WO2000031767A1 - Micromechanical electrostatic relay - Google Patents

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WO2000031767A1
WO2000031767A1 PCT/DE1999/003744 DE9903744W WO0031767A1 WO 2000031767 A1 WO2000031767 A1 WO 2000031767A1 DE 9903744 W DE9903744 W DE 9903744W WO 0031767 A1 WO0031767 A1 WO 0031767A1
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WO
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armature
electrode
base substrate
tongue
Prior art date
Application number
PCT/DE1999/003744
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German (de)
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Inventor
Susanna Kim Hesse
Hans-Jürgen GEVATTER
Helmut Schlaak
Martin Hanke
Original Assignee
Tyco Electronics Logistics Ag
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H01H2059/0081Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics with a tapered air-gap between fixed and movable electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H2059/009Electrostatic relays; Electro-adhesion relays using permanently polarised dielectric layers

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical electrostatic relay with a solid body as the base substrate,
  • a flexible anchor tongue made of solid material f which is connected on one side to the base substrate, forms a wedge-shaped working air gap with the open end and can be rolled off on the base substrate when actuated,
  • 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 movable 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. However • with such a purely electrostatic switching principle, relatively high switching voltages are required; in addition, the contact forces that can be achieved are still relatively low. In addition, with this principle, 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 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 touch them at most over part of their surface. This also applies, although it is already provided there that the air gap between the armature tongue and the stationary electrodes by stepped design or by inclined
  • Course of the stationary electrodes in the clamping area of the armature tongue should be smaller than at its contacting end; because even in this case there is a considerable distance from the stationary electrodes or electrets in the area of the fixed section of the armature tongue, so that a flat contact with the stationary electret is not possible at least over a substantial part of the length of the armature tongue.
  • known electrets as are also used in the electrostatic relay mentioned, have the disadvantage that they are formed by introducing charge carriers into a dielectric layer, it being difficult to produce a homogeneous charge distribution and to keep them stable over the life .
  • the dielectric In such electrets, the dielectric must be charged during the manufacture of the individual layers. The compensation of charge losses due to surface effects in later operation or a change in the electret voltage are not possible.
  • the aim of the present invention is therefore to develop an electrostatic relay of the type mentioned at the outset in such a way that with relatively low switching voltages an improved tes switching behavior is obtained with a desired jump S chalt characterizing and with sufficiently high contact forces. It should be possible chalt characterizing a desired S, how to adjust or NC, NO and changer and the respective switching thresholds even after manufacturing for a specific application also to change again.
  • a relay for achieving this goal has the structure mentioned at the beginning and, moreover, at least one electret charge layer which is arranged on the base substrate and is incorporated into the surface of the wedge-shaped air gap and which by a plurality of programmable, non-volatile charge storage cells, so-called EEPROMs, is formed.
  • 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 become effective from the start of the switching movement at the same time as the control voltage is applied, so that the control voltage itself can be correspondingly lower. Furthermore, it is provided according to the invention that the electret layer is formed in each case by a plurality of charge-storing cells, by means of which a desired homogeneous charge distribution can be set precisely and stably.
  • the electret function is achieved by introducing charges into an insulator on all sides , electrically conductive storage layer realized.
  • This concept is based on structures that have established themselves in the field of microelectronics as non-volatile, rewritable memory cells (EEPROMs).
  • EEPROMs non-volatile, rewritable memory cells
  • This principle is adapted to the requirements of the microrelay by appropriately dimensioning the layer thicknesses and the areas of the individual memory cells.
  • the respective electret potential and thus the switching characteristics are specified via the amount of the charge carriers introduced in each case, which can be controlled for the given dimensioning via the charge duration and charge voltage.
  • the possibility of charging the storage layer after the end of the production process is particularly advantageous in the relay configuration according to the invention.
  • the programming process can also be repeated any number of times (with suitable external wiring), so that the switching behavior can be adapted to the respective requirements in operation at any time.
  • the degrees of freedom in manufacturing technology are thus increased;
  • tolerances in the geometry generated during the manufacturing process can be compensated for by the programming process.
  • Charge losses during operation can also be compensated for at any time.
  • the qualitative and quantitative characteristics of the switching behavior can thus be defined and changed at any time by means of a programming step.
  • a micro relay family the individual variants of which initially all have the same structure and thus the same production process, but whose switching properties are only set by the subsequent programming.
  • the characteristics of the relay can be selected differently depending on the intended electrical charge density of the electret layer or the charge storage layer.
  • the charge density can be chosen so high that the attraction force of the electret exceeds the mechanical prestressing force of the armature tongue with which it is prestressed away from the base substrate due to its basic shape even without activation.
  • the anchor tongue is at rest was applied to the base substrate and an NC contact is formed. If, however, at a lower charge density this tightening force is less than the biasing force, an S arises chruder.
  • an additional cover substrate is 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 pivotably arranged and optionally bears 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 of different signs in both electret layers are equal in terms of their absolute values, ie their sum is zero, a bistable or, if appropriately fine-tuned, a tristable switching characteristic can be achieved in this way. On the other hand, monostable switching behavior can be achieved by different charge densities in the two electret layers.
  • the air gap surface of the base substrate and optionally of 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 of the clamping point of the anchor tongue is steadily increasing towards its free end.
  • 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.
  • polysilicon, metals and plastics that can be processed in micromechanics - with a metal coating - are also considered for the anchor tongue.
  • the A- individual memory cells of the electret layer as he ⁇ believes, consist of a metallic charge storage layer with freely displaceable potential, which in turn is embedded between insulation layers. Only in relation to a charging electrode do these storage cells have a tunnel window, in which a relatively thin tunnel oxide layer allows the passage of charges when a voltage is applied.
  • 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 to form the base electrode and At least one load circuit lead, an electrically conductive electret layer inserted between insulation layers and subdivided into individual charge storage cells, and at least one contact piece are formed such that at least one insulation layer, a metal layer for forming an armature electrode and at least one movable one, on the underside of an armature substrate by selective coating and structuring Contact element and a surface insulation layer are generated that the armature substrate with its structured underside on the st structured top of the base substrate bonded and removed to a desired anchor thickness and that the contour of the anchor tongue is then exposed from three sides.
  • a cover substrate is preferably coated and structured in a manner analogous to that of the base substrate and then bonded to the anchor substrate with its
  • the same or similar etching, coating, structuring and doping methods are used as are used in semiconductor technology or in other areas in micromechanics.
  • the curved profiles for the air gap surfaces of the base S ubstrats and optionally the lid substrate are obtained preferably by means of gray-scale lithography or sacrificial mask technique before ⁇ .
  • FIG. 1 shows a switch structure of a micromechanical relay according to the invention
  • FIGS. 3 and 4 show the principle of the arrangement of individual memory cells on the base electrode of a relay according to FIG. 1, FIGS. 3 and 4 the model of a charge storage cell of a drive electrode according to FIG. 2 in section and in a top view, FIGS for a relay according to the invention, each in section and in plan view, FIGS. 15A to 15E show a schematic sectional view of a base substrate in different manufacturing process steps,
  • FIG. 17 a perspective view of a multiple relay arrangement with a common base substrate, one V ieliere of contiguous anchor tongues and a common lid substrate.
  • Figure 1 shows schematically the structure of a changeover relay according to the invention. It consists of a base substrate 1, an anchor substrate 2 with an anchor tongue 21 and a cover substrate 3, a wedge-shaped air gap 10 being formed between the base substrate 1 and the cover substrate 3 and the anchor tongue 21 being enclosed between these two substrates 1 and 3 .
  • 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 curved so that they have their greatest curvature in the region of the tapering inner air gap end, while this curvature becomes steadily flatter towards the open end of the air gap, the air gap increasing overall open end steadily enlarged.
  • the armature tongue 21 can either nestle against the surface of the cover substrate 3 (drawn in solid lines) or against the surface of the base substrate 1 (indicated by dots).
  • the substrates 1 and 3 themselves could function as base or cover electrodes with appropriate doping.
  • the armature substrate 2 or the armature tongue 21 could directly form an armature electrode.
  • a base electrode 12 will be provided on the base surface, a cover electrode 32 on the cover surface and metallic anchor electrodes 22 and 23 on the respective surfaces of the armature tongue 21.
  • the metal layers for forming the electrodes can then also form supply lines for the load circuit which are insulated from the electrodes by appropriate structuring.
  • a charging electrode 13 is also produced simultaneously with the base electrode 11 and a charging electrode 33 is produced with the cover electrode 31.
  • a charge storage layer 35 covered in turn to the outside by a further insulating layer 16 or 36 is.
  • the charge storage layers 15 and 35 are each approximated to the latter in the region of the charging electrodes 13 and 33, so that the insulation layer 14 and 34 respectively forms a tunnel region 17 and 37 of small thickness at this point, in which electrical voltage is applied when a corresponding voltage is applied Charges can be transported into the storage layer 15 or 35.
  • the contact system of the changeover relay consists of a base fixed contact 19, a cover fixed contact 39 and a movable center contact 29 which is arranged on the armature tongue 21.
  • This movable center contact 29 is arranged in a movable contact area 24, which in turn is suspended by spirally or sun wheel-shaped interlocking slots 25 via intermediate movable webs in the armature tongue 21, so that when contact is made, it can be moved out of the plane of the armature tongue 21 and receives the desired contact force in this way (see also FIG. 2).
  • Such a design 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, not shown, to a connection, not shown, in the region of the clamping point of the armature tongue 21.
  • the voltage connection of the relay is also indicated only schematically in FIG. 1.
  • the two fixed electrodes that is to say the base electrode 11 and the cover electrode 31, are each connected to ground, while a control voltage U s is applied to the armature tongue 21.
  • this control voltage is either positive or negative in coordination with the charge of the two electret layers 15 and 35.
  • the control voltage U s is applied, the armature tongue is al acts, whereby it is repelled by the electret charge of one electret layer and attracted by the other electret layer.
