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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Mikro-Schaltvorrichtung, die
unter Nutzung einer elektrostatischen Anziehungskraft durch Niedrigspannung betätigt wird.
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Im
Allgemeinen ist ein HF-Schalter ein Schaltertyp zum Ein- oder Ausschalten
einer Vorrichtung indem er elektrostatische Anziehungskraft nutzt, um
eine Struktur in Kontakt mit einer Signalleitung zu bringen. In
diesem Fall wird eine vorgegebene Spannung an die Signalleitung
angelegt, um eine benötigte
elektrostatische Anziehungskraft zu erzeugen. Hier wird die erforderliche
Spannung durch die Steifigkeit einer Feder bestimmt, die eine Mikrostruktur unterstützt. Bevorzugt
ist die Feder von geringer Steifigkeit, um Betätigung durch eine niedrige
Spannung zu ermöglichen.
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Wenn
eine Mikrostruktur, die eine Mikrovorrichtung bildet, in Kontakt
mit einer Signalleitung oder einer Elektrode ist, können diese
jedoch aneinander haften. Dieses Problem kann auch dann auftreten, wenn
eine Spannung an eine Elektrode angelegt und dann wieder entfernt
wird. Im Ergebnis wird die Mikrostruktur in Kontakt mit der Signalleitung
gehalten, wodurch die korrekte Schaltsteuerung der Mikrovorrichtung
verhindert wird.
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Um
dieses Problem zu lösen,
muss das Rückstellvermögen einer
betätigten
Struktur verstärkt
werden, damit die betätigte
Struktur in ihre ursprüngliche
Position zurückkehren
kann. Daher muss die Struktur von einer Feder von hoher Steifigkeit
unterstützt
werden. Wie oben beschrieben, muss die an eine Elektrode angelegte
Spannung jedoch erhöht
werden, um eine Feder von hoher Steifigkeit verwenden zu können. Nichtsdestoweniger
wird derzeit bei Mikro-Schaltvorrichtungen oft eine Feder von hoher
Steifigkeit eingesetzt, um das Anhaften einer Mikrovorrichtung an
einer Signalleitung oder einer Elektrode zu verhindern. Infolgedessen
wird die benötigte
Spannung erhöht,
wodurch es sehr schwierig wird, eine Mikro-Schaltvorrichtung herzustellen,
die mit einer niedrigen Spannung betätigt wird.
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1A ist
eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Mikro-Schaltvorrichtung.
Die Mikro-Schaltvorrichtung wird von Ankern 13 gehalten, die
auf ei nem Substrat befestigt sind, sowie von Federn 14,
die auf den Ankern 13 ausgebildet sind, und umfasst eine
Membran 15 über
dem Substrat, eine untere Elektrode 11, die der Membran 15 entspricht, und
Isolierschichten 12. Wenn eine Spannung an die untere Elektrode 11 angelegt
wird, wird eine elektrostatische Anziehungskraft erzeugt, um die
Federn 14 zu betätigen.
Dann nähert
sich die Membran 15 aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft
der unteren Elektrode 11 an, kommt in Kontakt mit einer
Signalleitung 16, und wird dann eingeschaltet.
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1B und 1C sind
Ansichten zur Erläuterung
von Mängeln
einer herkömmlichen
Mikro-Schaltvorrichtung. Der Einfachheit halber sind die Nachteile
hier bezüglich
einer allgemeinen Darstellung einer herkömmlichen Mikro-Schaltvorrichtung diagrammatisch
dargestellt. 1B ist eine Ansicht einer Mikro-Schaltvorrichtung,
bei der eine Membran 15 dadurch betätigt wird, dass einer unteren
Elektrode 11 Strom zugeführt wird, und 1C ist
eine Ansicht der Mikro-Schaltvorrichtung, bei der die Membran 15 betätigt wird
und sich dicht an die untere Elektrode 11 annähert. Genauer
gesagt wird, während
die Membran 15 keinen Kontakt mit der unteren Struktur der
unteren Elektrode 11 und den Isolierschichten 12 hat,
da ihr Körper
von den Federn 14 gehalten wird, eine elektrostatische
Anziehungskraft zwischen der Membran 15 und der unteren
Elektrode 11 erzeugt, wenn an die untere Elektrode 11 eine
Spannung angelegt wird. Dadurch wird die Membran 15 an
die untere Elektrode 11 gezogen. Zu dieser Zeit wird die elektrostatische
Anziehungskraft zwischen der Membran 15 und der unteren
Elektrode 11 umso größer, je
dichter sich die Membran 15 der unteren Elektrode 11 annähert. Infolgedessen
vergrößert sich
die Verschiebung der Membran 15. Anschließend vergrößert sich
die Verschiebung der Federn 14, um ihr Rückstellvermögen zu erhöhen.
