Titel:

Mikromechanischer Schalter

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Schalter mit einem ersten elektrischen Kontakt und einem zweiten elektrischen Kontakt sowie einem auslenkbaren mikromechanischen Schaltteil mit einer ersten Kontaktbrücke zum Schalten einer ersten elektrischen Leitung, wobei das Schaltteil entlang eines Schaltweges derart auslenkbar ist, dass in einer ersten Position der erste Kontakt, der zweite Kontakt und die erste Kontaktbrücke elektrisch voneinander getrennt sind und in einer zweiten Position die erste Kontaktbrücke den ersten Kontakt mit dem zweiten Kontakt elektrisch verbindet.

Bekannt sind elektrisch betätigbare Schalter als klassische elektromagnetische Relais, in denen mit Hilfe einer elektromagnetischen Kraft ein Schaltteil betätigt wird. Derartige Relais haben sehr gute Schalteigenschaften, wie beispielsweise galvanische Trennung, physische Trennung der Kontakte durch einen Luftspalt, lineares Signalverhalten und eine Schaltfunktion, die unabhängig von der Polarität der Spannung ist. Nachteilig sind der relativ hohe Energieverbrauch, die Größe und die geringe Schaltgeschwindigkeit.

Bekannt sind auch elektronische Schaltgeräte oder Halbleiterrelais (solid state relay, SSR), welche ohne ein bewegliches Schaltteil einen Schaltvorgang ausführen können. Halbleiterrelais haben eine hohe Schaltgeschwindigkeit und verbrauchen relativ wenig Energie, sind aber als Halbleiter alles andere als ideale Schalter.

Es gibt seit kurzem auch kapazitiv betätigbare Schalter. Sie haben aufgrund ihres Antriebsprinzips einen sehr geringen Stromverbrauch. Bekannt ist beispielsweise der MEMS-Schalter ADGM1304 der Firma Analog Devices, welcher in Oberflächen- Mikromechanik gefertigt ist. Das Schaltelement ist dabei senkrecht zur Substratebene (out of plane) beweglich gestaltet. In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 102020215027.3 ist ein kapazitiv betätigbarer MEMS-Schalter mit einem parallel zur Substratebene (in-plane) beweglichen Schaltelement beschrieben. Während die meisten Relais eine sehr große Zahl lastfreier Schaltvorgänge leisten, ist das Schalten von Lasten mit hohem Verschleiß verbunden, und die Anzahl möglicher Schaltvorgänge unter Last ist sehr viel geringer, oft um den Faktor 1000.

Es wird versucht, den Verschleiß auf verschiedene Arten zu unterdrücken. In klassischen Relais werden Hartmetalle, wie Ru, W für Schaltkontakte und Lichtbogen unterdrückende Gase, wie SF6 in hermetischen Gehäusen eingesetzt.

Bekannt ist auch das kombinierte Halbleiter-MEMS-Relais MM9100 der Firma Menlo Micro, welches ein elektronisches Schaltteil parallel zu einem MEMS Schalter nutzt, um während der Schaltvorgänge des eigentlichen MEMS Relais die Spannung zwischen den Kontakten zu senken. Dies verlängert die Lebensdauer des MEMS Schalters. Jedoch ist der Aufbau komplex, erfordert zwei Relais und einen ASIC um das Schaltschema für beide zu steuern und ist für HF-Relais nicht nutzbar.

Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung einen mikromechanischen Schalter zu schaffen, der sich auch unter Last verschleißarm schalten lässt.

