WO1999043013A1 - Mikromechanisches elektrostatisches relais - Google Patents

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WO1999043013A1
WO1999043013A1 PCT/DE1998/003766 DE9803766W WO9943013A1 WO 1999043013 A1 WO1999043013 A1 WO 1999043013A1 DE 9803766 W DE9803766 W DE 9803766W WO 9943013 A1 WO9943013 A1 WO 9943013A1
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WO
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armature
substrate
base substrate
tongue
contact
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PCT/DE1998/003766
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Helmut Schlaak
Martin Hanke
Susanna Kim Hesse
Hans-Jürgen GEVATTER
Original Assignee
Tyco Electronics Logistics Ag
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Publication date
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0084—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] with perpendicular movement of the movable contact relative to the substrate
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    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H01H2059/0081—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics with a tapered air-gap between fixed and movable electrodes
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H2059/009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays using permanently polarised dielectric layers

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical electrostatic relay
  • a flexible anchor tongue made of solid material, which is connected on one side to the base substrate and forms a wedge-shaped working air gap which widens towards the open end,
  • an armature electrode formed on the armature tongue and opposite the base electrode
  • At least one fixed contact arranged on the base substrate
  • At least one movable contact arranged on the anchor tongue and opposite the fixed contact.
  • Such a micromechanical relay is basically already described in DE 42 05 029 Cl. Due to the wedge-shaped air gap between the base electrode and the armature electrode, when the voltage is applied between the two electrodes, the armature tongue rolls off on the base electrode, causing the narrow distance between the two electrodes to move further from the clamping point to the free, contacting end (traveling wedge principle) . In this way it is possible, on the one hand, to ensure the insulation strength between the fixed contact and the moving contact in the open state with a sufficient contact spacing, and on the other hand to make the armature respond electrostatically with a relatively low switching capacity.
  • relatively high switching voltages are required; in addition, the contact forces that can be achieved are still relatively low. 2
  • normally closed contacts or changeover contacts are very difficult to implement.
  • an electrostatic relay is also already known, in which a movable tongue can be switched between two stationary electrodes and the stationary electrodes are additionally provided with electrets.
  • the stationary electrodes are arranged parallel to each other there at a relatively large distance from the movable tongue, so that in the respective switching positions they can only contact the counter electrodes at an acute angle and can only touch them in a point-like or linear manner.
  • the electret layers also only extend over part of the length of the movable armature tongue, whereby a flat contact with it does not appear possible.
  • the aim of the present invention is to develop an electrostatic relay of the type mentioned at the outset such that an improved switching behavior with a desired step switching characteristic and with sufficiently high contact forces is achieved with relatively low switching voltages. It should be possible to set a desired switching characteristic, such as break contacts, make contacts and changeover contacts.
  • a relay for achieving this goal has the structure mentioned at the outset and, moreover, at least one electret layer arranged on the base substrate or the anchor tongue and incorporated into the surface of the wedge-shaped working air gap.
  • the switching characteristics of the relay can be adjusted very well to the respective application. Since the electret layer extends into the tip of the wedge-shaped air gap, the electrical charges of the electret are 3 movement at the same time with the installations of the control voltage more ⁇ sam, so that the control voltage itself can be correspondingly lower. Depending on the intended electrical charge density of the electret layer, the characteristics of the relay can be selected differently. This charge density can thus be chosen so high that even without activation, the attraction force of the electret exceeds the mechanical pretensioning force of the anchor tongue, with which, due to its basic shape, it is pretensioned away from the base substrate.
  • the anchor tongue therefore lies against the base substrate in the idle state. and an NC contact is formed. If, on the other hand, with a lower charge density this tightening force is less than the pre-tensioning force, a closer is created.
  • the electret layer can optionally be arranged on the base substrate or the base electrode or on the armature tongue or the armature electrode.
  • an additional cover substrate will be arranged above the base substrate in such a way that these two fixed substrates form a wedge-shaped air gap, in which the armature tongue is then pivotably arranged and can be placed either on the base electrode or on the cover electrode.
  • an electret layer is provided on the base substrate and on the cover substrate, these electret layers carrying charges with different signs.
  • the characteristic can be adjusted by coordinating the charge densities in both electret layers. If the charges have different signs in both
  • Electret layers are equal in terms of their absolute values, ie their sum is zero, a bistable switching characteristic or, if appropriately fine-tuned, a tri-stable switching characteristic can be achieved in this way.
  • monostable switching behavior can be achieved by different charge densities in the two electret layers. 4
  • the air gap surface of the base substrate and, if appropriate, the cover substrate are each curved so that the greatest curvature occurs in the area of the clamping of the anchor tongue and that the distance between the base electrode and the anchor tongue or between the base electrode and the cover electrode from the clamping point of the anchor tongue to its free end is steadily increasing.
  • Silicon or a crystalline material with similar properties is preferably used as the material for the base and lid substrates and for the anchor tongue.
  • the electret layer preferably consists of silicon dioxide (Si0 2 ) or of a silicon dioxide / silicon nitrate (Si0 2 / Si 3 N 4 ) composite structure.
  • the surface charge densities in the electret layers can be between 10 "4 and 10 " 3 , possibly also 10 "2 , C / m 2 .
  • a method for producing one or more relays of the type mentioned at the outset is that in a crystalline base substrate, by removing the surface, a profile corresponding to the desired wedge-shaped air gap surface is generated and, by selective coating and structuring, at least one insulation layer, a metal layer for forming the Base electrode and at least one load circuit lead, an insulation layer provided with electrical charges as an electret layer and at least one contact piece are formed that on the underside of an armature substrate by selective coating and structuring at least one insulation layer, a metal layer to form an armature electrode and at least one movable contact element and a surface insulation layer is generated so that the armature substrate with its structured underside on the structured upper 5 side of the base substrate is bonded as well as to a desired armature ge ⁇ thickness removed, and that then the contour of the anchor tongue is exposed on three sides.
  • Preference ⁇ as also a cover substrate is coated in an analogous manner as the base substrate and patterned and then bonded with its structured side to the armature substrate.
  • the same or similar etching, coating, structuring and doping methods are used for the individual production steps of the relay, as are also used in semiconductor technology or in other ways in micromechanics.
  • the curved profiles for the air gap surfaces of the base substrate and optionally of the cover substrate are preferably obtained by means of gray-tone lithography or sacrificial mask technology.
  • Figures 1 to 4 different configurations of a closer or. Break relays in two switching states each in a schematic sectional view
  • FIG. 5 shows a changer arrangement in a schematic sectional illustration
  • FIG. 6 shows a section VI-VI from FIG. 5, 6
  • FIG. 7 shows a view VII-VII from above of the base substrate from FIG. 5, with the contour of the anchor tongue indicated
  • FIG. 8 shows a view from above of an embodiment of the anchor tongue with single contact
  • FIG. 9 shows a view from above onto an anchor tongue with bridge contact ,
  • FIGS. 10A to 10E show a schematic sectional illustration of a base substrate in different manufacturing process steps
  • FIGS. 11A to 11H show a schematic sectional illustration of the manufacture of one (or two) anchor tongue (s) in several process steps, the connection to a base substrate and the application of an additional cover substrate
  • Figure 12 is a perspective view of a multiple relay arrangement with a common base substrate, a plurality of contiguous anchor tongues and a common cover substrate and
  • FIG. 13 to 15 different path-voltage characteristics for an inventive relay.
