EP1995744A2 - Miniaturrelais-Schalter - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a miniature relay switch, in particular a so-called MEMS switch (M icro e lectro M echanical S ystem) having extremely small contact areas.
- MEMS switch Micro e lectro M echanical S ystem
- Miniature relay switches of this type are preferably used for broadband switching of high-frequency signals, since they have linear switching characteristics in a wide frequency range from DC or kHz to the GHz range. However, they have the problem that they are easily damaged or destroyed when switching between two different DC potentials. This effect is called hot switching. Since such switches are very low impedance already satisfy very small voltage differences of, for example, only 1 V and very low load capacity of, for example, only a few pF to produce very high pulse currents or pulse current densities at the very small contact surfaces. Therefore, such switches are extremely vulnerable, for example, in the input stages of receivers and could not be used for many possible applications for this reason.
- Fig. 1 shows this effect using a switching example.
- the MEMS switch A which is switched on and off via a control device S by means of electrostatic or magnetic forces, a high-frequency signal HF is to be switched through to a load L.
- the MEMS switch A has a very small volume resistance of 300 mOhms, for example, the load L is only a small load capacity of 10 pF.
- At the input of the switch A is in addition to the RF signal and a DC potential of, for example, 3 V, which is indicated schematically by the DC voltage source Q.
- a DC potential of 3 V is present at one switching contact, and a DC voltage potential of 0 V at the other switching contact.
- the protective resistor according to the invention which is connected in series with the switch when the switch is closed, or which is connected in parallel with the switch before the switch is closed, the DC potential equalization initially takes place via this protective resistor and the switch is thereby protected from damage. Only when the DC potential equalization is achieved, the protective resistor is switched off again via the additional switch and the high frequency signal is switched through the now again only effective miniature relay switch with its advantageous high-frequency switching properties.
- the low switching time loss to DC potential equalization which may be on the order of microseconds, is compared with the great advantage that for the first time even such MEMS switches can be used as a high frequency switch without the risk of damage or destruction, negligible.
- Fig. 2 shows a MEMS switch A, which is switched on and off by a control device S.
- a protective resistor W is connected, which can be bridged via an additional switch B which can also be actuated by means of the switching device S.
- the switch A is first controlled by the control device S, the switch B remains open.
- the equipotential current between the DC voltage source Q and the load capacitance is limited by the resistance W for the switch A to an allowable level and thus protected.
- the value of the resistor W is chosen so large that the maximum current density specified by the manufacturer at the switching contacts of the MEMS switch A is not exceeded. In practice this is done with a resistance of a few kOhms, for example 10 kOhm.
- the resistor W is preferably a purely ohmic resistor.
- the switch A can be closed immediately without danger. Only after the DC potential equalization at the contacts of the switch A, this resistor W is bridged by the second additional switch B.
- the controlled via the controller S switch B is preferably constructed in the same technology as the switch A, so for example also a MEMS switch. Since the high-frequency signal is switched through to the load via both switches A and B after completion of the equipotential bonding, high demands must be made with respect to the transmission characteristics at these two switches.
- the control of the two switches A and B can be done via the control device S either time-dependent or controlled by a measuring device, as in connection with the embodiment of FIG Fig. 3 will be described in more detail.
- Fig. 3 again shows a MEMS switch A controlled via a control device S for switching an RF signal HF to a load L.
- Fig. 3 the possibility of controlling the switch via a voltage measuring device.
- the switch A is a DC potential difference Q.
- the switch B can then be opened again. After the short switching time of only a few microseconds for the purpose of equipotential bonding, the high-frequency signal is switched through exclusively via the switch A to the load. Therefore, the requirements of the additional switch B lower requirements for transmission characteristics than in the series connection after Fig. 2 , The additional switch B can therefore also be realized in a completely different technology, for example as a field effect transistor switch or as a simple mechanical relay switch.
- the dimensioning of the resistor W in the embodiment according to Fig. 3 depends on the maximum permissible current density at the contact of switch B.
- the controller according to the embodiment Fig. 3 can again be time-dependent or controlled via a measuring device.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Miniaturrelais-Schalter, insbesondere einen sogenannten MEMS-Schalter (Micro Electro Mechanical System), der extrem kleine Kontaktflächen aufweist.
