DE19935819B4

DE19935819B4 - Relais und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19935819B4
Application number: DE19935819A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Hanke; Helmut F. Prof.Dr. Schlaak
Original assignee: Tyco Electronics Logistics AG
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-07-30
Also published as: JP2003506822A; EP1203391A1; US6639325B1; CN1365504A; CN1212637C; WO2001009911A1; DE19935819A1; CA2387251A1

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft ein Relais gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere ein Mikrorelais, mit Brückenschließerkontakt. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Relais.

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

Neben Relais mit einer einfachen Schließerfunktion, bei denen der zu schaltende Laststrom in einer Leiterbahn auf der beweglichen Feder geführt wird, sind Relais wünschenswert, bei denen ein Schließer einen Brückenkontakt über zwei feste Kontakte herstellt. Der Brückenschließerkontakt bietet eine höhere Spannungsfestigkeit und im Fall von hochfrequenten Laststromsignalen eine geringere Übersprechkapazität und damit einen höheren Frequenzgang. Bei Brückenschließerkontakten tritt jedoch das Problem auf, dass die festen Kontakte unterschiedlich stark verschleißen können, und somit die Schalthübe der einzelnen festen Kontakte unterschiedlich groß werden. Dies hat zur Folge, dass an den beiden festen Kontakten unterschiedliche Kontaktkräfte auftreten. Bei starkem einseitigen Verschleiß würde ein Kontakt schließlich gar nicht mehr schließen.

Zur Realisierung eines Brückenschließerkontakts mit Hilfe des bekannten Mikrorelais würde auf der beweglichen Federzunge ein rechteckiger Kontakt angeordnet, der zwei feste Gegenkontakte überdeckt. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, dass bei unterschiedlicher Abnutzung der beiden nebeneinan derliegenden festen Kontakte unterschiedliche Kontaktkräfte auftreten. Aufgrund der hohen Torsionssteifigkeit der Federzunge kann sich der Brückenkontakt nicht auf unterschiedlich hohe Gegenkontakte einstellen. Bei weiter fortschreitender Kontakthöhendifferenz würde schließlich ein Kontakt gar nicht mehr geschlossen.

In Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die DE 42 05 029 C1 ein Relais, bei dem die Kontaktfeder im Grundriss T-förmig ausgebildet ist, und deren Flansch-Ende mit den festen Kontakten in Berührung treten und diese überbrücken. Befestigt ist die Kontaktfeder mit dem Ende des Stegs am Boden einer Ausnehmung der Schaltfeder. Der Steg dient als Torsionsfeder, seine Mitte geht durch die Verbindungslinie der festen Kontakte.

Die FR 2 742 917 A1 zeigt ein Relais mit als Torsionsfeder ausgebildeter Kontaktfeder, bei der ein mittlerer Stegteil mehrere paarweise von dem Steg wegstehende Kontaktträgerteile aufweist.

Aus der DE 44 37 259 C1 ist ein mikromechanisches Relais bekannt, bei dem in einer Schaltfeder durch Ausstanzen von Teilbereichen bogenförmige Träger für eine an den Enden dieser Träger gehaltene Kontaktfeder ausgebildet sind. Die Träger sind mit Mehrfachkrümmungen versehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Relais bereitzustellen, das miniaturisierbar ist und das auch bei unterschiedlicher Höhe der festen Kontakte einen sicheren Brückenkontakt herstellt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Mikrorelais.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Relais nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und ein Verfahren zur Herstellung der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
1 zeigt die Schaltfeder eines erfindungsgemäßen Relais, bei dem die Verbindungslinie der festen Kontakte parallel zur Befestigungslinie verläuft, in schematischer Draufsicht.
2 zeigt die Schaltfeder eines erfindungsgemäßen Relais, bei dem die Verbindungslinie der festen Kontakte senkrecht auf der Befestigungslinie steht, in schematischer Draufsicht.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Relais mit Wanderkeil im geöffneten Zustand im schematischen Längsschnitt.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Relais mit Wanderkeil im geschlossenen Zustand im schematischen Längsschnitt.
1 zeigt die Schaltfeder 3 eines erfindungsgemäßen Relais, welche entlang der Befestigungslinie 11 befestigt ist. Die Schaltfeder 3 weist eine Kontaktfeder 4 auf, welche aus dem Kontaktteil 6 und den Federteilen 7 besteht. Die Federteile 7 folgen in ihrer Form mehrmals gekrümmten Bahnen. Dadurch kann die Torsionssteifigkeit auf einen gewünschten, beliebig niedrigen Wert eingestellt werden. Die Federteile verbinden, ausgehend von beiden Seiten des Kontaktteils 6, dieses mit der Schaltfeder 3, wodurch gewährleistet ist, daß die Drehachse 12 nicht aufgrund einseitiger Befestigung des Kontaktteils 6 verkippt. Auf der Unterseite des Kontaktteils 6 ist der bewegliche Kontakt 5 (3) angeordnet. Unterhalb des Kontaktteils 6 sind die festen Kontakte 2 des nicht dargestellten Basiselementes angeordnet. Das Kontaktteil 6 ist um die Drehachse 12 drehbar. Die Drehachse 12 steht senkrecht auf der Befestigungslinie 11. Die festen Kontakte 2 sind zu beiden Seiten der Drehachse 12 unter dem Kontaktteil 6 angeordnet.
2 zeigt die Schaltfeder 3 eines erfindungsgemäßen Relais, welche entlang der Befestigungslinie 11 befestigt ist. Die Schaltfeder 3 weist eine Kontaktfeder 4 auf, welche aus dem Kontaktteil 6 und den Federteilen 7 besteht. Die Federteile 7 folgen in ihrer Form mehrmals gekrümmten Bahnen. Dadurch kann die Torsionssteifigkeit auf den gewünschten niedrigen Wert eingestellt werden. Die Federteile verbinden, ausgehend von gegenüberliegenden Seiten des Kontaktteils 6, dieses mit der Schaltfeder 3, wodurch gewährleistet ist, daß die Drehachse 12 nicht aufgrund einseitiger Befestigung des Kontaktteils 6 verkippt. Auf der Unterseite des Kontaktteils 6 ist der bewegliche Kontakt 5 (3) angeordnet. Unterhalb des Kontaktteils 6 sind die festen Kontakte 2 angeordnet. Das Kontaktteil 6 ist um die Drehachse 12 drehbar. Die Drehachse 12 liegt parallel zur Befestigungslinie 11. Die festen Kontakte sind zu beiden Seiten der Drehachse 12 unter dem Kontaktteil angeordnet.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Relais mit Wanderkeil im geöffneten Zustand. Der Wanderkeil ist gebildet aus dem Basiselement 1 und der davon weggekrümmten Schaltfeder 3, die ansonsten gemäß 2 ausgebildet ist. Auf dem Basiselement 1 sind die festen Kontakte 2, sowie die zweite Elektrode 9 mit einer Isolierschicht 10 angeordnet. Die Schaltfeder 3 ist am linken Rand mit dem Basiselement 1 fest verbunden. Die Schaltfeder 3 weist eine erste Elektrode 8 sowie das Federteil 7 und das Kontaktteil 6 der Kontaktfeder auf. Das Kontaktteil 6 ist um die Drehachse 12 drehbar. Das Kontaktteil 6 weist ferner auf seiner Unterseite einen beweglichen Kontakt 5 auf. Das drehbare Kontaktteil 6 kann sich an unterschiedlich hohe feste Kontakte 2 leicht anpassen und somit eine sichere Kontaktgabe vermitteln. Die festen Kontakte 2 sind in diesem Beispiel so angeordnet, daß ihre Verbindungslinie senkrecht steht auf der Befestigungslinie 11. Dies bewirkt, daß beim Schließen des Relais zuerst der linke und danach der recht der festen Kontakte 2 kontaktiert wird. Zudem ist auch der Kontaktabstand des linken festen Kontakts 2 stets kleiner, als der Kontaktabstand des rechten festen Kontakts 2 (außer im geschlossenen Zustand).
4 zeigt das Relais aus 3 im geschlossenen Zustand. Die Schaltfeder 3 liegt auf dem Basiselement 1 auf. Über die Schaltfeder 3 erhöht liegt das Kontaktteil 6 auf den festen Kontakten 2 auf. Die Federteile 7 verbinden die Schaltfeder mit der Kontaktfeder und stellen die Kontaktkraft zwischen dem beweglichen Kontakt 5 und den festen Kontakten 2 her.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beispielhaft gezeigten Ausführungsformen, sondern wird in ihrer allgemeinsten Form durch Anspruch 1 definiert.

