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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von Radiofrequenz-Schaltern (RF), die durch
mikroelektromechanische Systeme (MEMS) implementiert sind.
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Stand der Technik
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Schalter
aus mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) sind in Radiofrequenz-Kommunikationssystemen
(RF), wie beispielsweise gephasten Reihenantennen, Phasenverschiebern,
schaltbaren Tuningkomponenten, etc. weit verbreitet.
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RF-MEMS-Schalter
sind im Wesentlichen Miniatur-Vorrichtungen, die eine elektrisch
bewirkte mechanische Bewegung nutzen, um in einer RF-Übertragungsleitung
einen Kurzschluss oder eine offene Schaltung zu erzielen. Ein RF-MEMS-Schalter umfasst
daher im Wesentlichen zwei verschiedene Mittel:
- – mikromechanische
Mittel, die im Allgemeinen als Schaltmittel bezeichnet werden und
in zwei unterschiedliche Stellungen bewegt werden können: eine
Aus-Stellung entsprechend
einem abgeschalteten Zustand des Schalters, d. h. einem Zustand,
in der die Übertragungsleitung
geöffnet ist
und nicht zur Übermittlung
eines RF-Signals verwendet werden kann und einer Ein-Stellung entsprechend
dem eingeschalteten Zustand des Schalters, d. h. einem Zustand,
in dem die Übertragungsleitung
geschlossen ist und zur Übermittlung
eines RF-Signals verwendet werden kann.
- – Elektrische
Mittel, die im Allgemeinen als Betätigungsmittel bezeichnet werden,
wobei die elektrischen Betätigungsmittel
im Allgemeinen verwendet werden, um eine Kraft zu erzeugen, die
auf die mechanischen Schaltmittel wirkt, um diese in deren Ein-Stellung
und/oder in deren Aus-Stellung zu bewegen.
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RF-MEMS-Schalter
können
in mehrere Kategorien klassifiziert werden, basierend auf den verwendeten
elektrischen Betätigungsmitteln,
d. h. elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische oder
elektrothermische Betätigungsmittel.
Eine elektrostatische Betätigung
ist die zurzeit bevorzugt verwendete Technik, da sie kürzere Schaltzeiten
(üblicherweise
weniger als 200 μs)
und einen virtuellen Null- Leistungsverbrauch
ermöglicht.
Des Weiteren können
bei RF-MEMS-Schaltergestaltungen
verschiedene Betätigungstechniken
kombiniert werden (beispielsweise kann ein elektrostatischer Spannungshalter
mit einer thermischen Betätigung
verbunden werden).
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RF-MEMS-Schalter
können
außerdem
basierend auf dem zum Schalten der Übertragungsleitung verwendeten
Kontakt in zwei Kategorien klassifiziert werden, nämlich in "Metall auf Metall-Kontaktschalter" oder "kapazitive Kontaktschalter". Sogenannte "Metall auf Metall-Kontaktschalter" (die außerdem als
Ohm'sche Kontaktschalter
bezeichnet werden) werden typischerweise zum Schalten eines Signals
von Gleichstrom auf 60 GHz verwendet. Kapazitive Schalter werden
insbesondere zum Schalten von RF-Signalen zwischen 6 GHz und 120
GHz verwendet.
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Zurzeit
können
RF-MEMS-Schalter außerdem
in zwei Hauptkategorien klassifiziert werden, basierend auf der
Struktur ihrer mikromechanischen Schaltmittel.
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Eine
erste Hauptkategorie umfasst RF-MEMS-Schalter, deren mikromechanische Schaltmittel
eine flexible Membran umfassen, die auf einem Substrat des Schalters
befestigt ist. Eine zweite Kategorie umfasst RF-MEMS-Schalter, deren
mikromechanische Schaltmittel einen spannungsfreien festen Balken
umfassen, der auf dem Substrat des Schalters frei befestigt ist.
