DE102020215027A1

DE102020215027A1 - Mikromechanische Relaisvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Relaisvorrichtung

Info

Publication number: DE102020215027A1
Application number: DE102020215027.3A
Authority: DE
Inventors: Denis Gugel; Matthew Lewis; Rainer Eckstein; Jochen Reinmuth; Marc Poppo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02
Also published as: WO2022112477A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Relaisvorrichtung. Diese umfasst ein Substrat mit einem ersten elektrischen Kontakt und einem zweiten elektrischen Kontakt. Weiter umfasst die Relaisvorrichtung eine Kontaktbrücke, welche über eine Federstruktur an dem Substrat befestigt ist, und zwischen mindestens zwei Auslenkpositionen bewegbar ist. Die Kontaktbrücke ist in einer ersten Auslenkposition derart ausgelenkt, dass die Kontaktbrücke den ersten elektrischen Kontakt mit dem zweiten elektrischen Kontakt elektrisch verbindet. Die Kontaktbrücke ist in einer zweiten Auslenkposition derart ausgelenkt, dass die Kontaktbrücke, der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt jeweils elektrisch voneinander getrennt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Relaisvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Relaisvorrichtung.
Stand der Technik
Es gibt im Wesentlichen zwei Haupttypen von Relais, d. h. von durch elektrischen Strom betriebenen Schaltern. Elektromechanische Relais (EMR) bestehen aus einem physisch beweglichen Schalter, der eine Verbindung in einem Stromkreis entweder herstellt oder unterbricht. EMRs verwenden normalerweise eine Art elektrische Spule, um eine Kraft zum Schalten des Relais zu erzeugen. Im Vergleich dazu verwenden Festkörperrelais Halbleiter zum Ein- und Ausschalten, anstatt physikalisch bewegliche Teile zu haben.
EMRs weisen ein gutes Schaltungsverhalten auf, d. h. eine gute galvanische Trennung, einen physikalischen Luftspalt im offenen Zustand, ein lineares Signalverhalten und dergleichen. Der Energieverbrauch von EMRs ist jedoch beträchtlich. Weiter sind EMRs relativ groß und langsam. Der Energieverbrauch von Festkörperrelais ist deutlich kleiner und Festkörperrelais sind auch schneller als EMRs. Das Schaltverhalten ist jedoch nicht ideal.
Es gibt Bestrebungen, diese beiden Haupttypen zu kombinieren. Hierzu werden die Schalter als mikroelektromechanisches System (MEMS) realisiert, wie etwa in der US 8378766 B2 offenbart. Der Schalter wird dabei miniaturisiert und elektrostatische Kräfte werden anstelle von Spulen verwendet. Dadurch ist es möglich, EMR-ähnliche Relais zu bauen, die klein und wesentlich stromsparender und schneller als herkömmliche Produkte sind.
Derartige Relais können für Hochfrequenzsignale verwendet werden, sind jedoch relativ teuer. Zur Ansteuerung sind anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) erforderlich und die Relais erfordern typischerweise externe Hochspannungsschaltungen oder Steuerquellen. Außerdem haben die Relais höhere „Ein“-Widerstände und können nur für einen begrenzten Bereich von Leistungsspannungen verwendet werden.
Es ist möglich, eine Elektrode auf einem Substrat anzuordnen, wobei oberhalb der Elektrode ein beweglicher Goldausleger als bewegliche Elektrode positioniert wird. Durch Anlegen einer hohen Spannungsdifferenz kann die bewegliche Elektrode an das Substrat gezogen werden. Gold ist jedoch ein sehr teures Material, welches schwierig zu bearbeiten ist. Dadurch sind meist nur Strukturen möglich, welche nicht in einer Ebene liegen („Out-of-Plane“-Strukturen).
Bei dieser Anordnung muss der bewegliche Ausleger im eingeschalteten Zustand auch den Strom des Relais tragen. Damit das Relais keinen zu hohen Widerstand hat, muss der bewegliche Arm aus einem Metall gebildet werden, das aber mit der Zeit und insbesondere bei hoher Temperatur ermüdet, was über die Lebensdauer zum Versagen des Relais führt.
