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Die Erfindung betrifft einen MEMS-Schalter und
ein Verfahren zu seiner Herstellung. Speziell geht es um einen Hochfrequenz-
bzw. HF-MEMS-Schalter.
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MEMS-Schalter sind in unterschiedlichen Bauformen
bekannt. Typisch für
solche MEMS-Schalter, das heißt
Schalter eines mikro-elektromechanischen Systems, sind kurze Schaltzeiten, geringe
Einfügungsdämpfung,
hohe Isolation und geringe Schaltleistungen. Ein besonderer Vorteil
derartiger MEMS-Schalter ist die Nutzung von herkömmlichen,
aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrensschritten, so zum Beispiel Ätzverfahren,
Lithographieprozesse, CVD-Abscheidung und dergleichen. Durch Nutzung
von aus der 3D-Mikromechanik bekannten Prozessen in Verbindung mit
mikroelektronischen Arbeitsverfahren lassen sich MEMS-Schalter als Einzelschalter
oder als Schalter-Arrays herstellen.
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Spezielle Anwendungsgebiete für MEMS-Schalter
sind miniaturisierte Phased-Array-Antennen,
Filterschaltungen, veränderliche
Kapazitäten,
Mikrowellen-Phasenschieber
und dergleichen.
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Wie bei Schaltern und Relais üblich, enthält auch
ein MEMS-Schalter mindestens ein bewegliches Element, welches zum
Beispiel als einseitig eingespannter Biegebalken, als mittig gelagerte
Wippe, als bewegliche Membran oder als drehbar gelagertes Teil ausgebildet
sein kann.
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Aus der WO OO/77877 ist ein MEMS-Schalter
bekannt, bei dem auf einem Substrat eine Isolierschicht und auf
dieser Isolierschicht in Abstand voneinander feststehende Kontakte
ausgebildet sind. Über
den Kontakten schweben bewegliche Kontaktstücke, die isoliert an einem
Ende einer elektrisch leitenden Membran gehaltert sind. Die Membran
selbst ist mittig um eine elektrisch leitende Torsionsachse gelagert.
Die beiden längsseitigen
Enden der Membran, in deren Mitte sich die Torsionsachse befindet, stehen
jeweils einer Elektrode gegenüber.
Durch Anlegen einer Spannung an die eine oder die andere Elektrode
einerseits und an die Torsionsachse und mithin die elektrisch leitende
Membran, andererseits, wird die Membran gegen die betreffende Elektrode gezogen,
wodurch die beweglichen Kontakte gegen die feststehenden Kontakte
gezogen werden.
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Dieser MEMS-Schalter ist aufbauend
auf der Oberfläche
des Substrats ausgebildet. Ein besonderes Merkmal ist die Ausbildung
von beweglichen Kontakten an einem aus Isolierstoff bestehenden
verlängerten
Ende der Membran. Die Auslenkung der Membran ist relativ gering,
so daß sich
kein großer Dämpfungswert
des offenen Schalters erzielen läßt.
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Aus der US-A-6 069 540 ist ein MEMS-Schalter
in Form einer Schaltwippe bekannt, wobei an den beiden Enden einer
mittig von einer Schwenkachse gelagerten Membran bewegliche Kontaktstücke angebracht
sind, die jeweils einem festen Kontaktstück gegenüberstehen. Zwischen der mittigen
Schwenkachse und den äußeren Enden
der Membran befindet sich auf der die Membran lagernden Substratoberfläche Elektroden.
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Aus der
DE 198 23 690 C1 ist ein
MEMS-Relais bekannt, bei dem über
Torsionsachsen ein gekrümmter
Anker mit Abstand von auf einer Substratoberfläche ausgebildeten Elektroden
angeordnet ist. An den Enden des gekrümmten Ankers befinden sich bewegliche
Kontaktstücke
gegenüber
festen Kontaktstücken
auf der Substratoberfläche.
