DE60300981T2 - Mikroschalter mit einem mikro-elektromechanischen system - Google Patents

Mikroschalter mit einem mikro-elektromechanischen system Download PDF

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
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Description

  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Mikroschalter in mikroelektromechanischen Systemen. Komponenten, die mittels spezifischer Verfahren und Vorgängen wie dem Lithografie-Verfahren gefertigt werden, werden mikroelektromechanische oder mikromechanische Systeme (MEMS) genannt. Sie ermöglichen die Ausführung elektrischer oder außerdem mechanischer Funktionen in einem Kleinstmaßstab im μm-Bereich. So sind beispielsweise Mikroschalter zum Gebrauch im Funkteil von Mobiltelefonen von Brown, Elliott R; RF-MEMS Switches for Reconfigurable Integrated Circuits; IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques; Vol. 45; Nr. 11; November 98 bekannt.
  • Mikroelektromechanische Komponenten sind aus mehreren dünnen Schichten verschiedenster lateraler Strukturen ausgebildet, die in vertikaler Richtung aufeinander liegen und unterschiedlichste Materialeigenschaften aufweisen. Der gewünschten Funktion entsprechend bestehen die individuellen Schichten beispielsweise aus leitfähigen oder isolierenden Materialien oder aus Materialien mit bestimmten mechanischen Eigenschaften, wie etwa einer Federkonstante. Durch entsprechende Vorgänge können außerdem komplexere, dreidimensionale Strukturen erzeugt sein. In einer vereinfachten Weise kann ein Mikroschalter im Wesentlichen aus drei lateralen Schichten ausgebildet sein, wobei die mittlere Schicht am Ende des Herstellungsvorgangs wieder entfernt wird. Somit ist ein Mikroschalter ausgebildet, der aus einem Basiselement als unterste Schicht und einem flexiblen, schaltenden Element als oberste Schicht besteht. Beide Schichten bzw. die Elemente des dadurch ausgebildeten Mikroschalters liegen einander in einer definierten Entfer nung gegenüber, die durch die dazwischen angeordnete entfernte Schicht erzielt ist. Die Entfernung entspricht in hohem Maße der Ablenkung, die durch das flexible, schaltende Element bewältigt werden muss, um einen Schaltkontakt zwischen dem Basiselement und dem schaltenden Element zu schließen. Wenn das Basiselement beispielsweise ein Siliziumsubstrat ist, wird eine weitere, leitfähige Schicht als Kontaktoberfläche darauf angeordnet, an die eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Das schaltende Element kann aus einem metallischen Material hergestellt sein, wodurch sie selbst die Kontaktoberfläche ausbildet, an die dann eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Das Material des schaltenden Elements ist mit einer Federkonstante ausgestattet, und das schaltende Element ist mindestens teilweise mit dem Basiselement verbunden. Wenn nun eine Spannungsdifferenz zwischen den Kontaktoberflächen anliegt, die zusammen den Schaltkontakt ausbilden, wird das flexible, schaltende Element aufgrund der somit bewirkten elektrostatischen Anziehungskraft in Richtung des Basiselements abgelenkt, und der Schaltkontakt wird geschlossen. Zum Erzielen einer größtmöglichen Anziehungskraft sind die Abmessungen der Kontaktoberflächen, die einander gegenüberliegen, so groß wie möglich. Zu Isolierungszwecken kann eine weitere Oxidschicht auf die Kontaktoberflächen aufgebracht werden. Eine Gleichspannung, die eine elektrostatische Anziehungskraft bewirkt, und eine Wechselspannung als zu schaltendes Signal können dann gleichzeitig an denselben Kontaktoberflächen anliegen. Wie oben angegeben ist das flexible, schaltende Element mindestens an einem Punkt seiner Kante befestigt. Je nach der Befestigungsart und der Ausbildung des flexiblen, schaltenden Elements werden die Mikroschalter in mikroelektromechanischen Systemen dann üblicherweise einseitig eingespannter Schalter, Überbrückungsschalter oder auch Membranschalter genannt.