CH658541A5

CH658541A5 - Relais.

Info

Publication number: CH658541A5
Application number: CH1659/82A
Authority: CH
Inventors: John Christopher Greenwood
Original assignee: Itt
Priority date: 1981-03-17
Filing date: 1982-03-17
Publication date: 1986-11-14
Also published as: JPS57197728A; DE3207920A1; US4480162A; GB2095911A; DE3207920C2; FR2502390A1; GB2095911B; FR2502390B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Festkörperrelais und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Elektrisch betätigte Relais werden in einer Vielzahl von Schaltanwendungen verwendet. Üblicherweise sind diese Relais von elektromechanischer Art, bei welcher ein oder mehrere Kontakte über eine Spule und eine Ankeranordnung betätigt werden. Obwohl solche Anordnungen sehr zuverlässig sind, ergibt deren Aufbau aus vielen Einzelteilen relativ hohe Herstellungskosten und die notwendigen Spulenströme verursachen Verlustleistung. Da es schwierig ist, sehr kleine Relaisspulen herzustellen, kann eine hohe Packungsdichte für Relais z.B. bei Telefonvermittlungsanlagen erreicht werden. Um dieses Problem zu überwinden, wurden Relais mit Zungenkontakten eingeführt, welche zwar eine gewisse Reduktion der Grösse und der Herstellungskosten brachten, jedoch noch immer relativ grosse Verlustleistungen aufweisen.

Aus dem GB-Pat. Nr. 1 584 914 ist ein Festkörperrelais bekannt, bei welchem der Schaltvorgang durch die Bewegung von einem oder mehreren dünnen streifenförmigen Siliciumgliedern bewirkt wird, wobei das oder jedes der streifenförmigen Glieder an beiden Enden befestigt ist und bei dem das Anlegen eines nichtmechanischen Einflusses auf die streifenförmigen Glieder die Betätigung der elektrischen Kontakte bewirkt.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Festkörperrelais vorzusehen, bei welchem die Kontaktbetätigung durch elektrostatische Kräfte erfolgt, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Relais anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 und 7 genannten Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Die Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Kontaktelementes eines Festkörperrelais;

die Fig. 2 einen Schnitt durch ein Festkörperrelais gemäss Fig. 1; und die Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele von Festkörperrelais.

Das Kontaktelement gemäss Fig. 1 besteht aus einem Körper aus federndem isolierendem Material, üblicherweise Silicium, und weist einen praktisch rechteckigen Rahmen 11 auf, an welchem ein Anker 12 über ein Filmscharnier 13 befestigt ist. Die Ruhelage des Ankers 12 wird durch Federn 14 bestimmt, welche je einen dünnen Streifen des federnden Materials aufweisen.

Der Rahmen 11, der Anker 12, das Filmscharnier 13 und die Federn 14 sind alles Teile einer einzigen Platte aus dem federnden, isolierenden Material.

Das Kontaktelement gemäss Fig. 1 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, welche sowohl elastisch als auch isolierend sind. Die Herstellung kann z.B. durch Laser-Bearbeitung oder, wenn das Material kristallin ist, durch eine selektive Ätzung erfolgen. Mit Vorteil wird Silicium als Material für das Festkörperrelais verwendet. Es hat sich gezeigt, dass, obwohl Silicium strenggenommen kein Isolator, sondern ein Halbleiter ist, sein Widerstand hinreichend hoch ist, um eine wirksame Isolation der darauf angeordneten Relaiskontakte zu bewirken.

Silicium wird normalerweise als Material für Elektronikelemente betrachtet, es weist jedoch auch sehr gute mechanische Eigenschaften aus. Die Kombination dieser Eigenschaften und die Erhältlichkeit von grossen Monokristallen hoher Güte zu vernünftigen Kosten macht dieses Material besonders geeignet für die vorliegende Anwendung. Es folgt dem linearen Span-nungs/Dehnungs-Gesetz von Hooke praktisch vollständig bis zum Bruch, wobei plastische Verformung bei bescheidenen Spannungen praktisch nicht vorhanden ist. Silicium weist eine Zugfestigkeit und eine Elastizität auf, die vergleichbar ist mit Stahl, und ist sowohl thermisch wie chemisch hochstabil.

Die Technik der chemischen Formgebung von Silicium, insbesondere die Verhinderung von Ätzen durch dotieren mit Bor, hat sich bis zu dem Punkt entwickelt, in dem nun die Möglichkeit besteht, sehr komplizierte Strukturen mit hoher Präzision und Wiederholbarkeit herzustellen. Der Formgebungsprozess besteht in chemischen Ätzvorgängen, welche bestimmte Kristallebenen stark bevorzugen und sehr stark ansprechen auf Pegelunterschiede des Dotierungsmaterials. Mit der Kenntnis der verschiedenen Ätzraten entlang unterschiedlicher Achsen kann die Maskierung durch Photolithographie erfolgen, um die gewünschte Form zu erhalten. Die in der konventionellen Silici-umtechnologie gut bekannten Dotiervorgänge erlauben, ausgewählte Bereiche gegen Ätzvorgänge zu schützen, wobei die Ätzrate von Silicium auf praktisch Null reduziert wird, wenn die Konzentration von Bor einen Wert von ungefähr 4 x 1019 Atome/cm3 erreicht. Auf diese Weise können Streben und Membranen mit einer Dicke von nur wenigen n hergestellt werden.