  • FIG. 2 shows the principle of the arrangement of the individual memory cells of an electret layer, as they appear, for example, when the base substrate 1 of FIG. 1 is viewed from above; the substrate itself is not shown in detail.
  • the contour of the anchor tongue 21 lying on the base substrate is shown in dashed lines in FIG. 2 in order to illustrate the spatial arrangement of the clamping or the contact area and the adaptation of the memory cells to this contact area.
  • the individual memory cells 41 are arranged in a matrix-like manner over the entire active surface of the base substrate below the anchor tongue, only the area below the contacting area 24 of the anchor tongue is not occupied by memory cells.
  • a drive electrode or base electrode 11 (FIG. 1) (not shown in FIG. 2) is located below the memory cells and also serves as a control electrode for charging the memory cell.
  • a dotted line in FIG. 2 shows a field of charging electrodes 43 which lie below each memory cell next to a corresponding section of the control electrode and to which a specific voltage is applied via the lead 43a for charging the memory cells.
  • Each memory cell 41 accordingly has a charge storage layer 45, which lies between two insulator layers 44 and 46, which consist, for example, of silicon dioxide Si0 2 .
  • the charge storage layer 45 is a metallic layer.
  • a control electrode 42 which corresponds to the base electrode 12 in FIG. 1
  • lies the charging electrode 43 which the charge storage layer has in a slight gen distance d inj faces 47 and forms in this way a do ⁇ nel Society for charging.
  • This distance d inj is, for example, 10 to 25 nm, while the normal layer thickness d s of the insulation layer 44 is, for example, 200 to 500 nm.
  • the single ⁇ NEN memory cells 41 are preferably rectangular and arranged such that they have a smaller extension in the longitudinal direction or in the unwinding direction of the anchor tongue than in the transverse direction. In this way, the desired charge distribution and a corresponding switching characteristic can be set particularly well.
  • the effective area A inj of the charging electrode results from their dimensions, which can each be between 5 and 15 ⁇ m in length 1 2 and width b 2 , while the effective area A s of the control electrode takes up approximately the rest of the total area of the memory cell.
  • an electrical control voltage U in is applied between the control electrode 42 and the charging electrode 43.
  • part of the control voltage drops across the tunnel oxide and determines the constant proportion of the electrical field strength in the tunnel area 47.
  • the Fowler-Nordheim relationship gives the tunnel current density from the total field strength in the tunnel area.
  • an electric field builds up, which counteracts the control field and thus causes a gradual reduction in the current density; the charging process runs into saturation. Accordingly, the total amount of charge introduced into the storage layer, which determines the electret voltage for a given cell area, can be either via the charging time (with a fixed control voltage) or via the control voltage S (for fixed selected charging time) to be controlled.
  • FIGS. 5 to 14 show the main process steps for the manufacture of the charge-storing elements 41, each in a top view and in section.
  • an electrically conductive layer is first applied — insulated from the substrate 1 and structured in such a way that a control electrode 42 and a charging electrode 43 are formed. These two electrodes are interlocked in order to provide the control and charging electrodes for the individual memory cells to be applied later in the manner shown in FIGS. 3 and 4.
  • FIGS. 7 and 8 show as the next step the application of the tunnel oxide 47, which forms the first part of the insulating layer 44 (FIG. 3) with the thickness d ⁇ nD .
  • the charging electrode 43 and the control electrode 42 are completely covered by this first oxide layer 47.
  • the insulating layer 44 is reinforced to the entire thickness d s in such a way that the tunnel windows 44a remain free, in which the tunnel oxide layer 47 is exposed.
  • the storage layer structured according to the individual storage cells 45, is then applied.
  • This storage layer also extends into the tunnel window 44a, where it lies directly on the oxide layer 47.
  • the final step which is shown in FIGS. 13 and 14, comprises the application of the insulating cover layer 46, which electrically insulates the entire storage layer, that is to say all the storage cells, from the outside. It was still adds that only a broken-off part of the substrate coating and the substrate itself are shown in abbreviated form in FIGS. 6, 8, 10, 12 and 14.
  • the size relationships result from FIG. 2, where it is clear that the individual storage cells 41 have a smaller extent 1 in the longitudinal direction or in the unwinding direction of the anchor tongue and their greater extent b transversely to this unrolling direction.
  • FIGS. 15A to 151 and 16A to 16M show the essential manufacturing steps for a relay according to FIG. 1.
  • 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 applying additional layers that are necessary in terms of production technology with adhesion promoters, diffusion barriers, etc. are not dealt with. Process steps of this type are known to those skilled in the processing of silicon wafers or similar substrates in semiconductor technology or in micromechanical process technology.
  • FIG. 15A 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 at the same time 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; However, other processing methods would also be conceivable, such as sacrificial layer technology or other etching processes from semiconductor processing.
  • a metallization layer 105 is then applied as a charge-storing layer and structured to form the individual memory cells 41.
  • an uppermost insulation layer 106 is finally applied and structured in order to be able to galvanically reinforce the stationary contact pieces 109 according to FIG. 151.
  • FIGS. 16A to 16M schematically show the further extraction of an anchor tongue 21 from an anchor substrate 200 and its connection to a base substrate and a cover substrate 300.
  • a plate-shaped armature substrate 200 is provided on the underside of the wafer with an insulation layer 201 (FIG. 16B), and a metal layer 202 (FIG. 16C) is applied to this insulation layer and structured to form an armature electrode 22 (FIG. 1) and load circuit leads .
  • a further insulation layer 203 is then applied and structured, so that, according to FIG. 16E, movable contacts 209 can be formed on the metal layer 202 by galvanic amplification.
  • the thus obtained and structured armature substrate 200 is then anodically or eutectically or otherwise bonded to a base substrate 100, which is designed according to FIG. 151 (see FIG. 16F). 16G, the armature substrate is then removed to a desired thickness of the armature tongue 21. etched. Such a thickness is on the order of 10 ⁇ m, for example.
  • the anchor tongue layer 210 obtained in this way could, if only one opener or closer 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 according to FIG. 16H, by applying and structuring a metal layer 206 for a further armature drive electrode 23 (FIG. 1) and, if appropriate, for load circuit leads and by applying and structuring a further insulation layer 207 (FIG. 16J). Then by galvanic
  • a relay is formed with two opposing armatures 21, the base fixed contacts 19 and the cover fixed contacts 39 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. 15 and 16, but in multiples, so that a matrix arrangement with a large number of relay systems is obtained.
  • Such a multiple is shown in FIG. 17, wherein a common base substrate 100 and a common cover substrate 300 form an armature substrate 200 with a large number of armature tongues 21.
  • the individual switching units, each with an armature tongue 21, can be controlled or designed separately or in parallel by appropriate design of the feed tracks.
  • 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 can, for example, be 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.
  • Typical dimensions of an anchor tongue are, for example: length 1500 to 2000 ⁇ m width approximately 1000 ⁇ m thickness 10 ⁇ m.

Abstract

The inventive micromechanical electrostatic relay has at least one base substrate (1) with a flat base electrode, and an armature tongue (21) that has been relieved from an armature substrate (2), with a flat armature electrode. A wedge-shaped air gap (10) is formed between the base substrate (1) and the armature tongue. An electret layer (15, 25) is also configured on at least one of the substrate surfaces (11; 31), this electret layer being made up of a plurality of programmable, non-volatile storage locations (EEPROMs). A switching characteristic in the form of a make-contact, a break-contact or a changeover switch can be obtained in this manner.

Description

Beschreibungdescription
Mikromechanisches elektrostatisches RelaisMicromechanical electrostatic relay
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches elektrostatisches Relais mit einem Festkörper als Basissubstrat,The invention relates to a micromechanical electrostatic relay with a solid body as the base substrate,
- einer aus festem Material f eigearbeiteten, flexiblen Ankerzunge, welche einseitig an dem Basissubstrat angebunden ist, mit diesem einen keilförmigen, sich zum offenen Ende hin stetig erweiternden Arbeitsluftspalt bildet und bei Betätigung auf dem Basissubstrat abrollbar ist,a flexible anchor tongue made of solid material f, which is connected on one side to the base substrate, forms a wedge-shaped working air gap with the open end and can be rolled off on the base substrate when actuated,
- einer auf dem Basissubstrat ausgebildeten, flächigen Basiselektrode,a flat base electrode formed on the base substrate,
- einer auf der Ankerzunge ausgebildeten, der Basiselektrode flächig gegenüberstehenden Ankerelektrode,an armature electrode formed on the armature tongue and opposite the base electrode,
- mindestens einem auf dem Basissubstrat angeordneten feststehenden Kontakt und- At least one fixed contact arranged on the base substrate and
- mindestens einem auf der Ankerzunge angeordneten, dem feststehenden Kontakt gegenüberstehenden beweglichen Kontakt.- At least one movable contact arranged on the anchor tongue and opposite the fixed contact.
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 in geöffnetem 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. Darüber hinaus sind bei diesem Prinzip Öffnerkontakte bzw. Wechslerkontakte nur sehr schwer zu verwirklichen.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 movable 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. However • with such a purely electrostatic switching principle, relatively high switching voltages are required; in addition, the contact forces that can be achieved are still relatively low. In addition, with this principle, normally closed contacts or changeover contacts are very difficult to implement.
