DE10359687A1

DE10359687A1 - Biegemodus-Verriegelungsrelais

Info

Publication number: DE10359687A1
Application number: DE10359687A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Woodland Park Wong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2004-11-25
Also published as: US20040201315A1; GB0407179D0; GB2400742A; US6882088B2; GB2400742B; TW200421382A; JP2004319500A

Abstract

Ein elektrisches Relais, das eine leitfähige Flüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet. In dem Relais ist ein Paar bewegbarer elektrischer Kontakte an dem freien Ende eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes angebracht und zwischen einem Paar fester elektrischer Kontakte positioniert. Die Kontakte tragen jeweils ein Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit, wie z. B. eines Flüssigmetalls. Das piezoelektrische Betätigungsglied wird mit Energie versorgt, um sich in einem Biegemodus zu verformen und das Paar bewegbarer Kontakte zu bewegen, was den Zwischenraum zwischen einem der festen Kontakte und einem der bewegbaren Kontakte schließt, wodurch bewirkt wird, daß sich die Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen und eine elektrische Schaltung bilden. Gleichzeitig wird der Zwischenraum zwischen dem anderen festen Kontakt und dem anderen bewegbaren Kontakt erhöht, wodurch bewirkt wird, daß sich die Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit trennen und eine elektrische Schaltung unterbrechen. Die Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied wird dann unterbrochen und die bewegbaren elektrischen Kontakte kehren in ihre Ausgangspositionen zurück. Das Volumen aus Flüssigmetall wird so ausgesucht, daß Flüssigmetalltröpfchen aufgrund der Oberflächenspannung in der Flüssigkeit vereinigt oder getrennt bleiben. Das Relais ist zugänglich für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken.

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf die folgenden ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldungen, die durch die folgenden aufgeführten Identifizierer identifiziert und in alphanumerischer Reihenfolge angeordnet sind, die den gleichen Eigentümer wie die vorliegende Anmeldung aufweisen und zu diesem Ausmaß auf die vorliegende Anmeldung bezogen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind:
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,691;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/142,076;
US-Anmeldung mit dem Titel „High-frequency, Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High-frequency, Liquid Metal, Latching Relay Array", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay Array", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Piezoelectric Optical Latching Relay", eingereicht am 31. Oktober 2001, mit der Seriennummer 09/999,590;
US-Anmeldung mit dem Titel „Shear Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Production Thereof", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,597;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Latching Relay with Bending Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Latching Relay with Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Closed Loop Piezoelectric Pump", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Solid Slug Longitudinal Piezoelectric Latching Relay", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,692;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Longitudinal Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Method for Producing the Same", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,963;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 28. März 2002, mit der Seriennummer 10/109,309;
US-Anmeldung mit dem Titel „Electrically Isolated Liquid Metal Micro-Switches for Integrally Shielded Microcircuits", eingereicht am 8. Oktober 2002, mit der Seriennummer 10/266,872;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Demultiplexing Switch", eingereicht am 10. April 2002, mit der Seriennummer 10/119,503;
US-Anmeldung mit dem Titel „Volume Adjustment Apparatus and Method for Use", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,293;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Maintaining a Liquid Metal Switch in a Ready-to-Switch Condition", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Reflecting Wedge Optical Wavelength Multiplexer/Demultiplexer", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpillar Piezoelectric Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpiller Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Inserting-finger Liquid Metal Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Wetting Finger Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Acutated Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Actuated Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003; und
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Caterpillar Piezoelectric Reflective Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003.

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) zum elektrischen Schalten und insbesondere auf ein piezoelektrisch betätigtes Verriegelungsrelais mit Flüssigmetallkontakten.

