[0001] Die Erfindung betrifft ein bistabiles Mikrorelais. Solche miniaturisierten und mikrosystemtechnisch
gefertigten Relais werden vor allem in den Bereichen der Telekommunikationstechnik,
der Medizintechnik, der Datenverarbeitung, der Messtechnik und im Kfz-Bereich benötigt.
[0002] Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Mikrorelais bekannt, die zum Umschalten
zwischen stabilen Schaltzuständen des Mikrorelais zwei parallel zueinander angeordnete,
U-förmig ausgestaltete, eine pseudo-bimorphe Struktur bildende, elektrothermische
Mikroaktoren aufweisen.
[0003] Jeder einzelne U-förmige Mikroaktor weist jeweils zwei parallel zueinander angeordnete
Schenkel auf, wobei die Schenkel an einem Ende über einen Verbindungsabschnitt miteinander
verbunden sind. Jeweils einer der beiden Schenkel der Mikroaktoren kann erwärmt werden
und dehnt sich bei der Erwärmung aus. Die Erwärmung wird üblicherweise durch ein in
oder an dem betreffenden Schenkel angeordnetes Widerstandselement erzeugt, das in
geeigneter Weise bestromt werden kann. Durch die erwärmungsbedingte Ausdehnung eines
ersten Schenkels eines Mikroaktors relativ zu einem zweiten Schenkel des Mikroaktors
wird der Verbindungsabschnitt des Mikroaktors verlagert. Der zweite Schenkel dient
zur Führung des erwärmbaren ersten Schenkels. Es ist ebenfalls möglich, einen Schenkel
des Mikroaktoren teilweise oder vollständig aus einem Material herzustellen, das sich
bei einem elektrischen Stromfluss oder bei Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnen
oder zusammenziehen kann.
[0004] Um zwischen zwei Schaltzuständen umschalten zu können, werden zwei elektrothermische
Mikroaktoren eingesetzt, wobei die beiden elektrothermischen Mikroaktoren nebeneinander
angeordnet und in entgegengesetzte Richtungen auslenkbar sind. Die beiden elektrothermischen
Mikroaktoren sind im Bereich der jeweiligen Verbindungsabschnitte miteinander gekoppelt
oder verbunden und bilden dort einen Schalter, der je nach Bestromung zwischen zwei
Schaltzuständen hin und her bewegt werden kann. Die üblicherweise mechanisch realisierte
Verbindung bildet eine hysteresebehaftete mechanische Kopplung der beiden Mikroaktoren.
Mit Hilfe einer Permanentmagnetanordnung kann der in einen vorgegebenen Schaltzustand
verlagerte Schalter dort magnetisch gehalten werden, bis durch eine Aktivierung des
entsprechenden Mikroaktors der Schalter in den anderen Schaltzustand verlagert wird.
[0005] Die Lebensdauer herkömmlicher Mikrorelais ist im Wesentlichen durch die maximale
Anzahl von Schaltvorgängen bestimmt, die mit Hilfe der herkömmlichen Mikroaktoren
durchgeführt werden können. Sofern große mechanische Kräfte für eine Betätigung des
Schalters ausgeübt werden müssen, ist eine entsprechende Auslegung und Stabilität
der Verbindung bzw. Kopplung der beiden Mikroaktoren erforderlich.
[0006] Als Aufgabe der Erfindung wird es deshalb angesehen, ein bistabiles Mikrorelais bereitzustellen,
das günstig herstellbar ist, für eine Vielzahl von Anwendungen verwendbar ist und
eine hohe Lebensdauer aufweist.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein bistabiles Mikrorelais mit einem schwenkbar
gelagerten Schaltkontakt, mit mindestens einem elektrothermischen Mikroaktor, mit
einer Permanentmagnetanordnung, mit einem Signaleingang und mit mindestens einem Signalausgang
gelöst, wobei die Permanentmagnetanordnung mit einem Flusselement des Schaltkontakts
in Wirkverbindung steht, wobei der Schaltkontakt mindestens einen Kontaktbereich zur
schaltzustandsabhängigen Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Signaleingang
und dem mindestens einen Signalausgang aufweist, wobei der Mikroaktor U-förmig ausgestaltet
ist, wobei der U-förmige Mikroaktor zwei parallel zueinander angeordnete und mit einem
Verbindungsabschnitt des Mikroaktors miteinander verbundene Aktorschenkel aufweist,
wobei dem Verbindungsabschnitt gegenüberliegende Endbereiche der Aktorschenkel festgelegt
sind, wobei eine Länge der Aktorschenkel durch Erwärmung veränderbar ist, wobei beide
Aktorschenkel beheizbar ausgestaltet sind, so dass den Endbereichen der Aktorschenkel
benachbarte Schenkelabschnitte und der Verbindungsabschnitt beheizungsabhängig ausgehend
von einer Ausgangsposition in zwei gegengesetzte Richtungen auslenkbar sind, wobei
der Mikroaktor in einem Kopplungsbereich mit dem Schaltkontakt in Wirkverbindung steht.
[0008] Die Permanentmagnetanordnung besteht aus zwei beabstandet zueinander angeordneten
Permanentmagneten zwischen denen sich ein magnetisches Feld ausbildet. Das Flusselement
des Schaltkontakts ist innerhalb dieses magnetischen Feldes angeordnet. Vorteilhafterweise
besteht das Flusselement aus einem ferromagnetischen und elektrisch leitfähigen Material.
[0009] Je nach Lage des Flusselements innerhalb des magnetischen Feldes wird das Flusselement
von einem der Permanentmagneten stärker angezogen und in einer stabilen Position gehalten.
