DE4113190C1 - Electrostatically actuated microswitch - has armature attached to base via torsional struts to allow pivoting for contacting electrodes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrostatisch betätigbaren Mikroschalter laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein Mikroschalter dieser Art ist bekannt (DE 32 07 920 A1 bzw. US-PS 49 59 515). Das Ankerteil wird hierbei entweder in einem gesonderten Verfahrensschritt durch Ätzen aus Silizium hergestellt und dann auf der die Kraftelektrode tragenden Unterlage befestigt (DE 32 07 920 A1) oder das Ankerteil wird unter Verwendung einer nachträglich durch Ätzen entfernbaren Schicht nach einem in der Mikromechanik üblichen Herstellungsverfahren unmittelbar auf der Unter­ lage hergestellt (US-PS 49 59 515). Das Gelenk zwischen Anker und dem auf der Unterlage befestigten Lagerabschnitt wird bei den bekannten Mikroschaltern durch einen dünneren membranartigen Abschnitt des Ankers gebildet, der beim Kippen des Ankers auf Biegung beansprucht ist. Da diese Gelenkschicht einerseits sehr dünn sein muß, damit die aufzubringenden Kippkräfte möglichst gering gehalten werden können, ist die durch Biegekräfte aufzubringende Rückstellkraft für den Anker in die Ruhestellung sehr gering, so daß meist zusätzliche Federelemente in Form von dünnen Fasern des elastischen Materials zwischen Anker und Lagerabschnitt vorgesehen sein müssen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektrostatisch betätigbaren Mikroschalter zu schaffen, der im Aufbau sehr einfach ist und sich für den Aufbau beliebiger Schalterkonstruktionen eignet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem elektrostatisch betätigbaren Mikroschalter laut Oberbegriff des Hauptan­ spruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst, eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung für einen Doppelankerschalter ergibt sich aus dem Anspruch 2.

Beim erfindungsgemäßen Mikroschalter laut Hauptanspruch wird das Gelenk durch schmale Torsionsbalken gebildet, die beim Kippen des Ankers auf Torsion beansprucht werden. Durch entsprechende Wahl des Querschnitts und der Länge dieser Torsionsbalken kann damit einerseits das Torsions­ moment so gewählt werden, daß die von der Kraftelektrode aufzubringenden elektrostatischen Kräfte möglichst gering bleiben während gleichzeitig jedoch die gewünschten Torsionsrückstellkräfte zum Zurückführen des Ankers in die Ruhestellung erreicht werden. Ein mit einem erfin­ dungsgemäßen Gelenk ausgebildetet Mikroschalter kann daher mit den für den jeweiligen Anwendungszweck optimalen Eigenschaften hergestellt werden. Diese Art des Gelenks ist außerdem wesentlich einfacher und auch in Massenpro­ duktion mit gleichbleibenden Eigenschaften herstellbar. Ein erfindungsgemäßes Gelenk ermöglicht es auch, das Ankerteil als Doppelanker nach Art einer Wippe auszubilden und jedem Anker eine gesonderte Kraftelektrode zuzuordnen, so daß je nach eingeschalteter Kraftelektrode die Wippe auf die eine oder die andere Seite kippt und damit nicht nur das Schließen, sondern auch das Öffnen der Kontakte jeweils unter elektrostatischer Krafteinwirkung erfolgt. Ein solcher Mikroschalter kann entweder zum Aufbau von zwei alternativ betätigten Ein-Schaltern bzw. zum Aufbau eines Um-Schalters benutzt werden, ist also sehr universell einsetzbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter perspektivischer Darstellung und in stark vergrößertem Maßstab einen erfindungsgemäßen elektrostatisch betätigbaren Mikroschalter. Auf einer Unterlage 1 ist eine Kraftelektrode 2 aufgebracht und darüber ein Ankerteil 3, das aus einem der Kraftelektrode 2 im Abstand gegenüberliegenden Anker 4, zwei auf der Unterlage 1 befestigten Lagerabschnitten 5 und 6 sowie zwei den Anker 4 mit diesen Lagerabschnitten 5, 6 verbin­ denden Torsionsbalken 7 und 8 besteht. Die Torsionsbalken 7, 8 stehen seitlich vom Anker 4 ab und zwar sind sie fluchtend mit der Kippachse 9 des Ankerteiles 3 ausge­ richtet und gehen jeweils über eine Kröpfung 10, 11, durch welche der Abstand des Ankers 4 von der Kraftelektrode 2 bestimmt wird, in die Lagerabschnitte 5, 6 über. Anker 4, Torsionsbalken 7, 8 und Lagerabschnitte 5, 6 bestehen jeweils aus einem Stück und sind aus einem geeigneten Ankermaterial, vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material wie Silizium, durch Ätzen in der dargestellten Struktur hergestellt. Am freien Ende des Ankers 4 ist ein Schaltkontakt 12 angebracht, der mit zwei auf der Oberfläche der Unterlage 1 ausgebildeten Gegenkontakten 13, 14 zusammenwirkt. Durch Anlegen eines elektrostatischen Feldes zwischen Kraftelektrode 2 und Anker 4 über nicht näher dargestellte Zuleitungen wird der Anker 4 nach unten um die Torsionsbalken 7, 8 gekippt und so die Gegen­ kontakte 13, 14 durch den Schaltkontakt 12 überbrückt, nach Abschalten des elektrostatischen Feldes wird der Anker 4 durch die Torsionskraft der Torsionsbalken 7, 8 wieder in die dargestellte Ausgangslage zurückgekippt.

