WO2008110389A1 - Micromechanical switch device with mechanical power amplification - Google Patents

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WO2008110389A1
WO2008110389A1 PCT/EP2008/002119 EP2008002119W WO2008110389A1 WO 2008110389 A1 WO2008110389 A1 WO 2008110389A1 EP 2008002119 W EP2008002119 W EP 2008002119W WO 2008110389 A1 WO2008110389 A1 WO 2008110389A1
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WO
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drive
switch
contact
switching
force
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/002119
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jörg FRÖMEL
Sebastian Voigt
Steffen Kurth
Stefan Leidich
Andreas Bertz
Christian Kaufmann
Thomas Gessner
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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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
    • H01H1/00Contacts
    • H01H1/0036Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00Contacts
    • H01H1/0036Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0078Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] with parallel movement of the movable contact relative to the substrate

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical switch device for switching an interrupted RF signal line according to the preamble of the main claim.
  • a Surface technologies with structures actuated in a direction perpendicular to the device surface, as described, for example, in US Pat. No. 6,307,452 B1, or with structures activated in the lateral direction, as disclosed in US 2002/0153236 A1.
  • b Volume technology with structures actuated in the direction perpendicular to the component surface, as described, for example, in US 2004/0113727 A, or with structures activated laterally, as in M. Tang, et al. "A single-pole double-throw (SPDT) circuit using lateral metal-contact micromachined switches", from Sensors and Actuators A, Vol. 121, 2005, pages 187-196.
  • SPDT single-pole double-throw
  • ohmic switching contacts usually by the mechanical contact of at least two good conducting body and the capacitive switching function by the overlap of conductive surfaces with insulating layers therebetween arise, which at high signal frequencies only to develop a very small reaction.
  • Capacitive RF switches thus have a lower cut-off frequency at which the reactance becomes too high to transmit high-frequency signals with little loss and reflection. This disadvantage does not occur in ohmic working RF switches.
  • the reliability of an ohmic switch contact depends inter alia on the force with which the contact surfaces are pressed against each other or separated again.
  • the electrostatic force caused by a pair of driving electrodes is, according to equation (1), directly proportional to the discharge of the capacitance after the deflection of the electrodes, which in the hitherto known technical solutions corresponds to the movement of the switching contacts.
  • F el is the electrostatic force, which is directed to increase the capacitance C
  • U is the actuation voltage
  • ⁇ 0 is the permittivity of the vacuum
  • ⁇ r is the relative permittivity of the dielectric (usually air, shielding gas or vacuum)
  • X 0 is the electrode base distance without application of an actuation voltage U and A are the electrode base area
  • th the Electrode depth and x are the path of movement of the elec- trode in the direction of the electrostatic force. Since the change in the dielectric is practically impossible or all suitable media have similar relative permittivities, the electrostatic force can only be varied by varying the electrode base distance XQ or the electrode base area A.
  • the electrode base distance x 0 must be reduced or the electrode base area A must be increased.
  • the minimum electrode base distance x 0 to be set depends on the production technology and is generally between 1 and 10 ⁇ m. Any reduction of the electrode base distance X 0 is not permitted because in addition to numerous technological problems, the separation of the high frequency signal in the open state of the switch must be ensured and thus a certain contact distance is required. Capacitive crosstalk is only so sufficiently low.
  • Electrode base area A An essential parameter for increasing the contact force is therefore the electrode base area A, which is subject to a limitation of the magnification depending on the technology used.
  • the vertical actuation device described in US Pat. No. 6,307,452 Bl is, as mentioned, produced by means of surface technology.
  • Switch contact and movable actuator electrode are in this type of RF switch, the actual and only moving assembly.
  • An electrical separation between the switching contact and the actuator electrode is technologically difficult to achieve or not possible because of the use of the actuator electrode as an RF current path. Since the electrode base area A is directly connected to the RF current path in this case, the increase in the electrode base area A directly affects the high-frequency characteristics of the RF switch.
  • Electrode base area A can thus be designed independently of the behavior at high frequency.
  • a disadvantage of this technology is how For example, also shown in the cited document US 2004/0113727 Al, that the restoring force can be generated only by spring forces in the rule. The active resetting of the switching contact by means of electrostatic force in this case requires an additional wafer level and thus additional costs. Regardless of the technology used, vertical actuation is generally limited in that the electrode area can not be larger than the device footprint.
  • the invention has for its object to provide a micromechanical switch device for switching an RF signal line, which provides a high contact force for the switching contact for bridging the RF signal line and which is small and inexpensive to manufacture and good high-frequency properties and high reliability having.
  • the mechanical force amplification device has a lever arrangement with a predetermined transmission ratio, which is suspended by spring joints, since with such a lever arrangement, the force of the electrostatic drive is amplified, wherein the path of movement of the electrostatic drive is increased with respect to the travel of the switching contact ,
  • an elastic element with progressive action or a coupling is advantageously connected in the force flow of the drive to the switching contact, whereby in particular also the opening of the switching contact can be improved. Due to the increasing elongation of the elastic element with progressive action, the force transmitted to the switching contact is increased disproportionately larger and additionally reinforced by the kinetic energy of the comparatively faster movement of the electrostatic drive.
  • the electrostatic drive provided with a clutch by its kinetic energy, the force for opening the switching element and thus of the switch is generated. This happens because the drive is already in full motion when it is engaged by the coupling on the contact. attacks.
  • a further advantage of using a progressive-action elastic element is that by suitably dimensioning the progressive-action spring element using an electrostatic drive and varying the electrode distance, the relatively small generated electrostatic force at the beginning of the movement path can also counteract relatively small force of the spring element, ie the electrostatic drive with variation of the electrode spacing produces a force increasing progressively with respect to the travel, which can be better exploited with respect to maximum travel and end force when using a progressive spring joint or a spring element with progressive action than in combination with a linear spring element. This advantage also applies when using the coupling.
  • the variation of the electrode spacing in progressive spring makes sense, while the variation of the electrode coverage for levers with high gear ratio and a flywheel with clutch is to be selected.
  • the electrostatic drive is provided as a comb drive with a plurality of comb-like fixed electrodes and a plurality of comb-like movable electrodes which engage with each other.
  • the switch part by means of near-surface volume microtechnology is produced and the drive has a lateral actuation.
  • the structuring of monocrystalline silicon by means of anisotropic dry etching allows a largely free design of the drive and the high-frequency-carrying assemblies with high aspect ratio.
  • the electrode base area can be greatly increased with the same component base area and the realization of small ridge intervals and the implementation of force transmission are thus possible, with no additional material stresses in the silicon due to the use of monocrystalline silicon as the functional layer.
  • the electrostatic drive, the lever assembly, the spring joints and optionally the elastic element with progressive action and the coupling of a high-impedance silicon substrate are structured, wherein an insulating region is provided between the drive and switching contact for electrical isolation of the RF signal line.
  • the high-resistance silicon ensures sufficiently good insulation between the RF signal line and the electric drive.
  • the high-frequency-conducting switching contact can be electrically insulated from the drive carrying the electrode base area, and good high-frequency properties are ensured.
  • a substantial electrical insulation between the drive and the RF current path is given.
  • the switching contact may be rigid or preferably flexible, since in the latter case, the reliability of the switch is increased due to its lateral friction movement in conjunction with a high contact force.
  • the drive, the mechanical force amplification device with switching contact and the RF signal line are structured within a bonding frame of the switch part, which is tightly connected to a cover, wherein the cover has openings for access to electrical connection surfaces in a sealed manner. Due to the combination used near-surface micromechanics with encapsulation methods, which allows simultaneous encapsulation of all elements on the substrate
  • the ability to hermetically fire at wafer level allows the RF switch to be processed with conventional PCB technology, and by including a vacuum, switching times can be reduced.
  • the fabrication technology for this switch design is a near-surface volume technology such as Air Gap Insulated Microstructure (AIM) technology or Single Crystal Reactive Ion
  • Etching and Metallization (SCREAM) technology using highly resistive silicon as wafer material For electrostatic drive, these technologies allow for the production of an electrode area which can be larger than the chip area used for this purpose. Furthermore, these technologies enable the galvanic separation of the high-frequency signal line and the electrostatic drive.
  • a micromechanical HF switch which generates a higher contact force with the same operating parameters and the same chip footprint as in prior art RF switches, or which has a lower contact force for generating a contact force corresponding to the required reliability. voltage and / or a smaller chip area required.
  • To ensure good high-frequency characteristics of the switch contact is electrically isolated from the actuator and the reliability of the switch with a large number of switching cycles, eg 10 9 in terms of low contact resistance when switched on and high RF attenuation in the off state is given.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the micromechanical switch device according to the invention with unidirectional drive
  • FIG. 2 is a schematic representation of the switch device according to the invention with a double-acting drive
  • Figure 3 is a schematic representation of a switch device according to the invention with double-acting drive and elastic elements with progressive action.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of the switch device according to the invention with a drive for closing and a drive for opening, wherein a coupling is provided between these drives;
  • Fig. 5 is a plan view of a switch part of the switch device according to the invention according to the operating principle of FIG.
  • FIG. 6 shows a plan view of a switch part of the switch device according to the invention according to the operating principle according to FIG. 2;
  • Figure 7 is a plan view of a switch part of the switch device according to the invention with a coupling according to the operating principle of FIG. 4.
  • Fig. 8 a closed with a lid Switch part in section, approximately corresponding to the dash-dotted section line in Fig. 7;
  • FIG. 9 shows a section through a switch device, which corresponds to that according to FIG. 8, but is manufactured by means of the AIM technology.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the mechanism of action of the micromechanical switch device according to the invention, as implemented in the volume technology with structures activated in the lateral direction, as shown in FIG.
  • the mechanism of action according to FIG. 1 is provided with a lever arrangement 1 which is movable over a plurality of spring joints 2, wherein in the illustration according to FIG. 1 a spring joint 2 has an armature 3, which with the existing structure, in the present case with a Substrate, firmly connected.
  • a broken RF SignalIeitung 4 is indicated schematically, wherein a switching contact 5, which may be rigid or flexible, the broken line 4 can bridge.
  • the switching contact 5 is connected to one end of the lever arrangement 1.
  • End of the lever assembly is connected via the spring joint 2 with an electrostatic drive 6, which acts unidirectionally.
  • an electrostatic drive 6 which acts unidirectionally.
  • a force is applied to the lever assembly 1 via the spring joint 2, which transmits according to the gear ratio of the lever assembly 1 on the switching contact 5, whereby the switching contact is moved and pressed against the RF line and the switch is closed.
  • the switching contact 5 is replaced by the restoring force of the suspension Steer 2 opened and remains in the deactivated state of the drive in the open position.
  • the electrostatic drive 6 is, as will be described below, activated by an actuation voltage U.
  • a is the transmission ratio of the lever assembly 1 with respect to the force and k the rigidity of the spring joints on the contact side of the lever assembly 1 and x max the maximum distance covered by the switching contact 5. Since the force required to open depends mainly on the design of the switching contact 5, the contact material and the operating conditions such as RF power, humidity, etc., it can be assumed that a certain force for opening the contact, the causally only from the spring joints 2, for the sake of simplicity, is spoken only by a spring joint in the following. Thus, the path of movement of the electrostatic drive 6 ax max .
  • the applied by the electrostatic drive 6 for the closed switch state force on the contact Side of the lever assembly 1 results from the sum of the restoring force and the required for reliable closing contact force F k , which depends as well as the force to open the switching of the design of the switch contact 5, the contact material and the abovementioned operating conditions and by
  • the applied by the electrostatic drive 6 force is divided by the transmission ratio a and reduced. Under the exemplary assumption that the amounts of contact force for closing and opening the switch are the same, the force to be applied by the electrostatic drive 6 is about the
  • the force of the electrostatic drive 6 is amplified by the lever arrangement 1, wherein the movement path of the electrostatic drive 6 is increased with respect to the travel of the switching contact 5.
  • Electrostatic comb drive with variation of the electrode coverage are particularly suitable in this approach, because their force does not depend on the movement path x. With a long way on the drive side of the lever and a relatively small force of the drive with variation of the electrode coverage is low applicable. For mechanisms which require a small force at the beginning of the movement, which increases with increasing motion, the variation of the electrode spacing is useful (progressive spring).
  • a switch part 14 according to the operating principle of FIG.
  • the switch part 14 or the chip has a circumferential bonding frame 12, within which said components are arranged.
  • the switch part 14 is, as will be described below, connected to a cover through which the necessary for the electrical connection of the high-frequency line and the drive to the outside contacts or electrical connection surfaces 11 are accessible.
  • the RF line 4 which is produced by metal deposition, is denoted by 4, and the associated ground line with 13th RF line 4 and grounding line 13 are provided with pads 11, which surfaces are also surrounded by the bonding frame, which same hatching is indicated.
  • the bonding frame 12 itself is coated with an electrically conductive metallization, which, as will be explained below, serves as a bonding agent layer in the connection with the cover.
  • a comb drive which in the exemplary embodiment has two drive parts and which is designed according to the principle of varying the electrode cover.
  • a multiplicity of electrodes 28, which are fixedly connected to the substrate 27, and a multiplicity of movable electrodes 29 likewise arranged in the manner of a comb, are provided, wherein stationary and movable electrodes 28 and 29 intermesh with each other.
  • the movable electrodes 29 are connected to the lever assembly 1, wherein the lever assembly in this embodiment comprises two parallel in plan view in the resting state parallel beam members 30, each of which, as can be seen in the figure, with two rows of movable electrodes 29 are connected.
  • the beam parts 30 of the switching contact 5 is arranged, which may consist of one or, as shown, of two or more contact surfaces.
