DE3207920C2

DE3207920C2 - Verfahren zur Herstellung eines elektrostatischen Relais

Info

Publication number: DE3207920C2
Application number: DE3207920A
Authority: DE
Inventors: John Christopher Harlow Essex Greenwood
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1981-03-17
Filing date: 1982-03-05
Publication date: 1984-02-09
Also published as: FR2502390A1; FR2502390B1; JPS57197728A; DE3207920A1; GB2095911A; US4480162A; GB2095911B; CH658541A5

Abstract

Ein elektrisches Kontaktelement (10) besteht aus einem Trägerbauteil aus elektrisch isolierend wirkendem Material, insbesondere Silizium, und es umfaßt einen vorzugsweise rahmenartigen Trägerkörper (11) und einen mit diesem aus einem Stück bestehenden Anker (12), der gelenkig mit dem Trägerkörper (11) verbunden und mit zumindest einem mit dem Anker (12) bewegbaren Kontakt (31) versehen ist. Das elektrische Kontaktelement (10) kann in einem Gehäuse vorgesehen sein, das hermetisch dicht abgeschlossen ist und entweder mit einem inerten Gas gefüllt oder evakuiert ist. Das Gehäuse enthält wenigstens einen Festkontakt (23) und der Trägerkörper (11) ist als Rahmen mit einer Aussparung (15) ausgebildet, in die der Anker (12) einschwenkt, wenn der elektrische Kontakt zwischen dem Kontakt (31) des Ankers (12) und dem Festkontakt (23) des Gehäuses geschlossen wird. Das elektrische Kontaktelement (10) ist durch eine Material-Abtragungstechnik aus einem einzigen insbesondere plattenförmigen Teil hergestellt und durch Aufdampftechnik mit zumindest einem elektrischen Kontakt (31) versehen.

Description

M)

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrostatischen ^h5 Relais gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrostatischen Relais ist beispielsweise bekannt aus der US-PS 29 42 077. Dort ist der Anker des Relais aus einem Kunststoffilm herausgesianzt. Kunststoffe sind jedoch nur bis zu relativ niedrigen Temperaturen -einsalzfähig und verlieren außerdem im Laufe der Zeit oder bei höheren und niedrigeren Temperaturen zum Teil voll ihre hier notwendigen Eigenschaften.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Weg anzugeben, wie der Anker eines elektrostatischen Relais auch noch bei sehr hohen und sehr niedrigen Temperaturen voll funktionsfähig bleibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Nebenanspruchs 6 angegebenen Merkmale gelöst Durch die Herstellung aus kristallinem Halbleitermaterial wird die Verwendung in einem sehr hohen Temperaturbereich gewährleistet und durch die Anwendung der Ätztechnik (Anspruch 1) bzw. der Laserstrahlbearbeitung (Anspruch 6) ist die Herstellung praktisch ohne Ausschuß möglich, da bei Anwendung dieser Verfahren keine Bruchgefahr besteht Weiterhin können noch sehr kleine Einheiten hergestellt werden, und zwar eine Vielzahl solcher aus einer einzigen Rahmenplatte, wie dies beispielsweise bei der Herstellung vo.j Dioden, Transistoren und integrierten Schaltkreisen praktiziert wird. Schließlich können die Einheiten zusammenhängend belassen werden und als Einheiten-Feld Anwendung finden.

Vorteilhaft wird für das kristalline Halbleitermaterial Silizium, insbesondere mit Bor dotiertes Silizium, verwendet und der elektrische Kontakt besteht aus goldhaltigem Material, beispielsweise einer Goldlegierung oder aus Gold.

Das Relais kann in an sich bekannter Weise in ein Gehäuse hermetisch dicht verschlossen eingebaut sein und das Gehäuseinnere kann mit einem inerten Gas gefüllt oder evakuiert sein.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktelementes,

Fig.2 einen Schnitt durch eine Kontakteinheit mit einem Kontaktelement gemäß F i g. 1 und die

Fig.3 und 4 verschiedene mögliche Kontaktanordnungen.