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Hierbei
wird die elektrostatische Anziehungskraft zwischen der Membran
15 und
der unteren Elektrode
11 mit der folgenden Gleichung berechnet:
wobei F
E eine
elektrostatische Anziehungskraft bezeichnet, A eine entsprechende
Fläche,
V die an die untere Elektrode
11 angelegte Spannung bezeichnet, U
Z die Antriebsstrecke (driving distance)
der Membran
15 bezeichnet, und g
0 einen
Abstand zwischen der Membran
15 und der unteren Elektrode
11 bezeichnet.
Wie in der Gleichung (1) dargestellt, hat eine Vergrößerung der
Antriebsstrecke U
Z der Membran
15 eine
Erhöhung
der elektrostatischen Anziehungskraft F
E zur
Folge.
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Das
Rückstellvermögen der
Federn 14 kann durch die folgende Gleichung dargestellt
werden: FS = kUZ (2)wobei FS das Rückstellvermögen der
Federn 14 bezeichnet, k eine Federkonstante bezeichnet,
und UZ die Verschiebung der Membran 15 bezeichnet.
Aus Gleichung 2 ergibt sich, dass sich das Rückstellvermögen FS der
Federn 14 linear entsprechend der Verschiebung der Membran 15 erhöht.
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2 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Rückstellvermögen der Federn 14 und der
elektrostatischen Anziehungskraft aufgrund der Verschiebung der
Membran 15 darstellt. Dieser Graph zeigt, dass sich entsprechend
der Antriebsstrecke der Membran 15 die elektrostatische
Anziehungskraft wesentlich und das Rückstellvermögen der Federn 14 linear
verändert.
Die elektrostatische Anziehungskraft kann entsprechend der Verschiebung
der Membran 15 größer oder
kleiner sein als das Rückstellvermögen der
Federn 14. Dies wird durch die Verwendung einer Feder mit
einer relativ großen
Federkonstante, oder durch eine niedrige Spannung verursacht, die
an die untere Elektrode 11 angelegt wird. Dann ist die
Antriebsstrecke der Membran 15 begrenzt, das heißt, sie
wird bis zu einem vorgegebenen Punkt betätigt und bewirkt nichts, kann
also nicht als Schalter wirken. In Bezug auf 2 ist die
elektrostatische Anziehungskraft jedoch immer größer als das Rückstellvermögen der
Federn 14. Diesmal kommt die Membran 15 aufgrund
der elektrostatischen Anziehungskraft in Kontakt mit der unteren
Struktur der unteren Elektrode 11, der Isolierschicht 12 und
der Signalleitung 16. Diesmal kann die Membran als Schalter
wirken.
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Sobald
eine Spannung an die untere Elektrode 11 angelegt wird,
kommt die Membran 15 in Kontakt mit der Signalleitung 16,
das heißt,
sie wird eingeschaltet, und daher ist die elektrische Anziehungskraft
wesentlich größer als
das Rückstellvermögen der
Federn 14. Dann wird die Spannung entfernt, um die Membran 15 zum
Ausschalten zu bringen. Es kann jedoch eine Anhaftung, die eine
inhärente
Eigenschaft einer Mikrovorrichtung ist, zwischen der Membran 15 und
der unteren Struktur der unteren Elektrode 11, der Isolierschicht 12 und
der Signalleitung 16 auftreten, wodurch das Rückstellvermögen der
Federn 14 verringert wird. Um eine Verringerung des Rückstellvermögens der
Federn 14 zu verhindern, kann eine Feder mit einer großen Federkonstante
K verwendet werden, was jedoch nicht vorteilhaft ist, weil eine
hohe Spannung an die untere Elektrode 11 angelegt werden
muss.
