EP1468436B1 - Micro-electromechanical system and method for production thereof - 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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- H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
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- 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.
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
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.
- to a micro-electro-mechanical system according to the preamble of
claim 1 and also - to a method for producing a micro-electro-mechanical system according to the preamble of claim 21.
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.Such, the preamble of
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.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. To a short circuit, that is an electrical Contact between the movable electrode and the counter electrode To avoid, 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. For the same purpose 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. In addition, for the same purpose also the the counter electrode facing surface of the movable electrode with be provided an electrically insulating layer.
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
Die Kraft nimmt also linear mit der Fläche, quadratisch mit der Spannung und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zu.The force thus decreases linearly with the surface, square with the stress and inversely proportional to the square of the distance.
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.The disclosed in the cited DE 198 00 189 A1 microsystem was under Use of a Siliziumtiefenätzprozesses generated from the carrier substrate. In this case, after applying a mask to the carrier substrate in the places where the mask is open, etched material from the carrier substrate. Resulting trenches or etch channels that at least have a characteristic of the etching minimum width.
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.In order to achieve a mobility of the free end of the movable electrode, a sacrificial shift process is applied, which is the free end of the mobile Electrode separates from the carrier substrate. For this purpose, one in the carrier substrate below the moving parts of the micromechanical switch arranged sacrificial layer selectively removed by an etching process, wherein the sacrificial layer at sites where connection to the substrate is desired is, as at the counter electrode, the fixed contact piece and the fixed end of the movable electrode.
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. 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.
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 DE 197 36 674 C1 is also a micro-electromechanical relay and discloses a method of manufacturing which operates horizontally. One movable contact is on an anchor tongue fixed on one side to a substrate attached, which is curved away from the substrate in the resting state. To generate a high contact force this contact acts with a Fixed contact together, which at a likewise curved away from the substrate Spring tongue is attached. The curvature of the contacts is through realized the application of a tensile layer on both contacts. Achieving a high reproducibility of such a curvature generated the contacts and thus the contact distances in the idle state (opened) is not easy to manufacture.
In US 5'638'946 und US 6'057'520 sind weitere horizontal arbeitende MEMS Schalter beschrieben.In US 5'638'946 and US 6'057'520 are further horizontally operating MEMS Switch described.
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.J. Qiu et al., "A Centrally-Clamped Parallel-Beam Bistable MEMS Mechanism." Proc. of MEMS 2001, Interlaken, Switzerland, Jan. 20-22, 2001, shows a bistable switchable micro-electro-mechanical mechanism. This one exists from two parallel spring tongues or membranes suspended on both sides, which describe a cosinusoidal course. In the middle are the spring tongues connected to each other, and at their ends they are on a support substrate set. This bistable micro-element is by means of ion etching and sacrificial layer technology generated from the silicon carrier substrate, so that the spring tongues are laterally movable and two stable states be shown. 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. On the one hand elastic mobility and on the other hand mechanical To achieve stability of the micro-element, the 3 mm long spring tongues only 10 μm to 20 μm wide, but 480 μm high.
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.Other laterally movable micro-electromechanical mechanisms are in M. Taher, A. Saif, "On a Tunable Bistable MEMS - Theory and Experiment", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, 157-170 (June 2000).
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. In US 5'677'823 is an electrostatically switchable bistable memory element discloses which works horizontally. A substantially parallel to one Carrier substrate aligned, bridge-like movable contact is above arranged by a fixed contact connected to the carrier substrate. At its two ends is the movable contact on the carrier substrate fixed while standing in the middle of the carrier substrate arched away (first stable position) or in the direction of the carrier substrate is curved (second stable position). Touch in the second stable position the movable contact and the fixed contact: the switch is closed. In the first stable position, the switch is open. The bistability of the switch results from mechanical stresses, which at the manufacture of the switch are introduced into the movable contact. Also below the moving contact are side by side Fixed contact two electrodes arranged. By applying electrical Strains on the movable contact and these electrodes can Contact and electrodes are charged electrically, so that electrostatic Attraction or repulsion forces between them, through which the switch between the two stable positions back and can be switched.
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.Another horizontally operating bistable MEMS mechanism is in Sun. et al., "A Bistable Microrelay Based on Two-Segment Multimorph Cantilevers Actuators ", IEEE Catalog No. 98CH361 76.
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.It is therefore an object of the invention to provide a microelectromechanical system
(MEMS) of the type mentioned, which is a more flexible
MEMS design allows. In particular, an improved switchability
and new functionalities are possible. This task is solved by a MEMS
with the features of
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.Furthermore, it is an object of the invention to provide an improved process for the preparation of MEMS to create. This task triggers a procedure with the Features of claim 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.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.
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.
- the first micro-element and the second micro-element are connected to the substrate,
- the first micro-element has a first surface and the second micro-element has a second surface which surfaces face each other and are produced by a structuring method,
- the first micro-element includes a switching part by which it is switchable bistable between an initial position and a working position, and
- the distance between the first surface and the second surface in the working position of the first micro-element is smaller than a minimum distance between the first surface and the second surface that can be generated by the structuring method.
