DE60307136T2

DE60307136T2 - Mikromechanischer elektrostatischer schalter mit niedriger betätigungsspannung

Info

Publication number: DE60307136T2
Application number: DE60307136T
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: 2002-11-28
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: FR2848021B1; WO2004051687A1; FR2848021A1; DE60307136D1; EP1565921B1; EP1565921A1; US20060091983A1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Mikroschalter mit hoher Betriebszuverlässigkeit, der angepasst ist an Bauteile mit niedriger Betätigungsspannung. Die Bezeichnung "Mikroschalter" umfasst hier die Mikrorelais, die Aktoren des Typs MEMS (für "Micro-Electronical-System") und die Hochfrequenz-Aktoren.
Stand der Technik
Der Artikel "RF MEMS from a device perspective" von J. Jason Yao, erschienen in J. Micromech. Microeng. 10(2000), Seiten R9 bis R38, rekapituliert die kürzlich erzielten Fortschritte auf dem Gebiet der MEMS bei den Hochfrequenzanwendungen.
Die Hochfrequenz- oder HF-Bauteile für die Mobiltelephonie unterliegen folgendem Pflichtenheft:

– Versorgungsspannung niedriger als 5 V,
– Isolation höher als 30 dB,
– Einfügungsverlust niedriger als 0,3 dB,
– Zuverlässigkeit für eine Zykluszahl über 10⁹,
– Abmessungen unter 0,05 mm².

Die Mikroschalter werden sehr viel verwendet auf dem Gebiet der Kommunikationen: dem Signalrouting, den Impedanzabstimmungsnetzen, der Verstärkungsjustierung von Verstärkern usw. Bezüglich der Frequenzbänder der zu schaltenden Signale handelt es sich um Frequenzen zwischen einigen MHz und mehreren zehn GHz.
Klassischerweise verwendet man für die HF-Schaltkreise Schalter, die aus der Mikroelektronik stammen und infolgedessen eine Integration mit der Elektronik dieser Schaltkreise ermöglichen und kostengünstig sind. Bezüglich ihrer Leistungen sind diese Bauteile jedoch ziemlich begrenzt. So können Schalter des FET-Typs aus Silicium zwar Niederfrequenzsignale mit hoher Leistung aber keine Hochfrequenzsignale schalten. Die Schalter des MESFET-Typs aus GaAs oder die PIN-Dioden arbeiten zwar mit hoher Frequenz, aber nur bei Signalen mit niedrigem Pegel. Schließlich und generell haben alle mikroelektronischen Schalter über 1 GHz einen großen Einfügungsverlust (klassischerweise um 1 bis 2 dB) im leitenden Zustand und eine ziemlich schwache Isolation im offenen Zustand (–20 bis –25 dB). Das Ersetzen konventioneller Bauteile durch MEMS-Mikroschalter ist also für diesen Anwendungstyp vielversprechend.
Aufgrund ihrer Konzeption und ihres Funktionsprinzips haben die MEMS-Schalter die folgenden Eigenschaften:

– niedrige Einfügungsverluste (typisch unter 0,3 dB),
– sehr große Isolation im Bereich MHz bis Millimeterwellen (typisch über –30 dB),
– niedriger Verbrauch,
– keine Empfindlichkeits- bzw. Frequenzband-Nichtlinearität

Man unterscheidet bei diesen MEMS-Mikroschaltern zwei Kontakttypen.
Einer dieser Kontakttypen ist der Schalter mit ohmschem Kontakt, beschrieben in dem oben genannten Artikel "RF MEMS from a divice perspective" von J. Jason Yao und in dem Artikel "A Suface Micromachined Miniature Switch For Telecommunications Applications with Signal Frequencies From DC up to 4 GHz" von J. Jason Yao und M. Franck Chang, erschienen in der Zeitschrift Transducers'95, Eurosensors IX, Seiten 384 bis 387. Bei diesem Kontakttyp werden die beiden HF-Spuren bzw. -Bahnen durch einen Kurzschluss in Kontakt gebracht (Metall-Metall-Kontakt). Dieser Kontakttyp ist ebenso für die kontinuierlichen Signale wie für die HF-Signale (über 10) geeignet.
