EP1312100B1 - Mikroschalter - Google Patents

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Publication number
EP1312100B1
EP1312100B1 EP01957680A EP01957680A EP1312100B1 EP 1312100 B1 EP1312100 B1 EP 1312100B1 EP 01957680 A EP01957680 A EP 01957680A EP 01957680 A EP01957680 A EP 01957680A EP 1312100 B1 EP1312100 B1 EP 1312100B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
mount
switched
substrate
contact piece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01957680A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1312100A1 (de
Inventor
Ralf Strümpler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP1312100A1 publication Critical patent/EP1312100A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1312100B1 publication Critical patent/EP1312100B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0042—Bistable switches, i.e. having two stable positions requiring only actuating energy for switching between them, e.g. with snap membrane or by permanent magnet

Definitions

  • Such a switch is mounted on a substrate and has an intended for switching on or off a current contact arrangement and an electrically actuated drive for a movable contact piece of the contact arrangement.
  • the drive which can operate, for example, electrostatically, electromagnetically, piezoelectrically or thermally, the movable contact piece is moved from an open position to a closed position or vice versa, wherein a resiliently deformable by bending contact carrier provides for a restoring force.
  • the microswitch can be manufactured by known methods of semiconductor technology or comparable methods of microtechnology and is therefore particularly suitable for integration with other semiconductor technology devices, in particular integrated circuits.
  • microswitch has extremely fast response times compared to conventional electromagnetic switches due to the small moving masses.
  • necessary switching capacities are very low, so that it is possible to achieve considerable power savings, especially when used repeatedly in a larger circuit.
  • microswitch includes a plate-shaped substrate, on the surface of the two electrically conductive end portions 96a, 96b of a U-shaped, flexible contact carrier are attached. On the contact carrier, a bridge contact piece 99 is electrically isolated. Two fixed contacts 94 and 94 'as well as two control electrodes 92a and 92b are furthermore arranged on the substrate surface.
  • this switch In operation of this switch, an electric field is applied to the control electrode 92a and the end portion 96a or to the control electrode 92b and the end portion 96b, bending the contact carrier toward the substrate surface.
  • the bridge contact 99 then closes the two contact pieces 94, 94 'short and current can now flow from the contact piece 94 via the bridge contact 99 to the contact piece 94'.
  • the electric field keeps the bridge contact against the spring force of the contact carrier in the closed position.
  • the electric field is reduced by changing the voltage of the control electrode 92a and 92b, respectively, and reversing the bending of the contact carrier while disconnecting the contacts.
  • the force applied by the drive is relatively low.
  • the switch opens in case of unintentional weakening or failure of the electric field in an undesirable manner.
  • the invention solves the problem of specifying a micro-switch of the type mentioned, which can be operated with little expenditure of energy and energy and which is also characterized by high reliability.
  • the fixed at both ends, flexible contact carrier is formed parallel to the plate-shaped substrate deformable and has two achievable by elastic deformation of the contact carrier stable positions, one of which is associated with the off and the other of the closed position.
  • a switch drive which effects the transition from the switch-off to the switch-on position and vice versa from the switch-on position to the switch-off position therefore only has to apply a comparatively low deformation energy during a switching operation. Since a secure contact or secure contact separation is ensured by the two stable layers, a high reliability of the switch is guaranteed even without additional securing means or without additional force, such as is caused by an electric field.
  • one of the two stable layers is already achieved during the manufacture of the switch, for example by deep, reactive ion etching (DRIE), due to the formation of a contact carrier designed as a symmetrical antinode.
  • DRIE deep, reactive ion etching
  • the other of the two stable layers can be achieved when the symmetrical antinode is converted by elastic deformation in an asymmetrically shaped antinode. Since the contact carrier executes a relatively large stroke during the transition from one to the other stable position, a separating distance formed between the open contacts of the switch and formed by the stroke is characterized by high dielectric strength.
  • An asymmetrically formed antinode can be achieved if the fixed contact piece at the location where it touches the movable contact piece, a smaller distance from one of the two ends of the contact carrier than from the other end.
