EP1468436B1 - Mikro-elektromechanisches system und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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EP1468436B1
EP1468436B1 EP02796487A EP02796487A EP1468436B1 EP 1468436 B1 EP1468436 B1 EP 1468436B1 EP 02796487 A EP02796487 A EP 02796487A EP 02796487 A EP02796487 A EP 02796487A EP 1468436 B1 EP1468436 B1 EP 1468436B1
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EP
European Patent Office
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micro
face
substrate
electromechanical system
movable part
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EP1468436A1 (de
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Ralf Strümpler
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ABB Research Ltd Sweden
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ABB Research Ltd Switzerland
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
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    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
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    • H01H1/50—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position
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    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0042—Bistable switches, i.e. having two stable positions requiring only actuating energy for switching between them, e.g. with snap membrane or by permanent magnet
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    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0078—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] with parallel movement of the movable contact relative to the substrate

Definitions

  • micro-electro-mechanical system micro electro-mechanical system, MEMS
  • a micromechanical switch which a flat carrier substrate, one on the carrier substrate fixed contact piece, a movable electrode and a fixed with the Carrier substrate connected counter electrode comprises.
  • the movable electrode has a free end and a fixed, connected to the carrier substrate The End.
  • the movable electrode and the counter electrode face each other Surfaces on.
  • the movable electrode bent, that is elastically deformed, that the free end of the movable electrode of the counter electrode and thereby also approximates the contact piece until it comes to contact between the free end the movable electrode and the contact piece comes.
  • the movement of the free end of the movable electrode takes place laterally, that is parallel to the sheet carrier substrate.
  • the electrostatic forces of attraction between the facing each other Surfaces of the movable electrode and the counter electrode is through the application of a voltage between the movable electrode and the Counter electrode generated.
  • a voltage between the movable electrode and the Counter electrode generated.
  • stoppers are introduced into the counter electrode, over the protrude the surface of the counter electrode facing the movable electrode and not at the same potential as the counter electrode.
  • springs may be provided, which on the Counter electrode opposite side of the movable electrode attached are and the movement of the movable electrode in the direction of the counter electrode limit.
  • the counter electrode facing surface of the movable electrode with be provided an electrically insulating layer.
  • the force thus decreases linearly with the surface, square with the stress and inversely proportional to the square of the distance.
  • a sacrificial shift process is applied, which is the free end of the mobile Electrode separates from the carrier substrate.
  • DE 42 05 029 C1 shows an electrostatically operated microelectromechanical Relay working horizontally. That means the switching movement this relay is substantially perpendicular to a carrier substrate. From a silicon substrate is a tongue-shaped electrode with contact piece etched. The substrate is then coated with a counter substrate a counter electrode and a mating contact applied to the electrode with the counter electrode encloses a wedge-shaped gap. By Applying a switching voltage between the electrode and the counter electrode these are movable towards each other, creating an electrically conductive Achieve connection between contact and mating contact. Size Contact forces can be achieved by relatively wide electrodes.
  • the bistable Mechanism By applying a perpendicular to the spring tongues and parallel to the carrier substrate directed force is the bistable Mechanism between the two stable states back and forth switchable, wherein the respective mirror-image to the initial position end position finally reached by a snap of the mechanism independently becomes.
  • MEMS microelectromechanical system
  • Improved switchability for example, can mean a shift Already at lower switching voltages can be triggered.
  • New functionalities For example, the realization of closed without voltage Terminals or of micro-relays with both open without voltage as well as dead terminals mean.
  • micro actuators can be new or be realized easier or in an improved form.
  • the second micro-element has a first fixedly connected to the substrate End and a movable part, wherein in the working position of the first micro-element of the movable part of the second micro-element by electrostatic forces between the first micro-element and the second micro-element from a switch-off position into a switch-on position is movable, and wherein the two micro-elements in the area of the body, at the said smaller distance between the two micro-elements is present, have contact points and formed electrically non-conductive are.
  • the fact that there are points of contact means that the mentioned lower Distance is zero.
  • Electrode gaps result in improved switchability. A switching of the actuator at very low switching voltages is possible.
  • the first micro-element is designed such that there is a matched counter electrode, that of the shape of the second micro-element is adapted: the adapted counterelectrode is shaped in such a way that in the on position of the second micro-element, the adapted Counter electrode and the second micro-element in the range of said Overlap contact areas over a large area.
  • the switch-on position of the second micro-element thus nestle the adapted counter electrode and the second micro-element to each other. This will be a Maximizing the areas reached, between which the electrostatic Attractions act, resulting in greater electrostatic attractions and thus has an improved switchability result. A switching of the actuator at very low switching voltages is possible.
  • said adapted Counter electrode additionally has a second section opposite the section of the counterelectrode which conforms to the second microelement stepped back. In the switch-on position of the second micro-element close this second section of the adapted Counter electrode and the second micro-element a gap.
  • the force that can be selected in this way can be, for example a contact force of the second micro-element on one or two electrical Be contacts that the second micro-element in its on position contacted, creating a secure electrical contact can be made.
  • a changeover relay realized.
  • the movable part of the second micro-element by switching the first micro-element from the initial position to the working position elastically deformable. Thereby it is possible to realize dead-ended connections.
  • the inventive method includes after the structuring of two Micro-elements with facing surfaces switching the bistable switchable micro-element.
  • This can be new or improved MEMS, such as those mentioned above, are produced.
  • Fig. 1 shows a schematic plan view of a first according to the invention microelectromechanical system (MEMS). It includes a first micro-element 1 and a second micro-element 2, both of which are rigid with one Substrate S are connected.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the substrate S is a wafer of monocrystalline silicon in which one of the two largest surfaces forms a major surface of the substrate. In Fig. 1, this major surface is in the plane of the paper.
  • ionic charges DRIE, dry reactive ion etching
  • sacrificial layer technology the first micro-element 1 and the second micro-element 2 from the Substrate S shaped.
  • the structuring method DRIE has the property of a material-removing To be a method; it is an etching process. It also has the property good for creating narrow but deep channels, columns or Being suitable trenches, whereby the DRIE awarded a preferred direction which can be the direction of the preferred material removal indicates and is thus perpendicular to the main surface of the substrate. Perpendicular again to this preferred direction is the width of a DRIE trench down, ie narrow trenches limited.
  • micro-elements 1,2 are formed from the substrate can, is known in the art and can, for example, the said Publication DE 198 00 189 A1 are taken, the thereby incorporated with their entire disclosure content in the description becomes.
  • DRIE generated microelements typically have side surfaces, which are aligned almost perpendicular to the main surface of the substrate S, or in other words: (local) surface normal vectors of the side surfaces run virtually parallel to the main surface of the substrate S.
  • microelements are essentially in the shape of a straight one (right - angled) prism whose base is parallel to the main surface of the Substrates S is aligned.
  • the height of such Micro-element very large compared to the (narrowest) width of such a micro-element.
  • the first micro-element and the second micro-element are of this type.
  • the first micro-element 1 is a bistable elastic MEMS mechanism as described in the cited publication J. Qiu et al., "A Centrally-Clamped Parallel-Beam Bistable MEMS Mechanism ", Proc. Of MEMS 2001, Interlaken, Switzerland, Jan. 20-22, 2001. Details too Embodiments, characteristics and for the production of such Micro-element can be found in this publication, which thereby incorporated with their entire disclosure content in the description becomes.