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Das
oben genannte Problem kann dadurch gelöst werden, dass eine vorgegebene
Kraft auf die Mikro-Schaltvorrichtung angewendet wird, so dass die
Membran in ihre ursprüngliche
Position zurückkehren
kann, ohne eine Feder von hoher Steifigkeit zu verwenden. Das heißt, dass
eine Feder von geringer Steifigkeit verwendet wird, und eine Einrichtung zum
Anwenden einer vorgegebenen Kraft auf die Mikroschaltvorrichtung
zusätzlich
angebracht wird, um die Membran von einer unteren Struktur zu trennen.
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Beispielsweise
können
Elektroden zum Anwenden einer Antriebskraft sowohl auf der Oberseite als
auch auf der Unterseite der Membran angebracht werden. Um eine Mikrostruktur
zu betätigen
und wieder in ihre ursprüngliche
Lage zurückkehren
zu lassen, wird eine Spannung an die oberen und unteren Elektroden
einer Mikrostruktur angelegt. Dann kann die Membran in beide Richtungen,
also auf und ab, bewegt werden, und kann daher leicht von den Elektroden
getrennt werden, um in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass das Herstellungsverfahren kompliziert
ist, wodurch der Gewinn reduziert wird. Außerdem ist es in der Tat schwierig,
ausreichend Rückstellkraft
zu erhalten, um die Mikrostruktur mit niedriger Spannung zu betätigen und
in ihren ursprünglichen
Zustand zurückzubringen.
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WO
99/62089 A betrifft ein mikromechanisches elektrostatisches Relais,
das ein Basissubstrat mit einer Basiselektrode und wenigstens zwei
Basiskontaktteilen sowie ein Ankersubstrat mit einem herausgeätzten, rippenförmigen Anker
aufweist. Der Anker ist mit dehnbaren Bändern im Bereich einer zentralen
Drehachse aufgehängt,
so dass er sich drehen kann. An jeder Seite der Schwenkachse bildet
der Anker einen Ankerflügel.
Die Ankerflügel
sind jeweils selbst dehnbar und sind in nicht arbeitendem Zustand
vom Basissubstrat weg gebogen. Jeder von ihnen bildet mit dem Basissubstrat
einen Arbeits luftspalt, wobei der Luftspalt in nicht arbeitendem
Zustand keilförmig
und nach außen
gerichtet ist, wie beispielsweise in 1 und 2 des
Dokuments D1 ersichtlich.
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EP 1 024 512 A beschreibt
ein elektrostatisches Mikrorelais, bei dem ein bewegliches Substrat durch
einen ersten elastischen Stützabschnitt
von einer Basis getragen wird, und ein sich bewegender Kontakt durch
einen zweiten elastischen Stützabschnitt
mit einem Elastizitätsmodul,
das größer ist
als das des ersten Stützabschnitts,
von einem beweglichen Substrat getragen wird. Die beim Arbeitsprinzip des
beschriebenen elektrostatischen Mikrorelais involvierten Kräfte sind
beispielsweise in
3A bis
3C dargestellt.
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DE 42 05 340 C betrifft
sich auf ein mikromechanisches elektrostatisches Relais mit parallelen Elektroden,
das ein rahmenförmiges
Ankersubstrat mit Ankerkontakten oberhalb der Basiselektrodenkontakte
auf einem Basissubstrat aufweist. Wie beispielsweise in
1 dargestellt, weist eine Basiselektrode
auf einem Basissubstrat zwei Abschnitte mit Kontaktstreifen auf,
sowie zwei weitere Streifen, die sich mit diesen abwechseln. Auf
einem rahmenförmigen
Ankersubstrat ist ein Anker an seinen Rändern durch schmale, elastische
Stützstreifen
verbunden. In der Mitte wird ein auf ähnliche Weise elastisch gehaltenes
Ankerkontaktteil oberhalb der Basiskontakte gehalten. Das Ganze
bildet eine symmetrische Anordnung, und wenn über den Anker und die Basiselektroden
Spannung angelegt wird, wird der Anker mit einer im rechten Winkel
zu deren Oberfläche
stehenden Bewegung zur Basiselektrode hin angezogen.
