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    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 Schaltelement (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 (13a, 13b), die durch eine Brücke als Kontaktbereich (15) miteinander verbunden und beidseitig der Signalleitung (12) und parallel zu dieser angeordnet sind.
    公开号:DE102004010150A1
    申请号:DE200410010150
    申请日:2004-02-27
    公开日:2005-09-22
    发明作者:Ulrich Dipl.-Phys. Prechtel；Volker Dr.-Ing. Ziegler
    申请人:EADS Deutschland GmbH；
    IPC主号:H01H59-00
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-MEMS-Schaltermit gebogenem Schaltelement gemäß dem Oberbegriffvon Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Hochfrequenz-MEMS-Schaltersmit gebogenem Schaltelement gemäß dem Oberbegriffvon Patentanspruch 11.
    [0002] MEMS-Schalterbzw. Schaltelemente in MEMS-Technologie (MEMS = Micro Electro MechanicalSystems) kommen in den verschiedensten Bereichen zur Anwendung,wie beispielsweise Automobilelektronik, Telekommunikation, Medizintechnik oderMesstechnik. Aufgrund Ihrer Miniaturisierung sind derartige, alsmikroelektromechanisches System ausgestaltete Schaltelemente besondersauch fürRaumfahrtanwendungen und Satellitensysteme geeignet. Insbesondereauch in Radarsystemen, Satellitenkommunikationssystemen, drahtlosenKommunikationssystemen und Instrumentensystemen kommen Hochfrequenz-MEMS-Schalterzum Einsatz. Beispielsweise auch in Phasenantennenanlagen und beiPhasenschiebern fürsatellitenbasierte Radarsysteme, werden Hochfrequenz-MEMS-Schafter benötigt.
    [0003] Hochfrequenz-MEMS-Schalterbieten eine Reihe von Vorteilen, wie z.B. einen äußerst geringen Stromverbrauch,eine gute Isolation bzw. geringe Störkapazitäten, eine geringe Einfügungsdämpfung bzw.geringe Einfügungsverlusteund geringe Herstellungskosten.
    [0004] Indem 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 imHochfrequenzbereich eingesetzt werden, in einem Bereich zwischen0,1 und 100 GHz. Diese MEMS-Schalter haben als mechanische Federnausgestalte te freitragende Schaltarme, die durch elektrostatischeKrafteinwirkung zum Öffnen oderSchließeneines Schaltkreises betätigtwerden. Der freitragende Schaltarm bzw. Cantilever-Balken ist aufeinem Substrat befestigt und wird durch eine Elektrode elektrostatischangezogen, um einen Kontakt zu schließen. Ohne anliegende Spannunggeht der Schaltarm durch elastische Rückstellkräfte in seine Ausgangspositionzurück,und der Kontakt wird geöffnet.
    [0005] BeiMEMS-Schaltern kann der Schaltvorgang auf verschiedene Arten bewirktwerden, die prinzipiell in den 3a – 3f als Beispiele gezeigt sind. Dabei beeinflusstein Schaltelement das Fortschreiten einer elektromagnetischen Welleauf einer Signalleitung durch Öffnenoder Schließeneines Übertragungspfades.Dies kann in der Art eines Serienschalters, eines Shunt-Schaltersoder eines Serien-Shunt-Schalters erfolgen. Allgemein ist im geöffneten Zustand des Schaltelementsein großerAbstand zum Kontaktbereich notwendig, da die Kapazität in diesemZustand möglichstgering sein soll, um eine ungestörteLeitung zu erhalten. Fürden Schaltvorgang selbst ist jedoch ein geringer Abstand erforderlich,da nur geringe elektrostatische Kräfte wirken.
