DE10354885A1

DE10354885A1 - Hochfrequenz-Flüssigmetall-Verriegelungsrelais mit Flächenkontakt

Info

Publication number: DE10354885A1
Application number: DE10354885A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Woodland Park Wong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2004-11-25
Also published as: TW200421377A; JP2004319496A; GB0407176D0; GB2400740B; GB2400740A; US20040201313A1; US6876131B2

Abstract

Ein elektrisches Relais, das eine leitfähige Flüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet. Das Relais ist für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken zugänglich. In dem Relais werden zwei elektrische Kontakte in einer kleinen Entfernung voneinander gehalten. Die einander zugewandten Oberflächen der Kontakte tragen jeweils ein Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit, wie z. B. einem Flüssigmetall. Ein Betätigungsglied wird mit Energie versorgt, um den Zwischenraum zwischen den elektrischen Kontakten zu reduzieren, was bewirkt, daß sich die beiden Flüssigmetalltröpfchen vereinigen und eine elektrische Schaltung bilden. Die Energieversorgung zu dem Betätigungsglied wird dann unterbrochen und die elektrischen Kontakte kehren in ihre Ausgangspositionen zurück. Die Flüssigmetalltröpfchen bleiben aufgrund der Oberflächenspannung verschmolzen. Die elektrische Schaltung wird durch eine Energieversorgung eines Betätigungsgliedes, um den Zwischenraum zwischen den elektrischen Kontakten zu erhöhen und die Oberflächenspannungsverbindung zwischen den Flüssigmetalltröpfchen zu durchbrechen, unterbrochen. Die Tröpfchen bleiben getrennt, wenn die Energieversorung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied unterbrochen wird, da nicht ausreichend viel Flüssigmetall vorhanden ist, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. Zusätzliche Leiter sind in der Anordnung enthalten, um eine Koaxialstruktur zu liefern und ein Hochfrequenzschalten zu ermöglichen.

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 „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 „High Frequency Push-mode Latching Relay", 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 mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) zum elektrischen Schalten und insbesondere auf ein piezoelektrisch betätigtes Hochfrequenz-Verriegelungsrelais mit Flüssigmetallkontakten.

Flüssigmetalle, wie z. B. Quecksilber, wurden in elektrischen Schaltern verwendet, um einen elektrischen Pfad zwischen zwei Leitern zu schaffen. Ein Beispiel ist ein Quecksilber-Thermostat-Schalter, in dem eine Bimetall-Streifen-Spule auf eine Temperatur reagiert und den Winkel eines länglichen quecksilberhaltigen Hohlraums verändert. Das Quecksilber in dem Hohlraum bildet aufgrund der hohen Oberflächenspannung ein einzelnes Tröpfchen. Die Schwerkraft bewegt das Quecksilbertröpfchen abhängig von dem Winkel des Hohlraums zu dem Ende des Hohlraums, das elektrische Kontakte enthält, oder zu dem anderen Ende. In einem manuellen Flüssigmetallschalter wird ein Permanentmagnet verwendet, um ein Quecksilbertröpfchen in einem Hohlraum zu bewegen.

Flüssigmetall wird ebenso in Relais verwendet. Ein Flüssigmetalltröpfchen kann durch eine Vielzahl von Techniken bewegt werden, einschließlich durch elektrostatische Kräfte, eine variable Geometrie aufgrund einer thermischen Ausdehnung/Kontraktion, sowie magneto-hydrodynamische Kräfte.

Herkömmliche piezoelektrische Relais verriegeln oder verwenden keine Restladungen in dem piezoelektrischen Material, um einen Schalter zu verriegeln oder anderweitig zu aktivieren, der einen Verriegelungsmechanismus kontaktiert.

Ein schnelles Schalten hoher Ströme wird in einer großen Vielzahl von Vorrichtungen verwendet, liefert jedoch aufgrund einer Lichtbogenbildung, wenn ein Stromfluß unterbrochen wird, ein Problem für Relais auf Festkontaktbasis. Die Lichtbogenbildung bewirkt einen Schaden an den Kontakten und verschlechtert ihre Leitfähigkeit aufgrund von Lochfraß der Elektrodenoberflächen.

