DE10100296A1 - Vorrichtung mit einem Kondensator mit veränderbarer Kapazität, insbesondere Hochfrequenz-Mikroschalter - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung mit einem Kondensator (200) mit veränderbarer Kapazität C(U) zur Impedanzänderung eines Teilstücks eines koplanaren Wellenleiters vorgeschlagen, die insbesondere als Hochfrequenz-Mikroschalter einsetzbar ist. Dabei ist eine Masseleitung (110, 111) und eine von einer zumindest bereichsweise freitragenden, elektrisch leitenden Verbindung (121) unterbrochene Signalleitung (120) vorgesehen, wobei der Kondensator (200) die elektrisch leitende Verbindung (121) und eine mit der Masseleitung (110, 111) verbundene weitere elektrisch leitende Verbindung (130) umfasst. Weiterhin ist eine mit der elektrisch leitenden Verbindung (121) in Verbindung stehende Struktur (150) vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass sie in der elektrisch leitenden Verbindung (121) auftretende mechanische Spannungen reduziert. Eine weitere Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung sieht vor, die elektrisch leitende Verbindung (121) aus einem Material mit gegenüber Silizium ähnlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und gegenüber Metallen hohem Elastizitätsmodul, insbesondere aus Molybdän, Tantal oder Wolfram, auszubilden. Beide Ausführungsformen werden bevorzugt kombiniert.

Description

Die Erfindung betrifft eine insbesondere in Mikromechanik gefertigte Vorrichtung mit einem Kondensator mit veränderba­ rer Kapazität zur Impedanzänderung eines koplanaren Wellen­ leiters nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

In der unveröffentlichten Anmeldung DE 100 37 385.2 ist ein mikromechanisch gefertigter Hochfrequenz-Schalter beschrie­ ben, der eine dünne Metallbrücke aufweist, die auf einer vorgegebenen Länge in die Signalleitung eines koplanaren Wellenleiters eingesetzt ist und diese dort unterbricht. Weiter ist dort vorgeschlagen worden, unterhalb der Metall­ brücke eine elektrische leitende Verbindung zwischen zwei parallel zu der Signalleitung geführten Masseleitungen des koplanaren Wellenleiters vorzusehen, die oberflächlich un­ terhalb der Brücke mit einer dielektrischen Schicht versehen ist. Die Metallbrücke bildet somit mit der elektrisch lei­ tenden Verbindung einen Kondensator mit dem die Impedanz des betreffenden Teilstücks des koplanaren Wellenleiters verän­ derbar ist. Bei Betrieb des Hochfrequenz-Schalters kann nun die Brücke elektrostatisch bzw. durch Anlegen einer geeigne­ ten Spannung an den Kondensator auf die dielektrische Schicht gezogen werden, wodurch sich die Kapazität des aus Brücke und elektrisch leitender Verbindung gebildeten Plat­ tenkondensators vergrößert, was die Ausbreitungseigenschaf­ ten der auf dem Wellenleiter geführten elektromagnetischen Wellen beeinflusst. Insbesondere wird im "off"-Zustand, d. h. die Metallbrücke ist unten, ein Großteil der Leistung re­ flektiert, während im "on"-Zustand, d. h. die Metallbrücke ist oben, wird ein Großteil der Leistung transmittiert wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Kondensator mit veränderbarer Kapazität hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, das auftretende Temperaturänderungen bei Be­ trieb der Vorrichtung nicht zu temperaturabhängigen elektro­ mechanischen Eigenschaften dieser Vorrichtung führen.

Insbesondere wird durch das Vorsehen einer zusätzlichen, be­ vorzugt U-förmigen Struktur und insbesondere die Verwendung dieser Struktur zur Aufhängung der zweiten Verbindung auf zumindest einer Seite ein Ausgleich von "in-plane"-Span­ nungen ermöglicht, d. h. diese Struktur bewirkt vorteilhaft, dass intrinsische und/oder thermisch induzierte Spannungen in der von der zweiten Verbindung gebildeten Brücke größten­ teils abgebaut werden. Zudem ist vorteilhaft, dass die Rück­ stellkraft bei einer "out-of-plane"-Auslenkung dieser Brücke bzw. zweiten Verbindung von Biegemomenten analog zu einem einseitig eingespannten, dünnen Balken ist, und dass die "out-of-plane"-Biegesteifigkeit der eingebrachten Struktur vernachlässigbar ist.

Darüber hinaus ist auch vorteilhaft, dass die Biegesteifig­ keit der von der zweiten Verbindung gebildeten Brücke über den Temperaturgang des Elastizitätsmoduls des Materials der Brücke nur schwach temperaturabhängig ist.

