EP0713235B1 - Mikromechanisches elektrostatisches Relais - Google Patents

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EP0713235B1
EP0713235B1 EP95115647A EP95115647A EP0713235B1 EP 0713235 B1 EP0713235 B1 EP 0713235B1 EP 95115647 A EP95115647 A EP 95115647A EP 95115647 A EP95115647 A EP 95115647A EP 0713235 B1 EP0713235 B1 EP 0713235B1
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EP
European Patent Office
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spring tongue
spring
armature
contact
electrode
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP95115647A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0713235A1 (de
Inventor
Lothar Prof. Dr. Kiesewetter
Joachim Schimkat
Helmut Dr. Schlaak
Hans-Jürgen Prof. Dr. Gevatter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0713235A1 publication Critical patent/EP0713235A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0713235B1 publication Critical patent/EP0713235B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H01H2059/0081—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics with a tapered air-gap between fixed and movable electrodes

Definitions

  • Such a micromechanical relay is already from the DE 42 05 029 C1 known.
  • can be such a relay structure for example, from a crystalline Manufacture semiconductor substrate, preferably silicon, the spring tongue serving as anchor by corresponding Doping and etching processes worked out of the semiconductor substrate becomes.
  • a crystalline Manufacture semiconductor substrate preferably silicon
  • the spring tongue serving as anchor by corresponding Doping and etching processes worked out of the semiconductor substrate becomes.
  • how to get in the spring tongue through a multi-layer structure can produce a homogeneous curvature, the different Layers due to their different coefficients of expansion and deposition temperatures against each other be tense.
  • the curved spring tongue with her accordingly curved armature electrode thus forms a wedge-shaped Air gap opposite a flat base electrode on one flat base substrate, which is also made, for example Silicon or glass can consist.
  • the object of the invention is a micromechanical relay of the type mentioned so that it is a Receives switching characteristics with clear tipping behavior, that the creeping switching behavior mentioned above is avoided becomes.
  • this object is achieved in that the wedge-shaped air gap between the electrodes at least one has geometric discontinuity.
  • the Spring tongue one in the area of the connection to the armature substrate beginning, continuously curved section and then a straight section towards its free end, the length of the curved portion is preferably about Can be 20 to 40% of the total length of the spring tongue.
  • the spring tongue initially rolls over their curved section steadily off the base electrode, until the transition to the straight section is reached.
  • the armature contact piece abruptly on the Base contact piece strikes.
  • the start of the electrode surface is offset from an offset the connection of the spring tongue to the armature substrate, whose Length preferably 20 to 40% of the total length of the spring tongue can be.
  • the Spring tongue continuously curved over its entire length be, while the discontinuity now by the transferred Start of the electrode is generated on the spring tongue.
  • an abrupt switching behavior can be generated that the base electrode is opposite the armature electrode a predetermined at the connection point of the spring tongue Gap, the height of which is at least 10% of the total deflection of the free spring end compared to the base substrate in the idle state is.
  • This height of the gap which is preferred between 10 and 20% of the spring deflection mentioned can be much larger than the thickness of an insulating layer, the necessary insulation between the two Electrodes are always required at the clamping point is.
  • To generate the contact force is at the free end of the spring tongue in a manner known per se, partially through slots cut-out contact spring area formed on which Anchor contact piece is arranged. The distance between the two contact pieces less than the distance between the two electrodes in the area of the free spring end. If the contact spring area is cut free in the middle, So the armature electrode on two side tabs next to the contact spring area lie flat on the base electrode while the contact spring area due to the raised contact pieces is bent and thus generates the contact force.
  • FIG. 1 shows schematically the basic structure of a micromechanical electrostatic relay, in which the invention is used.
  • An armature spring tongue 2 is machined on an armature substrate 1, preferably a silicon wafer, within a correspondingly doped silicon layer by selective etching processes.
  • a double layer 4 is produced on the underside of the spring tongue, which in the example consists of an SiO 2 layer, which generates compressive stresses, and an Si 3 N 4 layer, which generates tensile stresses.
  • the spring tongue can be given a desired curvature by appropriate selection of the layer thicknesses.
