DE10232927A1

DE10232927A1 - Verfahren zum Betätigen eines mikrobearbeiteten Hochleistungsschalters

Info

Publication number: DE10232927A1
Application number: DE10232927A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Wong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2003-05-22
Also published as: TW535184B; US20040031670A1; GB2384363B; JP2003217423A; GB0223353D0; GB2384363A

Abstract

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, um es zu ermöglichen, daß sich die bewegbare Signalpfadplatte eines MEMS-Schalters von der festen Signalpfadplatte trennt und sich der Signalpfad öffnet. Ein Festkörperschalter ist parallel zu dem MEMS-Schalter vorgesehen. Im Betrieb wird der MEMS-Schalter für eine gute Signalübertragung verwendet, wobei der Festkörperschalter nur verwendet wird, um den MEMS-Schalter zu öffnen. Als ein Ergebnis muß der Festkörperschalter eine niedrige Kapazität aufweisen, so daß er die Signalübertragung nicht nennenswert beeinflußt. Ferner muß der Festkörperschalter eine Hochleistungshandhabbarkeit, d. h. einen niedrigen Widerstandswert, aufweisen, muß jedoch keine guten Signalübertragungsqualitäten aufweisen.

Description

Elektrostatisch betätigte mikrobearbeitete Hochleistungsschalter leiten elektrische Signale kapazitiv. Dies beruht auf der Tatsache, daß ein Leiten elektrischer Signale durch einen Metall-zu-Metall-Kontakt in einer Hochleistungsumgebung zu einer Mikroschweißung der Kontakte führt. Eine elektrostatische Betätigung zu nahegelegenen Schalterkontakten wird üblicherweise erzielt, indem ein Spannungsunterschied auf einer festen Betätigungsplatte erzeugt wird, die eine bewegbare Betätigungsplatte anzieht. Die bewegbare Betätigungsplatte ist allgemein an einem einseitig eingespannten Balken oder einem Balken befestigt, der an beiden Enden fest ist. Die Anziehung der Betätigungsplatten bewirkt, daß der Balken abgelenkt wird, und plaziert eine bewegbare Signalpfadplatte gegen eine dielektrische Schicht, die eine feste Signalpfadplatte bedeckt. Die erhöhte Nähe der Signalpfadplatten ermöglicht ein kapazitives Koppeln zwischen den Signalpfadplatten, was einen Durchgang eines Signals und von Leistung ermöglicht.

Wenn es erwünscht ist, eine kapazitive Verbindung zu unterbrechen oder "einen Schalter zu öffnen", wird die Spannung allgemein aus der festen Betätigungsplatte entfernt. So nimmt die elektrostatische Anziehung zwischen dem bewegbaren Balken und der festen Trägerstruktur ab, wobei es dem Balken ermöglicht wird, in eine nichtabgelenkte Position zurückzukehren. In der nichtabgelenkten Position trennen sich die Signalpfadplatten und die kapazitive Kopplung wird unterbrochen.

Bei einer Hochleistungsanwendung gibt es, sobald sich die Signalpfadplatten leicht trennen, einen Spannungsunterschied, der zwischen den Platten induziert wird und der ausreichend stark ist, um die Platten wieder in einen Kontakt miteinander oder in eine unmittelbare Nähe anzuziehen. In einem derartigen Zustand wird verhindert, daß sich der Schalter öffnet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mikromechanischen System-(MEMS-)Schalter mit verbesserten Charakteristika oder ein verbessertes Verfahren zum Betätigen eines MEMS-Schalters zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen MEMS-Schalter gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren zum Betätigen eines MEMS-Schalters gemäß Anspruch 4 gelöst.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf einen mikromechanischen System-(MEMS-)Betätigungsgliedaufbau. Ferner richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen Betätigungsgliedaufbau und ein Verfahren zum Betätigen eines MEMS-Schalters in einer Hochleistungsumgebung.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, um es zu ermöglichen, daß sich die bewegbare Signalpfadplatte eines MEMS-Schalters von der festen Signalpfadplatte trennt und sich der Signalpfad öffnet. Ein Festkörperschalter ist parallel zu dem MEMS-Schalter vorgesehen. Im Betrieb wird der MEMS-Schalter für eine gute Signalübertragung verwendet, wobei der Festkörperschalter nur verwendet wird, um den MEMS-Schalter zu öffnen. Als ein Ergebnis muß der Festkörperschalter eine niedrige Kapazität aufweisen, so daß er die Signalübertragung nicht nennenswert beeinflußt. Ferner muß der Festkörperschalter eine Hochleistungshandhabbarkeit aufweisen, d. h. einen niedrigen Widerstandswert, wobei es jedoch nicht erforderlich ist, daß er gute Signalübertragungsqualitäten aufweist.

