VOIGT, Sebastian (Fritz-Heckert-Siedlung 11, Hohenstein-Ernstthal, 09337, DE)
KURTH, Steffen (Hofackersiedlung 32, Thalheim, 09380, DE)
LEIDICH, Stefan (Hohe Strasse 15, Chemnitz, 09112, DE)
BERTZ, Andreas (Kircheck 32, Chemnitz, 09123, DE)
KAUFMANN, Christian (Mittweidaer Str. 62 d, Burgstädt, 09217, DE)
GESSNER, Thomas (Salzstr. 111, Chemnitz, 09113, DE)
FRÖMEL, Jörg (Geschwister-Scholl-Str. 9, Chemnitz, 09114, DE)
VOIGT, Sebastian (Fritz-Heckert-Siedlung 11, Hohenstein-Ernstthal, 09337, DE)
KURTH, Steffen (Hofackersiedlung 32, Thalheim, 09380, DE)
LEIDICH, Stefan (Hohe Strasse 15, Chemnitz, 09112, DE)
BERTZ, Andreas (Kircheck 32, Chemnitz, 09123, DE)
KAUFMANN, Christian (Mittweidaer Str. 62 d, Burgstädt, 09217, DE)
GESSNER, Thomas (Salzstr. 111, Chemnitz, 09113, DE)
Patentansprüche
1. Mikromechanische Schaltervorrichtung zum Schalten einer auf einem Substrat vorgesehenen unter- brochenen HF-Signalleitung mit einem Schalterteil und einem das Schalterteil verschließenden Deckel, wobei das Schalterteil mindestens einen ohmschen Schaltkontakt zum überbrücken und Trennen der HF-Signalleitung und einen mindestens eine feststehende und eine bewegliche Elektrode aufweisenden elektrostatischen Antrieb zum Betätigen des Schaltkontakts umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen elektrostatischem Antrieb (6) und Schaltkontakt (5) eine Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung und eine Anordnung (20) zur Hochfrequenzisolation geschaltet sind.
2. Schaltervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur mechani- sehen Kraftverstärkung eine Hebelanordnung (1) mit einem vorgegebenen übersetzungsverhältnis aufweist, die über Federgelenke (2) aufgehängt ist.
3. Schaltervorrichtung nach Anspruch 1 oder An- spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung mindestens ein elastisches Element mit progressiver Wirkung (7) aufweist.
4. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur mechanischen Kraftübertragung eine Kupplung aufweist.
5. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Hochfrequenzisolation einen Isolierbereich (20) aus elektrisch nicht leitfähigem, aus hochohmigem oder aus halbleitendem Material zur galvanischen Trennung der HF-Signalleitung (4) aufweist .
6. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostatische Antrieb (6) als Kammantrieb mit einer Mehrzahl von kammartig ausgebildeten feststehenden Elektroden (28, 31, 32) und einer Mehrzahl von kammartig ausgebildeten beweglichen Elektro- den (29, 33) , die ineinander greifen, ausgebildet ist.
7. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostatische Antrieb eindirektional zum Schließen des Schaltkontakts ausgelegt ist und die Federgelenke (2) hinsichtlich ihrer rücktreibenden Kraft zum öffnen des Schaltkontakts (5) ausgelegt sind.
8. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostatische Antrieb bidirektional mit mindestens zwei Elektrodensystemen (31, 33; 32, 33) ausgebildet ist, wobei ein Elektrodensystem zum Schließen und das andere Elektrodensystem zum öffnen des Schaltkontaktes ausgelegt ist.
9. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter elektrostatischer Antrieb (6-1, 6-2) vorgesehen sind, wobei der erste Antrieb (6-1) nach dem Prinzip der Variation des Elektrodenabstands arbeitet und zur Erzeugung der Kraft zum Schließen des Schaltkontakts (5) dient und der zweite Antrieb (6-2) nach dem Prinzip der Variation der Elektrodenüberdeckung arbeitet und zur Erzeugung der Kraft zum öffnen des Schaltkontakts (5) dient.
10. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalterteil (14) mittels mikromechanischer Volumentechnologie hergestellt ist und der elektrostatische Antrieb (6) eine laterale Aktuierung aufweist .
11. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (6) , die Hebelanordnung (1) , die Federgelenke (2) und gegebenenfalls das elastische Element (7) und die Kupplung (8) aus einem hochohmigen Siliziumsubstrat strukturiert sind.
12. Schaltervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Teile des Antriebs, der Hebelanordnung und der Federgelenke über Anker (3) mit dem Substrat (27) verbun- den sind.
13. Schaltervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anker der Hebelanordnung über Metallisierungsschichten (23) mit feststehenden Bereichen verbunden sind.
14. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (6), die Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung (1) mit Schaltkontakt (5) und die HF- Signalleitung (4) innerhalb eines Bondrahmens (12) des Schalterteils (14) strukturiert sind, der mit einem Deckel (9) hermetisch dicht verbunden ist .
15. Schaltervorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (9) Durchbrüche (10) für den Zugang zu elektrischen Anschluss- flächen (11) aufweist, wobei der Deckel (9) an den Anschlussflächen (11) hermetisch abgedichtet ist.
16. Schaltervorrichtung nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Deckel (9) , Bondrahmen (12) und Substrat (27) abgeschlossene Hohlraum (25) unter Vakuum steht.
17. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeschlossene Hohlraum (25) mit einem inerten oder reduzierenden Gas gefüllt ist.
18. Schaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkontakt (5) flexibel ist. |
Mikromechanische Schaltervorrichtung mit mechanischer
KraftverStärkung
Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Schal- tervorrichtung zum Schalten einer unterbrochenen HF- Signalleitung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .
Mikromechanische Hochfrequenzschalter sind aus zahl- reichen Veröffentlichungen bekannt, wobei für die
Konstruktion derartiger HF-Schalter zwei prinzipiell unterschiedliche Technologien mit jeweils zwei verschiedenen Varianten der Aktuierung angewandt werden:
a. Oberflächentechnologien mit in senkrechter Richtung zur Bauelemente-Oberfläche aktuierten Strukturen, wie beispielsweise in de US 6 307 452 Bl beschrieben ist, oder mit in lateraler Richtung aktuierten Strukturen, wie in der US 2002/0153236 Al offenbart ist.
b. Volumentechnologie mit in senkrechter Richtung zur Bauelemente-Oberfläche aktuierten Strukturen, wie beispielsweise in der US 2004/0113727 A beschrieben ist, oder mit lateraler Richtung aktuierten Strukturen, wie bei M. Tang, et al. "A single-pole double-throw (SPDT) circuit using lateral metal-contact micromachined switches", aus Sensors and Actuators A, Vol. 121, 2005, Seiten 187-196 beschrieben ist.