  • the spring tongue has a metallic layer as an anchor electrode 5 on its underside. As can be seen in FIG. 2, this armature electrode 5 is divided into two in order to form a metallic feed line 6 for an armature contact piece 7 in the middle of the spring tongue.
  • the armature substrate 1 attached to a base substrate 10, which in the present Example is made of Pyrex glass, but this is also for example could be formed from silicon.
  • the base substrate 10 On its flat surface the base substrate 10 carries a base electrode 11 and a Insulating layer 12 to the base electrode 11 opposite the Isolate armature electrode 5.
  • a base contact piece 13 is provided with a feed line in a manner not shown and of course insulated from the base electrode 11 arranged.
  • a wedge-shaped air gap 14 is formed between the curved spring tongue 2 with the armature electrode 5 on the one hand and the base electrode 11 on the other a wedge-shaped air gap 14 is formed. With concerns a voltage from a voltage source 15 between the two electrodes 5 and 11 roll the spring tongue on the Base electrode 11, whereby the armature contact piece 7 with the Base contact piece 13 is connected.
  • FIGS. 1 and 2 The size relationships and layer thicknesses are shown in FIGS. 1 and 2 only from the point of view of clarity and do not correspond to the actual conditions.
  • a structure was chosen that had approximately the following dimensions: Spring tongue length (2) 1300 ⁇ m Spring tongue width (2) 1000 ⁇ m Spring tongue thickness (Si layer) (2) 10 ⁇ m SiO 2 layer thickness (4) 500 nm Si 3 N 4 layer thickness (4) 50 nm Length of the slots (8) 500 ⁇ m Deflection of tongue end to base electrode approx. 11 ⁇ m
  • FIG. 3 are the switching characteristics of a structure according to Figure 1 with a continuously curved spring tongue depending on the control voltage shown.
  • the distance is in FIG. 3a A of the spring tongue shown by the base electrode.
  • the curve a24 shows the course of the distance of the contact spring area (at point 24) from the base electrode, while curve a25 the corresponding distance profile of the spring tongue in the fork point 25 between the contact spring area and the armature electrode area (End of slots 8) shows.
  • the spring tongue is constantly on the base substrate or approximates the base electrode until at about 8.5 V. the contact is closed; the contact spring area of the spring tongue is then the height of the contact pieces from the base electrode removed (about 4 ⁇ m).
  • FIG 4 a spring tongue 41 is shown schematically, the connection a steadily curved section at its clamping point 42 with radius R and then up to free end has a straight portion 43. Otherwise the structure is comparable to that of Figure 1.
  • the anchor electrode 5 and the base electrode 11 each extend over the full length of the spring tongue.
  • Figure 4b shows the spring tongue 41 in the tightened state, the contact pieces lie on top of each other and by the deflection of the part cut contact spring area 9 the contact force is produced. (Between base substrate and anchor substrate is 4, 6 and 8 each show a small distance, which is really just the thickness of one Insulation layer is limited!)
  • FIG. 4 The switching characteristic of an arrangement according to FIG. 4 is in Figure 5a and 5b can be seen.
  • Figure 5b also shows the course of the contact force F as a function of the control voltage (curve f4).
  • a switching characteristic with hysteresis is shown and clear tipping processes both when closing and when opening the contact. Up to the response voltage of about 12 V the spring moves in a quadratic dependence from the tension by about 10 to 20% of the initial deflection and switches after the response voltage is exceeded abruptly through. The relapse occurs at about 4 V.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a spring tongue 61, at which the geometric discontinuity in an offset of the Electrodes.
  • the armature electrode 62 begins in this Case not like the previously shown anchor electrode 5 on the Clamping point or connection point of the spring tongue on the armature substrate 1, but has an offset L with respect to this Connection point on.
  • the beginning of the Base electrode 63 may be offset by the amount L without it it depends.
  • FIG. 6a shows the idle state of the arrangement, thus without control voltage, while Figure 6b the tightened State, i.e. when a control voltage is applied between the Electrodes 62 and 63.
  • Figure 7 shows the sequence of movements at contact point 64 at the end the spring tongue 61 (curve a64) and in Figure 7b the course the contact force (curve f6).
  • the active electrode area is reduced that the response voltage is increased compared to Figure 3; in the example of the simulation it is approximately 18 V. How one can see from FIGS. 7a and 7b, one also achieves at the design of Figure 6 clear tilt conditions.
