Ein derartiges mikromechanisch hergestelltes Relais mit Um- schaltfunktion ist grundsätzlich bereits in der EP 0 520 407 A1 gezeigt. Dort ist der mittig aufgehängte Wippanker als starre Platte ausgeführt. Er hat deshalb insgesamt einen re- lativ großen Abstand zwischen den Basiselektroden und der An- kerelektrode, wobei sich der jeweilige Ankerflügel auch in der jeweiligen Ansprech-Schaltstellung nur unter einem spit- zen Winkel an die Gegenelektrode anlegt und diese im wesent- lichen nur punktförmig bzw. linienförmig berühren kann. Dar- aus ergibt sich, daß der elektrostatische Antrieb eine rela- tiv hohe Anspruchspannung erfordert und daß wegen des im An- spruchzustand nur unvollkommen geschlossenen Arbeitsluftspal- tes auch keine allzu hohen Kontaktkräfte erzielt werden kön- nen.

Aus DE 42 05 029 Cl, DE 44 37 261 Cl und DE 44 37 259 Cl sind allerdings auch bereits mikromechanische Relais bekannt, bei denen ein einseitig eingespannter Anker im Ruhezustand einen keilförmigen Luftspalt mit einer Basiselektrode bildet, so daß sich der dortige Anker beim Ansprechen eng an die Basise- lektrode anlegt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikromechanisches elektrostatisches Umschaltrelais mit dem eingangs genannten Aufbau zu schaffen, bei dem mit verhältnismäßig geringer An- sprechspannung hohe Kontaktkräfte erreicht werden, wobei ver- schiedene Betriebsarten eines Umschalters, wie neutrale, bi- stabile und monostabile Schaltcharakteristik, auf einfache Weise realisierbar sind.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei dem eingangs genannten Aufbau dadurch erreicht, daß die beiden Ankerflügel in sich biegsam ausgebildet und jeweils im Ruhezustand von dem Basis- substrat weg gekrümmt sind, wobei sie jeweils einen keilför- migen Luftspalt mit diesem bilden, dessen engste Stelle in der Nähe der Schwenkachse liegt und der sich zum freien Ende des Ankerflügels hin stetig erweitert.

Bei dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Relais ist also der Anker nicht nur über die flexiblen Bänder schwenkbar auf- gehängt, sondern er ist auch in sich selbst biegsam und in seiner Grundform mit beiden Flügeln von der jeweiligen Basi- selektrode weg gekrümmt, so daß bereits im Ruhezustand jeder Ankerflügel mit der Basiselektrode einen keilförmigen Luftspalt bildet. Zur Bildung dieses keilförmigen Luftspaltes ist der Anker im Bereich der Schwenkachse mit nur geringem Abstand zur Ebene der Basiselektroden angeordnet, so daß beim Anlegen einer Spannung bereits zu Beginn der Ansprechphase ein Bereich des Ankers einen kleinen Elektrodenabstand auf- weist ; dadurch erreicht man ein schnelles Ansprechen des An- kers und einen Abrollvorgang, der sich von der engsten Stelle des keilförmigen Luftspaltes bis zum freien Ende des Ankers

hin (nach dem Wanderkeilprinzip) fortsetzt und dabei eine verhältnismäßig große Kontaktkraft aufbaut. Soweit in der in- neren Spitze des keilförmigen Luftspaltes, also im Bereich der Schwenkachse des Ankers, fertigungsbedingt ein nennens- werter Abstand zwischen dem Anker und der Ebene der Basise- lektroden besteht, kann dieser beim Ansprechen auf annähernd Null verringert werden, wenn die flexiblen Bänder der An- keraufhängung nicht nur eine Torsion, sondern auch eine Durchbiegung senkrecht zur Oberfläche des Basissubstrats er- möglichen.

