WO2004046019A1 - Relé miniaturizado y sus usos correspondientes - Google Patents

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WO2004046019A1
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contact point
plate
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Josep MONTANYÀ SILVESTRE
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Baolab Microsystems S.L.
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    • H01H36/00—Switches actuated by change of magnetic field or of electric field, e.g. by change of relative position of magnet and switch, by shielding

Definitions

  • the invention relates to a miniaturized relay.
  • the invention also relates to various uses of miniaturized relays according to the invention.
  • MEMS micro electro-mechanical systems
  • Microsystems Microsystems
  • / or Micromachines Micromachines
  • they can be classified according to the type of force or actuation mechanism they use to move the contact electrode.
  • they are usually classified as electrostatic, magnetic, thermal or piezoelectric relays.
  • miniaturization techniques require the use of activation voltages as small as possible and surfaces as small as possible.
  • the relays known in the state of the art have various problems to be able to advance in this regard.
  • One way to reduce the activation voltage is precisely to increase the surfaces of the relay, which hinders its miniaturization, apart from being more sensitive to the appearance of deformations which reduces the life and reliability of the relay.
  • another solution to decrease the activation voltage is to greatly reduce the space between the electrodes, or use very thin electrodes or use special materials, so that the mechanical recovery force is very low.
  • This brings with it other hooking problems, since the capillary forces become very important, which also reduces the life and reliability of these relays.
  • the use of activation voltages High effects also have other negative effects such as ionization of the components, accelerated wear due to heavy mechanical shocks and electrical noise generated by the entire relay.
  • Electrostatic relays also have a major reliability problem due to the phenomenon called "pull-in", and that is that, after a certain voltage threshold is exceeded, the contact electrode moves accelerating more and more against the other free electrode. This is because as the relay closes, the capacitor that exerts the electrostatic force for this closure, greatly increases its capacity (and would reach infinity if a stop was not set before). The consequence of this is an important wear of the electrodes due to the high electric field that is generated and to the shock due to the acceleration that the mobile electrode has suffered.
  • Thermal, magnetic and piezoelectric solutions require special micromachining materials and processes, so that it becomes difficult and / or expensive to integrate them into more complex MEMS devices, or in the same integrated with electronic circuitry.
  • the thermal solution is very slow (that is, the circuit takes a long time to close or open), and consumes a lot of power.
  • the magnetic solution makes electromagnetic noise, which makes it much more difficult to have electronic circuitry nearby, and requires high peak currents for switching.
  • contact point has been used to refer to contact surfaces where an electrical contact is made (or can be made). In this sense, they should not be interpreted as points in a geometric sense, since they are three-dimensional elements, but in an electrical sense, as points of an electrical circuit. Summary of the invention
  • first and second contact point define first stops
  • the conductive element is suitable for contacting the first stops and where The conductive element closes the electrical circuit when in contact with the first stops.
  • the relay according to the invention has the conductive element, that is to say the element responsible for opening and closing the external electrical circuit (through the first contact point and the second contact point), as a capable loose part. to move freely. That is, the elastic force of the material is not being used to force one of the movements of the relay.
  • the conductive element is housed in the intermediate space. The intermediate space is closed by the first and second zone and by side walls that prevent the conductive element from leaving the intermediate space.
  • a relay according to the invention also satisfactorily solves the problem of the "pull-in" mentioned above.
  • An additional advantage of the relay according 'to the invention is the following: in conventional electrostatic relays, if in a certain position the conductive element (which depends heavily, among other factors, on the humidity) there is no possible manner of unsticking (except with an external intervention, such as drying it) since being the elastic recovery force, it is always the same (it depends only on the position) and cannot be increased. On the other hand, if the conductor element is connected to a relay according to the invention, it would always be possible to disconnect it by increasing the voltage.
  • the movement of the conductive element can be in various ways:
  • the conductive element can move along the intermediate space with a translational movement, that is to say in a substantially rectilinear manner (leaving aside possible blows or oscillations and / or movements caused by unforeseen external forces and / or unwanted) between the first zone and the second zone.
  • the conductive element has a substantially fixed end, around which the conductive element can rotate.
  • the rotation axis can act as a contact point of the external electrical circuit and the free end of the conductive element can move between the first zone and the second zone and make or not make contact with another contact point, depending on of your position.
  • this solution has a number of specific advantages.
  • the conductive element can move along the intermediate space with a movement that is the sum of a translation movement between the first zone and the second zone, induced by the electrostatic forces generated, and a movement perpendicular to the anterior, induced by a Coriolis force. This solution will be described in more detail later.
  • the first contact point is between the second zone and the conductive element. This allows to obtain a whole range of solutions that are discussed below.
  • the relay can be designed so that the first board is in the first zone.
  • a relay is achieved that has a lower activation voltage and a higher speed.
  • the relay has a lower speed, which means that the blows suffered by the conductive element and the stops are softer, and a lower power consumption. In this way you can choose one or another alternative depending on the specific requirements in each case.
  • a preferred embodiment of the invention is obtained when the second contact point is also in the second zone.
  • a relay is available in which the conductive element performs the substantially rectilinear translational movement.
  • the electrical circuit is closed, and it is possible to open the electrical circuit by various types of forces, which will be detailed more ahead.
  • To close the electrical circuit again it is sufficient to apply a voltage between the first plate and the second plate of the capacitor. This causes the conductive element to be attracted to the second zone, re-contacting the first and second contact points.
  • one way of obtaining the necessary force to open the circuit mentioned in the previous paragraph is by adding a third condenser plate arranged in the second zone, where the third condenser plate is less than or equal to the first condenser plate, and where the second and third condenser plates are, together, larger than the first condenser plate.
  • the first condenser plate is on one side of the intermediate space and the second and third condenser plates are on the other side of the intermediate space and close to each other. In this way, the displacement of the conductive element can be forced in both directions by electrostatic forces and, in addition, the closing of the external electrical circuit can be guaranteed even if the conductive element is at a voltage in principle unknown, which will be forced by the external circuit that close
  • the relay additionally comprises a third capacitor plate disposed in said second zone and a fourth capacitor plate disposed in said first zone, wherein said first capacitor plate and said second condenser plate are equal to each other, and said third condenser plate and said fourth condenser plate are equal to each other.
  • the relay additionally comprises a fifth capacitor plate arranged in the first zone and a sixth capacitor plate arranged in the second zone, where the fifth capacitor plate and the sixth capacitor plate are equal between yes.
  • increasing the amount of condenser plates has the advantage that manufacturing dispersions are better compensated.
  • the various plates can be activated independently, both from the point of view of the applied voltage and the moment of activation.
  • the six condenser plates could all be equal to each other or, alternatively the three plates could be made on the same side of different sizes from each other. This would minimize the activation voltages.
  • a relay that has three or more capacitor plates in each zone allows the following objectives to be achieved simultaneously:
  • the opening and closing of the relay can be guaranteed, regardless of the voltage imposed by the external electrical circuit to the conductive element when they come into contact,
  • the relay specifically has six capacitor plates in each zone, it could also meet the central symmetry requirement, which, as will be seen below, is another advantage of interest. Therefore, another preferred embodiment of the invention is obtained when the relay comprises six capacitor plates arranged in the first zone and six capacitor plates arranged in the second zone.
  • the relay comprises six capacitor plates arranged in the first zone and six capacitor plates arranged in the second zone.
  • increasing the amount of condenser plates in each zone allows greater flexibility and versatility in the design, while reducing the effect of the manufacturing dispersions, since the dispersions of each of the plates will tend to Compensate with the dispersions of the remaining plates.
  • the relay comprises a second stop (or as many second stops as there are first stops) between the first zone and the conductive element.
  • a geometric symmetry between the first zone and the second zone is also achieved.
  • the conductive element moves to the second zone, it can do so until it comes into contact with the first stops, and will close the external electrical circuit.
  • the conductive element moves towards the first zone, it can do so until it comes into contact with the second stop (s). In this way the route made by the conductive element is symmetrical.
  • the relay comprises a third contact point disposed between the first zone and the conductive element, where the third contact point defines a second stop, so that the conductive element closes a second circuit electrical when in contact with the second contact point and third contact point.
  • the relay acts as a switch, alternatively connecting the second contact point with the first contact point and the third contact point.
  • the conductive element comprises a hollow cylindrical part that defines an axis, inside which the second contact point is housed, and a flat part that emerges from one side of the hollow cylindrical part.
  • the flat part has a height, measured in the direction of the axis, which is less than the height of the cylindrical part, measured in the direction of the axis.
  • the cylindrical part is the one that rests on support surfaces (one at each end of the cylinder, and which extend between the first zone and the second zone) while the flat part is cantilevered with respect to the cylindrical part , since it has a lower height. Therefore the flat part is not in contact with walls or fixed surfaces (except the first and third contact points) and, in this way, the friction and engagement forces are reduced.
  • the second contact point is housed in the internal part of the cylindrical part, and it acts as the axis of rotation at the same time as the second contact point function.
  • the hollow cylindrical part defines a cylindrical hollow, which always has a curved surface at the second point of contact which reduces the risks of engagement and friction forces.
  • the conductive element comprises a hollow parallelepipedic part that defines an axis, inside which the second contact point is housed, and a flat part that emerges from one side of the hollow cylindrical part. radially and extending in the direction of the axis, where the flat part has a height, measured in the direction of the axis, which is less than the height of the parallelepipedic part, measured in the direction of the axis.
  • the parallelepipedic part defines a parallelepipedic hollow.
  • This solution can be particularly advantageous in the case of very small solutions, since then the resolution capacity of the manufacturing process (in particular in the case of procedures photolithography) forces the use of straight lines.
  • the determining geometry is the geometry of the inner hole and that, in fact, various combinations are possible:
  • the sections are rectangular, there should be sufficient clearance between the axis and the parallelepipedic part so that the conductive element can rotate around the axis. Also in the case of circular sections there may be large clearances between the axis and the cylindrical part, so that the actual movement made by the conductive element is a combination of a rotation around the axis and a translation between the first zone and the second zone . It should also be noted that it would also be possible that the second stop is not electrically connected to any electrical circuit: in this case there would be a relay that can open and close a single electrical circuit, but in which the conductive element moves through a turn (or by a turn combined with a translation).
  • the relay comprises a third contact point and a fourth contact point arranged between the first zone and the conductive element, where the third contact point and the fourth contact point define a few second stops, so that the conductive element closes a second electrical circuit when in contact with the third contact point and the fourth contact point.
  • the relay can connect two electrical circuits alternately.
  • each of the sets of the condenser plates arranged in each of the first zone and second zone has central symmetry with respect to of a symmetry center, where said symmetry center is superimposed on the center of mass of the conductive element.
  • each set of condenser plates arranged in each of the zones generates a force field on the conductive element. If the resultant of this force field has a non-zero moment with respect to the center of mass of the conductive element, the conductive element will not only undergo a translation, but will also experience a rotation around its center of mass.
  • the plate assemblies of each zone have central symmetry in the event that this rotation does not interest or, on the contrary, it may be convenient to provide that there is a central asymmetry, in the case that it is of interest to induce a rotation in the conductive element with respect to its center of mass, for example to overcome friction and / or engagement forces.
  • the conductive element is usually physically enclosed in the intermediate space, between the first zone, the second zone and side walls.
  • a clearance that is small enough to geometrically prevent the conductive element from coming into contact simultaneously with a contact point of the group formed by the first and second contact point and with a contact point. of the group formed by the third and fourth contact point. That is, the conductive element is prevented from being crossed in the intermediate space such that it communicates the first electrical circuit with the second electrical circuit.
  • the conductive element has rounded external surfaces, preferably cylindrical or spherical.
