DE19807214A1 - Micromechanical electrostatic relay - Google Patents

Micromechanical electrostatic relay

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DE19807214A1
DE19807214A1 DE1998107214 DE19807214A DE19807214A1 DE 19807214 A1 DE19807214 A1 DE 19807214A1 DE 1998107214 DE1998107214 DE 1998107214 DE 19807214 A DE19807214 A DE 19807214A DE 19807214 A1 DE19807214 A1 DE 19807214A1
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DE1998107214
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Susanna Kim Hesse
Hans-Juergen Gevatter
Helmut Schlaak
Martin Hanke
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Siemens AG
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Abstract

The present invention relates to a micro-mechanical electrostatic relay comprising at least one base substrate (1) with a flat base electrode, as well as a rotor blade (21) which is stamped from the rotor substrate (2) and has a flat rotor electrode, wherein a wedge-shaped air gap (10) is formed between the base substrate (1) and said rotor blade. An electret layer (4) is further formed on one at least of the surfaces defining the air gap so as to obtain a switching characteristic providing for closing, opening or change-over.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches elektrostati­ sches Relais mit
The invention relates to a micromechanical electrostatic relay

  • - einem Festkörper als Basissubstrat,- a solid as a base substrate,
  • - einer aus festem Material freigearbeiteten, flexiblen An­ kerzunge, welche einseitig an dem Basissubstrat angebunden ist und mit diesem einen keilförmigen, sich zum offenen En­ de hin stetig erweiternden Arbeitsluftspalt bildet,- A flexible, machined from solid material candle tongue, which is connected on one side to the base substrate is and with this a wedge-shaped, open to En de constantly expanding working air gap,
  • - einer auf dem Basissubstrat ausgebildeten, flächigen Basi­ selektrode,- A flat base formed on the base substrate electrode,
  • - einer auf der Ankerzunge ausgebildeten, der Basiselektrode flächig gegenüberstehenden Ankerelektrode,- One formed on the anchor tongue, the base electrode flat opposite armature electrode,
  • - mindestens einem auf dem Basissubstrat angeordneten fest­ stehenden Kontakt und- Fixed at least one arranged on the base substrate standing contact and
  • - mindestens einem auf der Ankerzunge angeordneten, dem fest­ stehenden Kontakt gegenüberstehenden beweglichen Kontakt.- At least one arranged on the anchor tongue, the fixed standing contact opposite moving contact.

Ein derartiges mikromechanisches Relais ist grundsätzlich be­ reits in der DE 42 05 029 C1 beschrieben. Durch den keilför­ migen Luftspalt zwischen der Basiselektrode und der Anker­ elektrode ergibt sich beim Anlegen einer Spannung zwischen beiden Elektroden ein Abrollen der Ankerzunge auf der Basise­ lektrode, wodurch der enge Abstand zwischen beiden Elektroden von der Einspannstelle bis zum freien, kontaktgebenden Ende hin weiterwandert (Wanderkeil-Prinzip). Auf diese Weise ist es möglich, einerseits mit einem ausreichenden Kontaktabstand die Isolationsfestigkeit zwischen feststehendem Kontakt und beweglichem Kontakt im geöffneten Zustand sicherzustellen und andererseits mit verhältnismäßig geringer Schaltleistung den Anker elektrostatisch zum Ansprechen zu bringen. Allerdings sind bei einem derartigen, rein elektrostatischen Schaltprin­ zip relativ hohe Schaltspannungen erforderlich; außerdem sind die erzielbaren Kontaktkräfte noch verhältnismäßig gering. Such a micromechanical relay is basically be already described in DE 42 05 029 C1. Through the wedge air gap between the base electrode and the armature electrode results when a voltage is applied between both electrodes roll off the anchor tongue on the base electrode, creating the close distance between the two electrodes from the clamping point to the free, contacting end hikes there (wedge principle). That way it is possible, on the one hand, with a sufficient contact distance the insulation strength between the fixed contact and ensure movable contact in the open state and on the other hand with a relatively low switching capacity To make the anchor respond electrostatically. Indeed are in such a purely electrostatic circuit zip relatively high switching voltages required; are also the achievable contact forces are still relatively low.  

Darüber hinaus sind bei diesem Prinzip Öffnerkontakte bzw. Wechslerkontakte nur sehr schwer zu verwirklichen.In addition, normally closed contacts or Changeover contacts are very difficult to implement.

Aus der US 5 278 368 A ist ferner bereits ein elektrostati­ sches Relais bekannt, bei dem eine bewegliche Zunge zwischen zwei stationären Elektroden umschaltbar ist und wobei die stationären Elektroden zusätzlich mit Elektreten versehen sind. Allerdings sind dort die stationären Elektroden paral­ lel zueinander mit verhältnismäßig großem Abstand zur beweg­ lichen Zunge angeordnet, so daß diese sich in den jeweiligen Schaltstellungen nur unter einem spitzen Winkel an die Ge­ genelektroden anlegen und diese im wesentlichen nur punktför­ mig oder linienförmig berühren kann. Auch die Elektretschich­ ten erstrecken sich jeweils nur über einen Teil der Länge der beweglichen Ankerzunge, wobei eine flächenhafte Berührung mit dieser nicht möglich erscheint.From US 5 278 368 A is also an electrostatic cal relay known in which a movable tongue between two stationary electrodes can be switched and the stationary electrodes are additionally provided with electrets are. However, the stationary electrodes are parallel there lel to each other with a relatively large distance to the moving Lichen tongue arranged so that this is in the respective Switch positions only at an acute angle to the Ge Apply gene electrodes and essentially only point them mig or linear. Even the electretschich each only extend over part of the length of the movable anchor tongue, with a flat contact with this does not appear possible.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrostatisches Relais der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit relativ geringen Schaltspannungen ein verbessertes Schaltver­ halten mit einer gewünschten Sprung-Schaltcharakteristik und mit ausreichend hohen Kontaktkräften erzielt wird. Dabei soll es möglich sein, eine gewünschte Schaltcharakteristik, wie Öffner, Schließer und Wechsler, einzustellen.The aim of the present invention is an electrostatic Relay of the type mentioned in such a way that with relatively low switching voltages an improved Schaltver hold with a desired jump switching characteristic and is achieved with sufficiently high contact forces. In doing so it may be possible to have a desired switching characteristic, such as NC contacts, NO contacts and changeover contacts.

Erfindungsgemäß besitzt ein Relais zur Erreichung dieses Zie­ les den eingangs genannten Aufbau und darüber hinaus minde­ stens eine auf dem Basissubstrat oder der Ankerzunge angeord­ nete, in die Oberfläche des keilförmigen Arbeitsluftspaltes einbezogene Elektretschicht.According to the invention has a relay to achieve this goal les the structure mentioned above and beyond at least one arranged on the base substrate or the anchor tongue nete, in the surface of the wedge-shaped working air gap included electret layer.

