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Design und Realisierung eines elektrostatischen Mikrorelais in Oberflächen-Mikromechanik

机译:表面微机械中静电微继电器的设计与实现

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摘要

Die Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung eines Mikrorelais für den Einsatz im Bereich Messtechnik, speziell zur Miniaturisierung von Relaiskarten und piezoelektrischen Messsystemen. Ausgehend von einer Analyse des Verhaltens metallischer Mikrokontakte werden die Anforderungen an den Mikroaktuator aufgestellt, der die Schaltfunktion ausführt. Die Kontaktkraft muss 100 µN übersteigen, um einen stabilen Kontaktwiderstand zu erhalten. Zur Trennung der geschlossenen Kontakte, ist eine Mindestrückstellkraft von > 100 µN nötig. Die offenen Kontakte werden über eine Luftstrecke von 1.5 µm isoliert. Das elektrostatische Antriebsprinzip ist prädestiniert für einen Einsatz in Mikrorelais, weil es die Realisierung eines schnellen und leistungsarmen Aktuators ermöglicht, der eine hohe Normalkraft am Ende seines Stellweges erzielt, wenn die Kontakte geschlossen werden. Nach einer analytischen Abschätzung wird das Mikrorelais mit Hilfe einer elektro-mechanisch gekoppelten FEM-Simulation dimensioniert. Ein neues Aktuator-Konzept mit mehrstufigen Federn (Nulllage-, Rückstell- und Relaisankerfeder) und planparallelen, verstärkten Elektrodenplatten erzeugt auf einer Nettofläche von unter 0.2 qmm eine elektrostatische Gesamtkraft von mindestens 600 µN bei einem Stellweg von etwa 2 µm. Das Mikrorelais wird mit den Prozessen der Oberflächen-Mikromechanik realisiert. Die elektro-mechanischen Strukturen (Relaisanker und Elektroden) bestehen aus Polysilizium. Der Schalt- ist vom Lastkreis galvanisch durch eine Siliziumnitridschicht getrennt und die Kontakte bestehen aus Gold. Nach einer Initialisierung des drehbar gelagerten Relaisankers führt dieser die Schaltfunktion durch eine Bewegung normal zum Substrat aus, wobei ein Brückenkontakt zwei Gegenkontakte elektrisch leitend verbindet. Das Schaltverhalten des Relais wird messtechnisch untersucht und alle relevanten Kennwerte aufgenommen. Das Relais benötigt eine Ansteuerspannung von etwa 35 Volt. Der Kontaktwiderstand beträgt 1.3 Ohm, der Durchgangswiderstand 6.5 Ohm, der Sperrwiderstand mehr als 100 GOhm und die Spannungsfestigkeit 150 Volt. Das Relais wird bei Normaldruck betrieben, so dass die Luftdämpfung (Squeeze-Film-Damping) das dynamische Schaltverhalten bestimmt. Schon bei der analytischen Berechnung mit Hilfe der Reynoldsgleichung zeigt sich die Prellfreiheit des Schaltvorgangs, wobei trotz der hohen Dämpfung eine Einschaltzeit von unter 150 µs erreicht wird. Wenn die Belastung auf den untersten Trockenlastbereich (Lasten unter 5 V / 100 µA) beschränkt bleibt, beträgt die Lebensdauer mindestens 10E6 Schaltspiele. Die Arbeit wird ergänzt durch eine ausführliche tabellarische Übersicht bisher veröffentlichter Mikrorelais.
机译:该工作描述了用于测量技术领域的微型继电器的概念和实现,特别是用于继电器卡和压电测量系统的小型化。基于对金属微触点行为的分析,建立了执行开关功能的微执行器的要求。为了获得稳定的接触电阻,接触力必须超过100 µN。分离闭合触点需要的最小恢复力> 100 µN。打开的触点在1.5 µm的气隙内隔离。静电驱动原理注定要用于微型继电器,因为它可以实现快速且低功率的执行器,当触点闭合时,该执行器在行程结束时可实现高法向力。经过分析评估后,借助机电耦合的FEM仿真确定微继电器的尺寸。具有多级弹簧(零位置,复位和中继电枢弹簧)和平面平行的增强电极板的新型执行器概念在小于0.2 qmm的净面积上产生的总静电力至少为600μN,行程范围约为2μm。微继电器是通过表面微机械过程实现的。机电结构(继电器电枢和电极)由多晶硅制成。开关电路通过氮化硅层与负载电路电隔离,触点由金制成。在可旋转安装的继电器电枢初始化之后,它通过正常移动到基板上来执行切换功能,一个电桥触点电连接两个反向触点。测量继电器的开关行为并记录所有相关参数。继电器需要约35伏的控制电压。接触电阻为1.3欧姆,体积电阻为6.5欧姆,阻挡电阻大于100 GOhm,介电强度为150伏。继电器在常压下运行,因此空气阻尼(挤压膜阻尼)决定了动态开关性能。借助雷诺方程进行的分析计算表明,开关过程没有弹跳,尽管阻尼很高,但导通时间仍小于150 µs。如果负载仍限制在最低干负载范围内(负载低于5 V / 100 µA),则使用寿命至少为10E6开关周期。先前发布的微型继电器的详细表格概述对工作进行了补充。

著录项

  • 作者

    Thielicke Ernst;

  • 作者单位
  • 年度 2004
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 German
  • 中图分类

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