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Stand der Technik
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Klassische Relais werden über eine Magnetspule angetrieben. Sie sind relativ groß und haben einen gewissen nicht zu vernachlässigbaren Stromverbrauch im angeschalteten Zustand. Die Schaltkräfte sind sehr hoch, und es können je nach Bauart hohe Spannungen und hohe Ströme geschalten werden. Je nach Bauweise und Betriebsbedingungen halten derartige Relais bis zu einigen Millionen Schaltzyklen aus. Fallen die Relais aus so verbleiben sie fast immer im Dauer-Ein-Zustand. Nachteilig daran ist, dass im ungewollten Dauer-Ein-Zustand auch ungewollt weitere Bauteile mit Spannung oder Strom versorgt werden und damit diese Bauteile zerstört werden können. Es fällt also nicht nur das Relais aus, sondern zusätzlich können auch große Folgeschäden entstehen. In neuerer Zeit gibt es auch kapazitiv angetriebene MEMS-Relais. Diese sind deutlich kleiner. Allerdings können über die kapazitive Auslenkung nur geringe Kräfte erzeugt werden. Durch den definierten MEMS-Herstellungsprozess können Relais erzeugt werden, die eine um zwei bis drei Größenordnungen höhere Lebensdauer haben als vergleichbare klassische Relais. MEMS-Relais fallen, aufgrund der geringeren Rückstellkräfte, immer mit dem ungünstigen Dauer-Ein-Zustand aus. Das hat zwei hauptsächliche Ursachen. Zum einen degradieren mit der Zeit die Kontaktflächen, und es kommt damit zu einer Erhöhung der Haftkraft. Zum anderen ermüden die Federn des MEMS-Relais was zu reduzierten Rückstellkräften führt.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein kapazitiv angesteuertes MEMS-Relais zu schaffen, welches eine hohe Lebensdauer hat und am Ende seiner Lebensdauer zuverlässig in einem Dauer-Aus-Zustand verbleibt.
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Kern und Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen elektrisch betätigbaren Schalter, mit einem ersten Relais mit einem ersten Arbeitskontakt, mit einem zweiten Relais mit einem zweiten Arbeitskontakt, wobei der erste Arbeitskontakt und der zweite Arbeitskontakt in Reihe in einem gemeinsamen Lastpfad angeordnet sind.
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Es wird vorgeschlagen ein zweistufiges, in Reihe geschaltetes MEMS-Relais zu bauen, bei dem mindestens die Funktion der ersten Stufe überwacht wird und bei Ausfall der ersten Stufe die zweite Stufe ausgeschalten wird und dann immer ausgeschaltet bleibt, egal welches Steuersignal anliegt.
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In der einfachsten Anordnung werden zwei MEMS-Relais mit einer Auswertungs- und Steuerschaltung genutzt. Die beiden Relais sind in Reihe geschaltet, mindestens ein erstes Relais davon hat eine Detektionseinrichtung mit dem der Schaltzustand des Relais gemessen werden kann. Wird das Ein-Signal an die Steuerschaltung gesendet, prüft die Steuerschaltung, ob das erste Relais sich im ausgeschalteten Zustand befindet, also noch nicht das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat. Ist das der Fall werden beide Relais durch die Steuerschaltung eingeschalten. Befindet sich das erste Relais im ungewollten eingeschalteten Zustand, wird das insbesondere das zweite Relais nicht eingeschaltet.
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Besonders günstig in dieser Anordnung sind kapazitiv angesteuerte MEMS-Relais, da dies besonders schnell geschalten werden können.
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Günstig in dieser Anordnung ist es beim Einschaltvorgang zuerst das zweite und dann das erste Relais einzuschalten und umgekehrt beim Ausschaltvorgang sollte das erste Relais zuerst ausgeschalten werden. Damit erfolgt die elektrische Schaltung über immer über das erste Relais, während das zweite Relais immer passive, also bei keinem Stromfluss, geschalten wird. Bekannt ist, dass das die Schaltung unter Strom die Lebensdauer deutlich reduzieren kann. Mit dieser Schaltanordnung kann sichergestellt werden, dass das erste Relais immer als erstes ausfällt und der Schutzmechanismus aktiv wird.
