EP1394825B1 - Micromechanical contact arrangement and microrelay having the same - Google Patents
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- H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
Definitions
- the invention relates to the field of micro-electro-mechanical systems (MEMS), in particular to a MEMS contact arrangement according to the preamble of patent claim 1 and to a MEMS switching device according to the preamble of patent claim 16.
- MEMS micro-electro-mechanical systems
- MEMS micro-electromechanical
- a substrate-parallel, ie lateral working micro-switch is disclosed, which is manufactured by means of lonentiefussien (DRIE, deep reactive ion etching) of a silicon substrate and comprises three contact pieces. Two of the three contacts are fixed on the substrate (fixed contacts). The other, movable contact piece is Betandteil a moving contact carrier. This contact carrier is substrate-parallel bendable and fixed at its two ends on the substrate.
- DRIE deep reactive ion etching
- the two fixed contacts are with respect to the two ends of the movable contact carrier arranged asymmetrically, so that the movable contact carrier has two stable positions (switching states).
- the movable contact carrier When switched off, the movable contact carrier has the shape of a symmetrical antinode, in the on state the shape of an asymmetric antinode.
- the movable contact piece When switched on, the movable contact piece contacts the two fixed contacts.
- the movable contact carrier is switchable from one switching state to the other switching state.
- the fixed contacts are solid and rigid. They are fingertip-shaped and rounded in the direction of the movable contact piece.
- the movable contact piece even in the on state, despite the flexibility of the contact carrier rigid. Because of the fixed at its two ends on the substrate contact carrier must be able to exert large pressure forces on the fixed contacts. When creating the contacts between the movable contact piece and the fixed contacts therefore come the three contacts immediately to rest, and it results per fixed contact depending punctiform or perpendicular to the substrate linear contact with the movable contact piece, namely at the points of first contact of the movable contact piece with the fixed contacts.
- Such a punctiform or perpendicular to the substrate line contact has a large electrical and thermal resistance, since the contact area or the number of contact points is very low.
- contamination of the contacting surfaces further increases contact resistance, particularly when switching small currents that do not produce an arc that could remove contaminants from the contact surfaces.
- DE 10040867 A1 also discloses a monostable construction in which only one fixed contact is shown, which is arranged equidistant from the two ends of the movable contact carrier.
- the contacting problems in this case are the same as in the bistable case.
- a MEMS switch which has a vertically, that is perpendicular to the substrate movable contact carrier.
- This contact carrier is tongue-shaped and fixed at one end to the substrate.
- At the free end of the contact carrier several solid, rigid contact pieces are mounted, which contact a corresponding number fixed on the substrate rigid contact pieces after switching the switch in the on state. Again, the above-mentioned contacting problems between the rigid contact pieces occur.
- a MEMS contact arrangement according to the preamble of claim 1 is known, in which for producing an electrical connection, a movable contact bar is pressed onto a bridge-shaped upwardly curved contact surface. Due to the push-on contact clip, the elastically reversibly deformable contact surface bends downwards. As a disadvantage for a secure contact has been found that when releasing the electrical connection no restraining force between the contact bracket and contact surface occurs, which complicates the turn-off.
- MEMS micro-mechanical or microelectromechanical
- MEMS micro-mechanical or microelectromechanical
- the inventive MEMS contact arrangement has at least one first contact piece and a second contact piece, wherein at least one of the two contact pieces is drivable, and wherein the MEMS contact arrangement is switchable by means of the drivable contact piece between a first switching state and at least a second switching state, the two Contact pieces are separated from each other in the first switching state and are in contact with each other in the second switching state.
- the inventive MEMS contact arrangement has at least one first contact piece, which has a flexible contact segment and a contact segment carrier, and wherein the at least one flexible contact segment by means of at least the second contact piece in a switching operation from the first switching state to the second switching state and / or from the second switching state in the first switching state is elastically deformable.
- a secure and good contact is assisted by the fact that the flexible contact piece is deformed by the deformation stored in it due to the deformation during the transition from the first to the second switching state tion energy exerts a compressive force on the second contact piece.
- This pressure force can also be referred to as retention force.
- a clamping connection between the two contact pieces may be present.
- the at least one flexible contact segment is elastically deformable by means of at least the second contact piece in a switching operation such that the at least one flexible contact segment with the second contact piece has at least one planar contact area or a predeterminable plurality of contact points in the second switching state.
- the contact is thus better and safer.
- the effective size of contact surfaces and / or the number of contact points is increased, so that the electrical and / or thermal resistance at the contact point is reduced or a micro-valve provided with the contact arrangement closes more tightly.
- the flexible contact segment is formed in the second switching state of the second contact piece.
- the shape of the flexible contact segment is adapted to the shape of the second contact piece in areas in which the first and the second contact piece touch. Due to the elastic deformation, which experiences the flexible contact segment by the switching operation, the shape of the flexible contact segment in the first switching state is different from the shape of the flexible contact segment in the second switching state. As a result, a secure, since large contact surfaces and / or contact points having many contact points is achieved.
- the flexible contact segment and the second contact piece in the second switching state at least a flat contact area, wherein in the second switching state, the second contact piece is enclosed in the contact area of the first contact piece surface.
- the second contact piece relative to the flexible contact segment during a switching operation is slidingly movable.
- This is advantageously the case both in switching operations from the first to the second and in switching operations from the second to the first switching state of the case.
- the flexible contact segment and the second contact piece thus move relative to each other while they touch each other. Due to the mutual friction of the two contact pieces contamination of the contact pieces can be removed.
- the contact arrangement automatically cleans itself by switching operations. Clean contacts mean secure contacts. The reliability of the contact is characterized very high.
- This embodiment is particularly advantageous in electrical applications and, in particular, when switching currents which do not produce an arc which could have a contact-cleaning effect.
- the flexible contact segment is flexible and elastically deformable due to its thinness.
- the flexible contact segment has at least one flexible portion that is so thin or narrow that it thereby has a flexibility.
- a flexible section with a wall thickness of between 1 ⁇ m and 60 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 25 ⁇ m, can advantageously be exhibited by the flexible contact segment.
- Typically used materials then have suitable flexibility and ductility while still providing adequate resistance to breakage.
- the elastic deformations experienced by a flexible section of a flexible contact segment typically through the second contact piece during a switching operation is advantageously at least of the order of magnitude of 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 portion of the flexible contact segment.
- At least the first contact piece is integrally formed.
- the manufacturability of the first contact piece is improved, and the stability and reliability of the first contact piece is particularly large.
- the flexible contact segment in addition to at least one flexible portion still on the contact segment carrier facing base.
- This base advantageously has a greater wall thickness than the at least a flexible section of the flexible contact segment.
- the base has a lower flexibility. Deformation of the base would require more energy than deformation of the at least one flexible section.
- the base is more stable than the flexible section.
- the base has a greater electrical and / or thermal conductivity. For example, accumulating heat can be better dissipated, and for short-term large thermal loads an increased heat capacity of advantage. It is realized an improved contact.
- the flexible contact segment and the second contact piece interact in the manner of the push-button principle such that the contact segment carrier has at least one additional stable position. If the contact segment carrier is a monostable switching element, thereby a bistable switching element (and a bistable contact arrangement) or a tristable switching element can be created. And from a bistable switchable contact segment carrier can be a tristable switchable switching element.