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • 2a und 2b zeigen die Grundstruktur eines Mikroschalters des Stands der Technik, der als Überbrückungsschalter konfiguriert ist, in der offenen und geschlossenen Position. Das flexible, schaltende Element S ist an zwei Punkten seiner Kante derart auf dem Basiselement G befestigt, dass es in der offenen Position eine definierte Entfernung zum Basiselement hin aufweist. Aufgrund der Federkonstante des ausgewählten Materials und der Befestigung ist das flexible, schaltende Element mit einer Reaktionskraft ausgestattet, die der Ablenkung des schaltenden Elements entgegenwirkt. Eine Kontaktoberfläche KG ist auf dem Basiselement G angeordnet, die zusammen mit dem schaltenden Element S als weitere Kontaktoberfläche den Schaltkontakt ausbildet. Wenn eine elektrische Spannung an beiden Kontaktoberflächen anliegt, wird das schaltende Element S aufgrund der dadurch bewirkten elektrostatischen Anziehungskraft gegen die Reaktionskraft in Richtung des Basiselements G verschoben. Wenn die anliegende elektrische Spannung einen bestimmten Wert übersteigt, wird der Schaltkontakt S geschlossen. Wenn die elektrische Spannung von der Kontaktoberfläche abgenommen wird, kehrt das schaltende Element S aufgrund der Reaktionskraft zu seiner ursprünglichen Form zurück, sodass der Schaltkontakt offen ist. Der Nachteil derartiger Schalter ist, dass die Oberflächen des schaltenden Elements und die Kontaktoberfläche des Basiselements aufgrund der Atom- und Molekularoberflächenkräfte, die ausgebildet werden, wenn die Kontakte geschlossen werden, aneinander kleben könnten. Wenn die Oberflächenkräfte stärker als die Reaktionskraft sind, kann der Schaltkontakt nicht mehr öffnen. Zum Vermeiden dieses Zusammenklebens ist vorgeschlagen, zusätzlich eine dielektrische Schicht auf den Kontakt aufzubringen. Ferner wäre es vorstellbar, die Reaktionskraft des Schaltkontakts durch eine entsprechende Ausbildungs- und Materialauswahl zu erhöhen. Dies hat zur Folge, dass eine größere Reaktionskraft und somit eine höhere elektrische Spannung zum Bewältigen der größeren Reaktionskraft notwendig ist. Dies ist jedoch, gerade wenn derartige Mikroschalter in MEMS-Komponenten mit einer kleinen Spannungsversorgung integriert werden sollen, nicht wünschenswert und nicht geeignet. Zudem schließen höhere elektrische Spannungen und die somit bewirkte höhere Anziehungskraft die Gefahr ein, dass der Kontakt beim Schließen leichter zum Zusammenkleben tendiert, nämlich aufgrund des so genannten Kontaktprellens.
  • US 6,143,997 offenbart einen Mikroschalter, der auf niedrigen elektrischen Spannungen arbeitet. Das Basiselement enthält eine Kontaktoberfläche und mehrere separate Elektroden. Zudem sind mehrere Schichten mit der Funktion von Klammern für das schaltende Element auf dem Basiselement vorgesehen. Das schaltende Element wird von den Klammern geführt und ist in einem durch die Klammern definierten Ablenkungsbereich frei beweglich. Weitere Gegenelektroden sind als weitere Schichten auf der Seite der Klammern gegenüber dem Basiselement angeordnet. Aufgrund der Tatsache, dass das schaltende Element beweglich, d.h. nicht auf ortsfeste Weise verbunden ist, ist keine mechanische Reaktionskraft zum Öffnen des Schaltkontakts vorhanden, aber es wird zum Öffnen vielmehr ein erstes Spannungspotential an die Gegenelektroden angelegt und ein zweites Spannungspotential an die schaltenden Elemente angelegt, um dadurch eine Anziehungskraft zwischen den Gegenelektroden und dem schaltenden Element zu bewirken. Zum Schließen des Schaltkontakts wird ein erstes Spannungspotential an die Elektroden des Basiselements angelegt und ein zweites Spannungspotential an das schaltende Element angelegt. Ferner kann zusätzlich die Schwerkraft genutzt sein, wenn sich der Mikroschalter in einer geeigneten Position befindet. Aufgrund der Tatsache, dass keine mechanische Reaktionskraft besteht, wirkt nur die Anziehungskraft, die durch die elektrische Spannung auf den Gegenelektroden definiert ist, zum Öffnen des Schaltkontakts und der Schwerkraft, eine entsprechende Position vorausgesetzt, entgegen. Aufgrund der geringeren Kräfte ist die Gefahr, dass die Kontaktflä chen aneinanderkleben, kleiner. Es ist jedoch unvorteilhaft, dass derartige Mikroschalter mit den oben beschriebenen Strukturen in mikroelektromechanischen Systemen weitere und komplexere Schichtstrukturen erfordern, die deren Herstellungsvorgänge aufwändiger und damit teurer machen.
