DE10360914A1

DE10360914A1 - Verriegelungsrelais mit Schalterschiene

Info

Publication number: DE10360914A1
Application number: DE10360914A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Woodland Park Wong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2004-11-25
Also published as: GB0407171D0; TW200421638A; JP2004319503A; US6876133B2; US20040201318A1; GB2400737A; GB2400737B

Abstract

Ein elektrisches Relais, das eine Leitflüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet. In dem Relais ist ein Paar von Schaltkontakten an dem freien Ende einer Schalterschiene angebracht und zwischen einem Paar von festen elektrischen Kontaktanschlußflächen positioniert. Eine Oberfläche jedes Kontakts trägt ein Tröpfchen einer Leitflüssigkeit, wie z. B. ein Flüssigmetall. Ein piezoelektrischer Betätiger wird mit Energie versorgt, um die Schalterschiene zu drücken oder zu ziehen und das Paar von Schaltkontakten zu bewegen, wodurch der Zwischenraum zwischen einem der festen Kontaktanschlußflächen und einem der Schaltkontakte geschlossen wird, wodurch bewirkt wird, daß sie Leitflüssigkeitströpfchen vereinigen und eine elektrische Schaltung bilden. Gleichzeitig wird der Zwischenraum der anderen festen Kontaktanschlußfläche und dem anderen Schaltkontakt vergrößert, wodurch bewirkt wird, daß Leitflüssigkeitströpfchen getrennt werden und eine elektrische Schaltung unterbrechen. Der piezoelektrische Betätiger wird dann abgeschaltet und die Schaltkontakte kehren zu ihren Startpositionen zurück. Das Volumen des Flüssigmetalls ist so ausgewählt, dass Flüssigmetalltröpfchen vereinigt oder getrennt bleiben, aufgrund der Oberflächenspannung in der Flüssigkeit. Das Relais ist für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken abänderbar.

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf die folgenden ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldungen, die durch die folgenden aufgeführten Identifizierer identifiziert und in alphanumerischer Reihenfolge angeordnet sind, die den gleichen Eigentümer wie die vorliegende Anmeldung aufweisen und zu diesem Ausmaß auf die vorliegende Anmeldung bezogen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind:
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,691;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/142,076;
US-Anmeldung mit dem Titel „High-frequency, Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003.
US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High-frequency, Liquid Metal, Latching Relay Array", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay Array", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Piezoelectric Optical Latching Relay", eingereicht am 31. Oktober 2001, mit der Seriennummer 09/999,590;
US-Anmeldung mit dem Titel „Shear Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Production Thereof", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,597;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Latching Relay with Bending Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Closed Loop Piezoelectric Pump", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Solid Slug Longitudinal Piezoelectric Latching Relay", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,692;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Longitudinal Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Method for Producing the Same", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317, 963;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 28. März 2002, mit der Seriennummer 10/109,309;
US-Anmeldung mit dem Titel „Electrically Isolated Liquid Metal Micro-Switches for Integrally Shielded Microcircuits", eingereicht am 8. Oktober 2002, mit der Seriennummer 10/266,872;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Demultiplexing Switch", eingereicht am 10. April 2002, mit der Seriennummer 10/119,503;
US-Anmeldung mit dem Titel „Volume Adjustment Apparatus and Method for Use", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,293;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Maintaining a Liquid Metal Switch in a Ready-to-Switch Condition", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Reflecting Wedge Optical Wavelength Multiplexer/Demultiplexer", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpillar Piezoelectric Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpiller Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Inserting-finger Liquid Metal Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Wetting Finger Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Actuated Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Actuated Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003; und
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Caterpillar Piezoelectric Reflective Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003.

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von mikroelektromechanischen Systemen (MEMs) zum elektrischen Schalten, und insbesondere auf ein piezoelektrisch betätigtes Verriegelungsrelais mit Flüssigmetallkontakten.

Flüssigmetalle, wie z. B. Quecksilber, wurden bei elektrischen Schaltern verwendet, um einen elektrischen Weg zwischen zwei Leitern bereitzustellen. Ein Beispiel ist ein Quecksilberthermostatschalter, bei dem eine Bimetallstreifenspule auf Temperatur reagiert und den Winkel eines verlängerten Hohlraums ändert, der Quecksilber enthält. Das Quecksilber in dem Hohlraum bildet ein einzelnes Tröpfchen aufgrund hoher Oberflächenspannung. Gravitation bewegt das Quecksilbertröpfchen zu dem Ende des Hohlraums, der elek trische Kontakte enthält, oder zu dem anderen Ende, abhängig von dem Winkel des Hohlraums. Bei einem manuellen Flüssigmetallschalter wird ein Dauermagnet verwendet, um ein Quecksilbertröpfchen in einem Hohlraum zu bewegen.