Wird eine der Elektroden an Spannung gelegt, wird der gekrümmte Anker
gegen diese Elektrode gezogen, und rollt wegen der Krümmung auf
der Elektrode ab, wobei dieser Vorgang durch Zustandekommen eines
elektrischen Kontakts zwischen feststehendem und beweglichem Kontaktstück abgeschlossen
wird.
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In der Druckschrift
DE 40 08 832 C1 ist ein Mikroschalter
beschrieben, der nach dem elektrostatischen Kraftprinzip betätigbar ist.
Dabei sind auf der Oberseite eines Substrats zwei Endkontakte ausgebildet,
wobei auf dem einen Endkontakt eine Schaltzunge befestigt ist, deren
freies Ende über
den gegenüberliegenden
Endkontakt ragt. Zwischen der Schaltzunge und einer darunter liegenden
Kraftelektrode zum Antrieb der Schaftzunge befindet sich ein Dielektrikum.
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Durch die vorliegende Erfindung soll
ein MEMS-Schalter angegeben werden, der eine besonders kompakte
Bauweise ermöglicht
und bei dessen Herstellung gängige
Fertigungsverfahren aus dem Bereich der Mikroelektronik vorteilhaft
eingesetzt werden können.
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Zu diesem Zweck schafft die Endung
einen MEMS-Schalter, welcher aufweist: ein Substrat;
eine auf
der Oberfläche
des Substrats ausgebildete Leiterbahn, die entlang einem vorbestimmten
Weg geführt
ist;
eine Grube, welche die Leiterbahn unterbricht und in Leiterbahnabschnitte
unterteilt;
eine quer zu dem Leiterbahn-Weg über die
Grube verlaufende, isolierende Schwenkachse;
eine an der Schwenkachse
gelagerte, elektrisch leitende Membran , wobei eine Seite der Membran
mit dem Ende des einen Leiterbahnabschnitts über ein elastisches Bändchen aus
elektrisch leitendem Material gekoppelt ist, und die andere Seite
der Membran über
eine Kontaktfläche
an dem Ende des anderen Leiterbahnabschnitts ragt; und
eine
Zug-Elektrode und/oder eine Druck-Elektrode die am Boden der Grube
unterhalb der Membran seitlich versetzt zur Schwenkachse angeordnet
ist.
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Die Besonderheit bei diesem MEMS-Schalter
besteht darin, dass die Leiterbahn direkt über die Membran geschaltet
wird. Die Membran ist auf der einen Seite z.B. mit einem elastischen
Metallbändchen an
den einen Leiterbahnabschnitt gekoppelt, das andere Ende der Membran
schwebt im geöffneten
Zustand des Schalters über
der Kontaktfläche
des anderen Leiterbahnabschnitts. Wird die Zugelektrode auf ein
geeignetes Potential gebracht, wird die Membran elektrostatisch
angezogen, demzufolge das freie Ende der Membran mit der Kontaktfläche des anderen
Leitungsabschnitts in Berührung
tritt. Die Kontaktfläche
ist vorzugsweise als Kontaktpaddel mit geringem Leitungswiderstand
ausgebildet.
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Um einen hohen Dämpfungswert des geöffneten
Schalters zu garantieren, wird erfindungsgemäß ein großer Abstand zwischen dem freien
Ende der Membran und der Kontaktfläche des Leitungsabschnitts
erzielt. Dies wird beispielsweise erreicht durch die Maßnahme,
die – als
Torsionsachse ausgebildete – Schwenkachse
weg von dem freien Ende der Membran zu versetzen. Hierdurch ergibt
sich ein relativ langes und ein relativ kurzes Membranstück auf der
einen und der anderen Seite der Schwenkachse. Das Ende des relativ
langen Membranstücks hat
einen großen
Abstand von der gegenüberliegenden
Kontaktfläche
des Leitungsabschnitts.