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US 6 191 671 B1 betrifft
ein elektrostatisches Relais, das einen Torsionselastizitätsabschnitt
umfasst, der so auf einem Substrat gehalten wird, dass zum Substrat
ein Spalt bestehen bleibt, und der so angeordnet ist, dass er stabförmig ist.
Des Weiteren umfasst das beschriebene Relais einen beweglichen Strukturabschnitt,
der kraft elastischer Unterstützung des
Torsionselastizitätsabschnitts
gedreht werden kann. Des Weiteren ist wenigstens ein beweglicher Kontakt
für wenigstens
ein Ende des beweglichen Strukturabschnitts vorgesehen. Außerdem ist
zwischen einem Drehpunkt des beweglichen Strukturabschnitts und
dem beweglichen Kontakt eine bewegliche Elektrode vorhanden. Ein
feststehender Kontakt ist auf dem Substrat an einer dem beweglichen
Kontakt gegenüber
liegenden Stelle so ausgebildet, dass Kontakt zugelassen wird. Darüber hinaus
ist eine feststehende Elektrode auf dem Substrat an einer der beweglichen
Elektrode gegenüber
liegenden Stelle ausgebildet, wobei wenigstens ein Abschnitt zwischen
dem Drehachsenpunkt des beweglichen Strukturabschnitts und dem beweglichen
Kontakt zu einem elastischen Verbindungsabschnitt ausgebildet ist.
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Um
die oben genannten Probleme zu lösen, ist
es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Mikro-Schaltvorrichtung
bereitzustellen, die durch eine niedrige Spannung betätigt werden
kann, die sich bei einer elektrostatischen Anziehungskraft leicht
verformt und die Haftung zwischen Elementen verhindert, während sie
eine Feder mit geringer Steifigkeit verwendet.
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Dieses
Ziel wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, werden eine Mikro-Schaltvorrrichtung einschließlich einer
elastisch arbeitenden Feder bereitgestellt; eine Membran, die an
einem Ende der Feder ausgebildet ist und von der Feder gehalten
wird; und eine untere Elektrode, die unter der Membran ausgebildet
ist, um eine elektrostatische Anziehungskraft zu erzeugen, wenn eine
Spannung daran angelegt wird, wobei die Membran nicht eben ist,
bereitgestellt.
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Bevorzugt
ist die Feder auf einem Anker ausgebildet, der auf einem Substrat
ausgebildet ist, und die Membran wird betätigt, um nicht in Kontakt mit dem
Substrat zu sein, während
sie von der Feder gehalten wird.
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Bevorzugt
umfasst die Mikro-Schaltvorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum
Anlegen einer Spannung an die Membran und an die untere Elektrode.
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Bevorzugt
hat die Unterseite der Membran einen konkaven Abschnitt oder Vorsprung,
und die Membran ist teilweise kugelförmig geschnitten.
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Das
obige Ziel und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch
die ausführlicher
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlicher, wobei in den
Zeichnungen
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1A eine
Perspektivansicht einer herkömmlichen
Mikro-Schaltvorrichtung ist;
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1B und 1C Ansichten
sind, die die Funktionsprinzipien der herkömmlichen Mikro-Schaltvorrichtung
aus 1A erklären;
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2 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen einer elektrostatischen Anziehungskraft und des Rückstellvermögens der
Feder aus 1A im Hinblick auf die Antriebsstrecke
der Membran aus 1A verdeutlicht;
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3A bis 3C Ansichten
sind, die eine durch eine niedrige Spannung betätigte Mikro-Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung erklären;
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4 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen einer elektrostatischen Anziehungskraft und des Rückstellvermögens einer
Feder im Hinblick auf die Antriebsstrecke einer Membran einer Mikro-Schaltvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung verdeutlicht; und
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5A bis 5C Ansichten
einer Mikro-Schaltvorrichtung sind, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung durch eine niedrige Spannung betätigt wird.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 3A bis 3C die
Struktur und die Funktionsprinzipien einer Mikro-Schaltvorrichtung,
die gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung durch eine niedrige Spannung betätigt wird,
beschrieben. Die Mikro-Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
unterscheidet sich von den herkömmlichen
in 1A bis 1C dargestellten
Mikro-Schaltvorrichtungen
dadurch, dass die Unterseite einer Membran 35 konkav und
nicht eben ist.