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RF-MEMS mit einer flexiblen, verankerten
Membran
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In
einer ersten Ausführungsform
ist die flexible Membran auf dem Substrat an beiden Extremitäten verankert
und bildet daher eine Brücke. MEMS-Schalter,
die eine flexible Brücke
als Schaltelement nutzen, sind beispielsweise in den folgenden Veröffentlichungen
offenbart: US-Patentanmeldung Nr. 2004/0091203,
US-Patent Nr. 6,621,387 , Europäische Patentanmeldung
EP 1 343 189 , PCT-Anmeldung
WO 2004/076341 , US-Patentanmeldung
Nr. 2004/050674.
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In
einer zweiten Ausführungsform
ist die flexible Membran lediglich an einer Extremität auf dem Substrat
verankert und bildet daher einen Hebel aus. MEMS-Schalter, die eine
flexible Hebelmembran als Schaltelement nutzen, sind beispielsweise
in dem
US-Patent Nr. 5,638,946 offenbart.
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Die
Verwendung von RF-MEMS-Schaltern mit einer flexiblen, verankerten
Membran (Brücke oder
Hebel) als Schaltelement beinhaltet die folgenden Hauptnachteile.
Die Schalter sind gegenüber Temperaturänderungen
und mechanischen und/oder thermischen Deformierungen des Substrates
sehr sensibel (erster Hauptnachteil). Während einer Betätigung wird
die verankerte Schaltmembran unter den durch das Betätigungsmittel
erzeugten Kräften
deformiert und dabei hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt,
was wiederum die Lebensdauer des RUF Memo-Schalters schwerwiegend
verkürzt (zweiter
Hauptnachteil).
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RF-MEMS-Schalter mit einem
spannungsfreien und festen Balken
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RF-MEMS-Schalter
mit einem spannungsfreien und festen Balken sind zum Beispiel in
der Europäischen
Patentanmeldung
EP 1 489 639 offenbart.
In dieser Veröffentlichung
ist das Schaltelement ein fester Balken, der sich zwischen einer
Ein-Stellung und einer Aus-Stellung in einer zu dem Substrat parallelen
Ebene frei bewegen kann. In einer anderen Variante kann der feste
Balken ein schwimmender Balken sein, der sich zwischen einer Ein-Stellung und
einer Aus-Stellung in einer zu dem Substrat senkrechten Richtung
bewegen kann (Europäische Patentanmeldung
EP 1 429 413 ).
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Diese
Art eines Schalters beseitigt in vorteilhafter Weise die zuvor erwähnten Nachteile
von RF-MEMS-Schaltern mit einer verankerten Schaltmembran. Auf der
anderen Seite besitzen diese RF-MEMS-Schalter mit einem spannungsfreien
und festen Schaltbalken eine längere
Schaltzeit (d. h. die Zeit, die zum Bewegen des Schaltbalkens zwischen der
Ein-Stellung und der Aus-Stellung notwendig ist). Des Weiteren sind
sie gegenüber
mechanischen Schocks oder Vibrationen empfindlicher.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine neue Struktur für einen
RF-MEMS-Schalter zu schaffen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen neuen RUF Memo-Schalter
zu schaffen, der die zuvor genannten Nachteile von RUF Memo-Schaltern, die
eine verankerte Schaltmembran nutzen, beseitigt.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen neuen RF-MEMS-Schalter
zu schaffen, der im Vergleich mit den zuvor genannten RF-MEMS-Schaltern mit
belastungsfreien und festen Schaltbalken eine kurze Schaltzeit besitzt.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen neuen RF-MEMS-Schalter
zu schaffen, der weniger sensibel gegenüber mechanischen Schocks oder
Vibrationen im Vergleich zu den zuvor genannten RF-MEMS-Schaltern
mit belastungsfreien und festen Schaltbalken ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Wenigstens
die zuvor genannte Hauptaufgabe wird durch den RF-MEMS-Schalter
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Der
RF-MEMS-Schalter gemäß der Erfindung
umfasst:
- – mikromechanische
Schaltmittel, die zwischen zwei Stellungen betätigt werden können: einer ersten
Stellung (abgeschalteter Zustand) und einer zweiten Stellung (eingeschalteter
Zustand) und
- – Betätigungsmittel
zum Einstellen der Stellung des Schaltelementes.
