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Die
Erfindung betrifft eine Schalteranordnung zur Ansteuerung einer
Antennenanordnung mit einzelnen Antennenelementen mit einer Mehrzahl von
in Reihen und Spalten angeordneten Schaltern nach der Gattung des
Hauptanspruchs und ein Verfahren zum Betätigen von matrixförmig angeordneten
Schaltern.
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In
der mobilen Kommunikationstechnik entsteht ein wachsender Bedarf
an rekonfigurierbaren Antennen, welche hier, beispielsweise durch
das Verschalten von kleineren Einzelantennenelementen zu so genannten
Patchantennen verschiedener Geometrien realisiert werden können. Dazu
ist eine größere Anzahl
von getrennt voneinander ansteuerbaren Schaltern notwendig. Die
Kosten für
solche intelligenten Antennen sollten jedoch die der gegenwärtig verwendeten,
nicht steuerbaren Antennen nicht wesentlich übersteigen. Aus die sem Grund
ist eine Technologie zur Massenproduktion von rekonfigurierbaren
Antennen einschließlich
der Schalter in kostengünstiger
Weise notwendig.
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EP 1 511 119 A1 beschreibt
eine rekonfigurierbare Gruppenantenne, die aus einzelnen durch ansteuerbare
Schalter verbindbaren Antennenelementen bestehen.
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Aus
der US 2004/0 183 633 A1 ist ein bistabiler, magnetisch aktuierter
Schalter in einer Einzelausführung
bekannt, wobei die bistabile Anordnung ermöglicht, dass jeweils beide
Schaltzustände
ohne kontinuierliche Energiezufuhr stabil erhalten bleiben. Dabei
ist eine Mehrzahl von strukturierten Schichten vorgesehen, die mindestens
eine strukturierte Schicht mit einem beweglichen Element einschließen. Dabei
sind die strukturierten Schichten übereinander angeordnet und
jede Schicht ist mit der benachbarten Schicht verbunden. Eine der
Schichten weist einen Elektromagneten oder eine Spule auf. Die bekannten
Lösungen
dienen der Realisierung von einzelnen bzw. wenigen Schaltern auf
technisch relevanten Flächen,
wie einer Chipfläche,
da bei derartigen Konfigurationen der Aufwand für Verschaltung und Adressierung
der Spulen mit der Anzahl der Aktuatoren massiv steigt. Geometrisch
dichte Arrays können
so bislang nicht realisiert werden. Um eine sehr große Anzahl
solcher Schalter auf geringer Fläche
zu integrieren, ist es nötig,
die Aktuierung und Adressierung kompakt und effizient zu gestalten.
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Aus
der
EP 0 856 866 B1 sind
in einem regelmäßigen Raster
organisierte, magnetisch betätigte Schalter
bekannt, die eine schichtweise Anordnung eines beweglichen Kontakts,
einer mit Abstand dazu angeordneten Spulenplatte, einer Kontaktplatte
mit einem Eisenkern und einer isolierenden Schicht aufweisen. Die
bekannte Konfiguration erfordert die Verbindung der auf der Spulenplatte
angeordneten Spule mit orthogonal zueinander angeordneten Adressleitungen.
Die lokale elekt rische Verbindung der sonst voneinander isolierten
Leiter erfordert eine Herstellungstechnologie mit einer hohen lateralen Auflösung mit
der Möglichkeit,
diese Verbindungsstellen zuverlässig
zu erzeugen. Weiterhin muss durch Einfügen von Dioden verhindert werden,
dass sich Strömpfade über nicht
adressierte Spulen ausbilden. Das verhindert wiederum ein Umschalten
des Schaltkontakts durch Wechsel der Stromrichtungen und stellt
eine weitere Erhöhung
des Herstellungsaufwands dar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Array mit geometrisch
dicht angeordneten, vorzugsweise bistabilen magnetisch aktuierten
Schaltern zu realisieren, welches geringe technologische Anforderungen
an Adressierung und Verdrahtung stellt und dadurch eine kostengünstige Herstellung ermöglicht.
Zudem besteht die Anforderung nach Eignung für die Realisierung von rekonfigurierbaren Antennen
für Frequenzen
der GSM- und UMTS-Bänder,
wobei die Frequenzen in einem Bereich liegen, in dem entsprechend
dem Stand der Technik durch Schaltarrays konfigurierbare Antennen
wegen der spezifischen Baugröße den Einsatz
konventioneller Relais nicht gestatten und eine monolithische Integration
in die Antenne ebenso nicht möglich
ist. Außerdem
ist durch die zu erwartende Anwendung in mobilen Geräten weiterhin
eine dafür
geeignete Robustheit erforderlich.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs sowie durch die Merkmale des Nebenanspruchs
gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse rungen möglich.