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.So there is a first, between the two stable positions initial position and work position switchable micro-element so in conjunction with a second micro-element used that the first micro-element after Switching from the initial position to the working position a lower one Distance to the second micro-element than in the initial position. Both micro-elements are connected to the substrate and used a structuring process generated. The mentioned smaller distance in According to the invention, the working position is smaller than one for the structuring method characteristic minimum distance between the two micro-elements.
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 this way it is achieved that new degrees of freedom in the design of MEMS are obtained because process-related boundary conditions be overcome. Various micro actuators can be new or be realized easier or in an improved form.
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.In a preferred embodiment of the subject invention has 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.
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.This makes it possible to produce electro-statically operating actuators, their electrostatically switchable electrodes (electrode and counter electrode) touching each other. The small or vanishing achieved Electrode gaps result in improved switchability. A switching of the actuator at very low switching voltages is possible.
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.In a further advantageous embodiment of the subject invention In addition, 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. In 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.
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 a further advantageous embodiment, 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. On This way, a force can be applied to the second micro-element in its on position able to exercise, tailor made and very large be dimensioned by the length, width and height of the gap becomes. 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.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Wechselschaltrelais realisiert.In a further preferred embodiment, a changeover relay realized.
In anderen vorteilhaften Ausführungsformen - des Erfindungsgegenstandes werden Relais oder Wechselschaltrelais mit spannunglos geschlossenen Anschlüssen realisiert.In other advantageous embodiments - the subject invention become relays or changeover relays with volt-free connections realized.
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.In particular, in a preferred embodiment, 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.
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.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.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und den Figuren hervor. Further preferred embodiments are defined in the dependent claims and the figures.
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;
- Fig. 1
- a schematic representation of an inventive MEMS with cosinusoidal bistable element, in plan view;
- Fig. 2
- a schematic representation of an inventive MEMS with schwingungsbauchförmigem bistable element, in plan view;
- Fig. 3
- a schematic representation of an inventive MEMS with cosinusoidal bistable element and matched counter electrode, in plan view;
- Fig. 4
- a schematic representation of an inventive micro-relay with cosinusoidal bistable element and matched counter electrode, in supervision;
- Fig. 5
- a schematic representation of an inventive micro-changeover relay with two cosinusoidal bistable elements and matched counter electrode, in plan view;
- Fig. 6
- a schematic representation of an inventive micro-relay with cosinusoidal bistable element and stepped counter electrode, in plan view;
- Figure 7
- a schematic representation of an inventive micro-relay with cosinusoidal bistable element and stepped counter electrode and two-part moving part of the second micro-element, in plan view;
- Fig. 8
- a schematic representation of an inventive switching relay with monostable second micro-element and NO and NC ports, in plan view;
- Fig. 9
- a schematic representation of an inventive switching relay with bistable second micro-element and NO and NC connections, in supervision;
- Fig. 10a
- a schematic representation of an inventive micro-relay with NC port, state: first micro-element in initial position; in supervision;
- Fig. 10b
- a schematic representation of an inventive micro-relay with NC connection, state: first micro-element in working position, second micro-element in the off position; in supervision;
- Fig. 10c
- a schematic representation of a micro-relay according to the invention with NC connection, state: first micro-element in working position, second micro-element in the on position; in supervision;
- Fig. 11a
- a schematic representation of an inventive horizontal working micro-relay with NC port, sectional side view;
- Fig. 11b
- a schematic representation of an inventive horizontal working micro-relay with NC port, in supervision;
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.The reference numerals used in the drawings and their meaning are listed in the list of references summarized. in principle In the figures, parts which have the same effect are given the same reference numerals.
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.Fig. 1 shows a schematic plan view of a first according to the invention
microelectromechanical system (MEMS). It includes a
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.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. Using ionic charges
(DRIE, dry reactive ion etching) and sacrificial layer technology
the
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.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. The
means that there is one through the structuring process (for example, DRIE)
given minimum producible trench width. For the two surfaces,
which form the lateral boundaries of such a trench, there are
thus a minimum distance. Details, such as ion bombardment and sacrificial shelling technology
the
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.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. Such Thus, 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. In addition, typically the height of such Micro-element (perpendicular to the main surface) 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.
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.The
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.The
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.The
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.The
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.After forming the
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.The initial position A of the
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. The MEMS in Fig. 1 represents a microactuator, that of the
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.The operation of the microactuator when it is in working position B,
is essentially known from the prior art: On the first fixed
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. As can be seen from equation (1), 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.
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.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
Das bistabil schaltbare erste Mikro-Element 1 wird als eine elektrostatische
Elektrode oder Gegenelektrode eingesetzt.The bistable switchable
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.The embodiment in Fig. 1 has been described in great detail. Out For clarity and clarity, below are some of already mentioned details of the operation of the inventive MEMS, which should now have become clear to the skilled person, not anymore extra mentioned.
