DE602004008075T2

DE602004008075T2 - Bistabiler mikroschalter mit geringer stromaufnahme

Info

Publication number: DE602004008075T2
Application number: DE602004008075T
Authority: DE
Inventors: Philippe Robert
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: EP1639613B1; JP4464397B2; US7489228B2; WO2005006364A1; EP1639613A1; US20060152328A1; JP2007516560A; DE602004008075D1; ATE369612T1; FR2857153A1; FR2857153B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen bistabilen Mikroschalter mit geringem Verbrauch und Horizontalverschiebung.
Ein solcher Mikroschalter eignet sich besonders für das Gebiet der Mobiltelephonie und das Gebiet der Raumfahrt.
Die für diese Gebiete bestimmten HF-Baukomponenten unterliegen folgendem Pflichtenheft:

– Versorgungsspannung unter 5 Volt,
– Isolation über 30 dB,
– Zwischenschaltungsverluste unter 0,3 dB,
– Zuverlässigkeit für mehr als 10⁹ Zyklen,
– Innenoberfläche untere 0,05 mm²,#
– kleinstmöglicher Verbrauch.

Insbesondere im Falle der Raumfahrt werden bestimmte Schalter nur ein einziges Mal benutzt, um von einem Zustand in einen anderen Zustand zu kippen, zum Beispiel im Falle eines Geräteausfalls. Bezüglich dieser Art der Anwendung besteht gegenwärtig ein sehr starkes Interesse an bistabilen Schaltern, die keine Versorgungsspannung benötigen, sobald sie von einem Zustand in den anderen gekippt sind.
Es besteht auch ein starkes Interesse an Doppelschaltern, welche die Schaltermatrizen der im Falle kritischer Funktionen benutzten Redundanzkreise wesentliche vereinfachen. Diesen Anwendungstyp findet man vor allem auf dem Gebiet der Raumfahrt (Satellitenantennen). Diese Doppelschalter ermöglichen, ein Eingangssignal einer elektronischen Schaltung im Störungsfall auf eine andere zu schalten. Dies sind also Schalter, welche die Möglichkeit bieten, entweder einen ersten Satz von zwei Strompfaden miteinander oder einen zweiten Satz von zwei Strompfaden zu verbinden.
Die Doppelschalter haben den Vorteil, dass man Schaltkreise erhält, die weniger Komponenten enthalten (zum Beispiel erfordern 10 Redundanzfunktionen 10 Doppelschalter anstatt 20 Einfachschaltern), was u.a. weniger Zuverlässigkeitstests, weniger Montage, einen Platzgewinn und global geringere Kosten bedeutet.
STAND DER TECHNIK
Auf dem Gebiet der Kommunikationen werden üblicherweise konventionelle Mikroschalter verwendet (das heißt aus der Mikroelektronik stammende). Sie dienen beim Signalrouting, in den Impedanzabstimmungsnetzen, bei der Verstärkerjustierung, usw... Bezüglich der Frequenzbänder der zu schaltenden Signale können sie von einigen MHz bis mehrere zehn GHz gehen.
Klassischerweise benutzt man für HF-Schaltkreise aus der Mikroelektronik stammende Schalter, die eine Integration in die Elektronik der Kreise ermöglichen und geringe Herstellungskosten haben. Leistungsmäßig sind diese Komponenten jedoch ziemlich begrenzt. So können Schalter des Typs FET aus Silicium leistungsstarke Signale mit niederen Frequenzen aber nicht mit hohen Frequenzen schalten. Die Schalter des Typs MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) aus GaAs oder die PIN-Dioden funktionieren gut bei hohen Frequenzen, aber nur bei Signalen mit niederem Pegel. Generell haben alle diese mikroelektronischen Schalter über 1 GHz im geschlossenen Zustand einen hohen Zwischenschaltungsverlust (klassisch um 1 bis 2 dB) und im offenen Zustand eine ziemlich zuverlässige (fiable) Isolation (von –20 bis –25 dB). Der Austausch dieser konventionellen Komponenten durch Mikroschalter des Typs MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) ist folglich bei diesem Anwendungstyp vielversprechend.
Aufgrund ihrer Konzeption und ihres Getriebeprinzips haben die MEMS-Schalter die folgenden Charakteristiken:

– schwache Einfügungsverluste (typisch unter 0,3 dB),
– starke Isolation vom MHz- bis zum Millimeterbereich (typisch über –30 dB),
– keine Verhaltens-Nichtlinearität (IP3).