Es wurden Mikroschalter entwickelt, die Flüssigmetall als das Schaltelement und die Ausdehnung eines Gases verwenden, wenn dasselbe erwärmt wird, um das Flüssigmetall zu bewegen und die Schaltfunktion zu betätigen. Flüssigmetall weist gegenüber anderen mikrobearbeiteten Technologien bestimmte Vorteile auf, wie z. B. die Fähigkeit, relativ hohe Leistungen (etwa 100 mW) unter Verwendung von Metall-zu-Metall-Kontakten ohne Mikroschweißen oder Überhitzen des Schaltmechanismus zu schalten. Die Verwendung eines erwärmten Gases weist jedoch mehrere Nachteile auf. Es erfordert eine relativ große Menge an Energie, um den Zustand des Schalters zu verändern, und die durch das Schalten erzeugte Wärme muß wirksam dissipiert werden, wenn der Schaltbelastungszyklus hoch ist. Zusätzlich ist die Betätigungsrate relativ langsam, wobei die maximale Rate auf einige 100 Hz eingeschränkt ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Relais zu schaffen, mit dessen Hilfe Schaltvorgänge unaufwendiger durchgeführt werden können.

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

Ein elektrisches Hochfrequenzrelais ist offenbart, das eine leitfähige Flüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet. In dem Relais werden zwei Kontakte in einer kleinen Entfernung voneinander gehalten. Die einander zugewandten Oberflächen der Kontakte tragen jeweils ein Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit, wie z. B. eines Flüssigmetalls. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise ein piezoelektrisches Betätigungsglied mit Energie versorgt, um den Zwischenraum zwischen den elektrischen Kontakten zu reduzieren, was bewirkt, daß sich die beiden Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen und eine elektrische Schaltung bilden. Die Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied wird dann unterbrochen und die elektrischen Kontakte kehren in ihre Ausgangsposition zurück. Die Flüssigmetalltröpfchen bleiben aufgrund der Oberflächenspannung miteinander verschmolzen. Die elektrische Schaltung wird durch eine Energieversorgung eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes, um den Zwischenraum zwischen den elektrischen Kontakten zu erhöhen und die Oberflächenspannungsverbindung zwischen den Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit zu durchbrechen, unterbrochen. Die Tröpfchen bleiben getrennt, wenn die Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied unterbrochen wird, da nicht ausreichend viel leitfähige Flüssigkeit vorhanden ist, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. Zusätzliche Leiter sind in der Anordnung enthalten, um eine Koaxialstruktur zu liefern und ein Hochfre quenzschalten zu ermöglichen. Das Relais ist für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken zugänglich.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um die gleichen, ähnliche oder entsprechende Teile in den mehreren Ansichten der Zeichnungen zu beschreiben. Es zeigen:
1 eine Endansicht eines Verriegelungsrelais gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht eines Verriegelungsrelais gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 eine weitere Schnittansicht eines Verriegelungsrelais gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4 eine Ansicht einer Schaltschicht eines Verriegelungsrelais gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 eine Ansicht einer Schaltschicht eines Verriegelungsrelais in einem Offener-Schalter-Zustand gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
6 eine Ansicht einer Schaltschicht eines Verrieglungsrelais in einem Geschlossener-Schalter-Zustand gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
7 eine Ansicht einer Abdeckungsschicht eines Verriegelungsrelais gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
