EP1719144A1 - Hochfrequenz-mems-schalter mit gebogenem schaltelement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Hochfrequenz-mems-schalter mit gebogenem schaltelement und verfahren zu seiner herstellung

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EP1719144A1
EP1719144A1 EP05715021A EP05715021A EP1719144A1 EP 1719144 A1 EP1719144 A1 EP 1719144A1 EP 05715021 A EP05715021 A EP 05715021A EP 05715021 A EP05715021 A EP 05715021A EP 1719144 A1 EP1719144 A1 EP 1719144A1
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EP
European Patent Office
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switching element
substrate
signal conductor
mems switch
switching
Prior art date
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EP05715021A
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English (en)
French (fr)
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EP1719144B1 (de
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Ulrich Prechtel
Volker Ziegler
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
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Publication date
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Publication of EP1719144B1 publication Critical patent/EP1719144B1/de
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    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49105—Switch making

Definitions

  • the present invention relates to a high-frequency MEMS switch with a curved switching element according to the preamble of claim 1 and a method for producing a high-frequency MEMS switch with a curved switching element according to the preamble of claim 11.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • High-frequency MEMS switches are also used in particular in radar systems, satellite communication systems, wireless communication systems and instrument systems. For example, high-frequency MEMS switches are also required in phase antenna systems and in phase shifters for satellite-based radar systems.
  • High frequency MEMS switches offer a number of advantages, such as extremely low power consumption, good insulation or low interference capacities, low insertion loss or low insertion losses and low manufacturing costs.
  • MEMS switches In the article “RF-MEMS Switches, Switch Circuits, and Phase Shifters,” by Gabriel M. Rebeiz et al. in. Revue HF No. 2/2001 MEMS switches are described which are used in the high frequency range, in a range between 0.1 and 100 GHz. These MEMS switches have self-supporting switching arms designed as mechanical springs that can be opened by electrostatic force or closing a circuit.
  • the self-supporting switching arm or cantilever bar is attached to a substrate and is electrostatically attracted by an electrode to close a contact. With no voltage applied, the switching arm returns to its starting position through elastic restoring forces, and the contact is opened.
  • a switching element influences the progression of an electromagnetic wave on a signal line by opening or closing a transmission path. This can take the form of a series switch, a shunt switch or a series shunt switch. In general, a large distance from the contact area is necessary when the switching element is open, since the capacitance in this state should be as small as possible in order to obtain an undisturbed line. However, a small distance is required for the switching process itself, since only small electrostatic forces act.
  • the upwardly bent switching element contacts the base electrode by electrostatic forces, so that the free end of the switching element comes into contact with a signal line Without the switching voltage applied, the switching element is brought back into the upward position by an elastic tension, i n the it from the signal line is far away.
  • the switching element moves like the tongue of a frog.
  • the problem with MEMS switches is that the elastic restoring forces are generally very small, so that there is a risk that the switching element will adhere to the surface of the signal line due to adhesion. As a result, the switching elements often lack sufficient reliability, which is necessary for long-term use, for example in space.
  • the high-frequency MEMS switch comprises a signal conductor which is arranged on a substrate, an elongated switching element which has a curved elastic bending region and is cantileveredly fastened to the substrate, and an electrode arrangement for producing an electrostatic force acting on the switching element in order to bend the switching element towards the signal conductor, the switching element being arranged in its longitudinal direction parallel to the signal conductor and having a contact area which extends partially or completely across the signal conductor transversely to the switching element, and wherein the elastic bending area of the switching element progressively approaches the electrode arrangement parallel to the signal line when the electrostatic force acts.
  • the voltage required to close the element is kept low, but a large switching path is still possible, so that the distance is large in the open state and the capacitance is therefore small.
  • a further miniaturization is also achieved by arranging the switching element in its longitudinal direction parallel to the signal conductor, the switching element nevertheless being able to be made relatively long, thereby achieving greater mechanical stability and greater switching force.
  • a greater restoring force or stronger configuration of the switching element is also possible. Due to the large possible length and area of the switching element, larger electrostatic forces on the one hand and larger restoring forces or a thicker configuration of the switching element on the other hand can be achieved.
  • the switching element preferably comprises at least two switching arms with a curved elastic bending region, which are arranged on both sides of the signal conductor and extend in the longitudinal direction parallel to the signal conductor, the switching arms being connected to one another by a bridge positioned above the signal conductor, which bridge is formed by the respective contact region. Due to the arrangement on both sides with a bridge-like contact area, the reliability of the MEMS switch is increased even further, since even greater restoring forces and electrostatic forces can be achieved with a small space and energy requirement and thus a particularly high mechanical stability and with a small space and energy requirement Switching force is achieved.
  • the electrode arrangement is advantageously formed by at least one base or base electrode, which is arranged flatly on the substrate under the switching element in order to attract the switching element electrostatically. In the case of switching arms arranged on both sides, the base electrode or bottom electrode is arranged below each switching arm.
  • the electrode arrangement is formed by a ground electrode arranged below the substrate or by the substrate itself. This results in a simplified production and thus reduced production costs.
  • the substrate can be made from high-resistance silicon.
  • the electrode arrangement advantageously extends parallel to the substrate surface in order to progressively draw the switching element to the substrate surface in its bending region due to the electrostatic force.
  • the bent bending area is preferably formed by bimorph material.
  • a further advantageous embodiment provides that the bending area to generate a tensile stress e.g. has melted surface by laser heating.
  • the tensile stress can also be achieved by suitably controlling the layer deposition during production.
  • the switching element is advantageously manufactured using thin-film technology. This achieves cost-effective production and a small design.
