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Die vorliegende Erfindung betrifft ein schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines schaltbaren Hochfrequenz-MEMS-Elements gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
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MEMS-Schalter bzw. Schaltelemente in MEMS-Technologie (MEMS = Micro Electro Mechanical Systems) kommen in den verschiedensten Bereichen zur Anwendung, wie beispielsweise Automobilelektronik, Telekommunikation, Medizintechnik oder Messtechnik. Aufgrund Ihrer Miniaturisierung sind derartige, als mikroelektromechanisches System ausgestaltete Schaltelemente besonders auch für Raumfahrtanwendungen und Satellitensysteme geeignet. Insbesondere auch in Radarsystemen, Satellitenkommunikationssystemen, drahtlosen Kommunikationssystemen und Instrumentensystemen kommen Hochfrequenz-MEMS-Schalter zum Einsatz. Beispielsweise auch in Phasenantennenanlagen und bei Phasenschiebern für satellitenbasierte Radarsysteme, werden Hochfrequenz-MEMS-Schalter benötigt.
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Aktive phasengesteuerte Antennen bestehen oftmals aus Tausenden von dicht gepackten Sende-/Empfangsmodulen. Die große Anzahl erforderlicher integrierter Schaltungen für Mikrowellen-Frequenzen (MMIC = Monolithic Microwave IC) führt in vielen Fällen zu hohen Kosten und zu einem hohen Energieverbrauch der Module. Der Energieverbrauch wiederum erfordert komplexe Architekturen zur Kühlung. Aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs, ihrer guten Arbeitsweise und der geringen Kosten sind MMICs, die auf Hochfrequenz-MEMS-Schaltern basieren, ideale Schaltungen für phasengesteuerte Antennen und andere Hochfrequenz- und Mikrowellen-Systeme.
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Hochfrequenz-MEMS-Schalter bieten eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. einen äußerst geringen Stromverbrauch, eine gute Isolation bzw. geringe Störkapazitäten, eine geringe Einfügungsdämpfung bzw. geringe Einfügungsverluste und geringe Herstellungskosten.
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In dem Artikel „RF-MEMS-Switches, Switch Circuits, and Phase Shifters, von Gabriel M. Rebeiz et al. in.Revue HF No. 2/2001 werden MEMS-Schalter beschrieben, die im Hochfrequenzbereich eingesetzt werden, in einem Bereich zwischen 0,1 und 100 GHz. Diese MEMS-Schalter haben als mechanische Federn ausgestaltete freitragende Schaltarme, die durch elektrostatische Krafteinwirkung zum Öffnen oder Schließen eines Schaltkreises betätigt werden. Der freitragende Schaltarm bzw. Cantilever-Balken ist auf einem Substrat befestigt und wird durch eine Elektrode elektrostatisch angezogen, um einen Kontakt zu schließen. Ohne anliegende Spannung geht der Schaltarm durch elastische Rückstellkräfte in seine Ausgangsposition zurück, und der Kontakt wird geöffnet.
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Bei MEMS-Schaltern kann der Schaltvorgang auf verschiedene Arten bewirkt werden, die prinzipiell in den 3a–f als Beispiele gezeigt sind. Dabei beeinflusst ein Schaltelement das Fortschreiten einer elektromagnetischen Welle auf einer Signalleitung durch Öffnen oder Schließen eines Übertragungspfades. Dies kann in der Art eines Serienschalters, eines Shunt-Schalters oder eines Serien-Shunt-Schalters erfolgen. Allgemein ist im geöffneten Zustand des Schaltelements ein großer Abstand zum Kontaktbereich notwendig, da die Kapazität in diesem Zustand möglichst gering sein soll, um eine ungestörte Leitung zu erhalten. Für den Schaltvorgang selbst ist jedoch ein geringer Abstand erforderlich, da nur geringe elektrostatische Kräfte wirken.
