WO2001057901A1

WO2001057901A1 - Mikrorelais

Info

Publication number: WO2001057901A1
Application number: PCT/DE2001/000389
Authority: WO
Inventors: Robert Aigner; Sven Michaelis; Florian PLÖTZ
Original assignee: Infineon Technologies Ag
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2001-08-09
Also published as: KR20020075904A; US6734770B2; EP1252640A1; JP2003522379A; US20030006868A1; DE10004393C1

Abstract

Das Mikrorelais besitzt ein auf einem Substrat (1) drehbar aufgehängtes Schaltteil (9), das nach Art einer Wippe durch elektrostatische Anziehung mittels geeignet angebrachter Elektroden (51, 52, 6) in zwei alternative Schaltzustände bewegt werden kann. Die Schaltfunktion wird dadurch bewirkt, dass Elektroden (31, 32), die oberhalb der Wippe am Substrat befestigt sind, durch Metallisierungen (71, 72) auf der Oberseite des Schaltteiles kurzgeschlossen werden.

Description

Beschreibung

Mikrorelais

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrostatisch arbeitendes Mikrorelais, das als Schalter verwendet werden kann und das mit den Verfahren der Mikromechanik hergestellt werden kann.

Insbesondere für Anwendungen im Hochfrequenzbereich sind elektrostatische Mikroschalter ideal geeignet und anderen Halbleiterschaltern was das Dämpfungs- und Rauschverhalten anbetrifft deutlich überlegen. Ein wesentlicher Vorteil derartiger Schalter besteht darin, daß abgesehen von kapazitiven Ladeströmen eine leistungslose Steuerung der Schaltkontakte möglich ist. Elektrostatische Schalter mit kleiner Schaltzeit im Bereich unterhalb von 100 μs sind mit herkömmlichen Verfahren nur realisierbar, wenn sehr große Schaltspannungen akzeptiert werden können. Generell ist bei den bekannten tech- nischen Realisierungen ein Kompromiß zwischen der Schaltgeschwindigkeit und der erforderlichen Schaltspannung einzugehen, da die Steifigkeit der federnden Aufhängung des Schaltelementes bewirkt, daß für hohe Schaltgeschwindigkeiten hohe SchaltSpannungen erforderlich sind. Speziell für den Einsatz in Mobiltelefonen stehen typisch Batteriespannungen bis höchstens 3 V zur Verfügung; unter Verwendung von Spannungsver- vielfachern sind Schaltspannungen von maximal 12 V erreichbar. Mikromechanische Schalter sind üblicherweise mit mikromechanisch herstellbaren Balken gebildet, an deren Ende die Schaltkontakte sitzen und die durch elektrostatische Anziehung mittels elektrischer Potentiale auf geeignet angebrachten Elektroden gebogen werden, um die Kontakte zu schließen. Bei Schaltzeiten von 20 μs werden typisch elektrische Spannungen von 30 V und mehr benötigt. Daher sind diese Bauele- mente für den Einsatz in mobilen Telefonen oder andere Anwendungen im Bereich niedriger Leistung ungeeignet. UJ ω t CO H F¹ o o o

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In der Veröffentlichung von P. M. Zavracky et al . : "Microme- chanical Switches Fabricated Using Nickel Surface Micromachi- ning" in Journal of Microelectromechanical Systems 6, 3 - 9 (1997) sind mikromechanische Schalter beschrieben, bei denen die miteinander elektrisch leitend zu verbindenden Anschlußkontakte mittels eines an einem Balken angebrachten Schaltkontaktes kurzgeschlossen werden, wenn durch Anlegen einer Spannung zwischen den elektrisch leitenden Balken und eine Gegenelektrode am Substrat der Balken durch elektrostatische Kraft zum Substrat hin gebogen wird.