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Weiter günstig in dieser Anordnung ist es das zweite Relais bezüglich der Rückstellkraft etwas stärker auszulegen. Damit kann erreicht werden, dass das erste Relais immer eine kleinere Lebensdauer hat als das zweite Relais. Mit dieser Anordnung kann damit sichergestellt werden, dass das erste Relais immer als erstes ausfällt und der Schutzmechanismus aktiv wird.
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Weiter günstig in dieser Anordnung ist es das zweite Relais bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit im Ein-Zustand etwas stärker auszulegen. Damit kann erreicht werden, dass das erste Relais bei Strom- oder Spannungsspitzen immer eine kleinere Lebensdauer hat als das zweite Relais. Mit dieser Anordnung kann damit sichergestellt werden, dass das erste Relais immer als erstes ausfällt und der Schutzmechanismus aktiv wird.
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Besonders günstig, ist es, wenn die beiden Relais innerhalb eines MEMS-Chips realisiert werden. Durch den gemeinsamen Herstellungsprozess und die örtliche Nähe auf dem Wafer sind beide Relais mechanisch sehr ähnlich und typische Streuungen zwischen unterschiedlichen Wafern oder Streuungen der Parameter auf dem Wafer fallen nicht ins Gewicht. Es wird damit besonders einfach die beiden zuletzt ausgeführten günstigen Anordnungsformen stabil herzustellen. Weiter können in einem Chip zwei Relais besonders einfach und platzsparend kombiniert werden.
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Günstig für den Anwender ist es, wenn die Auswerteschaltung in einem Gehäuse zusammen mit den beiden Relais verbaut wird. Für den Anwender entfällt damit die Verdrahtung der beiden Relais und der Steuerschaltung.
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In einer technisch aufwendigeren Lösung kann auch an beiden in Reihe geschalteten Relais der Schaltzustand überwacht werden. Damit ist ein besonders sicheres Relais herstellbar. Egal welches der beiden Relais zuerst ausfällt, man kann den Ausfall detektieren und immer einen sicheren Auszustand gewährleisten.
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Günstig ist es auch in dieser Anordnung die beiden Relais nacheinander zu schalten, um im Fall von Spannungs- oder Stromspitzen nur ein Relais betroffen ist und das weitere Relais als Sicherheitsrelais dienen kann.
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Besonders günstig ist es in dieser Anordnung der Schaltreihenfolge zwischen den beiden Relais zyklisch oder zufällig zu wechseln. Damit kann erreicht werden, dass beide Relais in ähnlichem Maße belastet werden. Somit kann die Lebensdauer des Moduls erhöht werden, ohne dass die Schutzfunktion darunter leidet.
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Weiter kann die Auswerteschaltung auch ein Signal über den Ausfall des Relais an den Nutzer zurückgeben, entweder über eine Schnittstelle wie SPI oder über ein Steuersignal.
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Die neue Anordnung kann auch optional dazu genutzt werden, den Ausfall eines Relais an den Nutzer als Warnmeldung zurückzugeben, während die Anordnung über das zweite Relais weiter in Betrieb bleibt. Der Nutzer kann dann vorsorglich das Relais-Modul wechseln, bevor die Lebensdauer des zweiten Relais überschritten wird, das System bleibt aber in der Zwischenzeit voll funktionsfähig.
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Die Anordnung ist nicht auf zwei in Reihe geschaltet Relais begrenzt, es können auch mehrere in Reihe geschaltete Relais genutzt werden, bei denen mindestens bei einem oder auch mehreren der Schaltzustand überwacht wird und die über eine Steuerschaltung angesprochen werden.