  • Die vorliegende Erfindung basiert daher auf der Aufgabe, einen Mikroschalter bereitzustellen, der dem unvorteilhaften, aus dem Stand der Technik bekannten Zusammenkleben entgegenwirkt und einen möglichst leichten Herstellungsvorgang für das mikroelektromechanische System gewährleistet.
  • Dementsprechend basiert die Erfindung auf dem Gedanken, einen Mikroschalter mit einer Basis, im Folgenden Basiselement genannt, und einem beweglichen Element, schaltendes Element genannt, bereitzustellen. Das schaltende Element ist mit einer Federkonstante ausgestattet und mindestens mit einem Teil seiner Endkante mit dem Basiselement in festgelegter Weise verbunden. Wenn das bewegliche schaltende Element abgelenkt wird, ist daher eine Reaktionskraft erzeugt, die der Ablenkung entgegengesetzt gerichtet ist. Das Basiselement und das schaltende Element beinhalten beide jeweils mindestens zwei Elektroden, im Folgenden Elektrode und zusätzliche Elektrode genannt, wobei die Elektrode des Basiselements und die des schaltenden Elements einander gegenüber in einem bestimmten Abstand angeordnet sind. Die zusätzliche Elektrode in beiden, dem Basiselement und dem schaltenden Element, ist in lateraler Richtung im selben Abstand von der jeweiligen Elektrode vorgesehen. Zudem ist das Basiselement sowie das schaltende Element jeweils mit einer Kontaktoberfläche ausgestattet, die zusammen den Schaltkontakt des Mikroschalters ausbilden. Der Abstand zwischen den Elektroden des Basiselements und des schaltenden Elements definiert im Wesentlichen die Ablenkung, die zum Schließen des Schaltkontakts durch das bewegliche schaltende Element erforderlich ist. Wenn zum Öffnen des Schaltkontakts eine elektrische Spannung mit einem ersten Spannungspotential an die Elektroden und einem zweiten Spannungspotential an die zusätzlichen Elektroden angelegt wird, bewirkt die dadurch gebildete Spannungsdifferenz in lateraler Richtung ein elektrisches Feld zwischen der Elektrode und der zusätzlichen Elektrode im Basiselement sowie im schaltenden Element. Entsprechend der Richtung des elektrischen Feldes kommt es zu einer Ansammlung von negativen und positiven Ladungsträgern auf den Oberflächenanteilen der Elektroden und der zusätzlichen Elektroden, die einander in lateraler Richtung direkt gegenüber liegen. In orthogonaler Richtung dazu, d.h. in der Ablenkungsrichtung des schaltenden Elements, sind die Elektroden mit denselben Ladungsträgern jeweils einander gegenüber angeordnet. Anders gesagt ist beispielsweise eine Ansammlung von positiven Ladungsträgern auf dem Oberflächenanteil der Elektrode des schaltenden Elements gegenüber einer Ansammlung von positiven Ladungsträgern auf dem Oberflächenanteil der Elektrode des Basiselements. Dies trifft analog auf die Ansammlung negativer Ladungsträger zu. Daher sind Abstoßungskräfte zwischen den Ansammlungen derselben Oberflächenladungen auf den Elektroden mit demselben Spannungspotential erzeugt. Da die Abstoßungskräfte im Wesentlichen in derselben Richtung wie die Reaktionskraft des schaltenden Elements wirken, unterstützen sie die Reaktionskraft des schaltenden Elements genau im Moment des Öffnens. Dies bedeutet, dass genau dann, wenn die Kontaktoberflächen des Schaltkontakts gerade gelöst oder getrennt werden, die erzeugten Abstoßungskräfte anfänglich in der Richtung der Reaktionskraft wirken. Aufgrund der Tatsache, dass vor dem Öffnen des Schaltkontakts die Elektroden bzw. die zusätzlichen Elektroden mit demselben Spannungspotential und somit Oberflächenladungen mit demselben Vorzeichen sehr eng zueinander angeordnet werden, sind die Abstoßungskräfte in diesem Moment