Flüssigmetall wird ebenfalls in Relais verwendet. Ein Flüssigmetalltröpfchen kann durch eine Vielzahl von Techniken bewegt werden, einschließlich elektrostatischer Kräfte, variabler Geometrie aufgrund thermischer Ausdehnung/Kontraktion und magneto-hydrodynamischer Kräfte.

Herkömmliche piezoelektrische Relais verriegeln entweder nicht oder verwenden Restladungen in dem piezoelektrischen Material, um zu verriegeln oder einen Schalter anderweitig zu aktivieren, der einen Verriegelungsmechanismus kontaktiert.

Ein schnelles Schalten von hohen Strömen wird bei einer großen Vielzahl von Bauelementen verwendet, liefert aber ein Problem für festkörperkontakt-basierte Relais, aufgrund einer Lichtbogenbildung, wenn ein Stromfluß unterbrochen wird. Die Lichtbogenbildung bewirkt einen Schaden an den Kontakten und verschlechtert ihre Leitfähigkeit aufgrund von Lochfraß an den Elektrodenoberflächen.

Mikroschalter wurden entwickelt, die Flüssigmetall als das Schaltelement verwenden und die Ausdehnung eines Gases, wenn es erwärmt wird, um das Flüssigmetall zu bewegen und die Schaltfunktion zu betätigen. Flüssigmetall weist einige Vorteile gegenüber anderen Mikrobearbeitungstechniken auf, wie z. B. die Fähigkeit, relativ hohe Leistungen zu schalten (ungefähr 100 mW), unter Verwendung von Metall-zu-Metall-Kontakten, ohne Mikroschweißen oder Übererwärmen des Schaltmechanismus. Die Verwendung von erwärmten Gas weist jedoch mehrere Nachteile auf. Es erfordert einen relativ großen Betrag an Energie, um den Zustand des Schalters zu ändern, und die Wärme, die durch das Schalten erzeugt wird, muß effektiv abgeführt werden, wenn der Schaltarbeitszyklus hoch ist. Zusätzlich dazu ist die Betätigungsrate relativ langsam, wobei die Maximalrate auf einige hundert Hertz beschränkt ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Relais und ein Verfahren zum Schalten mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Relais gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.

Ein elektrisches Relais ist offenbart, das eine Leitflüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet. Bei dem Relais ist ein Paar von Schaltkontakten an dem freien Ende einer Schalterschiene angebracht und zwischen einem Paar von festen Kontaktanschlußflächen positioniert. Jeder Kontakt stützt ein Tröpfchen einer Leitflüssigkeit, wie z. B. eines Flüssigmetalls. Ein piezoelektrischer Betätiger wird mit Energie versorgt, um die Schalterschiene in einer lateralen Richtung zu bewegen und den Zwischenraum zwischen einer der festen Kontaktanschlußflächen und einem der Schaltkontakte zu schließen, wodurch bewirkt wird, daß sich Leitflüssigkeitströpfchen vereinigen und eine elektrische Schaltung bilden. Gleichzeitig wird der Zwischenraum zwischen der anderen festen Kontaktanschlußfläche und dem anderen Schaltkontakt vergrößert, wodurch bewirkt wird, daß das Leitflüssigkeitströpfchen getrennt wird und eine elektrische Schaltung unterbricht.