Da das Flusselement an dem schwenkbar gelagerten Schaltkontakt angeordnet ist, kann
die Lage des Flusselements innerhalb des magnetischen Felds durch Verschwenken des
Schaltkontakts verändert werden und von einer ersten stabilen Lage in eine zweite
stabile Lage verlagert werden. In der ersten stabilen Lage wird das Flusselement stärker
von einem ersten Permanentmagneten der Permanentmagnetanordnung angezogen und in der
zweiten stabilen Lage wird das Flusselement stärker von einem zweiten Permanentmagneten
der Permanentmagnetanordnung angezogen.
[0010] Der Schaltkontakt kann mit Hilfe des Mikroaktors verlagert werden. Der Mikroaktor
steht mit dem Schaltkontakt in Wirkverbindung und ist vorteilhafterweise mit dem Schaltkontakt
mechanisch gekoppelt.
[0011] Dadurch, dass beide Aktorschenkel des U-förmig ausgeschalteten Mikroaktors beheizbar
sind, kann der Mikroaktor ausgehend von einer Ausgangsposition in zwei entgegengesetzte
Richtungen ausgelenkt werden. Eine Richtung der jeweiligen Auslenkung ist davon bestimmt,
welcher der Aktorschenkel jeweils beheizt wird.
[0012] Um mit Hilfe des erfindungsgemäßen Mikroaktors zwei Schaltvorgänge durchführen zu
können, müssen beide Aktorschenkel üblicherweise nacheinander jeweils einmal erwärmt
werden. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch die abwechselnde
Erwärmung beider Aktorschenkel eine maximale Anzahl der mit Hilfe des Mikroaktors
durchführbaren Umschaltvorgänge deutlich erhöht wird. Durch die gleichmäßige Belastung
der beiden Aktorschenkel wird im Gegensatz zu den herkömmlichen Aktoreinrichtungen
mit zwei parallel angeordneten Mikroaktoren verhindert, dass einer der beiden Aktorschenkel
für jeden entsprechenden Schaltvorgang erwärmt und dadurch besonders mechanisch belastet
wird, während der andere Aktorschenkel ausschließlich zur Führung verwendet und nicht
in gleicher Weise mechanisch beansprucht wird. Die einseitige Belastung derartiger
herkömmlicher Mikroaktoren führt wesentlich schneller bzw. nach erheblich weniger
Schaltvorgängen zu einer Beschädigung oder zu einem Bruch des erwärmbaren Aktorschenkels,
als es bei dem symmetrisch ausgestalteten Mikroaktor mit gleichermaßen erwärmten und
beanspruchten Aktorschenkeln der Fall ist. Die einseitige Belastung führt bei herkömmlichen
Mikroaktoren oftmals frühzeitig zu einer Verkürzung des betreffenden Schenkels, wodurch
die Funktionalität des Mikroaktors eingeschränkt und gegebenenfalls vollständig zerstört
wird.
[0013] Bei einer Auslenkung der Aktorschenkel wird der Verbindungsabschnitt näherungsweise
parallel verschoben, während die Aktorschenkel bogenförmig verformt werden. Makroskopisch
betrachtet wird der U-förmige Mikroaktor näherungsweise parallellenkerförmig ausgelenkt.
[0014] Um das mit Hilfe der Permanentmagnetanordnung erzeugte magnetische Feld zu beeinflussen,
eine Baugröße des Mikrorelais weiter zu reduzieren und um das für das Mikrorelais
benötigte Material zu reduzieren ist erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen,
dass die Permanentmagnetanordnung zwei Polschuhe aufweist und dass Kontaktstellen
an den Polschuhen ausgebildet sind. Die Polschuhe bestehen vorteilhafterweise aus
einem elektrisch leitenden und magnetisch leitenden Material.
[0015] Der Schaltkontakt kann zwischen zwei Signalausgängen verlagert werden und zwei jeweils
einem Signalausgang zugeordnete und daran angepasste Kontaktbereiche aufweisen. Auf
diese Weise dienen die Polschuhe gleichzeitig zur Beeinflussung des von der Permanentmagnetanordnung
erzeugten magnetischen Feldes und als elektrische Kontaktstellen zur Herstellung elektrisch
leitender Verbindungen zwischen dem Signaleingang und den zwei Signalausgängen. Zu
diesem Zweck sind die Polschuhe erfindungsgemäß so angeordnet, dass jeweils einer
der Kontaktbereiche des Schaltkontakts in Abhängigkeit der jeweiligen Lage des Flusselements
innerhalb des magnetischen Feldes an einem der beiden Polschuhe anliegt.
[0016] Es ist ebenfalls möglich, dass der Schaltkontakt lediglich zur Herstellung oder Unterbrechung
einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Signaleingang und einem einzigen
Signalausgang verwendet werden soll. In diesem Fall muss an dem Schaltkontakt lediglich
ein Kontaktbereich ausgebildet sein. Weiterhin wäre es ausreichend, wenn lediglich
der diesem Kontaktbereich zugeordnete Polschuh aus einem elektrisch leitenden und
magnetischen Material besteht, während der andere Polschuh nur magnetische Eigenschaften
aufweisen muss, ohne elektrisch leitend kontaktiert zu sein.
[0017] Zur weiteren Reduzierung der Baugröße und des für die Herstellung des Mikrorelais
benötigten Materials ist erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Kontaktbereiche
an dem Flusselement ausgebildet sind. Auf diese Weise dient das Flusselement einerseits
dazu, den Schaltkontakt in einer der beiden stabilen Lagen zu halten und andererseits
dazu, die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Signaleingang und den Signalausgängen
herzustellen.
[0018] Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Flusselement schaltzustandsabhängig
an einem der beiden Polschuhe anliegt.
