DE102007013102A1

DE102007013102A1 - Micromechanical switch device with mechanical power amplification

Info

Publication number: DE102007013102A1
Application number: DE102007013102A
Authority: DE
Inventors: Jörg FRÖMEL; Sebastian Voigt; Steffen Dr. Kurth; Stefan Leidich; Andreas Dr. Bertz; Christian Dr. Kaufmann; Thomas Prof. Dr. Geßner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-09-18
Also published as: WO2008110389A1

Abstract

Es wird eine mikromechanische Schaltervorrichtung zum Schalten einer auf einem Substrat vorgesehenen unterbrochenen HF-Signalleitung mit einem Schalterteil und einem das Schalterteil verschließenden Deckel vorgeschlagen, wobei das Schalterteil mindestens einen ohmschen Schaltkontakt zum Überbrücken und Trennen der HF-Signalleitung und einen mindestens eine feststehende und eine bewegliche Elektrode aufweisenden elektrostatischen Antrieb zum Betätigen des Schaltkontakts umfasst. Zwischen elektrostatischem Antrieb und Schaltkontakt ist eine Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung geschaltet. Dabei kann die Vorrichtung zur Kraftverstärkung als Hebelanordnung und/oder als elastisches Element mit progressiver Wirkung ausgebildet sein.A micromechanical switch device is proposed for switching an interrupted RF signal line provided on a substrate with a switch part and a cover closing the switch part, wherein the switch part has at least one ohmic switch contact for bypassing and disconnecting the RF signal line and at least one stationary and one movable one Electrode having electrostatic drive for actuating the switch contact comprises. Between electrostatic drive and switching contact a device for mechanical power amplification is connected. In this case, the device for power amplification may be designed as a lever arrangement and / or as an elastic element with progressive action.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Schaltervorrichtung zum Schalten einer unterbrochenen HF-Signalleitung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The The invention relates to a micromechanical switch device for Switching an interrupted RF signal line according to the preamble of the main claim.

Mikromechanische Hochfrequenzschalter sind aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt, wobei für die Konstruktion derartiger HF-Schalter zwei prinzipiell unterschiedliche Technologien mit jeweils zwei verschiedenen Varianten der Aktuierung angewandt werden:

a. Oberflächentechnologien mit in senkrechter Richtung zur Bauelemente-Oberfläche aktuierten Strukturen, wie beispielsweise in de US 6 307 452 B1 beschrieben ist, oder mit in lateraler Richtung aktuierten Strukturen, wie in der US 2002/0153236 A1 offenbart ist.
b. Volumentechnologie mit in senkrechter Richtung zur Bauelemente-Oberfläche aktuierten Strukturen, wie beispielsweise in der US 2004/0113727 A beschrieben ist, oder mit lateraler Richtung aktuierten Strukturen, wie bei M. Tang, et al. "A single-pole double-throw (SPDT) circuit using lateral metal-contact micromachined switches", aus Sensors and Actuators A, Vol. 121, 2005, Seiten 187–196 beschrieben ist.

Micromechanical high-frequency switches are known from numerous publications, for the construction of such RF switches two fundamentally different technologies are used, each with two different variants of the actuation:

a. Surface technologies with structures that are actuated in a direction perpendicular to the component surface, such as in de US Pat. No. 6,307,452 B1 described or with laterally aktuierten structures, as in US 2002/0153236 A1 is disclosed.
b. Volume technology with aktuierten in the direction perpendicular to the component surface structures, such as in the US 2004/0113727 A is described, or with laterally actuated structures, as in Tang, et al. "A single-pole double-throw (SPDT) circuit using lateral metal-contact micromachined switches", from Sensors and Actuators A, Vol. 121, 2005, pages 187-196 is described.

Eine weitere prinzipielle Unterscheidung wird zwischen ohmsch und kapazitiv arbeitenden HF-Schaltern getroffen, wobei ohmsche Schaltkontakte meist durch den mechanischen Kontakt mindestens zweier gut leitender Körper und die kapazitive Schaltfunktion durch die Überdeckung von leitenden Flächen mit dazwischen befindlichen Isolationsschichten entstehen, welche bei hohen Signalfrequenzen eine nur sehr kleine Recktanz ausbilden. Kapazitiv arbeitende HF-Schalter haben somit eine untere Grenzfrequenz, bei der die Recktanz zu groß wird, um Hochfrequenzsignale verlust- und reflexionsarm zu übertragen. Dieser Nachteil tritt bei ohmsch arbeitenden HF-Schaltern nicht auf.A Another fundamental distinction becomes between ohmic and capacitive working RF switches, with ohmic switching contacts usually by the mechanical contact of at least two good conductive Body and the capacitive switching function by the overlap of conductive surfaces with intervening insulating layers arise, which at high signal frequencies only a very small reactance form. Capacitive RF switches thus have a lower Cutoff frequency at which the reactance becomes too high to high frequency signals loss and low reflection transfer. This disadvantage does not occur with ohmic HF switches.

Die Zuverlässigkeit eines ohmschen Schaltkontakts hängt von der Kraft ab, mit der die Kontaktflächen gegeneinander gepresst bzw. wieder voneinander getrennt werden.The Reliability of an ohmic switch contact depends from the force with which the contact surfaces against each other pressed or separated again.

Die für die Bewegung der mechanischen Komponenten benötigte Kraft und die Kontaktkraft werden elektrisch erzeugt. Übliche Techniken verwenden dazu entweder die elektromagnetische Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern bzw. zwischen Leitern und Permanentmag neten oder die elektrostatische Kraft, die allgemein auf elektrisch polarisierte Körper wirkt. Da elektromagnetische Antriebskonzepte entweder Dauerstrom benötigen und damit hohe Verlustleistungen erzeugen oder mikrotechnologisch nur bedingt realisierbare Permanentmagnete benötigen, um in den Endzuständen stabil zu sein, sind elektrostatische Antriebe vorzuziehen.The needed for the movement of the mechanical components Force and contact force are generated electrically. usual Techniques use either the electromagnetic force between current-carrying conductors or between conductors and Permanentmag Neten or the electrostatic force, which is generally based on electrically polarized Body works. Because electromagnetic drive concepts either Require continuous current and thus generate high power losses or microtechnologically only partially realizable permanent magnets need to be stable in the final states, Electrostatic actuators are preferable.

Die elektrostatische Kraft, die durch ein Antriebselektrodenpaar verursacht wird, ist nach Gleichung (1) direkt proportional zur Ableitung der Kapazität nach der Elektrodenauslenkung, welche bei den bislang bekannten technischen Lösungen der Bewegung der Schaltkontakte entspricht.The electrostatic force caused by a drive electrode pair is, according to equation (1) directly proportional to the derivative of Capacity after the electrode deflection, which in the hitherto known technical solutions of the movement of Switch contacts corresponds.

Dabei ist F_el die elektrostatische Kraft, die so gerichtet ist, dass sich die Kapazität C vergrößert, und U die Aktuierungsspannung.Where F _{el is} the electrostatic force directed to increase the capacitance C, and U is the actuation voltage.

Bei Annahme gleicher Betriebsparameter und somit gleicher Aktuierungsspannung reduziert sich die Abhängigkeit auf die Ableitung der Kapazität nach der Auslenkung, welche für den Fall eines Plattenkondensators bei Variation des Elektrodenabstandes durch

und bei Variation der Überdeckung der Elektrodenflächen durch

gegeben ist, wobei ε₀ die Permittivität des Vakuums ist, ε_r die relative Permittivität des Dielektrikums (in der Regel Luft, Schutzgas oder Vakuum) ist, x₀ der Elektrodengrundabstand ohne Anlegen einer Aktuierungsspannung U und A die Elektrodengrundfläche sind, th die Elektrodentiefe und x der Bewegungsweg der Elektrode in Richtung der elektrostatischen Kraft sind. Da die Veränderung des Dielektrikums praktisch nicht möglich ist bzw. alle in Frage kommenden Medien ähnliche relative Permittivitäten aufweisen, kann die elektrostatische Kraft nur durch Variation des Elektrodengrundabstands x₀ oder der Elektrodengrundfläche A variiert werden.Assuming the same operating parameters and thus the same Aktuierungsspannung reduces the dependence on the derivative of the capacitance after the deflection, which in the case of a plate capacitor with variation of the electrode spacing by

and upon variation of the coverage of the electrode surfaces

where ε _{0 is} the permittivity of the vacuum, ε _{r is} the relative permittivity of the dielectric (usually air, inert gas or vacuum), x _{0 is} the electrode base distance without application of an actuation voltage U and A are the electrode base area, th the electrode depth and x the path of movement of the electrode in the direction of the electrostatic force. Since the change in the dielectric is practically impossible or all the media in question have similar relative permittivities, the electrostatic force can only be varied by varying the electrode base distance x ₀ or the electrode base area A.

Zur Maximierung der Kraft F_el muss daher entweder der Elektrodengrundabstand x₀ verkleinert werden oder die Elektrodengrundfläche A vergrößert werden. Der minimal einzustellende Elektrodengrundabstand x₀ ist von der Fertigungstechnologie abhängig und liegt in der Regel zwischen 1 und 10 μm. Eine beliebige Verkleinerung des Elektrodengrundabstandes x₀ ist nicht zulässig, da neben zahlreichen technologischen Problemen auch die Trennung des Hochfrequenzsignals im geöffneten Zustand des Schalters gewährleistet sein muss und somit ein bestimmter Kontaktabstand gefordert ist. Kapazitives Übersprechen wird nur so hinreichend gering.To maximize the force F _el , therefore, either the electrode base distance x ₀ must be reduced or the electrode base area A must be increased. The minimum electrode distance x _{0 to be set} depends on the production technology and is generally between 1 and 10 μm. Any reduction of the electrode base distance x ₀ is not permitted, since in addition to numerous technological problems, the separation of the high-frequency signal in the open state of the switch must be ensured and thus a certain contact distance is required. Capacitive crosstalk is only so sufficiently low.

