WO2005064634A1 - Elektronisches gerät mit einem mikro-elektromechanischen schalter aus piezoelektrischem material - Google Patents

Elektronisches gerät mit einem mikro-elektromechanischen schalter aus piezoelektrischem material Download PDF

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WO2005064634A1
WO2005064634A1 PCT/IB2004/052881 IB2004052881W WO2005064634A1 WO 2005064634 A1 WO2005064634 A1 WO 2005064634A1 IB 2004052881 W IB2004052881 W IB 2004052881W WO 2005064634 A1 WO2005064634 A1 WO 2005064634A1
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WO
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electrode
electrodes
layer
mems
piezoceramic
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PCT/IB2004/052881
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Heiko Pelzer
Peter G. Steeneken
Astrid Lewalter
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Koninklijke Philips Electronics N.V.
Philips Intellectual Property & Standards Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
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    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
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    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/40—Structural combinations of variable capacitors with other electric elements not covered by this subclass, the structure mainly consisting of a capacitor, e.g. RC combinations
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    • H01H2057/006—Micromechanical piezoelectric relay
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type

Definitions

  • the invention relates to an electronic device with a microelectromechanical switch, comprising: a piezoelectric element with a piezoelectric layer located between a first and second electrode layer; a first and a second MEMS electrode, which first MEMS electrode is on a surface of the piezoelectric element, and which second MEMS electrode is on the surface of a substrate, so that the first MEMS electrode is applied to the piezoelectric element by an actuation voltage and / or moved to or away from the second MEMS electrode.
  • MEMS Micro-electromechanical switches
  • the first products are already being used, but due to the relatively high switching voltages they have so far been limited to applications that can make them available.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a one-sided clamped and a two-sided clamped plate made of piezoceramic, the heart of a piezo MEMS.
  • Electrode layers 11, 13 are attached to the top and bottom of the piezoceramic 12, which, when voltage is applied, ensure that the piezoceramic contracts or contracts.
  • the piezoceramic 12 forms the piezoelectric element with the electrode layers 11, 13. This is with one Substrate connected over one or more supports, to which the element 10 is clamped on one side 30, or on two sides 30, 31.
  • the d31 piezocoefficient is used in the configuration shown, ie the piezoceramic 12 is polarized along the surface normal of the electrodes in the + z direction.
  • the bending of the piezoceramic is now generated by a gradient in the stiffness.
  • the electrodes 11, 13 on the top and bottom can consist of the same metals, but then they must have different layer thicknesses. Another possibility is to use different electrode materials with different stiffnesses. A combination of both principles is also possible.
  • Figure 2 shows both switches when one between the top and bottom
  • the switch clamped on one side has the advantage that even a low voltage is sufficient to switch (large deflection at low voltage).
  • the double-sided switch promises greater mechanical stability, but requires a significantly higher voltage in order to achieve the same deflection as the single-sided switch.
  • a closer look at the switch clamped on both sides shows that the bending shape is very unfavorable when the voltage is applied. As FIG. 3 shows, this switch would only be closed at the edges, which would result in a large impedance. In this configuration, the switch clamped on both sides, despite its mechanical advantages, is not an alternative to the switch clamped on one side.
  • At least one of the electrode layers is structured into electrodes, defining a dislocation area in the piezoelectric element, in which dislocation area the first MEMS electrode is located and which dislocation area using at least one actuation voltage on the electrodes in relation to the rest of the piezo element is highly displaceable from and / or to the substrate.
  • at least one electrode layer is structured in such a way that only a part of the piezoelectric element is deformable.
  • the entire element does not become the substrate using an actuation voltage, and brought especially to the second MEMS electrode, but only a specific part, ie the area of displacement.
  • the plurality of electrodes enables the entire piezoelectric element not to be deflected.
  • the ceramics are also contracted locally. This is especially done so that the first MEMS electrode has a flat surface.
  • the piezoelectric layer has been polarized in a polarization mode during manufacture.
  • the electrodes have been defined in such a way that an actuation voltage can be applied locally, which causes the piezoelectric layer to contract locally.
  • the use of a polarization mode is known per se to the person skilled in the field of piezoceramic.
  • Such materials can be applied to the substrate in a number of ways, as is known to those skilled in the art.
  • the piezoelectric Element can further comprise a structural layer, but asymmetry in stiffness can also be achieved with different electrode layers.
  • the second electrode layer has also been divided into several electrodes. There are preferably at least two electrodes per layer, the potential of which can be controlled independently of one another. This embodiment can be used in several configurations. In a first configuration there is a dielectric layer on the second MEMS electrode, that is to say the counter electrode. Both the lower
  • Center electrode as well as the top center electrode of the piezoelectric element carry the signal.
  • the signal In the closed state, the signal is capacitively coupled into the second MEMS electrode.
  • the dielectric is thicker if the upper center electrode carries the signal, but it can also have a low internal resistance due to the layer thickness and the choice of material.
  • the switch is designed in such a way that the signal is routed via a “transmission line”.
  • This transmission line can be interrupted, so that the first MEMS electrode attached to the piezoceramic connects the connection galvanically or capacitively via a dielectric
  • the transmission line can also run without interruption, in which case the signal is electrically or capacitively short-circuited to the first MEMS electrode on the piezoceramic surface, which can also be covered with a dielectric
  • a polarization mode causes the part of the piezoelectric layer opposite the second MEMS electrode to be polarized in the opposite direction to the parts which are arranged next to it.
  • the MEMS switches can be further differentiated with regard to the structuring of the electrodes attached to the piezoceramic.
  • the second electrode layer is an uninterrupted metal layer
  • the first electrode layer is at least three electrodes, the middle of which is arranged opposite the second MEMS electrode.
  • Different configurations can also be distinguished here: In a first configuration, the signal runs along the continuous lower electrode when the switch is open and is galvanically short-circuited when the switch is closed (FIG. 9A). In a second configuration, the signal runs along the continuous upper electrode when the switch is open and is capacitively short-circuited via the piezoceramic when the switch is closed (FIG. 9B).
  • the signal runs along the continuous lower electrode when the switch is open and is capacitively short-circuited via the counter electrode covered with a dielectric when the switch is closed (FIG. 9C).
  • the electrodes on the structured electrode layer are designed as so-called “interdigital electrodes”. The voltage is now present between the narrow electrodes. The polarization of the piezoceramic is accordingly largely oriented in the + x or -x direction The field created is now parallel to the desired expansion or contraction along the x-axis. In this case, the d33 piezocoefficient is decisive for the deflection that can be achieved.
  • the invention also relates to a method for preparing the MEMS switch. This preparation is essentially the application of actuation voltages in polarization mode. This step is a cheap way to bring about local contraction and deflection in the piezoelectric element.
  • the invention further relates to the use of the MEMS switch. In use, also in the working mode, the actuation voltages are applied in such a way that the displacement area moves as desired. The actuation voltages will be Usually attached by a control device (English: Driver and especially Driving Integrated Circuit).
  • FIG. 1 shows schematic diagrams of a piezo-MEM clamped on one or two sides with an electrode on the top and bottom
  • FIG. 2 a representation of the deflection Both switches show when a voltage is applied to the electrodes
  • Fig. 3 shows a representation of the deflection of the switch clamped on both sides from different angles. The bending profile shows an unfavorable course, since the contact area is very small due to the strong additional curvature in the middle
  • Fig. 4 Schematic diagram of switches or switchable capacitors according to a first embodiment of the invention
  • Fig. 5 Switch clamped on both sides with two electrodes on the top and two electrodes on the bottom
  • Fig. 5 Switch clamped on both sides with two electrodes on the top and two electrodes on the bottom
  • FIG. 6 shows the switch according to the invention in polarization mode (left) or working mode (right).
  • the specified voltages are exemplary.
  • Fig. 8 shows different connection configurations of the electrodes
  • Fig. 9 schematic diagram of switches or switchable capacitors of the invention according to one 10 shows a switch according to a second embodiment; 11 shows the control of the switch of the second embodiment;
  • FIG. 12 shows different connection configurations of the structured electrode,
  • FIG. 13 shows a further sketch of the switch in the second embodiment, specifically in the special variant.
  • FIG. 14 shows a schematic diagram of the switch according to the particular embodiment, with behavior in the polarization mode (left) and working mode (right). In both cases, a voltage of 5 V is present at the continuous lower electrode, FIG. 15: shows a simulated bending profile of the second embodiment, and Fig. 16: shows a simulated bending profile of the special variant of the second embodiment.
  • the MEMS element comprises a piezoelectric element 10 with a first electrode layer 11, a piezoelectric layer 12 and a second electrode layer 13.
  • a first MEMS electrode 42 is located on a surface of the piezoelectric element 10.
  • a second MEMS electrode 21, furthermore also a counter electrode is located on the substrate 20.
  • the first and the second MEMS electrodes 42, 21 are arranged such that they are in contact with one another, either galvanically or capacitively, when the MEMS element is closed.
  • the piezoelectric element 10 is clamped on supports on two sides 30, 31.
  • the supports (not shown) are located on the substrate 20.
  • FIG. 4A shows a switch with a dielectric layer 22 on the second MEMS electrode 21. This leads to a capacitive contact in the closed state.
  • FIG. 4B shows a switch without a dielectric layer on the second MEMS electrode. This leads to a galvanic or capacitive
  • FIGS 4A (II) and 4B (II) show the switches in the closed state.
  • further electrodes 41, 43 are arranged in the first electrode layer 11.
  • Further electrodes 51, 53 are also located in the second electrode layer 13.
  • these 41, 43, 51, 53 are set to a voltage that is different from the voltage of the middle electrode 42, 52.
  • the piezoceramic 12 can advantageously be bent.
  • the further electrodes 41, 43; 51, 53 are connected to one another in an electrode layer 11, 13.
  • Further figures show further configurations.
  • a layer is selected as the piezoelectric layer 12 which can be applied wet-chemically using sol-gel technology.
  • a cheap material is, for example, lead-lanthanum zirconate-titanate (PbLao .02 Zro. 53 Tio .4 7O3), but many alternatives are known to the person skilled in the art.
  • ferroelectric layers require heat treatment at a higher temperature, generally between 500 and 900 ° C.
  • an electrode layer preferably contains platinum (Pt) which can withstand these temperatures.
  • Pt platinum
  • conductive oxides for the other electrode layer, one can choose Pt, but also aluminum or another favorable material.
  • adhesive layers and barrier layers are used as far as necessary, as is known to those skilled in the art.
  • a MEMS switch is usually produced with a “sacrificial layer”, which sacrificial layer is subsequently removed by etching.
  • the Pt layer is closest to the substrate.
  • the piezoelectric element 10 can be produced separately and then in a soldering process or similar process to the substrate 20. In this case, the Pt layer is located on the side of the piezoelectric element 10 facing away from the substrate 20.
  • Figure 5 shows the piezoelectric element 10.
  • the construction of the switch according to the invention is characterized in that at least two electrodes are applied to at least one side of the piezoceramic 12, the potentials of which can be controlled independently of one another both electrode layers 1 1.13 in three electr oden 41 -43, 51- 53.
  • the electrode design in the first electrode layer 11 is completely identical to that of the second electrode layer 13.
  • Insulation for example of benzocyclobutane (BCB) or similar material with a low dielectric constant, can be arranged between the middle top electrode 52 and the side electrodes 51, 53.
