[0001] Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches elektrostatisches Relais mit einem Basissubstrat,
das eine Basis-Elektrodenschicht und ein Basis-Kontaktstück trägt, und mit einem auf
dem Basissubstrat liegenden Ankersubstrat mit einer freigearbeiteten, einseitig angebundenen
Anker-Federzunge, welche eine Anker-Elektrodenschicht und in der Nähe ihres freien
Endes auf einem teilweise freigeschnittenen Kontaktfederabschnitt ein Aziker-Kontaktstück
trägt, wobei die Federzunge im Ruhezustand mit ihrer Anker-Elektrodenschicht einen
keilförmigen Luftspalt gegenüber der Basis-Elektrodenschicht bildet und im Arbeitszustand
aufgrund einer zwischen den beiden Elektroden anliegenden Steuerspannung sich an das
Basissubstrat anschmiegt, so daß die beiden Kontaktstücke unter elastischer Deformation
des Kontaktfederabschnittes aufeinanderliegen.
[0002] Ein derartiges mikromechanisches Relais ist bereits aus der DE 42 05 029 C1 bekannt.
Wie dort ausgeführt ist, läßt sich ein derartiger Relaisaufbau beispielsweise aus
einem kristallinen Halbleitersubstrat, vorzugsweise Silizium, herstellen, wobei die
als Anker dienende Federzunge durch entsprechende Dotierungs- und Ätzvorgänge aus
dem Halbleitersubstrat herausgearbeitet wird. Durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen
der Ankerelektrode der Federzunge und der ebenen Basiselektrode rollt die gekrümmte
Federzunge auf der Gegenelektrode ab und bildet damit einen sogenannten Wanderkeil.
Während dieses Abrollens wird die Federzunge gestreckt, bis das freie Federende mit
dem Ankerkontaktstück das Basiskontaktstück auf dem Basissubstrat berührt.
[0003] In der oben genannten Schrift ist auch in einem Ausführungsbeispiel eine Federzunge
gezeigt, bei der der das Ankerkontaktstück tragende Kontaktfederabschnitt durch Längsschlitze
parallel zu den Längsseiten der Federzunge teilweise freigeschnitten ist. Dadurch
erreicht man, daß sich die übrigen Abschnitte der Federzunge hinter und seitlich des
Kontaktfederabschnittes flach auf die Basiselektrode legen können, während der Kontaktfederabschnitt
selbst sich aufgrund der Höhe der Kontaktstücke leicht nach oben durchbiegt und auf
diese Weise eine gewünschte Kontaktkraft erzeugt.
[0004] Durch Variation der Länge und der Lage der Schlitze können die Federsteifigkeit des
Kontaktfederabschnittes sowie der Verlauf der Schaltcharakteristik beeinflußt werden.
Bei der durch zwei parallele Längsschlitze abgeteilten Kontaktzunge läßt sich allgemein
sagen, daß eine möglichst kurze und breite Kontaktfeder eine hohe Steifigkeit erhält
und damit auch eine gewünscht hohe Kontaktkraft erzeugen könnte. Allerdings ginge
dies auf Kosten der Elektrodenfläche; die Anzugsspannung würde sich erhohen und die
gewünschte Kippcharakteristik beim Schließen und Öffnen des Kontaktes würde sich verschlechtern.
Vereinfacht gesagt, bewirkt ein relativ harter Kontaktfederbereich, der über die Linie
zwischen den beiden Langsschlitzen verhältnismäßig steif an die Anker-Federzunge angekoppelt
ist, im Bereich der Ansprechspannung und der Abfallspannung jeweils ein unsicheres
Schaltverhalten, wobei die seitlich des Kontaktfederabschnittes befindlichen Teile
der Ankerelektrode sich zu spät an die Basiselektrode anlegen bzw. bei Verminderung
der Haltespannung sich vorzeitig abheben.