  • the spherical solution minimizes the friction forces and the hooks in all directions, while the cylindrical solution, with the cylinder bases facing the first and second zone allows to obtain reduced friction forces with the side walls and surfaces facing the condenser plates that are large and effective for the generation of electrostatic forces. It also has more contact surface with the contact points, which decreases the electrical resistance that is introduced into the switched electrical circuit.
  • the conductive element has an upper face and a lower face, which are perpendicular to the displacement of the conductive element, and at least one lateral face, it is advantageous for the lateral face to have brief protuberances. These protuberances will also reduce the hooks and friction forces between the side face and the side walls of the intermediate space.
  • the conductive element is hollow. This allows to save mass which allows to have minor inertia.
  • the relay has two capacitor plates (the first plate and the second plate) and that both are in the second zone, it is advantageous that the first capacitor plate and the second condenser plate have the same surface, since that in this way the minimum activation voltage is obtained for the same total surface of the device.
  • the relay has two capacitor plates (the first plate and the second plate) and that the first plate is in the first zone while the second plate is in the second zone, it is advantageous that the first capacitor plate have a surface that is equal to twice the surface of the second condenser plate, since in this way the minimum activation voltage is obtained for the same total surface of the device.
  • a relay of the invention is obtained when one of the capacitor plates simultaneously functions as a capacitor plate and a contact point (and, consequently, a stopper). This device would allow the other contact point (that of the external electrical circuit) to be connected to a fixed voltage (usually VCC or GND) or leave it at high impedance.
  • a subject of the invention is also preferred uses of relays according to the invention. Apart from the use as an electrical switch and as an electrical switch, the relay according to the invention can be used as a sensor of various physical quantities.
  • the physical magnitude to be measured exercises a force to open the electrical circuit and by a given voltage applied to the condenser plates a force that counteracts the former and recloses the circuit generates' external electric ( or vice versa, that is, it is necessary to apply a voltage to keep the electrical circuit open while the physical magnitude to be measured tends to close the circuit).
  • the determination of the required voltage makes it possible to determine the value of the physical quantity to be measured.
  • miniaturization allows the inclusion of several sensors simultaneously, which makes the determination of the corresponding value more reliable. The increase in reliability is due to the possibility that these different sensors measure the same magnitude, and then an average is made.
  • a particularly advantageous alternative is obtained by having a relay according to the invention with electrical contacts in the two zones, that is to say 3 or 4 contacts in total, since in this case the physical magnitude to be determined can be measured from the time that elapses between the contact with the electrical contact (s) in one area being interrupted and the electrical contact established with the electrical contact (s) of the other area, at tension constant (or even varying the voltage as another parameter to take into account.
  • Accelerometer the force due to external acceleration displaces the conductive element, opening the electrical circuit.
  • the voltage applied to the condenser plates creates a force in the opposite direction.
  • the required voltage and, therefore, the acceleration to which the conductive element has been subjected can be determined. It could also be done the other way around, as already mentioned before, so that the external acceleration is the one that tends to close the circuit.
  • the miniaturization allows to have various sensors, and oriented according to the three coordinate axes. Particular cases of this use are: for airbags and as inclinometers.
  • Pressure sensor if the electrical element separates two chambers subjected to different pressures (a pressure to be determined and a reference pressure), the air pressure, or in general of any non-conductive fluid, applied to one of the faces of the conductive element will tend to open (or close) the electrical circuit. The voltage necessary to be able to close (open) the circuit again makes it possible to determine the pressure of said fluid or, specifically, the difference in pressure between said fluid and the reference chamber. A particular case of this type of sensor would be a microphone.
  • a relay according to the invention can be used as a flow sensor.
  • the force generated by the magnitude to be measured can be counteracted, in this case the hydraulic or aerodynamic force generated by the fluid current.
  • the fluid cannot be an electrical conductor.
  • Temperature sensor In this case it is taken into account that the time it takes for the relay to switch depends basically on the external acceleration, the applied voltage and the area coefficients of the condenser plates. If these plates are made with different thermal expansion coefficient materials, then the area coefficients of the condenser plates will change with temperature. In this way there is a relationship between the switching time and the temperature for a given voltage applied to the plates. For the same reason, the minimum voltage necessary for the relay to switch depends on the temperature.
  • Coriolis force detector usually called gyroscopes. These detectors determine the speed of rotation of an object by determining the strength of Coriolis. This requires a relay that has capacitor plates arranged in the first zone and in the second zone, and contact points arranged in an axis perpendicular to the axis first zone - second zone. The conductive element must be kept moving continuously from one end to the other so that it always has a certain speed, which will depend on the voltage applied to the condenser plates.
  • first zone - second zone axis If there is a rotation speed that is perpendicular to the plane formed by the axis of motion (first zone - second zone axis), and the contact points, then the conductive element will experience a Coriolis acceleration that will be perpendicular to the first zone - second axis zone. This will cause the conductive element to touch the contact points on one side (or on the opposite side, depending on the direction of rotation) if the voltage applied to the condenser plates and, therefore, the speed with which the conductive element, is sufficiently high. Touching the contact points will close the external circuit that will confirm that the precise conditions have taken place.
  • the magnitude of the external rotation will therefore be related to the magnitude of the voltage applied to the condenser plates, and the direction of rotation will be known depending on which of the two pairs of contacts has been short-circuited, taking into account the sense of the speed that was being given at that moment to the conductive element. They can be included simultaneously sensors of this type in three perpendicular directions, which allows to obtain the value of any rotation in space.
  • the conductive element is of a material capable of reacting and / or absorbing molecules of a given gas (or has this material incorporated), a conductive element of variable mass is obtained depending on the concentration of said gas. This change in mass influences the activation voltage, as well as the time it takes to move from one end to the other. In this way the gas concentration can be determined.
  • the corresponding magnitude can be determined on the basis of detecting in each case what is the minimum voltage necessary to switch the relay, or detecting what is the switching time for a fixed applied voltage. In general it is simpler to detect the switching time, since it can be increased in a simple way with digital technology, while generating variable voltages implies using analog circuits. However, in the event that the voltage that makes the relay switch is detected, it has the advantage that the relay switches many times less, which reduces its wear and extends its long-term reliability and its useful life.
  • a relay As a magnetic field sensor.
  • the relay must be in the closed position, that is, with the conductive element closing the first external electrical circuit, and a current of a certain intensity must pass through the conductive element. If the relay is subjected to a magnetic field, the conductive element will be subjected to a magnetic force and, if the direction is adequate, this magnetic force will tend to open the electrical circuit.
  • a spatial component of the magnetic field can be determined and in a certain direction.
  • the entire magnetic field can be determined. If the relay has electrical contact points both in the first zone and in the second one, so that it can close two external electrical circuits, then with a single relay a spatial component of the magnetic field can be determined, regardless of its sense, since if the conductive element in one zone, the magnetic field tends to press it against the contact points instead of separating it, by placing the conductive element in the opposite zone, the magnetic field will tend to separate it from the contact points, and its value can be determined . Knowing with which of the electrical circuits the value has been determined, its meaning can be known.
  • the electrical circuit in order to use the relay as a magnetic field detector, the electrical circuit must be closed and a sufficiently high electrical current must pass through the conductive element, so that it experiences the corresponding magnetic force.
  • the magnetic field sensor may include various relays, some responsible for detecting the magnetic force as discussed above, and others responsible for measuring accelerations, as discussed in the corresponding section. By subtracting the values obtained for each component, the real magnetic field can be determined.
  • the same relay can perform magnetic field readings (causing current to pass through the conductive element) interspersed with acceleration readings (no current through the conductive element).
  • Fig. 1 a simplified scheme of a relay with two capacitor plates in its second zone.
  • Fig. 2 a simplified scheme of a relay with two capacitor plates, one in each of its zones.
  • Fig. 3 a simplified scheme of a relay with three capacitor plates.
  • Fig. 4 a perspective view of a first embodiment of a relay according to the invention, without cover.
  • Fig. 5 a plan view of the relay of Fig. 4.
  • Fig. 6 a perspective view of a second embodiment of a relay according to the invention.
  • Fig. 7 a perspective view of the relay of Fig. 6 to which the components of the upper end have been removed.
  • Fig. 8 a perspective view of the lower elements of the relay of Fig. 6.
  • Fig. 9 a perspective view of a third embodiment of a relay according to the invention, without cover.
  • Fig. 10 a perspective perspective view of the cylindrical part of the relay of Fig. 9.
  • Fig. 11 a perspective view of a fourth embodiment of a relay according to the invention.
  • Fig. 12 a perspective view of a fifth embodiment of a relay according to the invention.
  • Fig. 13 a plan view of a sixth embodiment of a relay according to the invention.
  • Fig. 14 a perspective view of a seventh embodiment of a relay according to the invention.
  • FIG. 15 a bottom perspective view, without substrate, of an eighth embodiment of a relay according to the invention.
  • Fig. 16 a sphere made by surface micromachining.
  • Fig. 17 a perspective view of a ninth embodiment of a relay according to the invention.
  • Fig. 18 a plan view, without cover, of a tenth embodiment of a relay according to the invention.
  • the preferred embodiments of the invention represented in Figs. they include a combination of the various alternatives and options explained above, although a person skilled in the art will be able to see that they are alternatives and options that can be combined in various ways with each other.
  • a first basic mode of operation of a relay according to the invention is shown in Fig. 1.
  • the relay defines an intermediate space 25 in which a conductive element 7 is housed, which can be freely moved along the intermediate space 25, since it is physically a loose piece that is not physically attached to the walls defining the intermediate space. 25.
  • the relay also defines a first zone, to the left of Fig. 1, and a second zone, to the right of Fig. 1. In the second zone, a first capacitor plate 3 and a second plate are arranged.
  • condenser 9. In the example shown in Fig. 1 both condenser plates 3 and 9 are of different areas, although they could be equal to each other.
  • the first capacitor board 3 and the second capacitor board 9 are connected to a control circuit CC.
  • first stops 13 which are a first contact point 15 and a second contact point 17 of a first external electrical circuit CE1, so that the first external electrical circuit CE1 is closed.
  • FIG. 2 A second basic mode of operation of a relay according to the invention is shown in Fig. 2.
  • the relay again defines an intermediate space 25 in which a conductive element 7 is housed, which can be freely moved along the intermediate space 25, a first zone, to the left of Fig. 2, and a second zone, to on the right of Fig. 2.
  • a second condenser plate 9 is arranged in the second zone while a first condenser plate 3 is arranged in the first zone.
  • the first condenser plate 3 and the second plate of capacitor 9 are connected to a DC control circuit.
  • the relay configurations of Figs. 1 and 2 are suitable for use as sensors, where the magnitude to be measured exerts a force that is that which will be counteracted by the electrostatic force induced in the conductive element 7. As they have been represented, in both cases the magnitude to be measured shall exert a force tending to open the electrical circuit CE1, while the electrostatic force will tend to close it.
  • the relay can be designed to work exactly the other way around: so that the magnitude to be measured tends to close the electrical circuit CE1 while the electrostatic force tends to open it.
  • the first stops 13 should be positioned to the left of Figs. 1 and 2, together with the corresponding electrical circuit CE1. In Fig. 1 this possibility has been shown with dashed lines.
  • the sensor will be able to detect the magnitude in both directions, although it must change the algorithm, going from trying to close to trying to open, when it detects that there has been a change of direction, what will happen when it fails to close / open with the minimum ma tension, which is zero. It should be remembered that the sign of the applied voltage does not affect the direction of movement of the conductive element 7.
  • the relay of Fig. 3 also has a second external electrical circuit CE2 connected to the second stops 19, so that these second stops 19 define a third contact point 21 and a fourth contact point 23.
  • a relay designed to be manufactured with EFAB technology is observed.
  • This technology of manufacturing micromechanisms by layer deposition is known to one skilled in the art, and allows the realization of many layers and has great flexibility in the design of three-dimensional structures.
  • the relay is mounted on a substrate 1 that performs a support function, and which in various Figs. It has not been represented for simplicity.
