DE19823690C1 - Micromechanical electrostatic relay - Google Patents

Micromechanical electrostatic relay

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Abstract

Das mikromechanische elektrostatische Relais besitzt ein Basissubstrat mit Basiselektrode und mindestens zwei Basiskontaktstücken, außerdem ein Ankersubstrat mit einem freigeätzten, im Bereich einer mittleren Schwenkachse (20) über flexible Bänder (25, 26) schwenkbar aufgehängten rippenförmigen Anker. Der Anker (21) bildet beiderseits der Schwenkachse (20) jeweils einen in sich flexiblen, im Ruhezustand von dem Basissubstrat weg gekrümmten Ankerflügel (21a, 21b), von denen jeder mit dem Basissubstrat einem im Ruhezustand keilförmig sich nach außen erweiternden Arbeitsluftspalt bildet. Beim Anlegen einer Spannung zwischen einer Ankerelektrode und einer unter dem jeweiligen Ankerflügel (21a, 21b) angeordneten Basiselektrode (11, 12) wird der Anker um die Schwenkachse geschwenkt, während gleichzeitig der betreffende Ankerflügel (21a, 21b) auf der Basiselektrode abrollt und einen zugehörigen Kontakt schließt.The micromechanical electrostatic relay has a base substrate with a base electrode and at least two base contact pieces, and also an armature substrate with a rib-shaped armature which is etched free and is pivotable in the region of a central pivot axis (20) via flexible bands (25, 26). The armature (21) forms on both sides of the pivot axis (20) in each case a flexible armature wing (21a, 21b) that is curved away from the base substrate in the idle state, each of which forms with the base substrate a working air gap that widens outward in the wedge shape in the idle state. When a voltage is applied between an armature electrode and a base electrode (11, 12) arranged under the respective armature wing (21a, 21b), the armature is pivoted about the pivot axis, while at the same time the relevant armature wing (21a, 21b) rolls on the base electrode and an associated one Contact closes.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches elektrostati­ sches Relais mit
The invention relates to a micromechanical electrostatic relay

  • - einem flachen Basissubstrat, in dessen Oberflächenbereich zwei flächige Basiselektroden in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind,- a flat base substrate, in its surface area two flat base electrodes in the longitudinal direction to each other are staggered,
  • - einem Ankersubstrat mit einem wippenförmigen Anker, der im Bereich einer mittigen Schwenkachse an zwei gegenüberlie­ genden Seiten über flexible Bänder in dem Ankersubstrat aufgehängt ist und beiderseits der Schwenkachse jeweils ei­ nen blattförmigen Ankerflügel bildet, wobei jeder Anker­ flügel je einen Anker-Elektrodenabschnitt trägt, der sei­ nerseits je einer der beiden Basiselektroden gegenüber­ steht, und- An armature substrate with a rocker-shaped armature, which in the Area of a central swivel axis on two opposite sides over flexible bands in the anchor substrate is suspended and egg on both sides of the pivot axis NEN leaf-shaped anchor wing, each anchor wing each carries an anchor electrode section, which is opposite one of the two base electrodes stands, and
  • - wobei jeder Ankerflügel weiterhin mindestens einen bewegli­ chen Kontakt trägt, der jeweils mit mindestens einem auf dem Basissubstrat angeordneten Festkontakt zusammenwirkt.- Wherein each anchor wing continues to move at least one Chen contact, who is in contact with at least one the base substrate arranged fixed contact cooperates.

Ein derartiges mikromechanisch hergestelltes Relais mit Um­ schaltfunktion ist grundsätzlich bereits in der EP 0 520 407 A1 gezeigt. Dort ist der mittig aufgehängte Wippanker als starre Platte ausgeführt. Er hat deshalb insgesamt einen re­ lativ großen Abstand zwischen den Basiselektroden und der An­ kerelektrode, wobei sich der jeweilige Ankerflügel auch in der jeweiligen Ansprech-Schaltstellung nur unter einem spit­ zen Winkel an die Gegenelektrode anlegt und diese im wesent­ lichen nur punktförmig bzw. linienförmig berühren kann. Dar­ aus ergibt sich, daß der elektrostatische Antrieb eine rela­ tiv hohe Anspruchspannung erfordert und daß wegen des im An­ spruchzustand nur unvollkommen geschlossenen Arbeitsluftspal­ tes auch keine allzu hohen Kontaktkräfte erzielt werden kön­ nen. Such a micromechanically manufactured relay with Um Switching function is basically already in EP 0 520 407 A1 shown. There is the rocker anchor suspended in the middle as rigid plate executed. He therefore has a total of a right relatively large distance between the base electrodes and the an kerelektrode, the respective armature wing also in the respective response switch position only under one spit zen angle to the counter electrode and this essentially Lichen can only touch point or line. Dar from it follows that the electrostatic drive a rela tiv requires high tension and that because of the im on only incompletely closed working air gap tes too high contact forces can not be achieved nen.  

Aus DE 42 05 029 C1, DE 44 37 261 C1 und DE 44 37 259 C1 sind allerdings auch bereits mikromechanische Relais bekannt, bei denen ein einseitig eingespannter Anker im Ruhezustand einen keilförmigen Luftspalt mit einer Basiselektrode bildet, so daß sich der dortige Anker beim Ansprechen eng an die Basise­ lektrode anlegt.From DE 42 05 029 C1, DE 44 37 261 C1 and DE 44 37 259 C1 However, micromechanical relays are also known to which a one-sided clamped anchor at rest forms a wedge-shaped air gap with a base electrode, so that the anchor there speaks closely to the base electrode.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikromechanisches elektrostatisches Umschaltrelais mit dem eingangs genannten Aufbau zu schaffen, bei dem mit verhältnismäßig geringer An­ sprechspannung hohe Kontaktkräfte erreicht werden, wobei ver­ schiedene Betriebsarten eines Umschalters, wie neutrale, bi­ stabile und monostabile Schaltcharakteristik, auf einfache Weise realisierbar sind.The aim of the present invention is to provide a micromechanical electrostatic switching relay with the aforementioned To create structure in which with relatively little to speaking voltage high contact forces can be achieved, ver different operating modes of a switch, such as neutral, bi stable and monostable switching characteristics, on simple Are feasible.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei dem eingangs genannten Aufbau dadurch erreicht, daß die beiden Ankerflügel in sich biegsam ausgebildet und jeweils im Ruhezustand von dem Basis­ substrat weg gekrümmt sind, wobei sie jeweils einen keilför­ migen Luftspalt mit diesem bilden, dessen engste Stelle in der Nähe der Schwenkachse liegt und der sich zum freien Ende des Ankerflügels hin stetig erweitert.According to the invention, this goal is achieved with the aforementioned Structure achieved in that the two anchor wings in themselves flexible and each at rest from the base Substrate are curved away, each with a wedge form the air gap with its narrowest point in is close to the swivel axis and which is towards the free end of the anchor wing continuously expanded.

