DE10356803A1

DE10356803A1 - Flüssigmetall-Verriegelungsrelais mit Flächenkontakt

Info

Publication number: DE10356803A1
Application number: DE10356803A
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: 2003-12-04
Publication date: 2004-11-11
Also published as: GB2400741A; TW200421639A; GB2400741B; US6762378B1; GB0407177D0; JP2004319497A

Abstract

Ein elektrisches Relais, das eine leitfähige Flüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet. Zwei elektrische Kontakte werden in einer kleinen Entfernung voneinander gehalten. Die einander zugewandten Oberflächen der Kontakte tragen jeweils ein Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit, wie z. B. eines Flüssigmetalls. Ein piezoelektrisches 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 piezoelektrischen Betätigungsglied wird dann unterbrochen und die elektrischen Kontakte kehren in ihre Ausgangsposition zurück. Die Flüssigmetalltröpfchen bleiben aufgrund einer Oberflächenspannung vereinigt. Die elektrische Schaltung wird durch ein Versorgen eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes, um den Zwischenraum zwischen den elektrischen Kontakten zu erhöhen und die Oberflächenspannungsverbindung zwischen den Flüssigmetalltröpfchen zu unterbrechen, mit Energie unterbrochen. Die Tröpfchen bleiben getrennt, wenn die Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied unterbrochen wird, da nicht ausreichend Flüssigmetall vorliegt, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. Das Relais ist zugänglich für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken.

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 „High-frequency, 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 Assisted 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 101119,503;
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) für ein elektrisches Schalten und insbesondere auf ein piezoelektrisch betätigtes Verriegelungsrelais mit Flüssigmetallkontakten.

Flüssigmetalle, wie z. B. Quecksilber, werden in elektrischen Schaltern verwendet, um einen elektrischen Pfad zwischen zwei Leitern bereitzustellen. Ein Beispiel ist ein Quecksilber-Thermostat-Schalter, in dem eine Bimetall-Streifen-Spule auf eine Temperatur reagiert und den Winkel eines länglichen Hohlraums, der Quecksilber enthält, verändert. Das Quecksilber in dem Hohlraum bildet aufgrund einer 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 und magneto-hydrodynamische Kräfte.

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

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

Mikroschalter wurden entwickelt, die Flüssigmetall als das Schaltelement oder 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 einige Vorteile auf, wie z. B. die Fähigkeit, relativ hohe Leistungen (etwa 100 mW) unter Verwendung von Metall-Metall-Kontakten ohne ein Mikroschweißen oder Überhitzen des Schaltmechanismus zu schalten. Die Verwendung eines erwärmten Gases weist jedoch mehrere Nachteile auf. Dies erfordert eine relativ große Energiemenge, um den Zustand des Schalters zu verändern, und die durch das Schalten erzeugte Wärme muß effektiv dissipiert werden, wenn der Schaltbela stungszyklus hoch ist. Zusätzlich ist die Betätigungsrate relativ langsam, wobei die maximale Rate auf einige hundert Hertz eingeschränkt ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Relais mit verbesserten Charakteristika oder ein verbessertes Schaltverfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Relais gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.

Ein elektrisches Relais ist offenbart, das eine leitfähige Flüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet. 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. eines Flüssigmetalls. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird ein piezoelektrisches Betätigungsglied, das mit einem ersten elektrischen Kontakt gekoppelt ist, vorzugsweise mit Energie versorgt, um den Zwischenraum zwischen den elektrischen Kontakten zu schließen, 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 Ausgangspositionen zurück. Die Flüssigmetalltröpfchen bleiben aufgrund einer Oberflächenspannung vereinigt. Die elektrische Schaltung wird durch ein Versorgen eines piezoelektrischen Betätigungsglieds mit Energie, um die elektrischen Kontakte weiter auseinander zu bewegen, unterbrochen, um die Oberflächenspannungsverbindung zwischen den Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit zu unterbrechen. Die Tröpfchen bleiben getrennt, wenn die Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied unterbrochen wird, da nicht ausreichend leitfähige Flüssigkeit vorliegt, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. 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 Draufsicht 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 offenen Schalterzustand gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;

6 eine Ansicht einer Schaltschicht eines Verriegelungsrelais in einem geschlossenen Schalterzustand gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;

7 eine Ansicht einer Schaltschicht eines Verriegelungsrelais unter Verwendung unidirektionaler Be tätigungsglieder gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und

8 eine weitere Schnittansicht eines Verriegelungsrelais, die eine exemplarische Schaltungsführung zeigt, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.

