EP1021815B1 - Mikromechanisches elektrostatisches relais und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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EP1021815B1
EP1021815B1 EP98947333A EP98947333A EP1021815B1 EP 1021815 B1 EP1021815 B1 EP 1021815B1 EP 98947333 A EP98947333 A EP 98947333A EP 98947333 A EP98947333 A EP 98947333A EP 1021815 B1 EP1021815 B1 EP 1021815B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
spring tongue
fixed contact
spring
base substrate
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98947333A
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English (en)
French (fr)
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EP1021815A1 (de
Inventor
Helmut Schlaak
Lothar Kiesewetter
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TE Connectivity Solutions GmbH
Original Assignee
Tyco Electronics Logistics AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1021815B1 publication Critical patent/EP1021815B1/de
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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 and a corresponding one Manufacturing processes are basically from the DE 42 05 029 C1 known. It is essential that the out an elastic spring tongue exposed to a substrate has a curvature has such that the armature electrode with the opposite Base electrode forms a wedge-shaped air gap, that when a voltage is applied between the two electrodes a quick tightening movement based on the so-called traveling wedge principle causes. Refinements to this principle are, for example shown in DE 44 37 259 C1 and DE 44 37 261 C1.
  • the aim of the present invention is to provide a micromechanical To further develop relays of the type mentioned at the outset in such a way that even with the electrostatic drive larger contact forces can be generated, but with the functional elements of the relay on the base substrate by machining can be created from one side.
  • this goal is achieved in that the at least one fixed contact on a fixed contact spring tongue is arranged facing the anchor spring tongue like these are tied on one side to a carrier layer and at rest is elastically curved away from the base substrate, and that the at least one movable contact on the free End of the anchor spring tongue projecting over this and the Fixed contact is overlapping.
  • the invention thus differs from the previous ones Proposals for micromechanical relays and switches also the Fixed contact no longer rigidly arranged on the base substrate, it sits on one like the moving contact curved spring tongue, which creates an additional switching path can be achieved.
  • the movable contact sits on the armature tongue and overlaps the fixed contact. Due to the pre-curvature of the two spring tongues facing each other can be so when switching from the beginning of the contact to End position of the armature sufficient overtravel for generation achieve the desired contact force.
  • the production is particularly favorable when both Anchor spring tongue as well as the fixed contact spring tongue from the same carrier layer are formed and thus in one and same etching process can be produced.
  • the one with her Free ends opposite spring tongues can mesh in an advantageous manner, so that the projecting movable contact not only at its rear End, but at least also on one side the surface of the anchor spring tongue can be connected.
  • the special design depends on whether a normally open contact or a bridge contact should be created.
  • Silicon is preferably used as the base substrate, the carrier layer for the spring tongues as a silicon layer with the interposition of the required functional and insulating layers deposited or bonded and is etched free in the corresponding work steps.
  • the base substrate but can also consist of glass or ceramic; these materials are much cheaper than Silicon. Kermaik, however, requires an additional surface treatment, around that required for the relay structures to get a smooth surface.
  • the spring tongue can be made of deposited polysilicon, for example or recrystallized polysilicon or as an exposed doped silicon layer of a bonded on Silicon wafers are present. This layer can be caused by epitaxy or diffusion can be produced in a silicon wafer.
  • a deposited one can also be used Layer of a spring metal, such as nickel, a nickel-iron alloy or of nickel with other additives become. Other metals can also be considered; it is important that the material has good spring properties and a shows little fatigue.
  • a spring metal such as nickel, a nickel-iron alloy or of nickel with other additives.
  • Other metals can also be considered; it is important that the material has good spring properties and a shows little fatigue.
  • FIGS. 1 to 3 show the functional layer structure of a micromechanical relay based on silicon according to the invention.
  • the base substrate 1 consists of silicon.
  • This base substrate also serves as a base electrode; if necessary, however, a corresponding electrode layer can also be formed by suitable doping.
  • a first sacrificial layer 3, which is later etched out, lies on this in turn. It consists, for example, of silicon dioxide and has a thickness d 1 of preferably less than 0.5 ⁇ m.
  • a carrier layer 4 lies above the sacrificial layer 3 to form spring tongues.
  • This layer is electrically conductive and consists for example of polysilicon with a thickness of 5 to 10 microns.
  • An armature spring tongue 41 and a fixed contact spring tongue 42 are later etched free from this carrier layer 4.
  • a fixed contact 7 is deposited on the fixed contact spring tongue 42 by appropriate coating methods, while a movable contact 8 is formed on the free end of the armature spring tongue 41 such that it overlaps the fixed contact 7 with the interposition of the second sacrificial layer 5.
  • the height of the switch contacts can be selected as required, typically between 2 and 10 ⁇ m. Depending on the requirements, the thicknesses or the material compositions of the switch contacts can also be asymmetrical. As shown in FIG. 4, the two spring tongues 41 and 42 engage in a tooth-like manner, so that a central projection 44 of the spring tongue 42 is surrounded by two lateral projections 43 of the armature spring tongue 41 in the form of pliers.
  • the movable contact 8 rests with three side sections on the armature spring tongue. In this embodiment, it forms a simple normally open contact with the fixed contact 7. Furthermore, it can be seen that the movable contact 8 has an S-shaped or Z-shaped cross section in order to ensure the overlap with the fixed contact 7.
  • the intermediate sacrificial layer 2 typically has a thickness d 2 of less than 0.5 ⁇ m.
  • the remaining layers required formed for example a supply line 71 for fixed contact 7, a feed line 81 to the movable contact 8 and another insulating layer 9 for passivation of the top the anchor spring tongue.
  • FIG. 2 shows the finished arrangement after the spring tongues have been exposed by etching out the two sacrificial layers 3 and 5, a free space 31 being created below the armature spring tongue 41.