Das elektrische Relais der vorliegenden Erfindung verwendet eine leitfähige Flüssigkeit, wie z. B. ein Flüssigmetall, um den Zwischenraum zwischen zwei elektrischen Kontakten zu überbrücken und dadurch eine elektrische Schaltung zwischen den Kontakten zu schließen. Die beiden elektrischen Kontakte werden in einer kleinen Entfernung voneinander gehalten. Jede der einander zugewandten Oberflächen der Kontakte trägt ein Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die leitfähige Flüssigkeit vorzugsweise ein Flüssigmetall, wie z. B. Quecksilber, mit einer hohen Leitfähigkeit, einer geringen Flüchtigkeit und einer hohen Oberflächenspannung. Ein Betätigungsglied ist mit dem ersten elektrischen Kontakt gekoppelt. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist das Betätigungsglied vorzugsweise ein piezoelektrisches Betätigungsglied, wobei jedoch auch andere Betätigungsglieder, wie z. B. magnetorestriktive Betätigungsglieder, verwendet werden können. Wenn das Betätigungsglied mit Energie versorgt wird, bewegt es den ersten elektrischen Kontakt in Richtung des zweiten elektrischen Kontaktes, was bewirkt, daß sich die beiden Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit miteinander vereinigen und eine elektrische Schaltung zwischen den Kontakten schließen. Die Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied wird dann unterbrochen und der erste elektrische Kontakt kehrt in seine Ausgangsposition zurück. Die Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit bleiben aufgrund der Oberflächenspannung miteinander verschmolzen. Auf diese Weise wird das Relais verriegelt. Die elektrische Schaltung wird durch eine Energieversorgung eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes, um den ersten elektrischen Kontakt weg von dem zweiten elektrischen Kontakt zu bewegen, um die Oberflächenspannungsverbindung zwischen den Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit zu durchbrechen, unterbrochen. Die Tröpfchen bleiben getrennt, wenn die Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied unterbrochen wird, da nicht ausreichend viel Flüssigkeit vorhanden ist, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. Das Relais ist für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken zugänglich.
1 ist eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung. Bezug nehmend auf 1 weist das Relais 100 drei Schichten auf: eine Schaltungsschicht 102, eine Schaltschicht 104 und eine Abdeckungsschicht 106. Die Schaltungsschicht 102 trägt elektrische Verbindungen zu den Elementen in der Schaltschicht und liefert eine untere Abdeckung der Schaltschicht. Die Schaltungsschicht 102 trägt außerdem eine Masseleiterbahn 118, die Teile eines Masseleiters bildet, der die Schaltelemente umgibt. Die Schaltungsschicht 102 kann z. B: aus Keramik oder Silizium hergestellt sein und ist für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken zugänglich, wie z. B. diejenigen, die bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen verwendet werden. Die Schaltschicht 104 kann z. B. aus Keramik oder Glas hergestellt sein und kann aus Metall hergestellt sein, das mit einer isolierenden Schicht bedeckt ist (wie z. B. einer Keramik). Ein Kanal geht durch die Schaltschicht hindurch. An einem Ende des Kanals in der Schaltschicht befindet sich ein Signalleiter 134, der elektrisch mit einem der Schalterkontakten des Relais gekoppelt ist. Weitere Masseleiter 130, 132 und 120 sind elektrisch gekoppelt, um einen Masseleiter oder eine Abschirmung zu bilden, der/die koaxial zu dem Signalleiter 134 ist. Der Signalleiter 134 ist elektrisch von der Masseleiterbahn durch eine dielektrische Schicht 122 getrennt, die den Signalleiter umgibt. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der Masseleiter 120 vorzugsweise als eine Leiterbahn gebildet, die an der Unterseite der Abdeckungsschicht 106 aufgebracht ist, während die Leiter 130 und 132 an dem Substrat der Schaltschicht befestigt sind. Die Abdeckungsschicht 106 bedeckt und schließt die Oberseite der Schaltschicht 104 ab. Die Abdeckungsschicht 106 kann z. B. aus Keramik, Glas, Metall oder einem Polymer hergestellt sein, oder aus Kombinationen dieser Materialien. Glas, Keramik oder Metall wird vorzugsweise bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel verwendet, um eine hermetische Abdichtung bereitzustellen.
2 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verriegelungsrelais 100 der vorliegenden Erfindung. Der Schnitt ist in 1 durch 2-2 bezeichnet. Bezug nehmend auf 2 beinhaltet die Schaltschicht einen Schalthohlraum 108. Der Hohlraum kann mit einem trägen Gas gefüllt sein. Ein erster und ein zweiter elektrischer Kontakt 110 und 112 sind innerhalb des Hohlraums 108 angeordnet. Ein erstes Betätigungsglied 114 ist an einem Ende an dem Signalleiter 134 angebracht und trägt an dem anderen Ende den ersten elektrischen Kontakt 110. In Betrieb wird die Länge des Betätigungsgliedes 114 erhöht oder gesenkt, um den ersten elektrischen Kontakt 110 in Richtung des zweiten elektrischen Kontaktes 112 oder von demselben weg zu bewegen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist das Betätigungsglied vorzugsweise ein piezoelektrisches Betätigungsglied. Der zweite elektrische Kontakt 112 ist dem ersten elektrischen Kontakt 110 zugewandt positioniert. Der zweite elektrische Kontakt 112 kann direkt an dem Signalleiter 136 angebracht sein oder, wie in der Figur gezeigt ist, kann an einem zweiten Betätigungsglied 116 angebracht sein, das entgegengesetzt zu dem ersten Betätigungsglied wirkt. Die einander zugewandten Oberflächen des ersten und des zweiten elektrischen Kontaktes sind durch eine leitfähige Flüssigkeit benetzbar. In Betrieb tragen diese Oberflächen Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit, die durch die Oberflächenspannung des Fluids an ihrem Ort gehalten werden. Aufgrund der kleinen Größe der Tröpfchen dominiert die Oberflächenspannung alle Körperkräfte auf die Tröpfchen und so werden die Tröpfchen an ihrem Ort gehalten. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weisen die elektrischen Kontakte 110 und 112 vorzugsweise eine stufenförmige Oberfläche auf. Dies erhöhte die Oberflächenfläche und lie fert ein Reservoir für die leitfähige Flüssigkeit. Die Betätigungsglieder 114 und 116 sind mit nicht-benetzenden leitfähigen Beschichtungen 126 bzw. 128 beschichtet. Die Beschichtungen 126 und 128 koppeln elektrisch die Kontakte 110 und 112 mit den Signalleitern 134 bzw. 136 und verhindern eine Migration der leitfähigen Flüssigkeit entlang der Betätigungsglieder. Der Signalleiter 136 ist elektrisch durch die dielektrische Schicht 122 von den Masseleiterbahnen isoliert.
3 ist eine Schnittansicht durch einen Schnitt 3-3 des in 4 gezeigten Verriegelungsrelais. Die Ansicht zeigt die drei Schichten: die Schaltungsschicht 102, die Schaltschicht 104 und die Abdeckungsschicht 106. Bezug nehmend auf 3 ist das erste Betätigungsglied 114 innerhalb des Schalthohlraums 108 positioniert. Der Schalthohlraum 108 ist unten durch die Schaltungsschicht 102 abgedichtet und oben durch die Abdeckungsschicht 106 abgedichtet. Die Masseleiter 120, 122, 130 und 132 umgeben das Betätigungsglied 114 und seine nicht-benetzende leitfähige Beschichtung 126. Dies ermöglicht ein Hochfrequenzschalten des Relais.