  • the first micro-element 1 is at a first end 6 and a second end 7 fixed on the substrate S. In between, this points first micro-element 1 two parallel, cosinusoidal curved Spring tongues, which in the middle 8 between the two ends 6,7 with each other are connected. Considering their small width and big ones Height (perpendicular to the substrate main surface) you can use these spring tongues also as a parallel membrane.
  • the first micro-element 1 is bistable between an initial position A and a working position B switchable (the latter shown in phantom in Fig. 1). That is, the micro-element 1 has two mechanically stable states or positions A and B, between which it is applied by applying a lateral, So substrate-parallel force is reciprocable; the movement takes place substantially laterally. Possible intermediate positions are not stable, but lead independently to a rapid transition into one of the two stable states A or B. The transition takes place by preferably elastic deformation of the first micro-element 1.
  • the first micro-element 1 consists here only of a switching part 5, through which it is bistable switchable.
  • the first micro-element 1 has on the second micro-element 2 facing Page on a formed by DRIE side surface, the first Surface 3a is called.
  • This first surface 3a has a first coating 3b, which is electrically insulating and whose outer, that is from the surface facing away from the first surface 3a, the first surface 3 of the first Micro-element 1 forms.
  • the first coating 3b will typically produced by oxidation of the silicon.
  • the second micro-element 2 has a first fixed end 10 on which it is set on the substrate S, and a movable part 11; it is arranged adjacent to the first micro-element 1.
  • the second micro-element 2 On the side of the second micro-element facing the first micro-element 1 is, the second micro-element 2 has a DRIE formed side surface referred to as the second surface 4a.
  • This second surface 4a has a second coating 4b, which is electrically insulating and whose outer, so facing away from the second surface 4a surface second surface 4 of the second micro-element 2 forms.
  • the first surface 3 and the second surface 4 are facing surfaces, as well as the first surface 3a and the second surface 4a facing each other are.
  • the second coating 4b also typically becomes oxidized of silicon.
  • the first micro-element 1 in the initial position A and the second micro-element 2 in an off position A ' is the first micro-element 1 in the initial position A and the second micro-element 2 in an off position A '. Since the areas 3a and 4a mittes DRIE are formed, they have a distance from each other, at least is as large as a minimum distance given by DRIE. With the Distance of the surfaces from each other is meant the distance that such two Have points that are closest to each other, with the one Point on the first surface 3a and the other point on the second surface 4a lies. The distance is thus the width of the trench between the first Surface 3a and the second surface 4a at its narrowest point. In Fig. 1 is this point at a corner of the first fixed end 10 of the second micro-element 2 and near the first end 6 of the first micro-element 1 at the membrane of the first micro-element 1, which has the first surface 3a.
  • the initial position A of the first micro-element 1 is a production-related Initial position.
  • the arrangement of the first micro-element 1 and of the second micro-element 2 is selected such that after switching of the first micro-element 1 from the initial position A to the working position B is the distance of the first surface 3a from the second surface 4a smaller than the one mentioned, by the manufacturing method (for example DRIE) given minimum distance.
  • the distance is even zero, that is, in working position A, the first micro-element touch 1 and the second micro-element 2.
  • In the working position A can a intended interaction of the first micro-element 1 with the second micro-element 2 within the MEMS.
  • the MEMS in Fig. 1 represents a microactuator, that of the first micro-element 1 and the second micro-element 2, together with the substrate S. is formed.
  • the second micro-element 2 acts as a movable, electrostatically switchable electrode and the bistable switchable first micro-element 1 as an associated electrostatic counter electrode.
  • the first Micro-element 1 is in working position A.
  • the operation of the microactuator when it is in working position B is essentially known from the prior art: On the first fixed End 6 of the first micro-element 1 is a contacting electrode C, and at the first fixed end 10 of the second micro-element 2 a contacting electrode C 'is provided. These contacting electrodes C, C 'serve to apply switching voltages to the microelements 1,2, through which the micro-elements electrostatically charge, so that electrostatic forces between the micro-elements 1 and 2 Act.
  • the material from which the micro-elements are made be sufficiently conductive, which, for example, by appropriate doping of silicon is achieved.
  • the electrostatic force decreases inversely proportional to the distance.
  • the MEMS according to the invention Fig. 1 thus has the great advantage, even with smaller switching voltages to be switchable than they would be needed for a MEMS whose spacing between electrode and counter electrode greater than or equal to that through the Structuring method given minimum distance.
  • the micro-actuator in Fig. 1 for example, as an optical micro-switch be used by passing a Lichstrahl to be switched or interrupted by the movable part 11 of the second micro-element 2 is, depending on whether the second micro-element 2 in the off position A 'or in the switch-on position B' is located.
  • the redirecting a light beam with the micro-actuator in Fig. 1 possible, for example if in the movable part 11 of the second micro-element 2 a is arranged reflective area (not shown).
  • the switch-on position B ' is, by definition, present when appropriate switching voltages are applied; otherwise the switch-off position A 'is present.
  • the bistable switchable first micro-element 1 is called an electrostatic Electrode or counter electrode used.
  • Fig. 2 shows a MEMS which largely corresponds to the MEMS of Fig. 1; Indeed is the first micro-element 1 constructed differently.
  • the first micro-element 1 is here as another lateral, bistable and preferably elastic switchable mechanism formed.
  • the first micro-element 1 is also here at a first end 6 and a second end 7 on the substrate S set.
  • a curved Spring tongue which has the shape of a vibration belly.
  • this spring tongue In view of its small width and its high height (perpendicular to the Substrate main surface) can also be this spring tongue as a membrane describe.
  • the first micro-element 1 In the initial position A, ie in the state in which the first micro-element 1, the first micro-element 1 describes a symmetrical antinode, in working position B an asymmetric Antinode (the latter in Fig. 2 drawn by dashed lines).
  • asymmetric antinode represents the second stable position of the first Micro-element 1 is and is due to the fact that one with the Substrate S firmly connected stop the first micro-element 1 in the working position B touches and to the corresponding deformation of the first Micro-element 1 leads.
  • This stop is here by a corresponding formed and arranged first fixed end 10 of the second micro-element 2 formed.
  • the corresponding touch point is conveniently to the right of a link leading from the second end 7 extends to the first end 6 of the first micro-element 1 when the symmetrical antinode in the initial position A to the left of this Link is arranged.
  • the value of a parallel to this link guided position coordinate of the point of contact is not 0.5 (no asymmetric antinode) and is preferably between 0.52 and 0.92 of the length of the link; he is here about 0.84.
  • the stop can also by a correspondingly shaped first End 6 or second end 7 of the first micro-element 1 are formed or as a separately on the substrate S fixed stop (which then to be considered as belonging to the first micro-element 1).
  • the bistable micro-element 1 generated in the initial position A (structured), the distance between first micro-element 1 and the second micro-element 2 at least as big is like a minimum distance given by the structuring method (between these micro-elements 1,2).
