WO2013064409A1 - Micromechanical switch - Google Patents

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WO2013064409A1
WO2013064409A1 PCT/EP2012/071094 EP2012071094W WO2013064409A1 WO 2013064409 A1 WO2013064409 A1 WO 2013064409A1 EP 2012071094 W EP2012071094 W EP 2012071094W WO 2013064409 A1 WO2013064409 A1 WO 2013064409A1
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WO
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contact
layer
contact elements
contact element
distance
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/071094
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German (de)
French (fr)
Inventor
Vadim Lebedev
Volker Cimalla
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft Zur Förderung Der Angew. Forschung E.V.
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Publication date
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00Contacts
    • H01H1/0094Switches making use of nanoelectromechanical systems [NEMS]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00Electrostrictive relays; Piezo-electric relays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00Electrostrictive relays; Piezo-electric relays
    • H01H2057/006Micromechanical piezoelectric relay

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical switch with a substrate, on which at least one first contact element and at least one second contact element is arranged, wherein at least one of the contact elements is movable, so that the contact elements can be brought from a contact position into a disconnected position, wherein the contact elements in the Contact position have a first distance from each other and in the disconnected position have a second distance from each other, wherein the second distance is greater than the first distance.
  • Transmission bandwidth can be used.
  • this known switch has the disadvantage that at high switching frequency with several thousand or even several million switching operations per second rapid wear of the contact elements occurs. This leads to a rapid deterioration of the electrical properties of the switch.
  • the object of the invention is therefore to provide a switch with which high-frequency signals with low losses and high switching frequencies can be reliably switched.
  • micromechanical switch according to claim 1.
  • a micromechanical switch According to the invention, a micromechanical switch
  • Manufacturing process of semiconductor technology can be manufactured. These manufacturing methods include, for example, the deposition of thin layers of a metal, an alloy, a semiconductor material or a
  • Insulator Insulator, the deposition and patterning of masks, either in the form of a photoresist or as a hard mask, the etching of predetermined areas, the introduction of dopants or other, not explicitly mentioned here.
  • a single or a plurality of micromechanical switches can be manufactured on a substrate.
  • further electronic or micromechanical components may be arranged on the substrate, such as resistors,
  • Capacitors, transistors or micromechanical sensors The substrate of the micromechanical according to the invention
  • Switch may include sapphire or silicon in some embodiments of the invention.
  • the substrate can include sapphire or silicon in some embodiments of the invention.
  • the substrate may contain dopants to a predeterminable lattice contant and / or a predetermined electrical conductivity
  • the substrate can be unavoidable
  • the substrate carries at least a first contact element and at least one second contact element. At least one of the contact elements is movable, either laterally, i. in the plane defined by the substrate surface, or transversely, i. starting from the substrate level upwards and / or downwards. By the movement of the at least one contact element, the relative position of the two contact elements to each other can be influenced so that the two contact elements of a contact position in one
  • the contact position is defined so that the electrical resistance between the two contact elements or the insertion losses of a high-frequency electrical signal a first,
  • Contact elements or the value for the insertion loss a second, larger value.
  • an electrical signal can be transmitted in the contact position of a contact element to the other contact element, wherein the signal transmission is lower in the disconnected position.
  • the signal transmission in the disconnected position may be zero or at least nearly zero.
  • the contact elements in the contact position are at a first distance from one another and in the disconnected position have a second distance from each other, wherein the second distance is greater than the first distance.
  • the contact elements do not touch directly in the contact position. By this distance or the avoidance of the direct contact, an abrasive wear of the contact elements is avoided, which has led to a decrease in the quality or an increase in the insertion losses in the known switches.
  • electrical signal transmission between the contact elements is possible despite the distance between the contact elements. This signal transmission is based on the field emission or the tunneling of electrons. These are due to the between the contact elements
  • the switch according to the invention may be incorporated in operation in a vacuum in some embodiments of the invention.
  • the pressure between 1 ⁇ 0 "2 mbar and 1 ⁇ 0 " may be 10 mbar.
  • the pressure may be between 1 ⁇ 0 "4 mbar and 1 ⁇ 0 "8 mbar.
  • At least one of the contact elements contains at least two successive ones
  • the piezoelectric Material can change its length when an electric field is applied.
  • Layers is deformed. This deformation leads to a change in the distance between the two contact elements, so that the contact elements can be brought by applying an electrical voltage from a contact position to a release position.
  • the piezoelectric material may be selected from AlN, zinc oxide or lead zirconate titanate.
  • these materials can be deposited by known thin-film methods, for example a sputtering technique, and patterned by dry or wet-chemical etching.
  • these ferroelectrics exhibit a sufficiently large piezoelectric effect to allow the required movement of the contact elements.
  • At least one of the contact elements contains at least two successive ones
  • At least a first layer contains diamond or A1N or at least one metal which is selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir and / or Pt.
  • a layer of diamond or AlN may additionally comprise dopants, for example boron,
  • Phosphorus or silicon to allow a given conductivity.
  • a layer of the abovementioned semiconductors, metals or alloys has a low electrical resistance so that an electrical signal can be conducted with low losses in the contact element.
  • these materials show a low work function, so that even at low electric field strengths between the two contact elements, a sufficient electrical current density is achieved to the Transmit signal reliably and with low losses.
  • the work function is defined as the difference between the electronic vacuum level and the Fermi energy of the solid of the first layer.
  • the first conductive layer of a diamond, A1N, a metal or an alloy may also serve to apply an electric field to the layer of piezoelectric material disposed above it, as well as to produce a useful signal through the contact element mechanical stress in the contact element, when this conductive layer undergoes a smaller change in length when an electric field is applied than the ferroelectric or piezoelectric layer disposed above.
  • the first distance of the two contact elements may be about 10 nm to about
  • the second distance of the two contact elements may be about 100 nm to about 10 ⁇ . Such a distance leads to a
  • At least one of the contact elements may include a piezoelectric bimorph or a piezoelectric unimorph. Accordingly, the contact element contains at least one or at least two piezoelectric layers, which at
  • Length change induce a mechanical stress to allow the desired deformation, which allows movement from the contact position to the release position.
  • At least one of the contact elements may further comprise at least one electrode of an electrically conductive material, which occupies at least one partial area of the contact element.
  • a contact element may also contain two or more electrodes, or the first conductive layer of a diamond, A1N, a
  • Metal or an alloy has a multilayer structure. As a result, the application of the electric field to the piezoelectric layer completely independent of
  • further layers may be incorporated between two conductive layers, for example insulating layers.
  • Insulation layer can be an oxide, a nitrite or a
  • Such an insulating layer can improve the signal quality of the useful signal by achieving electrical isolation between the layer carrying the useful signal and the electrical voltage causing the piezoelectric effect.
  • the first contact element may be movable in opposite directions to the second contact element. In this way, even with low mechanical stresses, which is a high operating strength of the contact elements and thus of the micromechanical
  • Switch allow to achieve a large change in the distance between the two contact elements.
  • the operating Safety and / or the fatigue strength of the switch is thus increased.
  • End face of at least one of the contact elements have a cross-section which is smaller than that
  • At least one of the contact elements may be a magnetic material
  • the contact element can be moved.
  • Such a magnetic actuation of the contact element can take place alternatively or cumulatively to the movement by means of at least one piezoelectric layer.
  • the substrate may carry at least one electrode with which the
  • Contact element can be exposed to an electric field. By capacitive coupling, the contact element can be moved. Such a capacitive control of the
  • Contact element can alternatively or cumulatively be made to move by means of at least one piezoelectric layer.
