DE69602283T2

DE69602283T2 - Schalter und schaltungssysteme

Info

Publication number: DE69602283T2
Application number: DE69602283T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Beardmore
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: GE Aviation UK
Priority date: 1995-11-14
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2016-11-12
Also published as: EP0861497A1; US6064126A; WO1997018574A1; JP2000500274A; DE69602283D1; ATE179548T1; AU7579296A; EP0861497B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schalter der Art, welche zwei Anschlüsse umfassen, eine Vielzahl von Leiterbahnen ausgehend von jedem Anschluß, wobei die Leiterbahnen, welche mit einem Anschluß in Verbindung stehen, elektrisch isoliert sind von den Leiterbahnen, welche mit dem anderen Anschluß in Verbindung stehen, und der Schalter weiterhin umfaßt eine Vielzahl von elektrisch leitenden Überbrückungselementen, welche im Abstand von den Leiterbahnen angeordnet sind und welche verschiebbar sind zwischen einer ersten Position, in der die Überbrückungselemente sich im Abstand von den Leiterbahnenen befinden und einer zweiten Position, in der jedes Überbrückungselement sich in Kontakt befindet mit einer Leiterbahn, welche mit dem einen Anschluß verbunden ist und einer Leiterbahn, welche mit dem anderen Anschluß verbunden ist, so daß Strom parallel zwischen den zwei Anschlüssen über die Leiterbahnen und die Überbrückungselemente fließen kann und ein Stellglied angeordnet ist, um die Überbrückungselemente zwischen der ersten und der zweiten Position zu verschieben.
Das Schalten großer Ströme wird herkömmlich durchgeführt, mittels eines elektromagnetischen Relais oder eines Steuerschütz unter Verwendung eines Solenoids, um einen Anker zu verschieben, so daß dieser zwei Kontakte überbrückt oder isoliert und dadurch Stromfluß zwischen den zwei Anschlüssen ermöglicht oder verhindert. Diese Relais können zuverlässig arbeiten, benötigen jedoch relativ hohe Ströme, um das Solenoid zu betreiben. Sie sind zudem voluminös und schwer und sprechen relativ langsam an, bedingt durch die Masse des Ankers. Niedrigere Ströme können mittels Halbleiterbauelementen geschaltet werden, wie z.B. durch Feldeffekttransistoren und Thyristoren, aber diese haben den Nachteil, daß ein Spannungsabfall über dem Bauelement erzeugt wird und daß sie nicht brauchbar sind für höhere Ströme. Das Dokument US-A-5430597 beschreibt einen Stromunterbrecher der oben beschriebenen Art, welcher parallele Zweige aufweist, die von Eingangs- und Ausgangsleitungen ausgehen und mittels einer Vielzahl von mikromechanischen Schaltern überbrückt sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Form eines Schalters zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird ein Schalter der oben bezeichneten Art zur Verfügung gestellt, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens einige der Überbrückungselemente in einer gemeinsamen, feststehenden Materialplatte ausgebildet sind, welche so ausgestaltet ist, daß sie flexible Elemente bildet, durch die die Überbrückungselemente in der Platte gehalten werden, so daß jedes Überbrückungselement unabhängig von den anderen Elementen bezüglich der Platte beweglich ist und durch ein Versagen eines der Überbrückungselemente in der zweiten Position die anderen Überbrückungselemente nicht daran gehindert werden, sich in die erste Position zu bewegen.