Wesentlicher Parameter zur Erhöhung der Kontaktkraft ist damit die Elektrodengrundfläche A, welche abhängig von der eingesetzten Technologie einer Begrenzung der Vergrößerung unterliegt.essential Parameter for increasing the contact force is thus the electrode base area A, which depends on the technology used Limitation of the magnification is subject.

Das in der US 6 307 452 B1 beschriebene Bauelement mit vertikaler Aktuierung ist, wie erwähnt, mittels Oberflächentechnologie hergestellt. Schaltkontakt und bewegliche Aktorelektrode sind in dieser Art HF-Schalter die eigentliche und einzige bewegte Baugruppe. Eine elektrische Trennung zwischen Schaltkontakt und Aktorelektrode ist technologisch schwierig erreichbar bzw. wegen der Nutzung der Aktorelektrode als HF-Strompfad nicht möglich. Da die Elektrodengrundfläche A in diesem Fall direkt mit dem HF-Strompfad in Verbindung steht, beeinträchtigt die Vergrößerung der Elektrodengrundfläche A direkt die Hochfrequenzeigenschaften des HF-Schalters. Eine deutliche Vergrößerung der Elektrodengrundfläche ist damit nicht möglicht bzw. mit Einbußen bezüglich der Qualität der Hochfrequenzeigenschaften verbunden. Ein weiterer Nachteil, welcher spezielle bei in Oberflächentechnologie gefertigten, vertikal aktuierten HF-Schaltern zum Tragen kommt, sind Einschränkungen bezüglich der Kontaktmaterialabscheidung. Die sequentielle Abscheidung der Schichten resultiert in Beschränkungen bezüglich der Materialpaarung von Kontaktmaterial und Opferschicht, hinsichtlich technologischer Kompatibilität wie Temperaturbelastbarkeit und Haftfestigkeit.That in the US Pat. No. 6,307,452 B1 described vertical actuation device is, as mentioned, produced by surface technology. Switching contact and movable actuator electrode are in this type of RF switch, the actual and only moving assembly. An electrical separation between the switching contact and the actuator electrode is technologically difficult to achieve or not possible because of the use of the actuator electrode as an RF current path. Since the electrode base area A is directly connected to the RF current path in this case, the increase in the electrode area A directly affects the high-frequency characteristics of the RF switch. A significant increase in the electrode base area is therefore not possible or associated with losses with regard to the quality of the high-frequency properties. Another drawback that particular surface-technology fabricated, vertically actuated RF switches have to bear on are contact material deposition constraints. The sequential deposition of the layers results in restrictions on the material combination of contact material and sacrificial layer, with regard to technological compatibility such as temperature resistance and adhesive strength.

In der Veröffentlichung von T. Seki et al. "Development of a large-force low-loss metal-contact RF MEMS switch", Sensors and Actuators A, Vol. 132, 2006, Seiten 683–688 ist ein HF-Schalter mit vertikaler Aktuierung beschrieben, der mittels Volumenmikrotechnologie gefertigt ist. Dabei ist eine Trennung der hochfrequenzführenden Leiter von der Elektrodenfläche realisiert. Die Elektrodengrundfläche A kann somit unabhängig von dem Verhalten bei Hochfrequenz ausge legt werden. Ein Nachteil dieser Technologie ist, wie beispielsweise auch in der erwähnten Druckschrift US 2004/0113727 A1 gezeigt ist, dass die rückstellende Kraft in der Regel nur durch Federkräfte erzeugt werden kann. Das aktive Rückstellen des Schaltkontaktes mittels elektrostatischer Kraft erfordert in diesem Fall eine zusätzliche Waferebene und damit zusätzliche Kosten. Unabhängig von der eingesetzten Technologie unterliegt die Aktuierung in vertikaler Richtung allgemein der Einschränkung, dass die Elektrodenfläche nicht größer als die Bauelementegrundfläche sein kann.In the publication of T. Seki et al. "Development of a large-force low-loss metal-contact RF MEMS switch", Sensors and Actuators A, Vol. 132, 2006, pages 683-688 is described a vertical-actuated RF switch fabricated by volume microtechnology. In this case, a separation of the high-frequency-carrying conductor is realized by the electrode surface. The electrode base area A can thus be laid out independently of the behavior at high frequency. A disadvantage of this technology is, as for example in the cited document US 2004/0113727 A1 is shown that the restoring force can be generated only by spring forces usually. The active resetting of the switching contact by means of electrostatic force in this case requires an additional wafer level and thus additional costs. Regardless of the technology used, vertical actuation is generally limited in that the electrode area can not be larger than the device footprint.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikromechanische Schaltervorrichtung zum Schalten einer HF-Signalleitung zu schaffen, die eine hohe Kontaktkraft für den Schaltkontakt zum Überbrücken der HF-Signalleitung zur Verfügung stellt und die klein und kostengünstig herzustellen ist und gute Hochfrequenzeigenschaften und hohe Zuverlässigkeit aufweist.Of the Invention is based on the object, a micromechanical switch device to provide for switching an RF signal line having a high contact force for the switching contact for bridging the RF signal line provides and the small and inexpensive to manufacture and good high frequency characteristics and has high reliability.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.These The object is achieved by the characterizing Features of the main claim in conjunction with the features of Topic solved.

Dadurch, dass zwischen elektrostatischem Antrieb und Schaltkontakt eine Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung geschaltet ist, wird eine im Verhältnis zur Chipfläche und zur Aktuatorspannung bzw. Antriebsspannung höhere Kontaktkraft beim Schließen des Schaltkontakts ermöglicht. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Schaltens erhöht werden bzw. die zur Erzeugung der Kontaktkraft notwendige Elektrodenfläche verkleinert, wodurch die Aktuatorspannungen verringert werden, die Bauelementegröße sinkt und die Betriebsspannung kompatibel zu der von Geräten der Telekommunikationstechnik gemacht werden kann.Thereby, that between electrostatic drive and switching contact a device is switched to mechanical power amplification is one in relation to the chip area and to the actuator voltage or drive voltage higher contact force when closing of the switching contact allows. This can be the reliability of the switching to be increased or to generate the Contact force required electrode area reduced, causing the actuator voltages are reduced, the device size decreases and the operating voltage compatible with that of devices Telecommunications technology can be made.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.By the measures specified in the dependent claims Advantageous developments and improvements are possible.

Besonders vorteilhaft ist, dass die Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung eine Hebelanordnung mit einem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis aufweist, die über Federgelenke aufgehängt ist, da mit einer solchen Hebelanordnung die Kraft des elektrostatischen Antriebs verstärkt wird, wobei der Bewegungsweg des elektrostatischen Antriebs bezüglich des Stellwegs des Schaltkontakts vergrößert wird.It is particularly advantageous that the device for mechanical force amplification has a lever arrangement with a predetermined transmission ratio, which is suspended by spring joints, since with such a lever arrangement, the force of the electrostatic drive is amplified, wherein the movement away from the electrostatic drive with respect to the travel of the switching contact is increased.

Zusätzlich oder anstelle der Hebelanordnung ist vorteilhafterweise ein elastisches Element mit progressiver Wirkung oder eine Kupplung in den Kraftfluss des Antriebs zum Schaltkontakt geschaltet, wodurch insbesondere auch das öffnen des Schaltkontakts verbessert werden kann. Aufgrund der zunehmenden Dehnung des elastischen Elements mit progressiver Wirkung wird die auf den Schaltkontakt übertragene Kraft überproportional größer und durch die kinetische Energie der vergleichsweise schnelleren Bewegung des elektrostatischen Antriebs verstärkt. In vorteilhafter Weise wird bei dem mit einer Kupplung versehenen elektrostatischen Antrieb durch seine kinetische Energie die Kraft zum öffnen des Schaltelements und damit des Schalters erzeugt.additionally or instead of the lever arrangement is advantageously an elastic Element with progressive action or a coupling in the power flow the drive is switched to the switching contact, which in particular Also, the opening of the switch contact can be improved. Due to the increasing elongation of the elastic element with progressive Effect is transferred to the switching contact force disproportionately bigger and by the kinetic energy of the comparatively amplified faster movement of the electrostatic drive. Advantageously, in the provided with a clutch electrostatic drive by its kinetic energy the force to open the switching element and thus the switch generates.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines elastischen Elementes mit progressiver Wirkung besteht darin, dass durch geeignete Dimensionierung des Federelements mit progressiver Wirkung bei Einsatz eines elektrostatischen Antriebs und der Variation des E lektrodenabstands der relativ geringen erzeugten elektrostatischen Kraft am Anfang des Bewegungsweges eine ebenfalls relativ geringe Kraft des Federelements entgegen wirken kann, , d. h. der elektrostatische Antrieb mit Variation des Elektrodenabstandes erzeugt eine bezüglich des Stellwegs progressiv zunehmende Kraft, die bei der Verwendung eines progressiven Federgelenks oder eines Federelements mit progressiver Wirkung besser hinsichtlich maximalem Stellweg und Endkraft ausgenutzt werden kann als bei Kombination mit einem linearen Federelement.One Another advantage of using an elastic element with progressive effect is that by appropriate sizing of the spring element with progressive action when using an electrostatic Drive and the variation of the E lektrodenabstands the relatively small generated electrostatic force at the beginning of the movement path a also counteract relatively low force of the spring element can, d. H. the electrostatic drive with variation of the electrode spacing produces a progressively increasing relative to the travel Force when using a progressive spring joint or a spring element with progressive effect better in terms maximum travel and end force can be exploited as in combination with a linear spring element.

