DE4421980A1 - Hochstrommikroschalter - Google Patents

Description

Hohe Ströme werden derzeit entweder mittels mechanischer Schalter oder Hochstrom-Halbleiterelementen geschaltet. Verschiedene andere Schalter, wie z. B. Elektrolytschalter, sind ebenfalls bekannt.

Mechanische Schalter werden üblicherweise dargestellt, indem metallisch leitende Kontaktflächen so getrennt werden, daß der zwischen diesen Flächen entstehende Luftspalt eine sichere Stromunterbrechung gewährleistet. Dabei entsteht in Abhängigkeit von der Größe des Stromes, der Ausgestaltung und der Berührungs­ fläche der Kontakte ein Abrißfunke, der die Lebensdauer des Schalters begrenzt, sowie dessen Minimierung in Abhängigkeit von der Größe des zu schaltenden Stromes die minimale Baugröße des Schalters bestimmt. Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens durch den Abrißfunken kommen üblicherweise Sintermetalle zum Einsatz, deren Leitfähigkeit jedoch deutlich unter der von reinen metallischen Leitern liegt, was zu einem erhöhten Spannungsabfall am Kontaktpaar führt.

Halbleiterschalter (Transistoren/Thyristoren etc.) werden von ihren Kennlinien so ausgelegt, daß im durchgeschalteten Zustand ein möglichst geringer Innenwiderstand erzielt wird. Dabei kann jedoch die Leitfähigkeit eines metallischen Leiters nicht erreicht werden (Grund: Elektronen/Lochmobilität).

Für den ausgeschalteten Zustand wird ein möglichst hoher Innen­ widerstand angestrebt, das Widerstandsverhalten einer mechanischen Kontakttrennung jedoch nicht erreicht (Leckstrom). Abrißfunken treten bei Halbleiter-Schaltern nicht auf.

Elektrolyt-Schalter besitzen ähnliche Kennlinien wie Halbleiter- Schalter, haben keinen Abrißfunken, sind jedoch wegen der geringen Leitfähigkeit des Elektrolyts sehr groß.

Lösung

Um die Nachteile der verschiedenen Schaltertypen zu vermeiden, wird der Gesamtstrom auf eine Vielzahl von einzelnen metallischen, mechanisch trennbaren Kontakten verteilt. Damit wird der einzelne Kontakt mit einem im Verhältnis zum Gesamtstrom sehr kleinen Teilstrom belastet.

Der bei der mechanischen Trennung am Einzelkontakt entstehende Abrißfunke wird dadurch verringert beziehungsweise vermieden, daß in die Zuleitung eines solchen Kontaktes eine Brücke eingefügt wird, die aus einem Material besteht, das bei einem Stromanstieg eine progressive Widerstandserhöhung erfährt und damit den Strom begrenzt.

Die große Anzahl der Einzelkontakte wird durch Methoden der Mikrostrukturtechnik erreicht, wodurch gleichzeitig der Nachteil großer geometrischer Abmessungen vermieden wird und sich die gewünschten Brückeneigenschaften durch geometrische Optimierung mit gängigen Materialien erreichen lassen. Durch die mittels der Microstrukturtechnik mögliche Optimierung können für die Brücke sogar schlechte elektrische Leiter, die dafür jedoch andere wichtige physikalische Eigenschaften (z. B. hoher Schmelzpunkt etc.) besitzen, vorteilhaft, d. h. z. B. ohne nennenswerten Übergangswiderstand, genutzt werden.

Ein solcher Schalter besitzt im eingeschalteten Zustand die Eigenschaften der metallischen Leitung, im ausgeschalteten Zustand den nahezu unendlichen Widerstand einer mechanischen Kontakttrennung.

Die Lösung der beschriebenen Probleme erfolgt damit durch einen "Hochstrommikroschalter" wie nachfolgend beschrieben.

Claims (4)

1. Hochstrommikroschalter,
dadurch gekennzeichnet, daß
er aus zwei Siliziumplatten besteht, die aufeinander angeordnet sind, deren sich gegenseitig berührende Flächen in Mikrostrukturen aufgeteilt sind und damit Mikroelemente ergeben, die so ausgestaltet sind, daß sich jeweils ein Paar solcher Mikroelemente gegenüberliegend befinden und bei gegenseitiger Anpressung zwischen ihnen inniger Kontakt entsteht (Ein solches Mikroelement kann im einfachsten Fall z. B. aus einem Pyramidenstumpf, der aus der planaren Fläche, die gleichzeitig die metallische Leiterebene darstellt) herausragt, und einer Metallinsel als Gegenstück, die ebenfalls erhaben auf einer planaren Fläche dargestellt ist, die wiederum dort die Leiterebene bildet, bestehen. Solche Pyramidenstümpfe im Mikrometer-Bereich werden mit den Methoden des "micro machining silicon" erzeugt, da sie planar sind; für die Gegenkontaktplatte genügt die übliche Metallbedampfungstechnik. Diese Beispielsstruktur ist gegenüber lateralen Verschiebungen innerhalb der durch die geometrischen Abmessungen vorgegebenen Grenzen unempfindlich),