[0005] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, bei einem mikromechanischen Relais
der eingangs genannten Art den Kontaktfederabschnitt so zu gestalten, daß er möglichst
wenig Fläche von der Anker-Federzunge benötigt, zugleich aber durch seine Steifigkeit
eine möglichst hohe Kontaktkraft erzeugt und ein möglichst vollständiges Aufliegen
der restlichen Federzunge auf der Basiselektrode ermöglicht.
[0006] Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß der Kontaktfederabschnitt
allseitig von der Federzunge umschlossen und mit dieser axialsymmetrisch über Federstege
in Form eines Sonnenrades verbunden ist, dessen Speichen durch ringförmig mit gegenseitiger
Überlappung angeordnete Schlitze begrenzt sind, deren Winkelbereiche zusammen mehr
als 360° ergeben.
[0007] Durch die erfindungsgemäße koaxiale Anbindung des Kontaktfederabschnittes an die
eigentliche Federzunge in Form eines Sonnenrades kann dieser Kontaktfederabschnitt
mit einer sehr kleinen Fläche auskommen, die nur wenig größer ist als das eigentliche
Kontaktstück. Die Anbindung erfolgt nämlich über die Sonnenradspeichen in Form von
Torsionsstegen, die aufgrund der ringförmig übereinandergreifenden Begrenzungsschlitze
annähernd Kreisabschnitte sind, mit denen die gewünschte Beweglichkeit des Kontaktfederabschnittes
gegenüber der Federzunge einerseits und die erforderliche Federsteifigkeit zur Erzielung
der Kontaktkraft andererseits auf engstem Raum durch entsprechende Bemessung der Länge
und Breite dieser Speichen eingestellt werden können. Diese rotationssymmetrische
Anbindung über Torsionselemente erfordert also wesentlich weniger Platz als eine einseitige
Anbindung über eine lange zungenförmige Blattfeder.
[0008] In bevorzugter Ausgestaltung besitzen die Schlitze zur Abgrenzung der Sonnenradspeichen
die Form von konzentrisch ineinandergreifenden Spiralabschnitten, wobei durch die
Länge dieser Abschnitte und die dadurch bedingte Länge ihrer Überlappung auch die
Länge der zwischenliegenden Sonnenradspeichen festgelegt werden kann. Die radialen
Abstände der Schlitze bestimmen andererseits die Breite der Sonnenradspeichen. So
kann also auf einfache Weise die Steifigkeit der Federaufhängung für den Kontaktfederabschnitt
festgelegt werden. Um die erwähnte Torsion der Sonnenradspeichen zu ermöglichen, ist
in jedem Fall eine Überlappung der Schlitze erforderlich, was sich durch die erwähnte
Gesamtsumme ihrer Winkelbereiche von mehr als 360° ergibt. Das bedeutet für ein vierspeichiges
Sonnenrad jeweils Winkelbereiche der Schlitze von mehr als 90°; vorzugsweise besitzen
die Schlitze in diesem Fall einen Winkelbereich zwischen 135° und 270°, was allgemein
bei einer beliebigen Anzahl von Speichen bedeutet, daß die Winkelbereiche der Schlitze
zusammen das 1,5-fache bis zum 3-fachen eines Vollkreises ergeben. Denn natürlich
ist das hier verwendete Sonnenrad nicht auf eine Zahl von vier Speichen festzulegen.
Je nach den Erfordernissen können Sonnenräder mit zwei, drei oder auch mehr als vier
Speichen verwendet werden. Vielspeichige Sonnenräder führen allerdings zu sehr schmalen
Stegen, die ungünstig für die Leiterbahnen zum Schaltkontakt wären. Denn es braucht
hier nicht eigens ausgeführt zu werden, daß auch die Stromzufuhr zum Ankerkontaktstück
über diese Sonnenradspeichen erfolgen muß. Umgekehrt würden bei einem zweispeichigen
Sonnenrad an den Enden der Schlitze sehr hohe mechanische Spannungen auftreten.
