積相等或是它的二倍，因為按照這種方式，在相同的總器件表面積下，可以實現(xiàn)最小的激勵電壓。
當一個電容器板同時作為電容器板和作為接觸點(和擋板)時，可以得到按照本發(fā)明繼電器的另一個優(yōu)選實施例。這種安排可以在固定的電壓下(通常是VCC或GND)連接其他的接觸點(外電路的接觸點)或在高阻抗下斷開它。
本發(fā)明的目的還涉及按照本發(fā)明繼電器的優(yōu)選用途。除了用作電開關和電換向器以外，按照本發(fā)明繼電器可以用作不同物理量的傳感器。在這些情況下，我們希望被測物理量作用的力斷開電路，并借助于加到電容器板上的給定電壓產(chǎn)生與前者抵消的力，從而使外電路再次閉合(反之亦然，即，需要加電壓以保持電路斷開，而我們希望測量的物理量試圖閉合該電路)。確定所需的電壓可以確定我們希望測量的物理量。一般地說，小型化可以同時包含幾個傳感器，從而增大相應測定的可靠性。增大可靠性是由于這些不同的傳感器可以測量相同的物理量，隨后再計算它們的平均值。特別有利的方案是安排按照本發(fā)明的繼電器，其中在兩個區(qū)有電接觸點，即，總數(shù)為3個或4個接觸點，因為在這種情況下，我們可以在恒定電壓下(或者，即使改變電壓，作為考慮的另一個參數(shù))測量兩個不同時刻的待測物理量，這兩個時刻是，一個是在一個區(qū)中與電接觸點接觸中斷的時刻，另一個是在另一個區(qū)中與電接觸點建立電接觸的時刻。以下給出各種具體的例子加速度計由于外界加速度的力移動導電單元，使電路斷開。加到電容器板上的電壓產(chǎn)生相反的力。當電路再次閉合時，可以確定所需的電壓，因此，可以確定導電單元所經(jīng)受的加速度。這也可以發(fā)生在相反的情況，如上所述，外界加速度試圖閉合電路。小型化允許提供各種傳感器，它們是按照三個坐標軸取向的。具體的例子是氣囊和傾斜儀。
壓力傳感器若電路元件分開接受不同壓力(待測壓力和參考壓力)的兩個小盒，則加到導電單元一個面上的空氣壓力，或一般地說，任何其他非導電流體，試圖斷開(或閉合)該電路。再次實現(xiàn)閉合(斷開)電路所需的電壓可以測量所述流體的壓力，具體地說，所述流體與參考盒之間的壓力差。這種類型傳感器的具體例子是微音器。
流量傳感器若導電單元有可以傳輸液體流的孔徑，或者它有浸入液體流中的延伸物，則按照本發(fā)明繼電器可以用作流量傳感器。如同以上的例子，借助于加到電容器板上的給定電壓，我們可以抵消物理量產(chǎn)生的力，在這種情況下，我們可以測量液體流產(chǎn)生的流體沖蝕力或氣動力。然而，如同以上壓力傳感器的情況，該流體不能是導電體。
溫度傳感器在這種情況下，應當考慮到繼電器的切換時間基本上取決于外界加速度，電容器板上的所加電壓和表面積系數(shù)。若這些電容器板是由不同熱膨脹系數(shù)的材料制成，則電容器板的表面積系數(shù)將隨溫度而變化。按照這種方式，相對于加到電容器板上的給定電壓，切換時間與溫度之間存在一定關系。類似地，切換繼電器所需的最小電壓與溫度有關。
聲學裝置(揚聲器)在與擋板或吸引它的電容器板碰撞時，導電單元就產(chǎn)生噪聲。通過協(xié)調可以集成在單個芯片上的大量繼電器，我們可以把同相的不同聲波收集在一起，從而產(chǎn)生可聽到的合成聲波。這個可聽到的聲波是高度方向性的。這在需要單向波時是一個優(yōu)點；或者，可以沿不同方向和/或相對于時間相移的分布和/或激勵繼電器以得到多方向波。通過控制每個繼電器激勵的準確時刻，即，通過控制繼電器之間的相對時間相移，還可以控制方向性。按照這種方式，我們可以動態(tài)地改變聲波的方向性，因此，可以按照要求引導聲波，而不必改變繼電器的幾何分布。電接觸點的存在可以確定導電單元與相應擋板發(fā)生撞擊的準確時刻。
