EP1394825A1 - MEMS-Kontaktanordnung und Mikro-Relais - Google Patents

MEMS-Kontaktanordnung und Mikro-Relais Download PDF

Info

Publication number
EP1394825A1
EP1394825A1 EP02405741A EP02405741A EP1394825A1 EP 1394825 A1 EP1394825 A1 EP 1394825A1 EP 02405741 A EP02405741 A EP 02405741A EP 02405741 A EP02405741 A EP 02405741A EP 1394825 A1 EP1394825 A1 EP 1394825A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
flexible
segment
switching state
mems
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Granted
Application number
EP02405741A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1394825B1 (de
Inventor
Ralf Strümpler
Sami Kotilainen
Jan-Henning Fabian
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
Priority to AT02405741T priority Critical patent/ATE349762T1/de
Priority to EP02405741A priority patent/EP1394825B1/de
Priority to DE50209085T priority patent/DE50209085D1/de
Publication of EP1394825A1 publication Critical patent/EP1394825A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1394825B1 publication Critical patent/EP1394825B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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]
    • 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
    • H01H1/24—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting with resilient mounting
    • 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
    • H01H1/36—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by sliding
    • H01H1/38—Plug-and-socket contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/50—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position
    • H01H1/52—Contacts adapted to act as latches
    • 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
    • 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
    • H01H2001/0047—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 operable only by mechanical latching
    • 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