  • the contact area of the switching element preferably comes into direct contact with the signal conductor when the electrostatic force acts.
  • the Contact area when the electrostatic force acts a minimal distance from the signal conductor, ie it does not come into direct contact with the signal conductor. This results in a large capacitance between the signal conductor and the switching element, so that the signal line is interrupted.
  • the minimum distance can be achieved or maintained, for example, by means of suitable dielectric insulation.
  • the following steps are carried out: forming a signal line on a substrate; optionally forming an electrode arrangement on the substrate, for example if the substrate has no intrinsic line; Forming an elongated switching element with a bent elastic bending area on the substrate such that it is pulled longitudinally towards the substrate by an electrostatic force in its bending area from the electrode arrangement and moves away from the substrate by elastic restoring force in the bending area; the switching element being arranged in its longitudinal direction parallel to the signal conductor in such a way that a laterally projecting contact area of the switching element extends across the signal conductor, so that the elastic bending area of the switching element progressively approaches the electrode arrangement parallel to the signal line when the electrostatic force acts to bring the contact area closer to the signal conductor.
  • the electrode arrangement can also be formed by an intrinsically conductive substrate or an intrinsically conductive substrate region.
  • the method produces a particularly reliable high-frequency MEMS switch with a curved switching element in a cost-effective manner, which has increased mechanical stability and increased switching forces.
  • the switching element is advantageously shaped in such a way that it has at least two switching arms with a curved elastic bending region, the switching arms being arranged on both sides of the signal conductor, so that they are in their Extend longitudinally parallel to the signal conductor and the switching arms are connected to each other by a bridge positioned above the signal conductor, which is formed by the respective contact area.
  • At least one base electrode is preferably arranged as a surface arrangement on the substrate under the switching element.
  • At least one ground electrode arranged below the substrate can also be formed as the electrode arrangement.
  • the bending area is advantageously formed by bimophous material. However, it is particularly advantageous if the surface of the bending region is melted on by means of laser heating in order to generate a tensile stress.
  • the method can be used to manufacture the high-frequency MEMS switch designed according to the invention, as is generally described above.
  • FIG. 1 schematically shows a perspective illustration of a high-frequency MEMS switch according to a particularly preferred embodiment of the invention
  • 3a-f schematically illustrate different switch configurations of MEMS switches.
  • FIG. 1 shows, as a particularly preferred exemplary embodiment, a MEMS switch 10 which is suitable for high-frequency applications and has two parallel switching arms.
  • the MEMS switch 10 comprises a substrate 11, on which a signal line 12 is formed, which extends in one direction over the substrate 11.
  • the switching arms 13a, 13b of the switching element 13 are each fixed with one end flat on the substrate surface and parallel to it, while their remaining part is bent upwards, so that the other end of the switching arms 13a, 13b is removed from the substrate surface.
  • each switching arm 13a, 13b of the switching element 13 has a central elastic bending region 131, 132, which is bent or curved upwards in the switch position shown here.
  • An electrode arrangement which in this example is formed by two bottom electrodes 14a, 14b, is provided on the substrate surface below each switching arm 13a, 13b of the switching element 13.
  • the base electrodes 14a, 14b serve to exert an electrostatic attraction force on the cantilevered switching arms 13a, 13b in the presence of a switching voltage, so that they move towards the substrate surface, the elastic bending areas 131, 132 taking on a straight shape.
  • the switching element 13 further comprises a contact area 15, which extends across the signal line 12 in this example.
  • a contact area 15 When an electrostatic force is exerted on the bending areas 131, 132 and the free ends of the switching arms 13a, 13b by the electrode arrangement 14a, 14b, the contact area 15 approaches the signal line 12 for direct electrical contact or capacitive coupling to cause the signal line 15. In this case, the MEMS switch 10 is in its closed state.
  • the switching element 13 is provided with a tensile stress in its bending areas 131, 132, which causes a restoring force, so that the switching arms 13a, 13b return to the bent state if there is no electrostatic attraction force through the base electrodes 14a, 14b on the switching arms 13a, 13b is exercised.
  • the MEMS switch 10 assumes its open state, in which the contact area 15 is removed from the signal line 12 and thus there is no electrical contact and no or only very little capacitive coupling to the signal line 12.
  • the switching element 13 is arranged in its longitudinal direction parallel to the signal line 12 with its self-supporting switching arms 13a, 13b designed as elongated bars.
  • the contact area 15 forms a bridge which connects the two switching arms 13a, 13b to one another in the area of their free ends and in this exemplary embodiment extends completely across the signal line 12 transversely to the latter.
  • FIG. 2 shows a top view of an arrangement of MEMS switches 20, in which the individual switching elements 23 each have only one elongated, self-supporting switching arm 23a, which runs parallel to the signal line 22.
  • Each of the switching elements 23 has one or more contact areas 25 arranged laterally on the respective switching arm 23a, which extends across the signal line 22.
  • the respective contact area 25 can either extend completely across the entire width of the signal line 22 or only partially.
  • a plurality of contact areas 25 can also be arranged laterally on a switching element 23, as shown on the right-hand side in FIG. 2.
  • the high-frequency MEMS switch 10 shown in FIG. 1 is designed in a shunt configuration.
  • the switching arms 13a, 13b arranged as cantilever elements or self-supporting the coupling capacitance very low due to the distance between the signal line 12 and the contact area 15. Therefore, the influence on the progression of an electromagnetic wave on the signal line 12 is also small.
  • the curved switching element 13 is caused to bend downward, so that the bridge-like contact region 25 reaches the signal line 12 or in its immediate vicinity, so that a high capacitance between the signal line 12 and the switching element 13 arises, as a result of which the progression of the electromagnetic wave on the transmission or signal line 12 is hindered or interrupted.