- the flexible contact segment and the second contact piece in the manner of a plug-socket pair are nested.
- the flexible contact segment has at least two, advantageously four, six or more elastically deformable contact fingers.
- These advantageous elongated and thin formed, advantageously walking stick-like curved sub-segments are shaped and arranged so that each (or at least most) of the sub-segments in the second switching state contacts the second contact piece. This results in at least one (approximately) the number of sub-segments corresponding predetermined number of contact points or a corresponding plurality of contact surfaces. As a result, a secure contact with low contact resistance is achieved.
- the angle ⁇ lies in a plane which is perpendicular to the plane of the contact area.
- those surfaces of the flexible contact segment and the second contact piece, which are aligned in the second switching state substantially parallel to each other and touch each other in the planar contact area are in the first switching state substantially to an angle with 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 30 °, in particular 0th ° ⁇ ⁇ ⁇ 10 °, aligned parallel to each other.
- the angle ⁇ may advantageously additionally be selected to be at least 1 ° in size, at least 2 ° in size or at least 4 ° in size.
- the flexible contact segment includes a membrane-like portion which is elastically deformed during a switching operation.
- a membrane adapts to the shape of the second contact piece and compensates for manufacturing tolerances. Low contact resistance and secure contact can be achieved.
- a volume is enclosed by the flexible contact segment or by the flexible contact segment together with the first contact piece, which is filled substantially with an electrically and thermally conductive, elastically deformable filling.
- a MEMS switching device for example a micro-relay, which contains a contact arrangement according to the invention has the above-mentioned advantages. Further preferred embodiments and advantages emerge from the dependent claims and the figures.
- Figures 1-6, 10a, 10b, 11a and 11b are not exemplary embodiments of the invention, but examples that facilitate the understanding of the invention.
- the reference numerals used in the drawings and their meaning are listed in the list of reference numerals. Basically, the same or at least equal parts are provided with the same reference numerals in the figures.
- the described embodiments are exemplary of the subject invention and have no limiting effect.
- Fig. 1 shows schematically a micro-electromechanical relay (MEMS relay, micro-relay) in supervision.
- MEMS relay micro-electromechanical relay
- the structure of this MEMS switching device corresponds in many parts to the MEMS relay described above, as described in the cited patent application DE 10040867 A1.
- Such a MEMS relay can be produced by means of ion deposition (DRIE) of a semiconductor material, preferably monocrystalline silicon.
- the linear dimension of such a MEMS switching device is typically of the order of 0.4 mm to 5 mm.
- the structures created by means of DRIE are usually prism-shaped, wherein the prism side surfaces extend perpendicular to the surface of the substrate, from which they were formed by means of etching and optionally sacrificial layer technology.
- the height of the prisms is typically of the order of 50 ⁇ m to 500 ⁇ m.
- the cited document DE 10040867 A1 describes further details of such and similar microswitches.
- the MEMS relay shown in FIG. 1 has a first contact piece 1, a second contact piece 2 and a third contact piece 3.
- the first contact piece 1 comprises a flexible contact segment 11 and a contact segment carrier 12 connected to the flexible contact segment.
- the contact segment carrier 12 is horizontally bendable perpendicular to the substrate normal and has two stable positions. At its two ends, the contact segment carrier 12 is fixed on the substrate.
- the relay In the first, represented by a solid line position of the contact segment carrier, the relay is in a first switching state A, in which the relay is open:
- the contact pieces 2 and 3 are not conductively connected to each other.
- the contact segment carrier 12 can be brought 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 , the likewise metallically coated contacts 2 and 3 are conductively connected together.
- the relay By means of the drive 4 shown at the bottom right in FIG. 1, the relay can be switched again in the open switching state 2.
- a contact arrangement is shown schematically, which is similar to that shown in Fig. 1. But it has only a first contact piece 1 and a second contact piece 2.
- the first contact piece 1 is integrally formed and has a flexible contact segment 11 and a contact segment carrier 12.
- the latter may for example be formed as in Fig. 1.
- the flexible contact segment 11 is formed like a membrane. It represents a thin wall which encloses a volume 114 with the contact segment support 12.
- the enclosed volume 114 is also prismatic and laterally enclosed while being more substrate parallel Direction is not enclosed.
- This non-enclosed but enclosed volume 114 may be filled in whole or in part with a conductive filling. Surface effects contribute to the filling remaining in the volume 114.
- the filling may for example have a rather good electrical and / or good thermal conductivity.
- Suitable fillers include liquid metals, for example mercury, indium, gallium or alloys of these metals, or else (electrically) conductive polymers, for example conjugated polymers. By means of such a filling, a reduced contact resistance can be achieved.
- the unfilled contact pieces already have a good conductivity, for example in the case of semiconducting materials by appropriate doping.
- the flexible contact segment 11 in plan view, has approximately the shape of a concave-bottomed letter "U".
- the flexible contact segment 11 is elastically deformed by the front fingerkuppenförmige second contact piece 2.
- the flexible contact segment 1 is flexible and elastically deformable because it is thin-walled.
- the wall surfaces then typically have a thickness d of 1 ⁇ m to 60 ⁇ m; best results were achieved in the thickness range of 5 microns to 25 microns.
- the two Contact pieces 1,2 on a flat contact area 5 In the contact region 5, the shape of the flexible contact segment 1 1 adapts to 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.
- the second contact piece 2 of the flexible contact segment 11 and thus of the first contact piece 1 is enclosed flat. Due to the shape of the two contact pieces 1,2, a centering effect is further achieved, whereby manufacturing tolerances can be compensated.
- a centering effect is further achieved, whereby manufacturing tolerances can be compensated.
- FIGS. 3a and 3b show a contact arrangement similar to that of FIGS. 1 and 2a, b.
- the contact arrangement corresponds to that of FIG. 2, except that instead of a second contact segment 2, two contact pieces 2 and 3 are shown.
- Each of the two contact pieces 2 and 3 has the shape of a rounded half of a longitudinally divided, shown in Fig. 2a, b, fingertip-shaped contact piece.
- the above-mentioned sliding frictional self-cleaning effect is even stronger in this embodiment than in the embodiment of Fig. 2.
- Fig. 4a, b and c is shown a further advantageous embodiment. It largely corresponds to the embodiment shown in Fig. 2a, b and will be described starting therefrom.
- the membrane-like flexible contact segment 11 is not substantially symmetrical in Fig. 4, as in Fig. 2, but has an asymmetric shape with respect to the direction of mutual movement of the flexible contact segment 11 and the second contact piece 2. This results in As described in connection with FIG. 3, an intensive friction of the second contact piece 2 with the flexible contact segment 11, which can lead to the removal of any impurities in the contact region 5.
- FIG. 4a shows the first switching state A.
- FIG. 4b shows a switching state during a switching operation from A to B.
- the first contact piece 1 already contacts the second contact piece 2.
- the contact arrangement can be designed so that the switching state shown in FIG finally achieved switching state B corresponds.
- the contact arrangement can be dimensioned so that only the position shown in Fig. 4c, the end position, ie the switching state B is.
- the flexible contact segment 11 not only at the two ends of the membrane depending on a contact point with the contact segment carrier 12, but in addition to another, not present in the first switching state A touch point 6 (or a contact surface 6). This results in a lower contact resistance.