Das Verfahren der Erfindung wird auf die folgende Weise verwendet: Der MEMS-Schalter wird zur Signalübertragung geschlossen. Wenn erwünscht wird, den MEMS-Schalter zu öffnen, wird der Festkörperschalter geschlossen und die Betätigungsspannung von dem MEMS-Schalter entfernt. Ein Schließen des Festkörperschalters ermöglicht es, daß die Spannung auf sowohl der festen als auch der bewegbaren Signalpfadplatte des MEMS-Schalters gleich ist, wodurch es ermöglicht wird, daß sich der MEMS-Schalter ordnungsgemäß öffnet. Der Festkörperschalter wird abgeschaltet, was die Schaltung öffnet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei statt dessen eine klare Darstellung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung hervorgehoben wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsseitenansicht eines MEMS- Schalters gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines MEMS-Schalters gemäß der Erfindung; und
Fig. 3 ein schematisches Diagramm des Festkörperschalters parallel zu dem MEMS-Schalter gemäß der Erfindung.
Der in Fig. 1 gezeigte MEMS-Schalter 100 umfaßt ein Substrat 120, das als ein Träger für den Schaltmechanismus agiert und eine nichtleitfähige dielektrische Plattform liefert. Der MEMS-Schalter 100, der in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt auch einen Ablenkbalken 130, der mit dem Substrat 10 verbunden ist. Üblicherweise bildet der Ablenkbalken 130 eine L-Form, wobei das kurze Ende des Ablenkbalkens 130 mit dem Substrat verbunden ist. Der Ablenkbalken 130 ist aus einem nichtleitfähigen Material aufgebaut. Der Ablenkbalken 130 weist eine angezogene Platte 140 und eine erste Signalpfadplatte 150 auf, die mit dem langen Schenkel verbunden sind. Eine Betätigungsgliedplatte 160 ist direkt gegenüber der angezogenen Platte mit dem Substrat verbunden. Eine zweite Signalpfadplatte 170 ist direkt gegenüber der Signalpfadplatte 150 mit dem Substrat verbunden.
Der einseitig eingespannte Balken 130, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist zu Beispielszwecken dargestellt. Es sollte für Fachleute auf diesem Gebiet verständlich sein, daß andere Typen von Ablenkbalken möglich sind und häufig in der Technik verwendet werden. Ein derartiger Ablenkbalken ist ein Balken, der an beiden Enden fest ist.
Während eines Betriebs des MEMS-Schalters, der in Fig. 1 gezeigt ist, wird eine Ladung an die Betätigungsgliedplatte 160 angelegt, was bewirkt, daß die angezogene Platte 140 elektrisch zu derselben angezogen wird. Diese elektrische Anziehung bewirkt ein Biegen des Ablenkbalkens 130. Das Biegen des Ablenkbalkens 130 bewirkt, daß die erste Signalpfadplatte 150 und die zweite Signalpfadplatte 170 sich einander annähern. Die Nähe der ersten und der zweiten Signalpfadplatte 150, 170 bewirkt eine kapazitive Kopplung, wodurch es ermöglicht wird, daß der Schalter 100 einen "An"-Zustand erreicht. Um den Schalter auszuschalten, wird der Spannungsunterschied zwischen der Betätigungsgliedplätte 160 und der angezogenen Platte 140 entfernt und der Ablenkbalken kehrt in seine nichtabgelenkte Position zurück.
Eine dielektrische Anschlußfläche 180 ist üblicherweise an einer oder beiden Signalpfadplatten 150, 170 befestigt. Eine dielektrische Anschlußfläche ist in Fig. 1 nicht auf der Signalpfadplatte 150 gezeigt. Die dielektrische Anschlußfläche verhindert, daß die Signalpfadplatten 150, 170 während des Biegens des Ablenkbalkens in Kontakt miteinander kommen. Es ist für Fachleute ersichtlich, daß elektrostatisch betätigte, mikrobearbeitete Hochleistungsschalter die Signale vorzugsweise kapazitiv leiten, da eine Leitung durch Metall-zu-Metall bewirken kann, daß die Kontakte 150, 170 mikrogeschweißt werden.
Fig. 2 zeigt eine alternative Querschnittsansicht eines MEMS-Schalters 200 gemäß der Erfindung. Der in Fig. 2 gezeigte MEMS-Schalter 200 umfaßt ein Substrat 220, das als Träger für den Schaltmechanismus wirkt und eine nichtleitfähige dielektrische Plattform liefert. Der MEMS-Schalter 200, der in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt auch einen verbundenen Ablenkbalken 230, der an jedem Ende fest an einem Balkenträger 235 ist. Die Balkenträger 235 sind an dem Substrat 220 befestigt. Der Ablenkbalken 230 ist aus einem nichtleitfähigen Material aufgebaut. Der leitfähige Balken 230 weist eine angezogene Platte 240 und eine erste Signalpfadplatte 250 auf, die an einer Seite zwischen den Trägern 235 verbunden sind. Eine Betätigungsplatte 260 ist direkt gegenüber der angezogenen Platte mit dem Substrat verbunden. Eine zweite Signalpfadplatte 270 ist direkt gegenüber der Signalpfadplatte 250 mit dem Substrat verbunden.
