DE19950373B4

DE19950373B4 - Mikromechanisches Relais mit federndem Kontakt und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE19950373B4
Application number: DE19950373A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. Hechtfischer
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2019-10-20
Also published as: DE19950373A1; DE19950964A1; DE19950964B4

Abstract

Mikromechanisches Relais zum Schalten von Hochfrequenzsignalen, mit einer auf einem Substrat angeordneten Bodenelektrode, einem über ein Verbindungselement mit dem Substrat verbundenen beweglichen Element, das eine Gegenelektrode bildet und einen elektrisch leitenden Kontaktbügel trägt,
zwei Steuerleitungen mit jeweils einem Widerstand im kΩ-Bereich zum Ansteuern von Boden- und Gegenelektrode und zwei über einen Koppelspalt voneinander beabstandeten Kontaktflächen;
wobei das bewegliche Element mit dem Kontaktbügel bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Boden- und Gegenelektrode in Richtung der Bodenelektrode bewegt wird, wodurch der Kontaktbügel eine elektrische Verbindung zwischen den voneinander beabstandeten Kontaktflächen herstellt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die geometrische Form der Kontaktflächen und/oder eines in einer zum Substrat parallelen Ebene gebildeten Querschnitts des Verbindungselementes derart von der Form eines einfachen Rechteckes abweicht, daß eine unerwünschte Überkopplung zwischen den Kontaktflächen reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Relais laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Mikromechanische Relais dieser Art sind bekannt ( DE 196 46 667 C2 , DE 197 30 715 C1 bzw. DE 40 08 832 C1 ). Zur Verringerung des Übersprechens bei hohen Frequenzen im GHz-Bereich ist bei solchen mikromechanischen Relais auch schon bekannt, die beiden Steuerleitungen zum Ansteuern der Bodenelektrode bzw. Gegenelektrode relativ hochohmig auszubilden und beispielsweise zusätzliche Widerstandselemente im kΩ-Bereich in die Steuerleitungen zwischenzuschalten ( DE 40 08 832 C1 ). Diese bekannte Entkopplungsmaßnahme ist in manchen Anwendungsfällen vor allem bei sehr hohen Frequenzen nicht ausreichend.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine solche Überkopplung von Signalen in den Steuerkreis solcher mikromechanischen Relais noch weiter zu minimieren.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem mikromechanischen Relais laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beim erfindungsgemäßen Relais werden durch eingekoppelte Signale hervorgerufenen Resonanzen nicht nur durch die in die Steuerleitungen eingebauten Widerstände reduziert, sondern vor allem auch durch die erfindungsgemäßen Abschrägungen der Kontaktflächen bzw. des Verbindungselements. Durch diese Abschrägungen wird einerseits die Isolation erhöht, da die Kopplung zwischen den Kontaktflächen der Streifenleitern stark gedämpft wird und außerdem der Weg von den Streifenleitern zum Verbindungselement erhöht und so die Überkopplung verringert wird. Außerdem wird die Kontaktkapazität verringert, so dass ein erfindungsgemäßes Mikro-Relais auch noch zum Schalten von sehr hohen Frequenzen bis zu 100 GHz geeignet ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
1 zeigt die einzelnen Schritte für die Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Relais,
2 zeigt den prinzipiellen Aufbau und die elektrische Wirkungsweise.
2 zeigt eine Mikrostreifenleitung mit Koppelspalt, der durch ein Mikrorelais überbrückt werden kann. Der Kontaktbügel des Mikrorelais ist dabei schmäler oder genauso breit wie der Streifenleiter. Ist der Kontaktbügel schmäler als der Streifenleiter, können die Enden, die auf das Milkrorelais zulaufen, abgeschrägt werden. Dies erhöht die Isolation, da die Kopplung zwischen den Streifenleitern aufgrund der geringeren Koppelfläche stärker gedämpft wird.
Das Mikrorelais ist über ein Ankerpad mit dem Substrat fest verbunden. Über dieses Ankerpad können ebenfalls Signale in den gegenüberliegenden Streifenleiter gelangen. Um hier eine verbesserte Dämpfung zu erreichen, müssen die Ankerpads erfindungsgemäß abgeschrägt werden (2). Dadurch erhöht sich der Weg vom Streifenleiter zum Ankerpad und die Überkopplung wird verhindert.
Darüberhinaus wird die Kopplung durch die geringe Kontaktkapazität des Mikrorelais stark gedämpft, so daß eine solche mit einem Mikrorelais schaltbar aufgebaute Mikrostreifenleitung auch noch zum Schalten von sehr hohen Frequenzen im GHz-Bereich geeignet ist. Schließlich kann ein solches Milkrorelais aufgrund der geringen Abmessungen hohe Frequenzen übertragen, da die Bauteilgröße sehr klein gegenüber der Wellenlänge ist.
Das Schaltsignal wird über den Streifenleiter reflexionsarm eingekoppelt, die Steuerleitungen werden über Bondpads und Bonddrähten an die Spannungsversorgung angeschlossen.
Das Verfahren zum Herstellen des Mikrorelais mit Widerstandleiter und federndem Kontakt wird anhand von 1 beschrieben.
Auf einem Al₂O₃-Keramiksubstrat wird eine NiCr-Schicht als Widerstandsschicht abgeschieden. Der Flächenwiderstand liegt hierbei im 1000hm/Square-Bereich. Anschließend wird eine Haftschicht zum Beispiel TiW und eine leitende Schicht zum Beispiel Gold aufgetragen. Diese drei Schichten werden zur Bodenelektrode und zu Steuerleitungen strukturiert, wobei Gold mit einer galvanischen Abscheidung aufgebracht wird und nachfolgend zur Aufrauhung der Oberfläche derselben angeätzt wird. Daraufhin wird bei den Steuerleitungen in einem definierten Bereich Gold und TiW entfernt, so daß ein NiCr-Widerstand entsteht (NiCr-Widerstand im kOhm-Bereich). Die Steuerleitungen sind somit als Widerstandsleiter definiert ( 1a).
Im nächsten Technologieschritt wird Polyimid aufgeschleudert, das als Distanzschicht zwischen Bodenelektrode und beweglicher Elektrode dient. In dieser auch als Opferschicht dienenden Polyimidschicht werden Vertiefungen eingeätzt (1a). Diese Vertiefungen werden durch die nachfolgende Siliziumdioxidabscheidung (SiO₂(1)) gefüllt. Nach Aufbau der gesamten Struktur und Entfernen der Opferschicht entsteht der bewegliche Balken, der durch Erhebungen und Vertiefungen an der Balkenunterseite gekennzeichnet ist (1d).
Der Aufbau des beweglichen Balkens erfolgt analog zu dem in DE 196 46 667 offenbarten Stand der Technik (1b). Allerdings wird die untere Druckspannungsschicht SiO₂(1) dicker abgeschieden als die obere Druckspannungsschicht SiO₂(2). Dadurch weist die untere Druckspannungsschicht ein größeres Volumen auf als die obere, so daß die resultierende Kraft der unteren Druckspannungsschicht größer ist als die obere. Nach dem Entfernen der Opferschicht führt dies zu einer Deformation des Balkens nach oben.
Nach Strukturieren des beweglichen Balkens wird eine zweite Polyimidschicht aufgebracht. Diese Polyimidschicht wird nicht nur an dem freien Ende des beweglichen Balkens gefenstert (wie in DE 196 46 667 ), sondern auch an den Stellen des festen Kontakts (1c). Darüberhinaus werden auch am Einspannpunkt die beiden Polyimidschichten örtlich entfernt. Bei der anschließenden Metallabscheidung (Haftschicht TiW und Galvanik-Gold) wird nun nicht nur der Kontaktbügel aufgebaut, sondern auch die Leiterbahnen zum festen Kontakt galvanisch verstärkt. Diese Verstärkung der Leiterbahn führt zu einem geringeren Leiterbahn widerstand und somit zu einem verbesserten Durchgangswiderstand.
Bei dieser Metallabscheidung wird auch eine Metallverbindung vom festen Ende des beweglichen Balkens zu einer Steuerleitung auf dem Substrat hergestellt. Die bewegliche Elektrode ist hiermit an der Steuerleitung angeschlossen und kann nun über den NiCr-Widerstand angesteuert werden. Auf der Rückseite des Al₂O₃-Substrats wird eine Haftschicht zum Beispiel TiW und eine Goldschicht abgeschieden. Diese Rückseitenmetallisierung ist für die Realisierung der Mikrostreifenleitung von 2 notwendig, da sie die planar gestaltete Elektrode mit Massekontakt darstellt, während die Streifenleitung von 2 als streifenförmige Elektrode dient.
Nach Entfernen der beiden Opferschichten entsteht das in 1d gezeigte Mikrorelais mit verformten beweglichen Balken und spannungskompensiertem Kontaktbügel. Der Abstand des beweglichen Balkens vom Substrat beträgt am Einspannpunkt zwischen 0,1 μm und 5μm und am freien Ende zwischen 0,1 μm und 100μm. Die Balkenlänge liegt zwischen 1 μm und 10000μm.
Der kuppelförmige oder auch rylinderförmige federnde Kontakt wird durch die örtliche Entfernung von Polyimid unterhalb des festen Kontaktes erreicht. Die Druckspannungsschicht SiO₂(1) drückt den Zweilagen-Metallverbund nach oben. Dabei ist der federnde Kontakt über Polyimidstützen auf dem Substrat verankert. Bleiben die Polyimidstützen nur auf zwei Seiten stehen, kommt es zur Ausbildung einer Zylinderfläche. Der federnde Kontakt ist dabei wie eine Brücke nur an zwei Seiten verankert. Wird dagegen der feste Kontakt an allen vier Seiten eingespannt, kommt es zu einem kuppelförmigen Kontakt. Mit beiden Ausführungsformen wird ein federnder Kontakt geschaffen.