Flüssigmetalle, wie z. B. Quecksilber, werden in elektrischen Schaltern verwendet, um einen elektrischen Pfad zwischen zwei Leitern bereitzustellen. Ein Beispiel ist ein Quecksilber-Thermostat-Schalter, in dem eine Bimetall-Streifen-Spule auf eine Temperatur reagiert und den Winkel eines länglichen quecksilberhaltigen Hohlraums verändert. Das Quecksilber in dem Hohlraum bildet aufgrund einer hohen Oberflächenspannung ein einzelnes Tröpfchen. Die Schwerkraft bewegt das Quecksilbertröpfchen abhängig von dem Winkel des Hohlraums zu dem Ende des Hohlraums, das elektrische Kontakte enthält, oder zu dem anderen Ende. In einem manuellen Flüssigmetallschalter wird ein Permanentmagnet verwendet, um ein Quecksilbertröpfchen in einem Hohlraum zu bewegen.

Flüssigmetall wird ebenso in Relais verwendet. Ein Flüssigmetalltröpfchen kann durch eine Vielzahl von Techniken bewegt werden, einschließlich durch elektrostatische Kräfte, eine variable Geometrie aufgrund einer thermischen Ausdehnung/Kontraktion und magneto-hydrodynamische Kräfte.

Herkömmliche piezoelektrische Relais verriegeln oder verwenden keine Restladungen in dem piezoelektrischen Material, um einen Schalter zu verriegeln oder anderweitig zu aktivieren, der einen Verriegelungsmechanismus berührt.

Ein schnelles Schalten hoher Ströme wird in einer großen Vielzahl von Vorrichtungen verwendet, schafft jedoch für Relais auf Festkontaktbasis aufgrund einer Lichtbogenbildung, wenn ein Stromfluß unterbrochen wird, ein Problem. Die Lichtbogenbildung bewirkt einen Schaden an den Kontakten und verschlechtert ihre Leitfähigkeit aufgrund von Lochfraß der Elektrodenoberflächen.

Mikroschalter wurden entwickelt, die Flüssigmetall als das Schaltelement und die Ausdehnung eines Gases, wenn dasselbe erwärmt wird, verwenden, um das Flüssigmetall zu bewegen und die Schaltfunktion zu betätigen. Flüssigmetall hat gegenüber anderen mikrobearbeiteten Technologien einige Vorteile, wie z. B. die Fähigkeit, relativ hohe Leistungen (etwa 100 mW) unter Verwendung von Metall-zu-Metall-Kontakten ohne ein Mikroschweißen oder Überhitzen des Schaltermechanismus zu schalten. Die Verwendung eines erwärmten Gases weist jedoch mehrere Nachteile auf. Es benötigt eine relativ große Energiemenge, um den Zustand des Schalters zu verändern, und die durch das Schalten erzeugte Wärme muß effektiv dissipiert werden, wenn der Schaltbelastungszyklus hoch ist. Zusätzlich ist die Betätigungsrate relativ langsam, wobei die maximale Rate auf einige hundert Hertz eingeschränkt ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Relais mit verbesserten Charakteristika oder ein verbessertes Verfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Relais gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.

