[0001] Die Erfindung betrifft einen Miniaturrelais-Schalter, insbesondere einen sogenannten
MEMS-Schalter (
Micro
Electro
Mechanical
System), der extrem kleine Kontaktflächen aufweist.
[0002] Miniaturrelais-Schalter dieser Art werden bevorzugt zum breitbandigen Schalten von
Hochfrequenzsignalen eingesetzt, da sie in einem großen Frequenzbereich von Gleichstrom
bzw. kHz bis in den GHz-Bereich lineare Schalteigenschaften besitzen. Sie haben jedoch
das Problem, dass sie sehr leicht beschädigt oder zerstört werden, wenn sie zwischen
zwei verschiedenen Gleichspannungs-Potenzialen schalten. Dieser Effekt wird als Hot
Switching bezeichnet. Da solche Schalter sehr niederohmig sind genügen bereits sehr
kleine Spannungsdifferenzen von beispielsweise nur 1 V und sehr geringe Lastkapazitäten
von beispielsweise nur wenigen pF, um an den sehr kleinen Kontaktflächen sehr hohe
Impulsströme bzw. Impulsstromdichten zu erzeugen. Daher sind solche Schalter beispielsweise
in Eingangsstufen von Empfängern extrem gefährdet und konnten aus diesem Grunde für
viele mögliche Anwendungsfälle nicht eingesetzt werden.
[0003] Das Problem des Hot Switching ist z.B. in der
DE 103 40 619 A1 beschrieben.
[0004] Fig. 1 zeigt anhand eines Schaltbeispieles diesen Effekt. Mit dem dargestellten MEMS-Schalter
A, der über eine Steuereinrichtung S mittels elektrostatischer oder magnetischer Kräfte
ein- und ausschaltbar ist, soll ein Hochfrequenzsignal HF zu einer Last L durchgeschaltet
werden. Der MEMS-Schalter A besitzt beispielsweise einen sehr kleinen Durchgangswiderstand
von 300 mOhm, die Last L ist beispielsweise nur eine kleine Lastkapazität von 10 pF.
Am Eingang des Schalters A liegt neben dem HF-Signal auch noch ein Gleichspannungspotenzial
von beispielsweise 3 V an, das schematisch durch die Gleichspannungsquelle Q angedeutet
ist. Bei offenem Schalter A liegt also an einem Schaltkontakt ein Gleichspannungspotenzial
von 3 V, am anderen Schaltkontakt ein Gleichspannungspotenzial von 0 V. Beim Schließen
des Schalters A durch die Steuereinrichtung S liegt am niederohmigen Schalter A eine
Spannungsdifferenz von 3 V und es würde hierdurch kurzzeitig ein Impulsstrom von bis
zu 10 A über die Kontaktflächen des Schalters A fließen, die extrem klein sind und
nur wenige µm groß sind. Durch diese Gleichspannungsdifferenz am Schalter A würde
dieser beschädigt oder sogar zerstört.
[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Miniaturrelais-Schalter, insbesondere MEMS-Schalter,
zu schaffen, der diesen Nachteil vermeidet und der ohne Gefahr von Hot Switching als
Hochfrequenzschalter einsetzbar ist.
[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Miniaturrelais-Schalter laut Hauptanspruch
1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0007] Durch den erfindungsgemäßen Schutzwiderstand, der beim Schließen des Schalters in
Reihe zum Schalter liegt oder der vor dem Schließen des Schalters parallel zu diesem
geschaltet ist, erfolgt der Gleichspannungs-Potentialausgleich zunächst über diesen
Schutzwiderstand und der Schalter wird dadurch vor Beschädigung geschützt. Erst wenn
der Gleichspannungs-Potenzialausgleich erreicht ist, wird über den zusätzlichen Schalter
der Schutzwiderstand wieder ausgeschaltet und das Hochfrequenzsignal wird über den
nunmehr wieder allein wirksamen Miniaturrelais-Schalter mit seinen vorteilhaften Hochfrequenz-Schalteigenschaften
durchgeschaltet. Der geringe Schaltzeitverlust bis zum Gleichspannungspotenzialausgleich,
der in der Größenordnung von Mikrosekunden liegen kann, ist verglichen mit dem großen
Vorteil, dass damit erstmals auch solche MEMS-Schalter als Hochfrequenzschalter ohne
der Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung eingesetzt werden können, vernachlässigbar.