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Der
Einfachheit halber ist eine Mikro-Schaltvorrichtung, die eine Membran 35 mit
vorgegebener Krümmung
aufweist, konzeptionell in 3A bis 3C dargestellt.
Genauer gesagt zeigt 3A, wenn die Membran 35 sich
einer unteren Elektrode 31 nähert, jedoch die untere Elektrode 31 noch
berühren
muss, wenn an die untere Elektrode 31 Span nung angelegt
wird. Zu diesem Zeitpunkt verändert sich
die Form der Membran 35 nicht und hat noch immer die vorgegebene
Krümmung.
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Wie
in 3B dargestellt, hat eine Vergrößerung der Verschiebung der
Membran 35 eine Verstärkung
der elektrostatischen Anziehungskraft zur Folge. Daher kommt sie,
im Falle die Verschiebung der Membran 35 vergrößert sich,
in Kontakt mit einer unteren Struktur aus einer unteren Elektrode 31 und einer
Isolierschicht 32 unterhalb der Membran 35. Genauer,
wenn die Verschiebung der Membran 35 zunimmt, kommt ihre
Unterseite in Kontakt mit der unteren Struktur und verformt sich
dann aufgrund der starken elektrostatischen Anziehungskraft zwischen der
Membran 35 und der unteren Struktur. Allgemein besteht
eine Mikromembran aus einem elastischen Material und verformt sich
daher unter einer vorgegebenen Kraft. Daher kontaktieren aufgrund
der elektrostatischen Anziehungskraft die vorstehenden Ränder der
Unterseite der Membran 35, die weiter nach unten vorstehen
als der Rest der Membran 35, die untere Struktur der unteren
Elektrode 31 und der Isolierschicht 32 zuerst.
Infolgedessen ist die Unterseite der Membran 35, wenn sie
in Kontakt mit der unteren Struktur ist, halbkugelförmig, wie
in 3B dargestellt. Dann, wie in 3C dargestellt,
verformt sich die Membran 35 aufgrund der starken elektrostatischen
Anziehungskraft, so dass sie ihre gesamte Unterseite einschließlich des
konkaven Abschnittes in engen Kontakt mit der unteren Struktur 31 und 32 bringt.
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Da
die Membran 35 aus einem Material von hoher Steifigkeit
ausgebildet ist, ist hierbei eine starke elektrostatische Anziehungskraft
nötig,
um die Unterseite der Membran 35 in Kontakt mit der unteren Struktur 31 und 32 zu
bringen. Bezug nehmend auf 3B erhöht sich
die elektrostatische Anziehungskraft immens, wenn die Membran 35 sehr
nahe an die untere Elektrode 31 herankommt. Wenn die Membran 35 in
Kontakt mit der unteren Struktur ist, wird die Mikro-Schaltvorrichtung
eingeschaltet. Wenn eine Spannung von der unteren Elektrode 31 entfernt
wird, um die Mikro-Schaltvorrichtung auszuschalten, wird die Membran 35 zusätzlich zum
Rückstellvermögen eines
Ankers 33 und einer Feder 34 durch eine elastische
Rückstellkraft
aufgrund der Verformung der Membran 35 von der unteren
Struktur 31 und 32 getrennt.
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Bei
der herkömmlichen
Mikro-Schaltvorrichtung erhöht
sich das Rückstellvermögen der
Feder linear mit der Antriebsstrecke der Membran, wohingegen bei
der Mikro- Schaltvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung die Membran 35 durch die Verformung der Membranen 35 sowie
das Rückstellvermögen der
Feder 34 von der unteren Struktur getrennt wird. Dementsprechend
erhöht
sich das Gesamtrückstellvermögen der
Mikro-Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht-linear zur Antriebsstrecke Uz der Membran 35,
wie in 4 dargestellt. Genauer gesagt erhöhen sich,
wie aus 4 ersichtlich, die elektrostatische
Anziehungskraft und das Rückstellvermögen der
Mikro-Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung linear zur Antriebsstrecke Uz, wenn die Antriebsstrecke
Uz kurz ist, das heißt,
in einem Bereich „A", wie bei den herkömmlichen
Mikro-Schaltvorrichtungen (siehe 2).