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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Schalterarray mit vorzugsweise
bistabilen, magnetisch aktuierten Schaltern. Die zum Schalten notwendige
Kraft wird elektromagnetisch erzeugt. Die Haltekraft in den Endzuständen wird
durch Federn bzw. Permanentmagnete aufgebracht. Die Anordnung mit zwei
getrennten Spulenlagen ermöglicht
durch Überlagerung
von Magnetkräften
eine aus technologischer Sicht deutliche Reduzierung der Ansteuerkomplexität der in
einem Raster angeordneten Einzelschalter. Die Möglichkeit der Verwendung preiswerter Herstellungstechnologien
erlaubt es, neue Anwendungsfelder zu erschließen.
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Die
angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die von Ferritkernspeichern bekannte Verschaltung von Spulen durch Überlagerung
des magnetischen Flusses weiter entwickelt wird. Die Feldüberlagerung
wird nicht zur Magnetisierung eines Speicherbits verwendet, sondern zur Überlagerung
der Kraftwirkung zwischen zwei von Strom durchflossenen Spulen und
einem Permanentmagneten genutzt, um einen Wechsel des Schaltzustandes
jeweils eines bistabilen, magnetisch aktuierten Schalters zu bewirken.
Die Addition der Magnetfelder bzw. die Überlagerung der Kraftwirkung
der zwei übereinander
liegenden Spulen hat den Vorteil, dass nicht alle Aktuatorspulen
lokal mit Adressierungsleitungen verbunden werden müssen, sondern
dass jeweils alle Spulen einer Reihe bzw. einer Spalte aus einem
durchgehenden, isolierten Leiter, z.B. einem isolierten Draht, hergestellt
werden können.
Es ist somit möglich,
eine von der konventionellen makroskopischen Spulenherstellung abgeleitete
Mikrowickeltechnologie einzusetzen und somit Mehrlagenmetallisierungen
mit lateral hoher Strukturauflö sung
zu vermeiden. Die Verwendung kostenintensiver Substratmaterialien
wie z.B. hochohmiger Halbleiterwafer oder Nichtleiter, wie Glas,
Saphir oder Aluminiumoxidkeramik für die Herstellung von MEMS-Elementen
ist weniger durch die vorteilhaften Materialeigenschaften bestimmt,
als zur Erfüllen
der für
mikrotechnologischen Prozesse üblichen
hohen Anforderungen an Materialebenheit und Reproduzierbarkeit.
Die erfindungsgemäße Verbindung
moderner Mikrostrukturierung, wie z.B. Mikroprägen und modifizierten konventionellen
Verfahren, wie z.B. Mikrospulenwicklung, stellt einen wesentlichen
Entwicklungsschritt für
die Realisierung vergleichsweise großflächiger, mechanisch komplexer,
rekonfigurierbarer Bauelemente dar. Die Erfindung ermöglicht somit
völlig
neue Möglichkeiten
in vielen Bereichen der Informations- und Kommunikationstechnologie,
bei welchen Funktionselemente aus physikalischen Gründen nicht
weiter verkleinert werden können.
Es wird dabei als wesentlich erachtet, die Bauelementequalität bezüglich Funktionalität und Flexibilität unter der
Maßgabe
einer marktbestimmenden Kostengrenze deutlich zu verbessern.
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Die
erfindungsgemäße Schalteranordnung lässt sich
aufgrund der zwei geschlossenen Materiallagen, nämlich Trägersubstrat und Aktuatorsubstrat einfach
hermetisieren und genügt
dadurch den gerätetechnischen
Anforderungen mobiler Kommunikationstechnik.
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Vorzugsweise
ist der bewegliche Kontakt jedes Schalters und gegebenenfalls auch
der jedem Schalter zugeordnete Dauermagnet an einer Folienmembran
befestigt, wobei aufgrund der als Folienmembran ausgeführten Aufhängung und
der geringen Masse der bewegten Teile die erforderliche mechanische
Robustheit für
mobile Anwendungen gegeben ist.
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Vorteilhafterweise
können
die zwei in unterschiedlichen Ebenen vorgesehenen Spulenlagen des
Schalterarrays so ausgebildet sein, dass für jede Reihe bzw. jede Spalte
nur eine lang gestreckte schmale Spule vorgesehen ist, die die verschiedenen Spulenkerne
einschließt.
Es kann jedoch um jeden Spulenkern eine ihm zugeordnete Spule der
entsprechenden Reihe und der entsprechenden Spalte angeordnet sein.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass aufgrund des Vorhandenseins der zwei Spulenlagen
es möglich
ist, jeweils nur eine Spulenlage zu bestromen und die induzierte
Spannung in der anderen Spulenlage zu messen, wodurch die Funktionsfähigkeit
diagnostiziert werden kann und der aktuelle Schaltzustand detektiert
werden kann, da die gemessene Spannung vom Schaltzustand abhängt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Aufsicht auf das erfindungsgemäße Schalterarray,
angewendet für
ein Array von Antennenelementen, und
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2 einen
Teilschnitt durch das erfindungsgemäße Schalterarray.