Die neuen Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung betrachtet werden, werden in den Ansprüchen ausgeführt. Die Erfindung selbst jedoch, sowie der bevorzugte Verwendungsmodus und weitere Ziele und Vorteile derselben sind am besten Bezug nehmend auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung eines darstellenden Ausführungsbeispiel verständlich.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung mit entfernter Abdeckungsschicht;
3 eine Querschnittsansicht eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung;
4 eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung mit entfernter Abdeckungsschicht;
5 eine Querschnittsansicht des weiteren Ausführungsbeispieles eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung; und
6 eine Draufsicht eines Schaltungssubstrats gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung.
Während diese Erfindung einem Ausführungsbeispiel in vielen unterschiedlichen Formen unterliegt, sind in den Zeichnungen spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt und werden hierin detailliert beschrieben, mit dem Verständnis, daß die vorliegende Offenbarung als exemplarisch für die Prinzipien der Erfindung betrachtet wird, und es nicht vorgesehen ist, die Erfindung auf die spezifischen Ausführungsbeispiele einzuschränken, die gezeigt und beschrieben sind. Bei der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um die gleichen, ähnliche oder entsprechende Teile in den unterschiedlichen Ansichten der Zeichnungen zu beschreiben.
Das elektrische Relais der vorliegenden Erfindung verwendet eine Leitflüssigkeit, wie z. B. Flüssigmetall, um den Zwischenraum zwischen zwei elektrischen Kontakten zu überbrücken und dadurch eine elektrische Schaltung zwischen den Kontakten zu schließen. Die bewegbaren elektrischen Kontakte, die als Schaltkontakte bezeichnet werden, sind an dem freien Ende einer Schalterschiene angebracht und zwischen einem Paar von festen Kontaktanschlußflächen positioniert. Eine Oberfläche jedes Kontakts trägt ein Tröpfchen einer Leitflüssigkeit. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Leitflüssigkeit ein Flüssigmetall, wie z. B. Quecksilber mit hoher Leitflüssigkeit, niedriger Flüchtigkeit und hoher Oberflächenspannung. Ein piezoelektrischer Betätiger ist konfiguriert, um die Schalterschiene in einer lateralen Richtung zu drücken, wodurch die Schaltkontakte bewegt werden, so daß sich ein erster Schaltkontakt hin zu einer ersten festen Kontaktanschlußfläche bewegt. Dies bewirkt, daß sich die Leitflüssigkeitströpfchen an den Kontakten vereinigen und eine elektrische Schaltung zwischen dem ersten Schaltkontakt und der ersten festen Kontaktanschlußfläche schließen. Magnetorestriktive Betätiger, wie z. B. Terfenol-D, die sich bei Vorhandensein eines Magnetfeldes deformieren; können als eine Alternative zu piezoelektrischen Betätigern verwendet werden. In der Folge werden piezoelektrische Betätiger und magnetorestriktive Betätiger kollektiv als „piezoelektrische Betätiger" bezeichnet. Da die Schaltkontakte zwischen den festen Kontaktanschlußflächen plaziert sind, wenn sich der erste Schaltkontakt hin zu der ersten festen Kontaktanschlußfläche bewegt, bewegt sich der zweite Schaltkontakt weg von der zweiten festen Kontaktanschlußfläche. Nachdem sich der Schaltzustand geändert hat, wird die Energieversorgung des piezoelektrischen Betätigers unterbrochen und die Schaltkontakte kehren zu ihren Startpositionen zurück. Die Leitflüssigkeitströpfchen bleiben in einem einzelnen Volumen vereinigt, da das Volumen der Leitflüssigkeit so ausgewählt ist, daß Oberflächenspannung die Tröpfchen zusammenhält. Die elektrische Schaltung wird wieder unterbrochen durch Versorgen des piezoelektrischen Betätigers mit Energie, um die Schalterschiene zu ziehen und den ersten Schaltkontakt weg von der ersten festen Kontaktanschlußfläche zu bewegen, um die Oberflächenspannungsverbindung zwischen den Leitflüssigkeitströpfchen zu unterbrechen. Die Tröpfchen bleiben getrennt, wenn die Energieversorgung des piezoelektrischen Betätigers unterbrochen wird, vorausgesetzt es ist ausreichend Flüssigkeit vorhanden, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. Das Relais ist für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken abänderbar.