Durch die erfindungsgemäße Einbeziehung einer Elektretschicht in den keilförmigen Luftspalt läßt sich die Schaltcharakteri­ stik des Relais sehr gut auf den jeweiligen Anwendungsfall einstellen. Da die Elektretschicht sich bis in die Spitze des keilförmigen Luftspaltes hineinerstreckt, werden die elektri­ schen Ladungen des Elektrets bereits von Beginn der Schaltbe­ wegung an zugleich mit dem Anlagen der Steuerspannung wirk­ sam, so daß die Steuerspannung selbst entsprechend geringer sein kann. Je nach der vorgesehenen elektrischen Ladungsdich­ te der Elektretschicht kann die Charakteristik des Relais un­ terschiedlich gewählt werden. So kann diese Ladungsdichte so hoch gewählt werden, daß bereits ohne Ansteuerung die Anzie­ hungskraft des Elektrets die mechanische Vorspannungskraft der Ankerzunge übersteigt, mit der diese aufgrund ihrer Grundform vom Basissubstrat weg vorgespannt ist. In diesem Fall legt sich also die Ankerzunge im Ruhezustand an das Ba­ sissubstrat an, und es wird ein Öffnerkontakt gebildet. Ist dagegen bei geringerer Ladungsdichte diese Anzugskraft gerin­ ger als die Vorspannungskraft, so entsteht ein Schließer. In diesen Fällen, wenn also lediglich ein Basissubstrat mit ei­ ner Ankerzunge vorgesehen ist, kann die Elektretschicht wahl­ weise auf dem Basissubstrat bzw. der Basiselektrode oder auf der Ankerzunge bzw. der Ankerelektrode angeordnet sein.By including an electret layer according to the invention the switching characteristics can be found in the wedge-shaped air gap Relics stik very well to the respective application to adjust. Since the electret layer extends to the top of the wedge-shaped air gap, the electri charges of the electret right from the start of the switching operation  movement at the same time as the control voltage is applied sam, so that the control voltage itself correspondingly lower can be. Depending on the intended electrical charge te of the electret layer, the characteristics of the relay can un be chosen differently. So this charge density can be like this high be chosen that the Anzie power of the electret is the mechanical preload the anchor tongue, with which this due to their Basic shape is biased away from the base substrate. In this In this case, the anchor tongue lies against the ba in the idle state sis substrate, and an NC contact is formed. Is on the other hand, with lower charge density, this attractive force is reduced less than the preload force, a closer is created. In these cases, if only a base substrate with egg ner anchor tongue is provided, the electret layer can choose have on the base substrate or the base electrode or the armature tongue or the armature electrode.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird man allerdings ein zusätzliches Deckelsubstrat über dem Basissubstrat so anord­ nen, daß diese beiden feststehenden Substrate einen keilför­ migen Luftspalt bilden, in welchem dann die Ankerzunge schwenkbar angeordnet ist und sich wahlweise an die Basis­ elektrode bzw. an die Deckelelektrode anlegt. In diesem Fall ist auf dem Basissubstrat und auf dem Deckelsubstrat jeweils eine Elektretschicht vorgesehen, wobei diese Elektretschich­ ten Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen tragen. Auch in diesem Fall läßt sich die Charakteristik durch die Abstimmung der Ladungsdichten in beiden Elektretschichten einstellen. Wenn die Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens in beiden Elektretschichten ihren Absolutwerten nach gleich sind, ihre Summe also Null ergibt, so läßt sich auf diese Weise eine bi­ stabile oder bei entsprechender Feinabstimmung auch eine tri­ stabile Schaltcharakteristik erzielen. Andererseits läßt sich durch unterschiedliche Ladungsdichten in den beiden Elektret­ schichten ein monostabiles Schaltverhalten erzielen. In a preferred embodiment, however, one becomes arrange additional cover substrate over the base substrate NEN that these two fixed substrates a wedge Form air gap, in which then the anchor tongue is pivotally arranged and optionally to the base electrode or applied to the cover electrode. In this case is on the base substrate and on the lid substrate, respectively an electret layer is provided, this electret layer carry loads with different signs. Also in In this case, the characteristic can be adjusted the charge densities in both electret layers. If the charges have different signs in both Electret layers are the same according to their absolute values So the sum is zero, so a bi stable or, if fine-tuned, a tri achieve stable switching characteristics. On the other hand, due to different charge densities in the two electrets layers achieve a monostable switching behavior.  

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Luft­ spaltoberfläche des Basissubstrats und gegebenenfalls des Deckelsubstrats jeweils so gekrümmt, daß im Bereich der Ein­ spannung der Ankerzunge die größte Krümmung auftritt und daß der Abstand zwischen der Basiselektrode und der Ankerzunge bzw. zwischen der Basiselektrode und der Deckelektrode von der Einspannstelle der Ankerzunge zu deren freiem Ende hin stetig größer wird.In a preferred embodiment of the invention, the air gap surface of the base substrate and optionally the Cover substrate each curved so that in the area of the one tension of the anchor tongue the greatest curvature occurs and that the distance between the base electrode and the armature tongue or between the base electrode and the top electrode of the clamping point of the anchor tongue towards its free end is getting bigger.

Als Werkstoff für das Basis- und das Deckelsubstrat sowie für die Ankerzunge wird vorzugsweise Silizium oder ein kristalli­ nes Material mit ähnlichen Eigenschaften verwendet. Für die Ankerzunge kommen neben dem kristallinen Silizium auch Poly­ silizium, Metalle und auch in der Mikromechanik verarbeitbare Kunststoffe - mit Metallbeschichtung - in Betracht. In diesem Fall besteht die Elektretschicht vorzugsweise aus Siliziumdi­ oxid (SiO2) oder aus einer Siliziumdi­ oxid/Siliziumnitrat (SiO2/Si3N4)-Verbundstruktur. Die Oberflä­ chenladungsdichten in den Elektretschichten können zwischen 10-4 und 10-3, eventuell auch 10-2, C/m2 liegen.Silicon or a crystalline material with similar properties is preferably used as the material for the base and lid substrates and for the anchor tongue. In addition to crystalline silicon, polysilicon, metals and plastics that can be processed in micromechanics - with a metal coating - are also considered for the anchor tongue. In this case, the electret layer is preferably made of silicon dioxide (SiO 2 ) or of a silicon dioxide / silicon nitrate (SiO 2 / Si 3 N 4 ) composite structure. The surface charge densities in the electret layers can be between 10 -4 and 10 -3 , possibly also 10 -2 , C / m 2 .

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Relais der eingangs genannten Art besteht darin, daß in einem kristallinen Basissubstrat durch Abtragung der Ober­ fläche ein der gewünschten keilförmigen Luftspaltoberfläche entsprechendes Profil erzeugt und durch selektive Beschich­ tung und Strukturierung mindestens eine Isolationsschicht, eine Metallschicht zur Bildung der Basiselektrode und minde­ stens einer Lastkreiszuführung, eine mit elektrischen Ladun­ gen versehene Isolationsschicht als Elektretschicht sowie mindestens ein Kontaktstück ausgebildet werden, daß auf der Unterseite eines Ankersubstrats durch selektive Beschichtung und Strukturierung mindestens eine Isolationsschicht, eine Metallschicht zur Bildung einer Ankerelektrode und mindestens eines beweglichen Kontaktelementes sowie eine Oberflächen-Iso­ lationsschicht erzeugt werden, daß das Ankersubstrat mit seiner strukturierten Unterseite auf die strukturierte Ober­ seite des Basissubstrats gebondet sowie bis auf eine ge­ wünschte Ankerdicke abgetragen wird und daß dann die Kontur der Ankerzunge von drei Seiten her freigelegt wird. Vorzugs­ weise wird außerdem ein Deckelsubstrat in analoger Weise wie das Basissubstrat beschichtet und strukturiert und dann mit seiner strukturierten Seite auf das Ankersubstrat gebondet.A method according to the invention for the production of a several relays of the type mentioned is that in a crystalline base substrate by removing the surface area of the desired wedge-shaped air gap surface appropriate profile generated and by selective coating processing and structuring at least one insulation layer, a metal layer to form the base electrode and mind At least one load circuit feeder, one with electrical charging insulation layer as electret layer and be formed at least one contact piece that on the Underside of an armature substrate through selective coating and structuring at least one insulation layer, one Metal layer to form an anchor electrode and at least a movable contact element and a surface iso lationsschicht generated that the anchor substrate with its structured underside on the structured upper  side of the base substrate bonded and except for one ge desired anchor thickness is removed and then the contour the anchor tongue is exposed from three sides. Preferential wise, a lid substrate is also used in an analogous manner coated and structured the base substrate and then with its structured side bonded to the anchor substrate.

Für die einzelnen Herstellungsschritte des Relais finden gleiche oder ähnliche Ätz-, Beschichtungs-, Strukturierungs- und Dotierungsverfahren Anwendung, wie sie auch in der Halb­ leitertechnik bzw. sonst in der Mikromechanik verwendet wer­ den. Die gekrümmten Profile für die Luftspaltoberflächen des Basissubstrats und gegebenenfalls des Deckelsubstrats werden vorzugsweise mittels Grauton-Lithografie oder Opfermasken­ technik gewonnen.Find for the individual manufacturing steps of the relay same or similar etching, coating, structuring and Doping method application as in the half conductor technology or otherwise used in micromechanics the. The curved profiles for the air gap surfaces of the Base substrate and optionally the lid substrate preferably using gray-tone lithography or sacrificial masks technology won.

Da bei einer derartigen Herstellungsweise in der Regel eine Vielzahl von gleichen Systemen auf einem Silizium-Wafer in Vielfachanordnung gewonnen werden (Nutzen-Fertigung), kann es von Vorteil sein, die einzelnen Relaissysteme nach der Her­ stellung nicht voneinander zu trennen, sondern in der Viel­ fachanordnung zu belassen und beispielsweise in einem gemein­ samen Gehäuse unterzubringen. Dabei können die einzelnen Re­ laissysteme durch geeignete Wahl der Anschlußelemente einzeln oder parallel angesteuert werden.As a rule, with such a method of production Large number of identical systems on a silicon wafer Multiple arrangement can be won (benefit manufacturing), it can be advantageous, the individual relay systems after the Her position not to separate from each other, but in the many to keep subject arrangement and, for example, in one common housing the housing. The individual Re Lay systems by suitable choice of the connection elements individually or controlled in parallel.