- Miniaturrelais-Schalter dieser Art werden bevorzugt zum breitbandigen Schalten von Hochfrequenzsignalen eingesetzt, da sie in einem großen Frequenzbereich von Gleichstrom bzw. kHz bis in den GHz-Bereich lineare Schalteigenschaften besitzen. Sie haben jedoch das Problem, dass sie sehr leicht beschädigt oder zerstört werden, wenn sie zwischen zwei verschiedenen Gleichspannungs-Potenzialen schalten. Dieser Effekt wird als Hot Switching bezeichnet. Da solche Schalter sehr niederohmig sind genügen bereits sehr kleine Spannungsdifferenzen von beispielsweise nur 1 V und sehr geringe Lastkapazitäten von beispielsweise nur wenigen pF, um an den sehr kleinen Kontaktflächen sehr hohe Impulsströme bzw. Impulsstromdichten zu erzeugen. Daher sind solche Schalter beispielsweise in Eingangsstufen von Empfängern extrem gefährdet und konnten aus diesem Grunde für viele mögliche Anwendungsfälle nicht eingesetzt werden.
- Das Problem des Hot Switching ist z.B. in der
DE 103 40 619 A1 beschrieben. -
Fig. 1 zeigt anhand eines Schaltbeispieles diesen Effekt. Mit dem dargestellten MEMS-Schalter A, der über eine Steuereinrichtung S mittels elektrostatischer oder magnetischer Kräfte ein- und ausschaltbar ist, soll ein Hochfrequenzsignal HF zu einer Last L durchgeschaltet werden. Der MEMS-Schalter A besitzt beispielsweise einen sehr kleinen Durchgangswiderstand von 300 mOhm, die Last L ist beispielsweise nur eine kleine Lastkapazität von 10 pF. Am Eingang des Schalters A liegt neben dem HF-Signal auch noch ein Gleichspannungspotenzial von beispielsweise 3 V an, das schematisch durch die Gleichspannungsquelle Q angedeutet ist. Bei offenem Schalter A liegt also an einem Schaltkontakt ein Gleichspannungspotenzial von 3 V, am anderen Schaltkontakt ein Gleichspannungspotenzial von 0 V. Beim Schließen des Schalters A durch die Steuereinrichtung S liegt am niederohmigen Schalter A eine Spannungsdifferenz von 3 V und es würde hierdurch kurzzeitig ein Impulsstrom von bis zu 10 A über die Kontaktflächen des Schalters A fließen, die extrem klein sind und nur wenige µm groß sind. Durch diese Gleichspannungsdifferenz am Schalter A würde dieser beschädigt oder sogar zerstört. - Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Miniaturrelais-Schalter, insbesondere MEMS-Schalter, zu schaffen, der diesen Nachteil vermeidet und der ohne Gefahr von Hot Switching als Hochfrequenzschalter einsetzbar ist.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Miniaturrelais-Schalter laut Hauptanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Durch den erfindungsgemäßen Schutzwiderstand, der beim Schließen des Schalters in Reihe zum Schalter liegt oder der vor dem Schließen des Schalters parallel zu diesem geschaltet ist, erfolgt der Gleichspannungs-Potentialausgleich zunächst über diesen Schutzwiderstand und der Schalter wird dadurch vor Beschädigung geschützt. Erst wenn der Gleichspannungs-Potenzialausgleich erreicht ist, wird über den zusätzlichen Schalter der Schutzwiderstand wieder ausgeschaltet und das Hochfrequenzsignal wird über den nunmehr wieder allein wirksamen Miniaturrelais-Schalter mit seinen vorteilhaften Hochfrequenz-Schalteigenschaften durchgeschaltet. Der geringe Schaltzeitverlust bis zum Gleichspannungspotenzialausgleich, der in der Größenordnung von Mikrosekunden liegen kann, ist verglichen mit dem großen Vorteil, dass damit erstmals auch solche MEMS-Schalter als Hochfrequenzschalter ohne der Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung eingesetzt werden können, vernachlässigbar.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- an einem Prinzipschaltbild den sogenannten Hot Switching Effekt eines MEMS-Schalters;
- Fig. 2
- an einem vergleichbaren Prinzipschaltbild wie
Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit in Reihe zum Schalter liegenden, überbrückbaren Schutzwiderstand und - Fig. 3
- wiederum an einem vergleichbaren Prinzipschaltbild wie
Fig. 1 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einem parallel zum Schalter liegenden, abschaltbaren Schutzwiderstand. -
