-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein MEMS-Relais. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Relais.
-
Stand der Technik
-
Herkömmliche elektromagnetische Relais werden über eine Magnetspule angetrieben, haben einen gewissen, nicht zu vernachlässigbaren Stromverbrauch im angeschalteten Zustand und sind relativ groß. Schaltkräfte sind sehr hoch und es können je mach Bauart hohe elektrische Spannungen und hohe elektrische Ströme geschaltet werden.
-
Neuerdings gibt es auch kapazitiv angetriebene MEMS-Relais. Diese sind deutlich kleiner und haben aufgrund des kapazitiven Antriebs im An-Zustand einen wesentlich geringeren elektrischen Stromverbrauch. Allerdings können über die kapazitive Auslenkung nur geringe Kräfte erzeugt werden. Um ausreichend hohe Kräfte erzeugen zu können, die vernünftige Kontaktwiderstände erlauben, muss bei dieser Art von Relais mit sehr kleinen Gap-Abständen von ca. 1 µm bis ca. 2 µm gearbeitet werden.
-
Liegt am Relais zwischen Eingang und Ausgang eine hohe elektrische Spannung an, so verursacht diese elektrische Spannung aufgrund des geringen Gap-Abstands eine elektrostatische Kraft, die bei genügend hoher elektrischer Spannung zu einem ungewollten Einschalten des Relais führten kann. Um diese Kräfte klein zu halten, können die Flächen der Kontakte möglichst klein gewählt werden, dadurch erhöht sich aber der Widerstand des Relais im eingeschalteten Zustand. Eine hohe Spannungsfestigkeit kann daher bei dieser Klasse von Relais nur durch eine Erhöhung des Widerstands im eingeschalteten Zustand erreicht werden.
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes MEMS-Relais bereitzustellen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem MEMS-Relais, aufweisend:
- - ein bewegliches Schaltelement, auf dem in einem ersten Endabschnitt eine zweite Schaltfläche angeordnet ist;
- - ein Substrat mit einer darauf angeordneten ersten Schaltfläche, die mit der zweiten Schaltfläche zusammenwirkbar ausgebildet ist;
- - eine Schaltelektrode, an die eine elektrische Schaltspannung anlegbar ist, wobei das bewegliche Schaltelement durch eine von der elektrischen Schaltspannung bewirkten elektrostatischen Kraft die zweite Schaltfläche mit der ersten Schaltfläche in Kontakt bringen kann;
- - mindestens eine in einem von der zweiten Schaltfläche gegenüberliegenden Endabschnitt des beweglichen Schaltelements angeordnete zweite Ausgleichsfläche; und
- - eine erste Ausgleichsfläche, die mit der zweiten Ausgleichsfläche zusammenwirkbar ausgebildet ist und über eine Leitung galvanisch mit der ersten Schaltfläche verbunden ist.
-
Auf diese Weise können sich mittels der Ausgleichselektroden infolge von elektrischen Spannungen ausbildende elektrostatische Kräfte auf das Schaltelement gegenseitig kompensieren und bleiben weitestgehend wirkungslos. Eine hohe Betriebssicherheit des MEMS-Relais ist dadurch unterstützt.
-
Vorteilhaft kann dadurch für das MEMS-Relais eine hohe Spannungsfestigkeit gegenüber ESD-Spitzen erreicht werden. Vorteilhaft ist das vorgeschlagene MEMS-Relais aber auch für höhere elektrische Spannungen robust ausgelegt. Vorteilhaft können Kontaktflächen relativ groß ausgebildet sein, was sich vorteilhaft auf einen Einschaltwiderstand auswirkt. Vorteilhaft lässt sich das MEMS-Relais mit relativ kleinen elektrischen Spannungen ansteuern. Das MEMS-Relais hat (z.B. im Unterschied zu Transistoren) vorteilhaft keinerlei elektrische Leckströme und ist daher insbesondere für Anwendungen von Vorteil, die exakt geschaltet werden müssen (z.B. sicherheitskritische Anwendungen). Beispielsweise kann das MEMS-Relais für Schaltmatrizen in Testsystemen verwendet werden.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Relais, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines beweglichen Schaltelements, auf dem in einem ersten Endabschnitt eine zweite Schaltfläche angeordnet wird;
- - Bereitstellen eines Substrats mit einer darauf angeordneten ersten Schaltfläche, die mit der zweiten Schaltfläche zusammenwirkbar ausgebildet wird;
- - Bereitstellen einer Schaltelektrode, an die eine elektrische Schaltspannung anlegbar ist, wobei das bewegliche Schaltelement durch eine von der elektrischen Schaltspannung bewirkte elektrostatischen Kraft die zweite Schaltfläche mit der ersten Schaltfläche in Kontakt bringen kann;
- - Bereitstellen mindestens eine in einem von der zweiten Schaltfläche gegenüberliegenden Endabschnitt des beweglichen Schaltelements angeordnete zweite Ausgleichsfläche; und
- - Bereitstellen einer ersten Ausgleichsfläche, die mit der zweiten Ausgleichsfläche zusammenwirkbar ausgebildet wird und über eine Leitung galvanisch mit der ersten Schaltfläche verbunden wird.