Aus der US 5 544 001 ist ferner bereits ein elektrostatisches 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 mit verhältnismäßig großem Abstand zur beweglichen Zunge angeordnet, so daß diese sich in den jeweiligen Schaltstellungen nur unter einem spitzen Winkel an die Gegenelektroden anlegen und diese allenfalls über einen Teil ihrer Fläche berühren kann. Dies gilt auch, obwohl dort bereits vorgesehen ist, daß der Luftspalt zwischen der Ankerzunge und den stationären Elek- troden durch stufenförmige Gestaltung oder durch schrägen From US 5 544 001, 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. However, the stationary electrodes are arranged 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 touch them at most over part of their surface. This also applies, although it is already provided there that the air gap between the armature tongue and the stationary electrodes by stepped design or by inclined
Verlauf der stationären Elektroden im Einspannbereich der Ankerzunge kleiner sein soll als an ihrem kontaktgebenden Ende; denn auch in diesem Fall verbleibt im Bereich des befestigten Abschnittes der Ankerzunge ein beträchtlicher Abstand zu den stationären Elektroden bzw. Elektreten, so daß zumindest über einen wesentlichen Teil der Länge der Ankerzunge ein flächiges Anliegen an dem stationären Elektret nicht möglich ist.Course of the stationary electrodes in the clamping area of the armature tongue should be smaller than at its contacting end; because even in this case there is a considerable distance from the stationary electrodes or electrets in the area of the fixed section of the armature tongue, so that a flat contact with the stationary electret is not possible at least over a substantial part of the length of the armature tongue.
Darüber hinaus haben bekannte Elektreten, wie sie auch bei dem erwähnten elektrostatischen Relais Verwendung finden, den Nachteil, daß sie durch Einbringen von Ladungsträgern in eine dielektrische Schicht gebildet werden, wobei es schwierig ist, eine homogene Ladungsverteilung zu erzeugen und über die Lebensdauer stabil zu halten. Die Aufladung des Dielektrikums muß bei derartigen Elektreten während der Fertigung der einzelnen Schichten erfolgen. Der Ausgleich von Ladungsverlusten aufgrund von Oberflächeneffekten im späteren Betrieb oder eine Veränderung der Elektretspannung sind nicht möglich.In addition, known electrets, as are also used in the electrostatic relay mentioned, have the disadvantage that they are formed by introducing charge carriers into a dielectric layer, it being difficult to produce a homogeneous charge distribution and to keep them stable over the life . In such electrets, the dielectric must be charged during the manufacture of the individual layers. The compensation of charge losses due to surface effects in later operation or a change in the electret voltage are not possible.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein elektrostatisches Relais der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit relativ geringen Schaltspannungen ein verbesser- tes 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 und die entsprechenden Schaltschwellen auch nach der Fertigung für einen bestimmten Anwendungsfall einzustellen oder auch wieder zu verändern.The aim of the present invention is therefore to develop an electrostatic relay of the type mentioned at the outset in such a way that with relatively low switching voltages an improved tes switching behavior is obtained with a desired jump S chaltcharakteristik and with sufficiently high contact forces. It should be possible chaltcharakteristik a desired S, how to adjust or NC, NO and changer and the respective switching thresholds even after manufacturing for a specific application also to change again.
Erfindungsgemäß besitzt ein Relais zur Erreichung dieses Zie- les den eingangs genannten Aufbau und darüber hinaus mindestens eine auf dem Basissubstrat angeordnete, in die Oberfläche des keilförmigen Luftspaltes einbezogene Elektret- Ladungsschicht, welche durch eine Mehrzahl von programmierbaren, nicht flüchtigen Ladungsspeicherzellen, sog. EEPROMs, gebildet ist.According to the invention, a relay for achieving this goal has the structure mentioned at the beginning and, moreover, at least one electret charge layer which is arranged on the base substrate and is incorporated into the surface of the wedge-shaped air gap and which by a plurality of programmable, non-volatile charge storage cells, so-called EEPROMs, is formed.
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 Schaltbewegung an zugleich mit dem Anlegen der Steuerspannung wirksam, so daß die Steuerspannung selbst entsprechend geringer sein kann. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Elektretschicht jeweils durch eine Mehrzahl von ladungsspei- chernden Zellen gebildet ist, durch die eine gewünschte homogene Ladungsverteilung genau und stabil eingestellt werden kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektreten, bei denen die Ladungsträger in eine dielektrische Schicht, zum Beispiel Si02 oder Si02-Si3N4-Verbundstrukturen eingebracht werden, wird bei der Erfindung die Elektretfunktion durch das Einbringen von Ladungen in eine allseitig von einem Isolator umschlossene, elektrisch leitende Speicherschicht realisiert. Dieses Konzept basiert auf Strukturen, die sich im Bereich der Mikroelektronik als nichtflüchtige, wiederbeschreibbare Speicherzellen (EEPROMs) durchgesetzt haben. Dieses Prinzip wird mit einer entsprechenden Dimensionierung der Schichtdik- ken und der Flächen der einzelnen Speicherzellen an die Erfordernisse des Mikrorelais angepaßt. Über die Menge der jeweils eingebrachten Ladungsträger, die bei gegebener Dimen- sionierung über die Aufladungsdauer und AufladungsSpannung gesteuert werden kann, wird das jeweilige Elektretpotential und damit die Schaltcharakteristik vorgegeben.By including an electret layer in the wedge-shaped air gap according to the invention, 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 become effective from the start of the switching movement at the same time as the control voltage is applied, so that the control voltage itself can be correspondingly lower. Furthermore, it is provided according to the invention that the electret layer is formed in each case by a plurality of charge-storing cells, by means of which a desired homogeneous charge distribution can be set precisely and stably. In contrast to conventional electrets, in which the charge carriers are introduced into a dielectric layer, for example Si0 2 or Si0 2 -Si 3 N 4 composite structures, in the invention the electret function is achieved by introducing charges into an insulator on all sides , electrically conductive storage layer realized. This concept is based on structures that have established themselves in the field of microelectronics as non-volatile, rewritable memory cells (EEPROMs). This principle is adapted to the requirements of the microrelay by appropriately dimensioning the layer thicknesses and the areas of the individual memory cells. The respective electret potential and thus the switching characteristics are specified via the amount of the charge carriers introduced in each case, which can be controlled for the given dimensioning via the charge duration and charge voltage.
Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Relaisgestal- tung ist die Möglichkeit, die Speicherschicht nach Beendigung des Fertigungsprozesses aufzuladen. Damit kann der Programmiervorgang aber auch (bei geeigneter äußerer Beschaltung) beliebig oft wiederholt werden, so daß eine Anpassung des Schaltverhaltens an die jeweiligen Erfordernisse im Betrieb jederzeit möglich ist. Die fertigungstechnischen Freiheitsgrade werden damit erhöht; zugleich können Toleranzen in der beim Fertigungsvorgang erzeugten Geometrie durch den Programmiervorgang kompensiert werden. Auch können Ladungsverluste im Betrieb jederzeit wieder ausgeglichen werden.The possibility of charging the storage layer after the end of the production process is particularly advantageous in the relay configuration according to the invention. This means that the programming process can also be repeated any number of times (with suitable external wiring), so that the switching behavior can be adapted to the respective requirements in operation at any time. The degrees of freedom in manufacturing technology are thus increased; At the same time, tolerances in the geometry generated during the manufacturing process can be compensated for by the programming process. Charge losses during operation can also be compensated for at any time.
Das Schaltverhalten kann also in seinen qualitativen und quantitativen Merkmalen zu einem beliebigen Zeitpunkt mittels eines Programmierschrittes festgelegt und auch wieder verändert werden. So ist es beispielsweise möglich, eine Mikrore- lais-Familie zu realisieren, deren einzelne Varianten zunächst alle den gleichen Aufbau und damit den gleichen Fertigungsablauf aufweisen, deren Schalteigenschaften aber durch die nachträgliche Programmierung erst eingestellt werden.The qualitative and quantitative characteristics of the switching behavior can thus be defined and changed at any time by means of a programming step. For example, it is possible to implement a micro relay family, the individual variants of which initially all have the same structure and thus the same production process, but whose switching properties are only set by the subsequent programming.
Je nach der vorgesehenen elektrischen Ladungsdichte der Elektretschicht bzw. der Ladungsspeicherschicht kann die Charakteristik des Relais unterschiedlich gewählt werden. So kann die 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 Ruhezu- stand 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 einer bevorzugten Ausführungsform wird ein zu- sätzliches Deckelsubstrat über dem Basissubstrat so angeordnet, daß diese beiden feststehenden Substrate einen keilförmigen Luftspalt bilden, in welchem die Ankerzunge schwenkbar angeordnet ist und sich wahlweise an die Basiselektrode bzw. an die Deckelelektrode anlegt. In diesem Fall ist auf dem Ba- sissubstrat und auf dem Deckelsubstrat jeweils eine Elektretschicht vorgesehen, wobei diese Elektretschichten 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 tristabile Schaltcharakteristik erzielen. Andererseits läßt sich durch unterschiedliche Ladungsdichten in den beiden Elektretschichten ein monostabiles Schaltverhalten erzielen.Depending on the intended electrical charge density of the electret layer or the charge storage layer, the characteristics of the relay can be selected differently. Thus, the charge density can be chosen so high that the attraction force of the electret exceeds the mechanical prestressing force of the armature tongue with which it is prestressed away from the base substrate due to its basic shape even without activation. In this case, the anchor tongue is at rest was applied to the base substrate and an NC contact is formed. If, however, at a lower charge density this tightening force is less than the biasing force, an S arises chließer. In a preferred embodiment, an additional cover substrate is 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 pivotably arranged and optionally bears on the base electrode or on the cover electrode. In this case, an electret layer is provided on the base substrate and on the cover substrate, these electret layers carrying charges with different signs. In this case, too, the characteristic can be adjusted by coordinating the charge densities in both electret layers. If the charges of different signs in both electret layers are equal in terms of their absolute values, ie their sum is zero, a bistable or, if appropriately fine-tuned, a tristable switching characteristic can be achieved in this way. On the other hand, monostable switching behavior can be achieved by different charge densities in the two electret layers.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Luftspaltoberfläche des Basissubstrats und gegebenenfalls des Deckel- Substrats jeweils so gekrümmt, daß im Bereich der Einspannung der Ankerzunge die größte Krümmung auftritt und daß der Abstand zwischen der Basiselektrode und der Ankerzunge bzw. zwischen der Basiselektrode und der Deckelelektrode von der Einspannstelle der Ankerzunge zu deren freiem Ende hin stetig größer wird.In a preferred embodiment of the invention, the air gap surface of the base substrate and optionally of 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 of the clamping point of the anchor tongue is steadily increasing towards its free end.
