DE10361000A1

DE10361000A1 - Hochfrequenz-Verriegelungsrelais vom Schiebemodus

Info

Publication number: DE10361000A1
Application number: DE10361000A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Woodland Park Wong; Arthur Colorado Springs Fong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2004-11-18
Also published as: US20040201319A1; US6894424B2; TW200421642A; GB2400748B; JP2004319488A; GB0407190D0; GB2400748A

Abstract

Es wird ein elektrisches Relais offenbart, das eine leitende Flüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet. In dem Relais ist ein Paar von beweglichen Schaltkontakten zwischen einem Paar von feststehenden elektrischen Kontaktanschlußflächen positioniert. Eine Oberfläche jedes Kontakts unterstützt ein Tröpfchen einer leitenden Flüssigkeit, beispielsweise Flüssigmetall. Ein Betätigungsglied wird mit Energie versorgt, um das Paar von Schaltkontakten zu bewegen und den Zwischenraum zwischen einer der feststehenden Kontaktanschlußflächen und einem der Schaltkontakte zu schließen, wodurch bewirkt wird, daß sich leitende Flüssigkeitströpfchen vereinigen und eine elektrische Schaltung bilden. Zur selben Zeit wird der Zwischenraum zwischen der anderen feststehenden Kontaktanschlußfläche und dem anderen Schaltkontakt erhöht, wodurch bewirkt wird, daß leitende Flüssigkeitströpfchen sich trennen und eine elektrische Schaltung unterbrechen. Die Energieversorgung des Betätigungsglieds wird anschließend unterbrochen, und die Schaltkontakte kehren zu ihren Startpositionen zurück. Das Volumen an Flüssigmetall wird so gewählt, daß Flüssigmetalltröpfchen aufgrund der Oberflächenspannung in der Flüssigkeit vereinigt oder getrennt bleiben. Das Relais eignet sich für eine Herstellung anhand von Mikrobearbeitungstechniken.

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 „Latching Relay with Switch Bar", 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 Assistant 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 Acutated 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) für ein elektrisches Schalten und insbesondere auf ein Verriegelungsrelais mit Flüssigmetallkontakten und piezoelektrischen oder magnetorestriktiven Betätigungsgliedern.

Flüssigmetalle, beispielsweise Quecksilber, werden bei elektrischen Schaltern verwendet, um einen elektrischen Pfad zwischen zwei Leitern zu liefern. Ein Beispiel ist ein Quecksilberthermostatschalter, bei dem eine Bimetallstreifenspule auf Temperatur reagiert und den Winkel eines länglichen Hohlraums, der Quecksilber enthält, verändert. Das Quecksilber in dem Hohlraum bildet aufgrund einer hohen Oberflächenspannung ein einziges Tröpfchen. Die Schwerkraft bewegt das Quecksilbertröpfchen zu dem Ende des Hohlraums, der elektrische Kontakte enthält, oder zu dem anderen Ende, je nach dem Winkel des Hohlraums. Bei einem manuellen Flüssigmetallschalter wird ein Permanentmagnet verwendet, um ein Quecksilbertröpfchen in einem Hohlraum zu bewegen.

Flüssigmetall wird auch bei Relais verwendet. Ein Flüssigmetalltröpfchen kann durch eine Vielzahl von Techniken, einschließlich elektrostatischer Kräfte, einer variablen Geometrie aufgrund einer thermischen Ausdehnung/Kontraktion und magneto-hydrodynamischer Kräfte, bewegt werden.

Herkömmliche piezoelektrische Relais führen entweder keine Verriegelung durch oder verwenden Restladungen in dem piezoelektrischen Material, um einen Schalter, der einen Verriegelungsmechanismus berührt, zu verriegeln oder auf andere Weise zu aktivieren.

Ein rasches Umschalten hoher Ströme wird bei einer großen Vielzahl von Vorrichtungen verwendet, stellt jedoch aufgrund einer Lichtbogenbildung, wenn ein Stromfluß unterbrochen wird, ein Problem für Relais auf Festkörperkontaktbasis dar. Die Lichtbogenbildung bewirkt einen Schaden an den Kontakten und verschlechtert ihre Leitfähigkeit aufgrund eines Lochfraßes in den Elektrodenoberflächen.