  • BCB benzocyclobutane
  • the piezoceramic 12 has the length 4L between the clamps 30, 31 on both sides, the length of the side electrodes 41, 43 is preferably approximately L and the length of the center electrode is approximately 2L in order to deflect the deflection as large as possible
  • Piezoceramic 12 to achieve with low switching voltage.
  • the insulation gap between the electrodes 41, 42, 43 should be reduced to the technological minimum.
  • the electrode materials are chosen so that the elasticity modules are as different as possible, since this is in combination with the layer thicknesses of the electrodes the curvature of the piezoceramic increases.
  • the lower electrode 11 is preferably made of platinum with an elastic modulus of 165 GPa and, according to the above statements, the upper electrode preferably consists of aluminum, which has an elastic modulus of only about 71 GPa.
  • FIG. 6 shows the piezoelectric element 10 again, the control voltages being shown.
  • the first mode is used to set the piezoceramic 12. This preferably takes place immediately after the layers of the piezoelectric element 10 have been produced. Higher voltages and higher temperatures are used. This is still possible, particularly during production, because no package or other layers are then attached that have more limited temperature stability than the piezoelectric element 10.
  • the second mode is the working mode, that is, the mode that is present during use.
  • FIG. 6A shows the application of the control voltages in the polarization mode.
  • the piezoceramic is poled in the z direction, i. H. the electrodes in the first electrode layer 11 are at a potential which is different from the potential of the
  • the potential on the first electrode layer is 1 10 volts, and on the second electrode layer 5 V. It is noted that here and otherwise the voltage of 5 V only shows one example.
  • FIG. 6B shows the application of the control voltages in the working mode. The voltage sequence alternates here: the lower center electrode 42 and the side electrodes
  • the side electrodes 41, 43 in the first electrode layer 11, and the upper center electrode 52, are at 0 V.
  • the voltage sequences of polarization mode and working mode can also be interchanged, so that the piezoceramic z. B. is polarized on the sides in the + z direction and below the center electrodes in the -z direction.
  • the curvature behavior of the piezoceramic thus corresponds to that imposed by the boundary conditions (both sides of the switch fixed) and is supported by the choice of the electrode materials. This increases the deflection of the switch at the same voltage.
  • Simulations with the Ansys 6.0 software tool resulted in a deflection of around five times greater for a double-sided clamped piezoceramic with the above-described dimensions 200 ⁇ m x 50 ⁇ m and a voltage of switching voltage of 1 V, but otherwise optimized electrode materials and layer thicknesses ( Figure 3).
  • the bending profile changes in such a way that a large contact area and thus reliable contacting is ensured (FIG. 7).
  • the configuration described can also be used as an electrode of a controllable capacity.
  • FIG. 8 shows different configurations to drive the split electrodes.
  • the left half of the illustration shows the underside of the ceramic covered with electrodes (hatched), while the top shows on the right side. In the top configuration, the electrodes run across the entire width of the piezoceramic.
  • the electrodes on the underside are mirror images of those on the top so that the forces in the material remain symmetrical. In the middle configuration, the center electrode is only connected from one side.
  • FIG. 9 shows a second embodiment of the switch of the invention. In this embodiment, only one of the two electrode layers 11, 13 has been sub-distributed in several electrodes.
  • FIG. 9 shows a basic structure of a piezoelectric switch or the switchable capacitance in the second embodiment of the invention. There are various configurations for this, which are characterized in that the continuous electrode carries the signal: FIG. 9A shows a switch with a continuous, uninterrupted sub-electrode 11.
  • FIG. 10 shows the piezoelectric element 10 of this embodiment.
  • the structure of the switch according to the invention is characterized in that at least two electrodes are applied to one side of the piezo ceramic 12, the potentials of which can be controlled independently of one another.
  • the electrode on the other side of the piezoceramic, however, is continuous. If the piezoceramic has a length of 4L, the length of the side electrodes is approx.
  • the length of the center electrode is approx. 2L in order to achieve the greatest possible deflection of the piezoceramic with a low switching voltage.
  • the insulation gap between the electrodes should be reduced to the technological minimum.
  • the electrode materials are chosen so that on the one hand the greatest possible deflection is achieved and on the other hand the conductivity of the material used for the continuous metallization is as large as possible. Platinum would preferably be used as a thin structured electrode and a thicker aluminum layer as an unstructured electrode. However, materials with a higher electrical conductivity, such as copper, silver or gold, are also particularly suitable for the unstructured electrode.
  • FIG. 1 1 shows in their sketches A and B the applied voltages in the two operating modes.
  • the piezoceramic In the polarization mode (FIG. 1A), the piezoceramic is poled in the region of the side electrodes in the + z direction (or vice versa) while it is poled in the region of the center electrode in the z direction (or vice versa), ie the potential of the structured electrodes on z. B.
  • the bottom of the piezoceramic alternates. At least three different electrical potentials are therefore required during production. In contrast, only two different potentials are required in the working mode (FIG. 12 right).
  • the voltage sequences of polarization mode and work mode can also be interchanged, but this places greater demands on the control electronics in the application.
  • the specified voltages of 5 V and 0 V are only meant as examples. Other voltages can also be selected. In particular, it is said that the voltages in the polarization mode can be higher than those in the working mode. It may well be that the voltages on the electrodes, where the
  • Ceramic contracting under the voltages is smaller than that on the electrodes where the ceramic expands.
  • the center electrode 42 is polarized in the opposite direction by applying a negative potential in the polarization mode. It is possible, for example, that the control voltage is at the middle In the working mode, the lower electrode 42 is only 3 V or even 1 V instead of 5 V. It should namely be prevented that the control voltage reverses the polarity of the piezoceramic in the opposite direction of the polarization.
  • FIG. 12 shows different configurations for driving the structured electrode. The contacting of the center electrode 42 can be very narrow
  • FIG. 12A shows a further variant of this embodiment of a double-sided switch, which enables complete metallization of one side of the piezoceramic.
  • FIG. 13B shows a detail from FIG. 13A that serves to explain the polarization in the piezoceramic.
  • the d33 piezo coefficient is used in this case. The advantage is that with the same electrical voltage, the deformation of the piezoceramic 12 along the
  • the polarization axis is approximately three times larger than that perpendicular to the polarization axis. This advantage is particularly evident when the structured electrode 13 is very finely structured. In this example, this is the upper electrode 13, but can also be the lower electrode layer 11. In particular, a platinum layer is selected as the upper electrode and an aluminum layer as the lower electrode. This fits in a method in which the piezoelectric element is joined to the substrate only after manufacture.
  • the voltage sequence is chosen so that the piezoceramic extends along the sides along the polarization axis. Since the electrical field strength at the top of the piezoceramic between the electrodes with different potentials is at a maximum, it expands the most so that the piezoceramic is curved downward in the side region.
  • the piezoceramic extends below the top electrodes in the vertical direction and thus contracts in the lateral direction. Because of the greater stiffness of the upper thin Pt electrode than the lower thicker aluminum electrode, this area is also curved downwards. Due to the change in the voltage sequence, the curvature behavior changes in the middle of the piezoceramic.
  • the deflection of the switch can also be optimized in this configuration by the curvature behavior of the piezoceramic on the clamping on both sides is adjusted. This is done by changing the voltage sequence between 1/10 and 4/10 preferably] A of the total length of the piezoelectric ceramic and between 6/10 and 9/10 preferably 3 ⁇ the overall length of the piezoelectric ceramic. Accordingly, as shown in FIG.
  • the voltage sequence it is necessary for the voltage sequence to be different in the polarization mode and the working mode. It is also possible to swap the two modes. Furthermore, the voltages can also be selected differently depending on the polarization of the piezoceramic in the working mode, so that the voltage on the sides of the piezoceramic between z. B. 5 V and 0 V and in the middle z. B. between 1 V and 0 V (or vice versa) to avoid depolarization effects.
  • the potential of the continuous contact electrode is at a maximum
  • the piezoceramic can also be mechanically pretensioned so that the switch closes without working voltage.
  • FIG. 14 shows a top view of an example of the electrode configuration of the second electrode layer 13, the piezoelectric layer 12 being visible between the structured electrode.
  • the control that is placed on the electrodes is indicated.
  • FIG. 14A shows the control in polarization mode and in FIG. 14B the control in work mode. As with the figures already discussed, these controls are different; not only or according to the magnitude of the voltages, but also according to the distribution over the electrodes.
  • the distribution (on a similar average to that shown in Figure 13) is: 0V-5V-0V-5V-0V-5V-0V-5V-0V-5V-0V-5V-0V.
  • the piezoceramic in particular is poled in the direction in the surface of the piezoelectric element (in the direction of the d33 coefficient).
  • the distribution is as in Figure 13: 0V-5V-0V-0V-5V-0V-5V-0V-5V-0V-0V-5V-0V. This is not just an alternating pattern, but a pattern divided into three parts. Forces occur through the transition that go in against the direction of polarization. In this case, this takes place on the sidelines.
  • the invention describes a novel, double-sided, clamped piezo-electromechanical switch (P-MEMS) which, despite its extremely small size, is able due to its special electrode design in connection with the coordinated electronic control, the electrode material and its layer thickness, To overcome switching distances of several ⁇ m. At the same time, there is a very flat contact surface, which leads to an improvement in the contact. Compared to switches clamped on one side, a significantly increased mechanical stability is guaranteed.
  • the advantage of piezo-electromechanical switches (P-MEMS) is a reduction in the switching voltage to less than 5 V. This enables the use of such components in mobile applications. In addition to this aspect, it is the greatest
  • the described invention meets all of these requirements. This is detected by the fact that the piezoceramic is controlled locally and in such a way that forces are generated in opposite directions in the piezoceramic using actuation voltages. This leads to a transition in the ceramic between expansion and contraction. This creates different curvatures. In the case of an element clamped on both sides, these are a left curvature and a right curvature. In the case of a multiple clamped element, these are preferably twice a left curve and a right curve, once that Along the X axis, once along the Y axis (both in the surface of the piezoceramic).
  • the top electrode 13 is structured very finely, that is to say that there are many parallel lines defined therein which can be set to different potentials.
  • the piezoceramic can thus be controlled locally, and not only the piezocoefficient d31 in the direction normal to the piezoelectric element can be used, but also the piezocoefficient d33 in the surface of the piezoelectric element.
  • the second MEMS electrode 21 is formed on the substrate 20 as a transmission line.
  • the base area required for this is located in the substrate 20.
  • the first MEMS electrode can have been designed as a relay (ie as bridging two parts of the transmission line).
  • the transmission line can also be uninterrupted, the MEMS element with a dielectric on the second MEMS electrode being a capacitor.
  • the electrode layers 11, 13 are also designed such that the voltage distribution in the polarization mode can be different from that in the working mode. In the polarization mode, the piezoceramic 12 can be adjusted for optimal deflection. In the working mode, the deflection is then achieved using rather low control voltages.
  • the piezoelectric layer 12 can also be used as a coupling surface.
  • Particularly high-frequency signals can be listed in an electrode layer 1, 13 in which they have only a low internal resistance. The signal can then be transmitted further by coupling over the piezoelectric layer. Thanks to the high dielectric coefficient of the piezoceramic - a size ⁇ r of more than 1000 is quite achievable - the high-frequency signal is not significantly disturbed.
  • the second electrode layer has been made entirely or for the most part in aluminum, and preferably also has a thickness of more than 0.5 ⁇ m, particularly approximately 1 ⁇ m or more.

