MEM开关是由静电电荷、热、压电或其它激励机构操作并采用 微机电制造技术制造的开关。MEM开关可控制电气、机械、或光学 信号流。常规MEM通常是具有正常为打开的静止状态的单刀单掷 (SPST)结构。在具有静电激励器的开关中，给控制电极施加静电 电荷(或相反极性的静电电荷施加于两个电极结构)将在开关上产 生静电吸引力(“拉力”)，使开关闭合。通过除去控制电极上的静电 电荷而使该开关打开，允许电枢的机械弹簧恢复力打开开关。激励 器特性包括所需要的接通和断开力、操作速度、使用寿命、可密封 性和与接触结构的化学兼容性。
微继电器包括MEM电子开关结构，它由分开的MEM电子激 励结构进行机械操作。在微继电器的开关部分和激励器部分之间只 有机械接口。当开关电子电路与激励电子电路隔离时，得到的器件 通常称为代替微继电器的开关。虽然这里公开的电子开关结构不需 要用于成功实现的这种基片，但MEM器件通常采用与集成电路制 造兼容的基片制造。MEM微继电器通常为一侧上的100微米到另一 侧上的几毫米。电子开关基片必须具有与所希望的开关性能兼容和 如果分开制造的话应适合于具有激励器结构的机械接口的特性(介 电损失、电压等)。
MEM开关的构成是采用金或镍(或其它合适金属)作为用于器 件的接触材料。目前制造技术趋于限制能采用的接触金属的类型。 用常规方式制造的接触件趋于具有百万周期或更少的使用寿命。遇 到的问题之一是MEM器件上的微尺度接触件趋于具有非常小的接 触面区域(通常为5微米×5微米)。能承载电流的总接触表面的部 分受到显微表面粗糙度的限制，并且很难实现形成机械和电接触的 两个表面的平面对准。因此，即使在好像具有可利用的几百或几千 平方微米的接触表面的表面上，大多数接触是点接触。这些小而有 效的接触区域中的高电流密度产生微焊和表面熔化，如果不控制的 话，将产生故障或无效接触。这种金属接触件趋于具有短使用寿命， 通常为百万循环。
微尺度继电器/开关的现有技术状态被很好地发展。在研制用 于信号接触的长寿命接触冶金上已经做了相当大的努力。信号接触 寿命和合适的接触冶金趋于由应用确定，如“干”信号(非有效电 流或电压)、感应负载和高电路负载。
在本领域中众所周知，采用汞(化学符号为Hg)作为用于开关 接触导电性的增强器的电接触件产生更长的接触寿命。还知道，Hg 增强接触件能操作比没有汞的相同接触结构高的电流。汞浸湿簧片 开关就是一个例子。其它例子或汞浸湿开关在美国专利US5686875、 4804932、4652710、4368442、4085392和日本专利申请03118510(公 报No.JP04345717A)中有说明。
在美国专利5912606中提出了在被高电压静电信号控制的微型 继电器(比MEM继电器大得多)中采用汞滴。美国专利5912606 在栅极上采用静电信号，以便将从第一接触件抽取的液体金属吸引 到从第二接触件抽取的液体金属或从两个接触件抽取液体金属到安 装在栅极上的短路导体，以便电连接这两个接触件。
常规垂直激活表面微机械静电MEM微继电器10的结构示于图 1中。MEM微继电器10包括其上微机械加工的悬臂支架34的单个 基片30。第一信号接触件50、第二信号接触件54和第一激励器控 制接触件60a设置在同一基片30上。为了连接微继电器和外部信号， 接触件具有外部连接件(未示出)。悬臂40的一端设置在悬臂支架 34上。悬臂40包括第二激励器控制接触件60b。悬臂40的第二端 包括短路棒52。两个导电激励器控制接触件60a和60b控制MEM 微继电器10的激励。
在没有控制信号的情况下，悬臂40上的短路棒52由支架34定 位在基片30上。通过使悬臂40位于这个位置上，基片34上的第一 和第二信号接触件50和54未被电连接。由基片30控制连接件上的 第二激励器控制接触件60b和第一激励器控制接触件60a之间的电 位差产生的静电力用于将悬臂40向下拉向基片30。MEM微继电器 10采用导电短路棒52作为悬臂40和悬臂支架34，以便形成固定于 同一基片30上的两个信号接触件50和54之间的连接。当被拉到基 片30时，短路棒52接触第一和第二信号接触件50和54并将它们 电连接在一起。悬臂40通常具有使短路棒52与悬臂静电激励器控 制接触件60b分开的绝缘部分(未示出)。这样，第一和第二信号接 触件50和54被悬臂40和短路棒52连接，其中短路棒由采用两个 激励器控制接触件60a和60b表面的隔离静电力机构操作。接触件 50、54和短路棒52由于上述问题而通常具有短使用寿命。
微机械静电MEM微继电器10作为正常打开(NO)开关接触 结构而示出。激励器控制接触件60a和悬臂40之间的打开间隙通常 为几微米(1/1000000米)宽。短路棒和信号接触件之间的间隙约 为相同的尺寸。当开关闭合时，悬臂40更靠近但不直接电接触激励 器控制接触件60a。
如果信号接触金属是可用汞湿润的，并且微继电器的支架(rest) 是不可湿润的，则汞可以淀积在信号金属化状态并由于毛细管作用 而允许汞流进悬臂下面的有源接触区域中。在这些靠近间隔上的汞 桥接的问题必须被寻址。当不包含汞接触件时，接触件将具有在包 括溅射和需要液体金属再装满的上面参考专利中所述的所有问题。
汞接触件代表对于常规MEM开关的一个重要挑战。基片上的 接触件和短路棒之间的一般物理分离为几微米到几十微米。在微继 电器制造期间在接触表面上放置汞需要可与汞或其它液体金属兼容 的化学工艺。汞已经限制或不与用于制造垂直结构微继电器的典型 CMOS工艺兼容。