Gemäß Fig. 1 besteht die Kontakteinheit oder das Kontaktelement 10 aus einem Körper aus elastischem elektrisch isolierend wirkenden Material, typischerweise aus Silizium. Es enthält einen als im wesentlichen rechteckigen Rahmen 11 ausgebildeten Trägerkörper, in dem infolge einer geeigneten Aussparung 15 ein Anker 12 gebildet ist, der durch ein dünnes biegsames Gelenk 13 aus dem elastischen Material gehaltert ist Der Rahmen 11, der Anker 12 und das Gelenk 13 bilden eine bauliche Einheit. Die Lagerstellung des Ankers 12 ist durch als Federn 14 ausgebildete bzw. als solche wirkende Rückhaltemittel definiert, die je aus einer dünnen Faser des elastischen Materials bestehen und durch z. B. einen Ätzprozeß gebildet sind. Die Federn 14 sind ebenfalls mit dem Rahmen 11 und dem Anker 12 baulich vereinigt, also aus einem einzigen Teil hergestellt.

Die Kontakteinheit 10 der F i g. 1 kann aus verschiedenen Materialien bestehen, die sowohl elastische als auch elektrisch isolierend wirkende Eigenschaften besitzen. Die Herstellung kann beispielsweise durch Laserstrahlbearbeitung oder, wenn das Material in kristalliner Form vorliegt, durch eine selektiv wirkende Ätztechnik erfolgen.

Es wird vorgezogen, Silizium als Material für die Kontakteinheit zu verwenden. Es wurde gefunden, daß, obwohl Silizium strenggenommen kein Isolator, sondern ein Halbleiter ist, sein Widerstand in der Praxis ■ hoch genug ist, um eine wirksame Isolation iier auf ihm ;'.; aufgebrachten Schaltkontakte sicherzustellen.

Silizium wird normalerweise als elektronisches Material angesehen; es besitzt jedoch auch außeror-

^: dentiich gute mechanische Eigenschaften. Diese Kombination der beiden eingeprägten Eigenschaften und die Möglichkeit eVr Herstellung großer Einkristalle hoher

Ί Vollkommenheit bei geringen Kosten macht es für die Erfindung besonders geeignet. Es folgt dem Hookesche linearen Zug-/Dehnungs-Gesetz bis zum Bruchpunkt, ein plastisches Fließen ist bei mittlerer Belastung praktisch nicht vorhanden. Silizium zeigt eine Zähigkeit und Festigkeit, die mit denjenigen von Eisen verglichen werden kann und es ist sowohl thermisch als auch fr chemisch sehr stabil.

■i Die ursprüngliche Bearbeitung von Silizium durch

Ϊ chemische Formgebung und insbesondere die Hem-

;„ mung der Ätzung durch Dotierung mit Bor ist bereits so weit entwickelt worden, daß schon jetzt die Möglichkeit besteht, sehr komplizierte Strukturen mit hoher

;; Präzision und Wiederholbarkeit herzustellen. Der Formgebungsprozeß besteht in chemischen Ätzvorgängen, die auf verschiedenen Kristallflächen stark bevorzugt und außerdem von der Höhe der Dotierung abhängig sind. Mit dem bekannten Wissen über die verschiedenen Ätzgeschwindigkeiten entlang der einzelnen Kristallachsen kann eine Markierung durch Fotolithografie vorgenommen werden, so daß die gewünschte Formgebung erzielt wird. Die Dotierung, ein gut steuerbarer Prozeß in der konventionellen Siliziumtechnologie, erlaubt es, selektierte Volumina oder Bereiche vor dem Ätzprozeß zu schützen. So wird die Ätzgeschwindigkeit von Silizium auf praktisch Null reduziert, wenn die Bor-Konzentration etwa 4 ■ 10¹⁹ Atome/cm² beträgt. Auf diese Weise können Streben und Membranen in einer Dicke bis herunter zu einigen μιη verwirklicht werden.

