EP1312100A1 - Mikroschalter - Google Patents

Mikroschalter

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Publication number
EP1312100A1
EP1312100A1 EP01957680A EP01957680A EP1312100A1 EP 1312100 A1 EP1312100 A1 EP 1312100A1 EP 01957680 A EP01957680 A EP 01957680A EP 01957680 A EP01957680 A EP 01957680A EP 1312100 A1 EP1312100 A1 EP 1312100A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
switch
contact carrier
carrier
substrate
Prior art date
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Granted
Application number
EP01957680A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1312100B1 (de
Inventor
Ralf Strümpler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP1312100A1 publication Critical patent/EP1312100A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1312100B1 publication Critical patent/EP1312100B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0042—Bistable switches, i.e. having two stable positions requiring only actuating energy for switching between them, e.g. with snap membrane or by permanent magnet

Definitions

  • the invention is based on a microswitch according to the preamble of patent claim 1.
  • a switch is mounted on a substrate and has a contact arrangement provided for switching a current on or off and an electrically actuable drive for a movable contact piece of the contact arrangement.
  • the drive which can work, for example, electrostatically, electromagnetically, piezoelectrically or thermally, the movable contact piece is moved from a switch-off position to a switch-on position or vice versa, wherein a contact carrier which is elastically deformable by bending ensures a restoring force.
  • the microswitch can be produced by known methods of semiconductor technology or comparable methods in microtechnology and is therefore particularly suitable for integration with other semiconductor technology devices, in particular integrated circuits.
  • microswitch has extremely fast response times compared to conventional electromagnetic switches due to the small moving masses. At the same time, the switching capacities required are very low, so that considerable power savings can be achieved, in particular when used repeatedly in a larger circuit.
  • a microswitch described in FIG. 4 of this document contains a plate-shaped substrate, on the surface of which the two electrically conductive end parts 96a, 96b of a U-shaped, flexible contact carrier are fastened.
  • a bridge contact piece 99 is attached to the contact carrier in an electrically insulated manner.
  • Two fixed contact pieces 94 and 94 'and two control electrodes 92a and 92b are also arranged on the substrate surface.
  • the invention solves the problem of specifying a microswitch of the type mentioned at the outset, which can be operated with little effort and energy and which at the same time is distinguished by great operational reliability.
  • the flexible contact carrier fixed at both ends is designed to be deformable parallel to the plate-shaped substrate and has two stable positions that can be achieved by elastic deformation of the contact carrier, one of which is assigned to the switch-off and the other to the switch-on position.
  • a switch drive effecting the transition from the switch-off to the switch-on position and vice versa from the switch-on to the switch-off position therefore only has to apply a comparatively low deformation energy during a switching operation.
  • the two stable positions ensure reliable contacting or reliable contact separation, a high level of operational reliability of the switch is ensured even without additional securing means or without additional force, such as is caused by an electrical field.
  • DRIE deep, reactive ion etching
  • the other of the two stable positions can be achieved if the symmetrical antinode is converted into an asymmetrically designed antinode by elastic deformation. Since the contact carrier executes a relatively large stroke during the transition from one stable position to the other, a separating distance formed when the switch is turned off and defined by the stroke is distinguished by high dielectric strength between the open contacts of the switch.
  • An asymmetrically designed antinode can be achieved if the fixed contact piece at the point where it touches the movable contact piece is at a smaller distance from one of the two ends of the contact carrier than from the other end thereof.
  • the value of a position coordinate at the location of the contact point parallel to the connecting path between the two contact carrier ends should be between 0.08 and 0.48 times the length of the connecting path, since otherwise the positional stability is reduced too much.
  • the contact point In order to obtain a large isolating distance and thus high dielectric strength, should be above the connecting distance lying, symmetrically designed antinode, the contact point can be arranged on or below the connecting path.
  • the contact carrier should be designed to be electrically conductive at least between one of its two ends and the movable contact piece. An additional power supply to the movable contact piece can then be saved. If, on the other hand, the movable contact piece is designed as a bridge contact and a further fixed contact piece is arranged on the substrate, which, like the other fixed contact piece, is in contact with the bridge contact in the switched-on position, the contact carrier should be electrically insulated from the substrate or the bridge contact from the contact carrier his.