短路棒和接触件之间的靠近隔离使在微继电器完全操作之后很 难在接触件上插入汞。给完全功能接触件和短路棒表面施加汞湿润 是很困难的，并且必须克服在这些靠近间隔上的汞桥接问题。对于 宏观尺寸液体接触件所出现的公知的所有问题也将同样出现在MEM 微继电器10的结构上。给由此设计的这个MEM微继电器添加液体 接触件需要采用不同的构成技术和不同的接触系统。
采用静电激励器的垂直结构MEM继电器可用多个支撑点以及 作为图1中的悬臂的替代物的两个接触簧片和脱扣弹簧制造。在下 面文献中介绍了具有接触件和脱扣弹簧的射频(RF)继电器：Micro Machined Relay for High Frequency Application，Komura et al.，OMRON Corporation 47th Annual International Relay Conference(1999年4月19 —21日)Newport Beach，CA.，Page 12-1，和公报号为11—134998、公 开日为1999年5月21日的日本专利文摘。
图2示出了具有横向激励器的常规MEM开关。微继电器10’ 具有基片32，该基片30支撑连接到短路棒支架44的横向激励器70。 第一导电控制接触件60a’安装在基片32中。短路棒52’设置在短 路棒支架44上。第一信号接触件50’和第二信号接触件54’设置 在同一壳体基片30上。当微继电器10’处于闭合位置时，短路棒52’ 使信号接触件50’和54’电接触。
由于上述原因给这种常规微继电器结构施加液体接触件也是很 困难的。基片上的接触件和短路棒之间的一般物理分离为几微米。 这就很难在制造MEM开关之后在接触件上插入液体金属(例如汞)。
在本领域中需要进一步改进MEM继电器，消除已有技术的缺 陷。需要一种与MEM激励器结合的长寿命、高电流和高电压接触 结构，以形成用微机电(MEM)工艺制造的直流(DC)或RF微继 电器。在某些应用中，由于考虑到环境条件而需要采用不包括汞的 液体金属接触件。
发明概述
本发明期望制造一种接触结构，它能承受数百伏特开路和数安 培电流闭路、并具有至少十亿次操作的使用寿命。对于很多应用， 需要借助于液体金属改进MEM继电器的接触件。在可以使用汞的 情况下，可以分开地制造含有液体金属接触件的接触件基片和将接 触件基片粘接到激励器基片上，以便形成MEM继电器。
液体金属不限于汞，因为很多金属和导电合金将在相对于MEM 结构的支架的可用温度下液化。虽然常规继电器的物理尺寸使加热 接触件或整个常规继电器的原理不实用，但是与常规继电器接触件 相比，MEM微继电器接触件的微观特性使得加热接触区域(或整个 MEM微继电器)是可行的，以便获得液体接触操作。
本发明的MEM设计和方法满足了本领域中的需要。
根据本发明所述，一种MEM继电器包括激励器、设置在激励 器上的短路棒、接触件基片、和多个液体金属接触件，多个液体金 属接触件设置在接触件基片上，以便在MEM继电器处于闭合状态 时，多个液体金属接触件处于电连接状态。此外，MEM继电器包括 设置在所述接触件基片上的加热器，其中所述加热器与多个液体金 属接触件热连通。接触件基片可附加地包括设置在接触件基片上的 多个可湿润的金属接触件，其中多个可湿润的金属接触件的每个靠 近多个液体金属接触件的每个，并且每个可湿润的金属接触件与多 个液体金属接触件的每个电连通。
通过这种设置，该接触系统可利用与MEM制造技术相适应的 接触材料，其中这种接触材料在继电器在正常温度下工作时可采用 加热器液化。可湿润的金属接触件和液体金属接触件为MEM继电 器提供长寿命、高电流和高电压接触件。另外，在某些应用中，可 避免采用汞。
在本发明的另一方案中，MEM继电器包括激励器、设置在激励 器上的非湿润金属短路棒、和接触件基片，该接触件基片具有上表 面和下表面、并用非湿润金属短路棒隔开。MEM继电器还包括设置 在接触件基片上表面上的第一液体金属接触件、和设置在接触件基 片下表面上的第一信号接触件、以及具有外表面和涂敷液体金属的 内表面的第一通路，该通路通过接触件基片，并且在MEM继电器 处于闭合状态时，使第一液体金属接触件和第一信号接触件电连通。 最后，MEM继电器包括设置在接触件基片的所述上表面的第二液体 金属接触件、和设置在接触件基片下表面上的第二信号接触件、以 及具有外表面和涂敷液体金属的内表面的第二通路，该第二通路通 过所述接触件基片，并在MEM继电器处于闭合状态时使所述第二 液体金属接触件和所述第二信号接触件电连通。
通过这种排列，将液体金属接触件插入MEM微继电器中，是 通过利用液体金属的毛细流和在完全制造微继电器之后插入液体金 属来实现。这种方法允许MEM接触结构与MEM激励器共同被制 造。
根据本发明的另一方案，制造MEM继电器的方法包括以下步 骤：提供激励器，提供设置在激励器上的非湿润金属短路棒，提供 具有被非湿润金属短路棒隔开的上表面和下表面的接触件基片，和 提供设置在接触件基片的上表面上的第一液体金属接触件。该方法 还包括提供设置在接触件基片下表面上的第一信号接触件；提供具 有外表面和涂敷液体金属的内表面的第一通路，该第一通路通过接 触件基片并在MEM继电器处于闭合状态时使第一液体金属接触件 和第一信号接触件电连通；提供设置在接触件基片上表面上的第二 液体金属接触件。最后，该方法包括提供设置在接触件基片下表面 上的第二信号接触件；和提供具有外表面和涂敷液体金属的内表面 的第二通路，该通路通过接触件基片，并在MEM继电器处于闭合 状态时使第二液体金属接触件和第二信号接触件电连通，并通过第 一和第二通路引入液体金属以湿润第一和第二接触件。