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Gemäß einem
neuen Hauptmerkmal der Erfindung umfasst das mikromechanische Schaltmittel eine
flexible Membran, die von einem Haltemittel frei getragen ist und
unter der Einwirkung des Betätigungsmittels
biegbar ist.
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Die
hier (in der Beschreibung und den Ansprüchen) verwendete Formulierung "frei getragen" bedeutet, dass die
Schaltmembran relativ zu dem Haltemittel während ihrer Schaltbewegung
zwischen der Ein-Stellung und der Aus-Stellung frei gleiten kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung anhand eines nicht erschöpfenden und nicht beschränkenden
Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen hervor, in
denen:
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1 eine
Schnittansicht (in der Ebene I-I der 3) eines
kapazitiven RF-MEMS-Schalters gemäß der Erfindung
zeigt, wobei sich der Schalter in dem abgeschalteten Zustand befindet,
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2 eine
Schnittansicht des Schalters der 1 ist, wobei
sich der Schalter in dem eingeschalteten Zustand befindet,
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3 eine
Aufsicht auf den kapazitiven RF-MEMS-Schalter der Figur zeigt und
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4 eine
Schnittansicht des Schalters während
des Herstellungsprozesses und kurz vor dem letzten lösenden Schritt
zeigt.
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Ausführliche Beschreibung
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Die 1 bis 3 zeigen
einen kapazitiven RF-MEMS-Schalter, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hergestellt worden ist. Es muss allerdings klar gestellt
werden, dass der Bereich der Erfindung nicht auf einen kapazitiven RF-MEMS-Schalter
beschränkt
ist, sondern außerdem
Ohm'sche Kontakt-RF-MEMS-Schalter umfasst. Der
kapazitive RF-MEMS-Schalter der 1 bis 3 besitzt
eine neue Struktur, die nachfolgend ausgeführt wird, und kann durch Verwendung
herkömmlicher
Mikro-Oberflächenbearbeitungsverfahren
hergestellt werden.
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Bezugnehmend
auf die 1 umfasst der RF-MEMS-Schalter
einen Wafer 1 (beispielsweise aus Silizium), der das Substrat
des Schalters ausbildet. Auf der Oberfläche des Wafers 1 ist
eine dünne dielektrische
Schicht abgeschieden. Auf der dielektrischen Schicht 2 umfasst
der Schalter:
- – zwei voneinander beabstandete
und parallele laterale Stützelemente 3,
die sich in der Querrichtung der 1 erstrecken
(siehe 3 – Richtung
Y)
- – ein
zentrales Stützelement 4,
dass sich in einer zu der Hauptrichtung der seitlichen Stützelemente im
Wesentlichen parallel erstreckt (d. h. in der Querrichtung der 1,
siehe 3), wobei das zentrale Stützelement 4 zwischen
den beiden seitlichen Stützelementen 3 angeordnet
ist, vorzugsweise in der Mitte zwischen den seitlichen Stützelementen 3.
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Im
Gegensatz zu den seitlichen Stützelementen 3 ist
die obere Fläche
des zentralen Stützelementes 4 mit
einer dünnen
dielektrischen Schicht bedeckt.
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Die
zwei seitlichen Stützelemente 3 und
die dielektrische Schicht 2 bilden einen koplanaren Wellenleiter
(CPW) aus, wobei die zwei seitlichen Stützelemente 3 den Erdleitungen
entsprechen. Das zentrale Stützelement 4 bildet
eine Signalleitung zur Übertragung
des elektrischen RF-Signals innerhalb des koplanaren Wellenleiters
(CPW) aus.
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Die
seitlichen und das zentrale Stützelement 3, 4 bestehen
beispielsweise aus einem Metall wie Gold. Der dielektrische Werkstoff
der Schichten 2 und 5 kann ein beliebiger Werkstoff
und insbesondere ein Polymer mit einer sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit
sein. Die dielektrischen Schichten 2 und 5 bestehen
beispielsweise aus Siliziumnitrid.
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Der
RF-MEMS-Schalter umfasst des Weiteren ein kapazitives Schaltelement,
das durch eine dünne
flexible Membran 6 gebildet ist, die aus einem Metall,
wie beispielsweise Aluminium, Gold oder einer beliebigen leitenden
Legierung besteht. Die flexible Schaltmembran 6 ist wenigstens
durch die seitlichen Stützelemente 3 frei
gestützt.