Grundsätzlich ist die Variation des Elektrodenabstandes bei progressiver Feder sinnvoll, während die Variation der Elektrodenüberdeckung für Hebel mit hoher Übersetzung und bei einer Schwungmasse mit Kupplung zu wählen ist.in principle is the variation of the electrode gap with progressive spring useful while the variation of electrode coverage for levers with high translation and at one Flywheel with clutch to choose is.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der elektrostatische Antrieb als Kammantrieb mit einer Mehrzahl von kammartig ausgebildeten feststehenden Elektroden und einer Mehrzahl von kammartig ausgebildeten beweglichen Elektroden, die ineinander greifen, vorgesehen. Mit Hilfe einer solchen Anordnung ist es möglich, eine sehr flächensparende Geometrie der Antriebskämme zu wählen.In a particularly preferred embodiment is the electrostatic drive as a comb drive with a plurality of comb-shaped fixed electrodes and a plurality of comb-shaped movable electrodes, which are intertwined grab, provided. With the help of such an arrangement, it is possible a very space-saving geometry of the drive combs to choose.

Vorteilhaft ist, dass das Schalterteil mittels der oberflächennahen Volumenmikrotechnologie hergestellt ist und der Antrieb eine laterale Aktuierung aufweist. Die Strukturierung von einkristallinem Silizium mittels anisotropen Trockenätzverfahren erlaubt eine weitgehende freie Gestaltung des Antriebs und der hochfrequenzführenden Baugruppen mit hohem Aspektverhältnis. Durch den Einsatz von Kammstrukturen kann die Elektrodengrundfläche bei gleicher Bauele mentegrundfläche stark vergrößert werden und die Realisierung von kleinen Kammabständen und die Implementierung von Kraftübersetzung sind somit möglich, wobei zusätzlich durch die Verwendung von einkristallinem Silizium als Funktionsschicht keine Materialspannungen auftreten.Advantageous is that the switch part by means of the near-surface Volume microtechnology is produced and the drive a lateral Actuation has. The structuring of monocrystalline silicon by means of anisotropic dry etching allows a substantial free design of the drive and the high-frequency-carrying Assemblies with a high aspect ratio. Because of the engagement of comb structures, the electrode base area at the same Compound floor area greatly increased and the realization of small ridges and the implementation of power transmission is thus possible additionally by the use of monocrystalline Silicon as a functional layer no material stresses occur.

In vorteilhafter Weise sind der elektrostatische Antrieb, die Hebelanordnung, die Federgelenke und gegebenenfalls das elastische Element mit progressiver Wirkung sowie die Kupplung aus einem hochohmigen Siliziumsubstrat strukturiert, wobei zwischen Antrieb und Schaltkontakt zur galvanischen Trennung der HF-Signalleitung ein Isolierbereich vorgesehen ist. In diesem Bereich bewirkt das hochohmige Silizium eine hinreichend gute Isolation zwischen der HF-Sigalleitung und dem elektrischen Antrieb. Dadurch kann der hochfrequenzführende Schaltkontakt von dem die Elektrodengrundfläche tragenden Antrieb elektrisch isoliert werden und es werden gute Hochfrequenzeigenschaften gewährleistet. Grundsätzlich ist durch die Verwendung von hochohmigem Silizium eine weitgehende elektrische Isolierung zwischen dem Antrieb und dem HF-Strompfad gegeben. Dadurch, dass der Widerstand der elektrischen Verbindung zwischen den Kontakten und dem Hebelmechanismus bzw. dem Aktor oder Antrieb im Vergleich zur Impedanz der zu schaltenden HF-Leitung, die in der Regel zwischen 30 Ohm und 300 Ohm liegt, relativ sehr groß ist, sind die Verluste an HF-Leistung geringer als bei einer Vielzahl bisheriger Schaltungsanordnungen. Bei diesen bisherigen Schalteranordnungen ist deshalb oft eine externe Entkopplung des HF-Strompfades von der Aktuierungsspannung erforderlich, die zusätzliche Bauteile und oft eine Frequenzabhängigkeit der Entkopplung verursacht. Derartige Nachteile werden mit der Erfindung vermie den.In Advantageously, the electrostatic drive, the lever arrangement, the spring joints and possibly the elastic element with progressive Effect and the coupling of a high-resistance silicon substrate structured, wherein between drive and switching contact for galvanic Separation of the RF signal line an insulating region is provided. In this area, the high-resistance silicon causes a sufficient good isolation between the RF signal line and the electrical Drive. As a result, the high-frequency-conducting switching contact from the drive carrying the electrode base electrically be isolated and good high-frequency characteristics are ensured. Basically, by the use of high-impedance Silicon a substantial electrical insulation between the drive and the RF current path. Because of the resistance of the electric Connection between the contacts and the lever mechanism or the actuator or drive compared to the impedance of the switching RF line, which is usually between 30 ohms and 300 ohms, relatively large, are the losses of RF power less than in a variety of previous circuitry. In these previous switch arrangements is therefore often an external Decoupling of the HF current path from the actuation voltage required, the additional components and often a frequency dependency caused the decoupling. Such disadvantages are with the invention avoid that.

Der Schaltkontakt kann starr oder vorzugsweise flexibel sein, da bei letzterem aufgrund seiner seitlichen Reibbewegung in Verbindung mit einer hohen Kontaktkraft die Zuverlässigkeit des Schalters erhöht wird.Of the Switching contact can be rigid or preferably flexible, since at the latter due to its lateral rubbing in conjunction with a high contact force the reliability of the switch is increased.

In vorteilhafter Weise sind der Antrieb, die Vorrichtung zur mechanischen Kraftverstärkung mit Schaltkontakt und die HF-Signalleitung innerhalb eines Bondrahmens des Schalterteils strukturiert, der mit einem Deckel dicht verbunden ist, wobei der Deckel Durchbrüche für den Zugang zu elektrischen Anschlussflächen in abgedichteter Weise aufweist. Durch die verwendete Kombination oberflächennaher Mikromechanik mit Verkapselungsmethoden, die eine gleichzeitige Verkapselung aller Elemente auf dem Substrat unter Einschluss beliebiger Gasarten und Drücke, insbesondere inerter oder reduzierender Gase gestattet und integrierte elektrische Durchführungen enthalten, wird eine kleine Bauform und Baugröße bei gleichzeitiger hoher Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit ermöglicht. Durch die Möglichkeit des hermetischen Verschießens auf Waferlevel kann der HF-Schalter mit herkömmlichen Technologien zur Bestückung von Leiterplatten verarbeitet werden und durch das Einschließen eines Vakuums können die Schaltzeiten verkleinert werden.Advantageously, the drive, the mechanical force amplification device with switching contact and the RF signal line are structured within a bonding frame of the switch part, which is tightly connected to a cover, wherein the cover apertures for access to electrical pads in a sealed manner. The combination of near-surface micromechanics and encapsulation techniques, which allow simultaneous encapsulation of all elements on the substrate, including any gas species and pressures, particularly inert or reducing gases, and integrated electrical feedthroughs, allows for a small package size, while providing high reliability and performance , The ability to hermetically fire at wafer level allows the RF switch to be processed with conventional PCB technology, and by including a vacuum, switching times can be reduced.

Wie ausgeführt, ist die Herstellungstechnologie für dieses Schalterkonzept eine oberflächennahe Volumentechnologie wie Air Gap Insulated Microstructure (AIM)-Technologie oder Single Crystal Reactive Ion Etching and Metallization (SCREAM)-Technologie unter Verwendung von hochresistivem Silizium als Wafermaterial. Für einen elektrostatischen Antrieb ermöglichen diese Technologien die Herstellung einer Elektrodenfläche, welche größer sein kann als die dafür verwendete Chipfläche. Weiterhin ermöglichen diese Technologien die galvanische Trennung der Hochfrequenzsignalleitung und des elektrostatischen Antriebs.As executed, is the manufacturing technology for This switch concept is a near-surface volume technology such as Air Gap Insulated Microstructure (AIM) technology or Single Crystal Reactive Ion Etching and Metallization (SCREAM) Technology using highly resistive silicon as the wafer material. For an electrostatic drive enable this Technologies the production of an electrode surface, which can be larger than the one used for it Chip area. Furthermore, these technologies enable the galvanic isolation of the high-frequency signal line and the electrostatic Drive.