Es wurden Mikroschalter entwickelt, die Flüssigmetall als Schaltelement und die bei Erhitzung erfolgende Ausdehnung eines Gases verwenden, um das Flüssigmetall zu bewegen und die Schaltfunktion zu betätigen. Gegenüber Mikrobearbeitungstechnologien weist Flüssigmetall gewisse Vorteile auf, beispielsweise die Fähigkeit, relativ hohe Leistungen (etwa 100 mW) unter Verwendung von Metall-Zu-Metall-Kontakten ohne ein Mikroschweißen oder Überhitzen des Schaltmechanismus zu schalten. Jedoch weist die Verwendung von erhitztem Gas mehrere Nachteile auf. Sie erfordert eine relativ hohe Energiemenge, um den Zustand des Schalters zu verändern, und die durch das Schalten erzeugte Wärme muß effektiv ab geführt werden, wenn der Schaltbelastungszyklus hoch ist. Ferner ist die Betätigungsrate relativ niedrig, wobei die maximale Rate auf einige wenige hundert Hertz begrenzt ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Relais und ein Verfahren zu schaffen, die ein Schalten mit niedriger Energie und hoher Rate ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Relais gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst.

Es wird ein elektrisches Relais offenbart, das eine leitende Flüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet. In dem Relais ist ein Paar von beweglichen Schaltkontakten zwischen einem Paar von feststehenden Kontaktanschlußflächen positioniert. Die Oberfläche jedes Kontakts unterstützt ein Tröpfchen einer leitenden Flüssigkeit, beispielsweise Flüssigmetall. Ein Betätigungsglied wird mit Energie versorgt, um das Paar von Schaltkontakten zu bewegen und den Zwischenraum zwischen einer der feststehenden Kontaktanschlußflächen und einem der Schaltkontakte zu schließen, wodurch bewirkt wird, daß sich leitende Flüssigkeitströpfchen vereinigen und eine elektrische Schaltung bilden. Zur selben Zeit wird der Zwischenraum zwischen der anderen feststehenden Kontaktanschlußfläche und dem anderen Schaltkontakt erhöht, wodurch bewirkt wird, daß leitende Flüssigkeitströpfchen sich trennen und eine elektrische Schaltung unterbrechen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Verriegelungsrelais gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht eines Verriegelungsrelais, bei dem die Abdeckschicht entfernt ist, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 eine Schnittansicht eines Verriegelungsrelais gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4 eine Draufsicht eines Schaltungssubstrats eines Verriegelungsrelais, bei dem die Abdeckschicht entfernt ist, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
5 eine weitere Schnittansicht eines Verriegelungsrelais gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
Das elektrische Relais der vorliegenden Erfindung verwendet eine leitende Flüssigkeit, beispielsweise Flüssigmetall, um den Zwischenraum zwischen zwei elektrischen Kontakten zu überbrücken und dadurch eine elektrische Schaltung zwischen den Kontakten zu schließen. Zwei bewegliche elektrische Kontakte, die als Schaltkontakte bezeichnet werden, sind zwischen einem Paar von feststehenden Kontaktanschlußflächen positioniert. Eine Oberfläche jedes Kontaktes trägt ein Tröpfchen einer leitenden Flüssigkeit. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die leitende Flüssigkeit ein Flüssigmetall, beispielsweise Quecksilber, mit einer hohen Leitfähigkeit, einer niedrigen Volatilität und einer hohen Oberflächenspannung. Ein Betätigungsglied, das bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Element ist, ist mit einem Kontaktträger gekoppelt, der die zwei Schaltkontakte stützt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein magnetorestriktives Element, das beispielsweise aus Terfenol-D hergestellt ist, verwendet. Im folgenden werden piezoelektrische Elemente und magnetorestriktive Elemente kollektiv als ein „piezoelektrische Elemente" bezeichnet. Im Energieversorgungszustand bewegt das Betätigungsglied den Kontaktträger so, daß sich ein erster Schaltkontakt zu einer ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche hin bewegt, was bewirkt, daß sich die Tröpfchen der leitenden Flüssigkeit an den Kontakten vereinigen und eine elektrische Schaltung zwischen dem ersten Schaltkontakt und der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche schließen. Die relative Positionierung der Kontakte ist derart, daß, während sich der erste Schaltkontakt zu der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche hin bewegt, sich der zweite Schaltkontakt von der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche wegbewegt. Dies wird erreicht, indem die Schaltkontakte zwischen die feststehenden Kontaktanschlußflächen plaziert werden. Nachdem sich der Schaltzustand geändert hat, wird die Energieversorgung des Betätigungsglieds unterbrochen, und die Schaltkontakte kehren zu ihren Startpositionen zurück. Die leitenden Flüssigkeitströpfchen bleiben in einem einzigen Volumen vereinigt, da das Volumen der leitenden Flüssigkeit so gewählt ist, daß die Oberflächenspannung die Tröpfchen zusammenhält. Die elektrische Schaltung wird wieder unterbrochen, indem das piezoelektrische Betätigungsglied mit Energie versorgt wird, um den ersten Schaltkontakt von der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche wegzubewegen, um die Oberflächenspannungsbindung zwischen den leitenden Flüssigkeitströpfchen zu durchbrechen. Die Tröpfchen bleiben getrennt, wenn die Energieversorgung des piezoelektrischen Betätigungsglieds unterbrochen wird, vorausgesetzt, es liegt nicht genügend Flüssigkeit vor, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. Das Relais eignet sich für eine Herstellung anhand von Mikrobearbeitungstechniken.
1 ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 1 weist das Relais 100 drei Schichten auf: ein Schaltungssubstrat 102, eine Schaltschicht 104 und eine Abdeckschicht 106. Diese drei Schichten bilden ein Relaisgehäuse. Das Schaltungssubstrat 102 trägt elektrische Verbindungen mit den Elementen in der Schaltschicht und liefert eine untere Abdeckung für die Schaltschicht. Das Schaltungssubstrat 102 kann beispielsweise aus Keramik, einem Polymer oder Silizium hergestellt sein und eignet sich für eine Herstellung anhand von Mikrobearbeitungstechniken, beispielsweise anhand derjenigen, die bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen verwendet werden. Die Schaltschicht 104 kann beispielsweise aus Keramik oder Glas hergestellt sein oder kann aus einem Metall hergestellt sein, das mit einer isolierenden Schicht (beispielsweise einer Keramik) beschichtet ist. Die Abdeckschicht 106 deckt die Oberseite der Schaltschicht 104 ab und dichtet den Schalthohlraum 108 ab. Die Abdeckschicht 106 kann z.B. aus Keramik, Glas, Metall oder einem Polymer oder aus Kombinationen dieser Materialien hergestellt sein. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können Glas, Keramik oder Metall verwendet werden, um eine hermetische Abdichtung zu liefern.