    [0006] Indem Artikel von C. Chang und P. Chang, „Innovative MicromachinedMicrowave Switch with very Low Insertion Loss", Proceedings of the 10th InternationalConference on Solid-State Sensors Actuators (Transducers 99), June7 – 10,1999, Sendai, Japan, S. 1830 – 33,ist ein MEMS-Schalter mit einem gebogenen Schaltelement beschrieben,das in Form eines Cantilever-Balkens als freitragendes Element ausgestaltetist. Das Schaltelement ist oberhalb einer Bodenelektrode mit einemEnde auf einem Substrat befestigt, wobei der übrige Bereich des Schaltelementsbogenförmignach oben gerichtet ist und vom Substrat wegragt. Beim Anlegen einer Schaltspannunglegt sich das nach oben gebogene Schaltelement durch elektrostatischeKräftean die Bodenelektrode an, so dass das freie Ende des Schaltelementsmit einer Signalleitung in Kontakt gerät. Ohne die anliegende Schaltspannungwird das Schaltelement durch eine elastische Zugspannung zurück in dienach oben gerichtete Position gebracht, in der es von der Signalleitungweit entfernt ist. Beim Hin- und Herschalten zwischen den beidenSchaltzuständenbewegt sich das Schaltelement wie die Zunge eines Frosches.
    [0007] Allgemeinbesteht bei den MEMS-Schaltern das Problem, dass die elastischenRückstellkräfte in derRegel sehr klein sind, so dass die Gefahr besteht, dass das Schaltelementdurch Adhäsionan der Oberflächeder Signalleitung anhaftet. Dadurch mangelt es den Schaltelementenoftmals an einer ausreichenden Zuverlässigkeit, die für Langzeiteinsätze beispielsweiseim Weltraum notwendig ist.
    [0008] Deshalbwurde versucht, das Schaltelement stärker auszugestalten, um dadurchstärkereRückstellkräfte zu erreichen.Jedoch reichen dabei die elektrostatischen Kräfte in den meisten Fällen nicht aus,um zuverlässigdie Schaltvorgängezu bewirken.
    [0009] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Hochfrequenz-MEMS-Schalter mit gebogenemSchaltelement zu schaffen, der bei geringen Störkapazitäten eine hohe Langzeitzuverlässigkeitgewährleistet,wobei bei geringem Platzbedarf eine höhere mechanische Stabilität und einegrößere Schaltkrafterreicht wird.
    [0010] DieseAufgabe wird gelöstdurch den Hochfrequenz-MEMS-Schalter mit gebogenem Schaltelementgemäß Patentanspruch1 und durch das Verfahren zur Herstellung eines Hochfrequenz-MEMS-Schaltersmit gebogenem Schaltelement gemäß Patentanspruch11. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindungergeben sich aus den abhängigenAnsprüchen,der Beschreibung und den Zeichnungen.
    [0011] DerHochfrequenz-MEMS-Schalter gemäß der vorliegendenErfindung umfasst einen Signalleiter, der auf einem Substrat angeordnetist, ein länglichgeformtes Schaltelement, das einen gebogenen elastischen Biegebereichaufweist und freitragend auf dem Substrat befestigt ist, und eineElektrodenanordnung zur Erzeugung einer auf das Schaltelement wirkendenelektrostatischen Kraft, um das Schaltelement zum Signalleiter hinzu biegen, wobei das Schaltelement in seiner Längsrichtung parallel zum Signalleiterangeordnet ist und einen Kontaktbereich aufweist, der sich querzum Schaltelement teilweise oder vollständig über den Signalleiter erstreckt,und wobei sich der elastische Biegebereich des Schaltelements beiEinwirkung der elektrostatischen Kraft parallel zur Signalleitungfortschreitend an die Elektrodenanordnung annähert.
    [0012] Beidem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-MEMS-Schalterwird die erforderliche Spannung zum Schließen des Elements gering gehalten, wobeidennoch ein großerSchaltweg möglichist, so dass der Abstand im offenen Zustand groß ist und dadurch die Kapazität geringist. Durch die Anordnung des Schaltelements in seiner Längsrichtungparallel zum Signalleiter wird auch eine weitere Miniaturisierungerreicht, wobei das Schaltelement dennoch relativ lang ausgestaltetwerden kann und dadurch eine höheremechanische Stabilitätund eine größere Schaltkrafterreicht wird. Insbesondere ist auch eine größere Rückstellkraft bzw. stärkere Ausgestaltung desSchaltelements möglich.Aufgrund der großen möglichenLänge undFlächedes Schaltelements könnengrößere elektrostatischeKräfteeinerseits und größere Rückstellkräfte bzw.eine dickere Ausgestaltung des Schaltelements andererseits erzielt werden.