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Entsprechend
den 1 und 2 weist die erfindungsgemäße Schalteranordnung
ein als erster Träger
bezeichnetes Trägersubstrat 4 und
ein in der Zeichnung darüber
liegendes als zweiter Träger
bezeichnetes Aktuatorsubstrat 3 auf, wobei beide Substrate
im Ausführungsbeispiel
aus einem für
die Verwendung der Hochfrequenztechnik geeigneten Material bestehen,
wie Liquid Crystal Polymere, Polyamid, Kapton und dergleichen. Auf
dem Trä gersubstrat 4 ist entsprechend 1 ein
Feld von einzelnen Antennenelementen 14 reihen- und spaltenweise
mit Abstand zueinander aufgebracht. Jedes Antennenelement ist reihenweise
und spaltenweise über
Schalter 20 mit dem jeweils benachbarten Antennenelement 14 verbunden,
so dass die Schalter 20 ebenfalls ein Matrixfeld bilden.
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Wie
aus 2 zu erkennen ist, sind in dem Trägersubstrat 4 Mulden 5 vorgesehen,
die beispielsweise durch Abformen strukturiert sind und in denen durch
Abscheidung geeigneter Materialschichten Kontaktflächen als
Festkontakte 6 vorgesehen sind. Diese Kontaktflächen sind
mit den Einzelantennenelementen 14 verbunden.
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Eine
Folienmembran 7 ist auf das Trägersubstrat 4 bzw.
auf die Antennenelementenschicht aufgebracht, wobei gegenüber liegend
zu den Festkontakten 6 auf der Folienmembran 7 Kontaktelemente 8 strukturiert
sind. Die Folienmembran 7 wird so mit dem Trägersubstrat 4 befestigt,
dass eine Vorspannung auf die Kontaktelemente 8 ausgeübt wird,
derart, dass sie auf die Festkontakte 6 gedrückt werden. Im
Bereich der Mulde 5 ist die Folienmembran 7 frei beweglich.
Mit Hilfe der Vorspannung wird die funktionswichtige Membransteifigkeit
erreicht. Auf der Oberseite der Folienmembran 7, d.h.,
auf der Seite, die entgegengesetzt zu den Kontaktelementen 8 liegt,
ist die Folienmembran beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren
mit strukturiertem, magnetisiertem hartmagnetischem Material im
Bereich der Schalter 20 belegt, derart, dass jedem Schalter 20 ein
Dauermagnet 9 zugeordnet ist. Wie in 2 zu erkennen
ist, ist die Folienmembran 7 für einen Schalter 20 im
geschlossenen Zustand 10 bereits ausgelenkt, wobei aufgrund
der Vorspannung die nötige Kontaktkraft
erzeugt wird.
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Auf
das Aktuatorsubstrat 3 sind gegenüberliegend zu den auf die Folienmembran 7 aufgebrachten
Dauermagneten 9 ebenfalls strukturierte Elemente eines
magnetischen Materials als Spulenkerne 11 aufgebracht.
Um die Spulenkerne 11 herum trägt das Aktuatorsubstrat 3,
das ebenfalls durch Abformung strukturiert sein kann, zwei getrennte
Lagen jeweils spaltenweise in Serie geschaltete Spulen 1 und
reihenweise in Serien geschaltete Spulen 2, die jeweils in
unterschiedlichen Ebenen übereinander
liegen. Die Spulen 1, 2 und die Spulenkerne 11 sind
insgesamt in ein isolierendes Material 15 eingebettet,
das als Isolierschicht mit dem Aktuatorsubstrat verbunden ist und
auch zum mechanischen Fixieren der Spulen dient.
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Wie
im Ausführungsbeispiel
nach den 1 und 2 zu erkennen
ist, sind jedem Kern zwei übereinander
liegende Spulen 1, 2 zugeordnet. In einem anderen
Ausführungsbeispiel
kann für
jede Reihe bzw. jede Spalte anstelle der einzelnen Spulen eine lange
Spule gebildet werden, die dann alle Spulenkerne 11 der
jeweiligen Reihe bzw. Spalte umschließt. Grundsätzlich können die Spulen jeder Spalte
bzw. jeder Reihe beider Ausführungsformen aus
einem durchgehenden Draht gewickelt sein und es ist lokal am Schalter
kein Wechsel zwischen den Ebenen bzw. keine Kontaktierung nötig.
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Für die Ansteuerung
der Spulen, d.h. für
ihre Bestromung, sind für
jede Reihe Anschlüsse 16 und für jede Spalte
Anschlüsse 17 vorgesehen.