-
Bevorzugte Weiterbildungen des MEMS-Relais sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais zeichnet sich dadurch aus, dass die Leitung wenigstens teilweise außerhalb des MEMS-Relais angeordnet ist.
-
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des MEMS-Relais zeichnen sich dadurch aus, dass das bewegliche Schaltelement als ein symmetrisches oder als ein asymmetrisches Wippenelement ausgebildet ist. Vorteilhaft sind dabei unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten für das MEMS-Relais möglich. Vorteilhaft können dadurch Prozessschwankungen berücksichtigt werden, wobei z. B. Fläche eingespart werden kann, wodurch pro Fläche mehr MEMS-Relais hergestellt werden können.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltflächen im Wesentlichen gleich groß sind wie die Ausgleichsflächen.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais zeichnet sich dadurch aus, dass es ferner ein Anschlagselement aufweist, welches an ein auf dem Substrat angeordnetes zweites Anschlagselement anschlagbar und dazu ausgebildet ist, ein Anschlagen der Ausgleichsflächen zu verhindern. Eine verbesserte Betriebscharakteristik des MEMS-Relais ist auf diese Weise vorteilhaft unterstützt.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais ist dadurch gekennzeichnet, dass ein kürzerer Abschnitt des beweglichen Schaltelements eine definiert größere erste Ausgleichsfläche als die erste Schaltfläche aufweist.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais zeichnet sich dadurch aus, dass es ferner eine unterhalb in einem Abschnitt des beweglichen Schaltelements mit der zweiten Ausgleichsfläche angeordnete Ausgleichsfläche aufweist, die auf gleichem elektrischem Potential liegt wie das bewegliche Schaltelement.
-
Vorteilhaft kann durch die weitere Ausgleichsfläche eine Kraft zwischen dem Wippenelement und der Ausgleichselektrode vermieden werden, wodurch eine Betriebscharakteristik des MEMS-Relais verbessert ist.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Ausgleichsfläche galvanisch mit der ersten Schaltfläche verbunden ist. Vorteilhaft ist dadurch ein verbessertes Betriebsverhalten des MEMS-Relais unterstützt.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaltfläche und die Ausgleichsfläche jeweils zwei Kontakte aufweisen, wobei elektrischer Nutzstrom über eine der Schaltflächen der ersten Schaltfläche zufließt und über eine der Schaltflächen der ersten Schaltfläche abfließt.
-
Dadurch wird eine Art Doppelkontakt geschaffen, die elektrischen Stromfluss über das Wippenelement auf einfache Weise vermeiden kann.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais zeichnet sich dadurch aus, dass das bewegliche Schaltelement innerhalb eines Kappenelements angeordnet ist, wobei die erste Ausgleichsfläche auf einer Innenseite des Kappenelements angeordnet ist.
-
Auf diese Weise wird eine Art Hybridform des MEMS-Relais geschaffen, die Elemente eines In-Plane-beweglichen Schaltelements beinhaltet.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais zeichnet sich dadurch aus, dass das bewegliche Schaltelement als In-plane-bewegliches Element ist. Vorteilhaft kann dadurch eine strukturell andere Ausführungsform geschaffen werden, die ein kammförmiges Schaltelement, welches in der xy-Ebene beweglich ist, bereitstellt.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais zeichnet sich dadurch aus, dass es ferner Isolationselemente aufweist, die ausgebildet sind, einen elektrischen Stromfluss über das bewegliche Schaltelement zu verhindern.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des MEMS-Relais zeichnet sich dadurch aus, dass es ferner ein Anschlagselement aufweist, das ausgebildet ist, ein Kontaktieren der ersten Ausgleichsfläche mit der zweiten Ausgleichsfläche zu verhindern.