    [0013] Bevorzugtumfasst das Schaltelement mindestens zwei Schaltarme mit gebogenemelastischem Biegebereich, die beidseitig des Signalleiters angeordnetsind und sich in ihrer Längsrichtungparallel zum Signalleiter erstrecken, wobei die Schaltarme durcheine überdem Signalleiter positionierte Brücke miteinander ver bunden sind,die durch den jeweiligen Kontaktbereich gebildet wird. Durch die beidseitigeAnordnung mit brückenartigemKontaktbereich wird die Zuverlässigkeitdes MEMS-Schalters noch weiter erhöht, da noch größere Rückstellkräfte undelektrostatische Kräftebei geringem Platz- und Energiebedarf erzielt werden können unddadurch bei geringem Platz- und Energiebedarf eine besonders hohemechanische Stabilitätund Schaltkraft erzielt wird.
    [0014] Vorteilhafterweisewird die Elektrodenanordnung durch mindestens eine Boden- oder Basiselektrodegebildet, die unter dem Schaltelement flächig auf dem Substrat angeordnetist, um das Schaltelement elektrostatisch anzuziehen. Die Basiselektrode oderBodenelektrode ist im Fall von beidseitig angeordneten Schaltarmenunterhalb jedes Schaltarmes angeordnet.
    [0015] Gemäß eineranderen bevorzugten Ausführungsformwird die Elektrodenanordnung durch eine unterhalb des Substratsangeordnete Masseelektrode bzw. durch das Substrat selbst gebildet.Dadurch ergibt sich eine vereinfachte Herstellung und damit verringerteHerstellungskosten. Dabei kann das Substrat aus hochohmigem Siliziumgefertigt sein.
    [0016] DieElektrodenanordnung erstreckt sich vorteilhafterweise parallel zurSubstratoberfläche,um das Schaltelement durch die elektrostatische Kraft in seinemBiegebereich fortschreitend zur Substratoberfläche hinzuziehen. Der gebogeneBiegebereich wird bevorzugt durch bimorphes Material gebildet.
    [0017] Eineweitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Biegebereichzur Erzeugung einer Zugspannung eine z.B. durch Laserheating angeschmolzeneOberflächeaufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Zugspannung durch entsprechendeAuswahl der Dauer und Intensitätder Laserbestrahlung entsprechend den jeweiligen Anforderungen eingestelltwerden kann. Die Zugspannung kann auch durch geeignete Steuerungder Schichtabscheidung bei der Herstellung errreicht werden.
    [0018] Vorteilhafterweiseist das Schaltelement in Dünnfilmtechnologiegefertigt. Dadurch wird eine kostengünstige Herstellung und kleineBauweise erreicht.
    [0019] Bevorzugtgerät derKontaktbereich des Schaltelements bei Einwirken der elektrostatischen Kraftin direkten Kontakt mit dem Signalleiter. Alternativ dazu nimmtder Kontaktbereich bei Einwirken der elektrostatischen Kraft einenminimalen Abstand zum Signalleiter ein, d.h. er tritt nicht in direktenKontakt mit dem Signalleiter. Dadurch ergibt sich eine große Kapazität zwischendem Signalleiter und dem Schaltelement, so dass die Signalleitungunterbrochen ist. Der minimale Abstand kann z.B. durch eine geeignetedielektrische Isolation erzielt bzw. aufrechterhalten werden.