  • the two spring tongues 41 and 42 curve upwards due to the tension layer 6, so that the arrangement according to FIG. 2 is formed with the contact open.
  • the anchor spring tongue bends due to the preload to a clear opening x 1 at the spring end.
  • This clear contact distance x K can be freely adjusted by the geometry of the armature spring tongue and the fixed contact spring tongue as well as the tension in the spring caused by the layer 6.
  • FIG. 3 shows the closed switching state of the relay.
  • the armature spring tongue 41 lies directly on the counter electrode, ie it touches the insulation layer 2 of the counter electrode or the base substrate.
  • Figure 4 shows a plan view of the spring tongues 41 and 42 according to Figures 1 to 3.
  • the shape and to see the arrangement of the contacts namely the fixed contact 7 on the projection 44 of the spring tongue 42 and the movable Contact 8 with three-sided suspension on the projections 43 of the spring tongue 41.
  • a hole pattern 10 for etching free the first sacrificial layer 3 is shown.
  • FIG. 5 shows an embodiment modified from FIG. 4 shown with a bridge contact.
  • the spring tongue 42 has two separate fixed contacts 7 corresponding connecting tracks on two outer projections 46, while the spring tongue 41 has a central projection 47 forms on which the movable contact 8 lies.
  • a slit 42a in the fixed contact spring tongue 42 ensures high torsional flexibility, thus both contacts in the event of uneven erosion open up. In this example, this serves as Bridge contact by overlapping the fixed contacts 7 on both sides.
  • FIGS. 7 and 8 is schematic a design during manufacture and in the finished Condition shown in which the anchor spring tongue is only partially is curved.
  • a tension layer 61 extends only over part the armature spring tongue 41 extends so that a curved Zone 62 of the anchor spring tongue on the area of the clamping point limited, while a zone 63 straight towards the end of the spring or with less curvature.
  • an insulation layer 64 free of residual stress shown the electrical isolation of the load circuit forms with the lead 81 from the spring tongue. Lies above the tension layer 61 already mentioned.
  • Figure 9 shows the basic layer structure on the base substrate 1 as it is based on the so-called additive technique he follows.
  • the flexible spring tongues or their carrier layer obtained from a material, that only deposited on the substrate during manufacture becomes.
  • the substrate shown in the example of 9 shows a wafer made of p-silicon.
  • a control base electrode 11 n-by diffusion (for example with phosphorus); between the n-silicon the electrode and the p-silicon of the base substrate a barrier layer 12 is formed Insulation layer 2 and above the sacrificial layer 3 applied and structured.
  • the carrier layer 4 is covered with a thickness of e.g. 5 to 10 ⁇ m deposited.
  • FIG. 10 Layer arrangement shown, wherein the substrate consists of glass. But it could also be made from a silicon substrate Insulation layer or ceramic with appropriate surface treatment consist. A base electrode is placed over this substrate 11 generated in the form of a metal layer. Thereon there is then an insulating layer 2 and the sacrificial layer above it 3.
  • a carrier layer is used electroplated metal layer made of nickel or a nickel alloy (e.g. nickel-iron) or one other metal alloy.
  • the spring characteristic is important with little fatigue of this metal.
  • the structuring also takes place in this example the load circuit elements analogous to additive technology, such as already described with reference to FIG. 1 and FIG. 6. It will for example, an insulation layer 64 for insulation between the load circuit and that formed by the spring tongue 41 Drive electrode, if necessary, an additional Tension layer 61, the load circuit tracks 71 and 81, the fixed contact 7, the second sacrificial layer 5 and the movable contact 8 successively applied and structured. So much for additional layers for passivation isolation are necessary, this happens according to experience of the specialist.
  • the structure consists in the use of a so-called SOI wafer (silicon-on-insulator). Such an SOI wafer is shown in FIG Semi-finished product shown.
  • SOI wafer silicon-on-insulator
  • FIG Semi-finished product shown.
  • the difference to the structure according to the figure 9 is that the individual layers in this case are not subsequently deposited on the substrate, but rather that such an SOI wafer is a semi-finished product has prefabricated layer structure, being on the silicon substrate 1 an insulation layer 2, for example made of silicon nitrite, a first sacrificial layer 3, for example made of silicon dioxide, as well as a crystalline silicon epitaxial layer as a carrier layer 4 with a thickness of, for example, 5 to 10 ⁇ m are arranged.
  • a control voltage U s is applied to the electrodes via corresponding connection elements for actuating the relay, that is to say according to FIG. 2 to the base substrate 1, which also serves as the base electrode, or to the base electrode electrically insulated from the base substrate according to the embodiments in FIGS 11 and to the armature spring tongue 41, which also serves as an armature electrode.
  • the armature spring tongue 41 is attracted to the base electrode by the electrostatic charge, as a result of which the contacts close.

Landscapes

  • Micromachines (AREA)
  • Contacts (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches elektrostatisches Relais mit
  • einem Basissubstrat mit einer Basiselektrode und mit mindestens einem Festkontakt,
einer Anker-Federzunge, die einseitig an einer mit dem Basissubstrat verbundenen Trägerschicht angebunden ist, eine der Basiselektrode gegenüberliegende Ankerelektrode besitzt, im Ruhezustand unter Bildung eines keilförmigen Luftspaltes elastisch von dem Basissubstrat weggekrümmt ist und an ihrem freien Ende mindestens einen, dem Festkontakt gegenüberliegenden beweglichen Kontakt trägt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Relais.
Ein derartiges mikromechanisches Relais und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sind bereits grundsätzlich aus der DE 42 05 029 C1 bekannt. Wesentlich ist dabei, daß die aus einem Substrat freigelegte Anker-Federzunge eine Krümmung derart besitzt, daß die Ankerelektrode mit der gegenüberliegenden Basiselektrode einen keilförmigen Luftspalt bildet, der beim Anlegen einer Spannung zwischen die beiden Elektroden eine schnelle Anzugsbewegung nach dem sog. Wanderkeil-Prinzip bewirkt. Verfeinerungen dieses Prinzips sind beispielsweise in der DE 44 37 259 C1 und DE 44 37 261 C1 gezeigt.