[0019] Das erfindungsgemäße bistabile Mikrorelais kann besonders kostengünstig dadurch hergestellt
werden, dass der Mikroaktor aus einem Polymerwerkstoff hergestellt ist. Zudem sind
geeignete Polymerwerkstoffe bekannt, die materialbedingt eine große Anzahl von Schaltvorgängen,
bzw. von Erwärmungen und dadurch bedingten Verformungen durchführen können, ohne dass
mechanische Beeinträchtigungen oder gar eine Beschädigung des Mikroaktors befürchtet
werden müssten. Bei dem Polymerwerkstoff kann es sich erfindungsgemäß um einen Negativ-Photoresisten
handeln.
[0020] Die Aktorschenkel des elektrothermischen Mikroaktors können besonders wirkungsvoll
dadurch erwärmt werden, dass die Aktorschenkel elektrothermische Heizelemente aus
einem Nickelmetallfilm aufweisen. Vorteilhafterweise sind die elektrothermischen Heizelemente
innerhalb der Aktorschenkel angeordnet und von dem Polymerwerkstoff umschlossen.
[0021] Die Heizelemente können erfindungsgemäß auch aus anderen durch ein PVD-Verfahren
abscheidbaren Metallen bestehen, wie beispielsweise Chrom, Aluminium oder Kupfer.
[0022] Zur Herstellung einer mechanischen Kopplung zwischen dem Mikroaktor und dem Schaltkontakt
ist erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen, dass in dem Kopplungsbereich ein
hakenförmig ausgestaltetes Kopplungselement angeordnet ist und dass an dem Mikroaktor
eine an das Kopplungselement angepasste Ausnehmung ausgebildet ist, wobei das Kopplungselement
in die Ausnehmung eingreift und wobei das Kopplungselement an einem Rand der Ausnehmung
anliegt, wenn der Mikroaktor ausgelenkt ist. Vorteilhafterweise weist die Ausnehmung
einen U-förmigen Querschnitt auf.
[0023] Vorteilhafterweise ist die Ausnehmung so ausgestaltet, dass das Kopplungselement
in der Ausgangsposition in die Ausnehmung eingreift, bei einer vorgegebenen Auslenkung
des Mikroaktors an einem der Auslenkung entsprechenden Rand der Ausnehmung anliegt
und bei einer weiteren Auslenkung des Mikroaktors eine Kraft auf den Rand ausübt und
den Schaltkonktakt des Mikroaktors in Richtung der Auslenkung zieht bzw. drückt. Zu
diesem Zweck ist eine von dem Mikroaktor bereitstellbare Auslenkungskraft vorteilhafterweise
größer als eine von der Permanentmagnetanordnung auf das Flusselement wirkende magnetische
Anziehungskraft. Durch den Eingriff des Kopplungselements in die an das Kopplungselement
angepasste Ausnehmung können Ungenauigkeiten bei der Herstellung und Anordnung, bzw.
bei der Justierung einzelner Lithographiemasken zur Fertigung des Mikroaktors reduziert
werden.
[0024] Um eine Baugröße des bistabilen Mikrorelais weiter zu verringern ist erfindungsgemäß
vorgesehen, dass das bistabile Mikrorelais zwei parallel zueinander angeordnete, U-förmige,
elektrothermische Mikroaktoren mit beheizbaren Aktorschenkeln aufweist, wobei der
Schaltkontakt zwischen den beiden Mikroaktoren angeordnet ist und mit beiden Mikroaktoren
mechanisch gekoppelt ist. Durch eine solche symmetrische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
bistabilen Mikrorelais ist die von den beiden Mikroaktoren jeweils aufzubringende
Auslenkungskraft reduziert, da die beiden parallel zueinander angeordneten Mikroaktoren
erfindungsgemäß so angesteuert werden, dass beide Mikroaktoren gleichzeitig in dieselbe
Richtung ausgelenkt werden, so dass von beiden Mikroaktoren gleichzeitig eine Auslenkungskraft
in eine gleiche Auslenkungsrichtung auf den Schaltkontakt ausgeübt wird. Auf diese
Weise kann die erforderliche Baugröße der einzelnen Mikroaktoren verringert werden
wodurch ein für das erfindungsgemäße bistabile Mikrorelais zur Verfügung stehender
Bauraum besser ausgenutzt werden kann und die Baugröße des Mikrorelais verringert
werden kann.
[0025] Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen bistabilen
Mikrorelais ist vorgesehen, dass ein erster linker Aktorschenkel eines ersten Mikroaktors
und ein zweiter linker Aktorschenkels eines zweiten Mikroaktors über eine erste elektrische
Parallelschaltung mit einer ersten Steuerspannung ansteuerbar ist und dass ein erster
rechter Aktorschenkel des ersten Mikroaktors und ein zweiter rechter Aktorschenkel
des zweiten Mikroaktors über eine zweite elektrische Parallelschaltung mit einer zweiten
Steuerspannung ansteuerbar ist, so dass bei einer Ansteuerung der Mikroaktoren mit
der ersten Steuerspannung die Mikroaktoren in Richtung der jeweils rechten Aktorschenkel
ausgelenkt werden und bei einer Ansteuerung der Mikroaktoren mit der zweiten Steuerspannung
die Mikroaktoren in Richtung der jeweils linken Aktorschenkel ausgelenkt werden. Durch
die Verwendung von Parallelschaltungen kann besonders einfach erreicht werden, dass
beide Mikroaktoren gleichzeitig die Auslenkungskräfte in der gleichen Auslenkungsrichtung
in dem Kopplungsbereich des Schaltkontakts bereitstellen.