In der Veröffentlichung von I. Schiele et al . : "Micromechani- cal Relay with Electrostatic Actuation" in Transducers '97, 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Ac- tuators, Chicago, S. 1165 - 1168 ist ein Mikrorelais beschrieben, bei dem zum Schließen des Schalters ebenfalls ein biegefähiger Balken elektrostatisch zum Substrat hin gezogen wird und bei dem ein T-förmiger metallischer Ansatz an dem Balken zum Kurzschließen der elektrisch leitend miteinander zu verbindenden Anschlußkontakte vorhanden ist. Der Ansatz ist von dem Rest des Balkens elektrisch isoliert.

In der Veröffentlichung von Seok- han Chung et al . : "Design and Fabrication of Micro Mirror Supported by Electroplated Nickel Posts" in Transducers '95 ^■ Eurosensors IX, Proc . of the 8^th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, and Eurosensors IX, Stockholm, S. 312 - 315, ist ein an Torsionsfedern aufgehängter Mikrospiegel beschrieben, der elektrostatisch verkippt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein als Schalter verwendbares Bauelement anzugeben, das hohe Schaltgeschwindigkeiten bei kleiner Schaltspannung erreicht.

Diese Aufgabe wird mit dem Mikrorelais mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Das erfindungsgemäße Mikrorelais besitzt ein auf einem Substrat drehbar aufgehängtes Schaltteil, das nach Art einer Wippe durch elektrostatische Anziehung mittels geeignet angebrachter Elektroden in zwei alternative Schaltzustände bewegt werden kann. Die Schaltfunktion wird dadurch bewirkt, daß Elektroden, die oberhalb der Wippe am Substrat befestigt sind, durch Metallisierungen auf der Oberseite des Schaltteiles kurzgeschlossen werden.

Es folgt eine genauere Beschreibung des erfindungsgemäßen Mikrorelais anhand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele .

Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Mikrorelais im Querschnitt. Figur 2 zeigt die Ausführungsform gemäß Figur 1 in Aufsicht. Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel eines Mikrorelais im Querschnitt . Figur 4 zeigt die Ausführungsform gemäß Figur 3 in Aufsicht.

In Figur 1 sind auf einem Substrat 1 oder einer darauf vorhandenen Schicht oder Schichtstruktur im Querschnitt dargestellt restliche Anteile einer Hilfsschicht oder Opferschicht 11, einer Strukturschicht 2 und einer elektrisch isolierenden Schicht 20 sowie Kontaktelektroden 31, 32, die bezüglich des Substrates fest angebracht sind. In einer Aussparung der Schichten 11, 2, deren in der Figur mittlerer Anteil der Übersichtlichkeit halber weggelassen und nur durch Bruchlinien angedeutet ist, befindet sich auf dem Substrat 1 oder einer darauf vorhandenen Schicht ein als Verankerung 4 vorgese- henes Strukturteil, an dem das eigentliche Schaltteil 9 aufgehängt ist. Um das zu ermöglichen, besitzt das Schaltteil 9 in diesem Ausführungsbeispiel in der Mitte eine Aussparung, in der die Verankerung 4 angeordnet ist. Zwischen dem Schaltteil 9 und der Verankerung 4 befinden sich längs der vorgese- henen Drehachse ausgerichtete und als Torsionsfedern wirkende

Verstrebungen 8. Diese verdrehbaren Verstrebungen 8 ermöglichen es, das daran aufgehängte Schaltteil 9 um die durch die CO ω to to F¹ F¹

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gezeichneten Bereich einschließlich der Verstrebungen 8 und der Verankerung 4. In den seitlichen Ansätzen, die die Kontaktelektroden 71,72 tragen, ist die Dotierung weggelassen, so daß das Polysilizium hier elektrisch isoliert oder zumin- dest nur eine geringe elektrische Leitf higkeit aufweist . Die Dotierung kann aber auch in dem gesamten Schaltteil 9 vorhanden sein. Eine ausreichende elektrische Isolation der Kontaktelektroden 71, 72 kann, falls erforderlich, durch elektrisch isolierende Schichten 21, 22 (z. B. ein Nitrid wie Si₃N₄) zwischen den Kontaktelektroden 71, 72 und dem Schaltteil 9 bewirkt sein. . In Figur 2 sind gestrichelt eingezeichnet der Verlauf des in Figur 1 dargestellten Querschnittes sowie die verdeckten Konturen der am Substrat befestigten Aktuatorelektroden 51,52.