1 ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung. Bezug nehmend auf 1 weist das Relais 100 drei Schichten auf: ein Schaltungssubstrat 102, eine Schaltschicht 104 und eine Abdeckungsschicht 106. Diese drei Schichten bilden das Relaisgehäuse. Das Schaltungssubstrat 102 trägt elektrische Verbindungen zu den Elementen in der Schaltschicht und liefert eine untere Abdeckung für die Schaltschicht. Das Schaltungssubstrat 102 kann z. B. aus Keramik oder Silizium hergestellt sein und ist für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken abänderbar, wie z. B. jene, die bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen verwendet werden. Die Schaltschicht 104 kann aus Keramik oder Glas hergestellt sein oder kann aus Metall beschichtet mit einer Isolierschicht (wie z. B. Keramik) hergestellt sein. Die Abdeckungsschicht 106 deckt die Oberseite der Schaltschicht 104 ab und dichtet den Schalthohlraum 108 ab. Die Abdeckungsschicht 106 kann zum Beispiel aus Keramik, Glas, Metall oder Polymer hergestellt sein oder aus Kombinationen dieser Materialien. Glas, Keramik oder Metall wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet, um eine hermetische Abdichtung bereitzustellen.
2 ist eine Draufsicht des Relais mit entfernter Abdeckungsschicht. Bezug nehmend auf 2 lagert die Schaltschicht 104 einen Schalthohlraum 108 ein. Der Schalthohl raum 108 ist unten durch das Schalungssubstrat 102 abgedichtet und oben durch die Abdeckungsschicht 106 abgedichtet. Der Hohlraum kann mit einem inerten Gas gefüllt sein. Ein piezoelektrisches Element 110 ist an der Schaltschicht angebracht. Der piezoelektrische Betätiger 110 ist konfiguriert, um sich in einem Ausdehnungsmodus zu deformieren. Eine Schalterschiene 112 ist an einem Ende der Schaltschicht angebracht und weist das andere Ende frei auf, so daß eine Bewegung des Betätigers 110 bewirkt, daß sich das freie Ende der Schalterschiene in der Figur lateral bewegt. Feste elektrische Kontakte 114 und 116 sind an der Schaltschicht angebracht. Elektrische Schaltkontakte 118 und 120 sind an dem freien Ende der Schalterschiene 112 angebracht. Die elektrischen Schaltkontakte können elektrisch miteinander verbunden sein. Die freiliegenden Flächen der Kontakte sind durch eine Leitflüssigkeit benetzbar, wie z. B. ein Flüssigmetall. Die Oberflächen zwischen den Kontakten sind nicht benetzbar, um eine Flüssigkeitsmigration zu verhindern. Die Oberflächen der Kontakte tragen Tröpfchen einer Leitflüssigkeit. In 2 wird die Flüssigkeit zwischen den Kontakten 114 und 118 in zwei Tröpfchen 122 getrennt, eines an jedem der Kontakte 114 und 118. Die Flüssigkeit zwischen den Kontakten 120 und 116 vereinigt sich zu einem einzelnen Volumen 124. Somit besteht eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 120 und 116, aber keine Verbindung zwischen den Kontakten 114 und 118.
Wenn das freie Ende der Schalterschiene 112 den ersten Schaltkontakt 118 weg von dem ersten festen Kontakt 114 bewegt, wird der zweite Schaltkontakt 120 hin zu dem zweiten festen Kontakt 116 bewegt. Umgekehrt, wenn das freie Ende der Schalterschiene 112 den ersten Schaltkontakt 118 hin zu dem ersten festen Kontakt 114 bewegt, wird der zweite Schaltkontakt 120 weg von dem zweiten festen Kontakt 116 bewegt. Wenn der Zwischenraum zwischen den Kontakten 116 und 120 groß genug ist, ist die Leitflüssigkeit 124 nicht ausreichend, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken, und die Leitflüssigkeitsverbindung wird unterbrochen. Wenn der Zwischenraum zwischen den Kontakten 118 und 114 klein genug ist, vereinigen sich die Flüssigkeitströpfchen 122 an den zwei Kontakten miteinander und bilden eine elektrische Verbindung. Die Tröpfchen der Leitflüssigkeit werden durch die Oberflächenspannung des Fluids an Ort uns Stelle gehalten. Aufgrund der geringen Größe der Tröpfchen dominiert die Oberflächenspannung jegliche Körperkräfte auf das Tröpfchen.