Durch die Krümmung des Ankers und durch die flexible Aufhän- gung ergibt sich beim Ansprechen des Relais sowohl eine Schwenkbewegung um die Schwenkachse als auch eine Abrollbewe- gung des schaltenden Ankerflügels, welcher aus seiner vorge- krümmten Form in eine gestreckte Form übergeht, so daß er zum Schluß der Ankerbewegung flach auf der geraden Elektrode des Basissubstrats aufliegt. Bei dieser Anzugsbewegung entfernt sich also aufgrund der Schwenkbewegung der spannungslose Ankerflügel zusätzlich vom Basissubstrat weg. Dies hat den weiteren Vorteil, daß nach dem Anziehen eines Ankerflügels der gegenüberliegende Ankerflügel nicht durch Anlegen der normalen Ansprechspannung ebenfalls angezogen werden kann, so daß auf diese Weise eine Sicherheitsfunktion gegeben ist. Ge- nerell ist die vorgegebene Krümmung des Ankers im Bereich der Schwenkachse am stärksten, und sie wird zum jeweiligen freien Ende der Ankerflügel hin geringer. Im Extremfall besitzt der Anker im Bereich der Schwenkachse annähernd einen scharfen Knick, so daß er ein annähernd V-förmiges Profil im Längs- schnitt aufweist.

In weiterer Ausgestaltung sind die Kontaktbereiche des Ankers mit den beweglichen Kontakten vorzugsweise so gestaltet, daß sie über im Querschnitt verminderte Verbindungsstege ela- stisch angebunden sind und zum Aufbau der Kontaktkraft ela- stisch aus der Ankerebene heraus bewegbar sind.

Die auf dem Anker befindlichen beweglichen Kontakte können als Einzelkontakte jeweils mit einer Zuleitung versehen sein oder als gemeinsamer Mittelkontakt eine gemeinsame Zuleitung besitzen ; die Stromzuführungen werden dabei auf übliche Weise in Form von Leiterbahnen über eines oder beide flexiblen Ban- der geführt. Daneben ist es aber auch möglich, die bewegli- chen Kontakte auf den beiden Ankerflügeln als Brückenkontakte auszuführen. In diesem Fall benötigen sie keine eigene Zulei- tung, sondern sie überbrücken jeweils zwei feststehende Kon- takte auf dem Basissubstrat.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann weiterhin vorgese- hen werden, daß durch zusätzliche Elektretschichten auf den Basiselektroden oder auch auf den Ankerelektroden eine mono- stabile bzw. bistabile Schaltcharakteristik erzeugt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an- hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 in perspektivischer, schematischer Darstellung die Anordnung eines Ankersubstrats mit einem erfindungsgemäß ge- stalteten Anker über einem Basissubstrat, Figur 2 ein ähnlich Figur 1 aufgebautes Relais in einer Schnittansicht, Figur 3 eine Draufsicht auf das Relais von Figur 2, Figur 4 eine gegenüber Figur 3 etwas abgewandelte Ausfüh- rungsform eines Relais in Draufsicht, Figur 5 eine Seitenansicht auf einen Anker gemäß Figur 2 in betätigtem Zustand, Figur 6 eine Ausführungsform gemäß Figur 2 mit zusätzlichen Elektretschichten, Figur 7a bis 7d die schematische Darstellung eines Schaltab- laufs des Relais in vier Phasen und Figur 8 ein Zeitdiagramm für den Schaltablauf gemäß Figur 7a bis 7d.