Definitions

  • the invention relates to the field of micro-electromechanical Systems (MEMS), in particular according to a MEMS contact arrangement according to the preamble of claim 1 and to a MEMS switching device the preamble of claim 16.
  • MEMS micro-electromechanical Systems
  • MEMS contact arrangement and a Such MEMS switching device is for example from the published patent application DE 10040867 A1 known.
  • a substrate parallel, i.e. laterally working Microswitch disclosed which by means of ion deep etching (DRIE, deep reactive ion etching) is made of a silicon substrate and three contact pieces includes. Two of the three contact pieces are fixed on the substrate (Fixessore). The other, movable contact piece is part of one part movable contact carrier.
  • This contact carrier is parallel to the substrate bendable and fixed at its two ends on the substrate.
  • the two Fixed contacts are with respect to the two ends of the movable contact carrier arranged asymmetrically so that the movable contact carrier two has stable positions (switching states). Has turned off the movable contact carrier in the form of a symmetrical antinode, when switched on the shape of an asymmetrical Antinode. When switched on, the movable contacts Contact piece the two fixed contacts. At least one electrostatic The drive is the movable contact carrier from a switching state switchable to the other switching state.
  • the fixed contacts are solid and rigid. They are finger-shaped and in Rounded direction of the movable contact piece.
  • the mobile Contact piece is, even when switched on, despite the flexibility of the Contact carrier rigid. Because that at its two ends on the substrate Fixed contact carrier must be able to withstand high pressure forces to exercise the fixed contacts. When creating the contacts between the movable Contact piece and the fixed contacts therefore come the three contact pieces immediately to rest, and there is a point-like contact for each fixed contact or linear contact with the movable line perpendicular to the substrate Contact piece, namely at the points of the first touch of the movable contact piece with the fixed contacts.
  • Such a point-like or line-like perpendicular to the substrate Contact has a large electrical and thermal resistance, because the contact area or the number of contact points is very small.
  • soiling of the contacting surfaces Increase contact resistance further, especially when switching small currents contamination, where there is no arc from the contact surfaces.
  • the object of the invention is a micro-mechanical or micro-electromechanical (MEMS) contact arrangement and a micro-mechanical or micro-electromechanical (MEMS) switching device of the input to create the type mentioned, which does not have the disadvantages mentioned above exhibit. In particular, improved and reliable contacting is to be achieved become.
  • MEMS micro-mechanical or micro-electromechanical
  • the MEMS contact arrangement has at least a first one Contact piece and a second contact piece, at least one of the two contact pieces can be driven, and wherein the MEMS contact arrangement by means of the drivable contact piece between one first switching state and at least one second switching state switchable is, the two contact pieces in the first switching state of each other are separated and contacting each other in the second switching state are. It is characterized in that at least the first contact piece at least one flexible contact segment and a contact segment carrier has, and that the at least one flexible contact segment by means of at least the second contact piece during a switching operation of the first switching state in the second switching state and / or from the second switching state is elastically deformable in the first switching state.
  • the at least one flexible contact segment is by means of at least one of the second contact piece in a switching process elastically deformable that the at least one flexible contact segment with the second contact piece in the second switching state at least one flat Touch area or a predeterminable plurality of touch points having.
  • the effective one Size of contact areas and / or the number of contact points is increased, so that the electrical and / or thermal resistance the contact point is reduced or one provided with the contact arrangement Micro valve closes more tightly.
  • the flexible contact segment in the second switching state is advantageous molded second contact piece. That means that in the second switching state the shape of the flexible contact segment in areas where the first and touch the second contact piece to the shape of the second contact piece is adjusted. Due to the elastic deformation that the flexible Contact segment experienced through the switching process is the shape of the flexible Contact segments in the first switching state differ from the shape of the flexible Contact segments in the second switching state. This ensures a safe, because large contact areas and / or many contact points Contact reached.
  • the flexible contact segment and the second contact piece in the second switching state at least one area of contact, in the second Switching state of the second contact piece in the contact area of the first contact piece is enclosed. This will make because large-scale contact is achieved.
  • the second contact piece opposite the flexible contact segment smoothly movable during a switching operation.
  • This is advantageous both for switching operations from the first to the second as well as for switching operations from the second to the first switching state.
  • When manufacturing and / or releasing a contact move the flexible contact segment and the second contact piece relative to each other while they are doing so touch. Due to the mutual friction of the two contact pieces Soiling of the contact pieces can be removed. This cleanses itself the contact arrangement automatically by switching operations. Clean contacts mean safe contacts. The reliability of contacting is thereby very high.
  • This embodiment is particularly advantageous with electrical Applications and especially when currents are switched that do not generate an arc that has a contact cleaning effect could.
  • the flexible contact segment due to its thin walls, flexible and elastic deformable.
  • the flexible contact segment has at least one flexible section, the is so thin or narrow that it has flexibility.
  • one of the flexible contact segment can be advantageous flexible section with a wall thickness between 1 ⁇ m and 60 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 25 ⁇ m. typically, The materials used then have a suitable flexibility and deformability on, but there is still sufficient breaking strength.
  • the elastic deformations that a flexible section of a flexible Contact segments typically through the second contact piece at one Switching process experienced is advantageous at least on the order of magnitude the wall thickness of the flexible section of the flexible contact segment and / or in the range of 0.1 to 20 times, in particular 1 to 5 times the wall thickness of the flexible section of the flexible contact segment.
  • At least the first contact piece is advantageously formed in one piece. This improves the producibility of the first contact piece, and the The stability and reliability of the first contact piece is particularly great.
  • the flexible contact segment in addition to at least one flexible Section another base facing the contact segment carrier on.
  • This base advantageously has a greater wall thickness than the at least one a flexible section of the flexible contact segment. This points the basis of less flexibility. For a base deformation requires more energy than to deform the at least one flexible one Section. The base is more stable than the flexible section. The base points greater electrical and / or thermal conductivity. For example heat can be dissipated better, and for short periods For large thermal loads, an increased heat capacity is an advantage. Improved contacting is realized.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that for the elastic deformation of the at least one flexible contact segment by means of at least the second contact piece at one Switching process from the first switching state to the second switching state or from the second switching state to the first switching state an insertion energy or an execution energy is to be applied, and that in the second switching state of the flexible contact segment a restraining force is exerted on the second contact piece, by what retention force a switching operation from the second switching state is difficult in the first switching state.
  • a potential mountain must be overcome.
  • the for Switching required energy is generally applied by a drive, by means of which the drivable contact piece is driven.
  • the second switching state is a safe and good contact that supports the flexible contact piece due to the in it the deformation during the transition from the first to the second switching state stored deformation energy a compressive force on the second Contact piece.
  • This pressure force can also be referred to as a retention force become.
  • In the second switching state there can be a jamming connection exist between the two contact pieces.
  • the flexible contact segment acts and the second contact piece in the manner of the push button principle together that the contact segment carrier has at least one additional has a stable position.
  • the contact segment carrier is a monostable Is a switching element, it can be a bistable switching element (and a bistable contact arrangement) or a tristable switching element become. And from a bistable switchable contact segment carrier can become a tristably switchable switching element.
  • the flexible contact segment has at least two, advantageously four, six or more elastic deformable contact fingers.
  • These advantageously elongated and thin, advantageous cane-like curved segments are such shaped and arranged that each (or at least most) of the sub-segments touches the second contact piece in the second switching state. Thereby result in at least one (approximately) the number of sub-segments corresponding predeterminable number of contact points or a corresponding one Majority of contact surfaces. This ensures a safe contact achieved with low contact resistance.
  • the angle ⁇ lies in one plane, which is perpendicular to the plane of the area of contact.
  • those surfaces of the flexible contact segment and the second contact piece, those in the second switching state essentially parallel to one another are aligned and touch each other in the area of contact, are essentially up to an angle ⁇ in the first switching state 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 30 °, in particular 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 10 °, aligned parallel to each other.
  • the angle ⁇ can advantageously additionally be at least 1 ° large, at least 2 ° large or at least 4 ° large. at a switching process from the first to the second and / or from the second in the surfaces mentioned rub against the first switching state, whereby contact deteriorating impurities can be removed. On In this way, a safe, large-area and self-cleaning contact is made achieved.
  • this includes flexible contact segment a membrane-like section, which at a Switching process is deformed elastically.
  • a membrane fits flat on the shape of the second contact piece and equalizes manufacturing tolerances out. Low contact resistance and reliable contacting can be achieved.
  • a volume is enclosed with the first contact piece, which essentially with an electrically and thermally conductive, elastically deformable Filling is filled. This will make the electrical and / or thermal Conductivity of the flexible contact segment increased.
  • a MEMS switching device for example a micro relay, which is an inventive Contact arrangement includes, has the above advantages.
  • Fig. 1 shows schematically an inventive micro-electromechanical Relays (MEMS relays, micro relays) under supervision.
  • MEMS relays micro-electromechanical Relays
  • Such a MEMS relay is ion-etched (DRIE) made of a semiconductor material, preferably single crystal Silicon can be produced.
  • DRIE ion-etched
  • the linear dimension of such a MEMS switching device is typically of the order of 0.4 mm to 5 mm.
  • the structures created using DRIE are mostly prismatic, with the Prism side faces are perpendicular to the surface of the substrate extend from which they are etched and optionally sacrificial layer technology were formed.
  • the height of the prisms is typically from of the order of 50 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • DE 10040867 A1 are further details on such and similar microswitches described. In order not to repeat this here, the disclosure content this text hereby expressly in the present description accepted.
  • the MEMS relay shown in FIG. 1 has a first contact piece 1 second contact piece 2 and a third contact piece 3.
  • the first contact 1 comprises a flexible contact segment 11 and one with the flexible Contact segment connected contact segment carrier 12.
  • the contact segment carrier 12 is horizontal, that is perpendicular to the substrate normal bendable and has two stable positions. At both ends is the contact segment carrier 12 is fixed on the substrate.
  • the relay In the first, position of the contact segment carrier represented by solid lines the relay is in a first switching state A, in which the relay is open: the contact pieces 2 and 3 are not conductive with each other connected.
  • the contact segment carrier 12 can be driven into its second bistable Position in which the relay is in a second, closed position B: by means of the flexible contact segment 11, which has a metallic coating, they are also metallically coated contact pieces 2 and 3 conductive with each other connected.
  • the relay By means of the drive 4 shown at the bottom right in FIG. 1 the relay can be switched back to the open switching state 2.
  • a contact arrangement is shown schematically, which is similar that is shown in Fig. 1. However, it only has a first contact piece 1 and a second contact piece 2.
  • the first contact piece 1 is formed in one piece and has a flexible contact segment 11 and a contact segment carrier 12 on.
  • the latter can be designed, for example, as in FIG. 1.
  • the flexible Contact segment 11 is membrane-like. It represents a thin wall represents that with the contact segment carrier 12 encloses a volume 114.
  • the enclosed volume 114 is prism-like and is enclosed laterally, while it is not in the direction parallel to the substrate is enclosed.
  • This volume not enclosed but enclosed 114 can be filled completely or partially with a conductive filling. Surface effects help fill the volume 114 remains.
  • the filling for example, can be more likely have good electrical and / or good thermal conductivity.
  • Filling is suitable, inter alia, for liquid metals, for example mercury, Indium, gallium or alloys of these metals, or also (electrical) conductive polymers, for example conjugated polymers. By means of such a Filled contact resistance can be achieved.
  • the unfilled contact pieces already have good conductivity on, for example in the case of semiconducting materials by appropriate Doping.
  • the flexible contact segment 11 (in supervision) about the shape of a letter "U", which is concavely bent at the bottom.
  • the second switching state B becomes flexible Contact segment 11 through the front finger-shaped second Contact piece 2 elastically deformed.
  • the flexible contact segment 11 is flexible and elastic deformable because it is thin-walled.
  • the wall surfaces then typically have a thickness d from 1 ⁇ m to 60 ⁇ m; best results were obtained in the thickness range from 5 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the two have Contact pieces 1,2 a flat contact area 5 on. In the contact area 5, the shape of the flexible contact segment 1 1 of the shape of the second contact piece 2.
  • the shape of the flexible contact segment 11 is different in the second switching state B. than in the first switching state A.
  • In the contact area 5 is the second Contact piece 2 of the flexible contact segment 11 and thus of the first contact piece 1 enclosed flat.
  • the shape of the two Contact pieces 1,2 a centering effect is still achieved, whereby Manufacturing tolerances can be compensated.
  • FIG. 3a and 3b show a contact arrangement similar to that from FIG. 1 and Fig. 2a, b.
  • the contact arrangement corresponds to that of FIG. 2, only that instead a second contact segment 2 has two contact pieces 2 and 3 become.
  • Each of the two contact pieces 2 and 3 has the shape of a rounded Half of a split lengthwise, shown in Fig. 2a, b, finger-shaped contact piece.
  • the above-mentioned sliding friction Self-cleaning effect is even stronger in this embodiment than in the embodiment of Fig. 2. Because for each of the contact pieces 2 and 3 results in a switch-on process (A to B) a clearly asymmetrical, laterally (not frontally) first point of contact with the flexible contact segment 1 1. Until then an end position of the contact pieces 1,2,3 is reached, there is a rubbing relative movement of the contact pieces 2 and 3 compared to the flexible contact segment 11.
  • the design is rounded preferred the contact pieces without tips, because this makes electrical Field stress and peak effects can be avoided.
  • the 4 is not membrane-like flexible contact segment 11 as in FIG. 2 shaped essentially symmetrically, but has an asymmetrical shape Shape in relation to the direction of mutual movement of the flexible Contact segment 11 and the second contact piece 2. This results as described in connection with Fig. 3, an intense friction of the second contact piece 2 with the flexible contact segment 11, which lead to the removal of any impurities in the contact area 5 can.
  • Fig. 4a outlines the first switching state A.
  • Fig. 4b shows a switching state during a switching process from A to B.
  • the first contact piece 1 already contacts the second contact piece 2.
  • the contact arrangement can be advantageous be dimensioned so that only the position shown in Fig. 4c is the end position, i.e. the switching state B.
  • the flexible Contact segment 11 not only one contact point at the two ends of the membrane with the contact segment carrier 12, but additionally a further contact point that is not present in the first switching state A. 6 (or a touch pad 6). This results in a lower one Contact resistance.
  • Possible contacting problems due to manufacturing tolerances can at least be reduced, among other things, that the contact piece that is driven is always one Residual mobility, usually due to a spring-like suspension. If one transfers the structure from FIG. 4 to the switching device from FIG. 1, then the first contact piece 1 the driven contact piece.
  • Fig. 5 shows a further contact arrangement according to the invention, which the 3 and is described on the basis thereof.
  • the flexible Contact segment 11 has in Fig. 5 except a membrane-like flexible Section another base 113.
  • the flexible contact segment 11 has approximately the shape of an isosceles triangle, with the Base side of the triangle from the second contact piece 2 and the third Contact piece 3 faces away and is formed by the base 113. It's the first switching state A shown. That of the flexible contact segment 11th enclosed volume 114 can be used as needed, as related to Fig. 2 described to be filled with a filling.
  • the flexible contact segment 11 in particular on the Contact pieces 2 and 3 facing side (tip of the triangle), rounded (not shown).
  • the flexible section of the flexible contact segment 11 elastically deformed, and there is a sliding motion between the flexible contact segment 11 and Contact pieces 2 and 3.
  • the base 113 of the flexible contact segment 11 increases the conductivity the contact arrangement. Electrical and / or thermal resistances will be thereby reduced. And a larger heat capacity is realized.
  • FIG. 6 shows a contact arrangement which largely corresponds to that from FIG. 5.
  • the contact segment 11 can optimally contact the contact pieces Nestle 2 and 3
  • Fig. 7 is a contact arrangement with a first contact piece 1 and shown second contact piece 2, in which the two contact pieces 1.2 interact in the manner of a plug-socket pair.
  • the second Contact piece 2 has a nose that is approximately the shape of a rounded one Rectangle, which also has a small waist.
  • the first contact piece 1 contains the contact segment carrier 12 another flexible contact segment 11, the two flexible contact fingers 111,112.
  • the contact fingers 111, 112 are each at one end connected to the contact segment carrier 12 and at another end free, and facing the second contact segment 2.
  • the elongated contact fingers 111, 112 are essentially parallel to one another and perpendicular aligned to the contact segment carrier 12. They are slightly S-shaped, with the free ends bent away from each other.
  • the plug-like second contact piece 2 arranged with his nose between the two contact fingers 111, 112.
  • the contact piece points with each of the two contact fingers 111, 112 2 a flat contact area 5.
  • the contact piece 2 advantageously also has a flat contact area 5 ' the contact segment carrier 12.
  • they are Contact fingers 111, 112 except for those attached to the contact segment carrier 12 End further apart than in the first switching state A.
  • the contact fingers 111, 112 When switching from A to B, the contact fingers 111, 112 elastically deformed, and there is a sliding movement between the second contact piece 2 and the flexible contact segment 11 instead. To introducing energy or contact finder deformation energy must be applied become. This insertion energy is generally from one Drive supplied. In the second switching state B, the contact fingers practice 111, 112 a retaining force on the second contact piece 2. You press the second contact piece 2 laterally together and thereby hold it firmly in the contacting position. This is a minimum for separation the contact pieces 1 and 2 required force can be specified. At a Switching process B to A must have an execution energy applied, to separate the contacts. The contact arrangement is in the Self-cleaning method already described above.
  • the shapes of the contact pieces 1, 2 are chosen such that the flexible Contact segment 11 in the second switching state to the first contact piece 1 is molded.
  • a contact arrangement is shown, which is similar to that of Fig. 7a, b and is described on the basis of this.
  • the second contact piece 2 instead of the second contact piece 2 in the second switching state B between the two contact fingers 111, 112 is arranged (FIG. 7b), it contacts the two in FIG. 8b Contact fingers 111, 112 from the outside, ie from those sides of the contact fingers 111, 112 facing away from the other contact finger 112, 111 are.
  • the second contact piece 2 has an approximately U-shaped, the first contact piece facing recess.
  • Fig. 9a, b shows a contact arrangement which is similar to that of Fig. 8a, b and starting from this is described.
  • the first contact piece 1 is replaced by a second one Contact piece 2 and another contact piece 3 contacted.
  • Each of the two contact pieces 2 and 3 have the shape of a rounded half of a the length of the contact piece shown in Fig. 8a, b.
  • the flexible contact segment 11 also has a base 113 equipped, which has the same effect as the bases 113 in Fig. 5 and Fig. 6.
  • Im second switching state B (Fig.
  • the 10a, b shows a contact arrangement with a first contact piece 1 and a second contact piece 2.
  • the first contact piece 1 has flexible contact segment 11, which a plurality side by side arranged flexible contact finger 111.112 comprises.
  • the in Fig. 10a, b The six contact fingers 111, 112 shown are (in half) in two groups divided three contact fingers 111 or 112, preferably are arranged essentially mirror images. But 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 or more, for example 12, 14, 16 or 18 contact fingers 111,112 are shown.
  • the contact fingers 111, 112 are elongated trained and walking stick-shaped or in the manner of a curved finger bent.
  • the ratio of length to wall thickness of the contact fingers 111, 112 is advantageously in the range from 5: 1 1 to 100: 1, particularly advantageously in the range from 12: 1 to 40: 1 or advantageously also in the range from 20: 1 to 30: 1. These length-to-wall thickness ratios are also for that other contact fingers shown in this description (see Figs. 7, 8, 9, 12). At one end are the contact fingers 111, 112 with the contact segment carrier 12 connected. At its other end (according to the handle of the walking stick or the tip of the finger) they are free. The direction of the Curvature of the contact fingers 111 (at their free end) is advantageous Curvature of the contact fingers 112 opposite. 10a is the first Switching status A (open) shown.
  • each contact finger 111, 112 is advantageously chosen such that an envelope of its free Ends essentially of the surface facing the contact fingers 111, 112 of the second contact piece 2 corresponds. At least that has Envelope in the second switching state (FIG. 10b) advantageously has such a shape, so that the contact fingers 111, 112 then contact the second contact piece 2 nestle.
  • the first contact piece 1 and the second contact piece 2 a plurality of contact points 5 on. It can also be a plurality of contact areas 5.
  • the individual contact fingers 111, 112 of the flexible contact segment 11 are elastically deformed by the second contact piece 2.
  • the flexible contact segment 11 is formed on the second contact piece 2.
  • the contact fingers 111, 112 of the flexible contact segment move 11 sliding against the second contact piece 2, so that the self-cleaning effect mentioned above occurs.
  • a contact arrangement according to Fig. 10a, b has the advantage that a minimum number of contact points 5 or contact areas 5 can be predetermined, so that a safe contact with low contact resistance can always be achieved is.
  • FIG. 11a, b illustrate a further advantageous embodiment.
  • Fig. 11a shows the first switching state A
  • Fig. 11b the second Switching state B.
  • the contact arrangement has three contact pieces 1, 2, 3.
  • the first contact piece 1 comprises a flexible contact segment 11 and one Contact segment carrier 12.
  • the third contact piece 3 comprises a flexible Contact segment 31 and a contact segment carrier 32.
  • the third Contact piece 3 is preferably mirror-symmetrical to the first contact piece 1 trained and arranged.
  • the second contact piece 2 comprises one rigid section and one connected to the rigid section Contact carrier 22.
  • the second contact piece 2 is the driven contact piece.
  • the direction of the relative movement of the second contact piece 2 opposite the contact pieces 2 and 3 is shown by a dashed line.
  • the rigid section of the second contact piece 2 has two essentially flat surfaces with the direction of the relative movement of the second Contact piece 2 relative to the contact pieces 1 and 3 an angle ⁇ ' lock in.
  • the second switching state B Fig. 11b
  • These touch surfaces 5 in the second switching state B close with the direction of the relative Movement of the second contact piece 2 relative to the contact pieces 1 and 3 an angle ⁇ .
  • This angle ⁇ is preferably in the range of about 45 ° ⁇ 30 °, especially in the range of 45 ° ⁇ 15 °. Because of the rigidity of the rigid section of the second contact piece 2 becomes the rigid section essentially not elastically deformed during switching operations. Therefore the angles ⁇ and ⁇ 'are essentially the same.
  • a contact arrangement is shown, which is similar to that in Fig. 7a, b is shown. It is described on the basis of this.
  • second contact piece 2 has a clear taper, in particular a waist on.
  • the contact fingers 111, 112 of the flexible contact segment 11 are clear S-shaped, so that the contact segment carrier 12 further away bellies of the two "S" in the second switching state B (Fig. 12b) engage in the mentioned taper.
  • the one to turn on (A to B) introductory energy to be applied and also to the Execution energy to be applied (B to A) is large.
  • the Execution energy is so great that a monostable switchable contact segment carrier 12, like that shown in Fig.
  • the first stable position is the natural, manufacturing-related stable position of the monostable bendable contact segment carrier 12 (Fig. 12a, switching state A).
  • the second stable position (Fig. 12b, second switching state) is the inherently unstable, bent position of the bendable contact segment carrier 12, in which the contact arrangement however, the execution energy remains until appropriately is applied. Due to the flexible contact segment 11 Contact arrangement thus held in the second stable switching position B.
  • the push button principle By means of the push button principle, a bistable switchable contact arrangement is created realized.
  • the number of stable positions for the contact segment carrier can be increased by at least one.
  • a not shown An example of a two stable position increase is one at one end clamped beam, which is flexible at its free end on each side
  • Contact segments of the type of the flexible contact segment shown in Fig. 12a, b has, each of these flexible contact segments with one each another contact piece cooperates in the manner of the push button principle. This results in three stable positions of the contact segment carrier instead of just one.
  • this improves, safer Contact arrangements created that due to its thin walls flexible contact segment 11 during a switching operation by means of mostly rigid second contact segment 2 is elastically deformed.
  • the flexible contact segment 11 is different from the drive 4 and is not directly deformed by the drive 4.
  • the flexible contact segment both when switching from the first in the second also when switching from elastically deform the second to the first switching state. It is also conceivable that one of these (re) deformations only (shortly) after the switching process (and before another switching operation) takes place, such (Re) deformation can also be induced, i.e. not by itself, but stimulated, for example by electrostatic forces.
  • the contact arrangements can be made using one or more structuring methods, such as DRIE, 3D UV depth lithography, LIGA technology or other structuring processes from semiconductor manufacturing (Coating, etching).
  • structuring methods such as DRIE, 3D UV depth lithography, LIGA technology or other structuring processes from semiconductor manufacturing (Coating, etching).
  • Silicon carbide is particularly suitable (SiC), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), InSb (indium antimonide), InP (indium phosphide), quartz and diamond.
  • SiC silicon carbide
  • germanium Ge
  • gallium arsenide GaAs
  • GaN gallium nitride
  • InSb indium antimonide
  • InP indium phosphide
  • quartz and diamond One is important high tensile strength, high abrasion resistance and low mechanical Fatigue.
  • Materials with a tensile strength of at least 40 N / m 2 , more preferably at least 50 N / m 2 or even better at least 60 N / m 2 are preferably used.
  • Silicon has a tensile strength of 69 N / m 2
  • steel typically has 21 N / m 2 , maximum 42 N / m 2 .
  • coatings can also be applied to the contact pieces, in particular to the flexible contact segment.
  • Carbides, nitrides and oxides are particularly suitable for this.
  • SiC has a tensile strength of 210 N / m 2 , Si 3 N 4 one of 140 N / m 2 and SiO 2 one of 84 N / m 2 .
  • Hardness is an important factor in terms of abrasion resistance.
  • Silicon has a Knoop hardness of 850 kg / mm 2
  • stainless steel has 660 kg / mm 2
  • tungsten 400 kg / mm 2 and aluminum only 130 kg / mm 2 .
  • Coatings can also be advantageous for achieving improved abrasion resistance, for example with SiC (Knoop hardness 2480 kg / mm 2 ) or Si 3 N 4 (3486 kg / mm 2 ).
  • the contact arrangement switches electrical currents metallic coatings to reduce contact resistance (electrical, but also thermally) is an advantage.
  • the contact pieces 1,2 then point metallic surfaces, which in the second switching state B touch.
  • Semiconducting materials are advantageously doped, so that they are a have good electrical conductivity.
  • Monocrystalline silicon is extremely small due to its manufacture Defect density.
  • the generation of smooth surfaces with single-crystal Silicon is simple. So one can, with ordinary metals like compared to polycrystalline steel or aluminum, extremely low material fatigue be achieved.
  • the contact arrangements can advantageously be two, three, four, five, six or include more contact pieces.
  • One, two or more of them can be driven or be agile.
  • One, two or more each have one or several flexible contact segments 11, which are driven (movable) or non-driven (non-movable) contact pieces can act, and wherein one or more driven (movable) while one or more others are not driven (not movable).
  • a first one provided with a flexible contact segment Contact piece and a second, essentially non-deformable Contact piece can also such a second contact piece can be used, which is a flexible contact segment or has an elastically deformable section.
  • the contact pieces with a flexible contact segment each formed in one piece.
  • a contact arrangement according to the invention can also have several first switching states A and / or have a plurality of second switching states B.
  • first switching states A and / or have a plurality of second switching states B.
  • second switching states B for example in the case of a two-way switching relay with one open and two closed States, see for example also the unpublished mentioned European patent application with the file number 02405334.0.
  • the drive 4 and any other drives 4 can be electrostatic, for example, but also electromagnetic, piezoelectric or thermal work.
  • the contact arrangement or the MEMS can be one act lateral structure, in which movements essentially parallel to the substrate (horizontal) run. But it can also be a vertical structure be in which movements are substantially perpendicular to the substrate.
  • the contact arrangements can advantageously be used in switching devices, which are able to generate a high contact pressure, as is the case for example the case with the bendable contact segment carriers mentioned is.
  • Switches and micro-relays with one according to the invention can advantageously be used Contact arrangement can be equipped.
  • Switches can advantageously automated test devices (ATE, automated test equipment).
  • ATE automated test devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Push-Button Switches (AREA)
  • Slide Switches (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)
  • Interface Circuits In Exchanges (AREA)

