микроэлектромеханические устройства

Формула изобретения

1. Устройство, содержащее

переключатель, содержащий микроэлектромеханические элементы, причем микроэлектромеханические элементы содержат

герметизированную камеру, содержащую диэлектрический элемент;

подложку, имеющую поверхность; и

проводники, сформированные на поверхности подложки и находящиеся в контакте с указанной поверхностью подложки;

при этом проводники выполнены таким образом, что приложение напряжения, большего предварительно заданного напряжения, вызывает ионизационный пробой диэлектрического элемента для обеспечения электропроводящего пути между проводниками.

2. Устройство по п.1, в котором диэлектрический элемент в герметизированной камере содержит, по меньшей мере, один из газов: аргон, неон, гелий, ксенон, азот, кислород и воздух.

3. Устройство по п.2, в котором диэлектрический элемент в герметизированной камере содержит смесь из, по меньшей мере, любых двух газов: аргона, неона, гелия, ксенона, азота, кислорода и воздуха.

4. Устройство по п.1, дополнительно содержащее крышку, при этом крышка, подложка и проводники ограничивают герметизированную камеру.

5. Устройство по п.4, в котором микроэлектромеханические элементы дополнительно содержат уплотнительные элементы, обеспеченные между поверхностью крышки и поверхностями проводников для обеспечения герметизированной камеры.

6. Устройство по п.4, в котором диэлектрический элемент содержит, по меньшей мере, один из газа с высокой диэлектрической постоянной и жидкого диэлектрика.

7. Устройство по п.6, в котором микроэлектромеханические элементы дополнительно содержат диэлектрический слой, сформированный поверх проводников в герметизированной камере, причем диэлектрический слой имеет множество отверстий примыкающих к соответствующим проводникам для обеспечения путей разряда от проводников через, по меньшей мере, одного из газа с высокой диэлектрической постоянной и жидкого диэлектрика, содержащихся в герметизированной камере.

8. Устройство по п.1, в котором микроэлектромеханические элементы дополнительно содержат нанотрубчатые электронные излучатели, расположенные на проводниках в герметизированных камерах.

9. Устройство по п.8, в котором нанотрубчатые электронные излучатели содержат углеродные нанотрубчатые электронные излучатели.

10. Устройство по п.8, в котором нанотрубчатые электронные излучатели содержат нанотрубчатые электронные излучатели из бора.

11. Устройство по п.1, в котором каждый проводник имеет закругленную боковую сторону, причем закругленные боковые стороны проводников обращены друг к другу в зоне участка герметизированной камеры.

12. Устройство по п.1, в котором микроэлектромеханические элементы дополнительно содержат поджигающий электрод для получения импульсного сигнала, чтобы вызвать пробой диэлектрического элемента в герметизированной камере.

13. Устройство по п.12, в котором поджигающий электрод находится в герметизированной камере.

14. Устройство по п.12, в котором поджигающий электрод находится вне герметизированной камеры, но вблизи указанной герметизированной камеры.

15. Устройство по п.1, дополнительно содержащее инициатор, электрически соединенный с переключателем.

16. Устройство по п.15, дополнительно содержащее локальный источник энергии для подачи предварительно заданного напряжения на переключатель.

17. Устройство по п.15, в котором инициатор содержит, по меньшей мере, один из следующих инициаторов: инициатор взрыва фольги (ИВФ), мостиковый инициатор взрыва и полупроводниковый мостиковый инициатор.

18. Устройство по п.1, дополнительно содержащее подложку, проводники, сформированные на поверхности подложки, в котором, по меньшей мере, часть герметизированной камеры находится между боковыми сторонами проводников.

19. Устройство по п.1, в котором диэлектрический элемент содержит, по меньшей мере, один из газа с высокой диэлектрической постоянной и жидкого диэлектрика.

20. Устройство по п.19, дополнительно содержащее корпус, в котором расположен переключатель, причем посредством корпуса обеспечивают герметичность герметизированной камеры.

21. Устройство по п.1, дополнительно содержащее радиоактивный материал вблизи переключателя для улучшения прогнозируемости ионизационного пробоя диэлектрического элемента.

22. Устройство по п.21, в котором радиоактивный материал обеспечивают в герметизированной камере.

23. Устройство по п.21, в котором радиоактивный материал содержит, по меньшей мере, одно из веществ: хром, торий, калий, уран, никель или минерал, содержащий некоторое количество хрома, тория, калия, урана или никеля.

24. Устройство по п.21, в котором радиоактивный материал содержит, по меньшей мере, одно из веществ: торит, уранит и каменную соль.

25. Переключатель, содержащий

электропроводники и

диэлектрический материал между указанными электропроводниками,

в котором каждый из электропроводников имеет закругленную боковую сторону, причем закругленные боковые стороны проводников обращены друг к другу вдоль диэлектрического материала, при этом электропроводники и диэлектрический материал являются микроэлектромеханическими элементами.

26. Переключатель по п.25, дополнительно содержащий герметизированную камеру, содержащую диэлектрический материал, причем диэлектрический материал содержит газ.

27. Переключатель, содержащий

проводники;

диэлектрический материал между указанными проводниками и

нанотрубчатые электронные излучатели, электрически соединенные, по меньшей мере, с одним из проводников,

в котором диэлектрический материал выполнен с возможностью пробоя под воздействием приложенной электрической энергии, приложенной, по меньшей мере, к одному из проводников, для обеспечения токопроводящего пути между проводниками.

28. Переключатель по п.27, в котором диэлектрический материал содержит газ.

29. Переключатель по п.28, дополнительно содержащий герметизированную камеру, содержащую газ.

30. Переключатель по п.29, дополнительно содержащий диэлектрический слой, расположенный поверх проводников в герметизированной камере, причем диэлектрический слой содержит отверстия для экспонирования соответствующих проводников.

31. Переключатель по п.30, в котором нанотрубчатые электронные излучатели расположены, по меньшей мере, в одном из отверстий диэлектрического слоя и находятся в электрическом контакте, по меньшей мере, с одним из проводников.

32. Способ приведения в действие компонента, содержащий следующие этапы:

обеспечение переключателя, имеющего микроэлектромеханические элементы, причем микроэлектромеханические элементы содержат герметизированную камеру, содержащую, по меньшей мере, один из газа с высокой диэлектрической постоянной и жидкого диэлектрика, опорную подложку, имеющую поверхность и проводники, сформированные на поверхности опорной подложки и находящиеся в контакте с поверхностью указанной опорной подложки;

приложение входного напряжения, по меньшей мере, к одному из проводников, чтобы вызвать пробой, по меньшей мере, одного из газа с высокой диэлектрической постоянной или жидкого диэлектрика для обеспечения токопроводящего пути между проводниками;

подачу входного напряжения посредством электрического соединения к компоненту через переключатель.

33. Способ по п.32, в котором подача входного напряжения посредством электрического соединения к компоненту содержит подачу входного напряжения посредством электрического соединения к устройству скважины.