科里奧利力檢測器(通常稱之為陀螺儀)通過確定科里奧利力，這種檢測器確定物體的轉速。為此目的，我們需要的繼電器是，它在第一區(qū)和第二區(qū)安排電容器板并在垂直于第一區(qū)-第二區(qū)軸的軸上安排接觸點。導電單元應當連續(xù)地從一端到運動另一端，因此，它總是有給定的速度，該速度取決于電容器板上所加的電壓。若轉速垂直于運動軸(第一區(qū)-第二區(qū)軸)和接觸點確定的平面，則導電單元就經(jīng)受垂直于第一區(qū)-第二區(qū)軸的科里奧利加速度。這意味著，若電壓加到電容器板上，則導電單元接觸一側的接觸點(或另一側的接觸點，與轉動方向有關)，因此，導電單元運動的速度是足夠地高。在接觸到接觸點時，外電路就閉合，從而確認已得到這種閉合所需的條件。因此，外部轉動的幅度與電容器板上所加的電壓幅度有關，基于哪兩對接觸點已短路，并考慮此時正比于導電單元的速度方向，可以知道轉動的方向。這種類型傳感器可以同時包含在三個垂直方向上，從而可以確定空間中的任何轉動。
氣體傳感器若導電單元是能夠反應和/或吸收給定氣體分子的材料(或者，若這種材料包含在導電單元中)，則得到有可變質量的導電單元，它與所述氣體的濃度有關。這種質量變化影響激勵電壓以及從一端運動到另一端的時間間隔。因此，可以確定氣體的濃度。
一般地說，在所有上述傳感器中，在每種情況下檢測切換繼電器所需的最小電壓，或檢測所加固定電壓下的切換時間，我們可以確定相應的幅度。一般地說，檢測切換時間是較容易的，因為利用數(shù)字技術，可以非常簡單地增大切換時間，而產(chǎn)生可變電壓意味著利用模擬電路。然而，在檢測切換繼電器的電壓時，其優(yōu)點是，對繼電器的切換是很不頻繁，從而減小磨損以及增大長期的可靠性和工作壽命。
按照本發(fā)明繼電器的另一種可能應用是作為磁場檢測器。為此，繼電器必須保持在它的閉合位置，即，利用導電單元閉合第一外電路，具有一定強度的電流應當傳輸通過導電單元。若繼電器經(jīng)受磁場，則導電單元就經(jīng)受磁力，若磁場的方向是合適的，則這個磁力試圖斷開該電路。通過確定保持電路閉合所需的電壓并考慮導電單元的其他參數(shù)(導電單元的幾何形狀和質量，通過它的電流強度等)，我們可以確定磁場的空間分量和給定的方向。若我們提供沿空間不同取向的多個傳感器，則可以確定磁場的所有空間分量，從而可以確定整個磁場。若繼電器在第一區(qū)和第二區(qū)中都有接觸點，因此，可以閉合兩個外電路，則利用一個繼電器可以確定磁場的一個空間分量，與它的方向無關，因為若導電單元是在一個區(qū)，則磁場試圖使它壓住接觸點，而不是與它分開，若把導電單元放置在相反的區(qū)，則磁場試圖把它與接觸點分開，因此，可能作出確定。知道哪個電路用于所述確定可以給出方向。應當觀察到，為了使用繼電器作為檢測器，電路應當閉合，足夠大的電流應當傳輸通過導電單元，使它經(jīng)受相應的磁場。事實上，當磁場斷開電路時，電流就停止傳輸通過導電單元，且磁場就消失，因此，導電單元再次與電接觸點發(fā)生接觸，因為電場仍保持激活的。在重新建立電流之前，應當允許一段運行時間，而導電單元再次經(jīng)受磁場。為了區(qū)分導電單元經(jīng)受的磁力與其他的外界加速度，磁場傳感器可以包含幾個繼電器，一些繼電器負責檢測上述的磁力，而另一些繼電器負責測量相關章節(jié)中描述的加速度。通過補償?shù)玫降拿總€分量結果，可以確定實際的磁場?；蛘撸粋€繼電器可以獲得磁場讀數(shù)(使電流傳輸通過導電單元)和加速度讀數(shù)(其中電流沒有傳輸通過導電單元)。