    [0020] Beidem erfindungsgemäßen Verfahrenzur Herstellung eines Hochfrequenz-MEMS-Schalters mit gebogenem Schaltelementwerden nachfolgende Schritte durchgeführt: Ausbilden einer Signalleitung aufeinem Substrat; gegebenenfalls Ausbilden einer Elektrodenanordnungan dem Substrat, beispielsweise wenn das Substrat keine Eigenleitungaufweist; Formung eines länglichenSchaltelements mit einem gebogenen elastischen Biegebereich aufdem Substrat derart, dass es in seinem Biegebereich von der Elektrodenanordnungdurch eine elektrostatische Kraft der Länge nach zum Substrat hin gezogenwird und sich durch elastische Rückstellkraftim Biegebereich vom Substrat entfernt; wobei das Schaltelement inseiner Längsrichtungparallel zum Signalleiter derart angeordnet wird, dass sich einseitlich hervorstehender Kontaktbereich des Schaltelements quer über denSignalleiter erstreckt, so dass sich der elastische Biegebereichdes Schaltelements bei Einwirkung der elektrostatischen Kraft parallelzur Signalleitung fortschreitend an die Elektrodenanordnung annähert, umden Kontaktbereich dem Signalleiter anzunähern. Die Elektrodenanordnungkann auch durch ein eigenleitendes Substrat oder einen eigenleitendenSubstratbereich gebildet werden.
    [0021] Durchdas Verfahren wird auf kostengünstige Weiseein besonders zuverlässigerHochfrequenz-MEMS-Schalter mit gebogenem Schaltelement hergestellt,der eine erhöhtemechanische Stabilitätund erhöhteSchaltkräfteaufweist.
    [0022] Vorteilhafterweisewird das Schaltelement so geformt, dass es mindestens zwei Schaltarmemit gebogenem elastischen Biegebereich aufweist, wobei die Schaltarmebeidseitig des Signalleiters angeordnet weden, so dass sie sichin ihrer Längsrichtungparallel zum Signalleiter erstrecken und die Schaltarme durch eine über demSignalleiter positionierte Brücke miteinanderverbunden sind, die durch den jeweiligen Kontaktbereich gebildetwird.
    [0023] Bevorzugtist als Elektrodenanordnung mindestens eine Basiselektrode unterdem Schaltelement flächigauf dem Substrat angeordnet. Als Elektrodenanordnung kann auch mindestenseine unterhalb des Substrat angeordnete Masseelektrode gebildetwerden. Vorteilhaft wird der Biegebereich durch bimophes Materialgebildet. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Oberfläche desBiegebereichs zur Erzeugung einer Zugspannung mittels Laserheatingangeschmolzen wird. Insbesondere kann das Verfahren zur Herstellungdes erfindungsgemäß ausgestaltetenHochfrequenz-MEMS-Schalters, wie er oben allgemein beschrieben ist,dienen.
    [0024] Nachfolgendwird die Erfindung anhand der Figuren beschrieben, in denen
    [0025] 1 alsperspektivische Darstellung einen Hochfrequenz-MEMS-Schalters gemäß einerbesonders bevorzugten Ausführungsformder Erfindung schematisch zeigt;
    [0026] 2 eineDraufsicht auf eine Anordnung von MEMS-Schaltern gemäß weitererbevorzugter Ausführungsformenschematisch zeigt; und
    [0027] 3a – 3f verschiedene Schalter-Konfigurationenvon MEMS-Schaltern schematisch darstellen.
    [0028] 1 zeigtals besonders bevorzugtes Ausführungsbeispieleinen MEMS-Schalter 10,der für Hochfrequenz-Anwendungengeeignet ist und zwei parallele Schaltarme aufweist. Der MEMS-Schalter 10 umfasstein Substrat 11, auf dem eine Signalleitung 12 ausgebildetist, die sich in einer Richtung überdas Substrat 11 erstreckt. Auf dem Substrat 11 istein nach oben gebogenes Schaltelement 13 befestigt, dasin diesem Beispiel zwei länglichausgestaltete, parallel zueinander verlaufende Schaltarme 13a, 13b umfasst.Die Schaltarme 13a, 13b des Schaltelements 13 sindjeweils mit einem Ende flächigauf der Substratoberflächeund parallel dazu befestigt, währendihr übrigerTeil nach oben gebogen ist, so dass das jeweils andere Ende derSchaltarme 13a, 13b von der Substratoberfläche entferntist. Zu diesem Zweck weist jeder Schaltarm 13a, 13b des Schaltelements 13 einenzentralen elastischen Biegebereich 131, 132 auf,der in der hier gezeigten Schalterstellung nach oben gebogen bzw.gekrümmt ist.