  • FIGS. 1 to 4 show different embodiments of a simple NO / NC relay with an electret, in which only one base substrate 1 and one armature substrate 2 with an armature tongue 21 are provided.
  • a wedge-shaped air gap 10 is formed between the base substrate 1 and the armature tongue 21, at the open end of which the base substrate 1 carries a fixed contact 5 and the armature tongue 21 carries a movable contact 6.
  • both the base substrate 1 and the armature tongue 21 are designed as electrodes, between which a control voltage U s can be applied via corresponding connections.
  • an electret layer 4 is provided on one of the air gap surfaces, that is to say an insulating layer with stationary electrical charges.
  • the air gap 10 is defined by the basic shape of the base substrate and the armature tongue, where either according to Figu ⁇ ren 1A and 2A, the base substrate has a flat surface 11 has ⁇ and the anchor tongue is bent away from the plane up or according to the figures 3A and FIG. 4A the base substrate has a curved surface 12 and the anchor tongue has a flat basic shape.
  • the electret layer 4 can be arranged either on the surface 11 of the base substrate 1 or on the surface of the armature tongue 21 facing the base substrate. Depending on the electrical charge density in the electret layer 4 in comparison to the mechanical pretensioning of the armature tongue 21 with respect to the base substrate, different switching characteristics result:
  • FIGS. 1A, 2A, 3A and 4A each show a switching state with an open air gap 10, while FIGS. 1B, 2B, 3B and 4B show the state with a closed air gap, that is to say with the armature tongue 21 tightened. If one assumes that the charge density in the electret layer 4 is not sufficient to attract the armature tongue 21 without control voltage U s , it is a normally open relay. In this case, FIGS. 1A to 4A show the unexcited state with open contacts, while FIGS. 1B to 4B show the excited state after application of a control voltage U s . The application of the control voltage U s thus causes the circuit between contacts 5 and 6 to be closed.
  • FIGS. 1B to 4B show the idle state with the contacts 5 and 6 closed.
  • an opener relay must be used Contact opening a control voltage U s between base substrate 1 and armature tongue 21 are applied, the opposite polarity to the charge of the electret layer 4 and greater than this, so that the 8 of the electret pullout rating overcome and the contact ge ⁇ is open.
  • FIGS. 1A to 4A show the energized state of the relay.
  • the preferred embodiment of the inventive relay is however not the simple NO or ⁇ ff ⁇ nerrelais but the changeover relay, which is schematically shown in FIG. 5
  • a lid substrate 3 is provided so that the wedge-shaped air gap 10 is formed between the base substrate and the lid substrate and the anchor tongue between these two substrates is included.
  • the lid substrate 3 is preferably designed identically to the base substrate 1 and rotated by 180 ° and placed on top of it with the interposition of an armature substrate 2.
  • the surfaces 11 of the base substrate and 31 of the cover substrate facing the air gap 10 are - as in the case of the previously described FIGS.
  • the armature tongue 21 can either nestle against the surface of the cover substrate 3 or against the surface of the base substrate 1 (indicated by dots in FIG. 5).
  • the substrates 1 and 3 with the appropriate doping could themselves function as a base or cover electrode; likewise, the armature substrate 2 or the armature tongue 21 could directly form the armature electrode.
  • a base electrode 19 is preferably provided on the base surface, a cover electrode 39 on the cover surface and metallic anchor electrodes 28 and 29 on the respective surfaces of the armature tongue 21.
  • the metal layers for forming the electrodes can then be formed by appropriate structures. 9 also form supply lines for the load circuit that are insulated from the electrodes.
  • spacer webs 13 and 33 are formed on the respective electret layer 12 and 32, respectively, which do not carry any electrical charges and which extend in the longitudinal direction of the armature tongue 21.
  • FIG. 7 shows such electret regions 7, which partially surround the region of the base electret layer 12 in the form of a frame.
  • the base electret layer 12 has a region which surrounds the contact 15 in an approximately circular manner and does not carry any charges. This area is shown with a boundary line 14.
  • the contour of the anchor tongue 21 with the contact area is shown in dashed lines in FIG. This special contour will be explained later.
  • FIG. 7 accordingly shows three differently charged regions of the electret layer, namely the frame-like, highly charged electret regions 7, the actual electret layer 12 with a defined charge density between 10 "4 and 10 " 3 or 10 "2 C / m 2 and that of the approximately circular line 14 delimited contact area, which carries no surface charges.
  • the contact system 10 of the change-over relay is according to FIG 5 comprises a base-fixed contact 15, a lid-fixed contact 16 and a movable center contact 17, the Ge on the Ankerzun ⁇ disposed 21st
  • the anchor tongue 21 is shown in plan view in FIG.
  • conductive regions are colored dark (which also conducting electrode layer of at ⁇ kerzunge not shown).
  • the movable contact portion 28 is connected to the Mittelkon ⁇ clock 17 into one another cross-by spirally or sonnenradförmig slots 22 of movable bars 27 in the armature ⁇ tongue 21 is suspended, so that it consists in making contact respectively the plane of the anchor tongue can be moved out and in this way receives the desired contact force.
  • Such an arrangement of an anchor tongue with a movably suspended contact has already been described in DE 44 37 259 Cl.
  • the contact is connected via a conductor track 24 to a connection (not shown) in the area of the clamping point of the armature tongue 21.
  • a torsion band suspension is shown in FIG. 9.
  • a bridge contact 24 is suspended via torsion straps 25, which in turn are separated from the actual anchor tongue by appropriately designed slots 26.
  • FIGS. 10 and 11 show the essential manufacturing steps for a relay according to FIG. 5.
  • a longitudinal section through the respective substrate is shown, only the most important process steps being listed. For example, intermediate steps such as masking or application of additional layers that are necessary in terms of production technology with adhesion promoters, diffusion barriers, etc. are not considered. 11 received.
  • Such process steps are known to those skilled in the processing of silicon wafers or similar substrates in semiconductor technology or in micromechanical process technology.
  • FIG. 10A basically shows a section through a silicon substrate 100, which serves as a starting substrate for a base substrate 1 or a lid substrate 3.
  • This substrate 100 is first removed on the surface in order to obtain the curved surface 101 required for the wedge-shaped working air gap.
  • two mirror-inverted substrate systems are manufactured simultaneously for manufacturing reasons, namely an electrode surface 101A in the left half of the substrate and a mirrored electrode surface 101b in the right half of the substrate.
  • This base electrode profile is preferably generated using gray-tone lithography;
  • other processing methods would also be conceivable, such as sacrificial layer technology or other etching methods from semiconductor processing.
  • the layers shown in FIG. IOC are applied in succession, namely an insulation layer 102, a metal layer 103, which is structured to form a drive electrode and, if appropriate, load circuit leads, and an insulation layer 104 for the electret surfaces, which is likewise structured accordingly .
  • a further insulation layer 105 is then applied according to FIG. 10D and structured to form the spacer webs 13 and 33 (FIG. 5).
  • fixed contact pieces 106 are formed on the metal layer 103 by galvanic amplification.
  • the desired electret layers are formed by structured charging of the insulation layer 104 with electrical charges 107. For example, a potential of approximately ⁇ 10 to in the area of the actual electret layers 12 ⁇ 50 V, while a potential of approx. ⁇ 100 to ⁇ 300 V is generated in the outer suction area of the frame-shaped electret surfaces 7.
  • armature substrate 200 is provided on the underside of the wafer with an insulation layer 201, and a metal layer 202 is applied to this insulation layer and structured to form an armature electrode and, if appropriate, load circuit leads.