  • the switch drive has two independently displaceable mechanical actuating elements, one of which acts upon the contact carrier when switched on with a force which is required to achieve the switched-on state by elastic deformation of the contact carrier and that others apply a force to the contact carrier when it is switched off, which force is required to achieve the switch-off state by elastically deforming the contact carrier.
  • at least one of the two actuating elements should form an acute angle with the tangential plane at the point of contact of this actuating element on the contact carrier. The deformation work when switching on or off can then be performed with a comparatively small driving force.
  • a drive that is particularly suitable for this purpose with a large stroke and a comparatively low force is a drive with two electrostatically acting comb structures, one of which interacts with one of the two actuating elements.
  • Such a drive can be worked out from the substrate together with the contact carrier in an economically advantageous manner, preferably by an ion etching process.
  • FIG. 2 shows a highly simplified representation of a contact arrangement of a first embodiment of a microswitch according to the invention
  • Fig. 3 shows a highly simplified representation of a contact arrangement of a second embodiment of a microswitch according to the invention.
  • FIG. 4 shows the second embodiment of the microswitch according to the invention, in which, in addition to the contact arrangement according to FIG. 3, a drive for the contact arrangement is now shown in a highly simplified manner.
  • the contact arrangements of microswitches shown in FIGS. 1 to 3 are each micromachneli, that is to say worked out by means of application and etching processes, from a plate-shaped substrate which extends in the paper plane.
  • the substrate has a layered structure and has buried layers which could be removed at suitable points in order to make certain parts of the substrate movable.
  • silicon is particularly suitable as the structural material since, with a suitable doping, it can be both electrically insulating and electrically conductive depending on the requirements.
  • the buried layers are formed by SiO 2 .
  • SOI Silicon on Insulator
  • SOI Silicon on Insulator
  • a bendable contact carrier 1 designed as a rod or sheet was etched into the substrate, and its two ends 2, 3 are attached to two substrate stages 4, 5 with its two ends.
  • the contact carrier 1 acts like a spiral spring and has a stable position generated during the etching, in which it is shaped in the manner of a symmetrical (upward pointing in the figures) antinode.
  • Mounted on the contact carrier 1 is a movable contact piece 6, which makes electrical contact with a fixed contact piece 7 of the contact arrangement in the switch-on position and is separated from the fixed contact piece 7 in the switch-off position.
  • the section of the contact carrier 1 located between the end 2 and the movable contact piece 6 is designed to be electrically conductive and a current connection 8, which is electrically conductively connected to the end 2, is embedded in the step 4.
  • the second power connection of the contact arrangement is connected directly to the fixed contact piece 7.
  • the movable contact piece 6 is designed as an electrically insulated bridge contact arranged in the contact carrier 1 or the entire contact carrier 1 is electrically insulated from the substrate.
  • Another stationary contact piece 9 is arranged on the substrate.
  • the two power connections of the contact arrangement are each electrically conductively connected to one of the two fixed contact pieces 7, 9.
  • the contact carrier 1 can be resiliently deformed in all three contact arrangements parallel to the substrate, ie parallel to the plane of the paper.
  • the contact pieces 6 and 7 or 6, 7 and 9 are separated from one another in all three contact arrangements.
  • the assigned microswitch is then in its off position.
  • the contact carrier 1 with the drive 10 a deformation force F is applied and is guided downwards under elastic deformation until the contacts 6 and 7 or 6 and 7 and 6 and 9 contact each other.
  • the drive not only has to apply the deformation work, but in the switch-on position shown in dotted lines in FIG. 1 must also constantly the bending force caused by the bending-elastic deformation of the contact carrier 1 and additionally also the contact pieces apply compressive contact force.
  • a stable switch-on position (shown in solid lines) is achieved, in which the contact carrier 1 is deformed in the manner of an asymmetrically designed antinode (a non-stable symmetrical switch-on position corresponding to the contact arrangement according to FIG. 1 is shown in dotted lines ).
  • the deformation, which is designed in the manner of an asymmetrically designed antinode not only achieves a stable position, but also, due to the snap action, contact force K, which must be released by the drive 10 when it is switched off.