In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen genannt.Further refinements are mentioned in the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigenThe invention is based on exemplary embodiments hand of the drawing explained in more detail. Show it

Fig. 1 bis 4 verschiedene Ausgestaltungen eines Schließer- bzw. Öffner-Relais in jeweils zwei Schaltzuständen in schema­ tischer Schnitt-Darstellung, Figs. 1 to 4 different embodiments of a normally open or normally closed relay in each case two switching states in schematic sectional representation,

Fig. 5 eine Wechsleranordnung in schematischer Schnitt-Dar­ stellung, Figure 5 position. A change-over arrangement in a schematic sectional-Dar,

Fig. 6 einen Schnitt VI-VI aus Fig. 5, Fig. 6 is a section VI-VI of Fig. 5,

Fig. 7 eine Ansicht VII-VII von oben auf das Basissubstrat von Fig. 5, mit angedeuteter Kontur der Ankerzunge, Fig. 7 is a view VII-VII from above on the base substrate of FIG. 5, with indicated contour of the anchor tongue,

Fig. 8 eine Ansicht von oben auf eine Ausführungsform der Ankerzunge mit Einfachkontakt, Fig. 8 is a top view of an embodiment of the anchor tongue with single contact,

Fig. 9 eine Ansicht von oben auf eine Ankerzunge mit Brüc­ kenkontakt, Shows a view from above kenkontakt an anchor tongue with Bridge, Japan. 9,

Fig. 10A bis 10E eine schematische Schnittdarstellung ei­ nes Basissubstrats in verschiedenen Verfahrensschritten der Herstellung, FIG. 10A to 10E is a schematic sectional view ei nes base substrate in different steps of the preparation,

Fig. 11A bis 11H in schematischer Schnittdarstellung die Herstellung einer (bzw. zweier) Ankerzunge(n) in mehreren Verfahrensschritten, die Verbindung mit einem Basissubstrat und das Aufbringen eines zusätzlichen Deckelsubstrats, FIG. 11A to 11H in a schematic sectional representation of the preparation of a (or two) anchor tongue (s) in several process steps, the compound with a base substrate, and applying an additional cover substrate,

Fig. 12 eine perspektivische Darstellung einer Relais-Viel­ fachanordnung mit einem gemeinsamen Basissubstrat, einer Vielzahl von zusammenhängenden Ankerzungen und einem gemein­ samen Deckelsubstrat und Fig. 12 is a perspective view of a relay multiple compartment arrangement with a common base substrate, a plurality of contiguous anchor tongues and a common lid substrate and

Fig. 13 bis 15 verschiedene Weg-Spannungs-Kennlinien für ein erfindungsgemäßes Relais. Figs. 13 to 15 different path-voltage characteristics of an inventive relay.

In den Fig. 1 bis 4 sind verschiedene Ausführungsformen eines einfachen Schließer/Öffnerrelais mit Elektret darge­ stellt, bei denen also jeweils nur ein Basissubstrat 1 und ein Ankersubstrat 2 mit einer Ankerzunge 21 vorgesehen sind. Zwischen dem Basissubstrat 1 und der Ankerzunge 21 ist ein keilförmiger Luftspalt 10 gebildet, an dessen offenem Ende das Basissubstrat 1 einen feststehenden Kontakt 5 und die An­ kerzunge 21 einen beweglichen Kontakt 6 tragen. Der Einfach­ heit halber sei angenommen, daß sowohl das Basissubstrat 1 als auch die Ankerzunge 21 als Elektroden ausgebildet sind, zwischen denen über entsprechende Anschlüsse eine Steuerspan­ nung Us angelegt werden kann. Außerdem ist auf einer der Luftspaltoberflächen eine Elektretschicht 4 vorgesehen, also eine isolierende Schicht mit ortsfest eingelagerten elektri­ schen Ladungen. In Figs. 1 to 4 show various embodiments of a simple NO / Relay NC are with electret provides Darge, ie in which only a base substrate 1, and an armature substrate 2, with an armature tongue 21 respectively provided. Between the base substrate 1 and the anchor tongue 21 , a wedge-shaped air gap 10 is formed, at the open end of which the base substrate 1 has a fixed contact 5 and the tongue 21 carries a movable contact 6 . For the sake of simplicity, it is assumed that both the base substrate 1 and the armature tongue 21 are designed as electrodes, between which a control voltage U s can be applied via corresponding connections. In addition, an electret layer 4 is provided on one of the air gap surfaces, that is to say an insulating layer with stationary electrical charges.

Der Luftspalt 10 ist durch die Grundform des Basissubstrats und der Ankerzunge vorgegeben, wobei entweder gemäß den Fig. 1A und 2A das Basissubstrat eine ebene Oberfläche 11 auf­ weist und die Ankerzunge von der Ebene weg nach oben gekrümmt ist oder gemäß den Fig. 3A und 4A das Basissubstrat eine gekrümmte Oberfläche 12 besitzt und die Ankerzunge eine ebene Grundform aufweist. Die Elektretschicht 4 kann in diesen Bei­ spielen der Fig. 1 bis 4, die jeweils nur einen einfachen Schließer oder Öffner darstellen, wahlweise auf der Oberflä­ che 11 des Basissubstrats 1 oder auf der dem Basissubstrat zugewandten Oberfläche der Ankerzunge 21 angeordnet sein. Je nach der elektrischen Ladungsdichte in der Elektretschicht 4 im Vergleich zu der mechanischen Vorspannung der Ankerzunge 21 gegenüber dem Basissubstrat ergeben sich unterschiedliche Schaltcharakteristiken:
Die Fig. 1A, 2A, 3A und 4A zeigen jeweils einen Schaltzu­ stand mit offenem Luftspalt 10, während die Fig. 1B, 2B, 3B und 4B den Zustand mit geschlossenem Luftspalt, also mit angezogener Ankerzunge 21, zeigen. Nimmt man dabei an, daß die Ladungsdichte in der Elektretschicht 4 nicht ausreicht, um die Ankerzunge 21 ohne Steuerspannung Us anzuziehen, so handelt es sich jeweils um ein Schließer-Relais. In diesem Fall stellen die Fig. 1A bis 4A den unerregten Zustand mit offenen Kontakten dar, während die Fig. 1B bis 4B den Er­ regungszustand nach Anlegen einer Steuerspannung Us zeigen. Das Anlegen der Steuerspannung Us bewirkt also dann das Schließen des Stromkreises zwischen den Kontakten 5 und 6.The air gap 10 is predetermined by the basic shape of the base substrate and the anchor tongue, wherein either the base substrate has a flat surface 11 according to FIGS . 1A and 2A and the anchor tongue is curved upwards away from the plane or according to FIGS. 3A and 4A the base substrate has a curved surface 12 and the anchor tongue has a flat basic shape. The electret layer 4 can be arranged in these examples of FIGS . 1 to 4, each of which represents only a simple NO or NC contact, optionally on the surface 11 of the base substrate 1 or on the surface of the base tongue facing the base tongue 21 . Depending on the electrical charge density in the electret layer 4 in comparison to the mechanical pretensioning of the armature tongue 21 with respect to the base substrate, different switching characteristics result:
FIGS. 1A, 2A, 3A and 4A each show a Schaltzu stood with open air gap 10, while Fig. 1B, 2B, 3B and 4B the closed state the air gap, that is, with tightened anchor tongue 21 show. If one assumes that the charge density in the electret layer 4 is not sufficient to attract the armature tongue 21 without control voltage U s , it is a normally open relay. In this case, FIGS . 1A to 4A show the unexcited state with open contacts, while FIGS . 1B to 4B show the state of excitation after application of a control voltage U s . The application of the control voltage U s thus causes the circuit between contacts 5 and 6 to be closed .

Ist jedoch die Ladungsdichte in der Elektretschicht 4 so hoch, daß die Ankerzunge 21 bereits ohne Steuerspannung an das Basissubstrat 1 angezogen wird, so zeigen die Fig. 1B bis 4B den Ruhezustand mit geschlossenen Kontakten 5 und 6. In diesem Fall eines Öffner-Relais muß zur Kontaktöffnung ei­ ne Steuerspannung Us zwischen Basissubstrat 1 und Ankerzunge 21 angelegt werden, die zur Ladung der Elektretschicht 4 ent­ gegengesetzt gepolt und größer als diese ist, so daß die An­ zugskraft der Elektretschicht überwunden und der Kontakt ge­ öffnet wird. In diesem Fall des Öffnerrelais zeigen also die Fig. 1A bis 4A den Erregungszustand des Relais.However, if the charge density in the electret layer 4 is so high that the armature tongue 21 is already attracted to the base substrate 1 without control voltage, FIGS . 1B to 4B show the idle state with the contacts 5 and 6 closed . In this case, a normally closed relay must be applied to the contact opening ei ne control voltage U s between base substrate 1 and armature tongue 21 , which is polarized opposite to ent for charging the electret layer 4 and larger than this, so that the tensile force of the electret layer is overcome and the contact is opened. In this case of the normally closed relay, FIGS . 1A to 4A show the energized state of the relay.