Eine weitere prinzipielle Unterscheidung wird zwischen ohmsch und kapazitiv arbeitenden HF-Schaltern getroffen, wobei ohmsche Schaltkontakte meist durch den mechanischen Kontakt mindestens zweier gut leitender Körper und die kapazitive Schaltfunktion durch die überdeckung von leitenden Flächen mit dazwischen befindlichen Isolationsschichten entstehen, welche bei hohen Signalfrequenzen eine nur sehr kleine Reak- tanz ausbilden. Kapazitiv arbeitende HF-Schalter haben somit eine untere Grenzfrequenz, bei der die Reaktanz zu groß wird, um Hochfrequenzsignale ver- lust- und reflexionsarm zu übertragen. Dieser Nachteil tritt bei ohmsch arbeitenden HF-Schaltern nicht auf.
Die Zuverlässigkeit eines ohmschen Schaltkontakts hängt unter anderem von der Kraft ab, mit der die Kontaktflächen gegeneinander gepresst bzw. wieder voneinander getrennt werden.
Die für die Bewegung der mechanischen Komponenten benötigte Kraft und die Kontaktkraft werden elektrisch erzeugt. übliche Techniken verwenden dazu entweder die elektromagnetische Kraft zwischen stromdurchflos- senen Leitern bzw. zwischen Leitern und Permanentmag-
neten oder die elektrostatische Kraft, die allgemein auf elektrisch polarisierte Körper wirkt. Da elektromagnetische Antriebskonzepte entweder Dauerstrom benötigen und damit hohe Verlustleistungen erzeugen o- der mikrotechnologisch nur bedingt realisierbare Permanentmagnete benötigen, um in den Endzuständen stabil zu sein, sind elektrostatische Antriebe vorzuziehen.
Die elektrostatische Kraft, die durch ein Antriebselektrodenpaar verursacht wird, ist nach Gleichung (1) direkt proportional zur Ableitung der Kapazität nach der Elektrodenauslenkung, welche bei den bislang bekannten technischen Lösungen der Bewegung der Schaltkontakte entspricht.
Dabei ist F el die elektrostatische Kraft, die so ge- richtet ist, dass sich die Kapazität C vergrößert, und U die Aktuierungsspannung .
Bei Annahme gleicher Betriebsparameter und somit gleicher Aktuierungsspannung reduziert sich die Ab- hängigkeit auf die Ableitung der Kapazität nach der Auslenkung, welche für den Fall eines Plattenkondensators bei Variation des Elektrodenabstandes durch
dC ε o ε r A
(2a) dx (X 0 -X) 2 '
und bei Variation der überdeckung der Elektrodenflächen durch
dC _ ε o ε r th dx x n
gegeben ist, wobei ε 0 die Permittivität des Vakuums ist, ε r die relative Permittivität des Dielektrikums (in der Regel Luft, Schutzgas oder Vakuum) ist, X 0 der Elektrodengrundabstand ohne Anlegen einer Aktuie- rungsspannung U und A die Elektrodengrundfläche sind, th die Elektrodentiefe und x der Bewegungsweg der E- lektrode in Richtung der elektrostatischen Kraft sind. Da die Veränderung des Dielektrikums praktisch nicht möglich ist bzw. alle in Frage kommenden Medien ähnliche relative Permittivitäten aufweisen, kann die elektrostatische Kraft nur durch Variation des Elekt- rodengrundabstands XQ oder der Elektrodengrundfläche A variiert werden.
Zur Maximierung der Kraft F e i muss daher entweder der Elektrodengrundabstand x 0 verkleinert werden oder die Elektrodengrundfläche A vergrößert werden. Der mini- mal einzustellende Elektrodengrundabstand x 0 ist von der Fertigungstechnologie abhängig und liegt in der Regel zwischen 1 und 10 μm. Eine beliebige Verkleinerung des Elektrodengrundabstandes X 0 ist nicht zulässig, da neben zahlreichen technologischen Problemen auch die Trennung des Hochfrequenzsignals im geöffneten Zustand des Schalters gewährleistet sein muss und somit ein bestimmter Kontaktabstand gefordert ist. Kapazitives übersprechen wird nur so hinreichend gering .
Wesentlicher Parameter zur Erhöhung der Kontaktkraft ist damit die Elektrodengrundfläche A, welche abhängig von der eingesetzten Technologie einer Begrenzung der Vergrößerung unterliegt.
Das in der US 6 307 452 Bl beschriebene Bauelement mit vertikaler Aktuierung ist, wie erwähnt, mittels Oberflächentechnologie hergestellt. Schaltkontakt und bewegliche Aktorelektrode sind in dieser Art HF- Schalter die eigentliche und einzige bewegte Baugruppe. Eine elektrische Trennung zwischen Schaltkontakt und Aktorelektrode ist technologisch schwierig erreichbar bzw. wegen der Nutzung der Aktorelektrode als HF-Strompfad nicht möglich. Da die Elektroden- grundfläche A in diesem Fall direkt mit dem HF- Strompfad in Verbindung steht, beeinträchtigt die Vergrößerung der Elektrodengrundfläche A direkt die Hochfrequenzeigenschaften des HF-Schalters. Eine deutliche Vergrößerung der Elektrodengrundfläche ist damit nicht möglicht bzw. mit Einbußen bezüglich der Qualität der Hochfrequenzeigenschaften verbunden. Ein weiterer Nachteil, welcher speziell bei in Oberflächentechnologie gefertigten, vertikal aktuierten HF- Schaltern zum Tragen kommt, sind Einschränkungen be- züglich der Kontaktmaterialabscheidung. Die sequentielle Abscheidung der Schichten resultiert in Beschränkungen bezüglich der Materialpaarung von Kontaktmaterial und Opferschicht, hinsichtlich technologischer Kompatibilität wie Temperaturbelastbarkeit und Haftfestigkeit.