  • the relay has a first capacitor plate 3 and a fourth capacitor plate 5 arranged on the left (according to Fig. 5) of a conductive element 7, and a second capacitor plate 9 and a third capacitor plate 11 arranged to the right of the conductive element 7.
  • the relay also has two first stops 13 which are the first contact point 15 and the second contact point 17, and two second stops 19 which are the third contact point 21 and the fourth point of contact 23.
  • the relay is covered by its upper part, although this cover is not shown in order to appreciate the interior details.
  • the relay moves from left to right, and vice versa, according to Fig. 5, across the intermediate space 25.
  • the first stops 13 and the second stops 19 are closer to the conductive element 7 than the condenser plates 3, 5, 9 and 11. In this way the conductive element 7 can be moved from left to right, closing the corresponding electrical circuits, without interfering with the capacitor plates 3, 5, 9 and 11, and their corresponding control circuits .
  • the conductive element 7 has a hollow internal space 27.
  • Figs. 6 to 8 another relay designed to be manufactured with EFAB technology is observed.
  • the conductive element 7 moves vertically, according to Figs. 6 to 8.
  • the use of one or another alternative of relay movement depends on design criteria. Manufacturing technology consists of the deposit of various layers. In all Figs. the dimensions in vertical sense are very exaggerated, that is to say the physical devices are much flatter than what is shown in all Figs. In the case that it is of interest to obtain large condenser surfaces, it will be preferable to construct the relay in a manner similar to that shown in Figs.
  • the relay of Figs. 6 to 8 is very similar to the relay of Figs. 4 and 5, and presents the first condenser plate 3 and the fourth condenser plate 5 arranged in the lower part (Fig. 8), as well as the second stops 19 which are the third contact point 21 and the fourth contact point 23.
  • the second stops 19 are above the condenser plates, so that the conductive element 7 can rest on the second stops 19 without coming into contact with the first and fourth condenser plates 3, 5.
  • the third condenser plate 11 and two first stops 13 which are the first contact point 15 and the second contact point 17.
  • the present clearance between the conductive element 7 and the side walls 29 is also small enough to prevent the first contact point 15 from coming into contact with the third contact point 21 or the second contact point 17 with the fourth contact point 23.
  • the relay shown in Figs. 9 and 10 is an example of a relay in which the movement of the conductive element 7 is substantially a rotation around one of its ends.
  • This relay has a first capacitor plate 3, a second capacitor plate 9, a third capacitor plate 11 and a fourth capacitor plate 5, all mounted on a substrate 1. Additionally it has a first contact point 15 and a third point 21 contact each other. The distance between the first contact point 15 and the third contact point 21 is less than the distance between the condenser plates.
  • the conductive element 7 has a cylindrical part 31 that is hollow, where the hollow is also cylindrical. Inside the cylindrical bore there is a second contact point 17, which is circular in section.
  • the conductive element 7 will establish an electrical contact between the first contact point 15 and the second contact point 17 or the third contact point 21 and the second contact point 17.
  • the movement performed by the conductive element 7 is substantially a rotation around the axis defined by the cylindrical part 31.
  • the clearance between the second contact point 17 and the cylindrical part 31 is exaggerated in Fig. 9, however it is true that there is a certain clearance with which the movement made by the conductive element 7 it is not a pure rotation but it really is a combination of a rotation and a translation.
  • a flat part 33 having a height less than the cylindrical part 31, measured in the direction of the axis of said cylindrical part 31.
  • Fig. 10 in which he sees an almost profile view of the cylindrical part 31 and the flat part 33. This prevents the flat part 33 from being in contact with the substrate 1, which reduces the friction forces and the hooks.
  • a relay could be designed conceptually equivalent to that of Figs. 9 and 10.
  • the first contact point 15 and / or the third contact point 21 are eliminated, then it will be the condenser plates themselves (specifically the third condenser plate 11 and the fourth condenser plate 5) that will make points of contact and stops.
  • this voltage is always VCC or GND.
  • Another possible case would be if, for example, the third contact point 21 was not electrically connected to any external circuit. Then the third contact point would only be a stop, and when the conductive element 7 was putting the second contact point 17 in contact with the third contact point 21, the circuit would remain with the second contact point 17 at high impedance.
  • the relay shown in Fig. 11 is designed to be manufactured with polyMUMPS technology. As already mentioned above, this technology is known to a person skilled in the art, and is characterized by being a surface micromachining of 3 structural and 2 sacrificial layers. However, conceptually it is similar to the relay shown in Figs. 9 and 10, although there are some differences. Thus, in the relay of Fig. 11, the first capacitor plate 3 is equal to the third capacitor plate 11, but is different from the second capacitor plate 9 and the fourth capacitor plate 5, which are equal to each other and smaller than the previous ones. On the other hand, the second contact point 17 has a widening at its upper end which allows the conductive element 7 to be retained in the intermediate space 25. The second contact point 17 of Figs.
  • FIG. 12 another relay designed to be manufactured with polyMUMPS technology is shown. This relay is similar to the relay of Figs. 4 and 5, although it additionally has a fifth condenser plate 35 and a sixth condenser plate 37.
  • Fig. 13 a relay equivalent to that shown in Figs. 4 and 5, but having six condenser plates in the first zone and six condenser plates in the second zone.
  • the upper cover is observed that prevents the conductive element 7 from coming out.
  • Figs. 14 and 15 shows a relay that has the conductive element 7 cylindrical.
  • the side walls 29 surrounding the conductive element are parallelepipedic, while in the relay of Fig. 15 the side walls 29 surrounding the conductive element 7 are cylindrical.
  • a sphere manufactured by surface micromachining is shown, being observed that it is formed by a plurality of cylindrical discs of varying diameters.
  • a relay with a spherical conductor element 7 such as that of Fig. 16 can be, for example, very similar conceptually to that of Figs. 14 or 15 replacing the cylindrical conductor element 7 with the spherical one. Only geometric adjustments must be taken into account in the arrangement of the condenser plates and the contact points at the upper end, to prevent the spherical conductor element 7 from touching the condenser plates first than the contact points or, where appropriate, the corresponding ceilings.
  • a variant of a relay according to the invention is shown in Fig. 18.
  • the relay has a first control board sador 3 and a fourth condenser plate 5 arranged on the left (according to Fig. 18) of a conductive element 7, and a second condenser plate 9 and a third condenser plate 11 arranged to the right of the conductive element 7
  • the relay also has two first stops 13, which are the first contact point 15 and the second contact point 17, at the top of Fig. 18, and two second stops 19 which are the third contact point 21 and the fourth contact point 23, in the lower part of Fig. 18.
  • the conductive element 7 moves in a zig-zag position between the condenser plates thanks to voltages applied between them. If the relay is subjected to Coriolis forces, the conductive element 7 will move laterally, that is, up or down according to Fig. 18 (assuming that the rotational movement is perpendicular to the paper).
  • the Coriolis force and, consequently, the rotation speed can be determined.
  • the relay additionally has third stops 43 and fourth stops 45 which can (additionally and optionally) be electrical contacts Also, thus, the limit switch of each zigzag movement is detected by the closing of the corresponding electrical circuit, which is used by the relay control circuit.
  • the position of the conductive element 7 could be determined by others procedures known to a person skilled in the art.

Abstract

La invención tiene por objeto un relé miniaturizado que comprende una primera zona enfrentada a una segunda zona, una primera placa de condensador (3), una segunda placa de condensador (9) dispuesta en la segunda zona, y menor o igual que la primera placa, un espacio intermedio (25) entre ambas zonas, un elemento conductor (7) dispuesto en el espacio intermedio (25) y que es mecánicamente independiente de las paredes adyacentes y puede desplazarse libremente a través del espacio intermedio (25) en función de unos voltajes presentes entre ambas placas, unos puntos de contacto (15, 17) de un circuito eléctrico, donde el elemento conductor (7) cierra el circuito eléctrico al topar con los puntos de contacto (15, 17). Estos relés pueden usarse, por ejemplo, como: acelerómetro, acelerómetro en airbags, inclinómetro, detector de fuerzas de Coriolis, micrófono, para aplicaciones acústicas, sensor de presión, caudal, temperatura, gas, campo magnético, etc.

Description

RELÉ MINIATURIZADO Y USOS CORRESPONDIENTES
Campo de la invención
La invención se refiere a un relé miniaturizado. La invención se refiere asimismo a diversos usos de relés miniaturizados de acuerdo con la invención.
Estado de la técnica
Actualmente hay varias alternativas para la realización de relés miniaturizados, en particular, dentro de la tecnología denominada MEMS (micro electro-mechanical systems - sistemas microelectromecánicos), Microsystems (microsistemas) y/o Micromachines (micromáquinas). En principio pueden clasificarse según el tipo de fuerza o mecanismo de actuación que usan para mover el electrodo de contacto. Así, se suelen clasificar como relés electrostáticos, magnéticos, térmicos o piezo- eléctricos. Cada uno de ellos tiene sus ventajas e inconvenientes. Sin embargo las técnicas de miniaturización exigen el empleo de tensiones de activación lo más pequeñas posibles y superficies lo más pequeñas posibles. Los relés conocidos en el estado de la técnica tienen diversos problemas para poder avanzar en este sentido.
Una forma de reducir la tensión de activación es precisamente incrementar las superficies del relé, lo que dificulta su miniaturización, aparte de ser más sensible a la aparición de deformaciones lo que reduce la vida útil y fiabilidad del relé. En los relés electrostáticos, otra solución para disminuir la tensión de activación es reducir mucho el espacio entre los electrodos, o emplear electrodos muy delgados o em- plear materiales especiales, de manera que la fuerza mecánica de recuperación sea muy baja. Sin embargo esto trae consigo otros problemas de enganchamiento, ya que las fuerzas de capilaridad se hacen muy importantes, lo que reduce asimismo la vida útil y la fiabilidad de estos relés. El empleo de tensiones de activación elevadas tiene asimismo otros efectos negativos como la ionización de los componentes, el desgaste acelerado debido a los fuertes golpes mecánicos y el ruido eléctrico que genera todo el relé.
Los relés electrostáticos tienen también un problema importante de fiabilidad debido al fenómeno llamado "pull-in", y que consiste en que, superado un cierto umbral de tensión, el electrodo de contacto se mueve acelerándose cada vez más contra el otro electrodo libre. Esto es debido a que conforme se cierra el relé, el condensador que ejerce la fuerza electrostática para este cierre, aumenta mucho su capacidad (y llegaría a infinito si no se pusiera un tope antes). La consecuencia de esto es un desgaste importante de los electrodos debido al elevado campo eléctrico que se genera y al choque debido a la aceleración que ha sufrido el electrodo móvil.
Las soluciones térmicas, magnéticas y piezoeléctricas requieren materiales y procesos de micromecanizado especiales, de forma que se hace difícil y/o costoso integrarlos en dispositivos MEMS más complejos, o en un mismo integrado con circuitería electrónica. Además la solución térmica es muy lenta (es decir, el circuito tarda mucho en cerrarse o abrirse), y consume mucha potencia. La solución magnética hace ruido electromagnético, que dificulta mucho más el poder tener circuite- ria electrónica cerca, y requiere elevadas corrientes de pico para su conmutación.
En la presente memoria debe entenderse como relé todo dispositivo apto para abrir y cerrar por lo menos un circuito eléctrico externo, donde por lo menos una de las acciones de apertura y cierre del circuito eléctrico externo se hace mediante una señal electromagnética.