參照附圖描述本發(fā)明一些優(yōu)選實施例，根據(jù)以下完全非限制性的描述，本發(fā)明的其他優(yōu)點和特征是顯而易見的。這些附圖是圖1是在第二區(qū)有兩個電容器板的繼電器簡化圖；圖2是有兩個電容器板的繼電器簡化圖，其中每個區(qū)有一個電容器板；圖3是有三個電容器板的繼電器簡化圖；圖4是按照本發(fā)明第一個實施例的未覆蓋繼電器透視圖；圖5是圖4所示繼電器的平面圖；圖6是按照本發(fā)明第二個實施例的繼電器透視圖；圖7是圖6所示繼電器透視圖，其中已去掉頂端元件；圖8是圖6所示繼電器的底端元件透視圖；圖9是按照本發(fā)明第三個實施例的未覆蓋繼電器透視圖；
圖10是圖9所示繼電器的圓柱部分詳細透視圖；圖11是按照本發(fā)明第四個實施例的繼電器透視圖；圖12是按照本發(fā)明第五個實施例的繼電器透視圖；圖13是按照本發(fā)明第六個實施例的繼電器平面圖；圖14是按照本發(fā)明第七個實施例的繼電器透視圖；圖15是按照本發(fā)明第八個實施例從下面觀察的繼電器透視圖，其中沒有基片；圖16是利用表面微型機械加工技術制成的球；圖17是按照本發(fā)明第九個實施例的繼電器透視圖；和圖18是按照本發(fā)明第十個實施例的未覆蓋繼電器平面圖。
從下面可以看出，附圖中說明的本發(fā)明優(yōu)選實施例包含上述幾種不同方案和選項的組合，而本領域專業(yè)人員能夠看到，可以按照不同方式組合哪些方案和選項。
具體實施例方式
圖1表示按照本發(fā)明繼電器的第一基本功能模式。該繼電器限定放置導電單元7的過渡空間25，導電單元7可以沿過渡空間25自由運動，因為實際上它是分離部分，而沒有實際連接到限定過渡空間25的壁。該繼電器還限定圖1中左側的第一區(qū)和圖1中右側的第二區(qū)。在第二區(qū)中安排第一電容器板3和第二電容器板9。在圖1所示的例子中，電容器板3和9有不同的表面積，雖然這兩個表面積可以是相等的。第一電容器板3和第二電容器板9連接到CC控制電路。在第一電容器板3與第二電容器板9之間加電壓時，導電單元總是被吸引到圖1的右側，被引向電容器板3和9。導電單元7向右側運動，直至它被第一擋板13阻擋，可以使第一外電路CE1閉合，第一擋板13是第一外電路CE1的第一接觸點15和第二接觸點17。
圖2表示按照本發(fā)明繼電器的第二基本功能模式。該繼電器同樣限定放置導電單元7的過渡空間25，導電單元7可以沿過渡空間25，圖2中左側的第一區(qū)和圖2中右側的第二區(qū)自由運動。在第二區(qū)中安排第二電容器板9，而在第一區(qū)中安排第一電容器板3。第一電容器板3和第二電容器板9連接到CC控制電路。在第一電容器板3與第二電容器板9之間加電壓時，導電單元總是被吸引到圖2中的右側，被引向最小的電容器板，即，第二電容器板9。因此，在圖2所示例子的情況下，電容器板3和9有不同的表面積是絕對必需的，若它們有相等的表面積，則導電單元7不可能朝任何方向運動。導電單元7向右側運動，直至它被第一擋板13阻擋，可以使第一外電路CE1閉合，第一擋板13是第一外電路CE1的第一接觸點15和第二接觸點17。在左側有第二擋板19的情況下，它沒有任何電功能，只是阻擋導電單元7與第一電容器板3接觸。在這種情況下，可以去掉第二擋板19，因為不可能發(fā)生導電單元7與第一電容器板3接觸的問題。這是因為在這一側僅有一個電容器板，如果有多個電容器板且它們連接到不同的電壓，則擋板是必需的以避免短路。