  • the value of a position coordinate guided parallel to the connecting path between the two contact carrier ends at the location of the contact point should be between 0.08 and 0.48 times the length of the connecting path, since otherwise the positional stability is reduced too much.
  • In order to obtain a large separation distance and thus high withstand voltage, should be above the connecting line lying, symmetrically trained vibration belly the contact point to be arranged on or below the connecting path.
  • the contact carrier should be formed electrically conductive at least between one of its two ends and the movable contact piece. An additional power supply to the movable contact piece can then be saved. If, however, the movable contact piece is formed as a bridge contact and a further fixed contact piece is arranged on the substrate, which is contacted as the other fixed contact piece in the closed position with the bridge contact, the contact carrier with respect to the substrate or the bridge contact with respect to the contact carrier should be electrically isolated be.
  • the switch drive on two independently displaceable mechanical actuators, one of which acts on the contact carrier when switching with a force which is required to achieve by elastic deformation of the contact carrier the on state and the Others applied to the contact carrier when switching off with a force which is required to reach by elastic deformation of the contact carrier to the off state.
  • at least one of the two actuating elements should form an acute angle with the tangential plane in the contact point of this actuating element on the contact carrier. It can then be done with a comparatively small driving force, the deformation work when switching on or off.
  • a particularly suitable drive with a large stroke at comparatively low force is a drive with two electrostatically acting comb structures, one of which cooperates with one each of the two actuators.
  • Such a drive can be worked out together with the contact carrier in an economically advantageous manner, preferably by an ion etching, from the substrate.
  • FIGS. 1 to 3 designate like-acting parts.
  • the contact arrangements of microswitches shown in FIGS. 1 to 3 are respectively micromixed, ie worked out by application and etching processes, from a plate-shaped substrate extending in the plane of the paper.
  • the substrate is layered and has buried layers that could be removed at appropriate locations to make certain parts of the substrate movable.
  • silicon is particularly suitable as a structural material, since it can be embodied with suitable doping, depending on the requirements, both electrically insulating and also electrically conductive.
  • the buried layers are formed by SiO 2 . When using silicon on SiO 2 or another insulator can In this case, recourse is had to known SOI (silicon on insulator) structures, in particular if monocrystalline silicon is preferred as the building material, to SIMOX wafers.
  • a bendable contact carrier 1 designed as a rod or blade was etched in all contact arrangements, which is fastened with its two ends 2, 3 to two substrate stages 4, 5.
  • the contact carrier 1 acts like a spiral spring and has a stable position generated during the etching, in which it is shaped in the manner of a symmetrical (in the figures upwardly directed) antinode.
  • a movable contact piece 6 is mounted, which contacted in the closed position of the switch, a fixed contact piece 7 of the contact arrangement and electrically separated in the off position of the switch from the fixed contact piece 7.
  • the section of the contact carrier 1 located between the end 2 and the movable contact piece 6 is designed to be electrically conductive and a current connection 8, which is connected in an electrically conductive manner to the end 2, is embedded in the step 4.
  • the second power connection of the contact arrangement is connected directly to the stationary contact piece 7.
  • the movable contact piece 6 is formed as electrically isolated in the contact carrier 1 arranged bridge contact or the entire contact carrier 1 is electrically insulated from the substrate.
  • another fixed contact piece 9 is arranged on the substrate.
  • the two power connections of the contact arrangement are in each case electrically conductively connected to one of the two fixed contact pieces 7, 9.
  • the drive must not only apply the deformation work, but must then in the switched on in Fig.1 illustrated Einschaltwolf throughout the duty cycle resistant also caused by the flexurally elastic deformation of the contact carrier 1 bending force and additionally also the contact pieces apply compressive contact force.
  • the value x should parallel to the connecting section 11 of length L between the two contact carrier ends 2, 3 guided position coordinate at the location of the contact point 12 of the two contacts 6 and 7 are between 0.08 and 0.48 times the length L of the connection path.