Abstract

Die mikro-elektromechanische (MEMS-) Kontaktanordnung beinhaltet mindestens ein erstes Kontaktstück (1) und ein zweites Kontaktstück (2), wobei mindestens eines der beiden Kontaktstücke (1;2) antreibbar ist. Die MEMS-Kontaktanordnung ist mittels des antreibbaren Kontaktstücks (1;2) zwischen einem ersten Schaltzustand (A) und mindestens einem zweiten Schaltzustand (B) schaltbar, wobei die beiden Kontaktstücke (1,2) in dem ersten Schaltzustand (A) voneinander getrennt sind und in dem zweiten Schaltzustand (B) einander kontaktierend sind. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das erste Kontaktstück (1) mindestens ein flexibles Kontaktsegment (11) und einen Kontaktsegment-Träger (12) aufweist, sowie dadurch, dass das mindestens eine flexible Kontaktsegment (11) mittels mindestens des zweiten Kontaktstücks (2) bei dem Schaltvorgang elastisch verformbar ist. Die elastische Verformbarkeit des flexiblen Kontaktsegments (11) ergibt sich aufgrund der Dünnwandigkeit des flexiblen Kontaktsegments (11). Es kann eine sichere und gute Kontaktierung erreicht werden. Grosse Kontaktflächen (5), eine vorgebbare Mehrzahl von Kontaktpunkten (5) und selbstreinigende Kontakte durch Reibung zwischen den Kontaktstücken (1,2) sind realisierbar.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mikro-elektromechanischen Systeme (MEMS), insbesondere auf eine MEMS-Kontaktanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und auf ein MEMS-Schaltgerät gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 16.
Stand der Technik
Eine derartige mikro-elektromechanische (MEMS) Kontaktanordnung und ein derartiges MEMS-Schaltgerät ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10040867 A1 bekannt. Dort ist ein substratparallel, also lateral arbeitender Mikroschalter offenbart, welcher mittels lonentiefätzen (DRIE, deep reactive ion etching) aus einem Silizium-Substrat gefertig ist und drei Kontaktstücke umfasst. Zwei der drei Kontaktstücke sind auf dem Substrat festgesetzt (Fixkontakte). Das andere, bewegliche Kontaktstück ist Betandteil eines beweglichen Kontaktträgers. Dieser Kontaktträger ist substratparallel biegbar und an seinen zwei Enden auf dem Substrat festgesetzt. Die beiden Fixkontakte sind bezüglich der beiden Enden des beweglichen Kontaktträgers unsymmetrisch angeordnet, so dass der bewegliche Kontaktträger zwei stabile Positionen (Schaltzustände) aufweist. Im ausgeschalteten Zustand hat der bewegliche Kontaktträger die Form eines symmetrischen Schwingungsbauches, im eingeschalteten Zustand die Form eines asymmetrischen Schwingungsbauches. Im eingeschalteten Zustand kontaktiert das bewegliche Kontaktstück die beiden Fixkontakte. Mittels mindestens eines elektrostatischen Antriebs ist der bewegliche Kontaktträger von einem Schaltzustand in den anderen Schaltzustand schaltbar.
Die Fixkontakte sind massiv und starr. Sie sind fingerkuppenförmig und in Richtung des beweglichen Kontaktstücks gerundet geformt. Das bewegliche Kontaktstück ist, auch im eingeschalteten Zustand, trotz der Biegbarkeit des Kontaktträgers starr. Denn der an seinen beiden Enden auf dem Substrat festgesetzte Kontaktträger muss in der Lage sein, grosse Andruckkräfte auf die Fixkontake auszuüben. Beim Erstellen der Kontakte zwischen dem beweglichen Kontaktstück und den Fixkontakten kommen darum die drei Kontaktstücke sofort zur Ruhe, und es ergibt sich pro Fixkontakt je ein punktförmiger oder zum Substrat senkrechter linienförmiger Kontakt mit dem beweglichen Kontaktstück, nämlich an den Stellen der ersten Berührung des beweglichen Kontaktstücks mit den Fixkontakten.
Ein solcher punktförmiger oder zum Substrat senkrechter linienförmiger Kontakt weist einen grossen elektrischen und thermischen Widerstand auf, da die Kontaktfläche oder die Anzahl von Kontaktpunkten sehr gering ist. Hinzu kommt, dass Verschmutzungen der sich kontaktierenden Flächen den Kontaktwiderstand weiter erhöhen, insbesondere wenn kleine Ströme geschaltet werden, bei denen kein Lichtbogen entsteht, der Kontaminationen von den Kontaktflächen entfernen könnte.
Ausser dem geschilderten bistabil schaltbaren Aufbau ist in DE 10040867 A1 auch ein monostabiler Aufbau offenbart, bei dem nur ein Fixkontakt aufgewiesen wird, welcher von den beiden Enden des beweglichen Kontaktträgers gleich weit entfernt angeordnet ist. Die Kontaktierungsprobleme sind aber in diesem Fall dieselben wie im bistabilen Fall.
Aus US 6,057,520 ist ein MEMS-Schalter bekannt, der einen vertikal, also senkrecht zum Substrat beweglichen Kontaktträger aufweist. Dieser Kontaktträger ist zungenförmig ausgebildet und an einem Ende auf dem Substrat festgesetzt. An dem freien Ende des Kontaktträgers sind mehrere massive, starre Kontaktstücke angebracht, welche nach einem Schalten des Schalters in den eingeschalteten Zustand eine entsprechende Anzahl auf dem Substrat fixierte starre Kontaktstücke kontaktieren. Auch hier treten die oben genannten Kontaktierungsprobleme zwischen den starren Kontaktstücken auf.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine mikro-mechanische oder mikro-elektromechanische (MEMS-) Kontaktanordnung und ein mikro-mechanisches oder mikro-elektromechanisches (MEMS-) Schaltgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll eine verbesserte und sichere Kontaktierung erreicht werden.
Diese Aufgabe löst eine MEMS-Kontaktanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein MEMS-Schaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16.
Die erfindungsgemässe MEMS-Kontaktanordnung weist mindestens ein erstes Kontaktstück und ein zweites Kontaktstück auf, wobei mindestens eines der beiden Kontaktstücke antreibbar ist, und wobei die MEMS-Kontaktanordnung mittels des antreibbaren Kontaktstücks zwischen einem ersten Schaltzustand und mindestens einem zweiten Schaltzustand schaltbar ist, wobei die beiden Kontaktstücke in dem ersten Schaltzustand voneinander getrennt sind und in dem zweiten Schaltzustand einander kontaktierend sind. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das erste Kontaktstück mindestens ein flexibles Kontaktsegment und einen Kontaktsegment-Träger aufweist, und dass das mindestens eine flexible Kontaktsegment mittels mindestens des zweiten Kontaktstücks bei einem Schaltvorgang von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand und/oder von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand elastisch verformbar ist.
Dadurch wird eine sichere Kontaktierung erreicht. Kontaktierungsprobleme aufgrund von Fertigungstoleranzen werden verringert, da fertigungstoleranzbedingte Ungenauigkeiten ausgeglichen werden. Eventuelle Verformungen sind ausgleichbar. Der Einfluss eventueller Verschmutzungen auf die Güte der Kontaktierung kann deutlich verringert werden.
Insbesondere ist das mindestens eine flexible Kontaktsegment mittels mindestens des zweiten Kontaktstücks bei einem Schaltvorgang elastisch derart verformbar, dass das mindestens eine flexible Kontaktsegment mit dem zweiten Kontaktstück in dem zweiten Schaltzustand mindestens einen flächigen Berührungsbereich oder eine vorgebbare Mehrzahl von Berührungspunkten aufweist. Die Kontaktierung ist dadurch besser und sicherer. Die effektive Grösse von Kontaktflächen und/oder die Anzahl von Kontaktpunkten ist vergrössert, so dass der elektrische und/oder thermische Widerstand an der Kontaktstelle verringert ist oder ein mit der Kontaktanordnung versehenes Mikro-Ventil dichter schliesst.
Vorteilhaft ist das flexible Kontaktsegment im zweiten Schaltzustand dem zweiten Kontaktstück angeformt. Das heisst, dass im zweiten Schaltzustand die Form des flexiblen Kontaktsegments in Bereichen, in denen sich das erste und das zweite Kontaktstück berühren, an die Form des zweiten Kontaktstücks angepasst ist. Aufgrund der elastischen Deformation, die das flexible Kontaktsegment durch den Schaltvorgang erfährt, ist die Form des flexiblen Kontaktsegments im ersten Schaltzustand verschieden von der Form des flexiblen Kontaktsegments im zweiten Schaltzustand. Dadurch wird eine sichere, da grosse Kontaktflächen und/oder viele Kontaktpunkte aufweisende Kontaktierung erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes weisen das flexible Kontaktsegment und das zweite Kontaktstück im zweiten Schaltzustand mindestens einen flächigen Berührungsbereich auf, wobei im zweiten Schaltzustand das zweite Kontaktstück in dem Berührungsbereich von dem ersten Kontaktstück flächig umschlossen ist. Dadurch wird ein sicherer, weil grossflächiger Kontakt erzielt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist das zweite Kontaktstück gegenüber dem flexiblem Kontaktsegment bei einem Schaltvorgang gleitreibend beweglich. Vorteilhaft ist dies der Fall sowohl bei Schaltvorgängen vom ersten in den zweiten als auch bei Schaltvorgängen vom zweiten in den ersten Schaltzustand der Fall. Beim Herstellen und/oder Lösen eines Kontaktes bewegen sich das flexible Kontaktsegment und das zweite Kontaktstück also relativ zueinander, während sie sich dabei berühren. Durch die gegenseitge Reibung der beiden Kontaktstücke können Verschmutzungen der Kontaktstücke entfernt werden. Dadurch reinigt sich die Kontaktanordnung selbsttätig durch Schaltvorgänge. Saubere Kontakte bedeuten sichere Kontakte. Die Zuverlässigkeit der Kontaktierung ist dadurch sehr hoch. Besonders vorteilhaft ist diese Ausführungsform bei elektrischen Anwendungen und insbesondere, wenn Ströme geschaltet werden, die keinen Lichtbogen erzeugen, der eine kontaktreinigende Wirkung haben könnte.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist das flexible Kontaktsegment aufgrund seiner Dünnwandigkeit flexibel und elastisch verformbar. Das flexible Kontaktsegment weist mindestens einen flexiblen Abschnitt auf, der so dünn oder schmal ausgebildet ist, dass er dadurch eine Flexibilität aufweist. Insbesondere kann von dem flexiblen Kontaktsegment vorteilhaft ein flexibler Abschnitt mit einer Wanddicke zwischen 1 µm und 60 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 25 µm aufgewiesen werden. Typischerweise verwendete Materialien weisen dann eine geeignete Flexibilität und Verformbarkeit auf, wobei trotzdem eine ausreichende Bruchfestigkeit gegeben ist. Die elastischen Verformungen, die ein flexibler Abschnitt eines flexiblen Kontaktsegments typischerweise durch das zweite Kontaktstück bei einem Schaltvorgang erfährt, ist vorteilhaft mindestens von der Grössenordnung der Wanddicke des flexiblen Abschnitts des flexiblen Kontaktsegments und/oder im Bereich des 0.1- bis 20-fachen, insbesondere des 1- bis 5-fachen der Wanddicke des flexiblen Abschnitts des flexiblen Kontaktsegments.
Vorteilhaft ist mindestens das erste Kontaktstück einstückig ausgebildet. Dadurch ist die Herstellbarkeit des ersten Kontaktstücks verbessert, und die Stabilität und Zuverlässigkeit des ersten Kontaktstücks ist besonders gross.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes weist das flexible Kontaktsegment zusätzlich zu mindestens einem flexiblen Abschnitt noch eine dem Kontaktsegment-Träger zugewandte Basis auf. Diese Basis weist vorteilhaft eine grössere Wanddicke auf als der mindestens eine flexible Abschnitt des flexible Kontaktsegments. Dadurch weist die Basis eine geringere Flexibilität auf. Für eine Verformung der Basis würde mehr Energie benötigt als für eine Verformung des mindestens einen flexiblen Abschnitts. Die Basis ist stabiler als der flexible Abschnitt. Die Basis weist eine grössere elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit auf. Beispielsweise kann anfallende Wärme besser abgeführt werden, und bei kurzzeitigen grossen thermischen Lasten ist eine vergrösserte Wärmekapazität von Vorteil. Es wird eine verbesserte Kontaktierung realisiert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, dass zur elastischen Verformung des mindestens einen flexiblen Kontaktsegments mittels mindestens des zweiten Kontaktstücks bei einem Schaltvorgang von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand beziehungsweise von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand eine Einführungsenergie beziehungsweise eine Ausführungsenergie aufzubringen ist, und dass im zweiten Schaltzustand von dem flexiblen Kontaktsegment auf das zweite Kontaktstück eine Rückhaltekraft ausgeübt wird, durch welche Rückhaltekraft ein Schaltvorgang von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand erschwert wird. Zur Durchführung eines Schaltvorgangs muss also ein Potentialberg überwunden werden. Die zum Schalten benötigte Energie wird im allgemeinen von einem Antrieb aufgebracht, mittels dessen das antreibbare Kontaktstück angetrieben wird. In dem zweiten Schaltzustand wird eine sichere und gute Kontaktierung dadurch unterstützt, dass das flexible Kontaktstück durch die in ihm aufgrund der Verformung beim Übergang von dem ersten in den zweiten Schaltzustand gespreicherte Deformationsenergie eine Druckkraft auf das zweite Kontaktstück ausübt. Diese Druckkraft kann auch als Rückhaltekraft bezeichnet werden. Im zweiten Schaltzustand kann eine klemmende Verbindung zwischen den beiden Kontaktstücken vorliegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wirken das flexible Kontaktsegment und das zweite Kontaktstück nach Art des Druckknopf-Prinzip derart zusammen, dass der Kontaktsegment-Träger mindestens eine zusätzliche stabile Position aufweist. Wenn der Kontaktsegment-Träger ein monostabiles Schaltelement ist, kann dadurch ein bistabiles Schaltelement (und eine bistabile Kontaktanordnung) oder auch ein tristabiles Schaltelement geschaffen werden. Und aus einem bistabil schaltbaren Kontaktsegment-Träger kann ein tristabil schaltbares Schaltelement werden.