34. Способ по п.32, в котором подача входного напряжения посредством электрического соединения к компоненту содержит подачу входного напряжения посредством электрического соединения к взрывному устройству.

35. Способ по п.32, в котором подача входного напряжения посредством электрического соединения к компоненту содержит подачу входного напряжения посредством электрического соединения, по меньшей мере, к одному из инициаторов: инициатору взрыва фольги (ИВФ), мостиковому инициатору взрыва и полупроводниковому мостиковому инициатору.

36 Переключатель, содержащий,

по меньшей мере, два проводника;

нанотрубчатый электронный излучатель для формирования, по меньшей мере, части электропроводящего пути между, по меньшей мере, двумя проводниками; и

диэлектрический элемент, выполненный с возможностью пробоя под воздействием входной энергии для обеспечения другой части электропроводящего пути.

37. Переключатель по п.36, дополнительно содержащий, по меньшей мере, другой нанотрубчатый электронный излучатель.

38. Способ приведения в действие взрывного устройства, содержащий следующие этапы:

приведение в действие переключателя, содержащего проводники и по меньшей мере один из излучателей нанотрубчатый электронный излучатель, и изотопный электронный излучатель; и

передачу электрического тока между проводниками через электропроводящий путь, содержащий, по меньшей мере, один из излучателей: нанотрубчатый электронный излучатель и изотопный электронный излучатель; и

соединение взрывного устройства с переключателем.

39. Способ по п.38, дополнительно содержащий этап эксплуатации инструмента, содержащего переключатель в скважине, в котором приведение в действие переключателя содержит этап приведения в действие переключателя, когда инструмент находится в скважине.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к микроэлектромеханическим устройствам.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

При сооружении скважины может выполняться множество различных типов операций, включая бурение, каротаж, освоение скважины и эксплуатационные операции. Для выполнения требуемых операций используют различные типы устройств. Примерами таких устройств могут служить: скважинные перфораторы для осуществления операций по перфорированию; устройства для регулирования потока для регулирования потока жидкости (при закачивании или добыче); пакеры для изолирования различных участков скважины и другие устройства.

Пусковые механизмы, предназначенные для включения таких устройств, могут содержать механические, гидравлические и электрические включатели. Для электрического включения скважинного устройства источник энергии соединяют со скважинным устройством. Это обычно производят путем использования переключателей, расположенных либо на поверхности земли, либо в скважинном модуле. Переключатель в исходном положении находится в разомкнутом состоянии, для изолирования источника энергии от скважинного устройства. Когда требуется произвести включение, переключатель замыкают для подачи электрической энергии к скважинному устройству.

Один тип переключателя, предназначенного для использования в стволе скважины, изготавливают из газоразрядной трубки, известной также как искровой разрядник, триггерного типа или перегрузочного по напряжению типа. В переключателе триггерного типа используют внешние средства для замыкания переключателя или его включения. Переключатель перегрузочного по напряжению типа приводится в действие тогда, когда уровень напряжения на клеммах переключателя превышает пороговое значение.

В некоторых переключателях используют газонаполненную трубку, на каждом конце которой имеется электрод. Для инициирования переключателя для проведения электрического тока либо подают отпирающее напряжение на третий электрод, либо переключатель активизируют к включению в результате возникновения режима превышения установленного напряжения. Так как типичный разрядник с газонаполненной трубкой имеет трубчатую геометрию, он обычно ассоциируется с относительно высокой индуктивностью из-за относительно длинной токопроводящей дорожки. К тому же из-за трубчатой формы газонаполненной трубки сложно обеспечить требуемое уменьшение общего размера переключателя. Кроме того, может оказаться сложной задача компоновки, или монтажа, переключателя с газонаполненной трубкой с другими компонентами.

Другой тип переключателя содержит переключатель взрывного действия. Переключатель взрывного действия изготавливают путем использования плоского гибкого кабеля, содержащего верхний токопроводящий слой, средний изоляционный слой и нижний токопроводящий слой. Небольшое количество взрывчатого вещества может быть детонировано на верхнем слое, чтобы вызвать образование изоляционным слоем токопроводящего трека ионизации между двумя токопроводящими слоями. Один вариант осуществления такого переключателя представляет собой переключатель типа «чертежной кнопки», в котором используют острый металлический стержень для прокола насквозь изоляционного слоя для электрического соединения верхнего токопроводящего слоя с нижним токопроводящим слоем. Переключатель типа «чертежной кнопки» подобен переключателю взрывного действия, но он может быть не очень надежным, потому что при проколе отверстия в переключателе типа «чертежной кнопки» изоляционный слой может быть просто прогнут «чертежной кнопкой», в результате чего переключатель типа «чертежной кнопки» может не сработать и не соединить между собой токопроводящие слои.

Переключатели могут также использоваться в других областях и отраслях промышленности, например в военной, медицинской, обрабатывающей отраслях; в средствах связи, компьютерах, бытовой электронике, строительстве, сносе сооружений, в сейсмической области, горнодобывающей отрасли, для защиты электронных компонентов путем быстрого шунтирования опасного напряжения и сброса тока на землю; для включения электрических устройств или детонации взрывных устройств. Многие такие переключатели характеризуются различными недостатками, упомянутыми выше.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному варианту осуществления изобретения устройство содержит переключатель, в состав которого входят микроэлектромеханические элементы, причем микроэлектромеханические элементы содержат герметизированную камеру, в которой имеются диэлектрический элемент и проводники. Проводники выполнены таким образом, что при приложении напряжения, большего предварительно заданной величины, происходит пробой диэлектрического элемента с образованием токопроводящего пути между проводниками.

Согласно другому варианту осуществления изобретения предусмотрен переключатель, который содержит, по меньшей мере, два проводника и нанотрубчатый электронный излучатель для образования по меньшей мере части токопроводящего пути между по меньшей мере двумя проводниками.

Другие отличительные особенности и варианты осуществления изобретения станут понятными при ознакомлении с последующим описанием, чертежами и формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 изображен вариант осуществления скважинного инструмента, предназначенного для использования в стволе скважины;

на Фиг. 2А изображена схема триггерного контура инициатора взрыва фольги (ИВФ), выполненного согласно варианту осуществления, применимому в инструментальной колонне, согласно Фиг. 1;

на Фиг. 2В представлен вид сбоку триггерного контура ИВФ, представленного на Фиг. 2А;

на Фиг. 3 изображен вариант осуществления микропереключателя, содержащего микроэлектромеханическую кнопку;

на Фиг. 4А-4В представлен другой вариант осуществления микропереключателя, содержащего электрод, прикрепленный посредством хрупкого элемента;

на Фиг. 5 представлен еще один вариант осуществления микропереключателя, содержащего параллельные пластины и диэлектрический слой, который может быть пробит в результате приложения электрического тока;

на Фиг. 6 представлен еще один вариант осуществления микропереключателя, содержащего двухпозиционный элемент;