  • the beam parts branch off according to the drive 6 after both
  • FIG. 2 shows the basic illustration of a switch arrangement which differs from that according to FIG. 2 by a double-acting electrostatic drive 6 - 1, 6 - 2, ie this drive is designed such that it blocks the movement to close the Switching element 5 and also the opposite movement for opening the switching element 5 applies and thus acts bidirectionally. Since in this case the switching contact is not separated by the forces of the spring joint 2 but by the forces generated by the electrostatic drive 6, the spring joint can be dimensioned in comparison with the solution according to FIG. 1 or FIG. 5 with a much lower rigidity k , The spring joint 2 thus reduces the force of the electrostatic drive by a much smaller part than that in known solutions in which the Force is applied to open the switch contact by a spring, which is the case.
  • the spring joint 2 is expediently designed so that the switch remains in the switched-off position in the state without electrical activation.
  • a switch part 14 is shown with the principle of action of Fig. 2, wherein this embodiment to that of FIG. 5 in the lever assembly 1 and, as already mentioned, in the type of electrostatic drive 6 or 6-1 and 6-2 is different. Since the drive must be bidirectional, the implementation of a second fixed electrode system is necessary in the design as a comb drive. In the embodiment of FIG.
  • the entire drive 6 consists of two (in principle, it can be several) acting in the same direction areas (Teilananno ⁇ , which are arranged side by side and have ben ben the same structure, ie, both partial drives consist of two fixed electrode systems and a movable electrode system, wherein in each case the movable comb-like electrodes 33 are located between an electrode 31 of the first fixed electrode system and an electrode 32 of the second fixed electrode system.
  • the division into two or more partial drives has the advantage that the length of the bend due to the electrostatic force, the electromagnetically stressed electrodes and their deformation become smaller due to the electrostatic force.
  • the movable electrodes 33 are connected on the one hand via spring joints 2 fixedly connected to the substrate 27 anchors 3 and on the other hand in each case via a spring joint 2 with a relatively rigid beam 34 which acts on the end of an elongated lever 35.
  • This lever can, as can be seen from FIG. 6, be deflected by 90 ° and has the switching contact 5 at its end. Also, the lever is connected to a spring joint with an anchor.
  • the design of the lever arrangement 1 in interaction with the spring joints 2 and the electrical drives 6-1 and 6-2 effects the movement of the switching contact 5 in the direction of the RF signal line and away therefrom with power transmission and reduction of the travel.
  • the fixed first electrodes 31 of the drive 6-2 are subjected to a voltage, whereby the movable electrodes 33 move the lever arm over the beam 34 for closing the switching contact 5.
  • the same voltage is preferably applied to the second stationary electrodes 32 of the drive 6-1, whereby the drive 6-2 is no longer activated, as a result of which the movable electrodes 33 are connected to the beam 34 and the Move lever 35 in the opposite direction to open the switch contact 5.
  • lever arm 35 is provided in front of the switching contact 5 with an insulating region 20 which intersects the bonding ⁇ frame 5.
  • a further possible ⁇ ness of a device for power amplification or schematically - B transmission is provided, wherein in the power flow between the switching contact of the drive 6, an elastic member is inserted with progressive effect 7 and 5.
  • the two elasti ⁇ rule elements progressive power 7 serve to increase the force in opening and closing of the switch contact 5.
  • FIG. 4 A further basicSchsuspended coupling between a first on ⁇ drive 6 for opening and a second drive 6 for Closing the switch contact is arranged.
  • the left drive in FIG. 4 serves to close the contact element and the drive shown in the figure on the right is used together with the clutch 8 to open the switching contact 5.
  • the clutch 8 causes due to a built-in game that the power flow between the electrostatic right drive 6 and the switching contact only comes about when the drive 6 has already reached a certain speed. Its energy is used to generate the force required to open the switch on the switching contact.
  • An advantage of the embodiments of FIGS. 3 and 4 is that by suitable dimensioning of the spring element with progressive action 7 or the clutch 8 counteract when using an electrostatic drive while varying the electrode spacing of the relatively low electrostatic force generated at the beginning of the movement path also a relatively small force of the spring element can.
  • the force generated by the electrostatic drive 6 can better overcome the force of the spring joint 2 to achieve the maximum deflection.
  • a switch part 14 which implements the operation according to FIG. 4 with a lever arrangement and comprises a clutch 8.
  • the lever arrangement 1 corresponds in its embodiment to that according to FIG. 6.
  • the electrostatic drive 6 is divided in two oppositely acting areas 6-1 and 6-2 area.
  • the right drive 6-1 works on the principle of the distance variation of the electrodes and generates the
  • the movable electrodes 36 which in turn are suspended via spring joints 2 to anchors 3, connected to the end of the lever 35 of the lever assembly 1 via a spring joint.
  • the stiffness of the spring joints is much lower than that they could apply the force for opening the switching contact 5. Therefore, much of the power of the electrostatic drive 6-1 becomes effective as a contact force when the switch is closed.
  • the electrostatic drive 6-2 is not acted on during the closing of the switch or the switching contact 5 with an electrical voltage.
  • the electrostatic drive 6-2 operates on the principle of the variation of the electrode cover, wherein the drive is similar to that of FIG. 5 is formed. It has a plurality of interlocking fixed and movable comb-like electrodes 28, 29, wherein the movable electrodes 29 are connected to the coupling 8, which in turn is articulated to the lever 35.
  • the electrostatic drive 6-1 is not subjected to a voltage and the drive 6-2 is activated.
  • the latter is anchored elastically to the substrate 27 of the switch part 14 by means of spring joints 2 and armature 3 and moves in the direction of the increase in the electrical capacitance opposite to the effective direction of the electrostatic drive 6-1.
  • the clutch 8 causes by means of a built-in game, that the power flow between the electrostatic drive 6-2 and the lever 1 only comes about when the drive 6-2 and its movable electrode 29 have already reached a certain speed.
  • stored kinetic energy is a power surge transmitted via the lever 1 to the contact element 5, which is sufficiently large to disconnect the contacts.
  • pads 11 for the supply of voltages to the drives 6-2, 6-1 are provided.
  • the switching contact 5 is deformed when touching the high-frequency signal line 4 and thus enables reliable contact that a friction movement can take place.
  • FIG. 8 shows a section through a micromechanical switch device, wherein only the cover 9 is to be referred to here for the time being.
  • a lid is in the embodiments according to FIGS. 5 to 7 is used and a hermetic closure and a contacting of the electrostatic drive 6 and the high-frequency signal line 4 through the plated-through cover 9 made of glass or high-resistance silicon or other suitable material using a joining process, such as eutectic bonding, anodic bonding or glass-frit bonding achieved.
  • a joining process such as eutectic bonding, anodic bonding or glass-frit bonding
  • the switch part 14 is made of highly resistive silicon. After generating an SiO 2 layer 15 on the front and back of the substrate 27 of the switch part 14 trenches 16 and movable structures 17 are generated by means of lithographic structuring and a dry etching process with 9.wandpassivie- tion and subsequent free etching, which in the present case, for example include the lever 35. A subsequently produced partially or completely aluminum layer 18 serves as a high-frequency signal line and makes it possible to make contact with the electrodes of the electrostatic drive which are not to be recognized here, as well as the formation of the electrodes thereof.
  • the metallization is interrupted on the lever arrangement 1 in the insulating region 20 and thus an isolation of the high-frequency signal line 4 from the electrical potential of the electrostatic drive is achieved.
  • the region of the switching contact 5 and opposite regions of the high-frequency line 4 is coated with a layer or a layer stack of gold, platinum, titanium and tungsten or another suitable material.
  • the closure and the contacting of the connection surfaces is carried out with the aid of the plated-through cover 9 made of glass or another dielectric or another material which is dielectrically insulated in the region of the plated-through holes.
  • the lid 9 includes in the embodiment on the bottom etched recesses 19 to the mobility of the electrostatic drive 6, the lever assembly 1, the spring joints 2 and optionally the progressive spring element 7 or the clutch 8 to ensure.
  • the lid 9 is preferably thinned, e.g. to 50 microns thickness. This allows a simple etching of the openings 10. After removing the etching mask for the openings 10 are conductor structures and the
  • the contact pads 22 may be applied by chemical thickening and later provided with a solder bump for a flip-chip mounting process.
  • FIG. 9 shows a schematic cross-section of the high-frequency switch according to the invention in an alternative technology, partly using the AIM method.
  • the switch part 14 made of highly resistive silicon and the lid 9 of a substrate which is at least partially formed of polycrystalline, monocrystalline or amorphous silicon.
  • the aluminum layer 18 is produced and also structured.
  • the trenches 16 and movable structures 17 are worked out.
  • the undercutting of the aluminum support 23 takes place, so that the movable structures are mechanically connected only by these aluminum supports with the fixed areas.
  • Signal line 4 and the associated ground line 13 and the contact element 5 may e.g. metallized by means of shadow masks with gold and then the area of the switch contact 21 can also be metallized thick shadow mask.
  • the lid can in a wet or dry etching process recesses 19 obtained, which allow the movement of the structure. Thereafter, the underside is provided with a patterned gold metallization 24. The apertures 10 are etched from the top to the perforation.
  • the switch part 14 and the lid 9 are now connected in a eutectic joining process.
  • the SiO 2 layer 15 and the aluminum layer on the switch part 14 act as a barrier or conductive layer. This serves to prevent a continuous eutectic layer and is necessary because the contacting of the high-frequency signal line 4 with the connection surfaces 11 or the associated ground line 13 with corresponding connection surfaces 11 would not be sufficiently low due to the poor conductivity of the AuSi eutectic.
  • the above-described switch arrangement can be used in mobile communication for improving the flexibility of the terminals.
  • the use of small, high-quality micromechanical high-frequency switches according to the invention will bring about improvements in terms of insertion loss, isolation and above all in terms of energy efficiency in this context.

Abstract

The invention relates to a micromechanical switch device for switching an interrupted HF signal line which is provided on a substrate. The inventive device comprises a switch part and a cover which closes the switch part and is characterized in that the switch part comprises at least one ohmic switching contact for bridging and separating the HF signal line and an electrostatic drive for actuating the switching contact, said electrostatic drive being provided with a fixed and a movable electrode. A device for mechanical power amplification is mounted between the electrostatic drive and the switching contact and can be configured as a lever arrangement and/or an elastic element having a progressive effect.

Description

Mikromechanische Schaltervorrichtung mit mechanischer Micromechanical switch device with mechanical
KraftverStärkungboosting
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Schal- tervorrichtung zum Schalten einer unterbrochenen HF- Signalleitung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .The invention relates to a micromechanical switch device for switching an interrupted RF signal line according to the preamble of the main claim.
Mikromechanische Hochfrequenzschalter sind aus zahl- reichen Veröffentlichungen bekannt, wobei für dieMicromechanical high-frequency switches are known from numerous publications, wherein for the
Konstruktion derartiger HF-Schalter zwei prinzipiell unterschiedliche Technologien mit jeweils zwei verschiedenen Varianten der Aktuierung angewandt werden:Construction of such RF switch two fundamentally different technologies are applied, each with two different variants of the actuation:
a. Oberflächentechnologien mit in senkrechter Richtung zur Bauelemente-Oberfläche aktuierten Strukturen, wie beispielsweise in de US 6 307 452 Bl beschrieben ist, oder mit in lateraler Richtung aktuierten Strukturen, wie in der US 2002/0153236 Al offenbart ist. b. Volumentechnologie mit in senkrechter Richtung zur Bauelemente-Oberfläche aktuierten Strukturen, wie beispielsweise in der US 2004/0113727 A beschrieben ist, oder mit lateraler Richtung aktuierten Strukturen, wie bei M. Tang, et al. "A single-pole double-throw (SPDT) circuit using lateral metal-contact micromachined switches", aus Sensors and Actuators A, Vol. 121, 2005, Seiten 187-196 beschrieben ist.a. Surface technologies with structures actuated in a direction perpendicular to the device surface, as described, for example, in US Pat. No. 6,307,452 B1, or with structures activated in the lateral direction, as disclosed in US 2002/0153236 A1. b. Volume technology with structures actuated in the direction perpendicular to the component surface, as described, for example, in US 2004/0113727 A, or with structures activated laterally, as in M. Tang, et al. "A single-pole double-throw (SPDT) circuit using lateral metal-contact micromachined switches", from Sensors and Actuators A, Vol. 121, 2005, pages 187-196.
Eine weitere prinzipielle Unterscheidung wird zwischen ohmsch und kapazitiv arbeitenden HF-Schaltern getroffen, wobei ohmsche Schaltkontakte meist durch den mechanischen Kontakt mindestens zweier gut leitender Körper und die kapazitive Schaltfunktion durch die Überdeckung von leitenden Flächen mit dazwischen befindlichen Isolationsschichten entstehen, welche bei hohen Signalfrequenzen eine nur sehr kleine Reak- tanz ausbilden. Kapazitiv arbeitende HF-Schalter haben somit eine untere Grenzfrequenz, bei der die Reaktanz zu groß wird, um Hochfrequenzsignale ver- lust- und reflexionsarm zu übertragen. Dieser Nachteil tritt bei ohmsch arbeitenden HF-Schaltern nicht auf.Another principal distinction is made between ohmic and capacitive RF switches, ohmic switching contacts usually by the mechanical contact of at least two good conducting body and the capacitive switching function by the overlap of conductive surfaces with insulating layers therebetween arise, which at high signal frequencies only to develop a very small reaction. Capacitive RF switches thus have a lower cut-off frequency at which the reactance becomes too high to transmit high-frequency signals with little loss and reflection. This disadvantage does not occur in ohmic working RF switches.
Die Zuverlässigkeit eines ohmschen Schaltkontakts hängt unter anderem von der Kraft ab, mit der die Kontaktflächen gegeneinander gepresst bzw. wieder voneinander getrennt werden.The reliability of an ohmic switch contact depends inter alia on the force with which the contact surfaces are pressed against each other or separated again.