  • the snap action is achieved in that the fixed contact piece 7 at the contact point with the movable contact piece 6 has a smaller distance from the end 2 of the contact carrier 1 than from its end 3.
  • the value x should be one parallel to the connecting path 11 of length L between the two contact carrier ends 2, 3, the position coordinate at the location of the contact point 12 of the two contacts 6 and 7 is between 0.08 and 0.48 times the length L of the connecting path.
  • the contact point 12 lies below the connecting section 11.
  • a dielectric strength of the contact separating section present when the contacts are open is sufficiently high for higher voltages. As can be seen in FIG.
  • the drive 10 has two mechanical actuating elements 13, 14 which can be displaced independently of one another, of which the actuating element 13 applies a force F to the contact carrier 1 when it is switched on, which force is required in order to elastically deform the contact carrier 1 To reach switch-on state.
  • the actuating element 14 applies a counterforce to the contact carrier 1 when it is switched off, which is required to cancel the contact force K by elastic deformation of the contact carrier 1 and to achieve the switch-off state.
  • the direction of displacement of the two actuating elements forms an acute angle ( ⁇ , ⁇ 'according to FIG. 4) with the tangential plane at the point of contact of this actuating element on the contact carrier.
  • the actuating element can then apply a large deformation force with relatively little force.
  • a snap point is reached after a smaller distance and with a smaller counterforce than when switching on.
  • the microswitch can therefore be opened much faster than it can be closed.
  • the drive has two comb structures 15, 16 which can be acted upon by direct voltage U, U 'and two return springs 17, 18.
  • One of the two comb structures and one of the two return springs each interact with one of the two actuating elements.
  • the voltage U is applied.
  • a comb of the comb structure 15 connected to the actuating element 13 and movably mounted on the return spring 17 is drawn into a fixed comb of the comb structure and in doing so tensions the return spring 17.
  • the actuating element 13 bends the contact carrier 1 and leads it to the snap point, from where it is the movable contact piece 7 deflects into the switched-on position, forming the contact force K.
  • the voltage U can now be removed.
  • the actuating element 13 is returned to its starting position by the return spring 17 and is already ready for a new switch-on operation.
  • a comb of the comb structure 16 which is connected to the actuating element 14 and is movably mounted on the return spring 18, becomes a fixed comb Comb structure 16 is pulled in and in this case the return spring 18 is tensioned.
  • the actuating element 14 bends the contact carrier 1 and leads it to the snap point, from where it springs back into the original position.

Landscapes

  • Push-Button Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Lubricants (AREA)
  • Saccharide Compounds (AREA)
  • Laser Surgery Devices (AREA)

Description

BESCHREIBUNG
Mikroschalter
TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Mikroschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein solcher Schalter ist auf einem Substrat angebracht und weist eine zum Ein- oder Ausschalten eines Stroms vorgesehene Kontaktanordnung und einen elektrisch betätigbaren Antrieb für ein bewegliches Kontaktstück der Kontaktanordnung auf. Mit dem Antrieb, der beispielsweise elektrostatisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch oder thermisch arbeiten kann, wird das bewegliche Kontaktstück von einer Ausschaltstellung in eine Einschaltstellung oder umgekehrt bewegt, wobei ein durch Biegen elastisch verformbarer Kontaktträger für eine Rückstellkraft sorgt.
Der Mikroschalter kann durch bekannten Verfahren der Halbleitertechnologie oder vergleichbare Verfahren der Mikrotechnik hergestellt werden und eignet sich daher besonders zur Integration mit anderen halbleitertechnologischen Einrichtungen, insbesondere integrierten Schaltungen.