En la presente descripción y reivindicaciones se ha empleado la expresión "punto de contacto" para referirse a superficies de contacto en las que se realiza (o puede realizar) un contacto eléctrico. En este sentido, no se deben interpretar como pun- tos en sentido geométrico, ya que son elementos tridimensionales, sino en sentido eléctrico, como puntos de un circuito eléctrico. Sumario de la invención
La invención tiene por objeto superar estos inconvenientes. Esta finalidad se consigue mediante un relé miniaturizado caracterizado porque comprende: - una primera zona enfrentada a una segunda zona,
- una primera placa de condensador,
- una segunda placa de condensador dispuesta en la segunda zona, donde la segunda placa es menor o igual que la primera placa,
- un espacio intermedio dispuesto entre la primera zona y la segunda zona, - un elemento conductor dispuesto en el espacio intermedio, el elemento conductor siendo mecánicamente independiente de la primera zona y la segunda zona y siendo apto para efectuar un desplazamiento a través del espacio intermedio en función de unos voltajes presentes en las primera y segunda placas de condensador,
- un primer punto de contacto de un circuito eléctrico, un segundo punto de contacto del circuito eléctrico, donde el primer y el segundo punto de contacto definen unos primeros topes, donde el elemento conductor es apto para entrar en contacto con los primeros topes y donde el elemento conductor cierra el circuito eléctrico cuando está en contacto con los primeros topes.
Efectivamente el relé de acuerdo con la invención tiene el elemento conductor, es decir el elemento responsable de que se abra y se cierre el circuito eléctrico externo (a través del primer punto de contacto y del segundo punto de contacto), como una pieza suelta capaz de moverse libremente. Es decir no se está empleando la fuerza elástica del material para forzar uno de los movimientos del relé. Ello permite una pluralidad de soluciones diferentes, todas ellas gozando de la ventaja de requerir unas tensiones de activación muy pequeñas y permitiendo unos tamaños de diseño muy pequeños. El elemento conductor está alojado en el espacio intermedio. El espacio intermedio está cerrado por la primera y la segunda zona y por unas paredes laterales que impiden que el elemento conductor se salga del espacio interme- dio. Al aplicar unos voltajes a la primera y a la segunda placa de condensador se inducen unos repartos de cargas en el elemento conductor que generan unas fuerzas electrostáticas que consiguen desplazar el elemento conductor en un sentido a lo largo del espacio intermedio. Mediante diferentes diseños que se detallarán a continuación se puede aprovechar este efecto de diversas maneras.
Adicionalmente, un relé de acuerdo con la invención resuelve asimismo satisfacto- riamente el problema del "pull-in" anteriormente citado.
Otra ventaja adicional del relé de acuerdo' con la invención es la siguiente: en los relés electrostáticos convencionales, si en una posición determinada se engancha el elemento conductor (lo cual depende mucho, entre otros factores, de la húmedad) no hay forma de desengancharlo (excepto con una intervención externa, como por ejemplo secándolo) ya que al ser la fuerza de recuperación elástica, siempre es la misma (depende solamente de la posición) y no se puede aumentar. En cambio, si a un relé de acuerdo con la invención se le engancha el elemento conductor, siempre sería posible desengancharlo a base de aumentar el voltaje.
En función de la geometría del espacio intermedio y del posicionamiento de las placas de condensador se pueden conseguir diversos tipos de relés, con diversas aplicaciones y diversos modos de funcionamiento.
Por ejemplo, el movimiento del elemento conductor puede ser de diversas maneras:
- una primera posibilidad es que el elemento conductor pueda moverse a lo largo del espacio intermedio con un movimiento de traslación, es decir, de una forma substancialmente rectilínea (dejando aparte posibles golpes u oscilaciones y/o mo- vimientos provocados por fuerzas externas no previstas y/o indeseadas) entre la primera zona y la segunda zona.
- una segunda posibilidad es que el elemento conductor tenga un extremo substancialmente fijo, alrededor del cual pueda rotar el elemento conductor. El eje de rota- ción puede hacer la función de punto de contacto del circuito eléctrico externo y el extremo libre del elemento conductor puede desplazarse entre las primera zona y la segunda zona y hacer o no hacer contacto con otro punto de contacto, en función de su posición. Como se comentará a continuación, esta solución tiene una serie de ventajas específicas.
- una tercera posibilidad es que el elemento conductor pueda moverse a lo largo del espacio intermedio con un movimiento que es la suma de un movimiento de traslación entre la primera zona y la segunda zona, inducido por las fuerzas electrostáticas generadas, y un movimiento perpendicular al anterior, inducido por una fuerza de Coriolis. Posteriormente se describirá con más detalle esta solución.
Ventajosamente el primer punto de contacto está entre la segunda zona y el elemento conductor. Ello permite obtener toda una gama de soluciones que se comentan a continuación.
Una forma preferente de realización se obtiene cuando la primera placa está en la segunda zona. Alternativamente se puede diseñar el relé de manera que la primera placa esté en la primera zona. En el primer caso se consigue un relé que tiene una menor tensión de activación y una mayor velocidad. Por el contrario, en el segundo caso el relé presenta una velocidad menor, lo cual significa que los golpes que sufren el elemento conductor y los topes son más suaves, y un consumo de potencia menor. De esta manera se puede elegir una u otra alternativa en función de los requerimientos específicos en cada caso.
Una forma preferente de realización de la invención se obtiene cuando el segundo punto de contacto se encuentra asimismo en la segunda zona. En este caso se dispone de un relé en el que el elemento conductor realiza el movimiento de traslación substancialmente rectilíneo. Cuando el elemento conductor está en contacto con los primeros topes, es decir con el primer y el segundo punto de contacto del circuito eléctrico, el circuito eléctrico está cerrado, y es posible abrir el circuito eléctrico mediante diversos tipos de fuerzas, que se detallarán más adelante. Para vol- ver a cerrar el circuito eléctrico, es suficiente con aplicar un voltaje entre la primera placa y la segunda placa del condensador. Ello provoca que el elemento conductor sea atraído hacia la segunda zona, volviendo a contactar con el primer y el segundo punto de contacto. En el caso que se disponga de la primera placa de condensador en la primera zona y de la segunda placa de condensador en la segunda zona, una forma de conseguir la fuerza necesaria para abrir el circuito citada en el párrafo anterior es mediante la adición de una tercera placa de condensador dispuesta en la segunda zona, donde la tercera placa de condensador es menor o igual que la primera placa de condensador, y donde las segunda y tercera placas de condensador son, juntas, mayores que la primera placa de condensador. Con esta distribución la primera placa de condensador está a un lado del espacio intermedio y la segunda y la tercera placas de condensador están al otro lado del espacio intermedio y próximas entre sí. De esta forma se puede forzar el desplazamiento del elemento conductor en ambos sentidos mediante fuerzas electrostáticas y, además, se puede garantizar el cierre del circuito eléctrico externo aunque el elemento conductor quede a un voltaje en principio desconocido, que será forzado por el circuito externo que cierra.
Otra forma preferente de realización de la invención se obtiene cuando el relé comprende adicionalmente una tercera placa de condensador dispuesta en dicha segunda zona y una cuarta placa de condensador dispuesta en dicha primera zona, donde dicha primera placa de condensador y dicha segunda placa de condensador son iguales entre sí, y dicha tercera placa de condensador y dicha cuarta placa de condensador son iguales entre sí. Efectivamente de esta manera, si se desea que el elemento conductor se desplace hacia la segunda zona, se puede aplicar un voltaje a la primera y cuarta placas de condensador, por un lado, y a la segunda o a la tercera placas de condensador, por el otro lado. Dado que el elemento conductor se desplazará hacia el lugar en el que esté la placa de condensador más pequeña, se desplazará hacia la segunda zona. Asimismo se puede conseguir que la placa de condensador se desplace hacia la primera zona aplicando un voltaje a la segunda y a la tercera placa del condensador y a la primera o a la cuarta placas de condensador. La virtud de esta solución, respecto de la solución más sencilla única- mente con tres placas de condensador, es que es totalmente simétrica, es decir, se puede conseguir exactamente el mismo comportamiento de relé tanto cuando el elemento conductor se desplaza hacia la segunda zona como cuando se desplaza hacia la primera zona. Ventajosamente las primera, segunda, tercera y cuarta pía- cas de condensador son todas iguales entre sí, ya que en general es conveniente que el relé presente diversas simetrías en su diseño. Por un lado está la simetría respecto de la primera y la segunda zona, que acaba de ser comentada. Por otro lado es necesario conservar otros tipos de simetría para evitar otros problemas, como por ejemplo problemas de rotaciones o balanceos del elemento conductor que se comentarán más adelante. En este sentido es particularmente interesante que el relé comprenda, adicionalmente, una quinta placa de condensador dispuesta en la primera zona y una sexta placa de condensador dispuesta en la segunda zona, donde la quinta placa de condensador y la sexta placa de condensador son iguales entre sí. Por un lado el incrementar la cantidad de placas de condensador tiene la ventaja de que las dispersiones de fabricación se compensan mejor. Por otro lado las diversas placas se pueden activar independientemente, tanto desde el punto de vista del voltaje aplicado como del momento de activación. Las seis placas de condensador podrían ser todas iguales entre sí o, alternativamente se podrían hacer las tres placas de un mismo lado de tamaños diferentes entre sí. Ello permitiría minimizar las tensiones de activación. Un relé que tenga tres o más placas de condensador en cada zona permite conseguir simultáneamente los siguientes objetivos:
- puede funcionar en los dos sentidos de una forma simétrica,
- tiene un diseño que permite la mínima tensión de activación para unas dimensiones globales del relé fijas, ya que teniendo dos placas activas en una zona y una placa activa en la otra zona siempre podrán tener áreas distintas,
- permite minimizar el consumo de corriente y de potencia, y permite tener un fun- cionamiento más suave del relé,
- se puede garantizar la apertura y cierre del relé, independientemente del voltaje que imponga el circuito eléctrico externo al elemento conductor cuando entran en contacto,
- si el relé tiene específicamente seis placas de condensador en cada zona, podría cumplir además con el requisito de simetría central que, como se verá más adelante es otra ventaja de interés. Por lo tanto otra forma preferente de realización de la invención se obtiene cuando el relé comprende seis placas de condensador dispuestas en la primera zona y seis placas de condensador dispuestas en la segunda zona. Sin embargo, no es imprescindible tener seis placas de condensador en cada zona para conseguir simetría central: es posible conseguirla también, por ejemplo, con tres placas de condensador en cada zona, si bien en este caso se debe renunciar a minimizar el consumo de corriente y potencia y a optimizar el funcionamiento "suave" del relé. En general, aumentar la cantidad de placas de condensador en cada zona permite una mayor flexibilidad y versatilidad en el diseño, al mismo tiempo que permite reducir el efecto de las dispersiones propias de fabricación, ya que las dispersiones de cada una de las placas tenderá a compensarse con las dispersiones de las restantes placas.
Sin embargo no debe descartarse que en determinados casos pueda ser interesante provocar deliberadamente la existencia de momentos de fuerza para forzar que el elemento conductor efectúa algún tipo de giro adicionalmente al movimiento de traslación. Ello puede ser interesante, por ejemplo, para vencer posibles engan- ches o rozamientos del elemento conductor con respecto de paredes fijas.
Ventajosamente el relé comprende un segundo tope (o tantos segundos topes como primeros topes haya) entre la primera zona y el elemento conductor. De esta manera se consigue también una simetría geométrica entre la primera zona y la segunda zona. Cuando el elemento conductor se desplace hacia la segunda zona, lo podrá hacer hasta entrar en contacto con los primeros topes, y cerrará el circuito eléctrico exterior. Cuando el elemento conductor se desplace hacia la primera zona, lo podrá hacer hasta entrar en contacto con el o los segundos topes. De esta manera el recorrido realizado por el elemento conductor es simétrico.