Die für die Bewegung der mechanischen Komponenten benötigte Kraft und die Kontaktkraft werden elektrisch erzeugt. Übliche Techniken verwenden dazu entweder die elektromagnetische Kraft zwischen stromdurchflos- senen Leitern bzw. zwischen Leitern und Permanentmag- neten oder die elektrostatische Kraft, die allgemein auf elektrisch polarisierte Körper wirkt. Da elektromagnetische Antriebskonzepte entweder Dauerstrom benötigen und damit hohe Verlustleistungen erzeugen o- der mikrotechnologisch nur bedingt realisierbare Permanentmagnete benötigen, um in den Endzuständen stabil zu sein, sind elektrostatische Antriebe vorzuziehen.The force required for the movement of the mechanical components and the contact force are generated electrically. Conventional techniques either use the electromagnetic force between current-carrying conductors or between conductors and permanent magnets. or the electrostatic force that generally acts on electrically polarized bodies. Since electromagnetic drive concepts either require continuous current and thus generate high power losses or require microtechnologically only partially realizable permanent magnets to be stable in the final states, electrostatic drives are preferable.
Die elektrostatische Kraft, die durch ein Antriebselektrodenpaar verursacht wird, ist nach Gleichung (1) direkt proportional zur Ableitung der Kapazität nach der Elektrodenauslenkung, welche bei den bislang bekannten technischen Lösungen der Bewegung der Schaltkontakte entspricht.The electrostatic force caused by a pair of driving electrodes is, according to equation (1), directly proportional to the discharge of the capacitance after the deflection of the electrodes, which in the hitherto known technical solutions corresponds to the movement of the switching contacts.
Dabei ist Fel die elektrostatische Kraft, die so ge- richtet ist, dass sich die Kapazität C vergrößert, und U die Aktuierungsspannung .Where F el is the electrostatic force, which is directed to increase the capacitance C, and U is the actuation voltage.
Bei Annahme gleicher Betriebsparameter und somit gleicher Aktuierungsspannung reduziert sich die Ab- hängigkeit auf die Ableitung der Kapazität nach der Auslenkung, welche für den Fall eines Plattenkondensators bei Variation des Elektrodenabstandes durchAssuming the same operating parameters and thus the same actuation voltage, the dependence on the derivative of the capacitance after the deflection is reduced, which in the case of a plate capacitor with variation of the electrode spacing by
dC εoεrAdC ε or A
(2a) dx (X0-X)2 ' (2a) dx (X 0 -X) 2 '
und bei Variation der Überdeckung der Elektrodenflächen durch dC _ εoεrth dx xn and upon variation of the coverage of the electrode surfaces dC _ ε or th dx x n
gegeben ist, wobei ε0 die Permittivität des Vakuums ist, εr die relative Permittivität des Dielektrikums (in der Regel Luft, Schutzgas oder Vakuum) ist, X0 der Elektrodengrundabstand ohne Anlegen einer Aktuie- rungsspannung U und A die Elektrodengrundfläche sind, th die Elektrodentiefe und x der Bewegungsweg der E- lektrode in Richtung der elektrostatischen Kraft sind. Da die Veränderung des Dielektrikums praktisch nicht möglich ist bzw. alle in Frage kommenden Medien ähnliche relative Permittivitäten aufweisen, kann die elektrostatische Kraft nur durch Variation des Elekt- rodengrundabstands XQ oder der Elektrodengrundfläche A variiert werden.where ε 0 is the permittivity of the vacuum, ε r is the relative permittivity of the dielectric (usually air, shielding gas or vacuum), X 0 is the electrode base distance without application of an actuation voltage U and A are the electrode base area, th the Electrode depth and x are the path of movement of the elec- trode in the direction of the electrostatic force. Since the change in the dielectric is practically impossible or all suitable media have similar relative permittivities, the electrostatic force can only be varied by varying the electrode base distance XQ or the electrode base area A.
Zur Maximierung der Kraft Fei muss daher entweder der Elektrodengrundabstand x0 verkleinert werden oder die Elektrodengrundfläche A vergrößert werden. Der mini- mal einzustellende Elektrodengrundabstand x0 ist von der Fertigungstechnologie abhängig und liegt in der Regel zwischen 1 und 10 μm. Eine beliebige Verkleinerung des Elektrodengrundabstandes X0 ist nicht zulässig, da neben zahlreichen technologischen Problemen auch die Trennung des Hochfrequenzsignals im geöffneten Zustand des Schalters gewährleistet sein muss und somit ein bestimmter Kontaktabstand gefordert ist. Kapazitives Übersprechen wird nur so hinreichend gering .To maximize the force F e i, therefore, either the electrode base distance x 0 must be reduced or the electrode base area A must be increased. The minimum electrode base distance x 0 to be set depends on the production technology and is generally between 1 and 10 μm. Any reduction of the electrode base distance X 0 is not permitted because in addition to numerous technological problems, the separation of the high frequency signal in the open state of the switch must be ensured and thus a certain contact distance is required. Capacitive crosstalk is only so sufficiently low.
Wesentlicher Parameter zur Erhöhung der Kontaktkraft ist damit die Elektrodengrundfläche A, welche abhängig von der eingesetzten Technologie einer Begrenzung der Vergrößerung unterliegt. Das in der US 6 307 452 Bl beschriebene Bauelement mit vertikaler Aktuierung ist, wie erwähnt, mittels Oberflächentechnologie hergestellt. Schaltkontakt und bewegliche Aktorelektrode sind in dieser Art HF- Schalter die eigentliche und einzige bewegte Baugruppe. Eine elektrische Trennung zwischen Schaltkontakt und Aktorelektrode ist technologisch schwierig erreichbar bzw. wegen der Nutzung der Aktorelektrode als HF-Strompfad nicht möglich. Da die Elektroden- grundfläche A in diesem Fall direkt mit dem HF- Strompfad in Verbindung steht, beeinträchtigt die Vergrößerung der Elektrodengrundfläche A direkt die Hochfrequenzeigenschaften des HF-Schalters. Eine deutliche Vergrößerung der Elektrodengrundfläche ist damit nicht möglicht bzw. mit Einbußen bezüglich der Qualität der Hochfrequenzeigenschaften verbunden. Ein weiterer Nachteil, welcher speziell bei in Oberflächentechnologie gefertigten, vertikal aktuierten HF- Schaltern zum Tragen kommt, sind Einschränkungen be- züglich der Kontaktmaterialabscheidung. Die sequentielle Abscheidung der Schichten resultiert in Beschränkungen bezüglich der Materialpaarung von Kontaktmaterial und Opferschicht, hinsichtlich technologischer Kompatibilität wie Temperaturbelastbarkeit und Haftfestigkeit.An essential parameter for increasing the contact force is therefore the electrode base area A, which is subject to a limitation of the magnification depending on the technology used. The vertical actuation device described in US Pat. No. 6,307,452 Bl is, as mentioned, produced by means of surface technology. Switch contact and movable actuator electrode are in this type of RF switch, the actual and only moving assembly. An electrical separation between the switching contact and the actuator electrode is technologically difficult to achieve or not possible because of the use of the actuator electrode as an RF current path. Since the electrode base area A is directly connected to the RF current path in this case, the increase in the electrode base area A directly affects the high-frequency characteristics of the RF switch. A significant increase in the electrode base area is therefore not possible or associated with losses with regard to the quality of the high-frequency properties. Another drawback which is particularly relevant in surface-technology manufactured, vertically actuated RF switches are limitations in terms of contact material deposition. The sequential deposition of the layers results in restrictions on the material combination of contact material and sacrificial layer, with regard to technological compatibility such as temperature resistance and adhesive strength.
In der Veröffentlichung von T. Seki et al . "Development of a large-force low-loss metal-contact RF MEMS switch", Sensors and Actuators A, Vol. 132, 2006, Seiten 683 - 688 ist ein HF-Schalter mit vertikalerIn the publication by T. Seki et al. "Development of a large-force low-loss metal-contact RF MEMS switch", Sensors and Actuators A, Vol. 132, 2006, pages 683-688 is a vertical-frequency RF switch
Aktuierung beschrieben, der mittels Volumenmikrotechnologie gefertigt ist . Dabei ist eine Trennung der hochfrequenzführenden Leiter von der Elektrodenfläche realisiert. Die Elektrodengrundfläche A kann somit unabhängig von dem Verhalten bei Hochfrequenz ausgelegt werden. Ein Nachteil dieser Technologie ist, wie beispielsweise auch in der erwähnten Druckschrift US 2004/0113727 Al gezeigt ist, dass die rückstellende Kraft in der Regel nur durch Federkräfte erzeugt werden kann. Das aktive Rückstellen des Schaltkontaktes mittels elektrostatischer Kraft erfordert in diesem Fall eine zusätzliche Waferebene und damit zusätzliche Kosten. Unabhängig von der eingesetzten Technologie unterliegt die Aktuierung in vertikaler Richtung allgemein der Einschränkung, dass die Elektrodenflä- che nicht größer als die Bauelementegrundfläche sein kann.Actuation described, which is made by volume microtechnology. In this case, a separation of the high-frequency-carrying conductor is realized by the electrode surface. The electrode base area A can thus be designed independently of the behavior at high frequency. A disadvantage of this technology is how For example, also shown in the cited document US 2004/0113727 Al, that the restoring force can be generated only by spring forces in the rule. The active resetting of the switching contact by means of electrostatic force in this case requires an additional wafer level and thus additional costs. Regardless of the technology used, vertical actuation is generally limited in that the electrode area can not be larger than the device footprint.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikromechanische Schaltervorrichtung zum Schalten einer HF-Signalleitung zu schaffen, die eine hohe Kontaktkraft für den Schaltkontakt zum Überbrücken der HF- Signalleitung zur Verfügung stellt und die klein und kostengünstig herzustellen ist und gute Hochfrequenz- eigenschaften und hohe Zuverlässigkeit aufweist.The invention has for its object to provide a micromechanical switch device for switching an RF signal line, which provides a high contact force for the switching contact for bridging the RF signal line and which is small and inexpensive to manufacture and good high-frequency properties and high reliability having.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.This object is achieved by the characterizing features of the main claim in conjunction with the features of the preamble.
Dadurch, dass zwischen elektrostatischem Antrieb und Schaltkontakt eine Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung geschaltet ist, wird eine im Verhältnis zur Chipfläche und zur Aktuatorspannung bzw. Antriebsspannung höhere Kontaktkraft beim Schließen des Schaltkontakts ermöglicht. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Schaltens erhöht werden bzw. die zur Erzeugung der Kontaktkraft notwendige Elektrodenfläche verkleinert, wodurch die Aktuatorspannungen verringert werden, die Bauelementegröße sinkt und die Betriebsspannung kompatibel zu der von Geräten der Telekommunikationstechnik gemacht werden kann. Wei- terhin wird durch Vorsehen einer Anordnung zur Hochfrequenzisolation zwischen Schaltkontakt und Antrieb eine galvanische Trennung der HF-Signalleitung sichergestellt und es werden gute HF-Eigenschaften ge- währleistet.The fact that a device for mechanical power amplification is connected between the electrostatic drive and the switching contact, a higher in relation to the chip area and the actuator voltage or drive voltage contact force when closing the switch contact is made possible. As a result, the reliability of the switching can be increased or the electrode area necessary for generating the contact force can be reduced, as a result of which the actuator voltages are reduced, the size of the components decreases and the operating voltage can be made compatible with that of devices of the telecommunications technology. WEI Furthermore, by providing an arrangement for high-frequency insulation between the switching contact and the drive, electrical isolation of the RF signal line is ensured and good HF properties are ensured.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.The measures specified in the dependent claims advantageous refinements and improvements are possible.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung eine Hebelanordnung mit einem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis aufweist, die über Federgelenke aufgehängt ist, da mit einer solchen Hebelanordnung die Kraft des elektrostatischen Antriebs verstärkt wird, wobei der Bewegungsweg des elektrostatischen Antriebs bezüglich des Stellwegs des Schaltkontakts vergrößert wird.It is particularly advantageous that the mechanical force amplification device has a lever arrangement with a predetermined transmission ratio, which is suspended by spring joints, since with such a lever arrangement, the force of the electrostatic drive is amplified, wherein the path of movement of the electrostatic drive is increased with respect to the travel of the switching contact ,
Zusätzlich oder anstelle der Hebelanordnung ist vorteilhafterweise ein elastisches Element mit progressiver Wirkung oder eine Kupplung in den Kraftfluss des Antriebs zum Schaltkontakt geschaltet, wodurch insbesondere auch das Öffnen des Schaltkontakts ver- bessert werden kann. Aufgrund der zunehmenden Dehnung des elastischen Elements mit progressiver Wirkung wird die auf den Schaltkontakt übertragene Kraft ü- berproportional größer und zusätzlich durch die kinetische Energie der vergleichsweise schnelleren Bewe- gung des elektrostatischen Antriebs verstärkt. In vorteilhafter Weise wird bei dem mit einer Kupplung versehenen elektrostatischen Antrieb durch seine kinetische Energie die Kraft zum Öffnen des Schaltelements und damit des Schalters erzeugt. Dies ge- schieht, da der Antrieb bereits in voller Bewegung ist, wenn er durch die Kupplung auf dem Kontakt an- greift .In addition to or instead of the lever arrangement, an elastic element with progressive action or a coupling is advantageously connected in the force flow of the drive to the switching contact, whereby in particular also the opening of the switching contact can be improved. Due to the increasing elongation of the elastic element with progressive action, the force transmitted to the switching contact is increased disproportionately larger and additionally reinforced by the kinetic energy of the comparatively faster movement of the electrostatic drive. Advantageously, in the electrostatic drive provided with a clutch by its kinetic energy, the force for opening the switching element and thus of the switch is generated. This happens because the drive is already in full motion when it is engaged by the coupling on the contact. attacks.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines elastischen Elementes mit progressiver Wirkung besteht darin, dass durch geeignete Dimensionierung des Federelements mit progressiver Wirkung bei Einsatz eines e- lektrostatischen Antriebs und der Variation des E- lektrodenabstands der relativ geringen erzeugten e- lektrostatischen Kraft am Anfang des Bewegungsweges eine ebenfalls relativ geringe Kraft des Federelements entgegen wirken kann, , d.h. der elektrostatische Antrieb mit Variation des Elektrodenabstandes erzeugt eine bezüglich des Stellwegs progressiv zunehmende Kraft, die bei der Verwendung eines progres- siven Federgelenks oder eines Federelements mit progressiver Wirkung besser hinsichtlich maximalem Stellweg und Endkraft ausgenutzt werden kann als bei Kombination mit einem linearen Federelement . Dieser Vorteil gilt auch bei Verwendung der Kupplung.A further advantage of using a progressive-action elastic element is that by suitably dimensioning the progressive-action spring element using an electrostatic drive and varying the electrode distance, the relatively small generated electrostatic force at the beginning of the movement path can also counteract relatively small force of the spring element, ie the electrostatic drive with variation of the electrode spacing produces a force increasing progressively with respect to the travel, which can be better exploited with respect to maximum travel and end force when using a progressive spring joint or a spring element with progressive action than in combination with a linear spring element. This advantage also applies when using the coupling.