  • Figure 1 shows the cross section through a micromechanical
  • FIG. 2 shows the cross section through a micromechanical switch according to a second embodiment.
  • FIG. 3 shows a three-dimensional representation of the
  • Figure 4 illustrates the operation of the micromechanical
  • the micromechanical switch 1 is arranged on a substrate 100.
  • the substrate 100 may
  • micromechanical switch For example, silicon, sapphire or gallium arsenide.
  • a single micromechanical switch or a plurality of micromechanical switches can be arranged on the substrate 100.
  • the substrate 100 can carry further electronic and / or micromechanical components, for example transistors, resistors,
  • Capacitors or printed conductors so that on the substrate 100 further functions are realized. These may include, for example, amplifiers, couplers, logic modules or arithmetic units.
  • the substrate 100 may be provided at least in regions with a dopant to a specifiable value of the electrical conductivity in predeterminable areas
  • the surface 140 of the substrate 100 may comprise an electrically insulating layer, for example an oxide, a nitrite or an oxynitrite. This can be deposited on the substrate 100 in a manner known per se, for example by sputtering or annealing in a nitrogen or oxygen-containing atmosphere.
  • each contact element has at least a first layer 111, a second layer 112 and a third layer 113.
  • the first layer 111 serves as a conductive layer for the switching element to
  • the useful signal may in some embodiments of the invention be a high-frequency electrical signal, for example with a frequency between 500 MHz and
  • the first GHz 20 GHz, preferably between 1 GHz and 10 GHz.
  • Layer 111 may include or consist of a refractory metal or an alloy containing at least one refractory metal.
  • the first layer 111 may include diamond.
  • the diamond may further contain a dopant, for example, boron or phosphorus.
  • the first layer 111 may include A1N whose conductivity is modified by a dopant, for example, silicon.
  • the first layer 111 may be composed of a plurality of partial layers, for example a first partial layer 1110 and a second partial layer 1111.
  • the first partial layer 1110 may consist of one metal or an alloy and the second Partial layer 1111 made of a metal, an alloy or a semiconductor material such as diamond or AlN. Between both sublayers one can
  • Insulation layer may be arranged, for example, an oxide or a nitrite or an oxynitrite, so that the first sub-layer 1110 of the second sub-layer 1111 is electrically isolated. If the first layer 111 has two partial layers, a partial layer for the Signal transmission of the Nutzsignales be used and the second sub-layer for applying an electric field, which is approximately perpendicular to the plane of extension of
  • Substrate 100 acts.
  • the second layer 112 may be a piezoelectric or
  • the second sub-layer 112 may include A1N, zinc oxide or lead zirconate titanate.
  • the second layer 112 may cover the first layer 111 over the entire area or only a partial area.
  • the second layer 112 is adhesively attached to the first layer 111 so that, given a differential expansion of the first layer 111 and the second layer 112, a mechanical stress and, as a result, a deformation of the contact element 101 or 102 occurs.
  • a third layer 113 is an electrode
  • the third layer 113 may cover the second layer 112 over the entire area or only a partial area of the second layer 112 of the contact element 101 or 102.
  • the third layer 113 may also contain a metal, an alloy or a semiconductor material.
  • the first layer 111 or a partial layer 1111 or 1110 of the first layer 111 and the third layer 113 can be connected to the poles of a voltage source.
  • the first layer 111 and the third layer 113 thus form a plate capacitor in whose electric field the second layer 112 is located. Since the second layer 112 contains a piezoelectric material, this leads to a mechanical stress within the contact element 101 or 102, so that this deformed, as can be seen from Figure 5.
  • the cantilevered length L of the contact elements In order to allow downward movement of the second contact element 102, a recess 120 is formed in the substrate 100 under the micromechanical switch. This can be introduced into the substrate 100 by dry or wet chemical etching. In some embodiments of the invention, the cantilevered length L of the contact elements may be between about ⁇ and about t ⁇ .
  • FIG. 3 also shows connection contacts 131 and 132 which can be used as input and output contacts of the micromechanical switch.
  • Optional ground connections 133 may be provided on the substrate 100 so that the substrate can be brought to a predeterminable electrical potential.
  • FIG. 2 again shows the contact position of the micromechanical switch
  • the second embodiment is characterized in that the freely projecting length L of the first contact element 101 is greater than the freely projecting length of the second
  • the structure of the switch according to the invention can therefore be simplified. If the first contact element 101 is lifted off the surface of the substrate 100 exclusively upwards, the recess 120 in the substrate 100 can also be dispensed with in some embodiments of the invention.
  • the micromechanical switch is usually operated in a vacuum in order to control the flow of electric current over the first distance g not to hinder by collisions with gas molecules or even ignite a plasma between the contact elements, which could damage the contact elements.
  • the vacuum may be between 1 x 10 -4 and 1 x 10 -8 mbar.
  • one of the contact elements or both contact elements in other embodiments of the invention may also contain a piezoelectric bimorph.
  • the contact elements may be electrostatically moved by capacitive coupling to an electrode or an electrode or a pair of electrodes. In this case, a piezoelectric material can be omitted.

Abstract

The invention relates to a micromechanical switch (1) having a substrate (100) on which at least one first contact element (101) and at least one second contact (102) are arranged, wherein at least one of the contact elements (101, 102) can be moved, with the result that the contact elements (101, 102) can be moved from a contact position to a disconnected position, wherein the contact elements (101, 102) are at a first distance (g) from one another in the contact position and are at a second distance (G) from one another in the disconnected position, wherein the second distance (G) is greater than the first distance (g) and the first distance (g) is approximately 10 nm to approximately 200 nm.

Description

Mikromechanischer Schalter  Micromechanical switch
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Schalter mit einem Substrat, auf welchem zumindest ein erstes Kontaktelement und zumindest ein zweites Kontaktelement angeordnet ist, wobei zumindest eines der Kontaktelemente bewegbar ist, so dass die Kontaktelemente von einer Kontaktstellung in eine Trennstellung bringbar sind, wobei die Kontaktelemente in der Kontaktstellung einen ersten Abstand voneinander aufweisen und in der Trennstellung einen zweiten Abstand voneinander aufweisen, wobei der zweite Abstand größer ist als der erste Abstand. Mikromechanische Schalter der The invention relates to a micromechanical switch with a substrate, on which at least one first contact element and at least one second contact element is arranged, wherein at least one of the contact elements is movable, so that the contact elements can be brought from a contact position into a disconnected position, wherein the contact elements in the Contact position have a first distance from each other and in the disconnected position have a second distance from each other, wherein the second distance is greater than the first distance. Micromechanical switch of
eingangs genannten Art können anstelle von Feldeffekt- oder Bipolartransistoren als Schalter mit großer The aforementioned type can instead of field effect or bipolar transistors as a switch with large
Übertragungsbandbreite eingesetzt werden. Transmission bandwidth can be used.
Aus G. Piazza, J. Vac . Sei. Technol . A 27, 776 (2009) ist ein mikomechanischer Schalter der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem bekannten Schalter wird zumindest ein Kontaktelement piezoelektrisch bewegt, so dass Schaltzeiten von etwa 1 ]is realisiert werden können. Falls hochfrequente Signale über einen solchen Schalter geleitet werden, kann die Signaltrennung in der Trennstellung mehr als 25 dB betragen und in der Kontaktstellung können die Einkoppel- Verluste bei einer Signalfrequenz von 2 GHz kleiner als 0,5 dB sein. From G. Piazza, J. Vac. Be. Technol. A 27, 776 (2009) is known a micro-mechanical switch of the type mentioned. In this known switch, at least one contact element is moved piezoelectrically, so that switching times of about 1] can be realized. If high-frequency signals are routed via such a switch, the signal separation in the disconnected position can be more than 25 dB and in the contact position the coupling-in Losses at a signal frequency of 2 GHz be less than 0.5 dB.