Da in der Mikromechanik als Substratmaterial vielfach Sili­ zium verwendet wird, das einen wesentlich geringeren thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten als die meisten übrigen Me­ talle besitzt, welche aufgrund ihrer elektrischen Leitfähig­ keit zur Realisierung der zweiten Verbindung eingesetzt wer­ den, ist als Material für die zweite elektrisch leitfähige Verbindung die Verwendung von Molybdän, Wolfram oder Tantal vorteilhaft.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von Molybdän, da die­ ses einerseits einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4.10^-6 pro Kelvin besitzt, der dem von Silizium mit 2,7.10^-6 pro Kelvin ähnlich ist, und da es andererseits ei­ nen Elastizitätsmodul aufweist, der mit 340 GPa der ver­ gleichbar hoch dem von anderen Metallen, beispielsweise Alu­ minium mit 70 GPa, ist.

Durch die Verwendung von Molybdän, Tantal oder Wolfram wird erreicht, dass Temperaturänderungen nicht oder nur in deut­ lich verringertem Ausmaß zu einem Aufbau von Spannungen in der zweiten Verbindung führen, und dass damit solche Tempe­ raturänderungen nicht mehr in unerwünschter Weise die erfor­ derliche Schaltspannung und auftretenden Schaltzeiten der Vorrichtung beeinträchtigen. Zudem wird über die erreichte Reduktion dieser Spannungen auch Einfluss auf die zur Bewe­ gung der zweiten Verbindung beim Schalten auftretenden Kräf­ te, insbesondere Rückstellkräfte, genommen.

Der hohe Elastizitätsmodul von Molybdän, Tantal oder Wolfram hat zudem den Vorteil, dass die von der zweiten Verbindung gebildete Brücke ausreichend biegesteif ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist vorteilhaft, wenn Molybdän, Tantal oder Wolfram als Material für die zweite Verbindung und gleichzeitig als Ma­ terial für die eingefügte Struktur eingesetzt werden.

Das Vorsehen der zusätzlichen Struktur hat weiter den Vor­ teil, das über deren gezielte Formgebung und Dimensionierung eine zusätzliche Induktivität in das Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingebracht wird, über die die Einfügedämpfung dieser Vorrichtung reduziert werden kann.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ei­ ne erfindungsgemäße Vorrichtung in Draufsicht, Fig. 2 zeigt Fig. 1 in perspektivischer Darstellung und Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einen mikromecha­ nisch hergestellten Hochfrequenzkurzschlussschalter. Dabei ist auf einem Tragkörper 90 aus hochohmigem Silizium mit ei­ ner Dicke von beispielsweise 100 µm bis 500 µm eine Isolier­ schicht 100 mit geringem Verlustwinkel, beispielsweise aus Siliziumdioxid, mit einer Dicke von 100 nm bis 3 µm vorgese­ hen, auf der ein koplanarer Wellenleiter aufgebracht ist, der drei koplanare, elektrisch leitfähige Leitungen auf­ weist, die, zumindest lokal, im Wesentlichen parallel zuein­ ander geführt sind. Die Leitungen des koplanaren Wellenlei­ ters sind bevorzugt metallisch ausgeführt und auf der Isolierschicht 100 zunächst beispielsweise mittels Aufsputtern einer. Start-Metallisierung und über einen oder mehrere nach­ folgende galvanische Prozessschritte erzeugt worden. Die beiden äußeren der drei Leitungen des koplanaren Wellenlei­ ters entsprechen einer ersten Masseleitung 110 und einer zweiten Masseleitung 111, während die mittlere Leitung einer Signalleitung 120 des koplanaren Wellenleiters entspricht. In Fig. 1 ist dabei lediglich der für die erfindungsgemäße Vorrichtung interessierende Ausschnitt eines solchen auf der Isolierschicht 100 geführten koplanaren Wellenleitets darge­ stellt.

Die beiden Masseleitungen 110, 111 des koplanaren Wellenlei­ ters sind mittels einer ersten, elektrisch leitenden Verbin­ dung 130, beispielsweise aus einem Metall, verbunden, die bereichsweise flächig auf die Isolierschicht 100 aufgebracht ist, und die eine geringe "Höhe" im Vergleich zur "Höhe" der Masseleitungen 110, 111 aufweist. Insofern verbindet die er­ ste Verbindung 130 die Masseleitungen 110, 111 an deren "Fuß" auf der Isolierschicht 100 in Form einer Kurschluss­ brücke. Im Bereich der ersten Verbindung 130 ist weiter die Signalleitung 120 des koplanaren Wellenleiters unterbrochen, d. h. die erste Verbindung 130 ist mit der Signalleitung 120 nicht elektrisch leitend verbunden. Zudem ist auf die erste Verbindung 130 im Bereich der Unterbrechung der Signallei­ tung 120 eine in Fig. 1 nicht sichtbare Dielektrizitäts­ schicht 140 aufgebracht.