Ein elektrisches Relais ist offenbart, das eine leitfähige Flüssigkeit in dem Schaltmechanismus verwendet. In dem Relais ist ein Paar bewegbarer elektrischer Kontakte an dem freien Ende eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes angebracht und zwischen einem Paar fester elektrischer Kontakte positioniert. Die Kontakte tragen jeweils ein Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit, wie z. B. eines Flüssigmetalls. Das piezoelektrische Betätigungsglied wird mit Energie versorgt, um sich in einem Biegemodus zu verformen und das Paar bewegbarer Kontakte zu bewegen, was den Zwischenraum zwischen einem der festen Kontakte und einem der bewegbaren Kontakte schließt, wodurch bewirkt wird, daß sich Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen und eine elektrische Schaltung bilden. Gleichzeitig wird der Zwischenraum zwischen dem anderen festen Kontakt und dem anderen bewegbaren Kontakt erhöht, was bewirkt, daß sich die Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit trennen und eine elektrische Schaltung unterbrechen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um die gleichen, ähnliche oder entsprechende Teile in den mehreren Ansichten der Zeichnungen zu beschreiben. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung, wobei die Abdeckungsschicht entfernt ist;
3 eine Schnittansicht eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung;
4 eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung, wobei die Abdeckungsschicht entfernt ist;
5 eine Schnittansicht des weiteren Ausführungsbeispiels eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung; und
6 eine Draufsicht eines Schaltungssubstrats gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung.
Das elektrische Relais der vorliegenden Erfindung verwendet ein leitfähiges Fluid, wie z. B. ein Flüssigmetall, um den Zwischenraum zwischen zwei elektrischen Kontakten zu überbrücken und dadurch eine elektrische Schaltung zwischen den Kontakten zu schließen. Zwei bewegbare elektrische Kontakte sind an dem freien Ende eines piezoelektrischen Betätigungsglieds angebracht und zwischen einem Paar fester elektrischer Kontakte positioniert. Magnetorestriktive Betätigungsglieder, wie z. B. Terfenol-D, die sich bei Vorliegen eines Magnetfeldes verformen, können als eine Alternative zu piezoelektrischen Betätigungsgliedern verwendet werden. Im folgenden werden piezoelektrische Betätigungsglieder und magnetorestriktive Betätigungsglieder kollektiv als „piezoelektrische Betätigungsglieder" bezeichnet. Jede der einander zugewandten Oberflächen der festen elektrischen Kontakte trägt ein Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die leitfähige Flüssigkeit ein Flüssigmetall, wie z. B. Quecksilber, mit einer hohen Leitfähigkeit, einer geringen Flüchtigkeit und einer hohen Oberflächenspannung. Wenn das piezoelektrische Betätigungsglied mit Energie versorgt wird, biegt sich dasselbe, so daß sich das freie Ende zwischen den festen Kontakten bewegt und sich der erste bewegbare Kontakt in Richtung eines ersten festen Kontakts bewegt, was bewirkt, daß sich die beiden Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit vereinigen und eine elektrische Schaltung zwischen den Kontakten schließen. Gleichzeitig bewegt sich der zweite bewegbare Kontakt weg von dem zweiten festen Kontakt. Nachdem der Schaltzustand sich verändert hat, wird die Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied unterbrochen und die bewegbaren Kontakte kehren in ihre Ausgangspositionen zurück. Die Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit bleiben vereinigt, da das Volumen leitfähiger Flüssigkeit so ausgewählt ist, daß eine Oberflächenspannung die Tröpfchen zusammenhält. Die elektrische Schaltung wird wieder durch eine Energieversorgung des piezoelektrischen Betätigungsglieds unterbrochen, um den ersten bewegbaren elektrischen Kontakt weg von dem ersten festen elektrischen Kontakt zu bewegen, um die Oberflächenspannungsverbindung zwischen den Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit zu unterbrechen. Die Tröpfchen bleiben, wenn die Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied unterbrochen wird, unter der Voraussetzung getrennt, daß nicht ausreichend Flüssigkeit vorliegt, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken. Das Relais ist für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken zugänglich.