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Abstract

Ein elektronisches Gerät enthält einen mikroelektromechanischen (MEMS) Schalter, der ein piezoelektrisches Element mit einer piezoelektrischen Schicht (12) zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenschicht (11,13) umfasst,wobei zumindest eine der Elektrodenschichten zu separaten Elektroden (41,42,43;51,52,53) strukturiert ist, deren Potentiale unabhängig voneinander gesteuert werden können.

Description

ELEKTRONISCHES GERAT MIT EINEM MIKRO-ELEKTROMECHANISCHEN SCHALTER AUS PIEZOELEKTRISCHEM MATERIAL
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät mit einem Mikroelektromechanischen Schalter, der umfaßt: ein piezoelektrisches Element mit einer piezoelektrischen Schicht, die sich zwischen einer ersten und zweiten Elektrodenschicht befindet; eine erste und eine zweite MEMS Elektrode, welche erste MEMS Elektrode sich an einer Oberfläche des piezoelektrischen Elementes befindet, und welche zweite MEMS Elektrode sich an der Oberfläche eines Substrates befindet, so dass sich die erste MEMS Elektrode unter Anwendung einer Aktuationsspannung auf das piezoelektrische Element von und/oder zu der zweiten MEMS Elektrode weg- bzw. hinbewegt.
Ein derartiges Gerät ist aus der Literatur bekannt. Mikro-Elektromechanische Schalter (MEMS) stellen eine interessante Alternative zu Halbleiterschaltern dar. Insbesondere die Aussicht, die intrinsische Kapazitäten der Halbleiterschalter zu vermeiden und gleichzeitig geringere Durchgangswiderstände zu erreichen, haben MEMS in den letzten Jahren in den Mittelpunkt einer regen Forschungs- und Entwicklungstätigkeit gerückt. Erste Produkte werden zwar bereits verwendet, aufgrund der relativ hohen Schaltspannungen beschränken sie sich bisher aber auf Anwendungen, die diese zur Verfügung stellen können. An Lösungen, die bei Spannungen unterhalb von 5 V arbeiten besteht insofern besonderes Interesse, als dass sich den MEM's damit das gesamte Gebiet der mobilen Telekommunikation erschließen würde. Aus diesem Grund wird verstärkt an Piezo-MEMS geforscht, da deutlich geringere Schaltspannungen benötigt werden als dies bei rein elektrostatisch geschalteten MEMS der Fall ist. Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer einseitig geklemmten und einer zweiseitig geklemmten Platte aus Piezokeramik, dem Herzstück eines Piezo-MEMS. Das grundsätzliche Prinzip ist in beiden Fällen das gleiche. Auf der Piezokeramik 12 sind auf der Ober- und Unterseite Elektrodenschichten 1 1, 13 angebracht, die bei angelegter Spannung dafür sorgen, dass sich Piezokeramik zusammen zieht oder ausdehnt. Die Piezokeramik 12 bildet mit den Elektrodenschichten 11,13 das piezoelektrische Element. Dies ist mit einem Substrat verbunden über einer oder mehreren Unterstützungen, woran das Element 10 an einer Seite 30, oder an zwei Seiten 30,31 geklemmt ist. Dabei wird in der dargestellten Konfiguration der d31 Piezokoeffizient verwendet, d. h. die Piezokeramik 12 ist entlang der Flächennormalen der Elektroden in +z-Richtung polarisiert. Die Biegung der Piezokeramik wird nun durch einen Gradienten in der Steifϊgkeit erzeugt. Dementsprechend können die Elektroden 1 1 ,13 auf der Ober- und Unterseite aus den gleichen Metallen bestehen, wobei sie dann aber unterschiedliche Schichtdicken aufweisen müssen. Eine andere Möglichkeit bildet die Verwendung unterschiedlicher Elektrodenmaterialien mit verschiedenen Steifigkeiten. Eine Kombination aus beiden Prinzipien ist ebenfalls möglich. Figur 2 zeigt beide Schalter, wenn zwischen Oberseite und Unterseite eine
Spannung angelegt wird. Der einseitig geklemmte Schalter hat den Vorteil, dass schon eine geringe Spannung ausreicht, um zu schalten (große Auslenkung bei geringer Spannung). Der zweiseitig geklemmte Schalter verspricht hingegen die größere mechanische Stabilität, benötigt aber eine deutlich höhere Spannung, um die gleiche Auslenkung zu erreichen wie der einseitig geklemmte Schalter. Betrachtet man den beidseitig geklemmten Schalter allerdings etwas näher, so zeigt sich, dass die Biegeform beim Anlegen der Spannung sehr ungünstig ist. Wie Figur 3 zeigt würde dieser Schalter nur an den Kanten geschlossen werden, was eine große Impedanz zur Folge haben würde. In dieser Konfiguration stellt der beidseitig geklemmte Schalter trotz seiner mechanischen Vorteile keine Alternative zum einseitig geklemmten Schalter dar.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Gerät der in den Anfangsabsatz genannten Art vorzulegen, das einen MEMS-Schalter mit niedrigen Schaltspannungen und trotzdem einer guten mechanischen Stabilität ergibt. Dieses Ziel ist dadurch erreicht worden, daß zumindest eine der Elektrodenschichten zu Elektroden strukturiert ist unter Definition eines Versetzungsgebiet im Piezoelektrischen Element, in welchem Versetzungsgebiet die erste MEMS Elektrode liegt und welches Versetzungsgebiet unter Anwendung von zumindest einer Aktuationsspannung auf die Elektroden im Verhältnis zum Rest des Piezoelementes stark versetzbar von und/oder zum Substrat ist. In der Erfindung ist mindestens eine Elektrodenschicht strukturiert, und zwar so, dass nur ein Teil des piezoelektrischen Elementes verformbar ist. Nicht das ganze Element wird daher unter Anwendung einer Aktuationsspannung zum Substrat, und besonders zur zweiten MEMS Elektrode gebracht, sondern nur ein spezifisches Teil, d.h. das Versetzungsgebiet. Besonders ermöglicht die Mehrzahl an Elektroden, daß nicht das ganze piezoelektrische Element ausgelenkt wird. Örtlich findet auch Zusammenziehen der Keramik statt. Besonders wird dies zo gezielt gemacht, daß die erste MEMS Elektrode damit eine flache Oberfläche hat. Vorzugsweise ist die piezoelektrische Schicht in einem Polarisations-Modus bei der Herstellung polarisiert worden ist. Dazu sind die Elektroden derart definiert worden sind, daß örtlich eine Aktuationsspannung angebracht werden kann, die ein örtliches Zusammenziehen der piezoelektrischen Schicht bewirkt. Die Verwendung eines Polarisations-Modus ist dem Fachmann im Gebiet der Piezokeramik an sich bekannt. Üblicherweise werden dabei höhere Aktuationsspannungen und eine höhere Temperatur benutzt. Hier unterscheidet sich der Polarisations-Modus vom Arbeitsmodus dadurch, dass die Verteilung der Aktuationsspannungen über die Elektroden anders ist. Besonders ist dieser Entwurf von Interesse für zweifach oder auch mehrfach geklemmten piezoelektrische Elemente. Gemeint ist mit den gegenüberliegenden Seiten nicht die üblich als Unter- und Oberseite gekennzeichnete Seiten, sondern die „Ränder" oder die „auseinanderliegenden Enden" des piezoelektrischen Elementes, wozwischen sich das verformbare piezoelektrische Element befindet, in einer ganz geöffneten Position wesentlich parallel zum Substrat. Das piezoelektrische Element ist also „beam-shaped". Die Literatur spricht auch von beidseitig geklemmt. Es hat sich erwiesen, dass ein derartig doppelseitig geklemmtes (Englisch: clamped) piezoelektrisches Element zusammen in Kombination mit dem Elektrodenentwurf gute Verfomungseigenschaften zeigt, so dass bei geringen Spannungen (<5V), Verformungen erreicht werden, die ausreichen, Schaltwege von mehr als 1 μ zu überbrücken. Der Schaltweg von 1 μm ist für MEM-Schalter charakteristisch. Es ist günstig wenn die Elektroden dabei symmetrisch um das Versetzungsgebiet angeordnet sind. Der Schalter kann sowohl ein kapazitiver wie ein galvanischer Schalter sein. Außerdem kann der Schalter als Resonator und als Sensor benützt werden. Der piezoelektrische Schicht enthält vorzugsweise ein Material mit Perowskitstruktur, wie zum Beispiel die Materialen aus der Gruppe der Blei-Zirkonat-Titanate, und ähnlichem, dem Fachmann bekannt als PbZrTi03, Pb(XaNbb)03-PbTi03, mit a = 0.33 oder 0.5 und b = 1 -a und X = In, Mn, Mg, Y, Er, Zn, Ni, Sc, oder anderes, und mit oder ohne Dotierungen von La, Mn, Fe, Sb, Sr, Ni, W oder Kombination davon. Solche Materialen können auf mehreren Weisen auf das Substrat gebracht werden, wie dem Fachmann bekannt. Das piezoelektrische Element kann weiterhin eine strukturellen Schicht umfassen, aber eine Asymmetry in der Steifigkeit kann ebenso mit underschiedlichen Elektrodenschichten bewirkt werden. Verschiedene Möglichkeiten zu der Herstellung solcher MEMS Elemente sind weiterhin an sich bekannt. In einer ersten Ausführungsform ist auch die zweite Elektrodenschicht in mehrere Elektroden unterteilt worden. Bevorzugt gibt es pro Schicht zumindest zwei Elektroden, deren Potential unabhängig voneinander gesteuert werden kann. Diese Ausführungsform kann in mehreren Konfigurationen verwendet werden. In einer ersten Konfiguration befindet sich eine dielektrische Schicht auf der zweiten MEMS Elektrode, also der Gegenelektrode. Dabei kann sowohl die untere