Grundsätzlich ist die Variation des Elektrodenabstandes bei progressiver Feder sinnvoll, während die Variation der Elektrodenüberdeckung für Hebel mit hoher Übersetzung und bei einer Schwungmasse mit Kupplung zu wählen ist.Basically, the variation of the electrode spacing in progressive spring makes sense, while the variation of the electrode coverage for levers with high gear ratio and a flywheel with clutch is to be selected.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der elektrostatische Antrieb als Kammantrieb mit einer Mehrzahl von kammartig ausgebildeten festste- henden Elektroden und einer Mehrzahl von kammartig ausgebildeten beweglichen Elektroden, die ineinander greifen, vorgesehen. Mit Hilfe einer solchen Anordnung ist es möglich, eine sehr flächensparende Geometrie der Antriebskämme zu wählen.In a particularly preferred embodiment, the electrostatic drive is provided as a comb drive with a plurality of comb-like fixed electrodes and a plurality of comb-like movable electrodes which engage with each other. With the help of such an arrangement, it is possible to choose a very space-saving geometry of the drive combs.
Vorteilhaft ist, dass das Schalterteil mittels der oberflächennahen Volumenmikrotechnologie hergestellt ist und der Antrieb eine laterale Aktuierung aufweist. Die Strukturierung von einkristallinem Silizium mittels anisotropen Trockenätzverfahren erlaubt eine weitgehende freie Gestaltung des Antriebs und der hochfrequenzführenden Baugruppen mit hohem Aspektverhältnis. Durch den Einsatz von Kammstrukturen kann die Elektrodengrundfläche bei gleicher Bauelementegrundflache stark vergrößert werden und die Rea- lisierung von kleinen Kammabständen und die Implementierung von Kraftübersetzung sind somit möglich, wobei zusätzlich durch die Verwendung von einkristallinem Silizium als Funktionsschicht keine Materialspannungen im Silizium auftreten.It is advantageous that the switch part by means of near-surface volume microtechnology is produced and the drive has a lateral actuation. The structuring of monocrystalline silicon by means of anisotropic dry etching allows a largely free design of the drive and the high-frequency-carrying assemblies with high aspect ratio. Through the use of comb structures, the electrode base area can be greatly increased with the same component base area and the realization of small ridge intervals and the implementation of force transmission are thus possible, with no additional material stresses in the silicon due to the use of monocrystalline silicon as the functional layer.
In vorteilhafter Weise sind der elektrostatische Antrieb, die Hebelanordnung, die Federgelenke und gegebenenfalls das elastische Element mit progressiver Wirkung sowie die Kupplung aus einem hochohmigen Si- liziumsubstrat strukturiert, wobei zwischen Antrieb und Schaltkontakt zur galvanischen Trennung der HF- Signalleitung ein Isolierbereich vorgesehen ist. In diesem Bereich bewirkt das hochohmige Silizium eine hinreichend gute Isolation zwischen der HF—Sigal- leitung und dem elektrischen Antrieb. Dadurch kann der hochfrequenzführende Schaltkontakt von dem die Elektrodengrundfläche tragenden Antrieb elektrisch isoliert werden und es werden gute Hochfrequenzeigenschaften gewährleistet. Grundsätzlich ist durch die Verwendung von hochohmigem Silizium eine weitgehende elektrische Isolierung zwischen dem Antrieb und dem HF-Strompfad gegeben. Dadurch, dass der Widerstand der elektrischen Verbindung zwischen den Kontakten und dem Hebelmechanismus bzw. dem Aktor oder Antrieb im Vergleich zur Impedanz der zu schaltenden HF- Leitung, die in der Regel zwischen 30 Ohm und 300 Ohm liegt, relativ sehr groß ist, sind die Verluste an HF-Leistung geringer als bei einer Vielzahl bisheriger Schaltungsanordnungen. Bei diesen bisherigen Schalteranordnungen ist deshalb oft eine externe Ent- kopplung des HF-Strompfades von der Aktuierungsspan- nung erforderlich, die zusätzliche Bauteile und oft eine Frequenzabhängigkeit der Entkopplung verursacht. Derartige Nachteile werden mit der Erfindung vermieden.Advantageously, the electrostatic drive, the lever assembly, the spring joints and optionally the elastic element with progressive action and the coupling of a high-impedance silicon substrate are structured, wherein an insulating region is provided between the drive and switching contact for electrical isolation of the RF signal line. In this area, the high-resistance silicon ensures sufficiently good insulation between the RF signal line and the electric drive. As a result, the high-frequency-conducting switching contact can be electrically insulated from the drive carrying the electrode base area, and good high-frequency properties are ensured. Basically, by the use of high-resistance silicon, a substantial electrical insulation between the drive and the RF current path is given. Characterized in that the resistance of the electrical connection between the contacts and the lever mechanism or the actuator or drive compared to the impedance of the switching RF line, which is usually between 30 ohms and 300 ohms is relatively large, the losses of RF power are less than in a variety of previous circuitry. In the case of these previous switch arrangements, therefore, an external decoupling of the HF current path from the actuation voltage is often required, which causes additional components and often a frequency-dependent decoupling. Such disadvantages are avoided with the invention.
Der Schaltkontakt kann starr oder vorzugsweise flexibel sein, da bei letzterem aufgrund seiner seitlichen Reibbewegung in Verbindung mit einer hohen Kontakt- kraft die Zuverlässigkeit des Schalters erhöht wird.The switching contact may be rigid or preferably flexible, since in the latter case, the reliability of the switch is increased due to its lateral friction movement in conjunction with a high contact force.
In vorteilhafter Weise sind der Antrieb, die Vorrichtung zur mechanischen KraftverStärkung mit Schaltkontakt und die HF-Signalleitung innerhalb eines Bondrahmens des Schalterteils strukturiert, der mit einem Deckel dicht verbunden ist, wobei der Deckel Durchbrüche für den Zugang zu elektrischen Anschlussflächen in abgedichteter Weise aufweist. Durch die verwendete Kombination oberflächennaher Mikromechanik mit Verkapselungsmethoden, die eine gleichzeitige Verkapselung aller Elemente auf dem Substrat unterAdvantageously, the drive, the mechanical force amplification device with switching contact and the RF signal line are structured within a bonding frame of the switch part, which is tightly connected to a cover, wherein the cover has openings for access to electrical connection surfaces in a sealed manner. Due to the combination used near-surface micromechanics with encapsulation methods, which allows simultaneous encapsulation of all elements on the substrate
Einschluss beliebiger Gasarten und Drücke, insbesondere inerter oder reduzierender Gase gestattet und integrierte elektrische Durchführungen enthalten, wird eine kleine Bauform und Baugröße bei gleichzei- tiger hoher Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit ermöglicht. Durch die Möglichkeit des hermetischen Verschießens auf Waferlevel kann der HF-Schalter mit herkömmlichen Technologien zur Bestückung von Leiterplatten verarbeitet werden und durch das Einschließen eines Vakuums können die Schaltzeiten verkleinert werden. Wie ausgeführt, ist die Herstellungstechnologie für dieses Schalterkonzept eine oberflächennahe Volumen- technologie wie Air Gap Insulated Microstructure (AIM) -Technologie oder Single Crystal Reactive IonIncluding any type of gas and pressures, particularly inert or reducing gases, and incorporating integral electrical feedthroughs, allows for a small size and size, while maintaining high reliability and performance. The ability to hermetically fire at wafer level allows the RF switch to be processed with conventional PCB technology, and by including a vacuum, switching times can be reduced. As noted, the fabrication technology for this switch design is a near-surface volume technology such as Air Gap Insulated Microstructure (AIM) technology or Single Crystal Reactive Ion
Etching and Metallization (SCREAM) -Technologie unter Verwendung von hochresistivem Silizium als Wafermate- rial . Für einen elektrostatischen Antrieb ermöglichen diese Technologien die Herstellung einer Elektroden- fläche, welche größer sein kann als die dafür verwendete Chipfläche. Weiterhin ermöglichen diese Technologien die galvanische Trennung der Hochfrequenzsig- nalleitung und des elektrostatischen Antriebs.Etching and Metallization (SCREAM) technology using highly resistive silicon as wafer material. For electrostatic drive, these technologies allow for the production of an electrode area which can be larger than the chip area used for this purpose. Furthermore, these technologies enable the galvanic separation of the high-frequency signal line and the electrostatic drive.
Insgesamt wird erfindungsgemäß ein mikromechanischer HF-Schalter zur Verfügung gestellt, der bei gleichen Betriebsparametern und gleicher Chipgrundfläche wie bei HF-Schaltern nach dem Stand der Technik eine höhere Kontaktkraft erzeugt bzw. der für das Erzeugen einer hinsichtlich der erforderlichen Zuverlässigkeit entsprechenden Kontaktkraft eine niedrigere Aktuie- rungsSpannung und/oder eine kleinere Chipgrundfläche benötigt. Zur Gewährleistung guter Hochfrequenzeigenschaften ist der Schaltkontakt vom Aktuator elekt- risch isoliert und die Zuverlässigkeit des Schalters bei großer Anzahl von Schaltspielen, z.B. 109 hinsichtlich geringer Kontaktwiderstände in eingeschaltetem Zustand und hoher HF-Dämpfung im ausgeschalteten Zustand ist gegeben.Overall, according to the invention, a micromechanical HF switch is provided which generates a higher contact force with the same operating parameters and the same chip footprint as in prior art RF switches, or which has a lower contact force for generating a contact force corresponding to the required reliability. voltage and / or a smaller chip area required. To ensure good high-frequency characteristics of the switch contact is electrically isolated from the actuator and the reliability of the switch with a large number of switching cycles, eg 10 9 in terms of low contact resistance when switched on and high RF attenuation in the off state is given.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenThe invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail in the following description. Show it
Fig. 1 eine schematische Darstellung der mikromechanischen Schaltervorrichtung nach der Erfindung mit einseitig wirkendem Antrieb;Fig. 1 is a schematic representation of the micromechanical switch device according to the invention with unidirectional drive;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfin- dungsgemäßen Schaltervorrichtung mit zweiseitig wirkendem Antrieb;FIG. 2 is a schematic representation of the switch device according to the invention with a double-acting drive; FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung mit zweiseitig wirkendem Antrieb und elastischen Elementen mit progressiver Wirkung;Figure 3 is a schematic representation of a switch device according to the invention with double-acting drive and elastic elements with progressive action.
Fig. 4 eine schematische Darstellung der erfin- dungsgemäßen Schaltervorrichtung mit einem Antrieb zum Schließen und einen Antrieb zum Öffnen, wobei eine Kupplung zwischen diesen Antrieben vorgesehen ist;4 shows a schematic illustration of the switch device according to the invention with a drive for closing and a drive for opening, wherein a coupling is provided between these drives;
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Schalterteil der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung entsprechend dem Wirkprinzip nach Fig.Fig. 5 is a plan view of a switch part of the switch device according to the invention according to the operating principle of FIG.
1;1;
Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Schalterteil der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung nach dem Wirkprinzip entsprechend Fig. 2;6 shows a plan view of a switch part of the switch device according to the invention according to the operating principle according to FIG. 2;
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Schalterteil der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung mit einer Kupplung entsprechend dem Wirkprinzip nach Fig. 4;Figure 7 is a plan view of a switch part of the switch device according to the invention with a coupling according to the operating principle of FIG. 4.