  • the MEMS becomes the first after application of coatings 3b, 4b Micro-element 1 switched from the initial position A in the working position B, wherein in the working position B, the distance between the two Micro-elements 1.2 is smaller than the said minimum distance.
  • FIG. 3 shows a MEMS according to the invention, which largely corresponds to that in FIG. 1 corresponds to the embodiment shown; however, here is the first one Micro-element 1 not only from a switching part 5, but additionally includes another electrode 9.
  • the electrode 9 has an elongated part, the first surface 3a, the first coating 3b and the first surface 3 of the first micro-element 1 includes. This part is by means of another elongate member which is approximately perpendicular to the said aligned is, with the switching part 5 in the middle 8 between the ends 6,7 of the first Micro-element 1 connected.
  • the electrode 9 Since the electrode 9 is fixed to the switching part 5, it moves with the Switching part 5 with when from the initial position A to the working position B (and possibly back again) is switched. Are by applying appropriate Switching voltages electrostatic forces of attraction between the first Micro-element 1 (of course in the working position A) and the second micro-element 2 generates, the movable part 11 of the second micro-element 2 elastically deformed and approaches the electrode 9: It is from the switch-off position A 'is switched to the switch-on position B'.
  • the shape of the Electrode 9, and in particular the shape of the first surface 3, is preferably shaped such that the first surface 3 and the second Touch surface 4 fully in the switch-on position.
  • Fig. 4 shows a MEMS, which represents a micro-relay.
  • the embodiment corresponds largely to that of FIG. 3. It also includes a (adapted) Electrode 9 and a cosinus formed bistable elastic switchable micro-element 1.
  • the second micro-element 2 or more precisely: the movable part 11 of the second micro-element 2, a Contact area 16, which is electrically conductive.
  • the Contact area 16 in the region of that end of the movable part 11th of the second micro-element 2, which is not at the first fixed end 10 of the second micro-element 2 is adjacent.
  • the contact region 16 forms a part of a side surface of the second micro-element 2 and is preferably formed as a coating by means of vapor deposition or Sputtering techniques is applied to the second micro-element 2.
  • the MEMS comprises two fixed on the substrate S, electrically conductive fixed contacts 17,18.
  • the arrangement of the fixed contacts 17,18 and the contact region 16 is selected such that when concerns appropriate Switching voltages on the first micro-element 1 and the second micro-element 2 (ie in the switch-on position B 'of the second micro-element 2) the contact region 16 is an electrically conductive connection between the Fixed contact 17 and the fixed contact 18 generated. In the off state A 'is this is not the case. So there is an electrostatic micro-relay, through which by means of the switching voltages formed by the fixed contacts 17,18 Connection can be switched.
  • the contact region 16 in FIG. 4 is on the side of the second microelement 2, which faces the first micro-element 1, So on the side that includes the surface 4.
  • the fixed contacts 17,18 are in that region of the substrate S which is located on the the first micro-element 1 side facing away from the second micro-element 2 lies.
  • the contact area 16 will then be corresponding to that Side of the movable part 11 of the second micro-element 2, which faces away from the first micro-element 1.
  • the relay can be switched by means of repelling electrostatic forces.
  • this micro-relay or the in Fig. 4 shown micro-relay without (matched) electrode 9 build (analogous to the structure in Fig. 1).
  • Fig. 5 shows an inventive micro-changeover relay. It contains all the features of such a MEMS, as related to Fig. 4 has been described.
  • the MEMS includes but one more third micro-element 1 'and two further fixed contacts 17', 18 '; and the second micro-element 2 has a further electrically conductive contact area 16 ', which on one side of the movable part 11 of the second Micro-element 2 is arranged, which is opposite to the side which the Contact area 16 has.
  • the third micro-element 1 'and the others Fixed contacts 17 ', 18' are with respect to the elongated movable Part 11 of the second micro-element 2 arranged in mirror image to the first micro-element 1 and the fixed contacts 17,18.
  • the arrangement needs not exactly mirror image; it is enough if the third micro-element 1 'in a region of the substrate S connected to the substrate is, on the side facing away from the first micro-element 1 side of the second Micro-element (2) is located and the other fixed contacts 17 ', 18' in a range of the substrate S are connected to the substrate on the den Fix contacts 17,18 opposite side of the second micro-element 2 is located.
  • the structure of the third micro-element 1 ' corresponds to the structure of the first Micro-element 1.
  • the other fixed contacts 17 ', 18' are similar designed as the fixed contacts 17,18.
  • the interaction between the third micro-element 1 'and the second micro-element (2) and the other fixed contacts (17 ', 18') corresponds the above-described interaction between the first micro-element 1 and the second micro-element 2 and the fixed contacts 17,18.
  • When applying appropriate switching voltages to the third micro-element 1 ' and the second micro-element 2 may be an electrically conductive connection between the other fixed contacts 17 ', 18' through the further contact area 16 'are created.
  • FIG. 6 shows a further MEMS according to the invention, which largely corresponds to the MEMS of FIG. 4. It contains the features of the MEMS Fig. 4, for which reference is made to the corresponding part of the description.
  • the electrode 9 of the first micro-element 1 is special here educated.
  • the electrode 9 has an (optionally stepped) recess on.
  • the electrode 9 comprises a gap-forming surface 1 2, which with respect to the first surface 3 of the first micro-element 1 stepped is set back. You can this electrode 9 as a stepped Designate electrode 9.
  • This MEMS will be attractive electrostatic Forces to switch from the switch-off position A 'to the switch-on position B' used.
  • the length of the gap and the width of the gap ie the Distance between the movable part 11 of the second micro-element 2 and the gap-forming surface 12
  • the course of the Width of the gap can be selected.
  • the length of the gap by about one order of magnitude, preferably by about two orders of magnitude greater than the width of the gap.
  • such a MEMS has the advantage that any problems that may arise when switching from the switch-on position B 'to the switch-off position A', by a slow or poor detachment of the movable part 11th of the second micro-element 2 of the electrode 9 (that is, more precisely: of the first surface 3), for example due to surface effects can occur can be reduced.
  • the (air) gap 13 allows a rapid detachment of the movable part 11 of the second micro-element 2 from the electrode 9 when switching from the on position B 'to the off position A ', while still in the on position B' large electrostatic Attractiveness between the first micro-element 1 and the second micro-element 2 act when the gap width accordingly was chosen low.
  • a further advantageous embodiment of the invention is shown. It largely corresponds to the embodiment shown in Fig. 6 and will be described starting therefrom.
  • the movable part 11 of the second Micro-element 2 is specially designed here. He has a first area 14 and a second region 15, wherein the first region 14 less stiff, so easier deformable, is formed as the second region 15th And the first area is between the fixed first end 10 of the second Micro-element 2 and the second region 15 is arranged.
  • the contact area 16 is advantageously arranged in the second region 15, in particular in the Area of the first area 15 opposite end of the second Area 16.
  • the second area 15 comprises at least those Area of the movable part 11, in which the movable part 11th and the second micro-element 2 do not face each other. Especially advantageous is a (slight) overlap of the second area 15 with the area of the movable part 11, in which the movable part 11 and the second Micro-element 2 face.
  • the second region 15 comprises Advantageously, at least even that portion of the movable Part 11, in which the movable part 11 and the gap-forming surface 12 face each other. Is particularly advantageous in this case, if the second area 15 also a (small) overlap with the first Surface 3 has.