Gleichwohl weist dieser bekannte Schalter den Nachteil auf, dass bei hoher Schaltfrequenz mit mehreren Tausend oder gar mehreren Millionen Schaltvorgängen pro Sekunde ein rascher Verschleiß der Kontaktelemente auftritt. Dies führt zu einer raschen Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des Schalters . Nevertheless, this known switch has the disadvantage that at high switching frequency with several thousand or even several million switching operations per second rapid wear of the contact elements occurs. This leads to a rapid deterioration of the electrical properties of the switch.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, einen Schalter bereitzustellen, mit welchem hochfrequente Signale mit geringen Verlusten und großen Schaltfrequenzen zuverlässig geschaltet werden können . Based on this prior art, the object of the invention is therefore to provide a switch with which high-frequency signals with low losses and high switching frequencies can be reliably switched.
Die Aufgabe wird durch einen mikromechanischen Schalter gemäß Anspruch 1 gelöst . The object is achieved by a micromechanical switch according to claim 1.
Erfindungsgemäß wird ein mikromechanischer Schalter According to the invention, a micromechanical switch
vorgeschlagen, welcher auf einem Substrat mit üblichen proposed, which on a substrate with conventional
Fertigungsverfahren der Halbleitertechnologie gefertigt werden kann. Diese Fertigungsverfahren umfassen beispielsweise das Abscheiden dünner Schichten aus einem Metall, einer Legierung, einem Halbleitermaterial oder einem Manufacturing process of semiconductor technology can be manufactured. These manufacturing methods include, for example, the deposition of thin layers of a metal, an alloy, a semiconductor material or a
Isolator, das Abscheiden und Strukturieren von Masken, entweder in Form eines Fotolackes oder als Hartmaske, das Ätzen vorbestimmter Flächenbereiche, das Einbringen von Dotierstoffen oder weitere, hier nicht explizit genannte Verfahren. Auf diese Weise kann ein einzelner oder eine Mehrzahl mikromechanischer Schalter auf einem Substrat gefertigt werden. Auf dem Substrat können darüber hinaus weitere elektronische oder mikromechanische Bauelemente angeordnet sein, wie beispielsweise Widerstände, Insulator, the deposition and patterning of masks, either in the form of a photoresist or as a hard mask, the etching of predetermined areas, the introduction of dopants or other, not explicitly mentioned here. In this way, a single or a plurality of micromechanical switches can be manufactured on a substrate. In addition, further electronic or micromechanical components may be arranged on the substrate, such as resistors,
Kapazitäten, Transistoren oder mikromechanische Sensoren. Das Substrat des erfindungsgemäßen mikromechanischen Capacitors, transistors or micromechanical sensors. The substrate of the micromechanical according to the invention
Schalters kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Saphir oder Silicium enthalten. Das Substrat kann Switch may include sapphire or silicon in some embodiments of the invention. The substrate can
einkristallin sein und eine vorgebbare Kristallrichtung aufweisen. Neben den Hauptbestandteilen kann das Substrat Dotierstoffe enthalten, um eine vorgebbare Gitterkontante und/oder eine vorgebbare elektrische Leitfähigkeit be monocrystalline and have a predeterminable crystal direction. In addition to the main constituents, the substrate may contain dopants to a predeterminable lattice contant and / or a predetermined electrical conductivity
einzustellen. Daneben kann das Substrat unvermeidbare adjust. In addition, the substrate can be unavoidable
Verunreinigungen enthalten. Contain impurities.
Das Substrat trägt zumindest ein erstes Kontaktelement und zumindest ein zweites Kontaktelement. Zumindest eines der Kontaktelemente ist bewegbar, entweder lateral, d.h. in der durch die Substratoberfläche definierten Ebene, oder transversal, d.h. ausgehend von der Substratebene nach oben und/oder nach unten. Durch die Bewegung des zumindest einen Kontaktelementes kann die relative Lage der beiden Kontakt- elemente zueinander so beeinflusst werden, dass die beiden Kontaktelemente von einer Kontaktstellung in eine The substrate carries at least a first contact element and at least one second contact element. At least one of the contact elements is movable, either laterally, i. in the plane defined by the substrate surface, or transversely, i. starting from the substrate level upwards and / or downwards. By the movement of the at least one contact element, the relative position of the two contact elements to each other can be influenced so that the two contact elements of a contact position in one
Trennstellung bringbar sind. Die Kontaktstellung ist dabei so definiert, dass der elektrische Widerstand zwischen beiden Kontaktelementen bzw. die Einfügeverluste eines hochfrequenten elektrischen Signales einen ersten, Separation position can be brought. The contact position is defined so that the electrical resistance between the two contact elements or the insertion losses of a high-frequency electrical signal a first,
geringeren Wert aufweisen. In der Trennstellung weist der Wert für den elektrischen Widerstand zwischen beiden have lower value. In the disconnected position, the value of the electrical resistance between the two
Kontaktelementen bzw. der Wert für die Einfügeverluste einen zweiten, größeren Wert auf. Somit kann ein elektrisches Signal in der Kontaktstellung von einem Kontaktelement auf das andere Kontaktelement übertragen werden, wobei die Signalübertragung in der Trennstellung geringer ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Signal - Übertragung in der Trennstellung null oder zumindest nahezu null sein. Contact elements or the value for the insertion loss a second, larger value. Thus, an electrical signal can be transmitted in the contact position of a contact element to the other contact element, wherein the signal transmission is lower in the disconnected position. In some embodiments of the invention, the signal transmission in the disconnected position may be zero or at least nearly zero.
Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass eine hinreichende Signalübertragung möglich ist, wenn die Kontaktelemente in der Kontaktstellung einen ersten Abstand voneinander aufweisen und in der Trennstellung einen zweiten Abstand voneinander aufweisen, wobei der zweite Abstand größer ist als der erste Abstand. Erfindungsgemäß wird somit According to the invention, it has now been recognized that adequate signal transmission is possible if the contact elements in the contact position are at a first distance from one another and in the disconnected position have a second distance from each other, wherein the second distance is greater than the first distance. Thus, according to the invention
vorgeschlagen, dass die Kontaktelemente sich auch in der Kontaktstellung nicht unmittelbar berühren. Durch diesen Abstand bzw. das Vermeiden der unmittelbaren Berührung wird ein abrasiver Verschleiß der Kontaktelemente vermieden, welcher bei den bekannten Schaltern zu einer Abnahme der Qualität bzw. einem Anstieg der Einfügeverluste geführt hat. Völlig überraschend ist trotz des Abstandes der Kontaktelemente zueinander eine elektrische Signalübertragung zwischen den Kontaktelementen möglich. Diese Signalübertragung beruht auf der Feldemission bzw. dem Tunneln von Elektronen. Diese werden aufgrund des zwischen den Kontaktelementen proposed that the contact elements do not touch directly in the contact position. By this distance or the avoidance of the direct contact, an abrasive wear of the contact elements is avoided, which has led to a decrease in the quality or an increase in the insertion losses in the known switches. Completely surprisingly, electrical signal transmission between the contact elements is possible despite the distance between the contact elements. This signal transmission is based on the field emission or the tunneling of electrons. These are due to the between the contact elements
herrschenden elektrischen Feldes durch Fowler-Nordheim- Tunneln aus einem Kontaktelement herausgelöst und vom zweiten, als Anode geschalteten Kontaktelement aufgenommen. Da die Stromdichte exponentiell vom Abstand der Kontaktelemente abhängt, kann bereits eine geringe Vergrößerung des zweiten Abstands gegenüber dem ersten Abstand zu einer signifikanten Signalabnahme bzw. zu einem vollständigen Verschwinden des elektrischen Signalflusses führen. Aufgrund des fehlenden mechanischen Kontaktes wird ein mechanischer Verschleiß der Kontaktelemente vermieden. prevailing electric field by Fowler Nordheim tunnels detached from a contact element and received by the second, connected as an anode contact element. Since the current density depends exponentially on the distance of the contact elements, even a small increase in the second distance from the first distance can lead to a significant signal decrease or to a complete disappearance of the electrical signal flow. Due to the lack of mechanical contact mechanical wear of the contact elements is avoided.
