Technisches Gebiet
[0001] Diese Erfindung bezieht sich auf ein Mikrorelais mit einem neuen mechanischen Aufbau.
Mit dem Begriff Mikrorelais bezeichnet man gewöhnlich mikroskopische elektrische Schalter,
bei denen ein bewegbares Kontaktstück relativ zu einem Gegenkontaktstück elektrostatisch,
elektromagnetisch, piezoelektrisch oder in anderer Weise bewegt wird, um einen elektrischen
Kontakt zu öffnen und zu schließen. Mikrorelais sind also gewissermaßen sehr kleine
Relais, wie sich schon aus dem Namen ergibt, und werden häufig, jedoch nicht notwendigerweise,
unter Zuhilfenahme von technologischen Verfahren hergestellt, die der Halbleitertechnologie
und/oder der Mikrostrukturtechnik entlehnt sind.
Stand der Technik
[0002] Mikrorelais mit elektrostatischen Antrieben sind an sich bekannt. Der elektrostatische
Antrieb wird durch einen Antriebskondensator bewirkt, der zwei beabstandete leitfähige
Flächen aufweist, von denen eine mit dem bewegbaren Kontaktstück fest verbunden ist.
Dadurch können die elektrostatischen Kräfte zwischen den Flächen zum mechanischen
Antrieb des bewegbaren Kontaktstücks genutzt werden. Das bewegbare Kontaktstück ist
dazu üblicherweise elastisch aufgehängt, so daß der elektrostatische Antrieb gegen
eine Rückstellkraft der elastischen Aufhängung wirkt.
[0003] Bei einigen bekannten Mikrorelais besteht das bewegbare Kontaktstück aus einer aus
einer Substratoberfläche schräg herausstehenden Lamelle, die gleichzeitig eine der
Antriebskondensatorflächen enthält, wobei die andere Antriebskondensatorfläche und
das Gegenkontaktstück in der Substratebene angeordnet sind. Die elektrostatische Anziehungskraft
zwischen den Antriebskondensatorflächen kann die Lamelle auf die Substratoberfläche
herunterziehen, woraufhin ein Kontakt an dem lamellenartigen bewegbaren Kontaktstück
das Gegenkontaktstück in der Substratoberfläche berührt.
Darstellung der Erfindung
[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine neuartige
mechanische Bauform für ein Mikrorelais zur Verfügung zu stellen.
[0005] Dementsprechend ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Mikrorelais mit einem bewegbaren
Kontaktstück, einem Antriebskondensator zum elektrostatischen Antrieb des bewegbaren
Kontaktstücks, welcher Antriebskondensator im wesentlichen parallel beabstandete,
leitfähige Flächen aufweist, von denen eine mit dem bewegbaren Kontaktstück fest verbunden
ist, einer elastischen Aufhängung des bewegbaren Kontaktstücks und einem Gegenkontaktstück,
wobei das Mikrorelais so ausgelegt ist, daß durch Ändern des Ladezustands des Antriebskondensators
das bewegbare Kontaktstück in einer Bewegungsrichtung in eine und aus einer Anlage
an das Gegenkontaktstück bewegt werden kann, um einen elektrischen Kontakt zwischen
dem bewegbaren Kontaktstück und dem Gegenkontaktstück zu öffnen und zu schließen,
bei dem die Bewegungsrichtung zu der Richtung des Abstandes zwischen den Antriebskondensatorflächen
fast senkrecht ist und die elastische Aufhängung bezüglich einer Bewegung des bewegbaren
Kontaktstücks in der Bewegungsrichtung eine Federkonstante aufweist, die wesentlich
kleiner ist als eine Federkonstante der elastischen Aufhängung bezüglich einer Bewegung
in der Richtung des Abstandes der Antriebskondensatorflächen.
[0006] Die Grundidee der Erfindung liegt also darin, von dem konventionellen Konzept abzurücken,
bei dem die Bewegungsrichtung des bewegbaren Kontaktstücks im wesentlichen gleich
gerichtet bzw. parallel zu der elektrostatischen Kraft ist. Erfindungsgemäß wird vielmehr
ein Aufbau gewählt, bei dem das bewegbare Kontaktstück elastisch so aufgehängt ist,
daß es eine im Bezug zu der Richtung der elektrostatischen Kraft, also zu der dem
direkten Abstand zwischen den Antriebskondensatorflächen entsprechenden Richtung,
querelastisch ist. Bei dieser Querelastizität muß jedoch eine geringe Komponente in
Kraftrichtung vorhanden sein, so daß die Antriebskondensatorflächen aneinander angenähert
oder voneinander entfernt werden. Wesentlich ist jedoch, daß der bei weitem überwiegende
Teil der Bewegung des bewegbaren Kontaktstücks senkrecht zu der elektrostatischen
Kraft, also dem Kondensatorzwischenabstand, liegt. Quantitativ kann das bedeuten,
daß die Querkomponente bei den Bewegungen insgesamt vorzugsweise zumindest das 5-fache,
besser das 7,5-fache, noch besser das 12-fache und im günstigsten Fall sogar mehr
als das 20-fache der kraftparallelen Komponente beträgt. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die elastische Aufhängung in der gewünschten Bewegungsrichtung
eine sehr viel kleinere Federkonstante aufweist als in der (konventionellen) Richtung
des Abstandes zwischen den Antriebskondensatorflächen.