на Фиг. 7А-7D изображен еще один вариант осуществления микропереключателя, содержащего камеру, заполненную газом с высокой диэлектрической постоянной;

на Фиг. 8 изображен другой вариант осуществления микропереключателя, содержащего подвижный электрод;

на Фиг. 9 изображено поперечное сечение микропереключателя согласно другому варианту осуществления, содержащего искровой промежуток и расположенные в одной плоскости и отстоящие друг от друга проводники, которыми ограничен участок искрового промежутка;

на Фиг. 10 представлен вид сверху микропереключателя, изображенного на Фиг. 9;

на Фиг. 11 представлен другой вариант осуществления микропереключателя, подобного микропереключателю, изображенному на Фиг. 9, за исключением того, что в микропереключатель добавлен поджигающий электрод;

на Фиг. 12 представлено поперечное сечение микропереключателя согласно еще одному варианту осуществления, который имеет диэлектрический слой с ограниченными отверстиями для определения искрового промежутка;

на Фиг. 13 представлено поперечное сечение другого микропереключателя, подобного микропереключателю, изображенному на Фиг. 12, за исключением того, что микропереключатель, изображенный на Фиг. 13, содержит поджигающий электрод;

на Фиг. 14 изображен вид сверху микропереключателя, изображенного на Фиг. 13;

на Фиг. 15 представлено поперечное сечение микропереключателя согласно еще одному другому варианту осуществления, в котором использован нанотрубчатый электронный излучатель;

на Фиг. 16 представлено поперечное сечение микропереключателя согласно еще одному другому варианту осуществления;

на Фиг. 17 изображены нанотрубчатые электронные излучатели, выполненные на несущей структуре.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В последующем описании представлено множество деталей для более четкого пояснения настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области следует иметь ввиду, что настоящее изобретение может быть использовано без этих деталей и что возможно множество вариантов или модификаций описанных вариантов осуществления изобретения. Например, хотя в описании сделаны ссылки на микропереключатели, используемые в стволах скважин, такие же микропереключатели (или другие типы микроэлектромеханических устройств) могут быть использованы в других областях, например в сейсмической, горнодобывающей, военной, медицинской, обрабатывающей отраслях, в системах связи, в компьютерной технике, бытовой электронике, в строительстве и средствах для сноса сооружений и т.д.

Термины: «вверх» и «вниз»; «верхний» и «нижний»; «вверху» и «внизу»; «над» и «под» и другие подобные термины, определяющие относительное положение сверху или снизу данной точки или элемента, в настоящем описании употребляются для более понятного пояснения некоторых вариантов осуществления изобретения. Однако в приложении к оборудованию и способам, применяемым при сооружении скважин, направленных под наклоном или горизонтально, или к оборудованию, находящемуся в наклонном или горизонтальном положении, эти термины могут быть заменены такими терминами, как: «слева направо», «справа налево», или другими подходящими терминами, определяющими расположение деталей.

Скважинный инструмент 10 (см. Фиг. 1), который может содержать скважинный перфоратор 15, в качестве одного из примеров, опускают через систему труб 7, расположенную в стволе 8 скважины, укрепленной обсадной колонной 9. Между системой труб 7 и обсадной колонной 9 устанавливают пакер 6 для изоляции кольцевого пространства между системой труб и обсадной колонной. Скважинный инструмент 10 опускают на несущем средстве 12, в качестве которого можно использовать талевый канат, гладкую штангу, систему труб и другие несущие средства. Некоторые типы несущих средств 12 (например, каротажные кабели) могут содержать один или большее число электрических проводников 13, по которым можно передавать электрическую энергию или сигналы к скважинному инструменту 10. Перфоратор 15, показанный на Фиг. 1, содержит множество кумулятивных зарядов 20. В одном варианте осуществления детонацию таких кумулятивных зарядов 20 можно вызывать путем использования инициирующих устройств 22, которые приводят в действие по команде, посылаемой с поверхности земли в месте расположения скважины, и эти сигналы могут быть в форме электрических сигналов, посылаемых по одному или большему числу электрических проводников 13 в несущем средстве 12. В альтернативном варианте осуществления команда может быть в форме импульсов давления или гидравлических команд. Инициирующие устройства 22 могут быть электрическим способом приведены в действие от сигналов, передаваемых по одной или большему числу электрических линий 24.

Другие варианты осуществления скважинного инструмента 10 могут содержать пакеры, клапаны, заглушки, режущие элементы или другие устройства. Таким образом, в этих вариантах осуществления с помощью команды, посланной с поверхности земли в месте расположения скважины, можно привести в действие модули управления для того, чтобы установить пакеры, открыть или закрыть клапана или привести в действие или отключить другие устройства. Для приведения в действие устройства, расположенного в скважинном инструменте 10, могут быть предусмотрены переключатели для передачи электрического сигнала или электрической энергии к этому устройству. Например, для того чтобы вызвать взрыв, инициирующее устройство 22 может содержать переключатель и триггерный контур инициатора взрыва фольги (ИВФ).

Согласно некоторым вариантам осуществления переключатели могут содержать микроэлектромеханические элементы, которые могут быть основаны на микроэлектромеханической системе (МЭМС). Элементы МЭМС содержат механические элементы, которые могут быть приведены в движение под воздействием входной энергии (электрической энергии или энергии другого типа). Элементы МЭМС - это элементы микроскопического размера, изготавливаемые по микротехнологии, которые могут содержать микрообработку полупроводниковой подложки (например, кремниевой подложки). В процессе микрообработки могут быть использованы различные операции травления и формирования рисунков для образования требуемых микромеханических частей. Некоторые достоинства элементов МЭМС заключаются в том, что они занимают малые пространства, требуют относительно малых затрат энергии, являются относительно жесткими и могут быть относительно недорогими.

Переключатели согласно другим вариантам осуществления могут быть изготовлены по микроэлектронной технологии, аналогичной той, которую применяют при изготовлении устройств на интегральных схемах. Переключатели, изготовленные с использованием МЭМС или других микроэлектронных технологий, в настоящем описании обычно называют «микропереключателями». Элементы в таких микропереключателях могут быть названы «микроэлементами», которые обычно являются элементами, изготовленными по МЭМС или микроэлектронной технологии. Обычно переключатели или устройства, выполненные по МЭМС технологии, называют «микроэлектромеханическими переключателями».

В одном варианте осуществления изобретения микропереключатели могут быть выполнены заодно с другими компонентами, например контурами ИВФ для инициирования взрывных веществ. Интегрированные компоненты собирают в виде более маленьких пакеров, применение которых позволяет более эффективно использовать пространство в стволе скважины. В данной заявке компоненты называют «интегрированными», если они выполнены на общей несущей опоре, смонтированной в пакере относительно малого размера, или собраны каким-либо другим способом при плотном расположении друг относительно друга. Таким образом, например, микропереключатель может быть изготовлен на той же несущей структуре, что и контур ИВФ, для получения более эффективного переключателя, благодаря меньшему эквивалентному последовательному сопротивлению (ЭПС) и меньшей эквивалентной последовательной индуктивности (ЭПИ). Микропереключатель может быть также выполнен на общей подложке с другими компонентами для достижения более эффективной компоновки.