Mittenelektrode wie auch die obere Mittenelektrode des Piezoelektrischen Elementes das Signal führen. Im geschlossen Zustand wird das Signal kapazitiv in die zweiten MEMS Elektrode eingekoppelt. Allerdings ist das Dielektrikum dicker, wenn die obere Mittenelektrode das Signal führt, aber die kann auch einen geringen innerlichen Widerstand haben, aufgrund der Schichtdicke und der Materialwahl. In einer zweiten Konfiguration gibt es keine dielektrische Schicht auf der zweiten MEMS Elektrode. Wenn die untere Mittenelektrode das Signal führt, ergibt sich im geschlossenen Zustand einen galvanischen Kontakt mit der zweiten MEMS Elektrode. Damit wird ein DC-Schalter ermöglicht. Wenn die obere Mittenelektrode das Signal führt, wird das schon im offenen Zustand über das Dielektrikum in die untere Mittenelektrode eingekoppelt. Wird der Schalter geschlossen, so wird das Signal durch den Kontakt zur zweiten MEMS Elektrode (Gegenelektrode) kurzgeschlossen. In einer dritten Konfiguration ist der Schalter in einer derartigen Form ausgeführt dass das Signal über eine „Transmission Line" geführt wird. Diese Transmission Line kann unterbrochen sein, so dass die auf der Piezokeramik angebrachte ersten MEMS- Elektrode die Verbindung galvanisch oder kapazitiv über ein Dielektrikum schließt. Die Transmission Line kann aber auch ohne Unterbrechung durchlaufen. In diesem Fall wird das Signal bei einem Kontakt mit der auf der Piezokeramik angebrachte ersten MEMS-Elektrode die auch mit einem Dielektrikum bedeckt sein kann, galvanisch odef kapazitiv nach Masse kurzgeschlossen wird. Bei der Steuerung werden zwei Modi unterschieden: ein Polarisationsmodus und ein Arbeitsmodus. Das Polarisationsmodus bewirke dass das Teil des piezoelektrischen Schichtes der zweiten MEMS Elektrode gegenüber in der entgegengesetzten Richtung gepolt ist, wie die Teile die nebenan geordnet sind. Die MEMS-Schalter lassen sich in Bezug auf die Strukturierung der auf der Piezokeramik angebrachten Elektroden weiter differenzieren. In einer Ausführungsform ist die zweite Elektrodenschicht eine ununterbrochene Metallschicht, und die erste Elektrodenschicht zumindest drei Elektroden, wovon die mittlere gegenüber der zweiten MEMS Elektrode angeordnet ist. Auch hier lassen sich verscheidene Konfigurationen unterscheiden: In einer ersten Konfiguration läuft das Signal bei geöffnetem Schalter entlang der durchgehenden Unterelektrode und wird bei geschlossenem Schalter galvanisch kurzgeschlossen (Figur 9A). In einer zweiten Konfiguration läuft das Signal bei geöffnetem Schalter entlang der durchgehenden Oberelektrode und wird bei geschlossenem Schalter kapazitiv über die Piezokeramik kurzgeschlossen (Figur 9B). In einer dritten Konfiguration läuft das Signal bei geöffnetem Schalter entlang der durchgehenden Unterelektrode und wird bei geschlossenem Schalter kapazitiv über die mit einem Dielektrikum bedeckte Gegenelektrode kurzgeschlossen (Figur 9C). Auch in dieser Ausfuhrungsform gibt es unterschiedliche Betriebsmodi, d.h. den Polarisationsmodus und den Arbeitsmodus. In einer besonderen Variante dieser Ausführungsform sind die Elektroden auf der strukturierten Elektrodenschicht als sogenannte „Interdigitalelektroden" ausgeführt. Die Spannung liegt nun zwischen den schmalen Elektroden an. Die Polarisation der Piezokeramik ist dementsprechend weitestgehend in +x bzw. -x Richtung ausgerichtet. Das zur Aktuierung angelegte Feld ist nun parallel zur gewünschten Dehnung bzw. Kontraktion entlang der x-Achse. Der d33 Piezokoeffizient ist in diesem Fall für die erreichbare Auslenkung entscheidend. Dieser ist mehr als zweimal größer als der d31 Piezokoeffizient, was bei feiner Strukturierung der Elektroden und der Anpassung der Potentialfolge der Elektroden an das Krümmungsverhalten des Schalters noch größere Auslenkung bei kleinen Schaltspannungen ermöglicht. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Vorbereitung des MEMS- Schalters. Diese Vorbereitung ist wesentlich das Anlegen von Aktuationsspannungen im Polarisations-Modus. Dieser Schritt ist eine günstige Weise um im piezoelektrischen Element örtlich und gezielt Zusammenziehen und Auslenken zu bewirken. Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung des MEMS-Schalters. In der Verwendung, auch dem Arbeits-Modus werden die Aktuationsspannungen derart aufgelegt so as sich das Versetzungsgebiet nach Wunsch bewegt. Die Aktuationsspannungen werden üblicherweise von einer Ansteureinrichtung (English: Driver und besonders Driving Integrated Circuit) angebracht.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden mit den folgenden Zeichungen im Detail erläutert, worin: Fig. 1 Prinzipskizzen eines einseitig bzw. zweiseitig geklemmten Piezo-MEM mit einer Elektrode auf der Ober- bzw. Unterseite zeigt, Fig. 2: eine Wiedergabe der Auslenkung beider Schalter zeigt, wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, Fig. 3: eine Wiedergabe der Auslenkung des beidseitig geklemmten Schalters aus verschiedenen Blickwinkeln zeigt. Das Biegeprofil zeigt einen ungünstigen Verlauf, da die Kontaktfläche durch die starke zusätzliche Krümmung in der Mitte sehr klein ist, Fig. 4: Prinzipskizze Schalter bzw. schaltbarer Kondensatoren nach einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung zeigt, Fig. 5: Beidseitig geklemmter Schalter mit zwei Elektroden auf der Oberseite und zwei Elektroden auf der Unterseite zeigt, Fig. 6: den Schalter der Erfindung nach im Polarisations-Modus (links) bzw. Arbeitsmodus (rechts) zeigt. Die angegebene Spannungen sind exemplarisch, so können z. B. die Seitenelektroden eine andere Spannung als die Mittelelektroden haben, Fig. 7: das Biegeprofil des Schalters im Arbeits-Modus zeigt, Fig. 8: Verschiedene Anschlusskonfigurationen der Elektroden zeigt, Fig. 9: Prinzipskizze Schalter bzw. schaltbarer Kondensatoren der Erfindung nach einer zweiten Ausführungsform zeigt, Fig. 10: einen Schalter nach einer zweiten Ausführungsform zeigt; Fig. 11 : die Ansteuerung des Schalters der zweiten Ausführungsform zeigt; Fig. 12: Verschiedene Anschlusskonfigurationen der strukturierten Elektrode zeigt, Fig. 13 eine weitere Skizze des Schalters in der zweiten Ausfuhrungsform zeigt, und zwar in der besonderen Variante. Fig. 14: Prinzipskizze des Schalters nach der besonderen Ausführungsforms zeigt, und zwar mit Verhalten in dem Polarisationsmodus (links) und Arbeitsmodus (rechts) . An der durchgehenden Unterelektrode liegt in beiden Fällen eine Spannung von 5 V an, Fig. 15: Simuliertes Biegeprofil der zweiten Ausfuhrungsform zeigt, und Fig. 16: Simuliertes Biegeprofil der besonderen Variante der zweiten Ausfuhrungsform zeigt.
Gleiche Referenznummer in unterschiedlichen Figuren verweisen nach gleichen Merkmalen. Die Figuren sind bloss skizzhaft. Der prinzipielle Aufbau des piezoelektrischen Schalters bzw. der schaltbaren Kapazität wird in Figur 4 dargestellt. Das MEMS-Element umfasst ein piezoelektrisches Element 10, mit einer ersten Elektrodenschicht 11, einer piezoelektrischen Schicht 12 und einer zweiten Elektrodenschicht 13. Eine erste MEMS Elektrode 42 befindet sich an einer Oberfläche des piezoelektrischen Elementes 10. Eine zweite MEMS Elektrode 21, weiterhin auch Gegenelektrode genannt, befindet sich auf dem Substrat 20. Die erste und die zweite MEMS Elektroden 42, 21 sind so angeordnet, dass sie in einem geschlossen Zustand des MEMS Elementes miteinander in Kontact sind, entweder galvanisch oder kapazitativ. Das piezoelektrische Element 10 ist an zwei Seiten 30, 31 an Unterstützungen geklemmt. Die - nicht gezeigten - Unterstützungen befinden sich auf dem Substrat 20. Die Figur 4A zeigt hierin einen Schalter mit einer dielektrischen Schicht 22 auf der zweiten MEMS Elektrode 21. Dies führt zu einem kapazitativen Kontakt im geschlossenen Zustand. Die Figur 4B zeigt hierin einen Schalter ohne dielektrischer Schicht auf der zweiten MEMS Elektrode. Dies führt zu einem galvanischen oder kapazitativen
Kontakt. Wenn die erste MEMS Elektrode 42 - auch untere Mittenelektrode genannt - direkt verbunden ist mit dem Eingang, ist der Schalter galvanisch. Führt aber die obere Mittenelektrode 52 das Signal, ergibt sich einen kapazitativen Schalter, auch wenn die erste und die zweite MEMS Elektrode 42,21 galvanisch miteinander verbunden werden. Die Figuren 4A(I) und 4B(I) zeigen die Schalter im offenen Zustand, die