[0007] Die Vorteile dieses Aufbaus können verschiedenartig sein: Zum einen kann es bei manchen
Anwendungsfällen zu günstigeren geometrischen Lösungen führen, die Antriebskondensatorflächen
im wesentlichen parallel zu der Bewegungsrichtung des bewegbaren Kontaktstücks anordnen
zu können. Die Erfindung stellt also einen neuen Freiheitsgrad für den Entwurf von
Mikrorelais zur Verfügung.
[0008] Ein wesentlicher, jedoch erfindungsgemäß nicht notwendigerweise im Vordergrund stehender
Vorteil besteht darin, daß durch die relativ kleine Komponente der Bewegungen des
bewegbaren Kontaktstücks in der Richtung des Abstands der Antriebskondensatorflächen
mit dem erfindungsgemäßen Mikrorelais relativ große quantitative Verhältnisse zwischen
der möglichen Bewegungsstrecke des bewegbaren Kontaktstücks einerseits und dem maximal
auftretenden Zwischenabstand zwischen den Antriebskondensatorflächen andererseits
erzielt werden können. Nach einem bevorzugten Gesichtspunkt der Erfindung sollen diese
quantitativen Verhältnisse möglichst groß sein, vorzugsweise über 10, besser über
20 und am besten über 40. Dies hat nämlich zur Folge, daß einerseits mit relativ kleinen
Versorgungsspannungen ausreichend große elektrostatische Kräfte zwischen den Antriebskondensatorflächen
erzeugt werden können, andererseits die Isolationsabstände zwischen dem bewegbaren
Kontaktstück und dem Gegenkontaktstück, die ja von dem bewegbaren Kontaktstück bei
der Bewegung überwunden werden müssen, dennoch relativ groß ausfallen können. Die
erfindungsgemäßen Mikrorelais können also eine hohe Spannungsfestigkeit mit einer
kleinen Antriebsspannung kombinieren.
[0009] Damit wird ein Hauptnachteil elektrostatischer Mikrorelais überwunden, die zwar konventionellerweise
bereits relativ niedrige Versorgungsspannungen bzw.leistungen ermöglichen, jedoch
im Hinblick auf die Spannungsfestigkeit dahingehend begrenzt sind, daß der Antriebskondensator
auch bei dem größten auftretenden Abstand zwischen den Antriebskondensatorflächen
noch eine ausreichend große anziehende Kraft aufbringen können muß.
[0010] Im übrigen können mit den konventionellen elektrostatischen Mikrorelais im Vergleich
zu den elektromagnetischen Antriebslösungen nur sehr kleine Andruckkräfte zwischen
den Kontakten, also zwischen dem bewegbaren Kontaktstück und dem Gegenkontaktstück,
aufgebracht werden. Aus diesen relativ geringen Kontaktkräften können Schwierigkeiten
in der Herstellung der Kontakte und unerwünscht hohe Kontaktwiderstände entstehen.
Auch hier bietet die Erfindung eine Abhilfsmöglichkeit.
[0011] Eine günstige Ausführungsform für eine elastische Aufhängung mit den beschriebenen
Eigenschaften besteht aus zumindest einem schmalen langen Träger, dessen Längsrichtung
der Richtung des Abstandes der Antriebskondensatorflächen entspricht und der in der
Bewegungsrichtung des bewegbaren Kontaktstücks sehr viel schmaler ist. In der dritten
verbleibenden Richtung kann der Träger relativ ausgedehnt sein oder auch relativ flach
sein, vorzugsweise angepaßt an die entsprechenden Abmessungen des Antriebskondensators
und der übrigen Bauteile in dieser Richtung. Dieser Träger bildet eine blattfederähnliche
Struktur und kann durch die elektrostatische Kraft des Antriebskondensators zwar nicht
verlängert und verkürzt, jedoch seitlich verformt werden.
[0012] Vorzugsweise sind zumindest zwei dieser Träger vorgesehen, die vorzugsweise im wesentlichen
identisch miteinander, jedoch in der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind.
Durch ihre gemeinsame feste Kopplung mit dem bewegbaren Kontaktstück ergibt sich dann
eine Bewegung des bewegbaren Kontaktstücks, die verkippungsfrei bleibt, also im wesentlichen
nur aus translatorischen Komponenten besteht. Hierzu wird auf die Ausführungsbeispiele
verwiesen. Die Kraft-Weg-Zusammenhänge, also die Federkonstanten, können bei solchen
Trägem anhand bekannter Näherungsformeln leicht berechnet werden.