  • the contact point 12 lies below the connection path 11 in the switch-on position. A dielectric strength of the contact separation distance present for open contacts is thus achieved for higher voltages.
  • the drive has two independently displaceable mechanical actuators 13, 14, of which the actuator 13, the contact carrier 1 when switched on with a force F applied, which is required by elastic deformation of the contact carrier 1 the on state to reach.
  • the second actuating element 14 acts on the contact carrier 1 when switched off with a counterforce, which is required to cancel by elastic deformation of the contact carrier 1, the contact force K and to reach the off state.
  • the displacement direction of the two actuating elements forms an acute angle ( ⁇ , ⁇ 'according to FIG. 4) with the tangential plane in the contact point of this actuating element on the contact carrier.
  • the actuator can then apply a large deformation force with relatively little force.
  • the drive has two electrostatically acting comb structures 15, 16, which can be acted upon by direct voltage U, U ', and two return springs 17, 18. Depending on one of the two comb structures and one of the two return springs cooperates with one of the two actuators.
  • the voltage U is applied.
  • a connected to the actuator 13 and movably mounted on the return spring 17 comb of the comb structure 15 is drawn into a fixed comb of the comb structure and in this case biases the return spring 17.
  • the actuator 13 thereby bends the contact carrier 1 and leads him to Umschnaptician, from where he the movable contact piece 7 springs to form the contact force K in the closed position.
  • the voltage U can now be removed.
  • the actuator 13 is returned by the return spring 17 back to its original position and is already for a new power-up.
  • the actuator 14 bends while the contact carrier 1 and leads him to Umschnaptician, from where he springs back into the original position.

Landscapes

  • Push-Button Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Laser Surgery Devices (AREA)
  • Saccharide Compounds (AREA)
  • Lubricants (AREA)

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Mikroschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein solcher Schalter ist auf einem Substrat angebracht und weist eine zum Ein- oder Ausschalten eines Stroms vorgesehene Kontaktanordnung und einen elektrisch betätigbaren Antrieb für ein bewegliches Kontaktstück der Kontaktanordnung auf. Mit dem Antrieb, der beispielsweise elektrostatisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch oder thermisch arbeiten kann, wird das bewegliche Kontaktstück von einer Ausschaltstellung in eine Einschaltstellung oder umgekehrt bewegt, wobei ein durch Biegen elastisch verformbarer Kontaktträger für eine Rückstellkraft sorgt.
  • Der Mikroschalter kann durch bekannten Verfahren der Halbleitertechnologie oder vergleichbare Verfahren der Mikrotechnik hergestellt werden und eignet sich daher besonders zur Integration mit anderen halbleitertechnologischen Einrichtungen, insbesondere integrierten Schaltungen.
  • Daneben hat der Mikroschalter im Vergleich zu konventionellen elektromagnetischen Schaltern aufgrund der kleinen bewegten Massen außerordentlich schnelle Ansprechzeiten. Gleichzeitig sind die notwendigen Schaltleistungen sehr gering, so daß sich insbesondere bei mehrfacher Verwendung in einer grösseren Schaltung erhebliche Leistungseinsparungen erzielen lassen.
