CN115083846A - 能够电容式操纵的mems开关 - Google Patents
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Abstract
本发明基于电可操纵的MEMS开关，具有衬底和布置在衬底上的微机械功能层，在该功能层中构造固定部分和电可操纵、可偏移的开关元件，其为了闭合与固定部分的导电接触部而可偏移地悬挂在至少一个第一弹簧上。本发明核心在于：开关元件在第一运行状态下位于与固定部分具有第一间距的第一位置中且电接触部打开；开关元件在第二运行状态下位于与固定部分具有第二间距的第二位置中，第二间距小于第一间距，第一弹簧偏移并施加第一恢复力，开关元件与至少一个第二弹簧进入有效连接且电接触部打开；开关元件在第三运行状态下位于第三位置中，开关元件贴靠在固定部分上且导电接触部闭合，第一弹簧偏移并施加第一恢复力，第二弹簧偏移并施加第二恢复力。
Description
技术领域
本发明基于一种能够电操纵的MEMS开关，其具有衬底和布置在所述衬底上方的微机械功能层，其中，在所述微机械功能层中构造有固定部分和能够电操纵的、能够偏移的开关元件，其中，所述开关元件为了闭合与所述固定部分的导电接触部而能够偏移地悬挂在至少一个第一弹簧上。
背景技术
已知不同类型的继电器。大多数继电器具有相对较高的电流消耗。它们典型地电磁驱动并且为了运行而需要励磁线圈。以此能够产生大的力。然而，这些继电器由于所需要的线圈而具有高的电流消耗。
最近也存在能够电容式操纵的开关。它们由于其驱动原理而具有非常低的电流消耗。例如，已知Analog Devices公司的MEMS开关ADGM1304(图1)，该MEMS开关在表面微机械中制成。在此，开关元件构型为可从衬底平面中运动出。在非在先公开的德国专利申请DE102021202238.3中描述了一种能够电容式操纵的MEMS开关，其具有平行于衬底平面(in-plane，平面内)可运动的开关元件(图2)。
电容式MEMS继电器的优点在于：可运动的质量由于MEMS元件的尺寸而非常小并且因而可以非常快速地实现接通过程。MEMS元件通常由板状电容器组件驱动。电容器的力与间距倒数成比例。因此，该力在接通状态下最大。在接通过程中，可运动的MEMS结构逐渐加速并且在开关过程之前不久经历最高加速度。相应地，以非常高的速度闭合接触部。如果将继电器在非无电流的状态下闭合，则这对继电器接触部的使用寿命来说是有利的，因为在这种情况下仅在非常短的时间内能够形成缩短接触面使用寿命的火花放电。
电容式驱动器的缺点在于：仅能够产生小的力并且这些力不具有关于偏移的线性行为。可运动的结构由弹簧拉回，该弹簧在良好近似的情况下总是具有与偏移线性成比例的力。驱动力与偏移成反比且恢复力与其成线性关系的这种行为对于继电器的关断过程来说是特别有利的。关断过程应与接通过程一样尽可能快地进行，因此大的恢复力将是特别有利的。如在图7a中可看出的那样，能够发生：如果在开关状态下例如使用如电容力的一半大小的恢复力，则在这种情况下，该恢复力在偏移0.5μm时与0.5μm时的电容力一样大，因而无法接通继电器，必须使用小的恢复力。因此，在这种布置中，恢复力总是受到限制，这导致关断过程缓慢并且以此负面地影响构件的使用寿命。
发明内容
寻求一种用于电容操控的MEMS继电器的布置，该布置在电容式驱动器不变的情况下允许更高的恢复力。
本发明的优点
本发明的核心在于：开关元件在第一运行状态下位于与固定部分具有第一间距的第一位置中，并且，电接触部打开。进一步地，开关元件在第二运行状态下位于与固定部分具有第二间距的第二位置中，其中，第二间距小于第一间距，其中，第一弹簧偏移并且施加第一恢复力，其中，开关元件与至少一个第二弹簧(12)进入有效连接(Wirkverbindung)并且所述电接触部打开。最后，开关元件在第三运行状态下位于第三位置中，其中，开关元件贴靠在固定部分上并且导电接触部闭合，其中，第一弹簧偏移并且施加第一恢复力，其中，第二弹簧偏移并且施加第二恢复力。