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind das flexible Kontaktsegment und das zweite Kontaktstück nach Art eines Stecker-Steckdosen-Paares ineinanderfügbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das flexible Kontaktsegment mindestens zwei, vorteilhaft vier, sechs oder mehr elastisch verformbare Kontaktfinger auf. Diese vorteilhaft länglich und dünn ausgebildeten, vorteilhaft spazierstockartig gekrümmten Teilsegmente sind derart geformt und angeordnet, dass jedes (oder wenigstens die meisten) der Teilsegmente im zweiten Schaltzustand das zweite Kontaktstück berührt. Dadurch ergeben sich zumindest eine (ungefähr) der Anzahl von Teilsegmenten entsprechende vorgebbare Anzahl von Kontaktpunkten oder auch eine entsprechende Mehrzahl von Kontaktflächen. Dadurch wird eine sichere Kontaktierung mit geringem Kontaktwiderstand erreicht.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das mindestens eine flexible Kontaktsegment in dem zweiten Schaltzustand mindestens einen flächigen Berührungsbereich mit dem zweiten Kontaktstück auf, und die Richtung der Relativbewegung von dem flexiblen Kontaktsegment und dem zweiten Kontaktstückm bei einem Schaltvorgang schliesst mit dem flächigen Berührungsbereich im wesentlichen einen Winkel α ein mit α = 45° ± 30°, insbesondere α = 45° ± 15°. Der Winkel α liegt dabei in einer Ebene, die auf der Ebene des flächigen Berührungsbereichs senkrecht steht. Und diejenigen Flächen des flexiblen Kontaktsegments und des zweiten Kontaktstücks, die im zweiten Schaltzustand im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind und einander in dem flächigen Berührungsbereich berühren, sind im ersten Schaltzustand im wesentlichen bis auf einen Winkel ε mit 0° ≤ ε ≤ 30°, insbesondere 0° ≤ ε ≤ 10°, parallel zueinander ausgerichtet. Insbesondere kann der Winkel ε vorteilhaft zusätzlich noch mindestens 1° gross, mindestens 2° gross oder mindestens 4° gross gewählt werden. Bei einem Schaltvorgang vom ersten in den zweiten und/oder vom zweiten in den ersten Schaltzustand reiben die genannten Flächen aneinander, wodurch kontaktverschlechternde Verunreinigungen entfernt werden können. Auf diese Weise wird eine sichere, da grossflächige und selbstreinigende Kontaktierung erzielt.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform beinhaltet das flexible Kontaktsegment einen membranartigen Abschnitt, der bei einem Schaltvorgang elastisch verformt wird. Eine derartige Membran passt sich flächig der Form des zweiten Kontaktstücks an und gleicht Fertigungstoleranzen aus. Geringe Kontaktwiderstände und eine sichere Kontaktierung können erzielt werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform wird von dem flexiblen Kontaktsegment oder von dem flexiblen Kontaktsegment gemeinsam mit dem ersten Kontaktstück ein Volumen umschlossen wird, welches im wesentlichen mit einer elektrisch und thermisch leitfähigen, elastisch verformbaren Füllung gefüllt ist. Dadurch wird die elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit des flexiblen Kontaktsegments erhöht.
Ein MEMS-Schaltgerät, beispielsweise ein Mikro-Relais, das eine erfindungsgemässe Kontaktanordnung beinhaltet, weist oben genannte Vorteile auf.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und den Figuren hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch und in Aufsicht:
Fig. 1
ein erfindungsgemässes MEMS-Relais mit membranförmigem flexiblen Kontaktsegment und elektrostatischen Antrieben;
Fig.2a
eine erfindungsgemässe MEMS-Kontaktanordnung mit zwei Kontaktstücken und mit membranförmigem flexiblen Kontaktsegment, geöffnet;
Fig. 2b
wie Fig. 2a, geschlossen;
Fig. 3a
eine erfindungsgemässe MEMS-Kontaktanordnung mit drei Kontaktstücken, mit membranförmigem flexiblen Kontaktsegment, geöffnet;
Fig. 3b
wie Fig. 3a, geschlossen;
Fig.4a
eine erfindungsgemässe MEMS-Kontaktanordnung mit zwei Kontaktstücken und mit asymmetrischem membranförmigem flexiblen Kontaktsegment, geöffnet;
Fig. 4b,4c
wie Fig. 4a, geschlossen;
Fig. 5
eine erfindungsgemässe MEMS-Kontaktanordnung mit drei Kontaktstücken und mit membranförmigem flexiblen Kontaktsegment auf einer Basis, geöffnet;
Fig. 6
wie Fig. 5, zusätzlich noch mit Federmechanismus;
Fig. 7a
eine erfindungsgemässe MEMS-Kontaktanordnung mit zwei Kontaktstücken nach Art eines Stecker-Steckdosenpaares und mit zwei Kontaktfingern, geöffnet;
Fig. 7b
wie Fig. 7a, geschlossen;
Fig. 8a
eine erfindungsgemässe MEMS-Kontaktanordnung mit zwei Kontaktstücken nach Art eines Stecker-Steckdosenpaares und mit zwei Kontaktfingern, geöffnet;
Fig. 8b
wie Fig. 8a, geschlossen;
Fig. 9a
wie Fig. 8a, zusätzlich noch mit Basis;
Fig. 9b
wie Fig. 9a, geschlossen;
Fig. 10a
eine erfindungsgemässe MEMS-Kontaktanordnung mit zwei Kontaktstücken und mit einer Mehrzahl von spiegelsymmetrisch angeordneten Kontaktfingern, geöffnet;
Fig. 10b
wie Fig. 10a, geschlossen;
Fig. 11a
eine erfindungsgemässe MEMS-Kontaktanordnung mit drei Kontaktstücken und mit gewinkelten, reibungserzeugenden Berührungsflächen, geöffnet;
Fig. 11b
wie Fig. 11a, geschlossen;
Fig. 12a
ein erfindungsgemässes MEMS mit zwei Kontaktstücken, wobei mittels des Druckknopf-Prinzips eine bistabile Schaltbarkeit erreicht wird, geöffnet;
Fig. 12b
wie Fig. 12a, geschlossen;
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder zumindest gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemässes mikro-elektromechanisches Relais (MEMS-Relais, Mikro-Relais) in Aufsicht. Der Aufbau dieses MEMS-Schaltgerätes entspricht in weiten Teilen dem eingangs beschriebenen MEMS-Relais, wie es in der genannten Offenlegungsschrift DE 10040867 A1 beschrieben ist. Ein derartiges MEMS-Relais ist mittels lonentiefätzen (DRIE) aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise einkristallinem Silizium, herstellbar. Die Lineardimension eines solchen MEMS-Schaltgerätes ist typischerweise von der Grössenordnung 0.4 mm bis 5 mm. Die mittels DRIE erstellten Strukturen sind meist prismenförmig, wobei die Prismen-Seitenflächen sich senkrecht zu der Oberfläche des Substrates erstrecken, aus dem sie mittels Ätzen und gegebenenfalls Opferschicht-Technologie geformt wurden. Die Höhe der Prismen ist typischerweise von der Grössenordnung 50 µm bis 500 µm. In dem genannten Dokument DE 10040867 A1 sind weitere Details zu derartigen und ähnlichen Mikro-Schaltern beschrieben. Um diese hier nicht zu wiederholen, wird der Offenbarungsgehalt dieses Textes hiermit ausdrücklich in die vorliegende Beschreibung übernommen.
Das in Fig. 1 dargestellte MEMS-Relais weist ein erstes Kontaktstück 1, ein zweites Kontaktstück 2 und ein drittes Kontaktstück 3 auf. Das erste Kontaktstück 1 umfasst ein flexibles Kontaktsegment 11 und einen mit dem flexiblen Kontaktsegment verbundenen Kontaktsegment-Träger 12. Der Kontaktsegment-Träger 12 ist horizontal, also senkrecht zur Substrat-Normalen biegbar und weist zwei stabile Positionen auf. An seinen beiden Enden ist der Kontaktsegment-Träger 12 auf dem Substrat festgesetzt. In der ersten, durch durchgezogene Linien dargestelleten Position des Kontaktsegment-Trägers befindet sich das Relais in einem ersten Schaltzustand A, in welchem das Relais geöffnet ist: Die Kontaktstücke 2 und 3 sind nicht leitend miteinander verbunden. Mittels des oben rechts in Fig. 1 angedeuteten elektrostatischen Antriebs kann der Kontaktsegment-Träger 12 in seine zweite bistabile Position gebracht werden, in welcher sich das Relais in einer zweiten, geschlossenen Position B befindet: Mittels des flexiblen Kontaktsegments 11, welches eine metallische Beschichtung aufweist, werden die ebenfalls metallisch beschichteten Kontaktstücke 2 und 3 leitend miteinander verbunden. Mittels des unten rechts in Fig. 1 dargestellten Antriebs 4 kann das Relais wieder im den geöffneten Schaltzustand 2 geschaltet werden.
Details zu dem erfindungwesentlichen flexiblen Kontaktsegment 11 werden im Zusammenhang mit den weiteren Figuren diskutiert. In den weiteren Figuren ist meist jeweils nur die Kontaktanordnung und kein komplettes Schaltgerät dargestellt.
In der noch unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 02405334.0 sind verschiedene mikro-elektromechanische Systeme, insbesondere Schalter und Relais beschrieben, die mit einer erfindungsgemässen Kontaktanordnung ausgestattet werden können. Es wird an dieser Stelle auf die Aufführung der in dieser unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung genannten Einzelheiten verzichtet. Stattdessen wird hiermit diese unveröffentlichte europäische Patentanmeldung ausdrücklich mit ihrem gesamten Offenbarungsgehalt in die Beschreibung übernommen.
In Fig. 2a,b ist schematisch eine Kontaktanordnung dargestellt, die ähnlich der in Fig. 1 dargestellten ist. Sie weist aber nur ein erstes Kontaktstück 1 und ein zweites Kontaktstück 2 auf. In dem ersten Schaltzustand A (Fig. 2a) sind die beiden Kontaktstücke 1 und 2 voneinander getrennt, im zweiten Schaltzustand B berühren (kontaktieren) sich die beiden Kontaktstücke 1 und 2 (Fig. 2b). Das erste Kontaktstück 1 ist einstückig ausgebildet und weist ein flexibles Kontaktsegment 11 und einen Kontaktsegment-Träger 12 auf. Letzterer kann beispielsweise ausgebildet sein wie in Fig. 1. Das flexible Kontaktsegment 11 ist membranartig ausgebildet. Es stellt eine dünne Wandung dar, die mit dem Kontaktsegment-Träger 12 ein Volumen 114 umschliesst. Da das flexible Kontaktsegment 11 und der Kontaktsegment-Träger 12 wie praktisch alle mittels DRIE hergestellten Mikro-Elemente prismenartig sind, wobei sich die Prismen-Seitenwände senkrecht zur Substratebene erstrecken, ist auch das umschlossene Volumen 114 prismenartig und wird seitlich umschlossen, während es in substratparalleler Richtung nicht umschlossen ist. Dieses nicht-eingeschlossene, aber umschlossene Volumen 114 kann mit einer leitfähigen Füllung ganz oder teilweise gefüllt werden. Oberflächeneffekte tragen dazu bei, dass die Füllung in dem Volumen 114 verbleibt. Je nach Anwendung kann die Füllung beispielsweise eher eine gute elektrische und/oder gute thermische Leitfähigkeit aufweisen. Als Füllung eignen sich unter anderem Flüssigmetalle, beispielsweise Quecksilber, Indium, Gallium oder Legierungen dieser Metalle, oder auch (elektrisch) leitfähige Polymere, beispielsweise konjugierte Polymere. Mittels einer derartigen Füllung kann ein verringerter Kontaktwiderstand erzielt werden. Vorteilhaft weisen auch die ungefüllten Kontaktstücke schon eine gute Leitfähigkeit auf, beispielsweise im Falle von halbleitenden Materialien durch entsprechende Dotierung.
Im ersten Schaltzustand A weist das flexible Kontaktsegment 11 (in Aufsicht) etwa die Form eines unten konkav eingebogenen Buchstaben "U" auf. Bei einem Schaltvorgang in den zweiten Schaltzustand B wird das flexible Kontaktsegment 11 durch das vorn fingerkuppenförmige zweite Kontaktstück 2 elastisch verformt. Das flexible Kontaktsegment 11 ist flexibel und elastisch verformbar weil es dünnwandig ausgebildet ist. Im Falle von Silizium haben die Wandflächen dann typischerweise eine Dicke d von 1 µm bis 60 µm; beste Ergebnisse wurden im Dickenbereich von 5 µm bis 25 µm erzleit. Im zweiten Schaltzusand 8 weisen die beiden Kontaktstücke 1,2 einen flächigen Berührungsbereich 5 auf. In dem Berührungsbereich 5 passt sich die Form des flexiblen Kontaktsegments 1 1 der Form des zweiten Kontaktstücks 2 an. Die Form des flexiblen Kontaktsegments 11 ist im zweiten Schaltzustand B anders als im ersten Schaltzustand A. Im Berührungsbereich 5 ist das zweite Kontaktstück 2 von dem flexiblen Kontaktsegment 11 und somit von dem ersten Kontaktstück 1 flächig umschlossen. Durch die Formgebung der zwei Kontaktstücke 1,2 wird weiterhin ein Zentrierungseffekt erzielt, wodurch Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. Bei einem Wechsel der Schaltzustände kommt es zu einer leichten Gleitreibung zwischen dem flexiblen Kontaktsegment 11 und dem zweiten Kontaktstück 2. Dadurch kann eine Reinigungwirkung der Kontaktstücke 1,2 erzielt werden.