Das in den Figuren 1 bis 3 schematisch in verschiedenen An- sichten gezeigte Relais besitzt ein Basissubstrat 1, vorzugs-

weise aus Silizium bestehend, auf welchem ein Ankersubstrat 2, ebenfalls vorzugsweise aus Silizium hergestellt, angeord- net und, beispielsweise durch anodisches Bonden, befestigt ist. Das Basissubstrat besitzt in seinem Oberflächenbereich zwei flächige, gegeneinander in Längsrichtung versetzt ange- ordnete Basiselektroden 11 und 12, die in üblicher Weise als metallische Schichten erzeugt sind. Sie besitzen Steuerlei- tungen lla bzw. 12a, die in Figur 1 schematisch als Leiter- bahnen angedeutet sind. Außerdem sind auf dem Basissubstrat im vorliegenden Beispiel zwei Festkontakte 13 und 14 angeord- net, die ebenfalls Zuleitungen 13a bzw. 14a in Form von Lei- terbahnen besitzen. Die spezielle Konfiguration der einzelnen Leiterbahnen ist im Einzelfall je nach den Gegebenheiten zu wählen ; außerdem sind gegebenenfalls notwendige Isolier- schichten nicht gezeigt. Dazu sind in Figur 1 weitere Leiter- bahnen 15 und 16 angedeutet, welche beispielsweise als Zulei- tungen zum beweglichen Anker fungieren.

Das Ankersubstrat 2, welches in Figur 1 lediglich schematisch als Rahmen und in den Figuren 2 und 3 ebenfalls stark verein- facht dargestellt ist, besteht wie das Basissubstrat vorzugs- weise aus Silizium. Aus diesem Ankersubstrat ist ein blatt- förmiger Anker 21 so herausgearbeitet, daß er lediglich ent- lang einer Schwenkachse 20 über zwei mäanderförmige Federbän- der 25 und 26 aufgehängt ist. Diese Federbänder 25 und 26 er- möglichen nicht nur eine Torsion um die Schwenkachse 20, son- dern auch eine Durchbiegung nach unten, so daß sich der Anker 21 im Bereich der Schwenkachse an das Basissubstrat 1 annä- hern kann.

Der Anker 21 bildet zwei Ankerflügel 21a und 21b beiderseits der Schwenkachse 20. Dabei sind die Ankerflügel 21a und 21b jeweils von dem Basissubstrat 1 weg nach oben gekrümmt, so daß jeder der beiden Ankerflügel jeweils mit dem Basis- substrat im Ruhezustand einen keilförmigen Luftspalt bildet, der sich vom Bereich der Schwenkachse ausgehend zu den freien Enden hin stetig erweitert. Diese Krümmung kann durch eine

gezielte Dotierung und damit erzeugte Zugspannung in einzel- nen Schichten des Ankersubstrats hervorgerufen werden, wie dies beispielsweise grundsätzlich in der DE 42 05 029 Cl er- wähnt ist. Die Krümmung wird, wie in Figur 2 angedeutet, im Bereich der Schwenkachse 20 auf einem kleinen Radius Rl ein- gestellt, der im Idealfall annähernd ein Knick sein könnte, was aber von der Fertigungstechnik her nicht ganz möglich ist, während zu den freien Enden des Ankers hin die Krümmung abnimmt, was in Figur 2 mit einem großen Radius R2 schema- tisch angedeutet ist ; in Wirklichkeit handelt es sich natür- lich nicht um eine Kreiskurve, sondern um eine flacher wer- dende Kurve, die zum Ende des Ankers hin in eine Gerade aus- laufen könnte. Die Größenverhältnisse sind im übrigen über- trieben dargestellt. In einer typischen Ausführung hat der Anker eine Lange in der Größenordnung von 2 mm und eine Brei- te in der Größenordnung von 1 mm. Die Dicke des Ankers be- trägt dann z. B. 5-10 um, während der Kontaktabstand in Ruhe etwa al=10 um betragen kann.

Der Anker 21 trägt im Bereich seiner Unterseite eine Anker- elektrode 22. Diese erstreckt sich in dem Beispiel über die gesamte Unterseite des Ankers. Für bestimmte Anwendungsfälle, zum Beispiel zur Ansteuerung beider Ankerflügel von getrenn- ten Stromkreisen, könnten auch an der Unterseite der Anker- flügel voneinander isolierte Elektrodenabschnitte 22a bzw.