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Die Zugelektrode und die Druckelektrode (Pull-Elektrode
bzw. Push-Elektrode) der Elektrodenanordnung sind vorteilhaft über Elektrodenzuleitungen
quer zur Längserstreckung
der Grube bzw. der Membran auf die Substratoberfläche geführt, so
dass zum Betätigen
des Schalters auf der Substratoberfläche Kontaktpads zur Verfügung stehen.
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Zug- und Druckelektrode sind vorzugsweise von
einer Dielektrikumschicht bedeckt, insbesondere einer Nitridschicht.
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Die Grube ist beispielsweise in dem
Substrat ausgebildet. Vorteilhafterweise ist dabei die Schwenkachse
etwa im wesentlichen in Höhe
der Substratoberfläche
bzw. am oberen Rand der Grube gelagert.
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Die Grube kann aber auch durch einen
Zwischenraum zwischen den Leiterbahnabschnitten gebildet sein. Vorzugsweise
ist in diesem Fall die Schwenkachse etwa in Höhe der Leiterbahnoberfläche gelagert.
Beispielsweise befinden sich neben den Leiterbahnabschnitten auf
der Substratoberfläche
weitere Elemente, z.B. Elektroden, weitere Leiterbahnen oder ähnliches,
auf denen die Schwenkachse gelagert ist.
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Vorteilhafterweise wird die Öffnung der
Grube im wesentlichen durch die elektrisch leitende Membran verschlossen.
Vorzugsweise ist die Membran an ihrer einen Schmalseite mit dem
Ende des einen Leiterbahnabschnitts über ein Metallbändchen gekoppelt
und sie ragt an ihrer anderen Schmalseite über die Kontaktfläche an dem
Ende des anderen Leiterbahnabschnitts.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein
Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Schalters auf einem Substrat, wobei
der Schalter eine entlang einem vorbestimmten Weg auf der Substratoberfläche verlaufende
Leiterbahn in Leiterbahnabschnitte unterbricht.
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Gemäß einem Aspekt umfasst das
erfindungsgemäße Verfahren
folgende Schritte:
- a) in die Substratoberfläche wird
eine Grube geätzt;
- b) am Boden der Grube wird eine Elektrodenanordnung gebildet,
die über
Zuleitungen auf die Substratoberfläche geführt ist;
- c) die Grube wird aufgefüllt;
- d) auf der Substratoberfläche
wird quer zu dem Leiterbahn-Weg eine Isolierstoff-Schwenkachse gebildet;
- e) es werden Leiterbahnabschnitte ausgebildet;
- f) es wird eine Membranschicht ausgebildet; und
- g) unter der Schwenkachse und der Membranschicht wird das Material
bis zu der Elektrodenanordnung entfernt, so dass eine um die Schwenkachse
schwenkbare Membran zwischen den Leiterbahnabschnitten verbleibt.
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Gemäß einem anderen Aspekt umfasst
das erfindungsgemäße Verfahren
folgende Schritte:
- a) Aufbringen von Elektroden
auf einem Substrat (102)
- b) Ausbilden von Leiterbahnabschnitten (16a; 16b)
auf dem Substrat (102) entlang einem Leiterbahn-Weg, wobei
die Leiterbahnabschnitte (16a, 16b) durch einen
Zwischenraum in Form einer Grube (132) voneinander getrennt
sind;
- c) Auffüllen
der Grube (132) mit einem Füllmaterial;
- d) Aufbringen einer Isolierstoff-Schwenkachse (36, 38),
so dass sie sich quer zu dem Leiterbahn-Weg über die Grube (132)
erstreckt;
- e) Ausbilden einer Membranschicht, die mit der Isolierstoff-Schwenkachse
(36, 38) verbunden ist, über der Grube (132);
und
- f) Entfernen des Füllmaterials
unter der Isolierstoff-Schwenkachse (36, 38) und
der Membranschicht, so dass eine um die Isolierstoff-Schwenkachse
(36, 38) schwenkbare Membran (10) zwischen
den Leiterbahnabschnitten (16a, 16b) verbleibt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
gemäß beiden
Aspekten können
die einzelnen Schritte mit an sich bekannten Prozessen ausgeführt werden. Die
Leiterbahnabschnitte sind zum Beispiel Teil einer Mikrostreifenleitung
oder einer Koplanarleitung, wobei die nach dem Entfernen des Materials
unter der Membranschicht verbleibende Membran bei geschlossenem
Schalter eine direkte Überbrückung der durch
den Schalter unterbrochenen Leiterbahnabschnitte bildet.