Insgesamt wird erfindungsgemäß ein mikromechanischer HF-Schalter zur Verfügung gestellt, der bei gleichen Betriebsparametern und gleicher Chipgrundfläche wie bei HF-Schaltern nach dem Stand der Technik eine höhere Kontaktkraft erzeugt bzw. der für das Erzeugen einer hinsichtlich der erforderlichen Zuverlässigkeit entsprechenden Kontaktkraft eine niedrigere Aktuierungsspannung und/oder eine kleinere Chipgrundfläche benötigt. Zur Gewährleistung guter Hochfrequenzeigenschaften ist der Schaltkontakt vom Aktuator elektrisch isoliert und die Zuverlässigkeit des Schalters bei großer Anzahl von Schaltspielen, z. B. 10⁹ hinsichtlich geringer Kontaktwiderstände in eingeschaltetem Zustand und hoher HF-Dämpfung im ausgeschalteten Zustand ist gegeben.Overall, a micromechanical RF switch is provided according to the invention, which generates a higher contact force at the same operating parameters and the same chip area as in RF switches according to the prior art or for generating a corresponding with the required reliability contact force a lower Aktuierungsspannung and / or a smaller chip footprint needed. To ensure good high frequency characteristics of the switch contact is electrically isolated from the actuator and the reliability of the switch with a large number of switching cycles, z. B. 10 ^{9 in} terms of low contact resistance in the on state and high RF attenuation in the off state is given.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenThe The invention is illustrated in the drawing and will become apparent in the following Description explained in more detail. Show it

1 eine schematische Darstellung der mikromechanischen Schaltervorrichtung nach der Erfindung mit einseitig wirkendem Antrieb; 1 a schematic representation of the micromechanical switch device according to the invention with single-acting drive;

2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung mit zweiseitig wirkendem Antrieb; 2 a schematic representation of the switch device according to the invention with double-acting drive;

3 eine schematische Darstellung einer er findungsgemäßen Schaltervorrichtung mit zweiseitig wirkendem Antrieb und elastischen Elementen mit progressiver Wirkung; 3 a schematic representation of he inventive switch device with double-acting drive and elastic elements with progressive action;

4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung mit einem Antrieb zum Schließen und einen Antrieb zum Öffnen, wobei eine Kupplung zwischen diesen Antrieben vorgesehen ist; 4 a schematic representation of the switch device according to the invention with a drive for closing and a drive for opening, wherein a coupling between these drives is provided;

5 eine Draufsicht auf ein Schalterteil der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung entsprechend dem Wirkprinzip nach 1; 5 a plan view of a switch part of the switch device according to the invention according to the operating principle 1 ;

6 eine Draufsicht auf ein Schalterteil der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung nach dem Wirkprinzip entsprechend 2; 6 a plan view of a switch part of the switch device according to the invention according to the principle of action accordingly 2 ;

7 eine Draufsicht auf ein Schalterteil der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung mit einer Kupplung entsprechend dem Wirkprinzip nach 4; 7 a plan view of a switch part of the switch device according to the invention with a coupling according to the principle of action 4 ;

8 ein mit einem Deckel abgeschlossenes Schalterteil im Schnitt, in etwa entsprechend der strichpunktierten Schnittlinie in 7; und 8th a closed with a cover switch part in section, approximately corresponding to the dash-dotted line in 7 ; and

9 einen Schnitt durch eine Schaltervorrichtung, die der nach 8 entspricht, aber mittels der AIM-Technologie hergestellt ist. 9 a section through a switch device, the after 8th but is manufactured using AIM technology.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Wirkmechanismus der erfindungsgemäßen mikromechanischen Schaltervorrichtung dargestellt, wie sie entsprechend der Darstellung nach 5 in der Volumentechnologie mit in lateraler Richtung aktuierten Strukturen realisiert ist. Der Wirkmechanismus entsprechend 1 ist mit einer Hebelanordnung 1 versehen, die über mehrere Federgelenke 2 bewegbar ist, wobei in der Darstellung nach 1 ein Federgelenk 2 einen Anker 3 aufweist, der mit der vorhandenen Struktur, im vorliegenden Fall mit einem Substrat, fest verbunden ist. Eine unterbrochene HF-Signalleitung 4 ist schematisch angedeutet, wobei ein Schaltkontakt 5, der starr oder flexibel sein kann, die unterbrochene Leitung 4 überbrücken kann. Der Schaltkontakt 5 ist mit einem Ende der Hebelanordnung 1 verbunden. Das andere Ende der Hebelanordnung ist über das Federgelenk 2 mit einem elektrostatischen Antrieb 6 verbunden, der unidirektional wirkt. Wenn der elektrostatische Antrieb 6 aktiviert wird, wird auf die Hebelanordnung 1 über das Federgelenk 2 eine Kraft aufgebracht, die sich entsprechend dem Übersetzungsverhältnis der Hebelanordnung 1 auf den Schaltkontakt 5 überträgt, wodurch der Schaltkontakt bewegt und gegen die HF-Leitung gedrückt wird und der Schalter geschlossen wird. Wird der Antrieb deaktiviert, wird der Schaltkontakt 5 durch die rücktreibende Kraft der Federgelenke 2 geöffnet und verharrt im deaktivierten Zustand des Antriebs in der Offenstellung. Der elektrostatische Antrieb 6 wird, wie weiter unten beschrieben wird, durch eine Aktuierungsspannung U aktiviert.In 1 an embodiment of the mechanism of action of the micromechanical switch device according to the invention is shown, as shown in FIG 5 in volume technology with structures actuated in the lateral direction. The mechanism of action accordingly 1 is with a lever arrangement 1 provided that over several spring joints 2 is movable, wherein in the illustration after 1 a spring joint 2 an anchor 3 having, with the existing structure, in the present the case with a substrate, is firmly connected. An interrupted RF signal line 4 is indicated schematically, wherein a switching contact 5 that can be rigid or flexible, the broken line 4 can bridge. The switching contact 5 is with one end of the lever assembly 1 connected. The other end of the lever assembly is over the spring joint 2 with an electrostatic drive 6 connected, which acts unidirectionally. When the electrostatic drive 6 is activated, is on the lever assembly 1 over the spring joint 2 applied a force corresponding to the transmission ratio of the lever assembly 1 on the switching contact 5 transmits, whereby the switching contact is moved and pressed against the RF line and the switch is closed. If the drive is deactivated, the switching contact becomes 5 by the restoring force of the spring joints 2 opened and remains in the deactivated state of the drive in the open position. The electrostatic drive 6 is activated by an actuation voltage U, as will be described below.

Für ein zuverlässiges Schließen und öffnen des Schalters und für einen geringen Kontaktwiderstand ist jeweils eine bestimmte Kraft erforderlich. Die Kraft beim Öffnen des Schaltkontakts wird ohne Kraft des elektrostatischen Antriebs 6 durch die rücktreibende Kraft der Federgelenke aufgebracht und wird durch

auf der Kontaktseite der Hebelanordnung 1 bzw.

auf der Seite des elektrostatischen Antriebs beschrieben. Dabei sind a das Übersetzungsverhältnis der Hebelanordnung 1 bezüglich der Kraft und k die Steifigkeit der Federgelenke auf der Kontaktseite der Hebelanordnung 1 und x_max der maximal vom Schaltkontakt 5 zurückgelegte Weg. Da die benötigte Kraft zum Öffnen hauptsächlich von der Gestaltung des Schaltkontakts 5, dem Kontaktmaterial und den Betriebsbedingungen, wie HF-Leistung, Feuchtigkeit usw. abhängt, kann von einer bestimmten Kraft zum Öffnen des Kontakts ausgegangen werden, die ursächlich ausschließlich von den Federgelenken 2, der Einfachheit halber wird nur von einem Federgelenk im Folgenden gesprochen, aufgebracht wird. Damit ist der Bewegungsweg des elektrostatischen Antriebs 6 ax_max. Die vom elektrostatischen Antrieb 6 für den geschlossenen Schalterzustand aufzubringende Kraft auf der Kontaktseite der Hebelanordnung 1 ergibt sich aus der Summe der rücktreibenden Kraft und der zum zuverlässigen Schließen benötigten Kontaktkraft F_k, die ebenso wie die Kraft zum Öffnen des Schaltens von der Gestaltung des Schaltkontakts 5, dem Kontaktmaterial und den oben genannten Betriebsbedingungen abhängt und durch

beschrieben wird. Die Kraft auf der Seite des elektrostatischen Antriebs 6 ist dann

For a reliable closing and opening of the switch and for a low contact resistance in each case a certain force is required. The force when opening the switch contact is without the power of the electrostatic drive 6 Applied by the restoring force of the spring joints and is through

on the contact side of the lever assembly 1 respectively.

