DE19935819A1

DE19935819A1 - Relais und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE19935819A1
Application number: DE19935819A
Authority: DE
Original assignee: Tyco Electronics Logistics AG
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2019-07-30
Also published as: WO2001009911A1; CN1212637C; CN1365504A; US6639325B1; EP1203391A1; CA2387251A1; DE19935819B4; JP2003506822A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Relais, insbesondere ein miniaturisiertes elektrostatisches Relais, mit einem Brückenschließerkontakt. Die Kontaktfeder ist als Torsionsfeder gestaltet, die über mehrmals gekrümmte Federteile (7) mit einer Schaltfeder (3) verbunden ist. Damit können insbesondere unterschiedlich hohe feste Kontakte (2) ausgeglichen werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Relais als mikromechanisches elektrostatisches Relais.

Description

Die Erfindung betrifft ein Relais, insbesondere ein Mikrore lais, mit Brückenschließerkontakt. Zudem betrifft die Erfin dung ein Verfahren zur Herstellung des Relais.

Aus DE 44 37 261 C1 ist ein mikromechanisch herstellbares Mi krorelais bekannt, das aus einer freigeätzten Siliziumfeder zunge, die vorgekrümmt ist, und einer flachen Gegenelektrode besteht. Die Federzunge bildet mit der Gegenelektrode einen keilförmigen Kondensator. Durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen der Federzunge der ebenen Gegenelektrode wird die Federzunge gestreckt bis das freie Federende den Arbeitskon takt auf der Gegenelektrode berührt. Während des Schaltvor gangs rollt die gekrümmte Federzunge auf der Gegenelektrode ab und bildet somit einen Wanderkeil.

Neben Relais mit einer einfachen Schließerfunktion, bei denen der zu schaltende Laststrom in einer Leiterbahn auf der be weglichen Feder geführt wird, sind Relais wünschenswert, bei denen ein Schließer einen Brückenkontakt über zwei feste Kon takte herstellt. Der Brückenschließerkontakt bietet eine hö here Spannungsfestigkeit und im Fall von hochfrequenten Last stromsignalen eine geringere Übersprechkapazität und damit einen höheren Frequenzgang. Bei Brückenschließerkontakten tritt jedoch das Problem auf, daß die festen Kontakte unter schiedlich stark verschleißen können, und somit die Schalthü be der einzelnen festen Kontakte unterschiedlich groß werden. Dies hat zur Folge, daß an den beiden festen Kontakten unter schiedliche Kontaktkräfte auftreten. Bei starken einseitigen Verschleiß würde ein Kontakt schließlich gar nicht mehr schließen.