Die bevorzugte Ausführungsform für das erfindungsgemäße Re­ lais ist allerdings nicht das einfache Schließer- oder Öff­ nerrelais, sondern das Wechslerrelais, welches schematisch in Fig. 5 gezeigt ist. In diesem Fall ist zusätzlich zu dem Ba­ sissubstrat 1 und dem Ankersubstrat 2 mit der Ankerzunge 21 ein Deckelsubstrat 3 so vorgesehen, daß der keilförmige Luftspalt 10 zwischen dem Basissubstrat und dem Deckel­ substrat gebildet wird und die Ankerzunge zwischen diesen beiden Substraten eingeschlossen ist. Das Deckelsubstrat 3 ist vorzugsweise identisch mit dem Basissubstrat 1 gestaltet und um 180° gedreht auf dieses unter Zwischenfügung eines An­ kersubstrats 2 aufgesetzt. Die dem Luftspalt 10 zugekehrten Oberflächen 11 des Basissubstrats und 31 des Deckelsubstrats sind - ebenso wie im Fall der vorher beschriebenen Fig. 3 und 4 - so gekrümmt, daß sie ihre größte Krümmung im Bereich des spitz zulaufenden inneren Luftspaltendes besitzen, wäh­ rend diese Krümmung zum offenen Ende des Luftspaltes hin ste­ tig flacher wird, wobei der Luftspalt insgesamt jedoch zum offenen Ende hin sich stetig vergrößert. Entsprechend der La­ dungsdichte in den beiden Elektretschichten 12 und 32 kann sich die Ankerzunge 21 wahlweise an die Oberfläche des Dec­ kelsubstrates 3 oder an die Oberfläche des Basissubstrates 1 (in Fig. 5 gepunktet angedeutet) anschmiegen.The preferred embodiment for the relay according to the invention is, however, not the simple normally open or open relay, but the changeover relay, which is shown schematically in FIG. 5. In this case, in addition to the base substrate 1 and the armature substrate 2 with the armature tongue 21, a lid substrate 3 is provided so that the wedge-shaped air gap 10 is formed between the base substrate and the lid substrate and the armature tongue is enclosed between these two substrates. The lid substrate 3 is preferably designed identically to the base substrate 1 and rotated by 180 ° onto this with the interposition of a core substrate 2 . The air gap 10 facing surfaces 11 of the base substrate and 31 of the lid substrate are - as in the case of the previously described FIGS. 3 and 4 - so curved that they have their greatest curvature in the region of the tapering inner air gap end, while this curvature open end of the air gap tends to become shallower, but the air gap as a whole increases steadily towards the open end. Corresponding to the charge density in the two electret layers 12 and 32 , the anchor tongue 21 can optionally nestle against the surface of the decel substrate 3 or against the surface of the base substrate 1 (indicated by dots in FIG. 5).

Grundsätzlich könnten die Substrate 1 und 3 mit entsprechen­ der Dotierung selbst als Basis- bzw. Deckelelektrode fungie­ ren; ebenso könnte das Ankersubstrat 2 bzw. die Ankerzunge 21 unmittelbar die Ankerelektrode bilden. Vorzugsweise wird man jedoch auf der Basisoberfläche eine Basiselektrode 19, auf der Deckeloberfläche eine Deckelelektrode 39 und auf den je­ weiligen Oberflächen der Ankerzunge 21 metallische Anker­ elektroden 28 bzw. 29 vorsehen. Die Metallschichten zur Bil­ dung der Elektroden können dann durch entsprechende Struktu­ rierung auch von den Elektroden isolierte Zuführungsleitungen für den Laststromkreis bilden. Wie sich aus der Fig. 5 und den Fig. 6 und 7 erkennen läßt, sind auf der jeweiligen Elektretschicht 12 bzw. 32 Abstandsstege 13 bzw. 33 ausgebil­ det, welche keine elektrische Ladungen tragen und sich in Längsrichtung der Ankerzunge 21 erstrecken. Mit diesen Ab­ standsstegen 13 bzw. 33 vermeidet man großflächige Entla­ dungserscheinungen bei der mechanischen Berührung zwischen der Ankerzunge und der jeweiligen Elektretschicht durch Mini­ mierung der Berührungsfläche. Außerdem wird die viskose Dämp­ fung bei der Schaltbewegung vermindert, also der sog. Luft­ pumpeneffekt ausgeschaltet.In principle, the substrates 1 and 3 with the corresponding doping could function as a base or cover electrode; likewise, the armature substrate 2 or the armature tongue 21 could directly form the armature electrode. Preferably, however, a base electrode 19 will be provided on the base surface 19 , on the cover surface a cover electrode 39 and on the respective surfaces of the anchor tongue 21 metallic anchor electrodes 28 and 29 respectively. The metal layers for forming the electrodes can then also form supply lines for the load circuit which are insulated from the electrodes by appropriate structuring. As can be seen from FIG. 5 and FIGS. 6 and 7, recognize, 13 and 33 on the respective det electret 12 and 32, spacer webs ausgebil which carry no electrical charge and extending in the longitudinal direction of the anchor tongue 21. With these spacer webs 13 and 33 one avoids large-scale discharge phenomena in the mechanical contact between the armature tongue and the respective electret layer by minimizing the contact surface. In addition, the viscous damping is reduced during the switching movement, i.e. the so-called air pump effect is switched off.

In einer weiteren Ausgestaltung sind außerhalb des Elektro­ denbereiches auf der Oberfläche des Basissubstrats wie auch des Deckelsubstrats zusätzliche Elektretbereiche mit hoher Ladungsdichte vorgesehen, mit denen Ionen neutralisiert wer­ den, die bei Entladungserscheinungen während des Öffnens der Kontakte entstehen können. Fig. 7 zeigt solche Elektretbe­ reiche 7, welche den Bereich der Basis-Elektretschicht 12 teilweise rahmenförmig umgeben. Wie in Fig. 7 weiter zu se­ hen ist, besitzt die Basis-Elektretschicht 12 einen dein Kon­ takt 15 annähernd kreisförmig umgebenden Bereich, der keine Ladungen trägt. Dieser Bereich ist mit einer Begrenzungslinie 14 gezeigt. Außerdem ist in Fig. 7 gestrichelt die Kontur der Ankerzunge 21 mit dem Kontaktbereich eingezeichnet. Diese spezielle Kontur wird später noch erläutert.In a further embodiment, additional electret regions with a high charge density are provided outside the electrode region on the surface of the base substrate as well as the cover substrate, with which ions are neutralized, which can result in the presence of discharge phenomena during the opening of the contacts. Fig. 7 shows such electret regions 7 , which partially surround the area of the base electret layer 12 in a frame shape. As can be seen further in FIG. 7, the base electret layer 12 has a contact 15 which is approximately circularly surrounding region and carries no charges. This area is shown with a boundary line 14 . In addition, the contour of the armature tongue 21 with the contact area is shown in broken lines in FIG. 7. This special contour will be explained later.

Fig. 7 zeigt demnach drei unterschiedlich aufgeladene Berei­ che der Elektretschicht, nämlich die rahmenförmig angeordne­ ten, hochaufgeladenen Elektretbereiche 7, die eigentliche Elektretschicht 12 mit einer definierten Ladungsdichte zwi­ schen 10-4 und 10-3 bzw. 10-2 C/m2 und den von der annähernd kreisförmigen Linie 14 abgegrenzten Kontaktbereich, der keine Oberflächenladungen trägt. Fig. 7 thus shows three different charged preparation surface of the electret layer, namely the frame-shaped manner arrange th, highly charged Elektretbereiche 7, the actual electret 12 with a defined charge density Zvi rule 10 -4 and 10 -3 and 10 -2 C / m 2 and the contact area delimited by the approximately circular line 14 , which carries no surface charges.