4 ist eine Ansicht des Relais von oben (bezüglich der 1, 2 und 3), wobei die Abdeckungsschicht entfernt ist, d. h. der Schnitt 4-4 in 1. Die Schaltschicht 104 beinhaltet den Schalthohlraum 108, der in dem Kanal zwischen den beiden Signalleitern 134 und 136 gebildet ist. Innerhalb des Schalthohlraums 108 befinden sich der erste und der zweite elektrische Kontakt 110 und 112 und die Betätigungsglieder, an denen dieselben angebracht sind. Das erste Betätigungsglied, mit der Beschichtung 126, ist an einem Ende an dem ersten Signalleiter 134 angebracht und trägt an dem anderen Ende den ersten elektrischen Kontakt 110. Der zweite elektrische Kontakt 112 ist dem ersten elektrischen Kontakt 110 zugewandt positioniert. Der zweite elektrische Kontakt 112 kann direkt an dem zweiten Signalleiter 136 angebracht sein oder, wie in der Figur gezeigt ist, kann an dem zweiten Betätigungsglied, mit der Beschichtung 128, an gebracht sein, das entgegengesetzt zu dem ersten Betätigungsglied wirkt. Die Masseleiter 130 und 132 sind an den Seiten des Kanals in der Schaltschicht angeordnet.
In Betrieb tragen die elektrischen Kontakte 110 und 112 Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit, wie z. B. flüssigen Quecksilbers. 5 ist eine weitere Ansicht des Relais von oben, wobei die obere Schicht entfernt ist. Bezug nehmend auf 5 bedecken die Tröpfchen 140 und 142 einer leitfähigen Flüssigkeit die elektrischen Kontakte. Das Volumen der leitfähigen Flüssigkeit und die Beabstandung zwischen den Kontakten sind derartig, daß nicht ausreichend viel Flüssigkeit vorhanden ist, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. Wenn die Flüssigkeitströpfchen getrennt sind, wie dies in 5 der Fall ist, ist die elektrische Schaltung zwischen den Kontakten offen.
Um die elektrische Schaltung zwischen den Kontakten zu schließen, werden die Kontakte aufeinander zu bewegt, so daß sich die beiden Flüssigkeitströpfchen vereinigen. Dies kann durch eine Energieversorgung eines oder beider Betätigungsglieder erzielt werden. Wenn die Tröpfchen verschmolzen sind, ist die elektrische Schaltung geschlossen. Wenn die Energieversorgung zu den Betätigungsgliedern unterbrochen wird, kehren die Kontakte in ihre Ausgangspositionen zurück. Das Volumen der leitfähigen Flüssigkeit und die Beabstandung der Kontakte sind jedoch derartig, daß die Flüssigkeitströpfchen aufgrund der Oberflächenspannung in der Flüssigkeit verschmolzen bleiben. Dies ist in 6 gezeigt. Bezug nehmend auf 6 bleiben die beiden Tröpfchen als das einzelne Flüssigkeitsvolumen 144 verschmolzen. Auf diese Weise wird das Relais verriegelt und die elektrische Schaltung bleibt geschlossen, wenn die Energieversorgung zu den Relaisbetätigungsgliedern unterbrochen wird. Wenn die elektrische Schaltung geschlossen ist, geht der Signalpfad von dem ersten Signalleiter, durch die erste leitfähige Beschichtung, den ersten Kontakt, die leitfähige Flüssigkeit, den zweiten Kontakt und die zweite leitfähige Beschichtung und schließlich durch den zweiten Signalleiter. Der Masseleiter liefert eine Abschirmung, die den Signalpfad umgibt. Die Verwendung von Quecksilber oder einem anderen Flüssigmetall mit hoher Oberflächenspannung zur Bildung einer flexiblen, kontaktfreien elektrischen Verbindung führt zu einem Relais mit hoher Stromkapazität, das Lochfraß und einen Oxidaufbau, bewirkt durch ein lokales Erwärmen, vermeidet. Um die elektrische Schaltung wieder zu unterbrechen, wird die Entfernung zwischen den beiden elektrischen Kontakten erhöht, bis die Oberflächenspannungsverbindung zwischen den beiden Flüssigkeitströpfchen unterbrochen wird.
7 ist eine Ansicht der Innenoberfläche der Abdeckungsschicht 106. Die Abdeckungsschicht 106 liefert eine Abdichtung für den Kanal in der Schaltschicht. Eine Masseleiterbahn 120 ist auf der Oberfläche der Abdeckungsschicht aufgebracht und bildet eine Seite des Masseleiters, der koaxial zu den Signalleitern und dem Schaltmechanismus ist. Eine ähnliche Masseleiterbahn ist auf der Innenoberfläche der Schaltungsschicht aufgebracht.