Fig. 8 ein mit einem Deckel abgeschlossenes Schalterteil im Schnitt, in etwa entsprechend der strichpunktierten Schnittlinie in Fig. 7; undFig. 8 a closed with a lid Switch part in section, approximately corresponding to the dash-dotted section line in Fig. 7; and
Fig. 9 einen Schnitt durch eine Schaltervorrichtung, die der nach Fig. 8 entspricht, aber mittels der AIM-Techno- logie hergestellt ist.9 shows a section through a switch device, which corresponds to that according to FIG. 8, but is manufactured by means of the AIM technology.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Wirkmechanismus der erfindungsgemäßen mikromechanischen Schaltervorrichtung dargestellt, wie sie entsprechend der Darstellung nach Fig. 5 in der Volumentechnologie mit in lateraler Richtung aktuierten Strukturen reali- siert ist. Der Wirkmechanismus entsprechend Fig. 1 ist mit einer Hebelanordnung 1 versehen, die über mehrere Federgelenke 2 bewegbar ist, wobei in der Darstellung nach Fig. 1 ein Federgelenk 2 einen Anker 3 aufweist, der mit der vorhandenen Struktur, im vor- liegenden Fall mit einem Substrat, fest verbunden ist. Eine unterbrochene HF-SignalIeitung 4 ist schematisch angedeutet, wobei ein Schaltkontakt 5, der starr oder flexibel sein kann, die unterbrochene Leitung 4 überbrücken kann. Der Schaltkontakt 5 ist mit einem Ende der Hebelanordnung 1 verbunden. Das andereFIG. 1 shows an exemplary embodiment of the mechanism of action of the micromechanical switch device according to the invention, as implemented in the volume technology with structures activated in the lateral direction, as shown in FIG. The mechanism of action according to FIG. 1 is provided with a lever arrangement 1 which is movable over a plurality of spring joints 2, wherein in the illustration according to FIG. 1 a spring joint 2 has an armature 3, which with the existing structure, in the present case with a Substrate, firmly connected. A broken RF SignalIeitung 4 is indicated schematically, wherein a switching contact 5, which may be rigid or flexible, the broken line 4 can bridge. The switching contact 5 is connected to one end of the lever arrangement 1. The other
Ende der Hebelanordnung ist über das Federgelenk 2 mit einem elektrostatischen Antrieb 6 verbunden, der unidirektional wirkt. Wenn der elektrostatische Antrieb 6 aktiviert wird, wird auf die Hebelanordnung 1 über das Federgelenk 2 eine Kraft aufgebracht, die sich entsprechend dem Übersetzungsverhältnis der Hebelanordnung 1 auf den Schaltkontakt 5 überträgt, wodurch der Schaltkontakt bewegt und gegen die HF- Leitung gedrückt wird und der Schalter geschlossen wird. Wird der Antrieb deaktiviert, wird der Schalt- kontakt 5 durch die rücktreibende Kraft der Federge- lenke 2 geöffnet und verharrt im deaktivierten Zustand des Antriebs in der Offenstellung. Der elektrostatische Antrieb 6 wird, wie weiter unten beschrieben wird, durch eine Aktuierungsspannung U aktiviert.End of the lever assembly is connected via the spring joint 2 with an electrostatic drive 6, which acts unidirectionally. When the electrostatic drive 6 is activated, a force is applied to the lever assembly 1 via the spring joint 2, which transmits according to the gear ratio of the lever assembly 1 on the switching contact 5, whereby the switching contact is moved and pressed against the RF line and the switch is closed. If the drive is deactivated, the switching contact 5 is replaced by the restoring force of the suspension Steer 2 opened and remains in the deactivated state of the drive in the open position. The electrostatic drive 6 is, as will be described below, activated by an actuation voltage U.
Für ein zuverlässiges Schließen und Öffnen des Schalters und für einen geringen Kontaktwiderstand ist jeweils eine bestimmte Kraft erforderlich. Die Kraft beim Öffnen des Schaltkontakts wird ohne Kraft des elektrostatischen Antriebs 6 durch die rücktreibende Kraft der Federgelenke aufgebracht und wird durchFor a reliable closing and opening of the switch and for a low contact resistance in each case a certain force is required. The force when opening the switch contact is applied without the force of the electrostatic drive 6 by the restoring force of the spring joints and is by
^k_off = KXmax '3 )^ k_off = KXmax '3)
auf der Kontaktseite der Hebelanordnung 1 bzw.on the contact side of the lever assembly 1 and
ra_off ~ ^'ra_off ~ ^ '
auf der Seite des elektrostatischen Antriebs be- schrieben. Dabei sind a das Übersetzungsverhältnis der Hebelanordnung 1 bezüglich der Kraft und k die Steifigkeit der Federgelenke auf der Kontaktseite der Hebelanordnung 1 und xmax der maximal vom Schaltkontakt 5 zurückgelegte Weg. Da die benötigte Kraft zum Öffnen hauptsächlich von der Gestaltung des Schaltkontakts 5, dem Kontaktmaterial und den Betriebsbedingungen, wie HF-Leistung, Feuchtigkeit usw. abhängt, kann von einer bestimmten Kraft zum Öffnen des Kontakts ausgegangen werden, die ursächlich aus- schließlich von den Federgelenken 2, der Einfachheit halber wird nur von einem Federgelenk im Folgenden gesprochen, aufgebracht wird. Damit ist der Bewegungsweg des elektrostatischen Antriebs 6 axmax . Die vom elektrostatischen Antrieb 6 für den geschlossenen Schalterzustand aufzubringende Kraft auf der Kontakt- seite der Hebelanordnung 1 ergibt sich aus der Summe der rücktreibenden Kraft und der zum zuverlässigen Schließen benötigten Kontaktkraft Fk, die ebenso wie die Kraft zum Öffnen des Schaltens von der Gestaltung des Schaltkontakts 5, dem Kontaktmaterial und den o- ben genannten Betriebsbedingungen abhängt und durchon the page of the electrostatic drive. In this case, a is the transmission ratio of the lever assembly 1 with respect to the force and k the rigidity of the spring joints on the contact side of the lever assembly 1 and x max the maximum distance covered by the switching contact 5. Since the force required to open depends mainly on the design of the switching contact 5, the contact material and the operating conditions such as RF power, humidity, etc., it can be assumed that a certain force for opening the contact, the causally only from the spring joints 2, for the sake of simplicity, is spoken only by a spring joint in the following. Thus, the path of movement of the electrostatic drive 6 ax max . The applied by the electrostatic drive 6 for the closed switch state force on the contact Side of the lever assembly 1 results from the sum of the restoring force and the required for reliable closing contact force F k , which depends as well as the force to open the switching of the design of the switch contact 5, the contact material and the abovementioned operating conditions and by
Fk _ = kXmax + Fk ( 5 )F k _ = kX max + F k (5)
beschrieben wird. Die Kraft auf der Seite des elektrostatischen Antriebs 6 ist dannis described. The force on the side of the electrostatic drive 6 is then
Vv -4- F ^a on = a ( 6 >Vv -4- F ^ a on = a ( 6 >
Die vom elektrostatischen Antrieb 6 aufzubringende Kraft wird vom Übersetzungsverhältnis a geteilt und verringert. Unter der beispielhaften Annahme, dass die Beträge der Kontaktkraft zum Schließen und zum Öffnen des Schalters gleich sind, wird die vom elekt- rostatischen Antrieb 6 aufzubringende Kraft um denThe applied by the electrostatic drive 6 force is divided by the transmission ratio a and reduced. Under the exemplary assumption that the amounts of contact force for closing and opening the switch are the same, the force to be applied by the electrostatic drive 6 is about the
Faktor a vermindert. Die Kraft des elektrostatischen Antriebs 6 wird durch die Hebelanordnung 1 verstärkt, wobei der Bewegungsweg des elektrostatischen Antriebs 6 bezüglich des Stellweges des Schaltkontakts 5 ver- größert wird. Elektrostatische Kammantriebe mit Variation der Elektrodenüberdeckung eignen sich bei diesem Lösungsweg besonders, weil deren Kraft nicht von dem Bewegungsweg x abhängt. Bei langem Weg auf der Antriebsseite des Hebels und verhältnismäßig kleiner Kraft ist der Antrieb mit Variation der Elektrodenüberdeckung günstig einsetzbar. Bei Mechanismen, die am Bewegungsanfang eine geringe Kraft benötigen, die mit zunehmendem Bewegungsforschritt größer wird, ist die Variation des Elektrodenabstandes nützlich (pro- gressive Feder) . In Fig. 5 ist ein Schalterteil 14 entsprechend dem Wirkprinzip nach Fig. 1 in Draufsicht dargestellt, wobei die wesentlichen Teile, wie Antrieb, Hebelan- Ordnung, Federgelenke aus einem hochohmigen Silizium strukturiert sind und die metallischen leitenden Flächen sowie der Schaltkontakt abgeschieden sind. Das Schalterteil 14 bzw. der Chip weist einen umlaufenden Bondrahmen 12 auf, innerhalb dessen die genannten Bauelemente angeordnet sind. Das Schalterteil 14 wird, wie weiter unten beschrieben wird, mit einem Deckel verbunden, durch den die für die elektrische Verbindung der Hochfrequenzleitung und des Antriebs nach außen notwendigen Kontakte bzw. elektrische An- schlussflächen 11 zugänglich sind.Factor a diminished. The force of the electrostatic drive 6 is amplified by the lever arrangement 1, wherein the movement path of the electrostatic drive 6 is increased with respect to the travel of the switching contact 5. Electrostatic comb drive with variation of the electrode coverage are particularly suitable in this approach, because their force does not depend on the movement path x. With a long way on the drive side of the lever and a relatively small force of the drive with variation of the electrode coverage is low applicable. For mechanisms which require a small force at the beginning of the movement, which increases with increasing motion, the variation of the electrode spacing is useful (progressive spring). In Fig. 5, a switch part 14 according to the operating principle of FIG. 1 is shown in plan view, wherein the essential parts, such as drive, Hebelan- order, spring joints are made of a high-resistance silicon and the metallic conductive surfaces and the switching contact are deposited. The switch part 14 or the chip has a circumferential bonding frame 12, within which said components are arranged. The switch part 14 is, as will be described below, connected to a cover through which the necessary for the electrical connection of the high-frequency line and the drive to the outside contacts or electrical connection surfaces 11 are accessible.
Die HF-Leitung 4, die durch Metallabscheidung hergestellt wird, ist mit 4 bezeichnet und die dazu gehörige Masseleitung mit 13. HF-Leitung 4 und Masselei- tung 13 sind mit Anschlussflächen 11 versehen, wobei diese Flächen ebenfalls vom Bondrahmen umgeben sind, was durch gleiche Schraffur angedeutet ist. Der Bondrahmen 12 selbst ist mit einer elektrisch leitenden Metallisierung beschichtet, die, wie weiter unten er- läutert wird, bei der Verbindung mit dem Deckel als Haftvermittlerschicht dient.The RF line 4, which is produced by metal deposition, is denoted by 4, and the associated ground line with 13th RF line 4 and grounding line 13 are provided with pads 11, which surfaces are also surrounded by the bonding frame, which same hatching is indicated. The bonding frame 12 itself is coated with an electrically conductive metallization, which, as will be explained below, serves as a bonding agent layer in the connection with the cover.
Mit 6 ist ein Kammantrieb bezeichnet, der im Ausführungsbeispiel zwei Antriebsteile aufweist und der nach dem Prinzip der Variation der Elektrodenüberde- ckung ausgeführt ist. Dabei ist eine Vielzahl von mit dem Substrat 27 fest verbundenen Elektroden 28 und eine Vielzahl von ebenfalls kammartig angeordneten beweglichen Elektroden 29 vorgesehen, wobei festste- hende und bewegliche Elektroden 28 und 29 jeweils ineinander greifen. Die beweglichen Elektroden 29 sind mit der Hebelanordnung 1 verbunden, wobei die Hebelanordnung in diesem Ausführungsbeispiel zwei in Draufsicht im Ruhezustand parallel angeordnete Balkenteile 30 aufweist, die jeweils, wie in der Figur zu sehen ist, mit zwei Reihen von beweglichen Elektroden 29 verbunden sind. An dem Ende der Balkenteile 30 ist der Schaltkontakt 5 angeordnet, der aus einer oder, wie dargestellt, aus zwei oder auch mehreren Kontaktflächen bestehen kann. Die Balkenteile ver- zweigen sich entsprechend dem Antrieb 6 nach beiden6 denotes a comb drive, which in the exemplary embodiment has two drive parts and which is designed according to the principle of varying the electrode cover. In this case, a multiplicity of electrodes 28, which are fixedly connected to the substrate 27, and a multiplicity of movable electrodes 29 likewise arranged in the manner of a comb, are provided, wherein stationary and movable electrodes 28 and 29 intermesh with each other. The movable electrodes 29 are connected to the lever assembly 1, wherein the lever assembly in this embodiment comprises two parallel in plan view in the resting state parallel beam members 30, each of which, as can be seen in the figure, with two rows of movable electrodes 29 are connected. At the end of the beam parts 30 of the switching contact 5 is arranged, which may consist of one or, as shown, of two or more contact surfaces. The beam parts branch off according to the drive 6 after both
Seiten und sind über Federgelenke 2 mit Ankern 3 verbunden, die wiederum fest mit dem Substrat 27 verbunden sind. Die AktuierungsSpannung für den elektrostatischen Antrieb 6 wird über Anschlussflächen 11 zuge- führt, wobei in der Darstellung die obere Anschluss- fläche 11 mit den feststehenden Elektroden 28 und die in der Fig. 5 untere Anschlussfläche 11 über den Anker das Federgelenk 2 und die Balkenteile 30 mit den beweglichen Elektroden 29 elektrisch verbunden ist. Im Bereich zwischen Schaltkontakt und elektrischemPages and are connected by spring joints 2 with anchors 3, which in turn are firmly connected to the substrate 27. The actuation voltage for the electrostatic drive 6 is supplied via connection surfaces 11, the upper connection surface 11 with the fixed electrodes 28 and the lower connection surface 11 in FIG. 5, via the armature, the spring joint 2 and the beam parts 30 is electrically connected to the movable electrodes 29. In the area between switching contact and electrical
Antrieb 6, hier im vorderen Teil der Hebelanordnung 1 befindet sich ein Isolierbereich 20, der aufgrund der Herstellungstechnologie an mindestens einer Stelle den Bondrahmen 12 schneiden muss.Drive 6, here in the front part of the lever assembly 1 is an insulating region 20, which must cut the bonding frame 12 at least one place due to the manufacturing technology.