利用这种制造技术，液体金属接触件可以从通过通路输送的外 部源接收液体金属。此外，更大量的液体金属可以形成液体金属接 触件，该液体金属接触件可形成物理电连接，而不需要导电金属短 路棒。
根据本发明的又一方案，MEM继电器包括分开制造的具有至少 两个液体金属接触件的接触件基片。接触件基片粘接到激励器基片 上。通过这种设置，该接触系统与激励系统分开制造，然后这两个 组件粘接在一起，以便允许采用插在可湿润的金属接触件表面上的 液体金属、或采用可被置于电气和机械接触的液体金属接触件。液 体金属湿润的金属接触件和液体金属接触件为MEM继电器提供长 寿命、高电流和高电压接触件。
虽然本发明已公开了关于电应用的内容，但是本领域技术人员 能理解的是，本发明可用于其它MEM继电器结构和其它应用。
根据下面的附图及其详细说明和权利要求书，将使本发明的这 些和其它目的、特点和优点将更明显。
附图的简要说明
从下面附图的说明将更充分理解本发明的前述特点以及本发 明，附图中：
图1是常规现有技术的垂直激励的表面微机械静电MEM微继 电器的示意图；
图2是常规现有技术的横向MEM微继电器的顶视图；
图3是形成根据本发明的微继电器的集成激励基片和具有液体 金属的接触件基片的示意图；
图3A是根据本发明的具有集成激励基片和具有液体金属接触 件的接触件基片的垂直MEM器件的示意图；
图4是根据本发明的具有液体金属接触件和加热器的垂直MEM 器件的示意图；
图4A是根据本发明的具有液体金属接触件和靠近液体金属接 触件设置的加热器的垂直MEM器件的示意图；
图5是根据本发明可利用液体接触件的横向MEM微继电器基 片的顶视图；
图6是根据本发明的具有液体填充接触件的横向MEM微继电 器的接触区域的顶视图；
图7是表示将横向激励器与分开制造的一组液体金属接触件集 成在一起以形成根据本发明的MEM微继电器的示意图；
图8是在本发明的替换实施例中、在打开位置的液体金属接触 件填充横向MEM微继电器基片的接触件基片和短路棒的顶视图；
图9是在本发明的替换实施例中、在闭合位置的液体金属接触 件填充横向MEM微继电器基片的接触件基片和短路棒的顶视图；
图10是在本发明的替换实施例中、在闭合位置的液体金属接触 件填充横向MEM微继电器基片的接触件基片和非导电液体移动棒 的顶视图；
图11是在本发明的另一替换实施例中、在打开位置的密封液体 金属接触件填充横向MEM微继电器基片的接触件基片和短路棒的 示意图；
图12是在本发明的另一替换实施例中、在闭合位置的密封液体 金属接触件填充横向MEM微继电器基片的接触件基片和短路棒的 示意图；
图13是在本发明的又一替换实施例中、在打开位置的单个接触 件密封液体金属填充MEM微继电器基片的接触件基片和非湿润金 属接触膜片的示意图；
图14是在本发明的再一替换实施例中、在打开位置的横向滑动 液体金属接触MEM微继电器基片的示意图。
本发明的详细说明
在详细说明本发明之前，解释一下某些引入概念和术语。术语 “液体金属接触件”指的是一种电接触件，其配合表面在电流导通 期间由熔化金属或熔化金属合金构成。液体金属接触件(熔化金属) 将由固体(非熔化)结构保留(保持在原位)。固体结构是可湿润的， 因此保留液体金属层，例如汞。术语“液体金属接触件”也可以是 指形成结构(例如液滴)的一定量的液体金属，该结构由MEM器 件的金属表面上的表面张力或保留结构保持原位，以便控制液体金 属的位置。术语开关和继电器可互换使用。
MEM器件一般是采用与当前集成电路制造兼容的基片制造的， 尽管这里公开的一些电子开关或继电器结构不需要这种基片用于成 功的实施。电子接触件基片必须具有与所希望的开关性能兼容的特 性(介质损失、承受电压等)，并且如果激励器和开关部分被分开制 造，该特性应适合于与电子激励器结构的接口。
MEM器件上的常规金属接触件具有受限制的使用寿命。液体金 属接触件可以提高接触系统的使用寿命。然而，给常规微继电器结 构施加液体接触件是很困难的。例如，基片上的接触件和悬臂激励 器之间的一般物理分离为几微米。这个分离尺寸使得在MEM开关 全操作之后、在接触件上插入汞很困难。在悬臂上采用宽间隔(需 要高的悬臂支架)将增加操作所需要的控制电压。
参见图3，高性能MEM继电器100被示出作为集成封装。图3 表示在没有激励器或接触机构的细节部件情况下的用于MEM继电 器100的整体结构集成封装。该MEM继电器100包括激励器基片104 和粘接信号接触件基片106(还称为接触区域)，以便形成该模块化 继电器100。利用印刷布线板和混合模件的目前制造技术，确定两 个信号接触件108和109与两个控制接触件102a和102b之间的所 需要的间隔，最后封装(未示出)可能是在一侧上为几毫米(根据 需要，通过机械锯从整个基片上分开单独的小片(die))。
MEM继电器100设置成以提供自封装微继电器。给MEM继电 器100添加顶盖和底盖(未示出)制成成品自封装组件。在基片外 部放置外部连接信号接触件108和109以及控制接触件102a和102b 允许整个组件用作表面安装部件。MEM继电器100还可以用作部分 高电平组件(例如混合模件)。整个集成结构不再需要与常规封装技 术相关的分离大封装或内部键合线。
参见图3A，示出了以分离激励器和接触件基片为基础的又一实 施例，这里为垂直MEM继电器101。垂直MEM继电器101包括激 励器基片112，在分开制造每个基片之后，该激励器基片112与接 触件基片114组合装在一起。