Zur Realisierung eines Brückenschließerkontakts mit Hilfe des bekannten Mikrorelais würde auf der beweglichen Federzunge ein rechteckiger Kontakt angeordnet, der zwei feste Gegenkon takte überdeckt. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, daß bei unterschiedlicher Abnutzung der beiden nebeneinanderlie genden festen Kontakte unterschiedliche Kontaktkräfte auftre ten. Aufgrund der hohen Torsionssteifigkeit der Federzunge kann sich der Brückenkontakt nicht auf unterschiedlich hohe Gegenkontakte einstellen. Bei weiter fortschreitender Kon takthöhendifferenz würde schließlich ein Kontakt gar nicht mehr geschlossen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Relais be reitzustellen, das miniaturisierbar ist und das auch bei un terschiedlicher Höhe der festen Kontakte einen sicheren Brüc kenkontakt herstellt. Die Erfindung betrifft ferner ein Ver fahren zur Herstellung des Mikrorelais.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Relais nach An spruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und ein Verfahren zur Herstellung der Erfindung sind den wei teren Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung gibt ein Relais an, das ein Basiselement mit zwei festen Kontakten und eine Schaltfeder umfaßt. Die Schaltfeder ist mit einem Randabschnitt entlang einer Befe stigungslinie befestigt und zwischen zwei Stellungen, einer geöffneten und einer geschlossenen, beweglich. Ferner weist die Schaltfeder eine Kontaktfeder auf. Auf der Kontaktfeder ist ein beweglicher Kontakt angeordnet, der bei geschlossener Schaltfeder die festen Kontakte überbrückt. Ferner umfaßt das Relais ein Antriebselement, das die Schaltfeder und die Kon taktfeder zwischen der geöffneten und der geschlossenen Stel lung bewegt. Die Kontaktfeder ist als Torsionsfeder gestal tet, die um eine Drehachse drehbar ist. Die Drehachse liegt in der Ebene der Kontaktfeder in der Mitte zwischen den zwei festen Kontakten. Die Projektion der Drehachse auf das Basi selement schneidet die Verbindungslinie der festen Kontakte im wesentlichen senkrecht.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Relaisfeder in eine Kontakt- und eine Schaltfeder, wobei die Kontaktfeder als Torsionsfeder ausgebildet ist, kann erreicht werden, daß ein sicherer Kontakt auch bei unterschiedlicher Höhe der festen Kontakte gewährleistet ist. Durch die Drehbarkeit der Tor sionsfeder um eine Drehachse zwischen den festen Kontakten kann sich der bewegliche Kontakt auf verschiedene Höhen der festen Kontakte einstellen. Dies geht, ohne das Schaltverhal ten der Schaltfeder zu beeinträchtigen.

Eine besonders leichte Miniaturisierbarkeit erreicht man bei einem erfindungsgemäßen Relais, bei dem die Kontaktfeder ein Teil der Schaltfeder ist.

Die Kontaktfeder ist in besonders vorteilhafter Weise aus der Schaltfeder herzustellen, indem Bereiche der Schaltfeder weg geätzt werden. Eine solche Vorgehensweise bietet insbesondere die Möglichkeit, die aus der Siliziumtechnologie bekannten Strukturierungsverfahren, ggf. übertragen auf eine metalli sche Schaltfeder, zu verwenden.

Eine um eine Drehachse drehbare Kontaktfeder erreicht man in besonders einfacher und daher vorteilhafter Weise, indem man in der Kontaktfeder ein Kontaktteil und ein oder mehrere Fe derteile vorsieht. Das Kontaktteil ist dabei der Träger des beweglichen Kontakts und erstreckt sich quer zur Drehachse, um die festen Kontakte zu überdecken. Dieses Kontaktteil wird durch ein oder mehrere Federteile mit der Schaltfeder verbun den, wobei die Federteile im Bereich der Drehachse der Tor sionsfeder mit dem Kontaktteil verbunden sind. Dadurch wird erreicht, daß die Kontaktfeder eine Torsionsfeder ist und gleichzeitig federnd an die Schaltfeder gekoppelt ist.

Weiterhin ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Relais besonders vorteilhaft, bei der die Form der Federteile mehr fach gekrümmten Bahnen folgt. Durch diesen verlängerten Fe derweg läßt sich besonders einfach eine beliebig geringe Steifigkeit der Torsionsfeder erreichen, was die Verkippung des beweglichen Kontakts zur Auflage auf zwei unterschiedlich hohen festen Kontakten erleichtert.

Ferner ist es besonders vorteilhaft, die Federteile an zwei gegenüberliegenden Seiten des Schaltteils anzuordnen, wodurch gewährleistet ist, daß die Drehachse nicht aufgrund einseiti ger Befestigung des Kontaktteils verkippt.

Es ist besonders vorteilhaft, das Relais in einer Form auszu führen, bei der die Schaltfeder am Basiselement befestigt und von diesem weggekrümmt ist. Dies ermöglicht die Realisierung eines Relais mit Brückenkontakt mit dem eingangs genannten Wanderkeil.