[0026] Die Erfindung betrifft auch eine Mikrorelaismatrix.
[0027] Erfindungsgemäß weist die Mikrorelaismatrix mindestens ein auf einer ersten Seite
einer ersten Substratschicht angeordnetes erstes wie vorangehend beschriebenes bistabiles
Mikrorelais und mindestens ein auf einer ersten Seite einer zweiten Substratschicht
angeordnetes zweites wie vorangehend beschriebenes bistabiles Mikrorelais auf, wobei
die Substratschichten miteinander verbunden sind und wobei die erste Seite der ersten
Substratschicht und die erste Seite der zweiten Substratschicht einander zugewandt
sind, so dass das mindestens eine erste Mikrorelais und das mindestens eine zweite
Mikrorelais einander zugewandt sind. Auf diese Weise können besonders kompakte Mikrorelaismatrizen
mit einer Vielzahl bistabiler Mikrorelais hergestellt werden. Für die Ansteuerung
der bistabilen Mikrorelais und für die Signalübertragung durch die bistabilen Mikrorelais
erforderliche Leiterbahnen und Kontaktstellen können mit Hilfe bekannter Verfahren
in und an den Substratschichten ausgebildet werden.
[0028] Um eine möglichst kompakte Mikrorelaismatrix herzustellen und die Herstellungskosten
für die Mikrorelaismatrix weiter zu senken ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens
eine Permanentmagnetkonfiguration zwischen den Substratschichten angeordnet ist, wobei
die Permanentmagnetkonfiguration eine oder mehrere Anordnungen von Permanentmagneten
für mindestens zwei einander zugewandte Mikrorelais bildet. Erfindungsgemäß kann es
sich bei der Permanentmagnetkonfiguration um einen Permanentmagneten handeln, dessen
magnetische Pole mit Polschuhen der Permanentmagneten in Wirkverbindungen stehen,
so dass die erforderlichen magnetischen Felder mit Hilfe des Permanentmagneten und
der Polschuhe in den einander zugewandten Mikrorelais erzeugt wird.
[0029] Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikrorelaismatrix
ist vorgesehen, dass auf den Substratschichten Mikrorelaisreihen mit jeweils mindestens
zwei parallel zueinander angeordneten Mikrorelais angeordnet sind und dass eine Ausrichtung
zweier benachbarter Mikrorelaisreihen jeweils um 180° gedreht ist.
[0030] Eine Baugröße der Mikrorelaismatrix und Materialkosten der Mikrorelaismatrix können
dadurch weiter reduziert werden, dass die Permanentmagnetkonfiguration eine Permanentmagnetanordnung
für jeweils zwei benachbarte Mikrorelais einer ersten Mikrorelaisreihe und für jeweils
zwei benachbarte Mikrorelais einer zweiten Mikrorelaisreihe bildet, wobei die erste
Mikrorelaisreihe und die zweite Mikrorelaisreihe benachbart zueinander angeordnet
sind und wobei die Mikrorelais der ersten Mikrorelaisreihe und die Mikrorelais der
zweiten Mikrorelaisreihe einander zugewandt sind. Die Permanentmagnetkonfiguration
umfasst vorteilhafterweise mehrere Permanentmagnete. Die Permanentmagneten sind erfindungsgemäß
so angeordnet, dass jeder Permanentmagnet jeweils für vier bistabile Mikrorelais magnetische
Nordpole bereitstellt und für vier weitere, benachbart angeordnete bistabile Mikrorelais
magnetische Südpole bereitstellt. Die für den Betrieb der bistabilen Mikrorelais erforderlichen
weiteren magnetischen Pole werden durch eine entsprechende Anordnung weiterer Permanentmagnete
an den bistabilen Mikrorelais bereitgestellt.
[0031] Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Permanentmagnetkonfiguration
zwei Permanentmagnete aufweist.
[0032] Um die erfindungsgemäße Mikrorelaismatrix möglichst einfach und kostengünstig herstellen
zu können ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Substratschichten aus einem keramischen
Substrat hergestellt sind. Bei dem keramischen Substrat kann es sich beispielsweise
um Aluminiumoxid handeln. Es ist aber auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen,
dass als Material für die Substratschichten Polymermaterialien, wie beispielsweise
Platinenmaterial FR4 verwendet wird.
[0033] Vorteilhafterweise sind für eine Kontaktierung der bistabilen Mikrorelais auf den
Substratschichten erforderliche elektrische leitende Leiterbahnen und Kontaktstellen
aus einem gegenüber einem Opferschichtätzmedium resistenten Metall wie beispielsweise
Nickel oder Nickel-Eisen hergestellt. Eine Opferschicht ist herstellungsbedingt auf
dem Substrat vorgesehen und muss während des Herstellungsprozesses von dem Substrat
durch ätzen entfernt werden. Als Material für die Opferschicht ist erfindungsgemäß
Kupfer vorgesehen.
[0034] Die bistabilen Mikrorelais können besonders kostengünstig und einfach dadurch gegen
äußere Einflüsse wie Staub oder dergleichen geschützt werden, dass an einem umlaufenden
Rand der Mikrorelaismatrix ein Dichtmaterial zwischen den Substratschichten angeordnet
ist, so dass die Substratschichten und das Dichtmaterial ein Gehäuse für das mindestens
eine Mikrorelais bilden.