wegen des kleinen Abstands besonders groß. Aufgrund der Tatsache, dass die Abstoßungskräfte in Richtung der Reaktionskraft wirken, unterstützen sie diese, wenn der Schaltkontakt geöffnet wird, und wirken somit einem dauerhaften Zusammenkleben des Schaltkontakts entgegen. Es ist ein Vorteil, dass weitere mechanische Maßnahmen wie die Erhöhung der Federkonstante wie im Stand der Technik beschrieben für den Mikroschalter gemäß der Erfindung nicht erforderlich sind. Zudem kann auf die Anwendung aufwändiger Strukturen wie die Klammern und Gegenelektroden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, verzichtet werden, sodass weitere aufwändige Verfahrensschritte vermieden sein können.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und bevorzugte Entwicklungen des Schalters gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden mittels der Figuren detaillierter beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1a eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Mikroschalters gemäß der Erfindung;
  • 1b einen Querschnitt durch den Mikroschalter nach 1a;
  • 1c einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Mikroschalters gemäß der Erfindung;
  • 1d eine schematische Darstellung der Ladungsverteilung auf den Elektroden des Mikroschalters;
  • 2a einen bekannten Membranschalter in offener Position;
  • 2b einen bekannten Membranschalter in geschlossener Position.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1a und 1b zeigen schematisch die Bauweise einer ersten Ausführungsform eines Mikroschalters gemäß der Erfindung. Das Basiselement G, das normalerweise als eine Basisschicht ausgebildet ist, beinhaltet eine Aussparung, in der die Kontaktoberfläche KG und die Elektrode EG sowie die zusätzliche Elektrode HG angeordnet sind. Die Kontaktoberfläche KG sowie die zwei Elektroden EG und HG können – wie in 1b gezeigt – als weitere Schichten auf der Oberfläche der Aussparung des Basiselements G aufgebracht sein, können jedoch gleichermaßen in die Schicht eingegliedert sein, die das Basiselement G ausbildet. Die letztere Anordnung erfordert komplexere laterale Strukturen, aber keine weiteren Schichten in vertikaler Richtung. In einer anderen Schicht ist dann das schaltende Element S derart gestaltet, dass es eine Brücke über die Aussparung des Basiselements G schlägt, indem es an den zwei Randanteilen der Brücke fest mit dem Basiselement G verbunden ist. Die Kontaktoberfläche KS sowie die Elektrode ES und die zusätzliche Elektrode HS sind auf der Unterseite des schaltenden Elements S angeordnet, d.h. auf der Seite, die dem Basiselement G zugekehrt ist. Hier können die Elektroden ES und HS ebenfalls als eine weitere Schicht auf dem schaltenden Element S aufgebracht sein, wie in 1b gezeigt, oder sie können auch in die Schicht eingegliedert sein, die das schaltende Element S ausbildet. Die Elektroden EG und ES sowie die zusätzlichen Elektroden HG und HS können mittels geeigneter Zuleitungen an eine Spannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen sein. Die Kontaktoberflächen KG und KS können mittels geeigneter Zuleitungen mit dem zu schaltenden Signalweg verbunden sein, so dass in einer geschlossenen Position des Schaltkontakts, d.h. wenn die zwei Kontaktoberflächen KG und KS einander berühren, der Signalweg geschlossen ist. Wenn nun eine Spannung zwischen die Elektroden EG und ES angelegt wird, ist infolge der Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden EG und ES ein elektrostatisches Feld erzeugt, wobei das Feld eine Anziehungskraft bewirkt. Das schaltende Element S wird daher in Richtung des Basiselements G oder, präziser