Bei dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Relais ist also der Anker nicht nur über die flexiblen Bänder schwenkbar auf­ gehängt, sondern er ist auch in sich selbst biegsam und in seiner Grundform mit beiden Flügeln von der jeweiligen Basi­ selektrode weg gekrümmt, so daß bereits im Ruhezustand jeder Ankerflügel mit der Basiselektrode einen keilförmigen Luftspalt bildet. Zur Bildung dieses keilförmigen Luftspaltes ist der Anker im Bereich der Schwenkachse mit nur geringem Abstand zur Ebene der Basiselektroden angeordnet, so daß beim Anlegen einer Spannung bereits zu Beginn der Ansprechphase ein Bereich des Ankers einen kleinen Elektrodenabstand auf­ weist; dadurch erreicht man ein schnelles Ansprechen des An­ kers und einen Abrollvorgang, der sich von der engsten Stelle des keilförmigen Luftspaltes bis zum freien Ende des Ankers hin (nach dem Wanderkeilprinzip) fortsetzt und dabei eine verhältnismäßig große Kontaktkraft aufbaut. Soweit in der in­ neren Spitze des keilförmigen Luftspaltes, also im Bereich der Schwenkachse des Ankers, fertigungsbedingt ein nennens­ werter Abstand zwischen dem Anker und der Ebene der Basise­ lektroden besteht, kann dieser beim Ansprechen auf annähernd Null verringert werden, wenn die flexiblen Bänder der An­ keraufhängung nicht nur eine Torsion, sondern auch eine Durchbiegung senkrecht zur Oberfläche des Basissubstrats er­ möglichen.The micromechanical relay according to the invention is thus the anchor can not only be swiveled over the flexible straps hung, but it is also flexible in itself and in its basic form with both wings from the respective basi selectrode curved away, so that everyone is already at rest Anchor wing with the base electrode a wedge-shaped Air gap forms. To form this wedge-shaped air gap is the anchor in the area of the swivel axis with little Distance to the plane of the base electrodes arranged so that when Applying a voltage at the beginning of the response phase an area of the armature has a small electrode gap points; this enables a quick response of the person kers and a rolling process that is from the narrowest point of the wedge-shaped air gap to the free end of the armature  continues (according to the walking wedge principle) and thereby one builds up relatively large contact force. As far as in the neren tip of the wedge-shaped air gap, ie in the area the swivel axis of the armature, due to production reasons value distance between the anchor and the plane of the base electrodes exists, this can be approximately when responding to Zero be reduced if the flexible bands of the An not only a torsion, but also a torsion Deflection perpendicular to the surface of the base substrate possible.

Durch die Krümmung des Ankers und durch die flexible Aufhän­ gung ergibt sich beim Ansprechen des Relais sowohl eine Schwenkbewegung um die Schwenkachse als auch eine Abrollbewe­ gung des schaltenden Ankerflügels, welcher aus seiner vorge­ krümmten Form in eine gestreckte Form übergeht, so daß er zum Schluß der Ankerbewegung flach auf der geraden Elektrode des Basissubstrats aufliegt. Bei dieser Anzugsbewegung entfernt sich also aufgrund der Schwenkbewegung der spannungslose Ankerflügel zusätzlich vom Basissubstrat weg. Dies hat den weiteren Vorteil, daß nach dem Anziehen eines Ankerflügels der gegenüberliegende Ankerflügel nicht durch Anlegen der normalen Ansprechspannung ebenfalls angezogen werden kann, so daß auf diese Weise eine Sicherheitsfunktion gegeben ist. Ge­ nerell ist die vorgegebene Krümmung des Ankers im Bereich der Schwenkachse am stärksten, und sie wird zum jeweiligen freien Ende der Ankerflügel hin geringer. Im Extremfall besitzt der Anker im Bereich der Schwenkachse annähernd einen scharfen Knick, so daß er ein annähernd V-förmiges Profil im Längs­ schnitt aufweist.Due to the curvature of the anchor and the flexible hanging supply results when the relay responds both Swivel movement around the swivel axis as well as a rolling motion supply of the switching anchor wing, which from its pre curved shape changes into an elongated shape, so that it to the Conclusion of the anchor movement flat on the straight electrode of the Base substrate rests. Removed during this tightening motion because of the pivoting movement of the tensionless Anchor wing also away from the base substrate. This has the further advantage that after tightening an anchor wing the opposite anchor wing is not created by applying the normal response voltage can also be tightened, so that a safety function is provided in this way. Ge nerell is the predetermined curvature of the anchor in the area of Swivel axis strongest, and it becomes the respective free Lower end of the anchor wing. In extreme cases, the Anchor approximately a sharp one in the area of the swivel axis Kink, so that it has an approximately V-shaped profile in the longitudinal cut has.

In weiterer Ausgestaltung sind die Kontaktbereiche des Ankers mit den beweglichen Kontakten vorzugsweise so gestaltet, daß sie über im Querschnitt verminderte Verbindungsstege ela­ stisch angebunden sind und zum Aufbau der Kontaktkraft ela­ stisch aus der Ankerebene heraus bewegbar sind. In a further embodiment, the contact areas of the armature with the movable contacts preferably designed so that them via connecting webs ela with reduced cross-section are connected to the table and to build up the contact force ela are movable from the anchor plane.  