2 ist eine Draufsicht des Relais, bei der die Abdeckschicht und die leitende Flüssigkeit entfernt sind. Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet die Schaltschicht 104 einen Schalthohlraum 108. Der Schalthohlraum 108 ist unten durch das Schaltungssubstrat 102 und oben durch die Abdeckschicht 106 abgedichtet. Der Hohlraum kann mit einem inerten Gas gefüllt sein. Ein erweiterbares piezoelektrisches oder magnetorestriktives Element 110 ist an der Schaltschicht befestigt und ist wirksam, um einen starren Kontaktträger 112 zu bewegen. Der Kontaktträger 112 hält Schaltkontakte 114 und 116. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein elektrisches Signal durch zusätzliche bewegliche Kontakte 118 und 120 auf dem Kontaktträger 112, die mit den Schaltkontakten 114 und 116 elektrisch gekoppelt sind, an die Schaltkontakte weitergeleitet werden. Die zusätzlichen beweglichen Kontakte sind über ein Tröpfchen einer leitenden Flüssigkeit, beispielsweise eines Flüssigmetalls, die bzw. das zwischen den zusätzlichen beweglichen Kontakten und der Anschlußfläche 126 benetzt, mit einer elektrischen Anschlußfläche 126 auf dem Schaltungssubstrat gekoppelt. Die Oberfläche zwischen den Kontakten 118 und 120 und den Kontakten 114 und 116 ist nicht-benetzbar, um eine Migration der leitenden Flüssigkeit zu verhindern und um zu ermöglichen, daß die richtigen Flüssigkeitsvolumina aufrechterhalten werden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein elektrisches Signal an die Schaltkontakte 114 und 116 durch Schaltungsleiterbahnen oder leitfähige Beschichtungen auf dem Träger 112 und dem Betätigungsglied 110 geliefert. Feststehende Kontaktanschlußflächen 122 und 124 sind an dem Schaltungssubstrat befestigt. Die freiliegenden Flächen der Kontakte sind durch eine leitende Flüssigkeit, z.B. ein Flüssigmetall, benetzbar. Die Außenoberflächen, die die elektrischen Kontakte trennen, sind nicht-benetzbar, um eine Flüssigkeitsmigration zu verhindern. Im Betrieb wird die Länge des Betätigungsglieds 110 erhöht oder verringert, um die Schaltkontakte 114 und 116 zwischen den feststehenden Kontakten 122 und 124 zu bewegen. Zum Zweck eines Niedrigfrequenzschaltens können die Kontaktanschlußflächen 122, 124 und 126 durch eine geeignete Schaltung zur Signalführung zusammen mit Anschlußflächen und Lötkugeln auf der Unterseite des Schaltungssubstrats mit einem Muttersubstrat verbunden sein. Für eine mittlere und hohe Frequenz sind die Schaltkontaktanschlußflächen 122, 124 und 126 durch Schaltungsleiterbahnen 134, 136 bzw. 128, die am Rand des Schaltungssubstrats 102 mit Kurzband-Drahtbonds verbunden sein können, elektrisch verbunden. Zum Zweck eines Hochfrequenzschaltens können auch Masseleiterbahnen 130 zu beiden Seiten der Signalleiterbahnen auf der Oberseite des Schaltungssubstrats 102 enthalten sein. Diese werden nachstehend unter Bezugnahme auf 4 erläutert.
3 ist eine Schnittansicht durch den Abschnitt 3-3 des in 2 gezeigten Verriegelungsrelais. Die Ansicht zeigt die drei Schichten: das Schaltungssubstrat 102, die Schaltschicht 104 und die Abdeckschicht 106. Der Kontaktträger 112 wird von dem freien Ende des Betätigungsglieds 110 gehalten und ist in dem Schaltkanal 108 beweglich. (Nicht gezeigte) elektrische Verbindungsleiterbahnen zum Liefern von Steuersignalen an das Betätigungsglied 110 können auf der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats 102 angeordnet sein oder durch Durchgänge in dem Schaltungssubstrat verlaufen. Die Oberflächen der Kontakte halten Tröpfchen der leitenden Flüssigkeit, die durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit in ihrer Position gehalten werden. Aufgrund der geringen Größe der Tröpfchen dominiert die Oberflächenspannung jegliche Körperkräfte, die auf die Tröpfchen einwirken, und somit werden die Tröpfchen in ihrer Position gehalten, auch wenn das Relais bewegt wird. Die Flüssigkeit zwischen den Kontakten 114 und 122 ist in zwei Tröpfchen 140 getrennt, wobei sich eines auf jedem der Kontakte 114 und 122 befindet. Die Flüssigkeit zwischen den Kontakten 116 und 124 wird zu einem einzigen Volumen 142 vereinigt. Somit besteht eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 116 und 124, jedoch keine Verbindung zwischen den Kontakten 114 und 122.
