DE60126731T2

DE60126731T2 - Mikrovorrichtung mit thermischem Betätiger

Info

Publication number: DE60126731T2
Application number: DE60126731T
Authority: DE
Inventors: Pierre-Louis Charvet; Michel Dufour
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: FR2818795A1; FR2818795B1; EP1220256A1; US20020097133A1; JP2002264090A; DE60126731D1; EP1220256B1; JP4130736B2; US6703916B2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Mikrovorrichtung mit Elementen, die unter der Wirkung eines thermischen Betätigers verformbar sind. Diese Mikrovorrichtung kann einen Mikroschalter bilden, der insbesondere an das Schalten von Hochfrequenzsignalen angepasst ist.
Stand der Technik
Die Mikroschalter sind Mikrovorrichtungen, die in den modernen elektronischen Vorrichtungen immer häufiger verwendet werden, wobei eine ihrer wichtigsten Eigenschaften darin besteht, immer kleiner zu werden. Dies ist insbesondere bei den Mobiltelefonen oder Handys der Fall. Bei der Konzeption eines Mikroschalters für diesen Gerätetyp stößt man auf das delikate Problem der zur Betätigung der Mikroschalter benötigten bzw. verfügbaren Leistung. Die Betätigung der aktuellen Mikroschalter muss mit sehr niedrigen Spannungen (zum Beispiel 3 V) und mit sehr kurzen Schaltzeiten erfolgen.
Das Dokument "Micromechanical relay with electrostatic actuation and metallic contacts" von M.-A. GRETILLAT et al., Transducers'99, 7.-10. Juni 1999, Sendai, Japon, offenbart einen Mikroschalter mit elektrostatischer Steuerung, dessen Steuerspannung ungefähr 20 V beträgt.
Das Dokument "Bulk micromachined relay with lateral contact" von Zhihong LI et al., erschienen in J. Micromech. Microeng. 10 (2000), Seiten 329-333, offenbart ein Relais mit elektrostatischer Steuerung, bei dem sich große Oberflächen gegenüberstehen. Daraus resultiert eine pneumatische Dämpfung. Das System ist gepuffert bzw. gedämpft und die Schaltzeiten nehmen zu. Die technische Realisierung des Kontakts der aktiven Leitung ist außerdem sehr schwierig und die Menge der beteiligten Elektroden begünstigt die Störungen des durch die aktive Leitung übertragenen Hochfrequenzsignals bei der Betätigung bzw. Steuerung.
Das Dokument FR-A-2 772 512 offenbart ein Mikrosystem, insbesondere zur Realisierung von Mikrounterbrechern oder Mikroventilen verwendbar, das auf einem Substrat ausgebildet ist und dank eines thermischen Betätigers mit Bimetalleffekt zwischen einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand hin- und herkippen kann. Der Betätiger umfasst ein verformbares Element, das mit entgegengesetzten Enden so an dem Substrat befestigt ist, dass es eine natürliche Ablenkung ohne Spannung in Bezug auf eine Oberfläche des Substrats aufweist, die ihm gegenübersteht, wobei diese natürliche Ablenkung den ersten Betriebszustand festlegt, und der zweite Betriebszustand durch den thermischen Betätiger bewirkt wird, der unter der Einwirkung einer Temperaturveränderung eine Verformung des verformbaren Elements mit der Tendenz verursacht, seine Ablenkung zu reduzieren und es einer Druckspannung auszusetzen, die durch Knickeffekt sein Kippen in eine Richtung bewirkt, die seiner natürlichen Ablenkung entgegengesetzt ist. Diese Vorrichtung erfordert für ihre Steuerung bzw. Betätigung einen relativ großen Wärmeaustausch. Wenn der Steuerungs- bzw. Betätigungswiderstand erwärmt wird, gibt der Balken, der das verformbare Element bildet, einen großen Teil der erzeugten Wärme ab (durch Strahlung, Leitung). Man muss diesem Wärmeenergieverlust in Bezug auf die zur Betätigung des Bimetallelements zuzuführende Energie Rechnung tragen. Außerdem ist die Kippzeit der Struktur relativ lang aufgrund der Zeit, die zur Wärmeleitung notwendig ist, und auch aufgrund der Abstrahlungsverluste in die Umgebung, die während der Erwärmung kompensiert werden müssen.