[0009] Durch die nach Spiralfederart drehsymmetrisch in einer Richtung ineinandergreifenden
Schlitze bzw. Sonnenradspeichen wird beim Schaltvorgang, also bei der axialen Auslenkung
und Torsion der Speichen ein taumelndes Aufsetzen des Kontaktes bzw. des Kontaktfederabschnittes
und auch der als Antrieb dienenden Federzunge in den Bereichen seitlich des Kontaktfederabschnittes
bewirkt. Dies kann zu einem reibenden Kontaktschließvorgang führen, der hinsichtlich
der Kontaktgabe und des Kontaktwiderstandes vorteilhaft sein kann, andererseits jedoch
unter Umständen die Lebensdauer des Kontaktes verkürzt.
[0010] Um diesem zuletzt erwähnten Effekt entgegenzuwirken, kann es von Vorteil sein, den
Kontaktfederabschnitt durch Federstege in Form zweier konzentrisch angeordneter Sonnenräder
zu halten, wobei die Speichen der beiden Sonnenräder zueinander gegenläufige Spiralanordnungen
bilden. Anstelle von zwei voll ausgebildeten konzentrischen Sonnenrädern ist es aber
auch denkbar, die Speichen eines einzelnen Sonnenrades in sich zu krümmen, so daß
jede Speiche zwei gegenläufig spiralige Stegabschnitte aufweist, die zueinander entgegengesetzt
tordiert werden. Auf diese Weise entstehen zwei entgegengesetzte Drehvorgänge, die
sich in der Wirkung auf die Kontaktbewegung gegenseitig aufheben.
[0011] Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher
erläuert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung für den grundsätzlichen Aufbau eines mikromechanischen
Relais mit einer gekrümmten Anker-Federzunge im Schnitt,
Figur 2 eine Ansicht von unten auf eine Federzunge mit einem in bekannter Weise durch
Schlitze abgegrenzten Kontaktfederabschnitt,
Figur 3 eine erfindungsgemäß gestaltete Federzunge in Draufsicht mit spiralförmig
abgegrenztem Kontaktfederabschnitt,
Figur 4a und 4b zwei Diagramme zur Darstellung des Bewegungsablaufes einzelner Punkte
der Spiralfeder sowie des Verlauf der Kontaktkraft in Abhängigkeit von der Steuerspannung,
Figur 5 eine Federzunge in Draufsicht, bei der der Kontaktfederabschnitt durch zwei
konzentrisch gegenläufig angeordnete Sonnenradstrukturen abgegrenzt ist, und
Figur 6 eine Federzunge in Draufsicht mit einem Kontaktfederabschnitt, der über eine
Sonnenradstruktur mit in sich gegenläufig gekrümmten Speichen abgegrenzt ist.
[0012] Figur 1 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines mikromechanischen elektrostatischen
Relais, bei dem die Erfindung zur Anwendung kommt. Dabei ist an einem Ankersubstrat
1, Vorzugsweise einem Silizium-Wafer, eine Anker-Federzunge 2 innerhalb einer entsprechend
dotierten Silizium-Schicht durch selektive Ätzverfahren freigearbeitet. An der Unterseite
der Federzunge ist eine Doppelschicht 4 erzeugt, die in dem Beispiel aus einer Si0₂-Schicht,
welche Druckspannungen erzeugt, und einer Si₃N₄-Schicht, welche Zugspannungen erzeugt,
besteht. Durch entsprechende Wahl der Schichtdicken kann der Federzunge eine gewünschte
Krümmung verliehen werden. Schließlich trägt die Federzunge eine metallische Schicht
als Ankerelektrode 5 an ihrer Unterseite. Diese Ankerelektrode 5 ist beispielsweise
unterteilt, um in gleicher Ebene eine metallische Zuleitung zu einem Anker-Kontaktstück
7 zu ermöglichen.