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In dem Artikel von C. Chang und P. Chang, „innovative Micromachined Microwave Switch with very Low Insertion Loss”, Proceedings of the 10th International Conference an Solid-State Sensors Actuators (Transducers 99), June 7–10, 1999, Sendai, Japan, S. 1830–33, ist ein MEMS-Schalter mit einem gebogenen Schaltelement beschrieben, das in Form eines Cantilever-Balkens als freitragendes Element ausgestaltet ist. Das Schaltelement ist oberhalb einer Bodenelektrode mit einem Ende auf einem Substrat befestigt, wobei der übrige Bereich des Schaltelements bogenförmig nach oben gerichtet ist und vom Substrat wegragt. Beim Anlegen einer Schaltspannung legt sich das nach oben gebogene Schaltelement durch elektrostatische Kräfte an die Bodenelektrode an, so dass das freie Ende des Schaltelements mit einer Signalleitung in Kontakt gerät. Ohne die anliegende Schaltspannung wird das Schaltelement durch eine elastische Zugspannung zurück in die nach oben gerichtete Position gebracht, in der es von der Signalleitung weit entfernt ist. Beim Hin- und Herschalten zwischen den beiden Schaltzuständen bewegt sich das Schaltelement wie die Zunge eines Frosches.
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Allgemein besteht bei den MEMS-Schaltern das Problem, dass die elastischen Rückstellkräfte in der Regel sehr klein sind, so dass die Gefahr besteht, dass das Schaltelement durch Adhäsion oder gegenseitiges Verhaken an seiner Bewegung gehindert wird. Beispielsweise haften Schaltelemente in vielen Fällen an einer Grundmetallisierung an, die z. B. eine Bodenelektrode bildet. Die übereinander liegenden Metallstrukturen können sich verkanten oder verhaken, so dass das Schaltelement nicht mehr funktionstüchtig ist. Aus diesen Gründen mangelt es vielen Schaltelementen oftmals an einer ausreichenden Zuverlässigkeit, die für Langzeiteinsätze, beispielsweise im Weltraum, notwendig ist.
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Um das Problem zu lösen wurde versucht, das Schaltelement stärker auszugestalten, um dadurch stärkere Rückstellkräfte zu erzielen. Jedoch reichen die elektrostatischen Kräfte in den meisten Fällen nicht aus, um zuverlässig die Schaltvorgänge zu bewirken, wenn eine Gefahr des Verhakens oder Anhaftens besteht.
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Aus der
DE 197 36 674 C1 ist ein mikromechanisches elektrisches Relais bekannt, welches ein Basissubstrat aufweist, auf welchem eine einseitig angebundene Anker-Federzunge mit einem beweglichen Kontakt vorgesehen ist, welche im Ruhezustand vom Substrat federnd weggekrümmt ist. Ein mit dem beweglichen Kontakt zusammenwirkender Festkontakt ist auf einer federnden, ebenfalls von dem Basissubstrat weggekrümmten Festkontakt-Federzunge angeordnet, wobei die beiden Federzungen einander mit ihren freien Enden gegenüberstehen und der auf der Anker-Federzunge vorgesehene bewegliche Kontakt im geschlossenen Zustand den Festkontakt überlappt. Unterhalb der den beweglichen Kontakt tragenden Anker-Federzunge ist mittels einer bei der Herstellung entfernten Opferschicht eine Vertiefung ausgebildet, in welche die Anker-Federzunge im Sinne eines Überhubes bei geschlossenem Kontakt hineingebogen wird, wodurch sich noch eine Verbesserung der gegenseitigen Kontaktierung der zahnartig ineinandergreifenden Federzungen ergeben soll.
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Die
US 4 570 139 beschreibt eine magnetisch betätigte mikromechanische Dünnfilm-Schalteinrichtung, bei welcher eine aus einem magnetischen Material bestehende Metallisierungsschicht auf einem Substrat angeordnet ist, die sowohl eine einseitig eingespannte bewegliche Federzunge als auch einen dieser gegenüberstehenden Festkontakt bilden soll. Die bewegliche Federzunge trägt an ihrem freien Ende einen den eigentlichen Schaltkontakt bildenden Anker, welcher bei Betätigung mit dem Festkontakt in Berührung kommt. Unterhalb der beweglichen Federzunge ist im Substrat eine Ausnehmung vorgesehen, durch welche Raum dafür geschaffen wird, dass sich die Federzunge zum Schließen des Kontakts so weit nach unten bewegen kann, dass der am Ende der beweglichen Federzunge vorgesehene Kontaktanker mit dem Festkontakt in Berührung kommen kann. Es werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele der bekannten Schalteinrichtung gezeigt, denen als wesentliches Merkmal eine gegenseitige Überlappung von Kontaktanker und Festkontakt gemeinsam ist.