[0013] Die Bewegung des bewegbaren Kontaktstücks kann nicht nur dazu genutzt werden, einen
an dem bewegbaren Kontaktstück angebrachten Kontakt mit einem zugeordneten Kontakt
an einem Gegenkontaktstück in Verbindung zu bringen und ihn davon zu trennen, vielmehr
kann die selbe Bewegung gleichzeitig einen weiteren Kontakt des bewegbaren Kontaktstücks
mit einem anderen Kontakt an einem weiteren Gegenkontaktstück in komplementärer Weise
verbinden und trennen. Dabei wird also das bewegbare Kontaktstück zwischen den Gegenkontaktstücken
hin- und herbewegt. Man erhält gewissermaßen einen Doppelschalter, der zudem in einer
Mittenposition einen Zustand bietet, in dem sämtliche Kontakte getrennt sind. Er kann
jedoch auch so ausgelegt sein oder betrieben werden, daß er zwischen zwei Zuständen
geschaltet wird, in denen jeweils eines der beiden Kontaktpaare offen und das jeweils
andere geschlossen ist. Die verschiedenen vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten solcher
Doppelschalter sind dem Fachmann ohne weiteres bekannt.
[0014] Der oder die beschriebenen Träger müssen übrigens im kräftefreien Zustand nicht notwendigerweise
grade langgestreckt sein, so daß sie durch den elektrostatischen Antrieb verkrümmt
werden. Sie können auch bei der Herstellung des Mikrorelais bereits mit einer vorgegebenen
leichten Krümmung versehen sein, die dann durch die elektrostatische Antriebskraft
verringert, aufgehoben oder auch im Richtungssinn umgekehrt werden kann.
[0015] Weiterhin ist es denkbar, den Antriebskondensator komplizierter auszuführen als lediglich
mit zwei benachbarten Antriebskondensatorflächen. Es können auch verschachtelte Strukturen
Verwendung finden, bei denen eine größere Zahl Antriebskondensatorflächen in verschachtelter
Weise einander zugeordnet sind, etwa wie zwei miteinander in Eingriff gebrachte Kämme.
Zur Veranschaulichung wird auf das entsprechende Ausführungsbeispiel verwiesen.
[0016] Die Bewegungsrichtung des erfindungsgemäßen Mikrorelais liegt vorzugsweise parallel
zu einem Substrat, auf dem das Mikrorelais angebracht ist oder auf dem es vorzugsweise
integriert hergestellt worden ist. Auch hierin besteht ein Unterschied zum Stand der
Technik, bei dem die Bewegungsrichtungen mehr oder weniger senkrecht zur Substratebene
liegen. Die substratparallele Bewegungsrichtung hat jedoch den Vorteil, zweidimensionale
Strukturen des Mikrorelais zu begünstigen, die herstellungstechnisch sehr vorteilhaft
sind. So sind die typischen mikrotechnologischen und halbleitertechnologischen Verfahren
wie Lithographie-, Ätz- oder Beschichtungsverfahren in der Regel zunächst zweidimensional
und bei dreidimensionalen Strukturen nur mit etwas erhöhtem Aufwand zu realisieren.
Dementsprechend sind die einzelnen Funktionsteile des Mikrorelais, nämlich das bewegbare
Kontaktstück, die elastische Aufhängung sowie der Antriebskondensator, jeweils in
ihrer funktionalen Struktur vorzugsweise rein zweidimensional, und zwar in einer substratparallelen
Ebene.
[0017] Ferner ist ein durch die substratparallele Bewegung möglicher flacher Aufbau häufig
bautechnisch günstig und erleichtert insbesondere nachfolgende Lithographieschritte,
etwa solche, die für auf dem selben Substrat herzustellende mikroelektronische Schaltungen
benötigt werden. Auch bei einem Schutz des Mikrorelais durch eine Verkapselung oder
Abdeckung ist ein flacher Aufbau vorteilhaft.
[0018] Um die bewegbaren Teile des Mikrorelais bei einer integrierten Ausführungsform vom
Substrat zu lösen, bietet es sich an, vergrabene Schichten an den geeigneten Stellen
vorzusehen und zu entfernen, um diese Teile vom Substrat zu befreien und damit elastisch
verformbar bzw. bewegbar zu machen. Hier bieten sich insbesondere SiO
2-Schichten bei Siliziumsubstraten an. Insbesondere bieten sich hierzu die bekannten
SOI-Strukturen (Silicon on Insulator) an, und zwar vor allem die sogenannten SIMOX-Wafer.
[0019] Der Werkstoff Silizium ist grundsätzlich ein bevorzugter Werkstoff für das erfindungsgemäße
Mikrorelais.