-
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
-
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Relais in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das MEMS-Relais ergeben und umgekehrt.
-
In den Figuren zeigt:
- 1 eine Querschnittsansicht eines konventionellen MEMS-Relais;
- 2-12 Ansichten von diversen Ausführungsformen eines vorgeschlagenen MEMS-Relais; und
- 13 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen MEMS Relais.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen mikromechanischen MEMS-Relais 100. Man erkennt eine auf einem Substrat 1 und einer Oxidschicht 2 ausgebildete Schaltelektrode 20 und eine Nutzelektrode 5. Über die beiden Strukturen 5, 20 ist durch einen Abstand getrennt ein bewegliches Schaltelement 10 in Form einer federartigen Hebelstruktur angeordnet. Wird eine elektrische Schaltspannung Us zwischen der Schaltelektrode 20 und dem beweglichen Schaltelement 10 angelegt, kommt es zu einer elektrostatischen Kraft F zwischen dem beweglichen Schaltelement 10 und der Schaltelektrode 20. Dadurch wird eine Out-of-plane-Auslenkung des beweglichen Schaltelements 10 erzeugt, wodurch das bewegliche Schaltelement 10 nach unten ausgelenkt bzw. heruntergezogen und das bewegliche Schaltelement 10 mit der Nutzelektrode 5 elektrisch leitend kontaktiert wird.
-
Im Ergebnis fließt dadurch elektrischer Nutzstrom von der Nutzelektrode 5 auf das Schaltelement 10 und in weiterer Folge über eine Aufhängung 10a des beweglichen Schaltelements 10. Die zwischen der Schaltelektrode 20 und dem beweglichen Schaltelement 10 angelegte elektrische Schaltspannung Us verursacht also die elektrostatische Kraft F, mittels derer das Schaltelement 10 nach unten gezogen wird und die Auslenkung des Schaltelements 10 und damit der elektrische Nutzstromfluss im MEMS-Relais 100 bewirkt wird. Die Schaltelektrode 20 und die Nutzelektrode 5 sind voneinander galvanisch entkoppelt.
-
Das bewegliche Schaltelement 10 hat das Potential des Relaiseingangs und liegt in der Regel auf Ground- bzw. Masse-Potential. Zum Schalten des MEMS-Relais 100 werden üblicherweise elektrische Schaltspannungen Us zwischen ca. 80V und ca. 100V verwendet.
-
Die elektrische Spannung des Signals, das durch das MEMS-Relais 100 geschaltet wird (Nutzstrom, Nutzspannung, Nutzsignal), ist hingegen meist niedrig, beispielsweise ist sie beim Bauteil ADGM1304 von Analog Devices® auf +/- 6V limitiert. Die Limitierung ergibt sich aus der Tatsache, dass die zwischen der Kontaktfläche und dem Hebel anliegende elektrische Spannung eine kapazitive Kraft verursacht und es beim Anliegen von zu hohen elektrischen Spannungen zwischen Eingang und Ausgang des MEMS-Relais 100 zu einem ungewollten Schaltvorgang kommen kann.
-
Ein derartiger ungewollter Schaltvorgang kann nachteilig zur Zerstörung des Relais führen, zumindest kann aber die Lebensdauer des Relais dadurch stark reduziert werden, da MEMS-Relais in der Regel für die Schaltung eines Signals im stromlosen Zustand ausgelegt sind. Wird das MEMS-Relais unbeabsichtigt beim Anliegen einer hohen elektrischen Spannung geschaltet, führt das unweigerlich zu einem hohen elektrischen Strom, der das MEMS-Relais zerstören kann. Dies kann z.B. in ungewollter Weise durch ESD-Pulse passieren, d.h. hohe elektrische Spannungen, die beispielsweise durch elektrostatische Aufladung an Oberflächen entstehen können.
-
ESD-Pulse, die zwischen Eingangs- und Ausgangskanal vorliegen, können eine Kraft auf das Hebelelement erzeugen und so zu einem ungewollten Schaltvorgang führen. Die Kraft ist proportional zum Quadrat der anliegenden elektrischen Spannung, daher können hohe elektrische Spannungspulse sehr kritisch sein. Um diesen Effekt zu verringern, können die Kontaktflächen verringert werden. Allerdings kann damit die Kraft nur linear reduziert werden, wobei mit zu kleinen Kontaktflächen der Kontaktwiderstand steigen kann.