Darstellung der Erfindung
Um die oben genannten Nachteile zu beseitigen, wird eine Mikrovorrichtung mit auf einem ersten Niveau befindlichen leitfähigen Einrichtungen und auf einem zweiten Niveau befindlichen leitfähigen Einrichtungen vorgeschlagen, wobei die leitfähigen Einrichtungen des ersten Niveaus durch ein verformbares Element getragen werden, das mit Hilfe eines Bimetalleffekt-Betätigers kippen kann, wobei das Kippen die Wirkung hat, den Abstand zwischen den leitfähigen Einrichtungen des ersten Niveaus und den leitfähigen Einrichtungen des zweiten Niveaus zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass der Bimetalleffekt-Betätiger durch resistive Einrichtungen gebildet wird, die engen und lokalisierten Kontakt mit dem verformbaren Element haben, wobei die resistiven Einrichtungen, wenn sie von einem elektrischen Steuerstrom durchflossen werden, fähig sind, sich unter der Wirkung der durch das Fließen des elektrischen Steuerstroms erzeugten Wärme auszudehnen und mittels Bimetalleffekt das Kippen des verformbaren Elements zu bewirken, bevor sich die in den resistiven Einrichtungen erzeugte Wärme in dem verformbaren Element ausbreiten kann.
Das verformbare Element ist vorzugsweise ein Balken oder eine Membran.
Elektrostatische Halteeinrichtungen können vorgesehen, um das verformbare Element in der Position zu halten, die es nach seinem Kippen einnimmt, wenn der elektrische Steuerstrom wieder null ist. Die elektrostatischen Halteeinrichtungen können wenigstens ein Paar sich gegenüberstehender Elektroden umfassen, wobei eine dieser Elektroden mit dem verformbaren Element fest verbunden ist und die andere so angeordnet ist, dass nach dem Kippen des verformbaren Elements der Abstand zwischen den sich gegenüberstehenden Elektroden minimal ist.
Nach einer Realisierungsvariante umfassen die elektrostatischen Halteeinrichtungen wenigstens ein Paar sich gegenüberstehender Elektroden, wobei eine dieser Elektroden mit dem verformbaren Element fest verbunden ist und die andere so angeordnet ist, dass nach dem Kippen des verformbaren Elements die Elektroden sich berühren aber durch Isolationseinrichtungen elektrisch getrennt sind.
Die resistiven Einrichtungen können wenigstens eine wellen- bzw. U-förmig abgeschiedene Schicht umfassen. Diese ermöglicht, eine höhere Effizienz des Betätigers zu erzielen.
Vorzugsweise sind die resistiven Einrichtungen aus einem unter Aluminium, Mangan, Zink, Gold, Platin, Nickel und Inconel 600 ausgewählten Material.
Die Mikrovorrichtung wird durch die Techniken der Mikrotechnologie realisiert, wobei das verformbare Element von einer auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht stammt.
Nach einer ersten Ausführungsart umfassen die leitfähigen Einrichtungen des zweiten Niveaus einen ersten Leitungskontakt und einen zweiten Leitungskontakt, wobei das Kippen des verformbaren Elements die Wirkung hat, den Abstand zwischen den leitfähigen Einrichtungen des ersten Niveaus und den leitfähigen Einrichtungen des zweiten Niveaus null werden zu lassen und die leitfähigen Einrichtungen des ersten Niveaus also eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt herstellen, so dass die Mikrovorrichtung einen Mikroschalter bildet.
Vorteilhafterweise werden die durch das verformbare Element getragenen leitfähigen Einrichtungen durch ein Kontaktstück gebildet.
Nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung bilden die leitfähigen Einrichtungen des ersten Niveaus und die leitfähigen Einrichtungen des zweiten Niveaus jeweils eine erste und eine zweite Kondensatorelektrode, wobei dieser Kondensator vor dem Kippen des verformbaren Elements einen ersten Kapazitätswert und nach dem Kippen des verformbaren Elements einen zweiten Kapazitätswert aufweist.