[0020] Eine andere Werkstofflösung sind verschiedene Gläser. Silizium hat allerdings den
Vorteil, durch geeignete Sortierung sowohl isolierend als auch elektrisch leitfähig
ausgeführt werden zu können. Durch lonenimplantation oder Diffusion von Dotierungsstoffen
können somit Leiterbahnen mit angepaßter Struktur leicht hergestellt werden. Die zugrundeliegende
Technologie ist aus der Halbleiterbauelementherstellung bekannt.
[0021] Trotzdem werden beispielsweise für die Kontakte selbst Metallisierungen notwendig
sein. Bei einem gläsernen Mikrorelais müssen grundsätzlich Metallisierungen angebracht
werden, um die elektrischen Leitungen und Kontakte herzustellen.
[0022] Besondere Bedeutung für die Herstellung des erfindungsgemäßen Mikrorelais, insbesondere
bei einer zweidimensionalen Realisierung mit substratparalleler Ausrichtung, haben
die lonenätzverfahren, und zwar insbesondere die sogenannten RIE-Verfahren. Da für
das Mikrorelais relativ große Ätztiefen interessant sein können, kommen bevorzugt
die sogenannten DRIE-Verfahren in Betracht (deep reactive ion etching). Durch geeignete
Prozeßführung lassen sich in erheblichen Tiefen nahezu senkrechte Ätzflanken erzielen,
beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 mm. Dies kann zur Erzielung ausreichend
großer Kontaktflächen wichtig sein, weil sich bei den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung senkrecht auf dem Substrat stehende Kontaktflächen ergeben können. Hierzu
wird wiederum auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.
[0023] Als Beispiel wird ferner verwiesen auf den Artikel "Vertical Mirrors Fabricated by
Deep Reactive Ion Etching for Fiber Optic Switching Applications". Von C. Marxer at
all, Journal of Microelectromechanical Systems, Band 6, Nr. 3, September 1997, Seiten
277 - 285. Dort sind zwar mikrooptische Schalter für faseroptische Anwendungen beschrieben,
jedoch lassen sich die Prozeßschritte auch ohne weiteres auf die Erfindung anwenden.
Die dort realisierten Wandhöhen von 75 Mikrometer lassen sich leicht übertreffen,
wenn dies von Interesse ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0024] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, wobei die dabei
offenbarten Merkmale auch in anderen als den dargestellten Kombinationen erfindungswesentlich
sein können.
[0025] Im einzelnen zeigt:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes bewegbares Kontaktstück
mit elastischer Aufhängung;
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Mikrorelais;
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Mikrorelais;
und Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Mikrorelais.
[0026] Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Struktur aus einem bewegbaren Kontaktstück
1 mit elastischer Aufhängung 2. Die Blickrichtung steht senkrecht auf der Substratebene,
wobei es sich um eine zweidimensionale Struktur handeln soll. Die schematisch eingezeichnete
Basis 3 soll, wie durch den schraffierten Untergrund angedeutet, fest mit dem Substrat
verbunden sein, wohingegen die elastische Aufhängung bildende Träger 2 und das bewegbare
Kontaktstück 1 von dem Substrat frei sind. Bei dem konkreten Beispiel sollen die Teile
1, 2 und 3 aus Si bestehen und integriert aus einem Si-Substrat herausgearbeitet sein.
Das bewegbare Kontaktstück 1 und die Träger 2 sind von dem Substrat durch Lösen einer
darunter vergrabenen SiO
2-Schicht befreit worden.
[0027] Die durchgezogenen Linien stellen dabei die kräftefreie Anordnung dar, während die
gestrichelten Linien das bewegbare Kontaktstück 1 und die elastische Aufhängung 2
in ausgelenktem Zustand zeigen. Diese Auslenkung wird bewirkt durch eine mit N symbolisierte
Kraft, die in Figur 1 von oben nach unten wirkt, also in der Substratebene liegt,
jedoch zu der durch den Unterschied zwischen der gestrichelten und der durchgezogenen
Zeichnung erkennbaren Bewegungsrichtung im wesentlichen senkrecht steht. Die Bewegungsrichtung
ist dabei übrigens keine wirklich konstante Richtung. Vielmehr ist aus dieser Figur
anschaulich, daß sich die Bewegungsrichtung mit zunehmender Auslenkung von der rechtwinkligen
Orientierung zur Normalkraft entfernt. Wesentlich ist jedoch, daß die Bewegungsstrecke
eine sehr viel größere Komponente f senkrecht zu der Kraft N enthält als die kraftparallele
Komponente λ. Die Komponente λ ist jedoch insoweit wichtig, als sie notwendig ist,
um die dargestellte Bewegung überhaupt mit der Kraft N erzeugen zu können.