Das Kontaktsystem des Wechslerrelais besteht gemäß Fig. 5 aus einem Basis-Festkontakt 15, einem Deckel-Festkontakt 16 und einem beweglichen Mittelkontakt 17, der auf der Ankerzun­ ge 21 angeordnet ist. Die Ankerzunge 21 ist in Fig. 8 in Draufsicht dargestellt. Dabei sind leitende Bereiche dunkel eingefärbt (die ebenfalls leitende Elektrodenschicht der An­ kerzunge ist nicht gezeigt). Wie in Fig. 8 weiter zu sehen ist, ist der bewegliche Kontaktbereich 28 mit dem Mittelkon­ takt 17 durch spiralförmig bzw. sonnenradförmig ineinander­ greifende Schlitze 22 über bewegliche Stege 27 in der Anker­ zunge 21 aufgehängt, so daß er bei der Kontaktgabe jeweils aus der Ebene der Ankerzunge heraus bewegbar ist und auf die­ se Weise die gewünschte Kontaktkraft erhält. Eine derartige Gestaltung einer Ankerzunge mit beweglich aufgehängtem Kon­ takt ist bereits in der DE 44 37 259 C1 beschrieben. Der Kon­ takt ist über eine Leiterbahn 24 mit einem nicht dargestell­ ten Anschluß im Bereich der Einspannstelle der Ankerzunge 21 verbunden.The contact system of the relay changer is shown in FIG. 5 consists of a base fixed contact 15, a lid-fixed contact 16 and a movable center contact 17, the Ge on the Ankerzun 21 is arranged. The anchor tongue 21 is shown in plan view in FIG. 8. Conductive areas are colored dark (the likewise conductive electrode layer of the plug tongue is not shown). As can be seen further in Fig. 8, the movable contact area 28 with the Mittelkon clock 17 by spiral or sun gear-shaped interlocking slots 22 via movable webs 27 in the anchor tongue 21 , so that it is in contact with each other out of the plane the anchor tongue can be moved out and receives the desired contact force in this way. Such a design of an anchor tongue with a movably suspended contact is already described in DE 44 37 259 C1. The contact is connected via a conductor track 24 to a connection (not shown) in the area of the clamping point of the armature tongue 21 .

Anstelle der in Fig. 8 dargestellten Sonnenradgestaltung für die Kontaktaufhängung sind auch andere Möglichkeiten denkbar. So ist in Fig. 9 eine Torsionsbandaufhängung gezeigt. In diesem Fall ist ein Brückenkontakt 24 über Torsionsbänder 25 aufgehängt, die ihrerseits durch entsprechend gestaltete Schlitze 26 von der eigentlichen Ankerzunge getrennt sind. Mit derartigen Strukturen erreicht man eine sichere, großflä­ chige Kontaktgabe mit lateraler Relativbewegung der Kontakt­ stücke beim Schließen und Öffnen, wodurch man auch einen Selbstreinigungeffekt erzielt.Instead of the sun gear design for the contact suspension shown in FIG. 8, other possibilities are also conceivable. A torsion band suspension is shown in FIG. 9. In this case, a bridge contact 24 is suspended via torsion straps 25 , which in turn are separated from the actual anchor tongue by appropriately designed slots 26 . With such structures, a safe, large-surface contact with lateral relative movement of the contact pieces when closing and opening is achieved, which also achieves a self-cleaning effect.

In den Fig. 10 und 11 sind die wesentlichen Herstellungs­ schritte für ein Relais gemäß Fig. 5 gezeigt. Dargestellt ist jeweils ein Längsschnitt durch das jeweilige Substrat, wobei lediglich die wichtigsten Prozeßschritte aufgeführt werden. So wird beispielsweise nicht auf Zwischenschritte wie Maskieren oder Aufbringen von fertigungstechnisch notwendigen Zusatzschichten mit Haftvermittlern, Diffusionssperren usw. eingegangen. Derartige Verfahrensschritte sind den Fachleuten in der Bearbeitung von Siliziumwafern oder dergleichen Substraten in der Halbeitertechnik bzw. in der mikromechani­ schen Verfahrenstechnik bekannt.In Figs. 10 and 11, the manufacturing steps are substantially for a relay according to Fig. 5. A longitudinal section through the respective substrate is shown, only the most important process steps being listed. For example, intermediate steps such as masking or applying additional layers that are necessary in terms of production technology with adhesion promoters, diffusion barriers, etc. are not dealt with. Such process steps are known to those skilled in the processing of silicon wafers or similar substrates in semiconductor technology or in micromechanical process technology.

Fig. 10A zeigt grundsätzlich einen Schnitt durch ein Silizi­ umsubstrat 100, welches als Ausgangssubstrat für ein Basis­ substrat 1 oder ein Deckelsubstrat 3 dient. Dieses Substrat 100 wird zunächst oberflächlich abgetragen, um die für den keilförmigen Arbeitsluftspalt erforderliche gekrümmte Ober­ fläche 101 zu erhalten. Wie aus Fig. 10B ersichtlich ist, werden aus fertigungstechnischen Gründen jeweils zwei spie­ gelverkehrt angeordnete Substratsysteme gleichzeitig gefer­ tigt, nämlich eine Elektrodenoberfläche 101A in der linken Hälfte des Substrats und eine gespiegelte Elektrodenoberflä­ che 101b in der rechten Hälfte des Substrats. Die Erzeugung dieses Basiselektrodenprofils erfolgt vorzugsweise mittels Grauton-Lithografie; denkbar wären aber auch andere Bearbei­ tungsverfahren, etwa die Opferschichttechnik oder andere Ätz­ verfahren aus der Halbleiterbearbeitung. FIG. 10A generally shows a section through a Silizi umsubstrat 100 which substrate as the starting substrate for a base 1 and a lid substrate 3 is used. This substrate 100 is first removed on the surface in order to obtain the curved upper surface 101 required for the wedge-shaped working air gap. As can be seen from FIG. 10B, two substrate systems arranged in a mirror-inverted fashion are produced at the same time for manufacturing reasons, namely an electrode surface 101 A in the left half of the substrate and a mirrored electrode surface 101 b in the right half of the substrate. This base electrode profile is preferably generated using gray-tone lithography; However, other processing methods would also be conceivable, such as sacrificial layer technology or other etching methods from semiconductor processing.

Danach werden nacheinander die in Fig. 10C fertig gezeigten Schichten aufgebracht, nämlich eine Isolationsschicht 102, eine Metallschicht 103, welche zur Bildung einer Antriebse­ lektrode und gegebenenfalls von Lastkreiszuführungen struktu­ riert wird, und eine Isolationsschicht 104 für die Elektret­ flächen, welche ebenfalls entsprechend strukturiert wird. Dann wird gemäß Fig. 10D eine weitere Isolationsschicht 105 aufgebracht und zur Bildung der Abstandsstege 13 bzw. 33 (Fig. 5) strukturiert. Schließlich werden auf der Metall­ schicht 103 durch galvanisches Verstärken feststehende Kon­ taktstücke 106 ausgebildet. Außerdem werden durch struktu­ riertes Aufladen der Isolationsschicht 104 mit elektrischen Ladungen 107 die gewünschten Elektretschichten (siehe Fig. 7) gebildet. Dabei wird beispielsweise im Bereich der eigent­ lichen Elektretschichten ein Potential von ca. ±10 bis ±50 V, gebildet, während im äußeren Absaugbereich der rah­ menförmigen Elektretflächen 7 ein Potential von ca. ±100 bis ±300 V erzeugt wird.Then, the layers shown in FIG. 10C are applied one after the other, namely an insulation layer 102 , a metal layer 103 , which is structured to form a drive electrode and, if necessary, load circuit leads, and an insulation layer 104 for the electret surfaces, which is also structured accordingly . A further insulation layer 105 is then applied in accordance with FIG. 10D and structured to form the spacer webs 13 and 33 ( FIG. 5). Finally, fixed contact pieces 106 are formed on the metal layer 103 by galvanic amplification. In addition, the desired electret layers (see FIG. 7) are formed by structurally charging the insulation layer 104 with electrical charges 107 . For example, a potential of approximately ± 10 to ± 50 V is formed in the area of the actual electret layers, while a potential of approximately ± 100 to ± 300 V is generated in the outer suction region of the frame-shaped electret surfaces 7 .

In Fig. 11 ist schematisch die weitere Gewinnung einer Ankerelektrode und deren Verbindung mit einer Basiselektrode und einer Deckelelektrode dargestellt. Dabei wird zunächst ein plattenförmiges Ankersubstrat 200 auf der Waferunterseite mit einer Isolationsschicht 201 versehen, und auf dieser Iso­ lationsschicht wird eine Metallschicht 202 aufgebracht und zur Bildung einer Ankerelektrode und gegebenenfalls von Last­ kreiszuführungen strukturiert. Danach wird eine weitere Iso­ lationsschicht 203 aufgebracht und strukturiert, wie dies in Fig. 11A gezeigt ist. Durch galvanisches Verstärken werden gemäß Fig. 11B auf der Metallschicht 202 bewegliche Kontakte 204 ausgebildet.In Fig. 11, the further recovery of an anchor electrode and its connection is shown with a base electrode and a cover electrode schematically. First, a plate-shaped armature substrate 200 is provided on the underside of the wafer with an insulation layer 201 , and a metal layer 202 is applied to this insulation layer and structured to form an armature electrode and, if appropriate, load feeds. A further insulation layer 203 is then applied and structured, as shown in FIG. 11A. By galvanic amplifying Fig be formed on the metal layer 202 of movable contacts 204 according 11B..

