Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mikro-elektromechanischen
Systeme, insbesondere
- auf ein Mikro-elektromechanisches System gemäss dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1 sowie
- auf ein Verfahren zur Herstellung eines mikro-elektromechanischen Systems
gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 21.
Stand der Technik
Eine derartiges, den Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 21 bildendes
mikro-elektromechanischen System (micro electro-mechanical system,
MEMS) und ein entsprechendes Verfahren sind beispielsweise aus
DE 198 00 189 A1 bekannt. Dort ist ein mikromechanischer Schalter beschrieben,
welcher ein flächiges Trägersubstrat, ein auf dem Trägersubstrat
festgesetztes Kontaktstück, eine bewegliche Elektrode und eine fest mit dem
Trägersubstrat verbunden Gegenelektrode umfasst. Die bewegliche Elektrode
hat ein freies Ende und ein festes, mit dem Trägersubstrat verbundenes
Ende. Die bewegliche Elektrode und die Gegenelektrode weisen einander zugewandte
Oberflächen auf. Durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen
diesen einander zugewandten Oberflächen kann die bewegliche Elektrode
derart gebogen, das heisst elastisch verformt werden, dass sich das
freie Ende der beweglichen Elektrode der Gegenelektrode und dadurch auch
dem Kontaktstück annähert, bis es zum Kontakt zwischen dem freiem Ende
der beweglichen Elektrode und dem Kontaktstück kommt. Die Bewegung des
freien Endes der beweglichen Elektrode erfolgt dabei lateral, das heisst parallel
zu dem flächigen Trägersubstrat.
Die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen den einander zugewandten
Oberflächen der beweglichen Elektrode und der Gegenelektrode wird durch
das Anlegen einer Spannung zwischen der beweglichen Elektrode und der
Gegenelektrode erzeugt. Um einen Kurzschluss, das heisst einen elektrischen
Kontakt zwischen der beweglichen Elektrode und der Gegenelektrode
zu vermeiden, sind Stopper in die Gegenelektrode eingebracht, die über die
der beweglichen Elektrode zugewandte Oberfläche der Gegenelektrode herausragen
und nicht auf demselben Potential liegen wie die Gegenelektrode.
Zu demselben Zwecke können auch Federn vorgesehen sein, die auf der der
Gegenelektrode abgewandten Seite der beweglichen Elektrode angebracht
sind und die Bewegung der beweglichen Elektrode in Richtung der Gegenelektrode
einschränken. Zusätzlich kann zu demselben Zwecke auch noch die
der Gegenelektrode zugewandte Oberfläche der beweglichen Elektrode mit
einer elektrisch isolierenden Schicht versehen sein.
Die elektrostatische Anziehungskraft Fzwischen zwei parallelen Oberflächen
der Fläche A im Abstand d bei Anliegen einer Schaltspannung U zwischen
den beiden Oberflächen ist gegeben durch
F = ε0 · A · U2 /(2d2 )
Die Kraft nimmt also linear mit der Fläche, quadratisch mit der Spannung
und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zu.
Das in der genannten DE 198 00 189 A1 offenbarte Mikrosystem wurde unter
Einsatz eines Siliziumtiefenätzprozesses aus dem Trägersubstrat erzeugt.
Dabei wird nach Aufbringen einer Maske auf das Trägersubstrat an den Stellen,
an denen die Maske geöffnet ist, Material aus dem Trägersubstrat herausgeätzt.
Dadurch entstehenden Gräben oder Ätzkanäle, die mindestens
eine für das Ätzverfahren charakteristische minimale Breite haben.
Um eine Beweglichkeit des freie Endes der beweglichen Elektrode zu erreichen,
wird ein Opferschichtprozess angewendet, der das freie Ende der beweglichen
Elektrode von dem Trägersubstrat trennt. Dazu wird eine im Trägersubstrat
unterhalb der beweglichen Teile des mikromechanischen Schalters
angeordnete Opferschicht durch einen Ätzprozess selektiv entfernt, wobei
die Opferschicht an Stellen, an denen eine Verbindung zum Substrat erwünscht
ist, wie an der Gegenelektrode, dem festgesetzten Kontaktstück
und dem festen Ende der beweglichen Elektrode, weiterbesteht.
DE 42 05 029 C1 zeigt ein elektrostatisch betriebenes mikro-elektromechanisches
Relais, das horizontal arbeitet. Das heisst die Schaltbewegung
dieses Relais verläuft im wesentlichen senkrecht zu einem Trägersubstrat.
Aus einem Silizium-Substrat wird eine zungenförmige Elektrode mit Kontaktstück
freigeätzt. Das Substrat wird dann derart auf ein Gegensubstrat mit
einer Gegenelektrode und einem Gegenkontakt aufgebracht, dass die Elektrode
mit der Gegenelektrode einen keilförmigen Spalt einschliesst. Durch
Anlegen einer Schaltspannung zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode
sind diese aufeinander zu bewegbar, wodurch eine elektrisch leitende
Verbindung zwischen Kontakt und Gegenkontakt erreichen lässt. Grosse
Kontaktkräfte sind durch relativ breite Elektroden erreichbar.
In DE 197 36 674 C1 ist ebenfalls ein mikro-elektromechanisches Relais und
ein Verfahren zu dessen Herstellung offenbart, das horizontal arbeitet. Ein
beweglicher Kontakt ist an einer einseitig an einem Substrat befestigten Ankerzunge
angebracht, die im Ruhezustand vom Substrat weggekrümmt ist.
Zur Erzeugung einer hohen Kontaktkraft wirkt dieser Kontakt mit einem
Festkontakt zusammen, welcher an einer ebenfalls vom Substrat weggekrümmten
Federzunge befestigt ist. Die Krümmung der Kontakte wird durch
das Aufbringen einer Zugspannungsschicht auf beiden Kontakten realisiert.
Das Erreichen einer hohen Reproduzierbarkeit einer derart erzeugten Krümmung
der Kontakte und damit der Kontaktabstände im Ruhezustand (geöffnet)
ist fertigungstechnisch nicht einfach.
In US 5'638'946 und US 6'057'520 sind weitere horizontal arbeitende MEMS
Schalter beschrieben.
J. Qiu et al., "A Centrally-Clamped Parallel-Beam Bistable MEMS Mechanism",
Proc. of MEMS 2001, Interlaken, Schweiz, Jan. 20-22, 2001, zeigt einen bistabil
schaltbaren mikro-elektromechanischen Mechanismus. Dieser besteht
aus zwei parallelen, beidseitig aufgehängten Federzungen oder Membranen,
die einen kosinusförmigen Verlauf beschreiben. In der Mitte sind die Federzungen
miteinander verbunden, und an ihren Enden sind sie an einem Trägersubstrat
festgesetzt. Dieses bistabile Mikro-Element wird mittels lonentiefätzen
und Opferschichttechnologie aus dem Silizium-Trägersubstrat erzeugt,
so dass die Federzungen lateral beweglich sind und zwei stabile Zustände
aufgewiesen werden. Durch Anwenden einer senkrecht zu den Federzungen
und parallel zu dem Trägersubstrat gerichteten Kraft ist der bistabile
Mechanismus zwischen den beiden stabilen Zuständen hin- und
herschaltbar, wobei die jeweilige zur Anfangsposition spiegelbildliche Endposition
durch ein Schnappen des Mechanismus schliesslich selbständig erreicht
wird. Um einerseits elastische Beweglichkeit und anderseits mechanische
Stabilität des Mikro-Elementes zu erreichen, sind die 3 mm langen Federzungen
nur 10 µm bis 20 µm breit, aber 480 µm hoch.
Weitere lateral bewegliche mikro-elektromechanische Mechanismen sind in
M. Taher, A. Saif, "On a Tunable Bistable MEMS - Theory and Experiment",
Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, 157-170 (Juni 2000) beschrieben.
In US 5'677'823 ist ein elektrostatisch schaltbares bistabiles Speicherelement
offenbart, welches horizontal arbeitet. Ein im wesentlichen parallel zu einem
Trägersubstrat ausgerichteter, brückenartiger beweglicher Kontakt ist oberhalb
von einem fest mit dem Trägersubstrat verbundenem Festkontakt angeordnet.
An seinen beiden Enden ist der bewegliche Kontakt an dem Trägersubstrat
festgesetzt, während er in seiner Mitte von dem Trägersubstrat
weggewölbt (erste stabilen Position) oder in Richtung des Trägersubstrates
gewölbt ist (zweite stabile Position). In der zweiten stabilen Position berühren
sich der bewegliche Kontakt und der Festkontakt: der Schalter ist geschlossen.
In der ersten stabilen Position ist der Schalter geöffnet. Die Bistabilität
des Schalters ergibt sich durch mechanische Spannungen, welche bei
der Herstellung des Schalters in den beweglichen Kontakt eingebracht werden.
Ebenfalls unterhalb des beweglichen Kontaktes sind seitlich neben dem
Festkontakt zwei Elektroden angeordnet. Durch Anlegen von elektrischen
Spannungen an den beweglichen Kontakt und an diese Elektroden können
Kontakt und Elektroden elektrisch aufgeladen werden, so dass sich elektrostatische
Anziehungs- oder Abstossungskräfte zwischen diesen ergeben,
durch welche der Schalter zwischen den beiden stabilen Positionen hin- und
hergeschaltet werden kann.
Ein anderer horizontal arbeitender bistabiler MEMS-Mechanismus ist in Sun
et al., "A Bistable Microrelay Based on Two-Segment Multimorph Cantilever
Actuators", IEEE Catalog Nr. 98CH36176, beschrieben.
Darstellung der Erfindung
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein mikro-elektomechanisches System
(MEMS) der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ein flexibleres
MEMS-Design ermöglicht. Insbesondere sollen eine verbesserte Schaltbarkeit
und neue Funktionalitäten ermöglicht werden. Diese Aufgabe löst ein MEMS
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung
von MEMS zu schaffen. Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruches 21.
Verbesserte Schaltbarkeit kann beispielsweise bedeuten, dass ein Schaltvorgang
bereits bei geringeren Schaltspannungen auslösbar ist. Neue Funktionalitäten
können beispielsweise die Realisierung von spannungslos geschlossen
Anschlüssen oder von Mikro-Relais mit sowohl spannungslos geöffneten
wie auch spannungslos geschlossenen Anschlüssen bedeuten.
Das erfindungsgemässe MEMS umfasst ein Substrat sowie ein erstes Mikro-Element
und ein zweites Mikro-Element, wobei
- das erste Mikro-Element und das zweite Mikro-Element mit dem Substrat
verbunden sind,
- das erste Mikro-Element eine erste Fläche aufweist und das zweite Mikro-Element
eine zweite Fläche aufweist, welche Flächen einander zugewandt
sind und durch ein Strukturierungsverfahren erzeugt sind,
- das erste Mikro-Element einen Schaltteil beinhaltet, durch den es bistabil
zwischen einer Initialposition und einer Arbeitsposition schaltbar ist, und
- der Abstand zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche in der Arbeitsposition
des ersten Mikro-Elementes kleiner als ein durch das
Strukturierungsverfahren erzeugbarer Minimalabstand zwischen der ersten
Fläche und der zweiten Fläche ist.