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Aus der
WO 03/028058 A1 ist ein mikromechanischer Schalter bekannt, der ein teilweise oberhalb eines Substrats einseitig aufgehängtes freitragendes leitendes Schaltelement und neben dem leitenden Schaltelement angeordnete Kontakt- und Steuerelektroden umfasst. Bei Anlegen eines Potentials an eine der Steuerelektroden ist das Schaltelement in der Ebene des Substrats ablenkbar, wodurch das Schaltelement mit einer Kontaktelektrode in Kontakt gebracht wird, um einen elektrischen Leitungspfad herzustellen. Damit die Beweglichkeit des leitenden Schaltelements in der Ebene des Substrats erleichtert wird, hat dieses einen länglichen Querschnitt in Richtung senkrecht zum Substrat, ggf. durch eine Ausnehmung im Schaltelement, durch die der besagte längliche Querschnitt hergestellt wird. Die Herstellung des bekannten schaltbaren MEMS-Elements erfolgt, indem zunächst auf einem Substrat eine Opferschicht ausgebildet wird, dann das leitende Schaltelement auf dem Substrat ausgebildet wird, die Opferschicht entfernt wird, um das leitende Schaltelement teilweise oberhalb des Substrats aufgehängt zu erhalten und die besagten Steuer- und Kontaktelektroden neben dem leitenden Schaltelement ausgebildet werden.
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Aus der
US 2004/0 085 166 A1 ist ein mikromechanischer Schalter gemäß dem Oberbegriff es Anspruchs 1 bekannt, der ein erstes membranartiges Schaltelement sowie ein brückenartig orthogonal darüber angebrachtes zweites membranartiges Schaltelement mit einer daran befestigten dielektrische Schicht umfasst, die bei Anlegen einer Spannung gegeneinander gezogen werden. Am Berührungspunkt der beiden Schaltelemente bilden die beiden Schaltelemente sowie die dazwischen befindliche dielektrische Schicht einen Kondensator.
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Aus der 6 127 908 A ist ein mikromechanischer Schalter bekannt, der ein federartiges Schaltelement umfasst, das oberhalb eines mehrschichtigen Aufbaus aus einer Gleichstromelektrode zum elektrostatischen Anziehen des Schaltelements sowie einer darunter angeordneten Kondensatorelektrode zur Ausbildung eines Kondensators mit dem Schaltelement angeordnet ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element zu schaffen, das eine geringere Störanfälligkeit und höhere Langzeitzuverlässigkeit gewährleistet, wobei die Leistungsaufnahme gering ist und insbesondere ein Verhaken von Metallstrukturen verhindert wird und eine elektromagnetische Welle einer bestimmten Wellenlänge abhängig vom Schaltungszustand passieren lässt oder sperrt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das schaltbare Hochfrequenz-MEMS-Element gemäß Patentanspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung eines schaltbaren Hochfrequenz-MEMS-Elements gemäß Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das schaltbare Hochfrequenz-MEMS-Element gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Signalleiter, der aus einer Metallisierung gebildet ist, ein Substrat, auf dem der Signalleiter angeordnet ist, sowie ein durch eine Metallisierung gebildetes Schaltelement, das senkrecht zur Substratebene zwischen verschiedenen Schaltzuständen bewegbar ist, um die Impedanz des Hochfrequenz-MEMS-Elements zu verändern. Dabei ist die Metallisierung des Signalleiters und des Schaltelements so ausgestaltet, dass sich in einem ersten Schaltustand das Schaltelement und der Signalleiter in einer einzigen Metallisierungsebene befinden, und dass der Signalleiter und das Schaltelement einen Leitungsresonator mit einem biegbaren Bereich zur Veränderung der Resonanzfrequenz bilden. Erfindungsgemäß bilden dabei der Signalleiter und das Schaltelement einen Leitungsresonator mit einem biegbaren Teilbereich des Schaltelements zur Veränderung der Resonanzfrequenz des Leitungsresonators.
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Vorteile der Erfindung sind, dass das erfindungsgemäße schaltbare Hochfrequenz-MEMS-Element sehr einfach herstellbar und langlebig ist und eine äußerst geringe Störanfälligkeit gewährleistet.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass auf eine Grundmetallisierung bzw. unterhalb der Signalleitung verlaufende sogenannte „under path”-Strukturen verzichtet werden kann. Weiterhin ist direkt unter dem schaltbaren Signalleitungselement eine Grund- bzw. „bottom”-Elektrode nicht notwendig. D. h., es gibt keine übereinander liegenden Metallleitungen, weshalb die Gefahr des Verhakens der Metallstrukturen, beispielsweise an ihren Kanten, beseitigt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Element ergeben sich nur extrem geringe Verluste und eine sehr geringe Leistungsaufnahme, weshalb das MEMS-Element insbesondere für Raumfahrt-Anwendungen geeignet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Schaltelement beispielsweise als „Stub” am Signalleiter ausgebildet sein, wobei die Resonanzfrequenz durch Bewegen des Schaltelements veränderbar ist.