Die auf dem Anker befindlichen beweglichen Kontakte können als Einzelkontakte jeweils mit einer Zuleitung versehen sein oder als gemeinsamer Mittelkontakt eine gemeinsame Zuleitung besitzen; die Stromzuführungen werden dabei auf übliche Weise in Form von Leiterbahnen über eines oder beide flexiblen Bän­ der geführt. Daneben ist es aber auch möglich, die bewegli­ chen Kontakte auf den beiden Ankerflügeln als Brückenkontakte auszuführen. In diesem Fall benötigen sie keine eigene Zulei­ tung, sondern sie überbrücken jeweils zwei feststehende Kon­ takte auf dem Basissubstrat.The movable contacts on the anchor can be provided with a feed line as individual contacts or as a common center contact, a common supply line have; the power supplies are in the usual way in the form of conductor tracks over one or both flexible banks the led. In addition, it is also possible to move the mov Chen contacts on the two anchor wings as bridge contacts to execute. In this case you do not need your own allowance tion, but they each bridge two fixed cones clock on the base substrate.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann weiterhin vorgese­ hen werden, daß durch zusätzliche Elektretschichten auf den Basiselektroden oder auch auf den Ankerelektroden eine mono­ stabile bzw. bistabile Schaltcharakteristik erzeugt wird.In an advantageous further development, it can also be performed hen that additional electret layers on the Base electrodes or a mono on the anchor electrodes stable or bistable switching characteristic is generated.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is based on exemplary embodiments hand of the drawing explained in more detail. It shows

Fig. 1 in perspektivischer, schematischer Darstellung die Anordnung eines Ankersubstrats mit einem erfindungsgemäß ge­ stalteten Anker über einem Basissubstrat, Fig. 1 is a perspective, schematic diagram showing the arrangement of an armature substrate with an anchor according to the invention stalteten ge over a base substrate,

Fig. 2 ein ähnlich Fig. 1 aufgebautes Relais in einer Schnittansicht, Fig. 2 is a similar to FIG. 1 constructed relay in a sectional view,

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Relais von Fig. 2, Fig. 3 is a plan view of the relay of Fig. 2,

Fig. 4 eine gegenüber Fig. 3 etwas abgewandelte Ausfüh­ rungsform eines Relais in Draufsicht, Fig. 4 shows a comparison with FIG. 3 somewhat modified exporting approximate shape of a relay in plan view,

Fig. 5 eine Seitenansicht auf einen Anker gemäß Fig. 2 in betätigtem Zustand, Fig. 5 is a side view of an anchor according to FIG. 2 in the actuated state,

Fig. 6 eine Ausführungsform gemäß Fig. 2 mit zusätzlichen Elektretschichten, Fig. 6 shows an embodiment of FIG. 2 with additional electret,

Fig. 7a bis 7d die schematische Darstellung eines Schaltab­ laufs des Relais in vier Phasen und Fig. 7a to 7d, the schematic representation of a Schaltab run of the relay in four phases and

Fig. 8 ein Zeitdiagramm für den Schaltablauf gemäß Fig. 7a bis 7d. Fig. 8 is a timing chart for the switching sequence shown in Fig. 7a to 7d.

Das in den Fig. 1 bis 3 schematisch in verschiedenen An­ sichten gezeigte Relais besitzt ein Basissubstrat 1, vorzugs­ weise aus Silizium bestehend, auf welchem ein Ankersubstrat 2, ebenfalls vorzugsweise aus Silizium hergestellt, angeord­ net und, beispielsweise durch anodisches Bonden, befestigt ist. Das Basissubstrat besitzt in seinem Oberflächenbereich zwei flächige, gegeneinander in Längsrichtung versetzt ange­ ordnete Basiselektroden 11 und 12, die in üblicher Weise als metallische Schichten erzeugt sind. Sie besitzen Steuerlei­ tungen 11a bzw. 12a, die in Fig. 1 schematisch als Leiter­ bahnen angedeutet sind. Außerdem sind auf dem Basissubstrat im vorliegenden Beispiel zwei Festkontakte 13 und 14 angeord­ net, die ebenfalls Zuleitungen 13a bzw. 14a in Form von Lei­ terbahnen besitzen. Die spezielle Konfiguration der einzelnen Leiterbahnen ist im Einzelfall je nach den Gegebenheiten zu wählen; außerdem sind gegebenenfalls notwendige Isolier­ schichten nicht gezeigt. Dazu sind in Fig. 1 weitere Leiter­ bahnen 15 und 16 angedeutet, welche beispielsweise als Zulei­ tungen zum beweglichen Anker fungieren.The relay shown schematically views in Figs. 1 to 3 in different At comprises a base substrate 1, preferably as consisting of silicon, on which an armature substrate 2, also preferably made of silicon, angeord net and is fixed, for example by anodic bonding. The base substrate has in its surface area two flat base electrodes 11 and 12 which are offset with respect to one another in the longitudinal direction and are produced in the usual way as metallic layers. You have Steuerlei lines 11 a and 12 a, which are indicated schematically in Fig. 1 as conductor tracks. In addition, two fixed contacts 13 and 14 are arranged on the base substrate in the present example, which likewise have supply lines 13 a and 14 a in the form of conductor tracks. The specific configuration of the individual conductor tracks must be selected in individual cases depending on the circumstances; in addition, any necessary insulating layers are not shown. For this purpose, additional conductor tracks 15 and 16 are indicated in FIG. 1, which, for example, act as feed lines to the movable armature.