Es wird also ein erstes, zwischen den zwei stabilen Positionen Initialposition
und Arbeitsposition schaltbares Mikro-Element derart in Verbindung mit einem
zweiten Mikro-Element eingesetzt, dass das erste Mikro-Element nach
Umschalten von der Initialposition in die Arbeitsposition einen geringeren
Abstand zu dem zweiten Mikro-Element aufweist als in der Initialposition.
Beide Mikro-Elemente sind mit dem Substrat verbunden und unter Einsatz
eines Strukturierungsverfahrens erzeugt. Der genannte geringere Abstand in
der Arbeitsposition ist erfindungsgemäss kleiner als ein für das Strukturierungsverfahren
charakteristischer Minimalabstand zwischen den zwei Mikro-Elementen.
Auf diese Weise wird erreicht, dass neue Freiheitsgrade bei dem Design von
MEMS gewonnen werden, da prozesstechnisch vorgegebene Randbedingungen
überwunden werden. Verschiedenste Mikro-Aktoren können neu oder
einfacher oder in verbesserter Form realisiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes weist
das zweite Mikro-Element ein mit dem Substrat fest verbundenes erstes festes
Ende sowie einen beweglichen Teil auf, wobei in der Arbeitsposition des
ersten Mikro-Elementes der bewegliche Teil des zweiten Mikro-Elementes
durch elektrostatische Kräfte zwischen dem ersten Mikro-Element und dem
zweiten Mikro-Element von einer Ausschaltposition in eine Einschaltposition
bewegbar ist, und wobei die beiden Mikro-Elemente im Bereich der Stelle, an
der der genannte geringere Abstand zwischen den beiden Mikro-Elementen
vorliegt, Berührungsstellen aufweisen und elektrisch nichtleitend ausgebildet
sind. Dass Berührungsstellen vorliegen heisst, dass der genannte geringere
Abstand null beträgt.
Somit wird es ermöglicht, elekrostatisch arbeitende Aktoren herzustellen,
deren elektrostatisch schaltbare Elektroden (Elektrode und Gegenelektrode)
einander berühren. Die dadurch erreichten kleinen oder verschwindenden
Elektrodenabstände haben eine verbesserte Schaltbarkeit zur Konsequenz.
Ein Schalten des Aktors bei sehr geringen Schaltspannungen ist möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
ist zusätzlich das erste Mikro-Element derart ausgebildet, dass es eine
angepasste Gegenelektrode beinhaltet, die der Form des zweiten Mikro-Elementes
angepasst ist: Die angepasste Gegenelektrode ist derart geformt,
dass sich in der Einschaltposition des zweiten Mikro-Elementes die angepasste
Gegenelektrode und das zweite Mikro-Element im Bereich der genannten
Berührungsstellen grössflächig überlappen. In der Einschaltposition
des zweiten Mikro-Elementes schmiegen sich also die angepasste Gegenelektrode
und das zweite Mikro-Element aneinander an. Dadurch wird eine
Maximierung der Flächen erreicht, zwischen denen die elektrostatischen
Anziehungskräfte wirken, was grössere elektrostatischen Anziehungskräfte
und somit eine verbesserte Schaltbarkeit zur Folge hat. Ein Schalten des Aktors
bei sehr geringen Schaltspannungen wird ermöglicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die genannte angepasste
Gegenelektrode zusätzlich einen zweiten Abschnitt, der gegenüber
dem sich an das zweite Mikro-Element anschmiegenden Abschnitt der Gegenelektrode
stufenförmig zurückversetzt ist. In der Einschaltposition des
zweiten Mikro-Elementes schliessen dabei dieser zweite Abschnitt der angepassten
Gegenelektrode und das zweite Mikro-Element einen Spalt ein. Auf
diese Weise kann eine Kraft, die das zweite Mikro-Element in seiner Einschaltposition
auszuüben vermag, massgeschneidert und sehr gross gewählt
werden, indem die Länge, Breite und Höhe des Spaltes entsprechend dimensioniert
wird. Die auf diese Weise gross wählbare Kraft kann beispielsweise
eine Kontaktkraft des zweiten Mikro-Elementes auf ein oder zwei elektrische
Kontakte sein, die das zweite Mikro-Element in seiner Einschaltposition
kontaktiert, wodurch ein sicherer elektrischer Kontakt herstellen lässt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Wechselschaltrelais
realisiert.
In anderen vorteilhaften Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
werden Relais oder Wechselschaltrelais mit spannunglos geschlossenen Anschlüssen
realisiert.
Insbesondere ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der bewegliche Teil
des zweiten Mikro-Elementes durch Schalten des ersten Mikro-Elementes
von der Initialposition in die Arbeitsposition elastisch verformbar. Dadurch
ist es möglich, spannungslos geschlossene Anschlüsse zu realisieren.
Das erfindungsgemässe Verfahren beinhaltet nach der Strukturierung zweier
Mikro-Elemente mit einander zugewandten Flächen das Umschalten des bistabil
schaltbaren Mikro-Elementes. Dadurch können neue oder verbesserte
MEMS, wie die oben genannten, hergestellt werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen
und den Figuren hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen,
welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt
sind, näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen MEMS
mit kosinusförmigem bistabilen Element, in Aufsicht;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen MEMS
mit schwingungsbauchförmigem bistabilen Element, in Aufsicht;
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen MEMS
mit kosinusförmigem bistabilen Element und angepasster Gegenelektrode,
in Aufsicht;
- Fig. 4
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Mikro-Relais
mit kosinusförmigem bistabilen Element und angepasster
Gegenelektrode, in Aufsicht;
- Fig. 5
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Mikro-Wechselschalt-Relais
mit zwei kosinusförmigen bistabilen
Elementen und angepasster Gegenelektrode, in Aufsicht;
- Fig. 6
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Mikro-Relais
mit kosinusförmigem bistabilen Element und gestufter
Gegenelektrode, in Aufsicht;
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Mikro-Relais
mit kosinusförmigem bistabilen Element und gestufter
Gegenelektrode und zweiteiligem beweglichen Teil des
zweiten Mikro-Elementes, in Aufsicht;
- Fig. 8
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen
Wechselschalt-Relais mit monostabilem zweiten Mikro-Element
und NO- und NC-Anschlüssen, in Aufsicht;
- Fig. 9
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen
Wechselschalt-Relais mit bistabilem zweiten Mikro-Element und
NO- und NC-Anschlüssen, in Aufsicht;
- Fig. 10a
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Mikro-Relais
mit NC-Anschluss, Zustand: erstes Mikro-Element in
Initialposition; in Aufsicht;
- Fig. 10b
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Mikro-Relais
mit NC-Anschluss, Zustand: erstes Mikro-Element in
Arbeitsposition, zweites Mikro-Element in Ausschaltposition; in
Aufsicht;
- Fig. 10c
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Mikro-Relais
mit NC-Anschluss, Zustand: erstes Mikro-Element in
Arbeitsposition, zweites Mikro-Element in Einschaltposition; in
Aufsicht;
- Fig. 11a
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen horizontal
arbeitenden Mikro-Relais mit NC-Anschluss, geschnittene
Seitenansicht;
- Fig. 11b
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen horizontal
arbeitenden Mikro-Relais mit NC-Anschluss, in Aufsicht;
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung
sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich
sind in den Figuren gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine schematisch eine Aufsicht auf ein erstes erfindungsgemässes
mikro-elektromechanisches System (MEMS). Es umfasst ein erstes Mikro-Element
1 und ein zweites Mikro-Element 2, welche beide starr mit einem
Substrat S verbunden sind.
Das Substrat S ist eine Scheibe (Wafer) aus einkristallinem Silizium, bei der
eine der zwei grössten Oberflächen eine Hauptfläche des Substrates bildet.
In Fig. 1 liegt diese Hauptfläche in der Papierebene. Unter Einsatz von lonentiefätzen
(DRIE, dry reactive ion etching) und Opferschichttechnologie wurden
das erste Mikro-Element 1 und das zweite Mikro-Element 2 aus dem
Substrat S geformt.
Das Strukturierungsverfahren DRIE hat die Eigenschaft, ein materialabtragendes
Verfahren zu sein; es ist ein Ätzverfahren. Es hat weiter die Eigenschaft,
gut zur Erzeugung schmaler und doch tiefer Kanäle, Spalten oder
Gräben geeignet zu sein, wodurch dem DRIE eine Vorzugsrichtung zugesprochen
werden kann, welche die Richtung des bevorzugten Materialabtrages
angibt und somit senkrecht zur Hauptfläche des Substrates liegt. Senkrecht
wiederum zu dieser Vorzugsrichtung ist die Breite eines mittels DRIE
erzeugten Grabens nach unten, also zu schmalen Gräben, begrenzt. Das
heisst, dass es eine durch das Strukturierungsverfahren (beispielsweise DRIE)
gegebene minimale erzeugbare Grabenbreite gibt. Für die zwei Flächen,
welche die seitlichen Begrenzungen eines solchen Grabens bilden, gibt es
somit einen Minimalabstand. Details, wie mittels lonentiefätzen und Opferschittechnologie
die Mikro-Elemente 1,2 aus dem Substrat geformt werden
können, ist dem Fachmann bekannt und können beispielsweise auch der genannten
Offenlegungsschrift DE 198 00 189 A1 entnommen werden, die
hierdurch mit ihrem gesamten Offenbarungsgehalt in die Beschreibung aufgenommen
wird.
Mittels DRIE erzeugte Mikro-Elemente haben typischerweise Seitenflächen,
die fast senkrecht zu der Hauptfläche des Substrates S ausgerichtet sind,
oder anders ausgedrückt: (Lokale) Flächennormalenvektoren der Seitenflächen
verlaufen praktisch parallel zur Hauptfläche des Substrates S. Derartige
Mikro-Elemente besitzen somit im wesentlichen die Form eines geraden
(rechtwinkligen) Prismas, deren Grundfläche parallel zu der Hauptfläche des
Substrates S ausgerichtet ist. Zudem ist typischerweise die Höhe eines solchen
Mikro-Elementes (senkrecht zur Haupfläche) sehr gross gegenüber der
(schmalsten) Breite eines solchen Mikro-Elementes. Das erste Mikro-Element
und das zweite Mikro-Element sind von dieser Art.