Bei all diesen bekannten Relais mit mikromechanischem Aufbau ist ein relativ hoher fertigungstechnischer Aufwand insofern erforderlich, als zwei Substrate, nämlich einerseits ein Basissubstrat mit der Basiselektrode und dem Festkontakt und andererseits ein Ankersubstrat mit der Anker-Federzunge, der Ankerelektrode und dem beweglichen Kontakt getrennt bearbeitet und miteinander verbunden werden müssen. Neben den erwähnten Hauptfunktionselementen der beiden Substrate sind weitere Beschichtungs- und Ätzvorgänge erforderlich, beispielsweise für Isolierschichten, Zuleitungen und dergleichen. Beide Substrate müssen also jeweils für sich all den erforderlichen aufwendigen Prozessen unterworfen werden, bevor sie mit ihren Hauptfunktionsschichten einander zugewandt verbunden werden können. Da die Schaltelemente auch vor Umwelteinflüssen geschützt werden sollen, ist in der Regel ein zusätzliches Deckelteil als Abschlußelement erforderlich, ohne daß hierauf näher eingegangen werden muß.
Wünschenswert wäre es zur Vereinfachung der Herstellung, wenn alle Funktionselemente des Relais auf einem Substrat von einer Seite her gebildet werden könnten. Dabei ist es grundsätzlich denkbar, eine Federzunge mit einem beweglichen Kontakt und ein Festkontaktelement auf ein und demselben Substrat auszubilden, wobei etwa der Festkontakt und der bewegliche Kontakt übereinanderliegend hergestellt werden können und wobei durch Wegätzen einer sog. Opferschicht der Kontaktabstand gebildet werden kann. Grundsätzlich ist eine solche Anordnung aus der US-4 570 139 bekannt. Bei dem dortigen mikromechanischen Schalter ist allerdings unterhalb der Anker-Federzunge ein nicht genau definierter Hohlraum geschaffen, der für die Bildung eines elektrostatischen Antriebs nicht geeignet ist. Bei dem dortigen Schalter ist deshalb vorgesehen, sowohl die Anker-Federzunge als auch den Festkontakt mit jeweils einer magnetischen Schicht zu versehen und den Schalter über ein von außen angelegtes Magnetfeld zu betätigen. Mit einem solchen Magnetfeld kann auch bei dem relativ geringen Kontaktabstand, der mit der Opferschichttechnik zwischen dem beweglichen Kontakt und dem starren Festkontakt erreicht werden kann, die nötige Kontaktkraft erzeugt werden. Allerdings ist dazu eine zusätzliche Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes, beispielsweise eine Spule, erforderlich, die erheblich mehr Platz benötigt, als man für bestimmte Anwendungsfälle für ein mikromechanisches Relais zur Verfügung hat.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikromechanisches Relais der eingangs genannten Art konstruktiv so weiterzubilden, daß auch mit dem elektrostatischen Antrieb größere Kontaktkräfte erzeugt werden können, wobei aber die Funktionselemente des Relais auf dem Basissubstrat durch Bearbeitung von einer Seite geschaffen werden können.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß der mindestens eine Festkontakt auf einer Festkontakt-Federzunge angeordnet ist, die der Anker-Federzunge gegenüberstehend wie diese einseitig an einer Trägerschicht angebunden und im Ruhezustand elastisch von dem Basissubstrat weggekrümmt ist, und daß der mindestens eine bewegliche Kontakt an dem freien Ende der Anker-Federzunge über dieses vorkragend und den Festkontakt überlappend ausgebildet ist.
Bei der Erfindung wird also im Unterschied zu den bisherigen Vorschlägen für mikromechanische Relais und Schalter auch der Festkontakt nicht mehr starr auf dem Basissubstrat angeordnet, sondern er sitzt wie der bewegliche Kontakt auf einer gekrümmten Federzunge, wodurch sich ein zusätzlicher Schaltweg erzielen läßt. Der bewegliche Kontakt sitzt auf der Anker-Federzunge und überlappt den Festkontakt. Durch die Vorkrümmung der beiden einander gegenüberstehenden Federzungen läßt sich so beim Schalten vom Beginn der Kontaktgabe bis zur Endposition des Ankers ein ausreichender Überhub zur Erzeugung der gewünschten Kontaktkraft erzielen. Dieser Effekt wird erzielt, auch wenn bei der Ausbildung der Anker-Federzunge auf einem Basissubstrat über die Opferschichttechnik unterhalb des Ankers nur ein relativ geringer Freiraum geschaffen werden kann, durch den der Anker über seine gestreckte Position hinaus beim Anzug an die Gegenelektrode nur einen geringen eigenen Überhub erfährt.
Besonders günstig ist die Herstellung dann, wenn sowohl die Anker-Federzunge als auch die Festkontakt-Federzunge aus der gleichen Trägerschicht gebildet sind und somit in ein und demselben Ätzvorgang hergestellt werden können. Die mit ihren freien Enden einander gegenüberstehenden Federzungen können in vorteilhafter Weise zahnartig ineinandergreifen, so daß der vorspringende bewegliche Kontakt nicht nur an seinem hinteren Ende, sondern zumindest auch noch an einer Seite mit der Oberfläche der Anker-Federzunge verbunden werden kann. Die spezielle Gestaltung hängt davon ab, ob ein SchließerKontakt oder ein Brückenkontakt geschaffen werden soll.