In der Veröffentlichung von T. Seki et al . "Development of a large-force low-loss metal-contact RF MEMS switch", Sensors and Actuators A, Vol. 132, 2006, Seiten 683 - 688 ist ein HF-Schalter mit vertikaler
Aktuierung beschrieben, der mittels Volumenmikrotechnologie gefertigt ist . Dabei ist eine Trennung der hochfrequenzführenden Leiter von der Elektrodenfläche realisiert. Die Elektrodengrundfläche A kann somit unabhängig von dem Verhalten bei Hochfrequenz ausgelegt werden. Ein Nachteil dieser Technologie ist, wie
beispielsweise auch in der erwähnten Druckschrift US 2004/0113727 Al gezeigt ist, dass die rückstellende Kraft in der Regel nur durch Federkräfte erzeugt werden kann. Das aktive Rückstellen des Schaltkontaktes mittels elektrostatischer Kraft erfordert in diesem Fall eine zusätzliche Waferebene und damit zusätzliche Kosten. Unabhängig von der eingesetzten Technologie unterliegt die Aktuierung in vertikaler Richtung allgemein der Einschränkung, dass die Elektrodenflä- che nicht größer als die Bauelementegrundfläche sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikromechanische Schaltervorrichtung zum Schalten einer HF-Signalleitung zu schaffen, die eine hohe Kontaktkraft für den Schaltkontakt zum überbrücken der HF- Signalleitung zur Verfügung stellt und die klein und kostengünstig herzustellen ist und gute Hochfrequenz- eigenschaften und hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Dadurch, dass zwischen elektrostatischem Antrieb und Schaltkontakt eine Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung geschaltet ist, wird eine im Verhältnis zur Chipfläche und zur Aktuatorspannung bzw. Antriebsspannung höhere Kontaktkraft beim Schließen des Schaltkontakts ermöglicht. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Schaltens erhöht werden bzw. die zur Erzeugung der Kontaktkraft notwendige Elektrodenfläche verkleinert, wodurch die Aktuatorspannungen verringert werden, die Bauelementegröße sinkt und die Betriebsspannung kompatibel zu der von Geräten der Telekommunikationstechnik gemacht werden kann. Wei-
terhin wird durch Vorsehen einer Anordnung zur Hochfrequenzisolation zwischen Schaltkontakt und Antrieb eine galvanische Trennung der HF-Signalleitung sichergestellt und es werden gute HF-Eigenschaften ge- währleistet.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung eine Hebelanordnung mit einem vorgegebenen übersetzungsverhältnis aufweist, die über Federgelenke aufgehängt ist, da mit einer solchen Hebelanordnung die Kraft des elektrostatischen Antriebs verstärkt wird, wobei der Bewegungsweg des elektrostatischen Antriebs bezüglich des Stellwegs des Schaltkontakts vergrößert wird.
Zusätzlich oder anstelle der Hebelanordnung ist vorteilhafterweise ein elastisches Element mit progressiver Wirkung oder eine Kupplung in den Kraftfluss des Antriebs zum Schaltkontakt geschaltet, wodurch insbesondere auch das öffnen des Schaltkontakts ver- bessert werden kann. Aufgrund der zunehmenden Dehnung des elastischen Elements mit progressiver Wirkung wird die auf den Schaltkontakt übertragene Kraft ü- berproportional größer und zusätzlich durch die kinetische Energie der vergleichsweise schnelleren Bewe- gung des elektrostatischen Antriebs verstärkt. In vorteilhafter Weise wird bei dem mit einer Kupplung versehenen elektrostatischen Antrieb durch seine kinetische Energie die Kraft zum öffnen des Schaltelements und damit des Schalters erzeugt. Dies ge- schieht, da der Antrieb bereits in voller Bewegung ist, wenn er durch die Kupplung auf dem Kontakt an-
greift .
Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines elastischen Elementes mit progressiver Wirkung besteht darin, dass durch geeignete Dimensionierung des Federelements mit progressiver Wirkung bei Einsatz eines e- lektrostatischen Antriebs und der Variation des E- lektrodenabstands der relativ geringen erzeugten e- lektrostatischen Kraft am Anfang des Bewegungsweges eine ebenfalls relativ geringe Kraft des Federelements entgegen wirken kann, , d.h. der elektrostatische Antrieb mit Variation des Elektrodenabstandes erzeugt eine bezüglich des Stellwegs progressiv zunehmende Kraft, die bei der Verwendung eines progres- siven Federgelenks oder eines Federelements mit progressiver Wirkung besser hinsichtlich maximalem Stellweg und Endkraft ausgenutzt werden kann als bei Kombination mit einem linearen Federelement . Dieser Vorteil gilt auch bei Verwendung der Kupplung.
Grundsätzlich ist die Variation des Elektrodenabstandes bei progressiver Feder sinnvoll, während die Variation der Elektrodenüberdeckung für Hebel mit hoher übersetzung und bei einer Schwungmasse mit Kupplung zu wählen ist.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der elektrostatische Antrieb als Kammantrieb mit einer Mehrzahl von kammartig ausgebildeten festste- henden Elektroden und einer Mehrzahl von kammartig ausgebildeten beweglichen Elektroden, die ineinander greifen, vorgesehen. Mit Hilfe einer solchen Anordnung ist es möglich, eine sehr flächensparende Geometrie der Antriebskämme zu wählen.
Vorteilhaft ist, dass das Schalterteil mittels der
oberflächennahen Volumenmikrotechnologie hergestellt ist und der Antrieb eine laterale Aktuierung aufweist. Die Strukturierung von einkristallinem Silizium mittels anisotropen Trockenätzverfahren erlaubt eine weitgehende freie Gestaltung des Antriebs und der hochfrequenzführenden Baugruppen mit hohem Aspektverhältnis. Durch den Einsatz von Kammstrukturen kann die Elektrodengrundfläche bei gleicher Bauelementegrundflache stark vergrößert werden und die Rea- lisierung von kleinen Kammabständen und die Implementierung von Kraftübersetzung sind somit möglich, wobei zusätzlich durch die Verwendung von einkristallinem Silizium als Funktionsschicht keine Materialspannungen im Silizium auftreten.
In vorteilhafter Weise sind der elektrostatische Antrieb, die Hebelanordnung, die Federgelenke und gegebenenfalls das elastische Element mit progressiver Wirkung sowie die Kupplung aus einem hochohmigen Si- liziumsubstrat strukturiert, wobei zwischen Antrieb und Schaltkontakt zur galvanischen Trennung der HF- Signalleitung ein Isolierbereich vorgesehen ist. In diesem Bereich bewirkt das hochohmige Silizium eine hinreichend gute Isolation zwischen der HF—Sigal- leitung und dem elektrischen Antrieb. Dadurch kann der hochfrequenzführende Schaltkontakt von dem die Elektrodengrundfläche tragenden Antrieb elektrisch isoliert werden und es werden gute Hochfrequenzeigenschaften gewährleistet. Grundsätzlich ist durch die Verwendung von hochohmigem Silizium eine weitgehende elektrische Isolierung zwischen dem Antrieb und dem HF-Strompfad gegeben. Dadurch, dass der Widerstand der elektrischen Verbindung zwischen den Kontakten und dem Hebelmechanismus bzw. dem Aktor oder Antrieb im Vergleich zur Impedanz der zu schaltenden HF- Leitung, die in der Regel zwischen 30 Ohm und 300 Ohm
liegt, relativ sehr groß ist, sind die Verluste an HF-Leistung geringer als bei einer Vielzahl bisheriger Schaltungsanordnungen. Bei diesen bisherigen Schalteranordnungen ist deshalb oft eine externe Ent- kopplung des HF-Strompfades von der Aktuierungsspan- nung erforderlich, die zusätzliche Bauteile und oft eine Frequenzabhängigkeit der Entkopplung verursacht. Derartige Nachteile werden mit der Erfindung vermieden.
Der Schaltkontakt kann starr oder vorzugsweise flexibel sein, da bei letzterem aufgrund seiner seitlichen Reibbewegung in Verbindung mit einer hohen Kontakt- kraft die Zuverlässigkeit des Schalters erhöht wird.