Daneben hat der Mikroschalter im Vergleich zu konventionellen elektromagnetischen Schaltern aufgrund der kleinen bewegten Massen außerordentlich schnelle Ansprechzeiten. Gleichzeitig sind die notwendigen Schaltleistungen sehr gering, so daß sich insbesondere bei mehrfacher Verwendung in einer grösseren Schaltung erhebliche Leistungseinsparungen erzielen lassen. STAND DER TECHNIK
Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Mikroschaltem bezug, wie er beispielsweise in US 5,638,946 A angegeben ist. Ein in Fig.4 dieses Dokuments beschriebener Mikroschalter enthält ein plattenförmig ausgebildetes Substrat, auf dessen Oberfläche die beiden elektrisch leitfähig ausgebildeten Endteile 96a, 96b eines U-förmig gebogenen, flexiblen Kontakträgers befestigt sind. Am Kontaktträger ist elektrisch isoliert ein Brückenkontaktstück 99 angebracht. Auf der Substratoberfläche sind ferner zwei feststehende Kontaktstücke 94 und 94' sowie zwei Steuerelektroden 92a und 92b angeordnet. Beim Betrieb dieses Schalters wird an die Steuerelektrode 92a und das Endteil 96a oder an die Steuerelektrode 92b und das Endteil 96b ein elektrisches Feld angelegt, welches den Kontaktträger in Richtung auf die Substratoberfläche verbiegt. Der Brückenkontakt 99 schliesst dann die beiden Kontaktstücke 94, 94' kurz und Strom kann nun vom Kontaktstück 94 über den Brückenkontakt 99 zum Kontaktstück 94' fliessen. Das elektrische Feld hält den Brückenkontakt gegen die Federkraft des Kontaktträgers in der Einschaltstellung. Zum Öffnen des Schalters wird das elektrische Feld durch Änderung der Spannung der Steuerelektrode 92a bzw. 92b reduziert und die Verbiegung des Kontaktträgers unter Trennen der Kontakte wieder rückgängig gemacht. Die vom Antrieb aufgebrachte Kraft ist verhältnismässig gering. Zudem öffnet der Schalter bei einer unbeabsichtigten Schwächung oder bei Ausfall des elektrischen Feldes in unerwünschter Weise.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, löst die Aufgabe, einen Mikroschalter der eingangs genannten Art anzugeben, welcher mit geringem Kraft- und Energieaufwand betrieben werden kann und welcher sich zugleich durch grosse Betriebssicherheit auszeichnet. Beim Mikroschalter nach der Erfindung ist der an beiden Enden festgesetzte, flexible Kontaktträger parallel zum plattenförmigen Substrat verformbar ausgebildet und weist zwei durch elastische Verformung des Kontaktträgers erreichbare stabile Lagen auf, von denen die eine der Ausschalt- und die andere der Einschaltstellung zugeordnet ist. Ein den Übergang von der Ausschalt- in die Einschaltstellung und umgekehrt von der Einschalt- in die Ausschaltstellung bewirkender Schalterantrieb muss bei einem Schaltvorgang daher lediglich eine vergleichsweise geringe Verformungsenergie aufbringen. Da durch die beiden stabilen Lagen eine sichere Kontaktgabe bzw. eine sichere Kontakttrennung gewährleistet ist, ist auch ohne zusätzliche Sicherungsmittel bzw. ohne zusätzliche Kraft, wie sie etwa durch ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, eine hohe Betriebssicherheit des Schalters gewährleistet. Hierbei wird in vorteilhafter Weise ausgenutzt, dass eine der beiden stabilen Lagen durch Einformung eines als symmetrischer Schwingungsbauch ausgebildeten Kontaktträgers bereits bei der Herstellung des Schalters, beispielsweise durch tiefes, reaktives lonenätzen (DRIE), erreicht wird. Zugleich wurde erkannt, dass die andere der beiden stabilen Lagen erreicht werden kann, wenn der symmetrische Schwingungsbauch durch elastische Verformung in einen asymmetrisch ausgebildeten Schwingungsbauch überführt wird. Da der Kontaktträger beim Übergang von der einen in die andere stabile Lage einen relativ grossen Hub ausführt, zeichnet sich eine beim Ausschalten gebildete und durch den Hub definierte Trennstrecke zwischen den geöffneten Kontakten des Schalters durch hohe dielektrische Festigkeit aus.