Das Ankersubstrat 2, welches in Fig. 1 lediglich schematisch als Rahmen und in den Fig. 2 und 3 ebenfalls stark verein­ facht dargestellt ist, besteht wie das Basissubstrat vorzugs­ weise aus Silizium. Aus diesem Ankersubstrat ist ein blatt­ förmiger Anker 21 so herausgearbeitet, daß er lediglich ent­ lang einer Schwenkachse 20 über zwei mäanderförmige Federbän­ der 25 und 26 aufgehängt ist. Diese Federbänder 25 und 26 er­ möglichen nicht nur eine Torsion um die Schwenkachse 20, son­ dern auch eine Durchbiegung nach unten, so daß sich der Anker 21 im Bereich der Schwenkachse an das Basissubstrat 1 annä­ hern kann.The armature substrate 2 , which is shown only schematically in Fig. 1 as a frame and in Figs. 2 and 3 also strongly simplified, consists, like the base substrate, preferably of silicon. From this armature substrate, a sheet-shaped armature 21 is worked out in such a way that it is only hung along a pivot axis 20 via two meandering spring bands 25 and 26 . These spring bands 25 and 26 he possible not only a torsion about the pivot axis 20 , but also a deflection downwards, so that the armature 21 can approach the base substrate 1 in the region of the pivot axis.

Der Anker 21 bildet zwei Ankerflügel 21a und 21b beiderseits der Schwenkachse 20. Dabei sind die Ankerflügel 21a und 21b jeweils von dem Basissubstrat 1 weg nach oben gekrümmt, so daß jeder der beiden Ankerflügel jeweils mit dem Basis­ substrat im Ruhezustand einen keilförmigen Luftspalt bildet, der sich vom Bereich der Schwenkachse ausgehend zu den freien Enden hin stetig erweitert. Diese Krümmung kann durch eine gezielte Dotierung und damit erzeugte Zugspannung in einzel­ nen Schichten des Ankersubstrats hervorgerufen werden, wie dies beispielsweise grundsätzlich in der DE 42 05 029 C1 er­ wähnt ist. Die Krümmung wird, wie in Fig. 2 angedeutet, im Bereich der Schwenkachse 20 auf einem kleinen Radius R1 ein­ gestellt, der im Idealfall annähernd ein Knick sein könnte, was aber von der Fertigungstechnik her nicht ganz möglich ist, während zu den freien Enden des Ankers hin die Krümmung abnimmt, was in Fig. 2 mit einem großen Radius R2 schema­ tisch angedeutet ist; in Wirklichkeit handelt es sich natür­ lich nicht um eine Kreiskurve, sondern um eine flacher wer­ dende Kurve, die zum Ende des Ankers hin in eine Gerade aus­ laufen könnte. Die Größenverhältnisse sind im übrigen über­ trieben dargestellt. In einer typischen Ausführung hat der Anker eine Länge in der Größenordnung von 2 mm und eine Brei­ te in der Größenordnung von 1 mm. Die Dicke des Ankers be­ trägt dann z. B. 5-10 µm, während der Kontaktabstand in Ruhe etwa a1 = 10 µm betragen kann.The armature 21 forms two armature wings 21 a and 21 b on both sides of the pivot axis 20 . The armature wings 21 a and 21 b are each curved upward away from the base substrate 1 , so that each of the two armature wings each forms a wedge-shaped air gap with the base substrate in the idle state, which starts from the region of the pivot axis towards the free ends expanded. This curvature can be caused by a targeted doping and thus generated tensile stress in individual layers of the armature substrate, as is basically mentioned, for example, in DE 42 05 029 C1. The curvature is, as indicated in Fig. 2, set in the region of the pivot axis 20 on a small radius R1, which in the ideal case could be approximately a kink, but this is not entirely possible from the manufacturing point of view, while at the free ends of the The anchor decreases the curvature, which is schematically indicated in Fig. 2 with a large radius R2; in reality, of course, it is not a circular curve, but a flattening curve that could run in a straight line towards the end of the anchor. The proportions are shown over the top. In a typical embodiment, the anchor has a length of the order of 2 mm and a width of the order of 1 mm. The thickness of the anchor then be z. B. 5-10 microns, while the contact distance at rest can be about a1 = 10 microns.

Der Anker 21 trägt im Bereich seiner Unterseite eine Anker­ elektrode 22. Diese erstreckt sich in dem Beispiel über die gesamte Unterseite des Ankers. Für bestimmte Anwendungsfälle, zum Beispiel zur Ansteuerung beider Ankerflügel von getrenn­ ten Stromkreisen, könnten auch an der Unterseite der Anker­ flügel voneinander isolierte Elektrodenabschnitte 22a bzw. 22b vorgesehen werden. An den unterseitigen Enden der Anker­ flügel 21a und 21b sind außerdem bewegliche Kontakte 23 und 24 angeordnet, die mit den Festkontakten 13 bzw. 14 des Ba­ sissubstrats zusammenarbeiten. Die beweglichen Kontakte 23 und 24 befinden sich an der Unterseite von Kontaktbereichen 27, welche durch Einschnitte 28 teilweise von dem eigentli­ chen Ankerflügel abgetrennt sind, so daß sie nur über schmale Stege 29 an diese angebunden sind. Dies bewirkt, daß sie mit größerer Elastizität als der eigentliche Anker beim Schließen des jeweiligen Kontaktes aus der Ankerebene heraus bewegbar sind und so die gewünschte Kontaktkraft aufbauen, während die davon getrennte Ankerelektrode in den davon abgetrennten Um­ gebungsbereichen flach auf der Basiselektrode aufliegt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.The armature 21 carries an anchor electrode 22 in the region of its underside. In the example, this extends over the entire underside of the anchor. For certain applications, for example to control both armature wings of separate circuits, electrode sections 22 a and 22 b that are insulated from one another could also be provided on the underside of the armature wings. At the lower ends of the armature wings 21 a and 21 b movable contacts 23 and 24 are also arranged, which cooperate with the fixed contacts 13 and 14 of the base substrate. The movable contacts 23 and 24 are located on the underside of contact areas 27 , which are partially separated by cuts 28 from the actual armature wing so that they are only connected to these by narrow webs 29 . This causes them to be moved with greater elasticity than the actual armature when the respective contact closes out of the armature plane and thus build up the desired contact force, while the separate armature electrode lies flat in the surrounding areas around the base electrode, as shown in Fig. 5 is shown.