圖1和2所示的繼電器結構適合于用作傳感器，其中被測量作用的力與導電單元中誘發(fā)的靜電力抵消。如圖所示，在這兩種情況下，被測量必須施加試圖斷開電路CE1的力，而靜電力試圖閉合該電路。然而，繼電器可以設計成按照完全相反的方式工作被測量試圖閉合電路CE1，而靜電力試圖斷開該電路。在這種情況下，需要把第一擋板13以及相應的電路CE1放置在圖1和2中的左側。在圖1中，這種可能性是用虛線表示。若擋板放置在兩側，則傳感器可以檢測沿兩個方向的被測量，雖然必須改變算法，從試圖閉合改變成試圖斷開，在檢測到發(fā)生的方向變化時，利用最小的零電壓不能得到閉合/斷開。應當想到，所加電壓的符號不影響導電單元7的運動方向。
為了借助于靜電力實現(xiàn)導電單元7沿兩個方向的運動，需要配置第三電容器板11，如圖3所示。假設導電單元7總是運動到放置最小電容器板的位置，在這種情況下，要求第三電容器板11小于第一電容器板3，但第二電容器板9與第三電容器板11的表面積之和大于第一電容器板3的表面積。按照這種方式，通過激勵第一電容器板3和第二電容器板9，連接它們到不同的電壓，但第三電容器板11仍保持在高阻抗狀態(tài)，導電單元7就運動到右側，而在激勵三個電容器板3，9和11的情況下，導電單元7就運動到左側。在后者的情況下，給第二電容器板9和第三電容器板11提供相同的電壓，而給第一電容器板3提供不同的電壓。此外，圖3中的繼電器有連接到第二擋板19的第二外電路CE2，其方式是，這些第二擋板19限定第三接觸點21和第四接觸點23。
若兩個電容器板是第一區(qū)和第二區(qū)中的每個區(qū)，則可以按照兩個不同的方法引誘導電單元7的運動在相同區(qū)的兩個電容器板之間加電壓，使導電單元被這兩個電容器板吸引(其功能如圖1所示)，在一個區(qū)的一個電容器板與另一個區(qū)的一個(或兩個)電容器板之間加電壓，使導電單元7被吸引到充電電容器表面積是最小的區(qū)域(其功能如圖2所示)。
圖4和5表示利用EFAB技術制造設計的繼電器。借助于薄層沉積方法的這種微型機械加工制造技術是專業(yè)人員熟知的，可以制作多個薄層并在三維結構設計中有很大通用性。繼電器安裝在作為支承的基片1上，為了簡單明了，在幾個附圖中沒有畫出。該繼電器在導電單元7的左側安排第一電容器板3和第四電容器板5(圖5所示)，而在導電單元7的右側安排第二電容器板9和第三電容器板11。該繼電器還有兩個第一擋板13和兩個第二擋板19，第一擋板13是第一接觸點15和第二接觸點17，而第二擋板19是第三接觸點21和第四接觸點23。該繼電器的上部被覆蓋，雖然沒有畫出這個蓋子，為的是清楚地說明它的內(nèi)部細節(jié)。
按照圖5，繼電器的走向是沿過渡空間25從左到右，反之亦然?？梢钥闯觯谝粨醢?3和第二擋板19比電容器板3，5，9和11更靠近導電單元7。按照這種方式，導電單元7可以從左到右運動以閉合相應的電路，而不會干擾電容器板3，5，9和11以及它們相應的控制電路。
導電單元7有空心的內(nèi)部空間27。
在導電單元7與形成過渡空間25(即，第一擋板13，第二擋板19，電容器板3，5，9和11以及兩個側壁29)的各個壁之間有間隙，間隙是充分地小以防止導電單元7圍繞垂直于圖5平面的軸轉動，但它足以接觸第一接觸點15與第三接觸點21或第二接觸點17與第四接觸點23。然而，在這個附圖中，沒有按比例畫出間隙，為了使附圖更加清晰。