Das so gewonnene und strukturierte Ankersubstrat 200 wird auf ein Basissubstrat 100, das gemäß Fig. 10E gestaltet ist, an­ odisch oder eutektisch oder auf andere Weise gebondet (Fig. 11C). Danach wird gemäß Fig. 11D das Ankersubstrat bis auf eine gewünschte Dicke der Ankerzunge 21 abgeätzt. Eine solche Dicke liegt beispielsweise in der Größenordnung von 10 µm. Die so gewonnene Ankerzungenschicht 210 könnte nun, falls le­ diglich ein Öffner oder Schließer gemäß Fig. 3 und 4 er­ zeugt werden soll, in der Mitte im Bereich 211 getrennt wer­ den, so daß zwei in Klammern bezeichnete, spiegelverkehrt an­ geordnete Ankerzungen 21 gewonnen würden.The thus obtained and structured armature substrate 200 is bonded to a base substrate 100 , which is designed according to FIG. 10E, odorically or eutectically or in another way ( FIG. 11C). Thereafter, the anchor substrate is Fig invention. 11D etched down to a desired thickness of the anchor tongue 21. Such a thickness is on the order of 10 µm, for example. The thus obtained anchor tongue layer 210 could now, if le diglich an opener or closer according to FIGS . 3 and 4, it should be created, separated in the middle in the area 211 who the, so that two indicated in parentheses, mirror-inverted to ordered anchor tongues 21 would be obtained .

Zur Gewinnung eines Wechslerrelais gemäß Fig. 5 wird jedoch die Oberseite der Ankerzungenschicht 210 weiter strukturiert, nämlich durch Aufbringen einer weiteren Isolationsschicht 205, durch Aufbringen und Strukturieren einer Metallschicht 206 für eine weitere Antriebselektrode und gegebenenfalls für Lastkreiszuführungen sowie durch Aufbringen und Strukturieren einer weiteren Isolationsschicht 207 (Fig. 11E). Danach wer­ den durch galvanisches Verstärken der Metallschicht 206 be­ wegliche Kontaktstücke 208 ausgebildet (Fig. 11F), und schließlich werden zwei Ankerzungen 21 durch lateral struktu­ riertes, dreiseitiges Freilegen gewonnen, wie dies in Fig. 11G gezeigt ist. Schließlich wird ein Deckelsubstrat 300, das wie das Basissubstrat 100 gemäß Fig. 10E gestaltet ist, von oben mit der strukturierten Oberfläche nach unten auf das An­ kersubstrat 200 gebondet. Auf diese Weise ist gemäß Fig. 11H ein Relais mit zwei einander gegenüberstehenden Ankerzungen 21 gebildet, wobei die Basis-Festkontakte 15 und die Deckel-Fest­ kontakte 16 beider Systeme über die Metallschichten 103 zusammenhängen. Sollen die Systeme getrennt schaltbar sein, so wären im Fertigungsverlauf diese Schichten entsprechend voneinander zu trennen bzw. zu isolieren.For obtaining a changeover relay in FIG. 5, however, the top of the anchor tongue layer 210 is further patterned, namely by applying a further insulating layer 205 by depositing and patterning a metal layer 206 for a further drive electrode, and optionally for the load circuit supply lines and by depositing and patterning a further insulating layer 207 ( Fig. 11E). Thereafter, the movable contact pieces 208 are formed by galvanically strengthening the metal layer 206 ( FIG. 11F), and finally two anchor tongues 21 are obtained by laterally structured, three-sided exposure, as shown in FIG. 11G. Finally, a cover substrate 300 , which is designed like the base substrate 100 according to FIG. 10E, is bonded from above with the structured surface down to the anchor substrate 200 . In this way, as shown in FIG. 11H, a relay is formed with two opposing armature tongues 21 , the base fixed contacts 15 and the cover fixed contacts 16 of both systems being connected via the metal layers 103 . If the systems were to be switchable separately, these layers would have to be separated or insulated accordingly in the course of production.

In der Praxis erfolgt die Bearbeitung der einzelnen Substrate nicht nur mit zwei Ankerzungen gemäß Fig. 10 und 11, son­ dern im Vielfachen, so daß eine Matrixanordnung mit einer Viel­ zahl von Relaissystemen gewonnen wird. Ein derartiges Viel­ faches ist in Fig. 12 gezeigt, wobei ein gemeinsames Basis­ substrat 100 und ein gemeinsames Deckelsubstrat 300 ein An­ kersubstrat 200 mit einer Vielzahl von Ankerzungen 21 ein­ schließen. Die einzelnen Schalteinheiten mit jeweils einer Ankerzunge 21 können dabei durch entsprechende Gestaltung der Zuführungsbahnen getrennt oder parallel angesteuert und ge­ schaltet werden.In practice, the processing of the individual substrates is carried out not only with two anchor tongues according to FIGS . 10 and 11, but in multiples, so that a matrix arrangement with a large number of relay systems is obtained. Such a multiple is shown in FIG. 12, with a common base substrate 100 and a common cover substrate 300 including a core substrate 200 with a plurality of anchor tongues 21 . The individual switching units, each with an armature tongue 21, can be controlled separately or in parallel and switched by appropriate design of the feed paths.

In den Fig. 13 bis 15 sind Weg-Spannungskennlinien für die drei in Betracht kommenden Schaltungscharakteristiken darge­ stellt. Es ist jeweils über einer Ansteuerspannung U die Aus­ lenkung s der Ankerzunge dargestellt. Dabei ergibt sich je­ weils eine geschlossene Hystereseschleife. Die Fig. 13 zeigt die Kennlinien für einen bistabilen Wechsler. Dabei wird bei einer Spannung -U1 ein erster Kontakt mit der Auslenkung +s1 geschlossen. Durch entsprechende Aufladung des Elektrets wird die Ankerzunge in dieser Position festgehalten, auch wenn die Spannung abgeschaltet wird. Erst bei einer positiven Spannung +U1 wird die Ankerzunge umgeschaltet, so daß ein zweiter Kon­ takt mit der Federauslenkung -s1 geschlossen wird.In Figs. 13 to 15 Off-voltage characteristic curves for the three eligible circuit characteristics provides Darge. It is shown from a control voltage U from the steering s of the armature tongue. This results in a closed hysteresis loop. Fig. 13 shows the characteristics of a bistable change-over. At a voltage -U1, a first contact is made with the deflection + s1. By charging the electret accordingly, the anchor tongue is held in this position, even when the voltage is switched off. Only when the voltage is positive + U1 is the armature tongue switched so that a second contact with the spring deflection -s1 is closed.

Fig. 14 zeigt die Kennlinie eines monostabilen Wechslers. Im unerregten Zustand wird die Ankerzunge durch die Elektret­ schicht nach einer Seite mit der Federauslenkung +s1 ausge­ lenkt und festgehalten, so daß ein entsprechender Ruhekontakt geschlossen ist. Erst bei einer Spannung U2 wird die Anker­ zunge umgeschaltet, so daß mit der Auslenkung -s1 ein Ar­ beitskontakt geschlossen wird. Nach Absenken der Erregerspan­ nung auf den Wert U3 überwiegt die Anziehungskraft des gegen­ überliegenden Elektrets, so daß die Ankerzunge ungeschaltet und der Ruhekontakt wieder geschlossen wird. Fig. 14 shows the characteristic of a monostable changer. In the de-energized state, the armature tongue is deflected and held by the electret layer to one side with the spring deflection + s1, so that a corresponding normally closed contact is closed. Only at a voltage U2, the armature tongue is switched so that an Ar beitskontakt is closed with the deflection -s1. After lowering the excitation voltage to the value U3, the attraction of the opposite electret prevails, so that the armature tongue is switched and the normally closed contact is closed again.