    • STAND DER TECHNIK
  • Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Mikroschaltern bezug, wie er beispielsweise in US 5,638,946 A angegeben ist. Ein in Fig.4 dieses Dokuments beschriebener Mikroschalter enthält ein plattenförmig ausgebildetes Substrat, auf dessen Oberfläche die beiden elektrisch leitfähig ausgebildeten Endteile 96a, 96b eines U-förmig gebogenen, flexiblen Kontakträgers befestigt sind. Am Kontaktträger ist elektrisch isoliert ein Brückenkontaktstück 99 angebracht. Auf der Substratoberfläche sind femer zwei feststehende Kontaktstücke 94 und 94' sowie zwei Steuerelektroden 92a und 92b angeordnet. Beim Betrieb dieses Schalters wird an die Steuerelektrode 92a und das Endteil 96a oder an die Steuerelektrode 92b und das Endteil 96b ein elektrisches Feld angelegt, welches den Kontaktträger in Richtung auf die Substratoberfläche verbiegt. Der Brückenkontakt 99 schliesst dann die beiden Kontaktstücke 94, 94' kurz und Strom kann nun vom Kontaktstück 94 über den Brückenkontakt 99 zum Kontaktstück 94' fliessen. Das elektrische Feld hält den Brückenkontakt gegen die Federkraft des Kontaktträgers in der Einschaltstellung. Zum Öffnen des Schalters wird das elektrische Feld durch Änderung der Spannung der Steuerelektrode 92a bzw. 92b reduziert und die Verbiegung des Kontaktträgers unter Trennen der Kontakte wieder rückgängig gemacht. Die vom Antrieb aufgebrachte Kraft ist verhältnismässig gering. Zudem öffnet der Schalter bei einer unbeabsichtigten Schwächung oder bei Ausfall des elektrischen Feldes in unerwünschter Weise.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, löst die Aufgabe, einen Mikroschalter der eingangs genannten Art anzugeben, welcher mit geringem Kraft- und Energieaufwand betrieben werden kann und welcher sich zugleich durch grosse Betriebssicherheit auszeichnet.
  • Beim Mikroschalter nach der Erfindung ist der an beiden Enden festgesetzte, flexible Kontaktträger parallel zum plattenförmigen Substrat verformbar ausgebildet und weist zwei durch elastische Verformung des Kontaktträgers erreichbare stabile Lagen auf, von denen die eine der Ausschalt- und die andere der Einschaltstellung zugeordnet ist. Ein den Übergang von der Ausschalt- in die Einschaltstellung und umgekehrt von der Einschalt- in die Ausschaltstellung bewirkender Schalterantrieb muss bei einem Schaltvorgang daher lediglich eine vergleichsweise geringe Verformungsenergie aufbringen. Da durch die beiden stabilen Lagen eine sichere Kontaktgabe bzw. eine sichere Kontakttrennung gewährleistet ist, ist auch ohne zusätzliche Sicherungsmittel bzw. ohne zusätzliche Kraft, wie sie etwa durch ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, eine hohe Betriebssicherheit des Schalters gewährleistet. Hierbei wird in vorteilhafter Weise ausgenutzt, dass eine der beiden stabilen Lagen durch Einformung eines als symmetrischer Schwingungsbauch ausgebildeten Kontaktträgers bereits bei der Herstellung des Schalters, beispielsweise durch tiefes, reaktives lonenätzen (DRIE), erreicht wird. Zugleich wurde erkannt, dass die andere der beiden stabilen Lagen erreicht werden kann, wenn der symmetrische Schwingungsbauch durch elastische Verformung in einen asymmetrisch ausgebildeten Schwingungsbauch überführt wird. Da der Kontaktträger beim Übergang von der einen in die andere stabile Lage einen relativ grossen Hub ausführt, zeichnet sich eine beim Ausschalten gebildete und durch den Hub definierte Trennstrecke zwischen den geöffneten Kontakten des Schalters durch hohe dielektrische Festigkeit aus.
  • Ein asymmetrisch ausgebildeter Schwingungsbauch lässt sich erreichen, wenn das feststehende Kontaktstück an der Stelle, an der es das bewegliche Kontaktstück berührt, einen kleineren Abstand von einem der beiden Enden des Kontaktträgers aufweist als von dessen anderem Ende. Zweckmässigerweise sollte hierbei jedoch der Wert einer parallel zur Verbindungsstrecke zwischen den beiden Kontaktträgerenden geführten Lagekoordinate am Ort der Kontaktstelle zwischen dem 0,08- und dem 0,48-fachen der Länge der Verbindungsstrecke liegen, da sonst die Lagestabilität zu stark herabgesetzt wird. Um eine grosse Trennstrecke und damit hohe Spannungsfestigkeit zu erhalten, sollte bei oberhalb der Verbindungsstrecke liegendem, symmetrisch ausgebildetem Schwingungsbauch die Kontaktstelle auf oder unterhalb der Verbindungsstrecke angeordnet sein.