In vorteilhafter Weise sind der Antrieb, die Vorrichtung zur mechanischen KraftverStärkung mit Schaltkontakt und die HF-Signalleitung innerhalb eines Bondrahmens des Schalterteils strukturiert, der mit einem Deckel dicht verbunden ist, wobei der Deckel Durchbrüche für den Zugang zu elektrischen Anschlussflächen in abgedichteter Weise aufweist. Durch die verwendete Kombination oberflächennaher Mikromechanik mit Verkapselungsmethoden, die eine gleichzeitige Verkapselung aller Elemente auf dem Substrat unter
Einschluss beliebiger Gasarten und Drücke, insbesondere inerter oder reduzierender Gase gestattet und integrierte elektrische Durchführungen enthalten, wird eine kleine Bauform und Baugröße bei gleichzei- tiger hoher Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit ermöglicht. Durch die Möglichkeit des hermetischen Verschießens auf Waferlevel kann der HF-Schalter mit herkömmlichen Technologien zur Bestückung von Leiterplatten verarbeitet werden und durch das Einschließen eines Vakuums können die Schaltzeiten verkleinert werden.
Wie ausgeführt, ist die Herstellungstechnologie für dieses Schalterkonzept eine oberflächennahe Volumen- technologie wie Air Gap Insulated Microstructure (AIM) -Technologie oder Single Crystal Reactive Ion
Etching and Metallization (SCREAM) -Technologie unter Verwendung von hochresistivem Silizium als Wafermate- rial . Für einen elektrostatischen Antrieb ermöglichen diese Technologien die Herstellung einer Elektroden- fläche, welche größer sein kann als die dafür verwendete Chipfläche. Weiterhin ermöglichen diese Technologien die galvanische Trennung der Hochfrequenzsig- nalleitung und des elektrostatischen Antriebs.
Insgesamt wird erfindungsgemäß ein mikromechanischer HF-Schalter zur Verfügung gestellt, der bei gleichen Betriebsparametern und gleicher Chipgrundfläche wie bei HF-Schaltern nach dem Stand der Technik eine höhere Kontaktkraft erzeugt bzw. der für das Erzeugen einer hinsichtlich der erforderlichen Zuverlässigkeit entsprechenden Kontaktkraft eine niedrigere Aktuie- rungsSpannung und/oder eine kleinere Chipgrundfläche benötigt. Zur Gewährleistung guter Hochfrequenzeigenschaften ist der Schaltkontakt vom Aktuator elekt- risch isoliert und die Zuverlässigkeit des Schalters bei großer Anzahl von Schaltspielen, z.B. 10 9 hinsichtlich geringer Kontaktwiderstände in eingeschaltetem Zustand und hoher HF-Dämpfung im ausgeschalteten Zustand ist gegeben.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung der mikromechanischen Schaltervorrichtung nach
der Erfindung mit einseitig wirkendem Antrieb;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfin- dungsgemäßen Schaltervorrichtung mit zweiseitig wirkendem Antrieb;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung mit zweiseitig wirkendem Antrieb und elastischen Elementen mit progressiver Wirkung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der erfin- dungsgemäßen Schaltervorrichtung mit einem Antrieb zum Schließen und einen Antrieb zum öffnen, wobei eine Kupplung zwischen diesen Antrieben vorgesehen ist;
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Schalterteil der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung entsprechend dem Wirkprinzip nach Fig.
1;
Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Schalterteil der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung nach dem Wirkprinzip entsprechend Fig. 2;
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Schalterteil der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung mit einer Kupplung entsprechend dem Wirkprinzip nach Fig. 4;
Fig. 8 ein mit einem Deckel abgeschlossenes
Schalterteil im Schnitt, in etwa entsprechend der strichpunktierten Schnittlinie in Fig. 7; und
Fig. 9 einen Schnitt durch eine Schaltervorrichtung, die der nach Fig. 8 entspricht, aber mittels der AIM-Techno- logie hergestellt ist.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Wirkmechanismus der erfindungsgemäßen mikromechanischen Schaltervorrichtung dargestellt, wie sie entsprechend der Darstellung nach Fig. 5 in der Volumentechnologie mit in lateraler Richtung aktuierten Strukturen reali- siert ist. Der Wirkmechanismus entsprechend Fig. 1 ist mit einer Hebelanordnung 1 versehen, die über mehrere Federgelenke 2 bewegbar ist, wobei in der Darstellung nach Fig. 1 ein Federgelenk 2 einen Anker 3 aufweist, der mit der vorhandenen Struktur, im vor- liegenden Fall mit einem Substrat, fest verbunden ist. Eine unterbrochene HF-SignalIeitung 4 ist schematisch angedeutet, wobei ein Schaltkontakt 5, der starr oder flexibel sein kann, die unterbrochene Leitung 4 überbrücken kann. Der Schaltkontakt 5 ist mit einem Ende der Hebelanordnung 1 verbunden. Das andere
Ende der Hebelanordnung ist über das Federgelenk 2 mit einem elektrostatischen Antrieb 6 verbunden, der unidirektional wirkt. Wenn der elektrostatische Antrieb 6 aktiviert wird, wird auf die Hebelanordnung 1 über das Federgelenk 2 eine Kraft aufgebracht, die sich entsprechend dem übersetzungsverhältnis der Hebelanordnung 1 auf den Schaltkontakt 5 überträgt, wodurch der Schaltkontakt bewegt und gegen die HF- Leitung gedrückt wird und der Schalter geschlossen wird. Wird der Antrieb deaktiviert, wird der Schalt- kontakt 5 durch die rücktreibende Kraft der Federge-
lenke 2 geöffnet und verharrt im deaktivierten Zustand des Antriebs in der Offenstellung. Der elektrostatische Antrieb 6 wird, wie weiter unten beschrieben wird, durch eine Aktuierungsspannung U aktiviert.
Für ein zuverlässiges Schließen und öffnen des Schalters und für einen geringen Kontaktwiderstand ist jeweils eine bestimmte Kraft erforderlich. Die Kraft beim öffnen des Schaltkontakts wird ohne Kraft des elektrostatischen Antriebs 6 durch die rücktreibende Kraft der Federgelenke aufgebracht und wird durch
^k_off = KXmax '3 )
auf der Kontaktseite der Hebelanordnung 1 bzw.