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- silizium, Metalle und auch in der Mikromechanik verarbeitbare Kunststoffe - mit Metallbeschichtung - in Betracht. Die ein- zelnen Speicherzellen der Elektretschicht bestehen, wie er¬ wähnt, aus einer metallischen Ladungsspeicherschicht mit frei verschiebbarem Potential, die ihrerseits zwischen Isolationsschichten eingebettet ist. Lediglich gegenüber einer Aufla- dungselektrode besitzen diese Speicherzellen ein Tunnelfenster, bei dem eine relativ dünne Tunneloxidschicht den Durchtritt von Ladungen beim Anlegen einer Spannung gestattet.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. In addition to crystalline silicon, polysilicon, metals and plastics that can be processed in micromechanics - with a metal coating - are also considered for the anchor tongue. The A- individual memory cells of the electret layer, as he ¬ believes, consist of a metallic charge storage layer with freely displaceable potential, which in turn is embedded between insulation layers. Only in relation to a charging electrode do these storage cells have a tunnel window, in which a relatively thin tunnel oxide layer allows the passage of charges when a voltage is applied.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Relais der eingangs genannten Art besteht darin, daß in einem kristallinen Basissubstrat durch Abtragung der Oberfläche 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 zwischen Isolationsschichten eingefügte, in einzelne Ladungsspeicherzellen unterteilte elektrisch leitende Elektretschicht sowie mindestens ein Kontaktstück ausgebildet werden, daß auf der Unter- seite eines Ankersubstrats durch selektive Beschichtung und Strukturierung mindestens eine Isolationsschicht, eine Metallschicht zur Bildung einer Ankerelektrode und mindestens eines beweglichen Kontaktelementes sowie eine Oberflächenisolationsschicht erzeugt werden, daß das Ankersubstrat mit seiner strukturierten Unterseite auf die strukturierte Oberseite des Basissubstrates gebondet sowie bis auf eine gewünschte Ankerdicke abgetragen wird und daß dann die Kontur der Ankerzunge von drei Seiten freigelegt wird. Vorzugsweise wird außerdem ein Deckelsubstrat in analoger Weise wie das Basissubstrat beschichtet und strukturiert und dann mit seiner strukturierten Seite auf das Ankersubstrat gebondet.A method according to the invention 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 to form the base electrode and At least one load circuit lead, an electrically conductive electret layer inserted between insulation layers and subdivided into individual charge storage cells, and at least one contact piece are formed such that at least one insulation layer, a metal layer for forming an armature electrode and at least one movable one, on the underside of an armature substrate by selective coating and structuring Contact element and a surface insulation layer are generated that the armature substrate with its structured underside on the st structured top of the base substrate bonded and removed to a desired anchor thickness and that the contour of the anchor tongue is then exposed from three sides. In addition, a cover substrate is preferably coated and structured in a manner analogous to that of the base substrate and then bonded to the anchor substrate with its structured side.
Für die einzelnen Herstellungsschritte des Relais finden gleiche oder ähnliche Atz-, Beschichtungs-, Strukturierungs- und Dotierungsverfahren Anwendung, wie sie in der Halbleitertechnik bzw. sonst in der Mikromechanik verwendet werden. Die gekrümmten Profile für die Luftspaltoberflächen des Basis- Substrats und gegebenenfalls des Deckelsubstrats werden vor¬ zugsweise mittels Grauton-Lithografie oder Opfermaskentechnik gewonnen.For the individual manufacturing steps of the relay, the same or similar etching, coating, structuring and doping methods are used as are used in semiconductor technology or in other areas in micromechanics. The curved profiles for the air gap surfaces of the base S ubstrats and optionally the lid substrate are obtained preferably by means of gray-scale lithography or sacrificial mask technique before ¬.
Da bei einer derartigen Herstellungsweise in der Regel eine Vielzahl von gleichen Systemen auf einem Silizium-Wafer in Vielfachanordnung gewonnen werden (Nutzen-Fertigung) , kann es von Vorteil sein, die einzelnen Relaissysteme nach der Herstellung nicht voneinander zu trennen, sondern in der Viel- fachanordnung zu belassen und beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen. Dabei können die einzelnen Relaissysteme durch geeignete Wahl der Anschlußelemente einzeln oder parallel angesteuert werden.Since a plurality of identical systems are usually obtained on a silicon wafer in a multiple arrangement in such a production method (benefit production), it can be advantageous not to separate the individual relay systems from one another after production, but in the multiple To leave compartment arrangement and to accommodate, for example, in a common housing. The individual relay systems can be controlled individually or in parallel by suitable selection of the connection elements.
In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen genannt.Further refinements are mentioned in the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it
Figur 1 eine Umschalterstruktur eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Relais,FIG. 1 shows a switch structure of a micromechanical relay according to the invention,
Figur 2 das Prinzip der Anordnung einzelner Speicherzellen auf der Basiselektrode eines Relais gemäß Figur 1, Figur 3 und 4 das Modell einer Ladungsspeicherzelle einer An- triebselektrode gemäß Figur 2 im Schnitt und in Draufsicht, Figur 5 bis 14 verschiedene Fertigungsschritte bei der Herstellung der ladungsspeichernden Elemente für ein erfindungsgemäßes Relais, jeweils im Schnitt und in Draufsicht, Figur 15A bis 15E eine schematische Schnittdarstellung eines Basissubstrats in verschiedenen Verfahrensschritten der Herstellung,2 shows the principle of the arrangement of individual memory cells on the base electrode of a relay according to FIG. 1, FIGS. 3 and 4 the model of a charge storage cell of a drive electrode according to FIG. 2 in section and in a top view, FIGS for a relay according to the invention, each in section and in plan view, FIGS. 15A to 15E show a schematic sectional view of a base substrate in different manufacturing process steps,
Figur 16A bis 16H 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 17 eine perspektivische Darstellung einer Relais- Vielfachanordnung mit einem gemeinsamen Basissubstrat, einer Vielzahl von zusammenhängenden AnkerZungen und einem gemeinsamen Deckelsubstrat.16A to 16H in a schematic sectional view, the production 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, FIG. 17 a perspective view of a multiple relay arrangement with a common base substrate, one V ielzahl of contiguous anchor tongues and a common lid substrate.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Wechslerrelais. Es besteht aus einem Basissubstrat 1, einem Ankersubstrat 2 mit einer Ankerzunge 21 und einem Deckelsubstrat 3, wobei zwischen dem Basissubstrat 1 und dem Dek- kelsubstrat 3 ein keilförmiger Luftspalt 10 gebildet und die Ankerzunge 21 zwischen diesen beiden Substraten 1 und 3 ein- geschlossen 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 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 sich zum offenen Ende hin stetig vergrößert. Entsprechend dem jeweiligen Schaltzustand kann sich die Ankerzunge 21 wahlweise an die Oberfläche des Deckelsubstrates 3 (in durchgehenden Linien gezeichnet) oder an die Oberfläche des Basissubstrates 1 (gepunktet angedeutet) anschmiegen.Figure 1 shows schematically the structure of a changeover relay according to the invention. It consists of a base substrate 1, an anchor substrate 2 with an anchor tongue 21 and a cover substrate 3, a wedge-shaped air gap 10 being formed between the base substrate 1 and the cover substrate 3 and the anchor tongue 21 being enclosed between these two substrates 1 and 3 . 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 curved so that they have their greatest curvature in the region of the tapering inner air gap end, while this curvature becomes steadily flatter towards the open end of the air gap, the air gap increasing overall open end steadily enlarged. Depending on the respective switching state, the armature tongue 21 can either nestle against the surface of the cover substrate 3 (drawn in solid lines) or against the surface of the base substrate 1 (indicated by dots).
Grundsätzlich könnten die Substrate 1 und 3 mit entsprechender Dotierung selbst als Basis- bzw. Deckelelektrode fungieren. Ebenso könnte das Ankersubstrat 2 bzw. die Ankerzunge 21 unmittelbar eine Ankerelektrode bilden. Vorzugsweise wird man jedoch auf der Basisoberfläche eine Basiselektrode 12, auf der Deckeloberfläche eine Deckelelektrode 32 und auf den jeweiligen Oberflächen der Ankerzunge 21 metallische Ankerelektroden 22 und 23 vorsehen. Die Metallschichten zur Bildung der Elektroden können dann durch entsprechende Strukturierung auch von den Elektroden isolierte Zuführungsleitungen für den Laststromkreis bilden. Gleichzeitig mit der Basiselektrode 11 wird auch eine Aufladungselektrode 13 und mit der Deckelelektrode 31 eine Aufladungselektrode 33 erzeugt. Durch eine Iso- lierschicht 14 bzw. 34 von den Elektroden 12 und 13 bzw. 32 und 33 getrennt, ist dann auf der Basiselektrode eine La¬ dungsspeicherschicht 15, auf der Deckelelektrode eine Ladungspeicherschicht 35 angeordnet, die wiederum nach außen durch eine weitere Isolationsschicht 16 bzw. 36 abgedeckt ist. Die Ladungsspeicherschichten 15 bzw. 35 sind jeweils im Bereich der Aufladungselektroden 13 bzw. 33 an letztere angenähert, so daß die Isolationsschicht 14 bzw. 34 an dieser Stelle jeweils einen Tunnelbereich 17 bzw. 37 geringer Dicke bildet, in welchem bei Anlegen einer entsprechenden Spannung elektrische Ladungen in die Speicherschicht 15 bzw. 35 hineintransportiert werden können.In principle, the substrates 1 and 3 themselves could function as base or cover electrodes with appropriate doping. Likewise, the armature substrate 2 or the armature tongue 21 could directly form an armature electrode. Preferably, however, a base electrode 12 will be provided on the base surface, a cover electrode 32 on the cover surface and metallic anchor electrodes 22 and 23 on the respective surfaces of the armature tongue 21. The metal layers for forming the electrodes can then also form supply lines for the load circuit which are insulated from the electrodes by appropriate structuring. A charging electrode 13 is also produced simultaneously with the base electrode 11 and a charging electrode 33 is produced with the cover electrode 31. Through an iso- lierschicht, 14 and 34, separated from the electrodes 12 and 13 or 32 and 33, then to the base electrode of a La ¬ dung storage layer 15 disposed on the top electrode, a charge storage layer 35 covered in turn to the outside by a further insulating layer 16 or 36 is. The charge storage layers 15 and 35 are each approximated to the latter in the region of the charging electrodes 13 and 33, so that the insulation layer 14 and 34 respectively forms a tunnel region 17 and 37 of small thickness at this point, in which electrical voltage is applied when a corresponding voltage is applied Charges can be transported into the storage layer 15 or 35.