In Fig. 1 ist weiter dargestellt, dass die unterbrochene Signalleitung 120 mit einer zweiten, elektrisch leitenden Verbindung 121 versehen ist, die in Form einer metallenen Verbindungsbrücke oder Signalbrücke zwischen den Enden der unterbrochenen Signalleitung 120 eingesetzt ist, und die in einem gewissen Abstand zu der Ebene der Isolierschicht 100 zunächst parallel zu diesem geführt ist, wobei der Abstand der zweiten Verbindung 121 zu der Isolierschicht 100 bzw. zu der ersten Verbindung 130 etwa der Höhe der Signalleitung 120 entspricht. Hierdurch "schwebt" - bei Abwesenheit von Kräften auf die zweite Verbindung 121 - die zweite Verbin­ dung 121 zwischen den Enden der unterbrochenen Signalleitung 120 zumindest weitgehend freitragend.

Die zweite Verbindung 121 ist bevorzugt aus Molybdän ausge­ führt. Es eignen sich weiter aber auch anderer elektrisch leitende Materialien mit gegenüber Silizium ähnlichem ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten und gegenüber üblichen Me­ tallen wie Aluminium hohem Elastizitätsmodul. Ihre typischen Abmesssungen liegen zwischen 20 µm × 150 µm und 100 µm × 600 µm bei einer Dicke von 0,5 µm bis 1,5 µm.

Weiter ist in Fig. 1 erkennbar, dass zwischen der zweiten Verbindung 121, die bevorzugt in Form eines flachen Strei­ fens ausgeführt ist, und der Signalleitung 120 eine mit bei­ den in Verbindung stehende Struktur 150 vorgesehen ist, die als U-förmige oder mäanderförmige, in der Ebene des Strei­ fens der zweiten Verbindung 121 flächig verlaufende Feder ausgebildet ist. Diese Struktur 150 bewirkt eine Reduktion von in der zweiten Verbindung 121 auftretenden mechanischen Spannungen, wie sie insbesondere bei Temperaturschwankungen auftreten oder auch intrinsisch gegeben sind.

Die Struktur 150 dient weiter gemäß Fig. 1 zumindest ein­ seitig als Aufhängung und Verbindung der freitragenden, elektrisch leitenden zweiten Verbindung 121 mit einem zuge­ ordneten Teilstück der Signalleitung 120. Dazu kann die Struktur 150 wie dargestellt an einem oder alternativ auch an beiden Enden der zweiten Verbindung 121 vorgesehen sein. Zudem ist es ebenso möglich, die Struktur 150 bereichsweise, beispielsweise mittig, in die zweite Verbindung 121 einzu­ setzen.

Bevorzugt ist die zweite Verbindung 121 und die Struktur 150 einstückig ausgeführt, d. h. die Struktur 150 ist ein struk­ turierter Teil der zweiten Verbindung 121.

Die Fig. 2 zeigt den Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vor­ richtung gemäß Fig. 1 perspektivisch. Dabei ist auch die Dielektrizitätsschicht 140 sowie die unter der Dielektrizi­ tätsschicht 140 geführte, die erste Masseleitung 110 und die zweite Masseleitung 111 elektrisch leitend verbindende erste Verbindung 130 sichtbar.

In Fig. 3 ist ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei die beiden Masseleitungen 110, 111 lediglich in Form einer einzigen Leitung des ko­ planaren Wellenleiters dargestellt sind, da diese sich auf gleichem Potential befinden. Daneben ist die Signalleitung 120 des koplanaren Wellenleiters in Fig. 3 dargestellt. Zwischen der Signalleitung 120 und den Masseleitungen 110, 111 ist ein Kondensator 200 (C(U)) angeordnet. Weiter ist an dieser Stelle eine erste Induktivität 221 (L₁) gegeben, die in Fig. 1 bzw. 2 im Wesentlichen durch die erste Verbindung 130 realisiert ist.