Das erste Mikro-Element 1 ist als ein bistabil elastischer MEMS-Mechanismus
ausgebildet, wie er in der genannten Publikation J. Qiu et al., "A
Centrally-Clamped Parallel-Beam Bistable MEMS Mechanism", Proc. of MEMS
2001, Interlaken, Schweiz, Jan. 20-22, 2001, beschrieben ist. Details zu
Ausgestaltungsformen, Eigenschaften und zur Herstellung eines derartigen
Mikro-Elementes können dieser Publikation entnommen werden, welche
hierdurch mit ihrem gesamten Offenbarungsgehalt in die Beschreibung aufgenommen
wird. Das erste Mikro-Element 1 ist an einem ersten Ende 6 und
einem zweiten Ende 7 auf dem Substrat S festgesetzt. Dazwischen weist das
erste Mikro-Element 1 zwei parallel verlaufende, kosinusförmig gekrümmte
Federzungen auf, die in der Mitte 8 zwischen den beiden Enden 6,7 miteinander
verbunden sind. In Anbetracht ihrer geringen Breite und ihrer grossen
Höhe (senkrecht zur Substrat-Hauptfläche) kann man diese Federzungen
auch als parallele Membrane auffassen.
Das erste Mikro-Element 1 ist bistabil zwischen einer Initialposition A und
einer Arbeitsposition B schaltbar (letztere in Fig. 1 gestrichelt dargestellt).
Das heisst, das Mikro-Element 1 weist zwei mechanisch stabile Zustände
oder Positionen A und B auf, zwischen denen es unter Aufbringung einer lateralen,
also substratparallelen Kraft hin- und herbewegbar ist; die Bewegung
findet dabei im wesentlichen lateral statt. Eventuelle Zwischenpositionen
sind nicht stabil, sondern führen selbständig zu einem raschen Übergang
in einen der zwei stabile Zustände A oder B. Der Übergang erfolgt
durch vorzugsweise elastische Verformung des ersten Mikro-Elementes 1.
Das erste Mikro-Element 1 besteht hier also lediglich aus einem Schaltteil 5,
durch welchen es bistabil schaltbar ist.
Das erste Mikro-Element 1 weist auf der dem zweiten Mikro-Element 2 zugewandten
Seite eine mittels DRIE geformte Seitenfläche auf, die als erste
Fläche 3a bezeichnet wird. Diese erste Fläche 3a weist eine erste Beschichtung
3b auf, welche elektrisch isolierend ist und deren äussere, also von der
ersten Fläche 3a abgewandte Oberfläche die erste Oberfläche 3 des ersten
Mikro-Elementes 1 bildet. Die erste Beschichtung 3b wird typischerweise
durch Oxidation des Siliziums erzeugt.
Das zweite Mikro-Element 2 umfasst ein erstes festes Ende 10 auf, an dem
es auf dem Substrat S festgesetzt ist, und einen beweglichen Teil 11; es ist
dem ersten Mikro-Element 1 benachbart angeordnet. Auf derjenigen Seite
des zweiten Mikro-Elementes, die dem ersten Mikro-Element 1 zugewandt
ist, weist das zweite Mikro-Element 2 eine mittels DRIE geformte Seitenfläche
auf, die als zweite Fläche 4a bezeichnet wird. Diese zweite Fläche 4a
weist eine zweite Beschichtung 4b auf, welche elektrisch isolierend ist und
deren äussere, also von der zweiten Fläche 4a abgewandte Oberfläche die
zweite Oberfläche 4 des zweiten Mikro-Elementes 2 bildet. Die erste Oberfläche
3 und die zweite Oberfläche 4 sind einander zugewandte Oberflächen,
wie auch die erste Fläche 3a und die zweite Fläche 4a einander zugewandt
sind. Die zweite Beschichtung 4b wird ebenfalls typischerweise durch Oxidation
des Siliziums erzeugt.
Nach der Formung der ersten Fläche 3a und der zweiten Fläche 4a mittels
DRIE befindet sich das erste Mikro-Element 1 in der Initialposition A und das
zweite Mikro-Element 2 in einer Ausschaltposition A'. Da die Flächen 3a und
4a mittes DRIE geformt sind, haben sie einen Abstand voneinander, der mindestens
so gross ist wie ein durch DRIE gegebener Minimalabstand. Mit dem
Abstand der Flächen voneinander ist der Abstand gemeint, den solche zwei
Punkte voneinander haben, die einander am nächsten liegen, wobei der eine
Punkt auf der ersten Fläche 3a und der andere Punkt auf der zweiten Fläche
4a liegt. Der Abstand ist also die Breite des Grabens zwischen der ersten
Fläche 3a und der zweiten Fläche 4a an seiner engsten Stelle. In Fig. 1 ist
diese Stelle an einer Ecke des ersten festen Endes 10 des zweiten Mikro-Elementes
2 und nahe den ersten Ende 6 des ersten Mikro-Elementes 1 an
der Membran des ersten Mikro-Elementes 1, die die erste Fläche 3a aufweist.
Die Initialposition A des ersten Mikro-Elementes 1 ist eine herstellungsbedingte
Anfangsposition. Die Anordnung des ersten Mikro-Elementes 1 und
des zweiten Mikro-Elementes 2 ist derart gewählt, dass nach einem Umschalten
des ersten Mikro-Elementes 1 von der Initialposition A in die Arbeitsposition
B der Abstand der ersten Fläche 3a von der zweiten Fläche 4a
kleiner ist als der genannte, durch das Herstellungsverfahren (beispielsweise
DRIE) gegebene Minimalabstand. Bei dem MEMS in Fig. 1 ist der Abstand sogar
null, das heisst, in der Arbeitsposition A berühren sich das erste Mikro-Element
1 und das zweite Mikro-Element 2. In der Arbeitsposition A kann ein
bestimmungsgemässes Zusammenwirken des ersten Mikro-Elementes 1 mit
dem zweitem Mikro-Element 2 innerhalb des MEMS stattfinden.
Das MEMS in Fig. 1 stellt einen Mikro-Aktor dar, der von dem ersten Mikro-Element
1 und dem zweiten Mikro-Element 2, zusammen mit dem Substrat S
gebildet wird. Dabei wirkt das zweite Mikro-Element 2 als eine bewegliche,
elektrostatisch schaltbare Elektrode und das bistabil schaltbare erste Mikro-Element
1 als eine dazugehörige elektrostatische Gegenelektrode. Das erste
Mikro-Element 1 befindet sich in der Arbeitsposition A.
Die Funktionsweise des Mikro-Aktors, wenn er in der Arbeitsposition B ist,
ist im wesentlichen aus dem Stand der Technik bekannt: An dem ersten festen
Ende 6 des ersten Mikro-Elementes 1 ist eine Kontaktierungselektrode
C, und an dem ersten festen Ende 10 des zweiten Mikro-Elementes 2 ist
eine Kontaktierungselektrode C' vorgesehen. Diese Kontaktierungselektroden
C,C' dienen zum Anlegen von Schaltspannungen an die Mikro-Elemente
1,2, durch welche sich die Mikro-Elemente elektrostatisch aufladen,
so dass elektrostatische Kräfte zwischen den Mikro-Elementen 1 und 2
wirken. Dafür muss das Material, aus dem die Mikro-Elemente gemacht sind,
ausreichend leitfähig sein, was beispielsweise durch entsprechende Dotierung
des Siliziums erreicht wird. Durch die elektrostatischen Kräfte zwischen
den Mikro-Elementen (genauer: zwischen der ersten Oberfläche 3 und der
zweiten Oberfläche 4) ist der bewegliche Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes
2 von der Ausschaltposition A' in eine Einschaltposition B' des
zweiten Mikroelementes 2 bewegbar. Die Einschaltposition B' ist in Fig. 1
gestrichelt dargestellt. In dem MEMS in Fig. 1 ist eine entgegengesetzte
Aufladung der Mikro-Elemente 1,2 und damit eine anziehende elektrostatische
Kraft vorgesehen. Zum Zurückschalten des zweiten Mikro-Elementes 2
in die Ausschaltposition A' werden die Ladungen der Mikro-Elemente 1,2
abgebaut. Dass keine unerwünschten Entladungen stattfinden, insbesondere,
wenn sich die Mikro-Elemente 1,2 berühren, wird durch die nichtleitenden
Beschichtungen 3b,4b erreicht.
Wie Gleichung (1) entnommen werden kann, nimmt die elektrostatische Kraft
umgekehrt proportional zum Abstand ab. Das erfindungsgemässe MEMS aus
Fig. 1 hat somit den grossen Vorteil, schon mit kleineren Schaltspannungen
schaltbar zu sein als sie für ein MEMS benötigt würden, dessen Abstand
zwischen Elektrode und Gegenelektrode grösser oder gleich dem durch das
Strukturierungsverfahren gegebenen Minimalabstand ist.
Der Mikro-Aktor in Fig. 1 kann beispielsweise als optischer Mikro-Schalter
eingesetzt werden, indem ein zu schaltender Lichstrahl durchgelassen oder
durch den beweglichen Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes 2 unterbrochen
wird, je nachdem, ob sich das zweite Mikro-Element 2 in der Ausschaltposition
A' oder in der Einschaltposition B' befindet. Ebensogut ist auch das Umlenken
eines Lichtstrahls mit dem Mikro-Aktor in Fig. 1 möglich, beispielsweise
wenn in dem beweglichen Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes 2 ein
reflektierender Bereich angeordnet ist (nicht dargestellt). Die Einschaltposition
B' liegt per definitionem dann vor, wenn geeignete Schaltspannungen anliegen;
anderenfalls liegt der Ausschaltposition A' vor.
Das bistabil schaltbare erste Mikro-Element 1 wird als eine elektrostatische
Elektrode oder Gegenelektrode eingesetzt.
Die Ausführungsform in Fig. 1 wurde sehr ausführlich beschrieben. Aus
Gründen der Klarheit und Übersichtlichkeit werden im folgenden einige der
bereits erwähnten Details der Funktionsweise der erfindungsgemässen
MEMS, die dem Fachmann nunmehr klar geworden sein sollten, nicht mehr
extra erwähnt.
Fig. 2 zeigt ein MEMS, das weitgehend dem MEMS aus Fig. 1 entspricht; allerdings
ist das erste Mikro-Element 1 anders aufgebaut. Das erste Mikro-Element
1 ist hier als ein anderer lateral, bistabil und vorzugsweise elastisch
schaltbarer Mechanismus ausgebildet. Das erste Mikro-Element 1 ist auch
hier an einem ersten Ende 6 und einem zweiten Ende 7 auf dem Substrat S
festgesetzt. Dazwischen weist das erste Mikro-Element 1 aber einen gekrümmte
Federzunge auf, der die Form eines Schwingungsbauches aufweist.
In Anbetracht seiner geringen Breite und seiner grossen Höhe (senkrecht zur
Substrat-Hauptfläche) kann man diese Federzunge ebenfalls als eine Membran
bezeichnen.