Die Oberseite jeder Leiterbahn und die Unterseite jedes Überbrückungselements sind vorzugsweise flach ausgebildet, und die Überbrückungselemente stehen in der unteren Position mit den Leiterbahnen über deren gesamten Breite in Verbindung. Die Platte kann aus Silicium sein und die Überbrückungselemente weisen eine elektrisch leitende Schicht auf, die so angeordnet ist, daß sie die Leiterbahnen verbindet, wenn die Überbrückungselemente in ihre zweite Position verschoben sind. Die Überbrückungselemente können rechteckig ausgebildet sein und die flexiblen Elemente können ein Paar von Biegeelementen sein, welche sich von jedem Überbrückungselement an gegenüberliegenden Seiten mittig entlang seiner Länge nach außen erstrecken. Das Stellglied ist vorzugsweise ein elektrostatisches Stellglied. Die Leiterbahnen und Überbrückungselemente sind vorzugsweise in einem evakuierten Gehäuse untergebracht. Die Leiterbahnen können auf einem Siliciumsubstrat verlaufen. Die Leiterbahnen können auch auf einer Diamantschicht verlaufen, welche sich auf einem Substrat aus einem anderen Material erstreckt.
Gemäß eines anderen Gegenstands der vorliegenden Erfindung wird ein Schaltersystem zur Verfügung gestellt, welches umfaßt einen ersten Schalter gemäß der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform und einen weiteren Halbleiterschalter, welcher in Reihe mit dem ersten Schalter geschaltet ist.
Ein Schalter und ein System, welches einen Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, wird im folgenden beispielhaft beschrieben, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, welche zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht, welche eine untere Schalterebene und die Lage der Überbrückungselemente des Schalters zeigt;
Fig. 2 ein transversaler Querschnitt eines Teils des Schalters in vergrößerter Darstellung;
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine zentrale Schalterebene und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Systems, welches den Schalter aufweist.
Gemäß Fig. 1 weist der Schalter ein abgedichtetes und evakuiertes äußeres Gehäuse 1 von kreisförmiger Gestalt auf, durch welches herausragen: zwei metallische Spannungsanschlüsse 2 und 3, einen Stellanschluß 4 durch den der Schalter geregelt ist und einen vierten Anschluß 5, welcher mit verschiedenen Sensoren innerhalb des Schalters in Verbindung steht, durch welche der Betrieb des Schalters überwacht wird.
Innerhalb des Gehäuses 1 befindet sich ein kreisförmiges Silicium-Substrat oder -Wafer 10, auf welcher die Schaltereinheit 11 ausgebildet ist sowie dazugehörige Komponenten wie eine Lichtbogenunterdrückungsdiode 12, eine thermische Meß- und Kontrollvorrichtung 13, ein Getterheizfilm und Mikroheizer 14 zur Verbesserung des Vakuums innerhalb des Schalters, Signalpufferschaltkreis und Schaltlogik 15 und zusätzliche Steuerungen 16. Die Schaltereinheit 11 und die dazugehörigen Komponenten 12 bis 16 können alle durch herkömmliche integrierte-Schaltkreis- Technik oder Mikrotechnik in dem Siliciumwafer 10 oder in auf dem Wafer abgeschiedenen Schichten ausgebildet werden. Alternativ können diese auch durch separate Einzelkomponenten gebildet werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 ist die Schaltereinheit 11 in einem zentralen Bereich des Siliciumwafers 10 gebildet und umfaßt eine erste elektrisch isolierende Schicht 20, z.B. aus Diamant, welche auf der oberen Oberfläche des Wafers ausgebildet ist. Auf der Schicht 20 ist eine elektrisch leitende Schicht 21 aus einem Metall, wie z.B. Silber, abgeschieden. Die leitende Schicht 21 ist in zwei Bereiche 22 und 23 aufgeteilt, welche normalerweise voneinander elektrisch isoliert sind. Ein Bereich 22, welcher im linken Teil der Fig. 1 dargestellt ist, ist mit dem Anschluß 2 verbunden und besitzt einen lateralen Zweig 24 und sechs geradlinige parallele Sammelschienen 