  • the offset length L should be in the range of 20 to 40% of the length the spring tongue 61 can be selected.
  • FIG. 8 Another embodiment of a spring tongue with discontinuity is shown in Figure 8.
  • a spring tongue 81 with a continuous curvature over its entire length Length and with a running along its entire length Armature electrode 82 is provided.
  • the geometric discontinuity is that the base electrode 83 by a distance d is shifted downward in the base substrate 10, so that compared to the clamping point of the spring tongue 81, a gap of the thickness d arises.
  • FIG. 9a 84 (curve a84) and at fork 85 (curve a85), similar the representation in Figure 5.
  • Figure 9b Contact force curve shown (curve f8).

Landscapes

  • Micromachines (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches elektrostatisches Relais mit einem Basissubstrat, das eine Basis-Elektrodenschicht und mindestens ein Basis-Kontaktstück trägt, und mit
  • einem auf dem Basissubstrat liegenden Ankersubstrat mit mindestens einer freigearbeiteten, einseitig angebundenen Anker-Federzunge, welche eine Anker-Elektrodenschicht und an ihrem freien Ende ein Anker-Kontaktstück trägt,
  • wobei die Federzunge im Ruhezustand durch eine stetige Krümmung vom Basissubstrat weg gebogen ist, so daß die beiden Elektrodenschichten einen keilförmigen Luftspalt zwischen einander bilden und
  • wobei sich die Federzunge im Arbeitszustand bei Anliegen einer Spannung zwischen den Elektrodenschichten an das Basis- substrat anschmiegt und die beiden Kontaktstücke aufeinanderliegen.
    • Ein derartiges mikromechanisches Relais ist bereits aus der DE 42 05 029 C1 bekannt. Wie dort ausgeführt ist, läßt sich ein solcher Relaisaufbau beispielsweise aus einem kristallinen Halbleitersubstrat, vorzugsweise Silizium, herstellen, wobei die als Anker dienende Federzunge durch entsprechende Dotierungs- und Ätzvorgänge aus dem Halbleitersubstrat herausgearbeitet wird. Grundsätzlich ist dort auch bereits beschrieben, wie man in der Federzunge durch eine Mehrschichtstruktur eine homogene Krümmung erzeugen kann, wobei die verschiedenen Schichten aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und Abscheidetemperaturen gegeneinander verspannt werden. Die gekrümmte Federzunge mit ihrer entsprechend gekrümmten Ankerelektrode bildet somit einen keilförmigen Luftspalt gegenüber einer ebenen Basiselektrode auf einem ebenen Basissubstrat, welches beispielsweise ebenfalls aus Silizium oder auch aus Glas bestehen kann. Durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen der Ankerelektrode der Federzunge und der ebenen Basiselektrode rollt die gekrümmte Federzunge auf der Basiselektrode ab und bildet damit einen sogenannten Wanderkeil. Während dieses Abrollens wird die Federzunge gestreckt, bis das freie Federende mit dem Ankerkontaktstück das Basiskontaktstück auf dem Basissubstrat berührt.
    Dieser geschilderte Schaltvorgang mit dem Wanderkeil, bei dem die stetig gekrümmte Ankerelektrode stetig abrollt, bringt es mit sich, daß auch das eigentliche Schließen und Öffnen des Kontaktes in einer kontinuierlichen Bewegung erfolgt, wodurch sich eine sogenannte schleichende Kontaktgabe ergibt. In der Übergangsphase, bei der sich die Kontaktstücke nur mit geringer Kontaktkraft und dabei mit hohem Übergangswiderstand berühren, entsteht ein Lichtbogen bzw. eine unerwünschte Erwärmung der Kontaktstücke, wobei die Kontaktoberflächen Schaden nehmen. Generell ist deshalb für Relais ein abrupter Schaltvorgang erwünscht, wobei die Federzunge bzw. das Ankerkontaktstück bei Erreichen der Ansprechspannung vollständig auf der Basiselektrode bzw. dem Basiskontaktstück aufschlägt und somit beim ersten Berühren des Arbeitskontakts eine definierte Kontaktkraft entsteht. Entsprechendes gilt für den Haltevorgang beim Absenken der Steuerspannung. Die Öffnung der Kontakte und damit das Abfallen der Federzunge sollen ebenfalls als Kippvorgang bei Unterschreitung der Haltespannung erfolgen.