described on the page of the electrostatic drive. In this case, a is the transmission ratio of the lever arrangement 1 with respect to the force and k the stiffness of the spring joints on the contact side of the lever assembly 1 and x _max the maximum of the switching contact 5 traveled way. Because the force needed to open mainly depends on the design of the switch contact 5 , depends on the contact material and the operating conditions, such as RF power, humidity, etc., can be assumed by a certain force to open the contact, the causally only from the spring joints 2 , the sake of simplicity, only a spring joint spoken below, is applied. This is the path of movement of the electrostatic drive 6 ax _max . The electrostatic drive 6 for the closed switch state applied force on the contact side of the lever assembly 1 results from the sum of the restoring force and the contact force F _k required for reliable closing, as well as the force for opening the switching of the design of the switching contact 5 , the contact material and the above operating conditions and depends

is described. The force on the side of the electrostatic drive 6 is then

Die vom elektrostatischen Antrieb 6 aufzubringende Kraft wird vom Übersetzungsverhältnis a geteilt und verringert. Unter der beispielhaften Annahme, dass die Beträge der Kontaktkraft zum Schließen und zum Öffnen des Schalters gleich sind, wird die vom elektrostatischen Antrieb 6 aufzubringende Kraft um den Faktor a vermindert. Die Kraft des elektrostatischen Antriebs 6 wird durch die Hebelanordnung 1 verstärkt, wobei der Bewegungsweg des elektrostatischen Antriebs 6 bezüglich des Stellweges des Schaltkontakts 5 vergrößert wird. Elektrostatische Kammantriebe mit Variation der Elektrodenüberdeckung eignen sich bei diesem Lösungsweg besonders, weil deren Kraft nicht von dem Bewegungsweg x abhängt. Bei langem Weg auf der Antriebsseite des Hebels und verhältnismäßig kleiner Kraft ist der Antrieb mit Variation der Elektrodenüberdeckung günstig einsetzbar. Bei Mechanismen, die am Bewegungsanfang eine geringe Kraft benötigen, die mit zunehmendem Bewegungsforschritt größer wird, ist die Variation des Elektrodenabstandes nützlich (progressive Feder).The electrostatic drive 6 applied force is divided by the transmission ratio a and reduced. Under the exemplary assumption that the amounts of contact force for closing and opening the switch are the same, that of the electrostatic drive 6 applied force reduced by the factor a. The power of the electrostatic drive 6 is through the lever assembly 1 amplified, with the path of movement of the electrostatic drive 6 with respect to the travel of the switch contact 5 is enlarged. Electrostatic comb drive with variation of the electrode coverage are particularly suitable in this approach, because their force does not depend on the movement path x. With a long way on the drive side of the lever and a relatively small force of the drive with variation of the electrode coverage is low applicable. For mechanisms that require a small force at the beginning of the movement, which increases with increasing motion, the variation of the electrode spacing is useful (progressive spring).

In 5 ist ein Schalterteil 14 entsprechend dem Wirkprinzip nach 1 in Draufsicht dargestellt, wobei die wesentlichen Teile, wie Antrieb, Hebelanordnung, Federgelenke aus einem hochohmigen Silizium strukturiert sind und die metallischen leitenden Flächen sowie der Schaltkontakt abgeschieden sind. Das Schalterteil 14 bzw. der Chip weist einen umlaufenden Bondrahmen 12 auf, innerhalb dessen die genannten Bauelemente angeordnet sind. Das Schalterteil 14 wird, wie weiter unten beschrieben wird, mit einem Deckel verbunden, durch den die für die elektrische Verbindung der Hochfrequenzleitung und des Antriebs nach außen notwendigen Kontakte bzw. elektrische Anschlussflächen 11 zugänglich sind.In 5 is a switch part 14 according to the principle of action 1 shown in plan view, wherein the essential parts, such as drive, lever assembly, spring joints are structured from a high-resistance silicon and the metallic conductive surfaces and the switching contact are deposited. The switch part 14 or the chip has a circumferential bonding frame 12 on, within which said components are arranged. The switch part 14 is, as will be described below, connected to a cover through which necessary for the electrical connection of the high-frequency line and the drive to the outside contacts or electrical connection surfaces 11 are accessible.

Die HF-Leitung 4, die durch Metallabscheidung hergestellt wird, ist mit 4 bezeichnet und die dazu gehörige Masseleitung mit 13. HF-Leitung 4 und Masseleitung 13 sind mit Anschlussflächen 11 versehen, wobei diese Flächen ebenfalls vom Bondrahmen umgeben sind, was durch gleiche Schraffur angedeutet ist. Der Bondrahmen 12 selbst ist mit einer elektrisch leitenden Metallisierung beschichtet, die, wie weiter unten erläutert wird, bei der Verbindung mit dem Deckel als Haftvermittlerschicht dient.The RF line 4 made by metal deposition is with 4 designated and the associated ground line with 13 , RF line 4 and ground line 13 are with connection surfaces 11 provided, these surfaces are also surrounded by the bonding frame, which is indicated by the same hatching. The bond frame 12 itself is coated with an electrically conductive metallization, which, as will be explained below, is used in the connection with the lid as a primer layer.

Mit 6 ist ein Kammantrieb bezeichnet, der im Ausführungsbeispiel zwei Antriebsteile aufweist und der nach dem Prinzip der Variation der Elektrodenüberdeckung ausgeführt ist. Dabei ist eine Vielzahl von mit dem Substrat 27 fest verbundenen Elektroden 28 und eine Vielzahl von ebenfalls kammartig angeordneten beweglichen Elektroden 29 vorgesehen, wobei feststehende und bewegliche Elektroden 28 und 29 jeweils ineinander greifen. Die beweglichen Elektroden 29 sind mit der Hebelanordnung 1 verbunden, wobei die Hebelanordnung in diesem Ausführungsbeispiel zwei in Draufsicht im Ruhezustand parallel angeordnete Balkenteile 30 aufweist, die jeweils, wie in der Figur zu sehen ist, mit zwei Reihen von beweglichen Elektroden 29 verbunden sind. An dem Ende der Balkenteile 30 ist der Schaltkontakt 5 angeordnet, der aus einer oder, wie dargestellt, aus zwei oder auch mehreren Kontaktflächen bestehen kann. Die Balkenteile verzweigen sich entsprechend dem Antrieb 6 nach beiden Seiten und sind über Federgelenke 2 mit Ankern 3 verbunden, die wiederum fest mit dem Substrat 27 verbunden sind. Die Aktuierungsspannung für den elektrostatischen Antrieb 6 wird über Anschlussflächen 11 zugeführt, wobei in der Darstellung die obere Anschlussfläche 11 mit den feststehenden Elektroden 28 und die in der 5 untere Anschlussfläche 11 über den Anker das Federgelenk 2 und die Balkenteile 30 mit den beweglichen Elektroden 29 elektrisch verbunden ist. Im Bereich zwischen Schaltkontakt und elektrischem Antrieb 6, hier im vordere Teil der Hebelanordnung 1 befindet sich ein Isolierbereich 20, der aufgrund der Herstellungstechnologie an mindestens einer Stelle den Bondrahmen 12 schneiden muss.With 6 is referred to a comb drive, which has two drive parts in the embodiment and which is designed according to the principle of variation of the electrode cover. It is a variety of with the substrate 27 firmly connected electrodes 28 and a plurality of also comb-like arranged movable electrodes 29 provided, with fixed and movable electrodes 28 and 29 each intertwined. The moving electrodes 29 are with the lever arrangement 1 connected, wherein the lever assembly in this embodiment, two parallel in plan view in the resting state arranged beam parts 30 each having, as seen in the figure, two rows of movable electrodes 29 are connected. At the end of the beam parts 30 is the switching contact 5 arranged, which may consist of one or, as shown, of two or more contact surfaces. The beam parts branch according to the drive 6 to both sides and are about spring joints 2 with anchors 3 connected, in turn, fixed to the substrate 27 are connected. The actuation voltage for the electrostatic drive 6 is via connection surfaces 11 supplied, wherein in the illustration, the upper pad 11 with the fixed electrodes 28 and those in the 5 lower connection surface 11 over the anchor the spring joint 2 and the beam parts 30 with the moving electrodes 29 electrically connected. In the area between switching contact and electric drive 6 , here in the front part of the lever arrangement 1 there is an insulation area 20 , which due to the manufacturing technology in at least one place the bonding frame 12 must cut.

Über die Hebelanordnung 1, die mit Hilfe der Federgelenke 2 elastisch mittels Anker 3 am Substrat 27 des Schalterteils 14 befestigt ist, wird der Weg des elektrostatischen Antriebs 6 für den Schaltkontakt 5 untersetzt. Dabei wird eine Kraftübersetzung im Verhältnis der durch die Balkenteile 30 realisierten Hebelarme der Hebelanordnung 1 erreicht. Zum Schließen des Schaltkontakts 5 wird der Antrieb 6 über die Anschlussflächen 11 mit der Aktuatorspannung beaufschlagt, wodurch die beweglichen Kontakte sich bewegen und sich die Hebelarme bzw. Balkenteile 30 entsprechend verbiegen. Durch diese Bewegung wird der Schaltkontakt 5 gegen die unterbrochene HF-Leitung 4 gepresst, wodurch die Verbindung hergestellt wird. Nach Abschalten der Aktuatorspannung öffnet die in den Federgelenken 2 gespeicherte Rückstellkraft den Schaltkontakt 5 wieder.About the lever arrangement 1 using the spring joints 2 elastic by means of anchor 3 on the substrate 27 of the switch part 14 attached, becomes the path of electrostatic drive 6 for the switching contact 5 stocky. This is a power transmission in the ratio of the beam parts 30 realized levers of the lever assembly 1 reached. To close the switch contact 5 becomes the drive 6 over the connection surfaces 11 acted upon by the actuator voltage, whereby the movable contacts move and the lever arms or beam parts 30 bend accordingly. By this movement, the switching contact 5 against the broken RF line 4 pressed, whereby the connection is made. After switching off the actuator voltage opens in the spring joints 2 stored restoring force the switching contact 5 again.

Durch den Isolierbereich 20, der durch die Unterbre chung der Metallisierung auf der Hebelanordnung 1 gebildet wird, ist es möglich, das elektrische Potential vom elektrostatischen Antrieb 6 und dem Schaltkontakt 5 zu trennen. Wie schon ausgeführt, erfolgt im Bereich der Bondrahmen 12 eine Verbindung zwischen dem dargestellten Schalterteil 14 und dem nicht dargestellten Deckel, wobei die Kontaktflächen durch den Deckel hindurch von außen zugänglich bleiben, so dass eine elektrische Kontaktierung der HF-Signalleitung 4 der HF-Masseleitung 13 und der Elektroden des elektrostatischen Aktors erreicht werden kann.Through the insulation area 20 caused by the interrup tion of the metallization on the lever assembly 1 is formed, it is possible the electric potential of the electrostatic drive 6 and the switching contact 5 to separate. As already stated, takes place in the field of bonding frames 12 a connection between the illustrated switch part 14 and the lid, not shown, wherein the contact surfaces remain accessible through the lid from the outside, so that an electrical contact of the RF signal line 4 the RF ground line 13 and the electrodes of the electrostatic actuator can be achieved.