Со ссылкой на фиг. 2А, согласно одному варианту осуществления изобретения узел разряда конденсатора (УРК) содержит энергонакопительный конденсатор 202, который можно заряжать до уровня отпирающего напряжения. Конденсатор 202 используют в качестве локального источника энергии для обеспечения активирующей энергии. Конденсатор 202 соединен с микропереключателем 204, который может быть переведен в активно замкнутое, или токопроводящее, положение за счет отпирающего напряжения V_trigger или отпирающего тока I_trigger. Когда переключатель 204 замкнут, активирующая энергия поступает в контур ИВФ 206 для приведения в действие контура ИВФ 206.

Контур ИВФ обычно содержит металлическую фольгу, соединенную с источником электрического тока, например, энергонакопительным конденсатором 202. В фольге сформирован участок шейки очень маленькой ширины, и изоляционный слой расположен поверх части фольги, включая и участок шейки. Когда через участок шейки фольги пропускают соответствующий сильный ток, участок шейки взрывается или испаряется. Это приводит к тому, что малая порция материала, называемая «летающей частью», вырывается из изоляционного слоя. Летающая часть затем пролетает через «барабанчик» и ударяет по взрывчатому веществу, что вызывает детонацию.

На Фиг. 2В показан вид сбоку контура, изображенного на Фиг. 2А. Конденсатор 202 установлен на первой поверхности 210 подложки 216, а микропереключатель 204 и ИВФ 206 установлены на противоположной стороне 212 подложки 216. В альтернативном варианте осуществления изобретения конденсатор 202 может быть установлен на той же поверхности, что и микропереключатель 204 или контур ИВФ 206. Конденсатор 202, микропереключатель 204 и ИВФ 206 электрически соединены между собой электропроводящими путями, или трактами, проложенными в подложке 216.

В других вариантах осуществления изобретения вместо ИВФ 206 могут быть использованы другие типы инициаторов, приводимых в действие электрически, например взрывные мостиковые инициаторы (ВМИ), полупроводниковые мостиковые инициаторы (ППМИ) и т.п. К тому же альтернативно вместо конденсатора 202 могут быть использованы другие типы локальных источников энергии. Микропереключатели, описанные здесь, могут также быть использованы в других скважинных устройствах, например в управляющих устройствах, сенсорных устройствах, аналоговых и цифровых схемах, сетях передачи данных. В альтернативных вариантах осуществления изобретения микропереключатели могут быть использованы в сейсмических средствах, в горнодобывающем оборудовании и т.п.

Ниже описаны различные варианты осуществления микропереключателей. Такие микропереключатели применимы в УРК, изображенном на Фиг. 2А, или, альтернативно, их можно использовать для подачи электрической энергии к другим типам компонентов, либо там, где используются в условиях скважины, либо в других областях применения (например, в сейсмической или горнодобывающей областях).

Со ссылкой на фиг. 3, согласно варианту осуществления изобретения переключатель МЭМС 300 (Фиг. 3) может быть приведен в действие с помощью «кнопки» МЭМС 302. В этом варианте осуществления кнопка МЭМС 302 заменяет пускатель типа «чертежной кнопки», используемый в некоторых обычных кнопочных переключателях. Переключатель 300 содержит верхний и нижний токопроводящие слои 304 и 308, наложенные с двух сторон на изоляционный слой 306. Проводники (токопроводящие слои) 304 и 308 могут (каждый) быть изготовлены из металла или некоторых других подходящих токопроводящих материалов. Изоляционный слой 306 может содержать полимерный материал, например полиимидную пленку. Кнопка МЭМС 302 может быть расположена поверх верхнего токопроводящего слоя 304. При приведении в действие, например путем приложения отпирающего напряжения V_trigger , имеющего предварительно заданную амплитуду, исполнительный механизм 303 высвобождает кнопку МЭМС 302, чтобы она перемещалась сквозь слои 304 и 306 так, чтобы она контактировала с нижним токопроводящим слоем 308. При этом происходит электрическое замыкание верхнего и нижнего токопроводящих слоев 304 и 308, в результате чего приводится в действие переключатель 300. Таким образом, напряжение на токопроводящем слое 304 может быть доведено до напряжения возбуждения V_drive, а токопроводящий слой 308 соединяют с компонентом, который следует привести в действие (например, контур ИВФ 206 на Фиг. 2).

В одном варианте осуществления изобретения в слоях 304 и 306 может быть уже подготовлено сквозное отверстие 307, сквозь которые может проходить кнопка МЭМС 302. В другом варианте осуществления кнопка МЭМС 302 может быть снабжена острым кончиком для прокалывания насквозь слоев 304 и 306 для достижения слоя 308.

В одном варианте осуществления изобретения исполнительный механизм 303 содержит подвижные несущие элементы 315, которыми поддерживают кнопку 302 снизу под увеличенную часть 312 фланца. Вытаскивая несущие элементы 315 из фланцевой части 312 кнопки, позволяют кнопке 302 попасть в отверстие 307. Несущие элементы 315 можно перемещать в радиальном направлении, воздействуя МЭМС редуктором 303. При подаче электрической энергии МЭМС редуктор 303 оттягивает в радиальном направлении несущие элементы 315 из кнопки 302 для того, чтобы предоставить возможность ей упасть в сквозное отверстие 307, чтобы электрически соединить проводники 304 и 308. В альтернативном варианте осуществления устройства вместо оттягивания опоры из кнопки 302, МЭМС редуктор 303 может быть использован для перемещения кнопки 302 в сквозное отверстие 307.

Слоистая конструкция, из которой образован микропереключатель 300, может быть сформирована на подложке 310, в качестве которой может быть использован полупроводник, изолятор или другая подложка. В одном примере подложка 310 может быть изготовлена из кремния. Токопроводящий слой 308 является первым слоем, наложенным на подложку 310, вслед за ним идет изоляционный слой 306, а затем - токопроводящий слой 304. В слоях 304 и 306 может быть выполнен анизотропным травлением сквозной канал 307. МЭМС структура, содержащая кнопку 302 и исполнительный механизм 303, может быть затем сформирована на токопроводящем слое 304 поверх сквозного отверстия 307.

Со ссылкой на фиг. 4А-4В согласно другому варианту осуществления микропереключатель 500 содержит первую подложку 502 и вторую подложку 504. Первая подложка 502 и слои, сформированные на ней, в действительности показаны на Фиг. 4А-4В верхней стороной вниз. При изготовлении микропереключателя 500 на двух подложках 502 и 504 независимо наносят рисунок, причем один перевернут верхней стороной вниз лицом к другой подложке.