- Possible contacting problems due to manufacturing tolerances can be at least reduced, inter alia, by the fact that that contact piece that is driven always has a residual mobility, usually by a spring-like suspension. If the structure of FIG. 4 is transferred to the switching device of FIG. 1, the first contact piece 1 is the driven contact piece.
- Fig. 5 shows a further contact arrangement which is similar to that of Fig. 3 and will be described therefrom.
- the flexible contact segment 11, in FIG. 5, also has a base 113 in addition to a membrane-type flexible section.
- the flexible contact segment 11 has approximately the shape of an isosceles triangle, wherein the base side of the triangle facing away from the second contact piece 2 and the third contact piece 3 and is formed by the base 113. It is the first switching state A shown. If necessary, the volume 114 enclosed by the flexible contact segment 11 can be filled with a filling, as described in connection with FIG. 2.
- the flexible contact segment 11 in particular on the contact pieces 2 and 3 facing side (top of the triangle), rounded (not shown).
- the flexible portion of the flexible contact segment 11 is elastically deformed, and there is a sliding movement between the flexible contact segment 11 and the contact pieces 2 and 3.
- the base 113 of the flexible contact segment 11 increases the conductivity of the contact arrangement. Electrical and / or thermal resistances are thereby reduced. And it will realize a greater heat capacity.
- FIG. 6 shows a contact arrangement which largely corresponds to that of FIG. 5.
- a contact arrangement with a first contact piece 1 and a second contact piece 2 is shown, in which the two contact pieces 1,2 cooperate in the manner of a male-female pair.
- the second contact piece 2 has a nose, which has approximately the shape of a rounded rectangle, which also has a small sidecut.
- the first contact piece 1 also contains a flexible contact segment 11, which has two flexible contact fingers 111, 112.
- the contact fingers 111, 112 are each connected at one end to the contact segment carrier 12 and free at another end, and facing the second contact segment 2.
- the elongate contact fingers 111, 112 are aligned substantially parallel to one another and perpendicular to the contact segment carrier 12. They are slightly curved S-shaped, with the free ends are bent away from each other.
- the plug-type second contact piece 2 is arranged with its nose between the two contact fingers 111, 112. With each of the two contact fingers 111,112, the contact piece 2 has a flat contact area 5.
- the contact piece 2 advantageously also has a flat contact region 5 'with the contact segment carrier 12.
- the contact fingers 111, 112 are fastened, except at their contact segment carrier 12 End further spaced apart than in the first switching state A.
- the contact fingers 111, 112 are elastically deformed, and there is a sliding movement between the second contact piece 2 and the flexible contact segment 11 instead.
- an introduction energy or contactfinder deformation energy must be applied.
- This introduction energy is generally supplied by a drive.
- the contact fingers 111, 112 exert a retaining force on the second contact piece 2. They press the second contact piece 2 together laterally and thereby hold it firmly in the contacting position. As a result, a minimum required for the separation of the contact pieces 1 and 2 force can be specified.
- an execution energy must be applied to separate the contacts from each other.
- the contact arrangement is self-cleaning in the manner already described above.
- the shapes of the contact pieces 1, 2 are selected such that the flexible contact segment 11 is formed in the second switching state of the first contact piece 1.
- a contact arrangement is shown which is similar to that of Fig. 7a, b and will be described on the basis of this.
- the second contact piece 2 instead of the second contact piece 2 being arranged in the second switching state B between the two contact fingers 111, 112 (FIG. 7b), it contacts the two contact fingers 111, 112 from the outside, that is to say from those sides of the contact fingers 11, 11, 12 in FIG. 8b the other contact fingers 112, 111 facing away.
- the second contact piece 2 has an approximately U-shaped, the first contact piece facing recess.
- Fig. 9a, b shows a contact arrangement similar to that of Figs. 8a, b and will be described therefrom.
- the first contact piece 1 is contacted by a second contact piece 2 and a further contact piece 3.
- Each of the two contact pieces 2 and 3 has the shape of a rounded half of a longitudinally divided in Fig. 8a, b illustrated contact piece.
- the flexible contact segment 11 is also equipped with a base 1 13, which has the same effect as the bases 113 in Fig. 5 and Fig. 6.
- the second switching state B (Fig.
- the first contact piece 1 has a flexible contact segment 11, which comprises a plurality of flexible contact fingers 111, 112 arranged next to one another.
- the six contact fingers 111, 112 shown in FIGS. 10a, b are divided (in half) into two groups of three contact fingers 111 and 112, respectively, which are preferably arranged essentially mirror-inverted. However, it is also possible for 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 or more, for example 12, 14, 16 or 18 contact fingers 111, 112 to be shown.
- the contact fingers 111, 112 are elongated and bent in the manner of a walking stick or bent like a curved finger.
- the ratio of length to wall thickness of the contact fingers 111, 112 is advantageously in the range from 5: 1 to 100: 1, in particular 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 the Other contact fingers shown in this description (see Figs. 7, 8, 9, 12). At one end, the contact fingers 111, 112 are connected to the contact segment carrier 12. At their other end (according to the handle of the walking stick or the tip of the finger) they are free. The direction of curvature of the contact fingers 111 (at its free end) is advantageously opposite to the curvature of the contact fingers 112. In Fig. 10a, the first switching state A (open) is shown.
- the length of the individual contact fingers 111, 112 is advantageously selected such that an envelope of its free ends essentially corresponds to the surface of the second contact piece 2 facing the contact fingers 111, 112. At least said envelope in the second switching state (FIG. 10b) advantageously has a shape such that the contact fingers 111, 112 then conform to the second contact piece 2.
- the first contact piece 1 and the second contact piece 2 have a plurality of contact points 5. It can also be a plurality of contact surfaces 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. During a switching operation, the contact fingers 111, 112 of the flexible contact segment 11 move in a sliding manner relative to the second contact piece 2, so that the above-mentioned self-cleaning effect occurs.
- a contact arrangement according to FIG. 10 a, b has the advantage that a minimum number of contact points 5 or contact surfaces 5 can be predetermined, so that always a secure contact with low contact resistance can be achieved.
- Fig. 11a, b illustrates a further advantageous embodiment.
- 11a shows the first switching state A, in 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 a 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 designed and arranged mirror-symmetrically to the first contact piece 1.
- the second contact piece 2 comprises a rigid portion and a contact carrier 22 connected to the rigid portion.
- the second contact piece 2 is the driven contact piece.
- the direction of relative movement of the second contact piece 2 with respect to the contact pieces 2 and 3 is shown by a dashed line.
- the rigid portion of the second contact piece 2 has two substantially planar surfaces which enclose an angle ⁇ 'with the direction of relative movement of the second contact piece 2 relative to the contact pieces 1 and 3.
- the first and third contact pieces 1, 3 have contact surfaces 5 with the second contact piece 2 on their flexible contact segments 11, 31. These contact 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 °, in particular in the range of 45 ° ⁇ 15 °. Due to the rigidity of the rigid portion of the second contact piece 2, the rigid portion is deformed during switching operations substantially not elastically. Therefore, the angles ⁇ and ⁇ 'are substantially equal.
- those surfaces of the second contact piece 2 and of the first and third contact pieces are 1,3, which form the two-dimensional contact region 5 in the second switching state, arranged at an angle ⁇ to each other.