Otra forma preferente de realización de la invención se obtiene cuando el relé comprende un tercer punto de contacto dispuesto entre la primera zona y el elemento conductor, donde el tercer punto de contacto define un segundo tope, de manera que el elemento conductor cierra un segundo circuito eléctrico cuando está en contacto con el segundo punto de contacto y tercer punto de contacto. En este caso el relé actúa como un conmutador, conectando alternativamente el segundo punto de contacto con el primer punto de contacto y con el tercer punto de contacto. Una forma de realización particularmente ventajosa del caso anterior se obtiene cuando el elemento conductor comprende una parte cilindrica hueca que define un eje, en cuyo interior se aloja el segundo punto de contacto, y una parte plana que sale de un lado de la parte cilindrica hueca radialmente y que se extiende en senti- do del eje, donde la parte plana tiene una altura, medida en sentido del eje, que es menor que la altura de la parte cilindrica, medida en sentido del eje. Este caso particular cumple simultáneamente con la circunstancia que el elemento conductor realiza un movimiento de rotación alrededor de uno de sus extremos (ver la "segunda posibilidad" citada anteriormente). Además, la parte cilindrica es la que descan- sa sobre unas superficies de apoyo (una a cada extremo del cilindro, y que se extienden entre la primera zona y la segunda zona) mientras que la parte plana sale en voladizo respecto de la parte cilindrica, ya que tiene una altura menor. Por lo tanto la parte plana no está en contacto con paredes o superficies fijas (excepto el primer y el tercer punto de contacto) y, de esta manera, se reducen las fuerzas de rozamiento y de enganche. Por su parte, el segundo punto de contacto está alojado en la parte interna de la parte cilindrica, y hace la función de eje de giro al mismo tiempo que la función de segundo punto de contacto. Así, se establece una conexión eléctrica entre el primer punto de contacto y el segundo punto de contacto o entre el tercer punto de contacto y el segundo punto de contacto. La parte cilindrica hueca define un hueco cilindrico, que siempre presenta una superficie curvada al segundo punto de contacto lo que reduce los riesgos de enganche y las fuerzas de rozamiento.
Otra forma de realización particularmente ventajosa del caso anterior se obtiene cuando el elemento conductor comprende una parte paralelepipédica hueca que define un eje, en cuyo interior se aloja el segundo punto de contacto, y una parte plana que sale de un lado de la parte cilindrica hueca radialmente y que se extiende en sentido del eje, donde la parte plana tiene una altura, medida en sentido del eje, que es menor que la altura de la parte paralelepipédica, medida en sentido del eje. Efectivamente, es un caso similar al caso anterior, en el que la parte paralelepipédica define un hueco paralelepipédico. Esta solución puede ser particularmente ventajosa en el caso de soluciones muy pequeñas, ya que entonces la capacidad de resolución del procedimiento de fabricación (en particular en el caso de procedí- mientos fotolitográficos) obliga al empleo de líneas rectas. En ambos casos se debe destacar que la geometría determinante es la geometría del hueco interior y que, de hecho, son posibles diversas combinaciones:
- eje (segundo punto de contacto) de sección rectangular y hueco de sección rectangular,
- eje de sección circular y hueco de sección circular
- eje de sección circular y hueco de sección rectangular y viceversa
si bien los dos primeros casos son los más interesantes.
Lógicamente, en el caso que las secciones sean rectangulares, debe existir una holgura suficiente entre el eje y la parte paralelepipédica de manera que el elemento conductor pueda rotar alrededor del eje. Asimismo en el caso de secciones circulares pueden existir holguras grandes entre el eje y la parte cilindrica, de manera que el movimiento real realizado por el elemento conductor sea una combinación de una rotación alrededor del eje y una traslación entre la primera zona y la segunda zona. Debe observarse, además, que también sería posible que el segundo tope no esté conectado eléctricamente a ningún circuito eléctrico: en este caso se tendría un relé que puede abrir y cerrar un único circuito eléctrico, pero en el cual el elemento conductor se mueve mediante un giro (o mediante un giro combinado con una traslación).
Otra forma preferente de realización de la invención se obtiene cuando el relé com- prende un tercer punto de contacto y un cuarto punto de contacto dispuestos entre la primera zona y el elemento conductor, donde el tercer punto de contacto y el cuarto punto de contacto definen unos segundos topes, de manera que el elemento conductor cierra un segundo circuito eléctrico cuando está en contacto con el tercer punto de contacto y el cuarto punto de contacto. Efectivamente, en este caso el relé puede conectar dos circuitos eléctricos alternativamente.
Ventajosamente cada uno de los conjuntos de las placas de condensador dispuestas en cada una de las primera zona y segunda zona tiene simetría central respecto de un centro de simetría, donde dicho centro de simetría está superpuesto al centro de masas del elemento conductor. Efectivamente, cada conjunto de las placas de condensador dispuestas en cada una de las zonas genera un campo de fuerzas sobre el elemento conductor. Si la resultante de este campo de fuerzas tiene un momento no nulo respecto del centro de masas del elemento conductor, el elemento conductor no solamente experimentará una traslación, sino que experimentará adicionalmente una rotación alrededor de su centro de masas. En este sentido es conveniente prever que los conjuntos de placas de cada zona tengan simetría central en el caso que no interese esta rotación o, por el contrario, puede ser con- veniente prever que sí exista una asimetría central, en el caso que interese inducir una rotación en el elemento conductor respecto de su centro de masas, por ejemplo para vencer fuerzas de rozamiento y/o de enganche.
Como ya se ha indicado anteriormente, el elemento conductor suele estar física- mente encerrado en el espacio intermedio, entre la primera zona, la segunda zona y unas paredes laterales. Ventajosamente entre las paredes laterales y el elemento conductor existe una holgura que es suficientemente pequeña como para imposibilitar geométricamente que el elemento conductor entre en contacto simultáneamente con un punto de contacto del grupo formado por el primer y segundo punto de contacto y con un punto de contacto del grupo formado por el tercer y cuarto punto de contacto. Es decir, se evita que el elemento conductor quede cruzado en el espacio intermedio de tal manera que comunique el primer circuito eléctrico con el segundo circuito eléctrico.
Para evitar enganches y fuerzas de rozamiento elevadas es ventajoso que el elemento conductor tenga superficies externas redondeadas, preferentemente que sea cilindrico o esférico. La solución esférica minimiza las fuerzas de rozamiento y los enganches en todas las direcciones, mientras que la solución cilindrica, con las bases del cilindro encaradas a la primera y segunda zona permite obtener unas fuerzas de rozamiento reducidas con las paredes laterales y unas superficies encaradas a las placas de condensador que son grandes y eficaces de cara a la generación de las fuerzas electrostáticas. También tiene más superficie de contacto con los puntos de contacto, lo cual disminuye la resistencia eléctrica que se introduce en el circuito eléctrico conmutado.
Asimismo, en el caso que el elemento conductor presente una cara superior y una cara inferior, que sean perpendiculares al desplazamiento del elemento conductor, y por lo menos una cara lateral, es ventajoso que la cara lateral presente unas breves protuberancias. Estas protuberancias permitirán también reducir los enganches y las fuerzas de rozamiento entre la cara lateral y las paredes laterales del espacio intermedio.
Ventajosamente el elemento conductor es hueco. Ello permite ahorrar masa lo que permite tener inercias menores.
En el caso que el relé disponga de dos placas de condensador (la primera placa y la segunda placa) y que ambas estén en la segunda zona, es ventajoso que la primera placa de condensador y la segunda placa de condensador tengan la misma superficie, ya que de esta forma se obtiene la tensión de activación mínima para una misma superficie total del dispositivo.
En el caso que el relé disponga de dos placas de condensador (la primera placa y la segunda placa) y que la primera placa esté en la primera zona mientras que la segunda placa esté en la segunda zona, es ventajoso que la primera placa de condensador tenga una superficie que es igual al doble de la superficie de la segunda placa de condensador, ya que de esta forma se obtiene la tensión de activación mínima para una misma superficie total del dispositivo.
Otra forma preferente de realización de un relé de la invención se obtiene cuando una de las placas de condensador hace simultáneamente la función de placa de condensador y de punto de contacto (y, consecuentemente, de tope). Este disposi- tivo permitiría conectar el otro punto de contacto (el del circuito eléctrico externo) a una tensión fija (normalmente VCC o GND) o bien dejarlo en alta impedancia. La invención tiene asimismo por objeto unos usos preferentes de unos relés de acuerdo con la invención. Aparte del uso como interruptor eléctrico y como conmutador eléctrico, el relé de acuerdo con la invención puede ser usado como sensor de diversas magnitudes físicas. En estos casos, la magnitud física que se desea medir ejerce una fuerza para abrir el circuito eléctrico y mediante un determinado voltaje aplicado a las placas de condensador se genera una fuerza que contrarresta a la anterior y se vuelve a cerrar el circuito' eléctrico externo (o viceversa, es decir, que sea necesario aplicar un voltaje para mantener el circuito eléctrico abierto mientras que la magnitud física que se desea medir tiende a cerrar el circuito). La determinación del voltaje requerido permite determinar el valor de la magnitud física que se desea medir. En general, la miniaturización permite la inclusión de diversos sensores simultáneamente, lo que hace más fiable la determinación del valor correspondiente. El aumento de fiabilidad es debido a la posibilidad de que estos diversos sensores midan la misma magnitud, y después se haga un promediado. Una alternativa particularmente ventajosa se obtiene al disponer de un relé de acuerdo con la invención con contactos eléctricos en las dos zonas, es decir 3 ó 4 contactos en total, ya que en este caso puede medirse la magnitud física a determinar a partir del tiempo que transcurre entre que se interrumpe el contacto con el (o los) contacto^) eléctrico(s) en una zona y se establece el contacto eléctrico con el (o los) contacto(s) eléctrico(s) de la otra zona, a tensión constante (o incluso variando la tensión como un parámetro más a tener en cuenta. A continuación se comentan diversos casos particulares:
Acelerómetro: la fuerza debida a la aceleración externa desplaza al elemento con- ductor, abriendo el circuito eléctrico. El voltaje aplicado a las placas de condensador crea una fuerza en sentido contrario. Cuando se vuelve a cerrar el circuito se puede determinar el voltaje requerido y, por lo tanto, la aceleración a la que ha sido sometido el elemento conductor. También podría hacerse al revés, como ya se ha comentado antes, de manera que la aceleración externa sea la que tienda a cerrar el circuito. La miniaturización permite disponer de diversos sensores, y orientados según los tres ejes coordenados. Casos particulares de este uso son: para airbags y como inclinómetros. Sensor de presión: si el elemento eléctrico separa dos cámaras sometidas a diferentes presiones (una presión a determinar y una presión de referencia), la presión del aire, o en general de cualquier fluido no conductor, aplicada a una de las caras del elemento conductor tenderá a abrir (o cerrar) el circuito eléctrico. El voltaje ne- cesario para conseguir cerrar (abrir) nuevamente el circuito permite determinar la presión de dicho fluido o, específicamente, la diferencia de presiones entre dicho fluido y la cámara de referencia. Un caso particular de este tipo de sensor sería un micrófono.
Sensor de caudal: Si el elemento conductor presenta un orificio a través del cual puede pasar una corriente de fluido o si presenta una extensión que está inmersa en una corriente de fluido, se puede emplear un relé de acuerdo con la invención como sensor de caudal. Al igual que en los casos anteriores mediante un voltaje determinado aplicado a las placas de condensador se puede contrarrestar la fuerza generada por la magnitud que se desea medir, en este caso la fuerza hidráulica o aerodinámica generada por la corriente de fluido. Al igual que en el caso del sensor de presión, el fluido no puede ser conductor eléctrico.
Sensor de temperatura. En este caso se tiene en cuenta que el tiempo que tarda el relé en conmutar depende básicamente de la aceleración externa, la tensión aplicada y los coeficientes de áreas de las placas de condensador. Si estas placas están hechas con materiales de coeficiente de dilatación térmico diferente, entonces los coeficientes de áreas de las placas de condensador cambiarán con la temperatura. De esta manera hay una relación entre el tiempo de conmutación y la tempe- ratura para una determinada tensión aplicada a las placas. Por el mismo motivo, la tensión mínima necesaria para que el relé conmute depende de la temperatura.