Das elektrische Relais der vorliegenden Erfindung verwendet ein leitfähiges Fluid, 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 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 hoher Leitfähigkeit, niedriger Flüchtigkeit und hoher Oberflächenspannung. Ein Betätigungsglied ist mit dem ersten elektrischen Kontakt gekoppelt. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist das Betätigungsglied vorzugsweise ein piezoelektrisches Betätigungsglied, wobei jedoch andere Betätigungsglieder, wie z. B. magnetorestriktive Betätigungsglieder, verwendet werden können. Im folgenden werden piezoelektrisch und magnetorestriktiv kollektiv als „piezoelektrisch" bezeichnet. 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 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 Oberflächenverspannung vereinigt. Die elektrische Schaltung wird durch ein Versorgen eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes mit Energie, um den ersten elektrischen Kontakt weg von dem zweiten elektrischen Kontakt zu bewegen, unterbrochen, um die Oberflächenspannungsverbindung zwischen den Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit zu unterbrechen. Die Tröpfchen bleiben getrennt, wenn die Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied unterbrochen wird, da nicht ausreichend Flüssigkeit vorliegt, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. Das Relais ist für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken zugänglich.
1 ist eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Verriegelungsrelais 100 der vorliegenden Erfindung. Der Schnitt 2-2 ist in 2 gezeigt und der Schnitt 3-3 ist in 3 gezeigt.
2 ist eine Schnittansicht durch den Schnitt 2-2 des Relais aus 1. Bezug nehmend auf 2 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 für die Schaltschicht. Die Schaltungsschicht 102 kann z. B. aus einer Keramik oder Silizium hergestellt sein und ist zugänglich für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken, wie z. B. diejenigen, die bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente verwendet werden. Die Schaltschicht 104 kann z. B. aus Keramik oder Glas hergestellt sein oder kann aus einem Metall hergestellt sein, das mit einer isolierenden Schicht (wie z. B. einer Keramik) beschichtet ist. Die Schaltschicht 104 beinhaltet einen Schalthohlraum 108. Der Hohlraum kann mit einem trägen Gas gefüllt sein. Ein erster elektrischer Kontakt 110 und ein zweiter elektrische Kontakt 112 befinden sich innerhalb des Hohlraums 108. Ein erstes Betätigungsglied 114 ist an dem Substrat der Schaltschicht an einem Ende angebracht und trägt den ersten elektrischen 110 an dem anderen Ende. In Betrieb wird die Länge des Betätigungs gliedes 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 Substrat der Schaltschicht 104 angebracht sein, oder kann, wie in der Figur gezeigt ist, an einem zweiten Betätigungsglied 116 angebracht sein, das in Gegenwirkung zu dem ersten Betätigungsglied wirkt. Die aneinander zugewandten Oberflächen des ersten und des zweiten Kontaktes sind durch ein leitfähiges Fluid benetzbar. In Betrieb tragen diese Oberflächen Tröpfchen eines leitfähigen Fluides, die durch die Oberflächenspannung des Fluides 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. Die Abdeckungsschicht 106 bedeckt die Oberseite der Schaltschicht 104 und dichtet den Schalthohlraum 108 ab. Die Abdeckungsschicht 106 kann z. B. aus Keramik, Glas, Metall oder Polymeer oder Kombinationen dieser Materialien hergestellt sein. Glas, Keramik oder Metall wird vorzugsweise bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel verwendet, um eine hermetische Abdichtung bereitzustellen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weisen die elektrischen Kontakte vorzugsweise eine stufige Oberfläche auf. Dies erhöht die Oberflächenfläche und liefert ein Reservoir für das leitfähige Fluid. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel beträgt der Zwischenraum zwischen den elektrischen Kontakten 406,4 μm (16 Tausendstel Zoll) und die Kontakte sind kreisförmig mit einem Durchmesser von 762 μm (30 Tausendstel Zoll). Die Stufe auf der Fläche des Kontaktes erstreckt sich 177,8 μm (7 Tausendstel Zoll) und weist einen Durchmesser von 406,4 μm (16 Tausendstel Zoll) auf.
3 ist eine Schnittansicht durch den Schnitt 3-3 des Verriegelungsrelais auf 1. Die Ansicht zeigt die drei Schichten: die Schaltungsschicht 102, die Schaltschicht 104 und die Abdeckungsschicht 106. Bezug nehmend auf 3 ist der erste elektrische Kontakt 110 innerhalb des Schalthohlraums 108 positioniert. Der Schalthohlraum 108 ist unten durch die Schaltungsschicht 102 und oben durch die Abdeckungsschicht 106 abgedichtet.