Bei dieser Anordnung (mit gekrümmter Schaltfeder) ist es be sonders vorteilhaft, wenn die Verbindungslinie der festen Kontakte parallel zur Befestigungslinie steht. Da die Schalt feder bei einem Relais nach dem Wanderkeilprinzip ausgehend von der Befestigungslinie auf ein Gegenstück gedrückt wird, wird durch gleiche Abstände der festen Kontakte von der Befe stigungslinie erreicht, daß der bewegliche Kontakt die festen Kontakte nahezu gleichzeitig kontaktiert. Aus demselben Grund hat ein solches Relais bei dieser Anordnung der festen Kon takte zu allen Zeiten gleiche Kontaktabstände zwischen den festen und dem beweglichen Kontakt.

Es ist besonders vorteilhaft, als Antriebselement für das Re lais einen elektrostatischen Antrieb zu wählen. Dieser be steht darin, daß eine auf der dem Basiselement zugewandten Seite der Schaltfeder angeordnete erste Elektrode und eine gegenüber der ersten Elektrode auf dem Basiselement angeord nete zweite Elektrode an eine Gleichspannungsquelle ange schlossen sind. Ein solcher Antrieb benötigt nur zum Schalten kurzzeitig Energie, während die geschlossenen Stellung allein durch elektrostatische Wechselwirkung fixiert wird, ohne daß dazu weitere Energiezufuhr notwendig wäre.

Des weiteren ist ein Relais besonders vorteilhaft, bei dem die Schaltfeder aus Silizium und das Basiselement aus Silizi um oder Glas besteht. Ein solches Relais läßt sich mit dem aus der Siliziumtechnologie bekannten Strukturierungs- und Herstellungsmethoden leicht realisieren.

Die Erfindung gibt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Relais an, welches folgende Schritte umfaßt:

1. Die zweite Elektrode und die festen Kontakte werden auf dem das Basiselement bildende Basissubstrat abgeschieden und nachfolgend strukturiert.
2. Danach wird auf der zweiten Elektrode eine Isolierschicht abgeschieden.
3. Ein Silizium-Wafer mit einer dotierten Siliziumschicht auf der dem Basissubstrat zugewandten Seite des Wafers wird auf das Basissubstrat gebondet.
4. Beginnend von der der dotierten Siliziumschicht abgewand ten Seiten des Silizium-Wafers wird dieser, beispielsweise durch KOH-Ätzen, rückgeätzt, bis die dotierte Silizium schicht, die die Schaltfeder bilden soll, stehenbleibt.
5. Schließlich wird durch Strukturierung der dotierten Sili ziumschicht die Kontaktfeder aus der Schaltfeder bzw. die Schaltfeder selbst geformt.

Ein solches Verfahren hat den Vorteil, daß sehr leicht minia turisierte Relais hergestellt werden können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Schaltfeder eines erfindungsgemäßen Relais, bei dem die Verbindungslinie der festen Kontakte parallel zur Befestigungslinie verläuft, in schematischer Draufsicht.

Fig. 2 zeigt die Schaltfeder eines erfindungsgemäßen Relais, bei dem die Verbindungslinie der festen Kontakte senkrecht auf der Befestigungslinie steht, in schematischer Draufsicht.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Relais mit Wanderkeil im geöffneten Zustand im schematischen Längsschnitt.

Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Relais mit Wanderkeil im geschlossenen Zustand im schematischen Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt die Schaltfeder 3 eines erfindungsgemäßen Re lais, welche entlang der Befestigungslinie 11 befestigt ist. Die Schaltfeder 3 weist eine Kontaktfeder 4 auf, welche aus dem Kontaktteil 6 und den Federteilen 7 besteht. Die Feder teile 7 folgen in ihrer Form mehrmals gekrümmten Bahnen. Da durch kann die Torsionssteifigkeit auf einen gewünschten, be liebig niedrigen Wert eingestellt werden. Die Federteile ver binden, ausgehend von beiden Seiten des Kontaktteils 6, die ses mit der Schaltfeder 3, wodurch gewährleistet ist, daß die Drehachse 12 nicht aufgrund einseitiger Befestigung des Kon taktteils 6 verkippt. Auf der Unterseite des Kontaktteils 6 ist der bewegliche Kontakt 5 (Fig. 3) angeordnet. Unterhalb des Kontaktteils 6 sind die festen Kontakte 2 des nicht dar gestellten Basiselementes angeordnet. Das Kontaktteil 6 ist um die Drehachse 12 drehbar. Die Drehachse 12 steht senkrecht auf der Befestigungslinie 11. Die festen Kontakte 2 sind zu beiden Seiten der Drehachse 12 unter dem Kontaktteil 6 ange ordnet.