Über die Hebelanordnung 1, die mit Hilfe der Federgelenke 2 elastisch mittels Anker 3 am Substrat 27 des Schalterteils 14 befestigt ist, wird der Weg des e- lektrostatischen Antriebs 6 für den Schaltkontakt 5 untersetzt. Dabei wird eine Kraftübersetzung im Verhältnis der durch die Balkenteile 30 realisierten Hebelarme der Hebelanordnung 1 erreicht. Zum Schließen des Schaltkontakts 5 wird der Antrieb 6 über die Anschlussflächen 11 mit der Aktuatorspannung beauf- schlagt, wodurch die beweglichen Kontakte sich bewegen und sich die Hebelarme bzw. Balkenteile 30 ent- sprechend verbiegen. Durch diese Bewegung wird der Schaltkontakt 5 gegen die unterbrochene HF-Leitung 4 gepresst, wodurch die Verbindung hergestellt wird. Nach Abschalten der Aktuatorspannung öffnet die in den Federgelenken 2 gespeicherte Rückstellkraft den Schaltkontakt 5 wieder.About the lever assembly 1, which is fixed by means of the spring joints 2 elastically by means of armature 3 on the substrate 27 of the switch part 14, the way of e-electrostatic drive 6 is reduced for the switching contact 5. In this case, a force transmission in the ratio of realized by the beam parts 30 lever arms of the lever assembly 1 is achieved. For closing the switching contact 5, the drive 6 is acted upon by the actuator surfaces via the connection surfaces 11, whereby the movable contacts move and the lever arms or beam parts 30 are moved. bend talking. By this movement, the switching contact 5 is pressed against the broken RF line 4, whereby the connection is made. After switching off the actuator voltage stored in the spring joints 2 restoring force opens the switch contact 5 again.
Durch den Isolierbereich 20, der durch die Unterbrechung der Metallisierung auf der Hebelanordnung 1 ge- bildet wird, ist es möglich, das elektrische Potential vom elektrostatischen Antrieb 6 und dem Schaltkontakt 5 zu trennen. Wie schon ausgeführt, erfolgt im Bereich der Bondrahmen 12 eine Verbindung zwischen dem dargestellten Schalterteil 14 und dem nicht dar- gestellten Deckel, wobei die Kontaktflächen durch den Deckel hindurch von außen zugänglich bleiben, so dass eine elektrische Kontaktierung der HF-Signalleitung 4 der HF-Masseleitung 13 und der Elektroden des elektrostatischen Aktors erreicht werden kann.Due to the insulating region 20, which is formed by the interruption of the metallization on the lever arrangement 1, it is possible to separate the electrical potential from the electrostatic drive 6 and the switching contact 5. As already stated, a connection between the illustrated switch part 14 and the cover (not shown) takes place in the region of the bonding frame 12, the contact surfaces remaining accessible from the outside through the cover, so that an electrical contacting of the HF signal line 4 of the HF Ground line 13 and the electrodes of the electrostatic actuator can be achieved.
In Fig. 2 ist die Prinzipdarstellung einer Schalteranordnung, die sich zu der nach Fig. 2 durch einen zweiseitig wirkenden elektrostatischen Antrieb 6-1, 6-2 unterscheidet, d.h., dieser Antrieb ist so ausge- führt, dass er die Bewegung zum Schließen des Schaltelements 5 und auch die entgegengesetzte Bewegung zum Öffnen des Schaltelements 5 aufbringt und somit bidirektional wirkt. Da in diesem Fall der Schaltkontakt nicht durch die Kräfte des Federgelenks 2 sondern durch die vom elektrostatischen Antrieb 6 erzeugten Kräfte getrennt werden, kann das Federgelenk im Vergleich zu der Lösung nach Fig. 1 bzw. Fig. 5 mit sehr viel geringerer Steifigkeit k dimensioniert werden. Das Federgelenk 2 reduziert so die Kraft des elektro- statischen Antriebs um einen wesentlich kleineren Teil als das bei bekannten Lösungen, bei denen die Kraft zum Öffnen des Schaltkontakts durch eine Feder aufgebracht wird, der Fall ist. Das Federgelenk 2 ist zweckmäßigerweise so ausgeführt, dass im Zustand ohne elektrische Ansteuerung der Schalter in der ausge- schalteten Position verbleibt.FIG. 2 shows the basic illustration of a switch arrangement which differs from that according to FIG. 2 by a double-acting electrostatic drive 6 - 1, 6 - 2, ie this drive is designed such that it blocks the movement to close the Switching element 5 and also the opposite movement for opening the switching element 5 applies and thus acts bidirectionally. Since in this case the switching contact is not separated by the forces of the spring joint 2 but by the forces generated by the electrostatic drive 6, the spring joint can be dimensioned in comparison with the solution according to FIG. 1 or FIG. 5 with a much lower rigidity k , The spring joint 2 thus reduces the force of the electrostatic drive by a much smaller part than that in known solutions in which the Force is applied to open the switch contact by a spring, which is the case. The spring joint 2 is expediently designed so that the switch remains in the switched-off position in the state without electrical activation.
In Fig. 6 ist ein Schalterteil 14 mit dem Wirkungsprinzip der Fig. 2 dargestellt, wobei sich diese Ausführungsform zu der nach Fig. 5 in der Hebelanordnung 1 und, wie schon erwähnt, in der Art des elektrostatischen Antriebs 6 bzw. 6-1 und 6-2 unterscheidet. Da der Antrieb bidirektional wirken muss, ist bei der Ausführung als Kammantrieb die Einführung eines zweiten feststehenden Elektrodensystems nötig. In der Ausführung nach Fig. 6 sind somit eine Mehrzahl von ersten feststehenden Elektroden 31, eine Mehrzahl von zweiten feststehenden Elektroden 32 vorgesehen, die zusammen mit den beweglichen Elektroden 33 die Antriebe 6-1 zum Öffnen und 6-2 zum Schließen des Schaltkontaktes 5 bilden. Dabei ist zusätzlich zu erkennen, dass der gesamte Antrieb 6 aus zwei (grundsätzlich können es mehrere sein) gleichsinnig wirkenden Bereichen (Teilantreiben} besteht, die nebeneinander angeordnet sind und die den gleichen Aufbau ha- ben, d.h., beide Teilantriebe bestehen aus zwei feststehenden Elektrodensystemen und einem beweglichen Elektrodensystem, wobei jeweils die beweglichen kammartigen Elektroden 33 zwischen einer Elektrode 31 des ersten feststehenden Elektrodensystems und einer E- lektrode 32 des zweiten feststehenden Elektrodensystems liegen. Die Aufteilung in zwei oder mehrere Teilantriebe bringt den Vorteil mit sich, dass die Länge der Aufbiegung mechanisch belasteten Elektroden und deren Deformation wegen der elektrostatischen Kraft geringer werden. Die zwei feststehenden Elektrodensysteme werden jeweils mit einer Spannung beauf- schlagt, die über die in Fig. 6 rechts vorgesehenen Anschlussflächen und entsprechenden Leitungen zugeführt wird und vorzugsweise für beide den gleichen Wert aufweist, während die beweglichen Elektroden 33 üblicherweise auf Masse liegen. Für die Anordnung der zwei feststehenden Elektrodensysteme aus den Elektroden 32 und 31 muss eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Kreuzungspunkten 26 der elektrischen Anschlüsse vorgesehen werden, um so die bidirektionale Krafterzeugung zu organisieren.In Fig. 6, a switch part 14 is shown with the principle of action of Fig. 2, wherein this embodiment to that of FIG. 5 in the lever assembly 1 and, as already mentioned, in the type of electrostatic drive 6 or 6-1 and 6-2 is different. Since the drive must be bidirectional, the implementation of a second fixed electrode system is necessary in the design as a comb drive. In the embodiment of FIG. 6, a plurality of first fixed electrodes 31, a plurality of second fixed electrodes 32 are thus provided, which together with the movable electrodes 33 form the drives 6-1 for opening and 6-2 for closing the switching contact 5 , In addition, it can be seen that the entire drive 6 consists of two (in principle, it can be several) acting in the same direction areas (Teilantreiben}, which are arranged side by side and have ben ben the same structure, ie, both partial drives consist of two fixed electrode systems and a movable electrode system, wherein in each case the movable comb-like electrodes 33 are located between an electrode 31 of the first fixed electrode system and an electrode 32 of the second fixed electrode system.The division into two or more partial drives has the advantage that the length of the bend due to the electrostatic force, the electromagnetically stressed electrodes and their deformation become smaller due to the electrostatic force. strikes, which is supplied via the right in Fig. 6 provided pads and corresponding lines and preferably for both have the same value, while the movable electrodes 33 are usually grounded. For the arrangement of the two fixed electrode systems from the electrodes 32 and 31, a plurality of electrically insulating crossing points 26 of the electrical connections must be provided so as to organize the bidirectional force generation.
Die beweglichen Elektroden 33 sind einerseits über Federgelenke 2 fest mit dem Substrat 27 verbundenen Ankern 3 verbunden und andererseits wiederum über je- weils ein Federgelenk 2 mit einem relativ starren Balken 34, der auf das Ende eines lang gestreckten Hebels 35 wirkt. Dieser Hebel kann, wie aus der Fig. 6 zu erkennen ist, um 90° umgelenkt sein und weist an seinem Ende den Schaltkontakt 5 auf. Auch der Hebel ist an einem Federgelenk mit einem Anker verbunden.The movable electrodes 33 are connected on the one hand via spring joints 2 fixedly connected to the substrate 27 anchors 3 and on the other hand in each case via a spring joint 2 with a relatively rigid beam 34 which acts on the end of an elongated lever 35. This lever can, as can be seen from FIG. 6, be deflected by 90 ° and has the switching contact 5 at its end. Also, the lever is connected to a spring joint with an anchor.
Wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bewirkt die Ausführung der Hebelanordnung 1 im Zusammenspiel mit den Federgelenken 2 und den elektrischen Antrie- ben 6-1 und 6-2 die Bewegung des Schaltkontakts 5 in Richtung der HF-Signalleitung und von dieser weg mit Kraftübersetzung und Verminderung des Stellweges. Dabei werden die feststehenden ersten Elektroden 31 des Antriebs 6-2 mit einer Spannung beaufschlagt, wodurch die beweglichen Elektroden 33 den Hebelarm über den Balken 34 zum Schließen des Schaltkontakts 5 bewegen. Zum Öffnen des Schaltkontakts 5 wird auf die zweiten feststehenden Elektroden 32 des Antriebs 6-1 vorzugsweise die gleiche Spannung aufgebracht, wobei der An- trieb 6-2 nicht mehr aktiviert ist, wodurch sich die beweglichen Elektroden 33 mit dem Balken 34 und dem Hebel 35 in die entgegengesetzte Richtung zum Öffnen des Schaltkontakts 5 bewegen.As in the exemplary embodiment according to FIG. 5, the design of the lever arrangement 1 in interaction with the spring joints 2 and the electrical drives 6-1 and 6-2 effects the movement of the switching contact 5 in the direction of the RF signal line and away therefrom with power transmission and reduction of the travel. In this case, the fixed first electrodes 31 of the drive 6-2 are subjected to a voltage, whereby the movable electrodes 33 move the lever arm over the beam 34 for closing the switching contact 5. In order to open the switching contact 5, the same voltage is preferably applied to the second stationary electrodes 32 of the drive 6-1, whereby the drive 6-2 is no longer activated, as a result of which the movable electrodes 33 are connected to the beam 34 and the Move lever 35 in the opposite direction to open the switch contact 5.
Auch hier ist der Hebelarm 35 vor dem Schaltkontakt 5 mit einem Isolationsgebiet 20 versehen, das den Bond¬ rahmen 5 schneidet.Again, the lever arm 35 is provided in front of the switching contact 5 with an insulating region 20 which intersects the bonding ¬ frame 5.
In der Fig. 3 ist schematisch eine weitere Möglich¬ keit einer Vorrichtung zur Kraftverstärkung bzw. -Übertragung vorgesehen, wobei im Kraftfluss zwischen dem Schaltkontakt 5 und dem Antrieb 6 ein elastisches Element mit progressiver Wirkung 7 eingesetzt ist. Zusätzlich ist ein weiteres elastisches Element mit progressiver Wirkung 7 dem Antrieb 6 nachgeschaltet und über Federgelenke 2 verankert. Die zwei elasti¬ schen Elemente mit progressiver Wirkung 7 dienen zur Vergrößerung der Kraft beim Öffnen und Schließen des Schaltkontakts 5. Mit den elastischen Elementen 7 und den Federgelenken 2 wird erreicht, dass sich der e- lektrostatische Antrieb 6 mit seiner Masseträgheit am Anfang des Schließ- bzw. ÖffnungsVorgangs schneller bewegt als der Schaltkontakt. Mit zunehmender Dehnung des elastischen Elements mit progressiver Wirkung 7 wird die auf den Schaltkontakt 5 übertragene Kraft überproportional größer und durch die kinetische E- nergie der vergleichsweise schnelleren Bewegung des elektrostatischen Antriebs verstärkt. Diese Variante realisiert die Kraftverstärkung durch den kinetischen Effekt der bewegten Aktormasse und durch das elasti- sehe Element mit progressiver Wirkung, was die Kraft beim Ablösen verstärkt.In Fig. 3 a further possible ¬ ness of a device for power amplification or schematically - B transmission is provided, wherein in the power flow between the switching contact of the drive 6, an elastic member is inserted with progressive effect 7 and 5. In addition, another elastic element with progressive action 7 downstream of the drive 6 and anchored via spring joints 2. The two elasti ¬ rule elements progressive power 7 serve to increase the force in opening and closing of the switch contact 5. With the elastic members 7 and the spring joints 2 is achieved that the e- LECTROSTATIC drive 6, with its mass inertia at the beginning of the closing - or opening operation moves faster than the switching contact. With increasing elongation of the elastic element with progressive action 7, the force transmitted to the switching contact 5 is disproportionately larger and amplified by the kinetic energy of the comparatively faster movement of the electrostatic drive. This variant realizes the power amplification through the kinetic effect of the moving actuator mass and through the elastic element with progressive action, which enhances the force during detachment.