Изоляционный слой 506 (например, слой нитрита, или S _xN_y) формируют на поверхности подложки 502. Токопроводящее покрытие 510 (например, слой металла, изготовленный с использованием металла, например алюминия, никеля, золота, меди, вольфрама или титана) образуют на изоляционном слое 506. Множество связей 516, каждую из которых изготавливают из полупроводникового материала, например легированного кремния с выбранным удельным сопротивлением, можно затем сформировать в подложке 502 для поддержания токопроводящей пластины 514, которая может быть изготовлена из металла, например алюминия, никеля, золота, меди, вольфрама или титана. Связи 516 прикрепляют к токопроводящей пластине 514 в точках контакта между связями 516 и пластиной 514. Связи 516 при воздействии электрического тока относительно большой силы распадаются или каким-либо другим способом ломаются, в результате чего обеспечивается возможность падения токопроводящей пластины 514, преодолевая зазор 515, и она входит в контакт с токопроводящим слоем 512, сформированным на подложке 504. Таким образом, связи 516 являются эффективными хрупкими элементами, ломающимися в ответ на приложение электрического напряжения или тока.

Как показано на Фиг. 4В, пластина 514, прикрепленная связями, снабжена отогнутой частью 517, посредством которой обеспечивают ее электрическое соединение с соединительной прокладкой 519, сформированной на подложке 502. Соединительная прокладка 519 может контактировать, например, со свинцовым пальцем, посредством которого обеспечивают подачу напряжения V_drive возбуждения на токопроводящую пластину 514, прикрепленную связями. Связи 516 присоединены к токопроводящему покрытию 510, которое, в свою очередь, может быть присоединено к другой соединительной прокладке 521, к которой подают отпирающий ток I _trigger.

Устройство действует следующим образом. На токопроводящую пластину 514 подают напряжение V _drive возбуждения. Когда микропереключатель 500 следует замкнуть (или привести в действие), через токопроводящее покрытие 510 подают отпирающий ток I_trigger, под воздействием которого ломается, или разрушается, по меньшей мере часть связей 516. Этим обеспечивают возможность падения токопроводящей пластины 514 (которая находится под напряжением V _drive возбуждения) и контактирование с токопроводящим слоем 512, в результате чего напряжение V_o изменяется до напряжения V_drive возбуждения. Токопроводящий слой 512 (и напряжение V_o) может быть присоединен к устройству, которое следует приводить в действие, например к ИВФ контуру 206, изображенному на Фиг. 2.

Со ссылкой на фиг. 5 еще один вариант осуществления микропереключателя 600 содержит две параллельные пластины 602 и 604 с диэлектрическим слоем 610 между параллельными пластинами. Диэлектрический слой является электроизоляционным слоем. Диэлектрические свойства диэлектрического слоя 610 можно регулировать с помощью электрической энергии в форме отпирающего напряжения или тока для обеспечения токопроводящего пути между двумя токопроводящими пластинами 602 и 604. Токопроводящая линия 606 может быть выполнена над токопроводящей пластиной 604, при этом между линией 606 и токопроводящей пластиной 604 располагают изоляционный слой 607. Диэлектрический слой 610, которым отделяют токопроводящие пластины 602 и 604, может быть твердым, жидким или газообразным диэлектриком. Когда по линии 606 подают отпирающий ток, это вызывает пробой диэлектрического слоя 610 и обеспечивает токопроводящий путь между токопроводящими пластинами 602 и 604.

Устройство функционирует следующим образом. Напряжение V_drive возбуждения подают на токопроводящую пластину 602, находящуюся в сочетании с токопроводящей пластиной 604, присоединенной к устройству, которое следует активизировать. Когда по токопроводящей линии 606 подают отпирающий ток I_trigger, диэлектрический слой 610 пробивается и напряжение V_drive возбуждения передается по токопроводящему пути от токопроводящей пластины 602 к другой токопроводящей пластине 604, что вызывает повышение напряжения V_o до напряжения V _drive возбуждения.

Со ссылкой на фиг. 6 микропереключатель 700 согласно другому варианту осуществления содержит двухпозиционный микроэлектромеханический переключатель 700. Переключатель 700 содержит контактную пластину 706, удерживаемую в нейтральном положении (т.е. пассивном положении), когда подают напряжение V_drive возбуждения. Контактная пластина 706 расположена по существу в средней плоскости между пластинами 702 и 704. На каждую пластину 702 и 704 подают напряжение V _drive возбуждения, что поддерживает контактную пластину 706 в ее нейтральном положении. Когда требуется привести в действие микропереключатель 700, на одну из пластин 702 или 704 подают добавочное отпирающее напряжение V_trigger для повышения напряжения до значения (V_drive + V_trigger). Это приводит к возникновению электростатической силы, вызывающей дисбаланс в переключателе, под влиянием которого пластина 706 перемещается и вступает в контакт с пластиной 704. Контактная пластина 706 вблизи ее основания прикреплена к несущей стойке 710. В одном варианте осуществления контактная пластина 706 и несущая стойка выполнены за одно целое из металла с образованием консоли. Консоль приспособлена к изгибу при приложении электростатической силы. Когда консольная пластина 706 контактирует с пластиной 704, напряжение (V _drive + V_trigger) передается на консольную пластину 706.

На Фиг. 7А-7D представлен другой вариант осуществления микропереключателя 800. На Фиг. 7А изображен вид сбоку микропереключателя 800, содержащего верхнюю подложку 802 и нижнюю подложку 804. Определенные структуры могут быть сформированы на каждой из подложек 802 и 804. На Фиг. 7В показан вид сверху нижней подложки 804, а на Фиг. 7С - вид снизу верхней подложки 802. Токопроводящая пластина 806 и верхний диэлектрический слой 810 расположены на верхней подложке 802. Нижняя токопроводящая пластина 808 выполнена поверх нижней подложки 804, а нижний диэлектрический слой 812 выполнен поверх нижней токопроводящей пластины 808. Кроме того, поджигающий электрод 814 выполнен поверх диэлектрического слоя 812.

Как показано на Фиг. 7С, в диэлектрическом слое 810 вырезана часть для образования окна, открывающего верхнюю токопроводящую пластину 806. Аналогично этому, как показано на Фиг. 7В, в диэлектрическом слое 812 вырезана часть для образования окна, открывающего нижнюю токопроводящую пластину 808.

Как показано на Фиг. 7А, верхняя подложка 802 повернута верхней стороной вниз. Когда верхняя и нижняя подложки 802 и 804 и присоединенные к ним структуры вводят в электрический контакт друг с другом, получается конструкция, изображенная на Фиг. 7D. Изготовление конструкции может производиться в камере, заполненной инертным газом (например, аргоном) таким образом, чтобы зазор 816, полученный в результате сведения двух подложек 802 и 804 вместе, был тоже заполнен инертным газом. Зазор 816 может быть также заполнен другим газом, например азотом, гелием, неоном, ксеноном, кислородом, воздухом или другими газами. Зазор 816 может быть также заполнен смесью различных газов. В альтернативном варианте осуществления зазор 816 может быть заполнен другим диэлектрическим элементом, например жидким или твердым диэлектриком. Диэлектрический материал выбирают таким образом, чтобы его можно было пробить при приложении напряжения или тока в виде сигнала предварительно заданной величины.