Bei den MEMS-Mikroschaltern unterscheidet man zwei Kontakttypen: den ohmschen Kontakt und den kapazitiven Kontakt. Bei dem Schalter mit ohmschem Kontakt kontaktieren die beiden HF-Pfade durch Kurzschluss (Metall-Metall-Kontakt). Dieser Kontakttyp eignet sich sowohl für Gleichstromsignale als auch für Hochfrequenzsignale (über 10 GHz). Bei den Schaltern mit kapazitivem Kontakt wird ein Luftraum elektromechanisch so justiert, dass man eine Kapazitätsänderung zwischen dem geschlossenen und dem offenen Zustand erhält. Dieser Kontakttyp eignet sich besonders gut für hohe Frequenzen (über 10 GHz), aber nicht für niedrige Frequenzen.
Bei den MEMS-Schaltern unterscheidet man mehrere große Prinzipien.
Die Mikroschalter mit thermischer Betätigung, die man als klassisch bezeichnen kann, sind nicht-bistabil. Sie haben den Vorteil einer schwachen Betätigungsspannung. Sie haben mehrere Nachteile: einen exzessiven Verbrauch (vor allem im Falle der Mobiltelefonie-Anwendung), eine niedrige Schaltgeschwindigkeit (wegen der thermischen Trägheit) und die Notwendigkeit einer Versorgungsspannung, um den Kontakt geschlossen zu halten.
Die Mikroschalter mit elektrostatischer Betätigung, die man als klassisch bezeichnen kann, sind nicht-bistabil. Sie haben die Vorteile einer schnellen Schaltgeschwindigkeit und einer generell einfachen Technik. Sie haben Zuverlässigkeitsprobleme, wobei dieser Punkt im Falle von elektrostatischen Schaltern mit schwacher Betätigungsspannung besonders sensibel ist (Kleben der Strukturen). Sie erfordern ebenfalls eine Versorgungsspannung, um den geschlossenen Zustand des Schalters aufrecht zu halten.
Die Mikroschalter mit elektromagnetischer Betätigung, die man als klassisch bezeichnen kann, sind nicht-bistabil. Sie funktionieren generell nach dem elektromagnetischen Prinzip und benutzen im Wesentlichen Magnetkreise auf Eisenbasis und eine Erregerspule. Ihre Technik ist komplex (Spule, magnetisches Material, Permanentmagnet in bestimmten Fällen, usw...). Ihr Verbrauch ist groß. Sie erfordern aus eine Versorgungsspannung, um den Kontakt geschlossen zu halten.
Man unterscheidet zwei Konfigurationen der Kontaktverschiebung: eine Vertikalverschiebung und eine Horizontalverschiebung.
Im Falle einer Vertikalverschiebung erfolgt die Verschiebung außerhalb der Ebene der HF-Pfade. Der Kontakt erfolgt oberhalb oder unterhalb der HF-Pfade. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass die Metallisierung des Kontaktelements leicht zu realisieren ist (flache Abscheidung) und infolgedessen der Kontaktwiderstand schwach ist. Diese Konfiguration eignet sich jedoch schlecht zur Realisierung der Doppelkontaktschalterfunktion. Der obere Kontakt ist nämlich schwierig herzustellen. Er erfolgt im allgemeinen mittels eines Kontakts über die Abdeckung. Diese Konfiguration ist außerdem schlecht mit der Integration kompatibel. Für die resistiven Schalter verwendet man klassischerweise Strompfade und Kontakte mit eine Goldmetallisierung (gute elektrische Eigenschaften, keine Oxidation). Dieses Metall ist jedoch nicht mit der Integration kompatibel, obschon es quasi seit dem Beginn der Technologie für diesen Konfigurationstyp verwendet wird. Es gibt keine mögliche Optimierung des Kontakts. Seine Oberfläche kann nur plan sein. Die Steifigkeit des den Kontakt bildenden Balkens ist schwer kontrollierbar. Diese Steifigkeit ist durch die endgültige Form des Balkens bedingt, die von der Topologie einer Opferschicht abhängt, die ihrerseits von der Form und der Dicke der darunter befindlichen Pfade abhängt. Man erhält im Normalfall ein "unkontrolliertes" ("chahuté") Balkenprofil, das die Steifigkeit des Schalters und folglich seine Betätigungsbedingungen wesentlich erhöht.
Im Falle einer Horizontalverschiebung erfolgt die Verschiebung in der Ebene der Strompfade. Der Kontakt erfolgt auf den Flanken der Strompfade. Diese Konfiguration eignet sich gut für einen Doppelkontakt mittels eines symmetrischen Betätigers. Die Goldmetallisierung kann als allerletzter technischer Schritt erfolgen. Alle vorhergehenden Schritte können mit der Realisierung von integrierten Schaltungen kompatibel sein. Die Form des Kontakts wird während des Photolithographieschritts bestimmt. Man kann zum Beispiel ein rundes Kontaktelement realisieren, um den Kontakt punktförmig zu machen und so den Kontaktwiderstand zu begrenzen. Die Form des Balkens wird während des Photolithographieschritts festgelegt. Seine Steifigkeit ist bzw. wäre also gut kontrollierbar. Jedoch ist die Metallisierung auf der Flanke schwierig. Aus diesem Grund ist der Kontaktwiderstand schlecht kontrollierbar. Diese Konfiguration ist ungeeignet für eine elektrostatische Betätigung aufgrund der sehr kleinen sich gegenüberstehenden Kontaktflächen.
Die Anzahl der Gleichgewichtszustände ist eine weitere Charakteristik der Schalter. Der Standardfall ist derjenige, wo der Betätiger nur einen einzigen Gleichgewichtszustand hat. Dies impliziert, dass einer der beiden Zustände des Schalters (geschaltet oder nicht-geschaltet) zu seiner Aufrechterhaltung eine Gleichspannungsversorgung benötigt. Die Unterbrechung der Erregung versetzt den Schalter in seine Gleichgewichtsstellung.
Der bistabile Fall ist der Fall, wo der Betätiger zwei verschiedene Gleichgewichtszustände hat. Der Vorteil dieser Betriebsart besteht darin, dass die beiden Stellungen "geschlossen" und "offen" des Schalters stabil sind und keine Versorgung benötigen, solange kein Kippen von dem einen in den anderen Zustand stattfindet.
Das Dokument US 2003/0029705 A1 offenbart einen bistabilen MEMS-Mikroschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schlägt einen bistabilen Mikroschalter mit niedrigem Verbrauch und horizontaler Verschiebung vor. Dieser Mikroschalter eignet sich besonders für das Gebiet der Mobiltelephonie und das Gebiet der Raumfahrt.
Die Erfindung hat also einen bistabilen MEMS-Mikroschalter zum Gegenstand, realisiert auf einem Substrat und fähig, die Enden von wenigstens zwei Strompfaden bzw. Leiterbahnen elektrisch zu verbinden, einen Balken umfassend, aufgehängt über der Oberfläche des Substrats, wobei der Balken mit seinen beiden Enden eingespannt ist und dabei einer Druckvorspannung ausgesetzt ist, wenn er sich in unverformter Position befindet, und der Balken Einrichtungen zur Herstellung eines elektrischen Kontakts umfasst, die so angeordnet sind, dass sie eine seitliche Verbindung mit den Enden der beiden Strompfade bzw. Leiterbahnen herstellen, wenn sich der Balken in einer in Bezug auf die Oberfläche des Substrats horizontalen Richtung deformiert, wobei der Mikroschalter Betätigungseinrichtungen des Balkens umfasst, um ihn entweder in eine erste Deformationsposition zu versetzen, die einem ersten stabilen Zustand entspricht, oder in eine einem zweiten stabilen Zustand entsprechende, der ersten Deformationsposition in Bezug auf die unverformte Position entgegengesetzte zweite Deformationsposition, wobei die Einrichtungen zur Herstellung eines elektrischen Kontakts die Verbindung der Enden der beiden Strompfade bzw. Leiterbahnen gewährleisten, wenn der Balken sich in seiner ersten Deformationsposition befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die unverformte Position des Balkens die Anfangsposition des Balkens – das heißt vor der Inbetriebnahme des Mikroschalters – ist.
Der Mikroschalter kann ein doppelter Mikroschalter sein, wobei die erste Deformationsposition der Verbindung der Enden der beiden ersten Leiterbahnen entspricht, und die zweite Deformationsposition der Verbindung der Enden der beiden zweiten Leiterbahnen entspricht.
Der Mikroschalter kann ein einfacher Mikroschalter sein, wobei die erste Deformationsposition der Verbindung der Enden der beiden Leiterbahnen entspricht, und die zweite Deformationsposition keiner Verbindung entspricht.
Nach einer ersten Realisierungsart ist der Balken aus einem dielektrischen oder halbleitenden Material und die die elektrischen Kontakte bildenden Einrichtungen werden durch ein elektrisch leitfähiges und fest mit dem Balken verbundenes Kontaktstück gebildet. Die Betätigungseinrichtungen des Balkens können Thermoaktoren umfassen, die einen Bimetalleffekt nutzen. Jeder Thermoaktor kann dann einen Block aus wärmeleitendem Material umfassen, der engen Kontakt mit einem elektrischen Widerstand (22) hat. Die Betätigungseinrichtungen des Balkens können Einrichtungen zur Anwendung von elektrostatischen Kräften umfassen. Sie können Thermoaktoren zur Nutzung eines Bimetalleffekts und Einrichtungen zur Anwendung von elektrostatischen Kräften umfassen.