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Das
Rückstellvermögen der
Mikro-Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung erhöht sich
jedoch nicht-linear zur Antriebsstrecke Uz in einem Bereich „B", in dem die Membran 35 in
Kontakt mit der unteren Elektrode 31 ist, weil die Verformung der
Membran 35 anders als bei der herkömmlichen Mikro-Schaltvorrichtung
das Rückstellvermögen der Feder 34 erhöht.
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Unterdessen
ist das Rückstellvermögen der Mikro-Schaltvorrichtung
zum Großteil
von der Form der Membran abhängig.
Daher ist die Form der Membran bei einer Mikro-Schaltvorrichtung sehr wichtig. Bevorzugt
umfasst eine Mikro-Schaltvorrichtung, die durch eine niedrige Spannung
betätigt
wird, eine kugelförmige
Membran mit einer vorgegebenen Krümmung. Wenn die Unterseite
der Membran kugelförmig
ist, kommt der Rand der Unterseite der runden Membran zuerst mit
der unteren Elektrode oder einer Signalleitung in Kontakt. Zu dieser
Zeit kommt die Unterseite zwischen den Rändern der runden Membran 35 näher an die
untere Elektrode heran als die Unterseiten von anderen Membranen
mit anderen Formen. Daher wird eine relativ hohe elektrostatische
Anziehungskraft zwischen der Unterseite der Membran 35 und
der unteren Elektrode 31 erzeugt, so dass eine große Verformung
der Membran 35 erzielt werden kann, obwohl eine Mikro-Schaltvorrichtung
durch eine niedrige Spannung betätigt
wird.
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Wenn
hingegen die Membran nicht rund ist, sondern beispielsweise rechteckig
ist, dann ist der Abstand zwischen ihrer Unterseite und der unteren Elektrode
größer als
derjenige der runden Membran, wenn die Ränder der Membran-Unterseite
in Kontakt mit der unteren Elektrode sind. Daher ist eine relativ hohe
Spannung notwendig, um den konkaven Abschnitt der Membran in Kontakt
mit der unteren Elektrode zu bringen.
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5A bis 5C sind
Ansichten einer durch eine niedrige Spannung betätigten Mikro-Schaltvorrichtung
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Bezug nehmend auf 5A sind
untere Elektroden 52 auf einem Substrat 51 ausgebildet,
um eine Membran 55 zu bewegen. Außerdem sind Anker 53 auf
dem Substrat 51 ausgebildet, um Federn 54 zum
Halten der Membran 55 am Substrat 51 zu befestigen.
Die Membran 55 ist oberhalb der unteren Elektrode 52 angebracht
und wird von den Federn 54, die an den Ankern 53 befestigt
sind, gehalten. Unter der Membran 55 sind Signalleitungen 56 zusätzlich zu
den unteren Elektroden 52 ausgebildet. Hier ist die Membran
von nicht ebenem Typ und weist eine vorgegebene Krümmung auf.
Wenn eine Spannung an die untere Elektrode 52 angelegt
wird, bewegt sich die Membran 55 aufgrund einer elektrostatischen
Anziehungskraft zwischen der Membran 55 und den unteren
Elektroden 52 auf die unteren Elektroden 52 zu
und kontaktiert dann die Signalleitungen 56. Infolgedessen
werden die beiden getrennten Signalleitungen 56 elektrisch
miteinander verbunden, und die Mikro-Schaltvorrichtung wird eingeschaltet.