Устройство функционирует следующим образом. На пусковую токопроводящую пластину 814 подают отпирающее напряжение, которое пробивает изолятор в зазоре 816 для обеспечения токопроводящего пути между верхней токопроводящей пластиной 806 и нижней токопроводящей пластиной 808, таким образом замыкая микропереключатель 800.

Со ссылкой на фиг. 8 согласно другому варианту осуществления МЭМС переключатель 400 может содержать электрические контакты 404, 406, 408 и 410, отделенные зазорами 420 и 422. Контакты 404 и 406 электрически соединены с линиями 416 и 418 соответственно, которые оканчиваются на электродах 412 и 414 соответственно. Электроды 412 и 414 могут быть электрически соединены с соответствующими компонентами, например с источником энергии и устройством, которое следует инициировать посредством этого источника энергии. Контакты 404 и 406 расположены наклонно так, чтобы они плотно прилегали к контактам 408 и 410 соответственно, когда контакты 408 и 410 перемещают вверх посредством исполнительного механизма 402. Исполнительный механизм 402 может быть перемещен путем приложения, например, пускового напряжения. При контактировании контактов 404, 406, 408 и 410 друг с другом между электродами 412 и 414 образуется токопроводящий путь. Перемещение исполнительного механизма 402 может быть выполнено путем использования МЭМС передачи (не показана).

Контакты 404, 406, 408 и 410 могут быть изготовлены из металла или какого-либо другого токопроводящего материала. Переключатель 400 может быть сформирован в полупроводниковой подложке, например, из кремния.

На Фиг. 9 изображен микропереключатель 900 согласно еще одному другому варианту осуществления изобретения. Микропереключатель 900, подобный микропереключателю, изображенному на Фиг. 7А-7D, содержит зазор 902 (называемый «искровым промежутком»), в котором находится электроизоляционный, или диэлектрический, материал (т.е. газ, жидкость или твердое вещество). Эффективно, когда зазор 902 в микропереключателе представляет герметизированную камеру согласно одному варианту осуществления изобретения. В другом варианте осуществления зазор 902 не герметизирован, а скорее может быть открыт по отношению к другим частям инструмента или узла, в котором расположен микропереключатель 900.

Если искровой промежуток 902 заполнен газом, газ может быть представлен азотом, аргоном, гелием, ксеноном, кислородом, неоном, воздухом или некоторой смесью газов. В отличие от устройства, изображенного на Фиг. 7А-7D (где токопроводящие пластины 806 и 808 расположены одна над другой против искрового промежутка 816 с каждой его стороны, как показано на Фиг. 7D), в микропереключателе 900, изображенном на Фиг. 9, используют проводники 904 и 906, расположенные в одной плоскости. Каждый проводник 904 и 906 представляет собой токопроводящую пластину, расположенную на изоляционной опорной структуре (подложке 910). Участок искрового промежутка 902 расположен между боковыми сторонами 907 и 908 соответствующих проводников 904 и 906. Подложка 910, на которой расположены проводники 904 и 906, может быть изготовлена из электроизоляционного, или диэлектрического, материала, например керамики, кремния, стекла и т.д.

Сверху, по меньшей мере, части проводников 904 и 906 и подложки 910 предусмотрена крышка 912. Между нижней поверхностью крышки 912 и верхними поверхностями проводников 904 и 906 установлены уплотнительные элементы 914 и 916. Уплотнительные элементы 914 и 916 устанавливают в тех вариантах осуществления, в которых в искровом промежутке 902 используют газ или жидкость. Уплотнительные элементы 914 и 916 могут быть исключены в вариантах осуществления, в которых в искровом промежутке 902 используют твердый диэлектрик.

В дополнение к области между боковыми сторонами 907 и 908 проводников 904 и 906 искровой промежуток 902 содержит также участок между уплотнительными элементами 914 и 916 и между нижней стороной 912 крышки и верхними поверхностями проводников 904 и 906.

Проводник 904 соединен с источником входного напряжения, а проводник 906 соединен с компонентом, который следует активировать при замыкании микропереключателя 900. В контексте примера, проиллюстрированного на Фиг. 2А, источник входного напряжения, подаваемого на микропереключатель 900, снабжают конденсатором 202, тогда как выход (проводник 206) микропереключателя 900 соединяют с ИВФ 206. Вообще, посредством микропереключателя 900 соединяют источник электроэнергии с компонентом, который следует привести в действие с помощью источника электроэнергии, где микропереключатель 900 выполнен так, чтобы он замыкался (проводил ток через искровой промежуток 902) в ответ на электроэнергию, превышающую предварительно заданное пороговое значение (например, большее предварительно заданного напряжения).

Для приведения в действие микропереключателя 900 на проводник 904 подают достаточно высокое входное напряжение. Поданное напряжение, величина которого больше предварительно заданного порогового значения, вызывает ионизацию (пробой) газа в искровом промежутке 902, что ведет к передаче электрической энергии через микропереключатель от одного проводника, 904, к другому, 906. В некоторых вариантах осуществления уровень предварительно заданного напряжения, при котором происходит пробой, составляет около 700 В. Таким образом, приложение входного напряжения, большего или равного 700 В, вызывает пробой газа. Использование относительно высокого напряжения пробоя является подходящим условием для применения в скважине, а также в сейсмическом и горнодобывающем оборудовании. Напряжение пробоя зависит от типа используемого газа и его давления, расстояния между проводниками в области искрового промежутка и других факторов, о которых сказано ниже.

Пробой газа с высокой диэлектрической постоянной в искровом промежутке 902 происходит согласно вероятностному процессу. Вероятностный процесс может варьироваться в зависимости от: (1) шероховатости поверхности или дефектности проводников 904 и 906, на которых накапливается заряд; (2) накопления нелокализованного заряда; и (3) изменений или повреждений поверхностей, вызванных эрозией, при испытаниях микропереключателя 900 до его использования. Эти погрешности ведут к изменчивости точного положения конечных точек ионного разряда, что влияет на длину пути электрической дуги, проходящей через искровой промежуток 902. Это, в свою очередь, ведет к колебаниям точности значения напряжения разряда. К тому же загрязнения, например влага, химические загрязняющие вещества или загрязняющие агенты, внутри или на поверхности проводника и другие материалы могут также приводить к росту колебаний напряжения разряда. Кроме того, имеют место колебания свойств газа с высокой диэлектрической постоянной, вызываемые загрязнением самого газа, а также хаотическим движением и температурой молекул газа.