Aus dieser Fig. 5, die den Schließzustand des Ankerflügels 21b zeigt, ist auch zu ersehen, daß aufgrund der Schwenkbewe­ gung des Ankers der linke Ankerflügel 21a sich zusätzlich weiter von der Basiselektrode abhebt, so daß der Kontaktab­ stand a2 zwischen den Kontakten 13 und 23 größer ist als der Kontaktabstand a1 im Ruhezustand des Relais gemäß Fig. 2. Daraus ergibt sich auch eine zusätzliche Sicherheit gegen Fehlschaltung. Das bedeutet, daß nach dem Anziehen eines Ankerflügels, in diesem Fall des Ankerflügels 21b, eine An­ steuerung des zweiten Ankerflügels 21a mit dergleichen An­ sprechspannung diesen Ankerflügel mit seinen Kontakten 13 und 23 nicht gleichzeitig schließen kann. Hierzu wäre in einem typischen Fall etwa die dreifache Ansprechspannung erforder­ lich.From this Fig. 5, which shows the closed state of the armature wing 21 b, it can also be seen that due to the pivoting movement of the armature the left armature wing 21 a also stands out further from the base electrode, so that the Kontaktab stood a2 between the contacts 13 and 23 is greater than the contact distance a1 in the idle state of the relay according to FIG. 2. This also results in additional security against incorrect switching. This means that after tightening an armature wing, in this case the armature wing 21 b, a control of the second armature wing 21 a with the same speaking voltage to this armature wing with its contacts 13 and 23 cannot close at the same time. In a typical case, this would require approximately three times the response voltage.

Die Funktion eines derartigen Relais wurde anhand eines Bei­ spiels durchgerechnet, bei dem die Kontaktabstände k1 bzw. k2 der beiden Ankerflügel im Ruhezustand 42 µm betrugen. Simu­ liert wurde dabei eine über Torsionsfedern gelagerte Silizi­ umwippe mit einer Dicke von 10 µm, einer Länge von 2 × 1300 µm und einer Breite von 1000 µm, welche im mittleren Bereich viermal so stark durch innere Spannungen gekrümmt ist wie im restlichen Bereich der beiden Flügel. An den Enden haben die beiden Flügel also einen Abstand von 42 µm von der Basis. Entsprechend diesem relativ hohen Kontaktabstand waren auch verhältnismäßig hohe Ansprechspannungen erforderlich.The function of such a relay was based on a case game calculated in which the contact spacing k1 or k2 of the two anchor wings were 42 µm at rest. Simu A silicon was mounted over torsion springs see-saw with a thickness of 10 µm, a length of 2 × 1300 µm and a width of 1000 microns, which in the middle is curved four times more by internal tensions than in remaining area of the two wings. At the ends they have both wings a distance of 42 µm from the base. According to this relatively high contact distance, too relatively high response voltages required.

Dabei ergaben sich die folgenden Ergebnisse, die in den Fig. 7a bis 7d in einer schematischen Darstellung der einzel­ nen Phasen des Schaltablaufs und in Fig. 8 als zugehöriges Zeitdiagramm dargestellt sind. In den Fig. 7a bis 7d ist jeweils schematisch der Anker 21 mit den Ankerflügeln 21a und 21b über den beiden Basiselektroden 11 und 12 dargestellt. U11 bedeutet jeweils die Spannung zwischen dem Ankerflügel 21a und der Basiselektrode 11, U12 die Spannung zwischen dem Ankerflügel 21b und der Basiselektrode 12; k1 ist der Kon­ taktabstand des Ankerflügels 21a, k2 der Kontaktabstand des Ankerflügels 21b von der jeweiligen Basiselektrode. In Fig. 8 ist über der Zeit der Verlauf der Spannungen U11 und U12 sowie der Kontaktabstände k1 und k2 gezeigt.The following results were obtained, which are shown in FIGS. 7a to 7d in a schematic representation of the individual phases of the switching sequence and in FIG. 8 as an associated time diagram. In Figs. 7a-7d schematically the armature 21 with the armature wings 21 a and 21 b to the two base electrodes 11 and 12 shown. U11 means the voltage between the armature wing 21 a and the base electrode 11 , U12 the voltage between the armature wing 21 b and the base electrode 12 ; k1 is the contact distance of the armature wing 21 a, k2 is the contact distance of the armature wing 21 b from the respective base electrode. In FIG. 8, the profile of the voltages U11 and U12 and the contact spacing shown k1 and k2 over time.

Als erste Phase zeigt Fig. 7a den Ruhezustand mit U11 = U12 = 0. Wie erwähnt, beträgt in diesem Fall der Ruhe-Kontaktabstand beider Ankerflügel k1 = k2 = 42 µm. Vom Zeitpunkt T1 (Fig. 8) wird die Spannung U11 eingeschaltet; dabei neigt sich die Wippe leicht zur Basiselektrode 11, so daß der Kontaktabstand k1 auf etwa 36 µm sinkt und der Kontaktabstand k2 auf etwa 46 µm steigt (Fig. 8). Ansonsten bleibt der Ruhezustand erhal­ ten, bis U11 den Ansprechwert U11an = 64 V erreicht. Bei diesem Zeitpunkt T2 schließt der Ankerflügel 21a, d. h. der Kontakt­ abstand k1 wird zu 0. Gleichzeitig wird über die Wippe der andere Ankerflügel 21b weiter angehoben, so daß sein Kontakt­ abstand k2 auf 65 µm ansteigt (siehe Fig. 7b).7a shows the idle state with U11 = U12 = 0 as the first phase . As mentioned, in this case the idle contact distance between the two anchor wings is k1 = k2 = 42 μm. From time T1 ( FIG. 8), voltage U11 is switched on; the rocker tilts slightly towards the base electrode 11 , so that the contact distance k1 drops to approximately 36 μm and the contact distance k2 increases to approximately 46 μm ( FIG. 8). Otherwise, the idle state remains until U11 reaches the response value U11an = 64 V. At this point in time T2 the armature wing 21 a closes, ie the contact distance k1 becomes 0. At the same time the other armature wing 21 b is raised further via the rocker so that its contact distance k2 increases to 65 μm (see FIG. 7b).