Das Kontaktsystem des Wechslerrelais besteht gemäß Figur 1 aus einem Basis-Festkontakt 19, einem Deckel-Festkontakt 39 und einem beweglichen Mittelkontakt 29, der auf der Ankerzunge 21 angeordnet ist. Dieser bewegliche Mittelkontakt 29 ist in einem beweglichen Kontaktbereich 24 angeordnet, der seinerseits durch spiralförmig bzw. sonnenradförmig ineinander- greifende Schlitze 25 über dazwischenliegende bewegliche Stege in der Ankerzunge 21 aufgehängt ist, so daß er bei der Kontaktgabe jeweils aus der Ebene der Ankerzunge 21 heraus bewegbar ist und auf diese Weise die gewünschte Kontaktkraft erhält (siehe auch Fig. 2) . Eine derartige Gestaltung einer Ankerzunge mit beweglich aufgehängtem Kontakt ist bereits in der DE 44 37 259 Cl beschrieben. Der Kontakt ist über eine nicht gezeigte Leiterbahn mit einem nicht dargestellten Anschluß im Bereich der Einspannstelle der Ankerzunge 21 verbunden. Lediglich schematisch ist in Figur 1 außerdem die Spannungsbeschaltung des Relais angedeutet. Dabei liegen die beiden feststehenden Elektroden, also die Basiselektrode 11 und die Deckelelektrode 31, jeweils an Masse, während an die Ankerzunge 21 eine Steuerspannung Us angelegt wird. Diese Steuerspannung ist je nach gewünschter Schaltbewegung in Ab- Stimmung mit der Ladung der beiden Elektretschichten 15 und 35 entweder positiv oder negativ. Durch Anlegen der Steuerspannung Us wird die Ankerzunge mit einem bestimmten Potenti- al beaufschlagt, wodurch sie von der Elektretladung der einen Elektretschicht abgestoßen und von der anderen Elektretschicht angezogen wird.According to FIG. 1, the contact system of the changeover relay consists of a base fixed contact 19, a cover fixed contact 39 and a movable center contact 29 which is arranged on the armature tongue 21. This movable center contact 29 is arranged in a movable contact area 24, which in turn is suspended by spirally or sun wheel-shaped interlocking slots 25 via intermediate movable webs in the armature tongue 21, so that when contact is made, it can be moved out of the plane of the armature tongue 21 and receives the desired contact force in this way (see also FIG. 2). Such a design 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, not shown, to a connection, not shown, in the region of the clamping point of the armature tongue 21. The voltage connection of the relay is also indicated only schematically in FIG. 1. The two fixed electrodes, that is to say the base electrode 11 and the cover electrode 31, are each connected to ground, while a control voltage U s is applied to the armature tongue 21. Depending on the desired switching movement, this control voltage is either positive or negative in coordination with the charge of the two electret layers 15 and 35. When the control voltage U s is applied, the armature tongue is al acts, whereby it is repelled by the electret charge of one electret layer and attracted by the other electret layer.
Figur 2 zeigt das Prinzip der Anordnung der einzelnen Speicherzellen einer Elektretschicht, wie sie beispielsweise bei Draufsicht auf das Basissubstrat 1 von Figur 1 erscheinen; das Substrat selbst ist dabei nicht näher dargestellt. Außerdem ist in Figur 2 die Kontur der auf dem Basissubstrat lie- genden Ankerzunge 21 gestrichelt dargestellt, um die räumliche Anordnung der Einspannung bzw. des Kontaktbereiches und die Anpassung der Speicherzellen an diesen Kontaktbereich darzustellen.FIG. 2 shows the principle of the arrangement of the individual memory cells of an electret layer, as they appear, for example, when the base substrate 1 of FIG. 1 is viewed from above; the substrate itself is not shown in detail. In addition, the contour of the anchor tongue 21 lying on the base substrate is shown in dashed lines in FIG. 2 in order to illustrate the spatial arrangement of the clamping or the contact area and the adaptation of the memory cells to this contact area.
Wie in Figur 2 zu erkennen ist, sind die einzelnen Speicherzellen 41 matrixartig über die gesamte aktive Oberfläche des Basissubstrats unterhalb der Ankerzunge verteilt angeordnet, lediglich der Bereich unterhalb des kontaktgebenden Bereiches 24 der Ankerzunge ist nicht mit Speicherzellen belegt. Unter- halb der Speicherzellen liegt eine in Figur 2 nicht dargestellte Antriebselektrode bzw. Basiselektrode 11 (Fig. 1), die zugleich als Steuerelektrode für die Aufladung der Speicherzelle dient. Gepunktet angedeutet ist in Figur 2 ein Feld von Aufladungselektroden 43, die unterhalb einer jeden Spei- cherzelle neben einem entsprechenden Abschnitt der Steuerelektrode liegen, und an die zur Aufladung der Speicherzellen eine bestimmte Spannung über die Zuleitung 43a angelegt wird.As can be seen in FIG. 2, the individual memory cells 41 are arranged in a matrix-like manner over the entire active surface of the base substrate below the anchor tongue, only the area below the contacting area 24 of the anchor tongue is not occupied by memory cells. A drive electrode or base electrode 11 (FIG. 1) (not shown in FIG. 2) is located below the memory cells and also serves as a control electrode for charging the memory cell. A dotted line in FIG. 2 shows a field of charging electrodes 43 which lie below each memory cell next to a corresponding section of the control electrode and to which a specific voltage is applied via the lead 43a for charging the memory cells.
Der Aufbau der einzelnen Speicherzellen und der Aufladungs- Vorgang soll nunmehr anhand der Figuren 3 und 4 erläutert werden. Jede Speicherzelle 41 besitzt demnach eine Ladungsspeicherschicht 45, die zwischen zwei Isolatorschichten 44 und 46 liegt, die beispielsweise aus Siliziumdioxid Si02 bestehen. Die Ladungsspeicherschicht 45 ist eine metallische Schicht. In einer Lücke einer Steuerelektrode 42, die der Basiselektrode 12 in Figur 1 entspricht, liegt die Aufladungselektrode 43, die der Ladungsspeicherschicht in einem gerin- gen Abstand dinj gegenübersteht und auf diese Weise einen Tun¬ nelbereich 47 zum Aufladen bildet. Dieser Abstand dinj beträgt beispielsweise 10 bis 25 nm, während die normale Schichtdicke ds der Isolationsschicht 44 beispielsweise 200 bis 500 nm be- trägt. Wie aus Figur 2 noch zu erkennen ist, sind die einzel¬ nen Speicherzellen 41 vorzugsweise rechteckig und so angeordnet, daß sie in Längsrichtung bzw. in Abrollrichtung der Ankerzunge eine geringere Ausdehnung besitzen als in der Querrichtung. Auf diese Weise läßt sich die gewünschte Ladungs- Verteilung und eine entsprechende Schaltcharakteristik besonders gut einstellen. Die Abmessungen einer derartigen Speicherzelle 41 betragen vorzugsweise in Längsrichtung der Ankerzunge lι=25 bis 50 um, in Querrichtung bι=25 bis 100 um. Die wirksame Fläche Ainj der Aufladungselektrode ergibt sich aus ihren Abmessungen, die in Länge 12 und Breite b2 jeweils zwischen 5 und 15 um betragen können, während die wirksame Fläche As der Steuerelektrode annähernd den Rest der Gesamtfläche der Speicherzelle einnimmt.The structure of the individual memory cells and the charging process will now be explained with reference to FIGS. 3 and 4. Each memory cell 41 accordingly has a charge storage layer 45, which lies between two insulator layers 44 and 46, which consist, for example, of silicon dioxide Si0 2 . The charge storage layer 45 is a metallic layer. In a gap in a control electrode 42, which corresponds to the base electrode 12 in FIG. 1, lies the charging electrode 43, which the charge storage layer has in a slight gen distance d inj faces 47 and forms in this way a do ¬ nelbereich for charging. This distance d inj is, for example, 10 to 25 nm, while the normal layer thickness d s of the insulation layer 44 is, for example, 200 to 500 nm. As will be seen from Figure 2, the single ¬ NEN memory cells 41 are preferably rectangular and arranged such that they have a smaller extension in the longitudinal direction or in the unwinding direction of the anchor tongue than in the transverse direction. In this way, the desired charge distribution and a corresponding switching characteristic can be set particularly well. The dimensions of such a memory cell 41 are preferably in the longitudinal direction of the anchor tongue l ι = 25 to 50 microns, bι in the transverse direction = 25 to 100 .mu.m. The effective area A inj of the charging electrode results from their dimensions, which can each be between 5 and 15 μm in length 1 2 and width b 2 , while the effective area A s of the control electrode takes up approximately the rest of the total area of the memory cell.