Fig. 15 zeigt einen Dreipunktschalter. In diesem Fall nimmt die Ankerzunge bei Fehlen einer Erregung immer eine mittlere Ruhelage (Nullage) ein, bei der keiner der Kontakte geschlos­ sen ist. Bei Anlegen einer positiven Spannung U4 wird ein er­ ster Kontakt geschlossen (mit der Federauslenkung -s1). Diese Schaltstellung ist aber nicht stabil, sondern bei Absinken der Spannung auf den Wert +U5 kehrt die Ankerzunge in die Nullage zurück. Bei einer negativen Erregerspannung -U6 wird ein zweiter Kontakt bei der Federauslenkung +s1 geschlossen, der sich bei Absinken der negativen Spannung auf den Wert -U7 wieder öffnet. Es wird so ein Dreipunktschalter mit zwei ge­ trennten Schließerkontakten und einer Nullage geschaffen. Fig. 15 shows a three-point switch. In this case, the anchor tongue always assumes a middle rest position (zero position) in the absence of excitation, in which none of the contacts are closed. When a positive voltage U4 is applied, a first contact is closed (with the spring deflection -s1). However, this switch position is not stable, but when the voltage drops to the value + U5 the armature tongue returns to the zero position. With a negative excitation voltage -U6, a second contact is closed at spring deflection + s1, which opens again when the negative voltage drops to the value -U7. A three-point switch with two separate normally open contacts and a zero position is thus created.

Das einzelne Relaissystem oder die Relais-Vielfachanordnung wird in üblicher Weise in einem Gehäuse untergebracht, das nicht eigens dargestellt ist. Ein solches Gehäuse wird vor­ zugsweise hermetisch dicht abgeschlossen und beispielsweise evakuiert oder mit einem Schutzgas (N2 oder SF6) gefüllt. Ferner ist es zweckmäßig, das Gehäuse zum Zwecke einer elek­ trostatischen Abschirmung aus Metall herzustellen.The individual relay system or the relay multiple arrangement is accommodated in a conventional manner in a housing, which is not specifically shown. Such a housing is hermetically sealed and preferably evacuated or filled with a protective gas (N 2 or SF 6 ). Furthermore, it is expedient to manufacture the housing from metal for the purpose of an electrostatic shielding.

Alle Darstellungen in den Ausführungsbeispielen sind stark vergrößert, wobei die Größenverhältnisse nicht in allen Fäl­ len maßstäblich sind; insbesondere sind einige Schichtdicken der Anschaulichkeit halber übertrieben gezeichnet. Typische Abmessungen einer Ankerzunge sind beispielsweise:
Länge: 1500-2000 µm
Breite: ca. 1000 µm
Dicke: 10 µm.All representations in the exemplary embodiments are greatly enlarged, the proportions not being to scale in all cases; in particular, some layer thicknesses are exaggerated for the sake of clarity. Typical dimensions of an anchor tongue are, for example:
Length: 1500-2000 µm
Width: approx. 1000 µm
Thickness: 10 µm.

Claims (24)