  • the greater rigidity of the second region 15 with respect to the first region 14 is achieved in the embodiment of FIG. 7 in that the second region 15 is thicker or wider than the first region 14. It is also possible to make the second region 15 harder to bend make, for example, by applying a coating there; to the Example on a base of the straight prismatic body, the second region 15 forms, or on at least one of the side surfaces. through a corresponding (large, long) trained contact area, the As a coating is formed, this could be achieved.
  • Fig. 8 shows a further advantageous embodiment of the invention, namely a changeover relay, which except a Normally Open connection (NO connection) additionally also a Normally Closed connection (NC connection).
  • NO connection means that the connection is open when there is no appropriate switching voltage (opened without voltage), as in the above-mentioned embodiments (Fig. 4 to Fig. 7) is the case.
  • NC connections which are not required a suitable switching voltage are closed (dead closed), are, however, difficult to realize, and will be in this Embodiment realized.
  • here is an NC port in realized by means of DRIE structured MEMS.
  • the MEMS in Fig. 8 is a mirror image and includes a first micro-element 1, a third micro-element 1 ', a fourth micro-element 19 and a fifth micro-element 20, all of which are bistable switchable and one Stable initial position A (solid line) and stable working position B (shown in dashed lines). They are here as such formed bistable micro-Elerriente, as described in connection with FIG. 1 are described in more detail (two parallel, cosinus-shaped, connected in their midst Spring tongues). The position in which these micro-elements using DRIE be structured, is the initial position A.
  • the first micro-element 1 and the third micro-element 1 ' correspond to each other largely in their Function. They only consist of a switching part 5.
  • the fourth micro-element 19 and the fifth micro-element 20 also correspond to each other largely in their function. They each have a contacting electrode D, D '(for applying a signal to be switched, for example one electric current) and an electrically conductive contact electrode 21,22 on.
  • the conductivity of the contact electrodes 21,22 is preferably by produces a metallic coating.
  • the contact electrodes 21, 22 are elongated, finger-shaped and approximately in the middle 8 between the two Ends of the respective micro-element 19,20 on the respective micro-element 19,20 attached.
  • the MEMS still has two with the Substrate S connected Fixelektroden 17,18 on (to create another electric current to be switched).
  • the MEMS in Fig. 8 further comprises a second micro-element 2.
  • the second micro-element 2 is a monostable micro-element; it thus has only one stable position. It comprises a first fixed end 10 and a second fixed end 10 ', which ends 10, 10' on the substrate S are fixed, and one between these two fixed ends 10,10 ' arranged movable part 11.
  • the movable part 11 is as one, preferably Vibration-shaped, curved structure formed at the the two fixed ends 10,10 'of the second micro-element 2 is attached and an electrically conductive contact region 16.
  • the mobile one Part 11 further has a second surface 4, which is an optional one second coating 4b is formed, and which second surface 4 a first surface 3 of the first micro-element 1 faces is. The same applies to a fourth surface 4 'of the second micro-element 2 and a third surface 3 'of the third micro-element 1'.
  • the second surface 4 is between the first fixed end 10 and the Contact area 16 arranged.
  • the fourth surface 4 ' is between the second fixed end 10 'and the contact region 16 are arranged.
  • To the structuring of the second micro-element 2 is the movable Part 11 in the switch-off position A ', the stable position of the second Micro-element 2.
  • the bistable micro-elements 1,1 ', 19,20 Due to the existence of the already mentioned minimum distance between two are DRIE generated micro-elements or surfaces the bistable micro-elements 1,1 ', 19,20 from the second micro-element 2 spaced with at least such a minimum distance.
  • the optional non-conductive coatings 3b, 3b 'of the first or third micro-element 1,1 'and the optional electrically conductive Coatings of the contact electrodes 21, 22 are used in the context of inventive manufacturing method of the MEMS the bistable micro-elements 1,1 ', 19,20 switched from the initial position A in the working position B. This will change the distance between the micro elements or Surfaces smaller than said minimum distance; in Fig. 8 touch even the micro elements. In particular, both contact electrodes touch 21,22 the contact area 16.
  • the surfaces 3,4 and the surfaces 3 ', 4' also touch each other. This can already be done by applying relatively low switching voltages between the second micro-element. 2 and the first micro-element 1 and between the second micro-element 2 and the third micro-element 1 'sufficiently large electrostatic Attractive forces between the second micro-element 2 and the Micro-elements 1,1 'are generated, which cause a switching of the second Micro-element 2 from the switch-off position A 'to the switch-on position B' to lead.
  • Fig. 9 shows a changeover relay, which except a Normally Open connection (NO connection) additionally also a Normally Closed connection (NC connection).
  • NO connection Normally Open connection
  • NC connection Normally Closed connection
  • the MEMS is very similar in construction that described in Fig. 8; for corresponding features is based on the above Text directed.
  • the second micro-element 2 is not monostable here, but bistable executed. In particular, it has a structure with two parallel, cosinusoidal spring tongues connected in their middle, as described in detail in connection with FIG. 1. The two stable positions of the second micro-element 2 are the off position A 'and the switch-on position B'.
  • a big advantage of the bistability of the second micro-element 2 is that there is no applied switching voltage required to the second micro-element 2 in the off position A 'or the Hold position B '. After applying a suitable switching voltage and the switching process thereby caused to the other state A ', B' remains the second micro-element 2 automatically in this state FROM'. This allows each of the two pairs of contacts to which one switching signal is applied (Fixelektroden 17,18 or micro-elements 19,20) should be a NO connection or an NC connection.
  • the MEMS in Fig. 9 two more bistable switchable micro-elements on: the sixth micro-element 23 and the seventh micro-element 24. These are also here with two parallel, cosinusoid, built in their middle connected spring tongues and each have one (adapted) electrode 9. They are arranged in the region of the substrate S, which is on the side of the second micro-element 2, the Is remote micro-elements 1,1 '.
  • the micro-elements 23,24 act in analogous manner with the second micro-element 2 together as the micro-elements 1.1 '.
  • the second micro-element 2 has a sixth surface 26a and an eighth surface 26a ', which with a fifth Surface 25a (the sixth micro-element 23) or a seventh Surface 25a '(the seventh micro-element 24) cooperate.
  • the second micro-element 2 may be switched from the turn-on state B 'in FIG Off state A 'are switched.
  • Fig. 10a shows the MEMS in the state after structuring by means of DRIE: The first micro-element 1 is in the initial position A.
  • Fig. 10b shows the MEMS in a state in which the first micro-element 1 is in the working position B, and the second micro-element 2 is in the off state A '.
  • Fig. 10c shows the MEMS in a state in which the first micro-element 1 is in the working position B, and the second micro-element 2 in the On state B 'is located.
  • the first micro-element 1 after switching from the initial position A in the working position B comes closer than the given by DRIE minimum distance and the second micro-element 2 only (slightly) touched.
  • the movable part 11 of the second micro-element 2 is deformed in such a way that the electrically conductive contact region 16 of the second micro-element 2 the fixed contacts 17,18 conductively connects:
  • the NC port is closed. It becomes a dead, but detachable contact realized; in a structured using DRIE MEMS.