    Aufgabe der Erfindung ist es, ein mikromechanisches Relais der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß es eine Schaltcharakteristik mit eindeutigem Kippverhalten erhält, daß also das oben erwähnte schleichende Schaltverhalten vermieden wird.
    Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der keilförmige Luftspalt zwischen den Elektroden mindestens eine geometrische Diskontinuität aufweist. Durch diese erfindungsgemäß vorgesehene Unterbrechung des durchgehend keilförmigen Luftspaltes zwischen den beiden Elektroden wird erreicht, daß jeweils ein abrupter Schaltvorgang den Kontakt schließt bzw. öffnet.
    In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Federzunge einen im Bereich der Anbindung am Ankersubstrat beginnenden, stetig gekrümmten Abschnitt und daran anschließend zu ihrem freien Ende hin einen geraden Abschnitt auf, wobei die Länge des gekrümmten Abschnittes vorzugsweise etwa 20 bis 40 % der Gesamtlänge der Federzunge betragen kann. Bei dieser Ausgestaltung rollt also die Federzunge zunächst über ihren gekrümmten Abschnitt stetig auf der Basiselektrode ab, bis der Übergang zum geraden Abschnitt erreicht wird. In diesem Augenblick schlägt der restliche, gerade Abschnitt der Federzunge in einem abrupten Schaltvorgang auf das Ende der Basiselektrode, wobei das Ankerkontaktstück abrupt auf das Basiskontaktstück schlägt.
    In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Beginn der Elektrodenfläche einen Versatz gegenüber der Anbindung der Federzunge am Ankersubstrat aufweist, dessen Länge vorzugsweise 20 bis 40 % der Gesamtlänge der Federzunge betragen kann. Bei dieser Ausführungsform kann also die Federzunge über ihre gesamte Länge kontinuierlich gekrümmt sein, während die Diskontinuität nunmehr durch den versetzten Beginn der Elektrode auf der Federzunge erzeugt wird.
    Weiterhin kann ein abruptes Schaltverhalten dadurch erzeugt werden, daß die Basiselektrode gegenüber der Ankerelektrode an der Anbindungsstelle der Federzunge einen vorgegebenen Spalt aufweist, dessen Höhe mindestens 10 % der Gesamtauslenkung des freien Federendes gegenüber dem Basissubstrat im Ruhezustand beträgt. Diese Höhe des Spaltes, die vorzugsweise zwischen 10 und 20 % der genannten Federauslenkung betragen kann, ist somit wesentlich größer als die Dicke einer Isolierschicht, die zur notwendigen Isolierung zwischen den beiden Elektroden an der Einspannstelle in jedem Fall erforderlich ist.
    Ergänzend sei noch erwähnt, daß die genannten Maßnahmen zur Erzeugung einer Diskontinuität sowohl einzeln als auch in Kombination angewendet werden können.
    Zur Erzeugung der Kontaktkraft ist am freien Ende der Federzunge in an sich bekannter Weise ein durch Schlitze teilweise freigeschnittener Kontaktfederbereich gebildet, auf dem das Ankerkontaktstück angeordnet ist. Dabei ist der Abstand zwischen den beiden Kontaktstücken geringer als der Abstand zwischen den beiden Elektroden im Bereich des freien Federendes. Wenn der Kontaktfederbereich mittig freigeschnitten ist, kann also die Ankerelektrode an zwei Seitenlappen neben dem Kontaktfederbereich flach auf der Basiselektrode aufliegen, während der Kontaktfederbereich aufgrund der erhöhten Kontaktstücke durchgebogen wird und damit die Kontaktkraft erzeugt.
    Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
  • Figur 1 eine schematische Darstellung für den grundsätzlichen Aufbau eines mikromechanischen Relais mit stetig gekrümmter Anker-Federzunge im Schnitt,
  • Figur 2 eine Ansicht von unten auf das Ankersubstrat von Figur 1,
  • Figuren 3a und 3b Diagramme mit Darstellungen des Verlaufs des Abstandes der Federzunge von der Basiselektrode und der Kontaktkraft, jeweils in Abhängigkeit von der Steuerspannung an den Elektroden, bei einem kontinuierlich keilförmigen Luftspalt zwischen den Elektroden gemäß Figur 1,
  • Figuren 4a und 4b eine schematische Darstellung einer nur teilweise gekrümmten Anker-Federzunge im Ruhe- und Arbeitszustand,
  • Figuren 5a und 5b Diagramme für den Verlauf des Abstandes zwischen Federzunge und Basiselektrode sowie der Kontaktkraft in Abhängigkeit von der Steuerspannung für die Federzunge gemäß Figur 4,
  • Figuren 6a und 6b die schematische Darstellung einer Federzunge mit versetztem Elektrodenbeginn im Ruhezustand und im Arbeitszustand,
  • Figuren 7a und 7b den Verlauf des Kontaktabstandes und der Kontaktkraft in Abhängigkeit von der Steuerspannung bei einer Federzunge gemäß Figur 6,
  • Figur 8 die schematische Darstellung einer Federzunge mit einem zusätzlichen Luftspalt zwischen Ankerelektrode und Basiselektrode im Ruhezustand und im Arbeitszustand, und
  • Figuren 9a und 9b Diagramme für den Verlauf des Abstandes zwischen den Kontaktstücken bzw. zwischen der Federzunge und der Basiselektrode sowie den Verlauf der Kontaktkraft in Abhängigkeit von der Steuerspannung bei einer Federzunge gemäß Figur 8.
    • Figur 1 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines mikromechanischen elektrostatischen Relais, bei dem die Erfindung zur Anwendung kommt. Dabei ist an einem Ankersubstrat 1, vorzugsweise einem Silizium-Wafer, eine Anker-Federzunge 2 innerhalb einer entsprechend dotierten Siliziumschicht durch selektive Ätzverfahren freigearbeitet. An der Unterseite der Federzunge ist eine Doppelschicht 4 erzeugt, die in dem Beispiel aus einer SiO2-Schicht, welche Druckspannungen erzeugt, und einer Si3N4-Schicht, welche Zugspannungen erzeugt, besteht. Durch entsprechende Wahl der Schichtdicken kann der Federzunge eine gewünschte Krümmung verliehen werden. Schließlich trägt die Federzunge eine metallische Schicht als Ankerelektrode 5 an ihrer Unterseite. Diese Ankerelektrode 5 ist, wie in Figur 2 zu sehen, zweigeteilt, um in der Mitte der Federzunge eine metallische Zuleitung 6 für ein Anker-Kontaktstück 7 zu bilden.
    Wie aus Figur 2 weiter ersichtlich ist, ist am freien Ende der Federzunge durch zwei Schlitze 8 ein Kontaktfederbereich 9 freigeschnitten, der das Kontaktstück 7 trägt. Dieser Kontaktfederbereich 9 kann sich beim flachen Aufliegen der Ankerelektrode 5 auf einer Basiselektrode elastisch durchbiegen, wodurch die Kontaktkraft erzeugt wird.
    Wie in Figur 1 weiter zu sehen ist, ist das Ankersubstrat 1 auf einem Basissubstrat 10 befestigt, welches im vorliegenden Beispiel aus Pyrex-Glas besteht, das aber beispielsweise auch aus Silizium gebildet sein könnte. Auf seiner ebenen Oberfläche trägt das Basissubstrat 10 eine Basiselektrode 11 und eine Isolierschicht 12, um die Basiselektrode 11 gegenüber der Ankerelektrode 5 zu isolieren. Ein Basis-Kontaktstück 13 ist in nicht weiter dargestellter Weise mit einer Zuleitung versehen und natürlich gegenüber der Basiselektrode 11 isoliert angeordnet. Zwischen der gekrümmten Federzunge 2 mit der Ankerelektrode 5 einerseits und der Basiselektrode 11 andererseits ist ein keilförmiger Luftspalt 14 ausgebildet. Bei Anliegen einer Spannung von einer Spannungsquelle 15 zwischen den beiden Elektroden 5 und 11 rollt die Federzunge auf der Basiselektrode 11 ab, wodurch das Ankerkontaktstück 7 mit dem Basiskontaktstück 13 verbunden wird.