Als Basissubstrat kommt vorzugsweise Silizium in Betracht, wobei die Trägerschicht für die Federzungen als Silizium-schicht unter Zwischenfügung der jeweils erforderlichen Funktions- und Isolierschichten abgeschieden oder aufgebondet und in den entsprechenden Arbeitsgängen freigeätzt ist. Das Basissubstrat kann aber auch aus Glas oder aus Keramik bestehen; diese Materialien sind wesentlich kostengünstiger als Silizium. Kermaik erfordert aber eine zusätzliche Oberflächenbehandlung, um die für die Relaisstrukturen erforderliche glatte Oberfläche zu erhalten. Die die Federzungen bildende Trägerschicht kann beispielsweise aus abgeschiedenem Polysilizium oder Polysilizium mit Rekristallisation bestehen oder als freigelegte dotierte Silizium-Schicht eines aufgebondeten Silizium-Wafers vorliegen. Diese Schicht kann durch Epitaxie oder Diffusion in einem Silizium-Wafer hergestellt werden. Neben dieser Siliziumstruktur kann aber auch eine abgeschiedene Schicht eines Federmetalls, wie Nickel, einer Nickel-Eisenlegierung oder von Nickel mit sonstigen Zusätzen verwendet werden. Auch andere Metalle können in Betracht kommen; wichtig ist, daß das Material gute Federeigenschaften und eine geringe Ermüdung zeigt.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Relais weist die folgenden Schritte auf:
  • auf einem mit einer metallischen Schicht als Basiselektrode versehenen Basissubstrat wird unter Zwischenfügung einer Isolierschicht und eines Zwischenraums eine Trägerschicht aus Metall aufgebracht,
  • in der Trägerschicht werden zwei einseitig angebundene, einander mit ihren freien Enden gegenüberstehende Federzungen ausgebildet,
  • die Federzungen werden an ihrer Oberseite zumindest abschnittsweise mit einer Zugspannungsschicht versehen,
  • eine - vorzugsweise kürzere - Federzunge wird an ihrem freien Ende mit mindestens einem Festkontakt versehen,
  • die - vorzugsweise längere - Federzunge wird mit mindestens einem beweglichen Kontakt versehen, der unter Zwischenfügung einer Opferschicht den Festkontakt überlappt, und
  • durch Freiätzung der Federzungen voneinander und von dem Substrat wird deren Krümmung vom Substrat weg nach oben erreicht.
Weiter Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens sind in den Ansprüchen 14 bis 16 genannt.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
  • Figur 1 den Aufbau der wesentlichen Funktionsschichten eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Relais in einer Schnittdarstellung,
  • Figur 2 das mikromechanische Relais von Figur 1 im Endzustand (ohne Gehäuse) in Ruheposition,
  • Figur 3 das Relais von Figur 2 in Arbeitsposition,
  • Figur 4 eine Draufsicht auf das Relais von Figur 3, welches einen Arbeitskontakt bildet,
  • Figur 5 die gleiche Ansicht wie Figur 4, jedoch mit einer Ausführungsform, welche einen Brückenkontakt bildet,
  • Figur 6 eine abgewandelte Ausführungsform einer Brückenkontakt-Anordnung,
  • Figur 7 eine Darstellung entsprechend Figur 1, jedoch mit einer Zugspannungsschicht über einem Teilabschnitt der Anker-Federzunge,
  • Figur 8 eine Ansicht entsprechend Figur 2 mit Federzungenabschnitten unterschiedlicher Krümmung,
  • Figur 9 einen gegenüber Figur 1 etwas abgewandelten Schichtaufbau eines Basissubstrats bis zum Aufbau einer Trägerschicht aus Polysilizium für die Federzungen,
  • Figur 10 einen gegenüber Figur 9 abgewandelten Schichtaufbau mit einer Trägerschicht aus Metall für die Federzungen,
  • Figur 11 einen gegenüber Figur 9 und 10 abgewandelten Schichtaufbau mit einer auf das Basissubstrat aufgebondeten Lost-Wafer-Schicht zur Bildung der Trägerschicht für die Federzungen und
  • Figur 12 einen abgewandelten Schichtaufbau unter Verwendung eines SOI-Wafer-Halbzeugs.
    • Zunächst sei darauf hingewiesen, daß alle Schichtdarstellungen lediglich schematisch die Schichtfolge und nicht die Dikkenverhältnisse der Schichten zeigen.
    In den Figuren 1 bis 3 ist der Funktionssschichtaufbau eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Relais auf Siliziumbasis gezeigt. Das Basissubstrat 1 besteht in diesem Fall aus Silizium. Dieses Basissubstrat dient zugleich als Basiselektrode; nach Bedarf kann aber auch eine entsprechende Elektrodenschicht durch geeignete Dotierung ausgebildet werden. Über dem Basissubstrat ist eine Isolierschicht 2, beispielsweise aus Silizium-Nitrit ausgebildet. Auf dieser wiederum liegt eine erste Opferschicht 3, die später herausgeätzt wird. Sie besteht beispielsweise aus Silizium-Dioxid und besitzt eine Dicke d1 von vorzugsweise weniger als 0,5 µm. Über der Opferschicht 3 liegt eine Trägerschicht 4 zur Bildung von Federzungen. Diese Schicht ist elektrisch leitend und besteht beispielsweise aus Polysilizium mit einer Dicke von 5 bis 10 µm. Aus dieser Trägerschicht 4 werden später eine Anker-Federzunge 41 und eine Festkontakt-Federzunge 42 freigeätzt.
    Beim Schichtaufbau sind sie zunächst durch eine zweite Opferschicht 5 voneinander getrennt. Auf den beiden Federzungen 41 und 42 ist eine isolierende Zugspannungsschicht 6 angeordnet, die nach dem Freiätzen der Federzungen aufgrund ihrer Zugspannung eine Krümmung der Federzungen vom Basissubstrat weg nach oben bewirkt. Dieser Zustand ist in Figur 2 gezeigt.
