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Die Erfindung betrifft eine Anordnung von MEMS-Schaltern mit beweglichen Elementen.
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Zur Schaltung elektrischen Stroms sind drei verschiedene Lösungen bekannt: Zum einen werden elektromechanische Relais eingesetzt, zum anderen finden Halbleiterschaltelemente Verwendung und schließlich können zudem MEMS-Schalter (MEMS = Mikro-Elektro-Mechanisches System) eingesetzt werden.
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MEMS-Schalter basieren auf der meist elektrostatisch aktuierten Bewegung eines beweglichen Elements, insbesondere eines kleinen Balkens, dessen Bewegung den MEMS-Schalter in eine Offenstellung oder eine Geschlossenstellung versetzt. Die mikroskopischen Abmessungen des beweglichen Elements erlauben vorteilhaft kurze Schaltzeiten sowie eine nahezu völlige Verschleißfreiheit. Jedoch ist die Stromtragfähigkeit und Spannungsfestigkeit beweglicher Elemente von MEMS-Schaltern für viele Anwendungen zu gering. Um höhere Leistungsklassen zu adressieren, können mehrere MEMS-Schalter miteinander zu einer Anordnung verschaltet und insbesondere in einer Matrix angeordnet werden. Dies erfordert die Anordnung einer Vielzahl identisch gefertigter MEMS-Schalter, welche über die gesamte Betriebszeit ein identisches Verhalten zeigen müssen. Dies kann durch eine hohe Prozessgüte erreicht werden, jedoch sind eine Vielzahl von MEMS-Schalter selten erreichbar.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung von MEMS-Schaltern zu schaffen, welche eine höhere Ausfallsicherheit aufweist, insbesondere bei vereinzelt nicht den Vorgaben entsprechenden MEMS-Schaltern.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer Anordnung von MEMS-Schaltern mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Anordnung von MEMS-Schaltern weist MEMS-Schalter mit beweglichen Elementen auf, wobei die MEMS-Schalter miteinander in einer Total-Cross-Tied-Schaltung geschaltet sind.
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Vorteilhaft sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung die MEMS-Schalter matrixartig angeordnet.
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Die Schaltung in einer Total-Cross-Tied-Schaltung (TCT-Schaltung) weist dabei eine Reihe von Vorteilen auf: Zum einen sind in einer TCT-Schaltung mehrere MEMS-Schalter miteinander parallel verschaltet, was die Stromtragfähigkeit der Anordnung gegenüber einzelnen MEMS-Schaltern entsprechend proportional zur Anzahl miteinander parallel geschalteter MEMS-Schalter erhöht. Zudem ist infolge miteinander seriell geschalteter MEMS-Schalter die Spannungsfestigkeit der Anordnung gegenüber der Spannungsfestigkeit einzelner MEMS-Schalter erhöht. Insoweit ist die Anordnung bereits aufgrund der erhöhten Stromtragfähigkeit und der erhöhten Spannungsfestigkeit ausfallsicherer ausgebildet. Die zusätzlichen Querverbindungen in der TCT-Schaltung ermöglichen zudem eine redundante Auslegung der MEMS-Schalter, sodass fehlerhafte MEMS-Schalter mittels der zusätzlichen Leitungswege leicht umgangen werden können.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß der Erfindung erstrecken sich Leiterverbindungen vorteilhaft entlang zumindest zweier voneinander beabstandeter Ebenen.
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Aufgrund der Erstreckung der Leiterverbindungen entlang zumindest zwei voneinander beabstandeter Ebenen können Leitungskreuzungen innerhalb einer Ebene vermieden werden. So können zueinander schräg, insbesondere senkrecht, verlaufende Leiterverbindungen entlang voneinander beabstandeter Ebenen angeordnet sein, sodass eine tatsächliche Leitungskreuzung nicht auftritt. In dieser Weiterbildung müssen somit Leitungskreuzungen nicht gesondert bei der Fertigung berücksichtigt werden, was fertigungstechnisch einen sehr hohen Aufwand bedeuten würde. In dieser Weiterbildung der Erfindung lässt sich folglich eine TCT-Schaltung mit MEMS-Schaltern sehr zuverlässig fertigen.
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Bei der Anordnung gemäß der Erfindung weisen die MEMS-Schalter in einer zweckmäßigen Weiterbildung jeweils ein Biegeelement als bewegliches Element auf.
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Vorzugsweise weist jeder der MEMS-Schalter jeweils an dem beweglichen Element einen ersten elektrischen Kontakt auf und die MEMS-Schalter weisen jeweils einen zweiten elektrischen Kontakt auf, wobei die ersten Kontakte an einer ersten der Ebenen befindlich sind und die zweiten Kontakte an einer zweiten der Ebenen befindlich sind.