[0028] Das Bewegungsverhalten des bewegbaren Kontaktstücks 1 ergibt sich aus der Form und
Anordnung des Paares der Träger 2 und diese sind in Bewegungsrichtung voneinander
beabstandet und dabei im übrigen identisch sowie zu der Kraft N im wesentlichen symmetrisch
ausgerichtet, um Drehmomente möglichst zu vermeiden. Die Träger 2 haben eine Länge
I in Richtung der Kraft N und sind demgegenüber sehr schmal, wie mit h bezeichnet.
Die Tiefe senkrecht zur Zeichenebene ist mit b bezeichnet und entspricht hier der
Tiefe des bewegbaren Kontaktstücks 1. Sie ist für das erfindungsgemäße Prinzip nicht
weiter von Belang. Wie sich weiter unten ergibt, erhöht sie zwar die Federkonstante
linear, jedoch wächst bei den Ausführungsbeispielen die Fläche des Antriebskondensators
ebenfalls linear mit der Tiefe, so daß die Tiefe b nur von den technischen Grenzen
des Ätzverfahrens und der gewünschten Kontaktfläche abhängt. Eine zu große Breite
des Kondensators 4,5 erhöht aber nicht nur die Massenträgheit des bewegbaren Kontaktteils
1, sondern geht auch direkt in die Gesamtbaugröße des Mikrorelais ein. Hier muß also
ein sinnvoller Kompromiß gefunden werden.
[0029] Die Auslenkung f in der gewünschten kraftnormalen Dimension errechnet sich näherungsweise
aus
[0030] Dabei ist E der Elastizitätsmodul des verwendeten Materials. Man erkennt, daß die
Tiefe b linear in die Federkonstante eingeht, diese jedoch in der dritten Potenz von
dem Verhältnis aus Länge I und Schmalheit h der Träger 2 abhängt. Die notwendige,
jedoch möglichst kleine Bewegungskomponente λ beträgt näherungsweise
[0031] Man sieht, daß die Bewegung in zunehmendem Maße von der senkrechten Ausrichtung zur
Kraft N abweicht, weil die Komponente λ proportional zum Quadrat der Komponente f
ist. Man erkennt außerdem, daß lange Träger günstig sind für eine großes Verhältnis
aus der kraftnormalen Komponente f zu der kraftparallelen Komponente λ.
[0032] Quantitative Beispielswerte könnten eine Länge von I = 1800 µm, eine Schmalheit h
von 16 µm und eine Tiefe b von 450 µm sein. Ein beispielhafter Wert für die Kraft
N von etwa 4 mN führt dann zu f = 40 µm und λ = 0,53 µm. Die Bewegung des bewegbaren
Kontaktschubs 1 ist also so gut wie senkrecht zu N.
[0033] Figur 2 zeigt die schematisch in Figur 1 erläuterte Grundstruktur in einer konkreten
Anwendungsform. An dem bewegbaren Kontaktstück 1 ist, in diesem Fall an der den Trägern
2 zugewandten Seite, eine elektrisch leitfähige Oberflächenschicht 4 angebracht, der
eine zweite elektrisch leitfähige Oberflächenschicht 5 an einem substratfesten Teil
gegenüber liegt. Zwischen diesen beiden Antriebskondensatorflächen 4 und 5 kann eine
Spannung U
d angelegt werden, die die elektrostatische Antriebskraft N gemäß folgendem Näherungszusammenhang
hervorruft:
[0034] Dabei ist A die Fläche des Antriebskondensators 4, 5 und ebenfalls proportional zu
b. d ist der Abstand zwischen den beiden Antriebskondensatorflächen 4 und 5. Man erkennt
unmittelbar, daß sich durch entsprechend kleine Abstände sehr große elektrostatische
Kräfte erzeugen lassen, weil der Abstand d in der zweiten Potenz auftritt. Ferner
sind breite Kondensatoren im Sinn der Horizontalen in der Zeichenebene, also große
Abstände zwischen den Trägern 2, günstig. Bei einem Abstand d von 1 µm ergeben sich
bei einer Versorgungsspannung von 36 V und einer typischen Fläche A von 450 µm x 1500
µm Kräfte im Bereich von 4 mN.
[0035] Die Bewegung des bewegbaren Kontaktstücks 1 entspricht der Darstellung in Figur 1.
Figur 2 zeigt, daß das bewegbare Kontaktstück 1 dabei zwischen zwei Gegenkontaktstücken
6 und 7 hin- und hergeschaltet wird. Hierzu weist es an seinen über die Träger 2 hinausreichenden
Enden jeweils einen abgewinkelten Ansatzbereich 8 bzw. 9 auf, der jeweils zwei metallene
Kontakte, die über eine metallische Leiterbahn verbunden sind, trägt. Diese Kontakte
können in Kontakt mit jeweils zugeordneten zwei Kontakten auf den Gegenkontaktstücken
6 und 7 kommen, die jedoch ihrerseits elektrisch voneinander isoliert sind. Sie werden
also durch die Kontakte auf den abgewinkelten Bereichen 8 bzw. 9 des bewegbaren Kontaktstücks
1 überbrückt. Die Kontaktkraft P ergibt sich dabei aus
Für N = 4 mN ergibt das eine Kontaktkraft P von ca. 0,09 mN.
