DE10234690A1

DE10234690A1 - Ein Verfahren zum Verbessern der Leistungshandhabungskapazität von MEMS-Schaltern

Info

Publication number: DE10234690A1
Application number: DE10234690A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Wong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2003-05-22
Also published as: GB2385985A; US20040140872A1; GB2385985B; JP2003203549A; GB0224881D0; US20030080839A1; TW546672B

Abstract

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung und ein Verfahren zum Verhindern, daß Balken oder Schaltkontakte aufgrund von Hochleistungsumgebungen überhitzen, geschaffen. Ein MEMS-Schalter ist so gehäust, daß der Balken und der Schalter durch ein inertes, dielektrisches Fluid niedriger Viskosität umgeben sind. Die Nutzung einer solchen Konstruktion auf konduktive und konvektive Weise gibt die Wärme, die durch die Widerstandsheizung der MEMS-Balken erzeugt wird, ab.

Description

Viele herkömmliche mikromechanische Schalter verwenden einen Ablenkbalken als Betätigungseinrichtung zum Schalten von elektrischen Signalen. Diese Balken sind gewöhnlich einseitig eingespannte Balken oder Balken, die an beiden Enden befestigt sind. Die Balken werden herkömmlicherweise elektrostatisch abgelenkt. Die Ablenkung durch andere Möglichkeiten wie magnetische oder thermische wird jedoch ebenfalls angewendet. Ein elektrischer Kontakt für einen Signaldurchgang wird über leitfähige Kontakte, die sich schließen, oder durch Zusammenbringen von kapazitiv gekoppelten Platten hergestellt. Für Hochleistungsanwendungen werden normalerweise kapazitiv gekoppelte Platten verwendet, um eine Mikroschweißung von Metallkontakten zu verhindern.
Ein weiteres Problem ergibt sich aufgrund der Widerstandsheizung der Balken während Hochleistungsanwendungen. Hochleistungsanwendungen können eine ausreichende Leistung aufweisen, um zu bewirken, daß eine Schalterverschlechterung durch Tempern der Balken oder aufgrund von Veränderungen des Belastungszustands der Balken eintritt. Ferner stellt der Wärmeverlust von den Balken aufgrund der großen Länge der Balken relativ zu ihrer Dicke ein zusätzliches Problem dar. Zum Beispiel kann ein Balken näherungsweise 300 µm lang und 1-6 µm dick sein. Außerdem sind die Balken allgemein von Gasen umgeben, die Wärme nicht adäquat leiten.

Es ist ein Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen mikrobearbeiteten elektromagnetischen Schalter mit einer verbesserten Leistungshandhabungskapazität zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen mikrobearbeiteten elektromagnetischen Schalter gemäß Anspruch 1 und 7 gelöst.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungsgliedanordnung eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS; MEMS = Betätigungsgliedanordnung). Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Betätigungsgliedanordnung und ein Verfahren zum Verbessern der Leistungshandhabungskapazität von MEMS-Schaltern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung und ein Verfahren zum Verhindern, daß sich Balken oder Schalterkontakte aufgrund von Hochleistungsumgebungen überhitzen, geschaffen. Ein MEMS-Schalter ist so gehäust, das der Balken und Schalter durch ein inertes, dielektrisches Fluid von niedriger Viskosität umgeben sind. Durch Nutzung einer solchen Konstruktion in konduktiver und konvektiver Weise, wird die Wärme, die durch die Widerstandsheizung des MEMS- Balkens erzeugt wird, abgegeben. Ferner erlaubt das Umgeben des Balkens mit einem inerten, dielektrischen Fluid niedriger Viskosität eine lokale Kühlung von Schaltkontakten während des Öffnens und Schließens, wodurch somit eine Überhitzung und Mikroschweißung der Kontakte verhindert wird.

Der MEMS-Balken und die zugeordneten Strukturen (z. B. kapazitive Platten und Betätigungsgliedplatten) können Perforationen aufweisen, um einen Fluiddurchgang zu ermöglichen und um einen geringeren hydrodynamischen Luftwiderstand zu liefern, während sich der Balken und die zugeordneten Strukturen durch das Fluid bewegen. Diese Perforationen dienen dazu, jeden Zeitnachteil, der dem Betrieb in einem Fluidmedium zugeordnet ist, zu minimieren.

Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die nachstehenden Zeichnungen besser verständlich. Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, statt dessen wurde Wert auf einen deutliche Darstellung der Grundsätze der vorliegenden Erfindung gelegt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnitts-Seitenansicht eines MEMS- Schalters gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Bodenansicht des langen Arms eines piezoelektrischen Balkens mit Perforationen gemäß der Erfindung,
Fig. 3 eine andere Querschnittsansicht eines MEMS- Schalters gemäß der Erfindung.
Der gezeigte MEMS-Schalter 100, der in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt ein Substrat 110, das als Träger für den Schaltmechanismus dient und eine nichtleitfähige, dielektrische Plattform bereitstellt. Der MEMS-Schalter 100, der in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt auch einen Ablenkbalken 120, der mit dem Substrat 110 verbunden ist. Der Ablenkbalken 120 bildet in der üblichen Weise eine L-Form, wobei das kurze Ende des Ablenkbalkens 120 mit dem Substrat verbunden ist. Der Ablenkbalken 120 ist aus einem nichtleitfähigen Material aufgebaut. Der Ablenkbalken 120 weist eine angezogene Platte 140 und eine erste Signalwegplatte 150 auf, die mit dem langen Bein verbunden ist. Eine Betätigungsgliedplatte 160 ist mit dem Substrat verbunden, das der angezogenen Platte direkt gegenüberliegt. Eine zweite Signalwegplatte 170 ist mit dem Substrat verbunden, das der Signalwegplatte 150 direkt gegenüberliegt.
Während des Betriebs des MEMS-Schalters, der in Fig. 1 gezeigt ist, wird an die Betätigungsgliedplatte 160 eine Ladung angelegt, was bewirkt, daß die angezogene Platte 140 zu derselben elektrisch angezogen wird. Diese elektrische Anziehung bewirkt ein Verbiegen des Ablenkbalkens 130. Das Verbiegen des Ablenkbalkens 120 bewirkt, daß sich die erste Signalwegplatte 150 und die zweite Signalwegplatte 170 einander nähern. Die Nähe der ersten und der zweiten Signalwegplatte 150, 170 bewirkt eine kapazitive Kopplung, wodurch ermöglicht wird, daß der Schalter 100 einen "Ein"- Zustand erreicht. Um den Schalter auszuschalten, wird die Spannungsdifferenz zwischen der Betätigungsgliedplatte 160 und der angezogenen Platte 140 entfernt und der Ablenkbalken kehrt in seine nichtabgelenkte Position zurück.
Eine dielektrische Anschlußfläche 180 ist üblicherweise an eine der oder beide Signalwegplatten 150, 170 angebracht. Eine dielektrische Anschlußfläche ist nicht in dem Zustand gezeigt, wenn sie an der Signalwegplatte 150 in Fig. 1 angebracht ist. Die dielektrische Anschlußfläche verbietet, daß die Signalwegplatten 150, 170 während des Verbiegens des Ablenkbalkens in Kontakt gelangen. Fachleute werden verstehen, daß elektrostatisch betätigte, mikrobearbeitete Hochleistungsschalter die Signale kapazitiv weiterleiten, weil ein Leiten durch Metall-zu-Metall bewirken kann, daß sich die Kontakte 150, 170 mikroverschweißen. Ferner kann die enorme Wärme, die in einem kapazitiven Hochleistungs- MEMS-Schalter vorliegt, ein Tempern des Ablenkbalkens 120 bewirken, was ebenfalls zu einem kurzgeschlossenen MEMS- Schalter führt.
Fachleute werden verstehen, daß kapazitive Hochleistungs- MEMS-Schalter auf viele verschiedene Weisen konstruiert sein können. Jeder kapazitive MEMS-Schalter ist für Tempern, Schmelzen, Schweißen oder andere wärmeinduzierte Phänomene anfällig.
Ein dielektrisches Gehäuse 190 umgibt den MEMS-Schalter 100 in Fig. 1. Das Gehäuse ist mit dem Substrat 110 verbunden und liefert eine luftdichte Kammer 195 um den MEMS-Schalter 100 herum. Die Kammer 195 ist mit einem geeigneten inerten (nicht mit den Komponenten des MEMS-Schalters 100 und der Kammer 195 reaktiven und in der chemischen und elektrischen Umgebung, die in der Schalterkammer 195 existiert, elektrochemisch unreaktiven) dielektrischen Fluid niedriger Viskosität (z. B. 0,4-0,8 cs = 0,4-0,8 mm²/s) gefüllt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kammer 195 mit einem niedermolekularen (z. B. m. w. 290-420) Perfluorkohlenstoff gefüllt. Bei einem noch mehr bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kammer 110 mit Flourinert™ FC-77 gefüllt. Flourinert™ ist ein eingetragenes Warenzeichen von 3M. Die durch die Widerstandsheizung des MEMS-Schalters 100 erzeuge Wärme wird an das Fluid, das in der Kammer 195 enthalten ist, abgegeben. Das Vorhandensein des Fluids in der Kammer ermöglicht auch die lokale Kühlung der Signalwegplatten 150, 170. während des Öffnens und des Schließens, wodurch somit eine Überwärmung und Mikroschweißung der Signalwegplatten 150, 170 verhindert wird.
Der MEMS-Ablenkbalken 120, die angezogene Platte 140 und die Signalwegplatten 150 können Perforationen 198 aufweisen, um den Fluiddurchgang durch dieselben zu erlauben. Fig. 2 zeigt eine Bodenansicht des langen Arms eines piezoelektrischen Balkens 120 mit Perforationen 198 gemäß der Erfindung. Die Perforationen berücksichtigen eine erhöhte Kühlung der betroffenen Strukturen des MEMS-Schalters 100 und sorgen für einen geringeren hydrodynamischen Luftwiderstand, während sich die perforierten Strukturen 120, 140, 150 durch das Fluid bewegen. Der Schaltzeitnachteil zum Betreiben in einem Fluid wird daher minimiert. Wie Fachleute verstehen werden, haben Perfluorkohlenstoffe im allgemeinen eine gute Schmierfähigkeit, so daß eine Reibung minimiert wird.