Der andere Kontakttyp ist der kapazitive Schalter, beschrieben in dem oben genannten Artikel "RF MEMS from a divice perspective" von J. Jason Yao und in dem Artikel "Finite Ground Coplanar Waveguide Shunt MEMS Switches for Switched Line Phase Shifters" von George E. Ponchak et al., erschienen in 30th European Microwave Conference, Paris 2000, Seiten 252 bis 254. Bei diesem Kontakttyp wird eine Luftschicht elektromechanisch justiert, um eine Kapazitätsänderung zwischen dem geschlossenen Zustand und dem offenen Zustand zu erhalten. Dieser Kontakttyp ist besonders gut an die hohen Frequenzen angepasst (über 10 GHz), aber nicht für niedrige Frequenzen geeignet.
Nach dem Stand der Technik unterscheidet man bei den MEMS-Schaltern zwei große Betätigungsprinzipien: die Schalter mit thermischer Betätigung und die Schalter mit elektrostatischer Betätigung.
Die Schalter mit thermischer Betätigung haben den Vorteil einer niedrigen Betätigungsspannung. Hingegen haben sie die folgenden Nachteile: Exzessiver Verbrauch (vor allem bei den Mobiltelephonie-Anwendungen), niedrige Kommunikationsgeschwindigkeit (aufgrund der thermischen Trägheit) und oft schwere bzw. schwerfällige Technik.
Die Schalter mit elektrostatischer Betätigung haben den Vorteil, schnell zu schalten und technisch einfach zu sein. Sie haben jedoch den Nachteil, Zuverlässigkeitsprobleme aufzuweisen. Dieser Punkt ist besonders kritisch im Falle von elektrostatischen Mikroschaltern mit niedriger Betätigungsspannung (Möglichkeit eines Klebens der Strukturen).
Das Problem des Klebens der Schalter mit elektrostatischer Betätigung ist unabdingbar. Dieses Problem wird insbesondere hervorgehoben in dem oben genannten Artikel von George E. Ponchak et al. und in dem Artikel "Communications Applications of Microelectromechanical Systems" von Clark T.-C. Nguyen, erschienen in Proceedings, 1998 Sensors Expo, San Jose, CA, 19. bis 21. Mai 1998, Seiten 447 bis 455.
Die elektrostatischen Mikroschalter nach dem Stand der Technik haben eine bewegliche Betätigungselektrode, die von der festen Elektrode durch eine dielektrische Schicht isoliert ist, die während des Kippens des Mikroschalters jeden Kurzschluss verhindert. Diese dielektrische Schicht, eingeschlossen bzw. eingezwängt in die bewegliche Betätigungskapazität, ist nie perfekt. Sie umfasst Defekte, welche die Ursache für ein Einfangen von Ladungen in der Schicht sind. Diese Ladungen, die sich in dem Dielektrikum akkumulieren, können mit der Zeit einen Ausfall des Bauteils verursachen (Kleben des Trägers bzw. Balkens oder Notwendigkeit einer immer stärkeren Betätigungsspannung im Laufe der Schaltzyklen).
Dieses Phänomen akzentuiert sich im Falle der Mikroschalter mit niedriger Betätigungsspannung, wo die Entwickler, um die generell erforderlichen Schaltspannungen zu erreichen (klassischerweise über oder gleich 5 Volt bewegliche Strukturen mit einer geringen mechanischen Steifigkeit vorsehen, das heißt einer elastischen Rückstellkraft, die nicht ausreicht hinsichtlich der elektrostatischen Störkräfte, die durch dieses Einfangen von Ladungen verursacht werden, was oft zum Kleben der Mikroschalter nach 10⁴ bis 10⁵ Zyklen führt, was deutlich unter den Spezifikationen der Pflichtenhefte liegt (über 10⁹ Zyklen).