Nach einer zweiten Realisierungsart ist der Balken aus einem elektrisch leitenden Material. Die Betätigungseinrichtungen des Balkens können dann Einrichtungen zur Anwendung von elektrostatischen Kräften umfassen.
Die Einrichtungen zur Herstellung des elektrischen Kontakts können eine Form aufweisen, die ihnen ermöglicht, sich einzufügen zwischen die Enden der zu verbindenden Leiterbahnen bzw. Strompfade. In diesem Fall können die Enden der Leiterbahnen eine Flexibilität besitzen, die ihnen ermöglicht, sich bei einer Verbindung an die Form der elektrischen Kontakte anzuschmiegen.
Der Mikroschalter kann auch Einrichtungen umfassen, die an wenigstens einem der eingespannten Enden des Balkens eine Relaxationsfeder bilden.
Die einen elektrischen Kontakt bildenden Einrichtungen können Einrichtungen sein, die einen ohmschen Kontakt gewährleisten, oder Einrichtungen sein, die einen kapazitiven Kontakt gewährleisten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung und andere Vorteile und Besonderheiten werden besser verständlich durch die nachfolgende nur erläuternde und nicht einschränkende Beschreibung, die sich auf die folgenden beigefügten Zeichnungen bezieht:
1, die eine Draufsicht einer ersten Variante eines doppelten Mikroschalters nach der vorliegenden Erfindung ist,
2, die den Mikroschalter der 1 in einem ersten stabilen Betriebszustand zeigt,
3, die den Mikroschalter der 1 in einem zweiten stabilen Betriebszustand zeigt,
4, die eine Draufsicht einer zweiten Variante eines doppelten Mikroschalters nach der vorliegenden Erfindung ist,
5, die eine Draufsicht einer dritten Variante eines doppelten Mikroschalters nach der vorliegenden Erfindung ist,
6, die eine Draufsicht eines einfachen Mikroschalters nach der vorliegenden Erfindung ist,
7, die eine Draufsicht einer vierten Variante eines doppelten Mikroschalters nach der vorliegenden Erfindung ist,
8, die eine Draufsicht einer fünften Variante eines doppelten Mikroschalters nach der vorliegenden Erfindung ist,
9, die eine Draufsicht einer sechsten Variante eines doppelten Mikroschalters nach der vorliegenden Erfindung ist,
10, die eine Draufsicht eines der ersten Variante entsprechenden doppelten Mikroschalters, versehen mit optimierten Kontakten ist,
11, die den Mikroschalter der 10 in einem ersten stabilen Betriebszustand zeigt.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG SPEZIELLER REALISIERUNGSARTEN
Die Fortsetzung der Beschreibung bezieht sich beispielartig auf Mikroschalter mit ohmschem Kontakt. Jedoch kann der Fachmann die Erfindung problemlos auf Mikroschalter mit kapazitivem Kontakt anwenden.
Die 1 ist eine Draufsicht einer ersten Variante eines doppelten Mikroschalters nach der ersten Erfindung.
Der Mikroschalter wird auf einem Substrat 1 realisiert, von dem aus Gründen der Vereinfachung nur ein Teil dargestellt ist. Dieser Mikroschalter ist ein doppelter Schalter. Es ist dazu bestimmt, entweder eine Verbindung zwischen den Enden 12 und 13 der Strompfade bzw. Leiterbahnen 2 und 3 oder zwischen den Enden 14 und 15 der Leiterbahnen 4 und 5 herzustellen.
Der Mikroschalter der 1 umfasst einen Balken 6 aus dielektrischem oder halbleitendem Material. Er befindet sich in der Ebene der Leiterbahnen. Der Balken ist mit seinen beiden Enden in erhabene Teile des Substrats 1 eingespannt. Er ist in seiner Ausgangsposition dargestellt und dabei einer Druckspannung ausgesetzt. Diese Spannung kann durch die Eigenspannungen der Materialien induziert werden, die zur Realisierung der beweglichen Struktur des Mikroschalters verwendet werden, das heißt des Balkens und der zugehörigen Elemente (Aktoren).
Der dargestellte Balken hat einen rechteckigen Querschnitt. Er trägt auf seiner den Leiterbahnen 2 und 3 zugewandten Seite (das heißt auf einer seiner Flanken) Aktoren 20 und 30, und auf seiner den Leiterbahnen 4 und 4 zugewandten Seite (das heißt auf seiner anderen Flanke) Aktoren 40 und 50. Die Aktoren befinden sich bei den Einspannzonen bzw. Einbauzonen des Balkens. Jeder Aktor wird durch ein gut die Wärme leitendes Element und einen elektrischen Widerstand gebildet. So umfasst der Aktor 20 ein Element 21, das einen Widerstand 22 umfasst. Ebenso verhält es sich mit den anderen Aktoren.
Der Balken wird vorzugsweise aus einem dielektrischen oder halbleitenden Material mit niedrigem Wärmedehnungskoeffizienten realisiert. Die thermischen Aktorelemente realisiert man vorzugsweise aus Metall mit einem hohen Wärmedehnungskoeffizienten, um einen starken Bimetalleffekt zu erzielen. Die Verschiebung des Balkens erfolgt in der horizontalen Richtung (Ebene der Figur), und die Aktoren befinden sich auf den Flanken des Balkens und in der Nähe der Einbaustellen, wieder mit dem Zweck, eines (maximalen) thermischen Wirkungsgrads.
Der Balken 6 trägt auch im Mittelteil und auf seinen Flanken ein elektrisches Kontaktelement 7, dazu bestimmt, zwischen den Enden 12 und 13 der Leiterbahnen 2 und 3 eine elektrische Verbindung des ohmschen Typs und zwischen den Enden 14 und 15 der Leiterbahnen 2 und 3 ein elektrisches Kontaktelement 8 zu bilden.
Bei der Anwendung des Mikroschalters ermöglicht ein erster Satz von Aktoren, den Balken 6 in eine Position zu kippen, die einem seiner beiden stabilen Zustände entspricht. Dies veranschaulicht die 2. Unter der Wirkung der Aktoren 40 und 50, die in dem Balken 6 einen Bimetalleffekt erzeugen, verformt sich dieser, um sich in einen ersten stabilen Zustand zu verschieben, dargestellt in der Figur. In diesem stabilen Zustand gewährleistet das elektrische Kontaktelement 7 eine Verbindung zwischen den Enden 12 und 13 der Leiterbahnen 2 und 3. Die Versorgungen der elektrischen Widerstände der Aktoren 40 und 50 werden unterbrochen und der Balken bleibt in diesem ersten stabilen Zustand.
Um den Mikroschalter umzuschalten, das heißt um ihn in seinen zweiten stabilen Zustand zu bringen, muss man die elektrischen Widerstände der Aktoren 20 und 30 versorgen, um in dem Balken 6 einen Bimetalleffekt zu erzielen, der dem vorhergehenden entgegengesetzt ist. Dieser verformt sich dann, um sich in seinen zweiten stabilen Zustand zu begeben, dargestellt in der 3. In diesem zweiten stabilen Zustand gewährleistet das elektrische Kontaktelement 8 einen Verbindung zwischen den Enden 14 und 15 der Leiterbahnen 4 und 5. Die Versorgungen der elektrischen Widerstände 20 und 30 werden unterbrochen und der Balken bleibt in diesem zweiten stabilen Zustand.
Die elektrischen Widerstände der Aktoren werden vorzugsweise aus einem leitfähigen Material von hoher Resistivität realisiert. Die Leiterbahnen und die Kontaktelemente sind vorzugsweise aus Gold, wegen seinen guten elektrischen Eigenschaften und seiner zeitlichen Haltbarkeit, insbesondere gegenüber Oxidation.
Die Einspannungen des Balkens können entweder starr (einfache Einspannung) oder mehr oder weniger nachgiebig sein, indem man die Einspannungen variiert, wobei man zum Beispiel Relaxationsfedern hinzufügt. Die Tatsache, die Nachgiebigkeit des Balkens variieren zu können, ermöglicht, die Spannungen in dem Balken zu kontrollieren, sowohl anfänglich (Eigenspannungen) als auch, um von dem einen Zustand in den anderen überzugehen (Durchlaufen eines Ausknickzustands (état de flambage)). Dies hat den Vorteil, die Gefahren des Brechens des Balkens zu begrenzen, aber auch, eine Begrenzung des Verbrauchs des Mikroschalters zu ermöglichen (Absenken der Kipptemperatur des Mikroschalters). Der Balken kann eine Spannungsrelaxation nur an einem seiner eingespannten Enden oder an seinen beiden Enden aufweisen.
Die 4 ist eine Draufsicht einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Mikrodoppelschalters, wobei beide Enden des Balkens eine Spannungsrelaxations-Einspannung aufweisen.
Die Realisierungsvariante der 4 umfasst dieselben Elemente wie die Realisierungsvariante der 2, mit Ausnahme der Einspannung der Enden des Balkens. Diesbezüglich weist das Substrat 1 Entspannungsschlitze 111 auf, senkrecht zu der Achse des Balkens. Die Schlitze 111 verleihen dem Teil des Substrats, der sich zwischen ihnen und dem Balken befindet, eine gewisse Nachgiebigkeit. Der Mikroschalter ist in seiner Anfangsposition dargestellt, vor der Inbetriebnahme.
Die Anwendung der elektrostatischen Kräfte kann auch für den erfindungsgemäßen Mikroschalter vorgesehen werden, entweder als Betätigungsprinzip oder als Hilfe zur Beibehaltung der geschalteten Position nach Abschaltung der Stromversorgung der Heizwiderstände der Aktoren, um den Druck des elektrischen Kontaktelements zu erhöhen und so den Widerstand des Kontakts zu begrenzen.
Die 5 ist eine Draufsicht einer dritten Variante des Mikrodoppelschalters nach der Erfindung. Dieser Mikroschalter benutzt Aktoren mit Bimetalleffekt und umfasst eine elektrostatische Hilfseinrichtung. Er ist in seiner Anfangsposition dargestellt, vor seiner Inbetriebnahme.