Nach einer Realisierungsvariante trennt eine isolierende Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante die erste Elektrode und die zweite Elektrode des Kondensators. Diese isolierende Schicht mit einer Dicke von zum Beispiel 0,1 μm kann sich auf nur einer der beiden Elektroden oder auf beiden befinden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung und andere Vorteile und Besonderheiten gehen aus der nachfolgenden nur beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung hervor, die sich auf die folgenden beigefügten Zeichnungen bezieht:
1, die eine schematische und perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mikroschalters ist;
2 und 3, die eine jeweils eine Längsschnitt- und eine Querschnittansicht des in der 1 perspektivisch dargestellten Mikroschalters sind;
4, die eine der 2 entsprechende Ansicht des Mikroschalters ist
5, die eine Detailansicht des in den 1 bis 4 dargestellten Mikroschalters ist und eine Realisierungsart des thermischen Betätigers darstellt;
6, die eine Draufsicht eines für den erfindungsgemäßen Mikroschalter bevorzugt verwendbaren resistiven Elements darstellt.
Detaillierte Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung
Die 1 (perspektivische Ansicht) und die 2 und 3 (Schnittansichten) zeigen einen Mikroschalter nach der vorliegenden Erfindung.
Dieser Mikroschalter ist realisiert auf einem Substrat 1, zum Beispiel aus Silicium, Siliciumdioxid, Glas oder Quarz. Das Substrat 1 trägt ein erstes Leitungsteilstück 2, das mit einem Kontakt 4 endet, und ein zweites Leitungsteilstück 3, das mit einem Kontakt 5 endet. Die Kontakte 4 und 5 sind durch einen schmalen Zwischenraum getrennt.
Das Substrat 1 trägt eine oder mehrere Schichten aus elektrisch isolierendem Material, ist bezeichnet mit der einzigen Referenz 10 und umfasst ein verformbares Element 11 in Form eines Balkens (zum Beispiel aus Siliciumnitrid oder aus Siliciumoxid), der sich in einem Hohlraum 12 der Schicht 10 verformen kann, der das Substrat 1 und die Kontakte 4 und 5 freigibt. Der Balken 11 trägt auf der Seite des Hohlraums 12 ein leitfähiges Kontaktstück 13, fähig eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 4 und 5 herzustellen, wenn der Balken 11 sich in den Hohlraum 12 hinein durchbiegt. Dieser Mikroschalter kann durch das in dem weiter oben erwähnten Dokument FR-A-2 772 512 offenbarte Verfahren realisiert werden.
Der Balken (oder ggf. die Membran) kann durch einen Stapel aus Schichten mit unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten gebildet werden.
Der Balken 11 trägt zwei resistive Elemente 14 und 15, die sich an den Enden des Balkens befinden. Diese resistiven Elemente können Abscheidungen aus einem leitfähigen Material sein, zum Beispiel Aluminium, Magnesium, Zink, Gold, Platin, Nickel oder Inconel 600. Sie sind durch nicht dargestellte Verbindungsleitungen mit Stromquellen verbunden.
Die 2 zeigt elektrostatische Halteelektroden, die sich paarweise gegenüberstehen: einerseits das Elektrodenpaar 16 und 17 und andererseits das Elektrodenpaar 18 und 19. Die Elektroden 16 und 18 werden von dem Träger 11 getragen. Sie können auch in den Träger eingeschlossen sein. Die Elektroden 17 und 19 befinden sich auf dem Boden des Hohlraums 12, auf dem Substrat 1. Die nicht dargestellten Verbindungsleitungen ermöglichen, diese Elektroden mit entsprechenden Stromquellen zu verbinden.
Die 2 und 3 zeigen den Mikroschalter im Ruhezustand, wobei der Betätiger nicht aktiviert ist. Das leitfähige Kontaktstück 13 stellt keine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 4 und 5 her.
Wenn der Betätiger aktiviert wird durch einen in den resistiven Elementen 14 und 15 fließenden Strom, verursacht die dadurch erzeugte Wärme mittels Bimetalleffekt, dass sich der Balken in den Hohlraum 12 hinein durchbiegt. Das leitfähige Kontaktstücke 13 stützt sich dann auf den Kontakten 4 und 5 ab und stellt die elektrische Verbindung zwischen den Leitungsteilstücken 2 und 3 her, wie dargestellt in der 4.