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Die Anordnung ist auch nicht auf rein in Reihe geschaltet Relais beschränkt. Beispielsweise sind auch Relais-Matrix-Anordnungen denkbar. Günstig bei derartigen Anordnungen ist es alle Schaltzustände der Matrixanordnung zu detektieren und an den wenigen Eingängen oder Ausgängen jeweils Sicherheitsrelais zu platzieren, um bei einem Ausfall eines Relais die gesamte Schaltmatrize oder Teile der Schaltmatrize zu deaktivieren.
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Besonders günstig ist es ein erstes Relais zu nutzen, das über die Messung der Kapazität der beweglichen Struktur zu einer feststehenden Gegenelektrode den tatsächlichen Schaltzustand des ersten Relais zu messen. Kapazitive Messungen sind sehr schnell und verbrauchen sehr wenig Energie. Weiter kann eine weitere Gegenelektrode in einem kapazitiven MEMS-Relais besonders einfach realisiert werden.
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Die Steuerung der beiden Relais kann über zwei getrennte Leitung der Steuereinheit erfolgen. In einer besonders günstigen Variante können aber auch beide Relais über das gleiche kapazitive Signal gesteuert werden. Das ist zum einen einfachen in der Steuereinheit abzubilden, da man keinen Zeitversatz einprogrammieren muss zum anderen kann man damit schnellere Schaltzyklen erreichen. Um das zu erreichen ist es vorteilhaft ein erstes Relais zu nutzen, das eine langsamere Einhaltzeit und eine kürzere Ausschaltzeit hat als das zweite Relais.
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In einer besonders günstigen Variante kann das innerhalb eines Chips, dadurch erreicht werden, dass zwei Relais-Strukturen verwendet werden, wobei die erste Struktur eine kleinere Antriebselektrode oder eine härte Feder, oder beides hat. Dadurch schaltet das erste Relais später ein und lässt früher wieder los. Durch die Reihenschaltung der beiden Relais ist damit garantiert, dass das erste Relais sowohl beim Einschaltvorgang als auch beim Ausschaltvorgang stärker belastet wird. Günstig an dieser Variante ist dabei, dass in platzsparender weise die verbleibende Fläche in ersten Relais zur Ausbildung der Detektionselektrode genutzt werden kann.
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Weiter ist es günstig ist ein Betrieb der Steuerschaltung der jeweils bei Ausschalten des Relais den Zustand des ersten Relais prüft und bei einem Fehlverhalten intern schon eine Flag setzt, dass bei erneutem Einschalten bei gesetztem Flag kein Steuersignal an das Relais schickt. Damit kann ein besonders schnell arbeitendes Relais realisiert werden, da die Steuerschaltung nicht erst den Zustand des ersten Relais kapazitiv auswerten muss, bevor es ein Steuersignal ausgibt. Bei dem Flag kann es sich um eine Speicherzelle handeln, es kann sich aber auch um einen physikalischen Teil der Steuerschaltung handeln. Wird ein Fehlverhalten des ersten Relais beobachtet kann beispielsweise in der Steuerschaltung eine dünne Leiterbahn durchgebrannt werden oder eine Diode über ein Spannungspuls durchgeschossen werden. Die dünne Leiterbahn oder die Diode werden dann so in der Steuerschaltung angeordnet, dass bei Zerstörung dieses Element physikalisch kein Steuersignal mehr an die Relais rausgegeben werden können und sie damit deaktiviert sind.
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Zeichnung
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- 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS-Relais mit Sicherheitsfunktion.
- 2 zeigt schematisch ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen MEMS-Relais mit Sicherheitsfunktion.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt einen beispielhaften Aufbau des erfindungsgemäßen Relais. In einem Gehäuse 6 ist eine Steuerschaltung 7 und ein MEMS-Relaismodul 8 mit zwei Relais angeordnet. Die beiden Relais sind in Reihe geschaltet. In einem ersten Relais 10 ist für einen ersten kapazitiv arbeitenden Aktor 13 eine kleinere Antriebselektrode 130 vorgesehen. Eine erste Rückstellfeder 12 im ersten Relais ist etwas härter. Die restliche Fläche neben der ersten Antriebselektrode wird für eine Detektionselektrode 15 genutzt. Mit der Detektionselektrode wird kapazitiv eine Lage des beweglichen Elements des ersten Arbeitskontakts detektiert und daraus der Schaltzustand bestimmt.