22b vorgesehen werden. An den unterseitigen Enden der Anker- flügel 21a und 21b sind außerdem bewegliche Kontakte 23 und 24 angeordnet, die mit den Festkontakten 13 bzw. 14 des Ba- sissubstrats zusammenarbeiten. Die beweglichen Kontakte 23 und 24 befinden sich an der Unterseite von Kontaktbereichen 27, welche durch Einschnitte 28 teilweise von dem eigentli- chen Ankerflügel abgetrennt sind, so daß sie nur über schmale Stege 29 an diese angebunden sind. Dies bewirkt, daß sie mit größerer Elastizität als der eigentliche Anker beim Schließen des jeweiligen Kontaktes aus der Ankerebene heraus bewegbar sind und so die gewünschte Kontaktkraft aufbauen, während die davon getrennte Ankerelektrode in den davon abgetrennten Um-

gebungsbereichen flach auf der Basiselektrode aufliegt, wie dies in Figur 5 gezeigt ist.

Aus dieser Figur 5, die den Schließzustand des Ankerflügels 21b zeigt, ist auch zu ersehen, daß aufgrund der Schwenkbewe- gung des Ankers der linke Ankerflügel 21a sich zusätzlich weiter von der Basiselektrode abhebt, so daß der Kontaktab- stand a2 zwischen den Kontakten 13 und 23 größer ist als der Kontaktabstand al im Ruhezustand des Relais gemäß Figur 2.

Daraus ergibt sich auch eine zusätzliche Sicherheit gegen Fehlschaltung. Das bedeutet, daß nach dem Anziehen eines Ankerflügels, in diesem Fall des Ankerflügels 21b, eine An- steuerung des zweiten Ankerflügels 21a mit der gleichen An- sprechspannung diesen Ankerflügel mit seinen Kontakten 13 und 23 nicht gleichzeitig schließen kann. Hierzu wäre in einem typischen Fall etwa die dreifache Ansprechspannung erforder- lich.

Die Funktion eines derartigen Relais wurde anhand eines Bei- spiels durchgerechnet, bei dem die Kontaktabstände kl bzw. k2 der beiden Ankerflügel im Ruhezustand 42 um betrugen. Simu- liert wurde dabei eine über Torsionsfedern gelagerte Silizi- umwippe mit einer Dicke von 10 um, einer Länge von 2 x 1300 um und einer Breite von 1000 um, welche im mittleren Bereich viermal so stark durch innere Spannungen gekrümmt ist wie im restlichen Bereich der beiden Flügel. An den Enden haben die beiden Flügel also einen Abstand von 42 um von der Basis.

Entsprechend diesem relativ hohen Kontaktabstand waren auch verhältnismäßig hohe Ansprechspannungen erforderlich.

Dabei ergaben sich die folgenden Ergebnisse, die in den Figu- ren 7a bis 7d in einer schematischen Darstellung der einzel- nen Phasen des Schaltablaufs und in Figur 8 als zugehöriges Zeitdiagramm dargestellt sind. In den Figuren 7a bis 7d ist jeweils schematisch der Anker 21 mit den Ankerflügeln 21a und 21b über den beiden Basiselektroden 11 und 12 dargestellt.

U11 bedeutet jeweils die Spannung zwischen dem Ankerflügel

21a und der Basiselektrode 11, U12 die Spannung zwischen dem Ankerflügel 21b und der Basiselektrode 12 ; kl ist der Kon- taktabstand des Ankerflügels 21a, k2 der Kontaktabstand des Ankerflügels 21b von der jeweiligen Basiselektrode. In Figur 8 ist über der Zeit der Verlauf der Spannungen U11 und U12 sowie der Kontaktabstände kl und k2 gezeigt.

Als erste Phase zeigt Figur 7a den Ruhezustand mit U11=U12=0.