Kern und Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Schalter mit einem ersten elektrischen Kontakt und einem zweiten elektrischen Kontakt sowie einem auslenkbaren mikromechanischen Schaltteil mit einer ersten Kontaktbrücke zum Schalten einer ersten elektrischen Leitung, wobei das Schaltteil entlang eines Schaltweges derart auslenkbar ist, dass in einer ersten Position der erste Kontakt, der zweite Kontakt und die erste Kontaktbrücke elektrisch voneinander getrennt sind und in einer zweiten Position die erste Kontaktbrücke den ersten Kontakt mit dem zweiten Kontakt elektrisch verbindet.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der mikromechanische Schalter einen dritten elektrischen Kontakt und einen vierten elektrischen Kontakt sowie das Schaltteil eine zweite Kontaktbrücke zum Schalten einer zweiten elektrischen Leitung aufweist, wobei in der ersten Position der dritte Kontakt, der vierte Kontakt und die zweite Kontaktbrücke elektrisch voneinander getrennt sind, wobei in der zweiten Position die zweite Kontaktbrücke den dritten Kontakt mit dem vierten Kontakt elektrisch verbindet, wobei in einem Übergangsbereich zwischen der ersten Position und der zweiten Position auf dem Schaltweg der erste Kontakt, der zweite Kontakt und die erste Kontaktbrücke elektrisch voneinander getrennt sind, während die zweite Kontaktbrücke den dritten Kontakt mit dem vierten Kontakt elektrisch verbindet bis zum Erreichen der zweiten Position. Erfindungsgemäß ist hierdurch ein mikromechanisches Relais geschaffen, bei dem beim Einschalten eine erste elektrische Leitung immer erst elektrisch verbunden wird, nachdem eine zweite elektrische Leitung verbunden ist. Umgekehrt wird beim Ausschalten die erste elektrische Leitung immer aufgetrennt, bevor die zweite elektrische Leitung getrennt wird.

Vorteilhaft ist, wenn die gesamte zweite elektrische Leitung in dem Schalter als Nebenschlussleitung parallel zur ersten elektrischen Leitung mit dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt gebildet ist. Vorteilhaft muss diese Nebenschlussleitung nicht extern angeschlossen werden. Besonders vorteilhaft ist, wenn in der zweiten elektrischen Leitung wenigstens ein Nebenschlusswiderstand (shunt) angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Kontaktbrücke oder auch die zweite Kontaktbrücke mit einem Bereich des Schaltteils mechanisch verbunden und elektrisch davon isoliert ist, insbesondere durch gefüllte Isolationsgräben. Vorteilhaft kann so ein mikromechanisches Relais mit galvanischer Trennung zwischen dem Schaltteil, insbesondere dessen elektrischem Antrieb und der ersten oder auch zweiten elektrischen Leitung bereitgestellt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der dritte elektrische Kontakt und der vierte elektrische Kontakt federn auslenkbar entlang des Schaltwegs im Übergangsbereich ausgebildet sind. Vorteilhaft ist so im gesamten Übergangsbereich die zweite elektrische Leitung geschlossen. Vorteilhaft ist hierdurch auch eine zusätzliche Rückstellfeder geschaffen, welche das Lösen der ersten Kontaktbrücke von ersten und zweiten Kontakt beim Öffnen des Relais unterstützt.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung mit den gleichen Vorteilen sieht vor, dass die zweite Kontaktbrücke mittels einer Koppelfeder an dem mikromechanischen Schaltteil federn auslenkbar entlang des Schaltwegs im Übergangsbereich ausgebildet ist.

Noch eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung mit den gleichen Vorteilen sieht vor, dass das mikromechanische Schaltteil einen ersten starren Abschnitt mit der ersten Kontaktbrücke und ersten Antriebsmitteln, einen zweiten starren Abschnitt mit der zweiten Kontaktbrücke und zweiten Antriebsmitteln und eine Koppelfeder zwischen dem ersten starren Abschnitt und dem zweiten starren Abschnitt aufweist, wobei der zweite starre Abschnitt federn auslenkbar entlang des Schaltwegs im Übergangsbereich ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in der ersten Position die erste Kontaktbrücke einen ersten Abstand zum ersten Kontakt und zum zweiten Kontakt aufweist und die zweite Kontaktbrücke einen zweiten Abstand zum dritten Kontakt und zum vierten Kontakt aufweist, wobei der erste Abstand größer ist als der zweite Abstand.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schalter ein Substrat mit einer Hauptebene (x, y) aufweist, dass der erste, zweite, dritte und vierte Kontakt und das mikromechanische Schaltteil in einer über dem Substrat angeordneten mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet sind und dass mikromechanische Schaltteil auf dem Schaltweg parallel zur Hauptebene des Substrats auslenkbar ist.