Weiter muss der bewegliche Arm auf dem gleichen elektrischen Potential liegen wie der Relais-Eingang oder der Relais-Ausgang. Das Steuersignal auf der am Substrat angeordneten Elektrode muss daher immer relativ zum elektrischen Potential des Relais-Eingangs oder -Ausgangs verändert werden, was technisch in einigen Anwendungen nachteilig ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Relaisvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Relaisvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine mikroelektromechanische Relaisvorrichtung. Diese umfasst ein Substrat mit einem ersten elektrischen Kontakt und einem zweiten elektrischen Kontakt. Weiter umfasst die Relaisvorrichtung eine Kontaktbrücke, welche über eine Federstruktur an dem Substrat befestigt ist, und zwischen mindestens zwei Auslenkpositionen bewegbar ist. Die Kontaktbrücke ist in einer ersten Auslenkposition derart ausgelenkt, dass die Kontaktbrücke den ersten elektrischen Kontakt mit dem zweiten elektrischen Kontakt elektrisch verbindet. Die Kontaktbrücke ist in einer zweiten Auslenkposition derart ausgelenkt, dass die Kontaktbrücke, der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt jeweils elektrisch voneinander getrennt sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung. Hierbei wird ein Schaltsignal empfangen, um die Relaisvorrichtung einzuschalten oder auszuschalten. Die Relaisvorrichtung wird in Abhängigkeit von dem Schaltsignal ein- oder ausgeschaltet, wobei die Kontaktbrücke zum Einschalten in die erste Auslenkposition gebracht wird, und wobei die Kontaktbrücke zum Ausschalten in die zweite Auslenkposition gebracht wird.
Vorteile der Erfindung
Die Relaisvorrichtung ist als mikroelektromechanische Vorrichtung ausgestaltet. Dabei können neben den Geschwindigkeitsvorteilen und den Vorteilen hinsichtlich des niedrigen Energieverbrauchs, wie sie von Festkörperrelais bekannt sein, auch die vorteilhaften Signal- und Schalteigenschaften von EMRs erreicht werden.
Die Relaisvorrichtung ist derart konzipiert, dass der Strom durch die Relaisvorrichtung nur über einen Teilbereich der beweglichen Strukturen fließen muss. Daher können insbesondere die Federn der beweglichen Struktur aus einem Material mit höherem elektrischen Widerstand, das aber sehr gut mechanische Eigenschaften hat, hergestellt werden. Besonders vorteilhaft sind Federn aus einem dotierten Halbleitermaterial, wie Silizium Si oder Germanium Ge oder eine SiGe-Mischform.
Weiter sind keine ASICs oder externe Komponenten erforderlich. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstigere Bereitstellung der Relaisvorrichtung.
Die Relaisvorrichtung umfasst zwei elektrische Kontakte, welche durch eine bewegliche Kontaktbrücke kontaktiert werden können. Die beiden Kontakte können in einer seriellen Verbindung verwendet werden, die mit einer beweglichen MEMS-Struktur verbunden sind. Auf diese Weise wird der Weg, den der elektrische Strom von dem ersten Kontakt zu dem zweiten Kontakt zurücklegen muss, minimiert.
Im Folgenden wird der Zustand, bei welchem sich die Kontaktbrücke in der ersten Auslenkposition befindet, als „Ein“-Zustand bezeichnet. Der Zustand, bei welchem sich die Kontaktbrücke in der zweiten Auslenkposition befindet, wird als „Aus“-Zustand bezeichnet.
Die Relaisvorrichtung zeichnet sich durch einen extrem niedrigen Stromverbrauch aus. Im „Ein“-Zustand oder „Aus“-Zustand verbraucht die Relaisvorrichtung vorzugsweise keinen Strom. Nur beim Schalten wird eine minimale Menge an Leistung verbraucht, etwa im Mikrowattbereich. Im Vergleich dazu beträgt der Verbrauch für EMRs etwa 100 Milliwatt und für Halbleiterrelais etwa 10 Milliwatt.
