DE10061205B4

DE10061205B4 - Mikromechanischer Mikrowellenschalter

Info

Publication number: DE10061205B4
Application number: DE2000161205
Authority: DE
Inventors: Uhland Goebel; Dietmar Dr. Pilz
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Hensoldt Sensors GmbH
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: DE10061205A1

Abstract

Mikromechanischer Mikrowellenschalter, bei dem auf einem Substrat zweiseitig eingespannte, über dem Substrat schwebende Membran-Brücken durch Anlegen einer Spannung zum Umschalten zwischen Transmissionszustand und Reflexionszustand bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet,
– daß die Enden der Membran (2) mit den zusammenlaufenden Enden von je zwei symmetrischen, ebenfalls über dem Substrat (S) schwebenden Verstrebungen (1) verbunden sind,
– daß die anderen Enden der Verstrebungen (1) mit jeweils einem auf dem Substrat (S) befestigten Pfosten (4) verbunden sind,
– wobei die Längsausdehnungsrichtungen von Membranbrücke und Verstrebungen (1) unter einem Winkel Θ gegenläufig verlaufen
– und daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Membran (2), Verstrebungen (1) und Substrat (S) sowie die Längen l von Membran (2) und Verstrebungen (1) und deren AnordnungswinkelΘ derart aufeinander abgestimmt sind, daß im Arbeitstemperaturbereich thermisch bedingte Längsausdehnungsdifferenzen zwischen Membranbrücke und Substrat durch die gegenläufige Ausdehnung der Verstrebungen kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Mikrowellenschalter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Elektronische Mikrowellenschalter stellen ein Basiselement in einer Reihe von Mikrowellenschaltungen dar Anwendungen sind unter anderem:

– das Umschalten zwischen Senden und Empfangen bei einem monostatischen RADAR,
– der Aufbau von Phasenschiebern und
– das Umschalten zwischen redundanten Sende- oder Empfangszweigen in Satellitensystemen.

Bisherige Konzepte basieren zumeist auf PIN-Dioden oder Transistorschaltungen. Diese Mikrowellenschalter weisen hohe Verluste auf und/oder ungenügende Entkopplung zwischen Eingangstor und abgeschaltetem Tor.

Mit Hilfe einer mikromechanisch hergestellten Membran, die durch Anlegen von elektrischen Spannungen an einen Signalleiter herangeführt wird, kann die hochfrequente Signalführung elektrisch kurzgeschlossen und somit eine Leitungsführung unterbunden werden. Als erfolgversprechendster Typ hat sich dabei eine dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechende, an zwei Seiten eingespannte brückenähnliche Membran erwiesen wie sie zum Beispiel aus
Goldsmith, Charles L. et al. "Performance of Low-Loss RF MEMS Capacitive Switches", IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 8, No.8, August 1998, Seite 269-271,
oder
Jeremy B. Muldavin and Gabriel M. Rebeiz "Novel Series and Shunt MEMS Switch Geometries for X-Band Applications", EUMC 2000, Paris
bekannt ist.

Das mikromechanische Konzept aus [Goldsmith] oder [Muldavin] besitzt hervorragende elektrische Eigenschaften. So ergibt sich eine Güte, die hier als Verhältnis zwischen der wirksamen Kapazität des geschlossenen Schalters zur Kapazität des offenen Schalters definiert ist (C_close/C_open), von 150, was in etwa 10 mal besser als die Ergebnisse mit PIN-Dioden oder Transistorschaltung ist. Zur Verdeutlichung des Prinzips ist dieser Schalter in den 3a und 3b dargestellt.

Bei diesen Mikrowellenschaltern werden also zweiseitig eingespannte Luftbrücken durch Anlegen einer Spannung zwischen Signalleitung und Masseleitung -und der dadurch auf die Brücke wirkenden Kräfte – an den Mittelleiter bewegt. Eine sehr dünne Isolationsschicht zwischen Brücken und Signalleiter sorgt dafür, daß kein Kurzschluß für die angelegte niederfrequente Spannung entstehen kann. Ist die Brücke im unteren Zustand, so stellt sie für die hochfrequenten Signale einen Kurzschluß dar. Ein solcher Schalter wird als SPST (Single Pole Single Throw) bezeichnet. Derlei Anordnungen schalten grundsätzlich zwischen einem Transmissionszustand und einem Reflexionszustand um. SPSTs auf MEMS-Basis können einen Isolationswert im geschalteten Zustand (DOWN) von besser als –30dB und eine Durchlaßdämpfung im nicht geschalteten Zustand (UP) von weniger als –0,15dB für Frequenzen im Ka-Band (26,5GHz-40GHz) erreichen. Die Güte eines solchen MEMS-Bauelementes (1/(2π C_ONC_OFF)) liegt etwa 12 mal höher als die eines rein elektronischen Bauelements (z.B. von PIN-Dioden).

Insbesondere bei größeren Temperaturdifferenzen ergeben sich jedoch unterschiedliche mechanische Eigenschaften des Schalters, wenn sich das Material der Membran und das verwendete Substratmaterial im Temperaturausdehnungskoeffizienten unterscheiden. Die Membran wird entweder zusätzlich gespannt, was zu einer deutlichen Veränderung der notwendigen Kraft zum Auslenken der Membran und somit zu sehr unterschiedlichen Anzugsspannungen führt. Oder die Spannung in der Membran wird reduziert, was dazu fuhrt, dass sie einfach durchhängt, geringe Rückstellkräfte aufweist und somit ihre Funktion verliert.

Es ist das Ziel der Erfindung, einen Mikrowellenschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der so aufgebaut ist, daß Temperaturschwankungen kompensiert werden.