  • the switching elements 13, 23 shown with their switching arms 13a, 13b, 23a and contact areas 15, 25 are manufactured using thin-film technology, the bent switching elements with their switching arms being arranged parallel to the signal line 12, 25 and in the embodiment shown in FIG a bridge, which is formed by the contact region 15, are connected.
  • the signal line 12, 22, which runs below the bridge or the contact area 15, 25 on the substrate 11, 21, typically has an electrical resistance of, for example, approximately 50 ⁇ . However, it can also be designed with other resistors, depending on the requirements of the respective application.
  • the MEMS switch forms an RF relay.
  • FIGS. 3a-f show as examples various switch configurations that are possible with the MEMS switch according to the invention.
  • 3a and 3b show a circuit in series with the signal line 12, the signal line being interrupted in FIG. 3a and the signal line 12 being closed in FIG. 3b.
  • Figure 3c and d show a shunt switch configuration in which the switching is done by an electrical shunt.
  • the signal line 12 is closed since the switch is open and therefore no shunt occurs. lies.
  • the signal line 12 is interrupted because the switch is closed and there is a shunt.
  • FIGS. 3e and f show a combination of series and shunt configuration, the switch in signal line 12 being open in FIG. 3e and the shunt closed in FIG. 3f.
  • the substrate 11, 21 is made of a semiconductor material, while the signal line 12, 22 and the switching element 13, 23 are made of highly conductive material, such as Al, Cu, Au, etc.
  • electrically conductive layers are first formed as a signal line and electrode arrangement on the substrate, and then the switching element 13, 23 is attached to the substrate surface in a self-supporting manner.
  • the switching element 13, 23 is attached to the substrate surface in a self-supporting manner.
  • its surface is melted by means of laser heating in order to create the necessary tensile stress in the elastic bending area.
  • bimorphic material can also be used bimorphic material to bring about the curvature and the restoring force in the bent state.
  • a high-resistance substrate can also be used to generate an electrostatic attraction, this being provided on its rear side with a metallization 17 which serves as a ground, this possibility also being shown schematically in FIG. 1 for illustration.
  • the so-called sacrificial layer used in known processes can be replaced by a suitable surface modification, for example by hydrophobization.
  • a suitable surface modification for example by hydrophobization.
  • the distance between the switching element and the base electrode or the substrate surface becomes even smaller, so that considerably larger electric fields and correspondingly lower operating voltages are achieved.
  • a higher mechanical stability is achieved by the arrangement according to the invention.
  • the switching elements can be provided with a greater restoring force, since the geometrical arrangement of the electrodes and the switching elements enables a greater electrostatic attraction force to be achieved, although there is little interference capacity in the open state.
  • the inventive design of the high-frequency MEMS switch achieves improved long-term stability and greater reliability. This also reduces or eliminates the risk of adhesion or generally getting caught or snagging the switching element on the substrate surface or the surface of the signal line.

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Abstract

Ein Hochfrequenz-MEMS-Schalter (10) umfasst einen Signalleiter (12), der auf einem Substrat (11) angeordnet ist, sowie ein länglich geformtes Schaltelement (13), das einen gebogenen, elastischen Biegebereich (133, 132) aufweist und frei­tragend auf dem Substrat (11) befestigt ist. Eine Elektrodenanordnung (14a, 14b) dient zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft, die auf das Schaltelement (13) wirkt, um das Schaltelement zum Signalleiter (12) hin zu biegen. Dabei ist das Schaltelement (13) in seiner Längsrichtung parallel zum Signalleiter (12) angeord­net, und es weist einen Kontaktbereich (15) auf, der sich quer zum Schalterele­ment (13) über den Signalleiter (12) erstreckt. Der elastische Biegebereich (131, 132) des Schaltelements (13) nähert sich bei Einwirkung der elektrostatischen Kraft fortschreitend an die Elektrodenanordnung (14a, 14b) an, in einer Richtung, die parallel zur Signalleitung (12) gerichtet ist. Das Schaltelement (13) hat z.B. zwei parallel zueinander verlaufende Schaltarme (1 3a, 13b), die durch eine Brü­cke als Kontaktbereich (15) miteinander verbunden und beidseitig der Signallei­tung (12) und parallel zu dieser angeordnet sind.

Description

Hochfrequenz-MEMS-Schalter mit gebogenem Schaltelement und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-MEMS-Schalter mit gebogenem Schaltelement gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Ver- - fahren zur Herstellung eines Hochfrequenz-MEMS-Schalters mit gebogenem Schaltelement gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 11. MEMS-Schalter bzw. Schaltelemente in MEMS-Technologie (MEMS = Micro Electro Mechanical Systems) kommen in den verschiedensten Bereichen zur Anwendung, wie beispielsweise Automobilelektronik, Telekommunikation, Medizintechnik oder Messtechnik. Aufgrund Ihrer Miniaturisierung sind derartige, als mik- roelektromechanisches System ausgestaltete Schaltelemente besonders auch für Raumfahrtanwendungen und Satellitensysteme geeignet. Insbesondere auch in Radarsystemen, Satellitenkommunikationssystemen, drahtlosen Kommunikationssystemen und Instrumentensystemen kommen Hochfrequenz-MEMS-Schalter zum Einsatz. Beispielsweise auch in Phasenantennenanlagen und bei Phasenschiebern für satellitenbasierte Radarsysteme, werden Hochfrequenz-MEMS- Schalter benötigt.