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.Fig. 2 shows a MEMS which largely corresponds to the MEMS of Fig. 1; Indeed
is the
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).In the initial position A, ie in the state in which the
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.As in the embodiment of FIG. 1, the
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.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
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.Since the
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.Fig. 4 shows a MEMS, which represents a micro-relay. The embodiment
corresponds largely to that of FIG. 3. It also includes a (adapted)
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.Furthermore, the MEMS comprises two fixed on the substrate S, electrically
conductive
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.Very beneficial to this, but also to the embodiments discussed below
is that the distance in the open state between the
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.The
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). It is also possible (not shown) to arrange the fixed
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.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. In addition, the MEMS includes but one more
third micro-element 1 'and two further fixed contacts 17', 18 '; and the
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.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
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.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.
However, the
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.Furthermore, 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
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.In Fig. 7, 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
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.The greater rigidity of the
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.By the two different
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).The above features can of course also apply mutatis mutandis to the above and on the embodiments described below (FIGS. 1 to 6 and 8 to 11 b).
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.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. In particular, here is an NC port in realized by means of DRIE structured MEMS.
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).The MEMS in Fig. 8 is a mirror image and includes a
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'. The MEMS in Fig. 8 further comprises a
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.The
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.Due to the existence of the already mentioned minimum distance between
two are DRIE generated micro-elements or surfaces
the
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
17,18 verzichten und hat dann ein NC-Anschluss-Mikro-Relais.Fixkontakte - Man kann auf die Mikro-
19,20 verzichten und hat dann ein NO-Anschluss-Mikro-Relais.Elemente - Wenn auf die
17,18 oder auf die Mikro-Fixkontakte 19,20 verzichtet wird, reicht es,Elemente 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 Schaltteilsden 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 17,18 abgewandten Seite des zweiten Mikro-den Fixkontakten 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.
- It is possible to construct the MEMS not mirror-symmetric.
- You can do without the fixed
17,18 and then has a NC connection micro-relay.contacts - One can dispense with the micro-elements 19,20 and then has a NO terminal micro-relay.
- If the fixed
17, 18 or the micro-elements 19, 20 are omitted, it is sufficient if thecontacts contact region 16 of thesecond micro-element 2 is only electrically conductive on one side. - The
microelements 1, 1 'can be provided with (adapted, optionally stepped) electrodes 9 (see FIGS. 3 to 7). - It is possible to form the contacting
electrodes 21, 22 differently; or completely dispense with them and then contact thecontact part 16 of thesecond micro-element 2 by means of the preferably electrically conductive coated switching part. - It is possible to arrange the
microelements 1, 1 'on the other side of thesecond microelement 2, that is to say in the region of the substrate S which lies on the side of thesecond microelement 2 facing away from the fixed 17, 18. Then the micro-relay can be switched by electrostatic repulsive forces.contacts - It is also possible to arrange the
first micro-element 1 in a different area (of the substrate S, with respect to the second micro-element 2) than the third micro-element 1 '. - It is possible to dispense with the third micro-element 1 'and to use only the
first micro-element 1 as electrostatic counterelectrode to thesecond micro-element 2 as a movable electrode.
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.Fig. 9 shows a changeover relay, which except a Normally Open connection
(NO connection) additionally also a Normally Closed connection
(NC connection). The MEMS is very similar in construction
that described in Fig. 8; for corresponding features is based on the above
Text directed. However, the
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.In addition, the MEMS in Fig. 9, two more bistable switchable micro-elements
on: the
Es sind mehrere vorteilhafte Modifikationen dieser Ausführungsform denkbar:
- Es ist möglich, das MEMS nicht spiegelsymmetrisch aufzubauen.
- Man kann auf die
17,18 verzichten.Fixkontakte - Man kann auf die Mikro-
19,20 verzichten.Elemente - Wenn auf die
17,18 oder auf die Mikro-Fixkontakte 19,20 verzichtet wird, reicht es,Elemente 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-
23,24Elemente ohne angepasste Elektroden 9 einsetzen. - Man kann die Kontaktierungselektroden der Mikro-
19,20 anders ausbilden; oder ganz auf sie verzichten und dann mittels des vorzugsweise elektrisch leitend beschichteten SchaltteilsElemente 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-
1,1',23,24 verzichten; insbesondere auf die diagonal einander gegenüberleigenden Mikro-Elemente 1,24 oder die Mikro-Elemente Elemente 1',23. - Wenn ein Schaltvorgang durch Zusammenwirken mindestens zweier Mikro-
1,1',23,24 mit dem zweiten Mikro-Elemente 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 17,18 oder das vierte und/oder fünfte Mikro-Fixkontakte 19,20 derart angeordnet, dass mindestens einer von diesen für die Asymmetrische Ausbildung des Schwingungsbauches sorgt.Element
- It is possible to construct the MEMS not mirror-symmetric.