Ein asymmetrisch ausgebildeter Schwingungsbauch lässt sich erreichen, wenn das feststehende Kontaktstück an der Stelle, an der es das bewegliche Kontaktstück berührt, einen kleineren Abstand von einem der beiden Enden des Kontaktträgers aufweist als von dessen anderem Ende. Zweckmässigerweise sollte hierbei jedoch der Wert einer parallel zur Verbindungsstrecke zwischen den beiden Kontaktträgerenden geführten Lagekoordinate am Ort der Kontaktstelle zwischen dem 0,08- und dem 0,48-fachen der Länge der Verbindungsstrecke liegen, da sonst die Lagestabilität zu stark herabgesetzt wird. Um eine grosse Trennstrecke und damit hohe Spannungsfestigkeit zu erhalten, sollte bei oberhalb der Verbindungsstrecke liegendem, symmetrisch ausgebildetem Schwingungsbauch die Kontaktstelle auf oder unterhalb der Verbindungsstrecke angeordnet sein.
Wird die Trennstelle des Schalters lediglich vom feststehenden und dem beweglichen Kontaktstück begrenzt, so sollte der Kontaktträger zumindest zwischen einem seiner beiden Enden und dem beweglichen Kontaktstück elektrisch leitend ausgebildet sein. Eine zusätzliche Stromzuführung zum beweglichen Kontaktstück kann dann eingespart werden. Ist hingegen das bewegliche Kontaktstück als Brückenkontakt ausgebildet und ist auf dem Substrat ein weiteres feststehendes Kontaktstück angeordnet, welches wie das andere feststehende Kontaktstück in der Einschaltstellung mit dem Brückenkontakt kontaktiert ist, so sollte der Kontaktträger gegenüber dem Substrat bzw. der Brückenkontakt gegenüber dem Kontaktträger elektrisch isoliert sein.
Bei einem besonders betriebssicher ausgebildeten Ausführungsform des Mikroschalters nach der Erfindung weist der Schalterantrieb zwei unabhängig voneinander verschiebbare mechanische Betätigungselemente auf, von denen eines den Kontaktträger beim Einschalten mit einer Kraft beaufschlagt, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers den Einschaltzustand zu erreichen und das andere den Kontaktträger beim Ausschalten mit einer Kraft beaufschlagt, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers den Ausschaltzustand zu erreichen. In Verschieberichtung sollte mindestens eines der beiden Betätigungselemente einen spitzen Winkel mit der Tangentialebene im Auflagepunkt dieses Betätigungselements auf dem Kontaktträger bilden. Es kann dann nämlich mit vergleichsweise kleiner Antriebskraft die Verformungsarbeit beim Ein- oder Ausschalten geleistet werden. Ein hierzu besonders geeigneter Antrieb mit grossem Hub bei vergleichsweise geringer Kraft ist ein Antrieb mit zwei elektrostatisch wirkenden Kammstrukturen, von denen je eine mit je einem der beiden Betätigungselemente zusammenwirkt. Ein solcher Antrieb kann zusammen mit der Kontaktträger in wirtschaftlich vorteilhafter Weise, vorzugsweise durch ein lonenätzverfahren, aus dem Substrat herausgearbeitet werden. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 in stark vereinfachter Darstellung eine Kontaktanordnung eines Mikroschalters,
Fig. 2 in stark vereinfachter Darstellung eine Kontaktanordnung einer ersten Ausführungsform eines Mikroschalters nach der Erfindung,
Fig. 3 in stark vereinfachter Darstellung eine Kontaktanordnung einer zweiten Ausführungsform eines Mikroschalters nach der Erfindung, und
Fig. 4 die zweite Ausführungsform des Mikroschalters nach der Erfindung, in der neben der Kontaktanordnung gemäss Fig.3 nun auch ein Antrieb für die Kontaktanordnung stark vereinfacht dargestellt ist.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile. Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Kontaktanordnungen von Mikroschaltern sind jeweils mikromaschneli, d.h. durch Auftrag- und Ätzverfahren, aus einem in der Papierebene erstreckten plattenförmigen Substrat herausgearbeitet. Das Substrat ist schichtförmig aufgebaut und weist vergrabene Schichten auf, welche an geeigneten Stellen entfernt werden konnten, um bestimmte Teile des Substrats bewegbar zu gestalten. Analog zu mikroelektronischen Verfahren ist als Strukturmaterial Silizium besonders geeignet, da es bei geeigneter Dotierung je nach Anforderung sowohl elektrisch isolierend als auch elektrisch leitfähig ausgeführt sein kann. Die vergrabenen Schichten werden von SiO2 gebildet. Bei Verwendung von Silizium auf SiO2 oder einem anderen Isolator kann dabei auf bekannte SOI (Silicon on lnsulator)-Strukturen zurückgegriffen werden, insbesondere, wenn einkristallines Silizium als Baumaterial bevorzugt ist, auf SIMOX- Wafer.