1 ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verriegelungsrelais der vorliegenden Erfindung. Bezug nehmend auf 1 weist das Relais 100 drei Schichten auf: ein Schaltungssubstrat 102, eine Schaltschicht 104 und eine Abdeckungsschicht 106. Diese drei Schichten bilden das Relaisgehäuse. Das Schaltungssubstrat 102 trägt elektrische Verbindungen zu den Elementen in der Schaltschicht und liefert eine Abdeckungsschicht für die Schaltschicht. Das Schaltungssubstrat 102 kann z. B. aus einer Keramik oder Silizium hergestellt sein und ist für eine Herstellung durch Mikrobearbeitungstechniken zugänglich, wie z. B. diejenigen, die bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente verwendet werden. Die Schaltschicht 104 kann aus Keramik oder Glas hergestellt sein oder kann z. B. aus Metall hergestellt sein, das mit einer isolierenden Schicht (wie z. B. einer Keramik) beschichtet ist. Die Abdeckungsschicht 106 bedeckt die Oberseite der Schaltschicht 104 und dichtet den Schalthohlraum 108 ab. Die Abdeckungsschicht 106 kann z. B. aus Keramik, Glas, Metall oder einem Polymer oder Kombinationen dieser Materialien hergestellt sein. Glas, Keramik oder Metall wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet, um eine hermetische Abdichtung bereitzustellen.
2 ist eine Draufsicht des Relais, wobei die Abdekkungsschicht entfernt ist. Bezug nehmend auf 2 beinhaltet die Schaltschicht 104 einen Schalthohlraum 108. Der Schalthohlraum 108 ist unten durch das Schaltungssubstrat 102 abgedichtet und oben durch die Abdeckungsschicht 106 abgedichtet. Der Hohlraum kann mit einem trägen Gas gefüllt sein. Ein piezoelektrisches Element 110 ist an der Schaltschicht angebracht. Das piezoelektrische Betätigungsglied 110 ist polarisiert, um sich in einem Biegemodus zu verformen, so daß sich das freie Ende in der Figur seitlich bewegt. Das Betätigungsglied kann eine Stapel piezoelektrischer Elemente aufweisen. Feste elektrische Kontakte 114 und 116 sind an der Schaltschicht angebracht. Bewegbare elektrische Kontakte 118 und 120 sind an dem freien Ende des Betätigungsglieds 110 angebracht. Die bewegbaren elektrischen Kontakte können elektrisch miteinander verbunden sein. Die freiliegenden Flächen der Kontakte sind durch eine leitfähige Flüssigkeit, wie z. B. ein Flüssigmetall, benetzbar. Die Oberflächen zwischen den Kontakten sind nicht benetzbar, um eine Flüssigkeitsmigration zu verhin dern. Die Oberflächen der Kontakte tragen Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit. In 2 ist die Flüssigkeit zwischen den Kontakten 114 und 118 in zwei Tröpfchen 122 getrennt, nämlich eines an jedem der Kontakte 114 und 118. Die Flüssigkeit zwischen den Kontakten 120 und 116 vereinigt sich in ein einzelnes Volumen 124. So gibt es eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 120 und 116, jedoch keine Verbindung zwischen den Kontakten 114 und 118.
Wenn das freie Ende des Betätigungsglieds den ersten bewegbaren Kontakt 118 weg von dem ersten festen Kontakt 114 bewegt, wird der zweite bewegbare Kontakt 120 in Richtung des zweiten festen Kontaktes 116 bewegt. Umgekehrt wird, wenn das freie Ende des Betätigungsglieds 110 den ersten bewegbaren Kontakt 118 in Richtung des ersten festen Kontakts 114 bewegt, der zweite bewegbare Kontakt 120 weg von dem zweiten festen Kontakt 116 bewegt. Wenn der Zwischenraum zwischen den Kontakten 116 und 120 groß genug ist, reicht die leitfähige Flüssigkeit 124 nicht aus, um den Zwischenraum zwischen den Kontakten zu überbrücken, und die Verbindung der leitfähigen Flüssigkeit wird unterbrochen. Wenn der Zwischenraum zwischen den Kontakten 118 oder 114 ausreichend klein ist, vereinigen sich die Flüssigkeitströpfchen 122 auf den beiden Kontakten miteinander und bilden eine elektrische Verbindung. Die Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit werden durch die Oberflächenspannung des Fluids an ihrem Ort gehalten. Aufgrund der kleinen Größe der Tröpfchen dominiert die Oberflächenspannung alle Körperkräfte auf die Tröpfchen.