[0035] Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mikrorelaismatrix
ist vorgesehen, dass auf einer zweiten Seite der ersten Substratschicht und/oder auf
einer zweiten Seite der zweiten Substratschicht wie vorangehend beschriebene bistabile
Mikrorelais angeordnet sind. Auf diese Weise können die bistabilen Mikrorelais in
beliebig vielen Schichten übereinander angeordnet werden. Die Substratschichten können
erfindungsgemäß durch Substratelemente gebildet werden, wobei jeweils auf gegenüberliegenden
Seiten der Substratelemente Mikrorelais angeordnet sind oder durch aneinander anliegende
Substratelemente gebildet werden, wobei jeweils nur auf einer Seite der Substratelemente
Mikrorelais angeordnet sind und die Substratelemente mit den einer Mikrorelaisseite
gegenüberliegenden Seitenfläche aneinander anliegen. Vorteilhafterweise besteht dabei
jede Schicht aus einander zugewandten bistabilen Mikrorelais, wobei die einzelnen
Substratschichten gleichzeitig als Gehäuseteile der bistabilen Mikrorelais dienen.
Auf diese Weise können die Herstellungskosten und der für die Mikrorelaismatrix erforderliche
Bauraum weiter reduziert werden.
[0036] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen bistabilen Mikrorelais
und der erfindungsgemäßen Mikrorelaismatrix werden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
[0037] Es zeigt:
Fig. 1a eine schematische Darstellung eines U-förmig ausgestalteten Mikroaktors in
einer Ausgangsposition,
Fig. 1b eine schematisch dargestellte Ansicht des in Fig. 1a dargestellten Mikroaktors
in einem ausgelenkten Zustand,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bistabilen Mikrorelais,
Fig. 3 eine schematisch dargestellte Ansicht auf mehrere auf einer Substratschicht
angeordnete bistabile Mikrorelais einer Mikrorelaismatrix,
Fig. 4 eine schematisch dargestellte Schnittansicht einer Mikrorelaismatrix.
Fig. 1a zeigt eine schematisch dargestellte Ansicht eines U-förmig ausgestalteten
Mikroaktors 1 in einer Ausgangsposition 2. Der Mikroaktor 1 weist zwei parallel zueinander
angeordnete Aktorschenkel 3 auf. Die Aktorschenkel 3 sind durch einen Verbindungsabschnitt
4 des Mikroaktors 1 miteinander verbunden. Die Aktorschenkel 3 sind in Endbereichen
5 der Aktorschenkel 3 festgelegt. Beide Aktorschenkel 3 sind beheizbar ausgestaltet.
Fig. 1b zeigt eine schematisch dargestellte Ansicht des Mikroaktors 1, wobei ein erster
Schenkel 6 des Mikroaktors 1 erwärmt ist und sich auf Grund der Erwärmung ausgedehnt
hat. Durch die Ausdehnung ist der Mikroaktor 1 in eine durch einen Pfeil gekennzeichnete
erste Richtung 7 ausgelenkt.
[0038] Der erste Aktorschenkel 6 ist mit Hilfe eines innerhalb des ersten Aktorschenkels
6 angeordneten elektrischen Heizelements beheizt. Solange das Heizelement des ersten
Aktorschenkels 6 elektrisch angesteuert wird, verbleibt der Mikroaktor 1 in der dargestellten
ausgelenkten Position. Wird das Heizelement des ersten Aktorschenkels 6 nicht länger
elektrisch angesteuert, kühlt sich der erste Aktorschenkel 6 ab, wobei sich eine durch
eine gestrichelte Linie gekennzeichnete Länge 8 des ersten Aktorschenkels 6 verkürzt,
wodurch der Mikroaktor 1 zurück in die in Fig. 1a dargestellte Ausgangsposition verlagert
wird.
[0039] Um mit Hilfe des Mikroaktors 1 einen weiteren Schaltvorgang vornehmen zu können,
muss ein Heizelement des zweiten Aktorschenkels 9 elektrisch angesteuert werden, wodurch
sich eine durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnete Länge 10 des zweiten Aktorschenkels
9 verlängert und der Mikroaktor 1 in eine der Richtung 7 entgegengesetzte Richtung
verlagert wird.
[0040] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines bistabilen Mikrorelais 11. Das bistabile
Mikrorelais 11 besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten Mikroaktoren 1, einem
Schaltkontakt 12 und einer Permanentmagnetanordnung 13. Des Weiteren weist das bistabile
Mikrorelais 11 einen ersten Signalausgang 14, einen zweiten Signalausgang 15 und einen
Signaleingang 16 auf.
[0041] Der Schaltkontakt 12 ist in einem Lagerbereich 17 des Schaltkontakts 12 schwenkbar
federnd gelagert. In einem Kopplungsbereich 18 des Schaltkontakts 12 sind zwei hakenförmig
ausgestaltete Kopplungselemente 19 angeordnet, die in U-förmig ausgestaltete Ausnehmungen
20 der Mikroaktoren 1 eingreifen. Der Schaltkontakt 12 weist zudem ein Flusselement
21 auf, wobei an gegenüberliegenden Seiten des Flusselements 21 Kontaktbereiche 22
ausgebildet sind. Das Flusselement 21 besteht aus einem ferromagnetischen Material
und ist innerhalb eines durch die Permanentmagnetanordnung 13 hervorgerufenes magnetischen
Felds angeordnet.
[0042] Die Permanentmagnetanordnung 13 besteht aus zwei Permanentmagneten 23 und zwei den
Permanentmagneten 23 zugeordneten Polschuhen 24. An den Polschuhen 24 sind Kontaktstellen
25 ausgebildet, wobei die Kontaktstellen 25 an die Kontaktbereiche 22 des Flusselements
21 angepasst sind. Die Polschuhe 24 bestehen aus einer elektrisch und magnetisch leitenden
Materialzusammensetzung, beispielsweise aus einem Polschuhkern aus einem magnetisch
leitfähigen Material, der mit einer dünnen Schicht aus einem elektrisch leitfähigen
Material überzogen ist. Die Polschuhe 24 könnten auch aus einem elektrisch und magnetisch
leitenden Material hergestellt sein, wobei die Polschuhe 24 zusätzlich auch mit dem
elektrisch leitfähigen Material beispielsweise mit Gold überzogen werden könnten.