Eine einfache Art, das Einfangen von Ladungen zu vermeiden, bestünde in einem metallischen Balken. Jedoch wächst mit einem solchen Balken die Kurzschlussgefahr zwischen Balken und Betätigungselektrode, insbesondere im Falle von Mikroschaltern mit niedriger Schaltspannung, die eine geringe mechanische Steifigkeit aufweisen. Um dieses Kurzschlussproblem zu beseitigen, kann man auf den Betätigungselektroden dielektrische Anschläge mit kleinen Abmessungen vorsehen, wobei das auf die Anschläge beschränkte lokalisierte Einfangen von Ladungen den Betrieb des Mikroschalters nicht stören sollte. Ein solcher Mikroschalter wird in dem Dokument US 2002/0005341 A1 beschrieben. Hier beruht das Problem auf der Tatsache, dass die Gefahr besteht, dass der Balken auf den Anschlägen anschlägt, ehe der Kontakt zwischen den zu verbindenden Leiterbahnen hergestellt ist.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die genannten Nachteile der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zu beseitigen.
Sie hat einen elektrostatischen Mikroschalter zum Gegenstand, der dazu bestimmt ist, wenigstens zwei auf einem isolierenden Träger angeordnete elektrische Leiterbahnen zu verbinden, wobei die elektrische Verbindung zwischen den beiden Leiterbahnen durch leitfähige Einrichtungen erfolgt, die im zentralen Teil von verformbaren Einrichtungen vorgesehen sind, die fähig sind, sich in Bezug auf den Träger zu verformen unter der Wirkung einer elektrostatischen Kraft, erzeugt durch Steuerelektroden, die sich, verteilt auf den verformbaren Einrichtungen und dem Träger, so gegenüberstehen, dass sie um die genannten leitfähigen Einrichtungen herum kapazitive Einrichtungen bilden, wobei die genannten leitfähigen Einrichtungen die elektrische Verbindung zwischen den beiden Leiterbahnen herstellen, wenn die verformbaren Einrichtungen verformt werden bis sie Kontakt haben mit den Enden der Leiterbahnen,
dadurch gekennzeichnet,

– dass der Steuerelektrode oder den Steuerelektroden auf dem Träger oder der Steuerelektrode oder den Steuerelektroden auf den verformbaren Einrichtungen Isolationsanschläge zugeordnet sind, die dazu dienen, während der Verformung der verformbaren Einrichtungen jeglichen Kurzschluss zwischen Elektroden der genannten kapazitiven Einrichtungen zu verhindern,
– dass der Abstand, der die verformbaren Einrichtungen von den Enden der Leiterbahnen trennt, kleiner oder gleich dem Abstand ist, der die Isolationsanschläge trennt, die einer Steuerelektrode oder den Steuerelektroden oder der gegenüberstehenden Steuerelektrode oder gegenüberstehenden Steuerelektroden zugeordnet sind.

Die verformbaren Einrichtungen können ausgewählt werden zwischen einer Membran und einem Balken.
Nach einer ersten Realisierungsvariante sind die verformbaren Einrichtungen aus leitfähigem Material und werden durch eine Steuerelektrode und leitfähige Einrichtungen gebildet.
Nach einer zweiten Realisierungsvariante sind die verformbaren Einrichtungen aus isolierendem Material und tragen leitfähige Teile, die eine Steuerelektrode oder Steuerelektroden bilden, sowie ein leitfähiges Kontaktelement, um die genannten leitfähigen Einrichtungen zu bilden.
Jedes Leiterbahnende kann auf einem Höcker des Trägers ausgebildet werden.
Die leitfähigen Einrichtungen können in Bezug auf die verformbaren Einrichtungen hervorstehen.
Die Isolationsanschläge können Elemente aus isolierendem Material sein, getragen von einer Steuerelektrode oder von Steuerelektroden.
Die Isolationsanschläge können erhabene Elemente einer Steuerelektrode (oder Steuerelektroden) sein, die isolierenden Teilen gegenübersteht (gegenüberstehen), die sich in oder nahe einer gegenüberstehenden Steuerelektrode (oder Steuerelektroden) befindet.
Wenn der Mikroschalter mit ohmschem Kontakt funktioniert, können die leitfähigen Einrichtungen direkt mit den Enden der Leiterbahnen in elektrischen Kontakt gebracht werden.