ausgedrückt, in Richtung der Elektrode EG abgelenkt, die in der Aussparung des Basiselements G angeordnet ist. Dieser durch die anliegende Spannung erzeugten Ablenkung wirkt eine Reaktionskraft entgegen, die durch das benutzte Material und die Befestigungsart des schaltenden Elements S definiert ist. Wenn die Anziehungskraft größer als die Reaktionskraft ist, wird der Schaltkontakt geschlossen. Wenn die Spannung von den Kontakten EG und ES abgenommen wird, kehrt das schaltende Element S infolge der Reaktionskraft in seine ursprüngliche Position zurück, sodass der Schalter bzw. der Schaltkontakt geöffnet wird. Wie bereits oben beschrieben kann es jedoch vorkommen, dass die Kontaktoberflächen KG und KS oder auch andere Oberflächenkomponenten des schaltenden Elements aufgrund von Adhäsion oder anderer Oberflächeneigenschaften an dem Basiselement G kleben, wenn der Schaltkontakt geschlossen ist. Die dadurch erzeugte Oberflächenkraft wirkt der Reaktionskraft entgegen und weist den Effekt auf, dass der Schaltkontakt nicht mehr geöffnet werden kann. Daher ist vorgeschlagen, eine zusätzliche Elektrode HG, HS sowohl auf dem Basiselement G als auch auf dem schaltenden Element S in lateraler Richtung vorzusehen, jeweils in einem Abstand neben der Elektrode EG, ES, und dass die Elektroden EG und ES bzw. die zusätzlichen Elektroden HG und HS an die Spannungsquelle angeschlossen werden, sodass zum Öffnen des Schaltkontakts ein erstes positives Spannungspotential U1 an beide Elektroden EG und ES angelegt wird und ein zweites negatives Spannungspotential U2 der Spannung an die zusätzlichen Elektroden HG und HS angelegt wird. Aufgrund der unterschiedlichen Spannungspotentiale zwischen der Elektrode EG, ES und der zusätzlichen Elektrode HG, HS kommt es zu einer Ansammlung von Oberflächenladungen auf den Oberflächenanteilen der Elektroden EG, ES, HG, HS in lateraler Richtung, nämlich auf den Oberflächen, die einander in lateraler Richtung direkt gegenüber liegen. Im vorliegenden Beispiel bedeutet dies, dass eine Ansammlung positiver Ladungsträger auf einem Oberflächenanteil der Elektroden EG, ES auftritt, und dass eine Ansammlung negativer Ladungsträger auf einem Oberflächenanteil der zusätzlichen Elektroden HG, HS auftritt. Infolgedessen sind Oberflächenanteile in orthogonaler Richtung einander gegenüber, d.h. in der vertikalen Richtung der mikroelektromechanischen Schichten, die eine Ansammlung von Oberflächenladungen mit demselben Vorzeichen aufweisen. Dies führt wiederum zu Abstoßungskräften zwischen den gleichgerichteten Ladungsträgern und daher zwischen der Elektrode ES des schaltenden Elements S und der Elektrode EG des Basiselements G und entsprechend für die zusätzlichen Elektroden HG und HS. Die Abstoßungskräfte weisen ihre höchste Konzentration auf, wenn der Schaltkontakt S geöffnet wird, d.h. genau dann, wenn die Elektroden EG und ES bzw. die zusätzlichen Elektroden HG und HS einander am nächsten sind. Sie wirken in derselben Richtung wie die mechanischen Reaktionskräfte und unterstützen diese beim Öffnen des Schaltkontakts. Idealerweise sind die Elektroden EG, ES, HG, HS derart gebaut, dass sie als Streifenleiter gestaltet sind, was schematisch in 1a dargestellt ist. Die Streifenleiter weisen eine Breite b und eine Länge l auf, wobei der derart definierte Oberflächenanteil der Elektroden EG, ES, HG, HS für die Anziehungskräfte, die durch das elektrische Feld bewirkt sind, genügend groß zum Schließen des Schalters bemessen sein sollte. Die Streifenleiter weisen zudem eine Dicke d auf, die im Wesentlichen kleiner als die Längsabmessung l ist. Die Streifenelektroden EG, ES, HG, HS