Man sieht das Substrat 201, Leiterbahnen 202 und 203, zu verbinden durch das Kontaktelement 207 während eines Kippens des Balkens 206 in einen ersten stabilen Zustand, Leiterbahnen 204 und 205, zu verbinden durch das Kontaktelement 208 während eines Kippens des Balkens 206 in einen zweiten stabilen Zustand, sowie Aktoren 220, 230 und 240, 250.
Der Mikroschalter der 5 umfasst außerdem Elektroden, die die Anwendung von elektrostatischen Kräften ermöglichen. Diese Elektroden sind auf dem Balken und auf dem Substrat verteilt. Der Balken 206 trägt auf einer ersten Flanke Elektroden 261 und 262 und auf einer zweiten Flanke Elektroden 263 und 264. Diese Elektroden befinden sich zwischen den thermischen Aktoren und den elektrischen Kontaktelementen. Das Substrat 201 trägt Elektroden 271 bis 274 gegenüber jeder durch den Balken 206 getragenen Elektrode. Die Elektrode 271 besitzt einen der Elektroden 261 gegenüberstehenden Teil, wobei dieser Teil in der Figur nicht sichtbar ist, und einen für seine elektrische Verbindung bestimmten Teil, wobei dieser Teil in der Figur sichtbar ist. Dasselbe gilt für die Elektroden 272, 273 und 274 jeweils in Bezug auf die Elektroden 262, 263 und 264.
Man sieht, dass die Elektroden 271 bis 274 eine Form haben, die der Form des verformten Balkens entspricht. Dies ermöglicht, die Betätigungs- oder Haltespannungen zu begrenzen (Elektroden mit variablem Spalt).
Der Mikroschalter kann in einen ersten stabilen Zustand versetzt werden – zum Beispiel dem, der der Verbindung der Leiterbahnen 202 und 203 durch das Kontaktelement 207 entspricht – durch thermische Aktoren 240 und 250, die nur zum Herstellen des ersten stabilen Zustands in Betrieb genommen werden. Das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 261 und 271 einerseits und zwischen den Elektroden 264 und 274 andererseits gewährleistet eine Abnahme des Kontaktwiderstands zwischen dem Element 208 und den Leiterbahnen 204 und 205.
Die 6 ist eine Draufsicht eines einfachen Mikroschalters nach der vorliegenden Erfindung. Dieser Mikroschalter benutzt Aktoren mit Bimetalleffekt, ohne elektrostatische Hilfe. Er ist in seiner Anfangsposition dargestellt.
Man sieht das Substrat 301, Leiterbahnen 302 und 303, zu verbinden durch das Kontaktelement 307 während eines Kippens des Balkens 306 in einen ersten stabilen Zustand, wobei der zweite stabile Zustand ohne Verbindung ist. Man erkennt auch Aktoren 320, 30 und 340, 350.
Die 7 ist eine Draufsicht einer vierten Mikrodoppelschaltervariante nach der vorliegenden Erfindung. Dieser Mikroschalter benutzt nur Aktoren mit elektrostatischem Effekt. Er ist in seiner Anfangsposition dargestellt, vor seiner Inbetriebnahme.
Man sieht das Substrat 401, Leiterbahnen 402 und 403, zu verbinden durch das Kontaktelement 407 bei einem Kippen des Balkens 406 in einen ersten stabilen Zustand, und Leiterbahnen 404 und 405, zu verbinden durch das Kontaktelement 408 bei einem Kippen des Balkens 406 in einen zweiten stabilen Zustand.
Der Mikroschalter der 7 umfasst Elektroden zur Anwendung elektrostatischer Kräfte. Diese Elektroden sind auf dem Träger und dem Substrat verteilt. Der Balken 406 trägt auf einer ersten Flanke Elektroden 461 und 462 und auf einer zweiten Flanke Elektroden 463 und 464. Diese Elektroden befinden sich beiderseits der elektrischen Kontaktelemente 407 und 408. Das Substrat 401 trägt Elektroden 471 bis 474 gegenüber jeder durch den Balken 406 getragenen Elektrode. Die Elektrode 471 besitzt einen der Elektrode 461 gegenüberstehenden Teil, wobei dieser Teil in der Figur nicht sichtbar ist, und einen zu seiner elektrischen Verbindung bestimmten Teil, wobei dieser Teil in der 7 sichtbar ist. Dasselbe gilt für die Elektroden 472, 473 und 474 jeweils in Bezug auf Elektroden 462, 463 und 464.
Der Mikroschalter kann in einen ersten stabilen Zustand versetzt werden, zum Beispiel den, welcher der Verbindung der Leiterbahnen 402 und 403 durch das Kontaktelemente 407 entspricht. Dazu legt man zwischen den Elektroden 461 und 471 einerseits und den Elektroden 462 und 472 andererseits eine Spannung an. Sobald der Balken in seinen ersten stabilen Zustand gekippt ist, kann die angelegte Spannung beendet oder verringert werden, um den Kontaktwiderstand zwischen dem Element 407 und den Leiterbahnen 402 und 403 zu reduzieren.
Der Mikroschalter kann durch das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 463 und 473 einerseits und 464 und 474 andererseits (und Beenden der elektrostatischen Hilfsspannung zur Aufrechterhaltung des ersten Zustands, wenn sie benutzt wurde) in den zweiten stabilen Zustand versetzt werden. Sobald der Balken in seinen zweiten stabilen Zustand gekippt ist, kann die angelegte Spannung weggelassen oder verringert werden, wie vorhergehend.
Die 8 ist eine Draufsicht einer fünften Mikrodoppelschaltervariante nach der vorliegenden Erfindung. Diese fünfte Variante ist eine optimierte Version der vorhergehenden Variante. Für gleiche Elemente wurden dieselben Referenzen verwendet.
Die Elemente 471', 472', 473' und 474' haben dieselbe Funktion wie die entsprechenden Elektroden 471, 472, 473 und 474 des Mikroschalters der 7. Jedoch haben sie eine Form, die der Form des verformten Balkens entspricht. Dies ermöglicht, die Betätigungs- oder Haltespannung zu begrenzen (Elektroden mit variablem Spalt).
Die 9 ist eine Draufsicht einer sechsten Variante des Mikrodoppelschalters nach der vorliegenden Erfindung. Er ist in seiner Anfangsposition vor seiner Inbetriebnahme dargestellt.
Man sieht das Substrat 501, Leiterbahnen 502 und 503, die das Kontaktelement 507 verbindet, wenn der Balken 506 in einen ersten stabilen Zustand kippt, und Leiterbahnen 504 und 505, die das Kontaktelement 507 verbindet, wenn der Balken 506 in einen zweiten stabilen Zustand kippt.
Der Balken 506 ist bei dieser Variante ein metallischer Balken, zum Beispiel aus Aluminium, der auf seinen Flanken Kontaktelemente 507 und 508 trägt. Das Kippen des Balkens in einen ersten stabilen Zustand, zum Beispiel den der Verbindung der Leiterbahnen 502 und 503 entsprechenden, erhält man, indem man zwischen dem als Elektrode dienenden Balken 506 und den Elektroden 571 und 572 eine Kippspannung anlegt. Sobald der Balken in seinen ersten stabilen Zustand gekippt ist, kann die angelegte Spannung beendet oder reduziert werden, um den Kontaktwiderstand zwischen dem Element 507 und den Leiterbahnen 502 und 503 zu verringern.
Der Mikroschalter kann durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Balken 506 und den Elektroden 573 und 574 (und Beenden der elektrostatischen Hilfsspannung zur Aufrechterhaltung des ersten Zustands, wenn sie benutzt wurde) in den zweiten stabilen Zustand versetzt werden. Sobald der Balken in seinen zweiten stabilen Zustand gekippt ist, kann die angelegte Spannung weggelassen oder verringert werden, wie vorhergehend. Bei dieser Mikroschaltervariante ist die elektrostatische Betätigung optimiert worden durch die den Elektroden 571 bis 574 verliehene Form.
Die 10 ist eine Draufsicht eines der ersten Variante entsprechenden Mikrodoppelschalters, aber mit optimierten Kontakten. Der Mikroschalter ist in seiner Anfangsposition dargestellt, vor seiner Inbetriebnahme. Für die gleichen Elemente wurden dieselben Referenzen wie in 1 benutzt.
Man sieht in dieser Figur, dass die Enden 12', 13', 14' und 15' der jeweiligen Leiterbahnen 2, 3, 4 und 5 optimiert worden sind, um einen besseren elektrischen Kontakt mit den Kontaktelementen 7' und 8' herzustellen. So haben die Kontaktelemente 7' und 8' an ihrer Basis (das heißt in der Nähe des Balkens) eine breitere Form als an ihrer Oberseite. Sie können sich also leichter zwischen den Enden 12', 13' und 14', 15' einfügen, die ihrerseits eine entsprechende Einfügrundung aufweisen.
Die Enden der Leiterbahnen können ebenfalls etwas flexibel sein, um sich an die Kontaktform anzuschmiegen und so einen besseren elektrischen Kontakt zu gewährleisten. Dies zeigt die 11, wo der Mikroschalter sich in einem ersten stabilen Zustand befindet.
Der erfindungsgemäße Mikroschalter hat die in der Folge beschriebenen Vorteile.
Seine Betrieb hat aufgrund der Bistabilität einen geringen Stromverbrauch.
Die Varianten mit thermischen Aktoren besitzen einen hohen Betätigungswirkungsgrad. Ihre Schaltzeit ist insofern kurz, als es nicht notwendig ist, eine sehr hohe Temperatur zu erreichen, um den Balken kippen zu lassen. Sie haben auch eine niedrige Kippspannung, wenn den thermischen Aktoren elektrostatische Aktoren zugeordnet werden. Dies beruht auf:

– der Nutzung des thermischen Bimetalleffekts;
– der Verwendung von in die Balken integrierten Heizwiderständen, lokalisiert in (oder sehr nahe bei) Teilen mit hohen Wärmedehnungskoeffizienten des Bimetalls (Metallblöcke), was ermöglicht, den höchstmöglichen elektrothermischen Wirkungsgrad zu erzielen (das heißt die niedrigsten thermischen Verluste);
– die Verwendung eines dielektrischen Balkens mit schwacher Wärmeleitfähigkeit, was hilft, eine große Wärmeabführung aus der Bimetallzone zu vermeiden.

Man benutzt also in dem Fall der Erfindung zugleich die Wärmedehnungsdifferenz von zwei unterschiedlichen Materialien, aber ebenfalls die Konditionierung der Temperatur der Heizwiderstände in Höhe des Bimetalls.
Die Erfindung bietet die Möglichkeit, einen Doppelschalter zu realisieren.
Sie bietet die Möglichkeit, einen Schalter zu realisieren, bei dem der Kontaktwiderstand optimiert werden kann:

– durch die Form, die man den Kontaktelementen und den Enden der zu schaltenden Leiterbahnen geben kann, und eventuell durch die Flexibilität der Kontaktzone, die zwischen den Kontaktelementen und den Leiterbahnen einen "angepassteren" Kontakt ermöglicht;
– durch die Möglichkeit, "Hilfselektroden" von angepasster Form hinzuzufügen, die mit einer niedrigen Spannung an den Anschlüssen dieser Elektroden ermöglichen, einen großen Druck auf das Kontaktelement auszuüben.