[0013] Das Ankersubstrat 1 ist auf einem Basissubstrat 10 befestigt, welches im vorliegenden
Beispiel aus Pyrex-Glas besteht, das aber beispielsweise auch aus Silizium gebildet
sein könnte. Auf seiner ebenen Oberfläche trägt das Basissubstrat 10 eine Basiselektrode
11 und eine Isolierschicht 12, um die Basiselektrode 11 gegenüber der Ankerelektrode
5 zu isolieren. Ein Basis-Kontaktstück 13 ist in nicht weiter dargestellter Weise
mit einer Zuleitung versehen und natürlich gegenüber der Basiselektrode 11 isoliert
angeordnet. Zwischen der gekrümmten Federzunge 2 mit der Ankerelektrode 5 einerseits
und der Basiselektrode 11 andererseits ist ein keilförmiger Luftspalt 14 ausgebildet.
Bei Anliegen einer Spannung von einer Spannungsquelle 15 zwischen den beiden Elektroden
5 und 11 rollt die Federzunge auf der Basiselektrode 11 ab, wodurch sich die Federzunge
streckt und das Ankerkontaktstück 7 mit dem Basiskontaktstück 13 verbunden wird. Es
sei noch erwähnt, daß die Größenverhältnisse und Schichtdicken in Figur 1 lediglich
unter dem Gesichtspunkt der Anschaulichkeit dargestellt sind und nicht den tatsächlichen
Verhältnissen entsprechen.
[0014] Um beim flachen Aufliegen der Ankerelektrode 5 auf der Basiselektrode 11 für die
beiden Kontaktstücke eine geforderte Kontaktkraft zu erzeugen, ist das Kontaktstück
7 auf einem Kontaktfederabschnitt angeordnet, der gegenüber der eigentlichen Federzunge
2 teilweise freigeschnitten ist, so daß er sich elastisch durchbiegen und auf diese
Weise die Kontaktkraft erzeugen kann. In Figur 2 ist ein Beispiel für einen Kontaktfederabschnitt
9 gezeigt, wie er bereits vorgeschlagen wurde. Dieser Kontaktfederabschnitt 9 ist
durch Schlitze 8 parallel zu den Seitenkanten der Federzunge freigeschnitten, so daß
der Kontaktfederabschnitt selbst die Form einer Blattfederzunge besitzt. Durch die
einseitige Anbindung dieses Kontaktfederabschnittes 9 an der Federzunge 2 ergibt sich
das eingangs bereits geschilderte Problem, daß dieser Kontaktfederabschnitt verhältnismäßig
viel Fläche erfordert, die an der Federzunge 2 wiederum als Elektrodenfläche verlorengeht
und daß bei Wahl eines kurzen breiten Kontaktfederabschnittes 9 zur Erzielung einer
hohen Kontaktkraft durch die steife einseitige Ankopplung an die Federzunge im Bereich
des Endes der Schlitze 8 und an den Elektrodenlappen zu beiden Seiten des Kontaktfederabschnittes
das Schaltverhalten unter Umständen nicht stabil ist.
[0015] Figur 3 zeigt in Draufsicht die Gestaltung einer Federzunge 20, bei der das Kontaktstück
7 von einem rotationssymmetrischen und von allen Seiten durch die Federzunge 20 umschlossenen
Kontaktfederbereich 21 getragen wird. Dieser Kontaktfederbereich 21 ist über Federstege
22 in Form von Sonnenradspeichen getragen, die durch Schlitze 23 gebildet und voneinander
getrennt sind, wobei diese Schlitze 23 als Spiralabschnitte ringförmig mit gegenseitiger
Überlappung angeordnet sind. Im vorliegenden Beispiel besitzt das Sonnenrad vier Federstege
oder Speichen 22, wobei die zur Begrenzung dienenden Spiralschlitze 23 etwa einen
Winkelbereich von 200° überdecken. Dadurch ergibt sich eine ausreichende Überlappung,
um die Torsion der Federstege 22 bei Axialbewegung des Kontaktstücks 7 zu gewährleisten.