Fig. 2 zeigt die Schaltfeder 3 eines erfindungsgemäßen Re lais, welche entlang der Befestigungslinie 11 befestigt ist. Die Schaltfeder 3 weist eine Kontaktfeder 4 auf, welche aus dem Kontaktteil 6 und den Federteilen 7 besteht. Die Feder teile 7 folgen in ihrer Form mehrmals gekrümmten Bahnen. Da durch kann die Torsionssteifigkeit auf den gewünschten nied rigen Wert eingestellt werden. Die Federteile verbinden, aus gehend von gegenüberliegenden Seiten des Kontaktteils 6, die ses mit der Schaltfeder 3, wodurch gewährleistet ist, daß die Drehachse 12 nicht aufgrund einseitiger Befestigung des Kon taktteils 6 verkippt. Auf der Unterseite des Kontaktteils 6 ist der bewegliche Kontakt 5 (Fig. 3) angeordnet. Unterhalb des Kontaktteils 6 sind die festen Kontakte 2 angeordnet. Das Kontaktteil 6 ist um die Drehachse 12 drehbar. Die Drehachse 12 liegt parallel zur Befestigungslinie 11. Die festen Kon takte sind zu beiden Seiten der Drehachse 12 unter dem Kon taktteil angeordnet.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Relais mit Wanderkeil im geöffneten Zustand. Der Wanderkeil ist gebildet aus dem Basi selement 1 und der davon weggekrümmten Schaltfeder 3, die an sonsten gemäß Fig. 2 ausgebildet ist. Auf dem Basiselement 1 sind die festen Kontakte 2, sowie die zweite Elektrode 9 mit einer Isolierschicht 10 angeordnet. Die Schaltfeder 3 ist am linken Rand mit dem Basiselement 1 fest verbunden. Die Schaltfeder 3 weist eine erste Elektrode 8 sowie das Feder teil 7 und das Kontaktteil 6 der Kontaktfeder auf. Das Kon taktteil 6 ist um die Drehachse 12 drehbar. Das Kontaktteil 6 weist ferner auf seiner Unterseite einen beweglichen Kontakt 5 auf. Das drehbare Kontaktteil 6 kann sich an unterschied lich hohe feste Kontakte 2 leicht anpassen und somit eine si chere Kontaktgabe vermitteln. Die festen Kontakte 2 sind in diesem Beispiel so angeordnet, daß ihre Verbindungslinie senkrecht steht auf der Befestigungslinie 11. Dies bewirkt, daß beim Schließen des Relais zuerst der linke und danach der recht der festen Kontakte 2 kontaktiert wird. Zudem ist auch der Kontaktabstand des linken festen Kontakts 2 stets klei ner, als der Kontaktabstand des rechten festen Kontakts 2 (außer im geschlossenen Zustand).

Fig. 4 zeigt das Relais aus Fig. 3 im geschlossenen Zu stand. Die Schaltfeder 3 liegt auf dem Basiselement 1 auf. Über die Schaltfeder 3 erhöht liegt das Kontaktteil 6 auf den festen Kontakten 2 auf. Die Federteile 7 verbinden die Schaltfeder mit der Kontaktfeder und stellen die Kontaktkraft zwischen dem beweglichen Kontakt 5 und den festen Kontakten 2 her.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beispielhaft ge zeigten Ausführungsformen, sondern wird in ihrer allgemein sten Form durch Anspruch 1 definiert.