激励器基片112包括机加工悬臂支架120和第一激励器控制接 触件124a。悬臂梁122的一端设置在悬臂支架120上并包括第二激 励器控制接触件124b。悬臂梁122的另一端包括短路棒123。两个 导电激励器控制接触件124a和124b控制垂直MEM继电器101的 激励。
在分离接触件基片114上制造液体金属信号接触件116和118。 给垂直激励MEM开关添加液体接触件要求接触件基片114与激励 器基片112分开制造。液体信号接触件116和118优选具有采用汞 的液体金属导电表面。用于液体金属信号接触件116和118的分离 制造工艺使得接触结构上的液体金属的量可被精细控制。在施加液 体金属之后，接触件基片114与激励器基片112组装。应该明白的 是，可以在液体金属信号接触件116和118与接触件基片114之间 制造附加层，例如可湿润的金属接触件和绝缘层。
在操作中，在没有施加控制信号的情况下，垂直MEM继电器101 处于打开位置。在这种位置，悬臂梁122上的短路棒123被支架120 升高到激励器基片122之上，并且还升高到接触件基片114之上。 接触件基片114上的第一和第二液体金属信号接触件116和118不 连接。由激励器基片112上的第二激励器控制接触件124b和第一激 励器控制接触件124a之间的电位差产生的静电力用于向下朝向激励 器基片112拉悬臂梁122。它还被用于向下朝向粘接到激励器基片112 上、并被分开制造的接触件基片114拉悬臂梁122。
垂直MEM继电器101采用导电短路棒123连接固定到分离接 触件基片114上的两个信号接触件116和118。当被拉到分离接触件 基片114时，短路棒123接触第一和第二液体金属信号接触件116 和118的液体金属表面并使它们电连接在一起。悬臂梁122通常具 有分离短路棒123和悬臂静电控制接触件124b的绝缘部分(未示 出)。因此，第一和第二液体金属信号接触件116和118被悬臂梁122 的短路棒123连接，这由采用两个激励器控制接触件124a和124b 的隔离静电力机构操作。
垂直MEM继电器101作为正常打开(NO)开关接触结构而示 出。导电控制接触件124a和悬臂梁122的开口间隙通常为几微米(1 /1000000米)宽。当垂直MEM继电器101处于闭合位置时，悬臂 梁122靠近导电激励器控制接触件124a。然而，控制表面激励器控 制接触件124a和124b不能直接电接触或控制信号将短路。由于激 励器基片112与接触件基片114分开制造，因此施加于第一和第二 液体金属信号接触件116和118的液体金属不干扰导电激励器控制 接触件124a和悬臂梁122的操作。
在操作时，接触件基片114与悬臂梁122和激励器基片112精 确对准，允许悬臂梁122和短路棒123被向下拉到包括制造在分离 接触件基片114上并含有液体金属的液体金属信号接触件116和118 的接触子系统上。由用于悬臂梁激励器的垂直静电控制系统产生的 弱力是另外的问题。这种弱力限制了可用于悬臂梁的移动，并且液 体接触材料对悬臂梁的任何湿润都可能产生足够的表面张力，因此 悬臂梁不能被拉离接触件。结果是导致无效(短路)的微继电器系 统。为解决这个问题，短路棒123优选是非湿润的。
应该理解的是，采用静电激励器的垂直结构MEM继电器可以 制造成具有多个支撑点和作为悬臂梁122的替代物的接触弹簧和脱 扣弹簧。由于接触件基片与可移动的激励器基片分开制造，因此这 种多层垂直结构适用于液体接触件。
在汞未被用作液体接触材料的情况，并且可提供一种方法和结 构(例如设置在接触件基片上的加热器(未示出))以防止液体接触 材料在操作温度下固化，不要求激励器和开关结构分开制造
现在参见图4，其中示出了图1的另一实施例，这里为简化的 垂直MEM继电器110。该垂直MEM继电器110包括图1的一些元 件(与图1继电器相同的元件标以相同的参考标记)，并附加地包括 设置在接触件基片30上的加热器129。在优选实施例中，可湿润的 金属接触件125和127制造在采用镍(Ni)的接触件基片30上。液 体金属接触件126和128分别设置在可湿润的金属接触件125和127 上。表面张力对在接触表面上的液体金属具有保持效果。表面张力 还有助于控制由于在接触件打开时的溅射造成的液体金属损失。优 选的是，金(Au)用于液体金属接触件126和128并且可采用本领 域公知技术制造。
在操作中，加热器129输送足够的热量并传递到液体金属接触 件126和128上，从而保持液体或几乎保持液体接触层。加热器129 最好输送足够的热量以产生在液体金属接触件126和128层的微熔 化(micromelting)，而不使可湿润金属接触件125和127熔化。除 了汞之外，典型的接触材料将在正常继电器操作温度下固化。为得 到采用典型材料的液体金属接触件的优点，必须有某种形式的热源， 以便在电流流进微继电器接触件期间保持熔化材料状态。热源可以 是外部或内部的。应该理解的是，内部热源可以是用于靠近液体金 属接触件的接触区域的分离加热器，或者它可以加热整个微继电器。 接触区域可以被由于电流流过而在接触材料中产生的欧姆(焦耳) 热加热。可同时采用若干加热方法的组合。热控激励器还可以产生 热量。其它加热方法在本领域中是公知的，这里不再具体说明。
当接触件闭合时适中电阻接触件(1—10欧姆左右)的存在将 促进接触件加热。如果在由于微焊破坏而造成的打开过程期间、这 些接触件被分开，接触表面可能非常粗糙。粗糙表面将导致在闭合 时的适中接触电阻。在闭合时的适中接触电阻将导致液体金属接触 件126和128的快速加热，通过形成液体金属而恢复良好的接触系 统。