圖6至8表示利用EFAB技術制造設計的另一種繼電器。在按照圖6至8的情況下，導電單元7是沿垂直方向運動。在繼電器中利用一種或另一種運動取決于設計準則。制造技術包括沉積幾個薄層。在所有的附圖中，垂直方向是夸大的，就是說，實際器件比附圖所示器件扁平得多。若我們希望得到較大的電容器表面，最好是構造類似于圖6至8所示形式的繼電器(垂直繼電器)，如果需要較少薄層數(shù)目，則類似于圖4和5所示形式的繼電器(水平繼電器)是更加合適。若采用某種特殊技術(例如，通常稱之為polyMUMPS，Dalsa，SUMMIT，Tronic′s，Qinetiq′s等的技術)，薄層數(shù)目總是受限的。垂直繼電器的優(yōu)點是，使用較小的芯片面積得到較大的表面，這意味著可以利用遠遠低的激勵電壓(使用相同的芯片面積)。
理論上，圖6至8的繼電器非常類似于圖4和5的繼電器，在它的底部(圖8)安排第一電容器板3和第四電容器板5以及它們是第三接觸點21和第四接觸點23的第二擋板19。從附圖中可以看出，第二擋板19是在電容器板之上，因此，導電單元7可以承載在第二擋板19上，不會與第一電容器板3和第四電容器板5接觸。在頂部(圖6)有第二電容器板9，第三電容器板11和兩個第一擋板13，它們是第一接觸點15和第二接觸點17。在這種情況下，導電單元7與側壁29之間的間隙也是充分地小以避免第一接觸點15接觸第三接觸點21或第二接觸點17接觸第四接觸點23。
圖9和10所示的繼電器是一個繼電器例子，其中導電單元7的運動基本上是圍繞其一個端點的轉動。這種繼電器有第一電容器板3，第二電容器板9，第三電容器板11和第四電容器板5，它們都安裝在基片1上。此外，第一接觸點15與第三接觸點21面對面。第一接觸點15與第三接觸點21之間的距離小于兩個電容器板之間的距離。導電單元7有空心的圓柱部分31，其中空心也是圓柱形。在空心圓柱體內(nèi)部放置有圓柱斷面的第二接觸點17。
按照這種方式，導電單元7在第一接觸點15與第二接觸點17之間或在第三接觸點21與第二接觸點17之間建立電接觸。導電單元7完成的運動基本上是圍繞圓柱部分31限定軸的轉動。在圖9中，第二接觸點17與圓柱部分31之間的間隙是夸大的，然而，確實存在一定量的間隙，因此，導電單元7完成的運動不是純粹的轉動，而是轉動與平動的組合。
從圓柱部分31延伸的扁平部分33的高度小于沿所述圓柱部分31軸方向測量的圓柱部分31高度。在圖10中可以更細致地觀察到這一點，其中畫出示圓柱部分31和扁平部分33的剖面。按照這種方式，我們可以避免扁平部分33與基片1的接觸以減小摩擦力和粘連。
可以看出，只要間隙是足夠的，可以用平行六面體代替圓柱部分31以及利用有四邊形斷面的接觸點代替有圓形斷面的第二接觸點17，我們可以設計一種理論上相當于圖9和10所示的繼電器。
例如，若在圖9和10的繼電器中去掉第一接觸點15和/或第三接觸點21，則正是這兩個電容器板(具體地說，第三電容器板11和第四電容器板5)可以作為接觸點和擋板。適當選取電容器板必須工作的電壓，我們可以得到的這個電壓總是VCC或GND。另一種可能性是，例如，第三接觸點21不與任何外電路進行電連接。于是，第三接觸點僅僅是擋板，而當導電單元7接觸第二接觸點17與第三接觸點21時，第二接觸點17在電路中就處在高阻抗狀態(tài)。
圖11所示的繼電器設計成利用polyMUMPS技術制造。如以上所提到的，這種技術在專業(yè)人員中是眾所周知的，它的特征是，表面被微型機械加工成三個結構層和兩個保護層。然而，理論上，它類似于圖9和10所示的繼電器，雖然其中有一些差別。因此，在圖11所示的繼電器中，第一電容器板3與第三電容器板11相等，但它不同于第二電容器板9和第四電容器板5，這二者相等并小于前者。關于第二接觸點17，它的頂端有加寬部分，允許導電單元7保持在過渡空間25中。圖9和10中的第二接觸點17也可以配置這種類型的加寬部分。值得注意的是，在這種繼電器中，第一接觸點15與第三接觸點21之間的距離與兩個電容器板之間的距離相等。假設導電單元7的運動是圍繞第二接觸點17的轉動，則導電單元7的相反端描繪這樣一條弧線，在扁平部分33可以接觸到電容器板之前，導電單元與第一接觸點15或第三接觸點21接觸。