4 ist eine Ansicht des Relais von oben (relativ zu den 2 und 3), wobei die Abdeckungsschicht entfernt ist. Die Schaltschicht 104 beinhaltet den Schalthohlraum 108. Der erste und der zweite Kontakt 110, 112 befinden sich innerhalb des Hohlraums 108. Das erste Betätigungsglied 114 ist an dem Substrat der Schaltschicht an einem Ende angebracht und trägt den ersten elektrischen Kontakt 110 an dem anderen Ende. Der zweite elektrische Kontakt 112 ist dem ersten elektrischen Kontakt 110 zugewandt positioniert. Der zweite elektrische Kontakt 112 kann direkt an dem Substrat der Schaltschicht 104 angebracht sein oder kann, wie in der Figur gezeigt ist, an einem zweiten Betätigungsglied 116 angebracht sein, das in Gegenwirkung zu dem ersten Betätigungsglied wirkt.
In Betrieb tragen die elektrischen Kontakte 110 und 112 Tröpfchen eines leitfähigen Fluides, wie z. B. flüssigen Quecksilbers. 5 ist eine weitere Ansicht des Relais von oben. Bezug nehmend auf 5 bedecken die Tröpfchen 130 und 132 aus leitfähigem Fluid die elektrischen Kontakte. Das Volumen des leitfähigen Fluids und die Beabstandung zwischen den Kontakten sind derartig, daß nicht ausreichend Flüssigkeit vorliegt, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. Wie in 5 gezeigt 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 ein Versorgen eines oder beider Betätigungsglieder mit Energie erzielt werden. Wenn die Tröpfchen vereinigt 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 derart, daß die Flüssigkeitströpfchen aufgrund der Oberflächenspannung in der Flüssigkeit vereinigt bleiben. Dies ist in 6 gezeigt. Bezug nehmend auf 6 bleiben die zwei Tröpfchen als das einzelne Flüssigkeitsvolumen 140 vereinigt. Auf diese Weise ist das Relais verriegelt und die elektrische Schaltung bleibt geschlossen, wenn die Energieversorgung zu den Relais-Betätigungsgliedern unterbrochen wird. Um die elektrische Schaltung wieder zu unterbrechen, wird die Entfernung zwischen den beiden elektrischen Kontakten erhöht, bis die Oberflächenspannungsverbindung zwischen den beiden Flüssigkeitströpfchen unterbrochen ist. Das erste Betätigungsglied kann bidirektional sein, wobei in diesem Fall die Länge des Betätigungsgliedes verkleinert wird, um die Verbindung zu durchbrechen. Alternativ kann, wenn das erste Betätigungsglied unidirektional ist, ein zweites Betätigungsglied verwendet werden, wie in 7 gezeigt ist. Bezug nehmend auf 7 wird, wenn die Betätigungsgliedlänge erhöht wird, wenn die Betätigungsglieder mit Energie versorgt werden, das erste Betätigungsglied 114 mit Energie versorgt, um die Kontakte 110 und 112 näher aufeinander zu zu bewegen, während das zweite Betätigungsglied 116 mit Energie versorgt wird, um die beiden weiter auseinander zu bewegen. Alternativ wird, wenn die Betätigungsgliedlänge gesenkt wird, wenn das Betätigungsglied mit Energie versorgt wird, das zweite Betätigungsglied 116 mit Energie versorgt, um die Kontakte 110 und 112 näher aufeinander zu zu bewegen, während das erste Betätigungsglied 114 mit Energie versorgt wird, um dieselben weiter auseinander zu bewegen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Betätigungsglieder in 7 bidirektional.
8 ist eine weitere Schnittansicht eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung, die eine exemplarische Schaltungsführung zeigt. Bezug nehmend auf 8 verlaufen Schaltungen 702 und 704 durch Durchgangslöcher in der Schaltungsschicht 102 und sind elektrisch mit dem ersten Betätigungsglied 114 gekoppelt. Die Schaltungen enden in einer Anschlußfläche auf der äußeren Oberfläche der Schaltungsschicht. Eine Schaltung 706 ist elektrisch mit dem ersten Kontakt 110 verbunden. Steuerungssignale können an die Anschlußflächen der Schaltungen 702 und 704 unter Verwendung von Lötmittelkugeln 708 und 710 angelegt werden. Ähnlich kann eine Verbindung zu der Kontaktschaltung 706 unter Verwendung einer Lötmittelkugel 712 hergestellt werden. Entsprechende Schaltungen 718 und 716 verlaufen durch Durchgangslöcher in der Schaltungsschicht 102 und sind elektrisch mit dem zweiten Betätigungsglied 116 gekoppelt. Eine Schaltung 714 ist elektrisch mit dem zweiten Kontakt 112 verbunden. Steuerungssignale können unter Verwendung von Lötmittelkugeln 724 und 722 an die Schaltungen 716 und 718 angelegt werden. Ähnlich kann eine Verbindung zu der Kontaktschaltung 714 unter Verwendung einer Lötmittelkugel 720 hergestellt werden. Dielektrisches Material 726 und 728 liefert eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Schaltungen.
Die Verwendung von Quecksilber oder einem weiteren Flüssigmetall mit hoher Oberflächenspannung zur Bildung einer flexiblen, kontaktfreien elektrischen Verbindung führt zu einem Relais mit hoher Stromkapazität, das Lochfraß und einen Oxidaufbau, durch ein lokales Erwärmen bewirkt, vermeidet.