  • a further insulation layer 203 is then applied and structured, as shown in FIG. ILA. 11B, movable contacts 204 are formed on the metal layer 202 by galvanic amplification.
  • the armature substrate 200 obtained and structured in this way is bonded anodically or eutectically or in another way to a base substrate 100 which is designed according to FIG. 10E (FIG. 11C). Then, according to FIG. HD, the armature substrate is etched down to a desired thickness of the armature tongue 21. Such a thickness is, for example, on the order of 10 ⁇ m.
  • the anchor tongue layer 210 obtained in this way could, if only an opener or closer according to FIGS. 3 and 4 should be produced, be separated in the middle in the area 211, so that two anchor tongues 21, which are denoted in brackets and arranged in mirror-inverted fashion, would be obtained.
  • the upper side of the armature tongue layer 210 is structured further, namely by applying a further insulation layer 205, by applying and structuring a metal layer 206 for a further drive electrode and optionally for load circuit leads, and by applying and structuring a further insulation layer 207 ( Figure HE). Thereafter, by galvanically strengthening the metal layer 206 13 wegliche contact pieces 208 formed ( Figure HF), and finally two anchor tongues 21 are laterally struc ⁇ rATORs obtained three-sided exposure, as is shown in Figure HG. Finally, a cover substrate 300, which is designed like the base substrate 100 according to FIG. 10E, is bonded from above with the structured surface down to the anchor substrate 200. In this way, according to FIG.
  • a relay is formed with two opposing armature tongues 21, the base fixed contacts 15 and the cover fixed contacts 16 of both systems being connected via the metal layers 103. If the systems were to be switchable separately, these layers would have to be separated or insulated accordingly in the course of production.
  • the processing of the individual substrates is carried out not only with two anchor tongues according to FIGS. 10 and 11, but in multiples, so that a matrix arrangement with a large number of relay systems is obtained.
  • a multiple is shown in FIG. 12, a common base substrate 100 and a common cover substrate 300 including an armature substrate 200 with a plurality of armature tongues 21.
  • the individual switching units, each with an armature tongue 21, can be controlled separately or in parallel by switching the feed paths accordingly, or can be switched.
  • FIGS. 13 to 15 show path-voltage characteristics for the three circuit characteristics that are possible.
  • the deflection s of the armature tongue is shown in each case via a control voltage U. This results in a closed hysteresis loop.
  • FIG. 13 shows the characteristic curves for a bistable changer. With a voltage -Ul, a first contact is made with the deflection + sl. By charging the electret accordingly, the anchor tongue is held in this position, even when the voltage is switched off. Only with a positive voltage 14 + U1, the anchor tongue is switched, so that a second con ⁇ clock -sl is closed with the spring deflection.
  • Figure 14 shows the characteristic of a monostable changer.
  • the anchor tongue In the unexcited state, the anchor tongue is layered by the electret ⁇ according to one side with the spring deflection + sl deflected and held, so that a corresponding rest contact is closed. Only when the voltage U2, the anchor ⁇ is switched tongue, so that the deflection -sl a working beitsKey is closed. After lowering the excitation voltage to the value U3, the attractive force of the opposite electret prevails, so that the armature tongue is switched and the normally closed contact is closed again.
  • Figure 15 shows a three-point switch.
  • the anchor tongue in the absence of excitation, the anchor tongue always assumes a middle rest position (zero position), in which none of the contacts are closed.
  • a positive voltage U4 is applied, a first contact is closed (with the spring deflection -sl).
  • this switch position is not stable, but when the voltage drops to the value + U5 the armature tongue returns to the zero position.
  • a negative excitation voltage -U6 a second contact is closed at spring deflection + sl, which opens again when the negative voltage drops to the value -U7.
  • a three-point switch with two separate NO contacts and a zero position is thus created.
  • the individual relay system or the relay multiple arrangement is accommodated in a conventional manner in a housing, which is not specifically shown.
  • a housing is preferably hermetically sealed and, for example, evacuated or filled with a protective gas (N 2 or SF 6 ). It is also expedient to manufacture the housing from metal for the purpose of electrostatic shielding.

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Abstract

Das mikromechanische elektrostatische Relais besitzt mindestens ein Basissubstrat (1) mit einer flächigen Basiselektrode sowie eine von einem Ankersubstrat (2) freigearbeitete Ankerzunge (21) mit einer flächigen Ankerelektrode, wobei zwischen dem Basissubstrat (1) und der Ankerzunge ein keilförmiger Luftspalt (10) gebildet ist. Zumindest auf einer der den Luftspalt bildenden Oberflächen ist zusätzlich eine Elektretschicht (4) ausgebildet, wodurch eine Schaltcharakteristik als Schließer, Öffner oder Umschalter erzielbar ist.

Description

1 Beschreibung
Mikromechanisches elektrostatisches Relais
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches elektrostatisches Relais mit
- einem Festkörper als Basissubstrat,
- einer aus festem Material freigearbeiteten, flexiblen Ankerzunge, welche einseitig an dem Basissubstrat angebunden ist und mit diesem einen keilförmigen, sich zum offenen Ende hin stetig erweiternden Arbeitsluftspalt bildet,
- einer auf dem Basissubstrat ausgebildeten, flächigen Basiselektrode,
- einer auf der Ankerzunge ausgebildeten, der Basiselektrode flächig gegenüberstehenden Ankerelektrode,
- mindestens einem auf dem Basissubstrat angeordneten feststehenden Kontakt und
- mindestens einem auf der Ankerzunge angeordneten, dem feststehenden Kontakt gegenüberstehenden beweglichen Kontakt.
Ein derartiges mikromechanisches Relais ist grundsätzlich bereits in der DE 42 05 029 Cl beschrieben. Durch den keilförmigen Luftspalt zwischen der Basiselektrode und der Ankerelektrode ergibt sich beim Anlegen einer Spannung zwischen beiden Elektroden ein Abrollen der Ankerzunge auf der Basiselektrode, wodurch der enge Abstand zwischen beiden Elektroden von der Einspannstelle bis zum freien, kontaktgebenden Ende hin weiterwandert (Wanderkeil-Prinzip) . Auf diese Weise ist es möglich, einerseits mit einem ausreichenden Kontaktabstand die Isolationsfestigkeit zwischen feststehendem Kontakt und beweglichem Kontakt im geöffneten Zustand sicherzustellen und andererseits mit verhältnismäßig geringer Schaltleistung den Anker elektrostatisch zum Ansprechen zu bringen. Allerdings sind bei einem derartigen, rein elektrostatischen Schaltprin- zip relativ hohe Schaltspannungen erforderlich; außerdem sind die erzielbaren Kontaktkräfte noch verhältnismäßig gering. 2 Darüber hinaus sind bei diesem Prinzip Öffnerkontakte bzw. Wechslerkontakte nur sehr schwer zu verwirklichen.
Aus der US 5 278 368 A ist ferner bereits ein elektrostati- sches Relais bekannt, bei dem eine bewegliche Zunge zwischen zwei stationären Elektroden umschaltbar ist und wobei die stationären Elektroden zusätzlich mit Elektreten versehen sind. Allerdings sind dort die stationären Elektroden parallel zueinander mit verhältnismäßig großem Abstand zur beweg- liehen Zunge angeordnet, so daß diese sich in den jeweiligen Schaltstellungen nur unter einem spitzen Winkel an die Gegenelektroden anlegen und diese im wesentlichen nur punktför- mig oder linienförmig berühren kann. Auch die Elektretschich- ten erstrecken sich jeweils nur über einen Teil der Länge der beweglichen Ankerzunge, wobei eine flächenhafte Berührung mit dieser nicht möglich erscheint.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrostatisches Relais der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit relativ geringen Schaltspannungen ein verbessertes Schaltverhalten mit einer gewünschten Sprung-Schaltcharakteristik und mit ausreichend hohen Kontaktkräften erzielt wird. Dabei soll es möglich sein, eine gewünschte Schaltcharakteristik, wie Öffner, Schließer und Wechsler, einzustellen.