Hochfrequenz-MEMS-Schalter bieten eine Reihe von Vorteilen, wie z.B. einen äußerst geringen Stromverbrauch, eine gute Isolation bzw. geringe Störkapazitäten, eine geringe Einfügungsdämpfung bzw. geringe Einfügungsverluste und geringe Herstellungskosten.
In dem Artikel „RF-MEMS-Switches, Switch Circuits, and Phase Shifters, von Gabriel M. Rebeiz et al. in. Revue HF No. 2/2001 werden MEMS-Schalter beschrieben, die im Hochfrequenzbereich eingesetzt werden, in einem Bereich zwischen 0,1 und 100 GHz. Diese MEMS-Schalter haben als mechanische Federn ausgestaltete freitragende Schaltarme, die durch elektrostatische Krafteinwirkung zum Öffnen oder Schließen eines Schaltkreises betätigt werden. Der freitragende Schaltarm bzw. Cantilever-Balken ist auf einem Substrat befestigt und wird durch eine Elektrode elektrostatisch angezogen, um einen Kontakt zu schließen. Ohne anliegende Spannung geht der Schaltarm durch elastische Rückstellkräfte in seine Aus- gangsposition zurück, und der Kontakt wird geöffnet.
Bei MEMS-Schaltem kann der Schaltvorgang auf verschiedene Arten bewirkt werden, die prinzipiell in den Figuren 3a - f als Beispiele gezeigt sind. Dabei beein- flusst ein Schaltelement das Fortschreiten einer elektromagnetischen Welle auf einer Signalleitung durch Öffnen oder Schließen eines Übertragungspfades. Dies kann in der Art eines Serienschalters, eines Shunt-Schalters oder eines Serien- Shunt- Schalters erfolgen. Allgemein ist im geöffneten Zustand des Schaltelements ein großer Abstand zum Kontaktbereich notwendig, da die Kapazität in diesem Zustand möglichst gering sein soll, um eine ungestörte Leitung zu erhalten. Für den Schaltvorgang selbst ist jedoch ein geringer Abstand erforderlich, da nur geringe elektrostatische Kräfte wirken.
In dem Artikel von C. Chang und P. Chang, „Innovative Micromachined Microwave Switch with very Low Insertion Loss", Proceedings of the 10th International Confe- rence on Solid-State Sensors Actuators (Transducers 99), June 7 - 10, 1999, Sendai, Japan, S. 1830 - 33, ist ein MEMS-Schalter mit einem gebogenen Schaltelement beschrieben, das in Form eines Cantilever-Balkens als freitragendes E- lement ausgestaltet ist. Das Schaltelement ist oberhalb einer Bodenelektrode mit einem Ende auf einem Substrat befestigt, wobei der übrige Bereich des Schalt- elements bogenförmig nach oben gerichtet ist und vom Substrat wegragt. Beim Anlegen einer Schaltspannung legt sich das nach oben gebogene Schaltelement durch elektrostatische Kräfte an die Bodenelektrode an, so dass das freie Ende des Schaltelements mit einer Signalleitung in Kontakt gerät. Ohne die anliegende Schaltspannung wird das Schaltelement durch eine elastische Zugspannung zu- rück in die nach oben gerichtete Position gebracht, in der es von der Signalleitung weit entfernt ist. Beim Hin- und Herschalten zwischen den beiden Schaltzuständen bewegt sich das Schaltelement wie die Zunge eines Frosches.
Allgemein besteht bei den MEMS-Schaltem das Problem, dass die elastischen Rückstellkräfte in der Regel sehr klein sind, so dass die Gefahr besteht, dass das Schaltelement durch Adhäsion an der Oberfläche der Signalleitung anhaftet. Dadurch mangelt es den Schaltelementen oftmals an einer ausreichenden Zuverlässigkeit, die für Langzeiteinsätze beispielsweise im Weltraum notwendig ist.
Deshalb wurde versucht, das Schaltelement stärker auszugestalten, um dadurch stärkere Rückstellkräfte zu erreichen. Jedoch reichen dabei die elektrostatischen Kräfte in den meisten Fällen nicht aus, um zuverlässig die Schaltvorgänge zu bewirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Hochfrequenz-MEMS- Schalter mit gebogenem Schaltelement zu schaffen, der bei geringen Störkapazitäten eine hohe Langzeitzuverlässigkeit gewährleistet, wobei bei geringem Platzbedarf eine höhere mechanische Stabilität und eine größere Schaltkraft erreicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Hochfrequenz-MEMS-Schalter mit gebogenem Schaltelement gemäß Patentanspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung eines Hochfrequenz-MEMS-Schalters mit gebogenem Schaltelement gemäß Patentanspruch 11. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Der Hochfrequenz-MEMS-Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Signalleiter, der auf einem Substrat angeordnet ist, ein länglich geformtes Schaltelement, das einen gebogenen elastischen Biegebereich aufweist und freitragend auf dem Substrat befestigt ist, und eine Elektrodenanordnung zur Erzeu- gung einer auf das Schaltelement wirkenden elektrostatischen Kraft, um das Schaltelement zum Signalleiter hin zu biegen, wobei das Schaltelement in seiner Längsrichtung parallel zum Signalleiter angeordnet ist und einen Kontaktbereich aufweist, der sich quer zum Schaltelement teilweise oder vollständig über den Signalleiter erstreckt, und wobei sich der elastische Biegebereich des Schaltelements bei Einwirkung der elektrostatischen Kraft parallel zur Signalleitung fortschreitend an die Elektrodenanordnung annähert.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-MEMS-Schalter wird die erforderliche Spannung zum Schließen des Elements gering gehalten, wobei dennoch ein großer Schaltweg möglich ist, so dass der Abstand im offenen Zustand groß ist und dadurch die Kapazität gering ist. Durch die Anordnung des Schaltelements in seiner Längsrichtung parallel zum Signalleiter wird auch eine weitere Miniaturisierung erreicht, wobei das Schaltelement dennoch relativ lang ausgestaltet werden kann und dadurch eine höhere mechanische Stabilität und eine größere Schaltkraft erreicht wird. Insbesondere ist auch eine größere Rückstellkraft bzw. stärkere Ausgestaltung des Schaltelements möglich. Aufgrund der großen möglichen Länge und Fläche des Schaltelements können größere elektrostatische Kräfte einerseits und größere Rückstellkräfte bzw. eine dickere Ausgestaltung des Schaltelements andererseits erzielt werden.