Zeichnung

Figur 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalter in einem ersten Ausführungsbeispiel mit federnden stationären Kontakten.

Figur 2 zeigt schematisch ein elektrisches Schaltbild des erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalters im ersten Ausführungsbeispiel.

Figur 3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalter in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem beweglichen Schaltteil und einer Kontaktbrücke an einer Koppelfeder.

Figur 4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalter in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einem Schaltteil aus zwei starren Abschnitten und einer Koppelfeder.

Beschreibung

Figur 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalter in einem ersten Ausführungsbeispiel mit federnden stationären Kontakten. Dargestellt ist ein MEMS Relais mit einem ersten elektrischen Kontakt 11 einem zweiten elektrischen Kontakt 12 und einem auslenkbaren Schaltteil 30. Das Schaltteil ist mit einer Aufhängefeder 50 über einem Substrat 1 aufgehängt und ist entlang eines Schaltwegs 90 auslenkbar Das Schaltteil weist eine erste Kontaktbrücke 31 auf, welche mit einem ersten Abstand Al in Schaltrichtung dem ersten und zweiten Kontakt gegenüberliegt. Das MEMS Relais weist auch einen dritten elektrischen Kontakt 21, einen vierten elektrischen Kontakt 22 und eine zweite Kontaktbrücke 32 auf. Die zweite Kontaktbrücke liegt mit einem zweiten Abstand A2 in Schaltrichtung dem dritten und vierten Kontakt gegenüber. Der erste Abstand ist dabei größer als der zweite Abstand (A1>A2). Im Beispiel ist der erste Abstand Al=l,lpm und der zweite Abstand A2= l,0pm. Der dritte Kontakt und der vierte Kontakt ist jeweils federnd in Richtung des Schaltwegs 90 ausgebildet und weist jeweils einen Nebenschlusswiderstand (Shunt) 70 auf. Der mikromechanische Schalter weist auch einen elektrischen Eingang 110 und einen Ausgang 120 auf. Die Kontakteil, 12, 21, 22 sowie die Aufhängefeder 50 sind mittels Substratanker 40 an dem darunterliegenden Substrat 1 verankert. Das Schaltteil 30 weist noch einen Antrieb (nicht bildlich dargestellt) zur Erzeugung der Auslenkung entlang des Schaltweges 90 auf. Die erste Kontaktbrücke 31 und die zweite Kontaktbrücke 32 sind mit einem Bereich des Schaltteils 30 mechanisch verbunden und elektrisch davon isoliert. Dies ist durch einen mit einem dielektrischen Material gefüllten Isolationsgraben 60 bewerkstelligt.

In einem ersten Betriebszustand, dem nicht geschalteten Zustand oder Ruhezustand befindet sich das Schaltteil 30 in einer ersten Position, der Ruheposition. Der erste Kontakt 11, der zweite Kontakt 12 und die erste Schaltbrücke 31 sind räumlich und elektrisch voneinander getrennt (A1>0). Desgleichen sind der dritte Kontakt 21, der vierte Kontakt 22 und die zweite Schaltbrücke 32 räumlich und elektrisch voneinander getrennt (A2>0).

Nach dem Einleiten eines Einschaltvorgangs bewegt sich das Schaltteil 30 entlang des Schaltwegs 90 bis die zweite Kontaktbrücke 32 am dritten Kontakt 21 und am vierten Kontakt 22 anliegt (A2=0) und so den dritten Kontakt mit dem vierten Kontakt elektrisch verbindet. Das Schaltteil tritt damit in einen Übergangsbereich ein, in dem die erste Kontaktbrücke 31 bei sich verringertem ersten Abstand noch vom ersten Kontakt 11 und zweiten Kontakt 12 räumlich getrennt ist (A1>0).