An den Stellen, an denen dünnwandige Abschnitte des flexiblen Kontaktsegments 11 befestigt sind oder in einen breiteren Abschnitt übergehen, wie beispielsweise in Fig. 2a und b an den Übergängen von dem flexiblen Kontaktsegment 11 zu dem Kontaktsegment-Träger 12, werden vorteilhaft allmähliche, beispielsweise ungefähr parabelförmige Übergänge gewählt (siehe Fig. 2a,b). Dadurch wird eine verbesserte Stabilität und Haltbarkeit erreicht.
Fig. 3a und 3b zeigen eine ähnliche Kontaktanordnung wie die aus den Fig. 1 und Fig. 2a,b. Die Kontaktanordnung entspricht der aus Fig. 2, nur dass statt eines zweiten Kontaktsegments 2 zwei Kontaktstücke 2 und 3 aufgewiesen werden. Jedes der beiden Kontaktstücke 2 und 3 weist die Form einer abgerundeten Hälfte eines der Länge nach geteilten, in Fig. 2a,b dargestellten, fingerkuppenförmigen Kontaktstücks auf. Die oben erwähnte gleitreibungsbedingte Selbstreinigungswirkung ist bei dieser Ausführungsform noch stärker als bei der Ausführungsform von Fig. 2. Denn für jedes der Kontaktstücke 2 und 3 ergibt sich bei einem Einschaltvorgang (A nach B) ein deutlich asymmetrisch, seitlich (nicht frontal) liegender erster Berührungpunkt mit dem flexiblen Kontaktsegment 1 1 . Bis dann eine Endposition der Kontaktstücke 1,2,3 erreicht ist, erfolgt eine reibende Relativbewegung der Kontaktstücke 2 und 3 gegenüber dem flexiblen Kontaktsegment 11.
Generell ist bei den meisten elektrischen Anwendungen eine gerundete Ausführung der Kontaktstücke ohne Spitzen bevorzugt, da dadurch elektrischer Feldstress und Spitzeneffekte vermieden werden.
Fig. 4a, b und c is eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Sie entspricht weitgehend der in Fig. 2a,b dargestellten Ausführungsform und wird ausgehend davon beschrieben. Das membranartige flexible Kontaktsegment 11 ist in Fig. 4 nicht, wie in Fig. 2 im wesentlichen symmetrisch geformt, sondern hat eine asymmetrische Form in Bezug auf die Richtung der gegenseitigen Bewegung von dem flexiblen Kontaktsegment 11 und dem zweiten Kontaktstück 2. Dadurch ergibt sich, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben, eine intensive Reibung des zweiten Kontaktstücks 2 mit dem flexiblen Kontaktsegment 11, welche zur Entfernung etwaiger Verunreinigungen im Berührungsbereich 5 führen kann.
Fig. 4a skizziert den ersten Schaltzustand A. Fig. 4b zeigt einen Schaltzustand während eines Schaltvorgangs von A nach B. Das erste Kontaktstück 1 kontaktiert bereits das zweite Kontaktstück 2. Man kann die Kontaktanordnung so gestalten, dass der in Fig. 4b gezeigte Schaltzustand dem letzendlich erreichten Schaltzustand B entspricht. Vorteilhaft kann aber die Kontaktanordnung so dimensioniert werden, dass erst die in Fig. 4c dargestellte Position die Endposition, also der Schaltzustand B ist. Dann weist das flexible Kontaktsegment 11 nicht nur an den zwei Enden der Membran je eine Kontakstelle mit dem Kontaktsegment-Träger 12 auf, sondern zusätzlich noch einen weiteren, im ersten Schaltzustand A nicht vorhandenen Berührungspunkt 6 (oder eine Berührungsfläche 6). Daraus ergibt sich ein geringerer Kontaktwiderstand. Eventuelle Kontaktierungsprobleme aufgrund von Fertigungstoleranzen können unter anderem dadurch zumindest vermindert werden, dass dasjenige Kontaktstück, das angetrieben ist, stets eine Restbeweglichkeit, meist durch eine federartige Aufhängung, aufweist. Überträgt man den Aufbau aus Fig. 4 auf das Schaltgerät von Fig. 1, so ist das erste Kontaktstück 1 das angetriebene Kontaktstück.
Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemässe Kontaktanordnung, welche der aus Fig. 3 ähnlich ist und ausgehend davon beschrieben wird. Das flexible Kontaktsegment 11 weist in Fig. 5 ausser einem membranartigen flexiblen Abschnitt noch eine Basis 113 auf. Und das flexible Kontaktsegment 11 weist ungefähr die Form eines gleichschenkligen Dreiecks auf, wobei die Grundseite des Dreiecks von dem zweiten Kontaktstück 2 und dem dritten Kontaktstück 3 abgewandt ist und von der Basis 113 gebildet wird. Es ist der erste Schaltzustand A dargestellt. Das von dem flexiblen Kontaktsegment 11 umschlossene Volumen 114 kann bei Bedarf, wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben, mit einer Füllung gefüllt werden.
Vorzugsweise ist das flexible Kontaktsegment 11, insbesondere an der den Kontaktstücken 2 und 3 zugewandten Seite (Spitze des Dreiecks), abgerundet (nicht dargestellt). Durch einen Schaltvorgang wird der flexible Abschnitt des flexiblen Kontaktsegments 11 elastisch verformt, und es kommt zu einer gleitreibenden Bewegung zwischen den flexible Kontaktsegment 11 und den Kontaktstücken 2 und 3.
Die Basis 113 des flexiblen Kontaktsegments 11 vergrössert die Leitfähigkeit der Kontaktanordnung. Elektrische und/oder thermische Widerstände werden dadurch reduziert. Und es wird eine grössere Wärmekapazität realisiert.
Fig. 6 zeigt eine Kontaktanordnung, die weitgehend der aus Fig. 5 entspricht. Es ist zusätzlich noch ein Mittel zur Federung 13 zwischen dem flexiblen Kontaktsegment 11 und dem Kontaktsegment-Träger 12 angeordnet. Dadurch werden Kontaktierungsprobleme aufgrund von Fertigungstoleranzen verringert. Das Kontaktsegment 11 kann sich optimal an die Kontaktstücke 2 und 3 anschmiegen
In Fig. 7 ist eine Kontaktanordnung mit einem ersten Kontaktstück 1 und einem zweiten Kontaktstück 2 dargestellt, bei denen die beiden Kontaktstücke 1,2 nach Art eines Stecker-Buchse-Paares zusammenwirken. Das zweite Kontaktstück 2 weist eine Nase auf, die ungefähr die Form eines abgerundeten Rechtecks hat, das zudem eine kleine Taillierung aufweist.
Das erste Kontaktstück 1 beinhaltet ausser dem Kontaktsegment-Träger 12 noch ein flexibles Kontaktsegment 11, das zwei flexible Kontaktfinger 111,112 aufweist. Die Kontaktfinger 111,112 sind jeweils an einem Ende mit dem Kontaktsegment-Träger 12 verbunden und an einem anderen Ende frei, und dem zweiten Kontaktsegment 2 zugewandt. Die länglichen Kontaktfinger 111,112 sind im wesentlichen parallel zueinander sowie senkrecht zum Kontaktsegment-Träger 12 ausgerichtet. Sie sind leicht S-förmig gekrümmt, wobei die freien Enden voneinander weggebogen sind.
Im zweiten Schaltzustand B (Fig. 7b) ist das steckerartige zweite Kontaktstück 2 mit seiner Nase zwischen den beiden Kontaktfingern 111,112 angeordnet. Mit jedem der beiden Kontaktfinger 111,112 weist das Kontaktstück 2 einen flächigen Berührungsbereich 5 auf. Ausserdem weist das Kontaktstück 2 vorteilhaft auch noch einen flächigen Berührungsbereich 5 ' mit dem Kontaktsegment-Träger 12 auf. Im zweiten Schaltzustand B sind die Kontaktfinger 111,112 ausser an ihren am Kontaktsegment-Träger 12 befestigten Ende weiter voneinander beabstandet als im ersten Schaltzustand A.
Bei einem Schaltvorgang von A nach B werden die Kontaktfinger 111, 112 elastisch verformt, und es findet eine gleitreibende Bewegung zwischen dem zweiten Kontaktstück 2 und dem flexiblen Kontaktsegment 11 statt. Dazu muss eine Einführungsenergie oder Kontaktfinder-Deformationsenergie aufgebracht werden. Diese Einführungsenergie wird im allgemeinen von einem Antrieb geliefert. Im zweiten Schaltzustand B üben die Kontaktfinger 111,112 eine Rückhaltekraft auf das zweite Kontaktstück 2 aus. Sie drücken das zweite Kontaktstück 2 seitlich zusammen und halten es dadurch fest in der kontaktierenden Position. Dadurch ist eine minimale zur Trennung der Kontaktstücke 1 und 2 erforderliche Kraft vorgebbar. Bei einem Schaltvorgang B nach A muss eine Ausführungsenergie aufgebracht werden, um die Kontakte voneinander zu trennen. Die Kontaktanordnung ist in der oben bereits beschriebenen Weise selbstreinigend.
Die Formen der Kontaktstücke 1,2 sind derart gewählt, dass das flexible Kontaktsegment 11 im zweiten Schaltzustand dem ersten Kontaktstück 1 angeformt ist.
In Fig. 8a,b ist eine Kontaktanordnung gezeigt, die der aus Fig. 7a,b ähnlich ist und ausgehend von dieser beschrieben wird. Statt dass das zweite Kontaktstück 2 im zweiten Schaltzustand B zwischen den beiden Kontaktfingern 111,112 angeordnet ist (Fig. 7b), kontaktiert es in Fig. 8b die beiden Kontaktfinger 111,112 von aussen, also von denjenigen Seiten der Kontaktfinger 111,112, die dem jeweils anderen Kontaktfinger 112,111 abgewandt sind. Dazu weist das zweite Kontaktstück 2 eine ungefähr U-förmige, dem ersten Kontaktstück zugewandte Ausnehmung auf.
Fig. 9a, b zeigt eine Kontaktanordnung, die der aus Fig. 8a,b ähnlich ist und ausgehend von dieser beschrieben wird. Statt eines zweiten Kontaktstücks 2 wird im zweiten Schaltzustand B das erste Kontaktstück 1 von einem zweiten Kontaktstück 2 und einem weiteren Kontaktstück 3 kontaktiert. Jedes der beiden Kontaktstücke 2 und 3 weist die Form einer abgerundeten Hälfte eines der Länge nach geteilten in Fig. 8a,b dargestellten Kontaktstücks auf. Zusätzlich ist das flexible Kontaktsegment 11 auch noch mit einer Basis 113 ausgestattet, die gleichwirkend ist wie die Basen 113 in Fig. 5 und Fig. 6. Im zweiten Schaltzustand B (Fig. 9b) werden Berührungsflächen 5 der Kontaktstücke 2 und 3 mit dem flexiblen Abschnitt des flexiblen Kontaktsegments 11 und auch Berührungsflächen 5' der Kontaktstücke 2 und 3 mit der Basis 113 aufgewiesen. Vorteilhaft können die freien Enden der Kontaktfinger 111,112 auch noch weiter zueinander hingebogen sein als in Fig. 9a,b dargestellt. Dadurch wird bei elektrischen Anwendungen der Einfluss von Feldstress und Spitzeneffekten reduziert.
Fig. 10a,b zeigt eine Kontaktanordnung mit einem ersten Kontaktstück 1 und einem zweiten Kontaktstück 2. Das erste Kontaktstück 1 weist ein flexibles Kontaktsegment 11 auf, das eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter flexibler Kontaktfinger 111,112 umfasst. Die in Fig. 10a,b dargestellten sechs Kontaktfinger 111,112 sind (hälftig) in zwei Gruppen aus je drei Kontaktfingern 111 beziehungsweise 112 aufgeteilt, die vorzugsweise im wesentlichen spiegelbildlich angeordnet sind. Es können aber auch 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 oder mehr, beispielsweise 12, 14, 16 oder 18 Kontaktfinger 111,112 aufgewiesen werden. Die Kontaktfinger 111,112 sind länglich ausgebildet und spazierstockförmig oder nach Art eines gekrümmten Fingers gebogen. Das Verhältnis von Länge zu Wanddicke der Kontaktfinger 111, 112 liegt vorteilhaft im Bereich von 5:1 1 bis 100:1, insbesondere vorteilhaft im Bereich von 12:1 bis 40:1 oder vorteilhaft auch im Bereich von 20:1 bis 30:1. Diese Längen-zu-Wanddicken-Verhältnisse sind auch für die anderen in dieser Beschreibung dargestellten Kontaktfinger (siehe Figs. 7, 8, 9, 12). An einem Ende sind die Kontaktfinger 111,112 mit dem Kontaktsegment-Träger 12 verbunden. An ihrem anderen Ende (entsprechend dem Griff des Spazierstocks oder der Spitze des Fingers) sind sie frei. Die Richtung der Krümmung der Kontaktfinger 111 (an ihrem freien Ende) ist vorteilhaft der Krümmung der Kontaktfinger 112 entgegengesetzt. In Fig. 10a ist der erste Schaltzustand A (geöffnet) dargestellt. Die Länge der einzelnen Kontaktfinger 111,112 ist vorteilhaft derart gewählt, dass eine Einhüllende ihrer freien Enden im wesentlichen der den Kontaktfingern111, 112 zugewandten Oberfläche des zweiten Kontaktstücks 2 entspricht. Zumindest hat die genannte Einhüllende im zweiten Schaltzustand (Fig. 10b) vorteilhaft eine solche Form, so dass sich die Kontaktfinger 111,112 dann an das zweite Kontaktstück 2 anschmiegen.
Im zweiten Schaltzustand B (Fig. 10b, geschlossen) weisen das erste Kontaktstück 1 und das zweite Kontaktstück 2 eine Mehrzahl von Kontaktpunkten 5 auf. Es kann sich auch um eine Mehrzahl von Kontaktflächen 5 handeln. Die einzelnen Kontaktfinger 111,112 des flexiblen Kontaktsegments 11 sind durch das zweite Kontaktstück 2 elastisch verformt. Das flexible Kontaktsegment 11 ist dem zweiten Kontaktstück 2 angeformt. Bei einem Schaltvorgang bewegen sich die Kontaktfinger 111,112 des flexiblen Kontaktsegments 11 gleitreibend gegenüber dem zweiten Kontaktstück 2, so dass es zu dem oben erwähnten Selbstreinigungseffekt kommt.