    [0029] Aufder Substratoberflächeist unterhalb jedes Schaltarms 13a, 13b des Schaltelements 13 eine Elektrodenanordnungvorgesehen, die in diesem Beispiel durch zwei Bodenelektroden 14a, 14b gebildet wird.Die Bodenelektroden 14a, 14b dienen dazu, auf diefreitragend befestigten Schaltarme 13a, 13b bei Vorliegeneiner Schaltspannung eine elektrostatische Anziehungskraft auszuüben, sodass sie sich zur Substratoberflächehin bewegen, wobei die elastischen Biegebereiche 131, 132 einegerade Gestalt annehmen.
    [0030] DasSchaltelement 13 umfasst weiterhin einen Kontaktbereich 15,der sich in diesem Beispiel quer über die Signalleitung 12 erstreckt.Wenn durch die Elektrodenanordnung 14a, 14b eineelektrostatische Kraft auf die Biegebereiche 131, 132 unddie freien Enden der Schaltarme 13a, 13b ausgeübt wird, nähert sichder Kontaktbereich 15 an die Signalleitung 12 an,um einen direkten elektrischen Kontakt oder eine kapazitive Ankopplungan die Signalleitung 15 zu bewirken. In diesem Fall befindetsich der MEMS-Schalter 10 in seinem geschlossenen Zustand.
    [0031] DasSchaltelement 13 ist in seinen Biegebereichen 131, 132 miteiner Zugspannung versehen, die eine Rückstellkraft bewirkt, so dassdie Schaltarme 13a, 13b zurück in den gebogenen Zustandgelangen, wenn keine elektrostatische Anziehungskraft durch dieBodenelektroden 14a, 14b auf die Schaltarme 13a, 13b ausgeübt wird.In diesem Fall nimmt der MEMS-Schalter 10 seinen offenenZustand ein, bei dem der Kontakbereich 15 von der Signalleitung 12 entferntist und somit kein elektrischer Kontakt und keine oder nur einesehr geringe kapazitive Kopplung an die Signalleitung 12 vorliegt.
    [0032] DasSchaltelement 13 ist mit seinen als längliche Balken ausgestalteten,freitragenden Schaltarmen 13a, 13b in seiner Längsrichtungparallel zur Signalleitung 12 angeordnet. Dabei bildetder Kontaktbereich 15 eine Brücke, die die beiden Schaltarme 13a, 13b imBereich ihrer freien Enden miteinander verbindet und sich in diesemAusführungsbeispiel vollständig über dieSignalleitung 12 hinweg quer zu dieser erstreckt. Bei Einwirkungder elektrostatischen Kraft durch die Bodenelektroden 14a, 14b aufdie Schaltarme 13a, 13b nähern sich die Schaltarme 13a, 13b schrittweisebzw. fortlaufend von ihren befestigten Enden her an die Bodenelektroden 14a, 14b an,in einer Richtung, die parallel zur Signalleitung 12 verläuft.
    [0033] 2 zeigtin einer Draufsicht von oben eine Anordnung von MEMS-Schaltern 20,bei denen die einzelnen Schaltelemente 23 jeweils nur einenlänglichen,frei tragenden Schaltarm 23a aufweisen, der parallel zurSignalleitung 22 verläuft.Jedes der Schaltelemente 23 hat ein oder mehrere seitlicham jeweiligen Schaltarm 23a angeordneten Kontaktbereich 25,der sich quer überdie Signalleitung 22 erstreckt. Dabei kann sich der jeweiligeKontaktbereich 25 entweder vollständig quer über die gesamte Breite derSignalleitung 22 erstrecken oder auch nur teilweise. Eskönnenan einem Schaltelement 23 auch mehrere Kontaktbereiche 25 seitlichangeordnet sein, wie auf der rechten Seite in 2 gezeigt.