Da MEMS-Systeme klein sind, kann die mikromechanische Relaisvorrichtung etwa zehnmal bis hundertmal schneller geschaltet werden als EMRs. Die Schaltzeit kann deutlich unter den von EMRs benötigten Millisekunden liegen. Beispielsweise kann die Schaltzeit im Bereich von 10 bis 100 Mikrosekunden liegen.
Die mikromechanische Relaisvorrichtung kann aufgrund ihrer geringen Größe je nach Anforderung weniger als 1 mm² Bedarf an Silizium erfordern. Eine mögliche Verpackung muss nur geringfügig größer sein. Dadurch ist die mikromechanische Relaisvorrichtung deutlich kleiner als EMR-Relais mit Abmessungen im Zentimeterbereich.
Durch Verwendung von MEMS-Herstellungsverfahren sind auch die Produktionskosten sehr gering.
Weiter ist die mikromechanische Relaisvorrichtung einfach zu betreiben, da im Gegensatz zu EMRs kein externer Treiber erforderlich ist. Außerdem sind bei größeren Schaltmatrizen von etwa hundert Relais die Anforderungen an die Stromversorgung deutlich geringer. Dies ermöglicht kleinere Stromversorgungen.
Mit einem minimalen Abstand zwischen den Kontakten und der Verwendung von Metallen mit niedrigem Widerstand kann der Widerstand im „Ein“-Zustand mit einem Widerstand von EMRs vergleichbar sein. Der Widerstand ist somit niedrig und konstant. Im Vergleich zu Festkörperrelais ist der Widerstand linear und erlaubt positive und negative Versorgungsspannungen.
Die Steuerspannungen können konfigurierbar sein. Die Spannung zum Einschalten kann in der Entwurfsphase je nach Bedarf konfiguriert werden, indem etwa eine Größe von Fingern einer Elektrodenanordnung, eine Anzahl der Finger und/oder eine Federstärke variiert werden.
Weiter kann die mikromechanische Relaisvorrichtung mit hohen Ausgangs-Schaltspannungen von etwa 100 Volt verträglich sein.
Aufgrund der geringen Größe kann die Zuverlässigkeit der mikromechanischen Relaisvorrichtung größer sein als bei typischen EMRs.
Bevorzugt werden elektrostatische Kräfte zum Ein- und Ausschalten der Relaisvorrichtung verwendet. Der Vorteil der Verwendung elektrostatischer Kräfte gegenüber Spulen besteht darin, dass kein Stromfluss benötigt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung ist die Kontaktbrücke parallel zu einer Substratebene des Substrats zwischen den mindestens zwei Auslenkpositionen bewegbar. Es handelt sich somit um eine In-Plane-Anordnung. Im Unterschied dazu ist bei einer Out-of-Plane-Anordnung eine Spannungsdifferenz zwischen einem Hebelarm und einer Elektrode erforderlich, was die Spannung am Hebelarm einschränkt und erfordert, dass die Kontakte nicht potentialfrei bleiben. Weiter kann durch die In-Plane-Anordnung erreicht werden, dass der „Ein“-Widerstand, d.h. falls sich die Kontaktbrücke in der ersten Auslenkposition befindet, aufgrund des geringeren Abstands zwischen den Kontakten deutlich geringer sein kann als bei Out-of-Plane-Anordnungen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die mikroelektromechanische Relaisvorrichtung einen integrierten Schaltkreis (FPGA) oder Mikrocontroller zur Ansteuerung. Hochspannungsquellen, ASICs und/oder andere Platinenkomponenten sind bevorzugt nicht erforderlich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die mikroelektromechanische Relaisvorrichtung eine Elektrodenanordnung, welche mit der Kontaktbrücke in Wirkverbindung steht und derart ansteuerbar ist, dass die Kontaktbrücke durch die Wirkverbindung in die Auslenkpositionen auslenkbar ist. Die Elektrodenanordnung ermöglicht ein einfaches Auslenken der Kontaktbrücke.