CN117476403A - 一种微机械的可电操纵的开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械的可电操纵的开关，该开关具有带有第一工作触点(11)的第一继电器(10)，具有带有第二工作触点(21)的第二继电器(20)，其中，第一工作触点和第二工作触点串联布置在共同的负载路径(100)中，具有用于探测第一工作触点的开关状态的探测装置，具有用于记录第一工作触点的开关状态并且用于接通可电操纵的开关的控制电路(7)，其中，该控制电路设置为用于响应于接通信号：在第一工作触点的开关状态为“打开”的第一情况下，接通第一继电器和第二继电器，而在第一工作触点的开关状态为“闭合”的第二情况下，至少不接通第二继电器。

Description

一种微机械的可电操纵的开关

技术领域

本发明涉及一种微机械的可电操纵的开关。

背景技术

传统继电器通过磁线圈驱动。这些传统继电器相对较大并且具有在接通状态中的一定的不可忽略的电流消耗。开关力非常高，并且可以视不同的结构方式而定接通高电压和高电流。视结构方式和运行条件而定，此类继电器可承受多达几百万个开关周期。如果继电器失效，则这些继电器保持几乎总是在持续接通状态中。其缺点是，在非期望的持续接通状态下，另外的构件也非期望地被供给以电压或电流，而因此可能毁坏这些构件。因此不仅继电器失效，而且附加地可能还产生大的继发损害。

最近，还出现电容式驱动器的MEMS继电器。这些MEMS继电器明显更小。然而通过电容偏转仅产生较少的力。通过定义的MEMS制造工艺可以产生比同类的传统继电器具有高两到三个数量级的继电器。由于更低的复位力，MEMS继电器总是具有不利的持续接通状态地失效。这具有两个主要原因。一方面，触点面随时间退化，而因此导致保持力的提高。另一方面，MEMS继电器的弹簧疲劳，这导致减少的复位力。

发明内容

本发明的任务是，提出一种电容式操控的MEMS继电器，该MEMS继电器具有高使用寿命，并且在其使用寿命的结束时可靠地保持在持续关断状态中。

本发明涉及一种微机械的可电操纵的开关，该开关具有带有第一工作触点的第一继电器和带有第二工作触点的第二继电器，其中，第一工作触点和第二工作触点串联布置在共同的负载路径中。

提出构建两级的、串联的MEMS继电器，在该MEMS继电器中，至少监控第一级的功能，并且在第一级失效的情况下关断第二级，并且然后，该第二级总是保持关断，无论施加怎样的控制信号。

在最简单的布置中，利用两个具有分析处理和控制电路的MEMS继电器。这两个继电器串联，其中的至少一个第一继电器具有探测装置，借助该探测装置可以测量该继电器的开关状态。如果向控制电路发送接通信号，则该控制电路检查第一继电器是否处于关断状态中、即尚未到达其使用寿命的结束。如果是这种情况，则通过该控制电路接通两个继电器。如果第一继电器处于非期望的接通状态中，则特别是不接通第二继电器。

在这种布置中特别有利的是电容式操控的MEMS继电器，因为其可以特别快速地开关。

在这种布置中有利的是，在接通过程中首先接通第二继电器然后接通第一继电器，并且反之，在关断过程中应首先关断第一继电器。因此，电接通总是通过第一继电器进行，而第二继电器总是被转换为无源的、即处于没有电流的情况下。已知，在电流下的接通可能明显减少使用寿命。借助该电路布置能够确保，第一继电器总是首先失效并且保护机制被激活。

在这种布置中进一步有利的是，第二继电器在复位力方面设计得更强。因此能够达到，第一继电器总是比第二继电器具有更小的使用寿命。借助这种布置中因此能够确保，第一继电器总是首先失效并且保护机制被激活。

在这种布置中进一步有利的是，第二继电器在接通状态中的电传导能力方面设计得略微更强。因此能够达到，在电流峰或电压峰的情况下，第一继电器总是比第二继电器具有更小的使用寿命。借助这种布置中因此能够确保，第一继电器总是首先失效并且保护机制被激活。

尤其有利的是，两个继电器在一个MEMS芯片内实现。由于共同的制造工艺和在晶圆上的位置接近，两个继电器在机械上非常相似，并且典型的、不同晶圆之间的差异或晶圆上的参数的差异无关紧要。因此，特别简单地稳定地建立最后两个所说明的有利布置方式。此外，可以在芯片中特别简单且节省位置地组合两个继电器。