Die Elektroden 16 und 17 einerseits und 18 und 19 andererseits, die dann einen minimalen Abstand aufweisen oder sich sogar berühren, aber elektrisch getrennt sind durch eine dünne Isolierschicht, bewirken durch das Anlegen entsprechender Spannungen, dass der durchgebogene Balken auch dann noch elektrostatisch festgehalten wird, wenn kein Strom mehr durch die resistiven Elemente 14 und 15 fließt. Die elektrostatischen Haltespannungen können an die Elektroden 16, 17 und 18, 19 angelegt werden, wenn der thermische Betätiger die Durchbiegung des Balkens schon bewirkt hat. Sie können auch vor der Durchbiegung des Balkens angelegt werden, um diese Durchbiegung zu beschleunigen.
Um den Mikroschalter zu öffnen, genügt es, die elektrostatischen Haltespannungen zu annullieren. Der Balken kehrt dann in seine Ruhestellung zurück, und die um so schneller, da die durch die resistiven Elemente erwähnten Teile Zeit gehabt haben, sich abzukühlen.
Damit die Durchbiegung des Balkens sowie die Rückkehr in seine Ruhestellung so schnell wie möglich erfolgt, muss der Betätiger ein quasi adiabatisches Verhalten aufweisen. Zu diesem Zweck darf der Bimetalleffekt bezüglich des Balkens und des resistiven Elements nur einen Teil des Balkens betreffen, muss aber ausreichend groß sein, um sein Kippen zu bewirken.
Die Zeit des Temperaturanstiegs der Elemente 14 und 15 muss für eine Anwendung in der Hochfrequenzsignalkommunikation sehr kurz sein und in der Regel unter 10 μs liegen. Sie müssen also aus einem Material sein, das sich sehr schnell erwärmt. Man muss den Young-Modul und den Wärmedehnungskoeffizienten berücksichtigen. Parallel dazu muss man ihre geometrischen Kennwerte festlegen.
In der Praxis wählt man ein geeignetes Material, wobei die Entwicklung der Durchbiegung des Balkens in Abhängigkeit von einer angewendeten Temperatur geprüft wird. Diese Entwicklung ist im Wesentlichen sinusförmig. Die Temperatur, die im Falle eines Schalters zu einer Kontaktherstellung führt (oder im Falle eines variablen Kondensators zu der gewünschten Kapazität), wird bestimmt. Danach bestimmt man die beiden Inflexionspunkte der Sinuskurve. Eine besonders vorteilhafte Länge des resistiven Elements ist diejenige, die aufgrund des Abstand zwischen dem Anfang- bzw. Endpunkt (point d'encastrement) des Balkens und dem Inflexionspunkt bestimmt wird.
Das mechanische Verhalten des Balkens wird untersucht, um seine am besten angepasste Dicke sowie seine günstigste Geometrie zu bestimmen. Dann wird die Kipptemperatur festgelegt.
Die Biegungssteuerung besteht darin, nur die resistiven Elemente zu erwärmen, ohne den benachbarten Balken oder die Umgebung der resistiven Elemente zu erwärmen. Zur Rückkehr in die ungebogene Stellung müssen die resistiven Elemente im Prinzip zu der Umgebungstemperatur zurückkehren, ehe der elektrostatische Halt erschlafft.
Die 5 zeigt eine Realisierungsart des thermischen Betätigers. Es ist eine Detailansicht von einem der Enden des Balkens 11. Wenn ein elektrischer Aktivierungsstrom des Betätigers das resistive Element 15 durchquert, dehnt die daraus resultierende Wärme das resistive Element aus, was eine Durchbiegung des Balkens bewirkt.
Die 6 ist eine Draufsicht eines in der vorliegenden Erfindung verwendbaren resistiven Elements 25. Diese Ansicht zeigt ein wellen- bzw. U-förmiges resistives Element 25. Es hat den Vorteil, den thermischen Betätiger effizienter zu machen.
Der erfindungsgemäße Mikroschalter funktioniert mit einer verfügbaren Spannung von 3 V. Um diesen Spannungswert bestmöglich zu nutzen, ist es vorteilhaft, über zwei in Reihe versorgte resistive Elemente zu verfügen.