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung ist in einem Bereich, welcher die Kontaktbrücke mit der Federstruktur verbindet, mindestens eine Gegenelektrode ausgebildet. Beispielsweise kann eine Vielzahl von fingerförmigen starren Gegenelektroden ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung umfasst die Elektrodenanordnung mindestens zwei Elektroden oder Gruppen von Elektroden, welche die Gegenelektroden in unterschiedliche Richtungen auslenken können, um die Kontaktbrücke in die erste bzw. zweite Auslenkposition zu bringen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass immer eine Schaltkraft vorhanden ist und die Relaisvorrichtung immer schaltet, unabhängig davon, ob eine Spannung an den Kontakten anliegt. Insbesondere kann es mit zunehmendem Alter vorkommen, dass die Elektroden durch Mikroverschweißung anhaften. Durch Erzeugen einer Kraft kann bei der Verwendung von zwei Elektroden diese unerwünschte Verbindung wieder gelöst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung umfasst die Elektrodenanordnung lediglich Elektroden, welche die Gegenelektroden in eine einzige Richtung auslenken. Dadurch ist eine kompakterer Aufbau möglich und es wird nur ein Ansteuersignal benötigt. Die Auslösekraft, die durch den Versatz oder die Federn erzeugt wird, wird groß genug gewählt, um mögliche Mikroverschweißungseffekte zu verhindern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die mikroelektromechanische Relaisvorrichtung weiter eine elektrisch schirmende Struktur, welche den ersten elektrischen Kontakt und/oder den zweiten elektrischen Kontakt zumindest teilweise abschirmt. Bevorzugt kann eine elektrisch schirmende Struktur vorgesehen sein, welche die Kontakte vollständig umschließt. Dadurch kann insbesondere im Hochfrequenzbereich eine bessere Abstimmung erzielt werden. Die Kontakte können im „Aus“-Zustand vollständig von einer Erdungsabschirmung umgeben sein, sodass bei höherfrequenten Signalen eine gute Kanaltrennung möglich ist. Die elektrisch schirmende Struktur ist insbesondere bei der Verwendung von Hochfrequenz-Relaisvorrichtungen vorteilhaft. Bei Gleichstrom-Relaisvorrichtungen kann etwa aus Kostengründen auf eine elektrisch schirmende Struktur verzichtet werden. Bei Gleichstrom-Relaisvorrichtungen kann auch vorgesehen sein, eine elektrisch schirmende mit einer der Elektroden elektrisch zu verbinden, um Ladung von der Kontaktbrücke abzuführen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung erstreckt sich die elektrisch schirmende Struktur zumindest teilweise in einen Bereich zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt. Dadurch werden die Kontakte besser voneinander getrennt, um insbesondere eine unbeabsichtigte Übertragung von hochfrequenten Anteilen zu verhindern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung kontaktiert die Kontaktbrücke in der zweiten Auslenkposition die elektrisch schirmende Struktur. Bevorzugt ist die elektrisch schirmende Struktur geerdet. Dadurch wird auch die Kontaktbrücke geerdet und eine Übertragung von den Kontakten auf die Kontaktbrücke im „Aus“-Zustand wird verhindert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung ist die Kontaktbrücke über einen zumindest abschnittsweise elektrisch isolierenden Bereich mit der Federstruktur verbunden. Dadurch kann die Kontaktbrücke besser isoliert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die mikroelektromechanische Relaisvorrichtung eine Elektrodenanordnung, welche mit der Kontaktbrücke in Wirkverbindung steht und derart ansteuerbar ist, dass die Kontaktbrücke durch die Wirkverbindung in die zweite Auslenkpositionen auslenkbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung ist die Federstruktur vorgespannt, um die Kontaktbrücke in Abwesenheit einer angelegten Auslenkkraft in der zweiten Auslenkposition zu halten. Dadurch ist im „Aus“-Zustand keine Kraft oder Spannung erforderlich, um die Kontaktbrücke in der „Aus“-Position zu halten. Weiter wird ein unbeabsichtigtes Auslenken, etwa durch Erschütterungen, verhindert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die mikroelektromechanische Relaisvorrichtung weiter eine Stopperstruktur, welche dazu ausgebildet ist, die Federstruktur in der zweiten Auslenkposition zu kontaktieren, um eine weitere Auslenkung der Kontaktbrücke zu verhindern. Die Kontaktbrücke kann dadurch fixiert werden. Weiter