    Auf der Festkontakt-Federzunge 42 wird durch entsprechende Beschichtungsverfahren ein Festkontakt 7 abgelagert, während auf dem freien Ende der Anker-Federzunge 41 ein beweglicher Kontakt 8 derart ausgebildet wird, daß er unter Zwischenfügung der zweiten Opferschicht 5 den Festkontakt 7 überlappt. Die Höhe der Schaltkontakte ist beliebig wählbar, typischerweise beträgt sie zwischen 2 und 10 µm. Je nach Erfordernis können die Dicken bzw. die Materialzusammensetzungen der Schaltkontakte auch asymmetrisch sein. Wie in Figur 4 gezeigt ist, greifen die beiden Federzungen 41 und 42 zahnartig ineinander, so daß ein mittiger Vorsprung 44 der Federzunge 42 von zwei seitlichen Vorsprüngen 43 der Anker-Federzunge 41 zangenförmig umfaßt wird. Auf diese Weise liegt der bewegliche Kontakt 8 mit drei Seitenabschnitten auf der Anker-Federzunge auf. Er bildet in dieser Ausgestaltung einen einfachen Schließerkontakt mit dem Festkontakt 7. Im übrigen ist erkennbar, daß der bewegliche Kontakt 8 einen S-förmigen oder Z-förmigen Querschnitt aufweist, um die Überlappung mit dem Festkontakt 7 sicherzustellen. Die zwischenliegende Opferschicht 2 besitzt typischerweise eine Dicke d2 von weniger als 0,5 µm.
    In bekannter Weise werden die übrigen erforderlichen Schichten ausgebildet, beispielsweise eine Zuleitung 71 zum Festkontakt 7, eine Zuleitung 81 zum beweglichen Kontakt 8 sowie eine weitere Isolierschicht 9 zur Passivierung der Oberseite der Anker-Federzunge.
    In Figur 2 ist die fertige Anordnung nach der Freilegung der Federzungen durch Herausätzen der beiden Opferschichten 3 und 5 gezeigt, wobei unterhalb der Anker-Federzunge 41 ein Freiraum 31 entsteht. Wie erwähnt, krümmen sich die beiden Federzungen 41 und 42 aufgrund der Zugspannungsschicht 6 nach oben, so daß die Anordnung gemäß Figur 2 mit geöffnetem Kontakt entsteht. Die Anker-Federzunge krümmt sich aufgrund der Vorspannung zu einer lichten Öffnung x1 am Federende. In gleicher Weise krümmt sich die Festkontakt-Federzunge 42 nach der Freilegung um die lichte Öffnung x2 nach oben. Somit ergibt sich der lichte Kontaktabstand xK = x1 - x2 + d2 und näherungsweise xK = x1 - x2.
    Dieser lichte Kontaktabstand xK ist durch die Geometrie der Anker-Federzunge und der Festkontakt-Federzunge sowie die durch die Schicht 6 hervorgerufene Zugspannung in der Feder frei einstellbar.
    Den geschlossenen Schaltzustand des Relais zeigt Figur 3. Dabei liegt die Anker-Federzunge 41 direkt an der Gegenelektrode an, d.h., sie berührt die Isolationsschicht 2 der Gegenelektrode bzw. des Basissubstrats. Somit ist die Anker-Federzunge um die Dicke der ersten Opferschicht 3, nämlich d1, nach unten gebogen. Es ergibt sich dabei ein Überhub zu xu = x2 - d2 + d1, also näherungsweise xu = x2.
    Dieser Überhub ist von den Fertigungstoleranzen der Kontakthöhen unabhängig.
    Wie erwähnt, zeigt Figur 4 eine Draufsicht auf die Federzungen 41 und 42 gemäß den Figuren 1 bis 3. Dabei ist die Form und Anordnung der Kontakte zu sehen, nämlich des Festkontaktes 7 auf dem Vorsprung 44 der Federzunge 42 sowie des beweglichen Kontaktes 8 mit dreiseitiger Aufhängung auf den Vorsprüngen 43 der Federzunge 41. Außerdem ist andeutungsweise ein Lochraster 10 zum Freiätzen der ersten Opferschicht 3 gezeigt.
    In Figur 5 ist eine gegenüber Figur 4 abgewandelte Ausführungsform mit einem Brückenkontakt gezeigt. In diesem Fall besitzt die Federzunge 42 zwei getrennte Festkontakte 7 mit entsprechenden Anschlußbahnen auf zwei äußeren Vorsprüngen 46, während die Federzunge 41 einen mittigen Vorsprung 47 bildet, auf dem der bewegliche Kontakt 8 liegt. Ein Schlitz 42a in der Festkontakt-Federzunge 42 sorgt für eine hohe Torsions-Nachgiebigkeit, damit bei ungleichem Abbrand beide Kontakte sicher schließen. Dieser dient bei diesem Beispiel als Brückenkontakt, indem er beiderseits die Festkontakte 7 überlappt.
    Die gleiche Wirkung kann man auch mit einer Struktur gemäß Figur 6 erzielen. Dort ist eine Anker-Federzunge 141 mit einem mittigen Vorsprung 147 versehen, auf dem ein beiderseits überstehender beweglicher Brücken-Kontakt 148 liegt. Dieser arbeitet mit zwei Festkontakten 144 und 145 zusammen, welche auf zwei getrennten Festkontakt-Federzungen 142 und 143 sitzen. Diese Festkontakt-Federzungen 142 und 143 stehen quer zur Anker-Federzunge 141, d.h., ihre Einspann-Linien 142a und 143a stehen senkrecht zur Einspann-Linie 141a der Anker-Federzunge.