对于应用者有利的是，分析处理电路连同两个继电器一起安装在壳体中。因此对于应用者省去了这两个继电器和控制电路的接线。

根据一种实施方式，所述第一工作触点能够借助第一促动器和第一复位弹簧来操纵，所述第二工作触点能够借助第二促动器和第二复位弹簧来操纵。

根据一种实施方式，所述第一促动器和所述第二促动器构型为电容式驱动器。

根据一种实施方式，所述第二工作触点比所述第一工作触点具有更短的响应时间，并且所述第一工作触点比所述第二工作触点具有更短的回位时间(Rückfallzeit)。

根据一种实施方式，所述第二复位弹簧比所述第一复位弹簧具有更大的弹簧常数。

根据一种实施方式，所述第一促动器具有第一驱动电极，所述第二促动器具有第二驱动电极，并且所述第二驱动电极大于所述第一驱动电极。

根据一种实施方式，在开关状态“闭合”中，所述第二工作触点比所述第一工作触点具有更大的电传导能力。

根据一种实施方式，所述探测装置构型为用于至少对所述第一工作触点的开关状态进行电容式测量并且具有探测电极。

根据一种实施方式，所述控制电路设置为用于在所述第二情况下输出关于所述第一继电器的故障的故障信号。

根据一种实施方式，所述第一继电器与所述第二继电器集成在共同的MEMS继电器模块中、特别是在共同的微机械衬底上。

在一种技术上开销更大的解决方案中，还可以对串联的两个继电器监控开关状态。因此可制造特别安全的继电器。无论这两个继电器中的哪个继电器首先失效都能够探测到失效并且总是确保安全的关断状态。

在这种布置中还有利的是，相继接通这两个继电器，以便在电压峰或电流峰的情况下仅涉及一个继电器而另外的继电器可以用作安全继电器。

在这种布置中尤其有利的是，在两个继电器之间周期地或随机地变换开关顺序。因此能够达到，使两个继电器在相似的程度上负载。因此能够提高模块的使用寿命而不使保护功能由此受损。

此外，分析处理电路还可以要么通过接口如SPI要么通过控制信号向用户发回关于继电器失效的信号。

还可以可选地利用该新的布置以向用户发回继电器失效作为警告警报，而该布置通过第二继电器继续保持运行。该用户则可以在超过第二继电器的使用寿命之前提前考虑地更换继电器模块，但系统在此期间保持完全具有功能能力。

该布置不限于串联的两个继电器，也可以利用串联的多个继电器，在所述串联的多个继电器的情况下，至少在一个继电器处或者也可以在多个继电器处监控开关状态，并且这些继电器通过控制电路做出响应。

该布置也不局限于纯串联的继电器。例如也可考虑继电器矩阵布置。在这样的布置中有利的是，探测该矩阵布置的所有开关状态并且在少量输入部或输出部处分别放置安全继电器，以便在一个继电器失效的情况下停用整个开关矩阵或该开关矩阵的一部分。

特别有利的是，利用第一继电器，该第一继电器通过测量运动结构相对于固定的对电极的电容来测量该第一继电器的实际开关状态。电容式测量非常快并且消耗非常少的能量。此外，可以特别简单地实现在电容式的MEMS继电器中的另外的对电极。

两个继电器的控制可以通过控制单元的两个分开的线路进行。但在一种特别有利的变型中，也可以通过相同的电容信号来控制两个继电器。这一方面可以简单地映射在控制单元中，因为不必将时间偏差编入程序，另一方面因此能够达到更快的开关周期。为了达到这一点，有利地利用第一继电器，该第一继电器比第二继电器具有更慢的接通时间和更短的关断时间。

在一种特别简单的变型中，这可以在芯片内通过使用两个继电器结构来达到，其中，第一结构具有更小的驱动电极或更硬的弹簧，或具有这两者。由此，第一继电器可以被更晚地接通并且更早地再释放。通过这两个继电器的串联因此确保，第一继电器不仅在接通过程中而且在关断过程中都更强地负载。对于这种变型在此有利的是，能够以节省位置的方式将第一继电器中的剩余面积用于构造探测电极。

此外有利的是运行控制电路，该运行分别在继电器的关断时检查第一继电器的状态并且在存在故障行为的情况下在内部已设置旗标(Flag)，使得在重新接通时在设置了旗标的情况下不向继电器发送控制信号。因此能够实现特别快速地工作的继电器，因为控制电路在输出控制信号之前不必先对第一继电器的状态进行电容式分析处理。旗标可以是存储单元，但也可以是控制电路的物理部分。如果观察到第一继电器的故障行为，则例如可以在控制电路中烧断细导电轨或者通过电压脉冲击穿二极管。所述细导电轨或二极管在控制电路中这样布置，使得在元件毁坏的情况下不再能够物理地向继电器输出控制信号并因此使这些继电器停用。

附图说明

图1示意性示出具有安全功能的根据本发明的MEMS继电器。

图2示意性示出具有安全功能的根据本发明的MEMS继电器的方框图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的继电器的示例性的结构。控制电路7和具有两个继电器的MEMS继电器模块8布置在壳体6中。两个继电器串联。在第一继电器10中，为电容式工作的第一促动器13设置较小的驱动电极130。第一继电器中的第一复位弹簧12略微较硬。在第一驱动电极旁边的剩余区域被用于探测电极15。借助该探测电极电容式地探测第一工作触点的运动元件的位置并且由此确定开关状态。