由于在每次闭合时熔化作用消除了任何的滑动磨损，因此在 MEM继电器110的闭合或打开期间，滑动磨损对液体金属接触件126 和128造成的损伤减少了。应该理解，采用MEM继电器110的接 触结构的其它继电器结构可以与静电激励器组合，这些静电激励器 被制造成具有多个支撑点和作为悬臂结构的替代物的接触弹簧和脱 扣弹簧。可采用各种类型的接触件形状，包括但不限于平坦表面和 配合表面，如凸凹形状。
现在参见图4A，图4的替代实施例即MEM继电器110’包括 设置在接触件基片30上的分离加热器129’，该分离加热器位于接 触件基片30与可湿润金属接触件125和127之间并靠近液体金属接 触件126和128。利用这种加热器129’的布置，热量可以更有效地 传递到液体金属接触件126和128并且可以更好地控制。
下面参见图5，其中示出了能采用液体接触件的横向MEM继电 器130。该横向MEM继电器130可以采用分离激励器基片140和接 触件基片146制造，其中如果用汞湿润接触件，在给基片146上的 接触件施加液体金属之后将它们结合在一起。或者，可采用加热器 (未示出)以提供液体金属接触件而不需要汞或分开的制造和结合。
横向MEM激励器170制造在激励器基片140上。短路棒支架144 在一端连接到横向MEM激励器170，在另一端连接到短路棒132。 横向MEM激励器170可具有高接触通断力与有效移动长度相匹配， 以便在结合两个分开制造的结构、激励器基片140和接触件基片146 时可以给横向结构施加液体接触件。短路棒132最好被制成金属结 构并且是非湿润的。
在接触件基片146上制造第一可湿润金属信号接触件149和第 二可湿润金属信号接触件153。如果短路棒132被液体金属湿润， 在短路棒132被移开以打开接触件时，接触断开操作将由于液体金 属从湿润表面149和153到短路棒132的桥接而复杂化。短路棒132 优选是非湿润的以避免这个问题。
如果不用加热器(未示出)，优选在制造期间给接触件施加汞， 以便形成液体金属接触件150和154。可湿润金属信号接触件149 和153是被固定于接触件基片146的金属结构(如果采用汞的话， 优选用银)，或者作为附着于接触件基片146的壁上的金属。优选构 成方法包括整体或表面微机械加工或深活性离子刻蚀。
液体金属接触件150设置在第一可湿润金属信号接触件149上， 液体金属接触件154设置在第二可湿润金属信号接触件153上。如 果采用加热器(未示出)，最好将金用于液体金属接触件150和154。 如果金用作液体金属，则可湿润金属信号接触件149和153优选是 镍结构。应该理解的是，还有能用于制造接触结构的可湿润金属和 液体金属的其它组合。可湿润金属信号接触件149和153可以通过 附加绝缘层(未示出)而与接触件基片146绝缘。由于某些基片部 分导电，因此有时需要绝缘层。如果可湿润金属接触件附着于绝缘 基片上，则绝缘基片不需要绝缘层。
在操作时，激励器170操作以将短路棒132向第一液体金属接 触件150和第二液体金属接触件154移动。当短路棒132接触液体 金属接触件150和154的液体金属表面时，液体金属接触件150和 154与可湿润金属信号接触件149和153电连接。
短路棒132返回到图5所示的状态使液体金属接触件150和154 以及可湿润金属信号接触件149和153打开。短路棒132最好是非 湿润的，因此可以更有效地断开接触件。如果液体金属接触件150 和154湿润短路棒132，当液体金属接触件150和154被打开时， 液体金属将附着于短路棒132上并被液体金属的液体表面张力拉到 间隙区域中。这可能阻止接触件打开。为解决这个问题，短路棒132 优选是非湿润的。
当组装时，横向MEM继电器130与前面结合图2所述的常规 横向激励微继电器相同地操作。然而，通过具有在操作温度下的液 体金属接触件150和154的分离接触结构146或通过采用在较低温 度下的被加热液体金属接触件，采用液体接触表面使得大电流承载 截面可以具有非常低的电阻。通过控制寄生电感和电容，精细的构 成允许横向MEM继电器130可用极高频率的信号。控制高电流的 能力是接触结构中的损失的函数，导致液体金属被加热到汽化点。 可以通过对在液体接触件产生的热量提供低热阻(和大发热体)、可 控制过量加热。在替换实施例中，在低温操作时，横向MEM继电 器130可包括在液体金属接触件150和154的液体金属附近的加热 器结构(未示出)，以便避免它们固化。采用正温度系数电阻材料的 加热结构不是必须需要独立的温度传感器。在加热正温度系数材料 时，增加的电阻将减少产生的热量并稳定化接触件温度。液体金属 接触系统的欧姆损失也将供应热量，并在承载电流时趋于将接触件 保持在液态。
应该理解的是，横向MEM继电器130可采用多种技术之任一 种以实现激励器运动。示例包括静电梳状激励器、磁性激励器、压 电激励器和热激励器。
现在参见图6，其中示出了采用替换的液体接触填充技术制造 的横向MEM继电器160的接触区域。没有示出整个接触系统。图6 示出了用于短路棒132(图5)和MEM继电器130(图5)的液体 金属接触件150和154的替换结构。MEM继电器160不需要接合分 离的激励器基片和分离的接触件基片。横向MEM继电器160接触 结构包括设置在激励器180上的短路棒184。短路棒184优选制造 成具有非湿润金属表面。接触件基片188包括在与非湿润短路棒184 分开和面对的接触件基片188的表面上的两个液体金属接触件185 和186。优选的是，基片壁的内表面具有接触表面，这些接触表面 被处理成具有用于液体金属接触件的两个湿润区域(未示出)，以便 保持液体金属。液体金属接触件185和186在接触件基片188的表 面上的两个位置上垂直金属化。每个液体金属信号接触件185和186 具有连接到接触件基片188的外边缘的导电通路194。两个外部信 号接触件190和192设置在接触件基片188的外边缘上。