  • Wird die Trennstelle des Schalters lediglich vom feststehenden und dem beweglichen Kontaktstück begrenzt, so sollte der Kontaktträger zumindest zwischen einem seiner beiden Enden und dem beweglichen Kontaktstück elektrisch leitend ausgebildet sein. Eine zusätzliche Stromzuführung zum beweglichen Kontaktstück kann dann eingespart werden. Ist hingegen das bewegliche Kontaktstück als Brückenkontakt ausgebildet und ist auf dem Substrat ein weiteres feststehendes Kontaktstück angeordnet, welches wie das andere feststehende Kontaktstück in der Einschaltstellung mit dem Brückenkontakt kontaktiert ist, so sollte der Kontaktträger gegenüber dem Substrat bzw. der Brückenkontakt gegenüber dem Kontaktträger elektrisch isoliert sein.
  • Bei einem besonders betriebssicher ausgebildeten Ausführungsform des Mikroschalters nach der Erfindung weist der Schalterantrieb zwei unabhängig voneinander verschiebbare mechanische Betätigungselemente auf, von denen eines den Kontaktträger beim Einschalten mit einer Kraft beaufschlagt, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers den Einschaltzustand zu erreichen und das andere den Kontaktträger beim Ausschalten mit einer Kraft beaufschlagt, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers den Ausschaltzustand zu erreichen. In Verschieberichtung sollte mindestens eines der beiden Betätigungselemente einen spitzen Winkel mit der Tangentialebene im Auflagepunkt dieses Betätigungselements auf dem Kontaktträger bilden. Es kann dann nämlich mit vergleichsweise kleiner Antriebskraft die Verformungsarbeit beim Ein- oder Ausschalten geleistet werden. Ein hierzu besonders geeigneter Antrieb mit grossem Hub bei vergleichsweise geringer Kraft ist ein Antrieb mit zwei elektrostatisch wirkenden Kammstrukturen, von denen je eine mit je einem der beiden Betätigungselemente zusammenwirkt. Ein solcher Antrieb kann zusammen mit der Kontaktträger in wirtschaftlich vorteilhafter Weise, vorzugsweise durch ein lonenätzverfahren, aus dem Substrat herausgearbeitet werden.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    in stark vereinfachter Darstellung eine Kontaktanordnung eines Mikroschalters,
    Fig. 2
    in stark vereinfachter Darstellung eine Kontaktanordnung einer ersten Ausführungsform eines Mikroschalters nach der Erfindung,
    Fig. 3
    in stark vereinfachter Darstellung eine Kontaktanordnung einer zweiten Ausführungsform eines Mikroschalters nach der Erfindung, und
    Fig. 4
    die zweite Ausführungsform des Mikroschalters nach der Erfindung, in der neben der Kontaktanordnung gemäss Fig.3 nun auch ein Antrieb für die Kontaktanordnung stark vereinfacht dargestellt ist.
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile. Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Kontaktanordnungen von Mikroschaltern sind jeweils mikromaschnell, d.h. durch Auftrag- und Ätzverfahren, aus einem in der Papierebene erstreckten plattenförmigen Substrat herausgearbeitet. Das Substrat ist schichtförmig aufgebaut und weist vergrabene Schichten auf, welche an geeigneten Stellen entfernt werden konnten, um bestimmte Teile des Substrats bewegbar zu gestalten. Analog zu mikroelektronischen Verfahren ist als Strukturmaterial Silizium besonders geeignet, da es bei geeigneter Dotierung je nach Anforderung sowohl elektrisch isolierend als auch elektrisch leitfähig ausgeführt sein kann. Die vergrabenen Schichten werden von SiO2 gebildet. Bei Verwendung von Silizium auf SiO2 oder einem anderen Isolator kann dabei auf bekannte SOI (Silicon on Insulator)-Strukturen zurückgegriffen werden, insbesondere, wenn einkristallines Silizium als Baumaterial bevorzugt ist, auf SIMOX-Wafer.