Figuren 4A(II) und 4B(II) zeigen die Schalter im geschlossenen Zustand. Neben der unteren Mittenelektrode 42 sind in der ersten Elektrodenschicht 1 1 noch weitere Elektroden 41,43 angeordnet. In der zweiten Elektrodenschicht 13 befinden sich ebenfalls noch weitere Elektroden 51,53. Diese 41 , 43, 51,53 werden im Betrieb auf eine Spannung gestellt die unterschiedlich ist zu der Spannung der mittleren Elektrode 42,52. In dieser Art kann die Piezokeramik 12 vorteilhaft gebogen werden. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die weitere Elektroden 41 ,43; 51,53 in einer Elektrodenschicht 1 1, 13 miteinander verbunden sind. Weitere Figuren zeigen weitere Konfigurationen dazu. In einer günstigen Ausfuhrungsform des Schalters der Erfindung wird als piezoelektrische Schicht 12 eine Schicht gewählt, die mit sol-gel Technologie nasschemisch aufgebracht werden kann. Ein günstiges Material ist zum Beispiel Blei-Lanthan Zirkonat- Titanat (PbLao.02Zro.53Tio.47O3), doch es sind dem Fachmann viele Alternative bekannt. Solche ferroelektrische Schichten brauchen aber eine Wärmebehandlung bei höherer Temperatur, allgemein zwischen 500 und 900 °C. Dazu enthält vorzugsweise eine Elektrodenschicht Platin (Pt), welches diese Temperaturen durchsteht. Es gibt aber auch andere Möglichkeiten, wie z.B. leitende Oxiden. Für die andere Elektrodenschicht kann man Pt, aber auch Aluminium oder ein anderes gewünstes Material wählen. Günstigerweise werden Adhesionsschichten und Barriereschichten so weit wie notwendig verwendet, wie dem Fachmann bekannt. Üblicherweise wird ein MEMS-Schalter mit einem „Sacrificial Layer" hergestellt, welche Opferschicht nachher durch Ätzen weggenommen wird. In dem Fall befindet sich die Pt-Schicht am nächsten zum Substrat. Alternativ kann man das piezoelektrische Element 10 separat herstellen und danach in einem Lötverfahren oder ähnlichem Vorgang mit dem Substrat 20 verbinden. In dem Fall befindet sich die Pt-Schicht an der vom Substrat 20 abgekehrten Seite des piezoelektrischen Elementes 10. Figur 5 zeigt das piezoelektrische Element 10. Dies ist ein der Erfindung zu Grunde liegenden beweglichen Teil des Schalters; die zweite MEMS Elektrode 21 und das Substrat 20 sind nicht dargestellt. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Schalters zeichnet sich dadurch aus, dass auf mindestens eine Seite der Piezokeramik 12 mindestens zwei Elektroden aufgebracht sind, deren Potentiale unabhängig voneinander gesteuert werden können. In dieser Ausfuhrungsform sind beide Elektrodenschichten 1 1,13 in drei Elektroden 41 -43, 51- 53 untergeteilt worden. Es ist in diesem Aufbau günstig, aber nicht unbedingt notwendig, dass der Elektrodenentwurf in der ersten Elektrodenschicht 11 dem der zweiten Elektrodenschicht 13 vollkommen gleich ist. Zwischen der mittleren Obenelektrode 52 und den Seitenelektroden 51,53 kann eine Isolation angebracht sein, z.B. von Benzocyclobutan (BCB) oder ähnliches Material mit niedriger dielektrischer Konstante. Hat die Piezokeramik 12 die Länge 4L zwischen den beidseitigen Klemmungen 30,31, so beträgt die Länge der Seitenelektroden 41 ,43 vorzugsweise ca. L und die Länge der Mittenelektrode ca. 2L, um eine möglichst große Auslenkung der
Piezokeramik 12 bei geringer Schaltspannung zu erreichen. Der Isolationsspalt zwischen den Elektroden 41,42,43 sollte auf das technologische Minimum reduziert werden. Die Elektrodenmaterialien werden so gewählt, dass die Elastizitätsmodulen möglichst unterschiedlich sind, da dies in Kombination mit den Schichtdicken der Elektroden die Krümmung der Piezokeramik vergrößert. Die Unterelektrode 1 1 besteht bevorzugt aus Platin mit einem Elastizitätsmodul von 165 GPa und die Oberelektrode besteht gemäß obiger Ausführungen bevorzugt aus Aluminium, das ein Elastizitätsmodul von nur ca. 71 GPa hat. Konkret bedeutet dies, dass eine beidseitig geklemmte Piezokeramik von 200x50 μm mit einer Dicke von 0,5 μm eine Auslenkung maximale Auslenkung von 0,73 μm bei 1 V Spannung erreicht, wenn die Dicke der Unterelektrode aus Platin 0,1 μm beträgt und die Schichtdicke der Aluminium Oberelektrode 0,31 μm beträgt. Dies bringt eine Verbesserung von ca. 70 Prozent im Vergleich zu einer Platinoberelektrode mit optimierter Schichtdicke. Somit können bei gleicher Spannung höhere Schaltwege zurückgelegt werden oder gleiche Schaltwege bei geringerer Spannung. Ersteres vergrößert die potenzielle Kraft, die der
Schalter auf die Gegenelektrode aufbringen kann, so dass ein besserer Kontakt gewährleistet wird, letzteres reduziert die Anforderungen an die Spannungsversorgung und erhöht somit den Einsatzbereich dieser Mikroschalter. Figur 6 zeigt den piezoelektrischen Element 10 erneut, wobei die Steuerspannungen wiedergegeben sind. Dabei werden zwei unterschiedliche Modi unterschieden. Der erste Modus, der Polarisations-Modus wird angewendet zum Einstellen der Piezokeramik 12. Das findet vorzugsweise statt direkt nach der Herstellung der Schichten des piezoelektrischen Elementes 10. Dabei werden höhere Spannungen und höhere Temperatur verwendet. Gerade bei der Herstellung ist dies noch möglich, weil dann noch kein Package oder sonstige Schichten angebracht sind, die begrenztere Temperaturstabilität besitzen als das piezoelektrisches Element 10. Der zweite Modus ist der Arbeitsmodus, also der Modus der während der Verwendung vorliegt. Figur 6A zeigt die Anlegung der Steuerspannungen im Polarisations-Modus. Hierin wird die Piezokeramik in -z-Richtung gepolt, d. h. die Elektroden in der ersten Elektrodenschicht 1 1 befinden sich auf einem Potential, die sich vom Potential der
Elektroden in der zweiten Elektrodenschicht 13 unterscheidet. In diesem Fall ist der Potential auf der ersten Elektrodenschicht 1 1 0 Volt, und auf der zweiten Elektrodenschicht 5 V. Bemerkt wird dass hier und sonst die Spannung van 5 V nur ein Beispiel zeigt. Figur 6B zeigt die Anlegung der Steuerspannungen im Arbeitsmodus. Hierin alterniert die Spannungsfolge: die untere Mittenelektrode 42, sowie die Seitenelektroden
51,53 in der zweiten Elektrodenschicht 13, befindet sich auf 5 V. die Seitenelektroden 41, 43 in der ersten Elektrodenschicht 1 1, sowie die obere Mittenelektrode 52, befinden sich auf 0V. Die Spannungsabfolgen von Polarisationsmodus und Arbeitsmodus können auch vertauscht werden, so dass die Piezokeramik z. B. an den Seiten in +z-Richtung gepolt ist und unterhalb der Mittenelektroden in -z-Richtung. Diese Elektrodenkonfiguration in Verbindung mit der Auswahl der Elektrodenmaterialien und deren Schichtdicken bewirken zusammen mit der oben beschriebenen Beschattung, dass die Piezokeramik an beiden Rändern rechtsgekrümmt und in der Mitte linksgekrümmt ist. Das Krümmungsverhalten der Piezokeramik entspricht somit dem durch die Randbedingungen (beide Seiten des Schalters fixiert) aufgezwungene und wird durch die Wahl der Elektrodenmaterialien unterstützt. Dies vergrößert die Auslenkung des Schalters bei gleicher Spannung. Simulationen mit dem Softwaretool Ansys 6.0 ergaben für eine doppelseitig geklemmte Piezokeramik mit den oben beschriebenen Abmessungen 200 μm x 50 μm und einer Spannung von Schaltspannung von 1 V eine etwa fünfach größere Auslenkung als bei durchgehender Ober- bzw. Unterelektrode aber ansonsten optimierten Elektrodenmaterialien und Schichtdicken (Figur 3). Des weiteren verändert sich das Biegeprofil in der Art, dass eine große Kontaktfläche und somit eine sichere Kontaktierung gewährleistet ist (Figur 7). Die beschriebene Konfiguration lässt sich ebenfalls als eine Elektrode einer steuerbaren Kapazität verwenden. Nahezu unabhängig von den Elektrodenmaterialien erreicht die Auslenkung der beidseitig geklemmten Piezokeramik mit einer bevorzugten Schichtdicke zwischen 0.3 μm und 1 μm (dünner, wenn technologisch möglich) ihr Maximum, wenn das Verhältnis der Schichtdicken der Elektroden zwischen 1 zu 2 bzw. 1 zu 6 liegt. Figur 8 zeigt verschieden Konfigurationen, um die geteilten Elektroden anzusteuern. Die linke Hälfte der Darstellung zeigt jeweils die Unterseite der mit Elektroden (schraffiert) bedeckten Keramik, während auf der rechten Seite die Oberseite zeigt. In der obersten Konfiguration laufen die Elektroden über die gesamte Breite der Piezokeramik. Die Elektroden auf der Unterseite sind spiegelbildlich zu denen auf der Oberseite angebracht, damit die Kräfte im Material symmetrisch bleiben. In der mittleren Konfiguration wird die Mittenelektrode nur von einer Seite angeschlossen. Auch hier sind die Elektroden auf der Unterseite aus Symmetriegründen wieder spiegelsymmetrisch angeordnet. In der unteren Anordnung ist die