Bevorzugt umfasst das Schaltelement mindestens zwei Schaltarme mit gebogenem elastischem Biegebereich, die beidseitig des Signalleiters angeordnet sind und sich in ihrer Längsrichtung parallel zum Signalleiter erstrecken, wobei die Schaltarme durch eine über dem Signalleiter positionierte Brücke miteinander verbunden sind, die durch den jeweiligen Kontaktbereich gebildet wird. Durch die beidseitige Anordnung mit brückenartigem Kontaktbereich wird die Zuverlässigkeit des MEMS-Schalters noch weiter erhöht, da noch größere Rückstellkräfte und elektrostatische Kräfte bei geringem Platz- und Energiebedarf erzielt werden kön- nen und dadurch bei geringem Platz- und Energiebedarf eine besonders hohe mechanische Stabilität und Schaltkraft erzielt wird. Vorteilhafterweise wird die Elektrodenanordnung durch mindestens eine Bodenoder Basiselektrode gebildet, die unter dem Schaltelement flächig auf dem Substrat angeordnet ist, um das Schaltelement elektrostatisch anzuziehen. Die Basis- elektrode oder Bodenelektrode ist im Fall von beidseitig angeordneten Schaltarmen unterhalb jedes Schaltarmes angeordnet.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Elektrodenanordnung durch eine unterhalb des Substrats angeordnete Masseelektrode bzw. durch das Substrat selbst gebildet. Dadurch ergibt sich eine vereinfachte Herstellung und damit verringerte Herstellungskosten. Dabei kann das Substrat aus hochoh- migem Silizium gefertigt sein.
Die Elektrodenanordnung erstreckt sich vorteilhafterweise parallel zur Substrat- Oberfläche, um das Schaltelement durch die elektrostatische Kraft in seinem Biegebereich fortschreitend zur Substratober läche hinzuziehen. Der gebogene Biegebereich wird bevorzugt durch bimorphes Material gebildet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Biegebereich zur Er- zeugung einer Zugspannung eine z.B. durch Laserheating angeschmolzene Oberfläche aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Zugspannung durch entsprechende Auswahl der Dauer und Intensität der Laserbestrahlung entsprechend den jeweiligen Anforderungen eingestellt werden kann. Die Zugspannung kann auch durch geeignete Steuerung der Schichtabscheidung bei der Herstellung errreicht wer- den.
Vorteilhafterweise ist das Schaltelement in Dünnfilmtechnologie gefertigt. Dadurch wird eine kostengünstige Herstellung und kleine Bauweise erreicht.
Bevorzugt gerät der Kontaktbereich des Schaltelements bei Einwirken der elektrostatischen Kraft in direkten Kontakt mit dem Signalleiter. Alternativ dazu nimmt der Kontaktbereich bei Einwirken der elektrostatischen Kraft einen minimalen Abstand zum Signalleiter ein, d.h. er tritt nicht in direkten Kontakt mit dem Signalleiter. Dadurch ergibt sich eine große Kapazität zwischen dem Signalleiter und dem Schaltelement, so dass die Signalleitung unterbrochen ist. Der minimale Abstand kann z.B. durch eine geeignete dielektrische Isolation erzielt bzw. aufrechterhalten werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Hochfrequenz- MEMS-Schalters mit gebogenem Schaltelement werden nachfolgende Schritte durchgeführt: Ausbilden einer Signalleitung auf einem Substrat; gegebenenfalls Ausbilden einer Elektrodenanordnung an dem Substrat, beispielsweise wenn das Substrat keine Eigenleitung aufweist; Formung eines länglichen Schaltelements mit einem gebogenen elastischen Biegebereich auf dem Substrat derart, dass es in seinem Biegebereich von der Elektrodenanordnung durch eine elektrostatische Kraft der Länge nach zum Substrat hin gezogen wird und sich durch elastische Rückstellkraft im Biegebereich vom Substrat entfernt; wobei das Schaltelement in seiner Längsrichtung parallel zum Signalleiter derart angeordnet wird, dass sich ein seitlich hervorstehender Kontaktbereich des Schaltelements quer über den Signalleiter erstreckt, so dass sich der elastische Biegebereich des Schaltele- ments bei Einwirkung der elektrostatischen Kraft parallel zur Signalleitung fortschreitend an die Elektrodenanordnung annähert, um den Kontaktbereich dem Signalleiter anzunähern. Die Elektrodenanordnung kann auch durch ein eigenleitendes Substrat oder einen eigenleitenden Substratbereich gebildet werden.
Durch das Verfahren wird auf kostengünstige Weise ein besonders zuverlässiger Hochfrequenz-MEMS-Schalter mit gebogenem Schaltelement hergestellt, der eine erhöhte mechanische Stabilität und erhöhte Schaltkräfte aufweist.
