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Technischer Bereich der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen mikromechanischen Schalter mit einer verformbaren
Hängebrücke, die
mittels Stützmitteln
mit einem Substrat verbunden ist, und Betätigungsmitteln, die aus einer
ersten stabilen Position des Schalters heraus die verformbare Hängebrücke verformen
sollen, um einen elektrischen Kontakt zwischen mindestens einem
ersten leitenden, auf dem Substrat zwischen der Brücke und dem
Substrat gebildeten Element und einem zweiten leitenden Element
herzustellen, das fest mit einer Unterseite der Brücke verbunden
ist.
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Stand der Technik
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Wie
in 1 dargestellt, umfasst ein mikromechanischer Schalter üblicherweise
eine verformbare Hängebrücke 1,
die über
Stützmittel 2 mit
einem Substrat 3 verbunden ist. Betätigungsmittel ermöglichen
eine Verformung der Hängebrücke, um
einen elektrischen Kontakt zwischen ersten auf dem Substrat 3 gebildeten
leitenden Elementen 5 und einem zweiten leitenden Element 6,
das fest mit einer Unterseite der Brücke 1 verbunden ist,
herzustellen. Die Betätigungsmittel
werden beispielsweise von Elektroden 4a und 4b jeweils
auf der Brücke 1 bzw.
dem Substrat 3 gebildet, zwischen denen eine elektrische Steuerspannung
angelegt wird. Die ersten leitenden Elemente 5 werden beispielsweise
von zwei Abschnitten einer Hochfrequenzleitung gebildet, die von dem
zweiten leitenden Element 6 miteinander verbunden werden.
Wenn die Betätigungsmittel 4 ausgeschaltet
sind (Aufhebung der Steuerspannung), kehrt die Brücke 1 in
ihren nicht verformten, d. h. stabilen Zustand zurück, und
der elektrische Kontakt ist unterbrochen. Um einen elektrischen
Kontakt aufrechtzuerhalten, muss dann die Betätigung fortge setzt werden,
was den Energieverbrauch des Schalters erhöhen kann. Wenn es darüber hinaus
Probleme mit der Steuerung (oder Spannung) gibt, ist der elektrische
Kontakt nicht mehr gewährleistet.
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Im
Gegenteil hat ein klassischer Haushaltsschalter zwei stabile Positionen
und der elektrische Kontakt bleibt ohne ständige Energieversorgung jeweils
bestehen oder unterbrochen. Die Herstellung eines analogen, bistabilen,
mikroskopisch kleinen Schalters ist jedoch kompliziert.
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Bei
einem bekannten bistabilen Mikroschalter besteht ein erstes leitendes
Element aus einem Tropfen Quecksilber, der mittels elektrostatischer Kräfte bewegt
wird, um zwischen zwei festen leitenden Elementen einen elektrischen
Kontakt herzustellen oder zu unterbrechen. Zum einen ist Quecksilber jedoch
hochgiftig und zum anderen bewegt sich der Tropfen bei der geringsten
Bewegung des Schalters, was unbeabsichtigte Schaltungen auslösen kann.
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Das
Dokument
US2002/191897 beschreibt einen
Schalter mit einem Schaltträger,
der an seinen beiden Enden mittels auf einem Substrat befestigten Stützen verbunden
ist. Der Schalter weist eine erste stabile Position auf, die einer
offenen Position des Schalters entspricht. Die Schaltträger werden
mittels Schaltelektroden betätigt,
um die Schaltbrücke
zu verformen und den Schalter in eine zweite Position zu schalten,
die der geschlossenen Position des Schalters entspricht. Um den
Kontakt in dieser zweiten Position aufrechtzuerhalten, müssen die
Schaltelektroden unter Spannung gehalten werden. Der Schalter umfasst
ferner Wiederaufbauträger,
die am Rand des Schaltträgers
auf nur einer Seite oder auf beiden Seiten desselben angeordnet
sind. Die Wiederaufbauträger
sind am Substrat mittels starrer Stützen befestigt. Der Schalter
umfasst ferner Betätigungsmittel,
die mit den Wiederaufbauträgern
zusammenwirken und diese unabhängig
von dem Schaltträger
verformen sollen. In einem ersten Fall, wenn sich der Schalter in
seiner ersten stabilen Position befindet, bewirkt die Verformung
des Wiederaufbauträgers
eine Vergrößerung des
Abstands zwischen dem Schaltträger
und der Elektrode. In einem zweiten Fall bewirkt die Verformung
der Wiederaufbauträger
das Auftreten von Rückholkräften innerhalb
des Schaltträgers,
die repräsentativ
für die
Federkonstanten des Schalters sind. Diese Wiederaufbaumittel (Wiederaufbauträger und
zugehörige
Betätigungsmittel)
ermöglichen – nur in
der ersten stabilen Position des Schalters – den Aufbau und die Regelung
der Spannung, die für
die Schaltung des Schalters erforderlich sein wird. Die Schaltspannung
hängt nämlich entweder
von dem Abstand zwischen dem Träger
und der Elektrode oder vom Wert der Rückholkräfte ab, die durch die Verformung
der Wiederaufbauträger
erzeugt werden.