Um einen ungehinderten Stromfluss zwischen den Kontaktelementen zu ermöglichen, kann der erfindungsgemäße Schalter in einigen Ausführungsformen der Erfindung bei Betrieb in ein Vakuum eingebracht sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Druck zwischen 1Ί0"2 mbar und 1Ί0"10 mbar betragen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Druck zwischen 1Ί0"4 mbar und 1Ί0"8 mbar betragen. In order to allow an unimpeded flow of current between the contact elements, the switch according to the invention may be incorporated in operation in a vacuum in some embodiments of the invention. In some embodiments of the invention, the pressure between 1Ί0 "2 mbar and 1Ί0 " may be 10 mbar. In some embodiments of the invention, the pressure may be between 1Ί0 "4 mbar and 1Ί0 "8 mbar.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält zumindest eines der Kontaktelemente zumindest zwei aufeinander In some embodiments of the invention, at least one of the contact elements contains at least two successive ones
angeordnete Schichten, wobei zumindest eine Schicht ein piezoelektrisches Material enthält. Das piezoelektrische Material kann beim Anlegen eines elektrischen Feldes seine Länge ändern. Durch die festhaftende Verbindung beider arranged layers, wherein at least one layer contains a piezoelectric material. The piezoelectric Material can change its length when an electric field is applied. By the tight connection of both
Schichten kommt es zur Ausbildung einer mechanischen Layers it comes to the training of a mechanical one
Spannung in dem betreffenden Kontaktelement, so dass das Kontaktelement orthogonal zur Grenzfläche der beiden Stress in the respective contact element, so that the contact element orthogonal to the interface of the two
Schichten verformt wird. Diese Verformung führt zur Veränderung des Abstandes zwischen beiden Kontaktelementen, so dass die Kontaktelemente durch Anlegen einer elektrischen Spannung von einer Kontaktstellung in eine Trennstellung gebracht werden können. Layers is deformed. This deformation leads to a change in the distance between the two contact elements, so that the contact elements can be brought by applying an electrical voltage from a contact position to a release position.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das piezoelektrische Material ausgewählt sein aus A1N, Zinkoxid oder Bleizirkonattitanat . Diese Materialien lassen sich einerseits mit bekannten Dünnschichtverfahren, beispielsweise einer Sputtertechnik, abscheiden und durch trocken- oder nasschemisches Ätzen strukturieren. Andererseits zeigen diese Ferroelektrika einen hinreichend großen piezoelektrischen Effekt, um die erforderliche Bewegung der Kontaktelemente zu ermöglichen. In some embodiments of the invention, the piezoelectric material may be selected from AlN, zinc oxide or lead zirconate titanate. On the one hand, these materials can be deposited by known thin-film methods, for example a sputtering technique, and patterned by dry or wet-chemical etching. On the other hand, these ferroelectrics exhibit a sufficiently large piezoelectric effect to allow the required movement of the contact elements.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält zumindest eines der Kontaktelemente zumindest zwei aufeinander In some embodiments of the invention, at least one of the contact elements contains at least two successive ones
angeordnete Schichten, wobei zumindest eine erste Schicht Diamant oder A1N oder zumindest ein Metall enthält, welches ausgewählt ist aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir und/oder Pt . Eine Schicht aus Diamant oder A1N kann zusätzlich Dotierstoffe aufweisen, beispielsweise Bor, arranged layers, wherein at least a first layer contains diamond or A1N or at least one metal which is selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir and / or Pt. A layer of diamond or AlN may additionally comprise dopants, for example boron,
Phosphor oder Silicium, um eine vorgebbare Leitfähigkeit zu ermöglichen. Eine Schicht aus den vorgenannten Halbleitern, Metallen oder Legierungen weist einerseits einen geringen elektrischen Widerstand auf, so dass ein elektrisches Signal mit geringen Verlusten im Kontaktelement geführt werden kann. Andererseits zeigen diese Materialien eine geringe Austrittsarbeit, so dass auch bei geringen elektrischen Feldstärken zwischen beiden Kontaktelementen eine hinreichende elektrische Stromdichte erreicht wird, um das Signal zuverlässig und mit geringen Verlusten zu übertragen. Die Austrittsarbeit ist dabei definiert als Differenz zwischen dem elektronischen Vakuumniveau und der Fermi- energie des Festkörpers der ersten Schicht. Phosphorus or silicon to allow a given conductivity. On the one hand, a layer of the abovementioned semiconductors, metals or alloys has a low electrical resistance so that an electrical signal can be conducted with low losses in the contact element. On the other hand, these materials show a low work function, so that even at low electric field strengths between the two contact elements, a sufficient electrical current density is achieved to the Transmit signal reliably and with low losses. The work function is defined as the difference between the electronic vacuum level and the Fermi energy of the solid of the first layer.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die erste leitfähige Schicht aus einem Diamant, A1N, einem Metall oder einer Legierung neben dem Transport des Nutzsignales durch das Kontaktelement auch dazu dienen, ein elektrisches Feld an die darüber angeordnete Schicht aus einem piezoelektrischen Material anzulegen sowie zur Erzeugung einer mechanischen Spannung im Kontaktelement, wenn diese leitfähige Schicht eine geringere Längenänderung bei Anlegen eines elektrischen Feldes erfährt als die darüber angeordnete ferroelektrische bzw. piezoelektrische Schicht. In some embodiments of the invention, the first conductive layer of a diamond, A1N, a metal or an alloy may also serve to apply an electric field to the layer of piezoelectric material disposed above it, as well as to produce a useful signal through the contact element mechanical stress in the contact element, when this conductive layer undergoes a smaller change in length when an electric field is applied than the ferroelectric or piezoelectric layer disposed above.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste Abstand der beiden Kontaktelemente etwa 10 nm bis etwa In some embodiments of the invention, the first distance of the two contact elements may be about 10 nm to about
200 nm betragen. Ein solcher Abstand ist einerseits 200 nm. Such a distance is on the one hand
hinreichend gering, um die Ausbildung eines elektrischen Stromes durch Feldemission zwischen beiden Kontaktelementen zu ermöglichen. Andererseits ist dieser Abstand groß genug, um einen mechanischen Verschleiß der Kontaktelemente durch fortwährende Berührung zu vermeiden. sufficiently low to allow the formation of an electric current by field emission between the two contact elements. On the other hand, this distance is large enough to avoid mechanical wear of the contact elements by continuous contact.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der zweite Abstand der beiden Kontaktelemente etwa 100 nm bis etwa 10 μπι betragen. Ein solcher Abstand führt zu einer In some embodiments of the invention, the second distance of the two contact elements may be about 100 nm to about 10 μπι. Such a distance leads to a
hinreichenden Abschwächung oder zum Zusammenbruch des elektrischen Stromes durch Feldemission zwischen beiden Kontaktelementen, so dass lediglich eine kapazitive Kopplung beider Kontaktelemente verbleibt . sufficient attenuation or collapse of the electric current by field emission between two contact elements, so that only a capacitive coupling of the two contact elements remains.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eines der Kontaktelemente einen piezoelektrischen Bimorph oder einen piezoelektrischen Unimorph enthalten. Dementsprechend enthält das Kontaktelement zumindest eine oder zumindest zwei piezoelektrische Schichten, welche bei In some embodiments of the invention, at least one of the contact elements may include a piezoelectric bimorph or a piezoelectric unimorph. Accordingly, the contact element contains at least one or at least two piezoelectric layers, which at
Längenänderung eine mechanische Spannung induzieren, um die gewünschte Verformung zu ermöglichen, welche eine Bewegung von der Kontaktstellung in die Trennstellung ermöglicht. Length change induce a mechanical stress to allow the desired deformation, which allows movement from the contact position to the release position.