Wenn der Mikroschalter mit kapazitivem Kontakt funktioniert, befindet sich zwischen den leitfähigen Einrichtungen und den Enden der Leiterbahnen eine Schicht aus isolierendem Material.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung und weitere Vorteile und Besonderheiten werden besser verständlich durch die nachfolgende beispielhafte und nicht einschränkende Beschreibung, die sich auf folgende beigefügte Figuren bezieht:
die 1 und 2, die Längs- und Draufsicht-Schnittansichten einer ersten Mikroschaltervariante nach der Erfindung sind,
die 3, die eine Längsschnittansicht einer zweiten Mikroschaltervariante nach der Erfindung ist,
die 4, die eine Längsschnittansicht einer dritten Mikroschaltervariante nach der Erfindung ist,
die 5, die eine Längsschnittansicht einer vierten Mikroschaltervariante nach der Erfindung ist,
die 6, die eine Längsschnittansicht einer fünften Mikroschaltervariante nach der Erfindung ist,
die 7A bis 7H, die Längsschnittansichten eines Mikroschalters nach der fünften Erfindungsvariante sind.
Detaillierte Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung
Die 1 und 2 sind jeweils Längs- und Draufsicht-Schnittansichten einer ersten Mikroschaltervariante nach der Erfindung. Die 1 ist eine Ansicht gemäß dem Schnitt I-I der 2, und die 2 ist eine Ansicht gemäß dem Schnitt II-II der 1.
Der Mikroschalter wird in einem isolierenden Teil eines Substrats 1 realisiert. Auf einer Seite des Substrats 2 wird eine Aussparung 2 realisiert. Der zentrale Teil des Bodens der Aussparung 2 trägt zwei elektrisch zu verbindende Leiterbahnen 3 und 4. Der Boden der Aussparung trägt auch untere Steuerelektroden 5 und 6, die sich beiderseits der Leiterbahnen 3 und 4 befinden und deren elektrische Verbindungen bzw. Anschlüsse nicht dargestellt sind.
Die Enden 13 und 14 der Leiterbahnen 3 und 4 stehen sich gegenüber. Sie sind jeweils auf einem Höcker ausgebildet. Nur der Höcker 7 ist in der 1 dargestellt.
Die unteren Steuerelektroden 5 und 6 tragen Noppen aus isolierendem Material, jeweils 15 und 16. Diese isolierenden Noppen haben kleine Abmessungen in Bezug auf die Abmessungen der Elektroden.
Ein an seinen beiden Enden aufgehängter Metallbalken 8 überspannt die Aussparung 2. Er befindet sich gegenüber den unteren Steuerelektroden 5 und 6 und den Enden 13 und 14 der Leiterbahnen 3 und 4. Der leitfähige Balken 8 bildet gleichzeitig obere Steuerelektroden und ein ohmsches Kontaktelement für die Enden 13 und 14 der Leiterbahnen.
Die isolierenden Noppen 15 oder 16 einer selben unteren Steuerelektrode 5 oder 6 haben einen genügend kleinen Abstand voneinander, um jede Gefahr einer Verformung des Balkens 8 zu vermeiden, die zu einem Kurzschluss auf Höhe der Steuerelektroden führen könnte, das heißt einerseits zwischen dem leitfähigen Balken 8 und der Elektrode 5 und andererseits zwischen dem leitfähigen Balken 8 und der Elektrode 6. Der maximale Abstand zwischen zwei Isoliernoppen einer selben unteren Steuerelektrode wird in Abhängigkeit von der Höhe der Isoliernoppen, der Steifheit des Balkens und der elektrischen Steuerspannung ermittelt.
Der Abstand, der den leitfähigen Balken 8 von den Enden 13 und 14 der Leiterbahnen 3 und 4 trennt, ist kleiner oder gleich dem Abstand, der die Isoliernoppen 15 und 16 von dem leitfähigen Balken 8 trennt.
Unter der Wirkung einer entsprechenden, zwischen dem leitfähigen Balken 8 und den Elektroden 5 und 6 angelegten Steuerspannung biegt sich der Balken 8, bis er die Enden der Leiterbahnen berührt.