    Die Größenverhältnisse und Schichtdicken sind in den Figuren 1 und 2 lediglich unter dem Gesichtspunkt der Anschaulichkeit dargestellt und entsprechen nicht den tatsächlichen Verhältnissen. Für die nachfolgend beschriebenen Untersuchungen (mit Hilfe einer Computer-Simulation) wurde ein Aufbau gewählt, der etwa die folgenden Dimensionen hatte:
    Länge der Federzunge (2) 1300 µm
    Breite der Federzunge (2) 1000 µm
    Dicke der Federzunge (Si-Schicht) (2) 10 µm
    SiO2-Schichtdicke (4) 500 nm
    Si3N4-Schichtdicke(4) 50 nm
    Länge der Schlitze (8) 500 µm
    Auslenkung Zungenende zur Basiselektrode ca. 11 µm
    In Figur 3 sind die Schaltkennlinien eines Aufbaus gemäß Figur 1 mit stetig gekrümmter Federzunge in Abhängigkeit von der Steuerspannung gezeigt. Dabei ist in Figur 3a der Abstand A der Federzunge von der Basiselektrode gezeigt. Die Kurve a24 zeigt den Verlauf des Abstandes des Kontaktfederbereiches (am Punkt 24) von der Basiselektrode, während die Kurve a25 den entsprechenden Abstandsverlauf der Federzunge im Gabelpunkt 25 zwischen Kontaktfederbereich und Ankerelektrodenbereich (Ende der Schlitze 8) zeigt. Aus Figur 3a ist deutlich zu ersehen, daß sich die Federzunge stetig an das Basis-substrat bzw. die Basiselektrode annähert, bis bei etwa 8,5 V der Kontakt geschlossen wird; der Kontaktfederbereich der Federzunge ist dann um die Höhe der Kontaktstücke von der Basiselektrode entfernt (etwa 4 µm). Der Verlauf der Kontaktkraft F in Figur 3b zeigt bei der Ansprechspannung von 8,5 V eine sehr geringe Kontaktkraft von ca. 8 µN (Kurve f1), die mit steigender Spannung weiter ansteigt. Erst bei ca. 10,5 V geht die steil ansteigende Kurve in eine Charakteristik geringerer Steilheit über. Dieser Kennlinienverlauf ist für Relais nicht erwünscht.
    Um dieses unerwünschte schleichende Kontaktverhalten zu vermeiden, werden erfindungsgemäß verschiedene Maßnahmen zur Erzeugung einer geometrischen Diskontinuität vorgeschlagen, mit denen ein abruptes Schaltverhalten erzeugt wird. In Figur 4 ist schematisch eine Federzunge 41 gezeigt, die im Anschluß an ihre Einspannstelle zunächst einen stetig gekrümmten Abschnitt 42 mit dem Radius R und daran anschließend bis zum freien Ende einen geraden Abschnitt 43 aufweist. Ansonsten ist der Aufbau mit dem von Figur 1 vergleichbar. Die Ankerelektrode 5 und die Basiselektrode 11 erstrecken sich jeweils über die volle Länge der Federzunge. Figur 4b zeigt die Federzunge 41 in angezogenem Zustand, wobei die Kontaktstücke aufeinanderliegen und durch die Durchbiegung des teilweise freigeschnittenen Kontaktfederbereiches 9 die Kontaktkraft erzeugt wird. (Zwischen Basissubstrat und Ankersubstrat ist in den Figuren 4, 6 und 8 jeweils ein kleiner Abstand gezeichnet, der in Wirklichkeit lediglich auf die Dicke einer Isolierschicht beschränkt ist!)