sind derart zueinander auf dem Basiselement G und dem schaltenden Element S angeordnet, dass sie in ihrer Längsabmessung l parallel zueinander liegen. Dies führt zu einer Ansammlung von Ladungsträgern auf dem Oberflächenanteil der Elektroden EG, ES, HG, HS, der durch die Längsabmessung l und die Dicke d definiert ist. Anders gesagt sammeln sich durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden EG, ES und die zusätzlichen Elektroden HG, HS positive Ladungen auf der Oberfläche der Elektroden EG und ES an, die der jeweiligen zusätzlichen Elektrode am nächsten liegt, was schematisch in 1d dargestellt ist. Dementsprechend sammeln sich negative Ladungen auf der Oberfläche der zusätzlichen Elektroden HG und HS an, die der jeweiligen Elektrode am nächsten liegt. Aufgrund der Tatsache, dass die Oberflächen im selben Abstand zueinander liegen, liegen die Ladungsansammlungen einander ebenfalls in vertikaler Richtung gegenüber, und ein orthogonales System von Oberflächenanteilen jeweils mit einer Ansammlung gleicher Ladungsträger ist ausgebildet. Die derart bewirkten Abstoßungskräfte in vertikaler Richtung unterstützen die Reaktionskraft. Zweckdienlicherweise ist ein dielektrisches Material mit der dielektrischen Konstante ☐r zwischen der Elektrode EG, ES und der zusätzlichen Elektrode HG, HS angeordnet. Dadurch ist ein noch größeres elektrostatisches Feld zwischen der Elektrode und der zusätzlichen Elektrode erzeugt, was zu einer gesteigerten Ansammlung von Oberflächenladungen auf den Oberflächenanteilen der Elektroden EG, ES, HG, HS führt. Die Abstoßungskräfte, die in vertikaler Richtung wirken, können dadurch weiter erhöht werden. Idealerweise kann eine derartige Anordnung als eine laterale Struktur in einer einzelnen Schicht ausgeführt sein. Das bedeutet, dass die Elektroden EG, ES, HG, HS und das dielektrische Material im Wesentlichen das schaltende Element S ausbilden.
  • Zum Schließen des Schaltkontakts muss das Spannungspotential auf zumindest einer der Elektroden zwischen U1 und U2 durch Schalten auswählbar sein, um aufgrund der unterschiedlichen Spannungspotentiale wie oben beschrieben eine Anziehung der Elektroden EG, ES, HG, HS zwischen dem Basiselement G und dem schaltenden Element S zu bewirken. Die Anziehungskräfte können weiter erhöht sein, wenn das Span nungspotential zusätzlich auf eine andere Elektrode EG, ES, HG, HS übergeschaltet ist, sodass beispielsweise das erste Spannungspotential U1 an die Elektrode ES und die zusätzliche Elektrode HS des schaltenden Elements S angelegt ist und das zweite Spannungspotential U2 an die Elektrode EG und die zusätzliche Elektrode HG angelegt ist oder umgekehrt.
  • Wie in 1a gezeigt können die Kontaktoberflächen KS, KG des schaltenden Elements S und des Basiselements G zwischen den Elektroden EG, ES bzw. den zusätzlichen HG, HS angeordnet sein. Die Kontaktoberflächen KS und KG liegen sich jedoch nur in einem Teilbereich gegenüber, der den Schaltkontakt ausbildet. Die hierin gezeigte Ausführungsform der Kontaktoberflächen KS, KG eines Mikroschalters ist besonders für Anwendungen geeignet, bei denen HF-Signale geschaltet werden müssen, wie etwa im Funkteil eines tragbaren Endgeräts. In Verbindung mit HF-Signalen ist es vorteilhaft, dass sich die Signalwege, hier die Kontaktoberflächen, so wenig wie möglich überlappen, um kapazitive Kopplungen zu vermeiden. Zudem können Mikroschalter gemäß der vorliegenden Erfindung genau auf diesem Gebiet benutzt werden, da die Spannung, die in derartigen Endgeräten verfügbar ist, nur gering ist, d.h. die benutzten Komponenten sollten sowenig Speisespannungen wie möglich aufweisen.