r a_off ~ ^'
auf der Seite des elektrostatischen Antriebs be- schrieben. Dabei sind a das übersetzungsverhältnis der Hebelanordnung 1 bezüglich der Kraft und k die Steifigkeit der Federgelenke auf der Kontaktseite der Hebelanordnung 1 und x max der maximal vom Schaltkontakt 5 zurückgelegte Weg. Da die benötigte Kraft zum öffnen hauptsächlich von der Gestaltung des Schaltkontakts 5, dem Kontaktmaterial und den Betriebsbedingungen, wie HF-Leistung, Feuchtigkeit usw. abhängt, kann von einer bestimmten Kraft zum öffnen des Kontakts ausgegangen werden, die ursächlich aus- schließlich von den Federgelenken 2, der Einfachheit halber wird nur von einem Federgelenk im Folgenden gesprochen, aufgebracht wird. Damit ist der Bewegungsweg des elektrostatischen Antriebs 6 ax max . Die vom elektrostatischen Antrieb 6 für den geschlossenen Schalterzustand aufzubringende Kraft auf der Kontakt-
seite der Hebelanordnung 1 ergibt sich aus der Summe der rücktreibenden Kraft und der zum zuverlässigen Schließen benötigten Kontaktkraft F k , die ebenso wie die Kraft zum öffnen des Schaltens von der Gestaltung des Schaltkontakts 5, dem Kontaktmaterial und den o- ben genannten Betriebsbedingungen abhängt und durch
F k _ oπ = kX max + F k ( 5 )
beschrieben wird. Die Kraft auf der Seite des elektrostatischen Antriebs 6 ist dann
Vv -4- F ^a on = a • ( 6 >
Die vom elektrostatischen Antrieb 6 aufzubringende Kraft wird vom übersetzungsverhältnis a geteilt und verringert. Unter der beispielhaften Annahme, dass die Beträge der Kontaktkraft zum Schließen und zum öffnen des Schalters gleich sind, wird die vom elekt- rostatischen Antrieb 6 aufzubringende Kraft um den
Faktor a vermindert. Die Kraft des elektrostatischen Antriebs 6 wird durch die Hebelanordnung 1 verstärkt, wobei der Bewegungsweg des elektrostatischen Antriebs 6 bezüglich des Stellweges des Schaltkontakts 5 ver- größert wird. Elektrostatische Kammantriebe mit Variation der Elektrodenüberdeckung eignen sich bei diesem Lösungsweg besonders, weil deren Kraft nicht von dem Bewegungsweg x abhängt. Bei langem Weg auf der Antriebsseite des Hebels und verhältnismäßig kleiner Kraft ist der Antrieb mit Variation der Elektrodenüberdeckung günstig einsetzbar. Bei Mechanismen, die am Bewegungsanfang eine geringe Kraft benötigen, die mit zunehmendem Bewegungsforschritt größer wird, ist die Variation des Elektrodenabstandes nützlich (pro- gressive Feder) .
In Fig. 5 ist ein Schalterteil 14 entsprechend dem Wirkprinzip nach Fig. 1 in Draufsicht dargestellt, wobei die wesentlichen Teile, wie Antrieb, Hebelan- Ordnung, Federgelenke aus einem hochohmigen Silizium strukturiert sind und die metallischen leitenden Flächen sowie der Schaltkontakt abgeschieden sind. Das Schalterteil 14 bzw. der Chip weist einen umlaufenden Bondrahmen 12 auf, innerhalb dessen die genannten Bauelemente angeordnet sind. Das Schalterteil 14 wird, wie weiter unten beschrieben wird, mit einem Deckel verbunden, durch den die für die elektrische Verbindung der Hochfrequenzleitung und des Antriebs nach außen notwendigen Kontakte bzw. elektrische An- schlussflächen 11 zugänglich sind.
Die HF-Leitung 4, die durch Metallabscheidung hergestellt wird, ist mit 4 bezeichnet und die dazu gehörige Masseleitung mit 13. HF-Leitung 4 und Masselei- tung 13 sind mit Anschlussflächen 11 versehen, wobei diese Flächen ebenfalls vom Bondrahmen umgeben sind, was durch gleiche Schraffur angedeutet ist. Der Bondrahmen 12 selbst ist mit einer elektrisch leitenden Metallisierung beschichtet, die, wie weiter unten er- läutert wird, bei der Verbindung mit dem Deckel als Haftvermittlerschicht dient.
Mit 6 ist ein Kammantrieb bezeichnet, der im Ausführungsbeispiel zwei Antriebsteile aufweist und der nach dem Prinzip der Variation der Elektrodenüberde- ckung ausgeführt ist. Dabei ist eine Vielzahl von mit dem Substrat 27 fest verbundenen Elektroden 28 und eine Vielzahl von ebenfalls kammartig angeordneten beweglichen Elektroden 29 vorgesehen, wobei festste- hende und bewegliche Elektroden 28 und 29 jeweils ineinander greifen. Die beweglichen Elektroden 29 sind
mit der Hebelanordnung 1 verbunden, wobei die Hebelanordnung in diesem Ausführungsbeispiel zwei in Draufsicht im Ruhezustand parallel angeordnete Balkenteile 30 aufweist, die jeweils, wie in der Figur zu sehen ist, mit zwei Reihen von beweglichen Elektroden 29 verbunden sind. An dem Ende der Balkenteile 30 ist der Schaltkontakt 5 angeordnet, der aus einer oder, wie dargestellt, aus zwei oder auch mehreren Kontaktflächen bestehen kann. Die Balkenteile ver- zweigen sich entsprechend dem Antrieb 6 nach beiden
Seiten und sind über Federgelenke 2 mit Ankern 3 verbunden, die wiederum fest mit dem Substrat 27 verbunden sind. Die AktuierungsSpannung für den elektrostatischen Antrieb 6 wird über Anschlussflächen 11 zuge- führt, wobei in der Darstellung die obere Anschluss- fläche 11 mit den feststehenden Elektroden 28 und die in der Fig. 5 untere Anschlussfläche 11 über den Anker das Federgelenk 2 und die Balkenteile 30 mit den beweglichen Elektroden 29 elektrisch verbunden ist. Im Bereich zwischen Schaltkontakt und elektrischem
Antrieb 6, hier im vorderen Teil der Hebelanordnung 1 befindet sich ein Isolierbereich 20, der aufgrund der Herstellungstechnologie an mindestens einer Stelle den Bondrahmen 12 schneiden muss.
über die Hebelanordnung 1, die mit Hilfe der Federgelenke 2 elastisch mittels Anker 3 am Substrat 27 des Schalterteils 14 befestigt ist, wird der Weg des e- lektrostatischen Antriebs 6 für den Schaltkontakt 5 untersetzt. Dabei wird eine Kraftübersetzung im Verhältnis der durch die Balkenteile 30 realisierten Hebelarme der Hebelanordnung 1 erreicht. Zum Schließen des Schaltkontakts 5 wird der Antrieb 6 über die Anschlussflächen 11 mit der Aktuatorspannung beauf- schlagt, wodurch die beweglichen Kontakte sich bewegen und sich die Hebelarme bzw. Balkenteile 30 ent-
sprechend verbiegen. Durch diese Bewegung wird der Schaltkontakt 5 gegen die unterbrochene HF-Leitung 4 gepresst, wodurch die Verbindung hergestellt wird. Nach Abschalten der Aktuatorspannung öffnet die in den Federgelenken 2 gespeicherte Rückstellkraft den Schaltkontakt 5 wieder.