Erfindungsgemäß besitzt ein Relais zur Erreichung dieses Zieles den eingangs genannten Aufbau und darüber hinaus mindestens eine auf dem Basissubstrat oder der Ankerzunge angeordnete, in die Oberfläche des keilförmigen Arbeitsluftspaltes einbezogene Elektretschicht.
Durch die erfindungsgemäße Einbeziehung einer Elektretschicht in den keilförmigen Luftspalt läßt sich die Schaltcharakteristik des Relais sehr gut auf den jeweiligen Anwendungsfall einstellen. Da die Elektretschicht sich bis in die Spitze des keilförmigen Luftspaltes hineinerstreckt, werden die elektrischen Ladungen des Elektrets bereits von Beginn der Schaltbe- 3 wegung an zugleich mit dem Anlagen der Steuerspannung wirk¬ sam, so daß die Steuerspannung selbst entsprechend geringer sein kann. Je nach der vorgesehenen elektrischen Ladungsdichte der Elektretschicht kann die Charakteristik des Relais un- terschiedlich gewählt werden. So kann diese Ladungsdichte so hoch gewählt werden, daß bereits ohne Ansteuerung die Anziehungskraft des Elektrets die mechanische Vorspannungskraft der Ankerzunge übersteigt, mit der diese aufgrund ihrer Grundform vom Basissubstrat weg vorgespannt ist In diesem Fall legt sich also die Ankerzunge im Ruhezustand an das Basissubstrat an , und es wird ein Öffnerkontakt gebildet. Ist dagegen bei geringerer Ladungsdichte diese Anzugskraft geringer als die Vorspannungskraft, so entsteht ein Schließer. In diesen Fällen, wenn also lediglich ein Basissubstrat mit ei- ner Ankerzunge vorgesehen ist, kann die Elektretschicht wahlweise auf dem Basissubstrat bzw. der Basiselektrode oder auf der Ankerzunge bzw. der Ankerelektrode angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird man allerdings ein zusätzliches Deckelsubstrat über dem Basissubstrat so anordnen, daß diese beiden feststehenden Substrate einen keilförmigen Luftspalt bilden, in welchem dann die Ankerzunge schwenkbar angeordnet ist und sich wahlweise an die Basiselektrode bzw. an die Deckelelektrode anlegt. In diesem Fall ist auf dem Basissubstrat und auf dem Deckelsubstrat jeweils eine Elektretschicht vorgesehen, wobei diese Elektretschich- ten Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen tragen. Auch in diesem Fall läßt sich die Charakteristik durch die Abstimmung der Ladungsdichten in beiden Elektretschichten einstellen. Wenn die Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens in beiden
Elektretschichten ihren Absolutwerten nach gleich sind, ihre Summe also Null ergibt, so läßt sich auf diese Weise eine bistabile oder bei entsprechender Feinabstimmung auch eine tri- stabile Schaltcharakteristik erzielen. Andererseits läßt sich durch unterschiedliche Ladungsdichten in den beiden Elektretschichten ein monostabiles Schaltverhalten erzielen. 4 In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Luftspaltoberfläche des Basissubstrats und gegebenenfalls des Deckelsubstrats jeweils so gekrümmt, daß im Bereich der Ein- spannung der Ankerzunge die größte Krümmung auftritt und daß der Abstand zwischen der Basiselektrode und der Ankerzunge bzw. zwischen der Basiselektrode und der Deckelektrode von der Einspannstelle der Ankerzunge zu deren freiem Ende hin stetig größer wird.
Als Werkstoff für das Basis- und das Deckelsubstrat sowie für die Ankerzunge wird vorzugsweise Silizium oder ein kristallines Material mit ähnlichen Eigenschaften verwendet. Für die Ankerzunge kommen neben dem kristallinen Silizium auch Poly- siliziurα, Metalle und auch in der Mikromechanik verarbeitbare Kunststoffe - mit Metallbeschichtung - in Betracht. In diesem Fall besteht die Elektretschicht vorzugsweise aus Siliziumdioxid (Si02) oder aus einer Siliziumdioxid/Siliziumnitrat (Si02/Si3N4) -Verbundstruktur . Die Oberflächenladungsdichten in den Elektretschichten können zwischen 10"4 und 10"3, eventuell auch 10"2, C/m2 liegen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Relais der eingangs genannten Art besteht darin, daß in einem kristallinen Basissubstrat durch Abtragung der Ober- fläche ein der gewünschten keilförmigen Luftspaltoberfläche entsprechendes Profil erzeugt und durch selektive Beschichtung und Strukturierung mindestens eine Isolationsschicht, eine Metallschicht zur Bildung der Basiselektrode und mindestens einer Lastkreiszuführung, eine mit elektrischen Ladun- gen versehene Isolationsschicht als Elektretschicht sowie mindestens ein Kontaktstück ausgebildet werden, daß auf der Unterseite eines Ankersubstrats durch selektive Beschichtung und Strukturierung mindestens eine Isolationsschicht, eine Metallschicht zur Bildung einer Ankerelektrode und mindestens eines beweglichen Kontaktelementes sowie eine Oberflächen- Isolationsschicht erzeugt werden, daß das Ankersubstrat mit seiner strukturierten Unterseite auf die strukturierte Ober- 5 seite des Basissubstrats gebondet sowie bis auf eine ge¬ wünschte Ankerdicke abgetragen wird und daß dann die Kontur der Ankerzunge von drei Seiten her freigelegt wird. Vorzugs¬ weise wird außerdem ein Deckelsubstrat in analoger Weise wie das Basissubstrat beschichtet und strukturiert und dann mit seiner strukturierten Seite auf das Ankersubstrat gebondet.
Für die einzelnen Herstellungsschritte des Relais finden gleiche oder ähnliche Ätz-, Beschichtungs-, Strukturierungs- und Dotierungsverfahren Anwendung, wie sie auch in der Halbleitertechnik bzw. sonst in der Mikromechanik verwendet werden. Die gekrümmten Profile für die Luftspaltoberflächen des Basissubstrats und gegebenenfalls des Deckelsubstrats werden vorzugsweise mittels Grauton-Lithografie oder Opfermasken- technik gewonnen.
Da bei einer derartigen Herstellungsweise in der Regel eine Vielzahl von gleichen Systemen auf einem Silizium-Waf-er in Vielfachanordnung gewonnen werden (Nutzen-Fertigung) , kann es von Vorteil sein, die einzelnen Relaissysteme nach der Herstellung nicht voneinander zu trennen, sondern in der Vielfachanordnung zu belassen und beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen. Dabei können die einzelnen Relaissysteme durch geeignete Wahl der Anschlußelemente einzeln oder parallel angesteuert werden.