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Die Membran wirkt bei der Betätigung des Schalters
selbst als Elektrode im Verein mit der Zugelektrode und/oder der
Druckelektrode zum Schließen
bzw. zum Öffnen
des Schalters. Die als Torsionsachse ausgebildete Schwenkachse hat
vorzugsweise die Form von Isolierstoff-Bändchen, die nach der Materialentfernung
unterhalb der Membranschicht die Membran an den seitlichen Wänden der
Grube auf der Substratoberfläche
oder, je nach dem bevorzugten Aspekt, auf einer Oberfläche benachbarter, auf
dem Substrat befindlicher Elemente halten.
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Die Torsionsachse kann aber auch
aus leitfähigem
Material bestehen. In diesem Fall wird sie durch geeignete Maßnahmen,
wie beispielsweise eine Isolationsschicht, bei der Auflage auf metallische
Elemente, die sich auf der Oberfläche befinden, isoliert. Dadurch
wird ein Kurzschluss, z.B. zwischen einer Groundleitung bzw. Koplanarleitung
auf der Oberfläche
und der Torsionsachse, vermieden.
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Das der Kontaktfläche am langen Hebelarm der
Membran abgewandte Ende der Membran ist über ein elastisches Bändchen,
das vorzugsweise aus Metall gefertigt ist, mit dem dortigen Leiterbahnabschnitt
mechanisch und elektrisch verbunden. Dabei ist das Bändchen derart
elastisch und biegbar, dass es der Bewegung der Membran durch die
elektrostatischen Kräfte
keinen nennenswerten Widerstand entgegenbringt.
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Da vorzugsweise die Kontaktfläche an dem dem
Bändchen
gegenüberliegenden
Ende der Membran aus einer Legierung mit sehr geringem Kontaktwiderstand
besteht, wird eine hohe Leitfähigkeit
des geschlossenen Schalters erzielt.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf einen schematisch dargestellten MEMS-Schalter gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 bis 6 jeweils eine Querschnittansicht entsprechend
einer Schnittlinie, die in 1 mit
II-II; III-III; IV-IV; V-V bzw. VI-VI angegeben ist; und
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7 eine
Querschnittansicht entlang der Linie VI-VI von 1, jedoch gemäß einer anderen bevorzugten
Ausführungsform.
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Es wird zunächst auf die in den 1 bis 6 dargestellten Ansichten des MEMS-Schalters
Bezug genommen.
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Der erfindungsgemäße MEMS-Schalter 1 dieser
Ausführungsform
ist in einem Substrat 2 aus Silizium ausgebildet. Das Substrat
besitzt einen spezifischen Widerstand von mehr als 4000 Ω cm.
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Durch an sich bekanntes sogenanntes „Hochraten„-Ätzen ist
in der Substratoberfläche 3 eine
Grube 32 gebildet, auf deren Boden eine Zug-Elektrode (Pull-Elektrode) 22 und
eine Druck-Elektrode (Push-Elektrode) 24 (siehe 6) gebildet sind. Auf den
Elektrodenbereichen der Elektroden 22 und 24 befinden
sich dielektrische Schichten 27 und 26 aus SixN(1–x
).
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Das elektrisch leitende Material
der Elektroden mündet
in Elektrodenzuleitungen
12 und 14, die gemäß 1 rechtwinklig zu der von
oben nach unten verlaufenden Längserstreckung
des Schalters zu Kontaktpads 8 und 18 herausgeführt sind.