Eine Kontaktanordnung entsprechend Fig. 10a,b hat den Vorteil, dass eine minimale Anzahl von Kontaktpunkten 5 oder Kontaktflächen 5 vorgebbar ist, so dass stets ein sicherer Kontakt mit geringem Kontaktwiderstand erzielbar ist.
Fig. 11a,b veranschaulicht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform. In Fig. 11a dargestellt ist der erste Schaltzustand A, in Fig. 11b der zweite Schaltzustand B. Die Kontaktanordnung weist drei Kontaktstücke 1,2,3 auf. Das erste Kontaktstück 1 umfasst ein flexibles Kontaktsegment 11 und einem Kontaktsegment-Träger 12. Das dritte Kontaktstück 3 umfasst ein flexibles Kontaktsegment 31 und einem Kontaktsegment-Träger 32. Das dritte Kontaktstück 3 ist vorzugsweise spiegelsymmetrisch zum ersten Kontaktstück 1 ausgebildet und angeordnet. Das zweite Kontaktstück 2 umfasst einen starren Abschnitt und einen mit dem starren Abschnitt verbundenen Kontakt-Träger 22.
In Fig. 11a,b ist das zweite Kontaktstück 2 das angetriebene Kontaktstück. Die Richtung der relativen Bewegung des zweiten Kontaktstücks 2 gegenüber den Kontaktstücken 2 und 3 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Der starre Abschnitt des zweiten Kontaktstücks 2 weist zwei im wesentlichen ebene Flächen auf, die mit der Richtung der relativen Bewegung des zweiten Kontaktstücks 2 gegenüber den Kontaktstücken 1 und 3 einen Winkel α' einschliessen. Im zweiten Schaltzustand B (Fig. 11b) weisen das erste und das dritte Kontaktstück 1,3 an ihren flexiblen Kontaktsegmenten 11,31 Berührungsflächen 5 mit dem zweiten Kontaktstück 2 auf. Diese Berührungsflächen 5 im zweiten Schaltzustand B schliessen mit der Richtung der relativen Bewegung des zweiten Kontaktstücks 2 gegenüber den Kontaktstücken 1 und 3 einen Winkel α ein. Dieser Winkel α liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 45° ± 30°, insbesondere im Bereich von 45° ± 15°. Aufgrund der Starrheit des starren Abschnitts des zweiten Kontaktstücks 2 wird der starre Abschnitt bei Schaltvorgängen im wesentlichen nicht elastisch verformt. Darum sind die Winkel α und α ' im wesentlichen gleich gross.
Im ersten Schaltzustand A (Fig. 11a) sind diejenigen Flächen des zweiten Kontaktstücks 2 und des ersten beziehungsweise dritten Kontaktstücks 1,3, die im zweiten Schaltzustand die flächigen Berührungsbereich 5 bilden, in einem Winkel ε zueinander angeordnet. Für diesen Winkel ε gilt vorzugsweise 0° ≤ ε ≤ 30° und insbesondere 0° ≤ ε ≤ 10°. Besonders vorteilhaft sind auch kleine Winkel ε mit 0° ≤ ε ≤ 5°. Durch die beschriebene Anordnung und mit den angegebenen Winkeln kann ein sicherer, grossflächiger Kontakt mit ausgeprägter Reib- und entsprechend guter Reinigungswirkung realisiert werden.
Zumindest für elektrische Anwendungen werden bevorzugt Kontaktanordnungen eingesetzt, die stärker abgerundete Ecken und Kanten aufweisen als in Fig. 11 dargestellt.
In Fig. 12a,b ist eine Kontaktanordnung gezeigt, die ähnlich der in Fig. 7a,b dargestellten ist. Sie wird ausgehend davon beschrieben. In Fig. 12 weist das zweite Kontaktstück 2 eine deutliche Verjüngung, insbesondere eine Taille auf. Die Kontaktfinger 111,112 des flexiblen Kontaktsegments 11 sind deutlich S-förmig gebogen, und zwar so, dass die von dem Kontaktsegment-Träger 12 weiter entfernt liegenden Bäuche der beiden "S" im zweiten Schaltzustand B (Fig. 12b) in die genannte Verjüngung eingreifen. Die zum Einschalten (A nach B) aufzubringende Einführungsenergie und auch die zum Ausschalten (B nach A) aufzubringende Ausführungsenergie ist gross. Die Ausführungsenergie ist so gross, dass ein monostabil schaltbarer Kontaktsegment-Träger 12, wie der in Fig. 12a,b dargestellte, dadurch bistabil schaltbar wird. Die erste stabile Position ist dabei die natürliche, herstellungsbedingte stabile Position des an sich monostabilen biegbaren Kontaktsegment-Trägers 12 (Fig. 12a, Schaltzustand A). Die zweite stabile Position (Fig. 12b, zweiter Schaltzustand) ist die an sich nicht-stabile, gebogene Position des biegbaren Kontaktsegment-Trägers 12, in welcher die Kontaktanordnung allerdings verbleibt, bis in geeigneter Weise die Ausführungsenergie aufgebracht wird. Durch das flexible Kontaktsegment 11 wird die Kontaktanordnung also in der zweiten stabilen Schaltposition B gehalten. Mittels des Druckknopf-Prinzips wird eine bistabil schaltbare Kontaktanordnung realisiert. Die Zahl der stabilen Positionen für den Kontaktsegment-Träger kann also um mindestens eins erhöht werden. Ein nicht-dargestelltes Beispiel für eine Erhöhung um zwei stabile Positionen ist ein an einem Ende eingespannter Balken, der an seinem freien Ende auf jeder Seite ein flexibles Kontaktsegments nach Art des in Fig. 12a,b dargestellten flexiblen Kontaktsegments aufweist, wobei jedes dieser flexiblen Kontaktsegmente mit je einem weiteren Kontaktstück nach Art des Druckknopf-Prinzips zusammenwirkt. So ergeben sich drei stabile Positionen des Kontaktsegment-Trägers statt nur einer einzigen.
In den vorgestellten Ausführungsformen werden dadurch verbesserte, sicherere Kontaktanordnungen geschaffen, dass ein aufgrund seiner Dünnwandigkeit flexibles Kontaktsegment 11 bei einem Schaltvorgang mittels des meist starren zweiten Kontaktsegments 2 elastisch verformt wird. Im allgemeinen ist das flexible Kontaktsegment 11 von dem Antrieb 4 verschieden und wird auch nicht direkt durch den Antrieb 4 verformt. Im allgemeinen wird sich das flexible Kontaktsegment sowohl bei einem Schaltvorgang von dem ersten in den zweiten also auch bei einem Schaltvorgang von dem zweiten in den ersten Schaltzustand elastisch deformieren. Es ist aber auch denkbar, dass eine dieser (Re-) Deformationen erst (kurz) nach dem Schaltvorgang (und vor einem weiteren Schaltvorgang) stattfindet, wobei eine solche (Re-) Deformation auch induziert sein kann, also nicht von selbst, sondern stimuliert, beispielsweise durch elektrostatische Kräfte, passiert.
Die weiter oben und im folgenden aufgeführten alternativen oder zusätzlichen Merkmale sind optional und untereinander sowie mit den in der Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispielen beliebig kombinierbar.
Die Kontaktanordnungen können mittels einer oder mehrerer Strukturierungsverfahren, wie beispielsweise DRIE, 3D-UV-Tiefenlithographie, LIGA-Technik oder sonstigen Strukturierungsverfahren aus der Halbleiter-Herstellung (Beschichten, Ätzen) hergestellt werden.
Als Materialien, aus denen die Kontaktanordnungen oder MEMS hergestellt werden, kommen ausser Silizium (Si) noch weitere Materialien, vor allem Halbleitermaterialien in Frage. Insbesondere geeignet sind Siliziumkarbid (SiC), Germanium (Ge), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), InSb (Indiumantimonid), InP (Indiumphosphid), Quarz und Diamant. Wichtig ist eine hohe Zugfestigkeit, eine hohe Abriebfestigkeit und eine geringe mechanische Ermüdung.
Vorzugsweise werden Materialien mit einer Zugfestigkeit von mindestens 40 N/m2, besser mindestens 50 N/m2 oder noch besser mindestens 60 N/m2 eingesetzt. Silizium hat eine Zugfestigkeit von 69 N/m2, während Stahl typischerweise 21 N/m2, maximal 42 N/m2 aufweist. Wolfram (W): 40 N/m2, Aluminium (AI): 1.7 N/m2.
Zur Vergrösserung der Zugfestigkeit können auch Beschichtungen auf die Kontaktstücke, insbesondere auf das flexible Kontaktsegment aufgebracht werden. Dafür kommen insbesondere Karbide, Nitride und Oxide in Frage. SiC weist eine Zugfestigkeit von 210 N/m2, Si3N4 eine von 140 N/m2 und SiO2 eine von 84 N/m2 auf.
Die Härte ist bezüglich der Abriebfestigkeit eine wichtige Grösse. Silizium hat eine Knoop-Härte von 850 kg/mm2, während rostfreier Stahl 660 kg/mm2, Wolfram 400 kg/mm2 und Aluminium nur 130 kg/mm2 hat. Beschichtungen können auch zur Erzielung einer verbesserten Abriebfestigkeit vorteilhaft sein, zum Beispiel mit SiC (Knoop-Härte 2480 kg/mm2) oder Si3N4 (3486 kg/mm2).
In dem Fall, dass die Kontaktanordnung elektrische Ströme schaltet, sind metallische Beschichtungen zur Reduktion des Kontaktwiderstandes (elektrisch, aber auch thermisch) von Vorteil. Die Kontaktstücke 1,2 weisen dann metallische Oberflächen auf, welche einander im zweiten Schaltzustand B berühren. Vorteilhaft sind halbleitende Materialien dotiert, so dass sie eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Weiter ist es vorteilhaft, Material einzusetzen, dass eine geringe mechanische Ermüdung aufweist. Ermüdungsbrüche werden fast ausschliesslich an Oberflächen initiiert. Ein Material mit einer rauhen Oberfläche ermüdet sehr viel schneller als ein Material mit einer glatten (polierten) Oberfläche. Massgeblich für die Materialermüdung ist die Defektdichte an der Oberfläche. Darum wird vorteilhaft einkristallines oder hochkristallines Material eingesetzt. Und es werden vorteilhaft glatte Oberflächen hergestellt, was beispielsweise mittes Ätzverfahren einfach zu erzielen ist.
Einkristallines Silizium hat aufgrund seiner Herstellung eine extrem kleine Defektdichte. Dazu kommt, dass die Erzeugung glatter Oberflächen bei einkristallinem Silizium simpel ist. So kann eine, mit gewöhnlichen Metallen wie mit polykristallinem Stahl oder Aluminium verglichen, extrem geringe Materialermüdung erzielt werden.
Die Kontaktanordnungen können vorteilhaft zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Kontaktstücke umfassen. Davon können eines, zwei oder mehr angetrieben oder beweglich sein. Eines, zwei oder mehr weisen je eines oder mehrere flexible Kontaktsegmente 11 auf, wobei es sich dabei um angetriebene (bewegliche) oder auch nicht-angetriebene (nicht-bewegliche) Kontaktstücke handeln kann, und wobei auch eines oder mehrere angetrieben (beweglich) sein kann, während eines oder mehrere andere nichtangetrieben (nicht-beweglich) sein können. Vorteilhaft berühren sich im zweiten Schaltzustand B ein erstes, mit einem flexiblen Kontaktsegment versehenes Kontaktstück und ein zweites, im wesentlichen nicht verformbares Kontaktstück. Anstelle eines starren zweiten Kontaktstücks kann aber auch ein solches zweites Kontaktstück eingesetzt werden, das ein flexibles Kontaktsegment oder einen elastisch verformbaren Abschnitt aufweist. Vorzugsweise sind die mit einem flexiblen Kontaktsegment versehenen Kontaktstücke jeweils einstückig ausgebildet.
Eine erfindungsgemässe Kontaktanordnung kann auch mehrere erste Schaltzustände A und/oder mehrere zweite Schaltzustände B aufweisen. Beispielsweise im Falle eines Wechselschalt-Relais mit einer geöffneten und zwei geschlossenen Zuständen, siehe beispielsweise auch die erwähnte unveröffentlichte europäische Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 02405334.0.
Der Antrieb 4 sowie eventuelle weitere Antriebe 4 können elektrostatisch, beispielsweise aber auch elektromagnetisch, piezoelektrisch oder thermisch arbeiten.
Bei der Kontaktanordnung beziehungsweise dem MEMS kann es sich um einen lateralen Aufbau handeln, bei dem Bewegungen im wesentlichen substratparallel (horizontal) verlaufen. Es kann aber auch ein vertikaler Aufbau sein, bei dem Bewegungen im wesentlichen senkrecht zum Substrat verlaufen.
Die Kontaktanordnungen können vorteilhaft in Schaltgeräten eingesetzt werden, die einen hohen Kontaktdruck zu erzeugen in der Lage sind, wie es beispielsweise bei den genannten biegbaren Kontaktsegment-Trägern der Fall ist.
Vorteilhaft können elektrische Mikro-Schalter und Mikro-Relais mit einer erfindungsgemässen Kontaktanordnung ausgestattet werden. Mit solchen Schaltern können vorteilhaft Automatisierte Testvorrichtungen (ATE, automated test equipment) ausgrüstet werden. Es ist auch möglich, mechanische Schalter oder Unterbrecher oder Mikro-Ventile mit einer erfindungsgemässen Kontaktanordnung zu versehen.
Die genannten Merkmale können gemeinsam oder auch einzeln oder in beliebiger Kombination vorteilhaft sein.
Bezugszeichenliste
1
erstes Kontaktstück
11
flexibles Kontaktsegment
1 11,112
Kontaktfinger des flexiblen Kontaktsegments
113
Basis des flexiblen Kontaktsegments
114
Volumen
12
Kontaktsegment-Träger
13
Mittel zur Federung
2
zweites Kontaktstück
22
Kontakt-Träger des zweiten Kontaktstücks
3
drittes Kontaktstück
31
flexibles Kontaktsegment des dritten Kontaktstücks
32
Kontaktsegment-Träger des dritten Kontaktstücks
4
Antrieb
5,5'
Berührungsbereich, Berührungsfläche, Berührungspunkt zwischen erstem Kontaktstück und zweitem Kontaktstück
6
zusätzlicher Berührungspunkt im zweiten Schaltzustand zwischen flexiblem Kontaktsegment und Kontaktsegment-Träger oder Basis
A
erster Schaltzustand (geöffnet)
B
zweiter Schaltzustand (geschlossen)
d
Wanddicke (des flexiblen Abschnitts) des flexiblen Kontaktsegments
α
Winkel
ε
Winkel