Wie erwähnt, beträgt in diesem Fall der Ruhe-Kontaktabstand beider Ankerflügel kl=k2=42 um. Vom Zeitpunkt T1 (Figur 8) wird die Spannung U11 eingeschaltet ; dabei neigt sich die Wippe leicht zur Basiselektrode 11, so daß der Kontaktabstand kl auf etwa 36 um sinkt und der Kontaktabstand k2 auf etwa 46 um steigt (Figur 8). Ansonsten bleibt der Ruhezustand erhal- ten, bis U11 den Ansprechwert Ullan=64 V erreicht. Bei diesem Zeitpunkt T2 schließt der Ankerflügel 21a, d. h. der Kontakt- abstand kl wird zu 0. Gleichzeitig wird über die Wippe der andere Ankerflügel 21b weiter angehoben, so daß sein Kontakt- abstand k2 auf 65 um ansteigt (siehe Figur 7b).

Eine weitere Erhöhung von U11 bis auf 100 V ändert nichts an dem Schaltzustand. Auch das Einschalten von U12 zwischen dem Ankerflügel 21b und der Basiselektrode 12 bei gleichzeitiger Beibehaltung von U11=100 V ändert zunächst nichts an dem Schaltzustand. Erst bei U12=190 V schließt auch der Kontakt am Ankerflügel 21b, wie in Figur 7c gezeigt ist. Dieses gleichzeitige Einschalten von U11 und U12 entspricht einer nicht erwünschten Fehlbedienung des Relais. Da aber der Wert U12an=190 V etwa der Bedingung U12an=3 x Ullan entspricht, hat ein Wechslerrelais mit dem erfindungsgemäßen Aufbau eine genügend hohe Sicherheit gegen Fehlschaltungen.

Wird vom Zeitpunkt T4 an die Spannung U11 abgesenkt, so bleibt der Schaltzustand gemäß Figur 7c zunächst erhalten, bis U11 den Abfall-Spannungswert von Ullab=17 V erreicht hat (Zeitpunkt T5 in Figur 8). Zu diesem Zeitpunkt fällt der

Ankerflügel 21a ab, kl steigt auf den Wert von 65 um gemäß Figur 7d. Der Kontakt am Ankerflügel 21b bleibt geschlossen.

Dieses Rechenbeispiel dient dem Nachweis des Funktionsprin- zips. Die Ergebnisse gelten entsprechend auch für kleinere Kontaktabstände in der Größenordnung von 10 um, wobei dann auch kleinere Ansprechspannungen im Bereich von 10 bis 20 V genügen.

Die Stromzuführung für die beweglichen Kontakte 23 und 24 (in Figur 5), die zweckmäßigerweise als Mittelkontakt miteinander verbunden sind, erfolgt über eine nicht dargestellte Leiter- bahn über die Unterseite des Federbandes 25 und die Leiter- bahn 15 auf dem Basissubstrat, während die Ansteuerung der Ankerelektrode 22 über eine ebenfalls nicht dargestellte Lei- terbahn auf der Unterseite des Federbandes 26 zu der Leiter- bahn 16 des Basissubstrates erfolgt. Sind mehrere Zuleitun- gen, etwa zu mehreren Kontakten, erforderlich, müßten über die Federbänder Leiterbahnen in verschiedenen Schichten ge- führt werden.

Um eine Laststromzuleitung über die Federbänder überhaupt zu vermeiden, ist es auch möglich, die beweglichen Kontakte als Brückenkontakte auszuführen. Eine derartige Ausgestaltung ist in Figur 4 schematisch gezeigt. Dort sind auf dem linken Ankerflügel 21a zwei bewegliche Kontakte 33a und 33b über ei- ne Berücke 33 verbunden, ebenso zwei bewegliche Kontakte 34a und 34b auf dem Ankerflügel 21b über eine Brücke 34. Beim Schalten kann so jeweils eine Kontaktbrücke 33 oder 34 zwei nicht dargestellte feststehende Kontakte auf dem Basis- substrat miteinander verbinden.