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Nach dem Bilden der leitenden Elektroden wird
die Grube 32 wieder aufgefüllt, und es werden als Schwenkachse
in Form einer Torsionsachse zwei Isolierstoff-Bändchen 36 und 38 (1) auf der Oberfläche des
Substrats ausgebildet. Davor oder danach werden die Leiterbahnen
gebildet, nach 1 und 2 zwei Masse- oder Ground-Leiterbahnen 4 und 6 sowie
eine Koplanarleitung, die in 1 zwei durch
den Schalter 1 voneinander getrennte Leiterbahnabschnitte 16a und 16b aufweist.
Um einen geringen Kontaktwiderstand zu gewährleisten, wird an dem der
Grube 32 zugewandten Ende des Leiterbahnabschnitts ein
Kontaktpaddel 40 aus einer Kontaktlegierung (vorzugsweise
AuNi) gebildet.
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Danach wird eine Membranschicht aus
Au (möglich
sind auch Ag, Al und andere gut leitende Materialien) gebildet,
welche später
eine Membran 10 darstellt. An dem dem Kontaktpaddel 40 abgewandten
Ende der Membran 10 gemäß 6 wird dieses Ende der Membran
mit dem benachbarten Ende des Leiterbahnabschnitts 16b über ein
elastisches Metallbändchen 34 verbunden,
welches vorzugsweise aus Au besteht (möglich sind zum Beispiel auch
Ag, Al).
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Anschließend wird mit einem geeigneten Ätzmittel
die Grube 32 erneut aufgeätzt, wobei die in 1 gezeigten Kanäle 28 und 30 über den
Elektrodenzuleitungen 12 und 14 gebildet werden.
Außerdem
wird gemäß 6 zwischen dem Kontaktpaddel 40 und
dem darüber
liegenden Ende der Membran 10 das dort vorher zur Trennung
gebildete Material weggeätzt,
so dass nach diesem Ätzvorgang
die Membran 10 um die Torsionsachse 36 schwenkbar gehaltert
ist, wobei das rechts in 6 dargestellte Ende
der Membran 10 galvanisch mit dem Leitungsabschnitt 16b über das
Metallbändchen 34 gekoppelt ist.
Wird – wie
an sich bekannt – an
die Zugelektrode 22 über
das Kontaktpad 18 eine geeignete Spannung gelegt, so wird
die Membran 10, die jetzt als Elektrode wirkt, nach unten
gezogen, und die Verbindung zwischen den beiden Leiterbahnabschnitten 16a und
16b wird über das
Kontaktpaddel 40, die Membran 10 und das Metallbändchen 34 hergestellt.
Spannung an der Druck-Elektrode 24 öffnet den Schalter 1.
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Wie in 6 zu
sehen ist, befindet sich die Schwenkachse 36 nicht in der
Längs-Mitte der Membran 10,
sondern an einer Stelle, welche die Membran 10 in ihrer
Längsrichtung
etwa im Verhältnis
2:1 teilt. Hierdurch wird erreicht, dass bei geöffnetem Schalter 1 zwischen
dem Kontaktpaddel 40 und der darüber befindlichen Fläche der
Membran 10 ein ausreichender Abstand existiert, wodurch
eine hohe Isolation erreicht wird.
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7 zeigt
als Alternative zur Querschnittsansicht von 6 schematisch eine Querschnittsansicht
gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Die Querschnittsansicht von 7 entspricht im wesentlichen ebenfalls
einem Schnitt entlang der Linie VI-VI von 1, jedoch mit einigen Abweichungen, die
im folgenden erläutert werden.
In 7 sind im wesentlichen
gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen
gekennzeichnet, wie in der vorher beschriebenen, ersten Ausführungsform
gemäß den 1 bis 6.