圖12表示利用polyMUMPS技術制造設計的另一種繼電器。這種繼電器類似于圖4和5所示的繼電器，雖然它還有第五電容器板35和第六電容器板37。
圖13表示相當于圖4和5所示的繼電器，但它在第一區(qū)有6個電容器板和在第二區(qū)有6個電容器板。此外，我們應當注意到可以防止導電單元7脫離的頂蓋。
圖14和15表示導電單元7是圓柱形的繼電器。參照圖14所示的繼電器，圍繞導電單元的側壁是平行六面形，而在圖15所示的繼電器中，圍繞導電單元7的側壁29是圓柱形。關于圖16，它表示利用表面微型機械加工制造的球體，應當注意，它是由多個不同直徑的圓柱形盤構成。具有球形導電單元7的繼電器，如圖16所示，它在理論上非常類似于圖14或15所示的繼電器，它是利用球形導電單元代替圓柱形導電單元7。然而，應當考慮到，電容器板安排中的某些幾何調整和頂端的接觸點是為了防止球形導電單元7首先接觸電容器板而不是接觸點，這些接觸可以是相應的擋板。
圖17表示圖4和5所示繼電器的變型。在這種情況下，導電單元7在它的側面41有突出部分39。
圖18表示按照本發(fā)明繼電器的變型，具體地說，它設計成用作科里奧利力檢測器(陀螺儀)。在這種情況下，我們可以注意到，繼電器在導電單元7的左側(根據(jù)圖18)安排第一電容器板3和第四電容器板5，而在導電單元7的右側安排第二電容器板9和第三電容器板11。該繼電器在圖18的上半部分有兩個第一擋板13，它們是第一接觸點15和第二接觸點17，而在圖18的下半部分有兩個第二擋板19，它們是第三接觸點21和第四接觸點23。由于電容器板之間所加的電壓，導電單元7沿著兩個電容器板之間曲折的路線方式運動。若繼電器受到科里奧利力，則導電單元7沿橫向運動，即，圖18中的向上或向下運動(假設旋轉運動垂直于附圖平面)。在與第一接觸點15和第二接觸點17(或第三接觸點21和第四接觸點23)接觸時，并取決于曲折運動的速度(以及繼電器的幾何參數(shù)和質量)，可以確定科里奧利力的大小，從而確定旋轉速度。該繼電器還有第三擋板43和第四擋板，它們(附加和任選的)也可以是電接觸點。因此，通過閉合繼電器控制電路利用的相應電路，可以檢測每個曲折運動行進的終點?；蛘撸脤I(yè)人員知道的其他過程，可以確定導電單元7的位置。
權利要求
1.一種小型繼電器，其特征是，它包括面對第二區(qū)的第一區(qū)，第一電容器板(3)，所述第二區(qū)中安排的第二電容器板(9)，其中所述第二板小于或等于所述第一板，所述第一區(qū)與所述第二區(qū)之間安排的過渡空間(25)，所述過渡空間(25)中安排的導電單元(7)，所述導電單元(7)機械上獨立于所述第一區(qū)和第二區(qū)并適合于運動穿越所述過渡空間(25)，它取決于所述第一電容器板和第二電容器板上的電壓，電路的第一接觸點(15)，所述電路的第二接觸點(17)，其中所述第一接觸點(15)和第二接觸點(17)限定第一擋板(13)，其中所述導電單元(7)適合于接觸所述第一擋板(13)，且在與所述第一擋板(13)接觸時，所述導電單元(7)閉合所述電路。
2.按照權利要求1的繼電器，其特征是，所述第一接觸點(15)是在所述第二區(qū)與所述導電單元(7)之間。
3.按照權利要求1或2的繼電器，其特征是，所述第一板是在所述第二區(qū)。
4.按照權利要求1或2的繼電器，其特征是，所述第一板是在所述第一區(qū)。
5.按照權利要求1至4中任何一個的繼電器，其特征是，所述第二接觸點(17)也是在所述第二區(qū)。