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Vorteilhafterweise ist das Schaltelement am Signalleiter ausgebildet.
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Alternativ dazu kann das Schaltelement jedoch auch getrennt vom Signalleiter angeordnet sein, wobei beispielsweise eine gegenseitige kapazitive Ankopplung durch Bewegen des Schaltelements veränderbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Schaltelement nur mit einem Teilstück auf dem Substrat befestigt, wobei ein weiteres Teilstück einen biegbaren Teilbereich aufweist, so dass es senkrecht zur Substratoberfläche bewegbar ist. Dadurch benötigt das Schaltelement geringe Stellkräfte, wobei die Bauweise stabil ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Signalleiter zwei oder mehr Teilstücke auf, die durch mindestens ein Schaltelement kapazitiv miteinander gekoppelt sind.
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Es können auch ein oder mehrere biegbare Schaltelemente als Leitungsresonatoren zur Kopplung des Signalleiters an einen weiteren Signalleiter ausgestaltet sein.
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Bevorzugt umfasst das schaltbare Hochfrequenz-MEMS-Element eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft, um einen bewegbaren Teilbereich des Schaltelements anzutreiben.
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Vorteilhafterweise ist das Schaltelement in einem ersten Schaltzustand vollständig in der Ebene des Signalleiters, während es in einem zweiten Schaltzustand über die Ebene des Signalleiters hinausragt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines schaltbaren Hochfrequenz-MEMS-Elements angegeben, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrates; Aufbringen einer Metallisierung auf das Substrat und Ausbilden eines Signalleiters; Ausbilden eines durch eine Metallisierung gebildeten Signalelements auf dem Substrat, so dass es senkrecht zur Substratebene zwischen verschiedenen Schaltzuständen bewegbar ist, um die Impedanz des Hochfrequenz-MEMS-Elements zu verändern. Dabei wird die Metallisierung des Signalleiters und des Schaltelements so ausgestaltet, dass sich das Schaltelement und der Signalleiter in einem ersten Schaltzustand einer einzigen Metallisierungsebene befinden. Erfindungsgemäß bilden der Signalleiter und das Schaltelement einen Leitungsresonator mit einem biegbaren Teilbereich des Schaltelements zur Veränderung der Resonanzfrequenz des Leitungsresonators.
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Vorteile und Verfahren, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen schaltbaren Hochfrequenz-MEMS-Element genannt sind, gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Bevorzugt wird ein erster Teilbereich des Schaltelements am Substrat befestigt, während ein zweiter Teilbereich des Schaltelements von der Substratoberfläche weg biegbar gestaltet wird.
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Vorteilhaft wird auf der Substratoberfläche eine Isolatorschicht aufgebracht, auf der das Leiterelement bzw. der Signalleiter und das Schaltelement ausgebildet werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere ein Hochfrequenz-MEMS-Element gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Ionenimplantation in das Substrat unterhalb des bewegbaren Schaltelements eingebettet vorgesehen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beschrieben, in denen
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1 ein schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element schematisch in einer Schnittansicht zeigt;
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2 eine Draufsicht auf das in 1 gezeigte Hochfrequenz-MEMS-Element zeigt;
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3a–f verschiedene Schalterkonfigurationen von Hochfrequenz-MEMS-Elementen schematisch darstellen;
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4 ein HF-MEMS-Element gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht zeigt;
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5 ein HF-MEMS-Element gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht zeigt;
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6 ein HF-MEMS-Element gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht zeigt;
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7a–f verschiedene Konfigurationen von Hochfrequenz-MEMS-Elementen schematisch als Draufsicht zeigen;
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1 zeigt ein Hochfrequenz-MEMS-Element 10, das als Schalter ausgebildet und für Hochfrequenz-Anwendungen geeignet ist. Das schaltbare MEMS-Element 10 umfasst ein Substrat 11, das beispielsweise aus Silizium gebildet ist. Auf dem Substrat 11 ist ein Signalleiter 12 ausgebildet, der sich in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene von 1 über das Substrat 11 erstreckt. Weiterhin ist auf dem Substrat 11 ein Schaltelement 13 ausgebildet, das senkrecht zur Substratebene in Richtung des Doppelpfeils B hin und her bewegbar ist.