Die 3 ist eine Längsschnittansicht einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Mikroschalters.
Man erkennt in dieser Figur den isolierenden Teil eines Substrats 21, eine Aussparung 22, untere Steuerelektroden 25 und 26, versehen mit Isoliernoppen 35 bzw. 36, einen der Höcker 27 und eines der Leiterbahnenenden 33. Diese Elemente entsprechen gleichen Elementen der ersten Variante eines erfindungsgemäßen Mikroschalters.
Die zweite erfindungsgemäße Mikroschaltervariante unterscheidet sich von der ersten durch die Art des Balkens 28, der aus einem isolierenden Material ist. Die der Aussparung 22 zugewandte Seite des Balkens 28 trägt ein leitfähiges Element 38, das den Enden der Leiterbahnen gegenübersteht, und obere Steuerelektroden 48 und 58, die jeweils den unteren Steuerelektroden 25 und 26 zugeordnet sind.
Unter der Wirkung einer entsprechenden, zwischen den oberen Steuerelektroden 48 und 58 und den unteren Steuerelektroden 25 und 26 angelegten Steuerspannung biegt sich der Balken 28, bis das leitfähige Element 38 die Enden der Leiterbahnen berührt.
Der Abstand, der das leitfähige Element 38 von den Enden der Leiterbahnen trennt, ist kleiner oder gleich dem Abstand, der die Isoliernoppen 35 und 36 von der Elektrode 48 bzw. 58 trennt.
Die 4 ist eine Längsschnittansicht einer dritten Variante eines erfindungsgemäßen Mikroschalters.
Man erkennt in dieser Figur in Bezug auf die 3 den isolierenden Teil eines Substrats 41, eine Aussparung 42 und untere Steuerelektroden 45 und 46, versehen mit Isoliernoppen 55 und 56. Man erkennt auch einen Balken 68 aus isolierendem Material, dessen der Aussparung zugewandte Seite ein leitfähiges Element 78 trägt, das den Enden der Leiterbahnen und der oberen Steuerelektroden 88 und 98 gegenübersteht, die jeweils den unteren Steuerelektroden 45 und 46 zugeordnet sind.
Die dritte erfindungsgemäße Mikroschaltervariante unterscheidet sich von der zweiten Variante dadurch, dass die Enden der Leiterbahnen (dargestellt ist nur das Ende 43) nicht auf Höckern ausgebildet sind, sondern auf dem Boden der Aussparung 42. Jedoch steht das leitfähige Element 78 aus der der Aussparung zugewandten Seite des Balkens hervor, so dass der Abstand, der das leitfähige Element 78 von den Enden der Leiterbahnen trennt, kleiner oder gleich dem Abstand ist, der die Isoliernoppen 55 oder 56 von der oberen Steuerelektrode 88 bzw. 98 trennt.
Unter der Wirkung einer entsprechenden, zwischen den oberen Steuerelektroden 88 und 98 und den unteren Steuerelektroden 45 und 46 angelegten Steuerspannung biegt sich der Balken 68, bis das leitfähige Element 78 die Enden der Leiterbahnen berührt.
Die 5 ist eine Längsschnittansicht einer vierten Variante eines erfindungsgemäßen Mikroschalters.
Man erkennt in dieser Figur in Bezug auf die 3 den isolierenden Teil eines Substrats 101, eine Aussparung 102, untere Steuerelektroden 105 und 106, versehen mit Isoliernoppen 115 und 116, einen der Höcker 107 und eines der Leiterbahnenenden 103. Man erkennt auch einen Balken 108 aus isolierendem Material, dessen der Aussparung zugewandte Seite obere Steuerelektroden 118 und 128 trägt, die jeweils den unteren Steuerelektroden 105 und 106 zugeordnet sind.
Die vierte erfindungsgemäße Mikroschaltervariante unterscheidet sich von der zweiten Variante dadurch, dass das leitfähige Element 138 in den isolierenden Balken 108 integriert ist. Aufgrund dieser Tatsache befindet sich eine dünne Isolierschicht zwischen dem leitfähigen Balken 138 und den Enden der Leiterbahnen, so dass der Mikroschalter vom kapazitiven Typ ist.