  • By switching the first micro-element 1 from the initial position A in the working position B is a switching operation of the second micro-element 2 caused. Since there is no switching voltage for it, is the second micro-element 2 after this switching operation in the Switch-off position A '.
  • one must suitable switching voltage between the first micro-element 1 and the second micro-element 2 are created.
  • the NC port is opened, and the second micro element 2 goes into the on state B '(see Fig. 10c).
  • the electrode 9 can be formed differently.
  • the electrode 9 and the micro-elements Arrange 1.2 to each other such that the points of contact between the two micro-elements 1,2, (when the first micro-element 1 in the working position A and the second micro-element 2 in the off position A 'is) lie substantially on a straight line with the middle 8 in the initial position A and the middle 8 in the working position.
  • This can be a achieved low mechanical stress of the first micro-element 1 be, while large contact forces on the fixed contacts 17,18 can be exercised (secure contacts).
  • a second pair of fixed contacts 17 ', 18' (not shown in Fig. 10) provide, these fixed contacts 17 ', 18' are to be arranged such that the contact region 16 of the second micro-element 2 these fixed contacts 17 ', 18' electrically conductively interconnects when the second micro-element 2 is in the switch-on position B '.
  • the movable part 11 of the second micro-element 2 are formed in two parts (analogous to the Embodiment of Fig. 7).
  • FIG. 11a and 11b show a possible embodiment in which the moving parts of the MEMS are substantially horizontally movable.
  • Fig. 11a is a sectional side view of that shown in Fig. 11b in plan view MEMS.
  • Fig. 11b with Xla-Xla, the line of the section is Fig. 11a shown.
  • the MEMS is a micro-relay with an NC connection.
  • the first micro-element 1 is here as a schwabungsbauchförmiges bistable formed elastically switchable micro-element, analogous to that in Fig. 2nd shown in the first micro-Efement 1.
  • the initial position A is the symmetrical Vibration belly arched away from the substrate S.
  • the second end 7 of the first micro-element 1 is formed here like a bridge. Thereby can be arranged below the antinode second micro-element 2 to outside the area between the first end 6 and second end 7 of the first micro-element 1 extend.
  • the first solid End 10 of the second micro-element 2 serves as a stop for the Formation of the asymmetric antinode of the first microelement 1 in working position B.
  • the movable part 11 of the second micro-element 2 runs initially (after structuring) substantially parallel to the major surface of the Substrate S. After switching the first micro-element 1 from the initial position A in the working position B exerts the first micro-element 1 a Compressive force on the movable part 11 of the second micro-element 2 from.
  • the second micro-element 2 is elastically deformed. It gets into his Off position A ', in softer one attached to the movable part 11 movable contact electrode E a fixed on the Sustrat S Fixelektrode 17 touched. This creates an NC connection between the moving Contact electrode E and the Fixelektrode 17. This generation of a NC connection is quite analogous to that in connection with the Fig. 10a to 10c described method.
  • the second micro-element 2 goes into the on state B 'over, in which the movable part 11 of the second micro-element 2 is bent away from the substrate and the NC port opened is.
  • the contacting electrodes C, C ' serve to apply Switching voltages.
  • contacting electrodes D, D ' The contacting electrode D, which is electrically is connected to the movable contact electrode E, here is on the first fixed end 10 of the second micro-element 2 is arranged. With the fixed contact 17 electrically connected contacting electrode D 'is on arranged the substrate S.
  • Fig. 11a, b Very advantageous in this embodiment of Fig. 11a, b is that the distance in the opened state between the movable contact electrode E. of the second micro-element 2 and the fixed contact 17 can be selected and manufacturing technology is very well reproducible. The same applies to the next Embodiments discussed above, provided that they are analogous to Fig. 11a, b with a movable contact electrode E performs.
  • a MEMS according to the invention is not only, as in the above examples, as Switch or relay executable. There are a variety of micro-actuators feasible. For example, inventive MEMS micro-valves or Represent or operate micro-pumps.
  • the substrate S used for producing a MEMS according to the invention is preferably formed fläching. It typically has one Main surface, which is structured to produce the MEMS, wherein the Movement of the moving parts of the MEMS substantially parallel or are movable perpendicular to this main surface.
  • this is
  • monocrystalline silicon is under mechanical stress standing bistable switchable micro-elements 1,1 ', 2,19,20,23,24 advantageously no or only very slowly taking place Relaxation to be expected.
  • an SOI wafer silicon-on-insulator
  • silicon oxide layer serves as a sacrificial layer
  • the mentioned structuring method is typically a material removal Method, preferably an etching method.
  • the LIGA technique or in particular the reactive ion etching and particularly advantageous the ion etching (DRIE) come here in question.
  • the DRIE method has the advantage very well suited to the production of areas that (relative to their subordinate vertical height) are closely spaced and practically perpendicular to the main surface of the substrate S run.
  • the material Apply are conceivable, for example, when so produced facing each other Surfaces due to the process have a minimum distance. For example using photopolymerization rapid prototyping method.
  • Electromagnetically or piezoelectrically actuated actuators will be realized.
  • the actuating forces can be repulsive or attractive be.
  • a bistable switchable micro-element according to the invention can also be tristable or otherwise multistable switchable. It is for some applications also not necessary that the micro-elements 1,1 ', 19,20,23,24 after the first switching from the initial position A to the working position B are also Mullschalbar in the initial position A are. One can also consider a one-time, for example plastic, deformation. However, the micro-elements 1,1 ', 19,20,23,24 are preferably bistable elastic switchable and switch back to the initial position A.
  • bistable micro-elements 1,1 ', 2,19,20,23,24 as the described cosinusoidal or as the described oscillation bulbous Forming micro-elements, these also being modified Form and combined within a MEMS are feasible.
  • the micro-elements can optionally be electrically conductive or electrically non-conductive coated.
  • a non-conductive coating Preferably, it serves to prevent discharges between each other touching electrostatic electrodes.
  • stopper or Springs are used, as they are already quoted from DE 198 00 189 A1 are known.
  • the contacting electrodes C, C ', D, D' can be produced in a known manner (for example by sputtering) and for example contactable by bonding.
  • the first switching of the first micro-element 1 and also the other bistable switchable micro-elements 1 ', 19,20,23,24 of the initial position A in the working position B as to the manufacturing process of the MEMS is considered.
  • This initial switching process can be done mechanically. Preferably, this switching operation but in Frame of a quality or functional test (burn-in) of the MEMS, whereby other units connected to the substrate are also tested or initialized.
  • the initial switching process can then preferably by creating an attractive force between the bistable Micro-element 1,1 ', 19,20,23,24 and the second micro-element 2 take place, this force advantageous by applying a switching chip he follows.
  • Such a switching voltage is typically higher than one Switching voltage for switching the second micro-element 2 between OFF position A 'and ON position B' is used.
  • the linear expansion of the described MEMS is typically between 0.2 mm and 5 mm, preferably 0.8 mm to 2 mm.
  • minimum distance minimum trench width
  • he has a low dependence on the Depth of the structured trench.
  • the depth of the structured trench 300 microns to 550 microns.
  • the switching voltages for the described MEMS are typically 10 V to 80 V, preferably 25 V to 50 V.