Claims

Elektrisches Relais (100) mit folgenden Merkmalen: einem ersten elektrischen Kontakt (110), der eine benetzbare Oberfläche aufweist; einem ersten Signalleiter (134), der elektrisch mit dem ersten elektrischen Kontakt (110) gekoppelt ist; einem ersten Tröpfchen (140) einer leitfähigen Flüssigkeit, das in einem benetzten Kontakt zu dem ersten elektrischen Kontakt steht; einem zweiten elektrischen Kontakt (112), der von dem ersten elektrischen Kontakt beabstandet und mit demselben ausgerichtet ist und eine benetzbare Oberfläche aufweist, die der benetzbaren Oberfläche des ersten elektrischen Kontaktes zugewandt ist; einem zweiten Signalleiter (136), der elektrisch mit dem zweiten elektrischen Kontakt (112) gekoppelt ist; einem zweiten Tröpfchen (142) einer leitfähigen Flüssigkeit, das in einem benetzten Kontakt zu dem zweiten elektrischen Kontakt (112) steht; einer Masseabschirmung (118, 120, 130, 132), die den ersten und den zweiten elektrischen Kontakt (110, 112) und den ersten und den zweiten Signalleiter (134, 136) umgibt; und einem ersten Betätigungsglied (114) in einer Ruheposition, das mit dem ersten elektrischen Kontakt (110) gekoppelt und betreibbar ist, um den ersten elektrischen Kontakt (110) in Richtung des zweiten elektrischen Kontaktes (112) zu bewegen, um zu bewirken, daß sich das erste (140) und das zweite (142) Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen und eine elektrische Schaltung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt schließen, und weg von dem zweiten elektrischen Kontakt zu bewegen, um zu bewirken, daß das erste und das zweite Tröpfchen (140, 142) einer leitfähigen Flüssigkeit sich trennen und die elektrische Schaltung unterbrechen.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Betätigungsglied (114) ein piezoelektrisches Betätigungsglied oder ein magnetorestriktives Betätigungsglied ist.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste und das zweite Tröpfchen (140, 142) einer leitfähigen Flüssigkeit Flüssigmetalltröpfchen sind.
Elektrisches Relais (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner ein zweites Betätigungsglied (116) aufweist, das mit dem zweiten elektrischen Kontakt (112) gekoppelt und betreibbar ist, um den zweiten elektrischen Kontakt (112) in Richtung des ersten elektrischen Kontaktes (110) zu bewegen, um zu bewirken, daß sich das erste und das zweite Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen und eine elektrische Schaltung schließen, und weg von dem ersten elektrischen Kontakt (110) zu bewegen, um zu bewirken, daß sich das erste und das zweite Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit trennen und die elektrische Schaltung unterbrechen.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 4, bei dem das zweite Betätigungsglied (116) ein piezoelektrisches Betätigungsglied oder ein magnetorestriktives Betätigungsglied ist.
Elektrisches Relais (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Volumina des ersten und des zweiten Tröpfchens (140, 142) einer leitfähigen Flüssigkeit derart sind, daß verschmolzene Tröpfchen verschmolzen bleiben, wenn das Betätigungsglied (114) in seine Ruheposition zurückgebracht wird, und getrennte Tröpfchen getrennt bleiben, wenn das Betätigungsglied in seine Ruheposition zurückgebracht wird.
Elektrisches Relais (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die benetzbaren Oberflächen des ersten und des zweiten elektrischen Kontaktes (110, 112) stufenförmig sind.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der erste elektrische Kontakt (110) elektrisch mit dem ersten Signalleiter durch eine nicht-benetzbare leitfähige Beschichtung (126) auf dem ersten Betätigungsglied (114) gekoppelt ist.
Elektrisches Relais (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner eine dielektrische Schicht (122, 124) aufweist, die zwischen der Masseabschirmung (118, 120, 130, 132) und dem ersten und dem zweiten Signalleiter (134, 136) positioniert ist, wobei die dielektrische Schicht (122, 124) die Masseabschirmung elektrisch von dem ersten und dem zweiten Signalleiter (134, 136) isoliert.