Vorteilhafterweise wird das Schaltelement so geformt, dass es mindestens zwei Schaltarme mit gebogenem elastischen Biegebereich aufweist, wobei die Schaltarme beidseitig des Signalleiters angeordnet weden, so dass sie sich in ihrer Längsrichtung parallel zum Signalleiter erstrecken und die Schaltarme durch eine über dem Signalleiter positionierte Brücke miteinander verbunden sind, die durch den jeweiligen Kontaktbereich gebildet wird.
Bevorzugt ist als Elektrodenanordnung mindestens eine Basiselektrode unter dem Schaltelement flächig auf dem Substrat angeordnet. Als Elektrodenanordnung kann auch mindestens eine unterhalb des Substrat angeordnete Masseelektrode gebildet werden. Vorteilhaft wird der Biegebereich durch bimophes Material gebildet. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Oberfläche des Biegebereichs zur Erzeugung einer Zugspannung mittels Laserheating angeschmolzen wird. Insbesondere kann das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäß ausgestalteten Hochfrequenz-MEMS-Schalters, wie er oben allgemein beschrieben ist, dienen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beschrieben, in denen
Fig. 1 als perspektivische Darstellung einen Hochfrequenz-MEMS-Schalters gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch zeigt;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Anordnung von MEMS-Schaltern gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen schematisch zeigt; und
Fig. 3a - f verschiedene Schalter-Konfigurationen von MEMS-Schaltern schema- tisch darstellen.
Figur 1 zeigt als besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einen MEMS- Schalter 10, der für Hochfrequenz-Anwendungen geeignet ist und zwei parallele Schaltarme aufweist. Der MEMS-Schalter 10 umfasst ein Substrat 1 1 , auf dem eine Signalleitung 12 ausgebildet ist, die sich in einer Richtung über das Substrat 1 1 erstreckt. Auf dem Substrat 11 ist ein nach oben gebogenes Schaltelement 13 befestigt, das in diesem Beispiel zwei länglich ausgestaltete, parallel zueinander verlaufende Schaltarme 13a, 13b umfasst. Die Schaltarme 13a, 13b des Schaltelements 13 sind jeweils mit einem Ende flächig auf der Substratoberfläche und parallel dazu befestigt, während ihr übriger Teil nach oben gebogen ist, so dass das jeweils andere Ende der Schaltarme 13a, 13b von der Substratoberfläche entfernt ist. Zu diesem Zweck weist jeder Schaltarm 13a, 13b des Schaltelements 13 einen zentralen elastischen Biegebereich 131, 132 auf, der in der hier gezeigten Schalterstellung nach oben gebogen bzw. gekrümmt ist.
Auf der Substratoberfläche ist unterhalb jedes Schaltarms 13a, 13b des Schaltelements 13 eine Elektrodenanordnung vorgesehen, die in diesem Beispiel durch zwei Bodenelektroden 14a, 14b gebildet wird. Die Bodenelektroden 14a, 14b dienen dazu, auf die freitragend befestigten Schaltarme 13a, 13b bei Vorliegen einer Schaltspannung eine elektrostatische Anziehungskraft auszuüben, so dass sie sich zur Substratoberfläche hin bewegen, wobei die elastischen Biegebereiche 131 , 132 eine gerade Gestalt annehmen.
Das Schaltelement 13 umfasst weiterhin einen Kontaktbereich 15, der sich in diesem Beispiel quer über die Signalleitung 12 erstreckt. Wenn durch die Elektroden- anordnung 14a, 14b eine elektrostatische Kraft auf die Biegebereiche 131 , 132 und die freien Enden der Schaltarme 13a, 13b ausgeübt wird, nähert sich der Kontaktbereich 15 an die Signalleitung 12 an, um einen direkten elektrischen Kontakt oder eine kapazitive Ankopplung an die Signalleitung 15 zu bewirken. In diesem Fall befindet sich der MEMS-Schalter 10 in seinem geschlossenen Zustand.
Das Schaltelement 13 ist in seinen Biegebereichen 131, 132 mit einer Zugspannung versehen, die eine Rückstellkraft bewirkt, so dass die Schaltarme 13a, 13b zurück in den gebogenen Zustand gelangen, wenn keine elektrostatische Anziehungskraft durch die Bodenelektroden 14a, 14b auf die Schaltarme 13a, 13b aus- geübt wird. In diesem Fall nimmt der MEMS-Schalter 10 seinen offenen Zustand ein, bei dem der Kontakbereich 15 von der Signalleitung 12 entfernt ist und somit kein elektrischer Kontakt und keine oder nur eine sehr geringe kapazitive Kopplung an die Signalleitung 12 vorliegt.
Das Schaltelement 13 ist mit seinen als längliche Balken ausgestalteten, freitra- genden Schaltarmen 13a, 13b in seiner Längsrichtung parallel zur Signalleitung 12 angeordnet. Dabei bildet der Kontaktbereich 15 eine Brücke, die die beiden Schaltarme 13a, 13b im Bereich ihrer freien Enden miteinander verbindet und sich in diesem Ausführungsbeispiel vollständig über die Signalleitung 12 hinweg quer zu dieser erstreckt. Bei Einwirkung der elektrostatischen Kraft durch die Boden- elektroden 14a, 14b auf die Schaltarme 13a, 13b nähern sich die Schaltarme 13a, 13b schrittweise bzw. fortlaufend von ihren befestigten Enden her an die Bodenelektroden 14a, 14b an, in einer Richtung, die parallel zur Signalleitung 12 verläuft.