[0043] Der Schaltkontakt 12 weist eine Stange 26 aus einem elektrisch leitenden Material
auf, wobei die Stange 26 mit dem Signaleingang 16 elektrisch leitend verbunden ist.
Zudem ist die Stange 26 elektrisch leitend mit dem elektrisch leitenden Flusselement
21 verbunden. Auch das Flusselement 21 besteht zweckmäßigerweise aus einem magnetisch
leitfähigen Material mit einer dünnen Beschichtung aus einem elektrisch leitfähigen
Material. Das Flusselement 21 könnte auch aus einem elektrisch und magnetisch leitenden
Material hergestellt sein, wobei das Flusselement 21 zusätzlich auch eine dünne Beschichtung
aus dem elektrisch leitfähigen Material aufweisen könnte. Die Beschichtung kann beispielsweise
aus Gold hergestellt werden.
[0044] Sobald einer der Kontaktbereiche 22 des Flusselements 21 an einem der an die Kontaktbereiche
22 angepassten Kontaktstellen 25 der Polschuhe 24 anliegt, wird eine elektrisch leitende
Verbindung zwischen dem Flusselement 21 und dem jeweiligen Polschuh 24 hergestellt.
Die Polschuhe 24 stehen jeweils mit einem der Signalausgänge 14 und 15 in einer elektrisch
leitenden Verbindung. Auf diese Weise wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen
dem Signaleingang 16 über die Stange 26, das Flusselement 21, einen der Polschuhe
24 hin zu einem der Signalausgänge 14 oder 15 hergestellt.
[0045] In der dargestellten Position ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem
Signaleingang 16 und dem Signalausgang 14 dargestellt. Nach einem Schaltvorgang befände
sich der Schaltkontakt in der gestrichelt dargestellten Position 27, in der eine elektrisch
leitende Verbindung zwischen dem Signaleingang 16 und dem Signalausgang 15 hergestellt
wäre.
[0046] Würde eine abweichend ausgestaltete Mikroaktoranordnung lediglich einen mit dem Schaltkontakt
kontaktierbaren elektrisch leitenden Signalausgang 14 aufweisen und der gegenüberliegende
Polschuh keine elektrisch leitende Kontaktstelle aufweisen, so würde die Verlagerung
des Schaltkontakts in die gestrichelt dargestellte Position 27 eine Unterbrechung
der Kontaktierung des Signalausgangs 14 bewirken, ohne dass ein weiterer Signalausgang
kontaktiert wird.
[0047] Die Aktorschenkel 3 der Mikroaktoren 1 sind beheizbar ausgestaltet. Innerhalb der
Aktorschenkel 3 sind elektrothermische Heizelemente 28 angeordnet. Die elektrothermischen
Heizelemente 28 werden über eine elektrische Ansteuerschaltung 29 elektrisch angesteuert,
um die Mikroaktoren 1 auszulenken, den Schaltkontakt 12 zu verschwenken und dadurch
einen Schaltvorgang auszuführen.
[0048] Damit die Mikroaktoren 1 bei einem Schaltvorgang in dieselbe Richtung verlagert werden,
ist ein Heizelement 30 eines ersten linken Aktorschenkels 31 eines ersten Mikroaktors
32 und ein Heizelement 33 eines zweiten linken Aktorschenkels 34 eines zweiten Mikroaktors
35 über eine erste elektrische Parallelschaltung 36 über elektrische Kontakte 37 mit
einer ersten Steuerspannung ansteuerbar. Des Weiteren ist ein Heizelement 38 eines
ersten rechten Aktorschenkels 39 des ersten Mikroaktors 32 und ein Heizelement 40
eines zweiten rechten Aktorschenkels 41 des zweiten Mikroaktors 35 über eine zweite
elektrische Parallelschaltung 42 über die elektrischen Kontakte 43 mit einer zweiten
Steuerspannung ansteuerbar.
[0049] Das Flusselement 21 wird durch das von dem Permanentmagneten 23 erzeugte und durch
Feldlinien 44 angedeutete magnetische Feld von den sich gegenüberliegenden Permanentmagneten
23 angezogen, wobei eine Anziehungskraft der Permanentmagneten 23 umso größer ist,
umso näher sich das Flusselement 21 dem jeweiligen Permanentmagneten 23 nähert. Auf
diese Weise wird der jeweilige Schaltzustand des Schaltkontakts 12 stabilisiert bis
die Mikroaktoren 1 angesteuert werden, wodurch sich eine Länge der angesteuerten Aktorschenkel
3 verlängert, die Mikroaktoren 1 in die gleiche Richtung ausgelenkt werden und den
Schaltkontakt 12 verschwenken. Auf diese Weise wird das Flusselement 21 entgegen der
magnetischen Anziehungskraft des jeweiligen Permanentmagneten 23 verlagert bis eine
auf das Flusselement 21 wirkende magnetische Anziehungskraft des jeweils anderen Permanentmagneten
23 stärker ist und das Flusselement 21 zu sich heranzieht. Nach diesem Schaltvorgang
kann die Ansteuerung der jeweiligen Heizelemente aufgehoben werden, wodurch die Mikroaktoren
zurück in die Ausgangsposition verlagert werden.