In das Substrat wurde bei allen Kontaktanordnungen ein als Stab oder Blatt ausgebildeter, biegbaren Kontaktträger 1 eingeätzt, welcher mit seinen beiden Enden 2, 3 an zwei Substratstufen 4, 5 befestigt ist. Der Kontaktträger 1 wirkt wie eine Biegefeder und weist eine beim Ätzen erzeugte stabile Lage auf, bei der er nach Art eines symmetrischen (in den Figuren nach oben gerichteteten) Schwingungsbauchs geformt ist. Am Kontaktträger 1 ist ein bewegliches Kontaktstück 6 angebracht, welches in der Einschaltstellung des Schalters ein feststehendes Kontaktstück 7 der Kontaktanordnung elektrisch kontaktiert und in der Ausschaltstellung des Schalters vom feststehenden Kontaktstück 7 getrennt ist. Bei den Kontaktanordnungen nach den Figuren 1 und 2 ist der zwischen dem Ende 2 und dem beweglichen Kontaktstück 6 befindliche Abschnitt des Kontaktträgers 1 elektrisch leitend ausgebildet und ist in die Stufe 4 ein mit dem Ende 2 elektrisch leitend verbundener Stromanschluss 8 eingelagert. Der zweite Stromanschluss der Kontaktanordnung ist direkt mit dem feststehende Kontaktstück 7 verbunden. Bei der Kontaktanordnung nach Fig.3 ist das bewegliche Kontaktstück 6 als elektrisch isoliert im Kontaktträger 1 angeordneter Brückenkontakt ausgebildet bzw. der ganze Kontaktträger 1 ist gegenüber dem Substrat elektrisch isoliert. Auf dem Substrat ist ein weiteres feststehendes Kontaktstück 9 angeordnet. Die beiden Stromanschlüsse der Kontaktanordnung sind jeweils mit einem der beiden feststehenden Kontaktstücke 7, 9 elektrisch leitend verbunden.
Durch einen aus Fig.4 ersichtlichen Antrieb 10 kann der Kontaktträger 1 bei allen drei Kontaktanordnungen substratparallel, d.h. parallel zur Papierebene, biegeelastisch verformt werden. In der nach oben weisenden stabilen Lage des Kontaktträgers sind bei allen drei Kontaktanordnungen die Kontaktstücke 6 und 7 bzw. 6, 7 und 9 voneinander getrennt. Der zugeordnete Mikroschalter befindet sich dann also in seiner Ausschaltstellung. Zum Einschalten wird durch den Antrieb 10 der Kontaktträger 1 mit einer Verformungskraft F beaufschlagt und unter biegeelastischer Verformung solange nach unten geführt bis die Kontakte 6 und 7 bzw. 6 und 7 sowie 6 und 9 einander kontaktieren.
Bei der Kontaktanordnung nach Fig.1 muss der Antrieb nicht nur die Verformungsarbeit aufbringen, sondern muss dann in der in Fig.1 punktiert dargestellten Einschaltstellung während der gesamten Einschaltdauer beständig auch die durch die biegeelastische Verformung des Kontaktträgers 1 hervorgerufene Biegekraft und zusätzlich auch eine die Kontaktstücke zusammenpressende Kontaktkraft aufbringen.