  • electrostatic attractions typically become Switching voltages between 70 V and 300 V, preferably between 100 V. and 200V used.

Description

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 F zwischen zwei parallelen Oberflächen der Fläche A im Abstand d bei Anliegen einer Schaltspannung U zwischen den beiden Oberflächen ist gegeben durch F = ε 0 ·A·U 2 /(2d 2 )
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. 98CH361 76, 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 übertappen. 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 Ionentiefätzen (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, weiche 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 weist 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 1 2, 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, weiche 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-Elerriente 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. 1 0b). 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 Xla-Xla 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-Efement 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 weicher 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 Mikro-Elementes
16,16'
Kontaktbereich des beweglichen Teils des zweiten Mikro-Elementes
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 Mikro-Elementes)
S
Substrat

Claims (23)

  1. Mikro-elektromechanisches System, umfassend ein Substrat (S) sowie ein erstes Mikro-Element (1) und ein zweites Mlkro-Element (2), wobei
    (a) das erste Mikro-Element (1) und das zweite Mikro-Element (2) mit dem Substrat (S) verbunden sind und
    (b) das erste Mikro-Element (1) eine erste Fläche (3a) aufweist und das zweite Mikro-Element (2) eine zweite Fläche (4a) aufweist, welche Flächen (3a,4a) einander zugewandt sind und durch ein Strukturierungsverfahren erzeugt sind,
    dadurch gekennzeichnet, (c) dass das zweite Mikro-Element (2) einen beweglichen Teil (11) aufweist,
    (d) dass das erste Mikro-Element (1) einen Schaltteil (5) beinhaltet, durch den es bistabil zwischen einer Initialposition (A) und einer Arbeitsposition (B) schaltbar ist, wobei
    (e) der Abstand zwischen der ersten Fläche (3a) und der zweiten Fläche (4a) in der Arbeitsposition (B) des ersten Mikro-Elementes (1) kleiner als ein durch das Strukturierungsverfahren erzeugbarer Minimalabstand zwischen der ersten Fläche (3a) und der zweiten Fläche (4a) ist.
  2. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    (a) dass das erste Mikro-Element (1) eine erste Oberfläche (3) aufweist, die gleich der ersten Fläche (3a) ist oder, wenn die erste Fläche (3a) mit einer ersten Beschichtung (3b) versehen ist, gleich der Oberfläche dieser Beschichtung (3b) ist, und
    (b) dass das zweite Mikro-Element (2) eine zweite Oberfläche (4) aufweist, die gleich der zweiten Fläche (4a) ist oder, wenn die zweite Fläche (4a) mit einer zweiten Beschichtung (4b) versehen ist, gleich der Oberfläche dieser Beschichtung (4b) ist.
  3. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 2, wobei
    (a) das zweite Mikro-Element (2) ein mit dem Substrat (S) fest verbundenes erstes festes Ende (10) sowie einen beweglichen Teil (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
    (b) dass die erste Oberfläche (3) und die zweite Oberfläche (4) elektrisch nichtleitend sind, und
    (c) dass die erste Oberfläche (3) und die zweite Oberfläche (4) in der Arbeitsposition (B) Berührungsstellen aufweisen, und
    (d) dass das zweite Mikro-Element (2) dadurch von einer Ausschaltposition (A') in eine Einschaltposition (B') schaltbar ist, dass in der Arbeitsposition (B) des ersten Mikro-Elementes (1) der bewegliche Teil (11) des zweiten Mikro-Elementes (2) durch elektrostatische Kräfte zwischen dem ersten Mikro-Element (1) und dem zweiten Mikro-Element (2) bewegbar ist.
  4. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 3, dadurch gekennzeichnet,
    (a) dass das erste Mikro-Elenlent (1) eine Elektrode (9) umfasst, welche Elektrode (9) die erste Oberfläche (3) beinhaltet, und
    (b) dass die Elektrode (9) und das zweite Mikro-Element (2) derart ausgebildet sind, dass sich in der Einschaltposition (B') des zweiten Mikro-Elementes (2) die erste Oberfläche (3) und die zweite Oberfläche (4) vollflächig berühren.
  5. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (9) eine spaltbildende Oberfläche (12) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sie stufenartig gegenüber der ersten Oberfläche (3) zurückversetzt ist und mit dem zweiten Mikro-Element (2) einen Spalt (13) einschliesst, wenn sich das erste Mikro-Element (1) in der Arbeitsposition (B) und sich das zweite Mikro-Element (2) in der Einschaltposition (B') befindet.
  6. Mikro-elektromechanisches System gemäss einem der Anprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil (11) des zweite Mikro-Elementes (2) einen ersten Bereich (14) und einen zweiten Bereich (15) aufweist, wobei der erste Bereich (14)
    zwischen dem zweiten Bereich (15) und dem ersten festen Ende (10) des zweiten Mikro-Elementes (2) angeordnet ist,
    einen Teil der zweiten Oberfläche (4) umfasst, und
    weniger steif ausgebildet ist als der zweite Bereich (15).
  7. Mikro-elektromechanisches System gemäss einem der Anprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
    (a) dass das mikro-elektromechanische System zwei fest mit dem Substrat verbundene Fixkontakte (17,18) aufweist, und
    (b) dass der bewegliche Teil (11) des zweiten Mikro-Elementes (2) einen elektrisch leitfähigen Kontaktbereich (16) aufweist,
    welcher Kontaktbereich (16) im Bereich eines dem ersten festen Ende (10) des zweiten Mikro-Elementes (2) gegenüberliegenden Endes des zweiten Mikro-Elementes (2) angeordnet ist, und
    durch welchen Kontaktbereich (16) in der Einschaltposition (B') des zweiten Mikro-Elementes (2) die beiden Fixkontakte (17,18) leitend miteinander verbunden sind.
  8. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 7, dadurch gekennzeichnet,
    (a) dass das mikro-elektromechanische System ein drittes Mikro-Element (1') umfasst,
    welches bistabil schaltbar ist,
    welches mit dem Substrat (S) verbunden ist, und
    welches in einem Bereich angeordnet ist, der auf der dem ersten Mikro-Element (1) abgewandten Seite des zweiten Mikro-Elementes (2) liegt, und
    (b) dass das mikro-elektromechanische System zwei weitere Fixkontakte (17',18') aufweist, welche weiteren Fixkontakte (17',18') mit dem Substrat (S) fest verbunden sind und in einem Bereich angeordnet sind, der auf der den Fixkontakten (17,18) abgewandten Seite des zweiten Mikro-Elementes (2) liegt,
    (c) dass der bewegliche Teil (11) des zweiten Mikro-Elementes (2) einen weiteren elektrisch leitfähigen Kontaktbereich (16') aufweist, welcher im Bereich eines dem ersten festen Ende (10) des zweiten Mikro-Elementes (2) gegenüberliegenden Endes des zweiten Mikro-Elementes (2), auf der dem Kontaktbereich (16) abgewandten Seite des zweiten Mikro-Elementes (2) angeordnet ist, und
    (d) wobei das dritte Mikro-Element (1') in analoger Weise mit dem zweiten Mikro-Element (2) und mit den weiteren Fixkontakten (17',18') zusammenwirkt wie das erste Mikro-Element (1) mit dem zweiten Mikro-Element (2) und mit den Fixkontakten (17,18) zusammenwirkt.