Claims

Mikrovorrichtung mit auf einem ersten Niveau befindlichen leitfähigen Einrichtungen (13) und auf einem zweiten Niveau befindlichen leitfähigen Einrichtungen (4, 5), wobei die leitfähigen Einrichtungen (13) des ersten Niveaus durch ein verformbares Element (11) getragen werden, das mit Hilfe eines Bimetalleffekt-Betätigers kippen kann, wobei das Kippen die Wirkung hat, den Abstand zwischen den leitfähigen Einrichtungen (13) des ersten Niveaus und den leitfähigen Einrichtungen (4, 5) des zweiten Niveaus zu verändern, und der Bimetalleffekt-Betätiger durch resistive Einrichtungen (14, 15, 25) gebildet wird, die engen und lokalisierten Kontakt mit dem verformbaren Element (11) haben, dadurch gekennzeichnet, dass die resistiven Einrichtungen (14, 15, 25), wenn sie von einem elektrischen Steuerstrom durchflossen werden, fähig sind, sich unter der Wirkung der durch das Fließen des elektrischen Steuerstroms erzeugten Wärme auszudehnen und mittels Bimetalleffekt das Kippen des verformbaren Elements (11) zu bewirken, bevor sich die in den resistiven Einrichtungen (14, 15, 25) erzeugte Wärme in dem verformbaren Element (11) ausbreitet.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verformbare Element ein Balken (11) oder eine Membran ist.
Mikrovorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrostatische Halteeinrichtungen vorgesehen sind, um das verformbare Element (11), wenn der elektrische Steuerstrom wieder null ist, in der Position zu halten, die es nach seinem Kippen einnimmt.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatischen Halteeinrichtungen wenigstens ein Paar sich gegenüberstehender Elektroden (16, 17; 18, 19) umfassen, wobei eine dieser Elektroden mit dem verformbaren Element (11) fest verbunden ist und die andere so angeordnet ist, dass nach dem Kippen des verformbaren Elements der Abstand zwischen den sich gegenüberstehenden Elektroden minimal ist.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatischen Halteeinrichtungen wenigstens ein Paar sich gegenüberstehender Elektroden umfassen, wobei eine dieser Elektroden mit dem verformbaren Element fest verbunden ist und die andere so angeordnet ist, dass nach dem Kippen des verformbaren Elements die Elektroden sich berühren aber durch Isolationseinrichtungen elektrisch getrennt sind.
Mikrovorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die resistiven Einrichtungen (25) wenigstens eine in Form einer Welle bzw. wellenförmig abgeschiedene Schicht umfassen.
Mikrovorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die resistiven Einrichtungen (14, 15, 25) aus einem unter Aluminium, Mangan, Zink, Gold, Platin, Nickel und Inconel 600 ausgewählten Material sind.
Mikrovorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovorrichtung durch die Techniken der Mikrotechnologie realisiert wird, wobei das verformbare Element (11) von einer auf einem Substrat (1) abgeschiedenen Schicht (10) stammt.
Mikrovorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Einrichtungen des zweiten Niveaus einen ersten Leitungskontakt (4) und einen zweiten Leitungskontakt (5) umfassen, wobei das Kippen des verformbaren Elements die Wirkung hat, den Abstand zwischen den leitfähigen Einrichtungen (13) des ersten Niveaus und den leitfähigen Einrichtungen des zweiten Niveaus null werden zu lassen und so die leitfähigen Einrichtungen des ersten Niveaus eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Kontakt (4) und dem zweiten Kontakt (5) herstellen, so dass die Mikrovorrichtung einen Mikroschalter bildet.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das verformbare Element getragenen leitfähigen Einrichtungen durch ein leitfähiges Stück (13) gebildet werden.
Mikrovorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Einrichtungen des ersten Niveaus und die leitfähigen Einrichtungen des zweiten Niveaus jeweils eine erste und eine zweite Kondensatorelektrode bilden, wobei dieser Kondensator vor dem Kippen des verformbaren Elements einen ersten Kapazitätswert und nach dem Kippen des verformbaren Elements einen zweiten Kapazitätswert aufweist.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante die erste Elektrode und die zweite Elektrode des Kondensators trennt.