- You can do without the fixed
17,18.contacts - One can do without the micro-elements 19,20.
- If the fixed
17, 18 or the micro-elements 19, 20 are omitted, it is sufficient if thecontacts contact region 16 of thesecond micro-element 2 is only electrically conductive on one side. - The
microelements 1, 1 'can be provided with (adapted, optionally stepped) electrodes 9 (see FIGS. 3 to 7). - You can use the micro-elements 23,24 without matched
electrodes 9. - It is possible to form the contacting electrodes of the
19, 20 differently; or completely dispense with them and then contact themicroelements contact part 16 of thesecond micro-element 2 by means of the preferably electrically conductive coated switching part. - It is possible to switch the micro-relay by electrostatic repulsive juices; or to switch it by means of electrostatic repulsive forces and electrostatic attraction forces.
- One can do without one, two or three of the
1,1 ', 23,24; in particular on the diagonally opposingmicro-elements 1,24 or the micro-elements 1 ', 23rdmicro-elements - When a switching operation is produced by interaction of at least two
1, 1 ', 23, 24 with themicroelements second microelement 2, it is particularly advantageous if at least one of the corresponding switching voltages is delayed with respect to at least one of the other switching voltages is created. Thereby, the movement which themovable part 11 of thesecond micro-element 2 makes in the switching operation can be promoted. In particular, the asymmetrical movement of the two parallel, cosinusoidally curved spring tongues of thesecond microelement 2 can be borne. It is also possible to use correspondingly adapted temporal switching voltage profiles. - If a schwingungsbauchförmiges is used instead of a cosinusoidal bistable
second micro-element 2, the fixed 17,18 or the fourth and / or fifth micro-element 19,20 are advantageously arranged such that at least one of these provides for the asymmetric formation of the antinode ,contacts
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.10a to 10c show a further advantageous embodiment of the
Invention in different positions. This MEMS is about
a micro-relay with an NC connector, which in general only
difficult to realize. The MEMS is based on that shown in Fig. 4
Embodiment described as it is the same components
having. Fig. 10a shows the MEMS in the state after structuring
by means of DRIE: The
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).Unlike the embodiments discussed above, it is
here so that the
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).In combination with features mentioned above can be found on the
Basis of the figures 10a-10c further advantageous embodiments
be created. In particular, it is possible to dispense with the
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). It is also advantageous, in analogy to the embodiment shown in FIG. 5,
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
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.In the above, only laterally working MEMS were discussed. But it is also possible, the described MEMS (in a similar form) as to build horizontal working MEMS. The preparation then becomes typical not used DRIE, but it is more likely to others from the MEMS or semiconductor technology known methods, such as for example, in the already mentioned US Pat. Nos. 5,638,946, US 5,677,823 or DE 42 05 029 C1 be mentioned. The revelation These patents are therefore hereby incorporated into the present specification added.
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.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. In Fig. 11b, with Xla-Xla, the line of the section is Fig. 11a shown. The MEMS is a micro-relay with an NC connection.
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.The
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.The
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.Be suitable switching voltages between the two micro-elements
1.2 applied, the
Andere erfindungsgemässe MEMS, wie beispielsweise die weiter oben beschriebenen MEMS, sind ebenfalls als horizontal arbeitende MEMS realisierbar.Other inventive MEMS, such as those described above MEMS can also be realized as horizontally operating MEMS.
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.An arrangement with a
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.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
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.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.
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.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. Preferably, this is
Substrate S made of a semiconductor material, in particular silicon, which is advantageous
monocrystalline and particularly advantageous (for a sufficient electrical
Conductivity) is also doped. In monocrystalline silicon is under
mechanical stress standing bistable
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. In particular, an SOI wafer (silicon-on-insulator) can be used, consisting of three substrate-parallel layers of silicon-silicon-silicon. there the silicon oxide layer serves as a sacrificial layer.
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.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. For the production laterally working MEMS is good for DRIE. But also procedures, 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.
Ausser elektrostatisch betätigbaren Aktoren können erfindungsgemäss beispielsweise auch elektromagnetisch oder piezoeklektrisch betätigbare Aktoren realisiert werden. Die betätigenden Kräfte können abstossend oder anziehend sein.Except electrostatically actuated actuators according to the invention, for example Electromagnetically or piezoelectrically actuated actuators will be realized. The actuating forces can be repulsive or attractive be.
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.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
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.Depending on the purpose, 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. For example, as an alternative or additional protection against such discharges may 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.
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. For the manufacturing process for the inventive MEMS is to be noted
that the first switching of the
Die genannten Merkmale können gemeinsam oder auch einzeln oder in beliebiger Kombination vorteilhaft sein.The features mentioned can be used together or individually or in any Combination be beneficial.