[0008] Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- an einem Prinzipschaltbild den sogenannten Hot Switching Effekt eines MEMS-Schalters;
- Fig. 2
- an einem vergleichbaren Prinzipschaltbild wie Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel mit in Reihe zum Schalter liegenden, überbrückbaren Schutzwiderstand
und
- Fig. 3
- wiederum an einem vergleichbaren Prinzipschaltbild wie Fig. 1 ein zweites erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel mit einem parallel zum Schalter liegenden, abschaltbaren Schutzwiderstand.
[0009] Fig. 2 zeigt einen MEMS-Schalter A, der durch eine Steuereinrichtung S ein- und ausschaltbar
ist. In Reihe zu diesem MEMS-Schalter A ist ein Schutzwiderstand W geschaltet, der
über einen ebenfalls mittels der Schalteinrichtung S betätigbaren zusätzlichen Schalter
B überbrückbar ist. Zum Durchschalten des HF-Signals zur Last L wird zunächst gesteuert
über die Steuereinrichtung S der Schalter A geschlossen, der Schalter B bleibt offen.
Der Potentialausgleichsstrom zwischen der Gleichspannungsquelle Q und der Lastkapazität
wird durch den Widerstand W für den Schalter A auf ein erlaubtes Maß begrenzt und
dieser damit geschützt. Der Wert des Widerstandes W wird so groß gewählt, dass die
vom Hersteller angegebene maximale Stromdichte an den Schaltkontakten des MEMS-Schalters
A nicht überschritten wird. In der Praxis wird dies mit einem Widerstand von einigen
kOhm, beispielsweise 10 kOhm erreicht. Der Widerstand W ist vorzugsweise ein rein
Ohm'scher Widerstand.
[0010] Der Schalter A kann ohne Gefährdung sofort geschlossen werden. Erst nach erfolgtem
Gleichspannungs-Potenzialausgleich an den Kontakten des Schalters A wird dieser Widerstand
W durch den zweiten zusätzlichen Schalter B überbrückt. Der über die Steuereinrichtung
S gesteuerte Schalter B ist vorzugsweise in gleicher Technologie aufgebaut wie der
Schalter A, also beispielsweise ebenfalls ein MEMS-Schalter. Da das Hochfrequenzsignal
nach Abschluss des Potenzialausgleiches über beide Schalter A und B zur Last durchgeschaltet
wird, müssen an diese beiden Schalter hohe Anforderungen bezüglich der Übertragungseigenschaften
gestellt werden.
[0011] Die Steuerung der beiden Schalter A und B kann über die Steuereinrichtung S entweder
zeitabhängig oder gesteuert über eine Messeinrichtung erfolgen, wie dies im Zusammenhang
mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 näher beschrieben wird.
[0012] Fig. 3 zeigt wieder einen MEMS-Schalter A gesteuert über eine Steuereinrichtung S
zum Durchschalten eines HF-Signals HF zu einer Last L. Zusätzlich zeigt Fig. 3 die
Möglichkeit einer Steuerung der Schalter über eine Spannungsmesseinrichtung. Außerdem
liegt am Schalter A eine Gleichspannungs-Potentialdifferenz Q.
[0013] Um eine Beschädigung des Schalters A durch diese Potenzialdifferenz zu vermeiden,
ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 parallel zum Schalter A die Serienschaltung
eines Widerstandes W und eines ebenfalls über die Steuereinrichtung S gesteuerten
zusätzlichen Schalters B angeordnet. Zum Durchschalten des HF-Signals HF wird gesteuert
über die Steuereinrichtung S zunächst der Schalter B geschlossen und es wird damit
über den Parallelzweig mit dem Widerstand W das Gleichspannungspotenzial am Ein- und
Ausgang des Schalters A ausgeglichen. Nach erfolgtem Potenzialausgleich wird dann
der Schalter A über die Steuereinrichtung S ohne Gefahr einer Beschädigung geschlossen.
[0014] Zur Verminderung parasitärer Effekte kann anschließend der Schalter B wieder geöffnet
werden. Nach der kurzen Schaltzeit von nur einigen µsec zwecks Potenzialausgleich
wird das Hochfrequenzsignal ausschließlich über den Schalter A zur Last durchgeschaltet.
Daher sind an den zusätzlichen Schalter B geringere Anforderungen bezüglich Übertragungseigenschaften
zu stellen als bei der Serienschaltung nach Fig. 2. Der zusätzliche Schalter B kann
daher auch in einer völlig anderen Technologie realisiert werden, beispielsweise als
Feldeffekttransistor-Schalter oder als einfacher mechanischer Relaisschalter.
[0015] Die Dimensionierung des Widerstandes W im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 richtet
sich nach der maximalen zulässigen Stromdichte am Kontakt des Schalters B.