In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen genannt.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an- hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Figuren 1 bis 4 verschiedene Ausgestaltungen eines Schließerbzw. Öffner-Relais in jeweils zwei Schaltzuständen in schema- tischer Schnitt-Darstellung,
Figur 5 eine Wechsleranordnung in schematischer Schnitt-Dar- Stellung,
Figur 6 einen Schnitt VI-VI aus Figur 5, 6 Figur 7 eine Ansicht VII-VII von oben auf das Basissubstrat von Figur 5, mit angedeuteter Kontur der Ankerzunge, Figur 8 eine Ansicht von oben auf eine Ausführungsform der Ankerzunge mit Einfachkontakt, Figur 9 eine Ansicht von oben auf eine Ankerzunge mit Brük- kenkontakt,
Figuren 10A bis 10E eine schematische Schnittdarstellung eines Basissubstrats in verschiedenen Verfahrensschritten der Herstellung, Figuren 11A bis 11H in schematischer Schnittdarstellung die Herstellung einer (bzw. zweier) Ankerzunge (n) in mehreren Verfahrensschritten, die Verbindung mit einem Basissubstrat und das Aufbringen eines zusätzlichen Deckelsubstrats, Figur 12 eine perspektivische Darstellung einer Relais- Vielfachanordnung mit einem gemeinsamen Basissubstrat, einer Vielzahl von zusammenhängenden Ankerzungen und einem gemeinsamen Deckelsubstrat und
Figuren 13 bis 15 verschiedene Weg-Spannungs-Kennlinien für ein erfindungsgemäßes Relais.
In den Figuren 1 bis 4 sind verschiedene Ausführungsformen eines einfachen Schließer/Öffnerrelais mit Elektret dargestellt, bei denen also jeweils nur ein Basissubstrat 1 und ein Ankersubstrat 2 mit einer Ankerzunge 21 vorgesehen sind. Zwischen dem Basissubstrat 1 und der Ankerzunge 21 ist ein keilförmiger Luftspalt 10 gebildet, an dessen offenem Ende das Basissubstrat 1 einen feststehenden Kontakt 5 und die Ankerzunge 21 einen beweglichen Kontakt 6 tragen. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß sowohl das Basissubstrat 1 als auch die Ankerzunge 21 als Elektroden ausgebildet sind, zwischen denen über entsprechende Anschlüsse eine Steuerspannung Us angelegt werden kann. Außerdem ist auf einer der Luftspaltoberflächen eine Elektretschicht 4 vorgesehen, also eine isolierende Schicht mit ortsfest eingelagerten elektri- sehen Ladungen. 7 Der Luftspalt 10 ist durch die Grundform des Basissubstrats und der Ankerzunge vorgegeben, wobei entweder gemäß den Figu¬ ren 1A und 2A das Basissubstrat eine ebene Oberfläche 11 auf¬ weist und die Ankerzunge von der Ebene weg nach oben gekrümmt ist oder gemäß den Figuren 3A und 4A das Basissubstrat eine gekrümmte Oberfläche 12 besitzt und die Ankerzunge eine ebene Grundform aufweist. Die Elektretschicht 4 kann in diesen Beispielen der Figuren 1 bis 4, die jeweils nur einen einfachen Schließer oder Öffner darstellen, wahlweise auf -der Oberflä- ehe 11 des Basissubstrats 1 oder auf der dem Basissubstrat zugewandten Oberfläche der Ankerzunge 21 angeordnet sein. Je nach der elektrischen Ladungsdichte in der Elektretschicht 4 im Vergleich zu der mechanischen Vorspannung der Ankerzunge 21 gegenüber dem Basissubstrat ergeben sich unterschiedliche Schaltcharakteristiken:
Die Figuren 1A, 2A, 3A und 4A zeigen jeweils einen Schaltzustand mit offenem Luftspalt 10, während die Figuren 1B, 2B, 3B und 4B den Zustand mit geschlossenem Luftspalt, also mit angezogener Ankerzunge 21, zeigen. Nimmt man dabei an, daß die Ladungsdichte in der Elektretschicht 4 nicht ausreicht, um die Ankerzunge 21 ohne Steuerspannung Us anzuziehen, so handelt es sich jeweils um ein Schließer-Relais. In diesem Fall stellen die Figuren 1A bis 4A den unerregten Zustand mit offenen Kontakten dar, während die Figuren 1B bis 4B den Erregungszustand nach Anlegen einer Steuerspannung Us zeigen. Das Anlegen der Steuerspannung Us bewirkt also dann das Schließen des Stromkreises zwischen den Kontakten 5 und 6.
Ist jedoch die Ladungsdichte in der Elektretschicht 4 so hoch, daß die Ankerzunge 21 bereits ohne Steuerspannung an das Basissubstrat 1 angezogen wird, so zeigen die Figuren 1B bis 4B den Ruhezustand mit geschlossenen Kontakten 5 und 6. In diesem Fall eines Öffner-Relais muß zur Kontaktöffnung ei- ne Steuerspannung Us zwischen Basissubstrat 1 und Ankerzunge 21 angelegt werden, die zur Ladung der Elektretschicht 4 entgegengesetzt gepolt und größer als diese ist, so daß die An- 8 zugskraft der Elektretschicht überwunden und der Kontakt ge¬ öffnet wird. In diesem Fall des Öffnerrelais zeigen also die Figuren 1A bis 4A den Erregungszustand des Relais.
Die bevorzugte Ausführungsform für das erfindungsgemäße Relais ist allerdings nicht das einfache Schließer- oder Öff¬ nerrelais, sondern das Wechslerrelais, welches schematisch in Figur 5 gezeigt ist. In diesem Fall ist zusätzlich zu dem Basissubstrat 1 und dem Ankersubstrat 2 mit der An'kerzunge 21 ein Deckelsubstrat 3 so vorgesehen, daß der keilförmige Luftspalt 10 zwischen dem Basissubstrat und dem Deckelsubstrat gebildet wird und die Ankerzunge zwischen diesen beiden Substraten eingeschlossen ist. Das Deckelsubstrat 3 ist vorzugsweise identisch mit dem Basissubstrat 1 gestaltet und um 180° gedreht auf dieses unter Zwischenfügung eines Ankersubstrats 2 aufgesetzt. Die dem Luftspalt 10 zugekehrten Oberflächen 11 des Basissubstrats und 31 des Deckelsubstrats sind - ebenso wie im Fall der vorher beschriebenen Figuren 3 und 4 - so gekrümmt, daß sie ihre größte Krümmung im Bereich des spitz zulaufenden inneren Luftspaltendes besitzen, während diese Krümmung zum offenen Ende des Luftspaltes hin stetig flacher wird, wobei der Luftspalt insgesamt jedoch zum offenen Ende hin sich stetig vergrößert. Entsprechend der Ladungsdichte in den beiden Elektretschichten 12 und 32 kann sich die Ankerzunge 21 wahlweise an die Oberfläche des Dek- kelsubstrates 3 oder an die Oberfläche des Basissubstrates 1 (in Figur 5 gepunktet angedeutet) anschmiegen.