Mittenelektrode der Oberseite mit einem dritten Fußpunkt verbunden. Diese Konfiguration bietet die Möglichkeit das Signal über eine breite Leitung mit geringen Verlusten zur Mittenelektrode zu übertragen (Aus Symmetrie kann auch ein weiterer Fußpunkt hinzugefügt werden). Figur 9 und weitere Figuren zeigen eine zweite Ausfuhrungsform des Schalters der Erfindung. In dieser Ausfuhrungsform ist nur eine der beiden Elektrodenschichten 11,13 in mehreren Elektroden unterverteilt worden. Auch diese Ausfuhrungsform enthält den wichtigen Merkmal, dass der Ansteuerung der Elektroden im Polarisationsmodus (zum Einstellen der Piezokeramik) und im Arbeitsmodus (zur Biegung der Piezokeramik) unterschiedlich sein kann; und zwar so, dass nicht nur die angelegte Spannungen, sondern auch die Verteilung der Spannungen über die Elektroden unterschiedlich sind. Im Arbeitsmodus wird die durchgehende Elektrode, d.h. die nicht strukturierte Elektrodenschicht das Signal führen. Figur 9 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines piezoelektrischen Schalters bzw. der schaltbaren Kapazität in der zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung. Bei diesem gibt es verschiedene Konfigurationen, die dadurch charakterisiert sind, dass die durchgehende Elektrode das Signal führt: Figur. 9A zeigt einen Schalter mit einer durchgehenden, ununterbrochenen Unterelektrode 11. Bei geöffnetem Schalter läuft das Signal entlang dieser Unterelektrode 11. Bei geschlossenem Schalter wird das Signal galvanisch kurzgeschlossen oder eingekoppelt. Diese Unterelektrode 11 ist damit auch die erste MEMS Elektrode Figur. 9B zeigt einen Schlalter mit einer durchgehenden, ununterbrochenen Oberelektrode 13. Bei geöffnetem Schalter läuft das Signal entlang der durchgehenden Oberelektrode und wird bei geschlossenem Schalter kapacitiv über die Piezokeramik kurzgeschlossen oder eingekoppelt. Figur. 9C zeigt einen anderen Schalter mit einer durchgehenden, ununterbrochenen Unterelektrode 11. In diesem Fall gibt es ein Dielektrikum 22 auf die zweite MEMS-Elektrode 21 auf dem Substrat 20. Das Signal läuft bei geöffnetem Schalter entlang der durchgehenden Unterelektrode und wird bei geschlossenem Schalter kapazitiv über die zweite MEMS-Elektrode 21 kurzgeschlossen oder eingekoppelt. Kurzgeschlossen heißt, dass das Signal an Masse weitergeleitet wird. Wird das Signal eingekoppelt, so ist die zweite MEMS-Elektrode mit einer Signalleitung verbunden. Figur 10 zeigt das piezoelektrische Element 10 dieser Ausfuhrungsform. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Schalters zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer Seite der Piezokeramik 12 mindestens zwei Elektroden aufgebracht sind, deren Potentiale unabhängig voneinander gesteuert werden können. Die Elektrode auf der anderen Seite der Piezokeramik ist hingegen durchgehend. Hat die Piezokeramik die Länge 4L, so beträgt die Länge der Seitenelektroden ca. L und die Länge der Mittenelektrode ca. 2L, um eine möglichst große Auslenkung der Piezokeramik bei geringer Schaltspannung zu erreichen. Der Isolationsspalt zwischen den Elektroden sollte auf das technologische Minimum reduziert werden. Die Elektrodenmaterialien werden so gewählt, dass zum einen eine möglichst große Auslenkung erreicht wird, zum anderen die Leitfähigkeit des Materials, das für die durchgehende Metallisierung verwendet wird, möglichst groß ist. Bevorzugt würde Platin als dünne strukturierte Elektrode verwendet werden und eine dickere Aluminiumschicht als unstrukturierte Elektrode. Insbesondere für die unstrukturierte Elektrode bieten sich aber auch Materialien mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit wie Kupfer, Silber oder Gold an. Nahezu unabhängig von den Elektrodenmaterialien erreicht die Auslenkung der beidseitig geklemmten Piezokeramik mit einer bevorzugten Schichtdicke zwischen 0.3 μm und 1 μm (dünner, wenn technologisch möglich) unter Verwendung dieser Elektrodenkonfiguration ihr Maximum, wenn das Verhältnis der Schichtdicken der Elektroden zwischen 1 zu 2 bzw. 1 zu 10 liegt. Figur 1 1 zeigt in ihren Skizzen A und B die angelegten Spannungen in den zwei Betriebsmodi. Im Polarisations-Modus (Figur 1 1A) wird die Piezokeramik im Bereich der Seitenelektroden in +z-Richtung (oder umgekehrt) gepolt während sie im Bereich der Mittenelektrode in -z-Richtung (oder umgekehrt) gepolt wird, d. h. das Potential der strukturierten Elektroden auf z. B. der Unterseite der Piezokeramik alterniert. Bei der Herstellung werden somit mindestens drei verschiedene elektrische Potentiale benötigt. Im Arbeitsmodus werden hingegen nur noch zwei verschiedene Potentiale benötigt (Figur 12 rechts). Die Spannungsabfolgen von Polarisationsmodus und Arbeitsmodus können prinzipiell auch vertauscht werden, was allerdings größere Ansprüche an die Steuerelektronik in der Applikation stellt. Die angegebenen Spannungen von 5 V und 0 V sind nur exemplarisch gemeint. Es können auch andere Spannungen gewählt werden. Besonders ist gesagt, daß die Spannungen im Polarisations-Modus höher sein können als die im Arbeitsmodus. Dazu kann es wohl sein, daß die Spannungen auf die Elektroden, wo die
Keramik sich unter die Spannungen zusammenzieht, kleiner sind als die auf die Elektroden, wo die Keramik sich ausdehnt. In dem Beispiel ist die mittlere Elektrode 42 in der Gegenrichtung polarisiert durch Anlegung von einem negativen Potential im Polarisations- Modus. Es ist dabei zum Beispiel möglich, daß die Steuerspannung auf die mittlere Unterelektrode 42 im Arbeitsmodus statt 5 V nur 3 V oder sogar 1 V beträgt. Es sei nämlich zu verhindern, daß die Steuerspannung in der Gegenrichtung der Polarisation die Piezokeramik umpole. Figur 12 zeigt verschieden Konfigurationen, um die strukturierte Elektrode anzusteuern. Die Kontaktierung der Mittenelektrode 42 kann mittels sehr schmaler
Verbindungen 42A erfolgen, da über diese kein Signal geleitet wird. Der Einfluss auf die Auslenkung der Piezokeramik 12 wird somit minimiert. In der Anordnung von Figur 12A ist die Mittenelektrode 42 mit einem dritten Fußpunkt 45 verbunden. Eine weitere Variante dieser Ausfuhrungsform eines doppelseitig geklemmten Schalters, die eine komplette Metallisierung einer Seite der Piezokeramik ermöglicht, ist in Figur 13 dargestellt. Figur 13B zeigt dabei ein Detail vom Figur 13A, dass dazu dient, die Polarisation im Piezokeramik zu erläutern. Im Vergleich zur zuvor beschriebenen Konfiguration, die den d31 Piezokoeffizienten zur Auslenkung des Schalters ausnutzt, wird in diesem Fall der d33 Piezokoeffizient ausgenutzt. Der Vorteil besteht darin, dass bei gleicher elektrischer Spannung die Verformung der Piezokeramik 12 entlang der
Polarisierungsachse ca. dreimal größer ist als diejenige senkrecht zur Polarisierungsachse. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei einer sehr feinen Strukturierung der strukturierten Elektrode 13 zum Tragen. Das ist in diesem Beispiel die obere Elektrode 13, aber kann auch die untere Elektrodenschicht 1 1 sein. Insbesonders ist hier als obere Elektrode eine Platinschicht gewählt und als untere Elektrode eine Aluminiumschicht. Dies paßt bei einem Verfahren, in dem das piezoelektrische Element erst nach der Herstellung mit dem Substrat zusammengefügt wird. Die Spannungsabfolge ist so gewählt, dass sich die Piezokeramik an den Seiten entlang der Polarisationsachse ausdehnt. Da die elektrische Feldstärke an der Oberseite der Piezokeramik zwischen den Elektroden mit unterschiedlichen Potentialen maximal ist, dehnt diese sich am stärksten aus, so dass die Piezokeramik im Seitenbereich nach unten gekrümmt ist. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, dass sich die Piezokeramik unterhalb der Obenelektroden in die vertikale Richtung ausdehnt und somit in der lateralen zusammenzieht. Wegen der größeren Steifheit der oberen dünnen Pt-Elektrode als der unteren dickeren Aluminiumelektrode, ist auch dieser Bereich nach unten gekrümmt. Durch den Wechsel in der Spannungsabfolge wechselt in der Mitte der Piezokeramik das Krümmungsverhalten. Die Auslenkung des Schalters lässt sich auch bei dieser Konfiguration optimieren, indem das Krümmungsverhalten der Piezokeramik an die beidseitige Klemmung angepasst wird. Dies geschieht durch die Veränderung der Spannungsabfolge zwischen 1/10 bzw. 4/10 bevorzugt ]A der Gesamtlänge der Piezokeramik und zwischen 6/10 bzw. 9/10 bevorzugt 3λ der Gesamtlänge der Piezokeramik. Dementsprechend ist es, wie in Figur 9 dargestellt, erforderlich, dass die Spannungsabfolge im Polarisierungsmodus und Arbeitsmodus unterschiedlich ist. Eine Vertauschung der beiden Modi ist ebenfalls möglich. Des Weiteren können die Spannungen in Abhängigkeit von der Polarisation der Piezokeramik im Arbeitsmodus auch unterschiedlich gewählt werden, so dass die Spannung an den Seiten der Piezokeramik zwischen z. B. 5 V und 0 V variiert und in der Mitte z. B. zwischen 1 V und 0 V (oder umgekehrt), um Depolarisationseffekte zu vermeiden. Das Potential der durchgehenden Kontaktelektrode ist, um eine maximale