Elektrisches Relais (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das ferner folgende Merkmale aufweist: ein Schaltungssubstrat (102), das elektrische Verbindungen zu dem ersten Betätigungsglied (114) trägt; eine Abdeckungsschicht (106); und eine Schaltschicht (104), die zwischen dem Schaltungssubstrat (102) und der Abdeckungsschicht (106) positioniert ist und einen in derselben gebildeten Kanal (108) aufweist, wobei die Masseabschirmung (118, 120, 130, 132) den Kanal und das erste Betätigungsglied (114) auskleidet, wobei der erste und der zweite elektrische Kontakt (110, 112) und der erste und der zweite Signalleiter (134, 136) innerhalb des Kanals (108) positioniert sind.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 11, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu dem ersten Betätigungsglied (114) durch das Schaltungssubstrat (102) geht und in einer Lötmittelkugel endet.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem die elektrischen Verbindungen zu dem ersten Betätigungsglied (114) Leiterbahnen aufweisen, die auf der Oberfläche des Schaltungssubstrates (102) aufgebracht sind.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu dem ersten Betätigungsglied (114) auf der Oberfläche des Schaltungssubstrates (102) aufgebracht ist und in einer Drahtverbindung endet.
Elektrisches Relais (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, das durch ein Verfahren einer Mikrobearbeitung hergestellt ist.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 14, bei dem ein erster Teil der Masseabschirmung (118, 120, 130, 132) auf der inneren Oberfläche der Abdeckungsschicht (106) aufgebracht ist und ein zweiter Teil der Masse abschirmung auf der inneren Oberfläche des Schaltungssubstrats (102) aufgebracht ist.
Elektrisches Relais (100) mit folgenden Merkmalen: einer Masseabschirmung, die eine elektrisch leitfähige, hohle Röhre aufweist, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist; einer ersten dielektrischen Schicht, die das erste Ende der hohlen Röhre auskleidet; einem ersten Signalleiter (134), der sich in dem ersten Ende der hohlen Röhre befindet und elektrisch durch die erste dielektrische Schicht von der hohlen Röhre getrennt ist; einem ersten elektrischen Kontakt (110), der elektrisch mit dem ersten Signalleiter (134) gekoppelt ist; einer zweiten dielektrischen Schicht, die das zweite Ende der hohlen Röhre auskleidet; einem zweiten Signalleiter (136), der in dem zweiten Ende der hohlen Röhre angeordnet und elektrisch durch die zweite dielektrische Schicht von der hohlen Röhre getrennt ist; einem zweiten elektrischen Kontakt (112), der elektrisch mit dem zweiten Signalleiter gekoppelt ist; einem ersten Volumen (140) einer leitfähigen Flüssigkeit, das in einem benetzten Kontakt zu dem ersten elektrischen Kontakt (110) steht; einem zweiten Volumen (142) einer leitfähigen Flüssigkeit, das in einem benetzten Kontakt zu dem zweiten elektrischen Kontakt steht; einem ersten Betätigungsglied (114) innerhalb der hohlen Röhre, das an einem Ende mit dem ersten Signalleiter (134) gekoppelt ist und an dem anderen Ende den ersten elektrischen Kontakt (110) trägt und betreibbar ist, um den ersten elektrischen Kontakt in Richtung des zweiten elektrischen Kontaktes zu bewegen, wodurch bewirkt wird, daß sich das erste und das zweite Tröpfchen (140, 142) einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen und eine elektrische Schaltung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt schließen; und einem zweiten Betätigungsglied (116) innerhalb der hohlen Röhre, das an einem Ende mit dem zweiten Signalleiter gekoppelt ist und an dem anderen Ende den zweiten elektrischen Kontakt trägt und betreibbar ist, um den zweiten elektrischen Kontakt (112) weg von dem ersten elektrischen Kontakt zu bewegen, wodurch bewirkt wird, daß sich das erste und das zweite Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit trennen und die elektrische Schaltung unterbrechen.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 16, bei dem das erste oder das zweite Betätigungsglied (114, 116) ein piezoelektrisches Betätigungsglied ist.
Elektrisches Relais (110) gemäß Anspruch 16, bei dem das erste oder das zweite Betätigungsglied (114, 116) ein magnetorestriktives Betätigungsglied ist.
Elektrisches Relais (100) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem das erste und das zweite Tröpfchen (140, 142) einer leitfähigen Flüssigkeit Flüssigmetalltröpfchen sind.
Elektrisches Relais (100) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem die Masseabschirmung innerhalb eines starren Gehäuses enthalten ist.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem der erste elektrische Kontakt elektrisch mit den ersten Signalleitern durch eine nicht-benetzbare leitfähige Beschichtung auf dem ersten Betätigungsglied gekoppelt ist und der zweite elektrische Kontakt elektrisch mit den zweiten Signalleitern durch eine nicht-benetzbare leitfähige Beschichtung auf dem zweiten Betätigungsglied gekoppelt ist.
Elektrisches Relais (100) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, bei dem das erste Betätigungsglied betreibbar ist, um den ersten elektrischen Kontakt (110) weg von dem zweiten elektrischen Kontakt zu bewegen, und das zweite Betätigungsglied (116) betreibbar ist, um den zweiten elektrischen Kontakt weg von dem ersten elektrischen Kontakt zu bewegen.