    [0034] DieSchaltelemente 25, die in 2 im mittlerenBereich auf beiden Seiten der Signalleitung 22 angeordnetsind, sind so ausgerichtet, dass ihre gegenüberliegenden Kontaktbereiche 25 oberhalbder Signalleitung 22 zahnartig ineinander greifen.
    [0035] Derin 1 gezeigte Hochfrequenz-MEMS-Schalter 10 istin einer Shunt-Konfigurationausgeführt.In der nach oben gerichteten Position der als Cantilever-Elemente bzw. freitragendangeordneten Schaltarme 13a, 13b ist die Kopplungskapazität aufgrunddes Abstandes zwischen der Signalleitung 12 und dem Kontaktbereich 15 sehrgering. Daher ist der Einfluss auf das Fortschreiten einer elektromagnetischenWelle auf der Signalleitung 12 ebenfalls gering. Wenn eineAnregungsspannung oder Schaltspannung an der Struktur anliegt, wird dasgekrümmteSchaltelement 13 dazu veranlasst, sich nach unten zu biegen,so dass der brückenartige Kontaktbereich 25 andie Signalleitung 12 oder in deren unmittelbarer Nähe gelangt,so dass eine hohe Kapazitätzwischen der Signalleitung 12 und dem Schaltelement 13 entsteht,wodurch das Fortschreiten der elektromagnetischen Welle auf der Übertragungs-oder Signalleitung 12 behindert bzw. unterbrochen wird.
    [0036] Diegezeigten Schaltelemente 13, 23 mit ihren Schaltarmen 13a, 13b, 23a undKontaktbereichen 15, 25 sind in Dünnfilmtechnologiegefertigt, wobei die geboge nen Schaltelemente mit ihren Schaltarmenparallel zur Signalleitung 12, 25 angeordnet sindund in der in 1 gezeigten Ausführungsformdurch eine Brücke,die durch den Kontaktbereich 15 gebildet wird, verbundensind. Die Signalleitung 12, 22, die unterhalbder Brückebzw. dem Kontaktbereich 15, 25 auf dem Substrat 11, 21 verläuft, hattypischerweise einen elektrischen Widerstand von beispielsweiseca. 50 Ω.Sie kann aber auch mit anderen Widerständen ausgestaltet sein, je nachden Erfordernissen der jeweiligen Anwendung. Der MEMS-Schalter bildetein HF-Relais.
    [0037] Die 3a – 3f zeigen als Beispiele verschiedenartigeSchalter-Konfigurationen,die mit dem erfindungsgemäßen MEMS-Schaltermöglichsind. 3a und 3b zeigeneine Schaltung in Serie mit der Signalleitung 12, wobeiin 3a die Signalleitung unterbrochenund in 3b die Signalleitung 12 geschlossenist.
    [0038] 3c und 3d zeigeneine Shunt-Schalter-Konfiguration, bei der die Schaltung durch einen elektrischenNebenschluss erfolgt. Dabei ist in 3c dieSignalleitung 12 geschlossen, da der Schalter offen istund somit kein Nebenschluss vorliegt. In 3d istdie Signalleitung 12 unterbrochen, da der Schalter geschlossenist und ein Nebenschluss vorliegt.
    [0039] Die 3e und 3f zeigeneine Kombination von Serien- und Shunt-Konfiguration, wobei in 3e derSchalter in der Signalleitung 12 geöffnet ist und in 3f der Nebenschluss geschlossen ist.
    [0040] DasSubstrat 11, 21 ist aus einem Halbleitermaterialgefertigt, währenddie Signalleitung 12, 22 und das Schaltelement 13, 23 aushochleitendem Material gefertigt werden, wie beispielsweise Al,Cu, Au, usw.