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 nmThe linear expansion of the described MEMS is typically between
0.2 mm and 5 mm, preferably 0.8 mm to 2 mm. For DRIE as structuring method
is the mentioned minimum distance (minimum trench width)
about 5 μm to 15 μm; he has a low dependence on the
Depth of the structured trench. Typically, the depth of the
structured trench 300 microns to 550 microns. By switching from the initial position
A in the working position B, the corresponding distance to typically
reduced to zero or 0.1 μm to 1 μm. Layer thicknesses of the electric
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. The switching voltages for the described MEMS (switching between switch-off position A 'and switch-on position B') are typically 10 V to 80 V, preferably 25 V to 50 V. When the first switching of the bistable Micro-elements from the initial position A to the working position electrostatic attractions, typically become Switching voltages between 70 V and 300 V, preferably between 100 V. and 200V used.
- 11
- erstes Mikro-Elementfirst micro-element
- 1'1'
- drittes Mikro-Elementthird micro-element
- 22
- zweites Mikro-Elementsecond micro-element
- 33
- erste Oberfläche (des ersten Mikro-Elementes); der zweiten Oberfläche zugewandtfirst surface (of the first micro-element); the second surface facing
- 3a3a
- erste Fläche (des ersten Mikro-Elementes); der zweiten Fläche zugewandtfirst surface (of the first micro-element); facing the second surface
- 3b3b
- erste Beschichtung (der ersten Fläche)first coating (the first surface)
- 3'3 '
- dritte Oberfläche (des dritten Mikro-Elementes); der vierten Oberfläche zugewandtthird surface (of the third micro-element); the fourth surface facing
- 3a'3a '
- dritte Fläche (des dritten Mikro-Elementes); der vierten Fläche zugewandtthird surface (of the third micro-element); facing the fourth surface
- 3b'3b '
- dritte Beschichtung (der dritten Fläche)third coating (the third surface)
- 44
- zweite Oberfläche (des zweiten Mikro-Elementes); der ersten Oberfläche zugewandtsecond surface (of the second micro-element); the first Facing the surface
- 4a4a
- zweite Fläche (des zweiten Mikro-Elementes); der ersten Fläche zugewandtsecond surface (of the second micro-element); the first surface facing
- 4b4b
- zweite Beschichtung (der zweiten Fläche)second coating (the second surface)
- 4'4 '
- vierte Oberfläche (des zweiten Mikro-Elementes); der dritten Oberfläche zugewandtfourth surface (of the second micro-element); the third surface facing
- 4a'4a '
- vierte Fläche (des zweiten Mikro-Elementes); der dritten Fläche zugewandtfourth surface (of the second micro-element); facing the third surface
- 4b'4b '
- vierte Beschichtung (der vierten Fläche)fourth coating (the fourth surface)
- 55
- Schaltteil des ersten Mikro-ElementesSwitching part of the first micro-element
- 66
- erstes Ende des ersten Mikro-Elementesfirst end of the first micro-element
- 77
- zweites Ende des des ersten Mikro-Elementes second end of the first micro-element
- 88th
- Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des ersten Mikro-ElementesMiddle between the first and second ends of the first micro-element
- 99
- (angepasste) Elektrode des ersten Mikro-Elementes(adapted) electrode of the first micro-element
- 1010
- erstes festes Ende des zweiten Mikro-Elementesfirst fixed end of the second micro-element
- 10'10 '
- zweites festes Ende des zweiten Mikro-Elementessecond fixed end of the second micro-element
- 1111
- beweglicher Teil des zweiten Mikro-Elementesmovable part of the second micro-element
- 1212
- spaltbildende Oberflächeslit-forming surface
- 1313
- Spaltgap
- 1414
- erster Bereich des beweglichen Teils des zweiten Mikro-Elementesfirst region of the movable part of the second micro-element
- 1515
- zweiter Bereich des beweglichen Teils des zweiten Mikro-Elementessecond area of the movable part of the second micro-element
- 16,16'16.16 '
- Kontaktbereich des beweglichen Teils des zweiten Mikro-ElementesContact area of the movable part of the second micro-element
- 17,1817.18
- FixkontakteFixkontakte
- 17',18'17 ', 18'
- FixkontakteFixkontakte
- 1919
- viertes Mikro-Elementfourth micro-element
- 2020
- fünftes Mikro-Elementfifth micro-element
- 21,2221.22
- Kontaktelektrodecontact electrode
- 2323
- sechstes Mikro-Elementsixth micro-element
- 2424
- siebtes Mikro-Elementseventh micro-element
- 25a25a
- fünfte Fläche (des sechsten Mikro-Elementes); der sechsten Fläche zugewandtfifth surface (of the sixth micro-element); the sixth area facing
- 25a'25a '
- siebte Fläche (des siebten Mikro-Elementes); der achten fläche zugewandtseventh surface (of the seventh micro-element); facing the eighth surface
- 26a26a
- sechste Fläche (des zweiten Mikro-Elementes); der fünften Fläche zugewandtsixth surface (of the second micro-element); the fifth surface facing
- 26a'26a '
- achte Fläche (des zweiten Mikro-Elementes); der fünften Fläche zugewandteighth surface (of the second microelement); the fifth surface facing
- AA
- Initialpositioninitial position
- BB
- Arbeitsposition working position
- A'A '
- Ausschaltposition (des zweiten Mikro-Elementes)Switch-off position (of the second micro-element)
- B'B '
- Einschaltposition (des zweiten Mikro-Elementes)Switch-on position (of the second micro-element)
- C,C'C, C '
- Kontaktierungselektrodencontacting electrodes
- D,D'D, D '
- Kontaktierungselektrodencontacting electrodes
- Ee
- bewegliche Kontaktierungselektrode (des zweiten Mikro-Elementes)movable contacting electrode (of the second micro-element)