In 2 ist die Prinzipdarstellung einer Schalteranordnung, die sich zu der nach 2 durch einen zweiseitig wirkenden elektrostatischen Antrieb 6-1, 6-2 unterscheidet, d. h., dieser Antrieb ist so ausgeführt, dass er die Bewegung zum Schließen des Schaltelements 5 und auch die entgegengesetzte Bewegung zum Öffnen des Schaltelements 5 aufbringt und somit bidirektional wirkt. Da in diesem Fall der Schaltkontakt nicht durch die Kräfte des Federgelenks 2 sondern durch die vom elektrostatischen Antrieb 6 erzeugten Kräfte getrennt werden, kann das Federgelenk im Vergleich zu der Lösung nach 1 bzw. 5 mit sehr viel geringerer Steifigkeit k dimensioniert werden. Das Federgelenk 2 reduziert so die Kraft des elektrostatischen Antriebs um einen wesentlich kleineren Teil als das bei bekannten Lösungen, bei denen die Kraft zum Öffnen des Schaltkontakts durch eine Feder aufgebracht wird, der Fall ist. Das Federgelenk 2 ist zweckmäßigerweise so ausgeführt, dass im Zustand ohne elektrische Ansteuerung der Schalter in der ausgeschalteten Position verbleibt.In 2 is the schematic diagram of a switch assembly, which is to the after 2 by a double-acting electrostatic drive 6-1 . 6-2 differs, ie, this drive is designed so that it stops the movement of the switching element 5 and also the opposite movement to open the switching element 5 applies and thus acts bidirectional. Since in this case the switching contact is not affected by the forces of the spring joint 2 but by the electrostatic drive 6 generated forces can be separated, the spring joint in comparison to the solution 1 respectively. 5 be dimensioned with much less rigidity k. The spring joint 2 reduces the force of the electrostatic drive to a much smaller extent than that in known solutions in which the force is applied to open the switch contact by a spring, the case. The spring joint 2 is expediently designed so that in the state without electrical control of the switch remains in the off position.

In 6 ist ein Schalterteil 14 mit dem Wirkungsprinzip der 2 dargestellt, wobei sich diese Aus führungsform zu der nach 5 in der Hebelanordnung 1 und, wie schon erwähnt, in der Art des elektrostatischen Antriebs 6 bzw. 6-1 und 6-2 unterscheidet. Da der Antrieb bidirektional wirken muss, ist bei der Ausführung als Kammantrieb die Einführung eines zweiten feststehenden Elektrodensystems nötig. In der Ausführung nach 6 sind somit eine Mehrzahl von ersten feststehenden Elektroden 31, eine Mehrzahl von zweiten feststehenden Elektroden 32 vorgesehen, die zusammen mit den beweglichen Elektroden 33 die Antriebe 6-1 zum Öffnen und 6-2 zum Schließen des Schaltkontaktes 5 bilden. Dabei ist zusätzlich zu erkennen, dass der gesamte Antrieb 6 aus zwei (grundsätzlich können es mehrere sein) gleichsinnig wirkenden Bereichen (Teilantreiben) besteht, die nebeneinander angeordnet sind und die den gleichen Aufbau haben, d. h., beide Teilantriebe bestehen aus zwei feststehenden Elektrodensystemen und einem beweglichen Elektrodensystem, wobei jeweils die beweglichen kammartigen Elektroden 33 zwischen einer Elektrode 31 des ersten feststehenden Elektrodensystems und einer Elektrode 32 des zweiten feststehenden Elektrodensystems liegen. Die Aufteilung in zwei oder mehrere Teilantriebe bringt den Vorteil mit sich, dass die Länge der Aufbiegung mechanisch belasteten Elektroden und deren Deformation wegen der elektrostatischen Kraft geringer werden. Die zwei feststehenden Elektrodensysteme werden jeweils mit einer Spannung beaufschlagt, die über die in 6 rechts vorgesehenen Anschlussflächen und entsprechenden Leitungen zugeführt wird und vorzugsweise für beide den gleichen Wert aufweist, während die beweglichen Elektroden 33 üblicherweise auf Masse liegen. Für die Anordnung der zwei feststehenden Elektrodensysteme aus den Elektroden 32 und 31 muss eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Kreuzungspunkten 26 der elektrischen An schlösse vorgesehen werden, um so die bidirektionale Krafterzeugung zu organisieren.In 6 is a switch part 14 with the principle of action of 2 shown, with this imple mentation to the after 5 in the lever arrangement 1 and, as already mentioned, in the type of electrostatic drive 6 respectively. 6-1 and 6-2 different. Since the drive must be bidirectional, the implementation of a second fixed electrode system is necessary in the design as a comb drive. In the execution after 6 are thus a plurality of first fixed electrodes 31 , a plurality of second fixed electrodes 32 provided, together with the movable electrodes 33 the drives 6-1 to open and 6-2 to close the switching contact 5 form. It can also be seen that the entire drive 6 consists of two (in principle it may be several) co-acting areas (Teilantreiben), which are arranged side by side and have the same structure, ie, both part Drives consist of two fixed electrode systems and a movable electrode system, each with the movable comb-like electrodes 33 between an electrode 31 the first fixed electrode system and an electrode 32 of the second stationary electrode system. The division into two or more sub-drives has the advantage that the length of the bend mechanically loaded electrodes and their deformation due to the electrostatic force are lower. The two fixed electrode systems are each subjected to a voltage which exceeds the in 6 is provided to the right provided pads and corresponding lines and preferably for both have the same value, while the movable electrodes 33 usually lying on ground. For the arrangement of the two fixed electrode systems from the electrodes 32 and 31 must have a variety of electrically insulating crossing points 26 the electrical An schlösse be provided so as to organize the bidirectional force generation.

Die beweglichen Elektroden 33 sind einerseits über Federgelenke 2 fest mit dem Substrat 27 verbundenen Ankern 3 verbunden und andererseits wiederum über jeweils ein Federgelenk 2 mit einem relativ starren Balken 34, der auf das Ende eines lang gestreckten Hebels 35 wirkt. Dieser Hebel kann, wie aus der 6 zu erkennen ist, um 90° umgelenkt sein und weist an seinem Ende den Schaltkontakt 5 auf. Auch der Hebel ist an einem Federgelenk mit einem Anker verbunden.The moving electrodes 33 are on the one hand about spring joints 2 stuck to the substrate 27 connected anchors 3 connected on the other hand again via a respective spring joint 2 with a relatively rigid beam 34 pointing to the end of an elongated lever 35 acts. This lever can, as from the 6 can be seen, to be deflected by 90 ° and has at its end the switching contact 5 on. Also, the lever is connected to a spring joint with an anchor.

Wie in dem Ausführungsbeispiel nach 5 bewirkt die Ausführung der Hebelanordnung 1 im Zusammenspiel mit den Federgelenken 2 und den elektrischen Antrieben 6-1 und 6-2 die Bewegung des Schaltkontakts 5 in Richtung der HF-Signalleitung und von dieser weg mit Kraftübersetzung und Verminderung des Stellweges. Dabei werden die feststehenden ersten Elektroden 31 des Antriebs 6-2 mit einer Spannung beaufschlagt, wodurch die beweglichen Elektroden 33 den Hebelarm über den Balken 34 zum Schließen des Schaltkontakts 5 bewegen. Zum Öffnen des Schaltkontakts 5 wird auf die zweiten feststehenden Elektroden 32 des Antriebs 6-1 vorzugsweise die gleiche Spannung aufgebracht, wobei der Antrieb 6-2 nicht mehr aktiviert ist, wodurch sich die beweglichen Elektroden 33 mit dem Balken 34 und dem Hebel 35 in die entgegengesetzte Richtung zum Öffnen des Schaltkontakts 5 bewegen.As in the embodiment according to 5 causes the execution of the lever assembly 1 in interaction with the spring joints 2 and the electric drives 6-1 and 6-2 the movement of the switch contact 5 in the direction of the RF signal line and away from it with power transmission and reduction of the travel. Thereby the fixed first electrodes become 31 of the drive 6-2 subjected to a voltage, whereby the movable electrodes 33 the lever arm over the beam 34 to close the switch contact 5 move. To open the switch contact 5 will be on the second fixed electrodes 32 of the drive 6-1 preferably the same voltage applied, the drive 6-2 is no longer activated, causing the moving electrodes 33 with the bar 34 and the lever 35 in the opposite direction to open the switch contact 5 move.

Auch hier ist der Hebelarm 35 vor dem Schaltkontakt 5 mit einem Isolationsgebiet 20 versehen, das den Bondrahmen 5 schneidet.Again, the lever arm 35 before the switching contact 5 with an isolation area 20 provided that the bonding frame 5 cuts.