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Bezugnehmend
auf die 3 besitzt die flexible Schaltmembran 6 einen
Hauptmittenbereich 6a und zwei gegenüberliegende Extremitäten in Form von
Platten 6b. In der besonderen Ausführungsform der Figuren ist
der Mittenbereich 6a rechteckig und erstreckt sich oberhalb
der seitlichen Stützelemente 3 in
der seitlichen Richtung (X). Die Platten 6b besitzen in
der Längsrichtung
(Y) der Stützelemente 3 eine
Abmessung (E), die größer als
die Breite (e) des rechteckigen Abschnitts 6a ist. Die
Form der flexiblen Membran 6 ist für die Erfindung nicht wichtig.
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Jedes
Stützelement 3 beinhaltet
des Weiteren an seinem oberen Abschnitt einen Brückenabschnitt 3a,
der einen Durchlass 3b ausbildet, durch den der zentrale
Abschnitt 6a der Membran frei positioniert ist. Die Platten 6b der
Membranen werden zusammen mit den Brückenabschnitten 3a als
Befestigungsmittel genutzt, um die Membran auf dem Stützelement 3 zu
halten, ohne sie allerdings daran zu hindern, sich relativ zu den
Stützelementen 3 während der
normalen Verwendung des Schalters frei zu bewegen.
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Der
RF-MEMS-Schalter umfasst des Weiteren elektrostatische Betätigungsmittel,
die verwendet werden, um die Membran 6 zu biegen, und die
durch zwei verdeckte, laterale Elektroden 7 ausgebildet sind.
In der bevorzugten Ausführungsform
der 1 bis 3 sind die verdeckten Elektroden
in vorteilhafter Weise außerhalb
des koplanaren Wellenleiters (CPW) unter den beiden Platten 6b der
Schaltmembran 6 angeordnet. Die obere Fläche jeder
Elektrode 7 ist mittels einer dielektrischen Schicht 8 abgedeckt, um
jeden Ohm'schen
Kontakt zwischen den Membranplatten 6b und den Elektroden 7 zu
vermeiden. Die dielektrischen Schichten 8 können durch
ein beliebiges äquivalentes
Mittel ersetzt werden, das ermöglicht,
einen Ohm'schen
Kontakt zwischen den Membranplatten 6b und den Elektroden 7 zu
vermeiden.
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Abgeschalteter Zustand
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Die 1 zeigt
die Ausbildung des RF-MEMS-Schalters im abgeschalteten Zustand.
In diesem abgeschalteten Zustand liegt kein elektrisches Betätigungssignal
an den Elektroden 7 an. In dem abgeschalteten Zustand befindet
sich die Schaltmembran 6 in ihrer Ruhelage und steht mit
der dielektrischen Schicht 5 in Kontakt. Die Signalleitung 4 ist
offen und kann kein RF-Signal innerhalb des koplanaren Leiters (CPW) übertragen.
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An
das zentrale Stützelement 4 wird
vorzugsweise ein Gleichstromsignal angelegt, um auf die Membran 6 eine
geringe elektrostatische Kraft (F1) auszuüben und einen perfekten Kontakt
zwischen der Membran 6 und der dielektrischen Schicht 5 zu
bewahren. Diese Gleichspannung des abgeschalteten Zustandes kann
in vorteilhafter Weise sehr gering sein (geringer Verbrauch). Das
vorspannende Gleichstromsignal ist außerdem in Fällen nützlich, in denen zwischen der
elektrischen Schicht 5 und der Membran 6 ein sehr
geringer, anfänglicher Spalt
vorliegt, wenn sich die Membran in ihrer Ruhestellung befindet.
In einem solchen Fall muss die Spannung des vorspannenden Gleichstromsignals ausreichend
sein, um eine Kontaktkraft F1 (1) auf den
zentralen Bereich der Membran 6 auszuüben, die höher ist als die entgegengerichtete
Ruhekraft der Membran.