In Figur 6 ist eine Weiterbildung schematisch angedeutet, bei der über den Ankerelektroden 11 und 12 jeweils Elektrete 41 und 42 vorgesehen sind, die mit ihren Ladungen eine Vorspan- nung und damit eine bestimmte monostabile oder bistabile Schaltcharakteristik des Relais erzielen können. In dem ge-

zeigten Beispiel sind die Elektretschichten auf dem Basis- substrat über den feststehenden Elektroden angeordnet. Grund- sätzlich wäre es natürlich auch möglich, entsprechende Elek- tretschichten wahlweise oder zusätzlich auf dem Anker anzu- bringen.

Je nach Art und Höhe der Ladungen in den Elektretschichten 41 und 42 lassen sich unterschiedliche Betriebsarten des Relais erzielen, wie sie in den folgenden Tabellen zusammengestellt sind.

Neutrales Relais (ohne Elektret-Ladungen) : Elektrode 11 Elektret 41 Elektrode 12 Elektret 42 Kontakt Kontakt U11 U41 U12 U42 13/23 14/24 00offenoffen00 UanO O O O geschlossen offen 0 0 UanO 0 offen geschlossen

Monostabiles Relais : Elektrode 11 Elektret 41 Elektrode 12 Elektret 42 Kontakt Kontakt U11 U41 U12 U42 13/23 14/24 0 U1 0 0 geschlossen offen (Ruhezustand) 0 U1 Uanl 0 offen geschlossen Bistabiles Relais :

Elektrode 11 Elektret 41 Elektrode 12 Elektret 42 Kontakt Kontakt U11 U41 U12 U42 13/23 14/24 0 UO 0 UO geschlossen offen oder oder offengeschlossen 0 UO Uan2 UO offen geschlossen Uan2UO0 UOgeschlossenoffen

In den Tabellen bedeuten jeweils U11 die Gesamtspannung zwi- schen der Basiselektrode 11 und der Ankerelektrode 22, und U12 die Gesamt-Steuerspannung zwischen der Basiselektrode 12 und der Ankerelektrode 22. Darin eingeschlossen ist jeweils die Elektretspannung U41 des Elektreten 41 bzw. U42 des Elek- treten 42. Die von außen anzulegende Steuerspannung ist des- halb geringer als U11 bzw. U12, nämlich U11-U41 bzw. U12-U42.

Ansonsten bedeutet : Uan : Ansprechspannung allgemein UanO : Ansprechspannung des neutralen Relais Urück : die Rückfallspannung allgemein, also diejenige Spannung, bei der der Anker nicht mehr gehalten wird und in die Ruhestellung zurückkehrt, UrückO : die Rückfallspannung beim neutralen Relais.

Die äquivalenten Elektretspannungen Ul beim monostabilen Re- lais und UO beim bistabilen Relais entsprechen etwa folgen- den Werten : Ul > UanO Uanl > U1 und UrückO < UO < UanO.

Wie eingangs bereits erwähnt, können die Substrate mit be- kannten Beschichtungs-und Atzmethoden bearbeitet werden.

Insbesondere kann der Anker 21 aus dem Ankersubstrat 2 mit bekannten Methoden gewonnen werden. Vorzugsweise wird der An- ker durch eine dotierte Siliziumschicht in dem Ankersubstrat 2 gebildet, die dann durch rückseitiges anisotropes Ätzen des Siliziumwafers mit elektrochemischem Atzstop freigelegt wird.

Daneben sind aber auch andere Methoden anwendbar.

Die in Figur 1 gezeigte Gestaltung des Kontaktbereiches 27 mit dem beweglichen Kontaktstück 23 bzw. 24 kann ebenfalls abgewandelt werden. Insbesondere sind dabei Gestaltungen ei- nes Kontaktbereiches mit spiralfederartigen oder sonnenradar- tigen Aufhängungen möglich, wie dies in der DE 44 37 259 Cl beschrieben ist.