25, welche sich fingerförmig longitudinal an der rechten Seite des Wafers erstrecken. Die Sammelschienen 25 sind voneinander durch fünf Lücken 26 getrennt. Der andere Bereich 23 der leitenden Schicht 21 hat dieselbe Gestalt wie der linke Bereich 22, mit einem lateralen Zweig 27, welcher verbunden ist mit dem Spannungsanschluß 3 und mit sechs Sammelschienen 28, welche sich nach links erstrecken und mit den Sammelschienen 25 des linken Bereichs 22 interdigitiert sind. Die beiden Sammelschienen 25 und 28 erstrecken sich parallel zueinander und sind durch Lücken voneinander getrennt, so daß sie voneinander elektrisch isoliert sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Lücke zwischen den Sammelschienen 25 und 28 vorzugsweise bis zu einer Höhe knapp unterhalb von deren oberen Oberfläche mit einer zweiten Diamantschicht 20' gefüllt; beide Schichten 20 und 20' sind elektrisch nicht leitend, aber thermisch leitend.
Ein zweiter, dünner zentraler Siliciumwafer 30 ist auf dem unteren Wafer 10 angebracht, so daß sich sein zentraler Bereich im Abstand oberhalb des unteren Wafers befindet. Der zentrale Wafer 30 ist in den Fig. 1 oder 2 nicht in seiner Gesamtheit dargestellt, wird jedoch in Fig. 3 am deutlichsten gezeigt. Der zentrale Wafer 30 umfaßt eine Siliciumplatte 31, welche elektrisch isolierende Schichten 32 und 33 aus einem Siliciumoxid an seiner unteren und oberen Oberfläche aufweist. Auf den isolierenden Schichten 32 und 33 sind jeweils elektrisch leitende Schichten 34 und 35 aus Metall, z.B. Silber, abgeschieden. Der zentrale Wafer 30 ist über seiner Dicke durch Mikrotechniken, wie z.B. Ätzen oder Abtragung, bearbeitet, um das Muster, wie in Fig. 3 dargestellt, zu ergeben und den Wafer in vierundvierzig Überbrückungselemente 40 auszubilden, von denen nur zehn in Fig. 3 dargestellt sind. Jedes Überbrückungselement 40 ist rechteckig und ist durch zwei lineare Schlitze 41 und 42 sowie zwei Öffnungen 43 und 44 ausgebildet. Die linearen Schlitze 41 und 42 bilden drei Seiten eines Rechtecks und zwei nach außen überhängende Randelemente 45, um den Rand der Überbrückungselemente 40 zu definieren. Die Öffnungen 43 und 44 sind zwischen den Randelementen 45 der zwei Schlitze 41 und 42 ausgebildet, wobei die Größe der Öffnungen und der Abstand der Randelemente so ist, daß sie an gegenüberliegenden Seiten ein Paar von schmalen Biegeelementen 47 bilden, welche sich parallel zueinander und rechtwinklig zu den Überbrückungselementen 40 mittig entlang deren Länge erstrecken. Man sieht, daß die Schlitze 41 und 42 und die Öffnungen 43 und 44 die Überbrückungselemente 40 vom Rest des zentralen Wafers 30 separieren, außer den vier Biegeelementen 47, welche die Überbrückungselemente im Wafer halten. Diese Biegeelemente 47 ermöglichen, daß die Überbrückungselemente 40 vertikal nach oben oder unten bezüglich der Ebene des zentralen Wafers 30 durch Einwirken einer äußeren Kraft verschoben werden können. Die Positionierung der Überbrückungselemente 40 ist in Fig. 1 dargestellt und man erkennt aus der Figur, daß die Elemente transversal zu den Sammelschienen 25 und 28 orientiert sind und sich zwischen einer Sammelschiene 25 einer Region 22 und einer Sammelschiene 28 der anderen Region 23 erstrecken und die Lücke zwischen diesen überbrücken. Die Überbrückungselemente 40 sind in elf Gruppen von vier Elementen angeordnet, wobei jede Gruppe von Elementen sich oberhalb der selben zwei Sammelschienen befindet und den gleichen Abstand entlang ihrer Länge aufweisen.