Die Realisierung des Mikroschalters nach der Erfindung ist sehr kompatibel mit den Herstellungsverfahren der integrierten Schaltungen (Gold-Metallisierungen am Ende des Verfahrens, wenn nötig).
Die Bistabilität, die der Mikroschalter aufweist, ist aus zwei Gründen perfekt kontrolliert bzw. eine perfekt kontrollierte. Der erste Grund ist, dass man die Bistabilität durch die Tatsache erzielt, dass der Balken einer Druckspannung ausgesetzt ist. Diese Spannung wird durch die den Schalter bildenden Materialien erzeugt (Form, Dicke). Wenn der Balken perfekt symmetrisch konzipiert ist und wenn die Realisierung jedes der beiden Aktorensätze während derselben Abscheidung erfolgt, kann die Spannung nicht anders als perfekt symmetrisch sein (dieselbe Form, dieselbe Dicke und Symmetrie der Aktoren). Man hat es also mit einer Vorrichtung zu tun, die keinen stabilen Zustand in Bezug auf einen anderen, weniger stabilen Zustand bevorzugt. Der zweite Grund besteht darin, dass es möglich ist, den Wert der Druckspannung durch die Art der Abscheidung und auch durch die Konzeption zu kontrollieren, indem man Spannungsrelaxations-"Federn" vorsieht.
Der erfindungsgemäße Mikroschalter kann vorteilhaft auf einem Siliciumsubstrat realisiert werden. Der Einspannungsteil und der Balken können aus Si₃O₄, SiO₂ oder polykristallinem Silicium realisiert werden. Die Leiterbahnen, die Kontaktelemente, die Elektroden, die thermischen Aktoren können aus Gold, aus Aluminium oder aus Kupfer, aus Nickel realisiert werden, wobei diese Materialien unter Vakuum oder auf elektrochemischem Weg (Elektrolyse, autokatalytische Abscheidung) abgeschieden werden können. Die Heizwiderstände können aus TaN, TiN oder aus Ti realisiert werden.
Zum Beispiel kann ein Verfahren zur Realisierung eines ohmschen Mikroschalters mit thermischer Betätigung auf einem Siliciumsubstrat die folgenden Schritte umfassen:

– Abscheidung einer Oxidschicht von 1 μm Dicke mittels PECVD auf dem Substrat,
– Lithographie und Ätzung eines Hohlraums hinsichtlich der Realisierung der Einspannung bzw. des Einbaus,
– Abscheidung einer Polyimidschicht von 1 μm Dicke, die als Opferschicht dient,
– Trockenplanarisierung oder mechanisch-chemische Politur (CMP) der Opferschicht,
– Abscheidung einer SiO₂-Schicht von 3 μm Dicke,
– Ätzung dieser SiO₂-Schicht, um Öffnungen für die Aktoren, die Kontaktelemente und die Leiterbahnen herzustellen,
– Abscheidung eine Aluminiumoxidschicht von 3 μm Dicke,
– Planarisierung der Aluminiumoxidschicht durch CMP bis zur Freilegung der SiO₂-Schicht,
– Abscheidung einer SiO₂-Schicht von 0,15 μm Dicke,
– Abscheidung einer TiN-Schicht von 0,2 μm Dicke,
– Litho-Ätzung der Heizwiderstände in der TiN-Schicht,
– Abscheidung einer SiO₂-Schicht von 0,2 μm Dicke,
– Litho-Ätzung dieser SiO₂-Schicht, um die Kontaktelemente der Heizwiderstände herzustellen,
– Litho-Ätzung des SiO₂ mit Stopp auf der Opferschicht, um den Balken herzustellen,
– Abscheidung einer Cr/Au-Zweilagenschicht von 0,3 μm Dicke,
– Litho-Ätzung der Leiterbahnen und der Kontaktelemente,
– Ätzung der Opferschicht, um den Balken freizumachen.