In Figur 2 ist deutlich erkennbar die Strukturierung der am Substrat angebrachten Kontaktelektroden 31,32, die jeweils über zwei in einem geringen Abstand zueinander angeordnete Anteile 31a, 31b bzw. 32a, 32b verfügen. Diese Anteile sind je- weils so angeordnet und ausgerichtet, daß sie bei geeigneter Lage des wippenden Schaltteiles durch eine betreffende Kontaktelektrode 71,72 auf dessen Oberseite kurzgeschlossen werden. Somit können in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Umschalten des Mikrorelais gleichzeitig zwei Schaltfunktionen ausgeführt werden, mit denen ein Schalter geschlossen und ein zweiter Schalter gleichzeitig geöffnet wird. Alternativ ist es möglich, das Mikrorelais auf eine Schaltfunktion zu beschränken, indem z.B. die zweiten Kontaktelektroden 32,72 auf der rechten Seite weggelassen oder nicht angeschlossen wer- den. Der in Figur 1 eingezeichnete Doppelpfeil verweist auf die Korrespondenz zwischen den durch die jeweils eingezeichneten Verstrebungen 8 gegebenen Drehachsen in Figur 1 bzw. (punktiert eingezeichnet) in Figur 2. Die Kontaktelektroden 31, 32 können auf einer elektrisch isolierenden Schicht 20 aufgebracht und mittels Leiterbahnen angeschlossen oder über Leiter in der Strukturschicht 2 mit elektrischen Anschlüssen versehen sein. U> u> to CO F» F¹ cn o LΠ o LΠ O LΠ

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tionären Endzustand (Anschlag einer Schaltposition) gezwungen werden. Beschränkend für die Schaltgeschwindigkeit ist nur die durch das Trägheitsmoment der Wippe gegebene Trägheit und die im wesentlichen durch die angelegte elektrische Spannung begrenzte verfügbare Aktuatorkraft ; die durch die Feder bewirkte Rückstellkraft verliert demgegenüber an Bedeutung. Die Aktuatorkraft , die elektrostatisch durch die Aktuatorelektro- den aufgebracht wird, hängt quadratisch von der angelegten elektrischen Spannung ab und ist ansonsten ausschließlich durch die Geometrie der Anordnung bestimmt. Das Trägheitsmoment hängt außer von der Geometrie auch wesentlich von der spezifischen Dichte des Materials ab, aus dem das Schaltteil 9 besteht. Vorzugsweise wird daher der bewegliche Teil aus einem Material geringer Dichte, vorzugsweise aus Polysi- lizium, hergestellt. Lediglich für die Elektroden können metallische Beschichtungen (z.B. galvanisch abgeschiedene Metalle oder gesputterte Metallisierungen) aufgebracht sein. Das erfindungsgemäße Mikrorelais mit nach oben (das heißt vom Substrat weg) schließenden Kontakten ermöglicht eine deutli- ehe Verringerung der bewegten Masse (Trägheitsmoment) und damit eine Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit bei unverändert niedriger SchaltSpannung, da der schwerere Teil der den Schalter bildenden Kontaktelektroden stationär bezüglich des Substrates bleibt . Die Eigenschaften des Schalters und die Ausübung der Schaltkraft werden bei der erfindungsgemäßen

Ausgestaltung entscheidend gegenüber herkömmlichen Schaltern verbessert .