  9. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 6 und 7 oder gemäss Anpruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (16) im zweiten Bereich (15) des beweglichen Teils (11) des zweiten Mikro-Elementes (2) angeordnet ist.
  10. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    (a) dass das mikro-eiektromechanische System ein drittes Mikro-Element (1') umfasst, das
    mit dem Substrat (S) verbunden ist und
    eine dritte Fläche (3a') aufweist,
    (b) dass das zweite Mikro-Element (2) einen Schaltteil beinhaltet, welcher
    ein mit dem Substrat (S) fest verbundenes erstes festes Ende (10),
    ein mit dem Substrat (S) fest verbundenes zweites festes Ende (10'),
    einen zwischen diesen beiden festen Enden (10,10') angeordneten beweglichen Teil (11) und
    eine vierte Fläche (4a')
    aufweist, und
    (c) durch welchen Schaltteil das zweite Mikro-Element (2) zwischen einer Ausschaltposition (A') und einer Einschaltposition (B') schaltbar ist,
    wobei
    (d) der bewegliche Teil (11) des zweiten Mikro-Elementes (2) einen elektrisch leitfähigen Kontaktbereich (16) umfasst,
    (e) die zweite Fläche (4a) zwischen dem ersten festen Ende (10) und dem Kontaktbereich (16) angeordnet ist, und
    (f) die vierte Fläche (4a') zwischen dem zweiten festen Ende (10') und dem Kontaktbereich (16) angeordnet ist,
    (g) die dritte Fläche (3a') und die vierte Fläche (4a') durch das Strukturierungsverfahren erzeugt sind und einander zugewandt sind, und
    (h) dass das dritte Mikro-Element (1') einen Schaltteil beinhaltet, durch den es bistabil zwischen einer Initialposition (A) und einer Arbeitsposition (B) schaltbar ist, und
    (i) dass der Abstand zwischen der dritten Fläche (3a') und der vierten Fläche (4a') in der Arbeitsposition (B) des dritten Mikro-Elementes (1') kleiner als ein durch das Strokturierungsverfahren erzeugbarer Minimalabstand zwischen der dritten Fläche (3a') und der vierten Fläche (4a') ist.
  11. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 10, dadurch gekennzeichnet,
    (a) dass das dritte Mikro-Element (1') eine dritte Oberfläche (3') aufweist, die gleich der dritten Fläche (3a') ist oder, wenn die dritte Fläche (3a') mit einer dritten Beschichtung (3b') versehen ist, gleich der Oberfläche dieser Beschichtung (3b') ist, und
    (b) dass das zweite Mikro-Element (2) eine vierte Oberfläche (4') aufweist, die gleich der vierten Fläche (4a') ist oder, wenn die vierte Fläche (4a') mit einer vierten Beschichtung (4b') versehen ist, gleich der Oberfläche dieser Beschichtung (4b') ist.
  12. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 11, dadurch gekennzeichnet,
    (a) dass das mikro-elektromechanische System zwei fest mit dem Substrat (S) verbundene Fixkontakte (17,18) beinhaltet,
    (b) dass das zweite Mikro-Element (2) dadurch von seiner Ausschaltposition (A') in seine Einschaltposition (B') schaltbar ist, dass in der Arbeitsposition (B) des ersten Mikro-Elementes (1) und des dritten Mikro-Elementes (1') der bewegliche Teil (11) des zweiten Mikro-Elementes (2) durch elektrostatische Kräfte zwischen dem ersten Mikro-Element (1) und dem zweiten Mikro-Element (2) und zwischen dem dritten Mikro-Element (1') und dem zweiten Mikro-Element (2) elastisch bewegbar ist, und
    (c) dass in der Einschaltposition (B') des zweiten Mikro-Elementes (2) die beiden Fixkontakte (17,18) durch den Kontaktbereich (16) leitend miteinander verbunden sind.
  13. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 12, dadurch gekennzeichnet,
    (a) dass das mikro-elektromechanische System
    ein viertes Mikro-Element (19) und
    ein fünftes Mikro-Element (20)
    umfasst,
    (b) welche Mikro-Elemente (19,20)
    mit dem Substrat (S) in einem Bereich verbunden sind, der auf der den Fixkontakten (17,18) abgewandten Seite des zweiten Mikro-Elementes (2) liegt,
    Schaltteile beinhalten, durch die sie bistabil zwischen einer Initialposition (A) und einer Arbeitsposition (B) schaltbar sind, und
    je eine mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehene Kontaktelektrode (21,22) aufweisen, und
    (c) dass in der Ausschaltposition (A') des zweiten Mikro-Elementes (2) In der Arbeitsposition (B) des vierten Mikro-Elementes (19) und des fünften Mikro-Elementes (20) die beiden Kontaktelektroden (21,22) durch den Kontaktbereich (16) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
  14. Mikro-elektromechanisches System gemäss einem der Anprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Mikro-Element (2) bistabil elastisch zwischen seiner Ausschaltposition (A') und seiner Einschaltposition (B') schaltbar ist.
  15. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 14, dadurch gekennzeichnet,
    (a) dass das mikro-elektromechanische System
    ein sechstes Mikro-Element (23) und
    ein siebtes Mikro-Element (24)
    umfasst,
    (b) welche Mikro-Elemente (23,24)
    mit dem Substrat (S) verbunden sind,
    auf der Seite des zweiten Mikro-Elementes (2) angeordnet sind, die der zweiten Oberfläche (4) und vierten Oberfläche (4') abgewandt ist,
    Schaltteile beinhalten, durch die sie bistabil zwischen einer Initialposition (A) und einer Arbeitsposition (B) schaltbar sind,
    (c) dass das sechste Mikro-Element (23) eine fünfte Fläche (25a) aufweist,
    (d) dass das zweite Mikro-Element (2) eine sechste Fläche (26a) umfasst, die auf der der zweiten Oberfläche (4) abgewandten Seite des zweiten Mikro-Elementes (2) zwischen dem ersten festen Ende (10) und dem Kontaktbereich (16) angeordnet ist,
    (e) wobei die fünfte Fläche (25a) und die sechste Fläche (26a) einander zugewandt sind und durch das Strukturierungsverfahren erzeugt sind,
    (f) dass das siebte Mikro-Element (24) eine siebte Fläche (25a') aufweist,
    (g) dass das zweite Mikro-Element (2) eine achte Fläche (26a') umfasst, die auf der vierten Oberfläche (4') abgewandten Seite des zweiten Mikro-Elementes (2) zwischen dem zweiten festen Ende (10') und dem Kontaktbereich (16) angeordnet ist,
    (h) wobei die siebte Fläche (25a') und die achte Fläche (26a') einander zugewandt sind und durch das Strukturierungsverfahren erzeugt sind, und
    (i) dass der Abstand zwischen der fünften Fläche (25a) und der sechsten Fläche (26a) in der Arbeitsposition (B) des sechsten Mikro-Elementes (23) kleiner als ein durch das Strukturierungsverfahren erzeugbarer Minimalabstand zwischen der fünften Fläche (25a) und der sechsten Fläche (26a) ist, und
    (j) dass der Abstand zwischen der siebten Fläche (25a') und der achten Fläche (26a') in der Arbeitsposition (B) des siebten Mikro-Elementes (24) kleiner als ein durch das Strukturierungsverfahren erzeugbarer Minimalabstand zwischen der siebten Fläche (25a') und der achten Fläche (25a') ist, und
    (k) dass das zweite Mikro-Element (2) dadurch von seiner Einschaltposition (B') in seine Ausschaltposltion (A') schaltbar ist, dass in der Arbeitsposition (B) des sechsten Mikro-Elementes (23) und des siebten Mikro-Elementes (24) der bewegliche Teil (11) des zweiten Mikro-Elementes (2) durch elektrostatische Kräfte zwischen dem sechsten Mikro-Element (23) und dem zweiten Mikro-Element (2) und zwischen dem siebten Mikro-Element (24) und dem zweiten Mikro-Element (2) elastisch bewegbar ist.