- SS
- Substratsubstratum
Claims (23)
- Micro-electromechanical system, comprising a substrate (S) and a first micro-element (1) and a second micro-element (2),(a) the first micro-element (1) and the second micro-element (2) being connected to the substrate (S) and(b) the first micro-element (1) having a first face(3a) and the second micro-element (2) having a second face (4a), which faces (3a, 4a) are facing each other and are produced by a patterning process,(c) in that the second micro-element (2) comprises a movable part (11),(d) in that the first micro-element (1) incorporates a switching part (5), by which it can be switched in a bistable manner between an initial position (A) and an operating position (B),(e) the distance between the first face (3a) and the second face (4a) in the operating position (B) of the first micro-element (1) being less than a minimum distance between the first face (3a) and the second face (4a) that can be produced by the patterning process.
- Micro-electromechanical system according to Claim 1, characterized in that(a) the first micro-element (1) has a first surface (3), which is one and the same as the first face (3a) or, if the first face (3a) is provided with a first coating (3b), one and the same as the surface of this coating (3b), and(b) in that the second micro-element (2) has a second surface (4), which is one and the same as the second face (4a) or, if the second face (4a) is provided with a second coating (4b), is one and the same as the surface of this coating (4b).
- Micro-electromechanical system according to Claim 2,(a) the second micro-element (2) having a first fixed end (10), which is firmly connected to the substrate (S), and a movable part (11),
characterized(b) in that the first surface (3) and the second surface (4) are electrically non-conducting, and(c) in that, in the operating position (B), the first surface (3) and the second surface (4) have contact points, and(d) in that the second micro-element (2) can be switched from an off position (A') into an on position (B') by means of that, in the operating position (B) of the first micro-element (1), the movable part (11) of the second micro-element (2) can be moved by electrostatic forces between the first micro-element (1) and the second micro-element (2). - Micro-electromechanical system according to Claim 3, characterized(a) in that the first micro-element (1) comprises an electrode (9), which electrode (9) incorporates the first surface (3), and(b) in that the electrode (9) and the second micro-element (2) are formed in such a way that, in the on position (B') of the second micro-element (2), the first surface (3) and the second surface (4) are in full surface-area contact.
- Micro-electromechanical system according to Claim 4, characterized in that the electrode (9) has a gap-forming surface (12), which is formed in such a way that it is set back in a step-like manner with respect to the first surface (3) and encloses a gap (13) with the second micro-element (2) when the first micro-element (1) is in the operating position (B) and the second micro-element (2) is in the on position (B').
- Micro-electromechanical system according to one of Claims 3 to 5, characterized in that the movable part (11) of the second micro-element (2) has a first region (14) and a second region (15), the first region (14)being arranged between the second region (15) and the first fixed end (10) of the second micro-element (2),comprising a part of the second surface (4), andbeing formed in such a way that it is less rigid than the second region (15).
- Micro-electromechanical system according to one of Claims 3 to 5, characterized(a) in that the micro-electromechanical system has two fixed contacts (17, 18), which are firmly connected to the substrate, and(b) in that the movable part (11) of the second micro-element (2) has an electrically conductive contact region (16),which contact region (16) is arranged in the region of an end of the second micro-element (2) lying opposite the first fixed end (10) of the second micro-element (2), andby which contact region (16) the two fixed contacts (17, 18) are connected to each other in a conducting manner in the on position (B') of the second micro-element (2).
- Micro-electromechanical system according to Claim 7, characterized(a) in that the micro-electromechanical system comprises a third micro-element (1'),which can be switched in a bistable manner,which is connected to the substrate (S), andwhich is arranged in a region which lies on the side of the second micro-element (2) that is facing away from the first micro-element (1), and(b) in that the micro-electromechanical system has two further fixed contacts (17', 18'), which further fixed contacts (17', 18') are firmly connected to the substrate (S) and arranged in a region which lies on the side of the second micro-element (2) that is facing away from the fixed contacts (17, 18),(c) in that the movable part (11) of the second micro-element (2) has a further electrically conductive contact region (16'), which is arranged in the region of an end of the second micro-element (2) opposite from the first fixed end (10) of the second micro-element (2), on the side of the second micro-element (2) that is facing away from the contact region (16), and(d) the third micro-element (1') interacting with the second micro-element (2) and with the further fixed contacts (17', 18') in a way analogous to how the first micro-element (1) interacts with the second micro-element (2) and with the fixed contacts (17, 18).