Aplicaciones acústicas (altavoz). Al colisionar el elemento conductor contra los topes o contra las propias placas de condensador que la atraen se va a producir un ruido. Mediante la coordinación de una elevada cantidad de relés, que pueden estar integrados en un mismo chip, se puede conseguir que las diversas ondas acústicas se sumen en fase y se provoque una onda acústica resultante que sea audible. Esta onda acústica audible sería muy direccional. Ello puede ser una ventaja cuan- do interese el empleo de ondas unidireccionales, alternativamente se pueden distribuir y/o activar los relé en diversas direcciones y/o desfases de tiempo para obtener una onda multidireccional. También es posible controlar la direccionalidad controlando los momentos precisos en los que se activa cada relé, es decir, controlando los desfases temporales relativos entre los relés. De esta manera se puede cambiar dinámicamente la direccionalidad de la onda acústica, de manera que se pueda dirigir hacia un lugar u otro sin necesidad de cambiar la distribución geométrica de los relés. La existencia de los contactos eléctricos permite determinar el momento exacto en el que tiene lugar el choque del elemento conductor con los topes co- rrespondientes.
Detector de fuerzas de Coriolis (usualmente denominados giroscopios). Estos detectores determinan la velocidad de rotación de un objeto mediante la determinación de la fuerza de Coriolis. Para ello se necesita un relé que disponga de placas de condensador dispuestas en la primera zona y en la segunda zona, y unos puntos de contacto dispuestos en un eje perpendicular al eje primera zona - segunda zona. Se debe tener al elemento conductor moviéndose continuamente desde un extremo al otro de forma que tenga siempre una cierta velocidad, que dependerá de la tensión que se aplique a las placas de condensador. Si hay una velocidad de rotación que es perpendicular al plano formado por el eje de movimiento (eje primera zona - segunda zona), y los puntos de contacto, entonces el elemento conductor experimentará una aceleración de Coriolis que será perpendicular al eje primera zona - segunda zona. Ello hará que el elemento conductor toque los puntos de contacto de un lado (o del lado opuesto, en función del sentido de rotación) si la tensión aplicada a las placas de condensador y, por lo tanto, la velocidad con la que se mueve el elemento conductor, es suficientemente elevada. Al tocar los puntos de contacto se cerrará el circuito externo que confirmará que han tenido lugar las condiciones precisas para ello. La magnitud de la rotación externa, estará, por tanto relacionada con la magnitud de la tensión aplicada a las placas de condensador, y el sentido de rotación se sabrá en función de cual de los dos pares de contactos ha sido cortocircuitado, teniendo en cuenta el sentido de la velocidad que se le estaba dando en ese momento al elemento conductor. Se pueden incluir simultáneamente sensores de este tipo en tres direcciones perpendiculares, lo que permite obtener el valor de cualquier rotación en el espacio.
Sensor de gas. En el caso que el elemento conductor sea de un material capaz de reaccionar y/o absorber moléculas de un gas determinado (o tenga incorporado este material), se obtiene un elemento conductor de masa variable en función de la concentración de dicho gas. Este cambio de masa influye en la tensión de activación, así como en el tiempo que tarda en desplazarse de un extremo a otro. De esta manera se puede determinar la concentración del gas.
En general, en todos los sensores citados anteriormente se puede determinar la magnitud correspondiente a base de detectar en cada caso cual es la mínima tensión necesaria para conmutar el relé, o detectar cual es el tiempo de conmutación para una tensión aplicada fija. En general es más simple detectar el tiempo de conmutación, ya que puede incrementarse de una forma sencilla con tecnología digital, mientras que generar tensiones variables implica emplear circuitos analógicos. Sin embargo en el caso de que se detecte la tensión que hace conmutar el relé, se tiene como ventaja de que el relé conmuta muchas menos veces, lo que reduce su desgaste y alarga su fiabilidad a largo plazo y su vida útil.
Otra posible aplicación de un relé de acuerdo con la invención es como sensor de campo magnético. Para ello se debe tener el relé en posición cerrada, es decir, con el elemento conductor cerrando el primer circuito eléctrico externo, y debe pasar una corriente de una cierta intensidad por el elemento conductor. Sí el relé está sometido a un campo magnético, el elemento conductor estará sometido a una fuerza magnética y, si la dirección es la adecuada, esta fuerza magnética tenderá a abrir el circuito eléctrico. Determinando el voltaje necesario para mantener el circuito eléctrico cerrado y teniendo en cuenta los restantes parámetros (geometría y masa del elemento conductor, intensidad de corriente que lo atraviesa, etc.) se puede determinar una componente espacial del campo magnético y en un sentido determinado. Si se dispone de una pluralidad de sensores orientados en el espacio de manera que se puedan determinar todas las componentes espaciales del campo magnético, se podrá determinar el campo magnético en su totalidad. Si el relé tiene puntos de contacto eléctrico tanto en la primera zona como en la segunda, de manera que puede cerrar dos circuitos eléctricos externos, entonces con un único relé se puede determinar una componente espacial del campo magnético, con independencia de su sentido, ya que si estando el elemento conductor en una zona, el campo magnético tiende a apretarlo contra los puntos de contacto en lugar de separarlo, al poner el elemento conductor en la zona opuesta, el campo magnético tenderá a separarlo de los puntos de contacto, y se podrá determinar su valor. Sabiendo con cual de los circuitos eléctricos se ha determinado el valor, se podrá saber su sentido. Debe observarse que, para poder emplear el relé como detector de campo magnético debe estar el circuito eléctrico cerrado y debe pasar una corriente eléctrica suficientemente alta por el elemento conductor, para que así experimente la fuerza magnética correspondiente. De hecho, cuando el campo magnético abra el circuito eléctrico, dejará de pasar corriente eléctrica por el elemento conductor y desaparecerá la fuerza magnética, por lo que el elemento conductor volverá a topar con los puntos de contacto eléctricos, ya que el campo electroestático seguirá activo. Se deberá entonces esperar unos instantes hasta que se reestablezca la corriente eléctrica y el elemento conductor vuelva a experimentar la fuerza magnética. Para diferenciar la fuerza magnética que experimenta el elemento conductor de otras aceleraciones externas, el sensor de campo magnético podrá incluir diversos relés, unos responsables de detectar la fuerza magnética como se ha comentado antes, y otros responsables de medir aceleraciones, como se ha comentado en el apartado correspondiente. Restando los valores obtenidos para cada componente se podrá determinar el campo magnético real. Alternativamente, un mismo relé puede realizar lecturas de campo magnético (provocando el paso de corriente por el elemento conductor) intercaladas con lecturas de aceleración (sin paso de corriente por el elemento conductor).
Breve descripción de los dibujos
Otras ventajas y características de la invención se aprecian a partir de la siguiente descripción, en la que, sin ningún carácter limitativo, se relatan unos modos preferentes de realización de la invención, haciendo mención de los dibujos que se acompañan. Las figuras muestran: Fig. 1 , un esquema simplificado de un relé con dos placas de condensador en su segunda zona.
Fig. 2, un esquema simplificado de un relé con dos placas de condensador, una en cada una de sus zonas.
Fig. 3, un esquema simplificado de un relé con tres placas de condensador.
Fig. 4, una vista en perspectiva de una primera forma de realización de un relé de acuerdo con la invención, sin tapa.
Fig. 5, una vista en planta del relé de la Fig. 4. Fig. 6, una vista en perspectiva de una segunda forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 7, una vista en perspectiva del relé de la Fig. 6 al que se le han eliminado los componentes del extremo superior.
Fig. 8, una vista en perspectiva de los elementos inferiores del relé de la Fig. 6. Fig. 9, una vista en perspectiva de una tercera forma de realización de un relé de acuerdo con la invención, sin tapa.
Fig. 10, una vista en perspectiva en detalle de la parte cilindrica del relé de la Fig. 9.
Fig. 11 , una vista en perspectiva de una cuarta forma de realización de un relé de acuerdo con la invención. Fig. 12, una vista en perspectiva de una quinta forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 13, una vista en planta de una sexta forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 14, una vista en perspectiva de una séptima forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 15, una vista en perspectiva inferior, sin substrato, de una octava forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 16, una esfera realizada mediante micromecanizado en superficie.
Fig. 17, una vista en perspectiva de una novena forma de realización de un relé de acuerdo con la invención.
Fig. 18, una vista en planta, sin tapa, de una décima forma de realización de un relé de acuerdo con la invención. Como podrá observarse a continuación, los modos preferentes de realización de la invención representados en las Figs. incluyen una combinación de las diversas alternativas y opciones explicadas anteriormente, si bien un experto en la materia podrá ver que son alternativas y opciones que pueden ser combinadas de diversas maneras entre sí.
Descripción detallada de unas formas de realización de la invención
En la Fig. 1 se muestra un primer modo básico de funcionamiento de un relé de acuerdo con la invención. El relé define un espacio intermedio 25 en el que se aloja un elemento conductor 7, que se puede mover libremente a lo largo del espacio intermedio 25, ya que es físicamente una pieza suelta que no está físicamente unida a las paredes que definen el espacio intermedio 25. El relé define también una primera zona, a la izquierda de la Fig. 1 , y una segunda zona, a la derecha de la Fig. 1. En la segunda zona están dispuestas una primera placa de condensador 3 y una segunda placa de condensador 9. En el ejemplo mostrado en la Fig. 1 ambas placas de condensador 3 y 9 son de áreas diferentes, si bien podrían ser iguales entre sí. La primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9 están conectadas a un circuito de control CC. Al aplicar un voltaje entre la primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9, el elemento conductor es atraído siempre hacia la derecha de la Fig. 1 , hacia las placas de condensador 3 y 9. El elemento conductor 7 se desplazará hacia la derecha hasta topar con unos primeros topes 13, que son un primer punto de contacto 15 y un segundo punto de contacto 17 de un primer circuito eléctrico CE1 externo, de manera que el primer circuito eléctrico externo CE1 queda cerrado.
En la Fig. 2 se muestra un segundo modo básico de funcionamiento de un relé de acuerdo con la invención. El relé define nuevamente un espacio intermedio 25 en el que se aloja un elemento conductor 7, que se puede mover libremente a lo largo del espacio intermedio 25, una primera zona, a la izquierda de la Fig. 2, y una segunda zona, a la derecha de la Fig. 2. En la segunda zona está dispuesta una segunda placa de condensador 9 mientras que en la primera zona está dispuesta una primera placa de condensador 3. La primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9 están conectadas a un circuito de control CC. Al aplicar un voltaje entre la primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9, el elemento conductor es atraído siempre hacia la derecha de la Fig. 2, hacia la placa de condensador más pequeña, es decir, hacia la segunda placa de conden- sador 9. Por ello, el hecho que en el ejemplo mostrado en la Fig. 2 ambas placas de condensador 3 y 9 sean de áreas diferentes es, en este caso, imprescindible que sea así, ya que en el caso de ser de ár as iguales, el elemento conductor 7, no se desplazaría en ningún sentido. El elemento conductor 7 se desplazará hacia la derecha hasta topar con unos primeros topes 13, que son un primer punto de con- tacto 15 y un segundo punto de contacto 17 de un primer circuito eléctrico CE1 externo, de manera que el primer circuito eléctrico externo CE1 queda cerrado. A la izquierda hay unos segundos topes 19, que no cumplen, en este caso, ninguna función eléctrica sino que impiden que el elemento conductor 7 tope con la primera placa de condensador 3. En este caso los topes 19 podrían eliminarse, pues no hay ningún problema en que el elemento conductor 7 toque la primera placa de condensador 3. Esto es así porque solamente hay una placa de condensador en este lado, ya que si hubiera más y éstas estuvieran conectadas a voltajes distintos entonces los topes serian necesarios para evitar un cortocircuito.