Je nach Länge und Abstand der Schlitze 23 können die Federstege weicher oder steifer
gemacht werden, um so die Kontaktkraft einzustellen. Die Federstege müssen jedenfalls
so weich gemacht werden, daß die Federzunge 20 im gesamten Bereich rings um den Kontaktfederabschnitt
21 flach auf der Basiselektrode 11 aufliegen kann.
[0016] Eine Untersuchung des Schaltverhaltens einer Feder gemäß Figur 3 wurde mit einer
Computersimulation durchgeführt, wobei ein Aufbau gemäß Figur 3 mit folgenden Kennwerten
gewählt wurde:
Gesamtlänge der Federzunge |
1750 µm |
Breite der Federzunge |
1000 µm |
Abstand des Kontaktstücks zur Einspannstelle der Federzunge |
1300 µm |
Länge der gekrümmten Zone der Federzunge |
400 µm |
Breite der Schlitze des Sonnenrades |
20 µm |
Winkelbereich der Schlitze |
200° |
[0017] Die Ergebnisse der Computersimulation sind in Figur 4a und 4b dargestellt. Figur
4a zeigt in Abhängigkeit von der Steuerspannung den Verlauf des Abstandes A verschiedener
Punkte der Federzunge 20 von der Basiselektrode 11 beim Schaltvorgang. Im einzelnen
zeigt die Kurve a7 den Verlauf des Abstandes für das Kontaktstück 7, die Kurve a24
den Bewegungsablauf für einen Punkt 24 neben dem Sonnenrad und die Kurve a25 die Bewegung
eines Punktes 25 an der Spitze der Federzunge 20. Das Diagramm von Figur 4a weist
eindeutige Kippzustände sowohl beim Schließen als auch beim Öffnen auf. Auch der Verlauf
der Kontaktkraft gemäß Figur 4b zeigt eindeutige Kippzustände. Die Ansprechspannung
liegt etwa bei 11 V, wobei sich die Punkte 24 und 25 schlagartig an die Basiselektrode
anliegen und das Kontaktstück 7 auf das Gegenkontaktstück 13 gedrückt wird. Der Abstand
des Kontaktstücks 7 zur Basiselektrode wird im angezogenen Zustand nicht zu Null,
sondern erreicht die Höhe des Basiskontaktstücks 13 von etwa 2,5 µm.
[0018] Die Steifigkeit der Anbindung des Kontaktfederabschnittes über die Sonnenradspeichen
muß so dimensioniert werden, daß bei der Ansprechspannung auch alle Punkte der Federzunge
20 gleichzeitig auf der Basiselektrode zur Anlage kommen. Wie das Diagramm von Figur
4b zeigt, erreicht man mit einer Federgestaltung gemäß Figur 3 eine Kontaktkraft von
etwa 1,8 mN; diese ist somit etwa sechsmal so groß wie die Kontaktkraft, die man mit
einem durch einfache Schlitze gemäß Figur 2 abgetrennten Kontaktfederabschnitt erreichen
kann.
[0019] Figur 5 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform einer Federzunge 30. Hierbei
ist ein Kontaktfederabschnitt 31 durch zwei konzentrische Sonnenradanordnungen aufgehängt,
nämlich eine innere Sonnenradstruktur mit jeweils drei Federspeichen 32 und entsprechend
drei Schlitzen 33 sowie eine äußere Sonnenradstruktur mit wiederum drei Federspeichen
34 und drei Schlitzen 35. Die beiden Sonnenradstrukturen besitzen eine Spiralanordnung
mit jeweils entgegengesetztem Drehsinn. Auf diese Weise kann die durch die einseitige
Torsion der Federstege bei der Feder gemäß Figur 3 bewirkte Taumelbewegung beim Schaltvorgang
behoben werden, da die beiden Sonnenradstrukturen entgegengesetzte, sich gegenseitig
aufhebende Drehbewegungen verursachen.