In einem zweiten Betriebszustand, dem geschalteten Zustand befindet sich das Schaltteil 30 schließlich in einer zweiten Position, der Schaltposition. Die erste Kontaktbrücke liegt am ersten Kontakt und am zweiten Kontakt an (A1=0) und verbindet so den ersten Kontakt mit dem zweiten Kontakt elektrisch.

Die zweite Kontaktbrücke liegt weiterhin am dritten Kontakt und am vierten Kontakt an (A2=0) und hält die elektrische Verbindung wobei die federnden Kontakte in Richtung des Schaltwegs 90 ausgelenkt sind. Zum Ausschalten des Relais wird der Antrieb des Schaltteils abgeschaltet. Angetrieben von der kombinierten Rückstellkraft der Aufhängefeder 50 und der federnden zweiten und dritten Kontakte 21, 22 bewegt sich das Schaltteil 30 auf dem Schaltweg 90 zurück in Richtung der Ruheposition. Dabei wird zuerst die erste elektrische Leitung aufgetrennt indem die erste Kontaktbrücke 31 vom ersten Kontakt 11 und zweiten Kontakt 12 getrennt wird. Das Schaltteil tritt damit in den Übergangsbereich ein. Die federnden zweiten und dritten Kontakte 21, 22 liegen weiter an der zweiten Kontaktbrücke 32 an und drücken das Schaltteil weiter in Richtung der Ruheposition.

Sobald die federnden zweiten und dritten Kontakte 21, 22 ihre Ruhelage erreicht haben wird die zweite elektrische Leitung aufgetrennt, indem die zweite Kontaktbrücke 32 vom dritten Kontakt 21 und vierten Kontakt 22 getrennt wird. Das Schaltteil verlässt damit den Übergangsbereich und bewegt sich angetrieben von der Rückstellkraft der Aufhängefeder 50 weiter bis zur Ruheposition.

Figur 2 zeigt schematisch ein elektrisches Schaltbild des erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalters im ersten Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist eine niederohmige erste elektrische Leitung 15, welche den Eingang 110 mit dem Ausgang 120 verbindet. In der ersten elektrischen Leitung sind der erste elektrische Kontakt 11 und der zweite elektrische Kontakt 12 angeordnet, welche mit der ersten Kontaktbrücke 31 schaltbar sind. Der Kontaktpfad hat einen Widerstand von circa 10-200 mOhm. Dazu parallel geschaltet ist die zweite elektrische Leitung 25, eine Nebenschlussleitung, die zwei Nebenschlusswiderstände 70 aufweist. In der zweiten elektrischen Leitung sind der dritte elektrische Kontakt 21 und der vierte elektrische Kontakt 22 angeordnet, welche mit der zweiten Kontaktbrücke 32 schaltbar sind. Die zweite elektrische Leitung hat einen Widerstand von circa 10-200 Ohm. Die erste und zweite Kontaktbrücke werden gemeinsam mit dem mikromechanischen Schaltteil 30 betätigt, wobei während eines Einschaltvorgangs immer zuerst die zweite elektrische Leitung geschlossen wird und danach die erste elektrische Leitung. Während des Ausschaltvorgangs wird zuerst die erste elektrische Leitung aufgetrennt und danach die zweite elektrische Leitung.

Zuerst wird also immer die hochohmige Nebenschlussleitung verbunden und danach die niederohmige Hauptleitung. Dadurch wird beim Schalten unter Last die Spannung zwischen den zu schaltenden Kontakten reduziert, was wiederum Schaltfunken vermindert. In der Folge verringert sich der Verschleiß der Kontakte, und die Lebensdauer des Relais verlängert sich um viele Schaltzyklen. Figur 3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalter in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem beweglichen Schaltteil und einer Kontaktbrücke an einer Koppelfeder. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind hier die erste Kontaktbrücke 31 und die zweite Kontaktbrücke 32 sowohl untereinander als auch vom Schaltteil 30 mittels gefüllter Isolationsgräben 60 elektrisch isoliert. Die zweite Kontaktbrücke 32 ist mittels einer Koppelfeder 55 an dem mikromechanischen Schaltteil 30 federn auslenkbar verbunden. Dargestellt ist auch ein kapazitiver Antrieb zum Betätigen des Schaltteils. Der Antrieb umfasst kapazitive Antriebselektroden 80 und komplementäre bewegliche Elektroden am Schaltteil zum Erzeugen einer Coulomb Kraft.