    Die Schaltcharakteristik einer Anordnung gemäß Figur 4 ist in Figur 5a und 5b zu erkennen. Gezeigt ist die Bewegung des Punktes 44 am Ende des Kontaktfederbereiches 9 (Kurve a44) und die Bewegung des Gabelungspunktes 45 bei der Anbindung des Kontaktfederbereiches (Kurve a45) in Abhängigkeit von der Steuerspannung. Außerdem zeigt Figur 5b den Verlauf der Kontaktkraft F in Abhängigkeit von der Steuerspannung (Kurve f4). Es zeigt sich eine Schaltcharakteristik mit Hysterese und eindeutigen Kippvorgängen sowohl beim Schließen als auch beim Öffnen des Kontaktes. Bis zur Ansprechspannung von etwa 12 V bewegt sich die Feder in einer quadratischen Abhängigkeit von der Spannung um etwa 10 bis 20 % der Anfangsauslenkung und schaltet nach Überschreiten der Ansprechspannung schlagartig durch. Das Rückfallen erfolgt bei etwa 4 V. Gemäß Figur 5b wird bei der Ansprechspannung von 12 V eine Kontaktkraft von etwa 0,28 mN erreicht. Danach steigt die Kraft mit verminderter Steigung an. Als grobe Dimensionierung sollte die Länge der gekrümmten Zone 42 etwa 20 bis 40 % der Gesamtfederlänge der Federzunge 41 betragen.
    Figur 6 zeigt eine Ausführungsform einer Federzunge 61, bei der die geometrische Diskontinuität in einem Versatz der Elektroden besteht. Die Ankerelektrode 62 beginnt in diesem Fall nicht wie die vorher gezeigte Ankerelektrode 5 an der Einspannstelle oder Anbindungsstelle der Federzunge am Ankersubstrat 1, sondern weist einen Versatz L gegenüber dieser Anbindungsstelle auf. Entsprechend kann auch der Beginn der Basiselektrode 63 um den Betrag L versetzt sein, ohne daß es darauf ankommt. Figur 6a zeigt den Ruhezustand der Anordnung, also ohne Steuerspannung, während Figur 6b den angezogenen Zustand, also bei Anliegen einer Steuerspannung zwischen den Elektroden 62 und 63, zeigt.
    Figur 7 zeigt den Bewegungsablauf am Kontaktpunkt 64 am Ende der Federzunge 61 (Kurve a64) sowie in Figur 7b den Verlauf der Kontaktkraft (Kurve f6). Durch die versetzte Elektrode nach Figur 6 wird die aktive Elektrodenfläche reduziert, so daß die Ansprechspannung gegenüber Figur 3 vergrößert ist; sie liegt bei dem Beispiel der Simulation bei etwa 18 V. Wie man aus den Figuren 7a und 7b ersieht, erzielt man auch bei der Gestaltung von Figur 6 eindeutige Kippzustände. Die Versatzlänge L sollte etwa im Bereich von 20 bis 40 % der Länge der Federzunge 61 gewählt werden.
    Eine weitere Ausführungsform einer Federzunge mit Diskontinuität ist in Figur 8 gezeigt. In diesem Fall ist eine Federzunge 81 mit einer kontinuierlichen Krümmung über ihre gesamte Länge und mit einer über ihre gesamte Länge verlaufenden Ankerelektrode 82 vorgesehen. Die geometrische Diskontinuität besteht hier darin, daß die Basiselektrode 83 um einen Abstand d im Basissubstrat 10 nach unten versetzt ist, so daß gegenüber der Einspannstelle der Federzunge 81 ein Spalt von der Dicke d entsteht. Wie am Kurvenverlauf in den Figuren 9b und 9b zu erkennen ist, ergibt sich auch bei einer Anordnung gemäß Figur 8 eine Erhöhung der Ansprechspannung mit eindeutigen Kippzuständen für Öffnen und Schließen des Kontaktes. Dargestellt sind typische Schaltverläufe bei einer Luftspaltbreite von d = 2 µm. Die Ansprechspannung beträgt hier 14 V, wobei alle geometrischen Daten gegenüber den vorherigen Ausführungsbeispielen vergleichbar sind. Zur Dimensionierung bietet sich eine Spaltbreite von d = 1 bis 2 µm an, was etwa 10 bis 20 % der Auslenkung des Federendes im Ruhezustand ist.
    Dargestellt ist in Figur 9a der Bewegungsverlauf am Kontaktpunkt 84 (Kurve a84) und am Gabelpunkt 85 (Kurve a85), ähnlich der Darstellung in Figur 5. Außerdem ist in Figur 9b der Verlauf der Kontaktkraft gezeigt (Kurve f8).