Ein dritter, oberer Silicium Wafer 50 ist oberhalb des unteren Wafers 10 und des zentralen Wafers 30 angebracht. Der obere Wafer 50 ist vorzugsweise kappenförmig um seiner äußeren Kante dicht gekapselt mit dem unteren Wafer 10, so daß er die verschiedenen Komponenten umfaßt. An der Unterseite des oberen Wafers 50 befindet sich eine elektrisch isolierende Schicht 51 sowie eine Achtmetallsteuerleitung 52, welche sich transversal von den Sammelschienen 25 und 28 erstreckt und mit den Überbrückungselementen 40 ausgerichtet ist. Die Leiterbahnen 52 sind elektrisch verbunden mit einer Leiterbahn 53 auf dem unteren Wafer, welche wiederum mit dem Stellanschluß 4 über den Pufferkreis 15 verbunden sind. Die obere leitende Schicht 35 auf dem zentralen Wafer 30 ist ebenfalls mit dem Pufferkreis 15 verbunden. Die Leiterbahnen 52 auf dem Wafer 50 und die leitenden Schichten 35 auf den Überbrückungselementen 40 bilden zusammen ein elektrostatisches Stellglied, um die Überbrückungselemente zu verschieben.
Im Ausgangszustand des Schalters, befinden sich die Überbrückungselemente 40 in einer ersten Position in gleichen Abständen zwischen den Sammelschienen 25 und 28 und den Steuerleitungen 52, so daß sie weder den unteren Wafer 10 noch den oberen Wafer 540 kontaktieren. In diesem Ausgangszustand des Schalters kann kein Strom zwischen den Spannungsanschlüssen 2 und 3 fließen, somit ist der Schalter geschlossen oder offen.
Um den Schalter zu schließen, wird ein Signal auf den Stellanschluß 4 gegeben. Dies bewirkt, daß der Kreis 15 eine Spannung gleicher Polarität sowohl auf die Steuerleitungen 52 als auch auf die Steuerelektroden, die durch die leitende Schicht 35 auf der oberen Oberfläche der Überbrückungselemente 40 gebildet werden, anlegt. Dies erzeugt eine abstoßende elektrostatische Kraft zwischen den Leiterbahnen 52 und den Überbrückungselementen 40, wodurch die Überbrückungselemente in ihre zweite Position abgesenkt werden, wo sie sich in Kontakt befinden mit den Sammelschienen 25 und 28 auf dem unteren Wafer 10. Dies bewirkt deshalb, daß die Überbrückungselemente 40 die Sammelschienen 25 und 28, welche mit den verschiedenen Anschlüssen 2 und 3 in Verbindung stehen, überbrückt werden, so daß Strom zwischen den Anschlüssen fließen kann. Um den Schalter zu öffnen, wird ein anderes Signal auf den Stellanschluß 4 gegeben, was den Kreis 15 veranlaßt, eine Spannung von unterschiedlicher Polarität an die Steuerleitungen 52 und die Steuerelektroden 35 anzulegen, so daß die Überbrückungselemente 40 über ihre Ausgangsposition hinaus hochgezogen werden. Die Spannungen werden dann weggenommen, so daß die Überbrückungselemente 40 in ihre Ausgangsposition zurückgehen können. Die Biegehalterung 47 der Überbrückungselemente 40 ermöglicht es den Elementen sich zu verkippen, so daß sie sich geometrischen Unregelmäßigkeiten der Sammelschienen anpassen können.
Die Verwendung von mehreren Überbrückungselementen, welche parallel miteinander verbunden sind, bewirkt, daß jedes Element nur in der Lage sein muß, einen entsprechenden Anteil des Gesamtstromes der durch den Schalter fließt, zu leiten. Idealerweise würde jedes Überbrückungselement einen gleich großen Strom durchlassen, jedoch bewirken in der Praxis Variationen im Herstellungsprozeß und andere Faktoren, daß einige der Elemente einen größeren Strom durchlassen als andere. Wenn jedoch die elektrischen Leiter im Schalter einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzen, führt dieser erhöhte Strom zu einer Zunahme der Temperatur der elektrischen Leiter, welche in Reihe mit, den Überbrückungselementen geschaltet sind, und somit zu einer Zunahme des elektrischen Widerstandes und einer entsprechenden Reduktion des Stromes. Die niedrige thermische Masse der verschiedenen Elemente