Dies wird durch eine Ausgestaltung mit den Merkmalen nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 erreicht. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Beschreibung wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel erörtert. Es zeigen
1 schematisch die prinzipielle Anordnung für den erfindungsgemäßen Mikrowellenschalter,
2 den erfindungsgemäßen Mikrowellenschalter in perspektivischer Ansicht,
3a, b den zugrundeliegenden Stand der Technik,
4a-c Aufsicht und zwei Schnitte durch den erfindungsgemäßen Mikrowellenschalter.
Das Prinzip der Erfindung ist in 1 dargestellt. Dabei wird eine Anordnung bestehend aus einer Membran 2 und vier Verstrebungen 1 zur Temperaturkompensation der Ausdehnungskoeffizienten von Substrat S und Membran 2 genutzt. Die Membran 2 besteht dabei aus einer Metallschicht, die im Verhältnis zu den Verstrebungen 1 dünn ist. Membran 2 und Verstrebungen 1 hängen frei über dem Substrat S und werden mit vergleichsweise massiven Pfosten 4 mit dem Substrat fixiert. Die Verstrebungen 1 stehen in einem bestimmten Winkel θ zu der Membran 2 und besitzen eine bestimmte Länge l. Länge l und Winkel θ können entsprechend 1 auch über die Größen x_A und y_A bestimmt werden. Sowohl Länge l als auch der Winkel θ haben maßgeblichen Einfluß auf die Funktion der Erfindung. Die Verstrebungen 1 sind punktsymmetrisch zum Mittelpunkt der Membran 2 angeordnet. Das Substrat S ist immer um mehrere Ordnungen dicker als Membran 2 und Verstrebungen 1 und kann somit als fest angenommen werden.
Ändert sich nun die Temperatur der Struktur, so dehnt sich die Membran 2 in Abhängigkeit ihres Ausdehnungskoeffizienten α_Mem und der Temperaturänderung ΔT aus. Das gleiche gilt für die Verstrebung 1 mit dem Ausdehnungskoeffizienten α_v und für das Substrat S mit dem Ausdehnungskoeffizienten α_s. Wäre die Membran direkt an ihren Enden an den Punkten 3 mit dem Substrat S verbunden, ergäben sich Spannungen in der Membran 2, die zu den oben genannten Problemen führen. Durch die Verstrebungen 1 ändert sich das Verhalten der Struktur bei geeigneter Auslegung völlig. Sie dehnen sich ebenfalls aus oder ziehen sich zusammen. Die Gelenkpunkte 3 bewegen sich dadurch entweder zusammen oder auseinander. Durch eine geeignete Wahl der Länge l der Verstrebungen 1 und des Winkels θ wird die Membran 2 über einen weiten Temperaturbereich immer unter der gleichen mechanischen Spannung gehalten und behält somit ihre Eigenschaften bei.
Für die Auslegung der Dimensionen y_A und x_A der Verstrebung und des Winkels θ in Abhängigkeit der Länge l_M der Membran und den Ausdehnungskoeffizienten α_Mem , α_v, α_s gelten näherungsweise folgende Formeln:
Diese Formeln gelten für gerade Verstrebungen. Die Verstrebungen 1 müssen nicht unbedingt balkenförmig sein, sondern können auch andere Formen besitzen oder auch aus Kombinationen von mehreren Strukturen, z.B. zwei miteinander verbundene Balken bestehen. Die Dimensionierung muss dann allerdings im Allgemeinen durch mechanische Simulationen bestimmt werden.
In den 2 bzw. 4 ist eine Ausführung in Koplanartechnik dargestellt. Eine Ausführung besitzt beispielsweise folgende Abmessungen: Eine Überlappungsfläche von 6000 μm² (z.B. 60 μm × 100 μm); eine Höhe von 3 μm zwischen der Membran und der unteren Elektrode; eine Isolationsschichtdicke von 100 nm, eine Dielektrizitätszahl von 4, eine Membranlänge von 500 μm, eine Membrandicke von 1 μm. Die Verstrebungen besitzen dabei eine Höhe von 12 μm. Bei Verwendung von Gold für die Membran und die Verstrebungen (α_M = α_v = 14 ppm) und Verwendung von Silizium (α_s = 3 ppm) als Trägersubstrat ergibt sich bei einer Aufspreizung y_A = 100 μm ein Versatz x_A = 122,5 μm und somit ein Winkel Θ = 39,2°

Claims

Mikromechanischer Mikrowellenschalter, bei dem auf einem Substrat zweiseitig eingespannte, über dem Substrat schwebende Membran-Brücken durch Anlegen einer Spannung zum Umschalten zwischen Transmissionszustand und Reflexionszustand bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, – daß die Enden der Membran (2) mit den zusammenlaufenden Enden von je zwei symmetrischen, ebenfalls über dem Substrat (S) schwebenden Verstrebungen (1) verbunden sind, – daß die anderen Enden der Verstrebungen (1) mit jeweils einem auf dem Substrat (S) befestigten Pfosten (4) verbunden sind, – wobei die Längsausdehnungsrichtungen von Membranbrücke und Verstrebungen (1) unter einem Winkel Θ gegenläufig verlaufen – und daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Membran (2), Verstrebungen (1) und Substrat (S) sowie die Längen l von Membran (2) und Verstrebungen (1) und deren AnordnungswinkelΘ derart aufeinander abgestimmt sind, daß im Arbeitstemperaturbereich thermisch bedingte Längsausdehnungsdifferenzen zwischen Membranbrücke und Substrat durch die gegenläufige Ausdehnung der Verstrebungen kompensiert werden.
Mikromechanischer Mikrowellenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstrebungen (1) aus geradem, einstückigem Material bestehen.
Mikromechanischer Mikrowellenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstrebungen (1) aus zusammengesetzten Materialstücken bestehen.