Колебания свойств газа с высокой диэлектрической постоянной можно стабилизировать различными способами, например включением радиоактивного материала в/или вокруг искрового промежутка 902. Наличие радиоактивного материала побуждает молекулы к более определенному и прогнозируемому движению (т.е. ионизирующее излучение или возбуждение излучением бета-частиц). Одним примером этого способа может служить использование небольшого количества радиоактивного газа, например трития, который может быть примешан к газу в искровом промежутке 902. В альтернативном варианте осуществления твердые радиоактивные материалы могут быть нанесены в виде крапинок внутри или снаружи искрового промежутка 902. Примерами радиоактивных материалов могут служить изотопы хрома, тория, калия, урана, никеля или материалы, содержащие в большой пропорции такие вещества, как, например, торит (Th(SiO₄)), уранит или некоторые каменные соли (KCl). Сравнительно небольшие количества тория или калия (или встречающиеся в природе минералы или каменные соли, содержащие в большой пропорции такие материалы) обладают дополнительным преимуществом, заключающимся в ограниченной, в приемлемых пределах, радиоактивности, что может быть квалифицировано как освобождение от специальных требований, предъявляемых правилами защиты окружающей среды, связанных с транспортировкой этих материалов и обращением с ними.

На Фиг. 10 изображен вид сверху микропереключателя 900. На этом виде предполагается, что крышка 912 прозрачна, благодаря чему конструкция, расположенная под крышкой 912, видна. Каждый из проводников 904 и 906 имеет закругленную боковую сторону 930 и 932 соответственно. Эта криволинейная геометрия (боковых сторон 930 и 932) проводников 904 и 906 позволяет локализовать точки разряда на проводниках 904 и 906 для повышения степени прогнозируемости пути электрической дуги в искровом промежутке 902. Как показано на Фиг. 10, закругленные боковые стороны 930 и 932 проводников 904 и 906 обращены друг к другу на протяжении участка искрового промежутка 902. Вместо использования радиоактивных материалов или в дополнение к ним закругленные боковые стороны 930 и 932 проводников 904 и 906 могут быть использованы для уменьшения степени изменчивости точек разряда на проводниках 904 и 906.

На Фиг. 11 изображен другой вариант осуществления микропереключателя 920, по существу подобного по конструкции микропереключателю 900, изображенному на Фиг. 9 (компоненты микропереключателя 920, аналогичные компонентам микропереключателя 900, обозначены теми же позициями). Отличие микропереключателя 920 заключается в наличии поджигающего электрода, показанного в различных положениях 922А, 922В или 922С. Для эффективного действия переключателя должен присутствовать только один из поджигающих электродов 922А, 922В и 922С. В альтернативном варианте осуществления можно использовать более одного из поджигающих электродов 922А, 922В и 922С. Поджигающий электрод 922В располагают в искровом промежутке 902 и устанавливают на поверхности подложки 910 между боковыми сторонами 907 и 908 соответствующих проводников 904 и 906. Поджигающий электрод 922А располагают на верхней поверхности крышки 912 (вне искрового промежутка 902). Поджигающий электрод 922С располагают на нижней поверхности подложки 910 также вне искрового промежутка 902.

Устройство функционирует следующим образом. Напряжение, подаваемое на проводник 904, меньше напряжения пробоя, которое могло бы вызвать ионизацию газа в искровом промежутке 902. Для приведения в действие микропереключателя 920 подают импульс напряжения на поджигающий электрод 922 (на один или большее число электродов 922А, 922В и 922С). Этот импульс напряжения вызывает пробой газа, содержащегося в искровом промежутке 902, таким образом обеспечивая возможность прохождения электрического тока между проводниками 904 и 906. В альтернативных вариантах осуществления вместо газа в искровом промежутке 902 можно использовать жидкий диэлектрик или твердое диэлектрическое вещество.

Другой способ стабилизации для снижения изменчивости положения точек разряда на проводниках в искровом промежутке заключается в обеспечении ограниченных отверстий, например ограниченных отверстий 942 и 944 в микропереключателе 940, изображенном на Фиг. 12. Микропереключатель 940 содержит проводники 946 и 948, являющиеся токопроводящими пластинами, сформированными на подложке 950. Помимо этого поверх проводников 946 и 948 расположен твердый диэлектрический слой 952 (с отверстиями 942 и 944, сформированными в диэлектрическом слое 952). Средняя часть диэлектрического слоя 952 выполнена выступающей и заполняющей зону между боковыми сторонами 954 и 956 проводников 946 и 948 соответственно. Крышка 957 расположена поверх конструкции из диэлектрического слоя 952 и проводников 946 и 948. Между крышкой 957 и диэлектрическим слоем 952 установлены уплотняющие элементы 958 и 959 для обеспечения герметизации газа с высокой диэлектрической постоянной или жидкого диэлектрика в искровом промежутке 941, ограниченном крышкой 957, уплотняющими элементами 958 и 959 и проводниками 946 и 948.

Искровой промежуток 941 микропереключателя 940 частично заполнен слоем 952 твердого диэлектрика. Наличие отверстий 942 и 944, выполненных в диэлектрическом слое 952, позволяет повысить прогнозируемость точек разряда на проводниках 946 и 948.

Устройство функционирует следующим образом. Если на проводник 946 подают достаточное напряжение, происходит ионизация газа, в результате чего путь разряда проходит от проводника 946 через отверстие 942. Путь разряда проходит через пространство (которое содержит газ с высокой диэлектрической постоянной или жидкий диэлектрик) в искровом промежутке 941 над диэлектрическим слоем 952, но под крышкой 957 и через другое отверстие 944 к другому проводнику 948.

На Фиг. 13 изображен другой микропереключатель 960, аналогичный микропереключателю 940, изображенному на Фиг. 12, за исключением того, что поджигающий электрод 962 установлен в пространстве, ограниченном частью диэлектрического слоя 952. Для приведения в действие микропереключателя 960 на проводник 948 подают напряжение, используя напряжение, поддерживаемое на уровне, меньшем напряжения пробоя для газа с высокой диэлектрической постоянной или жидкого диэлектрика в искровом промежутке 941. На поджигающий электрод 962 подают импульс напряжения, чтобы вызвать пробой газа с высокой диэлектрической постоянной или жидкого диэлектрика в искровом промежутке 941.

На Фиг. 14 представлен вид сверху микропереключателя 960, изображенного на Фиг. 13. Условно принято, что крышка 957 и диэлектрический слой 952 на Фиг. 14 прозрачные, для того чтобы в данном случае можно было видеть конструкцию, расположенную под этими слоями. На виде сверху видно расположение отверстий 942 и 944, а также положение поджигающего электрода 962, который проходит между проводниками 946 и 948. Проводники 946 и 948 имеют закругленные боковые стороны 947 и 949, обращенные навстречу друг другу на участке искрового промежутка 941.