-
Um eine Zerstörung durch ESD-Puls zu vermeiden, können ESD-Schutzstrukturen parallel zum Relais geschaltet werden, wobei derartige Schutzstrukturen aber aufwendig und teuer sind.
-
Vorgeschlagen wird, in einem MEMS-Relais eine weitere feststehende Elektrode (Ausgleichselektrode) vorzusehen, die mechanische Kräfte, die durch einen Spannungsunterschied im Eingangs- und im Ausgangskanal verursacht werden, kompensieren kann.
-
Es wird zu diesem Zweck beispielsweise eine Wippenanordnung mit einer Gegenelektrode vorgeschlagen, die bevorzugt symmetrisch auf der zweiten Wippenseite angeordnet ist.
-
Denkbar ist auch eine Anordnung mit einer Gegenelektrode, die bevorzugt symmetrisch auf der zweiten Seite des Hebels angeordnet ist. Weiterhin wird vorgeschlagen, im Hebelarm eine Potentialtrennung zwischen dem Kontaktbereich und dem Bereich, der mit der feststehenden Elektrode unterlegt ist, vorzusehen, um dadurch auch unabhängig von Spannungsunterschieden zwischen Eingang und erster Elektrode zu werden.
-
2 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des vorgeschlagenen MEMS-Relais 100 in Form eines Out-of-plane-Sensors. Das bewegliche Schaltelement 10 ist in diesem Fall als eine Wippe ausgebildet, die über zwei Torsionsfedern 11a, 11b an einem Substrat 1 verankert ist. Man erkennt, dass unterhalb eines ersten (linken) Endabschnitts der Wippe eine erste Schaltfläche 3 des MEMS-Relais 100 angeordnet ist. Unterhalb eines zweiten (rechten) Endabschnitts der Wippe ist eine erste Ausgleichsfläche 4 angeordnet, die eine Gegenelektrode zur ersten Schaltfläche 3 repräsentiert.
-
Aufgrund der Tatsache, dass die erste Schaltfläche 3 mit der ersten Ausgleichsfläche 4 mittels einer Verbindungsleitung 30 galvanisch leitend miteinander verbunden sind, befindet sich die erste Ausgleichsfläche 4 in der Regel immer auf demselben elektrischen Potential wie die erste Schaltfläche 3. Alternativ kann die Verbindungsleitung 30 wenigstens teilweise auch außerhalb des MEMS-Relais 100 ausgebildet sein (nicht dargestellt).
-
Man erkennt auch hier wieder eine Schaltelektrode 20, an die die elektrische Schaltspannung Us angelegt wird. Dadurch kontaktiert ein Abschnitt 13 des beweglichen Schaltelements 10 durch eine elektrostatische Kraft F mit der ersten Schaltfläche 3 und elektrischer Nutzstrom fließt von der ersten Schaltfläche 3 über das bewegliche Schaltelement 10 und die Torsionsfedern 11a, 11b zur weiteren Verwendung. Die erste Ausgleichsfläche 4 wird nicht elektrisch kontaktiert und dient nur zur Bereitstellung eines Kräftegleichgewichts zwischen der ersten Schaltfläche 3, der ersten Ausgleichsfläche 4 und dem beweglichen Schaltelement 10 aufgrund von auf die Verbindungsleitung 30 einwirkenden elektrischen Spannungsspitzen.
-
Günstig kann es sein, das bewegliche Schaltelement 10 in Form der Wippe bezogen auf die Torsionsfedern 11a, 11b symmetrisch auszubilden, d.h. insbesondere eine Wippengeometrie, einen Abstand zur Rotationsachse der Torsionsfedern 11a, 11b als auch Abstände zwischen der Wippe und der jeweiligen am Substrat 1 verankerten Gegenfläche gleich auszubilden, um auf diese Weise eine möglichst gute Kompensation von auf die Wippe wirkenden Kräften zu erreichen.
-
Weiterhin kann es günstig sein, unterhalb des Wippenabschnitts 12 eine weitere Ausgleichsfläche 50 vorzusehen, die auf demselben elektrischen Potential liegt wie das bewegliche Schaltelement 10, damit in diesem Bereich vorteilhaft keine elektrostatischen Kräfte auf das bewegliche Schaltelement 10 entstehen können.