3 ist eine Querschnittsansicht durch Schnitt 3-3 des Verriegelungsrelais, das in 2 gezeigt ist. Die Ansicht zeigt die drei Schichten: das Schaltungssubstrat 102, die Schaltschicht 104 und die Abdeckungsschicht 106. Das freie Ende der Schalterschiene 112 ist innerhalb des Schaltkanals 108 bewegbar. Elektrische Verbindungsleiterbahnen (nicht gezeigt) zum Liefern von Steuerungssignalen zu dem Betätiger können auf der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats 102 aufgebracht werden oder durch Durchgangslöcher in dem Schaltungssubstrat verlaufen. Auf ähnliche Weise sind die elektrischen Verbindungsleiterbahnen zu den Kontaktanschlußflächen auf der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats 102 aufgebracht. Externe Verbindungen können durch Lötkügelchen auf der Unterseite des Schaltungssubstrats oder über Kurzbanddrahtverbindungen zu den Anschlußflächen an den Enden der Schaltungsleiterbahnen hergestellt werden.
Die Verwendung von Quecksilber oder einem anderen Flüssigmetall mit hoher Oberflächenspannung zum Bilden einer flexiblen, nichtkontaktierenden elektrischen Verbindung führt zu einem Relais mit hoher Stromkapazität, das Lochfraß und Oxidaufbau verhindert, was durch lokale Erwärmung bewirkt wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt. In 4 wurden die Abdeckungsschicht und die Leitflüssigkeit entfernt. Bezug nehmend auf 4 sind die festen Kontakte 114 und 116 an der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats angebracht und nicht an den vertikalen Seiten des Hohlraums 108. Die Kontakte 114 und 118 sind somit im rechten Winkel zueinander positioniert und nicht Fläche an Fläche. Die Kontakte 120 und 116 sind auf ähnliche Weise im rechten Winkel zueinander. Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, daß horizontale Kontakte bei einigen Mikrobearbeitungsprozessen leichter zu bilden sind. Die Operation des Relais ist dieselbe wie bei dem Ausführungsbeispiel, das oben Bezug nehmend auf 2 und 3 beschrieben wurde.
5 ist eine Querschnittsansicht durch den Schnitt 5-5, der in 4 gezeigt ist. Das Leitflüssigkeitströpfchen 124 füllt den Zwischenraum zwischen den Kontakten 120 und 116 und schließt die elektrische Schaltung zwischen den Kontakten. Ein Steuerungssignal, das an den piezoelektrischen Betätiger angelegt wird, bewirkt, daß sich der Betätiger ausdehnt und das freie Ende der Schalterschiene 112 hin zu dem festen Kontakt 114 bewegt. Diese Bewegung vergrößert den Zwischenraum zwischen den Kontakten 120 und 116 und unterbricht die Oberflächenspannungsverbindung in der Flüssigkeit 124. Die Flüssigkeit wird in zwei Tröpfchen getrennt, eines an jedem Kontakt, und die elektrische Schaltung wird unterbrochen. Gleichzeitig werden die Kontakte 114 und 118 näher zueinander bewegt und die Tröpfchen 122 vereinigen sich, um die Schaltung zwischen den Kontakten 114 und 118 zu schließen. Das Flüssigkeitsvolumen ist so ausgewählt, daß die vereinigten Tröpfchen vereinigt bleiben und die getrennten Tröpfchen getrennt bleiben, wenn die Energieversorgung des Betätigers unterbrochen wird und die Schalterschiene zu ihrer nichtabgelenkten Position zurückkehrt. Auf diese Weise wird das Relais in den neuen Schalterzustand verriegelt.
6 ist eine Draufsicht eines Schaltungssubstrats 102. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die elektrischen Leiterbahnen 102, 104 und 106 aufgebracht oder auf der oberen Oberfläche des Substrats gebildet, um elektrische Verbindungen zu den Kontakten 114, 116 bzw. 126 zu ermöglichen.
Das Relais kann zum Schalten eines Signals zwischen zwei Anschlüssen verwendet werden.