Während eines Betriebs des MEMS-Schalters, der in Fig. 2 gezeigt ist, wird eine Ladung an die Betätigungsplatte 260 angelegt, was bewirkt, daß die angezogene Platte 240 elektrisch zu derselben hingezogen wird. Diese elektrische Anziehung bewirkt ein Biegen des Ablenkbalkens 230. Das Biegen des Ablenkbalkens 230 bewirkt, daß sich die erste Signalpfadplatte 250 und die zweite Signalpfadplatte 270 einander annähern. Die Nähe der ersten und der zweiten Signalpfadplatte 250, 270 bewirkt eine kapazitive Kopplung, wodurch es dem Schalter 200 ermöglicht wird, einen "An"- Zustand zu erzielen. Um den Schalter auszuschalten, wird der Spannungsunterschied zwischen der Betätigungsgliedplatte 260 und der angezogenen Platte 240 entfernt und der Ablenkbalken kehrt in seine nichtabgelenkte Position zurück.
Eine dielektrische Anschlußfläche 280 ist üblicherweise an einer oder beiden Signalpfadplatten 250, 270 befestigt. Eine dielektrische Anschlußfläche ist in Fig. 2 nicht auf der Signalpfadplatte 250 gezeigt. Die dielektrische Anschlußfläche verhindert, daß die Signalpfadplatten 250, 270während des Biegens des Ablenkbalkens in Kontakt miteinander kommen. Es ist für Fachleute ersichtlich, daß elektrostatisch betätigte, mikrobearbeitete Hochleistungsschalter die Signale kapazitiv leiten, da eine Leitung durch Metall-zu- Metall bewirken kann, daß die Kontakte 250, 270 mikrogeschweißt werden. Ferner kann die große Wärme, die in einem kapazitiven Hochleistungs-MEMS-Schalter vorhanden ist, ein Ausheilen des Ablenkbalkens 230 bewirken und auch zu einem kurzgeschlossenen MEMS-Schalter führen.
Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Festkörperschalters 300 parallel zu dem MEMS-Schalter 100 aus Fig. 1. Sowohl der MEMS-Schalter 100 als auch der Festkörperschalter 300 leiten Signale zwischen dem Signal-Ein- Pfad 310 und dem Signal-Aus-Pfad 320. Zu Referenzzwecken sind der Signal-Ein-Pfad 310 und der Signal-Aus-Pfad 320 aus Fig. 3 mit den Signalpfadplatten 150, 170 aus Fig. 1 verbunden.
Während des Betriebs wird der MEMS-Schalter 100 geschlossen und das Signal wird von dem Signal-Ein-Pfad 310 zu dem Signal-Aus-Pfad 320 geleitet, wenn eine Spannung an die Betätigungsgliedplatte 140 aus Fig. 1 angelegt wird. Wenn erwünscht wird, den MEMS-Schalter 100 zu öffnen, wird die Spannung von der Betätigungsgliedplatte 140 aus Fig. 1 entfernt. Wie bereits erläutert wurde, bewirkt eine Hochleistungsumgebung, daß sich ein Spannungsunterschied zwischen den Signalpfadplatten 150, 170 entwickelt, wenn diese anfangen, sich zu trennen (wenn der Ablenkbalken in die nichtabgelenkte Position zurückkehrt). Dieser Spannungsunterschied ist oft ausreichend, um zu bewirken, daß sich die Signalpfadplatten anziehen und wieder in eine unmittelbare Nähe bewegen. Der Schalter kann sich nicht öffnen.
Gemäß der Erfindung ist der Festkörperschalter 300 aus Fig. 3 geschlossen, wenn die Spannung von der Betätigungsgliedplatte 140 aus Fig. 1 entfernt wird. Das Schließen des Festkörperschalters 300 verhindert einen Spannungsunterschied zwischen den Signalpfadplatten des MEMS-Schalters 100. Folglich öffnet sich der MEMS-Schalter, wenn der Ablenkbalken 130 aus Fig. 1 in seine nichtabgelenkte Position zurückkehrt. Wenn der Ablenkbalken 130 aus Fig. 1 in seine nichtabgelenkte Position zurückgekehrt ist, wird der Festkörperschalter geöffnet. An diesem Punkt sind die Signalpfadplatten 150, 170 aus Fig. 1 ausreichend weit voneinander entfernt, so daß ein Spannungsunterschied, der vorhanden ist, nicht ausreicht, um den Ablenkbalken 130 abzulenken.
Es sollte für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich sein, daß das Schema, das in Fig. 3 dargestellt ist, lediglich beispielhaft für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. Der in Fig. 3 gezeigte Festkörperschalter kann parallel zu jedem Typ von Ablenkbalken implementiert sein und ist nicht auf die hier gezeigten Beispiele beschränkt.