Fig. 3 zeigt eine andere Querschnittsansicht eines MEMS- Schalters 200 gemäß der Erfindung. Der gezeigte MEMS- Schalter 200, der in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt ein Substrat 210, das als Träger für den Schaltmechanismus dient und eine nichtleitfähige dielektrische Form liefert. Der MEMS-Schalter 200, der in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt ebenfalls den verbundenen Ablenkbalken 220, der an jedem Ende an einem Balkenträger 225 befestigt ist. Die Balkenträger 225 sind am Substrat 210 angebracht. Der Ablenkbalken 220 ist aus einem nichtleitfähigen Material konstruiert. Der Ablenkbalken 220 weist eine angezogene Platte 240 und eine erste Signalwegplatte 250 auf, die mit dem langen Bein verbunden ist. Eine Betätigungsgliedplatte 260 ist mit dem Substrat, das der angezogenen Platte direkt gegenüberliegt, verbunden. Eine zweite Signalwegplatte 270 ist mit dem Substrat, das der Signalwegplatte 250 direkt gegenüberliegt, verbunden.
Während des Betriebs des MEMS-Schalters, der in Fig. 3 gezeigt ist, wird an die Betätigungsgliedplatte 260 eine Ladung angelegt, die bewirkt, daß die angezogene Platte 240 an dieselbe elektrisch angezogen wird. Diese elektrische Anziehung bewirkt das Verbiegen des Ablenkbalkens 220. Die Das Verbiegen des Ablenkbalkens 220 bewirkt, daß sich die erste Signalwegplatte 250 und die zweite Signalwegplatte 270 einander nähern. Die Nähe der ersten und der zweiten Signalwegplatte 250, 270 bewirkt eine kapazitive Kopplung, wodurch dem Schalter 200 ermöglicht wird, einen "Ein"- Zustand zu erreichen. Um den Schalter auszuschalten, wird die Spannungsdifferenz zwischen der Betätigungsgliedplatte 260 und der angezogenen Platte 240 entfernt, und der Ablenkbalken kehrt in seine nichtabgelenkte Position zurück.
Eine dielektrische Anschlußfläche 280 ist im allgemeinen an einer der oder beide Signalwegplatten 250, 270 angebracht. Eine dielektrische Anschlußfläche ist nicht in dem Zustand gezeigt, in dem sie an die Signalplatte 250 in Fig. 3 angebracht ist. Die dielektrische Anschlußfläche verbietet, daß die Signalwegplatten 250, 270 während des Verbiegens des Ablenkbalkens in Kontakt gelangen. Für Fachleute ist es begreiflich, daß elektrostatisch betätigte, mikrobearbeitete Hochleistungsschalter die Signale kapazitiv leiten, weil das Leiten durch Metall-zu-Metall bewirken kann, daß die Kontakte 250, 270 mikroverschweißen. Ferner kann die enorme Wärme, die in einem kapazitiven Hochleistungs-MEMS-Schalter vorliegt, das Tempern des Ablenkbalkens 220 bewirken, was ebenfalls zu einem kurzgeschlossenen MEMS-Schalter führen kann.
Fachleute werden darauf hingewiesen, daß kapazitive Hochleistungs-MEMS-Schalter auf viele verschiedene Weisen konstruiert sein können. Jeder kapazitive MEMS = Schalter ist für Tempern, Schmelzen, Schweißen oder andere wärmeinduzierte Phänomene anfällig.
Ein dielektrisches Gehäuse 290 umgibt den MEMS-Schalter 200 in Fig. 1. Das Gehäuse ist mit dem Substrat 210 verbunden und sieht eine luftdichte Kammer 295 um den MEMS-Schalter 200 herum vor. Die Kammer 295 ist mit einem geeigneten inerten (mit den Komponenten des MEMS-Schalters 200 und der Kammer 295 nicht reaktiven und in der chemischen und elektrischen Umgebung, die in der Schalterkammer 295 existiert, elektrochemisch unreaktiven) dielektrischen Fluid niedriger Viskosität (z. B. 0,4-0,8 cs) gefüllt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kammer 295 mit einem niedermolekularen (z. B. m. w. 290-420) Perfluorkohlenstoff gefüllt. Bei einem noch mehr bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kammer 110 mit Flourinert™ FC-77 gefüllt. Flourinert™ ist ein eingetragenes Warenzeichen von 3M. Die durch die Widerstandsheizung des MEMS-Schalters 200 erzeugte Wärme wird an das Fluid, das in der Kammer 295 enthalten ist, abgegeben. Das Vorhandensein des Fluids in der Kammer ermöglicht auch die lokale Kühlung der Signalwegplatten 250, 270 während des Öffnens und Schließens, wodurch somit eine Überhitzung und Mikroschweißung der Signalwegplatten 250, 270 verhindert wird.
Der MEMS-Ablenkbalken 220, die angezogene Platte 240 und die Signalwegplatten 250 können Perforationen 298 aufweisen, um den Fluiddurchgang durch dieselben zu ermöglichen. Fig. 2 zeigt einen Ablenkbalken 220 und Signalplatten 240, 250 mit Perforationen. Die Perforationen berücksichtigen eine erhöhte Kühlung der betroffenen Strukturen des MEMS- Schalters 200 und sorgen für einen geringeren hydrodynamischen Luftwiderstand, während sich die perforierten Strukturen 220, 240, 250 durch das Fluid bewegen. Der Schaltzeitnachteil für den Betrieb in einem Fluid wird daher minimiert. Fachleute werden darauf hingewiesen, das Perfluorkohlenstoffe im allgemeinen eine gute Schmierfähigkeit aufweisen, so daß eine Reibung minimiert wird.