Claims

1. Relais, umfassend

- ein Basiselement (1) mit zwei festen Kontakten (2),
- eine mit einem Randabschnitt entlang einer Befesti gungslinie (11) befestigte Schaltfeder (3), die zwi schen einer geöffneten und einer geschlossenen Stel lung beweglich ist und die eine Kontaktfeder (4) aufweist,
- einen auf der Kontaktfeder (4) angeordneten bewegli chen Kontakt (5), der in der geschlossenen Stellung der Schaltfeder (3) die festen Kontakte (2) über brückt,
- ein Antriebselement, das die Schaltfeder (3) und die Kontaktfeder (4) zwischen der geöffneten und der ge schlossenen Stellung bewegt,

bei dem die Kontaktfeder (4) als Torsionsfeder gestaltet ist, die um eine mittig senkrecht auf der Verbindungslinie der festen Kontakte (2) stehende, in der Kontaktfederebene liegende Drehachse (12) drehbar ist.

2. Relais nach Anspruch 1, bei dem die Kontaktfeder (4) ein Teil der Schaltfeder (3) ist.

3. Relais nach Anspruch 2, bei dem die Kontaktfeder (4) durch Wegätzen von Bereichen der Schaltfeder (3) hergestellt ist.

4. Relais nach Anspruch 2 bis 3, bei dem die Kontaktfeder (4) aus einem Kontaktteil (6), das sich quer zur Drehachse (12) erstreckt, und einem oder mehreren Federteilen (7) besteht, die im Bereich der Drehachse (12) mit dem Kontaktteil (6) sowie mit der Schaltfeder (3) verbunden sind.

5. Relais nach Anspruch 4, bei dem die die Form der Federteile (7) mehrmals gekrümm ten Bahnen folgt.

6. Relais nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Federteile von gegenüberliegenden Seiten des Kontaktteils ausgehen.

7. Relais nach Anspruch 1 bis 6, bei dem die Schaltfeder (3) am Basiselement (1) befestigt und von diesem weggekrümmt ist.

8. Relais nach Anspruch 1 bis 7, bei dem die festen Kontakte (2) so angeordnet sind, daß ihre Verbindungslinie senkrecht zur Befestigungslinie (11) steht.

9. Relais nach Anspruch 1 bis 7, bei dem die festen Kontakte (2) so angeordnet sind, daß ihre Verbindungslinie parallel zur Befestigungslinie (11) steht.

10. Relais nach Anspruch 7 bis 9, bei dem das Antriebselement eine auf der dem Basiselement (1) zugewandten Seite der Schaltfeder (3) angeordnete er ste Elektrode (8), eine gegenüber der ersten Elektrode (8) auf dem Basiselement (1) angeordnete zweite Elektrode (9) und eine an die Elektroden (8, 9) angeschlossene Gleichspannungsquelle umfaßt.

11. Relais nach Anspruch 1 bis 10, bei dem die Schaltfeder (3) aus Silizium und das Basi selement (1) aus Silizium oder Glas besteht.

12. Verfahren zur Herstellung eines Relais nach Anspruch 11, mit den Schritten:

a) Abscheiden der zweiten Elektrode (9), einer dar überliegenden Isolierschicht (10) und der festen Kon takte (2) auf einem das Basiselement (1) bildende Ba sissubstrat
b) Bonden eines Silizium-Wafers mit einer dotierten Siliziumschicht auf der dem Basissubstrat zugewandten Seite des Wafers auf das Basissubstrat
c) Rückätzen des Silizium-Wafers, bis die dotierte Siliziumschicht stehenbleibt
d) Strukturierung der dotierten Siliziumschicht zur Formung der Schaltfeder (3) und der Kontaktfeder (4).