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Im
nichtbestromten Zustand der Spulen 1, 2 können die
Schalter zwei Zustände
haben, wie sie in 2 dargestellt sind, nämlich der
geschlossene Zustand 10 des Schalters 20 und der
geöffnete
Zustand 12. Der stabile Haltezustand bei geöffnetem
Schalter 20 wird durch den jeweiligen Spulenkern 11 in
Zusammenhang mit dem Dauermagneten 9 erzielt. In diesem
Fall ist die zwischen dem Dauermagneten 9 und dem Spulenkern 11 erzeugte
Haltekraft größer als
die Rückstellkraft
oder Federkraft der Folienmembran 7. Der geschlossene Zustand 10 des
Schalters 20, links in der 2, ist ebenfalls
stabil, da die Magnetkraft zwischen Spulenkern 11 und Dauermagnet 9 durch
den größeren Spaltabschnitt
nicht mehr ausreicht, um die Folienmembran 7 nach oben
zu ziehen.
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Wenn
ein Schalter von dem einen Schaltzustand 10 in den anderen
Schaltzustand 12 gebracht werden soll, werden über die
jeweiligen Anschlüsse 16 und 17,
die als Adressleitungen bezeichnet werden können, die Spulen 1 der
jeweiligen Spalte und die Spulen 2 der jeweiligen Reihe
gleichsinnig bestromt, wodurch durch jede Spule der jeweiligen Spalte
und der jeweiligen Reihe ein Magnetfeld erzeugt wird. Es wird aber
nur eine Addition der jeweiligen zwei Spulen 1, 2 des
im Kreuzungspunkt 13 liegenden Schalters erreicht. Nur
in diesem Kreuzungspunkt 13 führen zwei übereinander liegende Spulen 1, 2 Strom.
Die Ansteuerung bzw. die Bestromung geschieht in der jeweiligen
Reihe bzw. Spalte gleichsinnig, wobei jeweils abhängig von
dem vorhergehenden Schaltzustand die gleichsinnige Bestromung in
positiver oder negativer Stromrichtung stattfindet. Somit können alle
Schalter sequentiell oder auch gruppenweise im Zustand verändert werden.
Aufgrund der Addition der Magnetfelder bzw. der Magnetkraft ist
es möglich
die magnetische Haltekraft bzw. die Rückstellkraft der Folienmembran
in den Endzuständen
zu überwinden
und somit den Schalter in den jeweils anderen Zustand zu überführen. Bei den
nicht im Kreuzungspunkt 13 liegenden Schaltern 20 reicht
die von den jeweiligen Spulen einer Ebene erzeugte Magnetkraft nicht
aus, um den Schaltzustand zu ändern.
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Das
Trägersubstrat 4,
gegebenenfalls auch das Aktuatorsubstrat 3 kann die Funktion
eines Chipgehäuses
oder einer Außenwand
eines Gerätes
haben. Ein derartiges Chipgehäuse
lässt sich
aufgrund der zwei geschlossenen Materiallagen einfach hermetisieren.
Im Fall einer Anwendung des Schalterarrays zur Rekonfiguration von
Patchantennen erfolgt die Abstrahlung vorzugsweise durch das Trägersubstrat 4.
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Beispiel:
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Im
Folgenden wird ein genaueres Beispiel der Anordnung nach 1 und 2 beschrieben. Das
Trägersubstrat
besteht aus Liquid Crystal Polymer und wird durch Heißprägen strukturiert.
Die Einzelantennenelemente 14 und die Kontaktbereiche als Festkontakte 6 werden
mittels Sputtertechnik und Lithographie definiert und nachfolgend
galvanisch verstärkt.
Die Folienmembran 7 eine Mylarfolie, welche auf der dem
Trägersubstrat 4 zugewandeten
Seite galvanotechnisch gefertigte Kontaktelemente 8 und auf
der anderen Seite mittels Siebdruck aufgebrachte und anschließend magnetisierte
NdFeB Permanentmagnete 9 trägt. Die Folienmembran 7 wird
gespannt und mittels eines Haftmittels mit dem Trägersubstrat 4 verbunden.
Die Bearbeitung des Aktuatorsubstrats 3 beginnt mit dem
Aufdrucken und Aushärten
der Spulenkerne 11 aus MnZn-Ferrit. Die spalten- und reihenweise
organisierten Spulen 1, 2 werden durch Wickeln
eines dünnen
Kupferlackdrahtes hergestellt. Der aus der Ebene stehende Spulenkern
dient dabei jeweils als Wickeldorn. Das Wickeln der einzelnen Spulen 1, 2 wird
sequentiell, übereinander
begin nend, wahlweise mit der Zeile oder Spalte durchgeführt. Schließlich wird
die Isolierschicht 15 aufgebracht.