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In
der abgeschalteten Stellung wird die Membran
6 in vorteilhafter
Weise durch die drei Stützelemente
3,
4 in
einer stabilen Stellung gestützt
und ist daher gegenüber
mechanischen Vibrationen und Stößen im Vergleich
zu RF-MEMS-Schaltern, die einen spannungsfreien, festen Schaltstab
verwenden (
EP 1 489 639 ),
weniger empfindlich.
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Vorzugsweise
liegt zwischen den Platten 6b und den dritten Teilen 3a der
lateralen Stützelemente 3 (3 – Abmessungen
(d)) weiterhin ein schmaler Spalt vor, wenn sich die Membran 6 in
der Abschaltstellung befindet. Die Stützelemente 3 stützen daher die
Membran 6 lediglich vertikal (Z-Richtung der 1)
und üben
in der Ebene (X, Y) auf die Membran keine mechanische Kraft aus.
Durch die lateralen Stützelemente 3 wird
daher keine mechanische Belastung in die Membran 6 eingeleitet,
wenn sich diese in der Abschaltstellung befindet.
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Eingeschalteter Zustand
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Die 2 zeigt
die Ausbildung des RF-MEMS-Schalters im eingeschalteten Zustand.
In dieser Einschalt-Konfiguration ist die Membran 6 von dem
Substrat fortgebogen und steht daher nicht länger mit der dielektrischen
Schicht 5 in Kontakt. Die RF-Signalleitung kann zur Übertragung
eines RF-Signals verwendet werden.
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In
diesem gebogenen Zustand ist die Steifheit der Membran in Richtung
außerhalb
der Ebene erhöht,
was wiederum die Beständigkeit
der Schaltmembran 6 gegenüber Vibrationen oder Stößen erhöht.
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Vom abgeschalteten Zustand
in den eingeschalteten Zustand
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Um
die Einschaltkonfiguration zu erreichen, wird an den Elektroden 7 ein
Gleichstromsignal angelegt, um elektrostatische Kräfte (F2)
zwischen den Elektroden 7 und den Membranplatten 6b zu
erzeugen. Die elektrostatischen Kräfte F2 verursachen zusammen
mit den lateralen Stützelementen 3 die
Biegung der Membran (2) in einer solchen Weise, dass
der zentrale Abschnitt 6a der Membran 6 von der
dielektrischen Schicht 5 fortbewegt wird (Schließen der
RF-Signalleitung).
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Es
muss herausgestellt werden, dass während dieser Schaltbewegung
der Membran 6 (und außerdem
während
der umgekehrten Schaltbewegung aus dem eingeschalteten Zustand in
den abgeschalteten Zustand) die Membran 6 relativ zu den
Stützelementen 3 innerhalb
der Durchlässe 3b der
Stützelemente 3 vollkommen
frei gleiten kann.
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Auf
Grund dieser freien Bewegung der Membran 6 während der
Schaltvorgänge
wird durch die Stützelemente 3 eine
geringere mechanische Belastung in die Membran 6 eingeleitet
als bei RF-Schaltern nach dem Stand der Technik, bei denen die Membran (Brücke oder
Hebel) auf eine Stützstruktur geklemmt
ist. Eine mechanische Ermüdung
und ein Kriechen auf Grund zyklischer Belastungen in den Extremitäten der
Membran 6 werden vermieden. Die Lebensdauer der Membran
wird daher in vorteilhafter Weise gegenüber RF-MEMS-Schaltern aus dem Stand
der Technik erhöht,
in denen eine Membran verwendet wird, die auf das Substrat geklemmt
ist.
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Auf
Grund der Tatsache, dass sich die Membran 6 bezüglich der
Stützelemente
frei bewegen kann, bewirkt die Ausdehnung und Entspannung der Schaltmembran 6 keine
zusätzliche
Biegung der Membran, wenn der RF-MEMS-Schalter Temperaturänderungen
ausgesetzt ist. Der erfindungsgemäße RF-MEMS-Schalter ist daher
in vorteilhafter Weise nicht temperaturabhängig, im Gegensatz zu RF-MEMS-Schaltern nach dem
Stand der Technik, die eine auf das Substrat geklemmte Membran verwenden.