Zum Einbringen von Ladungsträgern in die Speicherschicht einer Speicherzelle 41 wird zwischen der Steuerelektrode 42 und der Aufladungselektrode 43 eine elektrische Steuerspannung Uin angelegt. Entsprechend dem kapazitiven Spannungsteilerverhältnis der Anordnung fällt ein Teil der Steuerspannung über dem Tunneloxid ab und bestimmt den konstanten Anteil der elektrischen Feldstärke im Tunnelbereich 47. Aus der Gesamtfeldstärke im Tunnelbereich ergibt sich mit der Fowler- Nordheim-Beziehung die Tunnelstro dichte. Infolge des Ladungstransports in die Speicherschicht 45 hinein baut sich ein elektrisches Feld auf, das dem Steuerfeld entgegenwirkt und somit eine allmähliche Verringerung der Stromdichte bedingt; der Aufladungsvorgang läuft also in eine Sättigung hinein. Dementsprechend kann die insgesamt in die Speicherschicht eingebrachte Ladungsmenge, welche bei gegebener Zel- lenfläche die Elektretspannung bestimmt, entweder über die Aufladungszeit (bei fest gewählter SteuerSpannung) oder über die Steuerspannung (bei fest gewählter Aufladungszeit) kontrolliert werden.In order to introduce charge carriers into the storage layer of a storage cell 41, an electrical control voltage U in is applied between the control electrode 42 and the charging electrode 43. In accordance with the capacitive voltage divider ratio of the arrangement, part of the control voltage drops across the tunnel oxide and determines the constant proportion of the electrical field strength in the tunnel area 47. The Fowler-Nordheim relationship gives the tunnel current density from the total field strength in the tunnel area. As a result of the charge transport into the storage layer 45, an electric field builds up, which counteracts the control field and thus causes a gradual reduction in the current density; the charging process runs into saturation. Accordingly, the total amount of charge introduced into the storage layer, which determines the electret voltage for a given cell area, can be either via the charging time (with a fixed control voltage) or via the control voltage S (for fixed selected charging time) to be controlled.
In den Figuren 5 bis 14 sind die Hauptprozeßschritte zur Fer- tigung der ladungsspeichernden Elemente 41 gezeigt, und zwar jeweils in Draufsicht und im Schnitt.FIGS. 5 to 14 show the main process steps for the manufacture of the charge-storing elements 41, each in a top view and in section.
Wie in den Figuren 5 und 6 zu sehen ist, wird zunächst - gegenüber dem Substrat 1 isoliert - eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht und so strukturiert, daß eine Steuerelektrode 42 und eine Aufladungselektrode 43 gebildet wird. Diese beiden Elektroden sind ineinander verzahnt angeordnet, um für die später aufzubringenden einzelnen Speicherzellen jeweils die Steuer- und Aufladungselektroden in der in Figur 3 und 4 gezeigten Weise vorzusehen.As can be seen in FIGS. 5 and 6, an electrically conductive layer is first applied — insulated from the substrate 1 and structured in such a way that a control electrode 42 and a charging electrode 43 are formed. These two electrodes are interlocked in order to provide the control and charging electrodes for the individual memory cells to be applied later in the manner shown in FIGS. 3 and 4.
In den Figuren 7 und 8 ist als nächster Schritt das Aufbringen des Tunneloxids 47 gezeigt, welches mit der Dicke dιnD den ersten Teil der Isolierschicht 44 (Figur 3) bildet. Die Auf- ladungselektrode 43 und die Steuerelektrode 42 werden von dieser ersten Oxidschicht 47 vollständig bedeckt.FIGS. 7 and 8 show as the next step the application of the tunnel oxide 47, which forms the first part of the insulating layer 44 (FIG. 3) with the thickness d ιnD . The charging electrode 43 and the control electrode 42 are completely covered by this first oxide layer 47.
Im nächsten Schritt, der in den Figuren 9 und 10 zu sehen ist, wird die Isolierschicht 44 auf die gesamte Dicke ds so verstärkt, daß die Tunnelfenster 44a freibleiben, in denen die Tunneloxidschicht 47 offenliegt.In the next step, which can be seen in FIGS. 9 and 10, the insulating layer 44 is reinforced to the entire thickness d s in such a way that the tunnel windows 44a remain free, in which the tunnel oxide layer 47 is exposed.
Im nächsten Schritt, der in den Figuren 11 und 12 gezeigt ist, wird dann die Speicherschicht, strukturiert nach den einzelnen Speicherzellen 45, aufgebracht. Diese Speicherschicht erstreckt sich jeweils auch in die Tunnelfenster 44a, wo sie unmittelbar auf der Oxidschicht 47 aufliegt.In the next step, which is shown in FIGS. 11 and 12, the storage layer, structured according to the individual storage cells 45, is then applied. This storage layer also extends into the tunnel window 44a, where it lies directly on the oxide layer 47.
Der abschließende Schritt, der in den Figuren 13 und 14 ge- zeigt ist, umfaßt die Aufbringung der isolierenden Deckschicht 46, die die gesamte Speicherschicht, das heißt alle Speicherzellen, nach außen elektrisch isoliert. Es sei noch ergänzt, daß in den Figuren 6, 8, 10, 12 und 14 jeweils nur ein abgebrochen gezeichneter Teil der Substratbeschichtung und das Substrat selbst verkürzt dargestellt sind. Die Größenverhältnisse ergeben sich aus Figur 2, wo deutlich ist, daß die einzelnen Speicherzellen 41 eine geringere Ausdehnung 1 in Längsrichtung bzw. in Abrollrichtung der Ankerzunge und ihre größere Ausdehnung b quer zu dieser Abrollrichtung besitzen.The final step, which is shown in FIGS. 13 and 14, comprises the application of the insulating cover layer 46, which electrically insulates the entire storage layer, that is to say all the storage cells, from the outside. It was still adds that only a broken-off part of the substrate coating and the substrate itself are shown in abbreviated form in FIGS. 6, 8, 10, 12 and 14. The size relationships result from FIG. 2, where it is clear that the individual storage cells 41 have a smaller extent 1 in the longitudinal direction or in the unwinding direction of the anchor tongue and their greater extent b transversely to this unrolling direction.
In den Figuren 15A bis 151 sowie 16A bis 16M sind die wesentlichen Herstellungsschritte für ein Relais gemäß Figur 1 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. eingegangen. Derartige Verfahrensschritte sind den Fachleuten in der Bearbeitung von Sili- ziumwafern oder dergleichen Substraten in der Halbleitertech- nik bzw. in der mikromechanischen Verfahrenstechnik bekannt.FIGS. 15A to 151 and 16A to 16M show the essential manufacturing steps for a relay according to FIG. 1. 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 applying additional layers that are necessary in terms of production technology with adhesion promoters, diffusion barriers, etc. are not dealt with. Process steps of this type are known to those skilled in the processing of silicon wafers or similar substrates in semiconductor technology or in micromechanical process technology.
Figur 15A 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 15B ersichtlich ist, werden aus fertigungstechnischen Gründen jeweils zwei spiegelverkehrt angeordnete Substratsysteme gleichzeitig gefer- tigt, 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 Bearbei- tungsverfahren, etwa eine Opferschichttechnik oder andere Atzverfahren aus der Halbleiterbearbeitung. Danach werden nacheinander eine Isolationsschicht 102 gemäß Figur 15C, eine Metallschicht 103 (Fig. 15D) zur Bildung der Antriebselektrode bzw. Steuerelektrode 42 und der Aufladungselektrode 43 sowie zur Bildung von nicht näher gezeigten LastkreisZuführungen aufgebracht und strukturiert. Danach wird gemäß Figur 15E eine dünne Isolationsschicht 107 zur Bildung der Tunnelstrecke 17 und gemäß Figur 15F eine dicke Isolationsschicht 104 aufgebracht und im Bereich der Aufladungselektrode 13 bzw. 43 strukturiert.FIG. 15A 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. As can be seen from FIG. 15B, two mirror-inverted substrate systems are manufactured at the same time 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; However, other processing methods would also be conceivable, such as sacrificial layer technology or other etching processes from semiconductor processing. An insulation layer 102 according to FIG. 15C, a metal layer 103 (FIG. 15D) for forming the drive electrode or control electrode 42 and the charging electrode 43 and for forming load circuit leads (not shown in any more detail) are then applied and structured in succession. Thereafter, according to FIG. 15E, a thin insulation layer 107 is applied to form the tunnel section 17 and, according to FIG. 15F, a thick insulation layer 104 is applied and structured in the region of the charging electrode 13 or 43.
Gemäß Figur 15G wird dann eine Metallisierungsschicht 105 als ladungsspeichernde Schicht aufgebracht und zur Bildung der einzelnen Speicherzellen 41 strukturiert. Gemäß Figur 15H wird schließlich eine oberste Isolationsschicht 106 aufge- bracht und strukturiert, um gemäß Figur 151 die ruhenden Kontaktstücke 109 galvanisch verstärken zu können.According to FIG. 15G, a metallization layer 105 is then applied as a charge-storing layer and structured to form the individual memory cells 41. According to FIG. 15H, an uppermost insulation layer 106 is finally applied and structured in order to be able to galvanically reinforce the stationary contact pieces 109 according to FIG. 151.
In Figur 16A bis 16M ist schematisch die weitere Gewinnung einer Ankerzunge 21 aus einem Ankersubstrat 200 und deren Verbindung mit einem Basissubstrat sowie einem Deckelsubstrat 300 dargestellt. Dabei wird zunächst ein plattenförmiges An- kersubstrat 200 auf der Waferunterseite mit einer Isolationsschicht 201 (Figur 16B) versehen, und auf dieser Isolationsschicht wird eine Metallschicht 202 (Figur 16C) aufgebracht und zur Bildung einer Ankerelektrode 22 (Fig. 1) sowie von Lastkreiszuführungen strukturiert .FIGS. 16A to 16M schematically show the further extraction of an anchor tongue 21 from an anchor substrate 200 and its connection to a base substrate and a cover substrate 300. First, a plate-shaped armature substrate 200 is provided on the underside of the wafer with an insulation layer 201 (FIG. 16B), and a metal layer 202 (FIG. 16C) is applied to this insulation layer and structured to form an armature electrode 22 (FIG. 1) and load circuit leads .