Las configuraciones de relés de las Figs. 1 y 2 son adecuadas para ser usadas como sensores, donde la magnitud a medir ejerce una fuerza que es la que será contrarrestada por la fuerza electrostática inducida en el elemento conductor 7. Tal como han sido representados, en ambos casos la magnitud a medir deberá ejercer una fuerza tendente a abrir el circuito eléctrico CE1 , mientras que la fuerza elec- trostática tenderá a cerrarlo. Sin embargo, se puede diseñar el relé para que trabaje exactamente al revés: de manera que la magnitud a medir tienda a cerrar el circuito eléctrico CE1 mientras que la fuerza electrostática tienda a abrirlo. En este caso, se deberían posicionar los primeros topes 13 a la izquierda de las Figs.1 y 2, junto con el correspondiente circuito eléctrico CE1. En la Fig. 1 se ha mostrado esta posibili- dad con trazos discontinuos. Si se ponen los topes en los dos lados, entonces el sensor podrá detectar la magnitud en los dos sentidos, si bien deberá cambiar el algoritmo, pasando de intentar cerrar a intentar abrir, cuando detecte que ha habido un cambio de sentido, lo que sucederá cuando no consiga cerrar/abrir con la míni- ma tensión, que es cero. Debe recordarse que el signo del voltaje aplicado no afecta al sentido del movimiento del elemento conductor 7.
Para conseguir desplazar el elemento conductor 7 en ambos sentidos mediante fuerzas electrostáticas, es necesario disponer de una tercera placa de condensador 11 , tal como se muestra en la Fig. 3. Dado.que el elemento conductor 7 se desplazará siempre hacia donde esté la placa de'condensador más pequeña, es necesario, en este caso, que la tercera placa de condensador 11 sea menor que la primera placa de condensador 3, pero que las suma de áreas de la segunda placa de con- densador 9 y la tercera placa de condensador 11 sea mayor que la primera placa de condensador 3. De esta manera, activando la primera placa de condensador 3 y la segunda placa de condensador 9, conectándolas a voltajes distintos, pero no la tercera placa de condensador 11 , que quedaría en estado de alta impedancia se puede desplazar el elemento conductor 7 a la derecha, mientras que activando las tres placas de condensador 3, 9 y 11 se puede desplazar el elemento conductor 7 hacia la izquierda. En el último caso la segunda placa de condensador 9 y la tercera placa de condensador 11 están a un mismo voltaje, y la primera placa de condensador 3 está a otro voltaje distinto. El relé de la Fig. 3 tiene, además, un segundo circuito eléctrico CE2 externo conectado a los segundos topes 19, de manera que estos segundos topes 19 definen un tercer punto de contacto 21 y un cuarto punto de contacto 23.
En el caso de disponer dos placas de condensador en cada una de las primera y segunda zonas, se podría provocar el movimiento del elemento conductor 7 de dos maneras diferentes:
- aplicando un voltaje entre las dos placas de condensador de una misma zona, de manera que el elemento conductor sea atraído por ellas (funcionamiento equivalente al de la Fig. 1 )
- aplicando un voltaje entre una placa de condensador de una zona y una (o las dos) placas de voltaje de la otra zona, de manera que el elemento conductor 7 sea atraído hacia la zona donde el área de condensador cargada eléctricamente sea menor (funcionamiento equivalente al de la Fig. 2).
En las Figs. 4 y 5 se observa un relé diseñado para ser fabricado con tecnología EFAB. Esta tecnología de fabricación de micromecanísmos mediante el depósito de capas es conocida por un experto en la materia, y permite la realización de muchas capas y tiene una gran flexibilidad en el diseño de estructuras tridimensionales. El relé está montado sobre un substrato 1 que cumple una función de soporte, y que en diversas Figs. no ha sido representado para mayor simplicidad de las mismas. El relé presenta una primera placa de condensador 3 y una cuarta placa de condensador 5 dispuestas a la izquierda (de acuerdo con la Fig. 5) de un elemento conductor 7, y una segunda placa de condensador 9 y una tercera placa de condensador 11 dispuestas a la derecha del elemento conductor 7. El relé tiene también dos primeros topes 13 que son el primer punto de contacto 15 y el segundo punto de contacto 17, y dos segundos topes 19 que son el tercer punto de contacto 21 y el cuarto punto de contacto 23. El relé está tapado por su parte superior si bien no se muestra esta tapa para poder apreciar los detalles del interior.
El relé se desplaza de izquierda a derecha, y viceversa, según la Fig. 5, a lo ancho del espacio intermedio 25. Como puede verse los primeros topes 13 y los segundos topes 19 son más próximos al elemento conductor 7 que las placas de condensador 3, 5, 9 y 11. De esta manera el elemento conductor 7 se puede mover de izquierda a derecha, cerrando los correspondientes circuitos eléctricos, sin interferir con las placas de condensador 3, 5, 9 y 11 , y sus circuitos de control correspondientes.
El elemento conductor 7 presenta un espacio interno 27 hueco.
Entre el elemento conductor 7 y las paredes que conforman el espacio intermedio 25 (es decir los primeros topes 13, los segundos topes 19, las placas de condensa- dor 3, 5, 9 y 11 y las dos paredes laterales 29) existe una holgura que es lo suficientemente pequeña como para evitar que el elemento conductor 7 pueda girar a lo largo de un eje perpendicular al plano del papel de la Fig. 5 lo suficiente como para poner en contacto el primer punto de contacto 15 con el tercer punto de con- tacto 21 o el segundo punto de contacto 17 con el cuarto punto de contacto 23. En las Figs. sin embargo, la holgura no está dibujada a escala real para permitir una mayor claridad de las figuras.
En las Figs. 6 a 8 se observa otro relé diseñado para ser fabricado con tecnología EFAB. En este caso el elemento conductor 7 se desplaza en sentido vertical, de acuerdo con las Figs. 6 a 8. El empleo de una u otra alternativa de movimiento del relé depende de criterios de diseño. La tecnología de fabricación consiste en el depósito de diversas capas. En todas las Figs. las cotas en sentido vertical están muy exageradas, es decir los dispositivos físicos son mucho más planos de lo que se muestra en todas las Figs. En el caso de que interese obtener unas superficies de condensador grandes será preferible construir el relé de una forma similar a lo mostrado en las Fig. 6 a 8 (relé vertical), mientras se construirá un relé de una forma similar a la mostrada en las Figuras 4 y 5 (relé horizontal) cuando interese ha- cerlo con un número menor de capas. En el caso de emplear determinadas tecnologías (como las usualmente conocidas como polyMUMPS, Dalsa, SUMMIT, Tro- nic's, Qinetiq's, etc.), el número de capas está siempre muy limitado. La ventaja del relé vertical es que se obtienen superficies más grandes con menos área de chip, y esto implica tensiones de activación mucho menores (usando la misma área de chip).
Conceptualmente el relé de las Figs. 6 a 8 es muy similar al relé de las Figs. 4 y 5, y presenta la primera placa de condensador 3 y la cuarta placa de condensador 5 dispuestas en la parte inferior (Fig. 8), así como los segundos topes 19 que son el tercer punto de contacto 21 y el cuarto punto de contacto 23. Como puede verse los segundos topes 19 están por encima de las placas de condensador, de manera que el elemento conductor 7 puede apoyarse sobre los segundos topes 19 sin entrar en contacto con la primera y la cuarta placa de condensador 3, 5. En el extremo superior (Fig. 6) se encuentran la segunda placa de condensador 9, la tercera placa de condensador 11 y dos primeros topes 13 que son el primer punto de contacto 15 y el segundo punto de contacto 17. En este caso la holgura presente entre el elemento conductor 7 y las paredes laterales 29 es también lo suficientemente pequeña como para evitar que se ponga en contacto el primer punto de contacto 15 con el tercer punto de contacto 21 o el segundo punto de contacto 17 con el cuarto punto de contacto 23.
El relé mostrado en las Figs. 9 y 10 es un ejemplo de un relé en el que el movi- miento del elemento conductor 7 es substancialmente una rotación alrededor de uno de sus extremos. Este relé tiene una primera placa de condensador 3, una segunda placa de condensador 9, una tercer placa de condensador 11 y una cuarta placa de condensador 5, todas montadas sobre un substrato 1. Adícionalmente presenta un primer punto de contacto 15 y un tercer punto de contacto 21 enfréntados entre sí. La distancia entre el primer punto de contacto 15 y el tercer punto de contacto 21 es menor que la distancia existente entre las placas de condensador. El elemento conductor 7 tiene una parte cilindrica 31 que es hueca, donde el hueco es asimismo cilindrico. En el interior del hueco cilindrico se aloja un segundo punto de contacto 17, que es de sección circular.
De esta manera el elemento conductor 7 establecerá un contacto eléctrico entre el primer punto de contacto 15 y el segundo punto de contacto 17 o el tercer punto de contacto 21 y el segundo punto de contacto 17. El movimiento que realiza el elemento conductor 7 es substancialmente un giro alrededor del eje definido por la parte cilindrica 31. La holgura entre el segundo punto de contacto 17 y la parte cilindrica 31 está exagerada en la Fig. 9, sin embargo sí es cierto que existe una cierta holgura con lo cual el movimiento realizado por el elemento conductor 7 no es una rotación pura sino que realmente es una combinación de una rotación y una traslación.
De la parte cilindrica 31 se extiende una parte plana 33 que tiene una altura menor que la parte cilindrica 31 , medida en sentido del eje de dicha parte cilindrica 31. Esto se puede observar con más detalle en la Fig. 10, en la que se ve una vista casi de perfil de la parte cilindrica 31 y la parte plana 33. De esta manera se evita que la parte plana 33 esté en contacto con el substrato 1 , lo que reduce las fuerzas de rozamiento y los enganches. Como puede verse substituyendo la parte cilindrica 31 por una parte paralelepipédica y el segundo punto de contacto 17 de sección circular por uno de sección cuadrada, siempre y cuando la holgura fuese suficiente, se podría diseñar un relé con- ceptualmente equivalente al de las Figs. 9 y 10.
Si, por ejemplo, en el relé mostrado en las .Figs. 9 y 10 se eliminan el primer punto de contacto 15 y/o el tercer punto de contacto 21 , entonces será las propias placas de condensador (concretamente la tercera placa de condensador 11 y la cuarta placa de condensador 5) las que harán de puntos de contacto y de topes. Mediante una adecuada elección de las tensiones a que deben trabajar las placas de condensador se puede conseguir que esta tensión sea siempre VCC o GND. Otro caso posible sería si, por ejemplo, el tercer punto de contacto 21 no estuviese conectado eléctricamente a ningún circuito externo. Entonces el tercer punto de contacto sería únicamente un tope, y cuando el elemento conductor 7 estuviese poniendo en contacto el segundo punto de contacto 17 con el tercer punto de contacto 21 , el circuito quedaría con el segundo punto de contacto 17 en alta impedancia.
El relé mostrado en la Fig. 11 está diseñado para ser fabricado con tecnología po- lyMUMPS. Como ya se ha dicho anteriormente, esta tecnología es conocida por un experto en la materia, y se caracteriza por ser un micromecanizado en superficie de 3 capas estructurales y 2 sacrificiales. Sin embargo, conceptualmente es similar al relé mostrado en las Figs. 9 y 10, si bien existen algunas diferencias. Así, en el relé de la Fig. 11 , la primera placa de condensador 3 es igual a la tercera placa de condensador 11 , pero es diferente a la segunda placa de condensador 9 y a la cuarta placa de condensador 5, que son iguales entre sí y menores que las anteriores. Por su parte, el segundo punto de contacto 17 presenta un ensanchamiento en su extremo superior que permite retener al elemento conductor 7 en el espacio intermedio 25. El segundo punto de contacto 17 de las Figs. 9 y 10 también podría presentar este tipo de ensanchamiento. También es interesante observar que en este relé la distancia entre el primer punto de contacto 15 y el tercer punto de contacto 21 es igual a la distancia existente entre las placas de condensador. Dado que el movimiento del elemento conductor 7 es un movimiento de giro alrededor del segundo punto de contacto 17, el extremo opuesto del elemento conductor describe un arco de manera que realiza el contacto con el primer o el tercer punto de contacto 15, 21 antes que la parte plana 33 pueda tocar las placas de condensador.