- angle ⁇ preferably 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 30 ° and in particular 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 10 °.
- small angles with 0 ° ⁇ ⁇ ⁇ 5 °.
- contact arrangements are preferably used which have more rounded corners and edges than shown in FIG. 11.
- a contact arrangement is shown which is similar to that shown in Fig. 7a, b. It is described starting from it.
- the second contact piece 2 a significant taper, in particular a waist.
- the contact fingers 111, 112 of the flexible contact segment 11 are bent in a clearly S-shaped manner, in such a way that the bellies of the two "S" located farther away from the contact segment carrier 12 engage in said tapering in the second switching state B (FIG. 12b).
- the introduction energy to be applied for switching on (A to B) and also the execution energy to be applied for switching off (B to A) is large. The execution energy is so great that a monostable switchable contact segment carrier 12, as shown in Fig.
- the first stable position is the natural, production-related stable position of the inherently monostable bendable contact segment carrier 12 (FIG. 12a, switching state A).
- the second stable position (FIG. 12b, second switching state) is the intrinsically non-stable arcuate position of the bendable contact segment carrier 12, in which, however, the contact arrangement remains until the execution energy is suitably applied.
- the flexible contact segment 11 is the Contact arrangement thus held in the second stable switching position B.
- a bistable switchable contact arrangement is realized.
- the number of stable positions for the contact segment carrier can thus be increased by at least one.
- a non-illustrated example of an increase by two stable positions is a beam clamped at one end, having at its free end on each side a flexible contact segment of the type shown in Fig. 12a, b, flexible contact segment, each of these flexible contact segments interacts with a further contact piece on the type of push-button principle. This results in three stable positions of the contact segment carrier instead of just a single one.
- improved, safer contact arrangements are created by elastically deforming a contact segment 11, which is flexible due to its thinness, during a switching operation by means of the usually rigid second contact segment 2.
- the flexible contact segment 11 is different from the drive 4 and is not deformed directly by the drive 4.
- the flexible contact segment will elastically deform both during a switching operation from the first to the second, that is to say also during a switching operation, from the second to the first switching state.
- one of these (re) deformations takes place only (shortly) after the switching operation (and before a further switching operation), whereby such a (re) deformation can also be induced, ie not by itself, but stimulated , for example, by electrostatic forces happens.
- the contact arrangements can be produced by means of one or more structuring methods, such as, for example, DRIE, 3D UV deep lithography, LIGA technology or other structuring methods from semiconductor production (coating, etching).
- structuring methods such as, for example, DRIE, 3D UV deep lithography, LIGA technology or other structuring methods from semiconductor production (coating, etching).
- silicon (Si) As materials from which the contact arrangements or MEMS are produced, in addition to silicon (Si) other materials, especially semiconductor materials in question. Particularly suitable are silicon carbide (SiC), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), InSb (indium antimonide), InP (indium phosphide), quartz and diamond. Important is a high tensile strength, high abrasion resistance and low mechanical fatigue.
- materials having a tensile strength of at least 40 N / m 2 are used.
- Silicon has a tensile strength of 69 N / m 2
- steel typically has 21 N / m 2 , at most 42 N / m 2 .
- SiC has a tensile strength of 210 N / m 2
- Si 3 N 4 has a density of 140 N / m 2
- SiO 2 has an 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 used to achieve improved abrasion resistance be advantageous, for example with SiC (Knoop hardness 2480 kg / mm 2 ) or Si 3 N 4 (3486 kg / mm 2 ).
- metallic coatings are advantageous for reducing the contact resistance (electrical as well as thermal).
- the contact pieces 1,2 then have metallic surfaces which touch each other in the second switching state B.
- Semiconductive materials are advantageously doped so that they have good electrical conductivity.
- Single-crystal silicon has an extremely small defect density due to its production.
- the production of smooth surfaces in monocrystalline silicon is simple.
- extremely low material fatigue can be achieved.
- the contact arrangements may advantageously comprise two, three, four, five, six or more contact pieces. Of these, one, two or more may be powered or mobile. One, two or more each have one or more flexible contact segments 11, which are driven (movable) or non-driven (non-movable) contact pieces and wherein one or more may also be powered (movable) while one or more others may be non-powered (non-movable).
- a first, provided with a flexible contact segment contact piece and a second, substantially non-deformable contact piece instead of a rigid second contact piece but also such a second contact piece can be used, which has a flexible contact segment or an elastically deformable portion.
- the contact pieces provided with a flexible contact segment are each formed in one piece.
- a contact arrangement according to the invention can also have a plurality of first switching states A and / or a plurality of second switching states B.
- first switching states A and / or a plurality of second switching states B.
- second switching states B for example, in the case of a changeover relay with an open and two closed states, see, for example, the mentioned unpublished European patent application with the file number 02405334.0.
- the drive 4 and any further drives 4 can work electrostatically, for example, but also electromagnetically, piezoelectrically or thermally.
- the contact arrangement or the MEMS may be a lateral structure, in which movements are substantially parallel to the substrate (horizontal). But it may also be a vertical structure in which movements are substantially perpendicular to the substrate.
- the contact arrangements can be advantageously used in switching devices which are capable of generating a high contact pressure, as it is, for example in the case of the aforementioned bendable contact segment carriers is the case.
- electrical micro-switches and micro-relays can be equipped with a contact arrangement according to the invention.
- switches advantageously automated test equipment (ATE) can be equipped.
- ATE automated test equipment
- mechanical switches or breakers or micro-valves with a contact arrangement according to the invention.
Landscapes
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- Push-Button Switches (AREA)
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- Relay Circuits (AREA)
- Interface Circuits In Exchanges (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of micro-electro-mechanical systems (MEMS), in particular to a MEMS contact arrangement according to the preamble of
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.Such a micro-electromechanical (MEMS) contact arrangement and such a MEMS switching device is known, for example, from the published patent application DE 10040867 A1. There, a substrate-parallel, ie lateral working micro-switch is disclosed, which is manufactured by means of lonentiefätzen (DRIE, deep reactive ion etching) of a silicon substrate and comprises three contact pieces. Two of the three contacts are fixed on the substrate (fixed contacts). The other, movable contact piece is Betandteil a moving contact carrier. This contact carrier is substrate-parallel 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 has two stable positions (switching states). When switched off, the movable contact carrier has the shape of a symmetrical antinode, in the on state the shape of an asymmetric antinode. When switched on, the movable contact piece contacts the two fixed contacts. By means of at least one electrostatic drive, the movable contact carrier is switchable from one switching state to the other switching state.
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.The fixed contacts are solid and rigid. They are fingertip-shaped and rounded in the direction of the movable contact piece. The movable contact piece, even in the on state, despite the flexibility of the contact carrier rigid. Because of the fixed at its two ends on the substrate contact carrier must be able to exert large pressure forces on the fixed contacts. When creating the contacts between the movable contact piece and the fixed contacts therefore come the three contacts immediately to rest, and it results per fixed contact depending punctiform or perpendicular to the substrate linear contact with the movable contact piece, namely at the points of first contact of the movable contact piece with the fixed contacts.