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Gegenstand der Erfindung
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Die
Erfindung will diesen Nachteilen abhelfen und insbesondere einen
mikroskopischen Schalter herstellen, der zwei mechanisch stabile
Positionen aufweist.
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Nach
der Erfindung wird dieses Ziel durch die anhängenden Ansprüche und
insbesondere dadurch erreicht, dass die Stützmittel aus zwei Stützen bestehen,
die zwischen der Brücke
und dem Substrat angeordnet sind und die Brücke auf diese Weise in Querrichtung
in ein Mittelsegment, das zwischen den Stützen angeordnet ist, und zwei
Randsegmente unterteilen, die nach außen hervorstehen und freie
Enden umfassen, wobei die Betätigungsmittel
periphere Betätigungsmittel
und mittlere Betätigungsmittel
umfassen, die unabhängig
voneinander eine Verformung jeweils der Randsegmente und des Mittelsegments
lotrecht zum Substrat erlauben.
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Nach
einem Verfahren zur Betätigung
eines elektrischen Kontakts eines mikromechanischen Schalters nach
der Erfindung werden das Mittelsegment und die Randsegmente, wenn
sich der Schalter in der ersten stabilen Position befindet, in einer
ersten Phase mittels ihrer jeweiligen Betätigungsmittel gleichzeitig
zum Substrat hin durchgebogen, um den elektrischen Kontakt herzustellen,
anschließend
werden in einer zweiten Phase die peripheren Betätigungsmittel ausge schaltet,
um automatisch das Abspreizen der Randsegmente vom Substrat zu bewirken,
wobei in einer dritten Phase die mittleren Betätigungsmittel ausgeschaltet
werden und das Mittelsegment so automatisch in durchgebogener Position
gehalten wird, um eine zweite stabile Position des Schalters zu
bilden, in der der elektrische Kontakt bestehen bleibt.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen
Schalters nach der Erfindung, der dadurch gekennzeichnet ist, dass
die Herstellung der verformbaren Hängebrücke auf dem Substrat folgende
Schritte umfasst:
- – das Aufbringen einer peripheren
Opferschicht auf das Substrat, und zwar auf jeder Seite des ersten
leitenden Elements,
- – das
Aufbringen mindestens einer peripheren Isolierschicht auf jede periphere
Opferschicht, sodass die Vorderseite und die Seitenflächen der beiden
peripheren Opferschichten bedeckt sind, um die Randsegmente und
Stützen
zu bilden,
- – das
Aufbringen einer mittleren Opferschicht zwischen den peripheren
Isolierschichten, die in Kontakt mit den an die beiden peripheren
Isolierschichten angrenzenden Seitenflächen kommt und das erste leitende
Element bedeckt,
- – das
Aufbringen einer mittleren Isolierschicht auf die mittlere Opferschicht,
welche Isolierschicht in Kontakt mit jeder der Vorderseiten der
beiden peripheren Isolierschichten kommt, um das Mittelsegment zu
bilden,
- – das
Zurückätzen der
Seitenflächen
der beiden peripheren Isolierschichten zur Begrenzung der Randsegmente,
- – das
Entfernen der Opferschichten.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile und Merkmale gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung
besonderer Ausführungsformen
der Erfindung hervor, die beispielhaft und nicht erschöpfend gegeben
und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
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1 einen
mikromechanischen Schalter nach dem Stand der Technik zeigt;
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2 und 3 zwei
besondere Ausführungsformen
eines mikromechanischen Schalters nach der Erfindung darstellen;
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die 4 bis 7 einerseits
und 8 und 9 andererseits schematisch jeweils
die einzelnen Phasen der Herstellung und Unterbrechung eines elektrischen
Kontakts eines mikromechanischen Schalters der Erfindung darstellen;
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die 10 bis 15 ein
Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schalters nach der
Erfindung darstellen;
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16 eine
Variante eines mikromechanischen Schalters zeigt, der nach dem in
den 10 bis 15 gezeigten
Herstellungsverfahren hergestellt wurde.