Figur 2 zeigt in einer Draufsicht von oben eine Anordnung von MEMS-Schaltern 20, bei denen die einzelnen Schaltelemente 23 jeweils nur einen länglichen, freitragenden Schaltarm 23a aufweisen, der parallel zur Signalleitung 22 verläuft. Jedes der Schaltelemente 23 hat ein oder mehrere seitlich am jeweiligen Schaltarm 23a angeordneten Kontaktbereich 25, der sich quer über die Signalleitung 22 erstreckt. Dabei kann sich der jeweilige Kontaktbereich 25 entweder vollständig quer über die gesamte Breite der Signalleitung 22 erstrecken oder auch nur teilweise. Es können an einem Schaltelement 23 auch mehrere Kontaktbereiche 25 seitlich angeordnet sein, wie auf der rechten Seite in Figur 2 gezeigt.
Die Schaltelemente 25, die in Figur 2 im mittleren Bereich auf beiden Seiten der Signalleitung 22 angeordnet sind, sind so ausgerichtet, dass ihre gegenüberliegenden Kontaktbereiche 25 oberhalb der Signalleitung 22 zahnartig ineinander greifen.
Der in Figur 1 gezeigte Hochfrequenz-MEMS-Schalter 10 ist in einer Shunt- Konfiguration ausgeführt. In der nach oben gerichteten Position der als Cantilever- Elemente bzw. freitragend angeordneten Schaltarme 13a, 13b ist die Kopplungs- kapazität aufgrund des Abstandes zwischen der Signalleitung 12 und dem Kontaktbereich 15 sehr gering. Daher ist der Einfluss auf das Fortschreiten einer elektromagnetischen Welle auf der Signalleitung 12 ebenfalls gering. Wenn eine Anregungsspannung oder Schaltspannung an der Struktur anliegt, wird das gekrümmte Schaltelement 13 dazu veranlasst, sich nach unten zu biegen, so dass der brückenartige Kontaktbereich 25 an die Signalleitung 12 oder in deren unmittelbarer Nähe gelangt, so dass eine hohe Kapazität zwischen der Signalleitung 12 und dem Schaltelement 13 entsteht, wodurch das Fortschreiten der elektromagnetischen Welle auf der Übertragungs- oder Signalleitung 12 behindert bzw. unterbro- chen wird.
Die gezeigten Schaltelemente 13, 23 mit ihren Schaltarmen 13a, 13b, 23a und Kontaktbereichen 15, 25 sind in Dünnfilmtechnologie gefertigt, wobei die gebogenen Schaltelemente mit ihren Schaltarmen parallel zur Signalleitung 12, 25 ange- ordnet sind und in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform durch eine Brücke, die durch den Kontaktbereich 15 gebildet wird, verbunden sind. Die Signalleitung 12, 22, die unterhalb der Brücke bzw. dem Kontaktbereich 15, 25 auf dem Substrat 11 , 21 verläuft, hat typischerweise einen elektrischen Widerstand von beispielsweise ca. 50 Ω. Sie kann aber auch mit anderen Widerständen ausgestaltet sein, je nach den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung. Der MEMS-Schalter bildet ein HF-Relais.
Die Figuren 3a - f zeigen als Beispiele verschiedenartige Schalter- Konfigurationen, die mit dem erfindungsgemäßen MEMS-Schalter möglich sind. Figur 3a und 3b zeigen eine Schaltung in Serie mit der Signalleitung 12, wobei in Figur 3a die Signalleitung unterbrochen und in Figur 3b die Signalleitung 12 geschlossen ist.
Figur 3c und d zeigen eine Shunt-Schalter-Konfiguration, bei der die Schaltung durch einen elektrischen Nebenschluss erfolgt. Dabei ist in Figur 3c die Signalleitung 12 geschlossen, da der Schalter offen ist und somit kein Nebenschluss vor- liegt. In Figur 3d ist die Signalleitung 12 unterbrochen, da der Schalter geschlossen ist und ein Nebenschluss vorliegt.
Die Figuren 3e und f zeigen eine Kombination von Serien- und Shunt- Konfiguration, wobei in Figur 3e der Schalter in der Signalleitung 12 geöffnet ist und in Figur 3f der Nebenschluss geschlossen ist.
Das Substrat 11 , 21 ist aus einem Halbleitermaterial gefertigt, während die Signalleitung 12, 22 und das Schaltelement 13, 23 aus hochleitendem Material gefertigt werden, wie beispielsweise AI, Cu, Au, usw.
Bei der Herstellung des MEMS-Schalters werden zunächst elektrisch leitende Schichten als Signalleitung und Elektrodenanordnung auf dem Substrat ausgebildet und anschließend wird das Schaltelement 13, 23 freitragend auf der Substrat- Oberfläche befestigt. Zur Erzeugung der Biegung und der Rückstellkraft im Biegebereich des Schaltelements wird seine Oberfläche mittels Laserheating angeschmolzen, um die notwendige Zugspannung im elastischen Biegebereich zu schaffen. Es kann aber auch bimorphes Material verwendet werden, um die Krümmung und die Rückstell kraft in den gebogenen Zustand hervorzurufen. An- stelle einer Bodenelektrode kann zur Erzeugung einer elektrostatischen Anziehungskraft auch ein hochohmiges Substrat verwendet werden, wobei dieses auf seiner Rückseite mit einer Metallisierung 17 versehen ist, die als Masse dient, wobei diese Möglichkeit zur Veranschaulichung ebenfalls in Fig. 1 schematisch dargestellt ist.