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.Such a punctiform or perpendicular to the substrate line contact has a large electrical and thermal resistance, since the contact area or the number of contact points is very low. In addition, contamination of the contacting surfaces further increases contact resistance, particularly when switching small currents that do not produce an arc that could remove contaminants from the contact surfaces.
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.In addition to the described bistable switchable structure, DE 10040867 A1 also discloses a monostable construction in which only one fixed contact is shown, which is arranged equidistant from the two ends of the movable contact carrier. However, the contacting problems in this case are the same as in the bistable case.
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.From US 6,057,520 a MEMS switch is known which has a vertically, that is perpendicular to the substrate movable contact carrier. This contact carrier is tongue-shaped and fixed at one end to the substrate. At the free end of the contact carrier several solid, rigid contact pieces are mounted, which contact a corresponding number fixed on the substrate rigid contact pieces after switching the switch in the on state. Again, the above-mentioned contacting problems between the rigid contact pieces occur.
Weiterhin ist aus der DE 19950964 ist eine MEMS-Kontaktanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, beim der zum Herstellen einer elektrischen Verbindung ein beweglicher Kontaktbügel auf eine brückenförmig nach oben gewölbte Kontaktfläche gedrückt wird. Durch den aufdrückenden Kontaktbügel biegt sich die elastisch reversibel verformbare Kontaktfläche nach unten durch. Als nachteilig für eine sichere Kontaktierung hat sich herausgestellt, dass beim Lösen der elektrischen Verbindung keine Rückhaltekraft zwischen Kontaktbügel und Kontaktfläche auftritt, welche den Ausschaltvorgang erschwert.Furthermore, from DE 19950964 a MEMS contact arrangement according to the preamble of
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.It is the object of the invention to provide a micro-mechanical or microelectromechanical (MEMS) contact arrangement and a micro-mechanical or microelectromechanical (MEMS) switching device of the type mentioned at the outset To create type, which do not have the above-mentioned disadvantages. In particular, an improved and secure contact should be achieved.
Diese Aufgabe löst eine MEMS-Kontaktanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein MEMS-Schaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16.This object is achieved by a MEMS contact arrangement having the features of
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.
Weiterhin weist die erfindungsgemässe MEMS-Kontaktanordnung mindestens ein erstes Kontaktstück auf, welches ein flexibles Kontaktsegment und einen Kontaktsegment-Träger besitzt, und wobei 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. Es ist dadurch gekennzeichnet, 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 gespeicherte Deforma tionsenergie 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.The inventive MEMS contact arrangement has at least one first contact piece and a second contact piece, wherein at least one of the two contact pieces is drivable, and wherein the MEMS contact arrangement is switchable by means of the drivable contact piece between a first switching state and at least a second switching state, the two Contact pieces are separated from each other in the first switching state and are in contact with each other in the second switching state.
Furthermore, the inventive MEMS contact arrangement has at least one first contact piece, which has a flexible contact segment and a contact segment carrier, and wherein the at least one flexible contact segment by means of at least the second contact piece in a switching operation from the first switching state to the second switching state and / or from the second switching state in the first switching state is elastically deformable. It 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 in a switching operation from the first switching state to the second switching state or from the second switching state to the first switching state an introduction energy or an execution energy is applied, and that in second switching state is exerted by the flexible contact segment on the second contact piece, a restraining force by which restraining force, a switching operation from the second switching state is made difficult in the first switching state. To carry out a switching process, therefore, a potential mountain must be overcome. The energy required for switching is generally applied by a drive, by means of which the drivable contact piece is driven. In the second switching state, a secure and good contact is assisted by the fact that the flexible contact piece is deformed by the deformation stored in it due to the deformation during the transition from the first to the second switching state tion energy exerts a compressive force on the second contact piece. This pressure force can also be referred to as retention force. In the second switching state, a clamping connection between the two contact pieces may be present.
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.As a result, a secure contact is achieved. Contacting problems due to manufacturing tolerances are reduced as manufacturing tolerance inaccuracies are compensated. Possible deformations can be compensated. The influence of possible contamination on the quality of the contact can be significantly reduced.
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.In particular, the at least one flexible contact segment is elastically deformable by means of at least the second contact piece in a switching operation such that the at least one flexible contact segment with the second contact piece has at least one planar contact area or a predeterminable plurality of contact points in the second switching state. The contact is thus better and safer. The effective size of contact surfaces and / or the number of contact points is increased, so that the electrical and / or thermal resistance at the contact point is reduced or a micro-valve provided with the contact arrangement closes more tightly.
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.Advantageously, the flexible contact segment is formed in the second switching state of the second contact piece. This means that in the second switching state, the shape of the flexible contact segment is adapted to the shape of the second contact piece in areas in which the first and the second contact piece touch. Due to the elastic deformation, which experiences the flexible contact segment by the switching operation, the shape of the flexible contact segment in the first switching state is different from the shape of the flexible contact segment in the second switching state. As a result, a secure, since large contact surfaces and / or contact points having many contact points is achieved.
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 an advantageous embodiment of the subject invention, the flexible contact segment and the second contact piece in the second switching state at least a flat contact area, wherein in the second switching state, the second contact piece is enclosed in the contact area of the first contact piece surface. As a result, a secure, because large-area contact is achieved.
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 a particularly advantageous embodiment of the subject invention, the second contact piece relative to the flexible contact segment during a switching operation is slidingly movable. This is advantageously the case both in switching operations from the first to the second and in switching operations from the second to the first switching state of the case. When making and / or releasing a contact, the flexible contact segment and the second contact piece thus move relative to each other while they touch each other. Due to the mutual friction of the two contact pieces contamination of the contact pieces can be removed. As a result, the contact arrangement automatically cleans itself by switching operations. Clean contacts mean secure contacts. The reliability of the contact is characterized very high. This embodiment is particularly advantageous in electrical applications and, in particular, when switching currents which do not produce an arc which could have a contact-cleaning effect.
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.In particularly advantageous embodiments, the flexible contact segment is flexible and elastically deformable due to its thinness. The flexible contact segment has at least one flexible portion that is so thin or narrow that it thereby has a flexibility. In particular, a flexible section with a wall thickness of between 1 μm and 60 μm, preferably between 5 μm and 25 μm, can advantageously be exhibited by the flexible contact segment. Typically used materials then have suitable flexibility and ductility while still providing adequate resistance to breakage. The elastic deformations experienced by a flexible section of a flexible contact segment typically through the second contact piece during a switching operation is advantageously at least of the order of magnitude of 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 portion of the flexible contact segment.
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.Advantageously, at least the first contact piece is integrally formed. Thereby, the manufacturability of the first contact piece is improved, and the stability and reliability of the first contact piece is particularly large.
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.In a further advantageous embodiment of the subject invention, the flexible contact segment in addition to at least one flexible portion still on the contact segment carrier facing base. This base advantageously has a greater wall thickness than the at least a flexible section of the flexible contact segment. As a result, the base has a lower flexibility. Deformation of the base would require more energy than deformation of the at least one flexible section. The base is more stable than the flexible section. The base has a greater electrical and / or thermal conductivity. For example, accumulating heat can be better dissipated, and for short-term large thermal loads an increased heat capacity of advantage. It is realized an improved contact.