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Beschreibung besonderer Ausführungsformen
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Der
in 2 dargestellte mikromechanische Schalter umfasst
eine verformbare Hängebrücke 1, die
mittels zweier Stützen 7 mit
einem Substrat 3 verbunden ist, die zwischen der Brücke 1 und
dem Substrat 3 so angeordnet sind, dass sie die Brücke 1 transversal
in ein zwischen den beiden Stützen 7 angeordnetes
Mittelsegment 8 und zwei Randsegmente 9 unterteilen,
die nach außen
vorstehen. Zwei mittlere elektrostatische Betätigungsmittel 10 und
zwei periphere elektrostatische Betätigungsmittel 11 ermöglichen
die voneinander unabhängige
Verformung jeweils des Mittelsegments 8 und der Randsegmente 9 im
Wesentlichen lotrecht zum Substrat. Die Betätigungsmittel 10 und 11 werden
von Elektroden gebildet, die jeweils auf dem Substrat 3 und
auf dem Mittelsegment 8 oder den Randsegmenten 9 gebildet sind.
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Aus
der in 2 dargestellten ersten stabilen Position heraus
ermöglichen
die Betätigungsmittel 10 und 11 eine
Verformung der Brücke 1 in
der Weise, dass ein elektrischer Kontakt zwischen einem ersten leitenden,
auf dem Substrat 3 zwischen der Brücke 1 und dem Substrat 3 gebildeten
Element 5 und einem zweiten leitenden Element 6 hergestellt wird,
das fest mit der Unterseite der Brücke 1 verbunden ist.
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In 3 befinden
sich die peripheren Betätigungsmittel 10 ebenfalls
in Ruheposition und ist der Schalter in einer ersten stabilen Position.
Während
in 2 das Mittelsegment 8 und die Randsegmente 9 von
einer einzigen Schicht gebildet werden, bildet in 3 eine
erste gekrümmte
Schicht 13 jeweils eine Stütze 7 und das zugehörige Randsegment 9,
damit die Stützen 7 bezüglich dem
Substrat 3 gebogen werden und die Randsegmente 9 freie
Enden 15 aufweisen, die vom Substrat 3 weggebogen
sind. In 3 wird das Mittelsegment 8 von
einer zweiten gekrümmten
Schicht 14 gebildet und umfasst so einen leicht erhöhten Mittelteil 12.
Die Betätigungsmittel 10 und 11 sind
jeweils in das Mittelsegment bzw. die Randsegmente integriert.
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Der
Schalter kann aus seiner ersten stabilen Position, die der Unterbrechung
des elektrischen Kontakts entspricht (2 und 3)
in eine zweite stabile Position kippen, die einem hergestellten
elektrischen Kontakt entspricht. Die 4 bis 7 zeigen
schematisch den Übergang
aus der ersten stabilen Position in die zweite stabile Position.
In 4 ist der Schalter in der ersten stabilen Position
dargestellt, in der die Betätigungsmittel
in Ruheposition sind, der Mittelteil 12 des Mittelelements 8 in
erhöhter Position
ist und die Randsegmente 9 vom Substrat 3 weggebogen
sind. Im Bereich der Randsegmente lokal auftretende und in den Figuren
durch horizontale Pfeile dargestellte Spannungen σ üben eine
Druckkraft auf das Mittelsegment 8 in dessen Längsrichtung
aus und hindern so das Mittelsegment daran, seine erhöhte Position
zu verlassen. In einer ersten, in 5 dargestellten
Phase werden das Mittelsegment 8 und die Randsegmente 9 gleichzeitig
zum Substrat 3 hin gebogen, und zwar jeweils mittels mittlerer 10 und
peripherer Betätigungsmittel 11.
Dadurch wird der elektrische Kontakt zwischen dem ersten leitenden
Element 5 und dem zweiten leitenden Element 6 hergestellt.
Während
der ersten Phase erzeugt die Betätigung
der peripheren Betätigungsmittel 11 Spannungen σ, die eine
Spannungskraft auf das Mittelsegment 8 in dessen Längsrichtung
(5) ausüben.