Um ein elektrisches Feld an die zumindest eine piezoelektrische Schicht anzulegen, kann zumindest eines der Kontaktelemente weiterhin zumindest eine Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material enthalten, welche zumindest eine Teilfläche des Kontaktelementes einnimmt. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein Kontaktelement auch zwei oder mehr Elektroden enthalten, bzw. die erste leitfähige Schicht aus einem Diamant, A1N, einem In order to apply an electric field to the at least one piezoelectric layer, at least one of the contact elements may further comprise at least one electrode of an electrically conductive material, which occupies at least one partial area of the contact element. In another embodiment of the invention, a contact element may also contain two or more electrodes, or the first conductive layer of a diamond, A1N, a
Metall oder einer Legierung weist einen mehrschichtigen Aufbau auf. Dadurch kann das Anlegen des elektrischen Feldes an die piezoelektrische Schicht völlig unabhängig vom Metal or an alloy has a multilayer structure. As a result, the application of the electric field to the piezoelectric layer completely independent of
Transport des elektrischen Nutzsignales entlang des Kontaktelementes ermöglicht wird. Transport of the electrical Nutzsignales along the contact element is made possible.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zwischen zwei leitfähigen Schichten weitere Schichten eingebracht sein, beispielsweise Isolationsschichten. Eine solche In some embodiments of the invention, further layers may be incorporated between two conductive layers, for example insulating layers. Such
Isolationsschicht kann ein Oxid, ein Nitrit oder ein Insulation layer can be an oxide, a nitrite or a
Oxinitrit enthalten. Eine solche Isolationsschicht kann die Signalqualität des Nutzsignales verbessern, indem eine galvanische Trennung zwischen der das Nutzsignal führenden Schicht und der den piezoelektrischen Effekt auslösenden elektrischen Spannung erzielt wird. Contain oxinitrite. Such an insulating layer can improve the signal quality of the useful signal by achieving electrical isolation between the layer carrying the useful signal and the electrical voltage causing the piezoelectric effect.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste Kontaktelement gegenläufig zum zweiten Kontaktelement bewegbar sein. Auf diese Weise kann bereits mit geringen mechanischen Spannungen, welche eine hohe Betriebsfestigkeit der Kontaktelemente und damit des mikromechanischen In some embodiments of the invention, the first contact element may be movable in opposite directions to the second contact element. In this way, even with low mechanical stresses, which is a high operating strength of the contact elements and thus of the micromechanical
Schalters ermöglichen, eine große Änderung des Abstandes beider Kontaktelemente erzielt werden. Die Betriebs- Sicherheit und/oder die Dauerfestigkeit des Schalters wird damit erhöht. Switch allow to achieve a large change in the distance between the two contact elements. The operating Safety and / or the fatigue strength of the switch is thus increased.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die In some embodiments of the invention, the
Stirnseite von zumindest einem der Kontaktelemente einen Querschnitt aufweisen, welcher geringer ist als der End face of at least one of the contact elements have a cross-section which is smaller than that
Querschnitt des angrenzenden Längsabschnittes. Auf diese Weise kann eine Feldüberhöhung im Zwischenraum zwischen beiden Kontaktelementen erzielt werden, welche eine erhöhte Stromdichte zwischen beiden Kontaktelementen bewirkt. Cross section of the adjacent longitudinal section. In this way, a field increase in the space between the two contact elements can be achieved, which causes an increased current density between the two contact elements.
Hierdurch können die Einfügeverluste zwischen beiden This allows the insertion loss between the two
Kontaktelementen verringert werden. Contact elements are reduced.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eines der Kontaktelemente ein magnetisches Material In some embodiments of the invention, at least one of the contact elements may be a magnetic material
enthalten oder daraus bestehen. Durch Kopplung des contain or consist of. By coupling the
magnetischen Momentes des Kontaktelementes an ein externes Magnetfeld kann das Kontaktelement bewegt werden. Eine solche magnetische Ansteuerung des Kontaktelementes kann alternativ oder kumulativ zur Bewegung mittels zumindest einer piezoelektrischen Schicht erfolgen. magnetic moment of the contact element to an external magnetic field, the contact element can be moved. Such a magnetic actuation of the contact element can take place alternatively or cumulatively to the movement by means of at least one piezoelectric layer.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat zumindest eine Elektrode tragen, mit welcher das In some embodiments of the invention, the substrate may carry at least one electrode with which the
Kontaktelement einem elektrischen Feld ausgesetzt werden kann. Durch kapazitive Kopplung kann das Kontaktelement bewegt werden. Eine solche kapazitive Ansteuerung des Contact element can be exposed to an electric field. By capacitive coupling, the contact element can be moved. Such a capacitive control of the
Kontaktelementes kann alternativ oder kumulativ zur Bewegung mittels zumindest einer piezoelektrischen Schicht erfolgen. Contact element can alternatively or cumulatively be made to move by means of at least one piezoelectric layer.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt: The invention will be explained in more detail below with reference to embodiments and figures without limiting the general concept of the invention. Showing:
Figur 1 den Querschnitt durch einen mikromechanischen Figure 1 shows the cross section through a micromechanical
Schalter gemäß einer ersten Ausführungsform . Figur 2 zeigt den Querschnitt durch einen mikromechanischer Schalter gemäß einer zweiten Ausführungsform . Switch according to a first embodiment. FIG. 2 shows the cross section through a micromechanical switch according to a second embodiment.
Figur 3 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des FIG. 3 shows a three-dimensional representation of the
mikromechanischen Schalters gemäß Figur 1.  micromechanical switch according to FIG. 1.
Figur 4 erläutert die Funktionsweise des mikromechanischen Figure 4 illustrates the operation of the micromechanical
Schalters gemäß der zweiten Ausführungsform .  Switch according to the second embodiment.
Figur 5 erläutert die Funktionsweise des mikromechanischen Figure 5 explains the operation of the micromechanical
Schalters gemäß der ersten Ausführungsform .  Switch according to the first embodiment.