-
In einer vorteilhaften Variante kann vorgesehen sein, das bewegliche Schaltelement 10 in Form der Wippe vollständig symmetrisch auszubilden, um gegenüber von außen anliegenden Beschleunigungen möglichst unempfindlich zu sein.
-
3 zeigt die Anordnung des MEMS-Relais 100 von 2 in einer Querschnittsansicht entlang einer Schnittlinie X-X von 2. Vorteilhaft kommt die erste Ausgleichsfläche 4 mit der am beweglichen Schaltelement 10 angeordneten zweiten Ausgleichsfläche 4a nicht in Kontakt. Die zweite Ausgleichsfläche 4a ist galvanisch leitend mit der zweiten Schaltfläche 3a verbunden (nicht dargestellt), in einer Variante kann aber auch vorgesehen sein, dass die zweite Ausgleichsfläche 4a mit der zweiten Schaltfläche 3a galvanisch nicht verbunden ist.
-
Die 4 und 5 zeigen Ansichten einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen MEMS-Relais 100, die ähnlich ausgebildet ist wie jene der 2, 3. Um möglichst auszuschließen, dass ein unerwünschter elektrischer Kontakt im Bereich der ersten Ausgleichsfläche 4 entsteht, ist bei dieser Anordnung der Wippenabschnitt 12 auf der Seite der ersten Ausgleichsfläche 4 verlängert und weist ein Anschlagselement 14 auf, das die Bewegung des Wippenabschnitts 12 beschränkt. Auf diese Weise kann im Wippenabschnitt 12 kein Fehlkontakt zwischen der ersten Ausgleichsfläche 4 und der zweiten Ausgleichsfläche 4a entstehen.
-
Günstig kann es auch bei dieser Variante sein, unter dem Anschlagsbereich des Anschlagselements 14 die weitere Ausgleichsfläche 50 vorzusehen, die auf gleichem elektrischem Potential liegt wie die Wippe, damit in diesem Bereich keine Kräfte entstehen können. Die Ausgleichsfläche 50 ist in diesem Fall mit der Verbindungleitung 30 galvanisch verbunden (nicht dargestellt).
-
Die Draufsicht von 6 und die Querschnittsansicht von 7 zeigen eine weitere Ausführungsform eines vorgeschlagenen MEMS-Relais 100, die vorteilhaft einen geringen Flächenbedarf erfordert. Man erkennt in der Draufsicht, dass das wippenartige bewegliche Schaltelement 10 unsymmetrisch ausgebildet ist, wobei der linke Wippenabschnitt 13 flächenmäßig grösser ist als der rechte Wippenabschnitt 12. Auf diese Weise kann ein Kraftgleichgewicht zwischen den Wippenabschnitten 12, 13 und den Elementen 3, 4 bereitgestellt werden.
-
Elektrischer Nutzstrom fließt auch bei dieser Variante von der ersten Schaltfläche 3 über die Wippe und die Torsionsfedern 11a, 11b zur weiteren Verwendung. Die erste Ausgleichsfläche 4 ist in diesem Fall bezogen auf die Rotationsachse mit den Torsionsfedern 11 a, 11b asymmetrisch zur ersten Schaltfläche 3 angeordnet. Der geringere Abstand zur Torsionsachse 11a, 11b wird durch eine im Vergleich zur ersten Schaltfläche 3 größere Fläche der ersten Ausgleichsfläche 4 kompensiert, um im Falle einer an der Verbindungsleitung 30 anliegenden hohen elektrischen Spannung wieder ein Kräftegleichgewicht innerhalb der Wippe zu erzielen. Alternativ oder auch ergänzend zur größeren Fläche der ersten Ausgleichsfläche 4 kann auch der Abstand zwischen den Elementen 3, 4 verringert werden, um ein Kräftegleichgewicht zu erreichen.
-
Die Draufsicht von 8 und die Querschnittsansicht von 9 zeigen eine Variante des vorgeschlagenen MEMS-Relais 100, bei der die beiden Elemente 3, 4 jeweils zweiteilig mit zwei Schaltflächen 3', 3'' für die erste Schaltfläche 3 und mit zwei Ausgleichsflächen 4', 4'' für die erste Ausgleichsfläche 4 ausgebildet sind. Analog dazu sind am beweglichen Schaltelement 10 die zweiten Ausgleichsflächen 4a', 4a'' sowie die zweiten Schaltflächen 3a', 3a'' ausgebildet.