  • In das Substrat wurde bei allen Kontaktanordnungen ein als Stab oder Blatt ausgebildeter, biegbaren Kontaktträger 1 eingeätzt, welcher mit seinen beiden Enden 2, 3 an zwei Substratstufen 4, 5 befestigt ist. Der Kontaktträger 1 wirkt wie eine Biegefeder und weist eine beim Ätzen erzeugte stabile Lage auf, bei der er nach Art eines symmetrischen (in den Figuren nach oben gerichteteten) Schwingungsbauchs geformt ist. Am Kontaktträger 1 ist ein bewegliches Kontaktstück 6 angebracht, welches in der Einschaltstellung des Schalters ein feststehendes Kontaktstück 7 der Kontaktanordnung elektrisch kontaktiert und in der Ausschaltstellung des Schalters vom feststehenden Kontaktstück 7 getrennt ist. Bei den Kontaktanordnungen nach den Figuren 1 und 2 ist der zwischen dem Ende 2 und dem beweglichen Kontaktstück 6 befindliche Abschnitt des Kontaktträgers 1 elektrisch leitend ausgebildet und ist in die Stufe 4 ein mit dem Ende 2 elektrisch leitend verbundener Stromanschluss 8 eingelagert. Der zweite Stromanschluss der Kontaktanordnung ist direkt mit dem feststehende Kontaktstück 7 verbunden. Bei der Kontaktanordnung nach Fig.3 ist das bewegliche Kontaktstück 6 als elektrisch isoliert im Kontaktträger 1 angeordneter Brückenkontakt ausgebildet bzw. der ganze Kontaktträger 1 ist gegenüber dem Substrat elektrisch isoliert. Auf dem Substrat ist ein weiteres feststehendes Kontaktstück 9 angeordnet. Die beiden Stromanschlüsse der Kontaktanordnung sind jeweils mit einem der beiden feststehenden Kontaktstücke 7, 9 elektrisch leitend verbunden.
  • Durch einen aus Fig.4 ersichtlichen Antrieb kann der Kontaktträger 1 bei allen drei Kontaktanordnungen substratparallel, d.h. parallel zur Papierebene, biegeelastisch verformt werden. In der nach oben weisenden stabilen Lage des Kontaktträgers sind bei allen drei Kontaktanordnungen die Kontaktstücke 6 und 7 bzw. 6, 7 und 9 voneinander getrennt. Der zugeordnete Mikroschalter befindet sich dann also in seiner Ausschaltstellung. Zum Einschalten wird durch den Antrieb der Kontaktträger 1 mit einer Verformungskraft F beaufschlagt und unter biegeelastischer Verformung solange nach unten geführt bis die Kontakte 6 und 7 bzw. 6 und 7 sowie 6 und 9 einander kontaktieren.
  • Bei der Kontaktanordnung nach Fig.1 muss der Antrieb nicht nur die Verformungsarbeit aufbringen, sondern muss dann in der in Fig.1 punktiert dargestellten Einschaltstellung während der gesamten Einschaltdauer beständig auch die durch die biegeelastische Verformung des Kontaktträgers 1 hervorgerufene Biegekraft und zusätzlich auch eine die Kontaktstücke zusammenpressende Kontaktkraft aufbringen.
