EP1995744B1 - Miniaturrelais-Schalter - Google Patents

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.
• Um dieses Hot Switching zu vermeiden ist es bekannt, parallel zu den Kontakten des MEMS-Schalters eine Ausgleichseinrichtung in Form eines oder mehrerer parallel zum MEMS-Schalter angeordneten Transistoren vorzusehen ( US 2007/0009202 ). Diese Transistoren der Ausgleichseinrichtung sind zusammen mit dem MEMS-Schalter so gesteuert, dass zunächst nur die Transistoren eingeschaltet sind und so über deren Kanalwiederstand ein Potentialausgleich erfolgen kann und erst nach erfolgtem Potentialausgleich der MEMS-Schalter geschlossen wird. Es ist auch schon bekannt, in Reihe zu diesen Transistoren für die HF-Entkopplung Wiederstände anzuordnen. Diese bekannte Parallelschaltungslösung besitzt den Nachteil, dass sie die kompensierte Grenzfrequenz des MEMS-Schalters stark herabsetzt.
• DE 10029853 A1 offenbart die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Miniaturrelais-Schalter mit zugeordneter Ausgleichseinrichtung zum Gleichspannungs-Potentialausgleich zu schaffen, bei dem dieser Nachteil der eingeschränkten Grenzfrequenz vermieden ist und der ohne Gefahr von Hot Switching als Hochfrequenzschalter einsetzbar ist.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Miniaturrelais-Schalter laut Hauptanspruch, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Durch die Realisierung der Ausgleichseinrichtung zum Potentialausgleich als in Reihe zum Schalter angeordneten Wiederstand, der nach erfolgtem Potentialausgleich durch einen zusätzlichen Schalter überbrückt wird, ist die kompensierte Grenzfrequenz wesentlich geringer eingeschränkt als bei der bekannten Parallelschaltungslösung und ein erfindungsgemäßer Miniaturrelais-Schalter besitzt daher eine wesentlich höhere Grenzfrequenz und kann bis höchste Frequenzen im Gigahertz eingesetzt werden. Gemäß der Erfindung erfolgt der Gleichspannungs-Potentialausgleich zunächst über den Wiederstand und der Schalter wird dadurch vor Beschädigung geschützt. Erst wenn der Gleichspannungs-Potentialausgleich 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. 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 GleichspannungsPotenzialausgleich 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.
• Am einfachsten ist es, den zeitlichen Ablauf der beiden Schalter A und B 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: $$t=5\cdot \tau =5\cdot {\mathit{R}}_{\mathit{Schutz}}\cdot {\mathit{C}}_{\mathit{Last}}$$

  

  mit τ = Zeitkonstante, R_Schutz =Widerstandswert von W, C_Last =Kapazität von L.
• Anstelle einer zeitabhängigen Steuerung könnte die Steuerung der Schalter A und B auch über eine die Potentialdifferenz messende Messeinrichtung erfolgen. In der Steuereinrichtung S ist dazu 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 der Schalter B geschlossen.
• Die beschriebenen Maßnahmen können in integrierter Technik beispielsweise im MEMS-Schalter realisiert werden. Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar.

Claims (5)

1. Miniaturrelais-Schalter, insbesondere MEMS-Schalter, mit einer Ausgleichseinrichtung zum Gleichspannungs-Potentialausgleich an den Kontakten des Schalters, wobei die Ausgleichseinrichtung einen in Reihe zum Schalter (A) angeordneten Schutzwiderstand (W) aufweist, der mittels eines zusätzlichen Schalters (B) überbrückbar ist, und eine Steuereinrichtung (S) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass 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,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Ausgleichseinrichtung einschließlich Schutzwiderstand (W) und zusätzlichem Schalter (B) und der Steuereinrichtung (S) in den Miniaturrelais-Schalter integriert ist.
2. Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass der zusätzliche Schalter (B) von gleicher Technologie wie der Schalter (A) ist, insbesondere beide Schalter MEMS-Schalter sind.
3. Miniaturrelais-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Schaltfolge der beiden Schalter (A, B) zeitgesteuert ist.
4. 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.
5. 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.

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