[0036] Die schraffierten Bereiche in Figur 2 deuten dabei an, daß die beiden Antriebskondensatorflächen
4 und 5 sowie jeweils von den Kontakten an den Gegenkontaktstücken 6 und 7 ausgehende
Leiterbahnen durch ionenimplantierte Si-Bereiche gebildet sind. Die schwarz ausgefüllten
Kontakte sind metallisiert, etwa durch seitliche Schrägbedampfung oder Plasmaabscheidung
und entsprechende Maskierung.
[0037] Man erkennt ferner, daß das Mikrorelais aus Figur 2 bei ungeladenem Antriebskondensator
4, 5 die Kontakte an dem linken Gegenkontaktstück 7 überbrückt und durch Spannungsbeaufschlagung
des Kondensators 4, 5 so umgeschaltet werden kann, daß statt dessen die Kontakte an
dem rechten Gegenkontaktstück 6 überbrückt werden. Die Antriebskondensatorflächen
4, 5 sind dabei so zueinander ausgerichtet, daß sie einander etwa in der Mitte dieses
Weges direkt gegenüber liegen, so daß jeweils an den beiden Wegenden ein gewisser
Versatz vorliegt, der jedoch wegen der tatsächlich geringen quantitativen Bedeutung
unwesentlich ist.
[0038] Es wurde bereits erwähnt, daß die Gesamtkontaktflächen durch Anpassung der Tiefe
b bestimmt werden können. Außerdem können die Metallkontakte auch in der in Figur
2 vertikalen Richtung breiter ausgeführt sein, wenn die Kontaktfläche eine wesentliche
Rolle spielt.
[0039] Wenn man sich einen der beiden abgewinkelten Bereiche 8 und 9 und das zugehörige
Gegenkontaktstück 6 bzw. 7 in Figur 2 wegdenkt, so erkennt man unmittelbar, daß sich
mit diesem Aufbau auch einfache Schalter realisieren lassen, die wahlweise im spannungslosen
Zustand offen oder geschlossen sind (normally open / normally closed).
[0040] Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel aus Figur 3 liegt gegenüber den Varianten aus
Figur 1 und 2 dahingehend eine Abweichung vor, daß die Träger 2' nur mehr im dargestellten
spannungsfreien Zustand leicht S-förmig gekrümmt sind, nämlich etwa so, wie im verformten
Zustand aus Figur 1. Dies kann durch entsprechende Strukturierung der Maske bei dem
DRIE-Prozeß, mit dem diese Strukturen aus dem Siliziumwafer herausgearbeitet werden,
leicht realisiert werden. Außerdem ist der Antriebskondensator bei diesem Beispiel
auf der im Vergleich zu Figur 2 anderen Seite des bewegbaren Kontaktstücks 1 angeordnet,
und daher mit 4', 5' bezeichnet. Schließlich ist das Mikrorelais in diesem Fall so
ausgelegt, daß der "rechte Schalter" 6, 8 im spannungsfreien Zustand geschlossen ist,
während der "linke Schalter" 7, 9 im spannungsfreien Zustand offen ist.
[0041] Durch die elektrostatische Anziehung zwischen den Antriebskondensatorflächen 4' und
5' kann das bewegbare Kontaktstück 1 in Figur 3 nach links bewegt werden, wobei sich
die Träger 2' weitgehend strecken bzw. auch mit umgekehrtem Richtungssinn verformen
können.
[0042] Die Anordnung des Antriebskondensators 4' 5' sollte bei einfachen Mikrorelais übrigens
so erfolgen, daß sich im geschlossenen Zustand eine maximale Kontaktkraft ergibt,
also der minimale Abstand zwischen den Antriebskondensatorflächen 4, 5 bzw. 4', 5'
vorliegt. Bei dem ersten und bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist dies für den
rechten Schalter bzw. für den linken Schalter gegeben.
[0043] Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, das eine Variante zu dem zweiten Ausführungsbeispiel
aus Figur 3 darstellt. Der Unterschied besteht darin, daß der Antriebskondensator
in diesem Fall aus kammartig verschachtelten Flächen besteht, die mit 4" und 5" bezeichnet
sind. Es handelt sich wiederum um Si-Strukturen mit entsprechenden Dotierungen (oder
Metallisierungen), wie die Schraffuren zeigen. Durch eine herstellungstechnisch wenig
problematische Komplizierung des Maskenlayouts kann so die zuvor mit A bezeichnete
effektive Fläche des Antriebskondensators vervielfacht werden, in diesem Fall verdreifacht.