6.按照權利要求4或5的繼電器，其特征是，它還包括所述第二區(qū)中安排的第三電容器板(11)，其中所述第三電容器板(11)小于或等于所述第一電容器板(3)，且其中所述第二電容器板與第三電容器板一起大于所述第一電容器板(3)。
7.按照權利要求4或5的繼電器，其特征是，它還包括所述第二區(qū)中安排的第三電容器板(11)和所述第一區(qū)中安排的第四電容器板(5)，其中所述第一電容器板(3)與所述第二電容器板(9)相等，和所述第三電容器板(11)與所述第四電容器板(5)相等。
8.按照權利要求7的繼電器，其特征是，所述第一電容器板，第二電容器板，第三電容器板和第四電容器板都相等。
9.按照權利要求7或8的繼電器，其特征是，它還包括所述第一區(qū)中安排的第五電容器板(35)和所述第二區(qū)中安排的第六電容器板(37)，其中所述第五電容器板(35)與所述第六電容器板(37)相等。
10.按照權利要求9的繼電器，其特征是，它包括所述第一區(qū)中安排的6個電容器板和所述第二區(qū)中安排的6個電容器板。
11.按照權利要求1至10中任何一個的繼電器，其特征是，它包括所述第一區(qū)與所述導電單元(7)之間的第二擋板。
12.按照權利要求1至11中任何一個的繼電器，其特征是，它包括所述第一區(qū)與所述導電單元(7)之間安排的第三接觸點(21)，其中所述第三接觸點(21)限定第二擋板，因此，在與所述第二接觸點(17)和所述第三接觸點(21)接觸時，所述導電單元(7)閉合第二電路。
13.按照權利要求12的繼電器，其特征是，所述導電單元(7)包括限定軸的空心圓柱部分(31)，在其內(nèi)部放置所述第二接觸點(17)，和扁平部分(33)，它是從所述徑向空心圓柱部分(31)的一側突出并沿所述軸的方向延伸，其中所述扁平部分(33)沿所述軸方向測量的高度小于所述圓柱部分(31)沿所述軸方向測量的高度。
14.按照權利要求12的繼電器，其特征是，所述導電單元(7)包括限定軸的空心平行六面體部分(31)，在其內(nèi)部放置所述第二接觸點(17)，和扁平部分(33)，它是從所述徑向空心平行六面體部分(31)的一側突出并沿所述軸的方向延伸，其中所述扁平部分(33)沿所述軸方向測量的高度小于所述平行六面體部分沿所述軸方向測量的高度。
15.按照權利要求1至10中任何一個的繼電器，其特征是，它包括所述第一區(qū)與所述導電單元(7)之間安排的第三接觸點(21)和第四接觸點(23)，其中所述第三接觸點(21)和第四接觸點(23)限定第二擋板(19)，因此，在與所述第三接觸點(21)和第四接觸點(23)接觸時，所述導電單元(7)閉合第二電路。
16.按照權利要求1至15中任何一個的繼電器，其特征是，每個所述第一區(qū)和第二區(qū)中安排的每個所述電容器板集合有相對于對稱中心的點對稱性，且其中所述對稱中心與所述導電單元(7)的質量中心重合。
17.按照權利要求1至15中任何一個的繼電器，其特征是，每個所述第一區(qū)和第二區(qū)中安排的所述電容器板集合有中心不對稱性，因此產(chǎn)生相對于所述導電單元(7)質量中心的力矩。
18.按照權利要求15至17中任何一個的繼電器，其特征是，在所述第一區(qū)與所述第二區(qū)之間延伸兩個側壁(29)，其中所述側壁(29)與所述導電單元(7)之間有間隙，所述間隙是充分地小，為的是幾何上防止所述導電單元(7)同時接觸所述第一接觸點(15)和第二接觸點(17)構成的接觸點組和所述第三接觸點(21)和第四接觸點(23)構成的接觸點組。
19.按照權利要求1至18中任何一個的繼電器，其特征是，所述導電單元(7)有球形外表面。