  • 1c zeigt schematisch eine andere Ausführungsform eines Mikroschalters gemäß der Erfindung. Wie aus 1c ersichtlich können die Kontaktoberflächen KS, KG des schaltenden Elements S und des Basiselements G außerdem zwischen zwei Paaren von einer Elektrode bzw. einer zusätzlichen Elektrode angeordnet sein. Das bedeutet, dass das Basiselement G sowie das schaltende Element S je eine weitere Elektrode EG1 und ES1 und eine weitere zusätzliche Elektrode HG1 und HS1 beinhalten. Diese sind wieder parallel zueinander mit einem Abstand a angeordnet. Die Kontaktoberflächen KG und KS sind zwischen dem ersten Paar, das durch die Elektrode EG, ES und die zusätzliche Elektrode HG, HS gebildet ist, und dem zweiten Paar, das durch die weitere Elektrode EG1, ES1 und die weitere zusätzliche Elektrode HG1 und HS1 gebildet ist, angeordnet. Wieder liegen sich die Kontaktoberflächen KG und KS nur in einem Teilbereich, der den Schaltkontakt bildet, gegenüber. Eine derartige Anordnung ist insbesondere bevorzugt, wenn die Kontaktoberflächen eine Breite aufweisen, die ihre Anordnung zwischen einer Elektrode und einer zusätzlichen Elektrode nicht gestattet, d.h., die Breite der Kontaktoberfläche größer als der Abstand zwischen der Elektrode und der zusätzlichen Elektrode ist. Um denselben Effekt wie in der ersten Ausführungsform zu erzielen, d.h. die Erzeugung von Abstoßungskräften zum Öffnen des Kontakts, ist mindestens ein Paar aus Elektrode und zusätzlicher Elektrode jederzeit notwendig.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern unabhängig von der Art und Ausbildung der Aufhängung des schaltenden Elements. Das bedeutet, dass das Konzept gemäß der Erfindung beispielsweise in Verbindung mit einseitig eingespannten Schaltern oder Membranschaltern entsprechend anwendbar ist. Dasselbe trifft auf die Bauweise der Kontaktoberflächen zu. Daher ist es beispielsweise vorstellbar, dass zwei Kontaktoberflächen auf dem Basiselement vorgesehen sind, die durch eine Kontaktoberfläche des schaltenden Elements überbrückt sind. Dasselbe trifft auf die Ausbildung der Elektroden, zusätzlichen Elektroden oder Kontaktoberflächen zu. Es ist daher vorstellbar, dass diese beispielsweise eine mäanderförmige oder spiralförmige Struktur aufweisen. In Verbindung mit allen Ausführungsformen ist es wesentlich, dass entsprechend dem erfinderischen Konzept betreffs der Anordnung und der Bauweise und der Verbindung der Elektroden und zusätzlichen Elektroden die Erzeugung von Abstoßungskräften eine Unterstützung der Reaktionskraft bewirkt, wenn der Schaltkontakt geöffnet wird, um die Gefahr eines Zusammenklebens zu vermindern.
  • Die Mikroschalter, die in 1a bis d gezeigt sind, wurden auf eine abstrakte Weise dargestellt, um nur die wesentlichen Aspekte der Erfindung zu zeigen. Abhängig vom Anwendungszweck oder benutzter Technologie erhält der Fachmann dadurch verschiedenste Ausführungsformen mit verschiedensten Strukturen, ohne dadurch vom Grundprinzip der Erfindung wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert abzuweichen.

Claims (8)

  1. Mikroschalter mit – einem Basiselement (G) mit einer ersten Kontaktoberfläche (KG) und einer Elektrode (EG), und – einem schaltenden Element (S) mit einer zweiten Kontaktoberfläche (KS) und einer Elektrode (ES), die gegenüber der Elektrode (EG) des Basiselementes (G) in einer Entfernung (g) angeordnet ist, – wobei das schaltende Element (S) mit einer Federkonstante ausgestattet ist, und mindestens mit einem Teil seiner Endkante mit dem Basiselement (G) in festgelegter Weise verbunden ist, und – wobei die Kontaktoberflächen (KG, KS) einen Schaltkontakt bilden und der Schaltkontakt gegen eine reaktive Kraft, bedingt durch die Federkonstante mittels einer elektrische Spannung, die an den Elektroden (EG, ES) anliegt, schließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Basiselement (G) und das schaltende Element (S) eine zusätzliche Elektrode (HG, HS) in lateraler Richtung in einem Abstand (a) von der Elektrode (EG, HS), an die eine Spannung angelegt werden kann, beinhaltet, und – die elektrische Spannung an die Elektroden (EG, ES) und die zusätzlichen Elektroden (HG, HS) zum Öffnen des Kontaktes angelegt werden kann, so dass die Elektroden (EG, ES) ein erstes Spannungspotential (U1) und die zusätzlichen Elektroden ein zweites Spannungspotential (U2) aufweisen, welches eine Ansammlung von positiven und negativen Ladungsträgern auf den Oberflächeanteilen der Elektroden (EG, ES) und den zusätzlichen Elektroden (HG, HS) bewirken, so dass Oberflächenanteile mit positiven und negativen Ladungsträgern sich in lateraler Richtung gegenüber sind und Oberflächenanteile mit der gleichen Ladung sich in orthogonaler Richtung gegenüber sind.