Nachfolgend wird anhand der Figuren 1, 3 und 5 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalters erläutert. Der mikromechanische Schalter 1 ist auf einem Substrat 100 angeordnet. Das Substrat 100 kann Hereinafter, a first embodiment of the micromechanical switch according to the invention will be explained with reference to Figures 1, 3 and 5. The micromechanical switch 1 is arranged on a substrate 100. The substrate 100 may
beispielsweise Silicium, Saphir oder Galliumarsenid enthalten. Auf dem Substrat 100 kann ein einzelner mikromechanischer Schalter oder eine Mehrzahl mikromechanischer Schalter angeordnet sein. Daneben kann das Substrat 100 weitere elektronische und/oder mikromechanische Bauelemente tragen, beispielsweise Transistoren, Widerstände, For example, silicon, sapphire or gallium arsenide. A single micromechanical switch or a plurality of micromechanical switches can be arranged on the substrate 100. In addition, the substrate 100 can carry further electronic and / or micromechanical components, for example transistors, resistors,
Kondensatoren oder Leiterbahnen, so dass auf dem Substrat 100 weitere Funktionen verwirklicht sind. Diese können beispielsweise Verstärker, Koppler, Logikbausteine oder Rechenwerke umfassen. Capacitors or printed conductors, so that on the substrate 100 further functions are realized. These may include, for example, amplifiers, couplers, logic modules or arithmetic units.
Das Substrat 100 kann zumindest bereichsweise mit einem Dotierstoff versehen sein, um in vorgebbaren Bereichen einen vorgebbaren Wert der elektrischen Leitfähigkeit zu The substrate 100 may be provided at least in regions with a dopant to a specifiable value of the electrical conductivity in predeterminable areas
ermöglichen . enable .
Die Oberfläche 140 des Substrates 100 kann eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, beispielsweise ein Oxid, ein Nitrit oder ein Oxinitrit. Dieses kann in an sich bekannter Weise auf dem Substrat 100 abgeschieden werden, beispiels- weise durch Sputtern oder Tempern in einer Stickstoff- oder sauerstoffhaltigen Atmosphäre. The surface 140 of the substrate 100 may comprise an electrically insulating layer, for example an oxide, a nitrite or an oxynitrite. This can be deposited on the substrate 100 in a manner known per se, for example by sputtering or annealing in a nitrogen or oxygen-containing atmosphere.
Auf dem Substrat 100 sind ein erstes Kontaktelement 101 und ein zweites Kontaktelement 102 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist jedes Kontaktelement zumindest eine erste Schicht 111, eine zweite Schicht 112 und eine dritte Schicht 113 auf. Die erste Schicht 111 dient als leitfähige Schicht für das vom Schaltelement zu On the substrate 100, a first contact element 101 and a second contact element 102 are arranged. In the illustrated embodiment, each contact element has at least a first layer 111, a second layer 112 and a third layer 113. The first layer 111 serves as a conductive layer for the switching element to
transportierende bzw. zu unterbrechende elektrische transporting or to be interrupted electrical
Nutzsignal. Das Nutzsignal kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein hochfrequentes elektrisches Signal sein, beispielsweise mit einer Frequenz zwischen 500 MHz und Useful signal. The useful signal may in some embodiments of the invention be a high-frequency electrical signal, for example with a frequency between 500 MHz and
20 GHz, bevorzugt zwischen 1 GHz und 10 GHz. Die erste 20 GHz, preferably between 1 GHz and 10 GHz. The first
Schicht 111 kann ein Refraktärmetall oder eine Legierung, welche zumindest ein Refraktärmetall enthält, enthalten oder daraus bestehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die erste Schicht 111 Diamant enthalten. Der Diamant kann weiterhin einen Dotierstoff enthalten, beispielsweise Bor oder Phosphor. In wiederum einer anderen Ausführungsform kann die erste Schicht 111 A1N enthalten, dessen Leitfähigkeit durch einen Dotierstoff, beispielsweise Silicium, modifiziert ist. Layer 111 may include or consist of a refractory metal or an alloy containing at least one refractory metal. In other embodiments of the invention, the first layer 111 may include diamond. The diamond may further contain a dopant, for example, boron or phosphorus. In yet another embodiment, the first layer 111 may include A1N whose conductivity is modified by a dopant, for example, silicon.
Wie anhand von Figur 3 erkennbar ist, kann die erste Schicht 111 aus einer Mehrzahl von Teilschichten zusammengesetzt sein, beispielsweise einer ersten Teilschicht 1110 und einer zweiten Teilschicht 1111. In diesem Fall kann die erste Teilschicht 1110 aus einem Metall oder einer Legierung bestehen und die zweite Teilschicht 1111 aus einem Metall, einer Legierung oder einem Halbleitermaterial wie Diamant oder A1N. Zwischen beiden Teilschichten kann eine As can be seen from FIG. 3, the first layer 111 may be composed of a plurality of partial layers, for example a first partial layer 1110 and a second partial layer 1111. In this case, the first partial layer 1110 may consist of one metal or an alloy and the second Partial layer 1111 made of a metal, an alloy or a semiconductor material such as diamond or AlN. Between both sublayers one can
Isolationsschicht angeordnet sein, beispielsweise aus einem Oxid oder einem Nitrit oder einem Oxinitrit, so dass die erste Teilschicht 1110 von der zweiten Teilschicht 1111 galvanisch getrennt ist. Sofern die erste Schicht 111 zwei Teilschichten aufweist, kann eine Teilschicht zum Signaltransport des Nutzsignales verwendet werden und die zweite Teilschicht zum Anlegen eines elektrischen Feldes, welches in etwa senkrecht zur Erstreckungsebene des Insulation layer may be arranged, for example, an oxide or a nitrite or an oxynitrite, so that the first sub-layer 1110 of the second sub-layer 1111 is electrically isolated. If the first layer 111 has two partial layers, a partial layer for the Signal transmission of the Nutzsignales be used and the second sub-layer for applying an electric field, which is approximately perpendicular to the plane of extension of
Substrates 100 wirkt. Substrate 100 acts.
Die zweite Schicht 112 kann ein piezoelektrisches bzw. The second layer 112 may be a piezoelectric or
ferroelektrisches Material enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die zweite Teilschicht 112 A1N, Zinkoxid oder Bleizirkonattitanat enthalten. Die zweite Schicht 112 kann die erste Schicht 111 vollflächig bedecken oder lediglich eine Teilfläche. Die zweite Schicht 112 ist auf der ersten Schicht 111 festhaftend angebracht, so dass sich bei unterschiedlicher Ausdehnung der ersten Schicht 111 und der zweiten Schicht 112 eine mechanische Spannung und daraus resultierend eine Verformung des Kontaktelementes 101 bzw. 102 einstellt. containing ferroelectric material. In some embodiments of the invention, the second sub-layer 112 may include A1N, zinc oxide or lead zirconate titanate. The second layer 112 may cover the first layer 111 over the entire area or only a partial area. The second layer 112 is adhesively attached to the first layer 111 so that, given a differential expansion of the first layer 111 and the second layer 112, a mechanical stress and, as a result, a deformation of the contact element 101 or 102 occurs.