有利地，将第一弹簧、即可运动的开关元件的悬挂部设计得相当软，也就是说，具有初始小的恢复力。此外，根据本发明，将至少一个第二弹簧插入到开关路径中，能够偏移的开关元件在该开关元件闭合接触部之前与所述至少一个第二弹簧进入有效连接。
有利地，要么第二弹簧锚固在衬底上，并且，开关元件接触这个弹簧结构的可运动的端部(参见图4至图6)。要么第二弹簧布置在开关元件上，并且，第二弹簧的不与开关元件连接的端部在开关元件发生偏移时接触固定地锚固在衬底上的止挡部(未图示出)。因此，在进入接触之前不久能够产生恢复力的非常高效的且限定的增加，而不存在可运动的结构的、在其上恢复力和电容力大小相似的位态(参见图7b)。
有利地，能够进一步实现，尤其是在开关状态下产生非常大的恢复力。如果关断电容式驱动器，则开关元件的可运动的质量，尤其是开始在静止方位的方向上的返回运动时，经受大的力并且因此经受大的加速度，由此变得可以比以前更快地执行关断过程。如果将继电器在通电状态下打开，则这对于继电器接触部的使用寿命是有利的，因为在这种情况下仅在非常短的时间内能够形成缩短接触面使用寿命的火花放电。因此，在接触电极之间的粘附过程也能够更好地且更快地释放
尤其是如下至少一个第二弹簧是有利的：该至少一个第二弹簧最早在第一运行状态(静止状态)和第三运行状态(接触状态)之间的一半偏移之后与开关元件进入接触。
如果在接触状态下、即在第三运行状态下由第一弹簧和第二弹簧并且如有必要由第三弹簧和另外的弹簧产生的恢复力FR2(+FR3+)大于第一弹簧单独的恢复力FR1的一半，即FR2+(FR3+…)>0.5*FR1，则也是有利的。
如果在接触状态下由弹簧结构产生的恢复力FR2+(FR3+…)大于可运动的MEMS结构的恢复力FR1，则是特别有利的。这能够以有利的方式通过使用多个第二弹簧来实现。(FR2+FR3+…)>FR1
有利的是，第二弹簧和开关元件的或者止挡部的在第二运行状态下与第二弹簧接触的部分接触、处于相同的电位上。
有利地，也能够使用多个第二弹簧。因此，如其例如在图4中示出的那样，能够实现接触状态的非常对称的释放。
尤其是在静止状态下具有大的接触间距的、例如设计用于高电压的继电器中，能够特别有利的是，除了至少一个第二弹簧之外，还设置至少一个第三弹簧或者还有另外的弹簧，所述弹簧在开关元件发生不同偏移的情况下与该开关元件进入接触，以便因此尽管静电力的非线性的行为即使在接触间距非常大的情况下也产生大的恢复力。因此，有利地，除了一个或者多个第二弹簧之外，还设置第三弹簧和另外的弹簧，所述第三弹簧和另外的弹簧在能够偏移的开关元件的开关运动期间级联地彼此抵靠或者抵靠到止挡部上或者抵靠到开关元件上。
本发明的另外的有利构型能够在下文中获悉。
附图说明
图1示意性示出在现有技术中的、具有平面外(out-of-plane)开关元件的能够电容式操纵的MEMS开关。
图2示意性示出具有平面内(in-plane)开关元件的能够电容式操纵的MEMS开关。
图3以俯视图示意性示出具有平面内开关元件的能够电容式操纵的MEMS开关。
图4示意性示出根据本发明的在第一运行状态下的能够电操纵的MEMS开关。
图5示意性示出根据本发明的在第二运行状态下的能够电操纵的MEMS开关。
图6示意性示出根据本发明的在第三运行状态下的能够电操纵的MEMS开关。
图7a示出根据图3的能够电容式操纵的MEMS开关的恢复力、电容力和总力。
图7b示出根据图4至图6的根据本发明的能够电容式操纵的MEMS开关的恢复力、电容力和总力。
具体实施方式
图1以剖面图示意性示出在现有技术中的能够电操纵的MEMS开关。在衬底1上设置第一电极2和第一接触面3。在两个结构上方，以相隔一间距的方式布置有杠杆结构4。如果在杠杆和第一电极之间施加电压，则发生从衬底平面出来的运动(平面外)。杠杆基本上垂直于衬底地偏移，并且产生在杠杆和接触面之间的接触。
图2以剖面图示意性示出具有平面内开关元件的能够电容式操纵的MEMS开关。第一绝缘层100、硅层110、第二绝缘层9和金属层10上下重叠地布置在衬底1上。硅层、第二绝缘层和金属层共同形成微机械功能层120，在该微机械功能层中构造有固定部分121、能够电操纵的、能够偏移的开关元件122和固定电极8。