  • Hingegen wird bei den Ausführungsformen der Kontaktanordnung nach den Figuren 2 und 3 eine (durchgezogen dargestellte) stabile Einschaltstellung erreicht, bei der der Kontaktträger 1 nach Art eines asymmetrisch ausgebildeten Schwingungsbauchs verformt ist (eine der Kontaktanordnung nach Fig.1 entsprechende nichtstabile symmetrische Einschaltstellung ist punktiert dargestellt). Durch die nach Art eines asymmetrisch ausgebildeten Schwingungsbauchs ausgebildete Verformung wird nicht nur eine stabile Lage erreicht, sondern infolge Schnappwirkung zugleich auch Kontaktkraft K, welche beim Ausschalten vom Antrieb wieder aufgehoben werden muss. Die Schnappwirkung wird dadurch erzielt, dass das feststehende Kontaktstück 7 an der Kontaktstelle mit dem beweglichen Kontaktstück 6 einen kleineren Abstand von Ende 2 des Kontaktträgers 1 aufweist als von dessen Ende 3. Um durch Schnappwirkung noch ausreichend hohe Kontaktkraft zu erreichen, sollte der Wert x einer parallel zur Verbindungsstrecke 11 der Länge L zwischen den beiden Kontaktträgerenden 2, 3 geführten Lagekoordinate am Ort der Kontaktstelle 12 der beiden Kontakte 6 und 7 zwischen dem 0,08- und dem 0,48-fachen der Länge L der Verbindungstrecke liegen. Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, liegt in der Einschaltposition die Kontaktstelle 12 unterhalb der Verbindungsstrecke 11. Eine für höhere Spannungen ausreichend hohe dielektrische Festigkeit der bei geöffneten Kontakten vorhandenen Kontakttrennstrecke wird so erzielt.
  • Wie Fig. 4 entnehmbar ist, weist der Antrieb zwei unabhängig voneinander verschiebbare mechanische Betätigungselemente 13, 14 auf, von denen das Betätigungselement 13 den Kontaktträger 1 beim Einschalten mit einer Kraft F beaufschlagt, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers 1 den Einschaltzustand zu erreichen. Das zweite Betätigungselement 14 beaufschlagt den Kontaktträger 1 beim Ausschalten mit einer Gegenkraft, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers 1 die Kontaktkraft K aufzuheben und den Ausschaltzustand zu erreichen. Die Verschieberichtung der beiden Betätigungselemente bildet einen spitzen Winkel (α, α' gemäss Fig.4) mit der Tangentialebene im Auflagepunkt dieses Betätigungselements auf dem Kontaktträger. Das Betätigungselement kann dann mit relativ geringer Kraft eine grosse Verformungskraft aufbringen. Beim Ausschalten wird ein Umschnappunkt bereits nach einem kleineren Weg und bei einer kleineren Gegenkraft erreicht als beim Einschalten. Der Mikroschalter kann daher wesentich schneller geöffnet als geschlossen werden.
  • Der Antrieb weist zwei mit Gleichspannung U, U' beaufschlagbare, elektrostatisch wirkende Kammstrukturen 15, 16 sowie zwei Rückstellfedern 17, 18 auf. Je eine der beiden Kammstrukturen und je eine der beiden Rückstellfedern wirkt mit je einem der beiden Betätigungselemente zusammen. Zum Einschalten wird an die Kammstruktur 15 die Spannung U angelegt. Ein mit dem Betätigungselement 13 verbundener und an der Rückstellfeder 17 beweglich gelagerter Kamm der Kammstruktur 15 wird in einen feststehenden Kamm der Kammstruktur hineingezogen und spannt hierbei die Rückstellfeder 17. Das Betätigungselement 13 verbiegt dabei den Kontaktträger 1 und führt ihn zum Umschnappunkt, von wo aus er das bewegliche Kontaktstück 7 unter Bildung der Kontaktkraft K in die Einschaltstellung einfedert. Die Spannung U kann nun weggenommen werden. Das Betätigungselement 13 wird durch die Rückstellfeder 17 wieder in seine Ausgangslage zurückgeführt und ist für einen neuerlichen Einschaltvorgang bereits. Im entsprechender Weise wird beim Ausschalten ein mit dem Betätigungselement 14 verbundener und an der Rückstellfeder 18 beweglich gelagerter Kamm der Kammstruktur 16 in einen feststehenden Kamm der Kammstruktur 16 hineingezogen und hierbei die Rückstellfeder 18 gespannt. Das Betätigungselement 14 verbiegt dabei den Kontaktträger 1 und führt ihn bis zum Umschnappunkt, von wo aus er in die ursprüngliche Lage zurückfedert.