Um die zweite Schicht 112 einem elektrischen Feld auszusetzen, ist eine dritte Schicht 113 als Elektrode To expose the second layer 112 to an electric field, a third layer 113 is an electrode
vorgesehen. Die dritte Schicht 113 kann die zweite Schicht 112 vollflächig bedecken oder lediglich eine Teilfläche der zweiten Schicht 112 des Kontaktelementes 101 bzw. 102. Die dritte Schicht 113 kann ebenfalls ein Metall, eine Legierung oder ein Halbleitermaterial enthalten. Auf diese Weise kann die erste Schicht 111 bzw. eine Teilschicht 1111 bzw. 1110 der ersten Schicht 111 sowie die dritte Schicht 113 mit den Polen einer Spannungsquelle verbunden werden. Die erste Schicht 111 und die dritte Schicht 113 bilden auf diese Weise einen Plattenkondensator, in dessen elektrischem Feld sich die zweite Schicht 112 befindet. Da die zweite Schicht 112 ein piezoelektrisches Material enthält, führt dies zu einer mechanischen Spannung innerhalb des Kontaktelementes 101 bzw. 102, so dass dieses verformt, wie anhand der Figur 5 erkennbar ist. intended. The third layer 113 may cover the second layer 112 over the entire area or only a partial area of the second layer 112 of the contact element 101 or 102. The third layer 113 may also contain a metal, an alloy or a semiconductor material. In this way, the first layer 111 or a partial layer 1111 or 1110 of the first layer 111 and the third layer 113 can be connected to the poles of a voltage source. The first layer 111 and the third layer 113 thus form a plate capacitor in whose electric field the second layer 112 is located. Since the second layer 112 contains a piezoelectric material, this leads to a mechanical stress within the contact element 101 or 102, so that this deformed, as can be seen from Figure 5.
Durch entsprechende Polung der Steuerspannung am ersten Kontaktelement 101 und am zweiten Kontaktelement 102 können diese gegenläufig bewegt werden, so dass der erste Abstand g in den zweiten Abstand G zwischen den Stirnseiten 1013 und 1023 des ersten Kontaktelementes 101 und des zweiten By appropriate polarity of the control voltage on the first contact element 101 and the second contact element 102 can these are moved in opposite directions, so that the first distance g in the second distance G between the end faces 1013 and 1023 of the first contact element 101 and the second
Kontaktelementes 102 vergrößert wird. Auf diese Weise kann der mikromechanische Schalter von der in Figur 1 gezeigten Kontaktstellung in die in Figur 5 angedeutete Trennstellung überführt werden. Die Verformung bleibt dabei im Contact element 102 is increased. In this way, the micromechanical switch can be transferred from the contact position shown in Figure 1 in the direction indicated in Figure 5 separating position. The deformation remains in the
Wesentlichen auf die frei auskragende Länge L der Kontaktelemente beschränkt. Um eine Bewegung des zweiten Kontaktelementes 102 nach unten zu ermöglichen, ist im Substrat 100 unter dem mikromechanischen Schalter eine Aussparung 120 ausgebildet. Diese kann durch trocken- oder nasschemisches Ätzen in das Substrat 100 eingebracht werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die frei auskragende Länge L der Kontaktelemente zwischen etwa s μπι und etwa t μπι betragen . Essentially limited to the cantilevered length L of the contact elements. In order to allow downward movement of the second contact element 102, a recess 120 is formed in the substrate 100 under the micromechanical switch. This can be introduced into the substrate 100 by dry or wet chemical etching. In some embodiments of the invention, the cantilevered length L of the contact elements may be between about μπι and about t μπι.
Wie Figur 3 zeigt, ist die Stirnseite 1013 des ersten As FIG. 3 shows, the end face 1013 of the first is
Kontaktelementes 101 abgeschrägt, so dass der Querschnitt der Stirnseite 1013 geringer ist als der Querschnitt des angrenzenden Längsabschnittes 1011 des ersten Kontaktelementes 101. Dies führt in der Kontaktstellung der Kontaktelemente zu einer lokalen Erhöhung der elektrischen Beveled contact element 101, so that the cross section of the end face 1013 is less than the cross section of the adjacent longitudinal portion 1011 of the first contact element 101. This leads in the contact position of the contact elements to a local increase in electrical
Feldstärke und dadurch zur Feldemission von Elektronen aus der ersten Schicht 111, so dass ein Tunnelstrom über den ersten Abstand g zwischen den Kontaktelementen 101 und 102 ausgebildet wird. Bei Anlegen einer Steuerspannung an die erste und dritte Schicht 111 und 113 vergrößert sich dieser Abstand zum zweiten Abstand G, so dass der Tunnelstrom zwischen der Stirnseite 1013 des ersten Kontaktelementes 101 und der Stirnseite 1023 des zweiten Kontaktelementes 102 zumindest geringer wird oder zum Erliegen kommt. Dies wird im Sinne der vorliegenden Erfindung als Trennstellung des Schalters bezeichnet, da die SignalSpannung des an das erste Kontaktelement 101 angelegten Nutzsignals entweder nicht mehr am zweiten Kontaktelement 102 nachweisbar ist oder zumindest abgeschwächt wird. Figur 3 zeigt weiterhin Anschlusskontakte 131 und 132, welche als Eingangs- und Ausgangskontakt des mikromechanischen Schalters verwendet werden können. Auf dem Substrat 100 können optionale Masseanschlüsse 133 vorgesehen sein, so dass das Substrat auf ein vorgebbares elektrisches Potential gebracht werden kann. Field strength and thereby the field emission of electrons from the first layer 111, so that a tunneling current over the first distance g between the contact elements 101 and 102 is formed. Upon application of a control voltage to the first and third layers 111 and 113, this distance increases to the second distance G, so that the tunnel current between the end face 1013 of the first contact element 101 and the end face 1023 of the second contact element 102 is at least lower or comes to a standstill. For the purposes of the present invention, this is referred to as the disconnected position of the switch, since the signal voltage of the useful signal applied to the first contact element 101 is either no longer detectable on the second contact element 102 or at least attenuated. FIG. 3 also shows connection contacts 131 and 132 which can be used as input and output contacts of the micromechanical switch. Optional ground connections 133 may be provided on the substrate 100 so that the substrate can be brought to a predeterminable electrical potential.
Anhand der Figuren 2 und 4 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass nachfolgend nur die With reference to Figures 2 and 4, a second embodiment of the invention will be described. The same parts are provided with the same reference numerals, so that only the
wesentlichen Unterschiede der Ausführungsformen beschrieben werden. Dabei zeigt Figur 2 wiederum die Kontaktstellung des mikromechanischen Schalters, wohingegen in Figur 4 die significant differences of the embodiments will be described. FIG. 2 again shows the contact position of the micromechanical switch, whereas in FIG
Trennstellung dargestellt ist. Separation position is shown.
Die zweite Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die frei auskragende Länge L des ersten Kontaktelementes 101 größer ist als die frei auskragende Länge des zweiten The second embodiment is characterized in that the freely projecting length L of the first contact element 101 is greater than the freely projecting length of the second
Kontaktelementes 102. Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, ist nur das erste Kontaktelement 101 beweglich ausgeführt. Das zweite Kontaktelement 102 verharrt demgegenüber in seiner Ausgangslage. Somit beruht die Vergrößerung des ersten Contact element 102. As can be seen from FIG. 4, only the first contact element 101 is designed to be movable. The second contact element 102 remains in contrast in its initial position. Thus, the enlargement of the first is based
Abstandes g zum zweiten Abstand G allein auf der Bewegung des ersten Kontaktelementes 101. Da das zweite Kontaktelement 102 unbeweglich ist, muss dieses nicht in allen Distance g to the second distance G alone on the movement of the first contact element 101. Since the second contact element 102 is immovable, this does not have in all
Ausführungsformen der Erfindung ein piezoelektrisches Embodiments of the invention, a piezoelectric
Material enthalten und auch nicht mit einer Ansteuerspannung versorgt werden. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Schalters kann daher vereinfacht werden. Sofern das erste Kontaktelement 101 ausschließlich nach oben von der Oberfläche des Substrates 100 abgehoben wird, kann auch die Aussparung 120 im Substrat 100 in einigen Ausführungsformen der Erfindung entfallen . Contain material and are not supplied with a drive voltage. The structure of the switch according to the invention can therefore be simplified. If the first contact element 101 is lifted off the surface of the substrate 100 exclusively upwards, the recess 120 in the substrate 100 can also be dispensed with in some embodiments of the invention.