Grundsätzlich könnten die Substrate 1 und 3 mit entsprechen- der Dotierung selbst als Basis- bzw. Deckelelektrode fungieren; ebenso könnte das Ankersubstrat 2 bzw. die Ankerzunge 21 unmittelbar die Ankerelektrode bilden. Vorzugsweise wird man jedoch auf der Basisoberfläche eine Basiselektrode 19, auf der Deckeloberfläche eine Deckelelektrode 39 und auf den je- weiligen Oberflächen der Ankerzunge 21 metallische Ankerelektroden 28 bzw. 29 vorsehen. Die Metallschichten zur Bildung der Elektroden können dann durch entsprechende Struktu- 9 rierung auch von den Elektroden isolierte Zuführungsleitungen für den Laststromkreis bilden. Wie sich aus der Figur 5 und den Figuren 6 und 7 erkennen läßt, sind auf der jeweiligen Elektretschicht 12 bzw. 32 Abstandsstege 13 bzw. 33 ausgebil- det, welche keine elektrische Ladungen tragen und sich in Längsrichtung der Ankerzunge 21 erstrecken. Mit diesen Abstandsstegen 13 bzw. 33 vermeidet man großflächige Entladungserscheinungen bei der mechanischen Berührung zwischen der Ankerzunge und der jeweiligen Elektretschicht durch Mini- mierung der Berührungsfläche. Außerdem wird die viskose Dämpfung bei der Schaltbewegung vermindert, also der sog. Luftpumpeneffekt ausgeschaltet.
In einer weiteren Ausgestaltung sind außerhalb des Elektro- denbereiches auf der Oberfläche des Basissubstrats wie auch des Deckelsubstrats zusätzliche Elektretbereiche mit hoher Ladungsdichte vorgesehen, mit denen Ionen neutralisiert werden, die bei Entladungserscheinungen während des Öffnens der Kontakte entstehen können. Figur 7 zeigt solche Elektretbe- reiche 7, welche den Bereich der Basis-Elektretschicht 12 teilweise rahmenförmig umgeben. Wie in Figur 7 weiter zu sehen ist, besitzt die Basis-Elektretschicht 12 einen den Kontakt 15 annähernd kreisförmig umgebenden Bereich, der keine Ladungen trägt. Dieser Bereich ist mit einer Begrenzungslinie 14 gezeigt. Außerdem ist in Figur 7 gestrichelt die Kontur der Ankerzunge 21 mit dem Kontaktbereich eingezeichnet. Diese spezielle Kontur wird später noch erläutert.
Figur 7 zeigt demnach drei unterschiedlich aufgeladene Berei- ehe der Elektretschicht, nämlich die rahmenförmig angeordneten, hochaufgeladenen Elektretbereiche 7, die eigentliche Elektretschicht 12 mit einer definierten Ladungsdichte zwischen 10"4 und 10"3 bzw. 10"2 C/m2 und den von der annähernd kreisförmigen Linie 14 abgegrenzten Kontaktbereich, der keine Oberflächenladungen trägt. 10 Das Kontaktsystem des Wechslerrelais besteht gemäß Figur 5 aus einem Basis-Festkontakt 15, einem Deckel-Festkontakt 16 und einem beweglichen Mittelkontakt 17, der auf der Ankerzun¬ ge 21 angeordnet ist. Die Ankerzunge 21 ist in Figur 8 in Draufsicht dargestellt. Dabei sind leitende Bereiche dunkel eingefärbt (die ebenfalls leitende Elektrodenschicht der An¬ kerzunge ist nicht gezeigt) . Wie in Figur 8 weiter zu sehen ist, ist der bewegliche Kontaktbereich 28 mit dem Mittelkon¬ takt 17 durch spiralförmig bzw. sonnenradförmig ineinander- greifende Schlitze 22 über bewegliche Stege 27 in der Anker¬ zunge 21 aufgehängt, so daß er bei der Kontaktgabe jeweils aus der Ebene der Ankerzunge heraus bewegbar ist und auf diese Weise die gewünschte Kontaktkraft erhält. Eine derartige Gestaltung einer Ankerzunge mit beweglich aufgehängtem Kon- takt ist bereits in der DE 44 37 259 Cl beschrieben. Der Kontakt ist über eine Leiterbahn 24 mit einem nicht dargestellten Anschluß im Bereich der Einspannstelle der Ankerzunge 21 verbunden.
Anstelle der in Figur 8 dargestellten Sonnenradgestaltung für die Kontaktaufhängung sind auch andere Möglichkeiten denkbar. So ist in Figur 9 eine Torsionsbandaufhängung gezeigt. In diesem Fall ist ein Brückenkontakt 24 über Torsionsbänder 25 aufgehängt, die ihrerseits durch entsprechend gestaltete Schlitze 26 von der eigentlichen Ankerzunge getrennt sind.
Mit derartigen Strukturen erreicht man eine sichere, großflächige Kontaktgabe mit lateraler Relativbewegung der Kontaktstücke beim Schließen und Öffnen, wodurch man auch einen Selbstreinigungeffekt erzielt.
In den Figuren 10 und 11 sind die wesentlichen Herstellungsschritte für ein Relais gemäß Figur 5 gezeigt. Dargestellt ist jeweils ein Längsschnitt durch das jeweilige Substrat, wobei lediglich die wichtigsten Prozeßschritte aufgeführt werden. So wird beispielsweise nicht auf Zwischenschritte wie Maskieren oder Aufbringen von fertigungstechnisch notwendigen Zusatzschichten mit Haftvermittlern, Diffusionssperren usw. 11 eingegangen. Derartige Verfahrensschritte sind den Fachleuten in der Bearbeitung von Siliziumwafern oder dergleichen Substraten in der Halbeitertechnik bzw. in der mikromechanischen Verfahrenstechnik bekannt.
Figur 10A zeigt grundsätzlich einen Schnitt durch ein Siliziumsubstrat 100, welches als Ausgangssubstrat für ein Basissubstrat 1 oder ein Deckelsubstrat 3 dient. Dieses Substrat 100 wird zunächst oberflächlich abgetragen, um die für den keilförmigen Arbeitsluftspalt erforderliche gekrümmte Oberfläche 101 zu erhalten. Wie aus Figur 10B ersichtlich ist, werden aus fertigungstechnischen Gründen jeweils zwei spiegelverkehrt angeordnete Substratsysteme gleichzeitig gefertigt, nämlich eine Elektrodenoberfläche 101A in der linken Hälfte des Substrats und eine gespiegelte Elektrodenoberfläche 101b in der rechten Hälfte des Substrats. Die Erzeugung dieses Basiselektrodenprofils erfolgt vorzugsweise mittels Grauton-Lithografie; denkbar wären aber auch andere Bearbeitungsverfahren, etwa die Opferschichttechnik oder andere Atz- verfahren aus der Halbleiterbearbeitung.
Danach werden nacheinander die in Figur IOC fertig gezeigten Schichten aufgebracht, nämlich eine Isolationsschicht 102, eine Metallschicht 103, welche zur Bildung einer Antriebse- lektrode und gegebenenfalls von Lastkreiszuführungen strukturiert wird, und eine Isolationsschicht 104 für die Elektret- flächen, welche ebenfalls entsprechend strukturiert wird. Dann wird gemäß Figur 10D eine weitere Isolationsschicht 105 aufgebracht und zur Bildung der Abstandsstege 13 bzw. 33 (Figur 5) strukturiert. Schließlich werden auf der Metallschicht 103 durch galvanisches Verstärken feststehende Kontaktstücke 106 ausgebildet. Außerdem werden durch strukturiertes Aufladen der Isolationsschicht 104 mit elektrischen Ladungen 107 die gewünschten Elektretschichten (siehe Figur 7) gebildet. Dabei wird beispielsweise im Bereich der eigentlichen Elektretschichten ein Potential von ca. ± 10 bis 12 ± 50 V, gebildet, während im äußeren Absaugbereich der rah- menförmigen Elektretflachen 7 ein Potential von ca. ± 100 bis ± 300 V erzeugt wird.