通路194是在基片上微机械加工的孔。通路194是从基片一侧 通过基片到相对一侧的进入路径。微机械加工之后，通路194可用 金属作衬里，该金属是可用液体接触金属湿润的，以便形成通过基 片的金属表面。切割晶片之后通路194位于接触件基片188中，保 持单个MEM器件。通路194表面区域是可湿润的，使毛细流可以 用液体金属填充接触区域，该液体金属是从外部液体金属源通过通 路194填充的。
组装之后，液体金属施加于通路194的外表面，并且毛细作用 将液体金属拉入内部。表面张力和毛细作用导致用液体金属涂敷两 个接触区域。然后密封到通路194的外部入口，并且两个外部信号 接触件190和192位于接触件基片188的外部。
在工作时，金属短路棒184最好是对于液体金属接触件185和 186是非湿润的，以便在横向MEM继电器160打开时避免接触件桥 接。当MEM继电器160闭合时，金属短路棒184接触两个液体金 属信号接触件185和186，并通过导电通路194电连接到两个外部 信号接触件190和192。金属短路棒184的湿润需要在打开横向 MEM160时接触件到短路棒的间隔超过液体金属表面张力桥接距 离。
本发明的结构便于在制造MEM激励器180和MEM接触件金 属化之后、向液体金属接触件185和186施加液体金属。利用毛细 作用补充液体金属接触件185和186上的液体金属。
金属短路棒184可制造成具有与液体金属接触件185和186的 液体金属表面接触的非湿润导电表面。金属短路棒184的任何显著 的湿润都可导致形成从液体金属接触件185和186到金属短路棒184 的液体桥接，和在激励器180缩回时液体金属接触件185和186打 开失败。液体金属接触件185和186上的接触件材料必须是可湿润 的，以便保持液体金属。
如果采用任选的可湿润短路棒(未示出)，它必须能从液体金属 接触区域缩回到液体金属表面张力将断开任何桥接短路的点。
优选的是，在每个可湿润接触表面上具有确定量的液体金属。 如果需要在低工作温度下保持用于接触件的液体金属处于液体状 态，可将加热装置(未示出)接合到接触件基片188上。例如，加 热器将保持汞在低于负37摄氏度的温度下不固化。加热器是正温度 系数电阻器，以便加热功率和液体金属温度某种程度上可以自调节。 加热器还可以是与一个或多个微继电器热接触的外部装置。
顶盖(未示出)和底盖(未示出)可粘接到MEM继电器160 上，以便形成在所有侧面上的密封封装，其中外部信号接触件190 和192以及控制接点(未示出)适于在MEM继电器160的外表面 上，从而形成如图3所示的结构。
接触结构占据接触件基片壁的整个垂直尺寸。此外，存在封闭 接触区域的侧壁，但在侧壁上存在用于激励器180的小间隙，以便 接触件基片188周围的接触区域被有效地密封并将使溅射问题最小 化。该密封是由于靠着基片壁的非湿润表面的液体金属表面张力而 形成。图6中只示出了具有接触件的壁。最终结构与图3和5中所 示的封装装置相似。
参见图7，MEM继电器200包括制造在激励器基片220上的横 向激励器228和分开制造的接触件基片240。接触件基片240包括 液体金属接触件250和254以及外部接点244。接触件基片240还 包括通过通路242连接到液体金属接触件250和254的外部信号接 触件244。这个结构类似于图3中所示的封装装置。
横向激励器228一般被制造在激励器基片220中部的阱中，并 且由激励器基片220支撑。横向激励器228的运动相对于激励器制 造基片220是共面的。激励器228一般能产生在一个运动方向上的 力(朝向或远离液体金属接触件250和254)。激励器制造基片220 具有耦合信号以控制激励器的外部激励器控制接触件224a和224b。 在激励器制造基片220的外表面上制造用于可获得激励器控制的这 些外部激励器控制接触件224a和224b，从而可以制造前面参照图3 介绍的一体化的自封装MEM继电器。
绝缘激励器隔板232连接在横向激励器228和短路棒236之间。 绝缘激励器隔板232的作用是为了保证信号路径与激励器控制路径 隔离。对于采用液体金属接触件，不需要信号路径与控制路径的隔 离，但是在微继电器的可用应用中通常需要这种隔离。
优选的是，液体金属接触件250和254以及短路棒236都基本 上是平坦表面。还应该理解到其它接触表面的选择方案也是可以的。 通过在接合点238接合激励器基片220和分开制造的接触件基片 240，由此组装MEM继电器200。MEM继电器200可包括设置在 接触件基片240上、在液体金属信号接触件250和254附近的加热 器248，以便保持它们不固化。如果汞不用作液体金属，则不需要 激励器基片220和接触件基片240的分开制造和接合。如果通过采 用附加的金属路径(未示出)将液体金属接触件250和254电连接 到外部接点244，则不需要使用通路242。
参见图8，替换的MEM继电器258具有短路棒262和采用液体 接触件构成的接触结构276。接触件基片276包括可湿润金属接触 件264和265。可湿润金属接触件264和265通过通路280连接到 外部信号接触件278。液体金属接触件274和275设置在可湿润金 属接触件264和265上。激励器(未示出)连接到激励器绝缘隔板 268上。