Unter der Wirkung einer entsprechenden, zwischen den oberen Steuerelektroden 118 und 128 und den unteren Steuerelektroden 105 und 106 angelegten Steuerspannung biegt sich der Balken 108, bis er einen mechanischen Kontakt mit den Enden der Leiterbahnen hat und so zwischen den Leiterbahnen eine Verbindung des kapazitiven Typs herstellt.
Der Abstand, der den Balken 108 von den Enden der Leiterbahnen trennt, ist kleiner oder gleich dem Abstand, der die Isoliernoppen 115 und 116 von der Elektrode 118 bzw. 119 trennt.
Die 6 ist eine Längsschnittansicht einer fünften Variante eines erfindungsgemäßen Mikroschalters.
Man erkennt in dieser Figur in Bezug auf die 3 den isolierenden Teil eines Substrats 141, eine Aussparung 142, untere Steuerelektroden 145 und 146 und eines der Leiterbahnenenden 143, ausgebildet auf einem Höcker 147. Man erkennt auch einen Balken 148 aus isolierendem Material, dessen der Aussparung zugewandte Seite ein zentrales leitfähiges Element 178 und obere Steuerelektroden 158 und 168 trägt, die jeweils den unteren Steuerelektroden 145 und 146 zugeordnet sind.
Die fünfte erfindungsgemäße Mikroschaltervariante unterscheidet sich von der zweiten Variante dadurch, dass die unteren Steuerelektroden 145 und 146 Noppen 155 bzw. 156 aufweisen, die aus gleichen Material sind wie die Elektroden. Die Noppen 155 und 156 werden verursacht durch Höcker 153 bzw. 154, ausgebildet auf dem Boden der Aussparung. Die Noppen 155 und 156 sind auf den Elektroden 145 und 146 entsprechend denselben Kriterien verteilt wie die Isoliernoppen der vorhergehenden Varianten.
Den Noppen 155 und 156 gegenüber weisen die oberen Steuerelektroden 158 und 168 Öffnungen auf, die mit einem Material gefüllt sind, das isolierende Pastillen 157 und 167 bildet, um einen eventuellen Kurzschluss mit diesen Elektroden zu vermeiden.
Der Abstand, der das leitfähige Element 178 von den Enden der Leiterbahnen trennt, ist kleiner oder gleich dem Abstand, der die Noppen 155 und 156 von den Pastillen 157 bzw. 167 trennt.
Die 7A bis 7H sind Längsschnittansichten eines Verfahrens zur Herstellung von Mikroschaltern gemäß der fünften Realisierungsvariante.
Die 7A zeigt ein Siliciumsubstrat 100, überzogen mit einer dielektrischen Schicht 141, ausgebildet auf dem Substrat 100. Die Schicht 141 kann aus Si₃N₄ oder aus SiO₂ sein und eine Dicke von 2,4 μm haben.
Die Schicht 141 wird durch Litho-Ätzung (lithogravure) so mikrobearbeitet, dass sich an ihrer Oberfläche ein zentraler Höcker 147 ausbildet, der zwischen anderen Höckern 153 und 154 enthalten ist (s. 7B). Ein einziger Höcker 153 und ein einziger Höcker 154 sind dargestellt. Die Höhe der Höcker kann 0,3 μm betragen, was die Dicke der Schicht 141 auf 2,1 μm reduziert.
Die mit ihren Höckern versehene Schicht 141 kann wieder durch Litho-Ätzung (lithogravure) mikrobearbeitet werden, um die Aussparung 142 herzustellen, wie dargestellt in der 7C. Dabei werden die Höcker 147, 153 und 154 auf den Boden der Aussparung 142 übertragen. Die Tiefe der Aussparung kann 0,5 μm betragen. Dieser selbe Lithoätzschritt ermöglicht, Aufnahmen (nicht dargestellt) für die elektrischen Anschlüsse der zukünftigen unteren Steuerelektroden, der Leiterbahnen und der Massenebene bzw. Masse zu realisieren.