Claims

Relais, umfassend – ein Basiselement (1) mit zwei festen Kontakten (2), – eine mit einem Randabschnitt entlang einer Befestigungslinie (11) befestigte Schaltfeder (3), die zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung beweglich ist und die eine Kontaktfeder (4) aufweist; – einen auf der Kontaktfeder (4) angeordneten beweglichen Kontakt (5), der in der geschlossenen Stellung der Schaltfeder (3) die festen Kontakte (2) überbrückt, – ein Antriebselement, das die Schaltfeder (3) und die Kontaktfeder (4) zwischen der geöffneten und der geschlossenen Stellung bewegt, bei dem die Kontaktfeder (4) als Torsionsfeder gestaltet ist, die um eine mittig senkrecht auf der Verbindungslinie der festen Kontakte (2) stehende, in der Kontaktfederebene liegende Drehachse (12) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder (4) aus einem Kontaktteil (6), das sich quer zur Drehachse (12) erstreckt, und mehreren Federteilen (7) besteht, die im Bereich der Drehachse (12) mit dem Kontaktteil (6) sowie mit der Schaltfeder (3) verbunden sind.
Relais nach Anspruch 1, bei dem die Form der Federteile (7) mehrmals gekrümmten Bahnen folgt.
Relais nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Federteile von gegenüberliegenden Seiten des Kontaktteils ausgehen.
Relais nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die Schaltfeder (3) am Basiselement (1) befestigt und von diesem weggekrümmt ist.
Relais nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die festen Kontakt so angeordnet sind, dass ihre Verbindungslinie senkrecht zur Befestigungslinie (11) steht.
Relais nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die festen Kontakte (2) so angeordnet sind, dass ihre Verbindungslinie parallel zur Bestigungslinie (11) steht.
Relais nach Anspruch 4 bis 6, bei dem das Antriebselement eine auf der dem Basiselement (1) zugewandten Seite der Schaltfeder (3) angeordnete erste Elektrode (8), und eine gegenüber der ersten Elektrode (8) auf dem Basiselement (1) angeordnete zweite Elektrode umfasst.
Relais nach Anspruch 1 bis 7, bei dem die Schaltfeder (2) aus Silizium und das Basiselement (1) aus Silizium oder Glas besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Relais nach Anspruch 8, mit den Schritten: a) Abscheiden der zweiten Elektrode (9), einer darüberliegenden Isolierschicht (10) und der festen Kontakte (2) auf einem das Basiselement bildene Basissubstrat b) Bonden eines Silizium-Wafers mit einer dotierten Siliziumschicht auf der dem Basissubstrat zugewandten Seite des Wafers auf das Basissubstrat c) Rückätzen des Silizium-Wafers, bis die dotierte Siliziumschicht stehenbleibt d) Strukturierung der dotierten Siliziumschicht zur Formung der Schaltfeder (3) und der Kontaktfeder (4).