Claims

Elektrisches Relais, das folgende Merkmale aufweist: ein Relaisgehäuse (100), das einen Schalthohlraum (108) enthält; eine erste (114) und eine zweite (116) feste Kontaktanschlußfläche, die jeweils an dem Relaisgehäuse (100) in dem Schalthohlraum (108) angebracht sind und eine benetzbare Oberfläche aufweisen; einen ersten (118) und einen zweiten (120) Schaltkontakt, die zwischen der ersten (114) und der zweiten (116) festen Kontaktanschlußfläche positioniert sind, wobei jeder der ersten (118) und der zweiten (120) Schaltkontakte eine benetzbare Oberfläche aufweist; ein erstes Leitflüssigkeitsvolumen (122) in benetztem Kontakt mit dem ersten Schaltkontakt (118) und der ersten festen Kontaktanschlußfläche (114); ein zweites Leitflüssigkeitsvolumen (124) in benetztem Kontakt mit dem zweiten Schaltkontakt (120) und der zweiten festen Kontaktanschlußfläche (116); und eine Schalterschiene (112), die ein festes Ende, das mit dem Relaisgehäuse (100) gekoppelt ist, und ein freies Ende aufweist, das den ersten (118) und den zweiten (120) Schaltkontakt trägt; einen piezoelektrischen Betätiger (110), der mit dem Relaisgehäuse (100) und mit der Schalterschiene (112) zwischen ihrem freien Ende und ihrem festen Ende gekoppelt ist, wobei der piezoelektrische Betätiger (110) in einem Ausdehnungsmodus deformierbar ist, um das freie Ende der Schalterschiene (112) in einer ersten Richtung zu bewegen, um die Distanz zwischen dem ersten Schaltkontakt (118) und der ersten festen Kontaktanschlußfläche (114) zu verringern und die Distanz zwischen dem zweiten Schaltkontakt (120) und der zweiten festen Kontaktanschlußfläche (116) zu erhöhen, und in einer zweiten Richtung zu bewegen, um die Distanz zwischen dem ersten Schaltkontakt (118) und der ersten festen Kontaktanschlußfläche (114) zu vergrößern und die Distanz zwischen dem zweiten Schaltkontakt (120) und der zweiten festen Kontaktanschlußfläche (116) zu verringern, wobei: die Bewegung der Schalterschiene (112) in der ersten Richtung bewirkt, daß das erste Leitflüssigkeitsvolumen (122) eine Verbindung zwischen dem ersten Schaltkontakt (118) und der ersten festen Kontaktanschlußfläche bildet, und bewirkt, daß das zweite Leitflüssigkeitsvolumen (124) in zwei Tröpfchen getrennt wird, wodurch eine Verbindung zwischen dem zweiten Schaltkontakt (120) und der zweiten festen Kontaktanschlußfläche (116) unterbrochen wird; und eine Bewegung der Schalterschiene (112) in der zweiten Richtung bewirkt, daß das erste Leitflüssigkeitsvolumen (122) in zwei Tröpfchen getrennt wird, wodurch die Verbindung zwischen dem ersten Schaltkontakt (118) und der ersten festen Kontaktanschlußfläche (114) unterbrochen wird, und bewirkt, daß das zweite Leitflüssigkeitsvolumen (124) eine Verbindung zwischen dem zweiten Schaltkontakt (120) und der zweiten festen Kontaktanschlußfläche (116) bildet.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 1, bei dem das erste (122) und das zweite (124) Leitflüssigkeitsvolumen Flüssigmetalltröpfchen sind.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste (122) und das zweite (124) Leitflüssigkeitsvolumen derart vorliegen, daß verbundene Volumen verbunden bleiben, wenn der Betätiger (110) zu seiner Ruheposition zurückkehrt, und getrennte Volumen getrennt bleiben, wenn der Betätiger (110) zu seiner Ruheposition zurückkehrt.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner folgende Merkmale aufweist: ein Schaltungssubstrat (102), das elektrische Verbindungen zu dem piezoelektrischen Betätiger (110), dem ersten (114) und dem zweiten (116) Schaltkontakt und der zweiten festen Kontaktanschlußfläche (116) trägt; eine Abdeckungsschicht (106); und eine Schaltschicht (104), die zwischen dem Schaltungssubstrat (102) und der Abdeckungsschicht (106) positioniert ist und den Schalthohlraum (108) gebildet in derselben aufweist.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 4, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu der ersten (114) und der zweiten (116) festen Kontaktanschlußfläche und dem ersten (118) und dem zweiten (120) Schaltkontakt durch das Schaltungssubstrat (102) verläuft und in einer Lötkugel endet.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu der ersten (114) und der zweiten (116) festen Kontaktanschlußfläche und dem ersten (118) und dem zweiten (120) Schaltkontakt eine Leiterbahn ist, die auf der Oberfläche des Schaltungssubstrats (102) aufgebracht ist.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu der ersten (114) und der zweiten (116) festen Kontaktanschlußfläche und dem ersten (118) und dem zweiten (120) Schaltkontakt an einer Kante der Schaltschicht endet.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, das durch ein Verfahren der Mikrobearbeitung hergestellt ist.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die erste (114) und die zweite (116) feste Kontaktanschlußfläche elektrisch miteinander gekoppelt sind.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der erste (118) und der zweite Schaltkontakt (120) elektrisch miteinander gekoppelt sind.