können ein maximaler Offset-Betrag oder eine maximale Offset-Kraft durch die Platzierung der Stopperstruktur eingestellt werden. Auf Elektroden, um die Kontaktbrücke in die zweite Auslenkposition zu bringen, kann verzichtet werden. Die Relaisvorrichtung benötigt dann zur Auslenkung nicht mehr zwei Steuersignale. Weiter verringert das Entfernen der zweiten Elektrode die benötigte Siliziumfläche der Relaisvorrichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung ist die Federstruktur überwiegend aus einem Halbleitermaterial gebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung ist die Kontaktbrücke zum Teil aus einem metallischen Material gebildet.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Relaisvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Draufsicht auf die mikromechanische Relaisvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in einem „Aus“-Zustand;
3 eine schematische Draufsicht auf die mikromechanische Relaisvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in einem „Ein“-Zustand;
4 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Relaisvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Relaisvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in einem „Aus“-Zustand;
6 eine schematische Querschnittsansicht der mikromechanischen Relaisvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung in einem „Aus“-Zustand;
7 eine schematische Draufsicht auf die mikromechanische Relaisvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung in einem „Ein“-Zustand;
8 eine schematische Querschnittsansicht der mikromechanischen Relaisvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung in einem „Ein“-Zustand;
9 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Relaisvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung in einem „Aus“-Zustand;
10 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Relaisvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung; und
11 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer mikromechanischen Relaisvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Relaisvorrichtung 100. Auf einem Substrat sind ein erster elektrischer Kontakt (Power-Pad) 11 und ein zweiter elektrischer Kontakt (Power-Pad) 12 ausgebildet, welche voneinander beabstandet und durch einen Luftspalt getrennt sind.
Weiter umfasst die Relaisvorrichtung 100 eine elektrisch leitfähige Kontaktbrücke 2, welche über auf gegenüberliegenden Seiten der Kontaktbrücke 2 angeordneten Verbindungselemente 33, 34 mit jeweils einer Federkomponente 31, 32 verbunden sind, welche eine Federstruktur bilden. Die Federkomponenten 31, 32 sind jeweils über ein Trägerelement 13, 14 mit dem Substrat verbunden. Die Kontaktbrücke 2 ist parallel zu einer Substratebene des Substrats zwischen den mindestens zwei Auslenkpositionen bewegbar.
Die Kontaktbrücke 2 weist vorzugsweise eine lang gestreckte Form auf. Parallel dazu sind am einem der Verbindungselemente 33 Finger 35 ausgebildet, welche eine Gegenelektrode bilden. Je nach Anwendung kann die Anzahl und Form der Finger 35 variieren.
Eine Elektrodenanordnung 4 umfasst ebenfalls Finger, welche als Elektrode dienen. Durch Ansteuern der Elektrodenanordnung 4, d. h. durch Anlegen einer Spannung, wird eine Kraft auf die Finger 35 ausgibt, sodass eine Auslenkung der Federkomponenten 31, 32 und somit auch der Kontaktbrücke 2 erfolgt.
Die Kontaktbrücke 2 kann dadurch in eine erste Auslenkposition („An“-Zustand) ausgelenkt werden, wobei die Kontaktbrücke 2 den ersten elektrischen Kontakt 11 und den zweiten elektrischen Kontakt 12 kontaktiert und somit eine elektrische Verbindung herstellt.
Die Kontaktbrücke 2 kann ebenfalls in eine zweite Auslenkposition ausgelenkt werden, in welcher die Kontaktbrücke 2 den ersten elektrischen Kontakt 11 und den zweiten elektrischen Kontakt 12 nicht berührt. Dadurch sind auch der erste elektrische Kontakt 11 und der zweite elektrische Kontakt 12 elektrisch getrennt.