Nach einem anderen Realisierungsbeispiel kann ein Verfahren zur Realisierung eines Mikroschalters mit thermischer Betätigung auf einem Siliciumsubstrat die folgenden Schritte umfassen:

– Abscheidung einer Oxidschicht von 1 μm Dicke mittels PECVD auf dem Substrat,
– Lithographie durch Ätzung eines Hohlraums hinsichtlich der Realisierung der Einspannung bzw. des Einbaus,
– Abscheidung einer Polyimidschicht von 1 μm Dicke, die als Opferschicht dient,
– Trockenplanarisierung oder mechanisch-chemische Politur (CMP) der Opferschicht,
– Abscheidung einer SiO₂-Schicht von 3 μm Dicke,
– Ätzung dieser SiO₂-Schicht, um Öffnungen für die Aktoren herzustellen,
– Abscheidung eine Aluminiumoxidschicht von 3 μm Dicke,
– Planarisierung der Aktoren durch CMP,
– Abscheidung einer SiO₂-Schicht von 0,15 μm Dicke,
– Abscheidung einer TiN-Schicht von 0,2 μm Dicke,
– Litho-Ätzung der Heizwiderstände in der TiN-Schicht,
– Abscheidung einer SiO₂-Schicht von 0,2 μm Dicke,
– Litho-Ätzung dieser SiO₂-Schicht, um die Kontaktelemente der Heizwiderstände herzustellen,
– Litho-Ätzung dieser SiO₂-Schicht bis in eine Tiefe von 3,2 μm, um den Balken herzustellen,
– Abscheidung einer Ti/Ni/Au-Dreilagenschicht von 1 μm Dicke,
– Litho-Ätzung der Leiterbahnen und der Kontaktelemente,
– Ätzung der Opferschicht, um den Balken freizumachen.

Claims

Bistabiler Mikroschalter, realisiert auf einem Substrat (1) und fähig, die Enden (12, 13, 14, 15) von wenigstens zwei Leiterbahnen (2, 3, 4, 5) elektrisch zu verbinden, einen Balken (6) umfassend, aufgehängt über der Oberfläche des Substrats, wobei der Balken mit seinen beiden Enden eingespannt ist und dabei einer Druckvorspannung ausgesetzt ist, wenn er sich in unverformter Position befindet, und der Balken (6) Einrichtungen (7, 8) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts umfasst, die so angeordnet sind, dass sie eine seitliche Verbindung mit den Enden der beiden Leiterbahnen herstellen, wenn sich der Balken in einer in Bezug auf die Oberfläche des Substrats horizontalen Richtung deformiert, wobei der Mikroschalter Betätigungseinrichtungen (20, 30, 40, 50) des Balkens umfasst, um ihn entweder in eine erste Deformationsposition zu versetzen, die einem ersten stabilen Zustand entspricht, oder in eine einem zweiten stabilen Zustand entsprechende, der ersten Deformationsposition in Bezug auf die unverformte Position entgegengesetzte zweite Deformationsposition, wobei die Einrichtungen (7, 8) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts die Verbindung der Enden (12, 13, 14, 15) der beiden Leiterbahnen (2, 3, 4, 5) gewährleisten, wenn der Balken sich in seiner ersten Deformationsposition befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die unverformte Position des Balkens die Anfangsposition des Balkens, das heißt vor der Inbetriebnahme des Mikroschalters, ist.
Mikroschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroschalter ein doppelter Mikroschalter ist, wobei die erste Deformationsposition der Verbindung der Enden (12, 13) der beiden ersten Leiterbahnen (2, 3) entspricht, und die zweite Deformationsposition der Verbindung der Enden (14, 15) der beiden zweiten Leiterbahnen (4, 5) entspricht.
Mikroschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroschalter ein einfacher Mikroschalter ist, wobei die erste Deformationsposition der Verbindung der Enden der beiden Leiterbahnen (302, 303) entspricht, und die zweite Deformationsposition keiner Verbindung entspricht.
Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Balken (6) aus einem dielektrischen oder halbleitenden Material ist und die die elektrischen Kontakte bildenden Einrichtungen durch ein elektrisch leitfähiges und fest mit dem Balken verbundenes Kontaktstück (7, 8) gebildet werden.
Mikroschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtungen des Balkens Thermoaktoren (20, 30, 40, 50) umfassen, die den Bimetalleffekt nutzen.
Mikroschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Thermoaktor (20) einen Block (21) aus wärmeleitendem Material umfasst, der engen Kontakt mit einem elektrischen Widerstand (22) hat.
Mikroschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtungen des Balkens Einrichtungen (271, 272, 273, 274; 261, 262, 263, 264) zur Anwendung von elektrostatischen Kräften umfassen.
Mikroschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtungen des Balkens Thermoaktoren zur Nutzung eines Bimetalleffekts und Einrichtungen zur Anwendung von elektrostatischen Kräften umfassen.
Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Balken (506) aus einem elektrisch leitfähigen Material ist.
Mikroschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtungen des Balkens Einrichtungen (506; 571, 572, 573, 574) zur Anwendung von elektrostatischen Kräften umfassen.
Mikroschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Herstellung des elektrischen Kontakts (7', 8') eine Form aufweisen, die ihnen ermöglicht, sich einzufügen zwischen den Enden (12', 13', 14', 15') der zu verbindenden Leiterbahnen (2, 3, 4, 5).
Mikroschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (12', 13', 14', 15') der Leiterbahnen (2, 3, 4, 5) eine Flexibilität besitzen, die ihnen ermöglicht, sich an die Form der elektrischen Kontakte (7', 8') anzuschmiegen.
Mikroschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Einrichtungen umfasst, die an wenigstens einem der eingespannten Enden des Balkens (106) eine Relaxationsfeder (111) bilden.
Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einen elektrischen Kontakt bildenden Einrichtungen Einrichtungen sind, die einen ohmschen Kontakt gewährleisten.
Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einen elektrischen Kontakt bildenden Einrichtungen Einrichtungen sind, die einen kapazitiven Kontakt gewährleisten.