[0050] Fig. 3 zeigt eine schematisch dargestellte Ansicht auf eine erste Substratschicht
50 auf der mehrere bistabile Mikrorelais 11 in mehreren Mikrorelaisreihen 51 angeordnet
sind. In der Darstellung ist ein bistabiles Mikrorelais 11 exemplarisch mit einem
Bezugszeichen gekennzeichnet.
[0051] An der ersten Substratschicht 50 sind zudem Permanentmagnetkonfigurationen 52 angeordnet,
die gemeinsam mit Polschuhen 24 Permanentmagnetanordnungen 13 der bistabilen Mikrorelais
11 bilden. In der Darstellung sind jeweils ein Polschuh 24 und eine Permanentmagneteinrichtungen
13 exemplarisch mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet.
[0052] Die Permanentmagnetkonfigurationen 52 bestehen aus Permanentmagneten 53 und den den
Permanentmagneten 53 jeweils zugeordneten Polschuhen 24. Auf die erste Substratschicht
50 kann eine zweite Substratschicht mit weiteren bistabilen Mikrorelais angeordnet
werden, wobei die zweite Substratschicht so an der ersten Substratschicht 50 angeordnet
wird, dass die an der ersten Substratschicht 50 angeordneten bistabilen Mikrorelais
11 und die an der zweiten Substratschicht angeordneten bistabilen Mikrorelais einander
zugewandt angeordnet sind. Dabei werden die bistabilen Mikrorelais an der zweiten
Substratschicht so angeordnet, dass die Polschuhe der bistabilen Mikrorelais entsprechend
der bistabilen Mikrorelais 11 der ersten Substratschicht 50 mit den Permanentmagneten
53 in Wirkverbindung stehen und gemeinsam mit den Permanentmagneten 53 Permanentmagnetanordnungen
bilden.
[0053] Fig. 4 zeigt eine schematisch dargestellte Schnittansicht einer zweilagigen Mikrorelaismatrix
54. Die zweilagige Mikrorelaismatrix 54 weist eine erste Substratschicht 50 mit einer
ersten Lage der Mikrorelaismatrix 54 und eine zweite Substratschicht 55 mit einer
zweiten Lage der Mikrorelaismatrix auf, wobei zwischen der ersten Substratschicht
50 und der zweiten Substratschicht 55 ein Permanentmagnet 53 angeordnet ist, der mit
nicht dargestellten Polschuhen der bistabilen Mikrorelais 11 Permanentmagnetanordnungen
bildet.
[0054] An einem Rand 56 der Mikrorelaismatrix 54 ist ein Dichtmaterial 57 angeordnet, wobei
durch die erste Substratschicht 50, die zweite Substratschicht 55 und das Dichtmaterial
57 ein Gehäuse 58 für die bistabilen Mikrorelais 11 gebildet wird. Der Abstand zwischen
der ersten Substratschicht 50 und der zweiten Substratschicht 55 kann zweckmäßigerweise
durch die Abmessungen des Permanentmagneten 53 vorgegeben werden. Der Permanentmagnet
53 kann in vorab hergestellte und dadurch bereits vorgegebene Strukturen der mit einer
Lage der Mikrorelaismatrix 54 versehenen ersten und zweiten Substratschichten 50,
55 eingebracht und positioniert werden.
1. Bistabiles Mikrorelais (11) mit einem schwenkbar gelagerten Schaltkontakt (12), mit
mindestens einem elektrothermischen Mikroaktor (1, 32, 35), mit einer Permanentmagnetanordnung
(13), mit einem Signaleingang (16) und mit mindestens einem Signalausgang (14, 15),
wobei die Permanentmagnetanordnung (13) mit einem Flusselement (21) des Schaltkontakts
(12) in Wirkverbindung steht, wobei der Schaltkontakt (12) mindestens einen Kontaktbereich
(22) zur schaltzustandsabhängigen Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen
dem Signaleingang (16) und dem mindestens einen Signalausgang (14, 15) aufweist, wobei
der Mikroaktor (1, 32, 35) U-förmig ausgestaltet ist, wobei der U-förmige Mikroaktor
(1, 32, 35) zwei parallel zueinander angeordnete und mit einem Verbindungsabschnitt
(4) des Mikroaktors (1, 32, 35) miteinander verbundene Aktorschenkel (3, 6, 9, 31,
34, 39, 41) aufweist, wobei dem Verbindungsabschnitt (4) gegenüberliegende Endbereiche
(5) der Aktorschenkel (3, 6, 9, 31, 34, 39, 41) festgelegt sind, wobei eine Länge
(8, 10) der Aktorschenkel (3, 6, 9, 31, 34, 39, 41) durch Erwärmung veränderbar ist,
wobei beide Aktorschenkel (3, 6, 9, 31, 34, 39, 41) beheizbar ausgestaltet sind, so
dass den Endbereichen (5) der Aktorschenkel (3, 6, 9, 31, 34, 39, 41) benachbarte
Schenkelabschnitte und der Verbindungsabschnitt (4) beheizungsabhängig ausgehend von
einer Ausgangsposition (2) in zwei entgegensetzte Richtungen auslenkbar sind, wobei
der Mikroaktor (1, 32, 35) in einem Kopplungsbereich (18) mit dem Schaltkontakt (12)
in Wirkverbindung steht.
2. Bistabiles Mikrorelais (11) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetanordnung (13) zwei Polschuhe (24) aufweist und dass den Signalausgängen
(14, 15) zugeordnete und an den Kontaktbereich (22) oder an Kontaktbereiche (22) angepasste
Kontaktstellen (25) an den Polschuhen (24) ausgebildet sind.
3. Bistabiles Mikrorelais (11) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (22) oder die Kontaktbereiche (22) an dem Flusselement (21) ausgebildet
sind.