Claims

Mikromechanisches Relais zum Schalten von Hochfrequenzsignalen, mit einer auf einem Substrat angeordneten Bodenelektrode, einem über ein Verbindungselement mit dem Substrat verbundenen beweglichen Element, das eine Gegenelektrode bildet und einen elektrisch leitenden Kontaktbügel trägt, zwei Steuerleitungen mit jeweils einem Widerstand im kΩ-Bereich zum Ansteuern von Boden- und Gegenelektrode und zwei über einen Koppelspalt voneinander beabstandeten Kontaktflächen; wobei das bewegliche Element mit dem Kontaktbügel bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Boden- und Gegenelektrode in Richtung der Bodenelektrode bewegt wird, wodurch der Kontaktbügel eine elektrische Verbindung zwischen den voneinander beabstandeten Kontaktflächen herstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Form der Kontaktflächen und/oder eines in einer zum Substrat parallelen Ebene gebildeten Querschnitts des Verbindungselementes derart von der Form eines einfachen Rechteckes abweicht, daß eine unerwünschte Überkopplung zwischen den Kontaktflächen reduziert wird.
Mikromechanisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite der Kontaktflächen zum Koppelspalt hin verringert.
Mikromechanisches Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite des Querschnitts des Verbindungselementes zum Koppelspalt hin verringert.