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5B ist
eine Ansicht eines Viertels einer Mikro-Schaltvorrichtung, die eine
rechteckige Membran 55 aufweist, deren untere Ränder nach
unten hin vorstehen, und dessen Mitte sich nach oben aufbeult. 5C ist
eine Ansicht einer Mikro-Schaltvorrichtung, die eine kugelförmige Membran 55 aufweist, deren
Mitte sich nach oben aufbeult, das heißt, die Innenseite ihrer unteren
Fläche
ist so ausgebildet, dass sie eine vorgegebene Krümmung aufweist. Bezug nehmend
auf 5B und 5C, bezeichnen
C und C' Punkte
der Membranen 55, die einem Substrat 51 am nächsten liegen,
und D und D' bezeichnen
die Mittelpunkte der Membranen 55, die am weitesten von
einem Substrat 51 entfernt liegen. Es versteht sich, dass
der Abstand zwischen den Membranen 55 und den Substraten 51 umso
größer wird,
je näher die
Punkte C und C' an
den Punkten D und D' auf
den Membranen 55 liegen. Aus diesem Grund ist die Form
der Membran gemäß der vorliegenden
Erfindung sehr wichtig. Die Spannungen, die für die Betätigung der Mikro-Schaltvorrichtungen
aus 5B und 5C benötigt werden,
sind unterschiedlich voneinander, obgleich die Größe der Unterseiten
der Membranen 55, die Federkonstante der Federn 54 und
der Spannungswert der Membranen 55 gleich eingerichtet
sind. Beispielsweise wird eine Spannung von 10,3 V benötigt, um
die rechteckige Membran 55 aus 5B zu
betätigen,
wohingegen eine Spannung von 3 V ausreicht, um die kugelförmige Membran
aus 5C zu betätigen.
Dies bedeutet, dass die Steuerspannung, die von der kugelförmigen Membran
aus 5C benötigt
wird, auf 30% der Steuerspannung verringert wird, die von der rechteckigen Membran
aus 5B benötigt
wird.
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Daraus
folgt, dass die Rückstellvermögen der
beiden Mikro-Schaltvorrichtungen aus 5B und 5C bei
beiden besser sind als diejenigen einer herkömmlichen Mikro-Schaltervorrichtung
mit einer ebenen Membran. Da jedoch die Mikro-Schaltvorrichtung
aus 5C, die eine kugelförmige Membran aufweist, eine
vorgegebene innere Krümmung aufweist,
kann sie durch eine niedrigere Spannung betätigt werden als die Mikro-Schaltvorrichtung
aus 5B, die eine rechteckige Membran aufweist. Dies
ist darauf zurückzuführen, dass
der Höhenunterschied
zwischen den Punkten C' und
D' der runden Membran
aus 5C geringer ist als derjenige zwischen den Punkten
C und D der rechteckigen Membran aus 5B, die
dieselbe Krümmung
und Größe aufweist.
Aus diesem Grund wirkt auf der runden Membran aus 5C eine
stärkere
elektrostatische Anziehungskraft als auf der rechteckigen Membran aus 5B,
wenn an die untere Elektrode eine Spannung angelegt wird. Auch weist
die runde Membran aus 5C eine größere geometrische Steifigkeit
auf als die rechteckige Membran aus 5B, und
hat somit ein besseres Rückstellvermögen.
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Eine
Mikro-Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite ihrer
Membran gekrümmt
ist statt eben zu sein. Die Form der Membran ist jedoch nicht beschränkt. Dies
bedeutet, dass die Membran so geformt sein kann, dass der Rand der
Unterseite vorsteht. Um die innere Krümmung der Membran zu führen, kann üblicherweise
bei der Herstellung der Mikro-Schaltervorrichtung eine Opferschicht
auf der Membran und der unteren Struktur, wie beispielsweise einer
unteren Elektrode, oder einer Signalleitung, ausgebildet werden,
um eine Neigung in Bezug auf den Rand der Membran zu erhalten.
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Wie
oben beschrieben, kann eine Mikro-Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung durch eine niedrige Spannung betätigt werden, wodurch die Anhaftung
vermieden wird, die bei Mikrovorrichtungen gemeinhin auftritt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
eine Mikro-Schaltvorrichtung herzustellen, die durch eine niedrige
Spannung betätigt
werden kann, und die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können ohne weiteres
auf verschiedene Mikrovorrichtungen übertragen werden, indem auf
der Unterseite einer Membran, die einer unteren Elektrode entspricht,
ein konkaver Abschnitt oder ein Vorsprung ausgebildet wird.