Durch den Isolierbereich 20, der durch die Unterbrechung der Metallisierung auf der Hebelanordnung 1 ge- bildet wird, ist es möglich, das elektrische Potential vom elektrostatischen Antrieb 6 und dem Schaltkontakt 5 zu trennen. Wie schon ausgeführt, erfolgt im Bereich der Bondrahmen 12 eine Verbindung zwischen dem dargestellten Schalterteil 14 und dem nicht dar- gestellten Deckel, wobei die Kontaktflächen durch den Deckel hindurch von außen zugänglich bleiben, so dass eine elektrische Kontaktierung der HF-Signalleitung 4 der HF-Masseleitung 13 und der Elektroden des elektrostatischen Aktors erreicht werden kann.
In Fig. 2 ist die Prinzipdarstellung einer Schalteranordnung, die sich zu der nach Fig. 2 durch einen zweiseitig wirkenden elektrostatischen Antrieb 6-1, 6-2 unterscheidet, d.h., dieser Antrieb ist so ausge- führt, dass er die Bewegung zum Schließen des Schaltelements 5 und auch die entgegengesetzte Bewegung zum öffnen des Schaltelements 5 aufbringt und somit bidirektional wirkt. Da in diesem Fall der Schaltkontakt nicht durch die Kräfte des Federgelenks 2 sondern durch die vom elektrostatischen Antrieb 6 erzeugten Kräfte getrennt werden, kann das Federgelenk im Vergleich zu der Lösung nach Fig. 1 bzw. Fig. 5 mit sehr viel geringerer Steifigkeit k dimensioniert werden. Das Federgelenk 2 reduziert so die Kraft des elektro- statischen Antriebs um einen wesentlich kleineren Teil als das bei bekannten Lösungen, bei denen die
Kraft zum öffnen des Schaltkontakts durch eine Feder aufgebracht wird, der Fall ist. Das Federgelenk 2 ist zweckmäßigerweise so ausgeführt, dass im Zustand ohne elektrische Ansteuerung der Schalter in der ausge- schalteten Position verbleibt.
In Fig. 6 ist ein Schalterteil 14 mit dem Wirkungsprinzip der Fig. 2 dargestellt, wobei sich diese Ausführungsform zu der nach Fig. 5 in der Hebelanordnung 1 und, wie schon erwähnt, in der Art des elektrostatischen Antriebs 6 bzw. 6-1 und 6-2 unterscheidet. Da der Antrieb bidirektional wirken muss, ist bei der Ausführung als Kammantrieb die Einführung eines zweiten feststehenden Elektrodensystems nötig. In der Ausführung nach Fig. 6 sind somit eine Mehrzahl von ersten feststehenden Elektroden 31, eine Mehrzahl von zweiten feststehenden Elektroden 32 vorgesehen, die zusammen mit den beweglichen Elektroden 33 die Antriebe 6-1 zum öffnen und 6-2 zum Schließen des Schaltkontaktes 5 bilden. Dabei ist zusätzlich zu erkennen, dass der gesamte Antrieb 6 aus zwei (grundsätzlich können es mehrere sein) gleichsinnig wirkenden Bereichen (Teilantreiben} besteht, die nebeneinander angeordnet sind und die den gleichen Aufbau ha- ben, d.h., beide Teilantriebe bestehen aus zwei feststehenden Elektrodensystemen und einem beweglichen Elektrodensystem, wobei jeweils die beweglichen kammartigen Elektroden 33 zwischen einer Elektrode 31 des ersten feststehenden Elektrodensystems und einer E- lektrode 32 des zweiten feststehenden Elektrodensystems liegen. Die Aufteilung in zwei oder mehrere Teilantriebe bringt den Vorteil mit sich, dass die Länge der Aufbiegung mechanisch belasteten Elektroden und deren Deformation wegen der elektrostatischen Kraft geringer werden. Die zwei feststehenden Elektrodensysteme werden jeweils mit einer Spannung beauf-
schlagt, die über die in Fig. 6 rechts vorgesehenen Anschlussflächen und entsprechenden Leitungen zugeführt wird und vorzugsweise für beide den gleichen Wert aufweist, während die beweglichen Elektroden 33 üblicherweise auf Masse liegen. Für die Anordnung der zwei feststehenden Elektrodensysteme aus den Elektroden 32 und 31 muss eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Kreuzungspunkten 26 der elektrischen Anschlüsse vorgesehen werden, um so die bidirektionale Krafterzeugung zu organisieren.
Die beweglichen Elektroden 33 sind einerseits über Federgelenke 2 fest mit dem Substrat 27 verbundenen Ankern 3 verbunden und andererseits wiederum über je- weils ein Federgelenk 2 mit einem relativ starren Balken 34, der auf das Ende eines lang gestreckten Hebels 35 wirkt. Dieser Hebel kann, wie aus der Fig. 6 zu erkennen ist, um 90° umgelenkt sein und weist an seinem Ende den Schaltkontakt 5 auf. Auch der Hebel ist an einem Federgelenk mit einem Anker verbunden.
Wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bewirkt die Ausführung der Hebelanordnung 1 im Zusammenspiel mit den Federgelenken 2 und den elektrischen Antrie- ben 6-1 und 6-2 die Bewegung des Schaltkontakts 5 in Richtung der HF-Signalleitung und von dieser weg mit Kraftübersetzung und Verminderung des Stellweges. Dabei werden die feststehenden ersten Elektroden 31 des Antriebs 6-2 mit einer Spannung beaufschlagt, wodurch die beweglichen Elektroden 33 den Hebelarm über den Balken 34 zum Schließen des Schaltkontakts 5 bewegen. Zum öffnen des Schaltkontakts 5 wird auf die zweiten feststehenden Elektroden 32 des Antriebs 6-1 vorzugsweise die gleiche Spannung aufgebracht, wobei der An- trieb 6-2 nicht mehr aktiviert ist, wodurch sich die beweglichen Elektroden 33 mit dem Balken 34 und dem
Hebel 35 in die entgegengesetzte Richtung zum öffnen des Schaltkontakts 5 bewegen.
Auch hier ist der Hebelarm 35 vor dem Schaltkontakt 5 mit einem Isolationsgebiet 20 versehen, das den Bond ¬ rahmen 5 schneidet.
In der Fig. 3 ist schematisch eine weitere Möglich ¬ keit einer Vorrichtung zur Kraftverstärkung bzw. - ü bertragung vorgesehen, wobei im Kraftfluss zwischen dem Schaltkontakt 5 und dem Antrieb 6 ein elastisches Element mit progressiver Wirkung 7 eingesetzt ist. Zusätzlich ist ein weiteres elastisches Element mit progressiver Wirkung 7 dem Antrieb 6 nachgeschaltet und über Federgelenke 2 verankert. Die zwei elasti ¬ schen Elemente mit progressiver Wirkung 7 dienen zur Vergrößerung der Kraft beim öffnen und Schließen des Schaltkontakts 5. Mit den elastischen Elementen 7 und den Federgelenken 2 wird erreicht, dass sich der e- lektrostatische Antrieb 6 mit seiner Masseträgheit am Anfang des Schließ- bzw. öffnungsVorgangs schneller bewegt als der Schaltkontakt. Mit zunehmender Dehnung des elastischen Elements mit progressiver Wirkung 7 wird die auf den Schaltkontakt 5 übertragene Kraft überproportional größer und durch die kinetische E- nergie der vergleichsweise schnelleren Bewegung des elektrostatischen Antriebs verstärkt. Diese Variante realisiert die Kraftverstärkung durch den kinetischen Effekt der bewegten Aktormasse und durch das elasti- sehe Element mit progressiver Wirkung, was die Kraft beim Ablösen verstärkt.