In der Initialposition A, also in dem Zustand, in welchem das erste Mikro-Element
1 strukturiert wird, beschreibt das erste Mikro-Element 1 einen
symmetrischen Schwingungsbauch, in der Arbeitsposition B einen asymmetrischen
Schwingungsbauch (letzterer in Fig. 2 gestrichelt gezeichnet). Der
asymmetrische Schwingungsbauch stellt die zweite stabile Position des ersten
Mikro-Elementes 1 dar und kommt dadurch zustande, dass ein mit dem
Substrat S fest verbundener Anschlag das erste Mikro-Element 1 in der Arbeitsposition
B berührt und zu der entsprechenden Verformung des ersten
Mikro-Elementes 1 führt. Dieser Anschlag wird hier durch ein entsprechend
ausgebildetes und angeordnetes erstes festes Ende 10 des zweiten Mikro-Elementes
2 gebildet. Der entsprechende Berührungspunkt liegt zweckmässigerweise
rechts von einer Verbindungsstrecke, die von dem zweiten Ende
7 zu dem ersten Ende 6 des ersten Mikro-Elementes 1 verläuft, wenn der
symmetrische Schwingungsbauch in der Initialposition A links von dieser
Verbindungsstrecke angeordnet ist. Der Wert einer parallel zu dieser Verbindungsstrecke
geführten Lagekoordinate des Berührungspunktes beträgt
nicht 0.5 (kein asymmetrischer Schwingungsbauch) und liegt vorzugsweise
zwischen 0.52 und 0.92 der Länge der Verbindungsstrecke; er beträgt hier
etwa 0.84. Der Anschlag kann auch durch ein entsprechend geformtes erstes
Ende 6 oder zweites Ende 7 des ersten Mikro-Elementes 1 gebildet werden
oder als ein separat auf dem Substrat S feststehender Anschlag (welcher
dann als zum ersten Mikro-Element 1 gehörig zu betrachten ist).
Wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 wird das bistabile Mikro-Element 1
in der Initialposition A erzeugt (strukturiert), wobei der Abstand zwischen
ersten Mikro-Element 1 und dem zweiten Mikro-Element 2 mindestens so
gross ist wie ein durch das Strukturierungsverfahren gegebener Minimalabstand
(zwischen diesen Mikro-Elementen 1,2). Noch im Rahmen der Herstellung
des MEMS wird nach Aufbringen von Beschichtungen 3b,4b das erste
Mikro-Element 1 von der Initialposition A in die Arbeitsposition B geschaltet,
wobei in der Arbeitsposition B der Abstand zwischen den beiden
Mikro-Elementen 1,2 kleiner ist als der genannte Minimalabstand. In dem
MEMS werden also zwei Mikro-Elemente mit einem durch das Strukturierungsverfahren
nicht herstellbar kleinem Abstand voneinander realisiert
(durch Ausnutzen der bistabilen Schaltbarkeit eines der Mikro-Elemente). Für
weitere Details zu der Ausführungsform von Fig. 2 wird auf das im Zusammenhang
mit Fig. 1 geschriebene verwiesen.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemässes MEMS, das weitgehend dem in Fig. 1
gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht; allerdings besteht hier das erste
Mikro-Element 1 nicht nur aus einem Schaltteil 5, sondern umfasst zusätzlich
noch eine Elektrode 9. Die Elektrode 9 weist einen länglichen Teil auf,
der die erste Fläche 3a, die erste Beschichtung 3b und die erste Oberfläche 3
des ersten Mikro-Elementes 1 beinhaltet. Dieser Teil ist mittels eines weiteren
länglichen Teiles, welcher etwa senkrecht zu dem genannten ausgerichtet
ist, mit dem Schaltteil 5 in der Mitte 8 zwischen den Enden 6,7 des ersten
Mikro-Elementes 1 verbunden.
Da die Elektrode 9 an dem Schaltteil 5 befestigt ist, bewegt sie sich mit dem
Schaltteil 5 mit, wenn von der Initialposition A zur Arbeitsposition B (und
ggf. wieder zurück) geschaltet wird. Werden durch Anlegen geeigneter
Schaltspannungen elektrostatische Anziehungskräfte zwischen dem ersten
Mikro-Element 1 (natürlich in der Arbeitsposition A) und dem zweiten Mikro-Element
2 erzeugt, so wird der bewegliche Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes
2 elastisch verformt und nähert sich der Elektrode 9: Es wird von
der Ausschaltposition A' in die Einschaltposition B' geschaltet. Die Form der
Elektrode 9, und insbesondere die Form der ersten Oberfläche 3, ist vorzugsweise
derart geformt, dass sich die erste Oberfläche 3 und die zweite
Oberfläche 4 in der Einschaltposition vollflächig berühren. Das heisst, dass
es eine flächenhafte Berührung zwischen den beiden Oberflächen 3,4 gibt,
was nicht bedeutet, dass sich die beiden Oberflächen 3,4 vollständig berühren
müssen. Die erste Oberfläche 3 ist also an die Form der zweiten Oberfläche
4 in der Einschaltposition angepasst. Die beiden Oberflächen 3,4 sind
in der Einschaltposition B' aneinander angeschmiegt. Man kann eine solche
Elektrode 9 als eine angepasste Elektrode 9 bezeichnen. Durch die angepasste
Elektrode 9 wird die für die elektrostatischen Kräfte wirksame Fläche
maximiert und die wirksamen Abstände minimiert. Folglich kann schon bei
geringen Schaltspanungen geschaltet werden. Für weitere Details zu der
Ausführungsform von Fig. 3 wird auf das im Zusammenhang mit Fig. 1 geschriebene
verwiesen.
Fig. 4 zeigt ein MEMS, das ein Mikro-Relais darstellt. Das Ausführungsbeispiel
entspricht weitgehend dem vom Fig. 3. Es umfasst ebenfalls eine (angepasste)
Elektrode 9 und ein kosinusförmig ausgebildetes bistabil elastisch
schaltbares Mikro-Element 1. Zusätzlich weist das zweite Mikro-Element 2,
oder genauer: der bewegliche Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes 2, einen
Kontaktbereich 16 auf, der elektrisch leitfähig ist. Vorzugsweise ist der
Kontaktbereich 16 im Bereich desjenigen Endes des beweglichen Teils 11
des zweiten Mikro-Elementes 2 angeordnet, das nicht an das erste feste Ende
10 des zweiten Mikro-Elementes 2 grenzt. Der Kontaktbereich 16 bildet
einen Teil einer Seitenfläche des zweiten Mikro-Elementes 2 und ist vorzugsweise
als eine Beschichtung ausgebildet, die mittels Aufdampf- oder
Sputter-Techniken auf das zweite Mikro-Element 2 aufgebracht wird.
Weiter umfasst das MEMS noch zwei auf dem Substrat S festgesetzte, elektrisch
leitfähige Fixkontakte 17,18. Die Anordnung der Fixkontakte 17,18
und des Kontaktbereichs 16 ist derart gewählt, dass bei Anliegen geeigneter
Schaltspannungen an dem ersten Mikro-Element 1 und dem zweiten Mikro-Element
2 (also in der Einschaltposition B' des zweiten Mikro-Elementes 2)
der Kontaktbereich 16 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem
Fixkontakt 17 und dem Fixkontakt 18 erzeugt. Im Ausschaltzustand A' ist
dies nicht der Fall. Es liegt also ein elektrostatisches Mikro-Relais vor, durch
welches mittels der Schaltspannungen ein von den Fixkontakten 17,18 gebildeter
Anschluss geschaltet werden kann.
Sehr vorteilhaft an dieser, aber auch an den weiter unten diskutierten Ausführungsformen
ist, dass der Abstand im geöffneten Zustand zwischen dem
Kontaktbereich 16 des zweiten Mikro-Elementes 2 und den Fixkontakten
17,18 wählbar ist und fertigungstechnisch sehr gut reproduzierbar ist.
Der Kontaktbereich 16 ist in Fig. 4 auf derjenigen Seite des zweiten Mikro-Elementes
2 angeordnet, die dem ersten Mikro-Element 1 zugewandt ist,
also auf der Seite, die auch die Oberfläche 4 beinhaltet. Durch attraktive
elektrostatische Kräfte zwischen dem ersten Mikro-Element 1 und dem
zweiten Mikro-Element 2 ist ein elektrischer Kontakt zwischen den Fixkontakten
17,18 bewirkbar.
Es ist auch möglich (nicht dargestellt), die Fixkontakte 17,18 so anzuordnen,
dass sie sich in demjenigen Bereich des Substrates S befinden, der auf der
dem ersten Mikro-Element 1 abgewandten Seite des zweiten Mikro-Elementes
2 liegt. Der Kontaktbereich 16 wird dann entsprechend auf derjenigen
Seite des beweglichen Teils 11 des zweiten Mikro-Elementes 2 angeordnet,
die dem ersten Mikro-Element 1 abgewandt ist. Derart aufgebaut
kann das Relais mittels abstossender elektrostatischer Kräfte geschaltet werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dieses Mikro-Relais oder das in
Fig. 4 abgebildete Mikro-Relais ohne (angepasste) Elektrode 9 aufzubauen
(analog zu dem Aufbau in Fig. 1).
Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemässes Mikro-Wechselschalt-Relais. Es beinhaltet
alle Merkmale eines solchen MEMS, wie es im Zusammenhang mit
Fig. 4 beschrieben wurde. Darüber hinaus umfasst das MEMS aber noch ein
drittes Mikro-Element 1' und zwei weitere Fixkontakte 17',18'; und das
zweite Mikro-Element 2 weist einen weiteren elektrisch leitfähigen Kontaktbereich
16' auf, welcher auf einer Seite des beweglichen Teils 11 des zweiten
Mikro-Elementes 2 angeordnet ist, die der Seite gegenüberliegt, die den
Kontaktbereich 16 aufweist. Das dritte Mikro-Element 1' und die weiteren
Fixkontakte 17',18' sind bezüglich des länglich ausgebildeten beweglichen
Teils 11 des zweiten Mikro-Elementes 2 spiegelbildlich angeordnet zu dem
ersten Mikro-Element 1 und den Fixkontakten 17,18. Natürlich muss die Anordnung
nicht genau spiegelbildlich sein; es genügt, wenn das dritte Mikro-Element
1' in einem Bereich des Substrates S mit dem Substrat verbunden
ist, der auf der dem ersten Mikro-Element 1 abgewandten Seite des zweiten
Mikro-Elementes (2) liegt und die weiteren Fixkontakte 17',18' in einem Bereich
des Substrates S mit dem Substrat verbunden sind, der auf der den
Fixkontakten 17,18 abgewandten Seite des zweiten Mikro-Elementes 2 liegt.
Der Aufbau des dritten Mikro-Elementes 1' entspricht dem Aufbau des ersten
Mikro-Elementes 1. Die weiteren Fixkontakte 17',18' sind gleichartig
ausgebildet wie die Fixkontakte 17,18.
Das Zusammenwirken zwischen dem dritten Mikro-Element 1' und dem
zweiten Mikro-Element (2) und den weiteren Fixkontakten (17',18') entpricht
dem oben beschriebenen Zusammenwirken zwischen dem ersten Mikro-Element
1 und dem zweiten Mikro-Element 2 und den Fixkontakten 17,18.