Dann werden die peripheren Betätigungsmittel 11 in
einer zweiten, in 6 dargestellten Phase ausgeschaltet.
Dies bewirkt au tomatisch ein Abspreizen der Randsegmente 9 vom
Substrat 3, und in dieser Schlussposition der zweiten Phase
Kompressionsspannungen σ auf
das Mittelsegment 8 in dessen Längsrichtung (6).
Anschließend
werden die mittleren Betätigungsmittel 10 in
einer dritten Phase ausgeschaltet. Das Mittelsegment 8 wird
dann automatisch durch von den Randsegmenten 9 ausgeübte Kompressionsspannungen σ in durchgebogener
Position gehalten und definiert so eine zweite stabile Position
des Schalters, die in 7 dargestellt ist, in der der
elektrische Kontakt bestehen bleibt. So ermöglichen die drei aufeinander
folgenden Betätigungsphasen
den Übergang
des Schalters aus seiner ersten stabilen Position (4)
in seine zweite stabile Position (7).
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Die 8 und 9 zeigen
die Rückkehr aus
der zweiten stabilen Position in die erste stabile Position des
Schalters. In einer vierten, in 8 dargestellten
Phase werden nämlich
die Randsegmente 9 mit Hilfe der peripheren Betätigungsmittel 11 erneut zum
Substrat 3 hin durchgebogen. Auf das Mittelsegment 8 wird
in dessen Längsrichtung
ein mechanischer Spannungsdruck σ ausgeübt, wodurch
dessen Mittelteil 12 vom Substrat 3 abgespreizt
wird. Anschließend
werden die peripheren Betätigungsmittel 11 in
einer fünften,
in 9 dargestellten Phase ausgeschaltet, um den Schalter
in seine erste stabile Position zurückzubringen, in der die Randsegmente 9 vom
Substrat 3 weggebogen sind.
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Die
Randsegmente 9 sind in den beiden stabilen Positionen des
Schalters (4, 7 und 9)
im Wesentlichen in der gleichen Position (entfernt vom Substrat)
und verändern
ihre Position nur vorübergehend
(5 und 8) während der Betätigung des
Schalters.
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Nachdem
der Schalter zwei stabile Position aufweist, nämlich die erste Position, in
der der elektrische Kontakt unterbrochen ist, und die zweite Position,
in der der elektrische Kontakt hergestellt ist, wird nur beim Übergang
von einer Position in die andere Energie verbraucht und kann der
Schalter nach der Betätigung
ohne zusätzliche
Energiezufuhr in jeder dieser Positionen bleiben.
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Die 10 bis 15 stellen
ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schalters nach
der Erfindung dar. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind die Schritte der Herstellung der Elektroden, welche die Betätigungsmittel 10 und 11 bilden, nicht
dargestellt. Die Herstellung der verformbaren Hängebrücke 1 auf dem Substrat 3 umfasst
dann mindestens folgende Schritte: In einem ersten, in 10 dargestellten
Schritt wird eine periphere Opferschicht 16 auf beide Seiten
des ersten leitenden Elements 5 aufgebracht, das auf dem
Substrat 3 angeordnet ist. In einem zweiten, in 11 dargestellten
Schritt wird mindestens eine periphere Isolierschicht 17,
beispielsweise aus Siliziumnitrid, auf jede periphere Opferschicht 16 aufgebracht.
Die peripheren Isolierschichten 17 bedecken die Vorderseiten und
die Seitenflächen
der beiden peripheren Opferschichten 16. Die Seitenflächen der
peripheren Isolierschichten 17, die gegenüber dem
ersten leitenden Element 5 angeordnet sind, sind vorgesehen,
die Stützen 7 zu
bilden und die Vorderseiten der peripheren Isolierschichten 17 sind
vorgesehen, die Randsegmente 9 zu bilden. Dann wird in
einem dritten, in 12 dargestellten Schritt eine
mittlere Opferschicht 18 zwischen den peripheren Isolierschichten 17 aufgebracht.
Diese kommt in Kontakt mit den angrenzenden Seitenflächen der
beiden peripheren Isolierschichten 17 und bedeckt das erste
leitende Element 5. Der vierte Schritt besteht im Aufbringen einer
mittleren Isolierschicht 19 auf die mittlere Opferschicht 18.