Ein weiteres prinzipielles Ausführungsführungsbei- spiel ist in der Fig. 4 dargestellt, wobei eine über Federn aufgehängte Kupplung zwischen einem ersten An ¬ trieb 6 zum öffnen und einem zweiten Antrieb 6 zum
Schließen des Schaltkontakts angeordnet ist. Der in der Fig. 4 linke Antrieb dient zum Schließen des Kontaktelements und der in der Figur rechts dargestellte Antrieb dient zusammen mit der Kupplung 8 zum öffnen des Schaltkontakts 5. Die Kupplung 8 verursacht aufgrund eines eingebauten Spiels, dass der Kraftfluss zwischen dem elektrostatischen rechten Antrieb 6 und dem Schaltkontakt erst zustande kommt, wenn der Antrieb 6 bereits eine gewisse Geschwindigkeit erreicht hat. Mit seiner Energie wird damit die Kraft zum öffnen des Schalters auf den Schaltkontakt erzeugt .
Ein Vorteil der Ausführungsformen der Fign. 3 und 4 besteht darin, dass durch geeignete Dimensionierung des Federelements mit progressiver Wirkung 7 bzw. der Kupplung 8 bei Einsatz eines elektrostatischen Antriebs unter Variation des Elektrodenabstands der relativ geringen erzeugten elektrostatischen Kraft am Anfang des Bewegungsweges eine ebenfalls relativ ge- ringe Kraft des Federelements entgegenwirken kann.
Das führt dazu, dass die vom elektrostatischen Antrieb 6 erzeugte Kraft besser die Kraft des Federgelenks 2 überwinden kann, um die maximale Auslenkung zu erreichen.
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Schalterteils 14 dargestellt, das die Wirkungsweise entsprechend Fig. 4 mit einer Hebelanordnung realisiert und eine Kupplung 8 umfasst. Dabei entspricht die Hebelanordnung 1 in ihrer Ausführung der nach Fig. 6.
Der elektrostatische Antrieb 6 ist in zwei gegensinnig wirkende Bereiche 6-1 und 6-2 flächig aufgeteilt. Der rechte Antrieb 6-1 arbeitet nach dem Prinzip der Abstandsvariation der Elektroden und erzeugt die
Kraft zum Schließen des Kontakts. Dabei sind die be-
weglichen Elektroden 36, die wiederum über Federgelenke 2 an Ankern 3 aufgehängt sind, mit dem Ende des Hebels 35 der Hebelanordnung 1 über ein Federgelenk verbunden .
wie oben im Zusammenhang mit Fig. 2 bzw. Fig. 6 erläutert wurde, ist die Steifigkeit der Federgelenke viel geringer, als dass sie die Kraft zum öffnen des Schaltkontakts 5 aufbringen könnten. Deshalb wird ein Großteil der Kraft des elektrostatischen Antriebs 6-1 bei geschlossenem Schalter als Kontaktkraft wirksam. Der elektrostatische Antrieb 6-2 wird während des Schließens des Schalters bzw. des Schaltkontakts 5 nicht mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt.
Der elektrostatische Antrieb 6-2 arbeitet nach dem Prinzip der Variation der Elektrodenüberdeckung, wobei der Antrieb ähnlich dem nach Fig. 5 ausgebildet ist. Er weist eine Vielzahl von ineinander greifenden feststehenden und beweglichen kammartigen Elektroden 28, 29 auf, wobei die beweglichen Elektroden 29 mit der Kupplung 8 verbunden sind, die wiederum an dem Hebel 35 angelenkt ist. Zum öffnen des Schalters wird der elektrostatische Antrieb 6-1 nicht mit einer Spannung beaufschlagt und der Antrieb 6-2 aktiviert. Dieser ist wie in den anderen Ausführungsbeispielen mittels Federgelenke 2 und Anker 3 elastisch am Substrat 27 des Schalterteils 14 verankert und bewegt sich in Richtung der Zunahme der elektrischen Kapazi- tat entgegengesetzt zur Wirkrichtung des elektrostatischen Antriebs 6-1. Die Kupplung 8 verursacht mittels eines eingebauten Spiels, dass der Kraftfluss zwischen dem elektrostatischen Antrieb 6-2 und dem Hebel 1 erst zustande kommt, wenn der Antrieb 6-2 bzw. seine beweglichen Elektrode 29 bereits eine gewisse Geschwindigkeit erreicht haben. Mittels der in
der Masse des elektrostatischen Antriebs 6-2 gespeicherten kinetischen Energie wird ein Kraftstoß über den Hebel 1 auf das Kontaktelement 5 übertragen, der zum Trennen der Kontakte genügend groß ist . Ansonsten sind wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 entsprechende Anschlussflächen 11 für die Zuführung der Spannungen zu den Antrieben 6-2, 6-1. In gleicher Weise ist ein Isolationsgebiet 20 vorgesehen.
Bei allen Ausführungsformen wird der Schaltkontakt 5 beim Berühren der Hochfrequenzsignalleitung 4 verformt und ermöglicht damit einen zuverlässigen Kontakt, dass eine Reibbewegung stattfinden kann.
In Fig. 8 ist ein Schnitt durch eine mikromechanische Schaltervorrichtung dargestellt, wobei hier vorerst nur auf den Deckel 9 Bezug genommen werden soll. Ein solcher Deckel wird bei den Ausführungsformen nach den Fign. 5 bis 7 verwendet und es wird ein hermeti- scher Verschluss sowie eine Kontaktierung des elektrostatischen Antriebs 6 und der Hochfrequenzsignalleitung 4 durch den durchkontaktierten Deckel 9 aus Glas oder hochohmigem Silizium oder einem anderen geeigneten Material unter Verwendung eines Fügeprozes- ses, wie beispielsweise eutektisches Bonden, anodisches Bonden oder Glas-Fritte-Bonden erreicht. Dies ermöglicht die angestrebte Verwendbarkeit für herkömmliche Leiterplattentechnik und eine kurze Schalt- zeit durch die Möglichkeit des Einschließens von Va- kuum in den inneren Hohlraum 25. Die elektrische Kontaktierung der HF-Signalleitung 4 und der Anschlüsse des elektrostatischen Antriebs 6 wird dadurch erzielt, dass Durchbrüche 10 in Deckel 9 einen Zugang zu den Anschlussflächen 11 freigeben.