在固定部分121的金属层10中构造第一接触区域1210，并且，在开关元件122的金属层10中构造第二接触区域1220。开关元件能够在平行于衬底的主延伸平面(x、y)的至少一个第一方向7上发生偏移。由此，第一和第二接触区域能够彼此进入机械接触并且因而闭合电接触部。通过将电压施加到对置的、锚固在衬底上的电极指8上，引起开关元件122的偏移。第一接触区域1210和第二接触区域1220分别与各自的导体轨道连接。因而，通过偏移开关元件122能够接通和关断在导体轨道之间的电连接。
图3以俯视图示意性示出具有平面内开关元件的能够电容式操纵的MEMS开关。锚固在位于其下方的衬底1上的悬挂弹簧6承载可运动的开关元件122。此外，示出固定电极8和固定部分121。固定电极与开关元件122的相应成形部对置，并且与所述成形部一起形成电容式驱动器的电容器板。固定部分121和开关元件122的对置区域覆盖有金属层10并且在那里形成能够开关的电接触部。
图4示意性示出根据本发明的在第一运行状态下的能够电操纵的MEMS开关。该图示以平面图示出根据本发明的在基本状态或者静止状态下的平面内平面(In-Plane-Plane)MEMS继电器。开关元件122位于与固定部分121具有第一间距A1的第一位置中。电接触部因此打开。与图3不同，该设备具有由两个第二弹簧12构成的附加的对称的弹簧结构。对称的弹簧布置使得在通过开关元件的开关路径时实现了将力对称地引入到开关元件中。
图5示意性示出根据本发明的在第二运行状态下的能够电操纵的MEMS开关。该图示以平面图示出平面内平面MEMS继电器，其中，当可运动的MEMS结构刚好接触第二弹簧时，该第二弹簧12在过渡状态下。开关元件122在第一方向7上偏移并且位于与固定部分121具有第二间距A2的第二位置中。在此，第二间距A2小于第一间距A1。电接触部仍是打开的。第一弹簧6从静止方位中偏移出并且将第一恢复力FR1施加到开关元件上。开关元件贴靠在两个第二弹簧12上。
图6示意性示出根据本发明的在第三运行状态下的能够电操纵的MEMS开关。该图示以平面图示出平面内平面MEMS继电器，其中，第二弹簧在接通状态下。
开关元件122在第一方向7上进一步偏移并且位于第三位置中。开关元件贴靠在固定部分121上，并且，电接触部11闭合。第一弹簧6进一步从静止方位中偏移出并且将第一恢复力FR1施加到开关元件上，该第一恢复力相应地比在第二运行状态下更大。附加地，两个第二弹簧12偏移并且将第二恢复力FR2施加到开关元件上。
可选地，除了一个或者多个第二弹簧之外，还能够(未图示出)将第三弹簧或者还有另外的弹簧布置在根据本发明的MEMS开关中，所述第三弹簧或者另外的弹簧依次与开关元件进入有效连接，同时该开关元件运行通过其开关路径。如果将第二弹簧和附加的弹簧布置成与可运动的组件具有不同的间距，则对于在偏移状态下并且尤其是在开关状态下的开关元件来说能够利用级联弹簧结构以简单的方式实现特别高的恢复力。
图7a示出根据图3的能够电容式操纵的MEMS开关的恢复力、电容力和总力。根据电容式驱动器的电容器板的间距AA，示出电容力FK、恢复力FR和开关元件上的所产生的总力FG。标注出第一运行状态B1，即在紧接着接通电容式驱动器之后的未偏移的静止状态，其中，间距AA例如为1000nm。存在电容力FK。恢复力FR等于零。也标注出第三运行状态B3，即开关状态，其中，电接触部闭合并且间距AA仍为150nm。由于小的间距AA以及相关性FK～1/AA2、FR～1/(1-AA)，电容力FK相对于FR大。然而，由于这些相关性，在第一和第三运行状态之间还存在过渡区域，在该过渡区域中用于闭合接触部的总力FG＝FK-FR下降为接近于零。
图7b示出根据图4至图6的根据本发明的能够电容式操纵的MEMS开关的恢复力、电容力和总力。根据电容式驱动器的电容器板的间距AA，示出电容力FK、恢复力FR和开关元件上的所产生的总力FG。
标注出第一运行状态B1，即在紧接着接通电容式驱动器之后的未偏移的静止状态，其中，电容驱动力为FK，在静止状态下的恢复力FR＝0并且开关元件上的总力FG＝FK。