Claims

Elektrisches Relais (100) mit folgenden Merkmalen: einem ersten elektrischen Kontakt (110), der eine benetzbare Oberfläche aufweist; einem ersten Tröpfchen (130) einer leitfähigen Flüssigkeit, das in einem benetzten Kontakt zu dem ersten elektrischen Kontakt (110) steht; einem zweiten elektrischen Kontakt (112), der von dem ersten elektrischen Kontakt (110) beabstandet ist und eine benetzbare Oberfläche aufweist, die der benetzbaren Oberfläche des ersten elektrischen Kontaktes zugewandt ist; einem zweiten Tröpfchen (132) einer leitfähigen Flüssigkeit, das in einem benetzten Kontakt zu dem zweiten elektrischen Kontakt (112) steht; und einem ersten Betätigungsglied (114) in einer Ruheposition, das mit dem ersten elektrischen Kontakt (110) gekoppelt und betreibbar ist, um den ersten elektrischen Kontakt in Richtung des zweiten elektrischen Kontaktes (112) zu bewegen, um zu bewirken, daß sich das erste (130) und zweite (132) Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen (140) und eine elektrische Schaltung zwischen dem ersten (110) und zweiten (112) elektrischen Kontakt schließen, und weg von dem zweiten elektrischen Kontakt (112) zu bewegen, um zu bewirken, daß das erste (130) und zweite (132) Tröpfchen 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 (110) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste (130) und das zweite (132) Tröpfchen aus leitfähiger 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 (112) zu bewegen, um zu bewirken, daß sich das erste (130) und das zweite (132) Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen (140) und eine elektrische Schaltung schließen, und weg von dem ersten elektrischen Kontakt (110) zu bewegen, um zu bewirken, daß das erste (130) und das zweite (132) Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit sich trennen und die elektrische Schaltung unterbrechen.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 4, bei dem das zweite Betätigungsglied (116) ein piezoelektrisches Betätigungsglied ist.
Elektrisches Relais (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Volumina des ersten (130) und des zweiten (132) Tröpfchens einer leitfähigen Flüssigkeit derart sind, daß vereinigte Tröpfchen (140) vereinigt bleiben, wenn das Betätigungsglied in seine Ruheposition zurückgebracht wird, und getrennte Tröpfchen (130, 132) getrennt bleiben, wenn das Betätigungsglied (114) in seine Ruheposition zurückgebracht wird.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die benetzbaren Oberflächen des ersten (110) und des zweiten (112) elektrischen Kontaktes stufig sind.
Elektrisches Relais (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das ferner folgende Merkmale aufweist: ein Schaltungssubstrat (102), das elektrische Verbindungen (702, 704, 746, 714, 716, 718) zu dem ersten (114) und zweiten (116) Betätigungsglied und dem ersten (110) und zweiten (112) elektrischen Kontakt trägt; eine Abdeckungsschicht (106); und eine Schaltschicht (104), die zwischen dem Schaltungssubstrat (102) und der Abdeckungsschicht (106) positioniert ist und einen Hohlraum (108) aufweist, der in derselben gebildet ist, wobei das erste (114) und das zweite (116) Betätigungsglied und der erste (110) und der zweite (112) elektrische Kontakt innerhalb des Hohlraums (108) positioniert sind, der in der Schaltschicht (104) gebildet ist.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 8, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu dem ersten (110) und zweiten (112) elektrischen Kontakt durch das Schaltungssubstrat (102) verläuft und in einer Lötmittelkugel endet.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 8, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu dem ersten (110) und zweiten (112) elektrischen Kontakt eine Leiterbahn ist, die auf der Oberfläche des Schaltungssubstrates (102) aufgebracht ist.