- Micro-electromechanical system according to Claims 6 and 7 or according to Claims 6 and 8, characterized in that the contact region (16) is arranged in the second region (15) of the movable part (11) of the second micro-element (2).
- Micro-electromechanical system according to Claim 1, characterized(a) in that the micro-electromechanical system comprises a third micro-element (1'), whichis connected to the substrate (S) andhas a third face (3a'),(b) in that the second micro-element (2) incorporates a switching part, which hasa first fixed end (10), which is firmly connected to the substrate (S),a second fixed end (10'), which is firmly connected to the substrate (S),a movable part (11), which is arranged between these two fixed ends (10, 10'), anda fourth face (4a'),(c) by which switching part the second micro-element (2) can be switched between an off position (A') and an on position (B'),(d) the movable part (11) of the second micro-element (2) comprising an electrically conductive contact region (16),(e) the second face (4a) being arranged between the first fixed end (10) and the contact region (16), and(f) the fourth face (4a') being arranged between the second fixed end (10') and the contact region (16),(g) the third face (3a') and the fourth face (4a') being produced by the patterning process and facing each other, and(h) in that the third micro-element (1') incorporates a switching part, by which it can be switched in a bistable manner between an initial position (A) and an operating position (B), and(i) in that the distance between the third face (3a') and the fourth face (4a') in the operating position (B) of the third micro-element (1') is less than a minimum distance between the third face (3a') and the fourth face (4a') which can be produced by the patterning process.
- Micro-electromechanical system according to Claim 10, characterized(a) in that the third micro-element (1') has a third surface (3'), which is one and the same as the third face (3a') or, if the third face (3a') is provided with a coating (3b'), is one and the same as the surface of this coating (3b'), and(b) in that the second micro-element (2) has a fourth surface (4'), which is one and the same as the fourth face (4a') or, if the fourth face (4a') is provided with a fourth coating (4b'), is one and the same as the surface of this coating (4b').
- Micro-electromechanical system according to Claim 11, characterized(a) in that the micro-electromechanical system incorporates two fixed contacts (17, 18), which are firmly connected to the substrate (S),(b) in that, as a result, the second micro-element (2) can be switched from its off position (A') into its on position (B'), in that, in the operating position (B) of the first micro-element (1) and of the third micro-element (1'), the movable part (11) of the second micro-element (2) can be moved elastically by electrostatic forces between the first micro-element (1) and the second micro-element (2) and between the third micro-element (1') and the second micro-element (2), and(c) in that the two fixed contacts (17, 18) are connected to each other in a conducting manner by the contact region (16) in the on position (B') of the second micro-element (2).
- Micro-electromechanical system according to Claim 12, characterized(a) in that the micro-electromechanical system comprisesa fourth micro-element (19) anda fifth micro-element (20),(b) which micro-elements (19, 20)are connected to the substrate (S) in a region which lies on the side of the second micro-element (2) that is facing away from the fixed contacts (17, 18),incorporate switching parts by which they can be switched in a bistable manner between an initial position (A) and an operating position (B), andeach have a contact electrode (21, 22), which is provided with an electrically conductive coating, and(c) in that, in the off position (A') of the second micro-element (2) in the operating position (B) of the fourth micro-element (19) and the fifth micro-element (20), the two contact electrodes (21, 22) are connected to each other in an electrically conducting manner by the contact region (16).
- Micro-electromechanical system according to one of Claims 10 to 13, characterized in that the second micro-element (2) can be switched elastically in a bistable manner between its off position (A') and its on position (B').
- Micro-electromechanical system according to Claim 14, characterized(a) in that the micro-electromechanical system comprisesa sixth micro-element (23) anda seventh micro-element (24),(b) which micro-elements (23, 24)are connected to the substrate (S),are arranged on the side of the second micro-element (2) which is facing away from the second surface (4) and fourth surface (4'),incorporate switching parts by which they can be switched in a bistable manner between an initial position (A) and an operating position (B),(c) in that the sixth micro-element (23) has a fifth face (25a),(d) in that the second micro-element (2) comprises a sixth face (26a), which is arranged on the side of the second micro-element (2) that is facing away from the second surface (4) between the first fixed end (10) and the contact region (16),(e) the fifth face (25a) and the sixth face (26a) facing each other and being produced by the patterning process,(f) in that the seventh micro-element (24) has a seventh face (25a'),(g) in that the second micro-element (2) comprises an eighth face (26a'), which is arranged on the side of the second micro-element (2) that is facing away from the fourth surface (4') between the second fixed end (10') and the contact region (16),(h) the seventh face (25a') and the eighth face (26a') facing each other and being produced by the patterning process, and(i) in that the distance between the fifth face (25a) and the sixth face (26a) in the operating position (B) of the sixth micro-element (23) is less than a minimum distance between the fifth face (25a) and the sixth face (26a) which can be produced by the patterning process, and(j) in that the distance between the seventh face (25a') and the eighth face (26a') in the operating position (B) of the seventh micro-element (24) is less than a minimum distance between the seventh face (25a') and the eighth face (26a') which can be produced by the patterning process, and(k) in that, as a result, the second micro-element (2) can be switched from its on position (B') into its off position (A'), in that, in the operating position (B) of the sixth micro-element (23) and of the seventh micro-element (24), the movable part (11) of the second micro-element (2) can be moved elastically by electrostatic forces between the sixth micro-element (23) and the second micro-element (2) and between the seventh micro-element (24) and the second micro-element (2).