    [0041] Beider Herstellung des MEMS-Schalters werden zunächst elektrisch leitende Schichtenals Signalleitung und Elektrodenanordnung auf dem Substrat ausgebildetund anschließendwird das Schaltelement 13, 23 freitragend aufder Substratoberfläche befestigt.Zur Erzeugung der Biegung und der Rückstellkraft im Biegebereichdes 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 unddie Rückstellkraftin den gebogenen Zustand hervorzurufen. Anstelle einer Bodenelektrodekann zur Erzeugung einer elektrostatischen Anziehungskraft auchein hochohmiges Substrat verwendet werden, wobei dieses auf seinerRückseitemit einer Metallisierung 17 versehen ist, die als Massedient, wobei diese Möglichkeitzur Veranschaulichung ebenfalls in 1 schematischdargestellt ist.
    [0042] Beider Herstellung kann die in bekannten Verfahren verwendete sogenannteOpferschicht durch eine geeignete Oberflächenmodifikation, z.B. durchHydrophobisierung, ersetzt werden. Dadurch wird der Abstand zwischendem Schaltelement und der Bodenelektrode oder der Substratoberfläche nochgeringer, so dass erheblich größere elektrische Felderund entsprechend kleinere Betriebsspannungen erzielt werden.
    [0043] Durchdie gebogene Form des Schaltelements in seiner Längsrichtung parallel zur Richtung derSignalleitung wird ein besonders großer Schaltweg möglich, sodass der Abstand im offenen Zustand bei geringer Größe des Schaltelementsdennoch groß gestaltetwerden kann und dadurch die Kapazität im offenen Zustand geringist. Durch die erfindungsgemäße Anordnungwird eine höheremechanische Stabilitäterreicht. Darüberhinauskönnen dieSchaltelemente mit einer größeren Rückstellkraft versehenwerden, da aufgrund der geometrischen Anordnung der Elektroden undder Schaltelemente eine größere elektrostatischeAnziehungskraft er zielt werden kann, wobei dennoch im geöffnetenZustand eine geringe Störkapazität vorliegt.Insbesondere in weitgehend autonomen Systemen und vor allem bei Satellitenanwendungenwird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltungdes Hochfrequenz-MEMS-Schalters eine verbesserte Langzeitstabilität und einegrößere Zuverlässigkeiterzielt. Dabei wird auch die Gefahr der Adhäsion oder allgemein eines Hängenbleibensoder Verhakens des Schaltelements an der Substratoberfläche oderder Oberflächeder Signalleitung reduziert bzw. eliminiert.
    权利要求:
    Claims (16)
    [1] Hochfrequenz-MEMS-Schalter mit gebogenem Schaltelement,umfassend: einen Signalleiter (12; 22), derauf einem Substrat (11; 21) angeordnet ist, einlänglichgeformtes Schaltelement (13; 23), das einen gebogenenelastischen Biegebereich (131, 132) aufweist undfreitragend auf dem Substrat (11; 21) befestigtist, und eine Elektrodenanordnung (14a, 14b)zur Erzeugung einer auf das Schaltelement (13; 23)wirkenden elektrostatischen Kraft, um das Schaltelement (13; 23) zumSignalleiter (12; 22) hin zu biegen, dadurchgekennzeichnet, dass das Schaltelement (13; 23)in seiner Längsrichtung parallelzum Signalleiter (12; 22) angeordnet ist und einenKontaktbereich (15; 25) aufweist, der sich quer zumSchaltelement (13; 23) zumindest teilweise über denSignalleiter (11; 21) erstreckt, wobei sich der elastischeBiegebereich (131, 132) des Schaltelements (13; 23)bei Einwirkung der elektrostatischen Kraft parallel zum Signalleiter(12; 22) fortschreitend an die Elektrodenanordnung(14a, 14b) annähert.
    [2] Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das Schaltelement (13) mindestenszwei Schaltarme (13a, 13b) mit gebogenem elastischenBiegebereich (131, 132) umfasst, die beidseitigdes Signalleiters (12) angeordnet sind und sich in ihrerLängsrichtungparallel zum Signalleiter (12) erstrecken, wobei die Schaltarme(13a, 13b) durch eine über dem Signalleiter (12)positionierte Brückemiteinander verbunden sind, die den Kontaktbereich (15)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 demSchaltelement flächigauf dem Substrat (11; 21) angeordnet ist, um dasSchaltelement (13; 23) elektrostatisch anzuziehen.