-
Vorgesehen ist ferner eine elektrische Isolation zwischen den Kontakt- bzw. Antriebsbereichen und den Bereich der zweiteiligen Elemente 3, 4. Erreicht wird dies durch Isolationselemente 16, 17, die unterhalb der Wippe, jeweils oberhalb der zweiteiligen Elemente 3, 4 angeordnet sind. Im Falle des geschalteten MEMS-Relais 100 fließt elektrischer Nutzstrom von der Schaltfläche 3' über das bewegliche Schaltelement 10 und die Schaltfläche 3", wobei die elektrische Stromrichtung auch umgekehrt sein kann. Die Schaltflächen 3', 3" sind eine Verbindungsleitung 30 (nicht dargestellt) mit den Ausgleichsflächen 4', 4" elektrisch leitend verbunden.
-
Im Ergebnis wird dadurch auch bei dieser Anordnung bei einer anliegenden elektrischen Spannung ein Kräftegleichgewicht zwischen dem beweglichen Schaltelement 10 und den Elementen 3', 3" bzw. 4', 4" erreicht, wodurch sich z.B. elektrische Störspitzen nicht nachteilig auf ein Betriebsverhalten des MEMS-Relais 100 auswirken können.
-
Günstig kann diese Variante z.B. dann sein, wenn die Torsionsfedern 11a, 11b eine schlechte elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Bei weichen und dünnen Torsionsfedern 11a, 11b kann auf diese Weise ein geringer Einschaltwiderstand genutzt werden. Die Wippe muss gegenüber der Schaltelektrode 20 auf einem definierten elektrischen Potential liegen, daher wird das bewegliche Schaltelement 10 über die Torsionsfedern 11a, 11b auf ein definiertes elektrisches Potential gelegt. Auf diese Weise wird das wippenförmige Schaltelement 10 nur für den Schaltvorgang benutzt, in den eigentlichen elektrischen Nutzstromfluss ist die Wippe aber nicht eingebunden.
-
Vorzugsweise wird das bewegliche Schaltelement 10 auf Ground-Potential gehalten und die elektrische Schaltspannung Us wird an die Schaltelektrode 20 angelegt. Denkbar ist aber auch der umgekehrte Fall, d.h. dass die Schaltelektrode 20 auf Ground-Potential gehalten wird und das bewegliche Schaltelement 10 an die elektrische Schaltspannung Us gelegt wird. Beispielsweise können die Isolationselemente 16, 17 in einer horizontalen Isolationsschicht unterhalb der Wippe ausgebildet sein.
-
Die 10, 11 (10: Draufsicht, 11: Querschnittsansicht entlang einer Schnittlinie X-X) zeigen eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen MEMS-Relais 100, wobei in diesem Fall eine In-Plane-Bewegung des beweglichen Schaltelements 10 vorgesehen ist. Das bewegliche Schaltelement 10 ist dabei in der xy-Ebene beweglich. Über Federelemente 18a, 18b, 19a, 19b, die am Substrat 1 verankert sind, wird das bewegliche Schaltelement 10 parallel zum Substrat 1 aufgehängt, wobei das bewegliche Schaltelement 10 über Antriebkämme bewegt werden kann. Die entgegen der vorgesehenen Bewegungsrichtung des kammförmigen Schaltelements 10 angeordnete erste Ausgleichsfläche 4, die mit der ersten Schaltfläche 3 galvanisch verbunden ist (nicht dargestellt), dient als eine Kompensationsstruktur.
-
Der linke Anschlag des beweglichen Schaltelements 10 erfolgt bei einem Anschlagselement 6, wobei elektrischer Nutzstrom von der ersten Schaltfläche 3 über die Federelemente 18a, 18b zur weiteren Verwendung des MEMS-Relais 100 fließt. Die elektrische Schaltspannung Us wird an die Schaltelektrode 20 angelegt.
-
Erwünscht ist somit im ordnungsgemäßen Betrieb des MEMS-Relais 100 immer nur ein Kontakt an der linken Seite des MEMS-Relais 100, wodurch sich die Struktur nur nach links in-plane bewegen kann und elektrischer Nutzstrom nur im linken Abschnitt über den Anschlag 6 und die Federn 18a, 18b fließt. Der Kraftausgleich bei Spannungsspitzen findet auf der rechten Seite des MEMS-Relais 100 mittels der ersten Ausgleichsfläche 4 statt.