4. Bistabiles Mikrorelais (11) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroaktor (1, 32, 35) aus einem Polymerwerkstoff hergestellt ist.
5. Bistabiles Mikrorelais (11) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorschenkel (3, 6, 9, 31, 34, 39, 41) elektrothermische Heizelemente (30, 33,
38, 40) aus einem Nickelmetallfilm aufweisen.
6. Bistabiles Mikrorelais (11) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kopplungsbereich (18) ein hakenförmig ausgestaltetes Kopplungselement (19)
angeordnet ist und dass an dem Mikroaktor (1, 32, 35) eine an das Kopplungselement
(19) angepasste Ausnehmung (20) ausgebildet ist, wobei das Kopplungselement (19) in
die Ausnehmung (20) eingreift und wobei das Kopplungselement (19) an einem Rand der
Ausnehmung (20) anliegt, wenn der Mikroaktor (1, 32, 35) ausgelenkt ist.
7. Bistabiles Mikrorelais (11) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Mikrorelais (11) zwei parallel zueinander angeordnete, U-förmige, elektrothermische
Mikroaktoren (1, 32, 35) mit beheizbaren Aktorschenkeln (3, 6, 9, 31, 34, 39, 41)
aufweist, wobei der Schaltkontakt (12) zwischen den beiden Mikroaktoren (1, 32, 35)
angeordnet ist und mit beiden Mikroaktoren (1, 32, 35) mechanisch gekoppelt ist.
8. Bistabiles Mikrorelais (11) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster linker Aktorschenkel (31) eines ersten Mikroaktors (32) und ein zweiter
linker Aktorschenkel (34) eines zweiten Mikroaktors (35) über eine erste elektrische
Parallelschaltung (36) mit einer ersten Steuerspannung ansteuerbar ist und dass ein
erster rechter Aktorschenkel (39) des ersten Mikroaktors (32) und ein zweiter rechter
Aktorschenkel (41) des zweiten Mikroaktors (35) über eine zweite elektrische Parallelschaltung
(42) mit einer zweiten Steuerspannung ansteuerbar ist, so dass bei einer Ansteuerung
der Mikroaktoren (1, 32, 35) mit der ersten Steuerspannung die Mikroaktoren (1, 32,
35) in Richtung der jeweils rechten Aktorschenkel (39, 41) ausgelenkt werden und bei
einer Ansteuerung der Mikroaktoren (1, 32, 35) mit der zweiten Steuerspannung die
Mikroaktoren (1, 32, 35) in Richtung der jeweils linken Aktorschenkel (31, 34) ausgelenkt
werden.
9. Mikrorelaismatrix (54) mit mindestens einem auf einer ersten Seite einer ersten Substratschicht
(50) angeordneten ersten bistabilen Mikrorelais (11) entsprechend der Ansprüche 1-8
und mit mindestens einem auf einer ersten Seite einer zweiten Substratschicht (55)
angeordneten zweiten bistabilen Mikrorelais entsprechend der Ansprüche 1-8, wobei
die Substratschichten (50, 55) miteinander verbunden sind und wobei die erste Seite
der ersten Substratschicht (50) und die erste Seite der zweiten Substratschicht (55)
einander zugewandt sind, so dass das mindestens eine erste Mikrorelais (11) und das
mindestens eine zweite Mikrorelais (11) einander zugewandt sind.
10. Mikrorelaismatrix (54) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Permanentmagnetkonfiguration (52) zwischen den Substratschichten
(50, 55) angeordnet ist, wobei die Permanentmagnetkonfiguration (52) Permanentmagnetanordnungen
(13) für mindestens zwei einander gegenüberliegenden Mikrorelais (11) bildet.
11. Mikrorelaismatrix (54) gemäß Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Substratschichten (50, 55) Mikrorelaisreihen (51) mit jeweils mindestens
zwei parallel zueinander angeordneten Mikrorelais (11) angeordnet sind und dass eine
Ausrichtung zweier benachbarter Mikrorelaisreihen (51) jeweils um 180° gedreht ist.
12. Mikrorelaismatrix (54) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetkonfiguration (52) Permanentmagnetanordnung (13) für jeweils zwei
benachbarte Mikrorelais (11) einer ersten Mikrorelaisreihe (51) und für jeweils zwei
benachbarte Mikrorelais (11) einer zweiten Mikrorelaisreihe (51) bildet, wobei die
erste Mikrorelaisreihe (51) und die zweite Mikrorelaisreihe (51) benachbart zueinander
angeordnet sind und wobei die Mikrorelais (11) der ersten Mikrorelaisreihe (51) und
die Mikrorelais (11) der zweiten Mikrorelaisreihe (51) einander zugewandt sind.
13. Mikrorelaismatrix (54) gemäß einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetkonfiguration (52) zwei Permanentmagnete (23, 53) aufweist.
14. Mikrorelaismatrix (54) gemäß einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschichten (50, 55) aus einem Keramiksubstrat hergestellt sind.
15. Mikrorelaismatrix (54) gemäß einem der Ansprüche 9-14, dadurch gekennzeichnet, dass an einem umlaufenden Rand (56) der Mikrorelaismatrix (54) ein Dichtmaterial (57)
zwischen den Substratschichten (50, 55) angeordnet ist, so dass die Substratschichten
(50, 55) und das Dichtmaterial (57) ein Gehäuse (58) für das mindestens eine Mikrorelais
(11) bilden.
16. Mikrorelaismatrix (54) gemäß einem der Ansprüche 9-15, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer zweiten Seite der ersten Substratschicht (50) und/oder auf einer zweiten
Seite der zweiten Substratschicht (55) bistabile Mikrorelais (11) gemäß einem der
Ansprüche 1-8 angeordnet sind.