Согласно другому варианту осуществления в микропереключателе 970 (Фиг. 15) используют нанотрубчатые электронные излучатели 972 и 974. В альтернативном варианте осуществления вместо нанотрубчатых электронных излучателей могут быть использованы изотопные электронные излучатели. Микропереключатель 970 подобен по конструкции микропереключателю 940, изображенному на Фиг.12, за исключением того, что микропереключатель 970 дополнительно содержит нанотрубчатые электронные излучатели 972 и 974. Нанотрубчатые электронные излучатели 972 и 974 сформированы на поверхности соответствующих проводников 946 и 948 в соответствующих отверстиях 942 и 944. Применение нанотрубчатых электронных излучателей 972 и 974 способствует стабилизации расположения и повышения степени прогнозируемости пути разряда через искровой промежуток 941. Устройство функционирует следующим образом. Нанотрубчатые электронные излучатели 972 и 974 действуют как микроминиатюрные световые стержни. Концы нанотрубок концентрируют и усиливают градиент локального электрического поля, таким образом стимулируя ионизацию соседних молекул газа. Электроны испускаются очень легко из концов нанотрубчатых электронных излучателей. Нанотрубчатые электронные излучатели 972 и 974 являются также электропроводными и сформированы на проводниках 946 и 948 таким образом, что нанотрубчатые электронные излучатели 972 и 974 электрически контактируют с проводниками 946 и 948 соответственно.

Углеродные нанотрубки (УНТ) - это бесшовные трубки из графитовых листов. Структура нанотрубки представляет собой в основном очень маленькую трубку, толщина стенки которой соизмерима с масштабом атомов. Например, УНТ - это трубка, в которой стенки выполнены из молекул углерода, где толщина стенки может быть в одну молекулу. УНТ были впервые открыты как многослойные концентричные трубки (т.е. углеродные нанотрубки с множеством стенок - УНТМС). Позже были изготовлены одностенные углеродные нанотрубки (УНТОС) в присутствии катализатора из переходного металла. В вариантах осуществления изобретения можно использовать УНТМС и УНТОС или смесь из этих двух структур. Исследования показали, что УНТ обладают многообещающими потенциальными возможностями при их применении, включая, например, их применение в электронных устройствах наномасштаба, в виде высокопрочных материалов, в автоэлектронной эмиссии, в щупах для сканирующей микроскопии и в структурах для хранения газа.

Основные способы синтезирования УНТ включают: лазерную абляцию углерода; электродуговой разряд графитового стержня; химическое осаждение (ХО) углеводорода из газовой фазы. Было установлено, что среди этих способов химическое осаждение (ХО) в сочетании с фотолитографией является наиболее универсальным способом изготовления различных УНТ устройств. В способе химического осаждения катализатор из переходного металла осаждают в виде требуемого рисунка на кремневую подложку, которому может быть придана форма путем использования фотолитографии, после чего следует этап травления. Кремневую подложку, содержащую осажденный катализатор, затем помещают в печь в присутствии смеси пара и газа, например ксилола и ферроцена. Нанотрубки из углерода обычно выращивают на осажденном катализаторе в направлении, перпендикулярном поверхности подложки. В настоящее время различные материалы и устройства из углеродных нанотрубок могут выпускаться в коммерческих масштабах различными компаниями, включая компании «Molecular Nanosystems» (Palo Alto, CA) и «Bucky», USA (Houston, TX).

Другие способы химического осаждения включают способы изготовления углеродных нанотрубок на кварцевых (SiO₂ ) и кремневых поверхностях без использования катализаторов из переходных металлов. Согласно таким способам участкам кварца (SiO₂) придают определенный рисунок на кремневой подложке путем фотолитографии и травления. Углеродные нанотрубки затем выращивают на кварцевых (SiO ₂) участках способом химического осаждения или способом химического осаждения, улучшенным применением плазмы. Этими способами можно изготавливать пучки углеродных нанотрубок различных форм. Углеродные нанотрубки, пригодные для вариантов осуществления изобретения, могут быть изготовлены согласно этому способу.

Как было сказано выше, углеродные нанотрубки обладают уникальными физическими и электрическими свойствами. Как автоэлектронные излучатели углеродные нанотрубки обладают характеристиками низкой работы выхода, долговечностью и термостабильностью. В соответствии с этим автоэлектронным излучателем на основе УНТ можно управлять, используя относительно низкие напряжения. Кроме того, химическая стойкость таких устройств к реакциям с газами, которые могут быть генерированы во время работы устройства, повышена, благодаря чему повышена продолжительность срока службы излучателей.

Благодаря применению нанотрубчатых электронных излучателей 972 и 974 обеспечивают надежное зажигание искрового промежутка 941 путем использования эффективных и стабильных свойств электронной эмиссии нанотрубчатых электронных излучателей. В одном варианте осуществления нанотрубчатые электронные излучатели представляют собой углеродные нанотрубчатые электронные излучатели. В альтернативном варианте осуществления можно использовать нанотрубчатые электронные излучатели из бора. Электроны могут очень легко испускаться из концов нанотрубчатых электронных излучателей.

На Фиг. 16 изображен еще один микропереключатель, аналогичный микропереключателю, изображенному на Фиг. 7D, за исключением того, что здесь введены диэлектрический слой 980 (на поверхности токопроводящей пластины 806) и диэлектрический слой 982 (на поверхности токопроводящей пластины 808). Каждый диэлектрический слой 980 и 982 содержит отверстие, в котором созданы соответствующие нанотрубчатые электронные излучатели 984 и 986. Применение нанотрубчатых электронных излучателей 984 и 986 обеспечивает более прогнозируемый путь тока дуги в искровом промежутке 816.

На Фиг. 17 изображен массив из множества нанотрубчатых электронных излучателей, которые могут быть сформированы на каждом из проводников 946 и 948 (см. Фиг.15). Нанотрубчатые электронные излучатели могут быть равномерно и точно расположены на каждом из проводников 946 и 948. Высокая степень равномерности в наномасштабе приводит к очень высокой точности электронного потенциала или пробивного порогового напряжения нанотрубчатых электронных излучателей в сравнении с микронными дефектами на поверхности металла или других электропроводящих электродов.

Нанотрубчатые электронные излучатели ориентированы таким образом, что их самые большие размеры (длина) совмещены с электрическим полем, обеспечивают наилучшие условия использования. Нанотрубчатые электронные излучатели могут быть также использованы в микропереключателях 900, 920 и 960, изображенных на Фиг. 9, 11 и 13 соответственно.

Различные микропереключатели, описанные в настоящей заявке, могут обладать следующими достоинствами. Вообще, микропереключатели могут быть выполнены в виде сборок относительно малых габаритов, благодаря чему можно повысить эффективность переключателей из-за их уменьшенного сопротивления и индуктивности. Кроме того, некоторые микропереключатели могут быть интегрированы с другими компонентами, например конденсаторами для хранения энергии, и другими устройствами, например ИВФ, для образования единого узла уменьшенных размеров. Надежность и безопасность переключателей повышается, так как исключается введение в действие взрывным или механическим способами, которые используют в некоторых обычных переключателях.

Хотя изобретение описано со ссылками на ограниченное количество вариантов осуществления, специалисты в данной области техники могут предложить ряд их модификаций и вариаций. Предполагается, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации и вариации, которые подпадают под действие сущности и объема изобретения. Например, могут быть использованы конфигурации переключателей, в которых могут применяться микроэлементы.