Die Leiterbahnen und die unteren Steuerelektroden werden anschließend durch das Abscheiden einer Metallschicht realisiert (zum Beispiel aus Gold, aus Kupfer oder aus Aluminium), gefolgt von einer Litho-Ätzung (lithogravure). Die 7D zeigt eines der Enden 143 einer Leiterbahn, ausgebildet auf dem Höcker 147, und die unteren Steuerelektroden 145 und 146. Die Elektrode 145 umfasst Höcker 155, welche die Form der Höcker 153 reproduzieren. Die Elektrode 146 umfasst Höcker 156, welche die Form der Höcker 154 reproduzieren. Die Dicke der unteren Steuerelektroden kann 0,9 μm betragen.
Eine Opferschicht 150, zum Beispiel aus Polyimid, wird anschließend in der Aussparung 142 abgeschieden. Diese Schicht 150 wird planarisiert, bis sie bündig ist mit der Oberseite der Schicht 141, wie dargestellt in der 7E.
Eine erste dielektrische Schicht 148', zum Beispiel aus Si₃N₄ oder aus SiO₂, wird anschließend auf der planarisierten Oberfläche der vorhergehenden Struktur abgeschieden (s. 7F). Diese erste dielektrische Schicht kann 0,15 μm dick sein. Diese Schicht wird an den Stellen litho-geätzt (lithogravée), die für die oberen Steuerelektroden und das leitfähige Element vorgesehen sind.
Anschließend wird auf der ersten dielektrischen Schicht 148' eine Metallschicht (zum Beispiel aus Gold auf einer Kopplungsschicht aus Cr, aus Kupfer oder aus Aluminium) abgeschieden. Durch Litho-Ätzung (lithogravure) dieser Schicht realisiert man die oberen Steuerelektroden 158 und 168 und das leitfähige Element 178, wie dargestellt in der 7G. Die elektrischen Verbindungen mit diesen leitfähigen Einrichtungen werden während derselben Operation realisiert.
Auf der oben erhaltenen Struktur wird eine zweite dielektrische Schicht 148" abgeschieden, wie dargestellt in der 7H. Durch Litho-Ätzung (lithogravure) werden in der Dicke der beiden dielektrischen Schichten 148' und 148" Öffnungen realisiert (nicht dargestellt), um die Opferschicht 150 aufzudecken und um den Kontakt auf bzw. mit den Elektroden herzustellen.
Die Opferschicht wird dann eliminiert durch selektives Ätzen, ausgehend von den vorhergehend hergestellten Öffnungen. Man erhält die in der 6 dargestellt Struktur, wo der isolierende Teil des Trägers das globale Bezugszeichen 148 trägt.
Die Erfindung ermöglicht, das Einfangen der Ladungen und folglich den Klebeeffekt auf sehr kleine Zonen (die Isolationsanschläge) zu beschränken. Sie ermöglicht, durch das Vorhandensein dieser Isolationsanschläge jedes Kurzschlussrisiko zwischen Steuerelektroden zu vermeiden. Sie gewährleistet einen guten Kontakt des Mikroschalters, da der Abstand, der die verformbaren Einrichtungen der Enden der Leiterbahnen kleiner oder gleich dem Abstand ist, der die Isolationsanschläge trennt, die den gegenüberstehenden Steuerelektroden zugeordnet sind.
Die Schaltgeschwindigkeit der Mikroschalter ist abhängig von der viskosen Dämpfung des Balkens (oder der Membran). Diese Dämpfung ist umgekehrt proportional zum Abstand (oder Luftspalt) zwischen dem Balken und den Leiterbahnen und unteren Steuerelektroden, und ist auch umgekehrt proportional zu den gegenüberstehenden Oberflächen. Je mehr sich also der Balken durchbiegt und sich den zusammenzuschaltenden Leiterbahnen nähert, desto stärker wird die Dämpfung und ist bestrebt, die Bewegung zurückzuhalten. Dies drückt sich durch eine Zunahme der Schaltzeit aus. Im Falle der vorliegenden Erfindung beschränkten sich die Zonen, wo die Dämpfung groß ist (Zone mit kleinem Spalt) auf die Anschläge (auf den Betätigungselektroden) und auf die Höcker (auf Höhe des Kontakts). Die beteiligten Oberflächen sind folglich extrem klein in Bezug auf die MEMS-Mikroschalter nach dem Stand der Technik. Die Schaltzeit wird folglich optimiert.