In der 3 ist schematisch eine weitere Möglich keit einer Vorrichtung zur Kraftverstärkung bzw. -übertragung vorgesehen, wobei im Kraftfluss zwischen dem Schaltkontakt 5 und dem Antrieb 6 ein elastisches Element mit progressiver Wirkung 7 eingesetzt ist. Zusätzlich ist ein weiteres elastisches Element mit progressiver Wirkung 7 dem Antrieb 6 nachgeschaltet und über Federgelenke 2 verankert. Die zwei elastischen Elemente mit progressiver Wirkung 7 dienen zur Vergrößerung der Kraft beim öffnen und Schließen des Schaltkontakts 5. Mit den elastischen Elementen 7 und den Federgelenken 2 wird erreicht, dass sich der elektrostatische Antrieb 6 mit seiner Masseträgheit am Anfang des Schließ- bzw. Öffnungsvorgangs schneller bewegt als der Schaltkontakt. Mit zunehmender Dehnung des elastischen Elements mit progressiver Wirkung 7 wird die auf den Schaltkontakt 5 übertragene Kraft überproportional größer und durch die kinetische Energie der vergleichsweise schnelleren Bewegung des elektrostatischen Antriebs verstärkt. Diese Variante realisiert die Kraftverstärkung durch den kinetischen Effekt der bewegten Aktormasse und durch das elastische Element mit progressiver Wirkung.In the 3 is schematically another possible possibility of a device for power amplification or transmission provided, wherein in the power flow between the switching contact 5 and the drive 6 an elastic element with progressive effect 7 is used. In addition, another elastic element with progressive effect 7 the drive 6 downstream and over spring joints 2 anchored. The two elastic elements with progressive action 7 serve to increase the force when opening and closing the switch contact 5 , With the elastic elements 7 and the spring joints 2 it is achieved that the electrostatic drive 6 moved with its inertia at the beginning of the closing or opening process faster than the switching contact. With increasing elongation of the elastic element with progressive action 7 is the on the switch contact 5 transmitted force disproportionately larger and reinforced by the kinetic energy of the relatively faster movement of the electrostatic drive. This variant realizes the power amplification by the kinetic effect of the moving actuator mass and by the elastic element with progressive effect.

Ein weiteres prinzipielles Ausführungsführungsbeispiel ist in der 4 dargestellt, wobei eine über Federn aufgehängte Kupplung zwischen einem ersten Antrieb 6 zum öffnen und einem zweiten Antrieb 6 zum Schließen des Schaltkontakts angeordnet ist. Der in der 4 linke Antrieb dient zum Schließen des Kontaktelements und der in der Figur rechts dargestellte Antrieb dient zusammen mit der Kupplung 8 zum öffnen des Schaltkontakts 5. Die Kupplung 8 verursacht aufgrund eines eingebauten Spiels, dass der Kraftfluss zwischen dem elektrostatischen rechten Antrieb 6 und dem Schaltkontakt erst zustande kommt, wenn der Antrieb 6 bereits eine gewisse Geschwindigkeit erreicht hat. Mit seiner Energie wird damit die Kraft zum öffnen des Schalters auf den Schaltkontakt erzeugt.Another principal embodiment is in the 4 shown, wherein a spring-suspended coupling between a first drive 6 for opening and a second drive 6 is arranged to close the switch contact. The Indian 4 Left drive is used to close the contact element and the drive shown on the right in the figure is used together with the coupling 8th to open the switch contact 5 , The coupling 8th due to a built-in game that causes the power flow between the electrostatic right drive 6 and the switching contact only comes about when the drive 6 already reached a certain speed. Its energy is used to generate the force required to open the switch on the switch contact.

Ein Vorteil der Ausführungsformen der 3 und 4 besteht darin, dass durch geeignete Dimensionierung des Federelements mit progressiver Wirkung 7 bzw. der Kupplung 8 bei Einsatz eines elektrostatischen Antriebs unter Variation des Elektrodenabstands der relativ geringen erzeugten elektrostatischen Kraft am Anfang des Bewegungsweges eine ebenfalls relativ geringe Kraft des Federelements entgegenwirken kann. Das führt dazu, dass die vom elektrostatischen Antrieb 6 erzeugte Kraft besser die Kraft des Federgelenks 2 überwinden kann, um die maximale Auslenkung zu erreichen.An advantage of the embodiments of 3 and 4 is that by appropriate dimensioning of the spring element with progressive action 7 or the clutch 8th when using an electrostatic drive with variation of the electrode spacing of the relatively small electrostatic force generated at the beginning of the movement path can also counteract a relatively small force of the spring element. This causes the electrostatic drive 6 force generated better the force of the spring joint 2 can overcome to reach the maximum deflection.

In 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Schalterteils 14 dargestellt, das die Wirkungsweise entsprechend 4 mit einer Hebelanordnung realisiert und eine Kupplung 8 umfasst. Dabei entspricht die Hebelanordnung 1 in ihrer Ausführung der nach 6.In 7 is an embodiment of a switch part 14 shown that the mode of action accordingly 4 realized with a lever assembly and a clutch 8th includes. The lever arrangement corresponds 1 in their execution the after 6 ,

Der elektrostatische Antrieb 6 ist in zwei gegensinnig wirkende Bereiche 6-1 und 6-2 flächig aufgeteilt. Der rechte Antrieb 6-1 arbeitet nach dem Prinzip der Abstandsvariation der Elektroden und erzeugt die Kraft zum Schließen des Kontakts. Dabei sind die beweglichen Elektroden 36, die wiederum über Federgelenke 2 an Ankern 3 aufgehängt sind, mit dem Ende des Hebels 35 der Hebelanordnung 1 über ein Federgelenk verbunden.The electrostatic drive 6 is in two opposing acting areas 6-1 and 6-2 split up. The right drive 6-1 works on the principle of the distance variation of the electrodes and generates the force to close the contact. Here are the movable electrodes 36 , in turn, via spring joints 2 at anchors 3 are suspended, with the end of the lever 35 the lever arrangement 1 connected via a spring joint.

Wie oben im Zusammenhang mit 2 bzw. 6 erläutert wurde, ist die Steifigkeit der Federgelenke viel geringer, als dass sie die Kraft zum öffnen des Schaltkontakts 5 aufbringen könnten. Deshalb wird ein Großteil der Kraft des elektrostatischen Antriebs 6-1 bei geschlossenem Schalter als Kontaktkraft wirksam. Der elektrostatische Antrieb 6-2 wird während des Schließens des Schalters bzw. des Schaltkontakts 5 nicht mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt.As related to above 2 respectively. 6 has been explained, the stiffness of the spring joints is much lower than that of the force to open the switch contact 5 could raise. That is why much of the power of the electrostatic drive 6-1 effective as a contact force when the switch is closed. The electrostatic drive 6-2 is during the closing of the switch or the switch contact 5 not subjected to an electrical voltage.

Der elektrostatische Antrieb 6-2 arbeitet nach dem Prinzip der Variation der Elektrodenüberdeckung, wobei der Antrieb ähnlich dem nach 5 ausgebildet ist. Er weist eine Vielzahl von ineinander greifenden feststehenden und beweglichen kammartigen Elektroden 28, 29 auf, wobei die beweglichen Elektroden 29 mit der Kupplung 8 verbunden sind, die wiederum an dem Hebel 35 angelenkt ist. Zum Öffnen des Schalters wird der elektrostatische Antrieb 6-1 nicht mit einer Spannung beaufschlagt und der Antrieb 6-2 aktiviert. Dieser ist wie in den anderen Ausführungsbeispielen mittels Federgelenke 2 und Anker 3 elastisch am Substrat 27 des Schalterteils 14 verankert und bewegt sich in Richtung der Zunahme der elektrischen Kapazität entgegengesetzt zur Wirkrichtung des elektrostatischen Antriebs 6-1. Die Kupplung 8 verursacht mittels eines eingebauten Spiels, dass der Kraftfluss zwischen dem elektrostatischen Antrieb 6-2 und dem Hebel 1 erst zustande kommt, wenn der Antrieb 6-2 bzw. seine beweglichen Elektrode 29 bereits eine gewisse Geschwindigkeit erreicht haben. Mittels der in der Masse des elektrostatischen Antriebs 6-2 gespeicherten kinetischen Energie wird ein Kraftstoß über den Hebel 1 auf das Kontaktelement 5 übertragen, der zum Trennen der Kontakte genügend groß ist. Ansonsten sind wie in dem Ausführungsbeispiel nach 6 entsprechende Anschlussflächen 11 für die Zuführung der Spannungen zu den Antrieben 6-2, 6-1. In gleicher Weise ist ein Isolationsgebiet 20 vorgesehen.The electrostatic drive 6-2 works on the principle of variation of the electrode coverage, the drive similar to the after 5 is trained. It has a plurality of interlocking fixed and movable comb-like electrodes 28 . 29 on, with the movable electrodes 29 with the clutch 8th connected, in turn, to the lever 35 is articulated. To open the switch is the electrostatic drive 6-1 not subjected to a voltage and the drive 6-2 activated. This is like in the other embodiments by means of spring joints 2 and anchor 3 elastic on the substrate 27 of the switch part 14 anchored and moves in the direction of increase in electrical capacity opposite to the direction of action of the electrostatic drive 6-1 , The coupling 8th caused by means of a built-in game that the power flow between the electrostatic drive 6-2 and the lever 1 only comes about when the drive 6-2 or its movable electrode 29 have already reached a certain speed. By means of in the mass of the electrostatic drive 6-2 stored kinetic energy is a power surge via the lever 1 on the contact element 5 transferred, which is sufficiently large to disconnect the contacts. Otherwise, as in the embodiment of 6 corresponding connection surfaces 11 for the supply of voltages to the drives 6-2 . 6-1 , In the same way is an isolation area 20 intended.