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Mikroschalters nach Fig. 1, hier besteht das Ankerteil 3 aus zwei von den die Kippachse 9 bildenden Torsions­ balken 7, 8 nach entgegengesetzten Seiten abstehenden Ankern 4 und 4′, denen jeweils gesonderte Kraftelektroden 2 bzw. 2′ zugeordnet sind. An den freien Enden dieser Anker 4, 4′ sind wieder wie in Fig. 1 entsprechende Schaltkontakte 12 vorgesehen, die beispielsweise wiederum mit auf beiden Seiten angebrachten Gegenkontakten 13, 14 zusammenwirken. Die Schalterkonstruktion nach Fig. 2 besitzt den Vorteil, daß je nach eingeschalteter Elektrode 2 oder 2′ das wippenartige Ankerteil 3 auf die eine oder andere Seite gekippt wird, also nicht nur das Schließen der Kontakte durch elektrostatische Kraft­ einwirkung erfolgt, sondern auch das anschließende Wieder­ öffnen der Kontakte. Ein Schalter nach Fig. 2 kann ent­ weder als einzelner Ein-Schalter benutzt werden, der durch elektrostatische Krafteinwirkung geschlossen und geöffnet werden kann, es können aber auch im Sinne des Ausführungsbeispiels auf beiden Seiten Schaltkontakte vorgesehen sein, so daß zwei alternativ betätigbare Ein-Schalter entstehen oder ein entsprechender Um-Schal­ ter.

Fig. 3 bis 6 zeigen ein Verfahren zum Herstellen eines solchen beispielsweise in den Fig. 1 und 2 dargestellten Mikroschalters.

Nach Fig. 3 wird zunächst auf einer Unterlage 1 die fest­ stehende elektrostatische Kraftelektrode 2 aufgebracht. Für die Unterlage 1 ist jedes in der Mikromechanik übliche Material geeignet, beispielsweise Glas, Quarz, Saphir, das Material muß nur die Eigenschaft haben, daß es sich für die anschließend näher beschriebenen Schicht-Auftrag­ verfahren eignet und an die hierbei auftretenden Tempera­ turen und chemischen Ätzprozesse angepaßt ist. Vorzugs­ weise wird als Material für die Unterlage 1 Silizium oder ein SOI-Wafer (Silicon On Isolator) benutzt. In diesem Fall kann die Kraftelektrode 2 durch Eindiffusion oder Implantation von gegenüber dem Grundmaterial iso­ lierten leitfähigen Zonen hergestellt werden. Anschließend wird die gesamte Oberfläche mit einer Isolierschicht 20 abgedeckt, vorzugsweise aus Siliziumnitrid oder eine Kombination aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid. Diese Isolierschicht 20 dient zum Schutz der Unterlage 1 beim anschließenden näher beschriebenen Ätzvorgang und ist nur für dieses Unterlagenmaterial nötig, für andere Materialien der Unterlage, die durch Ätzen nicht beein­ trächtigt werden, kann diese Isolierschicht 20 entfallen.