    • BEZEICHNUNGSLISTE
    • 1
    Kontaktträger
    2, 3
    Enden des Kontaktträgers
    4,5
    Substratstufen
    6
    bewegliches Kontaktstück
    7, 9
    feststehende Kontaktstücke
    8
    Stromanschluss
    9
    Ring
    11
    Verbindungsstrecke
    12
    Kontaktstelle
    13, 14
    Betätigungselemente
    15, 16
    elektrostaische Kammstrukturen
    17, 18
    Rückstellfedern
    α, α'
    spitze Winkel
    U, U'
    Gleichspannungen
    L
    Streckenlänge
    x
    Abstand

Claims (10)

  1. Mikroschalter mit einem überwiegend plattenförmig ausgebildeten Substrat, einem auf dem Substrat angebrachten feststehenden Kontaktstück (7, 9), einem beweglichen Kontaktstück (6), welches in der Einschaltstellung des Schalters das feststehende Kontaktstück (7, 9) elektrisch kontaktiert und in der Ausschaltstellung des Schalters vom feststehenden Kontaktstück getrennt ist, einem das bewegliche Kontaktstück (6) haltenden, biegbaren Kontaktträger (1), welcher mit zwei Enden (2, 3) am Substrat festgesetzt ist, und einem den Kontaktträger (1) durch elastisches Verformen in die Ein- oder Ausschaltstellung führenden Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktträger (1) substratparallel verformbar ist, dass in einer der Ausschaltstellung entsprechenden ersten stabilen Lage der Kontaktträger (1) die Form eines symmetrischen Schwingungsbauchs aufweist, und dass in einer der Einschaltstellung entsprechenden zweiten stabilen Lage der Kontaktträger (1) nach Art eines asymmetrisch ausgebildeten Schwingungsbauchs geformt ist.
  2. Mikroschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Kontaktstück (7, 9) an einer Kontaktstelle (12) mit dem beweglichen Kontaktstück (6) einen kleineren Abstand von einem ersten (2) beider Enden (2, 3) des Kontaktträgers (1) aufweist als von dessen zweiten Ende (3).
  3. Mikroschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (x) einer parallel zur Verbindungsstrecke (11) zwischen den beiden Kontaktträgerenden (2, 3) geführten Lagekoordinate am Ort der Kontaktstelle (12) zwischen dem 0,08- und dem 0,48-fachen der Länge der Verbindungstrecke (11) liegt.
  4. Mikroschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei oberhalb der Verbindungsstrecke (11) liegendem, symmetrisch ausgebildetem Schwingungsbauch die Kontaktstelle (12) auf oder unterhalb der Verbindungsstrecke (11) angeordnet ist.
  5. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktträger (1) zumindest zwischen einem seiner beiden Enden (2, 3) und dem beweglichen Kontaktstück (6) elektrisch leitend ausgebildet.
  6. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Kontaktstück (6) als Brückenkontakt ausgebildet ist, und dass auf dem Substrat ein weiteres feststehendes Kontaktstück (9) angeordnet ist, welches in der Einschaltstellung mit dem Brückenkontakt kontaktiert ist.
  7. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zwei unabhängig voneinander verschiebbare mechanische Betätigungselemente (13, 14) aufweist, von denen ein erstes (13) den Kontaktträger (1) beim Einschalten mit einer Kraft beaufschlagt, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers (1) den Einschaltzustand zu erreichen und ein zweites (14) den Kontaktträger (1) beim Ausschalten mit einer Kraft beaufschlagt, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers (1) den Ausschaltzustand zu erreichen.
  8. Mikroschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschieberichtung mindestens eines der beiden Betätigungselemente (13, 14) einen spitzen Winkel (α, α') mit der Tangentialebene im Auflagepunkt dieses Betätigungselements auf dem Kontaktträger (1) bildet.
  9. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zwei elektrostatisch wirkende, federbelastete Kammstrukturen (15, 16) aufweist, von denen je eine mit je einem der beiden Betätigungselemente (13, 14) zusammenwirkt.
  10. Mikroschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Kontaktträger (1) und/oder der Antrieb vorzugsweise durch ein lonenätzverfahren aus dem Substrat herausgearbeitet sind.
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