Gemäß Figur 16D wird dann eine weitere Isolationsschicht 203 aufgebracht und strukturiert, so daß gemäß Figur 16E durch galvanisches Verstärken auf der Metallschicht 202 bewegliche Kontakte 209 ausgebildet werden können.According to FIG. 16D, a further insulation layer 203 is then applied and structured, so that, according to FIG. 16E, movable contacts 209 can be formed on the metal layer 202 by galvanic amplification.
Das so gewonnene und strukturierte Ankersubstrat 200 wird dann auf ein Basissubstrat 100, das gemäß Figur 151 gestaltet ist, anodisch oder eutektisch oder auf andere Weise gebondet (siehe Figur 16F) . Danach wird gemäß Figur 16G das Ankersubstrat bis auf eine gewünschte Dicke der Ankerzunge 21 ab- geätzt. Eine solche Dicke liegt beispielsweise in der Größenordnung von 10 um. Die so gewonnene Ankerzungenschicht 210 könnte nun, falls lediglich ein Öffner oder Schließer erzeugt werden sollte, in der Mitte im Bereich 211 getrennt werden, so daß zwei in Klammern bezeichnete, spiegelverkehrt angeordnete Ankerzungen 21 gewonnen würden.The thus obtained and structured armature substrate 200 is then anodically or eutectically or otherwise bonded to a base substrate 100, which is designed according to FIG. 151 (see FIG. 16F). 16G, the armature substrate is then removed to a desired thickness of the armature tongue 21. etched. Such a thickness is on the order of 10 µm, for example. The anchor tongue layer 210 obtained in this way could, if only one opener or closer 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.
Zur Gewinnung eines Wechslerrelais gemäß Figur 1 wird jedoch die Oberseite der Ankerzungenschicht 210 weiter strukturiert, nämlich durch Aufbringen einer weiteren Isolationsschicht 205 gemäß Figur 16H, durch Aufbringen und Strukturierung einer Metallschicht 206 für eine weitere Anker-Antriebselektrode 23 (Figur 1) und gegebenenfalls für Lastkreiszuführungen sowie durch Aufbringen und Strukturieren einer weiteren Isolations- Schicht 207 (Figur 16J) . Danach werden durch galvanischesTo obtain a changeover relay according to FIG. 1, however, the upper side of the armature tongue layer 210 is structured further, namely by applying a further insulation layer 205 according to FIG. 16H, by applying and structuring a metal layer 206 for a further armature drive electrode 23 (FIG. 1) and, if appropriate, for load circuit leads and by applying and structuring a further insulation layer 207 (FIG. 16J). Then by galvanic
Verstärken der Metallschicht 206 bewegliche Kontaktstücke 208 ausgebildet (Figur 16K) , und schließlich werden zwei Ankerzungen 21 durch lateral strukturiertes, dreiseitiges Freilegen gewonnen, wie dies in Figur 16L (allerdings nur im Schnitt) gezeigt ist. Schließlich wird ein DeckelsubstratReinforcing the metal layer 206, movable contact pieces 208 are formed (FIG. 16K), and finally two anchor tongues 21 are obtained by laterally structured, three-sided exposure, as is shown in FIG. 16L (but only in section). Finally, a lid substrate
300, das wie das Basissubstrat 100 gemäß Figur 151 gestaltet ist, von oben mit der strukturierten Oberfläche nach unten auf das Ankersubstrat 200 gebondet. Auf diese Weise ist gemäß Figur 16M ein Relais mit zwei einander gegenüberstehenden An- kerzungen 21 gebildet, wobei die Basis-Festkontakte 19 und die Deckel-Festkontakte 39 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.300, which is designed like the base substrate 100 according to FIG. 151, is bonded from above with the structured surface down to the armature substrate 200. In this way, according to FIG. 16M, a relay is formed with two opposing armatures 21, the base fixed contacts 19 and the cover fixed contacts 39 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.
In der Praxis erfolgt die Bearbeitung der einzelnen Substrate nicht nur mit zwei Ankerzungen gemäß Figuren 15 und 16, sondern im Vielfach, so daß eine Matrixanordnung mit einer Vielzahl von Relaissystemen gewonnen wird. Ein derartiges Viel- fach ist in Figur 17 gezeigt, wobei ein gemeinsames Basissubstrat 100 und ein gemeinsames Deckelsubstrat 300 ein Ankersubstrat 200 mit einer Vielzahl von Ankerzungen 21 ein- schließen. Die einzelnen Schalteinheiten mit jeweils einer Ankerzunge 21 können dabei durch entsprechende Gestaltung der Zuführungsbahnen getrennt oder parallel angesteuert und gestaltet werden.In practice, the processing of the individual substrates is carried out not only with two anchor tongues according to FIGS. 15 and 16, but in multiples, so that a matrix arrangement with a large number of relay systems is obtained. Such a multiple is shown in FIG. 17, wherein a common base substrate 100 and a common cover substrate 300 form an armature substrate 200 with a large number of armature tongues 21. conclude. The individual switching units, each with an armature tongue 21, can be controlled or designed separately or in parallel by appropriate design of the feed tracks.
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 kann beispiels- weise evakuiert oder mit einem Schutzgas (N2 oder SF6) gefüllt werden. Ferner ist es zweckmäßig, das Gehäuse zum Zweck einer elektrostatischen Abschirmung aus Metall herzustellen.The individual relay system or the relay multiple arrangement is accommodated in a conventional manner in a housing, which is not specifically shown. Such a housing is preferably hermetically sealed and can, for example, be 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.
Alle Darstellungen in den Ausführungsbeispielen sind stark vergrößert, wobei die Größenverhältnisse nicht in allen Fällen maßstäblich sind; insbesondere sind einige Schichtdicken der Anschaulichkeit halber übertrieben gezeichnet. Typische Abmessungen einer Ankerzunge sind beispielsweise: Länge 1500 bis 2000 um Breite ca. 1000 um Dicke 10 um. All representations in the exemplary embodiments are greatly enlarged, the proportions not being to scale in all cases; in particular, some layer thicknesses are exaggerated for the sake of clarity. Typical dimensions of an anchor tongue are, for example: length 1500 to 2000 μm width approximately 1000 μm thickness 10 μm.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikromechanisches elektrostatisches Relais mit1. Micromechanical electrostatic relay with
- einem Festkörper als Basissubstrat (1;100), - einer aus festem Material freigearbeiteten, flexiblen Ankerzunge (21), welche einseitig an dem Basissubstrat (2;200) angebunden ist, mit diesem einen keilförmigen, sich zum offenen Ende hin stetig erweiternden Arbeitsluftspalt (10) bildet und bei Betätigung auf dem Basissubstrat (1) abrollbar ist,- A solid body as the base substrate (1; 100), - A flexible anchor tongue (21) which has been machined from solid material and which is connected on one side to the base substrate (2; 200), with this a wedge-shaped working air gap which widens continuously towards the open end (10) and can be rolled off on the base substrate (1) when actuated,
- einer auf dem Basissubstrat (1;100) ausgebildeten flächigen Basiselektrode (12) ,- a flat base electrode (12) formed on the base substrate (1; 100),
- einer auf der Ankerzunge (21) ausgebildeten, der Basiselektrode (12) flächig gegenüberstehenden Ankerelektrode (22,23),an armature electrode (22, 23) formed on the armature tongue (21) and opposite the base electrode (12),
- mindestens einem auf dem Basissubstrat (1) angeordneten feststehenden Kontakt (19) und- At least one fixed contact (19) arranged on the base substrate (1) and
- mindestens einem auf der Ankerzunge (21) angeordneten, dem feststehenden Kontakt gegenüberstehenden beweglichen Kon- takt (29) , 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) angeordnete, in die Oberfläche des keilförmigen Luftspaltes einbezogene Elektret-Ladungsschicht (15) , welche durch eine Mehrzahl von programmierbaren, nicht flüchtigen Ladungsspeicherzellen (EEPROMs) (41) gebildet ist.- At least one movable contact (29) arranged on the armature tongue (21) and opposite the fixed contact, characterized by at least one electret charge layer (15) which is arranged on the base substrate (1) and is incorporated into the surface of the wedge-shaped air gap a plurality of programmable, non-volatile charge storage cells (EEPROMs) (41) is formed.
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 die einzelnen Speicherzellen (41) in Abrollrichtung der Ankerzunge (21) eine geringere Ausdehnung besitzen als in der dazu senkrechten Richtung.2. Relay according to claim 1, so that the individual memory cells (41) in the rolling direction of the armature tongue (21) have a smaller extent than in the direction perpendicular thereto.
3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die einzel- nen Speicherzellen (41) jeweils eine Ausdehnung in Abrollrichtung der Ankerzunge zwischen 25 μm und 50 um und in der dazu senkrechten Richtung zwischen 25 μm und 100 μm besitzen. 3. Relay according to claim 1 or 2, characterized in that the individual memory cells (41) each have an extension in the rolling direction of the armature tongue between 25 microns and 50 microns and in the perpendicular direction between 25 microns and 100 microns.
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 einzelnen Speicherzellen (41) jeweils eine metallische Ladungsspeicherschicht (45) aufweisen, die zwischen zwei Isolations- schichten (44,46) eingebettet ist, wobei eine der Isolations- schichten die Ladungsspeicherschicht (45) von einer Steuerelektrode (42) trennt und wobei eine zusätzliche Aufladungselektrode (43) vorgesehen ist, die von der Ladungsspeicherschicht (45) nur durch eine Tunnel-Isolationsschicht (47) ge- trennt ist, deren Dicke (dinj) nur einen Bruchteil der Dicke (ds) der die Steuerelektrode (42) von der Ladungsspeicher- schicht (45) trennenden Isolationsschicht (44) aufweist.4. Relay according to one of claims 1 to 3, characterized in that the individual memory cells (41) each have a metallic charge storage layer (45) which is embedded between two insulation layers (44,46), one of the insulation layers Separates charge storage layer (45) from a control electrode (42) and an additional charging electrode (43) is provided, which is separated from the charge storage layer (45) only by a tunnel insulation layer (47), the thickness (d inj ) of which is only a fraction of the thickness (d s ) of the insulation layer (44) separating the control electrode (42) from the charge storage layer (45).