Claims

Elektrostatischer Mikroschalter, dazu bestimmt, wenigstens zwei auf einem isolierenden Träger (1, 21, 41, 101, 141) angeordnete elektrische Leiterbahnen (3, 4) zu verbinden, wobei die elektrische Verbindung zwischen den beiden Leiterbahnen durch leitfähige Einrichtungen (38, 78, 138, 178) erfolgt, die im zentralen Teil von verformbaren Einrichtungen (8, 28, 68, 108, 148) vorgesehen sind, die fähig sind, sich in Bezug auf den Träger zu verformen unter der Wirkung einer elektrostatischen Kraft, erzeugt durch Steuerelektroden, die sich, verteilt auf den verformbaren Einrichtungen und dem Träger, so gegenüberstehen, dass sie um die genannten leitfähigen Einrichtungen herum kapazitive Einrichtungen bilden, wobei die genannten leitfähigen Einrichtungen die elektrische Verbindung zwischen den beiden Leiterbahnen herstellen, wenn die verformbaren Einrichtungen verformt werden bis sie Kontakt haben mit den Enden (13, 14; 33; 43; 103; 143) der Leiterbahnen, wobei der Steuerelektrode oder den Steuerelektroden (5, 6; 25, 26; 45, 46; 105, 106; 145, 146) auf dem Träger oder der Steuerelektrode oder den Steuerelektroden (48, 58;, 88, 98; 118, 128; 158, 168) auf den verformbaren Einrichtungen Isolationsanschläge zugeordnet sind, die dazu dienen, während der Verformung der verformbaren Einrichtungen jeglichen Kurzschluss zwischen Elektroden der genannten kapazitiven Einrichtungen zu verhindern, dadurch gekennzeichnet: – dass der Abstand, der die verformbaren Einrichtungen von den Enden der Leiterbahnen trennt, kleiner oder gleich dem Abstand ist, der die Isolationsanschläge trennt, die einer Steuerelektrode oder den Steuerelektroden oder der gegenüberstehenden Steuerelektrode oder gegenüberstehenden Steuerelektroden zugeordnet sind, und dadurch, – dass die Isolationsanschläge vorstehende Teile (155, 156) einer Steuerelektrode oder von Steuerelektroden (145, 146) sind, die isolierenden Teilen (157, 167) gegenüberstehen, die sich innerhalb oder in der Nähe einer gegenüberstehenden Steuerelektrode oder gegenüberstehender Steuerelektroden (158, 168) befinden.
Mikroschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verformbaren Einrichtungen ausgewählt werden zwischen einer Membran und einem Balken (8, 28, 68, 108, 148).
Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verformbaren Einrichtungen (8) aus leitfähigem Material sind und durch eine Steuerelektrode und leitfähige Einrichtungen gebildet werden.
Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verformbaren Einrichtungen (28, 68, 108, 148) aus isolierendem Material sind und leitfähige Teile, die eine Steuerelektrode oder Steuerelektroden (48, 58; 88, 98; 118, 128; 158, 168) bilden, sowie ein leitfähiges Kontaktelement (38, 78, 138, 178) tragen, um die genannten leitfähigen Einrichtungen zu bilden.
Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leiterbahnende auf einem Höcker (7, 27, 107, 147) des Trägers ausgebildet ist.
Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten leitfähigen Einrichtungen (78) in Bezug auf die verformbaren Einrichtungen (68) vorstehen.
Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroschalter mit ohmschem Kontakt funktioniert und die leitfähigen Einrichtungen (38, 78, 178) mit den Enden der Leiterbahnen in direkten elektrischen Kontakt gebracht werden können.
Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroschalter mit kapazitivem Kontakt funktioniert, wobei sich zwischen den leitfähigen Einrichtungen (138) und den Enden der Leiterbahnen eine Schicht aus isolierendem Material befindet.