Claims

Patentansprüche

1. Elektrostatisch arbeitendes Mikrorelais mit

- einem auf einem Substrat (1) beweglich angebrachten Schalt- teil (9), das als Wippe ausgebildet ist,

- einer auf dem Substrat (1) angebrachten Kontaktelektrode (31) , die zwei mit getrennten elektrischen Anschlüssen versehene Anteile (31a, 31b) aufweist,

- einer an dem Schaltteil (9) angebrachten Kontaktelektrode (71) ,

- zwei auf dem Substrat (1) angebrachten Aktuatorelektroden (51) und

- einer an dem Schaltteil (9) angeordneten Aktuatorelektrode (6) , - bei dem die auf dem Substrat (1) angebrachten Aktuatorelek- troden (51,52) so bezüglich der an dem Schaltteil (9) angebrachten Aktuatorelektrode (6) angeordnet sind, dass durch alternatives Anlegen eines elektrischen Potentials an die Ak- tuatorelektroden (51,52) eine wippende Bewegung des Schalt- teiles (9) in eine jeweils andere von zwei alternativen Schaltpositionen herbeigeführt werden kann, - d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die auf dem Substrat (1) angebrachte Kontaktelektrode so auf der von dem Substrat abgewandten Seite des Schaltteiles (9) angeordnet ist, dass in einer der Schaltpositionen eine an dem Schaltteil (9) angebrachte Kontaktelektrode (71) die beiden Anteile (31a, 31b) kurzschließt.

2. Mikrorelais nach Anspruch 1, bei dem - an dem Schaltteil (9) zwei Kontaktelektroden (71,72) angebracht sind und

- auf dem Substrat (1) zwei Kontaktelektroden (31,32) angebracht sind, die jeweils zwei mit getrennten elektrischen Anschlüssen versehene Anteile (31a, 31b; 32a, 32b) aufweisen und so auf der von dem Substrat abgewandten Seite des Schaltteiles (9) angeordnet sind, daß in jeder der Schaltpositionen des Schaltteiles (9) jeweils eine der daran angebrachten Kon- taktelektroden (71,72) die beiden Anteile (31a, 31b; 32a, 32b) jeweils einer der auf dem Substrat angebrachten Kontaktelektroden (31;32) kurzschließt.

3. Mikrorelais nach Anspruch 1 oder 2, bei dem

- das Schaltteil (9) Polysilizium, Monosilizium oder SiGe ist und

- eine daran angebrachte Kontaktelektrode (71,72) aufgebrachtes Metall ist.

4. Mikrorelais nach Anspruch 3, bei dem die an dem Schaltteil (9) angebrachte Aktuatorelektrode (6) durch eine Implantation von Dotierstoff ausgebildet ist.

5. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwischen dem Schaltteil (9) und einer daran angebrachten Kontaktelektrode (71, 72) eine elektrisch isolierende Schicht (21, 22) vorhanden ist.

6. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Schaltteil (9) an einer auf dem Substrat (1) befestigten Verankerung (4) mittels Verstrebungen (8) aufgehängt ist, die längs einer Drehachse ausgerichtet sind und Torsionsfedern bilden.

7. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die an dem Substrat angebrachten Aktuatorelektroden (51, 52) zwischen dem Substrat (1) und dem Schaltteil (9) angeordnet sind.

8. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die an dem Substrat angebrachten Aktuatorelektroden (53, 54) auf der von dem Substrat (1) abgewandten Seite des Schalttei- les (9) angeordnet sind.

9. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem mindestens eine der an dem Substrat angebrachten Aktuator- elektroden (51, 52) zwischen dem Substrat (1) und dem Schaltteil (9) angeordnet ist und mindestens eine der an dem Substrat angebrachten Aktuatorelektroden (53, 54) auf der von dem Substrat (1) abgewandten Seite des Schaltteiles (9) ange- ordnet ist .

10. Mikrorelais nach Anspruch 8 oder 9, bei dem eine Aktuatorelektrode (53, 54), die auf der von dem Substrat (1) abgewandten Seite des Schaltteiles (9) angeordnet ist, das Schaltteil brückenartig überspannt.