3 ist eine Schnittansicht durch einen Schnitt 3-3 des Verriegelungsrelais aus 2. Die Ansicht zeigt die drei Schichten: das Schaltungssubstrat 102, die Schaltschicht 104 und die Abdeckungsschicht 106. Das freie Ende des Betätigungsglieds 110 ist innerhalb des Schaltkanals 108 bewegbar. Elektrische Verbindungsleiterbahnen (nicht gezeigt) zur Lieferung von Steuerungssignalen an das Betätigungsglied 110 können auf der oberen Oberfläche des Schal tungssubstrats 102 aufgebracht sein oder durch Durchgangslöcher in dem Schaltungssubstrat verlaufen. Ähnlich sind elektrische Verbindungsleiterbahnen zu den Kontaktanschlußflächen auf der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats 102 aufgebracht. Externe Verbindungen können durch Lötmittelkugeln an der Unterseite des Schaltungssubstrats oder über Kurzbanddrahtverbindungen zu Anschlußflächen an den Enden der Schaltungsleiterbahnen hergestellt sein.
Die Verwendung von Quecksilber oder einem anderen Flüssigmetall mit hoher Oberflächenspannung zur Bildung einer flexiblen kontaktfreien elektrischen Verbindung führt zu einem Relais mit hoher Stromkapazität, das Lochfraß und Oxidaufbau, bewirkt durch lokales Erwärmen, vermeidet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt. In 4 wurden die Abdeckungsschicht und die leitfähige Flüssigkeit entfernt. Bezug nehmend auf 4 sind die festen Kontakte 114 und 116 an der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats und nicht an den vertikalen Seiten des Hohlraums 108 angebracht. Die Kontakte 114 und 118 sind so in rechten Winkeln zueinander und nicht Fläche an Fläche positioniert. Die Kontakte 120 und 116 befinden sich ähnlich in rechten Winkeln zueinander. Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß horizontale Kontakte bei einigen Mikrobearbeitungsprozessen einfacher herzustellen sind. Die Operation des Relais ist die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel, das oben Bezug nehmend auf die 2 und 3 beschrieben wurde.
5 ist eine Schnittansicht durch den Schnitt 5-5 aus 4. Das Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit 124 füllt den Zwischenraum zwischen den Kontakten 120 und 116 und schließt die elektrische Schaltung zwischen den Kontakten. Ein Steuerungssignal, das an das piezoelektrische Betätigungsglied 110 angelegt wird, bewirkt, daß sich dasselbe in einem Biegemodus verformt und das freie Ende in Richtung des festen Kontakts 114 bewegt. Diese Bewegung erhöht den Zwischenraum zwischen den Kontakten 120 und 116 und unterbricht die Oberflächenspannungsverbindung in der Flüssigkeit 124. Die Flüssigkeit trennt sich in zwei Tröpfchen, nämlich eines an jedem Kontakt, und die elektrische Schaltung wird unterbrochen. Gleichzeitig werden die Kontakte 114 und 118 aufeinander zu bewegt und die Tröpfchen 122 vereinigen sich, um die Schaltung zwischen den Kontakten 114 und 118 zu schließen. Das Flüssigkeitsvolumen ist so gewählt, daß, wenn die Energieversorgung zu dem Betätigungsglied unterbrochen wird und in seine nicht abgelenkte Position zurückkehrt, die vereinigten Tröpfchen vereinigt bleiben und die getrennten Tröpfchen getrennt bleiben. Auf diese Weise ist das Relais in den neuen Schaltzustand verriegelt.
Das Relais kann verwendet werden, um ein Signal zwischen zwei Anschlüssen zu schalten.
6 ist eine Draufsicht eines Schaltungssubstrats 102. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind elektrische Leiterbahnen 202, 204 und 206 auf der oberen Oberfläche des Substrats aufgebracht oder gebildet, um elektrische Verbindungen zu den Kontakten 114, 116 bzw. 126 zu erlauben.