    [4] Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung durch eineunterhalb des Substrats (11) angeordnete Masseelektrodeoder durch das Substrat selbst gebildet wird.
    [5] Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elektrodenanordnung (14a, 14b)parallel zur Substratoberflächeerstreckt, um das Schaltelement (13) durch die elektrostatische Kraftin seinem Biegebereich (131, 132) fortschreitendzur Substratoberflächehin zu ziehen.
    [6] Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der gebogene Biegebereich (131, 132)durch bimorphes Material gebildet ist.
    [7] Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebereich (131, 132)zur Erzeugung einer Zugspannung eine durch Laserheating angeschmolzeneOberflächeaufweist.
    [8] Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (13; 23)in Dünnfilmtech nologiegefertigt ist.
    [9] Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass bei Einwirken der elektrostatischen Kraftder Kontaktbereich (15; 25) in direkten Kontakt mitdem Signalleiter (12; 22) gerät.
    [10] Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einwirken der elektrostatischenKraft der Kontaktbereich (15; 25) einen minimalenAbstand zum Signalleiter (12; 22) einnimmt.
    [11] Verfahren zur Herstellung eines Hochfrequenz-MEMS-Schaltersmit gebogenem Schaltelement, mit den Schritten: Ausbilden einesSignalleiters (12; 22) auf einem Substrat (11; 21); Ausbildeneiner Elektrodenanordnung (14a, 14b) an dem Substrat(11; 21); Formung eines länglichen Schaltelements (13; 23) miteinem gebogenen elastischen Biegebereich (131, 132)auf dem Substrat (11; 21) derart, dass es in dem Biegebereich(131, 132) von der Elektrodenanordnung (14a, 14b)durch eine elektrostatische Kraft der Länge nach zum Substrat (11; 21)hin gezogen wird und sich durch eine elastische Rückstellkraftim Biegebereich (131, 132) vom Substrat (11; 21)entfernt; dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement(13; 23) in seiner Längsrichtung parallel zum Signalleiter(12; 22) derart angeordnet wird, dass sich einKontaktbereich (15; 25) des Schaltelements (13; 23)quer überden Signalleiter (12; 22) erstreckt, so dass sichder elastische Biegebereich (131, 132) des Schaltelements(13; 23) bei Einwirkung der elektrostatischenKraft parallel zum Signalleiter (12; 22) fortschreitendan die Elektrodenanordnung (14a, 14b) annähert, umden Kon taktbereich (15; 25) dem Signalleiter (12; 22)anzunähern.
    [12] Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass das Schaltelement (13) so geformt wird, dass es mindestenszwei Schaltarme (13a, 13b) mit gebogenem elastischenBiegebereich (131, 132) aufweist, wobei die Schaltarme(13a, 13b) beidseitig des Signalleiters (12)angeordnet werden, so dass sie sich in ihrer Längsrichtung parallel zum Signalleiter(12) erstrecken und die Schaltarme (13a, 13b)durch eine überdem Signalleiter (12) positionierte Brücke miteinander verbunden sind,die den Kontaktbereich (15) bildet.
    [13] Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet,dass als Elektrodenanordnung mindestens eine unterhalb des Substrats (11; 21)angeordnete Masseelektrode gebildet wird.
    [14] Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,dass die Oberfläche desBiegebereichs (131, 132) zur Erzeugung einer Zugspannungmittels Laserheating angeschmolzen wird.
    [15] Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet,dass es zur Herstellung eines Hochfrequenz-MEMS-Schalter nach einemder Ansprüche1 bis 10 dient.
    [16] Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet,dass die Elektrodenanordnung (14a, 14b) durchein oder mehrere eigenleitende Substratbereiche oder durch ein eigenleitendesSubstrat ausgebildet wird.
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