1. Mikromechanisches elektrostatisches Relais mit
  • - einem Festkörper als Basissubstrat (1),
  • - einer aus festem Material freigearbeiteten, flexiblen An­ kerzunge (21), welche einseitig an dem Basissubstrat (1) angebunden ist und mit diesem einen keilförmigen, sich zum offenen Ende hin stetig erweiternden Arbeitsluftspalt (10) bildet,
  • - einer auf dem Basissubstrat (1) ausgebildeten, flächigen Basiselektrode (19),
  • - einer auf der Ankerzunge (21) ausgebildeten, der Basiselek­ trode (19) flächig gegenüberstehenden Ankerelektrode (28, 29),
  • - mindestens einem auf dem Basissubstrat (1) angeordneten feststehenden Kontakt (5; 15) und
  • - mindestens einem auf der Ankerzunge (21) angeordneten, dem feststehenden Kontakt (5; 15) gegenüberstehenden beweglichen Kontakt (6; 17),
    gekennzeichnet durch
  • - mindestens eine auf dem Basissubstrat (1) oder der Anker­ zunge (21) angeordnete, in die Oberfläche des keilförmigen Arbeitsluftspaltes einbezogene Elektretschicht (4; 12; 32).
1. Micromechanical electrostatic relay with
  • - a solid as a base substrate ( 1 ),
  • - A made of solid material, flexible to tongue ( 21 ), which is connected on one side to the base substrate ( 1 ) and forms a wedge-shaped working air gap ( 10 ) which widens towards the open end,
  • - a flat base electrode ( 19 ) formed on the base substrate ( 1 ),
  • - An on the armature tongue ( 21 ) formed, the Basiselek electrode ( 19 ) flat opposite armature electrode ( 28 , 29 ),
  • - At least one fixed contact ( 5 ; 15 ) arranged on the base substrate ( 1 ) and
  • - at least one movable contact ( 6 ; 17 ) arranged on the anchor tongue ( 21 ) and opposite the fixed contact ( 5 ; 15 ),
    marked by
  • - At least one on the base substrate ( 1 ) or the anchor tongue ( 21 ) arranged in the surface of the wedge-shaped working air gap included electret layer ( 4 ; 12 ; 32 ).
2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basis­ substrat (1) eine ebene Oberfläche (11) aufweist und daß die Ankerzunge (21) von dem Basissubstrat (1) weg in einer stetig gekrümmten Grundform vorgespannt ist.2. Relay according to claim 1, characterized in that the base substrate (1) has a flat surface (11) and that the armature tongue (21) is biased from the base substrate (1) away in a continuously curved basic shape. 3. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker­ zunge (21) eine ebene Grundform besitzt und daß das Basis­ substrat (1) eine von der Ankerzunge (21) weg stetig gekrümm­ te Oberfläche (11) aufweist. 3. Relay according to claim 1, characterized in that the armature tongue ( 21 ) has a flat basic shape and that the base substrate ( 1 ) has a surface of the armature tongue ( 21 ) continuously curved te ( 11 ). 4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trischen Ladungen der Elektretschicht (4) eine Anzugskraft zwischen dem Basissubstrat (1) und der Ankerzunge (21) erzeu­ gen, die geringer ist als die von dem Basissubstrat (1) weg­ gerichtete Vorspannungskraft der Ankerzunge (21), so daß ein Schließerkontakt gebildet wird,4. Relay according to one of claims 1 to 3, characterized in that the elec trical charges of the electret layer ( 4 ) generate a pulling force between the base substrate ( 1 ) and the armature tongue ( 21 ), which is less than that of the base substrate ( 1 ) directed biasing force of the armature tongue ( 21 ), so that a normally open contact is formed, 5. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trischen Ladungen der Elektretschicht (4) eine Anzugskraft zwischen dem Basissubstrat (1) und der Ankerzunge (21) erzeu­ gen, die größer ist als die von dem Basissubstrat weggerich­ tete Vorspannungskraft der Ankerzunge (21), so daß ein Öff­ nerkontakt gebildet wird.5. Relay according to one of claims 1 to 3, characterized in that the elec trical charges of the electret layer ( 4 ) generate a pulling force between the base substrate ( 1 ) and the armature tongue ( 21 ) which is greater than that away from the base substrate Tete biasing force of the armature tongue ( 21 ), so that an open contact is formed. 6. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich
ein Deckelsubstrat (3) über dem Basissubstrat (1) unter Bil­ dung eines stetig keilförmigen Luftspaltes (10) angeordnet ist und eine der Ankerelektrode (28, 29) flächig gegenüberste­ hende Deckelelektrode (39) trägt,
daß die Ankerzunge (21) zwischen den beiden Substraten (1, 3) eingespannt ist und sich in einer ersten Schaltstellung an das Deckelsubstrat (3) und einer zweiten Schaltstellung an das Basissubstrat (1) anzulegen vermag und
daß auf dem Basissubstrat (1) und dem Deckelsubstrat (3) je­ weils eine Elektretschicht (12; 32) mit Ladungen von jeweils unterschiedlicher Polarität angeordnet ist.6. Relay according to one of claims 1 to 5,
characterized in that in addition
a cover substrate ( 3 ) is arranged above the base substrate ( 1 ) with the formation of a continuously wedge-shaped air gap ( 10 ) and carries a cover electrode ( 39 ) which is flat across from the armature electrode ( 28 , 29 ),
that the armature tongue (21) is clamped between the two substrates (1, 3) and can be applied in a first switching position of the cover substrate (3) and a second switching position on the base substrate (1) and
that an electret layer ( 12 ; 32 ) with charges of different polarities is arranged on the base substrate ( 1 ) and the cover substrate ( 3 ). 7. Relais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der elektrischen Ladungen in beiden Elektretschichten (12, 32) dem Betrag nach gleich ist. 7. Relay according to claim 6, characterized in that the sum of the electrical charges in both electret layers ( 12 , 32 ) is the same amount. 8. Relais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der elektrischen Ladungen in beiden Elektretschichten (12, 32) dem Betrag nach unterschiedlich ist.8. Relay according to claim 6, characterized in that the sum of the electrical charges in the two electret layers ( 12 , 32 ) is different in amount. 9. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den keilförmigen Luftspalt (10) zwischen dem Basissubstrat (1), der Ankerzunge (21) und gegebenenfalls dem Deckelsubstrat (3) bildenden gekrümmten Oberflächen jeweils in der Nähe der Ein­ spannung der Ankerzunge (21) einen Bereich größter Krümmung aufweisen.9. Relay according to one of claims 1 to 8, characterized in that the wedge-shaped air gap ( 10 ) between the base substrate ( 1 ), the armature tongue ( 21 ) and optionally the cover substrate ( 3 ) forming curved surfaces in each case in the vicinity of the one tension of the anchor tongue ( 21 ) have an area of greatest curvature. 10. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elek­ tretschicht (4; 12; 32) jeweils durch eine isolierende Molekül­ verbindung ihres jeweiligen Trägersubstrats (1; 21; 3) gebildet ist.10. Relay according to one of claims 1 to 9, characterized in that each elec tretschicht ( 4 ; 12 ; 32 ) each by an insulating molecule connection of their respective carrier substrate ( 1 ; 21 ; 3 ) is formed. 11. Relais nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Basis­ substrat (1) und/oder die Ankerzunge (21) und/oder gegebenen­ falls das Deckelsubstrat (3) aus Silizium bestehen und daß die Elektretschicht (4; 12, 32) jeweils ganz oder teilweise aus Siliziumdioxid (SiO2) gebildet ist.11. Relay according to claim 10, characterized in that the base substrate ( 1 ) and / or the armature tongue ( 21 ) and / or given if the cover substrate ( 3 ) consist of silicon and that the electret layer ( 4 ; 12 , 32 ) each is wholly or partly formed from silicon dioxide (SiO 2 ). 12. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die jewei­ lige Elektretschicht (12, 32) aus ihrer Oberfläche hervortre­ tende, in Längsrichtung der Ankerzunge verlaufende, ladungs­ freie Abstandsstege (13, 33) aufweist.12. Relay according to one of claims 1 to 11, characterized in that the respective electri layer ( 12 , 32 ) from its surface projected, extending in the longitudinal direction of the armature tongue, charge-free spacer webs ( 13 , 33 ). 13. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Substrate (1, 3) jeweils seitlich neben den Elektro­ den (19, 39) hochaufgeladene Elektretbereiche (7) aufweist. 13. Relay according to one of claims 1 to 12, characterized in that at least one of the substrates ( 1 , 3 ) each laterally next to the electrical ( 19 , 39 ) has highly charged electret regions ( 7 ). 14. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker­ zunge (21) im Bereich ihres beweglichen Endabschnittes minde­ stens einen, den beweglichen Kontakt (17) tragenden, über flexible Bänder (25; 27) aus der Ankerebene heraus elastisch bewegbaren Kontaktabschnitt (24, 28) aufweist.14. Relay according to one of claims 1 to 13, characterized in that the anchor tongue ( 21 ) in the region of its movable end section at least one, the movable contact ( 17 ) carrying, via flexible bands ( 25 ; 27 ) out of the anchor plane has elastically movable contact section ( 24 , 28 ). 15. Relais nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker­ zunge (21) einen beweglichen Kontakt (17) trägt, der über ei­ ne Leiterbahn (23) mit einem Lastanschluß verbunden ist und mit je einem ortsfesten Gegenkontakt (15, 16) des Basis­ substrats (1) und/oder des Deckelsubstrats (3) zusammenwirkt.15. Relay according to claim 14, characterized in that the armature tongue ( 21 ) carries a movable contact ( 17 ) which is connected via egg ne conductor track ( 23 ) to a load connection and each with a stationary counter contact ( 15 , 16 ) of Base substrate ( 1 ) and / or the lid substrate ( 3 ) cooperates. 16. Relais nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anker­ zunge einen beweglichen Brückenkontakt (24) ohne Lastanschluß trägt, der mit jeweils zwei ortsfesten Gegenkontakten (15) des Basissubstrats (1) und/oder des Deckelsubstrats (3) zu­ sammenwirkt.16. Relay according to claim 14, characterized in that the armature tongue carries a movable bridge contact ( 24 ) without a load connection, which cooperates with two fixed mating contacts ( 15 ) of the base substrate ( 1 ) and / or the cover substrate ( 3 ). 17. Anordnung einer Mehrzahl von Relais nach einem der An­ sprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß alle Relais zumindest über ihre Basissubstrate (1) an einem einstückigen Trägersubstrat (199) in Vielfach-Anordnung zusammenhängen.17. Arrangement of a plurality of relays according to one of claims 1 to 16, characterized in that all relays are connected at least via their base substrates ( 1 ) to a one-piece carrier substrate ( 199 ) in a multiple arrangement. 18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Trägersubstrat (100) Steuerleitungen für jedes einzelne Re­ lais vorgesehen sind.18. The arrangement according to claim 17, characterized in that on the carrier substrate ( 100 ) control lines are provided for each individual relay. 19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Trägersubstrat (100) Ansteuerleitungen zur parallelen An­ steuerung mehrerer Relais vorgesehen sind. 19. The arrangement according to claim 17, characterized in that on the carrier substrate ( 100 ) control lines for parallel control of several relays are provided. 20. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie in ei­ nem metallischen Abschirmgehäuse angeordnet ist.20. The arrangement according to claim 17, characterized in that they are in egg nem metallic shield housing is arranged. 21. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß es einzeln oder in einer Mehrfachanordnung in einem mit Schutzgas ge­ fülltem Gehäuse angeordnet ist.21. Relay according to one of claims 1 to 20, characterized in that it is individually or in a multiple arrangement in a ge with protective gas filled housing is arranged. 22. Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß
in einem kristallinen Basissubstrat (100) durch Abtragung der Oberfläche ein dem gewünschten keilförmigen Luftspalt ent­ sprechendes Profil erzeugt und durch selektive Beschichtung und Strukturierung mindestens eine Isolationsschicht (102), eine Metallschicht (103) zur Bildung der Basiselektrode und mindestens einer Lastkreiszuführung, eine mit elektrischen Ladungen versehene Isolationsschicht (104) als Elektret­ schicht sowie mindestens ein Kontaktstück (106) ausgebildet werden,
daß auf der Unterseite eines Ankersubstrats (200) durch se­ lektive Beschichtung und Strukturierung mindestens eine Iso­ lationsschicht (201), eine Metallschicht (202) zur Bildung einer Ankerelektrode und mindestens eines beweglichen Kontak­ telementes sowie eine Oberflächen-Isolationsschicht (203) er­ zeugt werden,
daß das Ankersubstrat (200) mit seiner strukturierten Unter­ seite auf die strukturierte Oberseite des Basissubstrats (100) gebondet sowie bis auf eine gewünschte Ankerdicke abge­ tragen wird und daß dann die Kontur des Ankers von drei Sei­ ten her freigelegt wird.22. A method for producing one or more relays according to one of claims 1 to 21,
characterized in that
in a crystalline base substrate ( 100 ) by removing the surface, a profile corresponding to the desired wedge-shaped air gap is generated and by selective coating and structuring at least one insulation layer ( 102 ), a metal layer ( 103 ) for forming the base electrode and at least one load circuit lead, one with electrical Charge-provided insulation layer ( 104 ) as an electret layer and at least one contact piece ( 106 ) are formed,
that on the underside of an armature substrate ( 200 ) by selective coating and structuring at least one insulation layer ( 201 ), a metal layer ( 202 ) for forming an armature electrode and at least one movable contact element and a surface insulation layer ( 203 ) are produced,
that the armature substrate ( 200 ) with its structured underside is bonded to the structured upper side of the base substrate ( 100 ) and is worn down to a desired armature thickness, and that the contour of the armature is then exposed from three sides. 23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein kri­ stallines Deckelsubstrat (300) in analoger Weise wie das Ba­ sissubstrat (100) beschichtet und strukturiert wird und daß dieses Deckelsubstrat (300) mit seiner strukturierten Seite auf das Ankersubstrat (200) gebondet wird.23. The method according to claim 20, characterized in that a crystalline lid substrate ( 300 ) is coated and structured in an analogous manner to the base substrate ( 100 ) and that this lid substrate ( 300 ) is bonded with its structured side onto the armature substrate ( 200 ) becomes. 24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die ge­ krümmte Luftspaltoberfläche des Basissubstrats (1) und/oder des Deckelsubstrats (3) durch Grauton-Lithografie erzeugt wird.24. The method according to claim 22 or 23, characterized in that the ge curved air gap surface of the base substrate ( 1 ) and / or the lid substrate ( 3 ) is generated by gray-tone lithography.
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