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Der Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 sind aus einer Metallisierung gebildet, die sich in einer einzigen Metallisierungsebene befindet. D. h., dass der Signalleiter 11 und das Schaltelement 12 in einer einzigen Metallisierungsebene ausgestaltet sind, die sich auf dem Substrat 11 befindet. Optional ist zwischen dem Substrat 11 und der darauf befindlichen Metallisierung, die den Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 bildet, eine Isolatorschicht bzw. ein Isolator 15 vorgesehen, der beispielsweise aus SiO2 gebildet ist. Der optionale Isolator 15 kann beispielsweise dann vorgesehen sein, wenn eine Restleitfähigkeit im Substrat 11 vorhanden ist. Es ist aber auch möglich, die Metallisierung, die den Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 bildet, direkt auf der Oberfläche des Substrats 11 aufzubringen.
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Die Metallisierung bzw. der Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 bestehen in dem vorliegenden Fall aus einem Dünnfilm mit einer Dicke von 4 μm. Es ist aber auch möglich, den Dünnfilm in einer anderen Dicke vorzusehen, z. B. mit einer Dicke im Bereich von 1–10 μm.
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An der Unterseite des Substrats 11, d. h. auf der der Metallisierung 12, 13 gegenüberliegenden Seite des Substrats 11, befindet sich eine Elektrode 14 als Masseelektrode. Die Elektrode 14 dient zur elektrostatischen Anziehung des nach oben, von der Substratoberfläche weg gebogenen Schaltelements 13 hin zur Substratoberfläche. In diesem Fall, d. h. beim Aufliegen des biegbaren oder elastischen Teils des Schaltelements 13 auf der Substratoberfläche bzw. optionalen Isolatorschicht 15, erfolgt eine kapazitive Kopplung zwischen dem Schaltelement 13 und dem Signalleiter 12. Durch die resultierende Kapazität zwischen dem Signalleiter 12 und dem Schaltelement 13 erfolgt ein Shunt bzw. Nebenschluss für eine elektromagnetische Welle, die auf dem Signalleiter 12 fortschreitet. Das Herunterbiegen des bewegbaren Teils des Schaltelements 13, so dass es direkt auf der Substratoberfläche oder der optionalen Isolatorschicht 15 aufliegt, wird durch eine Aktuatorspannung verursacht, die über die Masseelektrode 14 an die Struktur angelegt wird und dadurch den Shunt schließt.
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In der nach oben gebogenen Position des bewegbaren Teils bzw. Schaltarmes des Schaltelements 13 erfolgt eine nur geringe kapazitive Ankopplung zwischen dem Signalleiter 12 und dem Schaltelement 13, so dass in diesem Fall der Einfluss des Schaltelements 13 auf das Fortschreiten der elektromagnetischen Welle auf dem Signalleiter 12 gering ist.
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Das Schaltelement 13 hat beispielsweise einen elastischen Biegebereich, so dass beim Fehlen der Aktuatorspannung das Schaltelement 13 in der oberen bzw. gebogenen Position ist und beim Anlegen der Aktuatorspannung das Schaltelement 13 vollständig auf der Oberfläche des Substrats 11 bzw. auf der Oberfläche der optionalen Isolatorschicht 15 aufliegt. D. h., beim Beenden der Aktuatorspannung kehrt das biegbare bzw. bewegbare Schaltelement 13 aufgrund elastischer Rückstellkräfte wieder in seine Ausgangsposition zurück. Es ist aber ebenso möglich, das Schaltelement durch elektrostatische Kräfte in die obere Position zu bringen.
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Dadurch, dass auf der Oberfläche des Substrats 11 nur eine Metallisierungsebene vorhanden ist, die den Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 bildet, kann die Metallisierung des bewegbaren Teils des Schaltelements 13 nicht verkanten oder verhaken, da keine Grundmetallisierung oder sogenannte „under path”-Strukturen vorhanden sind. D. h., die Substratoberfläche, auf der sich das Schaltelement 13 bewegt, ist glatt und es erfolgt kein Übereinanderlegen von zwei oder mehr Metallisierungsebenen. Der Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 sind in nur einer einzigen Lithographie-Ebene ausgestaltet.