-
Auch bei dieser Variante können innerhalb des beweglichen Schaltelements 10 elektrische Isolationselemente 16, 17 vorgesehen sein, damit bei elektrischen Spannungen, die auf dem Eingangskanal des MEMS-Relais 100 liegen, keine zusätzlichen Schaltkräfte oder Kräfte, die dem Schaltvorgang entgegenwirken, erzeugt werden.
-
Ferner kann in dieser Anordnung, ähnlich wie in der Anordnung der 4, 5, ein Anschlagselement 14 vorgesehen sein, welches die Bewegung des beweglichen Schaltelements 100 nach rechts beschränkt, damit kein Fehlkontakt zwischen der ersten Ausgleichsfläche 4 und der zweiten Ausgleichsfläche 4a entstehen kann.
-
12 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen MEMS-Relais 100. Man erkennt ein Out-of-Plane-MEMS-Relais, bei dem die bewegliche Struktur mit einem Kappenelement 40 geschützt ist. In diesem Fall wird die Kompensation auf der Gegenseite des beweglichen Schaltelements 10 mittels der ersten Ausgleichsfläche 4 realisiert. Elektrischer Nutzstrom fließt in dieser Variante in gleicher Art und Weise wie in der herkömmlichen Anordnung von 1.
-
Aufgrund des größeren Abstands ist die erste Ausgleichsfläche 4 zur Realisierung des Kraftausgleichs daher größer ausgebildet. Günstig für derartige Anordnungen ist es, die erste Ausgleichsfläche 4 auf der Kappeninnenseite zur beweglichen Struktur hin anzuordnen. Die Anordnung der ersten Ausgleichsfläche 4 auf der Kappeninnenseite kann zwar einen Zusatzaufwand bedeuten, der aber durch eine kleinere Bauweise des out-of-plane-MEMS-Relais kompensiert wird. Günstig ist diese Variante z.B. dann, wenn eine besonders kleine Bauform des MEMS-Relais 100 gewünscht ist. Das an der ersten Schaltfläche 3 anliegende elektrische Potential liegt zum Zwecke des Kraftausgleichs auch an der ersten Ausgleichsfläche 4 an, wodurch im Ergebnis ein Kraftausgleich „nach oben“ realisiert ist.
-
Vorteilhaft ist das vorgeschlagene MEMS-Relais 100 im Wesentlichen unempfindlich auf elektrische Spannungspulse. Vorteilhaft sind für das vorgeschlagene MEMS-Relais 100 ESD-Schutzstrukturen daher nicht erforderlich und es kann ein besonders einfaches kapazitives Relais bereitgestellt werden, welches ohne Ladungs-Pumpe arbeitet. Darunter werden insbesondere Relais verstanden werden, die mit geringen elektrischen Ansteuerspannungen arbeiten.
-
Vorteilhaft kann das vorgeschlagene MEMS-Relais 100 einen deutlich geringeren Energieverbrauch als herkömmliche elektromechanische Relais aufweisen.
-
13 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen MEMS-Relais 100.
-
In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen eines beweglichen Schaltelements 10, auf dem in einem ersten Endabschnitt eine zweite Schaltfläche 3a angeordnet wird.
-
In einem Schritt 210 erfolgt ein Bereitstellen eines Substrats 1 mit einer darauf angeordneten ersten Schaltfläche 3, die mit der zweiten Schaltfläche 3a zusammenwirkbar ausgebildet wird.
-
In einem Schritt 220 erfolgt ein Bereitstellen einer Schaltelektrode 20, an die eine elektrische Schaltspannung Us anlegbar ist, wobei das bewegliche Schaltelement 10 durch eine von der elektrischen Schaltspannung Us bewirkte elektrostatischen Kraft F, die zweite Schaltfläche 3a mit der ersten Schaltfläche 3 in Kontakt bringen kann.
-
In einem Schritt 230 erfolgt ein Bereitstellen mindestens eine in einem von der zweiten Schaltfläche 3a gegenüberliegenden Endabschnitt des beweglichen Schaltelements 10 angeordnete zweite Ausgleichsfläche 4a.
-
In einem Schritt 240 erfolgt ein Bereitstellen einer ersten Ausgleichsfläche 4, die mit der zweiten Ausgleichsfläche 4a zusammenwirkbar ausgebildet wird und über eine Leitung 30 galvanisch mit der ersten Schaltfläche 3 verbunden wird.
-
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