Wenn das Betätigungsglied 110 kontrahiert wird, wird der erste Schaltkontakt 114 zu dem ersten feststehenden Kontakt 122 bewegt und der zweite Schaltkontakt 116 wird von dem zweiten feststehenden Kontakt 124 wegbewegt. Wenn der Zwischenraum zwischen den Kontakten 116 und 124 groß genug ist, ist die leitende Flüssigkeit nicht ausreichend, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken, und die Verbindung 142 der leitenden Flüssigkeit ist unterbrochen. Wenn der Zwischenraum zwischen den Kontakten 114 und 122 klein genug ist, vereinigen sich die Flüssigkeitströpfchen 140 miteinander und bilden eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten. Das Flüssigkeitsvolumen ist derart gewählt, daß, wenn die Energieversorgung des Betätigungsglieds unterbrochen ist und es zu seiner nicht-abgelenkten Position zurückkehrt, die vereinigten Tröpfchen 140 vereinigt bleiben und die getrennten Tröpfchen 142 getrennt bleiben. Auf diese Weise wird das Relais in den neuen Schaltzustand verriegelt. Der Schaltzustand kann zu dem in
3 gezeigten zurückkehren, indem das Betätigungsglied 110 erweitert wird, um die Flüssigkeitsverbindung zwischen den Kontakten 114 und 122 zu unterbrechen und die Flüssigkeitströpfchen 142 dazu zu bringen, sich wieder zu vereinigen.
Die Verwendung von Quecksilber oder eines anderen Flüssigmetalls mit einer hohen Oberflächenspannung, um eine flexible, nicht-kontaktierende elektrische Verbindung zu bilden, führt zu einem Relais mit einer hohen Stromkapazität, die ein e) durch lokale Erwärmung verursachte(n) Lochfraß und Sauerstoffansammlung vermeidet.
Eine Draufsicht des Schaltungssubstrats 102 ist in 4 gezeigt. Signalleiterbahnen 128, 134 und 136 sind mit feststehenden Kontaktanschlußflächen 126, 122 bzw. 124 verbunden. Die Leiterbahnen sind mit einem Material bedeckt, das die leitende Flüssigkeit nicht benetzt, um einen unerwünschten Transfer leitender Flüssigkeit zu verhindern. Obere Masseleiterbahnen 130 sind auf beiden Seiten der Signalleiterbahnen positioniert, um eine elektrische Abschirmung zu liefern. Durchgänge 150 liefern elektrische Verbindungen von den oberen Masseleiterbahnen 130 zu unteren Masseleiterbahnen 132, so daß Masseströme die Signalströme in Verarbeitungsrichtung vor und nach der Schaltstruktur umgeben können. Alle Biegungen in den Leiterbahnen betragen nicht mehr als 45°, um Reflexionen zu minimieren. Zusätzliche Schaltungsleiterbahnen (nicht gezeigt), die Steuersignale an das Betätigungsglied liefern sollen, können ebenfalls auf dem Schaltungssubstrat gebildet sein. Alternativ dazu kann das Betätigungsglied durch eine geeignete Schaltungsweiterleitung, durch Kontaktanschlußflächen und Lötkugeln auf der Unterseite des Substrats verbunden sein.
5 ist eine Schnittansicht durch den in 2 gezeigten Abschnitt 5-5. Das Tröpfchen 152 der leitenden Flüssigkeit füllt den Zwischenraum zwischen den Kontakten 118 und 120 und der feststehenden Kontaktanschlußfläche 126 und schließt eine elektrische Schaltung zwischen denselben. Das Flüssigkeitsvolumen ist so gewählt, daß eine Bewegung des Kontaktträgers 112 diese Flüssigkeitsverbindung nicht durchbricht. Obere Masseleiterbahnen 130, die auf beiden Seiten der Kontaktanschlußfläche 126 vorliegen, sind durch Durchgänge 150 mit unteren Masseleiterbahnen 132 gekoppelt, um eine elektrische Abschirmung zu liefern.
Bei einem Betriebsmodus dient die Kontaktanschlußfläche 126 als gemeinsamer Anschluß, und ein Signal, das mit dem Anschluß verbunden ist, wird durch eine Bewegung des Betätigungsglieds 110 entweder zu der Kontaktanschlußfläche 122 oder der Kontaktanschlußfläche 124 geschaltet.