• 1.1 seine Mikroelementpaare an den Berührungsflächen eine planare Metallisierung besitzen, die aus einem Werkstoff besteht, der metallisch leitend ist, geringen Widerstand besitzt und oxidations- und korrosionsbeständig ist, damit einen Mikrokontakt bilden, dessen elektrische Verbindung in der jeweiligen Leiterebene durch eine Flächenmetallisierung zum externen Anschluß geführt wird (Zum Beispiel kann die Flächenmetallisierung aus einer Al/Cu-Legierung bestehen, wobei die Kontaktfläche auf dem Pyramidenstumpf zusätzlich mit Gold überzogen wird),
• 1.2 er um jede Kontaktfläche der beschriebenen Mikrokontakte eine Unterbrechung besitzt, die durch eine elektrisch leitende Brücke überbrückt wird, deren Material so gewählt wird, daß bei einem Stromanstieg eine Widerstandserhöhung erfolgt und damit eine Strombegrenzung eintritt, und der Querschnitt dieser Brücken so ausgestaltet wird, daß bei dem Betriebsstrom der Widerstand gering ist, bei Stromanstieg jedoch steil ansteigt und damit eine Strombegrenzung in der Phase des Kontaktabrisses erreicht wird.

2. Hochstrommikroschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und Ausgestaltung der Mikrokontakte die Aufteilung des Betriebsstroms in einer Art erlaubt, die durch deren hinreichend kleinen Einzelkontaktströme alleine oder in Verbindung mit der Strombegrenzung nach 1.2 das Problem des Abrißfunkens am Mikrokontakt weitgehend unterdrückt.

3. Hochstrommikroschalter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Hub der sich gegenüberliegenden Platten, dessen Maß durch die Geometrie der Mikrokontakte und die gewünschten elektrischen Betriebsdaten bestimmt wird, ein- oder ausgeschaltet wird. Die Platten werden so angebracht, daß die Mikrokontakte in Ruhe geöffnet, mit elastischem Material in diesem Zustand dauerhaft verbunden und gegenüber der Umgebung gekapselt sind und durch Anwendung einer senkrecht zur Plattenebene wirkenden Anpreßkraft bei Überwindung der elastischen Trennkraft Kontaktschluß erfolgt, sowie dadurch gekennzeichnet, daß

• 3.1 dessen Anpreßkraft durch üblicherweise verfügbare mechanische Vorrichtungen aufgebracht wird (Beispielsweise kann der notwendige Anpreßdruck durch eine Feder, die durch Druckknopfbetätigung eingerastet wird, erzeugt und auch aufrechterhalten werden. Wird diese Feder durch erneute Betätigung ausgerastet, gehen die Kontaktplatten durch das elastische Material wieder auf Abstand),
• 3.2 dessen von außen angewandte Anpreßkraft durch die Geometrie der Mikrokontakte an den jeweiligen Kontaktflächen so verstärkt werden kann, daß ein sicherer Kontakt gewährleistet ist (Zum Beispiel können die Gegenkontaktflächen keilförmige Vertiefungen haben).

4. Hochstrommikroschalter nach Patentanspruch 1, 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet, daß

• 4.1 er zur Vervielfachung seiner Leistung zu einer Mehrfachstruktur gepackt wird, in der die Betätigung der Einzelschalter gemeinsam erfolgt und damit nahezu beliebige Ströme schaltet,
• 4.2 er je Einzelelement gemäß einer überschlägigen Betrachtung etwa folgende Leistungsdaten haben kann: Die Kantenlänge einer Pyramidenfläche sei 20 µm und hat zur nächsten Fläche einen Abstand von 40 µm. Damit ergibt sich eine Spalten- und Zeilenanzahl von jeweils ca. 160 Kontakten, gerechnet auf ein Chip mit einer Kantenlänge von jeweils 1 cm. Die Anzahl der Kontakte ist damit ca. 25.600. Die gesamte Kontaktfläche beträgt somit ca. 11 mm². Bei einer Metallisierungsdicke zwischen 5 µm und 10 µm können ca. 100 A bei einer Spannung von 120 V geschaltet werden.