Das Kontaktelement bzw. die Kontakteinheit 10 der Fig. 1 kann beispielsweise aus einem Siliziumkörper durch eine selektive Ätztechnik hergestellt werden. Typischerweise ist das Silizium in den Bereichen, die die Kontakteinheit im Grunde enthalten sollen, selektiv mit Bor bis zu einer Konzentration von mindestens 4 · 10¹⁹ Atome/cm² dotiert. Die Silizium-Scheibe wird dann geätzt, z. B. mit einer Ätzlösung aus einer Mischung aus Brenzcatechin, Äthylendiamin und Wasser oder aus einer Mischung aus Kalilauge, Isopropylalkohol und Wasser. Diese Ätzlösungen wurden als chemisch selektiv wirksam herausgefunden bei der Anwendung von mit Bor dotiertem Silizium. Es besteht eine plötzliche Änderung der Ätzgeschwindigkeit vom normalen Ätzvorgang bei undotiertem Silizium zu nahezu Null bei Bor-dotierten Zwischenbereichen, so daß die Konfiguration von ungeätzten Bereichen durch deren Bor-dotiertes Profil genau abgegrenzt ist. Normalerweise wird ein Silizium-Einkristallkörper durch eine Maske hindurch in solchen Bereichen mit Bor dotiert, in denen ein Ätzen unerwünscht ist, und

anschließend wird er dem Ätzvorgung untergezogen, um nur das undotierte Material zu beseitigen. Diese Technik ist eingehender beschrieben in der veröffentlichten GB-PS 12 11 499.

Obwohl die Fig. 1 nur ein Einzel-Kontaktelement 10 zeigt, ist es selbstverständlich, daß eine Vielzahl solcher Kontaktelemente 10 gleichzeitig hergestellt werden können, beispielsweise auf einer einzigen Halbleiterscheibe, wobei die Scheibe nachträglich Ourch an sich bekannte Maßnahmen unterteilt werden kann, um die einzelnen Kontaktelemente 10 zu erhalten.

Die F i g. 2, in der einige Dimensionierungen zur besseren Verständlichkeit übertrieben dargestellt sind, zeigt einen Querschnitt durch eine aus drei Schichten bestehende elektrostatische Kontakteir.heit Die Anordnung enthält eine isolierende Unterlage 21, beispielsweise aus Glas, auf der wenigstens eine Elektrode 22 z. B. zur Erzeugung der elektrostatischen Kraft, und Festkontakte 23 angebracht sind. Die mittlere Schicht enthält das Kontaktelement 10 der Fig. 1. Die obere Schicht wird gebildet durch einen Deckel 26, der auch als Anschlag für den Anker 12 in seiner oberen Lage dient. Der durch diese Anordnung gebildete Hohlraum 24, der durch die Unterlage 21, den Deckel 26 und das wahlweise hermetisch dicht damit verbundene elastische Material 10 gebildet ist, kann bei hermetischer Dichtung mittels eines geeigneten Dichtungsmittels 27 evakuiert oder mit einem inerten Gas gefüllt sein, so daß die elektrischen Felder, die notwendig sind, um die erforderliche Schließkraft zu erzeugen, ohne das Risiko eines elektrischen Durchschlages angelegt werden können. Das Vakuum erzeugt außerdem eine von Verunreinigungen freie Umgebung für die Kontakte 23 und 31.

Um ein Durchhängen des mittleren Teils des Ankers 12 während der Arbeitsphase zu verhindern, können auf der Unterlage 21 oder dem Anker 12 ein oder mehrere isolierende Abstandshalter 25 vorgesehen sein.