des Schalters bewirkt, daß dieser selbstregulierende Effekt sehr schnell verläuft. Die Überbrückungselemente 40 können eine sehr kleine Größe sowie geringe Trägheit aufweisen, was dem Schalter eine sehr hohe Schaltgeschwindigkeit vermittelt. Der Schalter ist ein rein mechanischer Schalter und hat somit einen niedrigen Kontaktwiderstand und einen hohen Leerlaufwiderstand verglichen mit einem Halbleiterschalter. Wo sehr hohe Ströme durchflossen werden sollen, können einige Schalter zusammengefügt werden, so daß diese in Parallelschaltung arbeiten. Der Schalter kann in hoher Stückzahl bei niedrigen Kosten hergestellt werden und kann überdies eine hohe Schwingungs- und Stoßfestigkeit aufweisen. Darüberhinaus kann der Schalter leise arbeiten und er erzeugt nur sehr geringe elektromagnetische Interferenzen. Das Design ist wenig störanfällig, da das Versagen eines der Überbrückungselemente einen Kontakt herzustellen, die Wirkung des Schalters nicht wesentlich beeinflussen würde. Falls ein Element versagen würde einen Kontakt zu unterbrechen, würde es einfach durchschmelzen und in diesem Teil des Schalters den Stromkreis unterbrechen.
Der Schmelzstrom eines Überbrückungselements ist so gewählt, daß er kleiner ist als der Schmelzstrom einer Sammelschiene. Bei Betrieb des Überbrückungselements unter hohem Vakuum und frei von organischen Material, wird ein Maximum an Isolation, Unterdrückung von Lichtbogen sowie Lebensdauer erreicht. Das Vakuum verhindert außerdem Effekte durch Luftreibung und Dämpfungen durch gequetschte Filme, so daß die Schaltzeiten minimiert werden.
Die Anordnung der Sammelschienen 25 und 28 über der Oberfläche des Wafers 10 verteilt den Stromtransport und die Stromschaltung über der Oberfläche des Wafers derart, daß die thermische Beanspruchung gestreut wird. Der thermische Sensor 13 wird benutzt, um die Temperatur im Schalter zu überwachen und zu bewirken, daß der Schalter öffnet, falls die Temperatur über einen zulässigen Wert ansteigen sollte.
Das Stellglied ist nicht notwendigerweise ein elektrostatisches Stellglied, alternativ könnte es auch ein piezoelektrisches, thermisches oder ähnliches Element sein. Der Ausgangszustand des Schalters könnte geschlossen sein und durch Anregung des Stellgliedes geöffnet werden.
Der mechanische Schalter der vorliegenden Erfindung könnte in Serie geschaltet werden mit einem herkömmlichen Halbleiterleistungsschalter, wie in Fig. 4 dargestellt, um ein Schaltsystem zu bilden. In dieser Anordnung ist ein mechanischer Schalter wie oben beschrieben durch die Nummer 100 gekennzeichnet und dieser ist in Reihe mit einem Leistungsschalttransistor oder ähnlichem 101 geschaltet. Der Transistor 101 würde zuerst geöffnet, so daß die Spannung vom mechanischen Schalter 100 abgehalten wird, während dies einen Spalt aufbricht und aufrechterhält. Der Vorteil hiervon ist, daß die Gefahr eines Durchbruchs im Vakuum innerhalb des mechanischen Schalters 100, zwischen den Überbrückungselementen 40 und den Sammelschienen 25 und 28, reduziert wird, wenn sich der Spalt öffnet. Bei geöffnetem Schalter, würde der mechanische Schalter 100 Leckströme durch den Halbleiterschalter 101 verhindern. Dieses System würde darüberhinaus den Vorteil der Redundanz aufweisen. Der mechanische Schalter 100 würde als Ersatzleitung und als Sicherung wirken, falls der Transistor 101 in einem leitenden Zustand versagen sollte. Der Transistor 101 würde als Überlastschalter wirken, falls der mechanische Schalter 100 sich in einem leitenden Zustand festsetzen sollte. Der mechanische Schalter 100 und der Halbleiterschalter 101 könnten auf demselben Wafer ausgebildet sein.