[0020] Wahrend bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 zwei ineinanderliegende Sonnenradstrukturen
durch einen konzentrischen durchgehenden Kreisring 36 (gestrichelt angedeutet) voneinander
getrennt sind, läßt sich die gleiche Wirkung auch durch eine Anordnung gemäß Figur
6 erzielen, wobei in einer einzigen Sonnenradstruktur die Federspeichen in sich einen
gekrümmten Verlauf besitzen, so daß Torsionsbewegungen in zwei entgegengesetzten Richtungen
erfolgen. Gemäß Figur 6 ist in einer Federzunge 40 ein Kontaktfederabschnitt 41 über
eine Sonnenradstruktur mit vier Federspeichen 42 und dazwischenliegenden Schlitzen
43 aufgehängt. Jede der Federspeichen besitzt einen ersten Speichenabschnitt 42a und
einen zweiten Speichenabschnitt 42b, die haarnadelförmig aneinanderschließen. Während
die Speichenabschnitte 42a nach Art einer rechts drehenden Spirale ineinanderlaufen,
sind die äußeren Speichenabschnitte 42b nach Art einer links drehenden Spirale angeordnet,
während die zwischenliegenden Schlitze 43 diese Struktur durch entsprechende Verzweigungen
erzielen. Auf diese Weise werden bei einer Axialbewegung des Kontaktstücks 7 die Speichenabschnitte
42a entgegengesetzt zu den Speichenabschnitten 42b tordiert, so daß eine Axialauslenkung
des Kontaktstücks 7 ohne wesentliche Drehbewegung erfolgt.
[0021] Durch die vergrößerten Radien an den Einspannstellen werden die mechanischen Spannungen
an den Schlitzenden reduziert. Die Anordnung nach Figur 6 ermöglicht eine optimale
Länge der Torsionsbereiche bei reduziertem Platzbedarf.
1. Mikromechanisches elektrostatisches Relais mit einem Basissubstrat (10), das eine
Basis-Elektrodenschicht (11) und ein Basis-Kontaktstuck (13) trägt, und mit einem
auf dem Basissubstrat liegenden Ankersubstrat (1) mit einer freigearbeiteten, einseitig
angebundenen Anker-Federzunge (2; 20; 30; 40), welche eine Anker-Elektrodenschicht
(5) und in der Nähe ihres freien Endes auf einem teilweise freigeschnittenen Kontaktfederabschnitt
(21; 31; 41) ein Anker-Kontaktstück (7) trägt,
wobei die Federzunge (2; 20; 30; 40) im Ruhezustand mit ihrer Anker-Elektrodenschicht
(5) einen keilförmigen Luftspalt (14) gegenüber der Basis-Elektrodenschicht (11) bildet
und im Arbeitszustand aufgrund einer zwischen den beiden Elektroden anliegenden Steuerspannung
sich an das Basissubstrat (10) anschmiegt, so daß die beiden Kontaktstücke (7, 13)
unter elastischer Deformation des Kontaktfederabschnittes (21; 31; 41) aufeinanderliegen,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktfederabschnitt (21; 31; 41) allseitig von der Federzunge (20; 30;
40) umschlossen und mit dieser axialsymmetrisch über Federstege (22; 32, 34; 42) in
Form eines Sonnenrades verbunden ist, dessen Speichen durch ringförmig mit gegenseitiger
Überlappung angeordnete Schlitze (23; 33, 35; 43) begrenzt sind, deren Winkelbereiche
zusammen mehr als 360° ergeben.
2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (23; 33, 35) die Form von konzentrisch ineinandergreifenden Spiralabschnitten
besitzen.
3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbereiche der Schlitze (23; 33, 35; 43) zusammen das 1,5- bis 3-fache
eines Vollkreises ergeben.
4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktfederabschnitt (21; 31; 41) durch Federstege (32, 34) in Form zweier
konzentrisch angeordneter Sonnenräder gehalten ist, deren Speichen zueinander gegenläufig
jeweils spiralförmig ineinandergreifen.
5. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federstege (42) als Speichen eines Sonnenrades jeweils zwei gegenläufige
Speichenabschnitte (42a, 42b) in Form von gegenläufigen Spiralenabschnitten besitzen.