Beiden Ausführungsformen der Erfindung ist gemeinsam, dass der mikromechanische Schalter üblicherweise in einem Vakuum betrieben wird, um den elektrischen Stromfluss über den ersten Abstand g nicht durch Stöße mit Gasmolekülen zu behindern oder gar ein Plasma zwischen den Kontaktelementen zu zünden, welches die Kontaktelemente beschädigen könnte. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Vakuum zwischen 1 x 10"4 und 1 x 10"8 mbar betragen. Both embodiments of the invention have in common that the micromechanical switch is usually operated in a vacuum in order to control the flow of electric current over the first distance g not to hinder by collisions with gas molecules or even ignite a plasma between the contact elements, which could damage the contact elements. In some embodiments of the invention, the vacuum may be between 1 x 10 -4 and 1 x 10 -8 mbar.
In gleicher Weise, wie vorstehend für einen piezoelektrischen Unimorph beschrieben, kann eines der Kontaktelemente oder beide Kontaktelemente in anderen Ausführungs- formen der Erfindung auch einen piezoelektrischen Bimorph enthalten. In wiederum einer anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Kontaktelemente elektrostatisch durch kapazitive Kopplung an eine Elektrode oder eine Elektrode oder ein Elektrodenpaar bewegt werden. In diesem Fall kann ein piezoelektrisches Material auch entfallen. In the same way as described above for a piezoelectric unimorph, one of the contact elements or both contact elements in other embodiments of the invention may also contain a piezoelectric bimorph. In yet another embodiment of the invention, the contact elements may be electrostatically moved by capacitive coupling to an electrode or an electrode or a pair of electrodes. In this case, a piezoelectric material can be omitted.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Of course, the invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The above description is therefore not to be considered as limiting, but as illustrative. The following claims are to be understood as meaning that a named feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of further features.

Claims

Ansprüche claims
Mikromechanischer Schalter (1) mit einem Substrat Micromechanical switch (1) with a substrate
(100) , auf welchem zumindest ein erstes Kontaktelement (100), on which at least a first contact element
(101) und zumindest ein zweites Kontaktelement (102) angeordnet ist, wobei zumindest eines der Kontaktelemente (101, 102) bewegbar ist, so dass die Kontaktelemente (101, 102) von einer Kontaktstellung in eine Trennstellung bringbar sind, wobei die Kontaktelemente (101, 102) in der Kontaktstellung einen ersten Abstand (g) voneinander aufweisen und in der Trennstellung einen zweiten Abstand (G) voneinander aufweisen, wobei der zweite Abstand (G) größer ist als der erste Abstand (g) (101) and at least one second contact element (102) is arranged, wherein at least one of the contact elements (101, 102) is movable, so that the contact elements (101, 102) can be brought from a contact position into a disconnected position, wherein the contact elements (101 , 102) in the contact position have a first distance (g) from one another and in the disconnected position have a second distance (G) from one another, wherein the second distance (G) is greater than the first distance (g)
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der erste Abstand (g) etwa 10 nm bis etwa 200 nm beträgt. the first distance (g) is about 10 nm to about 200 nm.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kontaktstellung ein Tunnelstrom und/oder ein Switch according to claim 1, characterized in that in the contact position a tunnel current and / or a
Feldemissionsstrom zwischen dem ersten Kontaktelement (101) und dem zweiten Kontaktelement (102) ausbildbar ist. Field emission current between the first contact element (101) and the second contact element (102) can be formed.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kontaktelemente (101, 102) zumindest zwei aufeinander angeordnete Switch according to one of claims 1 or 2, characterized in that at least one of the contact elements (101, 102) at least two successive arranged
Schichten (111, 112) enthält, wobei zumindest eine zweite Schicht (112) ein piezoelektrisches Material enthält, welches insbesondere ausgewählt ist aus AIN und/oder ZnO und/oder PbZrxTii_x03. Layers (111, 112), wherein at least one second layer (112) contains a piezoelectric material, which is in particular selected from AIN and / or ZnO and / or PbZr x Tii_ x 0 3rd
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kontaktelemente (101, 102) zumindest zwei aufeinander angeordnete Switch according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the contact elements (101, 102) at least two successive arranged
Schichten (111, 112) enthält, wobei zumindest eine erste Schicht (111) Diamant oder AIN oder zumindest ein Metall enthält, welches ausgewählt ist aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir und/oder Pt . Layers (111, 112), wherein at least a first layer (111) contains diamond or AIN or at least one metal selected from Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os , Ir and / or Pt.
5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Diamant mit Bor oder Phosphor dotiert ist und/oder das A1N mit Silicium dotiert ist. 5. Switch according to claim 4, characterized in that the diamond is doped with boron or phosphorus and / or the AlN is doped with silicon.
6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch 6. Switch according to one of claims 1 to 5, characterized
gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kontaktelemente (101, 102) zumindest eine Isolationsschicht enthält.  characterized in that at least one of the contact elements (101, 102) contains at least one insulating layer.
7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch 7. Switch according to one of claims 1 to 6, characterized
gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kontaktelemente (101, 102) einen piezoelektrischen Bimorph oder einen piezoelektrischen Unimorph enthält.  in that at least one of the contact elements (101, 102) contains a piezoelectric bimorph or a piezoelectric unimorph.
8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch 8. Switch according to one of claims 1 to 7, characterized
gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kontaktelemente (101, 102) weiterhin zumindest eine Elektrode (113) aus einem elektrisch leitfähigem Material enthält, welche zumindest eine Teilfläche des Kontaktelementes einnimmt.  characterized in that at least one of the contact elements (101, 102) further comprises at least one electrode (113) made of an electrically conductive material, which occupies at least a partial surface of the contact element.
9. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch 9. Switch according to one of claims 1 to 8, characterized
gekennzeichnet, dass die erste Schicht (111) einen  characterized in that the first layer (111) has a
mehrschichtigen Aufbau aufweist, insbesondere einen zweischichtigen Aufbau, wobei zumindest eine Schicht  multi-layer structure, in particular a two-layer structure, wherein at least one layer
(1110) Diamant und/oder A1N enthält und zumindest eine Schicht ein Metall oder eine Legierung enthält.  (1110) contains diamond and / or A1N and at least one layer contains a metal or an alloy.
10. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch 10. Switch according to one of claims 1 to 9, characterized
gekennzeichnet, dass das erste Kontaktelement (101) gegenläufig zum zweiten Kontaktelement (102) bewegbar ist.  characterized in that the first contact element (101) is movable in opposite directions to the second contact element (102).
11. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch 11. Switch according to one of claims 1 to 10, characterized
gekennzeichnet, dass die Stirnseite (1013, 1023) von zumindest einem der Kontaktelemente (101, 102) einen  characterized in that the end face (1013, 1023) of at least one of the contact elements (101, 102) has a
Querschnitt aufweisen, welcher geringer ist als der  Have cross-section which is less than that
Querschnitt eines angrenzenden Längsabschnitt (1011, 1021) des Kontaktelementes (101, 102).  Cross-section of an adjacent longitudinal section (1011, 1021) of the contact element (101, 102).
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