  16. Mikro-elektromechanisches System gemäss einem der Anprüche 14 oder 15, wobei
    (a) das Substrat (S) als flächig ausgedehnter Festkörper mit einer Hauptfläche ausgebildet ist, und
    (b) die Mikro-Elemente (1,1',2,19,20,23,24) als gerade prismatische Körper ausgebildet sind, deren Grundflächen parallel zu der Hauptfläche ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet,
    (c) dass der bewegliche Teil (11) des zweiten Mikro-Elementes (2)
    als gerader prismatische Körper ausgebildet ist und
    lateral beweglich ist, und
    (d) dass die Grundfläche des den beweglichen Teil (11) bildenden geraden prismatischen Körpers
    entweder
    in der Ausschaltposition (A') die Form eines symmetrischen Schwingungsbauches und
    in der Einschaltposition (B') die Form eines asymmetrischen Schwingungsbauches aufweist,
    oder
    zwei parallele kosinusförmige Linien beschreibt, welche in der Mitte (8) zwischen ihren zwei Enden (6,7) miteinander verbunden sind.
  17. Mikro-elektromechanisches System gemäss einem der Anprüche 1 bis 16, wobei
    (a) das Substrat (S) als flächig ausgedehnter Festkörper mit einer Hauptfläche ausgebildet ist, und
    (b) die Mikro-Elemente (1,1',2,19,20,23,24) als gerade prismatische Körper ausgebildet sind, deren Grundflächen parallel zu der Hauptfläche ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet,
    (c) dass mindestens ein bistabil zwischen einer Initialposition (A) und einer Arbeitsposition (B) schaltbares Mikro-Element (1,1',2,19,20,23,24) vorhanden ist, dessen Schaltteil
    ein mit dem Substrat (S) fest verbundenes erstes festes Ende,
    ein mit dem Substrat (S) fest verbundenes zweites festes Ende und
    einen zwischen diesen beiden festen Enden angeordneten beweglichen Teil
    beinhaltet,
    (d) welcher bewegliche Teil
    als gerader prismatische Körper ausgebildet ist und
    lateral beweglich ist, und
    (e) dass die Grundfläche des den beweglichen Teil bildenden geraden prismatischen Körpers
    entweder
    in der Ausschaltposition (A') die Form eines symmetrischen Schwingungsbauches und
    in der Einschaltposition (B') die Form eines asymmetrischen Schwingungsbauches aufweist
    oder
    zwei parallele kosinusförmige Linien beschreibt, welche in der Mitte zwischen ihren zwei Enden miteinander verbunden sind.
  18. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
    der bewegliche Teil (11) des zweiten Mikro-Elementes (2) durch Schalten des ersten Mikro-Etementes (1) von der Initialposition (A) in der Arbeitsposition (B) elastisch verformbar ist.
  19. Mikro-elektromechanisches System gemäss Anpruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass
    (a) dass das mikro-etektromechanische System zwei fest mit dem Substrat verbundene Fixkontakte (17,18) aufweist, und
    (b) dass der bewegliche Teil (11) des zweiten Mikro-Elementes (2) einen elektrisch leitfähigen Kontaktbereich (16) aufweist,
    welcher Kontaktbereich (16) im Bereich eines dem ersten festen Ende (10) des zweiten Mikro-Elementes (2) gegenüberliegenden Endes des zweiten Mikro-Elementes (2) angeordnet ist, und
    durch welchen Kontaktbereich (16) in der Ausschaltposition (A') des zweiten Mikro-Elementes (2) die beiden Fixkontakte (17,18) leitend miteinander verbunden sind.
  20. Mikro-elektromechanisches System gemäss einem der Anprüche 1 bis 9 oder 18 oder 19, wobei
    (a) das Substrat (S) als flächig ausgedehnter Festkörper mit einer Hauptfläche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
    (b) dass der Schaltteil (5) des ersten Mikro-Elementes (1) horizontal beweglich ist, und
    (c) dass der bewegliche Teil (11) des zweiten Mikro-Elementes (2) horizontal beweglich ist.
  21. Verfahren zur Herstellung eines mikro-elektromechanischen Systems, in welchem Verfahren
    (a) aus einem Substrat (S) ein erstes mit dem Substrat verbundenes Mikro-Element (1) erzeugt wird, und
    (b) aus einem Substrat ein zweites mit dem Substrat verbundenes Mikro-Element (2) erzeugt wird, und
    (c) unter Einsatz eines Strukturierungsverfahrens eine erste Fläche (3a) des ersten Mikro-Elementes (1) und eine zweite Fläche (4a) des zweiten Mikro-Elementes (2) geformt werden, welche Flächen (3a,4a) einander zugewandt und voneinander beabstandet sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    (d) dass das zweite Mikro-Element (2) derart geformt wird, dass es einen beweglichen Teil (11) aufweist,
    (e) dass das erste Mikro-Element (1) derart geformt wird, dass
    es sich in einer Initialposition (A) befindet,
    es bistabil von der Initialposition (A) in eine Arbeitsposition (B) schaltbar ist, wobei der Abstand der ersten Fläche (3a) von der zweite Fläche (4a) in der Arbeitsposition (B) kleiner ist als ein durch das Strukturierungsverfahren erzeugbarer Minimalabstand zwischen der ersten Fläche (3a) und der zweite Fläche (4a), und
    (f) dass nach Formung der ersten Fläche (3a) und der zweiten Fläche (4a) durch das Strukturierungsverfahren das erste Mikro-Element (1) in die Arbeitsposition (B) geschaltet wird.
  22. Herstellungsverfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umschalten des ersten Mikro-Elementes (1) in die Arbeitsposition (B) die erste Fläche (3a) des ersten Mikro-Elementes (1) mit einer ersten elektrisch leitenden oder elektrisch nichtleitenden Beschichtung (3b) versehen wird,
    und/oder
    die zweite Fläche (4a) des zweiten Mikro-Elementes (2) mit einer zweiten elektrisch leitenden oder elektrisch nichtleitenden Beschichtung (4b) versehen wird.
  23. Herstellungsverfahren gemäss einem der Ansprüche 21 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eines der mikro-elektromechanischen Systeme gemäss einem der Ansprüche 1 bis 20 hergestellt wird.
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