Eine weitere Erhöhung von U11 bis auf 100 V ändert nichts an dem Schaltzustand. Auch das Einschalten von U12 zwischen dem Ankerflügel 21b und der Basiselektrode 12 bei gleichzeitiger Beibehaltung von U11 = 100 V ändert zunächst nichts an dem Schaltzustand. Erst bei U12 = 190 V schließt auch der Kontakt am Ankerflügel 21b, wie in Fig. 7c gezeigt ist. Dieses gleichzeitige Einschalten von U11 und U12 entspricht einer nicht erwünschten Fehlbedienung des Relais. Da aber der Wert U12an = 190 V etwa der Bedingung U12an = 3 × U11an entspricht, hat ein Wechslerrelais mit dem erfindungsgemäßen Aufbau eine genügend hohe Sicherheit gegen Fehlschaltungen.A further increase from U11 to 100 V does not change the switching status. Also, the turning on of U12 between the armature wings 21b and the base electrode 12 at the same time maintaining U11 = 100 V initially does not change the switching state. Only at U12 = 190 V also includes the contact on the armature wings 21 b, as shown in Fig. 7c is shown. This simultaneous switching on of U11 and U12 corresponds to an undesired incorrect operation of the relay. However, since the value U12an = 190 V roughly corresponds to the condition U12an = 3 × U11an, a changeover relay with the structure according to the invention has a sufficiently high level of security against incorrect switching.

Wird vom Zeitpunkt T4 an die Spannung U11 abgesenkt, so bleibt der Schaltzustand gemäß Fig. 7c zunächst erhalten, bis U11 den Abfall-Spannungswert von U11ab = 17 V erreicht hat (Zeitpunkt T5 in Fig. 8). Zu diesem Zeitpunkt fällt der Ankerflügel 21a ab, k1 steigt auf den Wert von 65 µm gemäß Fig. 7d. Der Kontakt am Ankerflügel 21b bleibt geschlossen.If the voltage U11 is reduced from the time T4, the switching state according to FIG. 7c is initially maintained until U11 has reached the drop voltage value of U11ab = 17 V (time T5 in FIG. 8). At this point in time, the anchor wing 21 a falls off, k1 rises to the value of 65 μm according to FIG. 7d. The contact on the armature wing 21 b remains closed.

Dieses Rechenbeispiel dient dem Nachweis des Funktionsprin­ zips. Die Ergebnisse gelten entsprechend auch für kleinere Kontaktabstände in der Größenordnung von 10 µm, wobei dann auch kleinere Ansprechspannungen im Bereich von 10 bis 20 V genügen.This calculation example serves to demonstrate the functional sprin zips. The results also apply to smaller ones Contact spacing on the order of 10 microns, then also smaller response voltages in the range from 10 to 20 V. are enough.

Die Stromzuführung für die beweglichen Kontakte 23 und 24 (in Fig. 5), die zweckmäßigerweise als Mittelkontakt miteinander verbunden sind, erfolgt über eine nicht dargestellte Leiter­ bahn über die Unterseite des Federbandes 25 und die Leiter­ bahn 15 auf dem Basissubstrat, während die Ansteuerung der Ankerelektrode 22 über eine ebenfalls nicht dargestellte Lei­ terbahn auf der Unterseite des Federbandes 26 zu der Leiter­ bahn 16 des Basissubstrates erfolgt. Sind mehrere Zuleitun­ gen, etwa zu mehreren Kontakten, erforderlich, müßten über die Federbänder Leiterbahnen in verschiedenen Schichten ge­ führt werden.The power supply for the movable contacts 23 and 24 (in Fig. 5), which are expediently connected as a center contact, takes place via a conductor track, not shown, via the underside of the spring band 25 and the conductor track 15 on the base substrate, while the control of Armature electrode 22 via an also not shown Lei terbahn on the underside of the spring band 26 to the conductor path 16 of the base substrate. If several supply lines, for example to several contacts, are required, conductor tracks would have to be routed in different layers via the spring strips.

Um eine Laststromzuleitung über die Federbänder überhaupt zu vermeiden, ist es auch möglich, die beweglichen Kontakte als Brückenkontakte auszuführen. Eine derartige Ausgestaltung ist in Fig. 4 schematisch gezeigt. Dort sind auf dem linken Ankerflügel 21a zwei bewegliche Kontakte 33a und 33b über ei­ ne Brücke 33 verbunden, ebenso zwei bewegliche Kontakte 34a und 34b auf dem Ankerflügel 21b über eine Brücke 34. Beim Schalten kann so jeweils eine Kontaktbrücke 33 oder 34 zwei nicht dargestellte feststehende Kontakte auf dem Basis­ substrat miteinander verbinden.In order to avoid a load current supply via the spring bands at all, it is also possible to design the movable contacts as bridge contacts. Such an embodiment is shown schematically in FIG. 4. There on the left armature wing 21 a two movable contacts 33 a and 33 b are connected via a bridge 33 , as are two movable contacts 34 a and 34 b on the armature wing 21 b via a bridge 34 . When switching, a contact bridge 33 or 34 can connect two stationary contacts, not shown, on the base substrate.

In Fig. 6 ist eine Weiterbildung schematisch angedeutet, bei der über den Ankerelektroden 11 und 12 jeweils Elektrete 41 und 42 vorgesehen sind, die mit ihren Ladungen eine Vorspan­ nung und damit eine bestimmte monostabile oder bistabile Schaltcharakteristik des Relais erzielen können. In dem ge­ zeigten Beispiel sind die Elektretschichten auf dem Basis­ substrat über den feststehenden Elektroden angeordnet. Grund­ sätzlich wäre es natürlich auch möglich, entsprechende Elek­ tretschichten wahlweise oder zusätzlich auf dem Anker anzu­ bringen.In Fig. 6, a development is indicated schematically, in which electrets 41 and 42 are provided above the armature electrodes 11 and 12 , which can achieve a bias with their charges and thus achieve a certain monostable or bistable switching characteristic of the relay. In the example shown, the electret layers are arranged on the base substrate above the fixed electrodes. In principle, it would of course also be possible to attach appropriate elec- tric layers either optionally or additionally to the anchor.