Auslenkung bei kleinen Spannungen zu erhalten, so zu wählen, dass die Verformung der Piezokeramik unterhalb der strukturierten Elektroden in Verbindung mit den Steifigkeiten und Schichtdicken der Elektroden die Auslenkung der Piezokeramik unterstützt. Ist der Schalter ohne angelegte Spannung offen, d. h. die Piezokeramik ist nicht ausgelenkt, so ist Polarisation und Spannungsabfolge so abzustimmen, dass die komplett metallisierte Oberfläche der Piezokeramik bei Anlegen der Arbeitsspannung nach außen gewölbt ist. Alternativ kann die Piezokeramik auch mechanisch vorgespannt sein, so dass der Schalter ohne Arbeitsspannung schließt. In diesem Fall ist die Polarisation und Spannungsfolge so abzustimmen, dass die komplett metallisierte Oberfläche der Piezokeramik bei Anlegen der Arbeitsspannung nach innen gewölbt ist. Figur 14 zeigt in Obenansicht ein Beispiel der Elektrodenkonfiguration der zweiten Elektrodenschicht 13, wobei zwischen den strukturierten Elektrode die piezoelektrische Schicht 12 sichtbar ist. Angegeben ist dazu die Steuerung, die auf die Elektroden gebracht wird. In der Figur 14A wird die Ansteuerung im Polarisations-Modus gezeigt und in der Figur 14B die Ansteuerung im Arbeitsmodus. Wie bei den bereits besprochenen Figuren, sind diese Ansteuerungen unterschiedlich; nicht nur oder sosehr der Größe der Spannungen nach, sondern auch der Verteilung über die Elektroden nach. In Figur 14A ist die Verteilung (in einem ähnlichen Durchschnitt wie gezeigt in Figur 13): 0V-5V- 0V-5V-0V-5V-0V-5V-0V-5V-0V. Im Polarisationsmodus wird also vor allem die Piezokeramik in der Richtung in der Fläche des piezoelektrischen Elementes gepolt (in der Richtung der d33 Koeffizient). In Figur 14B ist die Verteilung, wie in Figur 13: 0V-5V-0V- 0V-5V-0V-5V-0V-0V-5V-0V. Dies ist kein bloss alternierendes Muster, sondern ein Muster aufgeteilt in drie Teilen. Durch den Übergang treten Kräfte auf, die gegen die Polarisationsrichtung hinein gehen. In diesem Fall findet das am Rande statt. Dadurch zieht sich die Piezokeramik örtlich zusammen, wobei sie sich auf andere Stellen ausdehnt. Diese Abwechslung von Zusammenziehen und Ausdehnen sorgt für den Bewegung des piezoelektrischen Elementes 10 in die Richtung hin zu oder weg von der zweiten MEMS Elektrode auf dem Substrat. Alle Konfigurationen der zweiten Ausfuhrungsform in Verbindung mit der
Auswahl der Elektrodenmaterialien und deren Schichtdicken bewirken zusammen mit der oben beschriebenen Beschattung, dass das Krümmungsverhalten der Piezokeramik zwischen den Rändern und der Mitte wechselt. Dementsprechend wird den Randbedingungen (beide Seiten des Schalters fixiert) genüge getan. Durch die Wahl der Elektrodenmaterialien wird dieses Verhalten noch unterstützt. Dies vergrößert die Auslenkung des Schalters bei gleicher Spannung. Die resultierenden Biegeprofile beider Konfigurationen sind in den Figuren 15 und 16 zu sehen. Die beschriebene Konfiguration lässt sich ebenfalls als eine Elektrode einer steuerbaren Kapazität verwenden. Zusammengefaßt: Die Erfindung beschreibt einen neuartigen, zweiseitig geklemmten Piezo- Elektromechanischen-Schalter (P-MEMS), der trotz einer extrem kleinen Baugröße aufgrund seines besonderen Elektrodendesigns in Verbindung mit der darauf abgestimmten elektronischen Ansteuerung, dem Elektrodenmaterial und deren Schichtdicke in der Lage ist, Schaltwege von mehreren μm zu überwinden. Gleichzeitig ergibt sich eine sehr ebene Kontaktfläche was zu einer Verbesserung des Kontaktes führt. Im Vergleich zu einseitig geklemmten Schaltern ist eine deutlich erhöhte mechanische Stabilität gewährleistet. Der Vorteil Piezo-Elektromechanischen-Schalter (P-MEMS) ist eine Reduktion der Schaltspannung auf weniger als 5 V. Dies ermöglicht den Einsatz solcher Komponenten in mobilen Applikationen. Neben diesem Aspekt ist es von größter
Wichtigkeit die Verluste so gering wie möglich zu gestalten. Die beschriebene Erfindung trägt allen diesen Forderungen Rechnung. Dies wird dadurch erfaßt, daß die Piezokeramik lokal angesteuert wird und zwar so, dass unter Anwendung Aktuationsspannungen sich im Piezokeramik Kräfte in entgegengesetzten Richtungen bilden. Dies fuhrt zu einem Übergang in der Keramik zwischen Ausdehnung und Zusammenziehen. Dadurch entsteht unterschiedliche Krümmungen. Im Falle eines zweiseitig geklemmten Elementes sind dies eine Linkskrümmung und eine Rechtskrümmung. Im Falle eines mehrfach geklemmten Elementes sind dies vorzugsweise zweimal eine Linkskrümmung und eine Rechtskrümmung, einmal die X-Achse entlang, einmal die Y-Achse entlang (beide in der Fläche der Piezokeramik). Die Kräfte in entgegengesetzen Richtungen treten auf, da die Piezokeramik vorab, in einem Polarisations-Modus polarisiert worden ist. Eine Aktuationsspannung die gegen die (örtliche) Polarisationsrichtung angebracht wird, sorgt dabei für ein Zusammenziehen, eine Aktuationsspannung die in der Polarisationsrichtung ist angebracht, sorgt für Ausdehnung. In der ersten Ausfuhrungsform gibt es strukturierte Elektroden an beiden Seiten des piezokeramischen Schichtes, wodurch Teile der Piezokeramik auf unterschiedliche Weise angesteuert werden können. In der zweiten Ausfuhrungsform wird durch eine komplette Metallisierung einer Seite der Piezokeramik der Widerstand dieser signalführenden Metallschicht des doppelseitig geklemmten Schalters drastisch verringert. Gleichzeitig ermöglicht das spezielle Elektrodendesign trotz einer extrem kleinen Baugröße (z. B. 200 μm x 50 μm), Schaltwege von mehreren Mikrometern bei einer Schaltspannung von weniger als 5 Volt zu überwinden und gewährleistet, aufgrund der Abstimmung des Krümmungsverhaltens der Piezokeramik auf die (doppelseitige) Klemmung, einen großflächigen und somit verlustarmen Kontakt zur Gegenelektrode. In eine besonders günstige Variant der zweiten Ausfuhrungsform ist die Obenelektrode 13 sehr fein strukturiert, d.h. dass sie viele parallele Linien darin definiert sind, die auf unterschiedliche Potentiale gesetzt werden können. Damit kann die Piezokeramik lokal angesteuert werden, und kann dabei nicht nur die Piezokoeffizient d31 in der Richtung normal zum piezoelektrischen Element ausgenutzt werden, sondern auch die Piezokoeffizient d33 in der Fläche des piezoelektrischen Elementes. Daraus ergibt sich eine viel größere Ausdehnung. In einer weiteren Variante ist die zweite MEMS Elektrode 21 auf dem Substrat 20 ausgebildet als eine Transmission Line. Die dafür benötigte Grundfläche ist befindet sich im Substrat 20. Die erste MEMS Elektrode kann dabei als Relay entworfen worden sein (d.h. als eine Überbrückung zweier Teile der Transmission Line). Die Transmission Line kann aber auch ununterbrochen sein, wobei das MEMS Element mit einem Dielektrikum auf dem zweiten MEMS Elektrode ein Kondensator ist. In beiden Ausfϊihrungsformen sind außerdem die Elektrodenschichten 11,13 derart ausgebildet, daß die Spannungsverteilung im Polarisations-Modus unterschiedlich sein kann von der im Arbeitsmodus. Im Polarisationsmodus kann die Piezokeramik 12 für optimale Auslenkung eingestellt werden. Im Arbeitsmodus wird dann die Auslenkung erreicht, unter Verwendung von eher geringen Steuerspannungen. In der zweiten Ausfuhrungsform ist es vorteilhaft, drei unterschiedliche Potentiale anzulegen im Polarisationsmodus. Im Arbeitsmodus dergleichen reichen aber zwei Potentiale aus. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die piezoelektrische Schicht 12 auch als Kopplungsfläche ausgenutzt werden kann. Besonders hochfrequente Signale können in einer Elektrodenschicht 1 1,13 angeführt werden, in der sie nur einen geringen Innenwiderstand haben. Durch Kopplung über der piezoelektrischen Schicht kann dann das Signal weiter übertragen werden. Dank der hohen dielektrischen Koeffizient der Piezokeramik - einer Grosse εr von über 1000 ist durchaus erreichbar - wird das hochfrequente Signal nicht wesentlich gestört. Besonders günstig ist es dabei, daß die zweite Elektrodenschicht ganz oder zum größten Teil in Aluminium ausgeführt worden ist, und vorzugsweise auch noch eine Dicke von über 0,5 μm, besonders etwa 1 μm oder mehr.