Hingegen wird bei den Ausführungsformen der Kontaktanordnung nach den Figuren 2 und 3 eine (durchgezogen dargestellte) stabile Einschaltstellung erreicht, bei der der Kontaktträger 1 nach Art eines asymmetrisch ausgebildeten Schwingungsbauchs verformt ist (eine der Kontaktanordnung nach Fig.1 entsprechende nichtstabile symmetrische Einschaltstellung ist punktiert dargestellt). Durch die nach Art eines asymmetrisch ausgebildeten Schwingungsbauchs ausgebildete Verformung wird nicht nur eine stabile Lage erreicht, sondern infolge Schnappwirkung zugleich auch Kontaktkraft K, welche beim Ausschalten vom Antrieb 10 wieder aufgehoben werden muss. Die Schnappwirkung wird dadurch erzielt, dass das feststehende Kontaktstück 7 an der Kontaktstelle mit dem beweglichen Kontaktstück 6 einen kleineren Abstand von Ende 2 des Kontaktträgers 1 aufweist als von dessen Ende 3. Um durch Schnappwirkung noch ausreichend hohe Kontaktkraft zu erreichen, sollte der Wert x einer parallel zur Verbindungsstrecke 11 der Länge L zwischen den beiden Kontaktträgerenden 2, 3 geführten Lagekoordinate am Ort der Kontaktstelle 12 der beiden Kontakte 6 und 7 zwischen dem 0,08- und dem 0,48-fachen der Länge L der Verbindungstrecke liegen. Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, liegt in der Einschaltposition die Kontaktstelle 12 unterhalb der Verbindungsstrecke 11. Eine für höhere Spannungen ausreichend hohe dielektrische Festigkeit der bei geöffneten Kontakten vorhandenen Kontakttrennstrecke wird so erzielt. Wie Fig. 4 entnehmbar ist, weist der Antrieb 10 zwei unabhängig voneinander verschiebbare mechanische Betätigungselemente 13, 14 auf, von denen das Betätigungselement 13 den Kontaktträger 1 beim Einschalten mit einer Kraft F beaufschlagt, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers 1 den Einschaltzustand zu erreichen. Das zweite Betätigungselement
14 beaufschlagt den Kontaktträger 1 beim Ausschalten mit einer Gegenkraft, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers 1 die Kontaktkraft K aufzuheben und den Ausschaltzustand zu erreichen. Die Verschieberichtung der beiden Betätigungselemente bildet einen spitzen Winkel (α, α' gemäss Fig.4) mit der Tangentialebene im Auflagepunkt dieses Betätigungselements auf dem Kontaktträger. Das Betätigungselement kann dann mit relativ geringer Kraft eine grosse Verformungskraft aufbringen. Beim Ausschalten wird ein Umschnappunkt bereits nach einem kleineren Weg und bei einer kleineren Gegenkraft erreicht als beim Einschalten. Der Mikroschalter kann daher wesentich schneller geöffnet als geschlossen werden.
Der Antrieb weist zwei mit Gleichspannung U, U' beaufschlagbare, elektrostatisch wirkende Kammstrukturen 15, 16 sowie zwei Rückstellfedern 17, 18 auf. Je eine der beiden Kammstrukturen und je eine der beiden Rückstellfedern wirkt mit je einem der beiden Betätigungselemente zusammen. Zum Einschalten wird an die Kammstruktur
15 die Spannung U angelegt. Ein mit dem Betätigungselement 13 verbundener und an der Rückstellfeder 17 beweglich gelagerter Kamm der Kammstruktur 15 wird in einen feststehenden Kamm der Kammstruktur hineingezogen und spannt hierbei die Rückstellfeder 17. Das Betätigungselement 13 verbiegt dabei den Kontaktträger 1 und führt ihn zum Umschnappunkt, von wo aus er das bewegliche Kontaktstück 7 unter Bildung der Kontaktkraft K in die Einschaltstellung einfedert. Die Spannung U kann nun weggenommen werden. Das Betätigungselement 13 wird durch die Rückstellfeder 17 wieder in seine Ausgangslage zurückgeführt und ist für einen neuerlichen Einschaltvorgang bereits. Im entsprechender Weise wird beim Ausschalten ein mit dem Betätigungselement 14 verbundener und an der Rückstellfeder 18 beweglich gelagerter Kamm der Kammstruktur 16 in einen feststehenden Kamm der Kammstruktur 16 hineingezogen und hierbei die Rückstellfeder 18 gespannt. Das Betätigungselement 14 verbiegt dabei den Kontaktträger 1 und führt ihn bis zum Umschnappunkt, von wo aus er in die ursprüngliche Lage zurückfedert.