Ein weiteres prinzipielles Ausführungsführungsbei- spiel ist in der Fig. 4 dargestellt, wobei eine über Federn aufgehängte Kupplung zwischen einem ersten An¬ trieb 6 zum Öffnen und einem zweiten Antrieb 6 zum Schließen des Schaltkontakts angeordnet ist. Der in der Fig. 4 linke Antrieb dient zum Schließen des Kontaktelements und der in der Figur rechts dargestellte Antrieb dient zusammen mit der Kupplung 8 zum Öffnen des Schaltkontakts 5. Die Kupplung 8 verursacht aufgrund eines eingebauten Spiels, dass der Kraftfluss zwischen dem elektrostatischen rechten Antrieb 6 und dem Schaltkontakt erst zustande kommt, wenn der Antrieb 6 bereits eine gewisse Geschwindigkeit erreicht hat. Mit seiner Energie wird damit die Kraft zum Öffnen des Schalters auf den Schaltkontakt erzeugt .A further basic Ausführungsführungsbe- game is shown in FIG. 4, wherein a spring-suspended coupling between a first on ¬ drive 6 for opening and a second drive 6 for Closing the switch contact is arranged. The left drive in FIG. 4 serves to close the contact element and the drive shown in the figure on the right is used together with the clutch 8 to open the switching contact 5. The clutch 8 causes due to a built-in game that the power flow between the electrostatic right drive 6 and the switching contact only comes about when the drive 6 has already reached a certain speed. Its energy is used to generate the force required to open the switch on the switching contact.
Ein Vorteil der Ausführungsformen der Fign. 3 und 4 besteht darin, dass durch geeignete Dimensionierung des Federelements mit progressiver Wirkung 7 bzw. der Kupplung 8 bei Einsatz eines elektrostatischen Antriebs unter Variation des Elektrodenabstands der relativ geringen erzeugten elektrostatischen Kraft am Anfang des Bewegungsweges eine ebenfalls relativ ge- ringe Kraft des Federelements entgegenwirken kann.An advantage of the embodiments of FIGS. 3 and 4 is that by suitable dimensioning of the spring element with progressive action 7 or the clutch 8 counteract when using an electrostatic drive while varying the electrode spacing of the relatively low electrostatic force generated at the beginning of the movement path also a relatively small force of the spring element can.
Das führt dazu, dass die vom elektrostatischen Antrieb 6 erzeugte Kraft besser die Kraft des Federgelenks 2 überwinden kann, um die maximale Auslenkung zu erreichen.As a result, the force generated by the electrostatic drive 6 can better overcome the force of the spring joint 2 to achieve the maximum deflection.
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Schalterteils 14 dargestellt, das die Wirkungsweise entsprechend Fig. 4 mit einer Hebelanordnung realisiert und eine Kupplung 8 umfasst. Dabei entspricht die Hebelanordnung 1 in ihrer Ausführung der nach Fig. 6.In Fig. 7, an embodiment of a switch part 14 is shown, which implements the operation according to FIG. 4 with a lever arrangement and comprises a clutch 8. In this case, the lever arrangement 1 corresponds in its embodiment to that according to FIG. 6.
Der elektrostatische Antrieb 6 ist in zwei gegensinnig wirkende Bereiche 6-1 und 6-2 flächig aufgeteilt. Der rechte Antrieb 6-1 arbeitet nach dem Prinzip der Abstandsvariation der Elektroden und erzeugt dieThe electrostatic drive 6 is divided in two oppositely acting areas 6-1 and 6-2 area. The right drive 6-1 works on the principle of the distance variation of the electrodes and generates the
Kraft zum Schließen des Kontakts. Dabei sind die be- weglichen Elektroden 36, die wiederum über Federgelenke 2 an Ankern 3 aufgehängt sind, mit dem Ende des Hebels 35 der Hebelanordnung 1 über ein Federgelenk verbunden .Force to close the contact. Here, the movable electrodes 36, which in turn are suspended via spring joints 2 to anchors 3, connected to the end of the lever 35 of the lever assembly 1 via a spring joint.
wie oben im Zusammenhang mit Fig. 2 bzw. Fig. 6 erläutert wurde, ist die Steifigkeit der Federgelenke viel geringer, als dass sie die Kraft zum Öffnen des Schaltkontakts 5 aufbringen könnten. Deshalb wird ein Großteil der Kraft des elektrostatischen Antriebs 6-1 bei geschlossenem Schalter als Kontaktkraft wirksam. Der elektrostatische Antrieb 6-2 wird während des Schließens des Schalters bzw. des Schaltkontakts 5 nicht mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt.As explained above in connection with FIG. 2 or FIG. 6, the stiffness of the spring joints is much lower than that they could apply the force for opening the switching contact 5. Therefore, much of the power of the electrostatic drive 6-1 becomes effective as a contact force when the switch is closed. The electrostatic drive 6-2 is not acted on during the closing of the switch or the switching contact 5 with an electrical voltage.
Der elektrostatische Antrieb 6-2 arbeitet nach dem Prinzip der Variation der Elektrodenüberdeckung, wobei der Antrieb ähnlich dem nach Fig. 5 ausgebildet ist. Er weist eine Vielzahl von ineinander greifenden feststehenden und beweglichen kammartigen Elektroden 28, 29 auf, wobei die beweglichen Elektroden 29 mit der Kupplung 8 verbunden sind, die wiederum an dem Hebel 35 angelenkt ist. Zum Öffnen des Schalters wird der elektrostatische Antrieb 6-1 nicht mit einer Spannung beaufschlagt und der Antrieb 6-2 aktiviert. Dieser ist wie in den anderen Ausführungsbeispielen mittels Federgelenke 2 und Anker 3 elastisch am Substrat 27 des Schalterteils 14 verankert und bewegt sich in Richtung der Zunahme der elektrischen Kapazi- tat entgegengesetzt zur Wirkrichtung des elektrostatischen Antriebs 6-1. Die Kupplung 8 verursacht mittels eines eingebauten Spiels, dass der Kraftfluss zwischen dem elektrostatischen Antrieb 6-2 und dem Hebel 1 erst zustande kommt, wenn der Antrieb 6-2 bzw. seine beweglichen Elektrode 29 bereits eine gewisse Geschwindigkeit erreicht haben. Mittels der in der Masse des elektrostatischen Antriebs 6-2 gespeicherten kinetischen Energie wird ein Kraftstoß über den Hebel 1 auf das Kontaktelement 5 übertragen, der zum Trennen der Kontakte genügend groß ist . Ansonsten sind wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 entsprechende Anschlussflächen 11 für die Zuführung der Spannungen zu den Antrieben 6-2, 6-1. In gleicher Weise ist ein Isolationsgebiet 20 vorgesehen.The electrostatic drive 6-2 operates on the principle of the variation of the electrode cover, wherein the drive is similar to that of FIG. 5 is formed. It has a plurality of interlocking fixed and movable comb-like electrodes 28, 29, wherein the movable electrodes 29 are connected to the coupling 8, which in turn is articulated to the lever 35. To open the switch, the electrostatic drive 6-1 is not subjected to a voltage and the drive 6-2 is activated. As in the other exemplary embodiments, the latter is anchored elastically to the substrate 27 of the switch part 14 by means of spring joints 2 and armature 3 and moves in the direction of the increase in the electrical capacitance opposite to the effective direction of the electrostatic drive 6-1. The clutch 8 causes by means of a built-in game, that the power flow between the electrostatic drive 6-2 and the lever 1 only comes about when the drive 6-2 and its movable electrode 29 have already reached a certain speed. By means of in the mass of the electrostatic drive 6-2 stored kinetic energy is a power surge transmitted via the lever 1 to the contact element 5, which is sufficiently large to disconnect the contacts. Otherwise, as in the embodiment of FIG. 6 corresponding pads 11 for the supply of voltages to the drives 6-2, 6-1. In the same way, an isolation region 20 is provided.
Bei allen Ausführungsformen wird der Schaltkontakt 5 beim Berühren der Hochfrequenzsignalleitung 4 verformt und ermöglicht damit einen zuverlässigen Kontakt, dass eine Reibbewegung stattfinden kann.In all embodiments, the switching contact 5 is deformed when touching the high-frequency signal line 4 and thus enables reliable contact that a friction movement can take place.
In Fig. 8 ist ein Schnitt durch eine mikromechanische Schaltervorrichtung dargestellt, wobei hier vorerst nur auf den Deckel 9 Bezug genommen werden soll. Ein solcher Deckel wird bei den Ausführungsformen nach den Fign. 5 bis 7 verwendet und es wird ein hermeti- scher Verschluss sowie eine Kontaktierung des elektrostatischen Antriebs 6 und der Hochfrequenzsignalleitung 4 durch den durchkontaktierten Deckel 9 aus Glas oder hochohmigem Silizium oder einem anderen geeigneten Material unter Verwendung eines Fügeprozes- ses, wie beispielsweise eutektisches Bonden, anodisches Bonden oder Glas-Fritte-Bonden erreicht. Dies ermöglicht die angestrebte Verwendbarkeit für herkömmliche Leiterplattentechnik und eine kurze Schalt- zeit durch die Möglichkeit des Einschließens von Va- kuum in den inneren Hohlraum 25. Die elektrische Kontaktierung der HF-Signalleitung 4 und der Anschlüsse des elektrostatischen Antriebs 6 wird dadurch erzielt, dass Durchbrüche 10 in Deckel 9 einen Zugang zu den Anschlussflächen 11 freigeben.FIG. 8 shows a section through a micromechanical switch device, wherein only the cover 9 is to be referred to here for the time being. Such a lid is in the embodiments according to FIGS. 5 to 7 is used and a hermetic closure and a contacting of the electrostatic drive 6 and the high-frequency signal line 4 through the plated-through cover 9 made of glass or high-resistance silicon or other suitable material using a joining process, such as eutectic bonding, anodic bonding or glass-frit bonding achieved. This enables the desired usability for conventional printed circuit board technology and a short switching time due to the possibility of enclosing vacuum in the inner cavity 25. The electrical contacting of the RF signal line 4 and the connections of the electrostatic drive 6 is achieved by openings 10 in cover 9 an access to the pads 11 share.
Für die Herstellung des elektrischen Kontakts zwi - sehen den jeweiligen äußeren Anschlüssen des HF- Schalters und der HF-Signalleitung 4 bzw. den Elektroden des elektrostatischen Antriebs 6 werden zwei grundsätzliche Lösungen verfolgt. Bei der ersten wird der elektrische Kontakt beim Fügeprozess zwischen Deckel und Schalterteil hergestellt. Dabei wird entweder die gesarate Fügeschicht oder Teile davon als e- lektrischer Leiter benutzt. Im letzteren Fall müssen diese Teile nicht notwendigerweise zum Fügeprozess beitragen. Die so hergestellte elektrische Verbindung kann durch eine vor dem Fügeprozess oder nach dem Fügeprozess im Deckel hergestellte Durchkontaktierung nach außerhalb des Gesamtaufbaus geleitet werden. Bei der zweiten entsteht während des Fügens eine Ausspa- rung im Bereich der elektrischen Kontaktflächen, auf die durch eine vor oder nach dem Fügeprozess erzeugte Öffnung von außen zugegriffen werden kann.For the production of the electrical contact between see the respective external terminals of the RF switch and the RF signal line 4 and the electrodes of the electrostatic drive 6, two basic solutions are followed. In the first, the electrical contact during the joining process between the lid and switch part is made. Either the gesarate joining layer or parts thereof is used as e- lectric conductor. In the latter case, these parts do not necessarily contribute to the joining process. The electrical connection produced in this way can be conducted to the outside of the overall structure by means of a through-connection produced in the cover before the joining process or after the joining process. In the case of the second, a gap arises in the area of the electrical contact surfaces during the joining, which opening can be accessed from outside by means of an opening produced before or after the joining process.
Im Zusammenhang mit Fig. 8, die zumindest andeutungs- weise einen Schnitt entsprechend der strichpunktierten Linie der Fig. 7 darstellt, soll ein Beispiel für das Herstellungsverfahren erläutert werden. Das Schalterteil 14 besteht aus hochresistivem Silizium. Nach dem Erzeugen einer SiO2-Schicht 15 auf der Vor- der- und Rückseite des Substrats 27 des Schalterteils 14 werden mittels lithografischer Strukturierungen und einem Trockenätzprozess mit Seitenwandpassivie- rung und nachfolgendem Freiätzen Gräben 16 und bewegliche Strukturen 17 erzeugt, die im vorliegenden Fall beispielsweise den Hebel 35 umfassen. Eine anschließend hergestellte teilweise oder ganzflächige Aluminiumschicht 18 dient als Hochfrequenzsignalleitung und ermöglicht die Kontaktierung der hier allerdings nicht zu erkennenden Elektroden des elektrostatischen Antriebs sowie die Ausbildung dessen Elektroden. Mit Hilfe einer Schattenmaske bei der Beschichtung kann die Metallisierung auf der Hebelanordnung 1 im Isolierbereich 20 unterbrochen und damit eine Isolation der Hochfrequenzsignalleitung 4 vom elektrischen Potential des elektrostatischen Antriebs erreicht wer- den. Nachfolgend wird der Bereich des Schaltkontakts 5 und gegenüberliegende Bereiche der Hochfrequenzleitung 4 mit einer Schicht oder einem Schichtstapel aus Gold, Platin, Titan und Wolfram oder einem anderen geeigneten Material beschichtet.In connection with FIG. 8, which illustrates, at least suggestively, a section corresponding to the dot-dash line of FIG. 7, an example of the production method will be explained. The switch part 14 is made of highly resistive silicon. After generating an SiO 2 layer 15 on the front and back of the substrate 27 of the switch part 14 trenches 16 and movable structures 17 are generated by means of lithographic structuring and a dry etching process with Seitenwandpassivie- tion and subsequent free etching, which in the present case, for example include the lever 35. A subsequently produced partially or completely aluminum layer 18 serves as a high-frequency signal line and makes it possible to make contact with the electrodes of the electrostatic drive which are not to be recognized here, as well as the formation of the electrodes thereof. With the help of a shadow mask during the coating can the metallization is interrupted on the lever arrangement 1 in the insulating region 20 and thus an isolation of the high-frequency signal line 4 from the electrical potential of the electrostatic drive is achieved. Subsequently, the region of the switching contact 5 and opposite regions of the high-frequency line 4 is coated with a layer or a layer stack of gold, platinum, titanium and tungsten or another suitable material.