Das Element gemäss Fig. 1 kann z.B. durch selektive Ätztechniken aus einem Siliciumkörper hergestellt werden. Dabei ist das Silicium in jenen Zonen, welche erhalten bleiben sollen, selektiv mit Bor auf einem Pegel von 4 X 1019 Atomen/cm3 dotiert. Das Siliciumplättchen wird dann geätzt, z.B. mit einer Mischung aus Katechusäure, Äthylendiamin und Wasser oder einer Mischung aus Kaliumhydroxyd, Isopropylalkohol und Wasser. Es wurde gefunden, dass diese Ätzmittel chemisch selektiv wirken, wenn sie mit mit Bor dotiertem Silicium verwendet werden. Es gibt einen abrupten Wechsel in der Ätzrate von der Normalrate für undotiertes Silicium auf eine Ätzrate von praktisch Null an der Grenze zum mit Bor dotierten Silicium, so dass die Konfiguration der nicht geätzten Zonen durch deren Bor-Dotierung genau definiert werden kann. Üblicherweise wird ein einkristalliner Siliciumkörper durch eine Maske in je5

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nen Zonen mit Bor dotiert, in welchen keine Ätzung erfolgen soll, und der Körper wird dann der Ätzung unterworfen, um nur das undotierte Material zu entfernen. Solche Ätztechniken sind sehr eingehend beschrieben im GB-Pat. Nr. 1 211 499.

Obwohl in Fig. 1 nur ein einziges Kontaktelement gezeigt ist, ist es für den Fachmann klar, dass eine Vielzahl von solchen Elementen gleichzeitig auf einem einzigen Halbleiterplättchen hergestellt werden kann, welches dann anschliessend durch übliche Techniken unterteilt wird, um die einzelnen Elemente zu erhalten.

Aus Fig. 2, in welcher gewisse Abmessungen zur besseren Darstellung übertrieben sind, ist ersichtlich, dass das im Schnitt gezeigte Festkörperrelais aus drei Schichten besteht. Die Anordnung weist ein isolierendes Substrat 21, z.B. aus Glas auf, auf welchem feste Elektroden 22 und feste Kontakte 23 aufgebracht sind. Die mittlere Schicht ist das aus Fig. 1 ersichtliche Kontaktelement 10. Die oberste Schicht ist ein Deckel 26, welcher auch als Anschlag für den Anker 12 in dessen offener Stellung dient. Der durch die Anordnung gebildete Hohlraum 24 kann hermetisch verschlossen, evakuiert oder mit einem inerten Gas gefüllt werden, so dass die für die erforderliche Schliesskraft notwendigen elektrischen Felder ohne Risiko eines elektrischen Durchschlages angelegt werden können. Ein Vakuum ergibt gleichzeitig eine schadstofffreie Umgebung für die Kontakte 23 und 31.

Um einen Durchhang des mitterlen Teiles des Ankers 12 beim Betrieb zu vermeiden, können einer oder mehrere Isolier-5 anschläge 25 auf dem Substrat 22 unter dem Anker 12 vorgesehen werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Varianten von Kontaktanordnungen. Bei der Anordnung nach Fig. 3 ist auf dem Anker ein einziger L-förmiger Leitungszug 31 ausgebildet, welcher metallo lische Leitungszug sich über das Scharnier nach aussen zu einem nichtgezeigten externen Anschluss erstreckt. Wenn der Anker in geschlossener Stellung ist, liegt die leitende Spur 31 auf einer festen leitenden Spur 32 auf, welche auf dem Boden des Relais ausgebildet ist, um den Kontakt zu schliessen. 15 Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist keine elektrische Verbindung zum Ankerkontakt notwendig. Bei dieser Anordnung weist der bewegliche Kontakt einen leitenden Streifen 33 auf dem freien Ende des Ankers auf. Wenn der Anker in der geschlossenen Stellung ist, überbrückt der bewegliche Kontakt 33 20 ein Paar von festen Kontakten 34 und 35, um eine Verbindung herzustellen. Vorteilhafter weise bestehen der bewegliche und die festen Kontakte aus aufgedampften Streifen aus Gold oder einer Goldlegierung.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Festkörperrelais, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (21, 26), auf dessen Boden (21) feste Kontakte (23) angeordnet sind, durch ein im Gehäuse angeordnetes Kontaktelement (10) aus einem isolierenden Körper und einem mit diesem aus einem Stück bestehenden, gelenkig verbundenen Anker (12) und durch auf dem Anker angeordnete bewegliche Kontakte (31), wobei der Anker durch elektrostatische Kräfte bewegbar ist, um die beweglichen und festen Kontakte in Eingriff zu bringen.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (10) mit aus diesem mit einem Stück bestehenden Federmitteln (14) versehen ist, um den Anker (12) in eine Stellung zu bringen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement aus Silicium besteht.

4. Relais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Silicium mit Bor dotiert ist.

5. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse hermetisch geschlossen ist.

6. Relais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse luftleer ist oder ein inertes Gas enthält.

7. Verfahren zur Herstellung eines Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Kontaktelement (10) aus einem flachen Körper aus isolierendem Material durch Wegnahme von Material hergestellt wird, um einen mit diesem Körper aus einem Stück bestehenden gelenkig beweglichen Anker (12) zu bilden, und dass einer oder mehrere Kontakte auf dem Anker niedergeschlagen werden.

8. Verwendung einer Anzahl von Relais nach Anspruch 1 in einer Fernmeldevermittlungsanlage.