Weiter ist eine elektrisch schirmende Struktur vorgesehen, welche erste Komponenten 5 1a und 51b umfasst, welche auf einer von der Kontaktbrücke 2 abgewandten Seite des ersten elektrischen Kontakts 11 bzw. des zweiten elektrischen Kontakts 12 angeordnet sind und sich zumindest teilweise in einen Bereich zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 11 und dem zweiten elektrischen Kontakt 12 erstrecken.
Weiter umfasst die elektrisch schirmende Struktur zweite Komponenten 52a, 52b, welche auf einer dem ersten elektrischen Kontakt 11 bzw. dem zweiten elektrischen Kontakt 12 abgewandten Seite der Kontaktbrücke 2 angeordnet sind. Die zweiten Komponenten 52a, 52b können auch beispielsweise auf ein vorgegebenes Potential gebracht werden, und insbesondere geerdet werden.
Die zum Einschalten der Relaisvorrichtung erforderliche Kraft oder Spannung kann im Designstadium konfiguriert werden, indem die Federstruktur 31, 32 härter oder weicher eingestellt wird oder indem die Anzahl oder Größe der Finger der Elektrodenanordnung 4 geändert wird.
Die Finger sind derart ausgebildet, dass kein elektrischer Kurzschluss entsteht. Dies kann erreicht werden, indem der dazwischenliegende Spalt größer als der Spalt der Kontakte 11, 12 ausgebildet wird oder indem die Finger mit einem nichtleitenden Material beschichtet werden. Zusätzlich hat dieser Aufbau den Vorteil, dass die mittlere Masse (bestehend aus den Verbindungselementen 33, 34, der Kontaktbrücke 2 und den Fingern 35) nur 10 bis 50, bevorzugt 10 bis 20 Mikrometer breit sein muss. Das bedeutet, dass der Abstand der Kontakte 11, 12 weniger als 20 bis 30 Mikrometer betragen kann. Dies reduziert den Gesamtwiderstand für die Leistungssignale erheblich im Vergleich zu anderen Designs, bei denen lange Leistungsarme vorhanden sind, die das Signal transportieren. Dadurch kann bevorzugt ein Widerstand in der Größenordnung von 150 bis 200 mOhm erreicht werden, insbesondere geringer als Widerstände von 2 bis 3 Ohm bei anderen Designs.
Ein weiterer Vorteil des Aufbaus ist, dass die tatsächliche Masse und die Federstärke, mit der die mittlere Masse aufgehängt ist, die Schaltzeit bestimmen. Auch dies kann im Designstadium optimiert werden.
Der Abstand der Kontakte 11, 12 kann beispielsweise 20 bis 30 Mikrometer betragen. Um zusätzlich zu verhindern, dass Signale über die Kontaktbrücke 2 übertragen werden, können das Substrat und ein Kappenwafer der Relaisvorrichtung 100 geerdet werden. Auf diese Weise wird eine vollständige geerdete Abschirmung um beide Kontakte 11, 12 herum bereitgestellt.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die auch in 1 illustrierte mikromechanische Relaisvorrichtung 100 in einem „Aus“-Zustand. In diesem Zustand berührt die Kontaktbrücke 2 die zweiten Komponenten 52a, 52b der elektrisch schirmenden Struktur. Die Kontaktbrücke 2 ist dadurch elektrisch isoliert.