Claims

Elektrisches Relais mit folgenden Merkmalen: einem Relaisgehäuse (100), das einen Schalthohlraum (108) enthält; einem ersten (114) und einem zweiten (116) festen elektrischen Kontakt, wobei jeder derselben eine benetzbare Oberfläche aufweist; einem ersten (118) und einem zweiten (120) bewegbaren elektrischen Kontakt, die in dem Schalthohlraum (108) zwischen dem ersten und dem zweiten festen elektrischen Kontakt positioniert sind, wobei der erste (118) und der zweite (120) bewegbare elektrische Kontakt jeweils eine benetzbare Oberfläche aufweist; einem ersten Volumen (122) einer leitfähigen Flüssigkeit, das in einem benetzten Kontakt zu dem ersten bewegbaren elektrischen Kontakt und dem ersten festen elektrischen Kontakt steht; einem zweiten Volumen (124) einer leitfähigen Flüssigkeit, das in einem benetzten Kontakt zu dem zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt und dem zweiten festen elektrischen Kontakt steht; und einem piezoelektrischen Betätigungsglied (110) in einer Ruheposition, das ein festes Ende, das an dem Relaisgehäuse (110) angebracht ist, und ein freies Ende aufweist, das den ersten und den zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt trägt, wobei das piezoelektrische Betätigungsglied betreibbar ist, um das freie Ende in einer ersten Richtung zu bewegen, um die Entfernung zwischen dem ersten bewegbaren elektrischen Kontakt (114) und dem ersten festen elektrischen Kontakt (118) zu reduzieren und die Entfernung zwischen dem zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt (116) und dem zweiten festen elektrischen Kontakt (120) zu erhöhen, und in einer zweiten Richtung zu bewegen, um die Entfernung zwischen dem ersten bewegbaren elektrischen Kontakt (114) und dem ersten festen elektrischen Kontakt (118) zu erhöhen und die Entfernung zwischen dem zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt (116) und dem zweiten festen elektrischen Kontakt (120) zu senken, wobei: eine Bewegung des freien Endes des piezoelektrischen Betätigungsglieds (110) in einer ersten Richtung bewirkt, daß das erste Volumen leitfähiger Flüssigkeit (122) eine Verbindung zwischen dem ersten bewegbaren elektrischen Kontakt (114) und dem ersten festen elektrischen Kontakt (118) bildet und eine Verbindung, die durch das zweite Volumen leitfähiger Flüssigkeit (124) gebildet wird, zwischen dem zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt (116) und dem zweiten festen elektrischen Kontakt (120) unterbricht, und eine Bewegung des freien Endes des piezoelektrischen Betätigungsglieds (110) in der zweiten Richtung die Verbindung, die durch das erste Volumen (122) leitfähiger Flüssigkeit gebildet wird, zwischen dem ersten bewegbaren elektrischen Kontakt (114) und dem ersten festen elektrischen Kontakt (118) unterbricht und bewirkt, daß die zweite leitfähige Flüssigkeit (124) eine Verbindung zwischen dem zweiten bewegbaren elektrischen Kontakt (116) und dem zweiten festen elektrischen Kontakt (120) bildet.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 1, bei dem das erste (122) und das zweite (124) Volumen leitfähiger Flüssigkeit Flüssigmetalltröpfchen sind.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste (122) und das zweite (124) Volumen leitfähiger Flüssigkeit derartig sind, daß verbundene Volumina verbunden bleiben, wenn das Betätigungsglied (110) in seine Ruheposition zurückkehrt, und getrennte Volumina getrennt bleiben, wenn das Betätigungsglied in seine Ruheposition zurückgekehrt ist.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner folgende Merkmale aufweist: ein Schaltungssubstrat (102), das elektrische Verbindungen zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied (110), dem ersten (118) und dem zweiten (120) bewegbaren elektrischen Kontakt und dem ersten (114) und dem zweiten (116) festen elektrischen Kontakt trägt; eine Abdeckungsschicht (106); und eine Schaltschicht (104), die zwischen dem Schaltungssubstrat (102) und der Abdeckungsschicht (106) positioniert ist und einen Schalthohlraum (108) aufweist, der in derselben gebildet ist.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 4, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu dem ersten (114) und dem zweiten (116) festen elektrischen Kontakt und dem ersten (118) und dem zweiten (120) bewegbaren elektrischen Kontakt durch das Schaltungssubstrat (102) verläuft und in einer Lötmittelkugel endet.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 4, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu dem ersten (114) und dem zweiten (116) festen elektrischen Kontakt und dem ersten (118) und dem zweiten (120) bewegbaren elektrischen Kontakt eine Leiterbahn ist, die auf die Oberfläche des Schaltungssubstrats (102) aufgebracht ist.