Verfahren zum Schalten zwischen einer ersten elektrischen Schaltung, zwischen einem ersten Schaltkontakt (118) und einer ersten festen Kontaktanschlußfläche (114), und einer zweiten elektrischen Schaltung, zwischen einem zweiten Schaltkontakt (120) und einer zweiten festen Kontaktanschlußfläche (116) in einem Relais, wobei das Relais eine Schalterschiene (112) umfaßt, die ein festes Ende aufweist, das an dem Relais angebracht ist, und ein freies Ende, das den ersten (118) und den zweiten (120) Schaltkontakt zwischen der ersten (114) und der zweiten (116) festen Kontaktanschlußfläche trägt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: wenn die erste elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Versorgen eines piezoelektrischen Betätigers (110) mit Energie, um die Schalterschiene (112) in einer ersten Richtung zu drücken, wodurch der erste Schaltkontakt (118) hin zu der ersten festen Kontaktanschlußfläche (114) bewegt wird, so daß ein erstes Leitflüssigkeitsvolumen (122), das durch zumindest entweder den ersten Schaltkontakt (118) oder die erste feste Kontaktanschlußfläche (114) getragen wird, zwischen dem ersten festen Schaltkontakt (118) und der ersten festen Kontaktanschlußfläche (114) benetzt und die erste elektrische Schaltung schließt; und wenn die zweite elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Versorgen des piezoelektrischen Betätigers (110) mit Energie, um die Schalterschiene (112) in eine zweite Richtung zu ziehen, wodurch der zweite Schaltkontakt (112) hin zu der zweiten festen Kontaktanschlußfläche (116) bewegt wirkt, so daß ein zweites Leitflüssigkeitsvolumen (124), das durch zumindest entweder den zweiten Schaltkontakt (120) oder die zweite feste Kontaktanschlußfläche (116) getragen wird, zwischen dem zweiten Schaltkontakt (120) und der zweiten festen Kontaktanschlußfläche (116) benetzt und die zweite elektrische Schaltung schließt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem: die Bewegung der Schalterschiene (112) in der ersten Richtung den zweiten Schaltkontakt (120) weg von der zweiten festen Anschlußfläche (116) bewegt, so daß das zweite Leitflüssigkeitsvolumen (124) zwischen dem zweiten Schaltkontakt (120) und der zweiten festen Kontaktanschlußfläche (116) nicht benetzen kann, wo durch die zweite elektrische Schaltung unterbrochen wird; und eine Bewegung der Schalterschiene (112) in der zweiten Richtung den ersten Schaltkontakt (118) weg von der ersten festen Kontaktanschlußfläche (114) bewegt, so daß das erste Leitflüssigkeitsvolumen (122) zwischen dem ersten Schaltkontakt (118) und der ersten festen Kontaktanschlußfläche (114) nicht benetzen kann, wodurch die erste elektrische Schaltung unterbrochen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, das ferner folgende Schritte aufweist: wenn die erste elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung des piezoelektrischen Betätigers (110) nachdem die erste Leitflüssigkeit zwischen dem ersten Schaltkontakt (118) und dem ersten festen Kontakt benetzt; und wenn die zweite elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung des piezoelektrischen Betätigers (110) nachdem die zweite Leitflüssigkeit zwischen dem zweiten Schaltkontakt (120) und dem zweiten festen Kontakt benetzt.
Elektrisches Relais, das folgende Merkmale aufweist: ein Relaisgehäuse (100), das einen Schalthohlraum (108) enthält; einen ersten (114) und einen zweiten (116) festen elektrischen Kontakt, die jeweils eine benetzbare Oberfläche aufweisen; einen ersten (118) und einen zweiten (120) bewegbaren elektrischen Kontakt, die in den Schalthohlraum (108) zwischen dem ersten und dem zweiten festen elektrischen Kontakt positioniert sind, wobei sowohl der erste (118) als auch der zweite (120) bewegbare elektrische Kontakt eine benetzbare Oberfläche aufweist; ein erstes Leitflüssigkeitsvolumen (122) in benetztem Kontakt mit dem ersten bewegbaren elektrischen Kontakt und dem ersten festen elektrischen Kontakt; ein zweites Leitflüssigkeitsvolumen (124) in benetztem Kontakt mit dem zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt und dem zweiten festen elektrischen Kontakt; und einen piezoelektrischen Betätiger (110) in einer Ruheposition, der ein festes Ende angebracht an das Relaisgehäuse (100) und ein freies Ende aufweist, das den ersten und den zweiten bewegbaren Kontakt trägt, wobei der piezoelektrische Betätiger betreibbar ist, um das freie Ende in einer ersten Richtung zu bewegen, um die Distanz zwischen dem ersten bewegbaren elektrischen Kontakt (114) und dem ersten festen elektrischen Kontakt (118) zu reduzieren und die Distanz zwischen dem zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt (116) und dem zweiten festen elektrischen Kontakt (118) zu erhöhen, und in einer zweiten Richtung, um die Distanz zwischen dem ersten bewegbaren elektrischen Kontakt (114) und dem ersten festen elektrischen Kontakt (118) zu erhöhen und die Distanz zwischen dem zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt (116) und dem zweiten festen elektrischen Kontakt (120) zu verringern, wobei: eine Bewegung des freien Endes des piezoelektrischen Betätigers (110) in der ersten Richtung verursacht, daß das erste Leitflüssigkeitsvolumen (122) eine Verbindung zwischen dem ersten bewegbaren elektrischen Kontakt (114) und dem ersten festen elektrischen Kontakt (118) bildet und eine Verbindung unterbricht, die durch das zweite Leitflüssigkeitsvolumen (124) zwischen dem zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt (116) und dem zweiten festen elektrischen Kontakt (120) gebildet ist; und eine Bewegung des freien Endes des piezoelektrischen Betätigers (110) in der zweiten Richtung die Verbindung unterbricht, die durch das erste Leitflüssigkeitsvolumen (122) zwischen dem ersten bewegbaren elektrischen Kontakt (114) und dem ersten festen elektrischen Kontakt (118) gebildet wird, und verursacht, daß das zweite Leitflüssigkeitsvolumen (124) eine Verbindung zwischen dem zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt (116) und dem zweiten festen elektrischen Kontakt (120) bildet.