    Für die Optimierung der Schaltkennlinie ist es zweckmäßig, die Anker-Federzunge nur abschnittsweise zu krümmen, wie dies in den Dokumenten DE 44 37 260 C1 und DE 44 37 261 C1 ausführlich gezeigt ist. In den Figuren 7 und 8 ist schematisch eine Ausgestaltung während der Herstellung und im fertigen Zustand gezeigt, bei der die Anker-Federzunge nur teilweise gekrümmt ausgebildet ist. Im Vergleich zu den Figuren 1 und 2 besteht der wesentliche Unterschied darin, daß in den Figuren 7 und 8 eine Zugspannungsschicht 61 sich nur über einen Teil der Anker-Federzunge 41 erstreckt, so daß sich eine gekrümmte Zone 62 der Anker-Federzunge auf den Bereich der Einspannstelle begrenzt, während eine Zone 63 zum Federende hin gerade bzw. mit geringerer Krümmung verläuft. Bei der Darstellung in den Figuren 7 und 8 ist auf der Silizium-Trägerschicht 4 eine eigenspannungsfreie Isolationsschicht 64 dargestellt, welche die galvanische Trennung des Lastkreises mit der Zuleitung 81 von der Federzunge bildet. Darüber liegt die bereits erwähnte Zugspannungsschicht 61.
    Zur Realisierung der beschriebenen und dargestellten Schichtanordnung sind verschiedene, an sich bekannte Verfahren anwendbar. So zeigt Figur 9 den grundsätzlichen Schichtaufbau auf dem Basissubstrat 1, wie er nach der sog. Additiv-Technik erfolgt. Bei diesem Verfahren werden die beweglichen Federzungen bzw. deren Trägerschicht aus einem Material gewonnen, das während der Herstellung erst auf dem Substrat abgeschieden wird. Als Substrat dient in dem gezeigten Beispiel von Figur 9 ein Wafer aus p-Silizium. Auf diesem wird zunächst eine Steuer-Basiselektrode 11 n-durch Diffusion (beispielsweise mit Phosphor) erzeugt; zwischen dem n-Silizium der Elektrode und dem p-Silizium des Basissubstrats bildet sich eine Sperrschicht 12. Über der Elektrode wird die Isolationsschicht 2 und darüber die Opferschicht 3 aufgebracht und strukturiert. Darüber wird die Trägerschicht 4 mit einer Dicke von z.B. 5 bis 10 µm abgeschieden. Sie besteht aus Poly-Silizium oder aus Poly-Silizium mit Rekristallisation. Mit üblicher Maskentechnik wird die Struktur der Federzungen hergestellt. Der weitere Aufbau erfolgt gemäß Figur 1. So werden die verschiedenen Funktionsschichten, nämlich eine Isolationsschicht zwischen Lastkreis und beweglicher Antriebselektrode, gegebenenfalls eine zusätzliche Zugspannungsschicht und die erforderlichen Lastkreisleiterbahnen abgeschieden. Außerdem werden die beschriebenen Kontakte mit der zwischenliegenden zweiten Opferschicht sowie eventuell erforderliche Passivierungsisolationen für die Leiterbahnen erzeugt.
    Wie bereits eingangs erwähnt, können auch andere Materialien Verwendung finden. So ist in Figur 10 schematisch eine Schichtanordnung gezeigt, wobei das Substrat aus Glas besteht. Es könnte aber auch aus Silizium-Substrat mit einer Isolationsschicht oder aus Keramik mit entsprechender Oberflächenbehandlung bestehen. Über diesem Substrat wird eine-Basiselektrode 11 in Form einer Metallschicht erzeugt. Darauf liegt dann eine Isolierschicht 2 und über dieser die Opferschicht 3. Als Trägerschicht dient in diesem Beispiel eine galvanisch aufgebrachte Metallschicht, die aus Nickel oder einer Nickel-Legierung (z.B. Nickel-Eisen) oder auch einer anderen Metallegierung besteht. Wichtig ist die Federeigenschaft mit geringer Ermüdung dieses Metalls. Durch eine entsprechende Stromführung beim Galvanikprozeß können inhomogene Nickelschichten erzeugt werden, die eine spätere Krümmung der strukturierten Federzungen erzeugen. Der weitere Aufbau erfolgt analog zu Figur 9 bzw. Figur 1.
    Eine weitere Möglichkeit für die Erzeugung der Funktionsschichten des Relais ist die sog. Lost-Wafer-Technik. Diese soll anhand von Figur 11 kurz geschildert werden. In diesem Fall werden zwei Ursprungs-Substrate verwendet, die jedoch eine Schichtbearbeitung von einer Oberfläche aus erfahren. Auf ein Basissubstrat 1, das wiederum aus Silizium oder aus Glas besteht, wird zunächst eine Basiselektrode 11 aufgebracht, die in diesem Beispiel in einer Ätzgrube versenkt ist. Darüber liegt die Isolationsschicht 2. Danach wird ein zweiter Silizium-Wafer 20 mit einer n-dotierten Silizium-Schicht 21, die entweder durch Epitaxie aufgebracht oder durch Diffusion hergestellt wird, anodisch auf das bereits strukturierte Basissubstrat 1 gebondet. Von der Oberseite erfolgt danach ein Rückätzen des Wafers 20 mit elektrochemischem Ätzstop, so daß nur die Epitaxie-Schicht 21 stehen bleibt, die als Trägerschicht für die beweglichen Federzungen dient. Der Fügeschritt des Lost-Wafers auf dem Basissubstrat kann auch ohne die erste Opferschicht 3 (siehe Figur 1) erfolgen, wenn sich ein Freiraum 31 bilden läßt, ohne daß die Isolationsschicht 2 an der dotierten Silizium-Schicht 21 festbondet.