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In einem zweiten Relais 20, das als Sicherung für den Fall, dass das erste Relais ausfällt, dient, ist für einen zweiten Aktor 14 eine im Verhältnis zur ersten Antriebselektrode relativ große zweite Antriebselektrode 140 vorgesehen. Werden beide Antriebselektroden gleichzeitig angeschaltet, schließt zuerst das zweite Relais und wird damit nicht durch den Anschaltvorgang belastet. Im zweiten Relais ist eine zweite Rückstellfeder 22 etwas weicher ausgelegt als die erste Rückstellfeder 12. Werden beide Antriebselektroden gleichzeitig abgeschaltet, öffnet zuerst das erste Relais und wird wiederum durch den Abschaltvorgang mehr belastet. Fällt das erste Relais aus, das heißt, der erste Arbeitskontakt bleibt im Schaltzustand „geschlossen“ und bleibt somit im Dauer-Ein-Zustand, so wird das von der Steuerschaltung durch Bewertung des Signals der Detektionselektrode erkannt und die Steuerschaltung sorgt dafür, dass das zweite Relais ab jetzt immer geöffnet bleibt. (In der Figur ist nur eine Auswahl der einzelnen die elektrischen Verbindungen gezeigt.)
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2 zeigt schematisch ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen MEMS-Relais mit Sicherheitsfunktion. Dargestellt ist ein elektrisch betätigbarer Schalter mit einem ersten Relais 10 mit einem ersten Arbeitskontakt 11, mit einem zweites Relais 20 mit einem zweiten Arbeitskontakt 21, einer Detektionseinrichtung 5 zur Detektion eines Schaltzustands des ersten Arbeitskontakts und einer Steuerschaltung 7 zum Registrieren des Schaltzustands des ersten Arbeitskontakts und zum Einschalten des elektrisch betätigbaren Schalters. Der erste Arbeitskontakt und der zweite Arbeitskontakt sind in Reihe in einem gemeinsamen Lastpfad 100 angeordnet. Die Steuerschaltung ist dazu eingerichtet, auf ein Einschalt-Signal 50 in einem ersten Fall, der Schaltzustand des ersten Arbeitskontakts ist „offen“, das erste Relais und das zweite Relais einzuschalten, und in einem zweiten Fall, der Schaltzustand des ersten Arbeitskontakts ist „geschlossen“, wenigstens das zweite Relais nicht einzuschalten. Die Steuerschaltung gibt dazu ein erstes Relais-Schaltsignal 30 und ein zweites Relais-Schaltsignal 40 aus.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht bildlich dargestellt) ist für beide Relais ein gemeinsames Relais-Schaltsignal vorgesehen.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht bildlich dargestellt) ist noch eine weitere Detektionseinrichtung zur Detektion eines Schaltzustands auch des zweiten Arbeitskontakts vorgesehen. In diesem Beispiel ist die Steuerschaltung entsprechend auch zum Registrieren des Schaltzustands des zweiten Arbeitskontakts eingerichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erstes Relais,
- 11
- erster Arbeitskontakt
- 12
- erste Rückstellfeder
- 13
- erster Aktor
- 15
- Detektionseinrichtung
- 20
- zweites Relais,
- 21
- zweiter Arbeitskontakt
- 22
- zweite Rückstellfeder
- 24
- zweiter Aktor
- 30
- erstes Relais Schaltsignal
- 40
- zweites Relais Schaltsignal
- 50
- Einschalt-Signal
- 6
- Gehäuse
- 7
- Steuerschaltung
- 8
- MEMS-Relais-Modul
- 100
- Lastpfad
- 130
- erste Antriebselektrode
- 150
- Detektionselektrode
- 240
- zweite Antriebselektrode