Bei der Herstellung kann die in bekannten Verfahren verwendete sogenannte Opferschicht durch eine geeignete Oberflächenmodifikation, z.B. durch Hydrophobi- sierung, ersetzt werden. Dadurch wird der Abstand zwischen dem Schaltelement und der Bodenelektrode oder der Substratoberfläche noch geringer, so dass er- heblich größere elektrische Felder und entsprechend kleinere Betriebsspannungen erzielt werden. Durch die gebogene Form des Schaltelements in seiner Längsrichtung parallel zur Richtung der Signalleitung wird ein besonders großer Schaltweg möglich, so dass der Abstand im offenen Zustand bei geringer Größe des Schaltelements dennoch groß gestaltet werden kann und dadurch die Kapazität im offenen Zustand gering ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine höhere mechanische Stabilität erreicht. Darüberhinaus können die Schaltelemente mit einer größeren Rückstellkraft versehen werden, da aufgrund der geometrischen Anordnung der Elektroden und der Schaltelemente eine größere elektrostatische Anziehungskraft er- zielt werden kann, wobei dennoch im geöffneten Zustand eine geringe Störkapazität vorliegt. Insbesondere in weitgehend autonomen Systemen und vor allem bei Satellitenanwendungen wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Hochfrequenz-MEMS-Schalters eine verbesserte Langzeitstabilität und eine größere Zuverlässigkeit erzielt. Dabei wird auch die Gefahr der Adhäsion oder allge- mein eines Hängenbleibens oder Verhakens des Schaltelements an der Substratoberfläche oder der Oberfläche der Signalleitung reduziert bzw. eliminiert.

Claims

Patentansprüche
1. MEMS-Schalter mit gebogenem Schaltelement, umfassend: einen Signalleiter (12), der auf einem Substrat (11 ) angeordnet ist, ein länglich geformtes Schaltelement (13), das einen gebogenen elastischen Biegebereich (131, 132) aufweist und freitragend auf dem Substrat (11) befestigt ist, und eine Elektrodenanordnung (14a, 14b) zur Erzeugung einer auf das Schaltelement (13) wirkenden elektrostatischen Kraft, um das Schaltelement (13) zum Signalleiter (12) hin zu biegen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (13) mindestens zwei Schaltarme (13a, 13b) mit gebogenem elastischen Biegebereich (131 , 132) umfasst, die beidseitig des Signalleiters (12) parallel zu diesem angeordnet sind und an einem freien Ende durch eine über dem Signalleiter (12) positionierte Brücke (15) miteinander verbunden sind, wobei die Schaltarme (13a, 13b) derart ausgestaltet sind, dass sich der jeweilige elastische Biegebereich (131, 132) bei Einwirkung der elektrostatischen Kraft fortschreitend in einer Richtung parallel zum Signalleiter (12) an die Elektrodenanordnung (14a, 14b) annähert.
2. Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (15) einen Kontaktbereich bildet.
3. Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (14a, 14b) durch mindestens eine Bodenelektrode gebildet wird, die unter dem Schaltelement flächig auf dem Substrat (11 ) angeordnet ist, um das Schaltelement (13) elektrostatisch anzuziehen.
4. Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung durch eine unterhalb des Substrats (11) angeordnete Masseelektrode oder durch das Substrat selbst gebildet wird.
5. Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elektrodenanordnung (14a, 14b) parallel zur Substratoberfläche erstreckt, um das Schaltelement (13) durch die elektrostatische Kraft in seinem Biegebereich (131 , 132) fort- schreitend zur Substratoberfläche hin zu ziehen.
6. Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gebogene Biegebereich (131 , 132) durch bimorphes Material gebildet ist.
7. Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebereich (131 , 132) zur Erzeugung einer Zugspannung eine durch Laserheating angeschmolzene Oberfläche aufweist.
8. Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (13) in Dünnfilmtechnologie gefertigt ist.
9. Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einwirken der elektrostatischen Kraft der Kontaktbereich (15) in direkten Kontakt mit dem Signalleiter (12) gerät.
10. Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einwirken der elektrostatischen Kraft der Kontaktbereich (15) einen minimalen Abstand zum Signalleiter (12) einnimmt.
1 1 .Verfahren zur Herstellung eines Hochfrequenz-MEMS-Schalters mit gebogenem Schaltelement, mit den Schritten: Ausbilden eines Signalleiters (12) auf einem Substrat (1 1 ); Ausbilden einer Elektrodenanordnung (14a, 14b) an dem Substrat (1 1 ); Formung eines länglichen Schaltelements (13) mit einem gebogenen elas- tischen Biegebereich (131 , 132) auf dem Substrat (11 ) derart, dass es in dem Biegebereich (131 , 132) von der Elektrodenanordnung (14a, 14b) durch eine elektrostatische Kraft der Länge nach zum Substrat (1 1 ) hin gezogen wird und sich durch eine elastische Rückstellkraft im Biegebereich (131 , 132) vom Substrat (1 1 ) entfernt; dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (13) mindestens zwei Schaltarme (13a, 13b) mit gebogenem elastischen Biegebereich (131 , 132) umfasst, die beidseitig des Signalleiters (12) parallel zu diesem angeordnet werden und an einem freien Ende durch eine über dem Signalleiter (12) positionierte Brücke (15) miteinander verbunden sind, wobei die Schaltarme (13a, 13b) derart ausgestaltet werden, dass sich der jeweilige elastische Biegebereich (131 , 132) bei Einwirkung der elektrostatischen Kraft fortschreitend in einer Richtung parallel zum Signalleiter (12) an die Elektrodenanordnung (14a, 14b) annähert.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (15) als Kontaktbereich ausgebildet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrodenanordnung mindestens eine unterhalb des Substrats (1 1 ) angeordnete Masseelektrode gebildet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Biegebereichs (131, 132) zur Erzeugung einer Zugspannung mittels Laserheating angeschmolzen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Herstellung eines Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dient.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (14a, 14b) durch ein oder mehrere eigenleitende Substratbereiche oder durch ein eigenleitendes Substrat ausgebildet wird.
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