Nach dem Einleiten eines Einschaltvorgangs bewegt sich das Schaltteil 30 entlang des Schaltwegs 90 bis die zweite Kontaktbrücke 32 am dritten Kontakt 21 und am vierten Kontakt 22 anliegt und tritt damit in den Übergangsbereich ein. Ab dem Moment bewegt sich das übrige Schaltteil 30 mit der ersten Kontaktbrücke 31 weiter auf den ersten Kontakt 11 und den zweiten Kontakt 12 zu. Die Koppelfeder 55 wird dabei entlang des Schaltwegs ausgelenkt.

Figur 4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalter in einem dritten Ausführungsbeispiel mit einem Schaltteil aus zwei starren Abschnitten und einer Koppelfeder. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel weist das mikromechanische Schaltteil 30 einen ersten starren Abschnitt 30a mit der ersten Kontaktbrücke 31 und ersten Antriebsmitteln 80a, einen zweiten starren Abschnitt 30b mit der zweiten Kontaktbrücke 32 und zweiten Antriebsmitteln 80b und eine Koppelfeder 55 zwischen dem ersten starren Abschnitt und dem zweiten starren Abschnitt auf. Der zweite starre Abschnitt federn auslenkbar entlang des Schaltwegs im Übergangsbereich ist.

Nach dem Einleiten eines Einschaltvorgangs bewegt sich das Schaltteil 30, 30a, 30b entlang des Schaltwegs 90 bis die zweite Kontaktbrücke 32 am dritten Kontakt 21 und am vierten Kontakt 22 anliegt und tritt damit in den Übergangsbereich ein. Ab dem Moment bewegt sich der erste starre Abschnitt 30a mit der ersten Kontaktbrücke 31 weiter auf den ersten Kontakt 11 und den zweiten Kontakt 12 zu. Die Koppelfeder 55 wird dabei entlang des Schaltwegs ausgelenkt. Aufgrund der geringeren trägen Masse des ersten starren Abschnitts 30a im Verhältnis zu einem kompletten Schaltteil kann währen des Ausschaltvorgangs die erste elektrische Leitung 15 noch schneller aufgetrennt werden. Die kombinierten Rückstellkräfte der Aufhängefedern 50 und der Koppelfeder 55 wirken dabei auf den ersten starren Abschnitt 30a. Diese Konfiguration ermöglicht daneben größere Schließkräfte für beide Kontaktbrücken 31, 32 und eine größere Schaltverzögerung zwischen dem Schalten der zweiten elektrischen Leitung 25 und dem Schalten der ersten elektrischen Leitung 15.

Die Erfindung ist nicht auf die hier gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es mit den gezeigten konstruktiven Elementen beispielsweise auch möglich, mehr als zwei Kontakte zu schalten. Auch können Wechselschaltungen realisiert, also Ein und Ausschalten verschiedener Leitungen kombiniert werden, wobei eine oder mehrere Schaltteile vorgesehen sein können.

Bezugszeichenliste

I Substrat

10 mikromechanische Funktionsschicht

II erster elektrischer Kontakt

12 zweiter elektrischer Kontakt

15 erste elektrische Leitung

21 dritter elektrischer Kontakt

22 vierter elektrischer Kontakt

25 zweite elektrische Leitung

30 auslenkbares mikromechanisches Schaltteil

30a erster Abschnitt

30b zweiter Abschnitt

31 erste Kontaktbrücke

32 zweite Kontaktbrücke

40 Substratanker

50 Aufhängefeder

55 Koppelfeder

60 gefüllter Isolationsgraben

70 Nebenschlusswiderstand (Shunt)

80 Antriebselektroden

80a erste Antriebselektroden

80b zweite Antriebselektroden

90 Schaltweg

110 Eingang

120 Ausgang

Al erster Abstand

A2 zweiter Abstand