    Schließlich erfolgt auch bei diesem Beispiel die Strukturierung der Lastkreiselemente analog zur Additiv-Technik, wie anhand von Figur 1 bzw. Figur 6 bereits beschrieben. Es werden also zum Beispiel eine Isolationsschicht 64 zur Isolierung zwischen Lastkreis und der durch die Federzunge 41 gebildeten Antriebselektrode, soweit erforderlich, eine zusätzliche Zugspannungsschicht 61, die Lastkreisleiterbahnen 71 und 81, der feststehende Kontakt 7, die zweite Opferschicht 5 und der bewegliche Kontakt 8 nacheinander aufgebracht und strukturiert. Soweit zusätzliche Schichten zur Passivierungsisolation erforderlich sind, geschieht dies nach dem Erfahrungswissen des Fachmanns.
    Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Struktur besteht im Einsatz eines sog. SOI-Wafers (silicon-on-insulator). In Figur 12 ist ein solcher SOI-Wafer als Halbzeug dargestellt. Der Unterschied zum Aufbau gemäß Figur 9 besteht darin, daß die einzelnen Schichten in diesem Fall nicht nachträglich auf dem Substrat abgelagert werden, sondern daß vielmehr ein solcher SOI-Wafer als Halbzeug einen vorgefertigten Schichtaufbau besitzt, wobei auf dem Silizium-substrat 1 eine Isolationsschicht 2, zum Beispiel aus Silizium-Nitrit, eine erste Opferschicht 3, zum Beispiel aus Silizium-Dioxid, sowie eine kristalline Silizium-Epitaxie-Schicht als Trägerschicht 4 mit einer Dicke von zum Beispiel 5 bis 10 µm angeordnet sind. Auf diesem Halbzeug erfolgt dann die Strukturierung der Lastkreiselemente analog zur oben beschriebenen Additiv-Technik, wobei als Funktionsschichten die Isolationsschicht 64, die zusätzliche Zugspannungsschicht 61, die Lastkreisleiterbahnen 71 und 81, der feststehende Kontakt 7, die zweite Opferschicht 5 (gegebenenfalls auch als Passivierungs-Isolation für die Leiterbahnen) und der bewegliche Kontakt 8 strukturiert werden.
    Die Funktion des Relais ergibt sich ohne weiteres aus dem beschriebenen Aufbau. Über entsprechende Anschlußelemente wird zur Betätigung des Relais eine Steuerspannung Us an die Elektroden angelegt, also gemäß Figur 2 an das Basissubstrat 1, das zugleich als Basiselektrode dient, oder an die vom Basis-substrat elektrisch isolierte Basiselektrode gemäß den Ausführungsformen in den Figuren 9 bis 11 und an die Anker-Federzunge 41, die zugleich als Ankerelektrode dient. Durch die elektrostatische Aufladung wird die Anker-Federzunge 41 an die Basiselektrode angezogen, wodurch die Kontakte schließen.
    Für den Fachmann ist es auch klar, daß die in der Zeichnung dargestellte Struktur in geeigneter Weise in ein Gehäuse eingebaut wird, so daß die Kontakte gegen Umwelteinflüsse geschützt sind. Auch sei noch erwähnt, daß mehrere dargestellte Schalteinheiten auf ein und demselben Substrat nebeneinander und in einem gemeinsamen Gehäuse zur Bildung eines Vielfach-Relais angeordnet werden können.

    Claims (17)

    1. Mikromechanisches elektrostatisches Relais mit
      einem Basissubstrat (1) mit einer Basiselektrode (1,11) und mit mindestens einem Festkontakt (7),
      einer Anker-Federzunge (41), die einseitig an einer mit dem Basissubstrat (1) verbundenen Trägerschicht (4) angebunden ist, eine der Basiselektrode (1,11) gegenüberliegende Ankerelektrode (41) besitzt, im Ruhezustand unter Bildung eines keilförmigen Luftspaltes elastisch von dem Basissubstrat (1) weggekrümmt ist und an ihrem freien Ende mindestens einen, dem Festkontakt (7) gegenüberliegenden beweglichen Kontakt (8) trägt,
      dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Festkontakt (7) auf einer Festkontakt-Federzunge (42) angeordnet ist, die der Anker-Federzunge (41) gegenüberstehend wie diese einseitig an einer Trägerschicht (4) angebunden und im Ruhezustand elastisch von dem Basissubstrat (1) weggekrümmt ist, und
      daß der mindestens eine bewegliche Kontakt (8) an dem freien Ende der Anker-Federzunge (41) über dieses vorkragend und den Festkontakt (7) überlappend ausgebildet ist.
    2. Relais nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Anker-Federzunge (41) und die Festkontakt-Federzunge (42) aus der gleichen Trägerschicht (4) gebildet sind.
    3. Relais nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine bewegliche Kontakt (8) einen annähernd Z-förmigen Querschnitt aufweist, wobei ein Endschenkel auf der Anker-Federzunge (41) liegt und ein dazu annähernd paralleler Endschenkel den Festkontakt (7) überlappt.
    4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
      dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Anker-Federzunge (41) und der Festkontakt-Federzunge (42) zahnförmig ineinandergreifen, wobei jeweils ein Vorsprung (44;47) der einen Federzunge (42;41) in eine Ausnehmung der anderen Federzunge (41;42) eingreift, und
      daß der mindestens eine Festkontakt (7) auf einem Vorsprung (44;46) der Festkontakt-Federzunge (42) liegt, während der mindestens eine bewegliche Kontakt (8) sich über eine Ausnehmung der anderen Federzunge (41) erstreckt.
    5. Relais nach Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Anker-Federzunge (41) in gestrecktem Zustand mit ihrem zangenförmig ausgebildeten Endabschnitt (43) einen mittigen, den Festkontakt (7) tragenden Vorsprung (44) der Festkontakt-Federzunge (42) umschließt und daß sich ein beidseitig aufliegender beweglicher Kontakt (8) frei über diesen Festkontakt (7) erstreckt.