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Des
Weiteren hängt
die Struktur dank der Verwendung einer vollkommen freien Membran 6 nicht
von der Biegung des Substrats (Wafer) ab. Es können insbesondere geringe Deformationen
des Substrats 1 auftreten, beispielsweise bei Temperaturänderungen
oder anderen mechanischen Bedingungen oder während des Herstellungsprozesses, ohne
die Schaltvorgänge
zu beeinträchtigen.
Der RF-MEMS-Schalter
der Erfindung ist daher in vorteilhafter Weise gegenüber einer
Substratdeformation weniger empfindlich als RF-MEMS-Schalter nach dem
Stand der Technik, die eine an das Substrat geklemmte Membran verwenden.
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Bei
einem kapazitiven RF-MEMS-Schalter geschieht es im Allgemeinen häufig, dass
das Schaltelement in dem abgeschalteten Zustand auf Grund von Feuchtigkeit
oder elektrostatischer Aufladung der dielektrischen Schicht an dieser
haftet. Auf Grund der Verwendung einer Betätigungskraft (der elektrostatischen
Kräfte
F2) zum Bewegen der Membran 6 in Richtung der Einschalt-Stellung
sind bei dem erfindungsgemäßen Schalter
diese Haftprobleme der Membran auf der dielektrischen Schicht 5 gelöst.
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Aus dem eingeschalteten Zustand
in den abgeschalteten Zustand
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Wenn
das Gleichstromsignal für
die Betätigung
in den eingeschalteten Zustand auf die Elektroden 7 geringer
als ein vorbestimmter Grenzwert ist (Abreißspannung), wirken die elektrostatischen
Betätigungskräfte F2 nicht
länger
auf die Extremitäten
(die Platten 6b) der Membran 6 und diese wird
in die Abschalt-Stellung der 1 zurück gebogen.
Die Bewegung der Membran 6 aus der Einschalt-Stellung (2)
in die Abschalt-Stellung (1) wird
durch die Rückstellkraft
der Membran 6 auf Grund ihrer natürlichen Steifheit bewirkt.
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Dank
der natürlichen
Steifigkeit der Membran ist die Bewegung aus der Einschalt-Stellung in die Abschalt-Stellung
sehr schnell und erfordert keine hohe elektrische Energie. Die Schaltzeit
(von dem Einschaltzustand in den Abschaltzustand im Falle der besonderen
Ausführungsform
der
1 bis
3) von RF-MEMS-Schaltern der
Erfindung ist daher sehr kurz und erfordert daher im Vergleich zu RF-MEMS-Schaltern,
die einen spannungsfreien, festen Schaltbalken verwenden (
EP 1 489 639 ), keine elektrische
Energie.
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4/Herstellungsprozess
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Der
RF-MEMS-Schalter der 1 bis 3 kann unter
Verwendung herkömmlicher
Mikro-Oberflächenbearbeitungsverfahren
hergestellt werden (d. h. durch Abscheiden und Formen verschiedener Schichten
auf einem Wafer).
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Die 4 zeigt
den RF-MEMS-Schalter gerade nach dem Herstellungsprozess und vor
dem Ablöseschritt.
Es werden drei Opferschichten 9, 10 und 11 verwendet.
Die Opferschichten können
aus einem beliebigen Werkstoff bestehen (Metall, Polymer, dielektrischer
Werkstoff).
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Eine
erste Opferschicht 9 wird zum Abscheiden der Membran 6 auf
die dielektrische Schicht 2 verwendet. Wenn diese Opferschicht 9 in
dem letzten Lösungsschritt
entfernt ist, werden die beiden Platten 6b der Membran 6 und
der sich zwischen den lateralen Stützelementen 3 erstreckende
Teil der Membran gelöst.
Die anderen Opferschichten 10 und 11 werden verwendet,
um die Membran 6 von der dielektrischen Schicht 5 und
von den lateralen Stützelementen 3 (Grundlinien)
zu lösen.
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Während des
Herstellungsprozesses ist der Abstand zwischen der Membran 6 und
der dielektrischen Schicht 5 (d. h. die Stärke der
Abwehrschicht 10) sehr gering. Der Abstand beträgt üblicherweise weniger
als 0,1 μm.