绝缘隔板268可在其两端连接到第二短路棒(未示出)，并在两 端的接触组件(图8中只示出一端)允许制造具有两个相对的接触 件组的MEM继电器258，因而MEM继电器258可具有总是闭合的 一组或另一组接触件，但不是同时闭合。这允许制造用于MEM继 电器258的单刀双掷开关(有时在当前继电器术语中称为C形)。 采用具有三个位置性能(激活左侧，停止中心，激活右侧)的激励 器将允许替换的MEM继电器结构被形成，提供两组接触件中的一 个被激活，或不提供一个。
目前短路棒262具有在金属化一侧的锥形凹陷或V形凹陷、以 及气体通孔260，以便允许被封闭的气体从短路棒262和液体金属 接触件274和275之间的区域释放出去。如果不需要均衡气体压力， 或如果开关速度不需要最大化，则不需要气体通孔262。V形结构 短路棒262包括允许气体排出的开口端。液体金属被阻止通过气体 通孔机构排出。气体通孔260很小足以允许被封闭的气体排出，但 并不是大到足以允许对液体金属上的内部压力可以克服液体金属的 表面张力并强制液体金属通过气体通孔290。
在一个实施例中，稍微过量的液体金属放置在接触件274和275 上，并且短路棒262强制液体金属接触件274的液体接触液体金属 接触件275的液体。图8示出了接触件断开的MEM继电器258，图 9示出了接触件闭合的MEM继电器258。
现在参见图9，示出了图8的MEM继电器258处于闭合位置。 当短路棒262向液体金属接触件274和275移动并与之接触时，包 括通过通路280连接的外部信号接触件278的信号电路闭合。当激 励器(未示出)向接触件274和275移动短路棒262时，液体金属 接触件274和275部分发生位移、并向液体接触件274和275之间 的区域移动。当足够的接触液体移动到液体金属接触件274和275 之间的容积内时，接触液体形成在可湿润金属接触件264和265之 间的附加电流路径，使非湿润短路棒金属262分路。这个接触结构 提供将外部信号接触件278电连接在一起的两个路径，一个路径是 从液体金属接触件274通过短路棒262到液体金属接触件275，通 过金属短路棒，第二个路径直接通过液体金属接触件274并与液体 金属接触件275直接物理接触。
现在参照图10，MEM继电器286(即MEM继电器258的替换 实施例)在液体金属接触件274和275中具有足够的液体金属，因 此不需要非湿润金属短路棒262(图9)，并且接触过程完全处于构 成接触件的液体金属内部。没有短路棒262的锥形或V形液体移动 棒292设置在激励器基片290上。液体移动棒292是非导电机械结 构，用于强制图8的两个液体金属结构274和275组合成如图所示 的一个导电结构。
在工作中，设置在激励器基片290上的锥形或V形液体移动棒 292推动液体金属接触件274和275在一起，并随着液体移动棒292 移动到液体中而控制液体的喷射。当液体金属接触件274和275被 机械地推到一起时，它们电接触。如果强制液体向内喷射，则没有 液体从接触区域损失，并且延长了MEM继电器286的使用寿命。 气体通孔260必须很小，足以防止接触液体流出。在控制液体通过 通孔排出的过程中，接触液体的表面张力是很重要的因数。
激励器(未示出)具有收缩力性能和将液体移动棒292推入到 液体金属里面的能力。这里，激励器参与闭合接触件之间的信号路 径和断开接触件之间的信号路径。
MEM继电器286可包括设置在接触件基片276上并在液体金属 信号接触件274和275附近的加热器(未示出)，以便保持它们不固 化。
现在参见图11和12，MEM继电器300是如图8、9和10所示 的具有打开系统接触结构的MEM继电器258和286的修改形式。 MEM继电器300包括闭合接触区域和具有密封液体金属接触系统的 激励器结构。图11表示处于打开位置的MEM继电器300。
MEM继电器300包括具有激励器310的密封液体金属接触系 统，在MEM继电器300处于打开位置时，激励器310与非湿润金 属短路薄膜316分开。非湿润金属短路薄膜316可包括一组气体通 孔314。
在接触件基片324中的浅阱中制造一组可湿润接触件318和 319。柔性薄膜316已经放置在接触区上。在柔性薄膜316中有小气 体通孔314，以便于在开关操作期间由于温度变化而使压力均衡。 气体通孔314足够小，以便液体金属接触件320和322的表面张力 不允许液体金属通过气体通孔314排出。如果不需要使压力均衡或 加快开关操作的开关时间，则不需要气体通孔314。激励器310将 薄膜316推进液体金属接触件320和322中，以便闭合MEM继电 器300，如图12所示。优选的是，薄膜316是导电的，并且薄膜316 电接触每个液体金属接触件320和322，由此闭合MEM继电器300。 在具有非导电薄膜316的替换实施例中，激励器310利用足够的力 推动薄膜316，从而使两个液体金属接触件320和322结合在一起 以闭合MEM继电器300。图12示出受力合在一起的两个液体金属 接触件320和322，应该注意的是，如果薄膜316是导电的，MEM 继电器300将被闭合，然后两个液体金属接触件320和322相互接 触。一般情况下，薄膜316应该是非湿润的，以便避免接触系统的 桥接。通过退回激励器310而断开MEM继电器300，通过薄膜316 的恢复弹力，该激励器释放保持两个液体金属接触件320和324的 力，并使表面张力可将两个液体金属接触件恢复到非连接状态。液 体金属接触件320和322必须相隔足够远的距离放置，当MEM继 电器300打开时，液体金属的表面张力使液体金属分离成两个分开 的液体金属接触件320和322。
