利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)的制作方法
【專利摘要】利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)，屬于熱驅(qū)動(dòng)微開(kāi)關(guān)和微繼電器的領(lǐng)域。其包括微開(kāi)關(guān)殼體（9）、感應(yīng)線圈（4）、鐵芯（8）、水銀（3）、信號(hào)電極I（10）、信號(hào)電極II（7）、環(huán)氧樹(shù)脂膠帽I（2）、環(huán)氧樹(shù)脂膠帽II（5）、導(dǎo)線I（1）、導(dǎo)線II（6）。采用感應(yīng)加熱的方式，工作熱能主要集中在微開(kāi)關(guān)的內(nèi)部，與傳統(tǒng)的電阻熱驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)相比，本發(fā)明具有響應(yīng)速度快、可靠性高、能量損失少等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種熱膨脹驅(qū)動(dòng)的微開(kāi)關(guān)，具體為通過(guò)微加工技術(shù)制作，利用電磁感應(yīng)的原理加熱導(dǎo)體，導(dǎo)電液體作為動(dòng)觸點(diǎn)，通過(guò)改變導(dǎo)電液體的溫度控制導(dǎo)電液體的膨脹與收縮，進(jìn)而控制微開(kāi)關(guān)的通、斷狀態(tài)，屬于熱驅(qū)動(dòng)微開(kāi)關(guān)和微繼電器的領(lǐng)域。微開(kāi)關(guān)可應(yīng)用于通訊設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、自動(dòng)化設(shè)備以及工業(yè)控制等多個(gè)方面。
【背景技術(shù)】
[0002]熱驅(qū)動(dòng)微開(kāi)關(guān)是基于熱膨脹效應(yīng)的開(kāi)關(guān)，其原理是利用物體的熱脹冷縮使物體的長(zhǎng)度發(fā)生變化，動(dòng)觸點(diǎn)隨物體的長(zhǎng)度變化而運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微開(kāi)關(guān)的通斷控制。加州大學(xué)的 J.Simon 等人在 Journal of Microelectromechanical System (1997,6 (3):208—216)上發(fā)表了一篇“Aliquid-filled microrelay with a moving mercury microdrop，，的文章，該文章介紹了一種微繼電器，繼電器的兩端分別是一個(gè)儲(chǔ)液腔，兩儲(chǔ)液腔通過(guò)一個(gè)微流道連通，儲(chǔ)液腔和微流道內(nèi)充滿絕緣液體。兩個(gè)信號(hào)電極垂直于微通道，關(guān)于微通道對(duì)稱分布，兩電極的一端在微通道內(nèi)，另一端在微通道外。在微通道內(nèi)信號(hào)電極的附近放置一個(gè)水銀滴，利用電阻絲加熱微通道內(nèi)的液體，液體氣化產(chǎn)生的氣泡將會(huì)推動(dòng)水銀滴移動(dòng)，當(dāng)水銀滴移動(dòng)到兩信號(hào)電極斷開(kāi)處，水銀滴與兩信號(hào)電極接觸，兩信號(hào)電極連通，當(dāng)水銀滴離開(kāi)信號(hào)電極所在的位置時(shí)，兩信號(hào)電極斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)繼電器的通斷。Jitendra Pal等人，在2013年第八屆的IEEE的工業(yè)電子與應(yīng)用的會(huì)議(20138th IEEEConference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA))上發(fā)表了一篇 “Anovel electrothermalIy actuated RF MEMS switch for wireless applications” 的論文，該論文提出了一種多重V字形結(jié)構(gòu)的彎曲梁，V字梁的兩端固定，尖端自由。當(dāng)在V字梁上施加電壓時(shí)，就會(huì)有電流通過(guò)，在熱膨脹的作用下，V字梁就會(huì)變長(zhǎng)，而由于V字梁的下端固定，V字梁只能沿著尖頂方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸點(diǎn)接觸時(shí)開(kāi)關(guān)接通。
[0003]目前，熱驅(qū)動(dòng)微開(kāi)關(guān)都是利用電阻加熱的方法，存在著功耗大且響應(yīng)慢等問(wèn)題，并且上述的移動(dòng)水銀滴型微繼電器中氣體推動(dòng)水銀滴移動(dòng)時(shí)，水銀滴的位置難以控制，不能保證與信號(hào)電極的準(zhǔn)確接觸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服電阻加熱存在的效率低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)以及水銀滴位置移動(dòng)難以控制等問(wèn)題。本發(fā)明提出了一種基于感應(yīng)加熱原理的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案:
[0006]利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)，其包括微開(kāi)關(guān)殼體9、感應(yīng)線圈4、鐵芯
8、水銀3、信號(hào)電極110、信號(hào)電極117、環(huán)氧樹(shù)脂膠帽12、環(huán)氧樹(shù)脂膠帽115、導(dǎo)線I1、導(dǎo)線116。微開(kāi)關(guān)殼體9為一段直徑較大，另一段直徑較小的變截面玻璃管，其中較大段的直徑為較小段直徑的2?8倍，微開(kāi)關(guān)殼體9直徑較大段的外側(cè)纏繞有感應(yīng)線圈4，在微開(kāi)關(guān)殼體9的內(nèi)部設(shè)置有鐵芯8，鐵芯8位于感應(yīng)線圈4的中心，在微開(kāi)關(guān)殼體9的較大段裝滿水銀3，并浸沒(méi)鐵芯8。微開(kāi)關(guān)殼體9的直徑較大段的端部連接有環(huán)氧樹(shù)脂膠帽115，微開(kāi)關(guān)殼體9的直徑較小段的端部連接有環(huán)氧樹(shù)脂膠帽12，信號(hào)電極IlO和信號(hào)電極117的一端分別穿過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠帽12和環(huán)氧樹(shù)脂膠帽115至微開(kāi)關(guān)殼體9內(nèi)部，另一端分別與導(dǎo)線I1、導(dǎo)線116連接；信號(hào)電極117與水銀3接觸，信號(hào)電極IlO不與水銀3接觸；鐵芯8和水銀3在變化的磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)熱，水銀3在自身的熱量以及鐵芯8傳導(dǎo)的熱量下受熱膨脹就會(huì)與信號(hào)電極IlO和信號(hào)電極117都保持接觸。
[0007]微開(kāi)關(guān)殼體9選用內(nèi)徑Φ 0.5~5mm,長(zhǎng)15~20mm的玻璃管制作；感應(yīng)線圈4選用直徑Φ0.05~0.5mm的帶漆包線的銅線纏繞而成；鐵芯8選用Φ 0.4~4.8mm，長(zhǎng)2~5mm的高磁導(dǎo)率的鋼；信號(hào)電極IlO和信號(hào)電極117選用直徑Φ0.5~Imm銅絲，長(zhǎng)5~10mnin
[0008]所述的微開(kāi)關(guān)殼體9直徑較大段的長(zhǎng)度為6~7mm,玻璃管壁厚為0.1~0.2mm ；
[0009]所述的感應(yīng)線圈4纏繞在開(kāi)關(guān)殼體9直徑較大的那一段上，繞制20~50匝，纏繞層數(shù)不限于I層，并用膠水固定；
[0010]所述的鐵芯8與感應(yīng)線圈4同心且鐵芯8先進(jìn)入微開(kāi)關(guān)殼體9的一端與微開(kāi)關(guān)殼體9的直徑較大和較小段之間的縮頸處接觸；
[0011]所述的水銀3通過(guò)使用注射器從開(kāi)關(guān)殼體9的小端注入，水銀柱長(zhǎng)度約為9~IOmm,使其浸沒(méi)鐵芯8 ；
[0012]所述的信號(hào)電極1lO長(zhǎng)度為10~20mm,接在微開(kāi)關(guān)殼體9的直徑較小端,伸進(jìn)微開(kāi)關(guān)殼體9內(nèi)3~5mm,保證信號(hào)電極IlO與微開(kāi)關(guān)殼體9同心,用環(huán)氧樹(shù)脂膠在微開(kāi)關(guān)殼體9的直徑較小段將信號(hào)電極1lO的位置固定，形成環(huán)氧樹(shù)脂膠帽12 ;信號(hào)電極117長(zhǎng)度為10~20mm,接在微開(kāi)關(guān)殼體9的直徑較大端,伸進(jìn)微開(kāi)關(guān)殼體9內(nèi)2~3mm,保證信號(hào)電極117與微開(kāi)關(guān)殼體9同心,用環(huán)氧樹(shù)脂膠在微開(kāi)關(guān)殼體9的直徑較大端將信號(hào)電極117的位置固定，形成環(huán)氧樹(shù)脂膠帽Π5 ;在露在微開(kāi)關(guān)殼體外9的信號(hào)電極IlO和信號(hào)電極117的兩端上分別接上導(dǎo)線Il和導(dǎo)線116。
[0013]本發(fā)明的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)的工作原理表述如下:
[0014]已知液體的體膨脹系數(shù)公式為
[0015]β =AV/(VX AT)......................................................................Cl)
[0016]其中，β為體膨脹系數(shù)，Δ V為體積的變化量，V為初始體積，Λ T為溫度變化量
[0017]若將液體裝在圓柱形的玻璃管內(nèi)，則液體的體膨脹系數(shù)公式可變形為下式
【權(quán)利要求】