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Bei dem MEMS-Schalter bzw. Toggle-Switch gemäß 7 sind auf der Oberfläche 3 eines
Substrats 102 die Zug- und Druckelektroden 22, 24 angeordnet.
Das Substrat 2 ist aus n-Silizium gefertigt und hat einen
spezifischen Widerstand, der größer ist
als 4000 Ω cm.
Auf jeder Seite der Anordnung aus Zug- und Druckelektroden 22, 24 ist
auf dem Substrat 102 weiterhin jeweils ein Leiterbahnabschnitt 16a, 16b angeordnet.
Zwischen den beiden Leiterbahnabschnitten 16a, 16b befindet
sich ein Abschnitt bzw. Zwischenraum 132, der die beiden
Leiterbahnabschnitte 16a, 16b trennt. Dieser Zwischenraum 132 bildet
eine Grube, die die Leiterbahn auf ihrem Weg unterbricht.
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Oberhalb der Grube ist die oben bereits
beschriebene bewegbare Membran 10 angeordnet, die ebenso
wie in der ersten Ausführungsform über das flexible
metallische Bändchen 34 mit
dem Leiterbahnabschnitt 16b elektrisch leitend verbunden
ist. Weiterhin ist auf dem anderen Leiterbahnabschnitt 16a die
bereits beschriebene Kontaktfläche 40 aufgebracht,
die aus einem Legierungsmaterial gefertigt ist, um bei Berührung mit
dem sich darüber
befindlichen Abschnitt der Membran 10 einen elektrischen Kontakt
zwischen dem Leiterbahnabschnitt 16a und der elektrisch
leitenden Membran 10 herzustellen.
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Die Membran 10 ist ebenso
wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform auf einer Dreh-
oder Schwenkachse 36, 38 aus elektrisch isolierendem Material
beweglich gelagert, so dass sie eine Schwenkbewegung um die Schwenkachse 36, 38 ausführen kann,
wodurch der elektrische Kontakt zwischen den Leiterbahnabschnitten 16a, 16b hergestellt
bzw, unterbrochen wird.
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Bei der Herstellung des MEMS-Schalters
gemäß der in 7 gezeigten bevorzugten
Ausführungsform
wird zunächst
die Anordnung von Elektroden in Form von Zug- und/oder Druckelektroden 22, 24 auf
die Oberfläche
des Substrats 102 aufgebracht. Anschließend werden die Leiterbahnen
bzw. Leiterbahnabschnitte 16a, 16b auf der Substratoberfläche 3 ausgestaltet.
Dabei wird zwischen den Leiterbahnabschnitten 16a, 16b,
die sich jeweils auf einer Seite der Elektrodenanordnung befinden,
der Zwischenraum in Form der Grube 132 gebildet. Die Grube 132 wird
nun mit einem Füllmaterial
aufgefüllt.
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Anschließend erfolgt die Aufbringung
des isolierenden Materials 36, 38 für die Dreh-
bzw. Schwenkachse sowie das Auftragen des Membranmaterials.
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Das flexible metallische Bändchen 34 wird zur
Verbindung zwischen dem Material der Membran 10 und dem
einen Ende des einen Leiterbahnabschnitts 16b verwendet.
Um am anderen Ende der Leiterbahnden Kontaktwiderstand gering zu
halten, wird dort das Legierungsmaterial 40 aufgebracht.
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Zum Schluss wird das in der Grube 132 befindliche
Füllmaterial
herausgelöst.
Somit ist nach dem Herauslösen
eine Drehbewegung der Membran 10 möglich.
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Die Dreh- oder Schwenkachse 36, 38 ist
bei den beiden hier gezeigten Ausführungsformen auf den Masse-
oder Groundleiterbahnen 4 und 6 befestigt. Es
können
aber allgemein jegliche Elemente zur Lagerung der Dreh- oder Schwenkachse 36, 38 dienen,
die auf der Substratoberfläche 3 ausgebildet sind
bzw. den oberen, seitlichen Rand der Grube (32; 132)
bilden.