    6. Relais nach Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß ein mittiger Vorsprung (47) der Anker-Federzunge (41) in gestrecktem Zustand zwischen zwei mit Festkontakten (7) versehene Vorsprünge (46) der Festkontakt-Federzunge (42) eingreift und
      daß ein beweglicher Brückenkontakt (8) auf dem mittigen Vorsprung (47) befestigt ist und sich beiderseits frei über die Festkontakte (7) erstreckt.
    7. Relais nach Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß ein mittiger Vorsprung (147) der Anker-Federzunge (141) einen beiderseits überstehenden Brückenkontakt (148) trägt und daß zwei Festkontakt-Federzungen (142,143) je einen mit dem Brücken-kontakt (148) zusammenwirkenden Festkontakt (144,145) tragen.
    8. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (4) der Federzungen eine unter Zwischenfügung einer teilweise weggeätzten Opferschicht (3) auf dem Basis-substrat (1) abgeschiedene Schicht ist.
    9. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
      dadurch gekennzeichnet, daß das Basis-substrat (1) und die Trägerschicht (4) aus Silizium bestehen und daß die beiden Elektrodenschichten im Basissubstrat und
      in der Anker-Federzunge durch eigenleitendes oder dotiertes Silizium gebildet sind.
    10. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Federzungen (41,42) jeweils auf ihrer dem Basissubstrat abgewandten Seite zumindest über einen Teil ihrer Länge eine eine Zugspannung erzeugende Schicht (6;61) aufweisen.
    11. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
      dadurch gekennzeichnet, daß die die Federzungen (41:42) bildende Trägerschicht aus abgeschiedenem Polysilizium oder Polysilizium mit Rekristallisation besteht.
    12. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
      dadurch gekennzeichnet, daß die die Federzungen (41,42) bildende Trägerschicht (4) aus einer galvanisch abgeschiedenen Metallschicht, insbesondere Nickel, Nickel-Eisen oder einer sonstigen Nickellegierung gebildet ist.
    13. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
      dadurch gekennzeichnet, daß das Basis-substrat (1) aus Silizium oder Glas besteht und daß die die Federzungen (41,42) bildende Federschicht (4) durch eine auf das Basissubstrat gebondete und freigelegte Silizium-Schicht (21) eines Silizium-Wafers (20) gebildet ist.
    14. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen elektrostatischen Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
      auf einem mit einer elektrisch leitenden Schicht als Basiselektrode versehenen Basissubstrat (1) wird unter Zwischenfügung einer Isolierschicht (2) und eines Zwischenraums (31) eine elektrisch leitende Trägerschicht (4; 21) aufgebracht,
      in der Trägerschicht (4; 21) werden zwei einseitig angebundene, einander mit ihren freien Enden gegenüberstehende Federzungen (41,42) ausgebildet,
      die Federzungen (41,42) werden an ihrer Oberseite zumindest abschnittsweise mit einer Zugspannungsschicht (6;61) versehen,
      eine - vorzugsweise kürzere - Federzunge (42) wird an ihrem freien Ende mit mindestens einem Festkontakt (7) versehen,
      die - vorzugsweise längere - Federzunge (41) wird mit mindestens einem beweglichen Kontakt (8) versehen, der unter Zwischenfügung einer Opferschicht (5) den Festkontakt (7) überlappt, und
      durch Freiätzung der Federzungen (41,42) voneinander und von dem Substrat (1) wird deren Krümmung vom Substrat weg nach oben erreicht.
    15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei auf dem aus Silizium bestehenden Basissubstrat (1) unter Zwischenfügung einer ersten Opferschicht (3) die elektrisch leitende Federzungenschicht (4) aus Polysilizium oder Polysilizium mit Rekristallisation mit der Struktur der beiden Federzungen (41,42) abgeschieden wird, wobei die Konturen der Federzungen und die Kontakte durch eine zweite Opferschicht (5) voneinander getrennt werden, und wobei nach dem Aufbringen der Kontakte die beiden Opferschichten (3,5) herausgeätzt werden.
    16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei auf dem Basissubstrat (1) aus Glas, Keramik oder Silizium unter Zwischenfügung einer ersten Opferschicht (3) die Struktur der Federzungen (41,42) aus Nickel oder einer Nickel-Legierung, insbesondere Nickel-Eisen, galvanisch abgeschieden wird, wobei auf einer der Federzungen (42) mindestens ein Festkontakt (7) und nach Aufbringen einer zweiten Opferschicht (5) auf der anderen Federzunge (41) ein dem Festkontakt (7) überlappender beweglicher Kontakt (8) aufgebracht wird und wobei schließlich nach dem Aufbringen der Kontakte die beiden Opferschichten (3,5) herausgeätzt werden.
    17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei
      auf dem Basissubstrat (1) aus Silizium oder Glas die Gegenelektrode (11) und darüber eine Isolierschicht (2) abgeschieden werden,
      dann ein Silizium-Wafer (20) mit einer dotierten Silizium-Schicht (21), insbesondere einer Epitaxie-Schicht oder einer diffundierten Schicht, als Federzungenschicht auf das Basissubstrat (1) gebondet wird,
      danach der Wafer (20) rückgeätzt wird, bis nur die dotierte Silizium-Schicht (21) stehenbleibt, dann aus dieser Silizium-Schicht die Strukturen der beiden Federzungen (41,42) herausgeätzt werden,
      dann auf der einen Federzunge (42) mindestens ein Festkontakt aufgebracht wird,
      dann unter Zwischenfügung einer Opferschicht (5) auf der anderen Federzunge (41) mindestens ein den Festkontakt (7) überlappender beweglicher Kontakt (8) aufgebracht wird und
      schließlich die Opferschicht (5) herausgeätzt wird.
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