Elektrisches Relais (100) gemäß Anspruch 8, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu dem ersten (110) und zweiten (112) elektrischen Kontakt an einer Kante der Schaltschicht (104) endet.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, das durch ein Verfahren einer Mikrobearbeitung hergestellt ist.
Verfahren zum Schalten einer elektrischen Schaltung zwischen einem ersten Kontakt (110) und einem zweiten Kontakt (112) in einem Relais (100), wobei der erste Kontakt (110) ein ersten Tröpfchen (130) einer leitfähigen Flüssigkeit trägt und der zweite Kontakt (112) ein zweites Tröpfchen (132) einer leitfähigen Flüssigkeit trägt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: wenn die elektrische Schaltung geschlossen werden soll: Versorgen eines ersten Betätigungsgliedes (114) mit Energie, um den ersten Kontakt (110) und den zweiten Kontakt (112) näher aufeinander zu zu bewegen, so daß sich das erste (130) und das zweite (132) Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen (140), um die elektrische Schaltung zu schließen; und wenn die elektrische Schaltung unterbrochen werden soll: Versorgen eines zweiten Betätigungsgliedes (116) mit Energie, um den ersten Kontakt (110) und den zweiten Kontakt (112) weiter voneinander weg zu bewegen, so daß das erste (130) und zweite (132) Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit getrennt werden, um die elektrische Schaltung zu unterbrechen.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem das erste Betätigungsglied (114) das zweite Betätigungsglied (116) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem das erste Betätigungsglied (114) an dem ersten Kontakt angebracht ist und das zweite Betätigungsglied (116) an dem zweiten Kontakt angebracht ist, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist: wenn die elektrische Schaltung geschlossen werden soll: Versorgen des zweiten Betätigungsgliedes (116) mit Energie, um den ersten Kontakt (110) und den zweiten Kontakt (112) näher aufeinander zu zu bewegen, so daß sich das erste (130) und das zweite (132) Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen, um die elektrische Schaltung zu schließen; und wenn die elektrische Schaltung unterbrochen werden soll: Versorgen des ersten Betätigungsgliedes (114) mit Energie, um den ersten Kontakt (110) und den zweiten Kontakt (112) weiter voneinander weg zu bewegen, so daß das erste und das zweite Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit getrennt werden, um die elektrische Schaltung zu unterbrechen.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das ferner folgende Schritte aufweist: wenn die elektrische Schaltung geschlossen werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung zu dem ersten Betätigungsglied (114), nachdem sich die Tröpfchen (130, 132) einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigt haben; und wenn die elektrische Schaltung unterbrochen werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung zu dem zweiten Betätigungsglied (116), nachdem die Tröpfchen (130, 132) einer leitfähigen Flüssigkeit getrennt sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem das erste Betätigungsglied (114) ein piezoelektrisches Betätigungsglied ist, und bei dem das Versorgen des ersten Betätigungsgliedes mit Energie ein Anlegen einer elektrischen Spannung über das piezoelektrische Betätigungsglied (114) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem das erste Betätigungsglied (114) ein magnetorestriktives Betätigungsglied ist, und bei dem das Versorgen des ersten Betätigungsgliedes mit Energie ein Anlegen einer elektrischen Spannung aufweist, um ein elektromagnetisches Feld über das magnetorestriktive Betätigungsglied zu erzeugen.