Bei Anliegen geeigneter Schaltspannungen an dem dritten Mikro-Element 1'
und dem zweiten Mikro-Element 2 kann eine elektrisch leitende Verbindung
zwischen den weiteren Fixkontakten 17',18' durch den weiteren Kontaktbereich
16' geschaffen werden. Somit liegt mit diesem Ausführungsbeispiel ein
Drei-Positionen-Schalter oder ein Wechselschaltrelais vor, das drei definierte
Zustände hat: (1.) Kontakte zwischen beiden Fixkontaktpaaren 17,18;17',18'
offen, (2.) Kontakte zwischen den weiteren Fixkontakten 17',18' offen und
Kontakte zwischen den Fixkontakten 17,18 geschlossen und (3.) Kontakte
zwischen den Fixkontakten 17,18 offen und Kontakte zwischen den weiteren
Fixkontakten 17',18' geschlossen.
Fig. 6 zeigt ein weiteres erfindungsgemässes MEMS, welches weitgehend
dem MEMS aus Fig. 4 entspricht. Es enthält die Merkmale des MEMS aus
Fig. 4, wofür auf den entsprechenden Teil der Beschreibung verwiesen wird.
Allerdings ist die Elektrode 9 des ersten Mikro-Elementes 1 hier speziell
ausgebildet. Die Elektrode 9 weist eine (optional stufenförmige) Ausnehmung
auf. Die Elektrode 9 umfasst eine spaltbildende Oberfläche 12, welche
gegenüber der ersten Oberfläche 3 des ersten Mikro-Elementes 1 stufenförmig
zurückversetzt ist. Man kann diese Elektrode 9 als eine gestufte
Elektrode 9 bezeichnen. Bei diesem MEMS werden attraktive elektrostatische
Kräfte zum Schalten von der Ausschaltposition A' in die Einschaltposition B'
eingesetzt. Befindet sich das erste Mikro-Element 1 in der Arbeitsposition B
und das zweite Mikro-Element 2 in der Einschaltposition B', so schliessen die
spaltbildende Oberfläche 12 und das zweite Mikro-Element 2, oder genauer:
der bewegliche Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes 2, einen Spalt 13 ein.
Dadurch kann die Grösse einer Kontaktkraft, die von dem zweiten Mikro-Element
2 auf die Fixkontakte 17,18 ausgeübt wird, gewählt werden. Insbesondere
kann dadurch ein sehr guter, sicherer Kontakt und eine grosse
Kontaktkraft ereicht werden. Die Wahl der Geometrie des Spaltes erlaubt eine
gezielte Vorausbestimmung und Wahl der Kontaktkraft. Insbesondere kann
zu diesem Zweck die Länge des Spaltes und die Breite des Spaltes (also der
Abstand zwischen beweglichen Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes 2 und
der spaltbildenden Oberfläche 12) sowie gegebenenfalls des Verlaufs der
Breite des Spaltes gewählt werden. Typischerweise ist die Länge des Spaltes
um etwa eine Grössenordnung, vorzugsweise um etwa zwei Grössenordnungen
grösser als die Breite des Spaltes. Vorteilhaft wird ein (etwa) gleichmässig
breiter Spalt gewählt, und die erste Oberfläche 3 berührt die zweite
Oberfläche 4 vollflächig. Die relative Anordnung der Mikro-Elemente 1,2 und
der Fixkontakte 17,18 auf dem Substrat hat sorgfältig zu erfolgen.
Weiterhin hat ein solches MEMS den Vorteil, dass eventuell auftretende Probleme
beim Schalten von der Einschaltposition B' in die Ausschaltposition A',
die durch ein langsames oder schlechtes Ablösen des beweglichen Teils 11
des zweiten Mikro-Elementes 2 von der Elektrode 9 (das heisst genauer: von
der ersten Oberfläche 3) beispielsweise aufgrund von Oberflächeneffekten
auftreten können, verringert werden können. Der (Luft-) Spalt 13 erlaubt ein
rasches Ablösen des beweglichen Teils 11 des zweiten Mikro-Elementes 2
von der Elektrode 9 beim Schalten von der Einschaltposition B' in die Ausschaltposition
A', während trotzdem in der Einschaltposition B' grosse elektrostatische
Anziehungskräfte zwischen dem ersten Mikro-Element 1 und
dem zweiten Mikro-Element 2 wirken, wenn die Spaltbreite entsprechend
gering gewählt wurde.
In Fig. 7 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Sie entspricht weitgehend der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform
und wird ausgehend davon beschrieben. Der bewegliche Teil 11 des zweiten
Mikro-Elementes 2 ist hier speziell ausgebildet. Er weist einen ersten Bereich
14 und einen zweiten Bereich 15 auf, wobei der erste Bereich 14 weniger
steif, also leichter verformbar, ausgebildet ist als der zweite Bereich 15.
Und der erste Bereich ist zwischen dem festen ersten Ende 10 des zweiten
Mikro-Elementes 2 und dem zweiten Bereich 15 angeordnet. Der Kontaktbereich
16 ist vorteilhaft im zweiten Bereich 15 angeordnet, insbesondere im
Bereich des dem ersten Bereich 15 gegenüberliegenden Endes des zweiten
Bereiches 16. Vorzugsweise umfasst der zweite Bereich 15 mindestens denjenigen
Bereich des beweglichen Teils 11, in dem sich der bewegliche Teil 11
und das zweite Mikro-Element 2 nicht gegenüberstehen. Besonders vorteilhaft
ist eine (geringe) Überlappung des zweiten Bereichs 15 mit dem Bereich
des beweglichen Teils 11, in dem sich der bewegliche Teil 11 und das zweite
Mikro-Element 2 gegenüberstehen. In dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel
mit abgestufter Elektrode 9 umfasst der zweite Bereich 15
vorteilhaft mindestens auch noch denjenigen Bereich des beweglichen
Teils 11, in dem sich der bewegliche Teil 11 und die spaltbildende Oberfläche
12 gegenüberstehen. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall, wenn der
zweite Bereich 15 auch noch eine (geringe) Überlappung mit der ersten
Oberfläche 3 aufweist. Vorteilhaft findet im Einschaltzustand B' eine vollflächige
Berührung zwischen der ersten Oberfläche 3 und einem Teil der zweiten
Oberfläche 4 statt, wobei dieser Teil der zweiten Oberfläche 4 komplett
im ersten Bereich 14 liegt.
Die grössere Steifigkeit des zweiten Bereichs 15 gegenüber dem ersten Bereich
14 wird im Ausführungsbeispiel aus Fig. 7 dadurch erreicht, dass der
zweite Bereichs 15 dicker oder breiter ausgebildet ist als der erste Bereich
14. Es ist auch möglich, den zweiten Bereich 15 schwerer biegbar zu
machen, beispielsweise indem man dort eine Beschichtung aufbringt; zum
Beispiel auf eine Grundfläche des geraden prismatischen Körpers, der den
zweiten Bereich 15 bildet, oder auf mindestens eine der Seitenflächen. Mittels
eines entsprechend (gross, lang) ausgebildeten Kontaktbereiches, der
als Beschichtung aussgebildet ist, könnte dies erreicht werden.
Durch die zwei verschieden steifen Bereiche 14,15 wird schon bei geringen
Schaltspannungen und Anziehungskräften zwischen den beiden Mikro-Elementen
1,2 ein Schalten des zweiten Mikro-Elementes 2 von der Ausschaltposition
A' in die Einschaltposition B' ermöglicht; der bewegliche
Teil 11 (genauer: der erste Bereich 14) des zweiten Mikro-Elementes 2
schmiegt sich, abrollend, schon bei geringen Anziehungskräften an die
Elektrode 9 an. Dies, während im zweiten Bereich und vorzugsweise im
Kontaktbereich 16 keine oder nur eine geringe Verformung des zweiten Mikro-Elementes
2 zu erwarten ist. Ein sicherer elektrischer Kontakt kann auf
diese Weise mittels des Kontaktbereiches 16 zwischen den Fixkontakten
17,18 hergestellt werden.
Die genannten Merkmale können selbstverständlich auch sinngemäss auf die
weiter oben und auf die weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiele
angewandt werden (Fig. 1 bis Fig. 6 und Fig. 8 bis Fig. 11b).
Fig. 8 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, nämlich
ein Wechselschalt-Relais, welches ausser einem Normally-Open-Anschluss
(NO-Anschluss) zusätzlich auch noch einen Normally-Closed-Anschluss
(NC-Anschluss) umfasst. NO-Anschluss bedeutet, dass der Anschluss
bei Nichtanliegen einer geeigneten Schaltspannung geöffnet ist
(spannungslos geöffnet), wie dies in den oben aufgeführten Ausführungsbeispielen
(Fig. 4 bis Fig. 7) der Fall ist. NC-Anschlüsse, welche bei Nichtanliegen
einer geeigneten Schaltspannung geschlossen sind (spannungslos
geschlossen), sind hingegen schwierig realisierbar, und werden aber in dieser
Ausführungsform realisiert. Insbesondere ist hier ein NC-Anschluss in
einem mittels DRIE strukturierten MEMS realisiert.
Das MEMS in Fig. 8 ist spiegelbildlich aufgebaut und umfasst ein erstes Mikro-Element
1, ein drittes Mikro-Element 1', ein viertes Mikro-Element 19
und ein fünftes Mikro-Element 20, welche alle bistabil schaltbar sind und eine
stabile Initialposition A (durchgezogen gezeichnet) und eine stabile Arbeitsposition
B (gestrichelt gezeichnet) aufweisen. Sie sind hier als derartige
bistabile Mikro-Elemente ausgebildet, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 1
genauer beschrieben sind (zwei parallele, kosinusförmige, in ihrer Mitte verbundene
Federzungen). Die Position, in der diese Mikro-Elemente mittels
DRIE strukturiert werden, ist die Initialposition A. Das erste Mikro-Element 1
und das dritte Mikro-Element 1' entsprechen einander weitgehend in ihrer
Funktion. Sie bestehen nur aus einem Schaltteil 5. Das vierte Mikro-Element
19 und das fünfte Mikro-Element 20 entsprechen einander ebenfalls
weitgehend in ihrer Funktion. Sie weisen je eine Kontaktierungselektrode
D,D' (zum Anlegen eines zu schaltenden Signals, beispielsweise eines
elektrischen Stroms) sowie eine elektrisch leitfähige Kontaktelektrode 21,22
auf. Die Leitfähigkeit der Kontaktelektroden 21,22 wird vorzugsweise durch
eine metallische Beschichtung erzeugt. Die Kontaktelektroden 21,22 sind
länglich, fingerförmig ausgebildet und etwa in der Mitte 8 zwischen den beiden
Enden des jeweiligen Mikro-Elementes 19,20 an dem jeweiligen Mikro-Element
19,20 befestigt. Ferner weist das MEMS noch zwei fest mit dem
Substrat S verbundene Fixelektroden 17,18 auf (zum Anlegen einer weiteren
zu schaltenden elektrischen Stroms).