In Figur 11 ist schematisch die weitere Gewinnung einer
7Λnkerelektrode und deren Verbindung mit einer Basiselektrode und einer Deckelelektrode dargestellt. Dabei wird zunächst ein plattenförmiges Ankersubstrat 200 auf der Waferunterseite mit einer Isolationsschicht 201 versehen, und auf dieser Iso- lationsschicht wird eine Metallschicht 202 aufgebracht und zur Bildung einer Ankerelektrode und gegebenenfalls von Lastkreiszuführungen strukturiert. Danach wird eine weitere Isolationsschicht 203 aufgebracht und strukturiert, wie dies in Figur ILA gezeigt ist. Durch galvanisches Verstärken werden gemäß Figur 11B auf der Metallschicht 202 bewegliche Kontakte 204 ausgebildet.
Das so gewonnene und strukturierte Ankersubstrat 200 wird auf ein Basissubstrat 100, das gemäß Figur 10E gestaltet ist, an- odisch oder eutektisch oder auf andere Weise gebondet (Figur 11C) . Danach wird gemäß Figur HD das Ankersubstrat bis auf eine gewünschte Dicke der Ankerzunge 21 abgeätzt. Eine solche Dicke liegt beispielsweise in der Größenordnung von 10 μm. Die so gewonnene Ankerzungenschicht 210 könnte nun, falls le- diglich ein Öffner oder Schließer gemäß Figuren 3 und 4 erzeugt werden soll, in der Mitte im Bereich 211 getrennt werden, so daß zwei in Klammern bezeichnete, spiegelverkehrt angeordnete Ankerzungen 21 gewonnen würden.
Zur Gewinnung eines Wechslerrelais gemäß Figur 5 wird jedoch die Oberseite der Ankerzungenschicht 210 weiter strukturiert, nämlich durch Aufbringen einer weiteren Isolationsschicht 205, durch Aufbringen und Strukturieren einer Metallschicht 206 für eine weitere Antriebselektrode und gegebenenfalls für Lastkreiszuführungen sowie durch Aufbringen und Strukturieren einer weiteren Isolationsschicht 207 (Figur HE) . Danach werden durch galvanisches Verstärken der Metallschicht 206 be- 13 wegliche Kontaktstücke 208 ausgebildet (Figur HF) , und schließlich werden zwei Ankerzungen 21 durch lateral struktu¬ riertes, dreiseitiges Freilegen gewonnen, wie dies in Figur HG gezeigt ist. Schließlich wird ein Deckelsubstrat 300, das wie das Basissubstrat 100 gemäß Figur 10E gestaltet ist, von oben mit der strukturierten Oberfläche nach unten auf das Ankersubstrat 200 gebondet. Auf diese Weise ist gemäß Figur HH ein Relais mit zwei einander gegenüberstehenden Ankerzungen 21 gebildet, wobei die Basis-Festkontakte 15 und die Deckel- Festkontakte 16 beider Systeme über die Metallschichten 103 zusammenhängen. Sollen die Systeme getrennt schaltbar sein, so wären im Fertigungsverlauf diese Schichten entsprechend voneinander zu trennen bzw. zu isolieren.
In der Praxis erfolgt die Bearbeitung der einzelnen Substrate nicht nur mit zwei Ankerzungen gemäß Figuren 10 und 11, sondern im Vielfach, so daß eine Matrixanordnung mit einer Vielzahl von Relaissystemen gewonnen wird. Ein derartiges-Vielfach ist in Figur 12 gezeigt, wobei ein gemeinsames Basis- substrat 100 und ein gemeinsames Deckelsubstrat 300 ein Ankersubstrat 200 mit einer Vielzahl von Ankerzungen 21 einschließen. Die einzelnen Schalteinheiten mit jeweils einer Ankerzunge 21 können dabei durch entsprechende Gestaltung der Zuführungsbahnen getrennt oder parallel angesteuert und ge- schaltet werden.
In den Figuren 13 bis 15 sind Weg-Spannungskennlinien für die drei in Betracht kommenden Schaltungscharakteristiken dargestellt. Es ist jeweils über einer Ansteuerspannung U die Aus- lenkung s der Ankerzunge dargestellt. Dabei ergibt sich jeweils eine geschlossene Hystereseschleife. Die Figur 13 zeigt die Kennlinien für einen bistabilen Wechsler. Dabei wird bei einer Spannung -Ul ein erster Kontakt mit der Auslenkung +sl geschlossen. Durch entsprechende Aufladung des Elektrets wird die Ankerzunge in dieser Position festgehalten, auch wenn die Spannung abgeschaltet wird. Erst bei einer positiven Spannung 14 +U1 wird die Ankerzunge umgeschaltet, so daß ein zweiter Kon¬ takt mit der Federauslenkung -sl geschlossen wird.
Figur 14 zeigt die Kennlinie eines monostabilen Wechslers. Im unerregten Zustand wird die Ankerzunge durch die Elektret¬ schicht nach einer Seite mit der Federauslenkung +sl ausgelenkt und festgehalten, so daß ein entsprechender Ruhekontakt geschlossen ist. Erst bei einer Spannung U2 wird die Anker¬ zunge umgeschaltet, so daß mit der Auslenkung -sl ein Ar- beitskontakt geschlossen wird. Nach Absenken der Erregerspannung auf den Wert U3 überwiegt die Anziehungskraft des gegenüberliegenden Elektrets, so daß die Ankerzunge ungeschaltet und der Ruhekontakt wieder geschlossen wird.
Figur 15 zeigt einen Dreipunktschalter. In diesem Fall nimmt die Ankerzunge bei Fehlen einer Erregung immer eine mittlere Ruhelage (Nullage) ein, bei der keiner der Kontakte geschlossen ist. Bei Anlegen einer positiven Spannung U4 wird ein erster Kontakt geschlossen (mit der Federauslenkung -sl) . Diese Schaltstellung ist aber nicht stabil, sondern bei Absinken der Spannung auf den Wert +U5 kehrt die Ankerzunge in die Nullage zurück. Bei einer negativen Erregerspannung -U6 wird ein zweiter Kontakt bei der Federauslenkung +sl geschlossen, der sich bei Absinken der negativen Spannung auf den Wert -U7 wieder öffnet. Es wird so ein Dreipunktschalter mit zwei getrennten Schließerkontakten und einer Nullage geschaffen.
Das einzelne Relaissystem oder die Relais-Vielfachanordnung wird in üblicher Weise in einem Gehäuse untergebracht, das nicht eigens dargestellt ist. Ein solches Gehäuse wird vorzugsweise hermetisch dicht abgeschlossen und beispielsweise evakuiert oder mit einem Schutzgas (N2 oder SF6) gefüllt. Ferner ist es zweckmäßig, das Gehäuse zum Zwecke einer elektrostatischen Abschirmung aus Metall herzustellen.
Alle Darstellungen in den Ausführungsbeispielen sind stark vergrößert, wobei die Größenverhältnisse nicht in allen Fäl- 15 len maßstäblich sind; insbesondere sind einige Schichtdicken der Anschaulichkeit halber übertrieben gezeichnet. Typische Abmessungen einer Ankerzunge sind beispielsweise: Länge 1500 - 2000 μm Breite ca. 1000 μm Dicke 10 μm.