第二继电器20在第一继电器失效的情况下用作保险，在第二继电器20中，为第二促动器14设置相比于第一驱动电极相对较大的第二驱动电极140。如果两个驱动电极同时接通，则第二继电器首先闭合并且因此不通过该接通过程而受到负载。在第二继电器中，第二复位弹簧22设计得比第一复位弹簧12略微较软。如果两个驱动电极同时关断，则第一继电器首先打开并且又通过该关断过程而更多地受到负载。如果第一继电器失效，即，第一工作触点保持在开关状态“闭合”中并因此保持在持续接通状态中，则第一继电器被控制电路通过评估探测电极的信号而识别出，并且该控制电路负责使第二继电器从现在起保持总是打开。(在该附图中仅示出各个电连接的一种选择)。

图2示意性示出具有安全功能的根据本发明的MEMS继电器的方框图。示出可电操纵的开关，该开关具有带有第一工作触点11的第一继电器10、带有第二工作触点21的第二继电器20、用于探测第一工作触点的开关状态的探测装置5和用于记录第一工作触点的开关状态并且用于接通该可电操纵的开关的控制电路7。第一工作触点和第二工作触点串联布置在共同的负载路径100中。控制电路设置为用于响应于接通信号50，在第一工作触点的开关状态为“打开”的第一情况下接通第一继电器和第二继电器，而在第一工作触点的开关状态为“闭合”的第二情况下至少不接通第二继电器。为此，控制电路输出第一继电器开关信号30和第二继电器开关信号40。

在一种替代的实施例(未在图中示出)中，为两个继电器设置共同的继电器开关信号。

在一种替代的实施例(未在图中示出)中，还设置另一探测装置，该探测装置用于也对第二工作触点的开关状态进行探测。在此示例中，控制电路相应地设置为用于记录第二工作触点的开关状态。

参考标记列表

10第一继电器

11工作触点

12第一复位弹簧

13第一促动器

15探测装置

20第二继电器

21第二工作触点

22第二复位弹簧

24第二促动器

30第一继电器开关信号

40第二继电器开关信号

50接通信号

6 壳体

7 控制电路

8MEMS继电器模块

100 负载路径

130 第一驱动电极

150 探测电极

240 第二驱动电极

Claims (10)

1.一种微机械的可电操纵的开关，

-具有带有第一工作触点(11)的第一继电器(10)，

-具有带有第二工作触点(21)的第二继电器(20)，

-其中，所述第一工作触点和所述第二工作触点串联布置在共同的负载路径(100)中，

-具有探测装置，所述探测装置用于探测所述第一工作触点的开关状态，

-具有控制电路(7)，所述控制电路用于记录所述第一工作触点的开关状态并且用于接通所述可电操纵的开关，

其中，所述控制电路设置为用于响应于接通信号：

-在所述第一工作触点的开关状态为“打开”的第一情况下，接通第一继电器和第二继电器，和

-在所述第一工作触点的开关状态为“闭合”的第二情况下，至少不接通第二继电器。

2.根据权利要求1所述的微机械的可电操纵的开关，其特征在于，所述第一工作触点(11)能够借助第一促动器(13)和第一复位弹簧(12)来操纵，所述第二工作触点(21)能够借助第二促动器(24)和第二复位弹簧(22)来操纵。

3.根据权利要求2所述的微机械的可电操纵的开关，其特征在于，所述第一促动器(13)和所述第二促动器(24)构型为电容式驱动器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的微机械的可电操纵的开关，其特征在于，所述第二工作触点(21)比所述第一工作触点(11)具有更短的响应时间，并且所述第一工作触点(11)比所述第二工作触点(21)具有更短的回位时间。

5.根据前述权利要求2至4中任一项所述的微机械的可电操纵的开关，其特征在于，所述第二复位弹簧(22)比所述第一复位弹簧(12)具有更大的弹簧常数。

6.根据前述权利要求2至5中任一项所述的微机械的可电操纵的开关，其特征在于，所述第一促动器(13)具有第一驱动电极(130)，所述第二促动器(24)具有第二驱动电极(240)，并且所述第二驱动电极大于所述第一驱动电极。

7.根据前述权利要求中任一项所述的微机械的可电操纵的开关，其特征在于，在开关状态“闭合”中，所述第二工作触点(21)比所述第一工作触点(11)具有更大的电传导能力。

8.根据前述权利要求中任一项所述的微机械的可电操纵的开关，其特征在于，所述探测装置(15)构型为用于至少对所述第一工作触点(11)的开关状态进行电容式测量并且具有探测电极(150)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的微机械的可电操纵的开关，其特征在于，所述控制电路(7)设置为用于在所述第二情况下输出关于所述第一继电器的故障的故障信号。

10.根据前述权利要求中任一项所述的微机械的可电操纵的开关，其特征在于，所述第一继电器(10)与所述第二继电器(20)集成在共同的MEMS继电器模块(8)中、特别是在共同的微机械衬底上。