5. Relais nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Tunnel- Isolationsschicht eine Schichtdicke (dinj) zwischen 10 und 25 nm und die Isolationsschicht zwischen der Ladungsspeicherschicht (45) und der Steuerelektrode (42) eine Schichtdicke (dΞ) zwischen 200 und 500 nm besitzt.5. Relay according to claim 4, characterized in that the tunnel insulation layer has a layer thickness (d in j) between 10 and 25 nm and the insulation layer between the charge storage layer (45) and the control electrode (42) has a layer thickness (d Ξ ) between 200 and 500 nm.
6. Relais nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuerelektrode (42) und die Aufladungselektrode (43) durch Strukturierung aus ein und derselben Metallschicht (103) gebildet sind.6. Relay according to claim 4 or 5, so that the control electrode (42) and the charging electrode (43) are formed by structuring from one and the same metal layer (103).
7. Relais nach einem der Ansprüche 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuerelektrode (42) zugleich als Basiselektrode (12) bzw. Deckel- elektrode (32) für den Schaltantrieb des Relais dient.7. Relay according to one of claims 4 to 6, so that the control electrode (42) also serves as the base electrode (12) or cover electrode (32) for the switching drive of the relay.
8. Relais nach Anspruch 1 bis 7, 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. 8. Relay according to claim 1 to 7, characterized in that the base substrate (1) has a flat surface (11) and that the armature tongue (21) from the base substrate (1) is biased away in a continuously curved basic shape.
9. Relais nach Anspruch 1 bis 7, 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.9. Relay according to claim 1 to 7, so that the armature tongue (21) has a flat basic shape and that the base substrate (1) has a surface (11) which is continuously curved away from the armature tongue (21).
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 die elektrischen Ladungen der Elektretschicht (15,35) eine Anzugskraft zwischen dem Basissubstrat (1) und der Ankerzunge (21) erzeugen, die geringer ist als die von dem Basissubstrat (1) weggerichtete Vorspannungskraft der Ankerzunge (21), so daß ein Schließerkontakt gebildet wird.10. Relay according to one of claims 1 to 9, characterized in that the electrical charges of the electret layer (15, 35) generate a tightening force between the base substrate (1) and the armature tongue (21) which is less than that of the base substrate (1 ) directed biasing force of the armature tongue (21), so that a normally open contact is formed.
11. 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 die elektrischen Ladungen der Elektretschicht (15,35) eine Anzugskraft zwischen dem Basissubstrat (1) und der Ankerzunge (21) erzeugen, die größer ist als die von dem Basissubstrat weggerich- tete Vorspannungskraft der Ankerzunge (21), so daß ein Öffnerkontakt gebildet wird.11. Relay according to one of claims 1 to 9, characterized in that the electrical charges of the electret layer (15, 35) generate a pulling force between the base substrate (1) and the armature tongue (21) which is greater than that away from the base substrate. Tete biasing force of the armature tongue (21), so that an NC contact is formed.
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 zusätzlich ein Deckelsubstrat (3; 300) über dem Basissubstrat (1) unter Bildung eines stetig keilförmigen Luftspaltes (10) angeordnet ist und eine der Ankerelektrode (22,23) flächig gegenüberstehende Deckelelektrode (32) trägt, daß die Ankerzunge (21) zwischen den beiden Substraten (1, 3; 100, 300) eingespannt ist und sich in einer ersten12. Relay according to one of claims 1 to 11, characterized in that in addition a cover substrate (3; 300) over the base substrate (1) is arranged to form a continuously wedge-shaped air gap (10) and one of the armature electrode (22, 23) flat opposite Cover electrode (32) carries that the armature tongue (21) between the two substrates (1, 3; 100, 300) is clamped and in a first
Schaltstellung an das Deckelsubstrat (3; 300) und einer zweiten Schaltstellung an das Basissubstrat (1;100) anzulegen vermag und •daß auf dem Basissubstrat 81) und dem Deckelsubstrat (3) je- weils eine Elektretschicht (15,35) mit Ladungen von jeweils unterschiedlicher Polarität angeordnet ist. Switch position to the cover substrate (3; 300) and a second switch position to the base substrate (1; 100) and • that on the base substrate 81) and the cover substrate (3) each have an electret layer (15, 35) with charges of different polarity is arranged.
13. Relais nach Anspruch 12, 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 (15,35) dem Betrag nach gleich ist.13. Relay according to claim 12, so that the sum of the electrical charges in both electret layers (15, 35) is equal in amount.
14. Relais nach Anspruch 12, 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.14. Relay according to claim 12, so that the sum of the electrical charges in the two electret layers (12, 32) is different according to the amount.
15. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 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 Einspannung der Ankerzunge (21) einen Bereich größter Krümmung aufweisen.15. Relay according to one of claims 1 to 14, characterized in that the wedge-shaped air gap (10) between the base substrate (1), the anchor tongue (21) and optionally the cover substrate (3) forming curved surfaces in each case in the vicinity of the clamping of the Anchor tongue (21) have an area of greatest curvature.
16. Relais nach einem der Ansprüche Ibis 15, 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 (29) tragenden, über flexible Bänder aus der Ankerebene heraus elastisch bewegbaren Kontaktabschnitt (24) aufweist.16. Relay according to one of the claims Ibis 15, so that the armature tongue (21) has at least one contact section (24) carrying the movable contact (29), which is movable via flexible straps out of the armature plane, in the region of its movable end section.
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 (100) in Vielfach-Anordnung zusammenhängen.17. Arrangement of a plurality of relays according to one of claims 1 to 16, so that all relays are connected at least via their basic substrates (1) to a one-piece carrier substrate (100) in a multiple arrangement.
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. 18. The arrangement according to claim 17, characterized in that on the carrier substrate (100) control lines are provided for each individual relay.
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 Ansteue- rung mehrerer Relais vorgesehen sind.19. The arrangement as claimed in claim 17, so that control lines for the parallel control of a plurality of relays are provided on the carrier substrate (100).
20. Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 19, 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 Oberflä- ehe ein dem gewünschten keilförmigen Luftspalt entsprechendes Profil (101) erzeugt wird und daß durch selektive Beschichtung und Strukturierung mindestens folgende Schichten aufgebracht werden: a) eine Isolationsschicht (102), b) eine Metallschicht (103) zur Bildung einer Basiselektrode (12) , einer Aufladungselektrode (13) und mindestens einer LastkreisZuführung, c) eine dünne Isolationsschicht (107) zur Erzeugung einer Tunnelstrecke (17), d) eine dicke Isolationsschicht (104) im Bereich der Antriebselektrode, e) eine ladungsspeichernde Metallschicht (105), f) eine Oberflächen-Isolationsschicht (106), daß auf der Unterseite eines Ankersubstrats (200) durch se- lektive Beschichtung und Strukturierung mindestens eine Isolationsschicht (201), eine Metallschicht (202) zur Bildung einer Ankerelektrode (22) und mindestens eines beweglichen Kontaktelementes (209) sowie eine Oberflächen- Isolationsschicht (203) erzeugt werden, daß das Ankersubstrat (200) mit seiner strukturierten Unterseite auf die strukturierte Oberseite des Basissubstrates (100) gebondet sowie bis auf eine gewünschte Ankerdicke abgetragen wird und daß dann die Kontur der Ankerzunge (21) von drei Seiten her freigelegt wird. 20. A method for producing one or more relays according to one of claims 1 to 19, characterized in that in a crystalline base substrate (100) by removal of the surface a profile corresponding to the desired wedge-shaped air gap (101) is generated and that by selective coating and structuring at least the following layers are applied: a) an insulation layer (102), b) a metal layer (103) for forming a base electrode (12), a charging electrode (13) and at least one load circuit feed, c) a thin insulation layer (107) for Generation of a tunnel section (17), d) a thick insulation layer (104) in the area of the drive electrode, e) a charge-storing metal layer (105), f) a surface insulation layer (106) that on the underside of an armature substrate (200) by se - Lective coating and structuring of at least one insulation layer (201), a metal layer (202) to form an anchor Electrode (22) and at least one movable contact element (209) and a surface insulation layer (203) are generated that the armature substrate (200) with its structured underside bonded to the structured top of the base substrate (100) and removed to a desired anchor thickness and that the contour of the anchor tongue (21) is then exposed from three sides.
21. 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 Ba¬ sissubstrat (100) beschichtet und strukturiert wird und daß dieses Deckelsubstrat (300) mit seiner strukturierten Seite auf das Ankersubstrat (200) gebondet wird.21. The method according to claim 20, characterized in that a crystalline lid substrate (300) is coated in an analogous manner as the Ba ¬ sissubstrat (100) and structured, and that this lid substrate (300) is bonded with its structured side to the armature substrate (200) .
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die gekrümm- te Luftspaltoberfläche (101) des Basissubstrats (1) und/oder des Deckelsubstrats (3) durch Grauton-Lithografie erzeugt wird.22. The method according to claim 20 or 21, so that the curved air gap surface (101) of the base substrate (1) and / or the cover substrate (3) is produced by gray-tone lithography.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach der Verbindung des Ankersubstrats (200) mit dem Basissubstrat (100) und gegebenenfalls mit dem Deckelsubstrat (300) eine Aufladespannung (Uirij) zwischen der Steuerelektrode (12; 32; 42) und der Aufladungselektrode (13; 33; 43) angelegt wird, und daß durch Einstellung der Aufladungsspannung und/oder der Aufla- dungszeit eine vorbestimmte elektrische Ladung in den einzelnen Speicherzellen (41) erzeugt wird. 23. The method according to any one of claims 20 to 22, characterized in that after the connection of the armature substrate (200) with the base substrate (100) and optionally with the cover substrate (300), a charging voltage (U iri j) between the control electrode (12; 32nd ; 42) and the charging electrode (13; 33; 43) is applied, and that a predetermined electric charge is generated in the individual memory cells (41) by adjusting the charging voltage and / or the charging time.
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