Das MEMS in Fig. 8 umfasst weiterhin ein zweites Mikro-Element 2. Das
zweite Mikro-Element 2 ist ein monostabil schaltbares Mikro-Element; es
weist also nur eine stabile Position auf. Es umfasst ein erstes festes Ende 10
und ein zweites festes Ende 10', welche Enden 10,10' auf dem Substrat S
festgesetzt sind, sowie einen zwischen diesen beiden festen Enden 10,10'
angeordneten beweglichen Teil 11. Der bewegliche Teil 11 ist als eine, vorzugsweise
schwingungsbauchförmig, gebogene Struktur ausgebildet, die an
den beiden festen Enden 10,10' des zweiten Mikro-Elementes 2 befestigt ist
und einen elektrisch leitfähigen Kontaktbereich 16 aufweist. Der bewegliche
Teil 11 weist weiterhin eine zweite Oberfläche 4 auf, welche von einer optionalen
zweiten Beschichtung 4b gebildet wird, und welche zweite Oberfläche
4 einer ersten Oberfläche 3 des ersten Mikro-Elementes 1 zugewandt
ist. Analog verhält es sich mit einer vierten Oberfläche 4' des zweiten Mikro-Elementes
2 und einer dritten Oberfläche 3' des dritten Mikro-Elementes 1'.
Die zweite Oberfläche 4 ist zwischen dem ersten festen Ende 10 und dem
Kontaktbereich 16 angeordnet. Analog ist die vierte Oberfläche 4' zwischen
dem zweiten festen Ende 10' und dem Kontaktbereich 16 angeordnet. Nach
der Strukturierung des zweiten Mikro-Elementes 2 befindet sich der bewegliche
Teil 11 in der Ausschaltposition A', der stabilen Position des zweiten
Mikro-Elementes 2.
Aufgrund der Existenz des oben schon erwähnten Minimalabstandes zwischen
zwei mittels DRIE erzeugten Mikro-Elementen oder Oberflächen sind
die bistabilen Mikro-Elemente 1,1',19,20 von dem zweiten Mikro-Element 2
beabstandet mit mindestens einem solchen Minimalabstand. Nach Aufbringen
der optionalen nichtleitenden Beschichtungen 3b,3b' des ersten beziehungsweise
dritten Mikro-Elementes 1,1' und der optionalen elektrisch leitfähigen
Beschichtungen der Kontaktelektroden 21,22 werden im Rahmen des
erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens des MEMS die bistabilen Mikro-Elemente
1,1',19,20 von der Initialposition A in die Arbeitsposition B geschaltet.
Dadurch wird der Abstand zwischen den Mikro-Elementen oder
Oberflächen geringer als der genannte Minimalabstand; in Fig. 8 berühren
sich die Mikro-Elemente sogar. Insbesondere berühren beide Kontaktelektroden
21,22 den Kontaktbereich 16. Dadurch wird eine elektrisch leitende
Verbindung zwischen den beiden Kontaktelektroden 21,22 und somit der
NC-Anschluss erzeugt. Auf diese Weise wird ein spannungslos geschlossener,
aber lösbarer Kontakt realisiert. Die Oberflächen 3,4 und die Oberflächen
3',4' berühren sich auch jeweils. Dadurch können bereits durch Anlegen
relativ geringer Schaltspannungen zwischen dem zweiten Mikro-Element 2
und dem ersten Mikro-Element 1 und zwischen dem zweiten Mikro-Element
2 und dem dritten Mikro-Element 1' ausreichend grosse elektrostastische
Anziehungskräfte zwischen dem zweiten Mikro-Element 2 und den
Mikro-Elementen 1,1' erzeugt werden, die zu einem Schalten des zweiten
Mikro-Elementes 2 von der Ausschaltposition A' in die Einschaltposition B'
führen. In der Einschaltposition B' ist nun der NC-Anschluss geöffnet, während
der NO-Anschluss geschlossen ist. Aufgrund seiner Monostabilität
schaltet das zweite Mikro-Element 2 beim Nichtanliegen einer geeigneten
Schaltspannung von selbst wieder in die Ausschaltposition: NC-Anschluss
geschlossen, NO-Anschluss geöffnet.
Zahlreiche Modifikationen der Ausführungsform von Fig. 8 sind denkbar und
vorteilhaft: Hier einige Beispiele:
- Es ist möglich, das MEMS nicht spiegelsymmetrisch aufzubauen.
- Man kann auf die Fixkontakte 17,18 verzichten und hat dann ein NC-Anschluss-Mikro-Relais.
- Man kann auf die Mikro-Elemente 19,20 verzichten und hat dann ein NO-Anschluss-Mikro-Relais.
- Wenn auf die Fixkontakte 17,18 oder auf die Mikro-Elemente 19,20 verzichtet
wird, reicht es, wenn der Kontaktbereich 16 des zweiten Mikro-Elementes
2 nur auf einer Seite elektrisch leitfähig ist.
- Man kann die Mikro-Elemente 1,1' mit (angepassten, optional: gestuften)
Elektroden 9 versehen (siehe Fig. 3 bis Fig. 7).
- Man kann die Kontaktierungselektroden 21,22 anders ausbilden; oder
ganz auf sie verzichten und dann mittels des vorzugsweise elektrisch
leitend beschichteten Schaltteils den Kontaktteil 16 des zweiten Mikro-Elementes
2 kontaktieren.
- Es ist möglich, die Mikro-Elemente 1,1' auf der anderen Seite des zweiten
Mikro-Elementes 2 anzuordnen, also in dem Bereich des Substrates S, der
auf der den Fixkontakten 17,18 abgewandten Seite des zweiten Mikro-Elementes
2 liegt. Dann ist das Mikro-Relais durch elektrostatische Abstossungskäfte
schaltbar.
- Es ist auch möglich, das erste Mikro-Element 1 in einem anderen Bereich
(des Substrates S, bezüglich des zweiten Mikro-Elementes 2) anzuordnen
als das dritte Mikro-Element 1'.
- Man kann auf das dritte Mikro-Element 1' verzichten und nur das erste
Mikro-Element 1 als elektrostatische Gegenelektrode zu dem zweiten Mikro-Element
2 als beweglicher Elektrode einsetzen.
Die genannten Merkmale können gemeinsam oder auch einzeln oder in beliebiger
Kombination vorteilhaft sein.
Fig. 9 zeigt ein Wechselschalt-Relais, welches ausser einem Normally-Open-Anschluss
(NO-Anschluss) zusätzlich auch noch einen Normally-Closed-Anschluss
(NC-Anschluss) umfasst. Das MEMS ist sehr ähnlich aufgebaut wie
das in Fig. 8 beschriebene; für entsprechende Merkmale wird auf den obigen
Text verwiesen. Allerdings ist das zweite Mikro-Element 2 hier nicht monostabil,
sondern bistabil ausgeführt. Insbesondere hat es einen Aufbau mit
zwei parallelen, kosinusförmigen, in ihrer Mitte verbundenen Federzungen,
wie er im Zusammenhang mit Fig. 1 detailliert beschrieben ist. Die beiden
stabilen Positionen des zweiten Mikro-Elementes 2 sind die Ausschaltposition
A' und die Einschaltposition B'. Ein grosser Vorteil der Bistabilität des
zweiten Mikro-Elementes 2 ist, dass es keiner anliegenden Schaltspannung
bedarf, um das zweite Mikro-Element 2 in der Ausschaltposition A' oder der
Einschaltposition B' zu halten. Nach Anlegen einer geeigneten Schaltspannung
und dem dadurch hervorgerufenen Schaltvorgang in den anderen Zustand
A',B' verbleibt das zweite Mikro-Element 2 selbsttätig in diesem Zustand
A',B'. Dadurch kann jedes der beiden Kontaktpaare, an denen ein zu
schaltendes Signal anliegt (Fixelektroden 17,18 beziehungsweise Mikro-Elemente
19,20) ein NO-Anschluss oder ein NC-Anschluss sein.
Ausserdem weist das MEMS in Fig. 9 zwei weitere bistabil schaltbare Mikro-Elemente
auf: das sechste Mikro-Element 23 und das siebte Mikro-Element
24. Diese sind hier ebenfalls mit zwei parallelen, kosinusförmigen,
in ihrer Mitte verbundenen Federzungen aufgebaut und haben jeweils eine
(angepasste) Elektrode 9. Sie sind in dem Bereich des Substrates S angeordnet,
der auf derjenigen Seite des zweiten Mikro-Elementes 2 liegt, die den
Mikro-Elementen 1,1' abgewandt ist. Die Mikro-Elemente 23,24 wirken in
analoger Weise mit dem zweiten Mikro-Element 2 zusammen wie die Mikro-Elemente
1,1'. Zum Beispiel weist dazu das zweite Mikro-Element 2 eine
sechste Fläche 26a und eine achte Fläche 26a' auf, die mit einer fünften
Fläche 25a (des sechsten Mikro-Elementes 23) beziehungsweise einer siebten
Fläche 25a' (des siebten Mikro-Elementes 24) zusammenwirken. Mittels
elektrostatischer Anziehnugskräfte zwischen dem zweiten Mikro-Element 2
und dem sechsten Mikro-Element 23 (genauer: zwischen den entsprechenden
Flächen oder Oberflächen) beziehungsweise dem siebten Mikro-Element
24 (genauer: zwischen den entsprechenden Flächen oder Oberflächen)
kann das zweite Mikro-Element 2 von dem Einschaltzustand B' in den
Ausschaltzustand A' geschaltet werden.
Es sind mehrere vorteilhafte Modifikationen dieser Ausführungsform denkbar:
- Es ist möglich, das MEMS nicht spiegelsymmetrisch aufzubauen.
- Man kann auf die Fixkontakte 17,18 verzichten.
- Man kann auf die Mikro-Elemente 19,20 verzichten.
- Wenn auf die Fixkontakte 17,18 oder auf die Mikro-Elemente 19,20 verzichtet
wird, reicht es, wenn der Kontaktbereich 16 des zweiten Mikro-Elementes
2 nur auf einer Seite elektrisch leitfähig ist.
- Man kann die Mikro-Elemente 1,1' mit (angepassten, optional: gestuften)
Elektroden 9 versehen (siehe Fig. 3 bis Fig. 7).
- Man kann die Mikro-Elemente 23,24 ohne angepasste Elektroden 9 einsetzen.
- Man kann die Kontaktierungselektroden der Mikro-Elemente 19,20 anders
ausbilden; oder ganz auf sie verzichten und dann mittels des vorzugsweise
elektrisch leitend beschichteten Schaltteils den Kontaktteil 16
des zweiten Mikro-Elementes 2 kontaktieren.
- Es ist möglich, das Mikro-Relais durch elektrostatische Abstossungskäfte
zu schalten; oder es mittels elektrostatischer Abstossungskäfte und elektrostatischer
Anziehungskäfte zu schalten.
- Man kann auf eines, zwei oder drei der Mikro-Elemente 1,1',23,24 verzichten;
insbesondere auf die diagonal einander gegenüberleigenden Mikro-Elemente
1,24 oder die Mikro-Elemente 1',23.