Je nach Art und Höhe der Ladungen in den Elektretschichten 41 und 42 lassen sich unterschiedliche Betriebsarten des Relais erzielen, wie sie in den folgenden Tabellen zusammengestellt sind.Depending on the type and amount of the charges in the electret layers 41 and 42 , different operating modes of the relay can be achieved, as summarized in the following tables.

Neutrales Relais (ohne Elektret-Ladungen): Neutral relay (without electret charges):

Monostabiles Relais: Monostable relay:

Bistabiles Relais: Bistable relay:

In den Tabellen bedeuten jeweils U11 die Gesamtspannung zwi­ schen der Basiselektrode 11 und der Ankerelektrode 22, und U12 die Gesamt-Steuerspannung zwischen der Basiselektrode 12 und der Ankerelektrode 22. Darin eingeschlossen ist jeweils die Elektretspannung U41 des Elektreten 41 bzw. U42 des Elek­ treten 42. Die von außen anzulegende Steuerspannung ist des­ halb geringer als U11 bzw. U12, nämlich U11-U41 bzw. U12-U42.In the tables, U11 means the total voltage between the base electrode 11 and the armature electrode 22 , and U12 the total control voltage between the base electrode 12 and the armature electrode 22 . Included in this is the electret voltage U41 of the electret 41 and U42 of the electrical circuit 42 . The control voltage to be applied from the outside is therefore half lower than U11 or U12, namely U11-U41 or U12-U42.

Ansonsten bedeutet:
Uan: Ansprechspannung allgemein
Uan0: Ansprechspannung des neutralen Relais
Urück: die Rückfallspannung, allgemein, also diejenige Spannung, bei der der Anker nicht mehr gehalten wird und in die Ruhestellung zurückkehrt,
Urück0: die Rückfallspannung beim neutralen Relais.
Otherwise means:
Uan: general response voltage
Uan0: response voltage of the neutral relay
Urück: the release voltage, in general, that is the voltage at which the anchor is no longer held and returns to the rest position,
Urück0: the dropout voltage for the neutral relay.

Die äquivalenten Elektretspannungen U1 beim monostabilen Re­ lais und U0 beim bistabilen Relais entsprechen etwa folgen­ den Werten:
U1 < Uan0
Uan1 < U1 und
Urück0 < U0 < Uan0.
The equivalent electret voltages U1 for the monostable relay and U0 for the bistable relay correspond approximately to the values:
U1 <Uan0
Uan1 <U1 and
Urück0 <U0 <Uan0.

Wie eingangs bereits erwähnt, können die Substrate mit be­ kannten Beschichtungs- und Ätzmethoden bearbeitet werden. Insbesondere kann der Anker 21 aus dem Ankersubstrat 2 mit bekannten Methoden gewonnen werden. Vorzugsweise wird der An­ ker durch eine dotierte Siliziumschicht in dem Ankersubstrat 2 gebildet, die dann durch rückseitiges anisotropes Ätzen des Siliziumwafers mit elektrochemischem Ätzstop freigelegt wird. Daneben sind aber auch andere Methoden anwendbar.As already mentioned at the beginning, the substrates can be processed using known coating and etching methods. In particular, the armature 21 can be obtained from the armature substrate 2 using known methods. The anchor is preferably formed by a doped silicon layer in the armature substrate 2 , which is then exposed by anisotropic etching of the silicon wafer on the back with an electrochemical etching stop. However, other methods can also be used.

Die in Fig. 1 gezeigte Gestaltung des Kontaktbereiches 27 mit dem beweglichen Kontaktstück 23 bzw. 24 kann ebenfalls abgewandelt werden. Insbesondere sind dabei Gestaltungen ei­ nes Kontaktbereiches mit spiralfederartigen oder sonnenradar­ tigen Aufhängungen möglich, wie dies in der DE 44 37 259 C1 beschrieben ist.The design of the contact area 27 with the movable contact piece 23 or 24 shown in FIG. 1 can also be modified. In particular, designs of a contact area with spiral spring-like or sun radar term suspensions are possible, as described in DE 44 37 259 C1.

Claims (11)