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2 zeigt die in 1 gezeigte Shunt-Konfiguration des HF-MEMS-Schalters 10 schematisch in einer Draufsicht. Dabei stellt die gestrichelte Linie A-A' die Schnittebene für die in 1 gezeigte Schnittansicht dar. Der Signalleiter 12 erstreckt sich in seiner Längsrichtung auf der Oberfläche des Substrats 11. Das biegbare Schaltelement 13 ist senkrecht zum Signalleiter 12 gerichtet und ebenfalls auf der Oberfläche des Substrats 11 ausgestaltet, wobei der Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 in einer einzigen Metallisierungsebene ausgebildet sind.
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Die 3a–f zeigen als Beispiele verschiedenartige Schalterkonfigurationen, die mit dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-MEMS-Element möglich sind. 3a und 3b zeigen eine Schaltung in Serie mit dem Signalleiter 12, wobei in 3a die Signalleitung unterbrochen und in 3b die Signalleitung geschlossen ist.
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3c und 3d zeigen eine Shunt-Schalter-Konfiguration, bei der die Schaltung durch einen elektrischen Nebenschluss erfolgt. Dabei ist in 3c die Signalleitung geschlossen, da der Schalter offen ist und somit kein Nebenschluss vorliegt. In 3d ist die Signalleitung unterbrochen, da der Schalter geschlossen ist und ein Nebenschluss vorliegt.
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Die 3e und 3f zeigen eine Kombination von Serien- und Shunt-Konfigurationen, wobei in 3e der Schalter in der Signalleitung geöffnet und der Nebenschluss geschlossen ist und in 3f der Schalter der Signalleitung geschlossen und der Nebenschluss geöffnet ist.
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Das Substrat 11 ist aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium gefertigt, während der Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 aus hochleitendem Material gefertigt werden, wie beispielsweise Al, Cu, Au, usw.
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4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der das Schaltelement 13 als sogenannter Stub am Signalleiter 12 ausgebildet ist. Der nach oben von der Substratoberfläche weg biegbare Bereich 13a des Schaltelements 13 ist wiederum durch die Schraffur gekennzeichnet und hat eine Länge von ungefähr λ/4, wobei λ die Wellenlänge der auf dem Signalleiter 12 fortschreitenden elektromagnetischen Welle ist. Durch das Hoch- und Herunterbiegen des Schaltelements 13 mit seinem beweglichen Teil 13a verändert sich die Resonanzfrequenz des MEMS-Elements 30, so dass die Sperrfrequenz je nach Stellung des Stub verschoben wird. Dadurch kann die elektromagnetische Welle auf dem Signalleiter 12 in Richtung des Pfeiles C bei einer bestimmten Frequenz ungehindert fortschreiten, wenn sich das Schaltelement in einer bestimmten Position befindet, beispielsweise in der nach oben gebogenen Position, und sie wird am Fortschreiten gehindert, wenn sich das Schaltelement 13 in der anderen Position befindet, beispielsweise wenn das Schaltelement 13 vollständig auf der Substratoberfläche aufliegt, d. h. vollständig in einer Ebene liegt.
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5 zeigt ein Hochfrequenz-MEMS-Element 40 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Signalleitern 12, die durch ein Schaltelement 13 verbunden sind. Die beiden Signalleiter 12 sind dabei zueinander versetzt angeordnet, wobei sich das Schaltelement 13 zwischen den beiden Leitungselementen 12 senkrecht zu diesen über den Versatz hin erstreckt. An seinen beiden Enden weist das Leitungselement 13 jeweils einen biegbaren Bereich 13a auf, dessen Länge wiederum im Bereich von ¼ der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle liegt, die auf dem Signalleiter 12 zum Beispiel in Richtung des Pfeils C fortschreitet. Die nach oben, d. h. von der Zeichnungsebene bzw. Substratoberfläche weg biegbaren Bereiche 13a des Signalleiters 12 bilden jeweils einen Stub, der je nach Position die Resonanzfrequenz des Hochfrequenz-Elements 40 verändert und somit die Durchlässigkeit des MEMS-Elements für das elektromagnetische Signal schaltet. Dabei kann beispielsweise die Resonanz- oder Sperrfrequenz in einem Schaltzustand im Bereich von 30 GHz liegen, während sie im anderen Schaltzustand im Bereich von 40 GHz liegt.