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Somit lassen sich zwei voneinander beabstandete Ebenen, entlang welcher Leiterverbindungen anordbar sind, an dem beweglichen Element sowie beabstandet dazu ausbilden. Mittels einer Bewegung des beweglichen Elements lässt sich dann eine leitende Verbindung zwischen in den beiden Ebenen befindlichen Bauteilen bewirken.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung Gate-Kontakte vorhanden, welche in der ersten und/oder zweiten Ebene befindlich sind.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung weisen die MEMS-Schalter jeweils mindestens einen ersten und einen zweiten Teil auf, wobei der erste Teil mit einem Silizium-Substrat gebildet ist und/oder der zweite Teil mit einem Glaswafer gebildet ist.
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Durch die erfindungsgemäß mögliche unabhängige Fertigung der zumindest zwei Teile des MEMS-Schalters lassen sich ohne nennenswerten Kosten- oder Zusatzaufwand bei der Fertigung zwei Ebenen bereitstellen, entlang welchen die Leiterverbindungen wie oben beschrieben anordbar sind.
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Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung der erste Teil mit einem Silicon-On-Insulator-Substrat, insbesondere mit einem Silicon-On-Glass-Substrat, gebildet.
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Zweckmäßig sind in dieser Weiterbildung der Erfindung erster und zweiter Teil aufeinander aufgebondet, etwa mittels mindestens eines eutektischen und/oder anodischen Bonds und/oder eines Silizium-Direkt-Bonds.
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Besonders bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung zumindest einer der oder jeder der MEMS-Schalter ausgebildet und gefertigt wie im Ausführungsbeispiel der
DE 10 2017 215 236 A1 beschrieben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Anordnung von MEMS-Schaltern schematisch in einem Prinzipschaltbild,
- 2 die erfindungsgemäße Anordnung von MEMS-Schaltern gem. 1 schematisch in einer Draufsicht und
- 3 einen MEMS-Schalter der erfindungsgemäßen Anordnung von MEMS-Schaltern gem. 1 und 2 schematisch im Längsschnitt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung 10 von MEMS-Schaltern 20 ist eine Matrix-Anordnung von MEMS-Schaltern 20, in welcher die MEMS-Schalter 20 in einem Rechteckgitter von zueinander senkrecht orientierten Zeilen 30 und Spalten 35 angeordnet sind. Die MEMS-Schalter 20 sind in der Matrix-Anordnung jeweils in Zeilen 30 hintereinander in Reihe geschaltet. Dazu weisen die MEMS-Schalter 20 jeweils einen Source- 40 und einen Drain-Anschluss 50 auf, welche der MEMS-Schalter 20 in einer Offenstellung voneinander durch Beabstandung eines ersten Schaltkontakts 60 und eines zweiten Schaltkontakts 70 voneinander elektrisch isoliert und in einer Geschlossenstellung miteinander elektrisch leitend in Kontakt bringt. Zur Steuerung der MEMS-Schalter 20 in die Offenstellung und in die Geschlossenstellung weisen die MEMS-Schalter 20 jeweils einen Gatekontakt 80 auf, welcher je nach Potentialbeaufschlagung mit einem Gatepotential 85 eine elektrostatische Kraft auf einen Biegebalken 90 (s.a. 2 und 3) des MEMS-Schalters 20 ausübt, der den zweiten Schaltkontakt 70 trägt. Infolge der elektrostatischen Kraft kann der Biegebalken 90 ausgelenkt werden, wobei in einer Ruhestellung des Biegebalkens 90 der zweite Schaltkontakt 70 an dem ersten Schaltkontakt 60 elektrisch leitend kontaktiert ist und in einer ausgelenkten Stellung vom ersten Schaltkontakt 60 isolierend beabstandet ist. Dem Gatekontakt 80 gegenüberliegend ist jeweils bei den MEMS-Schaltern 20 ein Ground-Kontakt 93 auf Groundpotential 96 angeordnet, relativ zu welchem ein Source-Potential des Sourceanschlusses 50 und ein Gate-Potential des Gatekontakts 80 jeweils eine Spannung definieren.
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Mithin werden mittels des Gatekontakts 80 die MEMS-Schalter 20 geöffnet oder geschlossen. Die Source-Anschlüsse 40 und die Drain-Anschlüsse 50 der MEMS-Schalter 20 verschiedener Zeilen 30 und jeweils einer gemeinsamen Spalte 35 sind miteinander mittels einer Verbindungsleitung 100 verbunden. Diese Verbindungsleitungen 100 über verschiedene Zeilen 30 je einer Spalte 35 hinweg bildet mit der übrigen zuvor beschriebenen Schaltung der Anordnung 10 eine Total-Cross-Tied-Schaltung (TCT-Schaltung) aus. In einer solchen TCT-Schaltung sind folglich die Verbindungsleitungen 100 jeweils zur Orientierung der Längsmittelachse L der Biegebalken 90 senkrecht orientiert. Die Verbindungsleitungen 100 kreuzen folglich vorgesehene Leitungsverbindungen 110 der Gatekontakte 80 und Leitungsverbindungen 120 der Groundkontakte 93 in Kreuzungspunkten 130.