1.利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)，其包括微開(kāi)關(guān)殼體(9)、感應(yīng)線圈(4)、鐵芯(8)、水銀(3)、信號(hào)電極I (10)、信號(hào)電極II (7)、環(huán)氧樹(shù)脂膠帽I (2)、環(huán)氧樹(shù)脂膠帽II(5)、導(dǎo)線I(I)、導(dǎo)線II (6)。所述的微開(kāi)關(guān)殼體(9)為一段直徑較大，另一段直徑較小的變截面玻璃管，其中較大段的直徑為較小段直徑的2?8倍，微開(kāi)關(guān)殼體(9)直徑較大段的外側(cè)纏繞有感應(yīng)線圈(4)，在微開(kāi)關(guān)殼體(9)的內(nèi)部設(shè)置有鐵芯(8)，鐵芯(8)位于感應(yīng)線圈(4)的中心；所述的微開(kāi)關(guān)殼體(9)的較大段裝滿水銀(3)，并浸沒(méi)鐵芯(8);微開(kāi)關(guān)殼體(9)的直徑較大段的端部連接有環(huán)氧樹(shù)脂膠帽II (5)，微開(kāi)關(guān)殼體(9)的直徑較小段的端部連接有環(huán)氧樹(shù)脂膠帽I (2)，信號(hào)電極I (10)和信號(hào)電極II (7)的一端分別穿過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠帽I (2)和環(huán)氧樹(shù)脂膠帽II (5)至微開(kāi)關(guān)殼體(9)內(nèi)部，另一端分別與導(dǎo)線I (I)、導(dǎo)線II(6)連接；所述的信號(hào)電極II(7)與水銀(3)接觸，信號(hào)電極I (10)不與水銀(3)接觸；鐵芯(8)和水銀(3)在變化的磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)熱，水銀(3)在自身的熱量以及鐵芯(8)傳導(dǎo)的熱量下受熱膨脹就會(huì)與信號(hào)電極I (10)和信號(hào)電極II (7)都保持接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)，其特征在于:微開(kāi)關(guān)殼體(9)選用內(nèi)徑Φ0.5?5mm，長(zhǎng)15?20mm的玻璃管制作；感應(yīng)線圈(4)選用直徑Φ 0.05?0.5mm的帶漆包線的銅線纏繞而成；鐵芯(8)選用Φ 0.4?4.8mm,長(zhǎng)2?5mm的高磁導(dǎo)率的鋼；信號(hào)電極I (10)和信號(hào)電極II (7)選用直徑Φ 0.5?Imm銅絲，長(zhǎng)5?10mnin
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)，其特征在于:所述的微開(kāi)關(guān)殼體(9)直徑較大段的長(zhǎng)度為6?7mm，玻璃管壁厚為0.1?0.2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)，其特征在于:所述的感應(yīng)線圈(4)纏繞在微開(kāi)關(guān)殼體(9)直徑較大的那一段上，繞制20?50匝，纏繞層數(shù)不限于I層，并用膠水固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)，其特征在于:所述的鐵芯(8)與感應(yīng)線圈(4)同心且鐵芯(8)先進(jìn)入微開(kāi)關(guān)殼體(9)的一端與微開(kāi)關(guān)殼體(9)的直徑較大和較小段之間的縮頸處接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)，其特征在于:所述的水銀(3)通過(guò)使用注射器從開(kāi)關(guān)殼體(9)的直徑較小端注入，水銀柱長(zhǎng)度約為9?10_，使其浸沒(méi)鐵芯(8)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用感應(yīng)加熱的熱膨脹液體觸點(diǎn)微開(kāi)關(guān)，其特征在于:所述的信號(hào)電極I (10)長(zhǎng)度為10?20mm,接在微開(kāi)關(guān)殼體(9)的直徑較小端,伸進(jìn)微開(kāi)關(guān)殼體(9)內(nèi)3?5mm,保證信號(hào)電極I (10)與微開(kāi)關(guān)殼體(9)同心,用環(huán)氧樹(shù)脂膠在微開(kāi)關(guān)殼體(9)的直徑較小端將信號(hào)電極I (10)的位置固定，形成環(huán)氧樹(shù)脂膠帽I (2);信號(hào)電極II(7)長(zhǎng)度為10?20mm,接在微開(kāi)關(guān)殼體(9)的直徑較大端,伸進(jìn)微開(kāi)關(guān)殼體(9)內(nèi)2?3mm,保證信號(hào)電極II (7)與微開(kāi)關(guān)殼體(9)同心，用環(huán)氧樹(shù)脂膠在微開(kāi)關(guān)殼體(9)的直徑較大端將信號(hào)電極II (7)的位置固定，形成環(huán)氧樹(shù)脂膠帽II (5);在露在微開(kāi)關(guān)殼體(9)外的信號(hào)電極I (10)和信號(hào)電極II (7)的兩端上分別接上導(dǎo)線I (I)和導(dǎo)線II (6)。
【文檔編號(hào)】H01H29/02GK103971978SQ201410146823
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月12日
【發(fā)明者】劉本東, 王家鵬, 李德勝 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)