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6 zeigt ein schaltbares Hochfrequenz-MEMS-Element 50 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind zwei Signalleitungen 12 in ihrer Längsrichtung voneinander beabstandet angeordnet, wobei sie zusätzlich einen gegenseitigen Versatz in Querrichtung aufweisen. In dem Zwischenraum zwischen den beiden Signalleitern 12 erstrecken sich zwei voneinander getrennte Schaltelemente 13 mit nach oben, von der Substratoberfläche weg biegbaren Bereichen 13a. Die Schaltelemente 13 bilden Leitungsresonatoren, deren Durchlassfrequenz von der jeweiligen Stellung der biegbaren Bereiche 13a abhängig ist. D. h., dass durch die Verbiegung der Teilbereiche 13a der Schaltelemente 13 eine Längenänderung und somit eine Resonanzverschiebung stattfindet, so dass das MEMS-Element einen schaltbaren Filter bzw. Schalter bildet. Eine Verwendungsmöglichkeit ergibt sich aber auch als Anpassstruktur, beispielsweise um breitbandigere Schaltungen zu erzeugen.
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Die 7a–7f zeigen weitere mögliche Schalterkonfigurationen.
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7a, b und c zeigen koplanare Strukturen, bei denen in einer einzigen Metallisierungsebene die Metallisierungsbereiche für den Signalleiter 12, das Schaltelement 13, 13a und weitere Metallisierungen 19 auf der Substratoberfläche 11 angeordnet sind. 7a zeigt eine Stub-Anordnung mit variabler elektrischer Länge, die als veränderbare Impedanz beispielsweise in Anpass-Schaltungen oder Filtern verwendet wird. Durch die Verwendung kurzer Stubs kann die Phasencharakteristik der fortschreitenden Welle beeinflusst werden, wodurch die Realisierung eines Phasenschiebers möglich ist. In 7b kann durch Hin- und Herschalten des Stubs bzw. des bewegbaren Bereichs 13a des Schaltelements 13 durch Herauf- und Herunterbewegen die charakteristische Impedanz der Signalleitung verändert werden. Die charakteristische Impedanz des koplanaren Wellenleiters hängt dabei von der Schlitzbreite ab, die im Bereich des Schalters veränderbar ist. Beim Hochklappen bzw. Heraufbiegen des bewegbaren Teils 13a des Schaltelements 13 ergibt sich ein Impedanzsprung. Bei der Schalterkonfiguration gemäß 7c kann die Länge der Kopplungsstrukturen durch Hin- und Herschalten der bewegbaren Enden 13a des Schaltelements 13, das als Koppler arbeitet, verändert werden. Dadurch können unterschiedliche Frequenzen übertragen werden. Das Schalten der gesamten Ankopplungsstruktur führt zu einem HF-Schalter mit bestimmten DC-Sperrcharakteristika.
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Die Schalterkonfigurationen gemäß den 7d, e und f sind sogenannte Microstrip-Konfigurationen. Auf der Oberseite des Substrats 11 befinden sich Metallisierungsstreifen, welche den Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 mit seinem bewegbaren Bereich 13a bilden. Auf der in den Figuren nicht sichtbaren Rückseite des Substrats 11 befindet sich jeweils eine Masseelektrode. Die Schalterkonfiguration gemäß 7d entspricht in ihrer Funktion und Arbeitsweise weitgehend der in 7a dargestellten Konfiguration. D. h., hier handelt es sich um eine Stub-Konfiguration mit einem Schaltelement 13, dessen bewegbarer Teil 13a senkrecht zur Substratoberfläche verbiegbar ist.
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Bei der in 7e gezeigten Konfiguration kann die charakteristische Impedanz der Signalleitung durch Schalten bzw. Bewegen der beiden Stubs, die durch die seitlich des Signalleiters 12 angeordneten Schaltelement 13 gebildet werden, verändert werden. Die charakteristische Impedanz des Microstrip-Signalleiters 12 hängt im Wesentlichen von dessen Breite ab, die durch Schalten bzw. Bewegen der beiden Teilbereiche 13a des Schaltelements 13 veränderbar ist.
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Die Schalterkonfiguration gemäß 7f ist in ihrer Funktion und Wirkungsweise vergleichbar mit derjenigen von 7c. Im geschlossenen Zustand, d. h. wenn die bewegbaren Bereiche 13a heruntergebogen sind und auf der Oberfläche des Substrats 11 aufliegen, erfolgt eine kapazitive Ankopplung, und eine Frequenz der elektromagnetischen Welle auf dem Signalleiter 12 wird durchgelassen. Wenn jedoch die bewegbaren Bereiche 13a in einem hochgebogenen Zustand sind, d. h. von der Substratoberfläche weg zeigen, erfolgt eine Schwächung des Signals auf dem Signalleiter 12.