3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die auch in den 1 und 2 illustrierte mikromechanische Relaisvorrichtung in einem „Ein“-Zustand. In diesem Zustand kontaktiert die Kontaktbrücke 2 die Kontakte 11, 12, sodass eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 11, 12 hergestellt wird.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere mikromechanische Relaisvorrichtung 200. Die Relaisvorrichtung 200 entspricht im Wesentlichen der in den 1, 2 und 3 dargestellten Relaisvorrichtung 100, sodass auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen wird. Zusätzlich ist die Federstruktur 31, 32 vorgespannt, um die Kontaktbrücke 2 in Abwesenheit einer angelegten Auslenkkraft in der zweiten Auslenkposition zu halten. Dazu ist ein Bereich 6 vorgesehen, welcher eine Federkomponente 32 mit dem entsprechenden Trägerelement 14 verbindet. Weiter sind Stopperelemente 7 ausgebildet, welche eine Stopperstruktur bilden. In der zweiten Auslenkposition berührt die Federkomponente 32 die Stopperstruktur 7, um eine weitere Auslenkung der Federkomponente 32 und somit der Kontaktbrücke 2 zu verhindern.
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere mikromechanische Relaisvorrichtung 300 in einem „Aus“-Zustand. Die Relaisvorrichtung 300 entspricht im Wesentlichen der in den 1, 2 und 3 dargestellten Relaisvorrichtung 100, sodass auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen wird. Die Kontaktbrücke 2 umfasst einen Abschnitt 502 mit niedrigem spezifischen Widerstand, etwa aus Metall. Das Verbindungselement 33 umfasst weiter einen elektrisch isolierenden Bereich 501 sowie einen Abschnitt 503 mit einem Material, welches einen höheren spezifischen Widerstand haben kann. Es können dadurch hocheffiziente Strukturen mit einem hohen Seitenverhältnis erreicht werden.
Das Verbindungselement 33 und die Federstrukturen 31, 32 sind als In-Plane-Strukturen ausgebildet und können überwiegend aus Silizium bestehen.
In dem „Aus“-Zustand ist die Kontaktbrücke 2 von den Kontakten 11, 12 beabstandet. Weiter ist in dem „Aus“-Zustand die Kontaktbrücke 2 auch von den zweiten Komponenten 52a, 52b der elektrisch schirmenden Struktur 52a beabstandet.
Eine Elektrodenanordnung 5 ist vorgesehen, welche mit der Kontaktbrücke 2 in Wirkverbindung steht und ansteuerbar ist, um die Kontaktbrücke 2 durch die Wirkverbindung in die zweite Auslenkpositionen auszulenken.
6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der in 5 illustrierten mikromechanischen Relaisvorrichtung in dem „Aus“-Zustand.
7 zeigt eine schematische Draufsicht auf die in 5 illustrierte mikromechanische Relaisvorrichtung in einem „Ein“-Zustand. In dem „Ein“-Zustand berührt die Kontaktbrücke 2 die Kontakte 11, 12.
8 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der in 5 illustrierten mikromechanischen Relaisvorrichtung in einem „Ein“-Zustand.
9 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere mikromechanische Relaisvorrichtung 400 in einem „Aus“-Zustand. Die Relaisvorrichtung 400 entspricht im Wesentlichen der in den 5 bis 8 dargestellten Relaisvorrichtung 100, sodass auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen wird. In dem „Aus“-Zustand ist die Kontaktbrücke 2 von den Kontakten 11, 12 beabstandet. Weiter berührt in dem „Aus“-Zustand die Kontaktbrücke 2 die zweiten Komponenten 52a, 52b der elektrisch schirmenden Struktur 52a. Die Kontaktbrücke 2 ist somit in dem „Aus“-Zustand geerdet.
10 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere mikromechanische Relaisvorrichtung 500. Die Relaisvorrichtung 500 entspricht im Wesentlichen den oben beschriebenen Relaisvorrichtungen 100-400, sodass auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen wird. Bei der Relaisvorrichtung 7 erstrecken sich sowohl die ersten Komponenten 51a, 51b, als auch die zweiten Komponenten 52a, 52b in einen Bereich zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 11 und dem zweiten elektrischen Kontakt 12.
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer mikromechanischen Relaisvorrichtung, insbesondere einer der oben beschriebenen mikromechanischen Relaisvorrichtungen 100-500.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Schaltsignal empfangen, um die Relaisvorrichtung 100-500 einzuschalten oder auszuschalten.