Elektrisches Relais gemäß Anspruch 4, bei dem zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu dem ersten (114) und dem zweiten (116) festen elektrischen Kontakt und dem ersten (118) und dem zweiten (120) bewegbaren elektrischen Kontakt an einer Kante der Schaltschicht endet.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, das durch ein Verfahren einer Mikrobearbeitung hergestellt ist.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der erste (114) und der zweite (116) feste elektrische Kontakt elektrisch miteinander gekoppelt sind.
Elektrisches Relais gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der erste (118) und der zweite (120) bewegbare elektrische Kontakt elektrisch miteinander gekoppelt sind.
Verfahren zum Schalten zwischen einer ersten elektrischen Schaltung zwischen einem ersten bewegbaren Kontakt (118) und einem ersten festen Kontakt (114) und einer zweiten elektrischen Schaltung zwischen einem zweiten bewegbaren Kontakt (120) und einem zweiten festen Kontakt (116) in einem Relais, wobei das Relais ein piezoelektrisches Betätigungsglied (110), das ein festes Ende, das an dem Relais angebracht ist, und ein freies Ende aufweist, das den ersten und den zweiten Schaltkontakt trägt, zwischen dem ersten und dem zweiten festen Kontakt umfaßt, aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: wenn die erste elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Versorgen des piezoelektrischen Betätigungsglieds (110) mit Energie, um sich in einem Biegemodus zu verformen und das freie Ende des piezoelektrischen Betätigungsglieds in einer ersten Richtung zu bewegen, wodurch der erste bewegbare Kontakt in Richtung des ersten festen Kontakts bewegt wird, so daß eine erste leitfähige Flüssigkeit (122), die durch zumindest einen des ersten bewegbaren Kontakts und des ersten festen Kontakts getragen wird, zwischen dem ersten bewegbaren Kontakt (114) und dem ersten festen Kontakt (118) benetzt und die erste elektrische Schaltung schließt; und wenn die zweite elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Versorgen des piezoelektrischen Betätigungsglieds (110) mit Energie, um sich in einem Biegemodus zu verformen und das freie Ende des piezoelektrischen Betätigungsglieds in einer zweiten Richtung zu bewegen, wodurch der zweite bewegbare Kontakt in Richtung des zweiten festen Kontakts bewegt wird, so daß eine zweite leitfähige Flüssigkeit (124), die durch zumindest einen des zweiten bewegbaren Kontakts und des zweiten festen Kontakts getragen wird, zwischen dem zweiten bewegbaren Kontakt (116) und dem zweiten festen Kontakt (120) benetzt und die zweite elektrische Schaltung schließt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem: eine Bewegung des freien Endes des piezoelektrischen Betätigungsglieds (110) in der ersten Richtung den zweiten bewegbaren Kontakt (116) weg von dem zweiten festen Kontakt (120) bewegt, so daß die zweite leitfähige Flüssigkeit (124) nicht zwischen dem zweiten bewegbaren Kontakt (116) und dem zweiten festen Kontakt (120) benetzen kann, wodurch die zweite elektrische Schaltung unterbrochen wird; und eine Bewegung des freien Endes des piezoelektrischen Betätigungsglieds (110) in der zweiten Richtung den ersten bewegbaren Kontakt (114) weg von dem ersten festen Kontakt (118) bewegt, so daß die erste leitfähige Flüssigkeit (122) nicht zwischen dem ersten bewegbaren Kontakt (114) und dem ersten festen Kontakt (118) benetzen kann, wodurch die erste elektrische Schaltung unterbrochen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, das ferner folgende Schritte aufweist: wenn die erste elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied (110), nachdem die erste leitfähige Flüssigkeit (122) zwischen dem ersten bewegbaren Kontakt (114) und dem ersten festen Kontakt (110) benetzt hat; und wenn die zweite elektrische Schaltung ausgewählt werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied (110), nachdem die zweite leitfähige Flüssigkeit (124) zwischen dem zweiten bewegbaren Kontakt (116) und dem zweiten festen Kontakt (120) benetzt hat.