- Wenn ein Schaltvorgang durch Zusammenwirken mindestens zweier Mikro-Elemente
1,1',23,24 mit dem zweiten Mikro-Element 2 erzeugt wird,
ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens eine der entsprechenden
Schaltspannungen mit einer zeitlicher Verzögerung relativ zu mindestens
einer der anderen Schaltspannungen angelegt wird. Dadurch kann die
Bewegung, welche der bewegliche Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes 2
beim Schaltvorgang macht, unterstützt werden. Insbesondere kann der
asymmetrischen Bewegung der zwei parallelen, kosinusförmig gekrümmten
Federzungen des zweiten Mikro-Elementes 2 Rechnunng getragen
werden. Es können auch entsprechend angepasste zeitliche
Schaltspannungsprofile benutzt werden.
- Wenn statt eines kosinusförmigen bistabilen zweiten Mikro-Elementes 2
ein schwingungsbauchförmiges eingesetzt wird, werden vorteilhaft die
Fixkontakte 17,18 oder das vierte und/oder fünfte Mikro-Element 19,20
derart angeordnet, dass mindestens einer von diesen für die Asymmetrische
Ausbildung des Schwingungsbauches sorgt.
Die genannten Merkmale können gemeinsam oder auch einzeln oder in beliebiger
Kombination vorteilhaft sein.
Fig. 10a bis Fig. 10c zeigen eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung in verschiedenen Positionen. Es handelt sich bei diesem MEMS um
ein Mikro-Relais mit einem NC-Anschluss, welcher im allgemeinen nur
schwer realisierbar ist. Das MEMS wird ausgehend von dem in Fig. 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel beschrieben, da es die gleichen Bestandteile
aufweist. Fig. 10a zeigt das MEMS, in dem Zustand, den es nach der Strukturierung
mittels DRIE hat: Das erste Mikro-Element 1 befindet sich in der Initialposition
A. Fig. 10b zeigt das MEMS in einem Zustand, in welchem das
erste Mikro-Element 1 sich in der Arbeitsposition B befindet, und sich das
zweite Mikro-Element 2 in dem Ausschaltzustand A' befindet. Fig. 10c zeigt
das MEMS in einem Zustand, in welchem das erste Mikro-Element 1 sich in
der Arbeitsposition B befindet, und sich das zweite Mikro-Element 2 in dem
Einschaltzustand B' befindet.
Im Unterschied zu den weiter oben diskutierten Ausführungsformen ist es
hier so, dass das erste Mikro-Element 1 nach dem Umschalten von der Initialposition
A in die Arbeitsposition B nicht nur einfach dem zweiten Mikro-Element
2 näher kommt als der durch DRIE gegebene Minimalabstand und
das zweite Mikro-Element 2 nur (leicht) berührt. Vielmehr ist hier die Anordnung
der Mikro-Elemente 1,2 auf dem Substrat S und die Ausgestaltung der
Mikro-Elemente 1,2 derart gewählt, dass das erste Mikro-Element 1 in der
Arbeitsposition B eine Kraft auf den beweglichen Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes
2 ausübt, die zu einer (deutlichen) elastischen Verformung des
beweglichen Teils 11 des zweiten Mikro-Elementes 2 führt (siehe Fig. 10b).
Der bewegliche Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes 2 wird derart verformt,
dass der elektrisch leitfähige Kontaktbereich 16 des zweiten Mikro-Elementes
2 die Fixkontakte 17,18 leitend verbindet: Der NC-Anschluss ist
geschlossen. Es wird ein spannungslos geschlossener, aber lösbarer Kontakt
realisiert; in einem unter Einsatz von DRIE strukturierten MEMS. Anders ausgedrückt:
Durch das Schalten des ersten Mikro-Elementes 1 von der Initialposition
A in die Arbeitspositon B wird ein Schaltvorgang des zweiten Mikro-Elementes
2 hervorgerufen. Da keine Schaltspannung dafür anliegen muss,
befindet sich das zweite Mikro-Element 2 nach diesem Schaltvorgang in der
Ausschaltposition A'. Um den NC-Anschluss wieder zu öffnen, muss eine
geeignete Schaltspannung zwischen dem ersten Mikro-Element 1 und dem
zweiten Mikro-Element 2 angelegt werden. Mittels elektrostatischer Anziehungskräfte
wird der NC-Anschluss geöffnet, und das zweite Mikro-Element
2 geht in den Einschaltzustand B' (siehe Fig. 10c).
In Kombination mit weiter oben genannte Merkmalen können auf der
Grundlage der Figuren 10a-10c weitere vorteilhafte Ausführungsformen
geschaffen werden. Insbesondere kann auf die Elektrode 9 verzichtet werden.
Oder die Elektrode 9 kann anders ausgebildet werden. Insbesondere
kann man vorteilhaft die Elektrode 9 derart ausbilden und die Mikro-Elemente
1,2 derart zueinander anordnen, dass die Berührungsstellen zwischen
den beiden Mikro-Elementen 1,2 (wenn das erste Mikro-Element 1 in
der Arbeitsposition A ist und das zweite Mikro-Element 2 in der Ausschaltposition
A' ist) im wesentlichen auf einer Geraden liegen mit der Mitte 8 in
der Initialposition A und der Mitte 8 in der Arbeitsposition. Dadurch kann eine
geringe mechanische Belastung des ersten Mikro-Elementes 1 erreicht
werden, wobei gleichzeitig grosse Kontaktkräfte auf die Fixkontakte 17,18
ausgeübt werden können (sichere Kontakte).
Auch ist es vorteilhaft, in Analogie zu der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform,
ein zweites Paar Fixkontakte 17',18' (nicht dargestellt in Fig. 10)
vorzusehen, wobei diese Fixkontakte 17',18' derart anzuordnen sind, dass
der Kontaktbereich 16 des zweiten Mikro-Elementes 2 diese Fixkontakte
17',18' elektrisch leitend miteinander verbindet, wenn das zweite Mikro-Element
2 sich in der Einschaltposition B' befindet. So erhält man ein Wechselschalt-Relais,
ähnlich dem aus Fig. 5, aber mit nur einem bistabilen Mikro-Element
1. Vorteilhaft kann ausserdem der bewegliche Teil 11 des
zweiten Mikro-Elementes 2 zweiteilig ausgebildet werden (analog zu der
Ausführungsform von Fig. 7).
In den obigen Ausführungen wurden nur lateral arbeitende MEMS diskutiert.
Es ist aber auch möglich, die beschriebenen MEMS (in ähnlicher Form) als
horizontal arbeitende MEMS aufzubauen. Zur Herstellung wird dann typischerweise
nicht DRIE eingesetzt, sondern es wird eher auf andere aus der
MEMS- oder Halbleitertechnologie bekannte Verfahren zurückgegriffen, wie
sie beispielsweise in den bereits genannten Patentschriften US 5,638,946,
US 5'677'823 oder DE 42 05 029 C1 erwähnt werden. Der Offenbarungsgehelt
dieser Patentschriften wird darum hiermit in die vorliegende Beschreibung
aufgenommen.
Fig. 11a und Fig. 11b zeigen ein mögliches Ausführungsbeispiel, in welchem
die beweglichen Teile des MEMS im wesentlichen horizontal beweglich sind.
Fig. 11a ist eine geschnittene Seitenansicht des in Fig. 11b in Aufsicht dargestellte
MEMS. In Fig. 11b ist mit XIa-XIa die Linie des Schnittes der
Fig. 11a dargestellt. Das MEMS ist ein Mikro-Relais mit einem NC-Anschluss.
Das erste Mikro-Element 1 ist hier als ein schwingungsbauchförmiges bistabil
elastisch schaltbares Mikro-Element ausgebildet, analog zu dem in Fig. 2
gezeigten ersten Mikro-Element 1. In der Initialposition A ist der symmetrische
Schwingungsbauch von dem Substrat S weggewölbt. Das zweite Ende 7
des ersten Mikro-Elementes 1 ist hier brückenartig ausgebildet. Dadurch
kann sich das unterhalb des Schwingungsbauches angeordnete zweite Mikro-Element
2 bis ausserhalb des Bereiches zwischen dem ersten Ende 6
und zweiten Ende 7 des ersten Mikro-Elementes 1 erstrecken. Das erste feste
Ende 10 des zweiten Mikro-Elementes 2 dient hier als Anschlag für die
Bildung des asymmetrischen Schwingungsbauches des ersten Mikro-Elementes
1 in der Arbeitsposition B.
Der bewegliche Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes 2 verläuft zunächst
(nach der Strukturierung) im wesentlichen parallel zu der Hauptfläche des
Substrates S. Nach dem Schalten des ersten Mikro-Elementes 1 von der Initialposition
A in die Arbeitsposition B übt das erste Mikro-Element 1 eine
Druckkraft auf den beweglichen Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes 2 aus.
Das zweite Mikro-Element 2 wird elastisch verformt. Es gelangt in seine
Ausschaltposition A', in welcher eine fest an dem beweglichen Teil 11 angebrachte
bewegliche Kontaktelektrode E eine auf dem Sustrat S fixierte Fixelektrode
17 berührt. Dadurch entsteht ein NC-Anschluss zwischen der beweglichen
Kontaktelektrode E und der Fixelektrode 17. Diese Erzeugung eines
NC-Anschlusses ist ganz analog zu der in Zusammenhang mit den
Fig. 10a bis 10c beschriebenen Methode.
Werden geeignete Schaltspannungen zwischen den beiden Mikro-Elementen
1,2 angelegt, so geht das zweite Mikro-Element 2 in den Einschaltzustand
B' über, in welchem der bewegliche Teil 11 des zweiten Mikro-Elementes
2 von dem Substrat weggebogen ist und der NC-Anschluss geöffnet
ist. Die Kontaktierungselektroden C,C' dienen zum Anlegen von
Schaltspannungen. Zum Anlegen eines zu schaltenden Signals dienen Kontaktierungselektroden
D,D' Die Kontaktierungselektrode D, welche elektrisch
mit der beweglichen Kontaktelektrode E verbunden ist, ist hier auf dem ersten
festen Ende 10 des zweiten Mikro-Elementes 2 angeordnet. Die mit
dem Fixkontakt 17 elektrisch verbundene Kontaktierungselektrode D' ist auf
dem Substrat S angeordnet.
Andere erfindungsgemässe MEMS, wie beispielsweise die weiter oben beschriebenen
MEMS, sind ebenfalls als horizontal arbeitende MEMS realisierbar.
Eine Anordnung mit einer Fixelektrode 17 und einer beweglichen Kontaktelektrode
E, wie in Fig. 11a und 11b, ist vorteilhaft auch in den weiter oben
beschriebenen MEMS, welche mit einem Kontaktbereich 16 und zwei Fixelektroden
17,18 beschrieben sind, realisierbar.