20.按照權利要求19的繼電器，其特征是，所述導電單元(7)是圓柱形。
21.按照權利要求19的繼電器，其特征是，所述導電單元(7)是球形。
22.按照權利要求1至20中任何一個的繼電器，其特征是，所述導電單元(7)有上表面和下表面和至少一個側面，所述上表面和下表面與所述導電單元(7)的所述運動垂直，其中所述側面有細微的突出部分。
23.按照權利要求1至22中任何一個的繼電器，其特征是，所述導電單元(7)是空心導電單元。
24.按照權利要求3的繼電器，其特征是，所述第一電容器板(3)和所述第二電容器板(9)有相同的表面積。
25.按照權利要求4的繼電器，其特征是，所述第一電容器板(3)的表面積與所述第二電容器板(9)的表面積相等或是它的二倍。
26.按照權利要求1至25中任何一個的繼電器，其特征是，所述電容器板(3，5，9，11，35，37)中的一個電容器板同時是所述接觸點(15，17，21，23)中的一個接觸點。
27.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作加速度計。
28.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作氣囊加速度計。
29.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作傾斜儀。
30.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作科里奧利力檢測器。
31.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作壓力傳感器。
32.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作微音器的用途。
33.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作流量傳感器。
34.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作溫度傳感器。
35.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作聲學裝置。
36.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作氣體傳感器。
37.按照權利要求1至26中任何一個的繼電器用作磁場傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及小型繼電器，包括設置成與第二區(qū)面對面的第一區(qū)；第一電容器板(3)；設置在第二區(qū)并小于或等于第一板的第二電容器板(9)；所述兩個區(qū)之間的過渡空間(25)；設置在上述過渡空間(25)的導電單元(7)，它在機械上獨立于相鄰的壁并可以自由運動通過所述過渡空間(25)作為兩個電容器板之間電壓的函數(shù)；和屬于電路的接觸點(15，17)。按照本發(fā)明，在與接觸點(15，17)對接時，上述導電單元(7)閉合該電路。例如，本發(fā)明的繼電器可用作加速度計，氣囊加速度計，傾斜儀，科里奧利力檢測器，作為聲學裝置的微音器，和作為壓力，流量，溫度，氣體，磁場傳感器等。
文檔編號G01C19/56GK1729136SQ200380107172
公開日2006年2月1日 申請日期2003年11月18日 優(yōu)先權日2002年11月19日
發(fā)明者喬塞普·蒙坦亞·希爾韋斯特爾 申請人:寶蘭微系統(tǒng)公司