Nach Fig. 4 wird dann auf der Oberseite der Isolierschicht 20 mindestens im Bereich oberhalb der Kraftelektrode 2 eine Schicht 21 aus einem Material aufgebracht, das später durch Ätzen, Plasmaätzen oder auf andere Weise wieder entfernt werden kann. In dem gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel wird eine Schicht 21 aus Phosphor-Sili­ zium-Glas (PSG) benutzt, die nach dem CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) aufgebracht wird. Diese Schicht 21 wird anschließend durch ein bekanntes foto­ lithographisches Verfahren so strukturiert, daß sie einerseits in der Größe des Ankers 4 bestehen bleibt, jedoch die Lagerabschnitte 5 und 6 auf der Oberseite der Isolierschicht 20 frei läßt. Anschließend wird dann eine Schicht 22 wiederum durch ein in der Mikromechanik übliches Auftragverfahren aufgetragen und zwar aus einem Material, das für die Ausbildung des Ankerteiles 3 vor­ gesehen ist. Wenn gesonderte Elektroden am Ankerteil 3 vermieden werden sollen, wird als Material für diese Schicht 22 ein elektrisch leitendes Material benutzt, beispielsweise polykristallines Silizium geeigneter Dotierung, das wiederum im CVD-Verfahren aufgebracht wird. Auch diese zusätzliche Schicht 22 wird anschließend fotolithographisch entsprechend der Form des gewünschten Ankerteiles 3 strukturiert, es wird also aus dieser Schicht 22 das in Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellte Anker­ teil 3 ausgeätzt. Vorzugsweise wird die Gesamtanordnung dann thermisch so behandelt, daß das Ankerteil 3 aus Polysilizium frei von mechanischen Spannungen ist.

Anschließend werden dann gemäß Fig. 5 die gewünschten Schaltkontakte 12 bzw. 13, 14 angebracht, ebenso die elektrische Kontaktierung für die Kraftelektrode 2 und das Ankerteil 3. Dies erfolgt wieder in bekannter Weise durch Sputtern, Bedampfen oder mit chemischen oder elek­ trochemischen Verfahren und entsprechende fotolithogra­ phische Strukturierung. Zunächst werden beispielsweise die Gegenkontakte 13, 14 auf der Oberseite der Isolier­ schicht 20 aufgebracht, dann wird im Bereich unterhalb des aufzubringenden Konaktes 12 ein nicht dargestellter Fotolack aufgetragen und schließlich dann in der ge­ wünschten Struktur der Schaltkontakt 12 hergestellt, der Fotolack wird dann wieder entfernt, so daß die sich überlappenden und im Ruhezustand im Abstand voneinander liegenden Schaltkontakte entstehen.

Als letzter Fertigungsschritt wird gemäß Fig. 6 die Trägerschicht 21 durch Ätzen entfernt, wobei ein Ätzmittel verwendet wird, das gegenüber den übrigen Materialien, also in dem Beispiel gegenüber Polysilizium und Silizium­ nitrid eine hohe Selektivität besitzt. Nach diesem Ätz­ vorgang liegt der Anker 4 des Ankerteiles 3 im gewünschten Abstand frei gegenüber der Kraftelektrode 2. Um diese Ätzung zu erleichtern kann das Ankerteil 4 mit Löchern versehen werden, die den Ätzangriff auf die Trägerschicht 21 erleichtern. Gleichzeitig verringern diese Löcher die Dämpfung der Schaltbewegung durch die Umgebungsluft und gestatten damit kürzere Schaltzeiten.

Bei entsprechend gut leitendem Material für das Ankerteil können die zusätzlichen Schaltkontakte 12 gegebenenfalls auch entfallen. Bei allen zusätzlich aufgebrachten Metallschichten auf dem Ankerteil wird darauf geachtet, daß diese Metallschichten sehr dünn im Vergleich zur Dicke des Ankerteiles sind, damit letzteres möglichst spannungsfrei bleibt.

Claims (3)

1. Elektrostatisch betätigbarer Mikroschalter, der in einem Stück durch Ätzen hergestellt ist, mit einer auf einer Unterlage (1) aufgebrachten Kraftelektrode (2), einem im Abstand gegenüber der Kraftelektrode (2) gehaltenen Anker (4), einem auf der Unterlage (1) befestigten Lagerabschnitt und einem diesen Lagerabschnitt mit dem Anker verbindenden Gelenk, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk durch zwei seitlich vom Anker (4) in Richtung der Kippachse (9) abstehende und jeweils in einem auf der Unterlage (1, 3) befestigten Lager­ abschnitt (5, 6) endenden Torsionsbalken (7, 8) gebildet ist.

2. Mikroschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ankerteil (3) als Wippe mit zwei von der Kippachse (9) nach entgegengesetzten Seiten abstehenden Ankern (4, 4′) ausgebildet ist und jedem Anker (4, 4′) eine gesonderte Kraftelektrode (2, 2′) zugeordnet ist.

3. Mikroschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (4, 4′) Löcher aufweist.