Sehr vorteilhaft an dieser Ausführungsform von Fig. 11a,b ist, dass der Abstand
im geöffneten Zustand zwischen der beweglichen Kontaktelektrode E
des zweiten Mikro-Elementes 2 und dem Fixkontakt 17 wählbar ist und fertigungstechnisch
sehr gut reproduzierbar ist. Dasselbe gilt auch für die weiter
oben diskutierten Ausführungsformen, sofern man diese analog zu
Fig. 11a,b mit einer beweglichen Kontaktelektrode E ausführt.
Ein erfindungsgemässes MEMS ist nicht nur, wie in obigen Beispielen, als
Schalter oder Relais ausführbar. Es sind verschiedenste Mikro-Aktoren realisierbar.
Beispielsweise können erfindungsgemässe MEMS Mikro-Ventile oder
Mikro-Pumpen darstellen oder solche betätigen.
Das zur Herstellung eines erfindungsgemässen MEMS verwendete Substrat S
ist vorzugsweise fläching ausgebildet. Typischerweise weist es eine
Hauptfläche auf, die zur Herstellung des MEMS strukturiert wird, wobei die
Bewegung der beweglichen Teile des MEMS im wesentlichen parallel oder
senkrecht zu dieser Hauptfläche beweglich sind. Vorzugsweise besteht das
Substrat S aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, das vorteilhaft
einkristallin und besonders vorteilhaft (für eine ausreichende elektrische
Leitfähigkeit) auch noch dotiert ist. Bei einkristallinem Silizium ist bei unter
mechanischem Stress stehenden bistabil schaltbaren Mikro-Elementen
1,1',2,19,20,23,24 vorteilhaft keine oder nur sehr langsam erfolgende
Relaxation zu erwarten.
Insbesondere kann ein SOI-Wafer (silicon-on-insulator) verwendet werden,
der aus drei substratparalellen Schichten Silizium-Siliziumoxid-Silizium. Dabei
dient die Siliziumoxid-Schicht als Opferschicht.
Das erwähnte Strukturierungsverfahren ist typischweise ein materialabtragendes
Verfahren, vorzugsweise ein Ätzverfahren. Die LIGA-Technik oder
insbesondere das reaktive lonenätzen und besonders vorteilhaft das lonentiefätzen
(DRIE) kommen hier in Frage. Das DRIE-Verfahren hat den Vorteil,
sehr gut zur Erzeugung von Flächen geeignet zu sein, die (relativ zu ihrer
subtratsenkrechten Höhe) eng beabstandet sind und praktisch senkrecht zu
der Hauptfläche des Substrates S verlaufen. Für die Herstellung lateral arbeitender
MEMS ist DRIE gut geeignet. Aber auch Verfahren, die Material
auftragen sind denkbar, beispielsweise wenn derart erzeugte einander zugewandte
Flächen verfahrensbedingt einen Minimalabstand aufweisen. Beispielsweise
mittels Photopolymerisation arbeitende Rapid-Prototyping-Verfahren.
Ausser elektrostatisch betätigbaren Aktoren können erfindungsgemäss beispielsweise
auch elektromagnetisch oder piezoeklektrisch betätigbare Aktoren
realisiert werden. Die betätigenden Kräfte können abstossend oder anziehend
sein.
Ein erfindungsgemässes bistabil schaltbares Mikro-Element kann auch tristabil
oder anderweitig multistabil schaltbar sein. Es ist für manche Anwendungen
ausserdem nicht nötig, dass die Mikro-Elemente 1,1',19,20,23,24
nach der ersten Umschaltung von der Initialposition A in die Arbeitsposition
B auch wieder zurückschalbar in die Initialposition A sind. Man kann auch
ein einmaliges, beispielsweise plastisches, Verformen in Erwägung ziehen.
Die Mikro-Elemente 1,1',19,20,23,24 sind aber vorzugsweise bistabil elastisch
schaltbar und wieder in die Initialposition A zurückschaltbar. Besonders
vorteilhaft ist es, die bistabilen Mikro-Elemente 1,1',2,19,20,23,24 als
die geschilderten kosinusförmigen oder als die geschilderten schwingungsbauchförmigen
Mikro-Elemente auszubilden, wobei diese auch in abgewandelter
Form und innerhalb eines MEMS's kombiniert realisierbar sind.
Je nach Zweck können die Mikro-Elemente optional elektrisch leitend oder
elektrisch nichtleitend beschichtet werden. Eine nichtleitende Beschichtung
dient vorzugsweise der Verhinderung von Entladungen zwischen einander
berührenden elektrostatischen Elektroden. Beispielsweise als alternativer
oder zusätzlicher Schutz vor derartigen Entladungen können Stopper oder
Federn eingesetzt werden, wie sie aus der bereits zitierten
DE 198 00 189 A1 bekannt sind. Die Kontaktierungselektroden C,C',D,D'
sind in bekannter Weise herstellbar (zum Beispiel durch Sputtern) und beispielsweise
durch Bonden kontaktierbar.
Zum Herstellungsprozess für die erfindungsgemässen MEMS ist zu bemerken,
dass das erstmalige Umschalten des ersten Mikro-Elementes 1 und
auch der anderen bistabil schaltbaren Mikro-Elemente 1',19,20,23,24 von
der Initialposition A in die Arbeitsposition B als noch zu dem Herstellungsprozess
des MEMS gehörig zu betrachten ist. Dieser initiale Schaltvorgang
kann mechanisch erfolgen. Vorzugsweise wird dieser Schaltvorgang aber im
Rahmen eines Qualitäts- oder Funktionstests (Burn-in) des MEMS vorgenommen,
wobei andere mit dem Substrat verbundene Einheiten dabei mitgetestet
oder initialisiert werden können. Der initiale Schaltvorgang kann
dann vorzugsweise durch Erzeugen einer attraktiven Kraft zwischen dem bistabilen
Mikro-Element 1,1',19,20,23,24 und dem zweiten Mikro-Element 2
erfolgen, wobei diese Kraft vorteilhaft durch Anlegen einer Schaltspanung
erfolgt. Eine solche Schaltspannung ist typischerweise höher als eine
Schaltspannung, die zum Schalten des zweite Mikro-Elementes 2 zwischen
Ausschaltposition A' und Einschaltposition B' verwendet wird.
Die genannten Merkmale können gemeinsam oder auch einzeln oder in beliebiger
Kombination vorteilhaft sein.
Die Linearausdehnung der beschriebenen MEMS ist typischerweise zwischen
0.2 mm und 5 mm, vorzugsweise 0.8 mm bis 2 mm. Für DRIE als Strukturierungsverfahren
beträgt der erwähnte Minimalabstand (minimale Grabenbreite)
etwa 5 µm bis 15 µm; er weist eine geringe Abhängigkeit von der
Tiefe des strukturierten Grabens auf. Typischerweise beträgt die Tiefe des
strukturierten Grabens 300 µm bis 550 µm. Durch Schalten von der Initialposition
A in die Arbeitsposition B wird der entsprechende Abstand auf typischerweise
null oder 0,1 µm bis 1 µm reduziert. Schichtdicken der elektrisch
nichtleitenden Beschichtungen 3b,3b',4b,4b' betragen typischerweise
50 nm bis 500 nm
Die Schaltspannungen für die beschriebenen MEMS (Schalten zwischen Ausschaltposition
A' und Einschaltposition B') betragen typischerweise 10 V bis
80 V, vorzugsweise 25 V bis 50 V. Wenn die erste Umschaltung der bistabilen
Mikro-Elemente von der Initialposition A in die Arbeitsposition durch
elektrostatische Anziehungskräfte erfolgt, werden dafür typischerweise
Schaltspannungen zwischen 70 V und 300 V, vorzugsweise zwischen 100 V
und 200 V eingesetzt.
Bezugszeichenliste
- 1
- erstes Mikro-Element
- 1'
- drittes Mikro-Element
- 2
- zweites Mikro-Element
- 3
- erste Oberfläche (des ersten Mikro-Elementes); der zweiten Oberfläche
zugewandt
- 3a
- erste Fläche (des ersten Mikro-Elementes); der zweiten Fläche zugewandt
- 3b
- erste Beschichtung (der ersten Fläche)
- 3'
- dritte Oberfläche (des dritten Mikro-Elementes); der vierten Oberfläche
zugewandt
- 3a'
- dritte Fläche (des dritten Mikro-Elementes); der vierten Fläche zugewandt
- 3b'
- dritte Beschichtung (der dritten Fläche)
- 4
- zweite Oberfläche (des zweiten Mikro-Elementes); der ersten
Oberfläche zugewandt
- 4a
- zweite Fläche (des zweiten Mikro-Elementes); der ersten Fläche
zugewandt
- 4b
- zweite Beschichtung (der zweiten Fläche)
- 4'
- vierte Oberfläche (des zweiten Mikro-Elementes); der dritten Oberfläche
zugewandt
- 4a'
- vierte Fläche (des zweiten Mikro-Elementes); der dritten Fläche zugewandt
- 4b'
- vierte Beschichtung (der vierten Fläche)
- 5
- Schaltteil des ersten Mikro-Elementes
- 6
- erstes Ende des ersten Mikro-Elementes
- 7
- zweites Ende des des ersten Mikro-Elementes
- 8
- Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des ersten Mikro-Elementes
- 9
- (angepasste) Elektrode des ersten Mikro-Elementes
- 10
- erstes festes Ende des zweiten Mikro-Elementes
- 10'
- zweites festes Ende des zweiten Mikro-Elementes
- 11
- beweglicher Teil des zweiten Mikro-Elementes
- 12
- spaltbildende Oberfläche
- 13
- Spalt
- 14
- erster Bereich des beweglichen Teils des zweiten Mikro-Elementes
- 15
- zweiter Bereich des beweglichen Teils des zweiten MikroElementes
- 16,16'
- Kontaktbereich des beweglichen Teils des zweiten MikroElementes
- 17,18
- Fixkontakte
- 17',18'
- Fixkontakte
- 19
- viertes Mikro-Element
- 20
- fünftes Mikro-Element
- 21,22
- Kontaktelektrode
- 23
- sechstes Mikro-Element
- 24
- siebtes Mikro-Element
- 25a
- fünfte Fläche (des sechsten Mikro-Elementes); der sechsten Fläche
zugewandt
- 25a'
- siebte Fläche (des siebten Mikro-Elementes); der achten fläche zugewandt
- 26a
- sechste Fläche (des zweiten Mikro-Elementes); der fünften Fläche
zugewandt
- 26a'
- achte Fläche (des zweiten Mikro-Elementes); der fünften Fläche
zugewandt
- A
- Initialposition
- B
- Arbeitsposition
- A'
- Ausschaltposition (des zweiten Mikro-Elementes)
- B'
- Einschaltposition (des zweiten Mikro-Elementes)
- C,C'
- Kontaktierungselektroden
- D,D'
- Kontaktierungselektroden
- E
- bewegliche Kontaktierungselektrode (des zweiten MikroElementes)
- S
- Substrat