Claims

ANSPRÜCHE:
1. Elektronisches Gerät mit einem Mikroelektromechanischen Schalter, der folgendes umfaßt: ein piezoelektrisches Element (10) mit einem piezoelektrischen Schicht (12), der sich zwischen einer ersten und zweiten Elektrodenschicht (1 1,13) befindet, in jeder dieser Elektrodenschichten (11,13) ist mindestens eine Elektrode angeordnet(52, 42); eine erste und eine zweite MEMS Elektrode (42,21), welche erste MEMS Elektrode (42) sich an einer Oberfläche des piezoelektrischen Elementes (10) befindet und welche zweite MEMS Elektrode (21) , die sich an der Oberfläche eines Substrates (20) befindet, so dass sich die erste MEMS Elektrode (42) unter Anwendung einer Aktuationsspannung auf das piezoelektrische Element ( 10) von und/oder zu der zweiten MEMS Elektrode (21) weg- bzw. hinbewegt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Elektrodenschichten (1 1 ,13) zu Elektroden (41 -43; 51-53) strukturiert ist unter Definition eines Versetzungsgebiet im Piezoelektrischen Element (10), in welchem Versetzungsgebiet die erste MEMS Elektrode (42) liegt und welches Versetzungsgebiet unter Anwendung von zumindest einer Aktuationsspannung auf die Elektroden (41-43, 51 -53) im Verhältnis zum Rest des Piezoelementes (10) stark versetzbar von und/oder zum Substrat (20) ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die piezoelektrische Schicht (12) in einem Polarisations-Modus bei der Herstellung polarisiert worden ist, und dass die Elektroden derart definiert worden sind, daß örtlich eine Aktuationsspannung angebracht werden kann, die ein örtliches Zusammenziehen der piezoelektrischen Schicht (12) bewirkt.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die piezoelektrische Schicht (12) an der einer Seite des Versetzungsgebiet linksgekrümmt ist, und an einer gegenüberliegenden Seite rechtsgekrümmt.
4. Gerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet daß das piezoelektrische Element (10) an einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Seite (30, 31) an mechanischen Unterstützungen verbunden ist.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Elektroden symmetrisch um das Versetzungsgebiet definiert worden sind.
6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die erste und die zweite Elektrodenschicht je mindestens zwei Elektroden enthalten.
7. Elektronisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die zweite
Elektrodenschicht (13) ein ununterbrochene Metallschicht ist und der erste Elektrodenschicht
(11) zumindest drei Elektroden (41,42,43) enthält, wovon die mittlere (42) sich wesentlich gegenüber der zweiten MEMS Elektrode (21) angeordnet ist.
8. Elektronisches Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß der erste
Elektrodenschicht (11) an der Oberfläche angeordnet ist, die nach der zweiten MEMS Elektrode (21) aussieht.
9. Verfahren zur Vorbereitung eines elektronischen Gerätes nach Anspruch 1 , wobei das piezoelektrische Element (10) unter Anwendung von Aktuationsspannungen auf die Elektroden in ein Polarisations-Modus gebracht wird, worin die piezoelektrische Schicht
(12) derart polariziert wird, daß beim Anlegen von passenden Aktuationsspannungen im Arbeitsmodus die piezoelektrische Schicht (12) örtlich ausgedehnt und örtlich zusammengezogen wird.
10. Verwendung eines elektronischen Gerätes nach Anspruch 1 , wobei die Aktuationsspannungen derart auf die Elektroden angelegt werden, daß die piezoelektrische Schicht (12) örtlich ausgedehnt und örtlich zusammengezogen wird.
11. Verwendung nach Anspruch 10, wobei die Aktuationsspannung die ein örtliches Zusammenziehen der piezoelektrischen Schicht bewirkt, niedriger ist als die Aktuationsspannung in der Richtung der bereits eingebrachten Polarisation.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009153757A1 (en) * 2008-06-19 2009-12-23 Nxp B.V. Piezoelectric bimorph switch
US8724113B2 (en) 2008-12-09 2014-05-13 Imec Method for forming a nanostructure penetrating a layer

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7960900B2 (en) * 2004-06-14 2011-06-14 Stmicroelectronics S.A. Assembly of a microswitch and of an acoustic resonator
US20130229067A1 (en) * 2012-03-02 2013-09-05 Ideal Industries, Inc. Connector having wireless control capabilities

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5202703A (en) * 1990-11-20 1993-04-13 Spectra, Inc. Piezoelectric transducers for ink jet systems
EP0656665A1 (de) * 1993-11-26 1995-06-07 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelektrische Anordnung
EP0767503A1 (de) * 1995-10-05 1997-04-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Verfahren und Einrichtung zur Steuerung eines piezoelektrischen Antriebs
WO2001013457A1 (en) * 1999-08-18 2001-02-22 Marconi Caswell Limited Electrical switches
US20010005213A1 (en) * 1999-12-24 2001-06-28 Koji Ikeda Ink jet head, method for producing the same, and ink jet type recording apparatus
WO2004038819A2 (en) * 2002-10-21 2004-05-06 Hrl Laboratories, Llc Piezoelectric switch for tunable electronic components
WO2004040611A1 (en) * 2002-10-29 2004-05-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Switching apparatus, electric field applying method and switching system
WO2004063090A2 (en) * 2003-01-13 2004-07-29 Triad Sensors Inc. High displacement bistable micro actuator

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6504118B2 (en) * 2000-10-27 2003-01-07 Daniel J Hyman Microfabricated double-throw relay with multimorph actuator and electrostatic latch mechanism
US6483056B2 (en) * 2000-10-27 2002-11-19 Daniel J Hyman Microfabricated relay with multimorph actuator and electrostatic latch mechanism
FR2835981B1 (fr) * 2002-02-13 2005-04-29 Commissariat Energie Atomique Microresonateur mems a ondes acoustiques de volume accordable
US7656071B2 (en) * 2002-10-21 2010-02-02 Hrl Laboratories, Llc Piezoelectric actuator for tunable electronic components
GB0320405D0 (en) * 2003-08-30 2003-10-01 Qinetiq Ltd Micro electromechanical system switch
JP4053958B2 (ja) * 2003-09-19 2008-02-27 株式会社東芝 電圧制御発振器
ATE408241T1 (de) * 2003-12-22 2008-09-15 Nxp Bv Elektronische einrichtung
US7323805B2 (en) * 2004-01-28 2008-01-29 Kabushiki Kaisha Toshiba Piezoelectric thin film device and method for manufacturing the same
JP4408266B2 (ja) * 2004-04-22 2010-02-03 日本碍子株式会社 マイクロスイッチ及びその製造方法
JP4377740B2 (ja) * 2004-04-28 2009-12-02 株式会社東芝 圧電駆動型ｍｅｍｓ素子およびこの圧電駆動型ｍｅｍｓ素子を有する移動体通信機
JP4037394B2 (ja) * 2004-09-16 2008-01-23 株式会社東芝 マイクロメカニカルデバイス
JP2006093463A (ja) * 2004-09-24 2006-04-06 Toshiba Corp 圧電ｍｅｍｓ素子及びチューナブルフィルタ
JP4744849B2 (ja) * 2004-11-11 2011-08-10 株式会社東芝 半導体装置
JP4580745B2 (ja) * 2004-12-08 2010-11-17 株式会社東芝 圧電駆動型ｍｅｍｓ装置
US7633213B2 (en) * 2005-03-15 2009-12-15 Panasonic Corporation Actuator, switch using the actuator, and method of controlling the actuator
JP4580826B2 (ja) * 2005-06-17 2010-11-17 株式会社東芝 マイクロメカニカルデバイス、マイクロスイッチ、容量可変キャパシタ、高周波回路及び光学スイッチ
KR100726436B1 (ko) * 2005-07-27 2007-06-11 삼성전자주식회사 정전기력 및 압전력에 의해 구동되는 멤스 스위치

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5202703A (en) * 1990-11-20 1993-04-13 Spectra, Inc. Piezoelectric transducers for ink jet systems
EP0656665A1 (de) * 1993-11-26 1995-06-07 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelektrische Anordnung
EP0767503A1 (de) * 1995-10-05 1997-04-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Verfahren und Einrichtung zur Steuerung eines piezoelektrischen Antriebs
WO2001013457A1 (en) * 1999-08-18 2001-02-22 Marconi Caswell Limited Electrical switches
US20010005213A1 (en) * 1999-12-24 2001-06-28 Koji Ikeda Ink jet head, method for producing the same, and ink jet type recording apparatus
WO2004038819A2 (en) * 2002-10-21 2004-05-06 Hrl Laboratories, Llc Piezoelectric switch for tunable electronic components
WO2004040611A1 (en) * 2002-10-29 2004-05-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Switching apparatus, electric field applying method and switching system
WO2004063090A2 (en) * 2003-01-13 2004-07-29 Triad Sensors Inc. High displacement bistable micro actuator

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009153757A1 (en) * 2008-06-19 2009-12-23 Nxp B.V. Piezoelectric bimorph switch
US8847466B2 (en) 2008-06-19 2014-09-30 Nxp B.V. Piezoelectric bimorph switch
US8724113B2 (en) 2008-12-09 2014-05-13 Imec Method for forming a nanostructure penetrating a layer

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007522609A (ja) 2007-08-09
EP1706883A1 (de) 2006-10-04
US20090211884A1 (en) 2009-08-27
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