Claims

16 Patentansprüche
1. Mikromechanisches elektrostatisches Relais mit
- einem Festkörper als Basissubstrat (1), - einer aus festem Material freigearbeiteten, flexiblen Ankerzunge (21), welche einseitig an dem Basissubstrat (1) angebunden ist und mit diesem einen keilförmigen, sich zum offenen Ende hin stetig erweiternden Arbeitsluftspalt (10) bildet, - einer auf dem Basissubstrat (1) ausgebildeten, flächigen Basiselektrode (19) ,
- einer auf der Ankerzunge (21) ausgebildeten, der Basiselektrode (19) flächig gegenüberstehenden Ankerelektrode (28,29), - mindestens einem auf dem Basissubstrat (1) angeordneten feststehenden Kontakt (5;15), und
- mindestens einem auf der Ankerzunge (21) angeordneten, dem feststehenden Kontakt (5; 15) gegenüberstehenden beweglichen Kontakt (6; 17) g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
- mindestens eine auf dem Basissubstrat (1) oder der Ankerzunge (21) angeordnete, in die Oberfläche des keilförmigen Arbeitsluftspaltes einbezogene Elektretschicht (4;12;32).
2. Relais nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Basissubstrat (1) eine ebene Oberfläche (11) aufweist und daß die Ankerzunge (21) von dem Basissubstrat (1) weg in einer stetig gekrümmten Grundform vorgespannt ist.
3. Relais nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ankerzunge (21) eine ebene Grundform besitzt und daß das Basissubstrat (1) eine von der Ankerzunge (21) weg stetig gekrümm- te Oberfläche (11) aufweist. 17
4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die elektrischen Ladungen der Elektretschicht (4) eine Anzugskraft zwischen dem Basissubstrat (1) und der Ankerzunge (21) erzeu- gen, die geringer ist als die von dem Basissubstrat (1) weggerichtete Vorspannungskraft der Ankerzunge (21), so daß ein Schließerkontakt gebildet wird,
5. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die elektrischen Ladungen der Elektretschicht (4) eine Anzugskraft zwischen dem Basissubstrat (1) und der Ankerzunge (21) erzeugen, die größer ist als die von dem Basissubstrat weggerichtete Vorspannungskraft der Ankerzunge (21) , so daß ein Öff- nerkontakt gebildet wird.
6. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zusätzlich ein Deckelsubstrat (3) über dem Basissubstrat (1) unter Bil- düng eines stetig keilförmigen Luftspaltes (10) angeordnet ist und eine der Ankerelektrode (28,29) flächig gegenüberstehende Deckelelektrode (39) trägt, daß die Ankerzunge (21) zwischen den beiden Substraten (1,3) eingespannt ist und sich in einer ersten Schaltstellung an das Deckelsubstrat (3) und einer zweiten Schaltstellung an das Basissubstrat (1) anzulegen vermag und daß auf dem Basissubstrat (1) und dem Deckelsubstrat (3) jeweils eine Elektretschicht (12; 32) mit Ladungen von jeweils unterschiedlicher Polarität angeordnet ist.
7. Relais nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Summe der elektrischen Ladungen in beiden Elektretschichten (12,321 dem Betrag nach gleich ist. 18
8. Relais nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Summe der elektrischen Ladungen in beiden Elektretschichten (12,32) dem Betrag nach unterschiedlich ist.
9. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die den keilförmigen Luftspalt (10) zwischen dem Basissubstrat (1), der Ankerzunge (21) und gegebenenfalls dem Deckelsubstrat (3) bildenden gekrümmten Oberflächen jeweils in der Nähe der Ein- spannung der Ankerzunge (21) einen Bereich größter Krümmung aufweisen.
10. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jede Elektretschicht (4;12;32) jeweils durch eine isolierende Molekülverbindung ihres jeweiligen Trägersubstrats (1;21;3) gebildet ist.
11. Relais nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Basissubstrat (1) und/oder die Ankerzunge (21) und/oder gegebenenfalls das Deckelsubstrat (3) aus Silizium bestehen und daß die Elektretschicht (4; 12, 32) jeweils ganz oder teilweise aus Siliziumdioxid (Si02) gebildet ist.
12. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die jeweilige Elektretschicht (12,32) aus ihrer Oberfläche hervortre- tende, in Längsrichtung der Ankerzunge verlaufende, ladungsfreie Abstandsstege (13,33) aufweist.
13. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zumindest eines der Substrate (1,3) jeweils seitlich neben den Elektroden (19,39) hochaufgeladene Elektretbereiche (7) aufweist. 19
14. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ankerzunge (21) im Bereich ihres beweglichen Endabschnittes mindestens einen, den beweglichen Kontakt (17) tragenden, über flexible Bänder (25; 27) aus der Ankerebene heraus elastisch bewegbaren Kontaktabschnitt (24,28) aufweist.
15. Relais nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anker- zunge (21) einen beweglichen Kontakt (17) trägt, der über eine Leiterbahn (23) mit einem Lastanschluß verbunden ist und mit je einem ortsfesten Gegenkontakt (15,16) des Basissubstrats (1) und/oder des Deckelsubstrats (3) zusammenwirkt.
16. Relais nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ankerzunge einen beweglichen Brückenkontakt (24) ohne Lastanschluß trägt, der mit jeweils zwei ortsfesten Gegenkontakten (15) des Basissubstrats (1) und/oder des Deckelsubstrats (3) zu- sammenwirkt.
17. Anordnung einer Mehrzahl von Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß alle Relais zumindest über ihre Basissubstrate (1) an einem einstückigen Trägersubstrat (199) in Vielfach-Anordnung zusammenhängen.
18. Anordnung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf dem Trägersubstrat (100) Steuerleitungen für jedes einzelne Relais vorgesehen sind.
19. Anordnung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf dem Trägersubstrat (100) Ansteuerleitungen zur parallelen An- steuerung mehrerer Relais vorgesehen sind.
20 20. Anordnung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie in einem metallischen Abschirmgehäuse angeordnet ist.
21. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es einzeln oder in einer Mehrfachanordnung in einem mit Schutzgas gefülltem Gehäuse angeordnet ist.
22. Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in einem kristallinen Basissubstrat (100) durch Abtragung der Oberfläche ein dem gewünschten keilförmigen Luftspalt ent- sprechendes Profil erzeugt und durch selektive Beschichtung und Strukturierung mindestens eine Isolationsschicht (102), eine Metallschicht (103) zur Bildung der Basiselektrode und mindestens einer Lastkreiszuführung, eine mit elektrischen Ladungen versehene Isolationsschicht (104) als Elektret- schicht sowie mindestens ein Kontaktstück (106) ausgebildet werden, daß auf der Unterseite eines Ankersubstrats (200) durch selektive Beschichtung und Strukturierung mindestens eine Isolationsschicht (201), eine Metallschicht (202) zur Bildung einer Ankerelektrode und mindestens eines beweglichen Kontaktelementes sowie eine Oberflächen-Isolationsschicht (203) erzeugt werden, daß das Ankersubstrat (200) mit seiner strukturierten Unterseite auf die strukturierte Oberseite des Basissubstrats (100) gebondet sowie bis auf eine gewünschte Ankerdicke abgetragen wird und daß dann die Kontur des Ankers von drei Seiten her freigelegt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein kristallines Deckelsubstrat (300) in analoger Weise wie das Basissubstrat (100) beschichtet und strukturiert wird und daß 21 dieses Deckelsubstrat (300) mit seiner strukturierten Seite auf das Ankersubstrat (200) gebondet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die gekrümmte Luftspaltoberfläche des Basissubstrats (1) und/oder des Deckelsubstrats (3) durch Grauton-Lithografie erzeugt wird.
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