Dieses beinhaltet in vorteilhafter Weise, dass die Profile für die Membran 6 und
die dielektrische Schicht 5 die gleichen sind. Da sich die Membran 6 in
dem abgeschalteten Zustand in Ruhestellung befindet und nicht deformiert
ist und das Profil der Membran 6 dem Profil der dielektrischen Schicht 5 gleicht,
wird zwischen der Membran und der dielektrischen Schicht 5 in
der Abschalt-Stellung der
Membran 6 ein perfekter Fläche-zu-Fläche-Kontakt erhalten.
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Die
Erfindung ist nicht auf die bevorzugte Ausführungsform der 1 bis 3 beschränkt, sondern
kann sich auf sämtliche
RF-MEMS-Schalter erstrecken, die eine flexible Schaltmembran umfassen,
die frei durch Stützelemente
oder dergleichen auf einem Substrat gestützt ist und unter der Wirkung von
Betätigungsmitteln
biegbar ist.
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Die
Betätigungsmittel
sind vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, elektrostatische
Mittel.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Herstellung kapazitiver RF-MEMS-Schalter mit sehr geringen Betätigungsparametern,
einem sehr schnellen Schaltverhalten und verbesserten RF-Leistungen.
Die Erfindung ist insbesondere und hauptsächlich für die Herstellung von kapazitiven
RF-MEMS-Schaltern interessant, die bei sehr hohen RF-Signalfrequenzen
und insbesondere bei RF-Frequenzen oberhalb von 25 GHz verwendet
werden können.
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Die
Erfindung ist allerdings nicht auf kapazitive RF-MEMS-Schalter beschränkt, sondern
kann außerdem
für die
Herstellung von Ohm'schen
Kontakt-RF-MEMS-Schaltern verwendet werden (im Allgemeinen auch
als "Metall auf
Metall Kontakt RF-MEMS-Schalter" bezeichnet). Bei
einem Ohm'schen
Kontakt RF-MEMS-Schalter gemäß der Erfindung
ist die flexible und frei getragene Membran 6 beispielsweise
ausgebildet, um einen Kurzschluss zwischen einem ersten metallischen
Kontakt, der zwischen den lateralen Stützelementen 3 angeordnet ist,
und einem zweiten metallischen Kontakt, der beispielsweise permanent
mit der Membran 6 in Berührung stehen kann, zu bewirken.
In der Abschaltstellung steht die Membran mit dem ersten metallischen Kontakt
nicht länger
in Berührung.
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Im
Falle eines kapazitiven RF-MEMS-Schalter kann die dielektrische
Schicht 5 durch die Membran 6 getragen sein und
nicht notwendigerweise durch die Signalleitung 4. In alternativer
Weise können
dielektrische Schichten sowohl durch die Signalleitung als auch
durch die Membran 6 getragen sein.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der 1 bis 3 sind die Betätigungselektroden 7 unter
der Membran 6 (d. h. zwischen der dielektrischen Schicht 2 und
der Membran 6) und außerhalb
des durch die lateralen Stützelemente 3 ausgebildeten koplanaren
Wellenleiters (CPW) angeordnet. Diese besondere Stellung der Elektroden
beinhaltet die folgenden Vorteile. Während der Einschalt-Stellung
besteht in vorteilhafter Weise kein Risiko einer Interaktion zwischen
den elektrostatischen Kräften
(F2), die zur Betätigung
der Stellung der Membran 6 verwendet werden, und dem innerhalb
des koplanaren Wellenleiters übermittelten
RF-Signal. Die Fläche
der Elektroden 7 kann daher sehr groß und die "Einschalt-Spannung" wiederum, die an der Elektrode 7 angelegt
wird, in vorteilhafter Weise sehr gering sein. Die besondere Stellung
der Elektrode 7 ist allerdings nur eine bevorzugte Eigenschaft
der Erfindung. Bei einer anderen Variante der Erfindung kann der RF-MEMS-Schalter
beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die Betätigungselektroden 7 oberhalb der
Membran 6 angeordnet sind.