在液体金属接触件320和322中使用的液体金属的主排放机制 是通过汽化并通过气体通孔314排放。如果有一个有效的液体金属 存储器，则会大大延长液体金属接触件320和322的寿命。MEM继 电器300的其他部分不会被液体金属蒸汽再凝聚在各个内表面上而 退化。如果MEM继电器300是全密封的，如前所述，则液体金属 蒸汽不会向外部释放。如果接触区域被密封，在没有气体通孔314 的情况下，则没有液体金属蒸汽排放到密封接触区域的外面。
图12表示处于闭合位置的图11的MEM继电器300的接触区 域和激励器结构，并且非湿润金属短路薄膜316强制两个液体金属 接触件320和322在一起以闭合MEM继电器300。这种接触结构可 以用图5的MEM继电器130中使用的接触结构替换，代替短路棒132 和液体金属接触件150和154(图5)。
MEM继电器300可包括设置在接触件基片324、并在液体金属 接触件320和322附近的加热器(未示出)，从而保持液体金属接触 件320和322在低温条件下不固化。
现在参见图13，示出了包括激励器310和接触件基片324的单 个接触件密封结构MEM继电器335接触区域。MEM继电器335包 括单个可湿润金属信号接触件352，它与设置在接触件基片324上 的非湿润导电薄膜342隔开。液体金属接触件346淀积在单个湿润 金属接触件352中。外部信号接触件340设置在非湿润导电薄膜342 上。气体通孔314设置在非湿润导电薄膜342上。一组通路328设 置在接触件基片324上。外部信号接触件350设置在接触件基片324 上并通过通路328电连接到可湿润金属信号接触件352。
在工作中，激励器310将薄膜324推进液体金属接触件346以 闭合MEM继电器335。薄膜342是导电的，并且它接触液体金属接 触件346以闭合MEM继电器335。闭合MEM继电器335就电连接 了外部信号接触件340和350。通过退回激励器310，打开MEM继 电器335，激励器310释放相对液体金属接触件346保持薄膜的力， 并使得表面张力可将液体金属接触件346恢复到非连接状态。气体 通孔314使得压力均衡并防止液体金属排出。
MEM继电器335可包括设置在接触件基片324上并在液体金属 接触件346附近的加热器(未示出)，由此保持液体金属接触件在低 温条件下不固化。
参见图14，其中示出了横向滑动液体金属接触系统MEM继电 器350。该液体金属接触MEM继电器350包括横向激励器366，它 位于激励器制造基片362内并借助绝缘激励臂368连接到导电滑动 非湿润短路棒370。激励器制造基片362具有外部激励器控制接触 件364a和364b，用于耦合信号以控制激励器366。
MEM继电器350还包括接触件制造基片380，它能接合到激励 器制造基片362上或与其共同制造。由绝缘体382分离的一组液体 金属接触件372和373都设置在接触件制造基片380上。一对信号 接触件374和376被制造在接触件制造基片380的表面上并分别电 连接到两个液体金属接触件372和373上。
在工作中，非湿润短路棒370可滑动穿过两个液体金属接触件 372和373，其中这两个液体金属接触件372和373被两侧的绝缘体 382和下面的接触件制造基片380分开并包含。非湿润短路棒370 平行移动到由两个液体金属接触件372和373形成的平面。
在横向激励器366改变短路棒的位置时，它可以交替地与液体 接触件372和373接合以便接通电路，或只接合液体接触件372和 373中的一个(或不接合)以断开电路。非湿润短路棒370沿着分 开两个液体金属接触件372和373的绝缘体382的上表面(非湿润 的)滑动。如果滑动短路棒370是可湿润的，以及被液体金属接触 件372和373湿润，可减少摩擦和磨损，并且由于液体金属与液体 金属的接触而改进了导电性，但是必须防止接触件372和373之间 的液体金属桥接。通过两个液体金属接触件372和373之间的足够 的间隔、足够的横向激励器366的行程长度和足够的液体金属表面 张力，可以克服桥接问题。在克服桥接问题上，接触件制造基片380 的非湿润特性也非常重要。
如果在滑动非湿润短路棒370和激励器绝缘体之间有柔性密封 薄膜(未示出)，则可以密封这个系统。这种密封薄膜(未示出)将 激励部分与液体金属部分分离开。这将控制接触部分外部的液体金 属移动到激励器制造基片362上。
应该理解的是，MEM继电器350的接触结构可适用于各种激励 器和各种激励器移动结构。
还应该理解，还有其它结构的MEM继电器350，在一个实施例 中，该MEM继电器350包括与接触件制造基片380热接触的接触 件加热系统384。顶盖360和底盖386可封闭MEM继电器350。
应该明白的是，前面已经一般性地以优选实施例的形式示出了 具有两个液体金属接触件的实施例，但是，MEM继电器可制造成例 如具有替换的短路棒和接触结构，以便提供多接触件MEM继电器。 本领域技术人员都能理解到，采用下述MEM继电器制造技术可得 到各种接触和激励器结构。
这里引证的所有出版物和参考文献都在此明确地结合其全部内 容供参考的。
前面已经介绍了本发明的优选实施例，但是对于本领域普通技 术人员来说很清楚的是，可采用结合本发明的原理的其它实施例。
例如，包括多个液体金属接触件、替换的液体金属接触装置和 替换的激励器结构的MEM继电器可结合本发明的原理。