- Micro-electromechanical system according to either of Claims 14 and 15,(a) the substrate (S) being formed as a two-dimensionally extending solid body with a main face, and(b) the micro-elements (1, 1', 2, 19, 20, 23, 24) being formed as right prismatic bodies, the bases of which are aligned parallel to the main face, characterized(c) in that the movable part (11) of the second micro-element (2)is formed as a right prismatic body andis laterally movable, and(d) in that the base of the right prismatic body forming the movable part (11)
eitherhas the form of a symmetrical antinode in the off position (A') andthe form of an asymmetrical antinode in the on position (B'),describes two parallel cosinusoidal lines which are joined to each other in the middle (8) between their two ends (6, 7). - Micro-electromechanical system according to one of Claims 1 to 16,(a) the substrate (S) being formed as a two-dimensionally extending solid body with a main face, and(b) the micro-elements (1, 1', 2, 19, 20, 23, 24) being formed as right prismatic bodies, the bases of which are aligned parallel to the main face, characterized(c) in that there is at least one micro-element (1, 1', 2, 19, 20, 23, 24) which can be switched in a bistable manner between an initial position (A) and an operating position (B) and the switching part of which incorporatesa first fixed end, which is firmly connected to the substrate (S),a second fixed end, which is firmly connected to the substrate (S), anda movable part, which is arranged between these two fixed ends,(d) which movable partis formed as a right prismatic body andis laterally movable, and(e) in that the base of the right prismatic body forming the movable part
eitherhas the form of a symmetrical antinode in the off position (A') andthe form of an asymmetrical antinode in the on position (B'),describes two parallel cosinusoidal lines which are joined to each other in the middle between their two ends. - Micro-electromechanical system according to Claim 3, characterized in that
the movable part (11) of the second micro-element (2) can be elastically deformed by switching the first micro-element (1) from the initial position (A) into the operating position (B). - Micro-electromechanical system according to Claim 18, characterized(a) in that the micro-electrvmechanical system has two fixed contacts (17, 18), which are firmly connected to the substrate, and(b) in that the movable part (11) of the second micro-element (2) has an electrically conductive contact region (16),which contact region (16) is arranged in the region of an end of the second micro-element (2) lying opposite the first fixed end (10) of the second micro-element (2), andby which contact region (16) the two fixed contacts (17, 18) are connected to each other in a conducting manner in the off position (A') of the second micro-element (2).
- Micro-electromechanical system according to one of Claims 1 to 9 or 18 or 19,(a) the substrate (S) being formed as a two-dimensionally extending solid body with a main face, characterized(b) in that the switching part (5) of the first micro-element (1) is horizontally movable, and(c) in that the movable part (11) of the second micro-element (2) is horizontally movable.
- A method for producing a micro-electromechanical system, in which method(a) a substrate (S) is used to produce a first micro-element (1), which is connected to the substrate, and(b) a substrate is used to produce a second micro-element (2), which is connected to the substrate, and(c) by using a patterning process, a first face (3a) of the first micro-element (1) and a second face (4a) of the second micro-element (2) is formed, which faces (3a, 4a) are facing each other and spaced apart from each other,
characterized(d) in that the second micro-element (2) is formed in such a way that it comprises a movable part (11),(e) in that the first micro-element (1) is formed in such a way thatit is located in an initial position (A),it can be switched in a bistable manner from the initial position (A) into an operating position (B),
the distance of the first face (3a) from the second face (4a) in the operating position (B) being less than a minimum distance between the first face (3a) and the second face (4a) that can be produced by the patterning process, and(f) in that, after forming of the first face (3a) and the second face (4a) by the patterning process, the first micro-element (1) is switched into the operating position (B). - Production method according to Claim 21, characterized in that, before the switching over of the first micro-element (1) into the operating position (B), the first face (3a) of the first micro-element (1) is provided with a first electrically conducting or electrically non-conducting coating (3b),
and/or
the second face (4a) of the second micro-element (2) is provided with a second electrically conducting or electrically non-conducting coating (4b). - Production method according to either of Claims 21 and 22, characterized in that one of the micro-electromechanical systems according to one of Claims 1 to 20 is produced.
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