En la Fig. 12 se muestra otro relé diseñado para ser fabricado con tecnología po- lyMUMPS. Este relé es similar al relé de las Figs. 4 y 5, si bien presenta, adicional- mente, una quinta placa de condensador 35 y una sexta placa de condensador 37.
En la Fig. 13 se muestra un relé equivalente al mostrado en las Figs. 4 y 5, pero que presenta seis placas de condensador en la primera zona y seis placas de con- densador en la segunda zona. Además, se observa la tapa superior que evita que se salga el elemento conductor 7.
En las Figs. 14 y 15 se muestra un relé que tiene el elemento conductor 7 cilindrico. En el caso del relé de la Fig. 14, las paredes laterales 29 que rodean al elemento conductor son paralelepipédicas, mientras que en el relé de la Fig. 15 las paredes laterales 29 que rodean al elemento conductor 7 son cilindricas. Por su parte, en la Fig. 16 se muestra una esfera fabricada mediante micromecanizado en superficie, observándose que está formada por una pluralidad de discos cilindricos de diámetros variables. Un relé con un elemento conductor 7 esférico como el de la Fig. 16 puede ser, por ejemplo, muy similar conceptualmente al de las Figs. 14 o 15 sustituyendo el elemento conductor 7 cilindrico por el esférico. Únicamente deben tenerse en cuenta unos ajustes geométricos en la disposición de las placas de condensador y de los puntos de contacto en el extremo superior, para evitar que el elemento conductor 7 esférico toque primero las placas de condensador que los pun- tos de contacto o, en su caso, los topes correspondientes.
En la Fig. 17 se observa una variante del relé mostrado en las Figs. 4 y 5. En este caso el elemento conductor 7 tiene unas protuberancias 39 en sus caras laterales 41.
En la Fig. 18 se observa una variante de un relé de acuerdo con la invención, específicamente diseñada para su uso como detector de fuerzas de Coriolis (giroscopio). En este caso se puede observar que el relé presenta una primera placa de conden- sador 3 y una cuarta placa de condensador 5 dispuestas a la izquierda (de acuerdo con la Fig. 18) de un elemento conductor 7, y una segunda placa de condensador 9 y una tercera placa de condensador 11 dispuestas a la derecha del elemento conductor 7. El relé tiene también dos primeros topes 13, que son el primer punto de contacto 15 y el segundo punto de contacto 17, en la parte superior de la Fig. 18, y dos segundos topes 19 que son el tercer punto de contacto 21 y el cuarto punto de contacto 23, en la parte inferior de la Fig. 18. El elemento conductor 7 se desplaza en zig-zag entre las placas de condensador gracias a unos voltajes aplicados entre las mismas. Si el relé está sometido a fuerzas de Coriolis el elemento conductor 7 se desplazará lateralmente, es decir, hacia arriba o hacia abajo según la Fig. 18 (suponiendo que el movimiento de rotación es perpendicular al papel). Al hacer contacto con el primer punto de contacto 15 y el segundo punto de contacto 17 (o el tercer punto de contacto 21 y el cuarto punto de contacto 23, y en función de la velocidad con que realiza el movimiento de zíg-zag (y de parámetros geométricos y de masas del relé), se puede determinar la fuerza de Coriolis y, en consecuencia, la velocidad de rotación. El relé presenta adicíonalmente unos terceros topes 43 y unos cuartos topes 45 que pueden (adicionalmente y opcionalmente) ser contactos eléctricos también. Así, el final de carrera de cada movimiento de zig-zag es detectado por el cierre del circuito eléctrico correspondiente, lo que es usado por el circuito de control del relé. Alternativamente, la posición del elemento conductor 7 podría ser determinado por otros procedimientos conocidos por un experto en la materia.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Relé miniaturizado caracterizado' porque.comprende:
- una primera zona enfrentada a una segunda zona,
- una primera placa de condensador (3),
- una segunda placa de condensador (9) dispuesta en dicha segunda zona, donde dicha segunda placa es menor o igual que dicha primera placa,
- un espacio intermedio (25) dispuesto entre dicha primera zona y dicha segunda zona,
- un elemento conductor (7) dispuesto en dicho espacio intermedio (25), dicho elemento conductor (7) siendo mecánicamente independiente de dichas primera zona y segunda zona y siendo apto para efectuar un desplazamiento a través de dicho espacio intermedio (25) en función de unos voltajes presentes en dichas primera y segunda placas de condensador,
- un primer punto de contacto (15) de un circuito eléctrico, un segundo punto de contacto (17) de dicho circuito eléctrico, donde dichos primer y segundo punto de contacto (15, 17) definen unos primeros topes (13), donde dicho elemento conductor (7) es apto para entrar en contacto con dichos primeros topes (13) y donde dicho elemento conductor (7) cierra dicho circuito eléctrico cuando está en contacto con dichos primeros topes (13).
2.- Relé según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho primer punto de contacto (15) está entre dicha segunda zona y dicho elemento conductor (7).
3.- Relé según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque dicha primera placa está en dicha segunda zona.
4.- Relé según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque dicha primera placa está en dicha primera zona.
5.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicho segundo punto de contacto (17) está asimismo en dicha segunda zona.
6.- Relé según una de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque comprende, adicionalmente, una tercera placa de condensador (11 ) dispuesta en dicha segunda zona, donde dicha tercera placa dé condensador (11 ) es menor o igual que dicha primera placa de condensador (3), y donde dichas segunda y tercera placas de condensador son, juntas, mayores que dicha primera placa de condensador (3).
7.- Relé según una de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque comprende, adicionalmente, una tercera placa de condensador (11) dispuesta en dicha segunda zona y una cuarta placa de condensador (5) dispuesta en dicha primera zona, donde dicha primera placa de condensador (3) y dicha segunda placa de condensador (9) son iguales entre sí, y dicha tercera placa de condensador (11 ) y dicha cuarta placa de condensador (5) son iguales entre sí.
8.- Relé según la reivindicación 7, caracterizado porque dichas primera, segunda, tercera y cuarta placas de condensador son todas iguales entre sí.
9.- Relé según una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque comprende, adicionalmente, una quinta placa de condensador (35) dispuesta en dicha primera zona y una sexta placa de condensador (37) dispuesta en dicha segunda zona, donde dicha quinta placa de condensador (35) y dicha sexta placa de condensador (37) son iguales entre sí.
10.- Relé según la reivindicación 9, caracterizado porque comprende, seis placas de condensador dispuestas en dicha primera zona y seis placas de condensador dispuestas en dicha segunda zona.
11.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque comprende un segundo tope entre dicha primera zona y dicho elemento conductor (7).
12.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 , caracterizado porque comprende un tercer punto de contacto (21 ) dispuesto entre dicha primera zona y dicho elemento conductor (7), donde dicho tercer punto de contacto (21 ) define un segundo tope, de manera que dicho elemento conductor (7) cierra un segundo circuito eléctrico cuando está en contacto con dicho segundo punto de contacto (17) y dicho tercer punto de contacto (21)/
13.- Relé según la reivindicación 12, caracterizado porque dicho elemento conductor (7) comprende una parte cilindrica (31) hueca que define un eje, en cuyo interior se aloja dicho segundo punto de contacto (17), y una parte plana (33) que sale de un lado de dicha parte cilindrica (31) hueca radialmente y que se extiende en sentido de dicho eje, donde dicha parte plana (33) tiene una altura, medida en sentido de dicho eje, que es menor que la altura de dicha parte cilindrica (31 ), medida en sentido de dicho eje.
14.- Relé según la reivindicación 12, caracterizado porque dicho elemento conductor (7) comprende una parte paralelepipédica hueca que define un eje, en cuyo interior se aloja dicho segundo punto de contacto (17), y una parte plana (33) que sale de un lado de dicha parte cilindrica (31 ) hueca radialmente y que se extiende en sentido de dicho eje, donde dicha parte plana (33) tiene una altura, medida en sentido de dicho eje, que es menor que la altura de dicha parte paralelepipédica, medida en sentido de dicho eje.
15.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque comprende un tercer punto de contacto (21 ) y un cuarto punto de contacto (23) dispuestos entre dicha primera zona y dicho elemento conductor (7), donde dichos tercer punto de contacto (21 ) y cuarto punto de contacto (23) definen unos segundos topes (19), de manera que dicho elemento conductor (7) cierra un segundo circuito eléctrico cuando está en contacto con dichos tercer punto de contacto (21) y cuarto punto de contacto (23).
16.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque cada uno de los conjuntos de dichas placas de condensador dispuestas en cada una de dichas primera zona y segunda zona tiene simetría central respecto de un centro de simetría, y donde dicho centro de simetría está superpuesto al centro de masas de dicho elemento conductor (7).
17.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque el conjunto de dichas placas de condensador dispuestas en cada una de dichas primera zona y segunda zona tiene asimetría' central, generando así un momento de fuerzas respecto al centro de masas de dicho elemento conductor (7).
18.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque entre dicha primera zona y dicha segunda zona se extienden dos paredes laterales (29), donde entre dichas paredes laterales (29) y dicho elemento conductor (7) existe una holgura, siendo dicha holgura suficientemente pequeña como para imposibilitar geométricamente que dicho elemento conductor (7) entre en contacto simultáneamente con un punto de contacto del grupo formado por dichos primer y segundo punto de contacto (15, 17) y con un punto de contacto del grupo formado por dichos tercer y cuarto punto de contacto (21 , 23).
19.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque dicho elemento conductor (7) tiene superficies externas redondeadas.
20.- Relé según la reivindicación 19, caracterizado porque dicho elemento conductor (7) es cilindrico.
21.- Relé según la reivindicación 19, caracterizado porque dicho elemento conductor (7) es esférico.
22.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, caracterizado porque dicho elemento conductor (7) presenta una cara superior y una cara inferior, dichas caras superior e inferior siendo perpendiculares a dicho desplazamiento de dicho elemento conductor (7), y por lo menos una cara lateral, donde dicha cara lateral presenta unas breves protuberancias.
23.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22, caracterizado porque dicho elemento conductor (7) es hueco.
24.- Relé según la reivindicación 3, caracterizado porque dicha primera placa de condensador (3) y dicha segunda placa de condensador (9) tienen la misma superficie.
25.- Relé según la reivindicación 4, caracterizado porque dicha primera placa de condensador (3) tiene una superficie que es igual al doble de la superficie de dicha segunda placa de condensador (9).
26.- Relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 25, caracterizado porque una de dichas placas de condensador (3, 5, 9, 11 , 35, 37) es, simultáneamente uno de dichos puntos de contacto (15, 17, 21 , 23).
27.- Uso de un relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, como aceleró- metro.
28.- Uso de un relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, como aceleró- metro en airbags.
29.- Uso de un relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, como inclinó- metro.
30.- Uso de un relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, como detector de fuerzas de Coriolis.
31.- Uso de un relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, como sensor de presión.
32.- Uso de un relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, como micrófono.
33.- Uso de un relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, como sensor de caudal.
34.- Uso de un relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, como sensor de temperatura.
35.- Uso de un relé según cualquiera de laé reivindicaciones 1 a 26, para aplicaciones acústicas.
36.- Uso de un relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, como sensor de gas.
37.- Uso de un relé según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, como sensor de campo magnético.
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