1. Mikromechanisches elektrostatisches Relais mit
  • 1. einem flachen Basissubstrat (1), in dessen Oberflächenbe­ reich zwei flächige Basiselektroden (11, 12) in Längsrich­ tung zueinander versetzt angeordnet sind,
  • 2. einem Ankersubstrat (2) mit einem wippenförmigen Anker (21), der im Bereich einer mittigen Schwenkachse (20) an zwei gegenüberliegenden Seiten über flexible Bänder (25, 26) in dem Ankersubstrat (2) aufgehängt ist und beiderseits der Schwenkachse jeweils einen blattförmigen Ankerflügel (21a, 21b) bildet, wobei jeder Ankerflügel einen Anker- Elektrodenabschnitt (22a, 22b) trägt, der seinerseits je ei­ ner der beiden Basiselektroden (11, 12) gegenübersteht,
  • 3. wobei ferner jeder Ankerflügel (21a, 21b) mindestens einen beweglichen Kontakt (23, 24; 33a, 33b, 34a, 34b) trägt, der je­ weils mit mindestens einem auf dem Basissubstrat (1) ange­ ordneten Festkontakt (13, 14) zusammenwirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ankerflügel (21a, 21b) in sich biegsam ausgebildet und jeweils im Ruhezustand von dem Basissubstrat (1) weg gekrümmt sind, wobei sie jeweils einen keilförmigen Luftspalt mit diesem bilden, dessen engste Stelle in der Nähe der Schwenkachse (20) liegt und der sich zum freien Ende des Ankerflügels (21a, 21b) hin stetig erweitert.
1. Micromechanical electrostatic relay with
  • 1. a flat base substrate ( 1 ), in the surface area of which two flat base electrodes ( 11 , 12 ) are arranged offset to one another in the longitudinal direction,
  • 2. an armature substrate ( 2 ) with a rocker-shaped armature ( 21 ) which is suspended in the region of a central pivot axis ( 20 ) on two opposite sides via flexible bands ( 25 , 26 ) in the armature substrate ( 2 ) and one on each side of the pivot axis leaf-shaped armature wings ( 21 a, 21 b), each armature wing carrying an armature electrode section ( 22 a, 22 b), which in turn is opposed to each of the two base electrodes ( 11 , 12 ),
  • 3. Furthermore, each anchor wing ( 21 a, 21 b) carries at least one movable contact ( 23 , 24 ; 33 a, 33 b, 34 a, 34 b), each of which is arranged with at least one on the base substrate ( 1 ) Fixed contact ( 13 , 14 ) cooperates,
characterized in that the two anchor wings ( 21 a, 21 b) are flexible in themselves and are each curved away from the base substrate ( 1 ) in the idle state, each forming a wedge-shaped air gap with the latter, the narrowest point of which is in the vicinity of the pivot axis ( 20 ) lies and which continuously widens towards the free end of the anchor wing ( 21 a, 21 b).
2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexi­ blen Bänder (25, 26) zur Ankeraufhängung sowohl eine Torsion als auch eine Durchbiegung senkrecht zur Oberfläche des Ba­ sissubstrats (1) ermöglichen.2. Relay according to claim 1, characterized in that the flexible belts ( 25 , 26 ) for armature suspension allow both a torsion and a deflection perpendicular to the surface of the siss substrate ( 1 ). 3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flexi­ blen Bänder (25, 26) zur Aufhängung des Ankers (21) mäander­ förmig gestaltet sind. 3. Relay according to claim 1 or 2, characterized in that the flexible strips ( 25 , 26 ) for the suspension of the armature ( 21 ) are meandering. 4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (21) im Bereich der Schwenkachse (20) einen kleinen Krüm­ mungsradius (R1) und in den zu den freien Enden der Ankerflü­ gel (21a, 21b) sich erstreckenden Bereich einen großen Krüm­ mungsradius (R2) aufweist.4. Relay according to one of claims 1 to 3, characterized in that the armature ( 21 ) in the region of the pivot axis ( 20 ) has a small radius of curvature (R1) and in the free ends of the armature wing ( 21 a, 21 b ) extending area has a large radius of curvature (R2). 5. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ankerflügel (21a, 21b) zusammenhängende Abschnitte (22a, 22b) einer gemeinsamen Ankerelektrode (22) tragen, die einen als Leiterbahn über mindestens eines der flexiblen Bänder (26) geführten Steueranschluß (16) besitzt.5. Relay according to one of claims 1 to 4, characterized in that both armature wings ( 21 a, 21 b) have contiguous sections ( 22 a, 22 b) of a common armature electrode ( 22 ), which is a conductor track via at least one of the flexible Belts ( 26 ) guided control connection ( 16 ). 6. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei auf je einem Ankerflügel (21a, 21b) angeordnete bewegliche Kontak­ te (23, 24) einen gemeinsamen Laststromanschluß (15) besitzen, der in Form einer Leiterbahn über eines der flexiblen Bänder (25) geführt ist.6. Relay according to one of claims 1 to 5, characterized in that two on one armature wing ( 21 a, 21 b) arranged movable contacts te ( 23 , 24 ) have a common load current connection ( 15 ) in the form of a conductor track one of the flexible bands ( 25 ) is guided. 7. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ankerflügel (21a, 21b) eine bewegliche Brückenkontaktanordnung (33, 34) ohne eigenen Anschluß aufweist, welche mit einem Paar feststehender Kontakte zusammenwirkt.7. Relay according to one of claims 1 to 5, characterized in that each armature wing ( 21 a, 21 b) has a movable bridge contact arrangement ( 33 , 34 ) without its own connection, which cooperates with a pair of fixed contacts. 8. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder be­ wegliche Kontakt (23, 24) in einem Kontaktabschnitt (27) ange­ ordnet ist, der über Verbindungsstege (29) geringen Quer­ schnitts elastisch aus der Hauptebene des jeweiligen Anker­ flügels (21a, 21b) heraus bewegbar ist.8. Relay according to one of claims 1 to 7, characterized in that each movable contact ( 23 , 24 ) in a contact section ( 27 ) is arranged, the cross-sections via connecting webs ( 29 ) small cross-section elastically from the main plane of the respective anchor wing ( 21 a, 21 b) is movable out. 9. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in einem der keilförmigen Arbeitsluftspalte eine Elektret­ schicht (41, 42) auf der Basiselektrode (11, 12) oder auf dem Ankerelektrodenabschnitt (22a, 22b) angeordnet ist.9. Relay according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least in one of the wedge-shaped working air gaps an electret layer ( 41 , 42 ) on the base electrode ( 11 , 12 ) or on the armature electrode section ( 22 a, 22 b) is arranged . 10. Relais nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzie­ lung einer monostabilen Schaltcharakteristik im Bereich eines ersten Arbeitsluftspaltes (11, 21a) eine Elektretschicht (41) angeordnet ist und daß zwischen den Elektroden (12, 22) des zweiten Arbeitsluftspaltes (12, 21b) eine Steuerspannung (Uan1) anlegbar ist, die wesentlich größer ist als die Elek­ tretspannung (U1).10. Relay according to claim 9, characterized in that for the development of a monostable switching characteristic in the region of a first working air gap ( 11 , 21 a) an electret layer ( 41 ) is arranged and that between the electrodes ( 12 , 22 ) of the second working air gap ( 12 , 21 b) a control voltage (Uan1) can be applied, which is substantially greater than the elec tric voltage (U1). 11. Relais nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzie­ lung einer bistabilen Schaltcharakteristik im Bereich beider Arbeitsluftspalte (11, 21a; 12, 21b) jeweils eine Elektret­ schicht (41, 42) angeordnet ist und daß zwischen den Elektro­ den beider Arbeitsluftspalte wahlweise eine Steuerspannung (Uan2) anlegbar ist, die wesentlich größer ist als die Elek­ tretspannung (U0).11. Relay according to claim 9, characterized in that for the development of a bistable switching characteristic in the area of both working air gaps ( 11 , 21 a; 12 , 21 b) an electret layer ( 41 , 42 ) is arranged in each case and that between the electric the two Working air column optionally a control voltage (Uan2) can be applied, which is significantly larger than the electrical voltage (U0).
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