Claims

Elektrisches Relais, das folgende Merkmale aufweist: ein Relaisgehäuse, das einen Schalthohlraum (108) enthält; eine erste (122) und eine zweite (124) feststehende Kontaktanschlußfläche, die jeweils an dem Relaisgehäuse in dem Schalthohlraum (108) befestigt sind und eine benetzbare Oberfläche aufweisen; einen ersten (114) und einen zweiten (116) Schaltkontakt, die zwischen der ersten und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche positioniert sind, wobei der erste und der zweite Schaltkontakt jeweils eine benetzbare Oberfläche aufweisen; einen beweglichen Kontaktträger (112), der den ersten und den zweiten Schaltkontakt trägt; ein erstes Volumen einer leitenden Flüssigkeit (140), das sich in benetztem Kontakt mit dem ersten Schaltkontakt (114) und der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche (122) befindet; ein zweites Volumen einer leitenden Flüssigkeit (142), das sich in benetztem Kontakt mit dem zweiten Schaltkontakt (116) und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche (124) befindet; und ein Betätigungsglied (110) in einer Ruheposition, das den Kontaktträger (112) mit dem Relaisgehäuse koppelt und wirksam ist, um den Kontaktträger in einer ersten Richtung zu bewegen, um die Entfernung zwischen dem ersten Schaltkontakt (114) und der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche (122) zu verringern und die Entfernung zwischen dem zweiten Schaltkontakt (116) und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche (124) zu erhöhen, und um den Kontaktträger in einer zweiten Richtung zu bewegen, um die Entfernung zwischen dem ersten Schaltkontakt (114) und der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche (122) zu erhöhen und die Entfernung zwischen dem zweiten Schaltkontakt (116) und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche (124) zu verringern, wobei: eine Bewegung des Kontaktträgers (112) in der ersten Richtung bewirkt, daß das erste Volumen der leitenden Flüssigkeit (140) eine Verbindung zwischen dem ersten Schaltkontakt (114) und der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche (122) bildet, und bewirkt, daß sich das zweite Volumen der leitenden Flüssigkeit (142) in zwei Tröpfchen teilt, wodurch eine Verbindung zwischen dem zweiten Schaltkontakt (116) und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche (124) unterbrochen wird; und eine Bewegung des Kontaktträgers (112) in der zweiten Richtung bewirkt, daß sich das erste Volumen der leitenden Flüssigkeit (140) in zwei Tröpfchen teilt, wodurch die Verbindung zwischen dem ersten Schaltkontakt (114) und der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche (122) unterbrochen wird, und bewirkt, daß das zweite Volumen der leitenden Flüssigkeit (142) eine Verbindung zwischen dem zweiten Schaltkontakt (116) und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche (124) bildet.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 1, bei dem das Betätigungsglied (110) ein piezoelektrisches Betätigungsglied ist.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 1, bei dem das Betätigungsglied (110) ein magnetorestriktives Betätigungsglied ist.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das erste (140) und das zweite (142) Volumen der leitenden Flüssigkeit Flüssigmetalltröpfchen sind.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das erste (140) und das zweite (142) Volumen der leitenden Flüssigkeit derart sind, daß verbundene Volumina verbunden bleiben, wenn das Betätigungsglied zu seiner Ruheposition zurückkehrt, und daß getrennte Tröpfchen getrennt bleiben, wenn das Betätigungsglied zu seiner Ruheposition zurückkehrt.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner elektrische Verbindungen (134, 136, 126, 128) zu der ersten und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche und zu dem ersten und dem zweiten Schaltkontakt aufweist.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 6, bei dem die elektrischen Verbindungen (134, 136) zu der ersten und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche und die elektrischen Verbindungen (126, 128) zu dem ersten und dem zweiten Schaltkontakt durch Masseleiter (130) elektrisch abgeschirmt sind.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem die elektrische Verbindung (126, 128) zu dem ersten und dem zweiten Schaltkontakt folgende Merkmale aufweist: einen ersten beweglichen Kontakt (118, 120), der durch den Kontaktträger (112) gehalten ist und mit dem ersten und dem zweiten Schaltkontakt elektrisch gekoppelt ist; eine dritte feststehende Kontaktanschlußfläche (126), die in der Nähe des ersten beweglichen Kontaktes (118, 120) positioniert ist und eine Oberfläche aufweist, die durch eine leitende Flüssigkeit benetzbar ist; und ein drittes Volumen einer leitenden Flüssigkeit (152), das sich in benetztem Kontakt mit dem ersten beweglichen Kontakt (118, 120) und der dritten feststehenden Kontaktanschlußfläche (126) befindet und eine elektrische Verbindung zwischen denselben bildet, wobei das dritte Volumen der leitenden Flüssigkeit (152) derart bemessen ist, daß die elektrische Verbindung zwischen dem ersten beweglichen Kontakt (118, 120) und der dritten feststehenden Kontaktanschlußfläche (126) aufrechterhalten wird, wenn der Kontaktträger (112) bewegt wird.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Relaisgehäuse folgende Merkmale aufweist: ein Schaltungssubstrat (102), das elektrische Verbindungen zu dem Betätigungsglied, dem ersten und dem zweiten Schaltkontakt und der ersten und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche trägt; eine Abdeckschicht (106); und eine Schaltschicht (104), die zwischen dem Schaltungssubstrat (102) und der Abdeckschicht (106) positioniert ist und den in derselben gebildeten Schalthohlraum (108) aufweist.