Claims

1. Schalter, mit zwei Anschlüssen (2 und 3), einer Vielzahl von Leiterbahnen (25 und 28) ausgehend von jedem Anschluß, wobei die Leiterbahnen (25) in Verbindung stehen mit einem Anschluß (2), welcher elektrisch isoliert ist von den Leiterbahnen (28), die mit dem anderen Anschluß (3) in Verbindung stehen, und der Schalter eine Vielzahl von elektrisch leitenden Überbrückungselementen (40) beinhaltet, welche im Abstand von den Leiterbahnen (25 und 28) angeordnet sind und verschiebbar sind zwischen einer ersten Position, in der sich die Überbrückungselemente im Abstand von den Leiterbahnen befinden und einer zweiten Position, wo jedes Überbrückungselement sich in Kontakt befindet mit einer Leiterbahn (25), die mit einem Anschluß (2) verbunden ist und einer Leiterbahn (28), die mit dem anderen Anschluß (3) verbunden ist, so daß Strom parallel zwischen den zwei Anschlüssen über die Leiterbahnen (25 und 28) und das Überbrückungselement (40) fließen kann, und ein Stellglied (52, 35) angeordnet ist, um die Überbrückungselemente (40) zwischen der ersten und der zweiten Position zu verschieben, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Überbrückungselemente (40) in einer gemeinsamen, feststehenden Materialplatte ausgebildet sind, welche so ausgestaltet ist, daß sie flexible Elemente (47) bildet, durch die die Überbrückungselemente in der Platte gehalten werden, so daß jedes Überbrückungselement (40) unabhängig von den anderen Elementen bezüglich der Platte (31) beweglich ist und durch ein Versagen eines der Überbrückungselemente (40) in der zweiten Position die anderen Überbrückungselemente nicht daran gehindert werden, sich in die erste Position zu bewegen.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite einer jeden Leiterbahn (25 und 28) und die Unterseite (34) eines jeden Überbrückungselements (40) flach ausgebildet ist und daß in der unteren Position die Überbrückungselemente (40) mit den Leiterbahnen (25 und 28) über deren gesamten Breite in Verbindung stehen.

3. Schalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (31) aus Silicium ist und die Überbrückungselemente (40) eine elektrisch leitende Schicht haben, die angeordnet ist, um eine elektrische Verbindung mit den Leiterbahnen (25 und 28) herzustellen wenn die Überbrückungselemente in ihre zweite Position verschoben werden.

4. Schalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückungselemente (40) rechteckig ausgebildet sind und daß die flexiblen Elemente ein Paar von Biegeelementen (47) sind, welche sich von jedem Überbrückungselement (40) an gegenüberliegenden Seiten mittig entlang seiner Länge nach außen erstrecken.

5. Schalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (52, 35) ein elektrostatisches Stellglied ist.

6. Schalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (25 und 28) und die Überbrückungselemente (40) in einem evakuierten Gehäuse angebracht sind.

7. Schalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (25 und 28) auf einem Siliciumsubstrat (10) verlaufen.

8. Schalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (25 und 28) auf einer Schicht (20) aus Diamant verlaufen und daß die Diamantschicht (20) sich auf einem Substrat (10) aus einem anderen Material erstreckt.

9. Schaltersystem, das einen ersten Schalter (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen zweiten Halbleiterschalter (101) umfaßt, der in Reihe mit dem ersten Schalter (100) geschaltet ist.