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Die hierin beschriebene HF-MEMS-Technologie kann beispielsweise dazu verwendet werden, bestimmte Teile einer Signalleitung anzuheben, um die elektrischen Charakteristika zu verändern, die mit diesem Teil des Signalleiters assoziiert sind. Wenn ein Teil des Übertragungspfades nicht auf der Substratoberfläche aufliegt, sondern nach oben gebogen ist bzw. in die Luft ragt, erfährt er eine reduzierte dielektrische Konstante, welche die dielektrische Länge des Übertragungspfades erhöht. Deshalb können Übertragungswege, die normalerweise in Bezug auf ihre elektrische Länge fest bzw. unveränderlich sind, nun eine veränderbare elektrische Länge erfahren. D. h., ein Teil des Übertragungspfades kann herauf und herunter geschaltet werden, indem eine Aktuatorspannung angelegt wird.
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Durch Anwendung der Erfindung in HF-Mikro- und Millimeterwellen-Schaltkreisen und deren Design werden eine Vielzahl neuer Schaltkreis-Topologien ermöglicht, die als re-konfigurierbare Übertragungspfade und Schaltkreise zusammengefasst werden können. Die Erfindung kann beispielsweise sowohl auf koplanare Wellenleiter (CPW = coplanar waveguides) als auch auf sogenannte „microstrip transmission lines” angewendet werden. Einige Beispiele dieser rekonfigurierbaren Übertragungspfade bzw. transmission lines sind hier dargestellt. Diese variablen Schaltungselemente können für rekonfigurierbare anspassbare Schaltungen, Filter, Koppler und Phasenschiebeanwendungen verwendet werden.
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Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-MEMS-Elements wird zunächst ein Substrat 11, beispielsweise aus Silizium, bereitgestellt. Auf dem Substrat 11 wird anschließend eine Metallisierung aufgebracht und der Signalleiter 12 ausgebildet. Nun wird das Schaltelement 13 auf dem Substrat 11 ausgebildet, derart, dass es senkrecht zur Substratebene bzw. zur Oberfläche des Substrats 11 bewegbar ist. Dabei erfolgt die geometrische Anordnung derart, dass die Impedanz des Hochfrequenz-MEMS-Elements durch Bewegen des Schaltelements veränderbar ist. Der Signalleiter 12 und das Schaltelement 13 werden in einer einzigen Metallisierungsebene ausgebildet.
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Bei der Ausbildung des Schaltelements wird ein erster Teilbereich des Schaltelements am Substrat 11 befestigt, während ein zweiter Teilbereich des Schaltelements 13 von der Substratoberfläche weg biegbar gestaltet ist. Um ein mögliches Anhaften des zweiten Teilbereichs an der Substratoberfläche zu verhindern, wird optional auf der Substratoberfläche eine Anti-Haft-Schicht vorgesehen. Die Anti-Haft-Schicht ist jedoch nicht zwingend notwendig.
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Um den zweiten Teilbereich des Schaltelements 13, d. h. den biegbaren Bereich 13a, zu realisieren, wird in diesem Bereich zunächst eine Opferschicht möglichst geringer Dicke, die bevorzugt im nm-Bereich liegt, auf das Substrat 11 aufgebracht. Die Opferschicht ist beispielsweise eine Photolackschicht mit einer Dicke von 1 μm. D. h., die Metallisierung, die das spätere Schaltelement 13 mit dem beweglichen Bereich 13a ausbildet, befindet sich teilweise oberhalb der möglichst dünnen Opferschicht. Durch Eliminierung der Opferschicht im weiteren Verfahren wird der frei bewegbare bzw. biegbare Teil 13a des Schaltelements 13 ausgebildet, während der andere Teil des Schaltelements 13 fest auf dem Substrat 11 befestigt ist.
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Optional kann die Substratoberfläche mit einer Isolatorschicht versehen werden, um darauf das Leiterelement 12 und das Schaltelement 13 auszubilden.
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Weiterhin kann optional vor dem Aufbringen der Isolatorschicht an der Substratoberfläche eine Implantationsschicht 17 eingebettet werden.