BEZEICHNUNGSLISTE
1 Kontaktträger
2, 3 Enden des Kontaktträgers
4, 5 Substratstufen
6 bewegliches Kontaktstück
7, 9 feststehende Kontaktstücke
8 Stromanschluss
9 Ring
10 Antrieb
11 Verbindungsstrecke
12 Kontaktstelle
13, 14 Betätigungselemente
15, 16 elektrostaische Kammstrukturen
17, 18 Rückstellfedern α, α' spitze Winkel
U, U' Gleichspannungen
L Streckenlänge
X Abstand

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Mikroschalter mit einem überwiegend plattenförmig ausgebildeten Substrat, einem auf dem Substrat angebrachten feststehenden Kontaktstück (7, 9), einem beweglichen Kontaktstück (6) , welches in der Einschaltstellung des Schalters das feststehende Kontaktstück (7, 9) elektrisch kontaktiert und in der Ausschaltstellung des Schalters vom feststehenden Kontaktstück getrennt ist, einem das bewegliche Kontaktstück (6) haltenden, biegbaren Kontaktträger (1), welcher mit zwei Enden (2, 3) am Substrat festgesetzt ist, und einem den Kontaktträger (1) durch elastisches Verformen in die Ein- oder Ausschaltstellung führenden Antrieb (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktträger (1) substratparallel verformbar ist, dass in einer der Ausschaltstellung entsprechenden ersten stabilen Lage der Kontaktträger (1) die Form eines symmetrischen Schwingungsbauchs aufweist, und dass in einer der Einschaltstellung entsprechenden zweiten stabilen Lage der Kontaktträger (1) nach Art eines asymmetrisch ausgebildeten Schwingungsbauchs geformt ist.
2. Mikroschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Kontaktstück (7, 9) an einer Kontaktstelle (12) mit dem beweglichen Kontaktstück (6) einen kleineren Abstand von einem ersten (2) beider Enden (2, 3) des Kontaktträgers (1) aufweist als von dessen zweiten Ende (3).
3. Mikroschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (x) einer parallel zur Verbindungsstrecke (11) zwischen den beiden Kontaktträgerenden (2, 3) geführten Lagekoordinate am Ort der Kontaktstelle (12) zwischen dem 0,08- und dem 0,48-fachen der Länge der Verbindungstrecke (11) liegt.
4 Mikroschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei oberhalb der Verbindungsstrecke (11) liegendem, symmetrisch ausgebildetem Schwingungsbauch die Kontaktstelle (12) auf oder unterhalb der Verbindungsstrecke (11) angeordnet ist.
5. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktträger (1) zumindest zwischen einem seiner beiden Enden (2, 3) und dem beweglichen Kontaktstück (6) elektrisch leitend ausgebildet.
6. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Kontaktstück (6) als Brückenkontakt ausgebildet ist, und dass auf dem Substrat ein weiteres feststehendes Kontaktstück (9) angeordnet ist, welches in der Einschaltstellung mit dem Brückenkontakt kontaktiert ist.
7. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (10) zwei unabhängig voneinander verschiebbare mechanische Betätigungselemente (13, 14) aufweist, von denen ein erstes (13) den Kontaktträger (1) beim Einschalten mit einer Kraft beaufschlagt, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers (1) den Einschaltzustand zu erreichen und ein zweites (14) den Kontaktträger (1) beim Ausschalten mit einer Kraft beaufschlagt, welche erforderlich ist, um durch elastisches Verformen des Kontaktträgers (1) den Ausschaltzustand zu erreichen.
8. Mikroschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschieberichtung mindestens eines der beiden Betätigungselemente (13, 14) einen spitzen Winkel (α, α') mit der Tangentialebene im Auflagepunkt dieses Betätigungselements auf dem Kontaktträger (1) bildet.
9. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (10) zwei elektrostatisch wirkende, federbelastete Kammstrukturen (15, 16) aufweist, von denen je eine mit je einem der beiden Betätigungselemente (13, 14) zusammenwirkt.
0. Mikroschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Kontaktträger (1) und/oder der Antrieb (10) vorzugsweise durch ein lonenätzverfahren aus dem Substrat herausgearbeitet sind.
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