Der Verschluss und die Kontaktierung der Anschluss- flächen wird mit Hilfe des durchkontaktierten Deckels 9 aus Glas oder einem anderen Dielektrikum oder einem anderen im Bereich der Durchkontaktierungen die- lektrisch isoliertem Material durchgeführt. Der Deckel 9 enthält im Ausführungsbeispiel auf der Unterseite geätzte Vertiefungen 19, um die Beweglichkeit des elektrostatischen Antriebs 6, der Hebelanordnung 1, der Federgelenke 2 und gegebenenfalls des progres- siven Federelements 7 oder der Kupplung 8 zu gewährleisten. Nach dem Verbinden mit dem Schalterteil 14 wird der Deckel 9 vorzugsweise abgedünnt, z.B. auf 50 μm Dicke. Dies ermöglicht ein einfaches Ätzen der Durchbrüche 10. Nach dem Entfernen der Ätzmaske für die Durchbrüche 10 werden Leiterstrukturen und dieThe closure and the contacting of the connection surfaces is carried out with the aid of the plated-through cover 9 made of glass or another dielectric or another material which is dielectrically insulated in the region of the plated-through holes. The lid 9 includes in the embodiment on the bottom etched recesses 19 to the mobility of the electrostatic drive 6, the lever assembly 1, the spring joints 2 and optionally the progressive spring element 7 or the clutch 8 to ensure. After connection to the switch part 14, the lid 9 is preferably thinned, e.g. to 50 microns thickness. This allows a simple etching of the openings 10. After removing the etching mask for the openings 10 are conductor structures and the
Kontaktierung in den Durchbrüchen, z.B. mittels Sput- tern durch eine Schattenmaske erzeugt. Nachfolgend können die Kontaktpads 22 durch chemische Verdickung aufgebracht werden und später mit einem Lot-Bump für einen Flip-Chip-Montageprozess versehen werden.Contacting in the apertures, e.g. generated by means of sputtering through a shadow mask. Subsequently, the contact pads 22 may be applied by chemical thickening and later provided with a solder bump for a flip-chip mounting process.
In Fig. 9 ist ein schematischer Querschnitt des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters in einer alternativen Technologie, teilweise unter Verwendung des AIM-Verfahrens dargestellt. Hier besteht das Schalterteil 14 aus hochresistivem Silizium und der Deckel 9 aus einem Substrat, das zumindest teilweise aus polykristallinem, einkristallinem oder amorphem Silizium gebildet ist. Nach dem Erzeugen und Strukturieren einer SiO2-Schicht 15 wird die Aluminiumschicht 18 erzeugt und ebenfalls strukturiert. Danach werden die Gräben 16 und beweglichen Strukturen 17 ausgearbeitet. Anschließend erfolgt das Unterätzen der Aluminiumträger 23, so dass die beweglichen Strukturen lediglich durch diese Aluminiumträger mit den festste- hen Bereichen mechanisch verbunden sind. Die HF--FIG. 9 shows a schematic cross-section of the high-frequency switch according to the invention in an alternative technology, partly using the AIM method. Here, the switch part 14 made of highly resistive silicon and the lid 9 of a substrate which is at least partially formed of polycrystalline, monocrystalline or amorphous silicon. After the production and structuring of an SiO 2 layer 15, the aluminum layer 18 is produced and also structured. Thereafter, the trenches 16 and movable structures 17 are worked out. Subsequently, the undercutting of the aluminum support 23 takes place, so that the movable structures are mechanically connected only by these aluminum supports with the fixed areas. The HF--
Signalleitung 4 und die dazugehörige Masseleitung 13 sowie das Kontaktelement 5 können z.B. mittels Schattenmasken mit Gold metallisiert und anschließend kann der Bereich des Schaltkontakts 21 ebenfalls mittels Schattenmaske dick metallisiert werden.Signal line 4 and the associated ground line 13 and the contact element 5 may e.g. metallized by means of shadow masks with gold and then the area of the switch contact 21 can also be metallized thick shadow mask.
Wie schon im obigen Ausführungsbeispiel kann der Deckel in einem Nass- oder Trockenätzprozess Vertiefungen 19 erhalten, welche das Bewegen der Struktur er- möglichen. Danach wird die Unterseite mit einer strukturierten Goldmetallisierung 24 versehen. Die Durchbrüche 10 werden von der Oberseite bis zur Perforation geätzt.As in the above embodiment, the lid can in a wet or dry etching process recesses 19 obtained, which allow the movement of the structure. Thereafter, the underside is provided with a patterned gold metallization 24. The apertures 10 are etched from the top to the perforation.
Das Schalterteil 14 und der Deckel 9 werden nun in einem eutektischen Fügeprozess verbunden. Dabei wirken die SiO2-Schicht 15 und die Aluminiumschicht auf dem Schalterteil 14 als Barriere- bzw. Leitschicht. Dies dient der Verhinderung einer durchgehenden eu- tektischen Schicht und ist nötig, da die Kontaktie- rung der Hochfrequenzsignalleitung 4 mit den Anschlussflächen 11 bzw. der dazugehörigen Masseleitung 13 mit entsprechenden Anschlussflächen 11 wegen der schlechteren Leitfähigkeit des AuSi-Eutektikums nicht niederohmig genug sein würde. Die oben beschriebene Schalteranordnung kann in der mobilen Kommunikation zur Verbesserung der Flexibilität der Endgeräte eingesetzt werden. Die Verteilung der Übertragungskanäle auf mehrere, teilweise weit auseinander liegende Frequenzbänder erzwingt aufgrund begrenzter Filtersteilheiten und nicht beliebig breitbandig arbeitender Sender und Empfänger Kompromisse beim Entwurf von Antennen, Sender- und Empfängerschaltungen. Der Einsatz kleiner, hochwertiger mikromechanischer Hochfrequenzschalter nach der Erfindung wird in diesem Zusammenhang Verbesserungen hinsichtlich Einfügedämpfung, Isolation und vor allem hinsichtlich der Energieeffizienz bewirken. The switch part 14 and the lid 9 are now connected in a eutectic joining process. In this case, the SiO 2 layer 15 and the aluminum layer on the switch part 14 act as a barrier or conductive layer. This serves to prevent a continuous eutectic layer and is necessary because the contacting of the high-frequency signal line 4 with the connection surfaces 11 or the associated ground line 13 with corresponding connection surfaces 11 would not be sufficiently low due to the poor conductivity of the AuSi eutectic. The above-described switch arrangement can be used in mobile communication for improving the flexibility of the terminals. The distribution of the transmission channels to a plurality of frequency bands, some of which are far apart, enforces compromises in the design of antennas, transmitter and receiver circuits due to limited filter gradients and non-arbitrarily broadband transmitters and receivers. The use of small, high-quality micromechanical high-frequency switches according to the invention will bring about improvements in terms of insertion loss, isolation and above all in terms of energy efficiency in this context.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikromechanische Schaltervorrichtung zum Schalten einer auf einem Substrat vorgesehenen unter- brochenen HF-Signalleitung mit einem Schalterteil und einem das Schalterteil verschließenden Deckel, wobei das Schalterteil mindestens einen ohmschen Schaltkontakt zum Überbrücken und Trennen der HF-Signalleitung und einen mindestens eine feststehende und eine bewegliche Elektrode aufweisenden elektrostatischen Antrieb zum Betätigen des Schaltkontakts umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen elektrostatischem Antrieb (6) und Schaltkontakt (5) eine Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung und eine Anordnung (20) zur Hochfrequenzisolation geschaltet sind.A micromechanical switch device for switching an interrupted RF signal line provided on a substrate to a switch part and a cover closing the switch part, the switch part having at least one ohmic switch contact for bridging and disconnecting the RF signal line and at least one fixed and one movable switch Electrostatic having electrostatic drive for actuating the switch contact comprises, characterized in that between the electrostatic drive (6) and switching contact (5), a device for mechanical power amplification and an arrangement (20) for high-frequency isolation are connected.
2. Schaltervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur mechani- sehen Kraftverstärkung eine Hebelanordnung (1) mit einem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis aufweist, die über Federgelenke (2) aufgehängt ist.2. Switch device according to claim 1, characterized in that the device for mechanical power amplification see a lever assembly (1) having a predetermined transmission ratio, which is suspended by spring joints (2).
3. Schaltervorrichtung nach Anspruch 1 oder An- spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung mindestens ein elastisches Element mit progressiver Wirkung (7) aufweist.3. Switch device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the device for mechanical power amplification has at least one elastic element with progressive action (7).
4. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur mechanischen Kraftübertragung eine Kupplung aufweist. 4. Switch device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the device for mechanical transmission has a coupling.
5. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Hochfrequenzisolation einen Isolierbereich (20) aus elektrisch nicht leitfähigem, aus hochohmigem oder aus halbleitendem Material zur galvanischen Trennung der HF-Signalleitung (4) aufweist .5. Switching device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the arrangement for high-frequency insulation has an insulating region (20) made of electrically non-conductive, high-resistance or semi-conductive material for electrical isolation of the RF signal line (4).
6. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostatische Antrieb (6) als Kammantrieb mit einer Mehrzahl von kammartig ausgebildeten feststehenden Elektroden (28, 31, 32) und einer Mehrzahl von kammartig ausgebildeten beweglichen Elektro- den (29, 33) , die ineinander greifen, ausgebildet ist.6. Switching device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrostatic drive (6) as a comb drive with a plurality of comb-like fixed electrodes (28, 31, 32) and a plurality of comb-like movable electrodes (29 , 33) which mesh with each other is formed.
7. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostatische Antrieb eindirektional zum Schließen des Schaltkontakts ausgelegt ist und die Federgelenke (2) hinsichtlich ihrer rücktreibenden Kraft zum Öffnen des Schaltkontakts (5) ausgelegt sind.7. Switching device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the electrostatic drive is unidirectionally designed to close the switch contact and the spring joints (2) are designed in terms of their restoring force to open the switch contact (5).
8. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostatische Antrieb bidirektional mit mindestens zwei Elektrodensystemen (31, 33; 32, 33) ausgebildet ist, wobei ein Elektrodensystem zum Schließen und das andere Elektrodensystem zum Öffnen des Schaltkontaktes ausgelegt ist.8. Switching device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electrostatic drive is bidirectionally formed with at least two electrode systems (31, 33, 32, 33), wherein an electrode system is designed for closing and the other electrode system for opening the switching contact ,
9. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter elektrostatischer Antrieb (6-1, 6-2) vorgesehen sind, wobei der erste Antrieb (6-1) nach dem Prinzip der Variation des Elektrodenabstands arbeitet und zur Erzeugung der Kraft zum Schließen des Schaltkontakts (5) dient und der zweite Antrieb (6-2) nach dem Prinzip der Variation der Elektrodenüberdeckung arbeitet und zur Erzeugung der Kraft zum Öffnen des Schaltkontakts (5) dient.9. Switching device according to one of claims 1 to 6, characterized in that a first and a second electrostatic drive (6-1, 6-2) are provided, wherein the first drive (6-1) operates on the principle of the variation of the electrode spacing and for generating the force to close the switching contact (5) and the second drive (6-2) according to the principle of Variation of the electrode overlap works and is used to generate the force to open the switch contact (5).
10. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalterteil (14) mittels mikromechanischer Volumentechnologie hergestellt ist und der elektrostatische Antrieb (6) eine laterale Aktuierung aufweist .10. Switching device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the switch part (14) is made by means of micromechanical volume technology and the electrostatic drive (6) has a lateral actuation.
11. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (6) , die Hebelanordnung (1) , die Federgelenke (2) und gegebenenfalls das elastische Element (7) und die Kupplung (8) aus einem hochohmigen Siliziumsubstrat strukturiert sind.11. Switch device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the drive (6), the lever arrangement (1), the spring joints (2) and optionally the elastic element (7) and the coupling (8) of a high-resistance silicon substrate are structured.
12. Schaltervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Teile des Antriebs, der Hebelanordnung und der Federgelenke über Anker (3) mit dem Substrat (27) verbun- den sind.12. Switching device according to claim 11, characterized in that the moving parts of the drive, the lever arrangement and the spring joints are connected via anchors (3) to the substrate (27).
13. Schaltervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anker der Hebelanordnung über Metallisierungsschichten (23) mit feststehenden Bereichen verbunden sind.13. Switching device according to claim 11, characterized in that the armatures of the lever arrangement via metallization layers (23) are connected to fixed areas.
14. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (6), die Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung (1) mit Schaltkontakt (5) und die HF- Signalleitung (4) innerhalb eines Bondrahmens (12) des Schalterteils (14) strukturiert sind, der mit einem Deckel (9) hermetisch dicht verbunden ist .14. Switching device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the drive (6), the device for mechanical power amplification (1) with switching contact (5) and the HF Signal line (4) within a bonding frame (12) of the switch part (14) are structured, which is hermetically sealed to a lid (9).
15. Schaltervorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (9) Durchbrüche (10) für den Zugang zu elektrischen Anschluss- flächen (11) aufweist, wobei der Deckel (9) an den Anschlussflächen (11) hermetisch abgedichtet ist.15. Switching device according to claim 14, characterized in that the cover (9) has openings (10) for access to electrical connection surfaces (11), wherein the cover (9) is hermetically sealed to the connection surfaces (11).
16. Schaltervorrichtung nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Deckel (9) , Bondrahmen (12) und Substrat (27) abgeschlossene Hohlraum (25) unter Vakuum steht.16. Switching device according to claim 14 or claim 15, characterized in that the lid (9), the bonding frame (12) and the substrate (27) closed cavity (25) is under vacuum.
17. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeschlossene Hohlraum (25) mit einem inerten oder reduzierenden Gas gefüllt ist.17. Switching device according to one of claims 14 to 16, characterized in that the closed cavity (25) is filled with an inert or reducing gas.
18. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkontakt (5) flexibel ist. 18. Switching device according to one of claims 1 to 17, characterized in that the switching contact (5) is flexible.
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