Claims

1. MEMS-(mikromechanischer System-)Schalter (100), der einen Ablenkbalken (130), der an einem Substrat (120) befestigt ist, eine Betätigungsgliedplatte (160), die an dem Substrat (120) befestigt ist, eine angezogene Platte (140), die an dem Ablenkbalken (130) befestigt ist, eine erste Signalpfadplatte (150), die an dem Substrat (120) befestigt ist, eine zweite Signalpfadplatte (170), die an dem Ablenkbalken (130) befestigt ist, und ein Dielektrikum (180) aufweist, das an einer der ersten (150) oder der zweiten (170) Signalpfadplatte befestigt ist,
wobei die erste (150) und die zweite (170) Signalpfadplatte mit einem Signalpfad verbunden sind, so daß sich, wenn die erste (150) und die zweite (170) Signalpfadplatte in unmittelbarer Nähe zueinander sind, der Signalpfad schließt, und
wobei ein Festkörperschalter (300) parallel zu dem MEMS-Schalter (100) geschaltet und mit dem Signalpfad verbunden ist.

2. MEMS-Schalter (100) gemäß Anspruch 1, bei dem der Ablenkbalken (130) ein einseitig eingespannter Balken ist.

3. MEMS-Schalter (100) gemäß Anspruch 1, bei dem der Ablenkbalken (130) ein Balken ist, der ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste und das zweite Ende fest sind.

4. Verfahren zum Betätigen eines MEMS-Schalters (100), wobei der MEMS-Schalter ein Kapazitivkopplungsschalter ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Schließen des MEMS-Schalters (100) durch Ziehen eines Paars von Signalpfadplatten (150, 170) in unmittelbare Nähe, wobei die unmittelbare Nähe bewirkt, daß sich die Signalpfadplatten kapazitiv koppeln;
Öffnen des MEMS-Schalters (100) durch ein Trennen des Paars von Signalpfadplatten und gleichzeitiges Schließen eines Festkörperschalters (300), wobei der Festkörperschalter (300) parallel zu dem MEMS-Schalter (100) geschaltet ist, wobei ein Schließen des Festkörperschalters (300) jeden Spannungsunterschied zwischen dem Paar von Signalpfadplatten (150, 170) beseitigt; und
Ermöglichen, daß sich die Signalpfadplatten (150, 170) voneinander entfernen, und Öffnen des Festkörperschalters (300).

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem der MEMS-Schalter (100) einen Ablenkbalken (130), der an einem Substrat (120) befestigt ist, eine Betätigungsgliedplatte (160), die an dem Substrat (120) befestigt ist, eine angezogene Platte (140), die an dem Ablenkbalken (130) befestigt ist, eine erste Signalpfadplatte (150), die an dem Substrat (120) befestigt ist, eine zweite Signalpfadplatte (170), die an dem Ablenkbalken (130) befestigt ist, und ein Dielektrikum (180) aufweist, das an einer der ersten oder der zweiten Signalpfadplatte (150, 170) befestigt ist, wobei der Schritt des Schließens des MEMS-Schalters (100) durch ein Ziehen eines Paars von Signalpfadplatten (150, 170) in unmittelbare Nähe ein Anlegen einer Spannung an die Betätigungsgliedplatte (160) aufweist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Schritt des Öffnens des MEMS-Schalters (100) durch ein Trennen des Paars von Signalpfadplatten (150, 170) ein Entfernen der Spannung von der Betätigungsgliedplatte (160) aufweist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem der Betätigungsbalken (130) ein einseitig eingespannter Balken ist.

8. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem der Ablenkbalken (130) ein Balken mit einem ersten und einem zweiten Ende ist, wobei das erste und das zweite Ende fest sind.