Diese erste Induktivität 221 (L₁) kann durch eine Struktu­ rierung der ersten Verbindung 130, die als Gleichspannungs­ kurzschluss zwischen den Masseleitungen 110, 111 wirkt, de­ finiert werden. Sie ist dabei vor allem über eine örtliche Variation des Länge-Breite-Verhältnisses der ersten Verbin­ dung 130 oder deren Form, beispielsweise mäanderförmig oder ähnliches, festlegbar.

Der Kondensator 200 in Fig. 3 wird zumindest teilweise durch die erste Verbindung 130 und die zweite Verbindung 121 realisiert, wobei dessen Kapazität dadurch veränderbar ist, dass sich die zweite Verbindung 121 bei Anlegen einer geeig­ neten Spannung, insbesondere einer Gleichspannung U zwischen Signalleitung 120 und Masseleitungen 110, 111, mechanisch verformt, und somit zumindest in Teilbereichen ihren Abstand zu der ersten Verbindung 130 ändert. Insbesondere weist der Kondensator 200 in unverformtem Zustand der zweiten Verbin­ dung 121, d. h. bei nicht angelegter Gleichspannung U bzw. im "on"-Zustand, eine Kapazität C_on und bei Anliegen der Gleichspannung U und einer damit verbundenen Auslenkung der zweiten Verbindung aus der Ruhelage in Richtung auf die Die­ lektrizitätsschicht 140 hin, d. h. im "off"-Zustand, eine Ka­ pazität C_off auf.

Die vorgesehene Struktur 150 in Form einer U-förmigen Feder wirkt weiter ebenfalls durch die damit verbundene Strompfadverengung und Strompfadverlängerung als in Serie geschaltete zweite Induktivität 220 (L₂), welche besonders bei hohen Frequenzen zu zusätzlichen Reflexionen führt. In dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3 bewirkt die zweite Induk­ tivität 220 eine Reduktion der Einfügedämpfung der Vorrich­ tung, welche vor allem durch die Reflexion an der Kapazität C_on bestimmt ist. Insofern kann diese Kapazität C_on durch die Induktivität L₂ kompensiert werden, welche wiederum beson­ ders einfach durch eine geeignete Dimensionierung und Struk­ turierung der Struktur 150 gegeben bzw. einstellbar ist. Be­ vorzugt wird die Induktivität L₂ so eingestellt, dass für die Impedanz Z_L der Signalleitung 120 bei der jeweiligen Be­ triebsfrequenz und gilt:

Weiterhin kann durch geeignete Dimensionierung und Formge­ bung des Gleichspannungskurzschlusses, d. h. der ersten Ver­ bindung 130, die zu dem gebildeten Plattenkondensator 200 in Reihe angeordnete erste Induktivität 221 (L₁) bei der jewei­ ligen Betriebsfrequenz der erfindungsgemäßen Vorrichtung so eingestellt werden, so dass ein Serienschwingkreis entsteht, dessen Resonanzfrequenz ν_res im ausgeschalteten Zustand der zweiten Verbindung 121 bei der Betriebsfrequenz der Vorrich­ tung liegt:

Im "on"-Zustand, d. h. in dem Zustand in dem sich die zweite Verbindung bzw. Brücke 121 mit relativ großen Abstand zur Isolierschicht 100 oben befindet, wird die Vorrichtung dann durch die verringerte Kapazität des Plattenkondensators 200 außerhalb dieser Resonanzfrequenz betrieben, so dass sich keine höhere Einfügedämpfung ergibt. Die Betriebsfrequenzen der erläuterten Vorrichtung betragen im Übrigen für Anwen­ dungen im Bereich ACC (Adaptive Cruise Control) oder SRR (Short Range Radar) 77 GHz oder 24 GHz.

In den Fig. 1 und 2 ist die mechanisch verformbare zweite Verbindung 121 für den Fall dargestellt, dass das darge­ stellte Teilstück des koplanaren Wellenleiters einen hohen Transmissionskoeffizienten und einen geringen Reflexions­ koeffizienten aufweist. Der Abstand der ersten Verbindung 130 und der zweiten Verbindung 121, der mit der Dielektrizi­ tätsschicht 140 die Kapazität C(U) des Kondensators 200 maß­ geblich bestimmt, sind in Fig. 2 maximal; sie liegt bei ca. 2 µm bis 4 µm. Für den Fall, dass zwischen der ersten Ver­ bindung 130 und der zweiten Verbindung 121 eine Gleichspan­ nung U angelegt wird, ergibt sich eine elektrostatische An­ ziehungskraft zwischen der ersten Verbindung 130 und der zweiten Verbindung 121, was dazu führt, dass die zweite Verbindung 121 verformt und zumindest in einen Teilbereich, nämlich im Wesentlichen in der Mitte der Metallbrücke, zur ersten Verbindung 130 bzw. zur auf die erste Verbindung 130 aufgebrachten Dielektrizitätsschicht 140 gezogen wird, die beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid be­ steht.