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Die Kreuzungspunkte 130 bilden jedoch tatsächlich keine wirklichen Kreuzungspunkte in einer Ebene aus, sondern erscheinen lediglich in einem Schaltbild als solche Kreuzungspunkte 130. Denn tatsächlich verlaufen die Verbindungsleitungen 100 zum einen und die Leitungsverbindungen 110 der Gatekontakte 80 sowie die Leitungsverbindungen 120 der Groundkontakte 93 in zueinander parallelen und voneinander beabstandeten Ebenen.
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Ersichtlich wird dies aus der detaillierteren Darstellung des MEMS-Schalters 20 in 3. Wie dargestellt umfasst der MEMS-Schalter 20 zwei Teile: Ein erster Teil 150 ist mit einem Silizium-on-Insulator-Substrat gebildet, welches zwei Siliziumschichten 160, 170 umfasst, die von einer Glasschicht 180 getrennt sind. Dabei weist eine erste der Siliziumschichten 160 eine Dicke auf, welche etwa 30 mal so dick ist wie die übrige, zweite, Siliziumschicht 170, welche eine Dicke von 10 Mikrometern aufweist. Die zweite Siliziumschicht 170 bildet den Biegebalken 90 aus, welcher mittels der Glasschicht 180 an der ersten Siliziumschicht 160 in einem Bereich 185 angelenkt ist und ein freies Ende 190 aufweist. Der Biegebalken 90 streckt sich mit seinem freien Ende 190 in Richtung parallel zu den unbegrenzten, d.h. längsten, gewissermaßen flächigen, Erstreckungsrichtungen der Glasschicht 180 von dem Bereich 185 fort, sodass sich im unausgelenktem Zustand die Längsmittelachse L des Biegebalkens 90 parallel zu den unbegrenzten Erstreckungsrichtungen der Glasschicht 180 erstreckt. Zwischen Bereich 185 und freiem Ende 190 ist das Silizium der zweiten Siliziumschicht 170 und das Glas der Glasschicht 180 entfernt, sodass das freie Ende 190 frei schwingen kann. Der Biegebalken 90 weist an seinem freien Ende 190 den ersten Schaltkontakt 60 auf.
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Der MEMS-Schalter 20 weist zudem einen zweiten Teil 210 auf, welcher mit einem Glaswafer 220 gebildet ist. Der Glaswafer 220 weist zwei sich senkrecht zur Längsmittelachse L des Biegebalkens 90 erstreckende Gräben 230, 240 auf, welche zum ersten Teil 150 des MEMS-Schalters 20 hin geöffnet sind. Ein erster der zwei Gräben 230 erstreckt sich mit dessen Breite entlang des gesamten freien Teils des Biegebalkens 90 und zudem über das freie Ende 190 des Biegebalkens 90 hinaus, sodass der Biegebalken 90 ungehindert in den ersten Graben 230 hineinschwingen kann. Dem ersten Schaltkontakt 60 zugewandt ist am Grund des ersten Grabens 230 der zweite Schaltkontakt 70 befestigt, sodass der Biegebalken 90 den ersten Schaltkontakt 60 und den zweiten Schaltkontakt 70 miteinander elektrisch kontaktierend in Anlage bringen kann, indem der Biegebalken 90 auf den zweiten Teil 210 zu in den ersten Graben 230 hineinschwingt.
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Der zweite Graben 240 erstreckt sich parallel zum ersten Graben 230 und öffnet sich zum Bereich 185 hin. Der zweite Graben 240 ist vom ersten Graben 230 um einen Bruchteil seiner Breite beabstandet, sodass zwischen erstem Graben 230 und dem zweiten Graben 240 ein Steg befindlich ist, welcher an demjenigen Ende des Bereichs 185 anliegt, welcher am freien Ende 190 des Biegebalkens 90 angrenzt.
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Die dem zweiten Teil zugewandte Oberfläche des Biegebalkens 90 bildet eine erste Ebene 245 aus, entlang welcher sich die Verbindungsleitungen 100 der Source-Anschlüsse 40 mit ihrer Leitungsrichtung, d.h. der Richtung eines durch die Verbindungsleitungen 100 führenden Stromflusses, in Richtung senkrecht zur Zeichenebene erstrecken.
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Ein sich im Wesentlichen parallel zur Längsmittelachse L des Biegebalkens 90 erstreckender Grund 250, 260 der Gräben 230, 240 bildet eine zweite Ebene 265 aus, entlang welcher sich die Verbindungsleitungen 110 der Gatekontakte 80 mit ihrer Leitungsrichtung senkrecht zur Zeichenebene erstrecken.
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Die MEMS-Schalter
20 in diesem Ausführungsbeispiel sind ausgebildet und gefertigt wie in der Offenlegungsschrift
DE 10 2017 215 236 A1 beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017215236 A1 [0019, 0029]