同样标注出第二运行状态B2，在该第二运行状态下开关元件已经经过了开关路径的第一部分并且刚好贴靠在第二弹簧上。至此，恢复力由第一弹簧的恢复力形成，即FR＝FR1。与图7a下的情况相比，第一弹簧构造得相对较软并且仅产生小的恢复力。因此，开关元件能够利用大的总力FG＝FK-FR容易且快速地运动到闭合位置。
也标注出第三运行状态B3，在该第三运行状态下接触部闭合。恢复力整体上由第一弹簧的和第二弹簧的恢复力形成，即FR＝FR1+FR2。电容力FK在电容器板的间距小的情况下相对较大。然而，总力FG＝FK-FR能够由第一和第二弹簧的组合恢复力限制。
尤其地，在此变得清楚的是，通过使用第二弹簧12能够实现高的恢复力FR＝FR1+FR2，并且尽管如此在开关情况下在每次偏移开关元件时都存在正的总力FG＝FK-FR以闭合接触部。
附图标记列表
1 衬底
2 第一电极
3 第一接触面
4 杠杆结构
6 悬挂弹簧，第一弹簧
7 第一方向
8 固定电极
9 第二绝缘层
10 金属层
11 接触部
12 附加的弹簧结构，第二弹簧
100 第一绝缘层
110 硅层
120 微机械功能层
121 固定部分
122 能够偏移的开关元件
1210 第一接触区域
1220 第二接触区域
A1 第一间距
A2 第二间距
B1 第一运行状态
B2 第二运行状态
B3 第三运行状态
FR1 第一恢复力
FR2 第二恢复力
Claims (7)
1.一种能够电操纵的MEMS开关，其具有衬底(1)并且具有布置在所述衬底上方的微机械功能层(120)，
-其中，在所述微机械功能层中构造有固定部分(121)和能够电操纵的、能够偏移的开关元件(122)，
-其中，所述开关元件为了闭合与所述固定部分的导电接触部(11)而能够偏移地悬挂在至少一个第一弹簧(6)上，
其特征在于，
-所述开关元件在第一运行状态下位于与所述固定部分具有第一间距(A1)的第一位置中，并且，所述电接触部打开；
-所述开关元件在第二运行状态下位于与所述固定部分具有第二间距(A2)的第二位置中，其中，所述第二间距小于所述第一间距，其中，所述第一弹簧偏移并且施加第一恢复力(FR1)，其中，所述开关元件与至少一个第二弹簧(12)进入有效连接并且所述电接触部打开；并且
-所述开关元件在第三运行状态下位于第三位置中，其中，所述开关元件贴靠在所述固定部分上并且所述导电接触部闭合，其中，所述第一弹簧偏移并且施加第一恢复力，其中，所述第二弹簧偏移并且施加第二恢复力(FR2)。
2.根据权利要求1所述的能够电操纵的MEMS开关，其特征在于，所述MEMS开关具有用于将所述开关元件偏移以闭合所述导电接触部的电容式驱动器。
3.根据权利要求2所述的能够电操纵的MEMS开关，其特征在于，所述电容式驱动器具有电容器板，所述电容器板具有可变的间距。
4.根据权利要求2所述的能够电操纵的MEMS开关，其特征在于，所述电容式驱动器具有电容器板，所述电容器板具有可变的重叠面积。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的能够电操纵的MEMS开关，其特征在于，所述开关元件(122)为了闭合所述导电接触部而能够在平行于所述衬底(1)的主延伸平面(x，y)的至少一个第一方向(7)上发生偏移。
6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的能够电操纵的MEMS开关，其特征在于，所述第二弹簧(12)锚固在所述固定部分(121)上或者所述衬底上，并且，所述开关元件(122)为了建立所述有效连接而贴靠在所述第二弹簧的可运动的部分上。
7.根据前述权利要求1至5中任一项所述的能够电操纵的MEMS开关，其特征在于，所述第二弹簧(12)锚固在所述开关元件(122)上，并且，为了建立所述有效连接，所述第二弹簧的可运动的部分贴靠在止挡部上，所述止挡部锚固在所述衬底(1)上。
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