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 a further advantageous embodiment, the flexible contact segment and the second contact piece interact in the manner of the push-button principle such that the contact segment carrier has at least one additional stable position. If the contact segment carrier is a monostable switching element, thereby a bistable switching element (and a bistable contact arrangement) or a tristable switching element can be created. And from a bistable switchable contact segment carrier can be a tristable switchable switching element.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind das flexible Kontaktsegment und das zweite Kontaktstück nach Art eines Stecker-Steckdosen-Paares ineinanderfügbar.In further advantageous embodiments, the flexible contact segment and the second contact piece in the manner of a plug-socket pair are nested.
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 a particularly advantageous embodiment, the flexible contact segment has at least two, advantageously four, six or more elastically deformable contact fingers. These advantageous elongated and thin formed, advantageously walking stick-like curved sub-segments are shaped and arranged so that each (or at least most) of the sub-segments in the second switching state contacts the second contact piece. This results in at least one (approximately) the number of sub-segments corresponding predetermined number of contact points or a corresponding plurality of contact surfaces. As a result, a secure contact with low contact resistance is achieved.
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 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 a further particularly advantageous embodiment, the at least one flexible contact segment in the second switching state at least a two-dimensional contact area with the second contact piece, and the direction of the relative movement of the flexible contact segment and the second contact piece in a switching process closes with the planar contact area substantially one Angle α in with α = 45 ° ± 30 °, in particular α = 45 ° ± 15 °. The angle α lies in a plane which is perpendicular to the plane of the contact area. And those surfaces of the flexible contact segment and the second contact piece, which are aligned in the second switching state substantially parallel to each other and touch each other in the planar contact area are in the first switching state substantially to an angle with 0 ° ≤ ε ≤ 30 °, in particular 0th ° ≤ ε ≤ 10 °, aligned parallel to each other. In particular, the angle ε may advantageously additionally be selected to be at least 1 ° in size, at least 2 ° in size or at least 4 ° in size. In a switching operation from the first to the second and / or from the second to the first switching state, the surfaces rub against one another, whereby contact-worsening impurities can be removed. In this way, a secure, since large-area and self-cleaning contact is achieved.
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 a further particularly advantageous embodiment, the flexible contact segment includes a membrane-like portion which is elastically deformed during a switching operation. Such a membrane adapts to the shape of the second contact piece and compensates for manufacturing tolerances. Low contact resistance and secure contact can be achieved.
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.In a further particularly advantageous embodiment, a volume is enclosed by the flexible contact segment or by the flexible contact segment together with the first contact piece, which is filled substantially with an electrically and thermally conductive, elastically deformable filling. As a result, the electrical and / or thermal conductivity of the flexible contact segment is increased.
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.A MEMS switching device, for example a micro-relay, which contains a contact arrangement according to the invention has the above-mentioned advantages.
Further preferred embodiments and advantages emerge from the dependent claims and the figures.
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 MEMS-Relais mit membranförmigem flexiblen Kontaktsegment und elektrostatischen Antrieben;
- Fig. 2a
- eine MEMS-Kontaktanordnung mit zwei Kontaktstücken und mit membranförmigem flexiblen Kontaktsegment, geöffnet;
- Fig. 2b
- wie Fig. 2a, geschlossen;
- Fig. 3a
- eine MEMS-Kontaktanordnung mit drei Kontaktstücken, mit membranförmigem flexiblen Kontaktsegment, geöffnet;
- Fig. 3b
- wie Fig. 3a, geschlossen;
- Fig. 4a
- eine MEMS-Kontaktanordnung mit zwei Kontaktstücken und mit asymmetrischem membranförmigem flexiblen Kontaktsegment, geöffnet;
- Fig. 4b,4c
- wie Fig. 4a, geschlossen;
- Fig. 5
- eine 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 MEMS-Kontaktanordnung mit zwei Kontaktstücken und mit einer Mehrzahl von spiegelsymmetrisch angeordneten Kontaktfingern, geöffnet;
- Fig. 10b
- wie Fig. 10a, geschlossen;
- Fig. 11a
- eine MEMS-Kontaktanordnung mit drei Kontaktstücken und mit gewinkelten, reibungserzeugenden Berührungsflächen, geöffnet;
- Fig. b
- 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;
- Fig. 1
- a MEMS relay with a membrane-shaped flexible contact segment and electrostatic drives;
- Fig. 2a
- a MEMS contact arrangement with two contact pieces and with a membrane-shaped flexible contact segment, opened;
- Fig. 2b
- as shown in Fig. 2a, closed;
- Fig. 3a
- a MEMS contact arrangement with three contact pieces, with a membrane-shaped flexible contact segment, opened;
- Fig. 3b
- like Fig. 3a, closed;
- Fig. 4a
- a MEMS contact assembly with two contact pieces and with asymmetric membrane-shaped flexible contact segment, opened;
- Fig. 4b, 4c
- like Fig. 4a, closed;
- Fig. 5
- a MEMS contact arrangement with three contact pieces and with a membrane-shaped flexible contact segment on a base, opened;
- Fig. 6
- like Figure 5, in addition with spring mechanism.
- Fig. 7a
- an inventive MEMS contact arrangement with two contact pieces in the manner of a plug-socket pair and with two contact fingers, open;
- Fig. 7b
- like Fig. 7a, closed;
- Fig. 8a
- an inventive MEMS contact arrangement with two contact pieces in the manner of a plug-socket pair and with two contact fingers, open;
- Fig. 8b
- as Fig. 8a, closed;
- Fig. 9a
- like Figure 8a, additionally with base.
- Fig. 9b
- like Fig. 9a, closed;
- Fig. 10a
- a MEMS contact arrangement with two contact pieces and with a plurality of mirror-symmetrically arranged contact fingers, opened;
- Fig. 10b
- as shown in Fig. 10a, closed;
- Fig. 11a
- a MEMS contact arrangement with three contact pieces and with angled, friction-generating contact surfaces, opened;
- Fig. B
- like Fig. 11a, closed;
- Fig. 12a
- an inventive MEMS with two contact pieces, wherein by means of the push-button principle, a bistable switchability is achieved opened;
- Fig. 12b
- as Fig. 12a, closed;
In den Figuren 1-6, 10a, 10b, 11a und 11b handelt es sich nicht um Ausführungsbeispiele der Erfindung, sondern um Beispiele, die das Verständnis der Erfindung erleichtern. 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.Figures 1-6, 10a, 10b, 11a and 11b are not exemplary embodiments of the invention, but examples that facilitate the understanding of the invention. The reference numerals used in the drawings and their meaning are listed in the list of reference numerals. Basically, the same or at least equal parts are provided with the same reference numerals in the figures. The described embodiments are exemplary of the subject invention and have no limiting effect.
Fig. 1 zeigt schematisch ein 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 MikroSchaltern beschrieben.Fig. 1 shows schematically a micro-electromechanical relay (MEMS relay, micro-relay) in supervision. The structure of this MEMS switching device corresponds in many parts to the MEMS relay described above, as described in the cited patent application DE 10040867 A1. Such a MEMS relay can be produced by means of ion deposition (DRIE) of a semiconductor material, preferably monocrystalline silicon. The linear dimension of such a MEMS switching device is typically of the order of 0.4 mm to 5 mm. The structures created by means of DRIE are usually prism-shaped, wherein the prism side surfaces extend perpendicular to the surface of the substrate, from which they were formed by means of etching and optionally sacrificial layer technology. The height of the prisms is typically of the order of 50 μm to 500 μm. The cited document DE 10040867 A1 describes further details of such and similar microswitches.