    Wie aus den Kurvenverläufen in den Figuren 7 und 9 zu erkennen ist, führen die Lösungen gemäß den Figuren 6 und 8 zu erhöhten Ansprechspannungen, da das elektrostatische Feld insgesamt verringert wird. Unter diesem Gesichtspunkt bietet die Lösung gemäß Figur 4 mit den Kurvenverläufen gemäß Figur 5 die optimale Ausnutzung der elektrostatischen Felder. Allerdings ist diese Lösung mit einer nur teilweise gekrümmten Feder schwieriger herzustellen als die homogen gekrümmten Federn von Figur 6 und 8. Welche Lösung im Endeffekt zu bevorzugen ist, hängt also unter anderem von den zur Verfügung stehenden Herstellverfahren und Materialien ab. Wie eingangs bereits erwähnt wurde, könnten natürlich Kombinationen der verschiedenen Ausführungsformen gemäß den Figuren 4, 6 und 8 in Betracht kommen und gegebenenfalls zu einer optimalen Lösung führen.

    Claims (9)

    1. Mikromechanisches elektrostatisches Relais mit einem Basissubstrat (10), das eine Basis-Elektrodenschicht (11; 63, 83) und mindestens ein Basis-Kontaktstück (13) trägt, und mit einem auf dem Basissubstrat liegenden Ankersubstrat (1) mit mindestens einer freigearbeiteten, einseitig angebundenen Anker-Federzunge(2; 41, 61, 81), welche eine Anker-Elektrodenschicht (5; 62, 82) und an ihrem freien Ende ein Anker-Kontaktstück (7) trägt,
      wobei die Federzunge (2; 41; 61; 81) im Ruhezustand durch eine stetige Krümmung vom Basissubstrat (10) weg gebogen ist, so daß die beiden Elektroden (5, 11; 62, 63; 82, 83) einen keilförmigen Luftspalt (14) zwischen einander bilden und wobei sich die Federzunge (2; 41; 61; 81) im Arbeitszustand bei Anliegen einer Spannung zwischen den Elektroden an das Basissubstrat (10) anschmiegt und die beiden Kontaktstücke (7, 13) aufeinanderliegen, dadurch gekennzeichnet, daß der keilförmige Luftspalt (14) zwischen den Elektroden mindestens eine geometrische Diskontinuität aufweist.
    2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federzunge (41) einen im Bereich der Anbindung am Ankersubstrat beginnenden, stetig gekrümmten Abschnitt (42) und daran anschließend zu ihrem freien Ende hin einen geraden Abschnitt (43) aufweist.
    3. Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des gekrümmten Abschnittes (42) etwa 20 bis 40 % der Gesamtlänge der Federzunge (41) beträgt.
    4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Elektrodenfläche (62) einen Versatz (L) gegenüber der Anbindung der Federzunge (61) am Ankersubstrat (1) aufweist.
    5. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Versatzes (L) der Elektrode (62) etwa 20 bis 40 % der Gesamtlänge der Federzunge (61) beträgt.
    6. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode (83) gegenüber der Ankerelektrode (82) an der Anbindungsstelle der Federzunge einen vorgegebenen Spalt (d) aufweist, dessen Höhe mindestens 10 % der Gesamtauslenkung des freien Federendes gegenüber dem Basissubstrat im Ruhezustand beträgt.
    7. Relais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Spaltes (d) zwischen 10 und 20 % der Gesamtauslenkung des freien Federendes gegenüber dem Basissubstrat (10) im Ruhezustand beträgt.
    8. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Federzunge (2; 41; 61; 81) an ihrem freien Ende einen durch Schlitze (8) teilweise freigeschnittenen Kontaktfederbereich (9) bildet, auf dem das Ankerkontaktstück (7) angeordnet ist, und daß der Abstand zwischen den beiden Kontaktstücken (7, 13) geringer ist als der Abstand zwischen den beiden Elektroden (5, 11) im Bereich des freien Federendes.
    9. Relais nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktfederbereich (9) mittig der Kontaktfederbreite durch zwei vom freien Ende her parallel zu den Seitenkanten der Federzunge verlaufende Schlitze (8) gebildet ist, deren Länge etwa 20 % bis 50 % der Gesamtlänge der Federzunge (2) beträgt.
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