Die Fig.3 und 4 zeigen zwei alternative Ausführungsmöglichkeiten einer Kontaktanordnung. In der Anordnung gemäß Fig. 3 ist auf dem Anker 12 eine einfach-L-förmige Kontaktbahn 31 erzeugt und diese Metallbahn erstreckt sich über das Gelenk 13 hinaus zu einem externen, nicht dargestellten Anschluß. Wenn sich der Anker 12 in Schließstellung befindet, stößt die Kontaktbahn 31 gegen die auf der Unterlage 21 des Relaisgehäuses angeordnete feste Kontaktbahn 32 und bewirkt die Kontaktierung.

Die Ausführungsmöglichkeit gemäß F i g. 4 benötigt keine elektrische Kontaktierung zum Kontakt 33 des Ankers 12. Bei dieser Anordnung enthält der Anker 12 oder der bewegliche Kontakt 33 einen leitenden Streifen am freien Ende des Ankers 12. Befindet sich der Anker 12 in Schließstellung, dann überbrückt der Kontaktstreifen 33 ein Paar Federkontakte 34 und 35, um eine Verbindung herzustellen.

In vorteilhafter Weise bestehen die beweglichen und die Festkontakte 33, 34, 35 aus aufgedampftem Gold oder einer aufgedampften Goldlegierung.

Anhand der obigen Beschreibung ist das Prinzip der Erfindung in Verbindung mit einem speziellen Gerät dargelegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Schaltkontakte tragenden, innerhalb eines flachen, geschlossenen, isolierenden Rahmens durch Freischneiden aus einer Rahmenplatte einseitig im Rahmen angelenkten und senkrecht zur Plättchenebene auslenkbaren Ankers eines elektrostatischen Relais, dadurch gekennzeichnet, daß als Rahmenplatte eine solche aus kristallinem Halbleitermaterial verwendet und der Anker (12) aus dieser herausgeätzt wird, indem die Rahmenplatte an den Stellen, die bestehen bleiben sollen, derart behandelt wird, daß sie gegen die Ätzlösung resistent bzw. wesentlich resistenter ist als der nicht behandelte Teil, daß anschließend der behandelte Teil durch eine geeignete Ätzlösung herausgeätzt und hieraus auf dem Anker (12) und gegebenenfalls auch auf dem Rahmen (11) leitende Beläge aufgebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rahmenplatte eine solche aus Silizium verwendet wird und der behandelte Teil derart mit Bor dotiert wird, daß die Borkonzentration gleich oder größer ist als 4 ■ 10¹⁹ Atome/cm².

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden gegenüberliegenden freien Seiten des Ankers (12) je eine dem Anker (12) eng benachbarte und vom Rahmen (11) von der Anlenkseite ausgehende und bis zur gegenüberliegenden freien Seite des Ankers (12) in einer Ebene oberhalb der Anlenkung verlaufende Strecke behandelt wird, derart, daß beim Ätzen eine dieser Strecke entsprechende Rückstellfaser (14) gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzlösung eine Mischung aus Brenzcatechin, Äthylendiamin und Wasser verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzlösung eine Mischung aus Kalilauge, Isopropylalkohol und Wasser verwendet wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Schaltkontakte tragenden, innerhalb eines flachen, geschlossenen, isolierenden Rahmens durch Freischneiden aus einer Rahmenplatte einseitig im Rahmen angelenkten und senkrecht zur Plättchenebene auslenkbaren Ankers eines elektrostatischen Relais, dadurch gekennzeichnet, daß als Rahmenplatte eine solche aus kristallinem Halbleitermaterial verwendet und der Anker (12) aus dieser durch Laserstrahlbearbeitung herausgetrennt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß neben den gegenüberliegenden freien Seitendes Ankers (12) je eine vom Rahmen (11) von der Anlenkstelle ausgehende und bis zur gegenüberliegenden freien Seite des Ankers (12) in einer Ebene oberhalb der Anlenkung verlaufende Rückstellfaser (14) gebildet wird.

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