Hinsichtlich weiteren Details zu der erläuterten Vorrichtung und deren Funktionsweise sei im Übrigen auf die Anmeldung DE 100 37 385.2 verwiesen.

Claims (11)

1. Vorrichtung mit einem Kondensator mit veränderbarer Kapazität zur Impedanzänderung eines Teilstücks eines ko­ planaren Wellenleiters, insbesondere Hochfrequenz-Mikro­ schalter, mit einer Masseleitung (110, 111) und einer von einer zumindest bereichsweise freitragenden, elektrisch lei­ tenden Verbindung (121) unterbrochenen Signalleitung (120), wobei der Kondensator (200) die elektrisch leitende Verbin­ dung (121) und eine mit der Masseleitung (110, 111) verbun­ dene weitere elektrisch leitende Verbindung (130) zumindest teilweise umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine mit der elektrisch leitenden Verbindung (121) in Ver­ bindung stehende Struktur (150) vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass sie in der elektrisch leitenden Ver­ bindung (121) auftretende mechanische Spannungen reduziert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (150) die elektrisch leitende Verbindung (121) in Form einer Aufhängung mit einem Teilstück der Si­ gnalleitung (120) verbindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Struktur (150) bereichsweise in die elek­ trisch leitende Verbindung (121) eingesetzt oder die elek­ trisch leitfähige Verbindung (121) bereichsweise zu der Struktur (150) strukturiert ist, wobei die Struktur (150) insbesondere eine Aufhängung der elektrisch leitenden Ver­ bindung (121) bildet.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Ver­ bindung (121) zumindest bereichsweise in Form eines Strei­ fens und die Struktur (150) als U-förmige oder mäanderförmi­ ge Feder, insbesondere als in der Ebene des Streifens flä­ chig verlaufende U-förmige oder mäanderförmige Feder, ausge­ bildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (150) derart aus­ gebildet ist, dass sie intrinsische und/oder aufgrund von Temperaturschwankugen in der elektrisch leitenden Verbindung (121) auftretende, insbesondere parallel zu der Ebene der Struktur (150) gerichtete mechanische Spannungen reduziert oder unterdrückt.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitung (120) des Wellenleiters auf einer vorgegebenen Länge von der elek­ trisch leitenden Verbindung (121) und der Struktur (150) un­ terbrochen ist, und dass die weitere elektrisch leitende Verbindung (130) zwei parallel zu der Signalleitung (120) geführte Masseleitungen (110, 111) des Wellenleiters in dem von der vorgegebenen Länge definierten Bereich miteinander verbindet.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (150) und/oder die elektrisch leitende Verbindung (121) aus einem Material mit gegenüber Silizium ähnlichem thermischen Ausdehnungskoef­ fizienten und gegenüber Metallen hohem Elastizitätsmodul, insbesondere aus Molybdän, Tantal oder Wolfram, ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Kapazität (C) des Kondensators (200) durch eine elektrostatische Kraft zwischen der elektrisch leitenden Verbindung (121) und der weiteren elektrisch leitenden Verbindung (130) bewirkbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere elektrisch leitende Verbindung (130) eine erste Induktivität (221) in Reihe mit dem Kondensator (200) bildet.

10. Vorrichtung mit einem Kondensator mit veränderbarer Kapazität zur Impedanzänderung eines Teilstücks eines ko­ planaren Wellenleiters, insbesondere Hochfrequenz-Mikro­ schalter, mit einer Masseleitung (110, 111) und einer von einer zumindest bereichsweise freitragenden, elektrisch lei­ tenden Verbindung (121) unterbrochenen Signalleitung (120), wobei der Kondensator (200) die elektrisch leitende Verbin­ dung (121) und eine mit der Masseleitung (110, 111) verbun­ dene weitere elektrisch leitende Verbindung (130) zumindest teilweise umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die elek­ trisch leitende Verbindung (121) aus einem Material mit ge­ genüber Silizium ähnlichem thermischen Ausdehnungskoeffizi­ enten und gegenüber Metallen hohem Elastizitätsmodul, insbesondere aus Molybdän, Tantal oder Wolfram, ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der elektrisch leitenden Verbindung (121) in Verbindung stehende Struktur (150) vorgesehen ist, die der­ art ausgebildet ist, dass sie in der elektrisch leitenden Verbindung (121) auftretende mechanische Spannungen redu­ ziert.