Diese kommt in Kontakt mit jeder der Vorderseiten der beiden peripheren
Isolierschichten 17, die sie teilweise bedecken kann, um
das Mittelsegment 8 zu bilden (13). In
einem fünften
Schritt (14) ermöglicht ein Zurückätzen der
peripheren Seitenflächen
der beiden peripheren Isolierschichten 17 dann die Begrenzung
der Randsegmente, sodass nur die Randsegmente 9 und die
Stützen 7 erhalten bleiben.
In einem sechsten Schritt werden die Opferschichten 16 und 18 entfernt
(15).
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Die
periphere Isolierschicht 17 kann eine Schicht sein, die
geeignet ist, eine Kompressionsspannung auf das Mittelsegment 8 in
Längsrichtung des
Mittelsegments 8 auszuüben,
und zwar durch Wirkung eines mechanischen Moments im Bereich der
Randsegmente 9. Zum Erhalt einer Momentwirkung kann die
periphere Isolierschicht 17 unter Verwendung eines Verfahrens
aufgebracht werden, das einen Spannungszustand der peripheren Isolierschicht 17 festlegt.
Mittels eines Verfahrens wie beispielsweise des "Bifrequenz-Plasmaabscheideverfahrens" kann man eine einzige
Schicht erhalten, die einen Spannungsgradienten aufweist. Die gewünschte Spannungshöhe kann
durch Anpassen der Dicke der aufgebrachten Schicht erhalten werden. Ebenso
ist es möglich,
mehrere periphere Isolierschichten 17 auf jede periphere
Opferschicht 16 aufzubringen, um einen Spannungsgradienten
zu schaffen, der das Mittelsegment 8 in seiner Längsrichtung komprimiert.
Das Übereinanderschichten
zweier Schichten kann beispielsweise mittels einer nicht unter Spannung
stehenden Schicht auf eine unter Kompression stehende Schicht erfolgen,
mittels einer unter Spannung stehenden Schicht, die auf eine nicht unter
Spannung stehende Schicht aufgebracht wird, oder durch Aufbringen
einer unter Spannung stehenden Schicht auf eine unter Kompression
stehende Schicht. Das Übereinanderschichten
dreier Schichten kann beispielsweise aus zwei unter Spannung stehenden
Schichten bestehen, die auf eine unter Kompression stehende Schicht
aufgebracht werden, oder aus einer unter Spannung stehenden Schicht, die
auf eine nicht unter Spannung stehende Schicht aufgebracht wird,
die selbst wiederum auf eine unter Kompression stehende Schicht
aufgebracht ist. Auf diese Weise erhält man eine Wirkung nach Art
einer Federwirkung.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform, dargestellt
in 16, bedeckt die Mittelschicht 19 die Vorderseiten
der peripheren Isolierschichten 17 auf ihrer ganzen Länge, was
die Spannungen zwischen den beiden Schichten 17 und 19 verstärkt. So
heben sich die freien Enden 15 der Randsegmente 9 und der
Mittelteil 12 des Mittelsegments 8 nach Entfernen der
Opferschichten automatisch vom Substrat ab. Bei einer nicht dargestellten
Ausführungsform
sind die Elektroden der peripheren elektrostatischen Betätigungsmittel 11 jeweils
zwischen jeder peripheren Isolierschicht 17 und der entsprechenden
mittleren Isolierschicht 19 angeordnet.
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In 16 bedecken
die peripheren Isolierschichten 17 jeweils einen Teil 20 der
Vorderseite des Substrats 3, der jeweils zwischen der Seitenfläche einer
peripheren Opferschicht 16 und dem ersten leitenden Element 5 angeordnet
ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten besonderen Ausführungsformen
beschränkt.
Insbesondere können
die Betätigungsmittel 10 und 11 von beliebigen
andersartigen Betätigungsmitteln
wie beispielsweise piezoelektrischen, thermischen, magnetischen
Betätigungsmitteln
gebildet werden. Im Falle elektrostatischer Betätigungsmittel sind die peripheren
Elektroden auf einer zum Substrat 3 parallelen Ebene vorzugsweise
breiter als die mittleren Elektroden, und zwar beispielsweise um
einen Faktor drei, wodurch die Steuerspannung der peripheren Betätigungsmittel
reduziert werden kann. Ein Schalter der Erfindung kann in einer
Schalteranordnung oder als einfacher Schalter vorgesehen sein. Ein
solcher Schalter kann üblicherweise
für Telekommunikationsanwendungen,
insbesondere für
terrestre und Satellitenhochfrequenzanlagen, biomedizinische Anwendungen,
Relais verwendet werden.