Claims

1. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100), der folgende Merkmale aufweist:
ein dielektrisches Substrat (110);
einen Ablenkbalken (120), der mit dem Substrat (110) verbunden ist;
eine erste Signalwegplatte (150), die mit dem Balken (120) verbunden ist;
eine zweite Signalwegplatte (170), die mit dem Substrat (110) verbunden ist;
eine Betätigungsgliedplatte (160), die mit dem Balken (120) verbunden ist; und
eine angezogene Platte (140), die mit dem Balken (120) verbunden ist;
wobei ein Gehäuse (190) vorgesehen ist, das eine Kammer (195) bildet, die den mikrobearbeiteten elektromagnetischen Schalter (100) umgibt, und wobei die Kammer (195) mit einem dielektrischen Perfluorkohlenstoff gefüllt ist.

2. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das Perfluorkohlenstoff ein im wesentlichen inertes Fluid ist.

3. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100) gemäß Anspruch 2, bei dem das Fluid eine niedrige Viskosität aufweist.

4. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100) gemäß Anspruch 3, bei dem der Ablenkbalken (120) ein einseitig eingespannter Balken ist.

5. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100) gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem der Ablenkbalken (120) ein Balken ist, der an beiden Enden befestigt ist.

6. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100) gemäß Anspruch 3, bei dem Perforationen (198) in dem Ablenkbalken (120), der angezogenen Platte (140) und der ersten Signalwegplatte (150) vorhanden sind.

7. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100) zum Schalten elektrischer Signale, der einen Ablenkbalken (120) und eine Betätigungseinrichtung zum Schalten der elektrischen Signale aufweist, wobei der mikrobearbeitete elektromagnetische Schalter (100) durch eine dielektrische Substanz (190) umgeben ist, wobei die Substanz (190) eine luftdichte Kammer (195) liefert, die mit einem dielektrischen Fluid gefüllt ist.

8. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100) gemäß Anspruch 7, bei dem das Fluid ein Perfluorkohlenstoff ist.

9. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100) gemäß Anspruch 8, bei dem der Perfluorkohlenstoff im wesentlichen inert ist, eine geringe Viskosität und ein geringes Molekulargewicht aufweist.

10. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der Ablenkbalken (120) ein einseitig eingespannter Balken ist.

11. Mikrobearbeiteter elektromagnetischer Schalter (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem der Ablenkbalken (120) ein Balken mit einem ersten und einem zweiten Ende ist und der an dem ersten und zweiten Ende befestigt ist.