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.The MEMS relay shown in FIG. 1 has a
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.Details of the
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.In the still unpublished European patent application with the file reference 02405334.0 various micro-electro-mechanical systems, in particular switches and relays are described, which can be equipped with a contact arrangement according to the invention. It will be omitted at this point on the performance of the details given in this unpublished European patent application.
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.In Fig. 2a, b, a contact arrangement is shown schematically, which is similar to that shown in Fig. 1. But it has only a
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 1 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 erzielt. Im zweiten Schaltzustand B 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.In the first switching state A, the flexible contact segment 11 (in plan view) has approximately the shape of a concave-bottomed letter "U". In a switching operation in the second switching state B, the
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.At the locations where thin-walled portions of the
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 11. 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.FIGS. 3a and 3b show a contact arrangement similar to that of FIGS. 1 and 2a, b. The contact arrangement corresponds to that of FIG. 2, except that instead of a
Generell ist bei den meisten elektrischen Anwendungen eine gerundete Ausführung der Kontaktstücke ohne Spitzen bevorzugt, da dadurch elektrischer Feldstress und Spitzeneffekte vermieden werden.In general, in most electrical applications a rounded design of the contact pieces without tips is preferred because it avoids electrical field stress and peak effects.
Fig. 4a, b und c is eine weitere vorteilhafte Ausführungsform 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, b and c is shown a further advantageous embodiment. It largely corresponds to the embodiment shown in Fig. 2a, b and will be described starting therefrom. The membrane-like
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. 4a shows the first switching state A. FIG. 4b shows a switching state during a switching operation from A to B. The
Fig. 5 zeigt eine weitere 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.Fig. 5 shows a further contact arrangement which is similar to that of Fig. 3 and will be described therefrom. The
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.Preferably, the
The
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 anschmiegenFIG. 6 shows a contact arrangement which largely corresponds to that of FIG. 5. There is additionally arranged a means for
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.In Fig. 7, a contact arrangement with a
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.In addition to the
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.In the second switching state B (FIG. 7b), the plug-type
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.In a switching operation from A to B, the
Die Formen der Kontaktstücke 1,2 sind derart gewählt, dass das flexible Kontaktsegment 11 im zweiten Schaltzustand dem ersten Kontaktstück 1 angeformt ist.The shapes of the
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 1 1 1 ,1 12, 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.In Fig. 8a, b, a contact arrangement is shown which is similar to that of Fig. 7a, b and will be described on the basis of this. Instead of the
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 1 13 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. 9a, b shows a contact arrangement similar to that of Figs. 8a, b and will be described therefrom. Instead of a
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 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.10a, b shows a contact arrangement with a
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.In the second switching state B (FIG. 10b, closed), the
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.A contact arrangement according to FIG. 10 a, b has the advantage that a minimum number of
Fig. 11a,b veranschaulicht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform. In Fig. 11a dargestellt ist der erste Schaltzustand A, in Fig. 11 b 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.Fig. 11a, b illustrates a further advantageous embodiment. 11a shows the first switching state A, in FIG. 11b the second switching state B. The contact arrangement has three
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.In Fig. 11a, b, the
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 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.In the first switching state A (FIG. 11a), those surfaces of the
Zumindest für elektrische Anwendungen werden bevorzugt Kontaktanordnungen eingesetzt, die stärker abgerundete Ecken und Kanten aufweisen als in Fig. 11 dargestellt.At least for electrical applications, contact arrangements are preferably used which have more rounded corners and edges than shown in FIG. 11.
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 Fig. 12a, b a contact arrangement is shown which is similar to that shown in Fig. 7a, b. It is described starting from it. In Fig. 12, the second contact piece 2 a significant taper, in particular a waist. The
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.In the presented embodiments, improved, safer contact arrangements are created by elastically deforming a
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.The alternative or additional features listed above and below are optional and can be combined as desired with one another and with the exemplary embodiments illustrated in the description.
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.The contact arrangements can be produced by means of one or more structuring methods, such as, for example, DRIE, 3D UV deep lithography, LIGA technology or other structuring methods from semiconductor production (coating, etching).
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.As materials from which the contact arrangements or MEMS are produced, in addition to silicon (Si) other materials, especially semiconductor materials in question. Particularly suitable are silicon carbide (SiC), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), InSb (indium antimonide), InP (indium phosphide), quartz and diamond. Important is a high tensile strength, high abrasion resistance and low mechanical fatigue.
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.Preferably, materials having 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 used. Silicon has a tensile strength of 69 N / m 2 , while steel typically has 21 N / m 2 , at most 42 N / m 2 . Tungsten (W): 40 N / m 2 , aluminum (Al): 1.7 N / m 2 .
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.To increase the tensile strength, it is also possible to apply coatings to the contact pieces, in particular to the flexible contact segment. In particular, carbides, nitrides and oxides come into question. SiC has a tensile strength of 210 N / m 2 , Si 3 N 4 has a density of 140 N / m 2, and SiO 2 has an 84 N / m 2 .
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).Hardness is an important factor in terms of abrasion resistance. Silicon has a Knoop hardness of 850 kg / mm 2 , while stainless steel has 660 kg / mm 2 , tungsten 400 kg / mm 2 and aluminum only 130 kg / mm 2 . Coatings can also be used to achieve improved abrasion resistance be advantageous, for example with SiC (Knoop hardness 2480 kg / mm 2 ) or Si 3 N 4 (3486 kg / mm 2 ).
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.In the event that the contact arrangement switches electrical currents, metallic coatings are advantageous for reducing the contact resistance (electrical as well as thermal). The
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.Furthermore, it is advantageous to use material that has a low mechanical fatigue. Fatigue fractures are almost exclusively initiated on surfaces. A material with a rough surface tires much faster than a material with a smooth (polished) surface. Decisive for material fatigue is the defect density at the surface. Therefore, it is advantageous to use monocrystalline or highly crystalline material. And it smooth advantageous surfaces are produced, which is easy to achieve, for example, mittes etching process.
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.Single-crystal silicon has an extremely small defect density due to its production. In addition, the production of smooth surfaces in monocrystalline silicon is simple. Thus, compared to ordinary metals such as polycrystalline steel or aluminum, extremely low material fatigue can be achieved.
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.The contact arrangements may advantageously comprise two, three, four, five, six or more contact pieces. Of these, one, two or more may be powered or mobile. One, two or more each have one or more
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.A contact arrangement according to the invention can also have a plurality of first switching states A and / or a plurality of second switching states B. For example, in the case of a changeover relay with an open and two closed states, see, for example, the mentioned unpublished European patent application with the file number 02405334.0.
Der Antrieb 4 sowie eventuelle weitere Antriebe 4 können elektrostatisch, beispielsweise aber auch elektromagnetisch, piezoelektrisch oder thermisch arbeiten.The
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.The contact arrangement or the MEMS may be a lateral structure, in which movements are substantially parallel to the substrate (horizontal). But it may also be a vertical structure in which movements are substantially perpendicular to the substrate.
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.The contact arrangements can be advantageously used in switching devices which are capable of generating a high contact pressure, as it is, for example in the case of the aforementioned bendable contact segment carriers is the case.