Fig. 2 zeigt einen MEMS-Schalter A, der durch eine Steuereinrichtung S ein- und ausschaltbar ist. In Reihe zu diesem MEMS-Schalter A ist ein Schutzwiderstand W geschaltet, der über einen ebenfalls mittels der Schalteinrichtung S betätigbaren zusätzlichen Schalter B überbrückbar ist. Zum Durchschalten des HF-Signals zur Last L wird zunächst gesteuert über die Steuereinrichtung S der Schalter A geschlossen, der Schalter B bleibt offen. Der Potentialausgleichsstrom zwischen der Gleichspannungsquelle Q und der Lastkapazität wird durch den Widerstand W für den Schalter A auf ein erlaubtes Maß begrenzt und dieser damit geschützt. Der Wert des Widerstandes W wird so groß gewählt, dass die vom Hersteller angegebene maximale Stromdichte an den Schaltkontakten des MEMS-Schalters A nicht überschritten wird. In der Praxis wird dies mit einem Widerstand von einigen kOhm, beispielsweise 10 kOhm erreicht. Der Widerstand W ist vorzugsweise ein rein Ohm'scher Widerstand. - Der Schalter A kann ohne Gefährdung sofort geschlossen werden. Erst nach erfolgtem Gleichspannungs-Potenzialausgleich an den Kontakten des Schalters A wird dieser Widerstand W durch den zweiten zusätzlichen Schalter B überbrückt. Der über die Steuereinrichtung S gesteuerte Schalter B ist vorzugsweise in gleicher Technologie aufgebaut wie der Schalter A, also beispielsweise ebenfalls ein MEMS-Schalter. Da das Hochfrequenzsignal nach Abschluss des Potenzialausgleiches über beide Schalter A und B zur Last durchgeschaltet wird, müssen an diese beiden Schalter hohe Anforderungen bezüglich der Übertragungseigenschaften gestellt werden.
- Die Steuerung der beiden Schalter A und B kann über die Steuereinrichtung S entweder zeitabhängig oder gesteuert über eine Messeinrichtung erfolgen, wie dies im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 3 näher beschrieben wird. -
Fig. 3 zeigt wieder einen MEMS-Schalter A gesteuert über eine Steuereinrichtung S zum Durchschalten eines HF-Signals HF zu einer Last L. Zusätzlich zeigtFig. 3 die Möglichkeit einer Steuerung der Schalter über eine Spannungsmesseinrichtung. Außerdem liegt am Schalter A eine Gleichspannungs-Potentialdifferenz Q. - Um eine Beschädigung des Schalters A durch diese Potenzialdifferenz zu vermeiden, ist im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 3 parallel zum Schalter A die Serienschaltung eines Widerstandes W und eines ebenfalls über die Steuereinrichtung S gesteuerten zusätzlichen Schalters B angeordnet. Zum Durchschalten des HF-Signals HF wird gesteuert über die Steuereinrichtung S zunächst der Schalter B geschlossen und es wird damit über den Parallelzweig mit dem Widerstand W das Gleichspannungspotenzial am Ein- und Ausgang des Schalters A ausgeglichen. Nach erfolgtem Potenzialausgleich wird dann der Schalter A über die Steuereinrichtung S ohne Gefahr einer Beschädigung geschlossen. - Zur Verminderung parasitärer Effekte kann anschließend der Schalter B wieder geöffnet werden. Nach der kurzen Schaltzeit von nur einigen µsec zwecks Potenzialausgleich wird das Hochfrequenzsignal ausschließlich über den Schalter A zur Last durchgeschaltet. Daher sind an den zusätzlichen Schalter B geringere Anforderungen bezüglich Übertragungseigenschaften zu stellen als bei der Serienschaltung nach
Fig. 2 . Der zusätzliche Schalter B kann daher auch in einer völlig anderen Technologie realisiert werden, beispielsweise als Feldeffekttransistor-Schalter oder als einfacher mechanischer Relaisschalter. - Die Dimensionierung des Widerstandes W im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 3 richtet sich nach der maximalen zulässigen Stromdichte am Kontakt des Schalters B. - Die Steuerung beim Ausführungsbeispiel nach
Fig. 3 kann wieder zeitabhängig oder gesteuert über eine Messeinrichtung erfolgen. Am einfachsten ist es, den zeitlichen Ablauf der beiden Schalter A und B in den Ausführungsbeispielen nachFig. 2 und3 zeitabhängig über die Steuereinrichtung S zu steuern. Da die Dimensionierung des Schutzwiderstandes W und die zu erwartende Gleichspannungs-Potenzialdifferenz am Schalter A und auch die angrenzenden Kapazitäten am Schalter bzw. an der Last in der Regel bekannt sind, kann die Wartezeit, die zum Potentialausgleich erforderlich ist, berechnet werden. Z. B. gilt:
CLast =Kapazität von L. - Anstelle einer zeitabhängigen Steuerung könnte die Steuerung der Schalter A und B auch über eine die Potentialdifferenz messende Messeinrichtung erfolgen, wie dies schematisch in
Fig. 3 dargestellt ist. In der Steuereinrichtung S ist eine hochohmige Spannungsmesseinrichtung vorgesehen, beispielsweise eine Spannungskomparatorschaltung, die die Gleichspannungsdifferenz zwischen den Schaltpunkten 1 und 2 des Schalters A erfasst. Wenn die Potentialdifferenz zwischen diesen Schaltpunkten 1 und 2 einen vorgegebenen Minimalwert erreicht, also ausreichender Potentialausgleich erreicht ist, wird gesteuert über diese Messeinrichtung der Steuereinrichtung S im Ausführungsbeispiel nachFig. 3 der Schalter A geschlossen und der Schalter B gegebenenfalls geöffnet. Beim Ausführungsbeispiel nachFig. 2 wird die Potentialdifferenz wieder an den Schaltpunkten 1 und 2 gemessen und wenn Potentialausgleich erreicht ist, wird der Schalter B geschlossen. - Die beschriebenen Maßnahmen können sowohl mit eigenständigen Bauteilen realisiert werden oder in integrierter Technik beispielsweise im MEMS-Schalter. Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar.
Claims (10)
- Miniaturrelais-Schalter, insbesondere MEMS-Schalter, mit einem Schutzwiderstand (W), der durch einen zusätzlichen Schalter (B) bis zum erfolgten Gleichspannungs-Potentialausgleich an den Kontakten des Schalters (A) in Reihe oder parallel zum Schalter (A) schaltbar ist.
- Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schutzwiderstand (W) in Reihe zum Schalter (A) angeordnet und mittels des zusätzlichen Schalters (B) überbrückbar ist und die beiden Schalter (A, B) so gesteuert sind, dass bis zum Gleichspannungs-Potenzialausgleich am geschlossenen Schalter (A) bei zunächst offenem zusätzlichem Schalter (B) der Schutzwiderstand (W) in Reihe zum Schalter (A) geschaltet ist und erst nach Potentialausgleich der Schutzwiderstand (W) durch den zusätzlichen Schalter (B) überbrückt wird. - Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zusätzliche Schalter (B) von gleicher Technologie wie der Schalter (A) ist, insbesondere beide Schalter MEMS-Schalter sind. - Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass parallel zum Schalter (A) die Serienschaltung von Schutzwiderstand (W) und zusätzlichem Schalter (B) angeordnet ist und die beiden Schalter (A, B) so gesteuert sind, dass zunächst nur die Serienschaltung von Schutzwiderstand und zusätzlichem Schalter eingeschaltet wird und der Schalter (A) erst nach erfolgtem Potentialausgleich geschlossen wird. - Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach erfolgtem Potenzialausgleich und Schließen des Schalters (A) der zusätzliche Schalter (B) wieder geöffnet wird. - Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zusätzliche Schalter (B) von anderer Technologie wie der Schalter (A) ist, insbesondere ein FET-Schalter ist. - Miniaturrelais-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltfolge der beiden Schalter (A, B) zeitgesteuert ist. - Miniaturrelais-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Schaltkontakt (A) eine Gleichspannungs-Potential-Messvorrichtung zugeordnet ist und die Schaltfolge der beiden Schalter (A, B) in Abhängigkeit von der gemessenen Potentialdifferenz am Schalter (A) gesteuert ist. - Miniaturrelais-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schutzwiderstand (W) so groß gewählt ist, dass die maximal zulässige Stromdichte des Schalters (A) und/oder des Schalters (B) nicht überschritten wird. - Miniaturrelais-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzschaltung einschließlich Schutzwiderstand (W) und/ oder zusätzlichem Schalter (B) und/ oder einer Steuereinrichtung (S) in den Miniaturrelais-Schalter integriert ist.
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