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 9, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu der ersten und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche und dem ersten und dem zweiten Schaltkontakt durch das Schaltungssubstrat verläuft und in einer Lötkugel endet.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu der ersten und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche und dem ersten und dem zweiten Schaltkontakt an einer Kante der Schaltschicht endet.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu der ersten und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche und dem ersten und dem zweiten Schaltkontakt eine auf der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats angeordnete Leiterbahn ist.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 12, das ferner eine erste Mehrzahl von Masseleiterbahnen (130) aufweist, die zu beiden Seiten der zumindest einen elektrischen Verbindung auf der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats angeordnet sind.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 13, das ferner eine zweite Mehrzahl von Masseleiterbahnen aufweist, die auf der unteren Oberfläche des Schaltungssubstrats angeordnet ist, wobei die erste Mehrzahl von Masseleiterbahnen durch einen oder mehrere Durchgänge, die durch das Schaltungssubstrat verlaufen, mit der zweiten Mehrzahl von Masseleiterbahnen elektrisch verbunden ist.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, das anhand eines Mikrobearbeitungsverfahrens hergestellt ist.
Verfahren zum Schalten zwischen einer ersten elektrischen Schaltung, zwischen einem ersten Schaltkontakt (114) und einer ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche (122), und einer zweiten elektrischen Schaltung, zwischen einem zweiten Schaltkontakt (116) und einer zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche (124) in einem Relais, wobei der erste und der zweite Schaltkontakt auf einem Kontaktträger (112) getragen werden und zwischen der ersten und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche positioniert sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: falls die erste elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Versorgen eines Betätigungsglieds (110) mit Energie, um den Kontaktträger (112) in einer ersten Richtung zu bewegen, wodurch der erste Schaltkontakt (114) zu der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche (122) bewegt wird, so daß ein erstes Volumen der leitenden Flüssigkeit (140), das durch zumindest entweder den ersten Schaltkontakt und/oder die erste feststehende Kontaktanschlußfläche gehalten ist, eine Benetzung zwischen dem ersten Schaltkontakt und der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche durchführt und die erste elektrische Schaltung schließt; und falls die zweite elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Versorgen eines Betätigungsglieds (110) mit Energie, um den Kontaktträger (112) in einer zweiten Richtung zu bewegen, wodurch der zweite Schaltkontakt (116) zu der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche (124) bewegt wird, so daß ein zweites Volumen der leitenden Flüssigkeit (142), das durch zumindest entweder den zweiten Schaltkontakt und/oder die zweite feststehende Kontaktanschlußfläche gehalten ist, eine Benetzung zwischen dem zweiten Schaltkontakt und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche durchführt und die zweite elektrische Schaltung schließt.
Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem: die Bewegung des Kontaktträgers (112) in der ersten Richtung den zweiten Schaltkontakt (116) von der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche (124) wegbewegt, so daß das zweite Volumen der leitenden Flüssigkeit (142) keine Benetzung zwischen dem zweiten Schaltkontakt und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche durchführen kann, wodurch die zweite elektrische Schaltung unterbrochen wird; und die Bewegung des Kontaktträgers (112) in der zweiten Richtung den ersten Schaltkontakt (114) von der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche (122) wegbewegt, so daß das erste Volumen der leitenden Flüssigkeit (140) keine Benetzung zwischen dem ersten Schaltkontakt und der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche durchführen kann, wodurch die erste elektrische Schaltung unterbrochen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, das folgende Schritte aufweist: falls die erste elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung des Betätigungsglieds (110), nachdem die erste leitende Flüssigkeit eine Benetzung zwischen dem ersten Schaltkontakt und der ersten feststehenden Kontaktanschlußfläche durchführt; und falls die zweite elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung des Betätigungsglieds (110), nachdem die zweite leitende Flüssigkeit eine Benetzung zwischen dem zweiten Schaltkontakt und der zweiten feststehenden Kontaktanschlußfläche durchführt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem das erste Betätigungsglied (110) ein piezoelektrisches Betätigungsglied ist und bei dem das Versorgen des ersten Betätigungsglieds mit Energie ein Anlegen einer elektrischen Spannung über das piezoelektrische Betätigungsglied umfaßt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem das erste Betätigungsglied (110) ein magnetorestriktives Betätigungsglied ist und bei dem das Versorgen des ersten Betätigungsglieds mit Energie ein Anlegen eines Magnetfelds über das magnetorestriktive Betätigungsglied umfaßt.