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.Advantageously, electrical micro-switches and micro-relays can be equipped with a contact arrangement according to the invention. With such switches advantageously automated test equipment (ATE) can be equipped. It is also possible to provide mechanical switches or breakers or micro-valves with a contact arrangement according to the invention.
Die genannten Merkmale können gemeinsam oder auch einzeln oder in beliebiger Kombination vorteilhaft sein.The features mentioned may be advantageous together or individually or in any combination.
- 11
- erstes Kontaktstückfirst contact piece
- 1111
- flexibles Kontaktsegmentflexible contact segment
- 111,112111,112
- Kontaktfinger des flexiblen KontaktsegmentsContact fingers of the flexible contact segment
- 113113
- Basis des flexiblen KontaktsegmentsBasis of the flexible contact segment
- 114114
- Volumenvolume
- 1212
- Kontaktsegment-TrägerContact segment carrier
- 1313
- Mittel zur FederungMeans for suspension
- 22
- zweites Kontaktstücksecond contact piece
- 2222
- Kontakt-Träger des zweiten KontaktstücksContact carrier of the second contact piece
- 33
- drittes Kontaktstückthird contact piece
- 3131
- flexibles Kontaktsegment des dritten Kontaktstücksflexible contact segment of the third contact piece
- 3232
- Kontaktsegment-Träger des dritten KontaktstücksContact segment carrier of the third contact piece
- 44
- Antriebdrive
- 5,5'5.5 '
- Berührungsbereich, Berührungsfläche, Berührungspunkt zwischen erstem Kontaktstück und zweitem KontaktstückContact area, contact area, point of contact between the first contact piece and the second contact piece
- 66
- zusätzlicher Berührungspunkt im zweiten Schaltzustand zwischen flexiblem Kontaktsegment und Kontaktsegment-Träger oder Basisadditional contact point in the second switching state between flexible contact segment and contact segment carrier or base
- AA
- erster Schaltzustand (geöffnet)first switching state (opened)
- BB
- zweiter Schaltzustand (geschlossen)second switching state (closed)
- dd
- Wanddicke (des flexiblen Abschnitts) des flexiblen KontaktsegmentsWall thickness (of the flexible portion) of the flexible contact segment
- αα
- Winkelangle
- εε
- Winkelangle
Claims (16)
- MEMS contact arrangement having at least one first contact piece (1) and one second contact piece (2), at least one of the two contact pieces (1; 2) being able to be driven, and the contact piece (1; 2) which can be driven being able to be used to switch the MEMS contact arrangement between a first switching state (A) and at least one second switching state (B) during a switching operation, the two contact pieces (1, 2) being separate from one another in the first switching state (A) and being in contact with one another in the second switching state (B), at least the first contact piece (1) having at least one flexible contact segment (11) and a contact segment carrier (12), and at least the second contact piece (2) being able to be used to elastically deform the at least one flexible contact segment (11) during the switching operation,
characterized
in that input energy needs to be applied in order to use at least the second contact piece (2) to elastically deform the at least one flexible contact segment (11) during a switching operation from the first switching state (A) to the second switching state (B),
in that execution energy needs to be applied in order to use at least the second contact piece (2) to elastically deform the at least one flexible contact segment (11) during a switching operation from the second switching state (B) to the first switching state (A), and
in that the flexible contact segment (11) can exert a restraining force on the second contact piece (2) in the second switching state (B), which restraining force hinders a switching operation from the second switching state (B) to the first switching state (A). - MEMS contact arrangement according to Claim 1, characterized in that at least the second contact piece (2) can be used to elastically deform the at least one flexible contact segment (11), during a switching operation from the first switching state (A) to the second switching state (B), in such a manner that the at least one flexible contact segment (11) has at least one areal region of contact (5) with the second contact piece (2) or a prescribable plurality of contact points (5, 5') in the second switching state (B).
- MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized
in that, in the first switching state (A), the shape of the flexible contact segment (11) is different to the shape of the flexible contact segment (11) in the second switching state (B), and
in that the flexible contact segment (11) is integrally moulded to the second contact piece (2) in the second switching state (B). - MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized
in that, in the first switching state (A), the shape of the flexible contact segment (11) is different to the shape of the flexible contact segment (11) in the second switching state (B),
in that the at least one flexible contact segment (11) has at least one areal region of contact (5) with the second contact piece (2) in the second switching state (B),
in that the flexible contact segment (11) is integrally moulded to the second contact piece (2) in the region of contact (5) in the second switching state (B), and
in that the second contact piece (2) is surrounded by the first contact piece (1) in an areal manner in the region of contact (5) in the second switching state (B). - MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the second contact piece (2) can be moved relative to the flexible contact segment (11) with sliding friction during the switching operation.
- MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized
in that the flexible contact segment (11) can be deformed flexibly and elastically on account of the fact that it has thin walls,
in that, in particular, the flexible contact segment (11) has a flexible section having a wall thickness of between 1 µm and 60 µm, preferably having a wall thickness of between 5 µm and 25 µm, and
in that, in particular, the elastic deformation is at least of the order of magnitude of the wall thickness of the flexible section of the flexible contact segment (11) and/or is in the range of 0.5 to 20 times, in particular 1 to 5 times, the wall thickness of a flexible section of the flexible contact segment (11). - MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the first contact piece (1) is integrally formed.
- MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible contact segment (11) also comprises, in addition to at least one flexible section, a base (113) which faces the contact segment carrier (12) and has a greater wall thickness than the at least one flexible section.
- MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized
in that the contact segment carrier (12) is a switching element having at least one stable position, and
in that the flexible contact segment (11) and the second contact piece (2) interact in the manner of the pushbutton principle such that the contact segment carrier (12) has at least one further stable position. - MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible contact segment (11) and the second contact piece (2) can be fitted into one another in the manner of a plug-socket pair.
- MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible contact segment (11) has a plurality of elastically deformable contact fingers (111, 112).
- MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized
in that the at least one flexible contact segment (11) has at least one areal region of contact (5) with the second contact piece (2) in the second switching state (B),
in that the direction of the relative movement between the flexible contact segment (11) and the second contact piece (2) essentially includes an angle of α = 45° ± 30°, in particular α = 45° ± 15°, with the areal region of contact (5) during the switching operation, and
in that those areas of the flexible contact segment (11) and of the second contact piece (2) which are oriented essentially parallel to one another in the second switching state (B) and touch one another in the areal region of contact (5) are essentially oriented parallel to one another at an angle of up to ε in the first switching state (A), where 0°≤ ε ≤ 30°, in particular 0° ≤ ε ≤ 10°. - MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible contact segment (11) comprises a diaphragm-type section which can be elastically deformed during the switching operation.
- MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a volume (114) which is essentially filled with an electrically and thermally conductive, elastically deformable filling is enclosed by the flexible contact segment (11) or by the flexible contact segment (11) together with the first contact piece (1).
- MEMS switching device, characterized in that the MEMS switching device comprises a MEMS contact arrangement according to one of the preceding claims.
- MEMS switching device according to Claim 15, characterized in that the MEMS switching device is a microrelay having a drive (4), and in that, in particular, the drive (4) is an electrostatic drive (4).
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