Claims (17)

  1. MEMS-Kontaktanordnung, mit mindestens einem ersten Kontaktstück (1 ) und einem zweiten Kontaktstück (2), wobei mindestens eines der beiden Kontaktstücke (1 ;2) antreibbar ist, und wobei die MEMS-Kontaktanordnung mittels des antreibbaren Kontaktstücks (1;2) bei einem Schaltvorgang zwischen einem ersten Schaltzustand (A) und mindestens einem zweiten Schaltzustand (B) schaltbar ist, wobei die beiden Kontaktstücke (1,2) in dem ersten Schaltzustand (A) voneinander getrennt sind und in dem zweiten Schaltzustand (B) einander kontaktierend sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das erste Kontaktstück (1) mindestens ein flexibles Kontaktsegment (11) und einen Kontaktsegment-Träger (12) aufweist, und
    dass das mindestens eine flexible Kontaktsegment (11 ) mittels mindestens des zweiten Kontaktstücks (2) bei dem Schaltvorgang elastisch verformbar ist.
  2. MEMS-Kontaktanordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine flexible Kontaktsegment (11 ) mittels mindestens des zweiten Kontaktstücks (2) bei einem Schaltvorgang von dem ersten Schaltzustand (A) in den zweiten Schaltzustand (B) elastisch derart verformbar ist, dass das mindestens eine flexible Kontaktsegment (1 1 ) mit dem zweiten Kontaktstück (2) in dem zweiten Schaltzustand (B) mindestens einen flächigen Berührungsbereich (5) oder eine vorgebbare Mehrzahl von Berührungspunkten (5,5') aufweist.
  3. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schaltzustand (A) die Form des flexiblen Kontaktsegments (11) verschieden ist von der Form des flexiblen Kontaktsegments (11) im zweiten Schaltzustand (B), und
    dass im zweiten Schaltzustand (B) das flexible Kontaktsegment (11) dem zweiten Kontaktstück (2) angeformt ist.
  4. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schaltzustand (A) die Form des flexiblen Kontaktsegments (11) verschieden ist von der Form des flexiblen Kontaktsegments (11) im zweiten Schaltzustand (B),
    dass das mindestens eine flexible Kontaktsegment (11) mit dem zweiten Kontaktstück (2) in dem zweiten Schaltzustand (B) mindestens einen flächigen Berührungsbereich (5) aufweist,
    dass im zweiten Schaltzustand (B) das flexible Kontaktsegment (11) in dem Berührungsbereich (5) dem zweiten Kontaktstück (2) angeformt ist, und
    dass im zweiten Schaltzustand (B) das zweite Kontaktstück (2) in dem Berührungsbereich (5) von dem ersten Kontaktstück (1) flächig umschlossen ist.
  5. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schaltvorgang das zweite Kontaktstück (2) gegenüber dem flexiblen Kontaktsegment (11) gleitreibend beweglich ist.
  6. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Kontaktsegment (11) aufgrund seiner Dünnwandigkeit flexibel und elastisch verformbar ist,
    insbesondere dass das flexible Kontaktsegment (11) einen flexiblen Abschnitt mit einer Wanddicke zwischen 1 µm und 60 µm, vorzugsweise mit einer Wanddicke zwischen 5 µm und 25 µm, aufweist, und
    insbesondere dass die elastischen Verformungen mindestens von der Grössenordnung der Wanddicke des flexiblen Abschnitts des flexiblen Kontaktsegments (11) sind und/oder im Bereich des 0.5- bis 20-fachen, insbesondere des 1- bis 5-fachen der Wanddicke eines flexiblen Abschnitts des flexiblen Kontaktsegments (11) liegen.
  7. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kontaktstück (1) einstückig ausgebildet ist.
  8. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Kontaktsegment (11) zusätzlich zu mindestens einem flexiblen Abschnitt noch eine dem Kontaktsegment-Träger (12) zugewandte Basis (113) beinhaltet, welche Basis (113) eine grössere Wanddicke aufweist als der mindestens eine flexible Abschnitt.
  9. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur elastischen Verformung des mindestens einen flexiblen Kontaktsegments (11) mittels mindestens des zweiten Kontaktstücks (2) bei einem Schaltvorgang von dem ersten Schaltzustand (A) in den zweiten Schaltzustand (B) eine Einführungsenergie aufzubringen ist,
    dass zur elastischen Verformung des mindestens einen flexiblen Kontaktsegments (11) mittels mindestens des zweiten Kontaktstücks (2) bei einem Schaltvorgang von dem zweiten Schaltzustand (B) in den ersten Schaltzustand (A) eine Ausführungsenergie aufzubringen ist, und
    dass im zweiten Schaltzustand (B) von dem flexiblen Kontaktsegment (11) auf das zweite Kontaktstück (2) eine Rückhaltekraft ausübbar ist, durch welche Rückhaltekraft ein Schaltvorgang von dem zweiten Schaltzustand (B) in den ersten Schaltzustand (A) erschwert ist.
  10. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktsegment-Träger (12) ein Schaltelement mit mindestens einer stabilen Position ist, und
    dass das flexible Kontaktsegment (11) und das zweite Kontaktstück (2) nach Art des Druckknopf-Prinzips derart zusammenwirken, dass der Kontaktsegment-Träger (12) mindestens eine weitere stabile Position aufweist.
  11. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Kontaktsegment (11) und das zweite Kontaktstück (2) nach Art eines Stecker-Steckdosen-Paares ineinanderfügbar sind.
  12. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Kontaktsegment (11) eine Mehrzahl von elastisch verformbaren Kontaktfingern (111, 112) aufweist.
  13. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine flexible Kontaktsegment (11) in dem zweiten Schaltzustand (B) mindestens einen flächigen Berührungsbereich (5) mit dem zweiten Kontaktstück (2) aufweist,
    dass die Richtung der Relativbewegung von dem flexiblen Kontaktsegment (11) und dem zweiten Kontaktstück (2) bei dem Schaltvorgang mit dem flächigen Berührungsbereich (5) im wesentlichen einen Winkel α = 45° ± 30°, insbesondere α = 45° ± 15°, einschliesst, und
    dass diejenigen Flächen des flexiblen Kontaktsegments (11) und des zweiten Kontaktstücks (2), die im zweiten Schaltzustand (B) im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind und einander in dem flächigen Berührungsbereich (5) berühren, im ersten Schaltzustand (A) im wesentlichen bis auf einen Winkel ε mit 0° ≤ ε ≤ 30°, insbesondere 0° ≤ ε ≤ 10°, parallel zueinander ausgerichtet sind.
  14. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Kontaktsegment (11) einen membranartigen Abschnitt beinhaltet, der bei dem Schaltvorgang elastisch verformbar ist.
  15. MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass von dem flexiblen Kontaktsegment (11) oder von dem flexiblen Kontaktsegment (11) gemeinsam mit dem ersten Kontaktstück (1) ein Volumen (114) umschlossen wird, welches im wesentlichen mit einer elektrisch und thermisch leitfähigen, elastisch verformbaren Füllung gefüllt ist.
  16. MEMS-Schaltgerät dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Schaltgerät eine MEMS-Kontaktanordnung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche beinhaltet.
  17. MEMS-Schaltgerät gemäss Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Schaltgerät ein Mikro-Relais mit einem Antrieb (4) ist, und insbesondere dass der Antrieb (4) ein elektrostatischer Antrieb (4) ist.
EP02405741A 2002-08-30 2002-08-30 MEMS-Kontaktanordnung und Mikro-Relais Expired - Lifetime EP1394825B1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT02405741T ATE349762T1 (de) 2002-08-30 2002-08-30 Mems-kontaktanordnung und mikro-relais
EP02405741A EP1394825B1 (de) 2002-08-30 2002-08-30 MEMS-Kontaktanordnung und Mikro-Relais
DE50209085T DE50209085D1 (de) 2002-08-30 2002-08-30 MEMS-Kontaktanordnung und Mikro-Relais