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 14, bei dem das erste (122) und das zweite (124) Leitflüssigkeitsvolumen Flüssigmetalltröpfchen sind.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem der erste (118) und der zweite (120) bewegbare elektrische Kontakt elektrisch miteinander gekoppelt sind.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der erste (114) und der zweite (116) feste elektrische Kontakt elektrisch miteinander gekoppelt sind.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem das erste (122) und das zweite (124) Leitflüssigkeitsvolumen derart sind, daß vereinigte Volumen vereinigt bleiben, wenn der piezoelektrische Betätiger (110) zu seiner Ruheposition zurückkehrt, und getrennte Volumen getrennt bleiben, wenn der piezoelektrische Betätiger zu seiner Ruheposition zurückkehrt.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, das ferner folgende Merkmale aufweist: ein Schaltungssubstrat (102), das elektrische Verbindungen zu dem piezoelektrischen Betätiger (110), dem ersten (114) und zweiten (116) festen elektrischen Kontakt und dem ersten (118) und zweiten (120) bewegbaren elektrischen Kontakt trägt; eine Abdeckungsschicht (106); eine Schaltschicht (104), die zwischen dem Schaltungssubstrat (102) und der Abdeckungsschicht (106) positioniert ist und den Schalthohlraum (108) gebildet in derselben aufweist.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 19, hergestellt durch ein Verfahren der Mikrobearbeitung.
Verfahren zum Schalten zwischen einer ersten elektrischen Schaltung, zwischen einem ersten bewegbaren Kontakt (118) und einem ersten festen Kontakt (114), und einer zweiten elektrischen Schaltung, zwischen einem zweiten bewegbaren Kontakt (120) und einem zweiten festen Kontakt (116), in einem Relais, wobei das Relais einen piezoelektrischen Betätiger (110) umfaßt, der ein festes Ende angebracht an dem Relais und ein freies Ende, das den ersten und den zweiten Schaltkontakt zwischen dem ersten und dem zweiten festen Kontakt trägt, aufweist, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: wenn die ersten elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Versorgen des piezoelektrischen Betätigers (110) mit Energie, um sich in einem Biegemodus zu deformieren und das freie Ende des piezoelektrischen Betätigers in einer ersten Richtung zu bewegen, wodurch der erste bewegbare Kontakt hin zu dem ersten festen Kontakt bewegt wird, so daß eine erste Leitflüssigkeit (122), die zumindest entweder durch den ersten bewegbaren Kontakt oder den ersten festen Kontakt getragen wird, zwischen dem ersten bewegbaren Kontakt (114) und dem ersten festen Kontakt (118) benetzt und die erste elektrische Schaltung schließt; und wenn die zweite elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Versorgen des piezoelektrischen Betätigers (110) mit Energie, um sich in einem Biegemodus zu deformieren und das freie Ende des piezoelektrischen Betätigers in einer zweiten Richtung zu bewegen, wodurch der zweite bewegbare Kontakt hin zu dem zweiten festen Kontakt bewegt wird, so daß eine zweite Leitflüssigkeit (124), die durch zumindest entweder den zweiten bewegbaren Kontakt oder den zweiten festen Kontakt getragen wird, zwischen dem zweiten bewegbaren Kontakt (116) und dem zweiten festen Kontakt (120) benetzt und die zweite elektrische Schaltung schließt.
Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem: eine Bewegung des freien Endes des piezoelektrischen Betätigers (110) in der ersten Richtung den zweiten bewegbaren Kontakt (116) weg von dem zweiten festen Kontakt (120) bewegt, so daß die zweite Leitflüssigkeit (124) nicht zwischen dem zweiten bewegbaren Kontakt (116) und dem zweiten festen Kontakt (120) benetzen kann, wodurch die zweite elektrische Schaltung unterbrochen wird; und eine Bewegung des freien Endes des piezoelektrischen Betätigers (110) in der zweiten Richtung den ersten bewegbaren Kontakt (114) weg von dem ersten festen Kontakt (118) bewegt, so daß die erste Leitflüssigkeit (122) nicht zwischen dem ersten bewegbaren Kontakt (114) und dem ersten festen Kontakt (118) benetzen kann, wodurch die erste elektrische Schaltung unterbrochen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, das folgende Schritte aufweist: wenn die erste elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung des piezoelektrischen Betätigers (110) nachdem die erste Leitflüssigkeit (122) zwischen dem ersten bewegbaren Kontakt (114) und dem ersten festen Kontakt (118) benetzt; und wenn die zweite elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung des piezoelektrischen Betätigers (110), nachdem die zweite Leitflüssigkeit (124) zwischen dem zweiten bewegbaren Kontakt (116) und dem zweiten festen Kontakt (120) benetzt.