Für die Herstellung des elektrischen Kontakts zwi -
sehen den jeweiligen äußeren Anschlüssen des HF- Schalters und der HF-Signalleitung 4 bzw. den Elektroden des elektrostatischen Antriebs 6 werden zwei grundsätzliche Lösungen verfolgt. Bei der ersten wird der elektrische Kontakt beim Fügeprozess zwischen Deckel und Schalterteil hergestellt. Dabei wird entweder die gesarate Fügeschicht oder Teile davon als e- lektrischer Leiter benutzt. Im letzteren Fall müssen diese Teile nicht notwendigerweise zum Fügeprozess beitragen. Die so hergestellte elektrische Verbindung kann durch eine vor dem Fügeprozess oder nach dem Fügeprozess im Deckel hergestellte Durchkontaktierung nach außerhalb des Gesamtaufbaus geleitet werden. Bei der zweiten entsteht während des Fügens eine Ausspa- rung im Bereich der elektrischen Kontaktflächen, auf die durch eine vor oder nach dem Fügeprozess erzeugte öffnung von außen zugegriffen werden kann.
Im Zusammenhang mit Fig. 8, die zumindest andeutungs- weise einen Schnitt entsprechend der strichpunktierten Linie der Fig. 7 darstellt, soll ein Beispiel für das Herstellungsverfahren erläutert werden. Das Schalterteil 14 besteht aus hochresistivem Silizium. Nach dem Erzeugen einer SiO 2 -Schicht 15 auf der Vor- der- und Rückseite des Substrats 27 des Schalterteils 14 werden mittels lithografischer Strukturierungen und einem Trockenätzprozess mit Seitenwandpassivie- rung und nachfolgendem Freiätzen Gräben 16 und bewegliche Strukturen 17 erzeugt, die im vorliegenden Fall beispielsweise den Hebel 35 umfassen. Eine anschließend hergestellte teilweise oder ganzflächige Aluminiumschicht 18 dient als Hochfrequenzsignalleitung und ermöglicht die Kontaktierung der hier allerdings nicht zu erkennenden Elektroden des elektrostatischen Antriebs sowie die Ausbildung dessen Elektroden. Mit Hilfe einer Schattenmaske bei der Beschichtung kann
die Metallisierung auf der Hebelanordnung 1 im Isolierbereich 20 unterbrochen und damit eine Isolation der Hochfrequenzsignalleitung 4 vom elektrischen Potential des elektrostatischen Antriebs erreicht wer- den. Nachfolgend wird der Bereich des Schaltkontakts 5 und gegenüberliegende Bereiche der Hochfrequenzleitung 4 mit einer Schicht oder einem Schichtstapel aus Gold, Platin, Titan und Wolfram oder einem anderen geeigneten Material beschichtet.
Der Verschluss und die Kontaktierung der Anschluss- flächen wird mit Hilfe des durchkontaktierten Deckels 9 aus Glas oder einem anderen Dielektrikum oder einem anderen im Bereich der Durchkontaktierungen die- lektrisch isoliertem Material durchgeführt. Der Deckel 9 enthält im Ausführungsbeispiel auf der Unterseite geätzte Vertiefungen 19, um die Beweglichkeit des elektrostatischen Antriebs 6, der Hebelanordnung 1, der Federgelenke 2 und gegebenenfalls des progres- siven Federelements 7 oder der Kupplung 8 zu gewährleisten. Nach dem Verbinden mit dem Schalterteil 14 wird der Deckel 9 vorzugsweise abgedünnt, z.B. auf 50 μm Dicke. Dies ermöglicht ein einfaches ätzen der Durchbrüche 10. Nach dem Entfernen der ätzmaske für die Durchbrüche 10 werden Leiterstrukturen und die
Kontaktierung in den Durchbrüchen, z.B. mittels Sput- tern durch eine Schattenmaske erzeugt. Nachfolgend können die Kontaktpads 22 durch chemische Verdickung aufgebracht werden und später mit einem Lot-Bump für einen Flip-Chip-Montageprozess versehen werden.
In Fig. 9 ist ein schematischer Querschnitt des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters in einer alternativen Technologie, teilweise unter Verwendung des AIM-Verfahrens dargestellt. Hier besteht das Schalterteil 14 aus hochresistivem Silizium und der Deckel
9 aus einem Substrat, das zumindest teilweise aus polykristallinem, einkristallinem oder amorphem Silizium gebildet ist. Nach dem Erzeugen und Strukturieren einer SiO 2 -Schicht 15 wird die Aluminiumschicht 18 erzeugt und ebenfalls strukturiert. Danach werden die Gräben 16 und beweglichen Strukturen 17 ausgearbeitet. Anschließend erfolgt das Unterätzen der Aluminiumträger 23, so dass die beweglichen Strukturen lediglich durch diese Aluminiumträger mit den festste- hen Bereichen mechanisch verbunden sind. Die HF--
Signalleitung 4 und die dazugehörige Masseleitung 13 sowie das Kontaktelement 5 können z.B. mittels Schattenmasken mit Gold metallisiert und anschließend kann der Bereich des Schaltkontakts 21 ebenfalls mittels Schattenmaske dick metallisiert werden.
Wie schon im obigen Ausführungsbeispiel kann der Deckel in einem Nass- oder Trockenätzprozess Vertiefungen 19 erhalten, welche das Bewegen der Struktur er- möglichen. Danach wird die Unterseite mit einer strukturierten Goldmetallisierung 24 versehen. Die Durchbrüche 10 werden von der Oberseite bis zur Perforation geätzt.
Das Schalterteil 14 und der Deckel 9 werden nun in einem eutektischen Fügeprozess verbunden. Dabei wirken die SiO 2 -Schicht 15 und die Aluminiumschicht auf dem Schalterteil 14 als Barriere- bzw. Leitschicht. Dies dient der Verhinderung einer durchgehenden eu- tektischen Schicht und ist nötig, da die Kontaktie- rung der Hochfrequenzsignalleitung 4 mit den Anschlussflächen 11 bzw. der dazugehörigen Masseleitung 13 mit entsprechenden Anschlussflächen 11 wegen der schlechteren Leitfähigkeit des AuSi-Eutektikums nicht niederohmig genug sein würde.
Die oben beschriebene Schalteranordnung kann in der mobilen Kommunikation zur Verbesserung der Flexibilität der Endgeräte eingesetzt werden. Die Verteilung der übertragungskanäle auf mehrere, teilweise weit auseinander liegende Frequenzbänder erzwingt aufgrund begrenzter Filtersteilheiten und nicht beliebig breitbandig arbeitender Sender und Empfänger Kompromisse beim Entwurf von Antennen, Sender- und Empfängerschaltungen. Der Einsatz kleiner, hochwertiger mikromechanischer Hochfrequenzschalter nach der Erfindung wird in diesem Zusammenhang Verbesserungen hinsichtlich Einfügedämpfung, Isolation und vor allem hinsichtlich der Energieeffizienz bewirken.