Im übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem zuvor beschriebenen.
[0044] Alle Ausführungsbeispiele sind infolge des zweidimensionalen Aufbaus technisch unproblematisch
und zeigen andererseits einen ungewöhnlich guten Kompromiß zwischen Kontaktschließkraft,
Versorgungsspannung und Spannungsfestigkeit im geöffneten Zustand.
Bezugszeichenliste
[0045]
- 1
- bewegbares Kontaktstück
- 2
- elastische Aufhängung, nämlich schmale lange Träger
- 3
- Basis
- 4, 4', 4"
- leitfähige Kondensatorfläche am bewegbaren Kontaktstück
- 5, 5', 5"
- feste elektrisch leitfähige Antriebskondensatorfläche
- 6, 7
- Gegenkontaktstücke
- 8, 9
- abgewinkelte Ansatzbereiche des bewegbaren Kontaktstücks
- f
- Bewegungsstrecke quer zur Kraft
- I
- Länge eines Trägers 2
- h
- Schmalheit eines Trägers 2
1. Mikrorelais
mit einem bewegbaren Kontaktstück (1),
einem Antriebskondensator (4, 5, 4', 5', 4", 5") zum elektrostatischen Antrieb des
bewegbaren Kontaktstücks (1),
welcher Antriebskondensator zwei, im wesentlichen parallel beabstandete, leitfähige
Flächen (4, 5, 4', 5', 4", 5") aufweist, von denen eine (4, 4', 4") mit dem bewegbaren
Kontaktstück (1) fest verbunden ist,
einer elastischen Aufhängung (2, 2') des bewegbaren Kontaktstücks (1),
und einem Gegenkontaktstück (6, 7),
wobei das Mikrorelais so ausgelegt ist, daß durch Ändern des Ladezustands des Antriebskondensators
(4, 5, 4', 5', 4", 5") das bewegbare Kontaktstück (1) in einer Bewegungsrichtung in
eine und aus einer Anlage an das Gegenkontaktstück (6, 7) bewegt werden kann, um einen
elektrischen Kontakt zwischen dem bewegbaren Kontaktstück (1) und dem Gegenkontaktstück
(6, 7) zu öffnen und zu schließen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung zu der Richtung des Abstandes zwischen den Antriebskondensatorflächen
(4, 5, 4', 5', 4", 5") fast senkrecht ist,
und die elastische Aufhängung (2, 2') bezüglich einer Bewegung des bewegbaren Kontaktstücks
(1) in der Bewegungsrichtung eine Federkonstante aufweist, die wesentlich kleiner
ist als eine Federkonstante der elastischen Aufhängung (2, 2') bezüglich einer Bewegung
in der Richtung des Abstandes der Antriebskondensatorflächen (4, 5, 4', 5', 4", 5").
2. Mikrorelais nach Anspruch 1, bei dem der größte im Betrieb auftretende Abstand der
Antriebskondensatorflächen (4, 5, 4', 5', 4", 5") sehr viel kleiner als die im Betrieb
von dem bewegbaren Kontaktstück (1) zurückgelegte Bewegungsstrecke (f) in der Bewegungsrichtung
ist.
3. Mikrorelais nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die elastische Aufhängung (2, 2') einen
sich im wesentlichen parallel zu der Richtung des Abstandes der Antriebskondensatorflächen
(4, 5, 4', 5', 4", 5") erstreckenden und im Vergleich zu seiner Länge (I) in dieser
Richtung in der Bewegungsrichtung sehr viel schmaleren (h) Träger (2, 2') aufweist,
der mit dem bewegbaren Kontaktstück (1) fest verbunden ist und dieses aufgrund seiner
Länge (I) und Schmalheit (h) elastisch in der Bewegungsrichtung bewegbar hält.
4. Mikrorelais nach Anspruch 3, bei dem die elastische Aufhängung (2, 2') zumindest zwei
der beschriebenen Träger (2) aufweist, die in der Bewegungsrichtung zueinander parallel
versetzt sind.
5. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Kontaktstück
(1) zwischen zwei Gegenkontaktstücken (6, 7) hin- und hergeschaltet werden kann.
6. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem sich der/die Träger (2')
entlang seiner/ihrer Länge (I) leicht krümmt/krümmen und durch den Antriebskondensator
(4', 5', 4", 5") bei der Bewegung des bewegbaren Kontaktstücks (1) gestreckt werden
kann/können.
7. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Antriebskondensator
(4", 5") eine Vielzahl verschachtelt parallel beabstandeter leitfähiger Flächen (4",
5") aufweist.
8. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Substrat, auf dem das
Mikrorelais befestigt ist (3), wobei die Bewegungsrichtung des bewegbaren Kontaktstücks
(1) substratparallel ist.
9. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, das auf dem Substrat in integrierter
Weise hergestellt ist.
10. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, zumindest Anspruch 8, bei dem das
bewegbare Kontaktstück (1), die elastische Aufhängung (2, 2') und der Antriebskondensator
(4, 5, 4', 5', 4", 5") zumindest einen wesentlichen Teil ihrer jeweiligen funktionalen
Struktur in Form einer zweidimensionalen Struktur in einer substratparallelen Ebene
aufweisen.
11. Mikrorelais nach Anspruch 9 und Anspruch 10, mit einer zwischen den zweidimensionalen
Strukturen und dem Substrat angeordneten vergrabenen Schicht, die unter bewegbaren
Strukturteilen (1, 2, 2', 4, 4', 4") entfernt ist.
12. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, das durch ein lonenätzverfahren,
vorzugsweise ein DRIE-Verfahren, hergestellt ist.
13. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, das im wesentlichen aus Silizium
besteht.
14. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 - 12, das im wesentlichen aus Glas besteht.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.
1. Mikrorelais
mit einem bewegbaren Kontaktstück (1),
einem Antriebskondensator (4, 5, 4', 5', 4", 5") zum elektrostatischen Antrieb des
bewegbaren Kontaktstücks (1),
welcher Antriebskondensator zwei, im wesentlichen parallel beabstandete, leitfähige
Flächen (4, 5, 4', 5', 4", 5") aufweist, von denen eine (4, 4', 4") an einer Seite
des bewegbaren Kontaktstücks (1) angebracht ist,
einer elastischen Aufhängung (2, 2') des bewegbaren Kontaktstücks (1),
und einem Gegenkontaktstück (6, 7),
wobei das Mikrorelais so ausgelegt ist, daß durch Ändern des Ladezustands des Antriebskondensators
(4, 5, 4', 5', 4", 5") das bewegbare Kontaktstück (1) in einer Bewegungsrichtung in
eine und aus einer Anlage an das Gegenkontaktstück (6, 7) bewegt werden kann, um einen
elektrischen Kontakt zwischen dem bewegbaren Kontaktstück (1) und dem Gegenkontaktstück
(6, 7) zu öffnen und zu schließen,
dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Kontaktstück (1) derart aufgehängt ist, daß die Bewegungsrichtung zu
der Richtung des Abstandes zwischen den Antriebskondensatorflächen (4, 5, 4', 5',
4", 5") fast senkrecht ist, und daß der größte im Betrieb auftretende Abstand der
Antriebskondensatorflächen (4, 5, 4', 5', 4", 5") sehr viel kleiner ist als die im
Betrieb von dem bewegbaren Kontaktstück (1) zurückgelegte Bewegungsstrecke (f) in
der Bewegungsrichtung, und
daß die elastische Aufhängung (2, 2') bezüglich einer Bewegung des bewegbaren Kontaktstücks
(1) in der Bewegungsrichtung eine Federkonstante aufweist, die wesentlich kleiner
ist als eine Federkonstante der elastischen Aufhängung (2, 2') bezüglich einer
Bewegung in der Richtung des Abstandes der Antriebskondensatorflächen (4, 5, 4', 5',
4", 5").
2. Mikrorelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Aufhängung (2) an der Seite des bewegbaren Kontaktstücks (1) angebracht
ist, an der die elektrisch leitfähige Fläche (4) vorgesehen ist.
3. Mikrorelais nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die elastische Aufhängung (2, 2') einen
sich im wesentlichen parallel zu der Richtung des Abstandes der Antriebskondensatorflächen
(4, 5, 4', 5', 4", 5") erstreckenden und im Vergleich zu seiner Länge (I) in dieser
Richtung in der Bewegungsrichtung sehr viel schmaleren (h) Träger (2, 2') aufweist,
der mit dem bewegbaren Kontaktstück (1) fest verbunden ist und dieses aufgrund seiner
Länge (I) und Schmalheit(h) elastisch in der Bewegungsrichtung bewegbar hält.
4. Mikrorelais nach Anspruch 3, bei dem die elastische Aufhängung (2, 2') zumindest
zwei der beschriebenen Träger (2) aufweist, die in der Bewegungsrichtung zueinander
parallel versetzt sind.
5. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Kontaktstück
(1) zwischen zwei Gegenkontaktstücken (6, 7) hin- und hergeschaltet werden kann.
6. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der/ die Träger (2') an einer Seite des bewegbaren Kontaktstücks (1) angebracht ist/sind,
welche von der die elektrisch leitfähige Fläche (4') tragenden Seite abgewandt ist/sind,
und dass der/die Träger (2') sich entlang seiner/ihrer Länge (I) leicht krümmt/krümmen
und durch den Antriebskondensator (4', 5', 4", 5") bei der Bewegung des bewegbaren
Kontaktstücks (1) gestreckt werden kann/können.