In einem Verfahrensschritt S2 wird in Abhängigkeit von dem Schaltsignal bei einem Einschaltvorgang die Kontaktbrücke in die erste Auslenkposition gebracht, und bei einem Ausschaltvorgang in die zweite Auslenkposition gebracht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8378766 B2 [0004]

Claims

Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500), mit: einem Substrat (1), mit einem ersten elektrischen Kontakt (11) und einem zweiten elektrischen Kontakt (12); und einer Kontaktbrücke (2), welche über eine Federstruktur (31, 32) an dem Substrat (1) befestigt ist, und zwischen mindestens zwei Auslenkpositionen bewegbar ist, wobei die Kontaktbrücke (2) in einer ersten Auslenkposition derart ausgelenkt ist, dass die Kontaktbrücke (2) den ersten elektrischen Kontakt (11) mit dem zweiten elektrischen Kontakt (12) elektrisch verbindet, und wobei die Kontaktbrücke (2) in einer zweiten Auslenkposition derart ausgelenkt ist, dass die Kontaktbrücke (2), der erste elektrische Kontakt (11) und der zweite elektrische Kontakt (12) jeweils elektrisch voneinander getrennt sind.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach Anspruch 1, wobei die Kontaktbrücke (2) parallel zu einer Substratebene des Substrats (1) zwischen den mindestens zwei Auslenkpositionen bewegbar ist.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach Anspruch 1 oder 2, weiter mit einer Elektrodenanordnung (4), welche mit der Kontaktbrücke (2) in Wirkverbindung steht und derart ansteuerbar ist, dass die Kontaktbrücke (2) durch die Wirkverbindung in die Auslenkpositionen auslenkbar ist.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter mit einer elektrisch schirmenden Struktur (51a, 51b, 52a, 52b), welche den ersten elektrischen Kontakt (11) und/oder den zweiten elektrischen Kontakt (12) zumindest teilweise abschirmt.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach Anspruch 4, wobei sich die elektrisch schirmende Struktur (51a, 51b, 52a, 52b) zumindest teilweise in einen Bereich zwischen dem ersten elektrischen Kontakt (11) und dem zweiten elektrischen Kontakt (12) erstreckt.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Kontaktbrücke (2) in der zweiten Auslenkposition die elektrisch schirmende Struktur (51a, 51b, 52a, 52b) kontaktiert.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontaktbrücke (2) über einen zumindest abschnittsweise elektrisch isolierenden Bereich mit der Federstruktur (31, 32) verbunden ist.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter mit einer Elektrodenanordnung (5), welche mit der Kontaktbrücke (2) in Wirkverbindung steht und derart ansteuerbar ist, dass die Kontaktbrücke (2) durch die Wirkverbindung in die zweite Auslenkpositionen auslenkbar ist.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Federstruktur (31, 32) vorgespannt ist, um die Kontaktbrücke (2) in Abwesenheit einer angelegten Auslenkkraft in der zweiten Auslenkposition zu halten.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter mit einer Stopperstruktur (7), welche dazu ausgebildet ist, die Federstruktur (31, 32) in der zweiten Auslenkposition zu kontaktieren, um eine weitere Auslenkung der Kontaktbrücke (2) zu verhindern.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Federstruktur (31, 32) überwiegend aus einem Halbleitermaterial gebildet ist.
Mikroelektromechanische Relaisvorrichtung (100-500) nach Anspruch 10, wobei die Kontaktbrücke (2) zum Teil aus einem metallischen Material gebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer mikroelektromechanischen Relaisvorrichtung (100-500) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit den Schritten: Empfangen (S1) eines Schaltsignals, um die Relaisvorrichtung (100-500) einzuschalten oder auszuschalten; und Einschalten oder Ausschalten (S2) der Relaisvorrichtung (100-500) in Abhängigkeit von dem Schaltsignal, wobei die Kontaktbrücke (2) zum Einschalten in die erste Auslenkposition gebracht wird, und wobei die Kontaktbrücke (2) zum Ausschalten in die zweite Auslenkposition gebracht wird.