  2. Mikroschalter nach Anspruch 1, bei dem eine der Elektroden (EG, ES) oder zusätzlichen Elektroden (HG, HS) zwischen dem ersten (U1) und dem zweiten (U2) Spannungspotential zum Schließen des Kontaktes umgeschaltet werden kann.
  3. Mikroschalter nach Anspruch 2, bei dem eine weitere der Elektroden (EG, ES) oder zusätzlichen Elektroden (HG, HS) zwischen dem ersten (U1) und dem zweiten (U2) Spannungspotential zum Schließen des Kontaktes umgeschaltet werden kann, so dass das erste Spannungspotential (U1) an die Elektrode (ES) und die zusätzliche Elektrode (HS) des schaltenden Elementes (S) angelegt ist, und das zweite Spannungspotential (U2) an die Elektrode (EG) und die zusätzliche Elektrode (HG) des Basiselementes (G) angelegt ist.
  4. Mikroschalter nach Anspruch 1, bei dem die Elektroden (EG, ES) und die zusätzlichen Elektroden (HG, HS) jeweils einen Oberflächenanteil enthalten, der durch dessen Dicke (d) und dessen Länge (l) definiert ist, und wobei die Elektrode (EG, ES) und die entsprechenden zusätzlichen Elektroden (HG, HS) des Basiselementes (G) und des schaltenden Elementes (S) jeweils parallel zu dem genannten Oberflächenanteil verlaufen.
  5. Mikroschalter nach Anspruch 1, bei dem das dielektrische Material zwischen der Elektrode (EG, ES) und der zusätzlichen Elektrode (HG, HS) des Basiselementes (G) und/oder des schaltenden Elementes (S) angeordnet ist.
  6. Mikroschalter nach Anspruch 1, bei dem jede der Kontaktoberflächen (KG, KS) zwischen der Elektrode (EG, ES) und der zusätzlichen Elektrode (HG, HS) angeordnet ist, wobei die Kontaktoberflächen (KG, KS) sich nur in einem Teilbereich, der den Schaltkontakt bildet, gegenüber sind.
  7. Mikroschalter nach Anspruch 1, bei dem jede der Kontaktoberflächen (KG, KS) Teil der Elektrode (EG, ES) oder der zusätzlichen Elektrode (HG, HS) ist.
  8. Mikroschalter nach Anspruch 1, bei dem das Basiselement (G) und das schaltende Element (S) je eine weitere Elektrode (EG1, ES1) und eine weitere zusätzliche Elektrode (HG1, HS1), die wieder parallel zueinander mit einem Abstand (a) angeordnete sind, beinhalten, und wobei jede der Kontaktoberflächen (KG, KS) zwischen dem ersten Paar, das durch die Elektrode (EG, ES) und der zusätzlichen Elektrode (HG, HS) gebildet ist, angeordnet ist, und dem zweiten Paar, das aus der weiteren Elektrode (EG1, ES1) und der weiteren zusätzlichen Elektrode (EG1, ES1) gebildet ist, wobei die Kontaktoberflächen (KG, KS) sich nur in einem Teilbereich, der den Schaltkontakt bildet, gegenüber sind.
DE2003600981 2002-02-11 2003-02-10 Mikroschalter mit einem mikro-elektromechanischen system Expired - Lifetime DE60300981T2 (de)

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