[0016] Die Steuerung beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 kann wieder zeitabhängig oder
gesteuert über eine Messeinrichtung erfolgen. Am einfachsten ist es, den zeitlichen
Ablauf der beiden Schalter A und B in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3
zeitabhängig über die Steuereinrichtung S zu steuern. Da die Dimensionierung des Schutzwiderstandes
W und die zu erwartende Gleichspannungs-Potenzialdifferenz am Schalter A und auch
die angrenzenden Kapazitäten am Schalter bzw. an der Last in der Regel bekannt sind,
kann die Wartezeit, die zum Potentialausgleich erforderlich ist, berechnet werden.
Z. B. gilt:

mit
τ =Zeitkonstante,
RSchutz =Widerstandswert von W,
CLast =Kapazität von L.
[0017] Anstelle einer zeitabhängigen Steuerung könnte die Steuerung der Schalter A und B
auch über eine die Potentialdifferenz messende Messeinrichtung erfolgen, wie dies
schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. In der Steuereinrichtung S ist eine hochohmige
Spannungsmesseinrichtung vorgesehen, beispielsweise eine Spannungskomparatorschaltung,
die die Gleichspannungsdifferenz zwischen den Schaltpunkten 1 und 2 des Schalters
A erfasst. Wenn die Potentialdifferenz zwischen diesen Schaltpunkten 1 und 2 einen
vorgegebenen Minimalwert erreicht, also ausreichender Potentialausgleich erreicht
ist, wird gesteuert über diese Messeinrichtung der Steuereinrichtung S im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3 der Schalter A geschlossen und der Schalter B gegebenenfalls geöffnet.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird die Potentialdifferenz wieder an den Schaltpunkten
1 und 2 gemessen und wenn Potentialausgleich erreicht ist, wird der Schalter B geschlossen.
[0018] Die beschriebenen Maßnahmen können sowohl mit eigenständigen Bauteilen realisiert
werden oder in integrierter Technik beispielsweise im MEMS-Schalter. Alle beschriebenen
und/oder gezeichneten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar.
1. Miniaturrelais-Schalter, insbesondere MEMS-Schalter, mit einem Schutzwiderstand (W),
der durch einen zusätzlichen Schalter (B) bis zum erfolgten Gleichspannungs-Potentialausgleich
an den Kontakten des Schalters (A) in Reihe oder parallel zum Schalter (A) schaltbar
ist.
2. Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schutzwiderstand (W) in Reihe zum Schalter (A) angeordnet und mittels des zusätzlichen
Schalters (B) überbrückbar ist und die beiden Schalter (A, B) so gesteuert sind, dass
bis zum Gleichspannungs-Potenzialausgleich am geschlossenen Schalter (A) bei zunächst
offenem zusätzlichem Schalter (B) der Schutzwiderstand (W) in Reihe zum Schalter (A)
geschaltet ist und erst nach Potentialausgleich der Schutzwiderstand (W) durch den
zusätzlichen Schalter (B) überbrückt wird.
3. Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zusätzliche Schalter (B) von gleicher Technologie wie der Schalter (A) ist, insbesondere
beide Schalter MEMS-Schalter sind.
4. Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass parallel zum Schalter (A) die Serienschaltung von Schutzwiderstand (W) und zusätzlichem
Schalter (B) angeordnet ist und die beiden Schalter (A, B) so gesteuert sind, dass
zunächst nur die Serienschaltung von Schutzwiderstand und zusätzlichem Schalter eingeschaltet
wird und der Schalter (A) erst nach erfolgtem Potentialausgleich geschlossen wird.
5. Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach erfolgtem Potenzialausgleich und Schließen des Schalters (A) der zusätzliche
Schalter (B) wieder geöffnet wird.
6. Miniaturrelais-Schalter nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zusätzliche Schalter (B) von anderer Technologie wie der Schalter (A) ist, insbesondere
ein FET-Schalter ist.
7. Miniaturrelais-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltfolge der beiden Schalter (A, B) zeitgesteuert ist.
8. Miniaturrelais-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Schaltkontakt (A) eine Gleichspannungs-Potential-Messvorrichtung zugeordnet ist
und die Schaltfolge der beiden Schalter (A, B) in Abhängigkeit von der gemessenen
Potentialdifferenz am Schalter (A) gesteuert ist.
9. Miniaturrelais-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schutzwiderstand (W) so groß gewählt ist, dass die maximal zulässige Stromdichte
des Schalters (A) und/oder des Schalters (B) nicht überschritten wird.
10. Miniaturrelais-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzschaltung einschließlich Schutzwiderstand (W) und/ oder zusätzlichem Schalter
(B) und/ oder einer Steuereinrichtung (S) in den Miniaturrelais-Schalter integriert
ist.