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP02405741A EP1394825B1 (de) 2002-08-30 2002-08-30 MEMS-Kontaktanordnung und Mikro-Relais

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1394825A1 true EP1394825A1 (de) 2004-03-03
EP1394825B1 EP1394825B1 (de) 2006-12-27

Family

ID=31198013

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP02405741A Expired - Lifetime EP1394825B1 (de) 2002-08-30 2002-08-30 MEMS-Kontaktanordnung und Mikro-Relais

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1394825B1 (de)
AT (1) ATE349762T1 (de)
DE (1) DE50209085D1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006043512A1 (de) * 2006-05-22 2007-11-29 Continental Teves Ag & Co. Ohg Beschleunigungsschalter
WO2023135083A1 (de) * 2022-01-13 2023-07-20 Robert Bosch Gmbh Kontaktelement eines mems-relais

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6020564A (en) * 1998-06-04 2000-02-01 Wang Electro-Opto Corporation Low-voltage long life electrostatic microelectromechanical system switches for radio-frequency applications
DE19950964A1 (de) * 1998-10-23 2000-05-18 Fraunhofer Ges Forschung Mikromechanisches Relais und Verfahren zur Herstellung
WO2002039472A1 (en) * 2000-11-09 2002-05-16 Raytheon Company Micro-relay contact structure for rf applications
WO2002058089A1 (en) * 2001-01-19 2002-07-25 Massachusetts Institute Of Technology Bistable actuation techniques, mechanisms, and applications

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6020564A (en) * 1998-06-04 2000-02-01 Wang Electro-Opto Corporation Low-voltage long life electrostatic microelectromechanical system switches for radio-frequency applications
DE19950964A1 (de) * 1998-10-23 2000-05-18 Fraunhofer Ges Forschung Mikromechanisches Relais und Verfahren zur Herstellung
WO2002039472A1 (en) * 2000-11-09 2002-05-16 Raytheon Company Micro-relay contact structure for rf applications
WO2002058089A1 (en) * 2001-01-19 2002-07-25 Massachusetts Institute Of Technology Bistable actuation techniques, mechanisms, and applications

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006043512A1 (de) * 2006-05-22 2007-11-29 Continental Teves Ag & Co. Ohg Beschleunigungsschalter
WO2023135083A1 (de) * 2022-01-13 2023-07-20 Robert Bosch Gmbh Kontaktelement eines mems-relais

Also Published As

Publication number Publication date
DE50209085D1 (de) 2007-02-08
ATE349762T1 (de) 2007-01-15
EP1394825B1 (de) 2006-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4437261C1 (de) Mikromechanisches elektrostatisches Relais
DE60105899T2 (de) Schaltvorrichtung, insbesondere zum optischen schalten
EP0938738B1 (de) Verfahren zum herstellen eines mikromechanischen relais
EP0685109A1 (de) Mikromechanisches relais mit hybridantrieb.
DE10302618B4 (de) Elektrostatische Betätigungsvorrichtung
DE19823690C1 (de) Mikromechanisches elektrostatisches Relais
EP1163692B1 (de) Substratparallel arbeitendes mikrorelais
DE102021202409A1 (de) Kapazitiv betätigbarer MEMS-Schalter
DE602004008648T2 (de) Bistabiler mikromechanischer schalter, betätigungsverfahren und entsprechendes verfahren zu seiner realisierung
DE3135652A1 (de) Schalter mit gleitendem ueberbrueckungskontaktgeber
EP1468436B1 (de) Mikro-elektromechanisches system und verfahren zu dessen herstellung
EP1394825A1 (de) MEMS-Kontaktanordnung und Mikro-Relais
EP3105770B1 (de) Mikro-elektro-mechanisches system und verfahren zum herstellen desselben
DE3421021C2 (de)
EP1246215B1 (de) Mikrorelais mit neuem Aufbau
DE10015598A1 (de) Mikroaktoranordnung
DE4113190C1 (en) Electrostatically actuated microswitch - has armature attached to base via torsional struts to allow pivoting for contacting electrodes
CH450521A (de) Kippwerk, insbesondere für eine Schaltvorrichtung
DE1960733A1 (de) Elektrischer Schalter
EP4584814A1 (de) Transferstempel und verfahren zum erzeugen eines transferstempels
DE3421806C2 (de)
DE60217802T2 (de) Durch niedrige Spannung gesteuertes Mikroschaltbauelement
EP1312100B1 (de) Mikroschalter
DE588517C (de) Kipphebelschalter
DE19950964A1 (de) Mikromechanisches Relais und Verfahren zur Herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK RO SI

17P Request for examination filed

Effective date: 20040830

AKX Designation fees paid

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE SK TR

17Q First examination report despatched

Effective date: 20041213

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE SK TR

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: CZ

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20061227

Ref country code: IE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20061227

Ref country code: DK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20061227

Ref country code: FI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20061227

Ref country code: SK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20061227

Ref country code: NL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20061227

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: GERMAN

REF Corresponds to:

Ref document number: 50209085

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20070208

Kind code of ref document: P

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: SE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20070327

Ref country code: BG

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20070327

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20070407

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: PT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20070528

NLV1 Nl: lapsed or annulled due to failure to fulfill the requirements of art. 29p and 29m of the patents act
GBV Gb: ep patent (uk) treated as always having been void in accordance with gb section 77(7)/1977 [no translation filed]

Effective date: 20061227

ET Fr: translation filed
PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20061227

26N No opposition filed

Effective date: 20070928

BERE Be: lapsed

Owner name: ABB RESEARCH LTD.

Effective date: 20070831

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: PL

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: MC

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20070831

Ref country code: LI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20070831

Ref country code: CH

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20070831

Ref country code: GR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20070328

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: BE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20070831

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: AT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20070830

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: EE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20061227

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: LU

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20070830

Ref country code: CY

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20061227

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: TR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20061227

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 20100823

Year of fee payment: 9

Ref country code: FR

Payment date: 20100901

Year of fee payment: 9

Ref country code: IT

Payment date: 20100824

Year of fee payment: 9

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: ST

Effective date: 20120430

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20110830

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R119

Ref document number: 50209085

Country of ref document: DE

Effective date: 20120301

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20110831

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20120301