Bei allen Ausführungsformen wird der Schaltkontakt 5 beim Berühren der Hochfrequenzsignalleitung 4 verformt und ermöglicht damit einen zuverlässigen Kontakt, dass eine Reibbewegung stattfinden kann.In all embodiments, the switching contact 5 when touching the high-frequency signal line 4 deformed and thus allows a reliable contact that a friction movement can take place.

In 8 ist ein Schnitt durch eine mikromechanische Schaltervorrichtung dargestellt, wobei hier vorerst nur auf den Deckel 9 Bezug genommen werden soll. Ein solcher Deckel wird bei den Ausführungsformen nach den 5 bis 7 verwendet und es wird ein hermetischer Verschluss sowie eine Kontaktierung des elektrostatischen Antriebs 6 und der Hochfrequenzsignalleitung 4 durch den durchkontaktierten Deckel 9 aus Glas oder hochohmigem Silizium oder einem anderen geeigneten Material unter Verwendung eines Fügeprozesses, wie beispielsweise eutektisches Bonden, anodisches Bonden oder Glas-Fritte-Bonden erreicht. Dies ermöglicht die angestrebte Verwendbarkeit für herkömmliche Leiterplattentechnik und eine kurze Schaltzeit durch die Möglichkeit des Einschließens von Vakuum in den inneren Hohlraum 25. Die elektrische Kontaktierung der HF-Signalleitung 4 und der Anschlüsse des elektrostatischen Antriebs 6 wird dadurch erzielt, dass Durchbrüche 10 in Deckel 9 einen Zugang zu den Anschlussflächen 11 freigeben.In 8th is a section through a micromechanical switch device shown here initially only on the lid 9 Reference should be made. Such a lid is in the embodiments of the 5 to 7 It uses a hermetic seal and a contacting of the electrostatic drive 6 and the high frequency signal line 4 through the plated-through lid 9 made of glass or high-resistance silicon or other suitable material using a joining process, such as eutectic bonding, anodic bonding or glass frit bonding. This allows the desired utility for conventional printed circuit board technology and a short switching time through the possibility of trapping vacuum in the internal cavity 25 , The electrical contacting of the RF signal line 4 and the connections of the electrostatic drive 6 is achieved by breakthroughs 10 in lid 9 an access to the connection surfaces 11 release.

Für die Herstellung des elektrischen Kontakts zwischen den jeweiligen äußeren Anschlüssen des HF-Schalters und der HF-Signalleitung 4 bzw. den Elektroden des elektrostatischen Antriebs 6 werden zwei grundsätzliche Lösungen verfolgt. Bei der ersten wird der elektrische Kontakt beim Fügeprozess zwischen Deckel und Schalterteil hergestellt. Dabei wird entweder die gesamte Fügeschicht oder Teile davon als elektrischer Leiter benutzt. Im letzteren Fall müssen diese Teile nicht notwendigerweise zum Fügeprozess beitragen. Die so hergestellte elektrische Verbindung kann durch eine vor dem Fügeprozess oder nach dem Fügeprozess im Deckel hergestellte Durchkontaktierung nach außerhalb des Gesamtaufbaus geleitet werden. Bei der zweiten entsteht während des Fügens eine Aussparung im Bereich der elektrischen Kontaktflächen, auf die durch eine vor oder nach dem Fügeprozess erzeugte Öffnung von außen zugegriffen werden kann.For making the electrical contact between the respective outer terminals of the RF switch and the RF signal line 4 or the electrodes of the electrostatic drive 6 Two fundamental solutions are pursued. In the first, the electrical contact during the joining process between the lid and switch part is made. In this case, either the entire bonding layer or parts thereof is used as an electrical conductor. In the latter case, these parts do not necessarily contribute to the joining process. The electrical connection produced in this way can be conducted to the outside of the overall structure by means of a through-connection produced in the cover before the joining process or after the joining process. In the case of the second, a gap is created during the joining process in the region of the electrical contact surfaces, which can be accessed from the outside by means of an opening produced before or after the joining process.

Im Zusammenhang mit 8, die zumindest andeutungsweise einen Schnitt entsprechend der strichpunktierten Linie der 7 darstellt, soll ein Beispiel für das Herstellungsverfahren erläutert werden. Das Schalterteil 14 besteht aus hochresistivem Silizium. Nach dem Erzeugen einer SiO₂-Schicht 15 auf der Vorder- und Rückseite des Substrats 27 des Schalterteils 14 werden mittels lithografischer Strukturierungen und einem Trockenätzprozess mit Seitenwandpassivierung und nachfolgendem Freiätzen Gräben 16 und bewegliche Strukturen 17 erzeugt, die im vorliegenden Fall beispielsweise den Hebel 35 umfassen. Eine anschließend hergestellte teilweise oder ganzflächige Aluminiumschicht 18 dient als Hochfrequenzsignalleitung und ermöglicht die Kontaktierung der hier allerdings nicht zu erkennenden Elektroden des elektrostatischen Antriebs sowie die Ausbildung dessen Elektroden. Mit Hilfe einer Schattenmaske bei der Beschichtung kann die Metallisierung auf der Hebelanordnung 1 im Isolierbereich 20 unterbrochen und damit eine Isolation der Hochfrequenzsignalleitung 4 vom elektrischen Potential des elektrostatischen Antriebs erreicht werden. Nachfolgend wird der Bereich des Schaltkontakts 5 und gegenüberliegende Bereiche der Hochfrequenzleitung 4 mit einer Schicht oder einem Schichtstapel aus Gold, Platin, Titan und Wolfram oder einem anderen geeigneten Material beschichtet.In connection with 8th , which at least suggestively a section corresponding to the dashed line of 7 is an example of the manufacturing process will be explained. The switch part 14 consists of highly resistive silicon. After producing a SiO ₂ layer 15 on the front and back of the substrate 27 of the switch part 14 be by means of lithographic structuring and a Dry etching process with sidewall passivation and subsequent free etching trenching 16 and moving structures 17 generated in the present case, for example, the lever 35 include. A subsequently prepared partially or completely aluminum layer 18 serves as a high-frequency signal line and allows the contacting of the electrodes of the electrostatic drive, which can not be detected here, as well as the formation of the electrodes. With the help of a shadow mask during the coating, the metallization on the lever assembly 1 in the insulation area 20 interrupted and thus an isolation of the high-frequency signal line 4 be achieved by the electrical potential of the electrostatic drive. The following is the area of the switch contact 5 and opposite portions of the high frequency line 4 coated with a layer or stack of gold, platinum, titanium and tungsten or other suitable material.

Der Verschluss und die Kontaktierung der Anschlussflächen wird mit Hilfe des durchkontaktierten Deckels 9 aus Glas oder einem anderen Dielektrikum oder einem anderen im Bereich der Durchkontaktierungen dielektrisch isoliertem Material durchgeführt. Der Deckel 9 enthält im Ausführungsbeispiel auf der Unterseite geätzte Vertiefungen 19, um die Beweglichkeit des elektrostatischen Antriebs 6, der Hebelanordnung 1, der Federgelenke 2 und gegebenenfalls des progressiven Federelements 7 oder der Kupplung 8 zu gewährleisten. Nach dem Verbinden mit dem Schalterteil 14 wird der Deckel 9 vorzugsweise abgedünnt, z. B. auf 50 μm Dicke. Dies ermöglicht ein einfaches Ätzen der Durchbrüche 10. Nach dem Entfernen der Ätzmaske für die Durchbrüche 10 werden Leiterstrukturen und die Kontaktierung in den Durchbrüchen, z. B. mittels Sputtern durch eine Schattenmaske erzeugt. Nachfolgend können die Kontaktpads 22 durch chemische Verdickung aufgebracht werden und später mit einem Lot-Bump für einen Flip-Chip-Montageprozess versehen werden.The closure and the contacting of the connection surfaces is done with the help of the plated-through cover 9 made of glass or other dielectric or other dielectrically isolated material in the area of the plated-through holes. The lid 9 contains in the embodiment on the bottom etched depressions 19 to the agility of the electrostatic drive 6 , the lever arrangement 1 , the spring joints 2 and optionally the progressive spring element 7 or the clutch 8th to ensure. After connecting to the switch part 14 becomes the lid 9 preferably thinned, z. B. to 50 microns thickness. This allows a simple etching of the openings 10 , After removing the etching mask for the breakthroughs 10 become ladder structures and contacting in the breakthroughs, z. B. generated by sputtering through a shadow mask. Below are the contact pads 22 be applied by chemical thickening and later provided with a solder bump for a flip-chip mounting process.

In 9 ist ein schematischer Querschnitt des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters in einer alternativen Technologie, teilweise unter Verwendung des AIM-Verfahrens dargestellt. Hier besteht das Schalterteil 14 aus hochresistivem Silizium und der Deckel 9 aus einem Substrat, das zumindest teilweise aus polykristallinem, einkristallinem oder amorphem Silizium gebildet ist. Nach dem Erzeugen und Strukturieren einer SiO₂-Schicht 15 wird die Aluminiumschicht 18 erzeugt und ebenfalls strukturiert. Danach werden die Gräben 16 und beweglichen Strukturen 17 ausgearbeitet. Anschließend erfolgt das Unterätzen der Aluminiumträger 23, so dass die beweglichen Strukturen lediglich durch diese Aluminiumträger mit den festste hen Bereichen mechanisch verbunden sind. Die HF--Signalleitung 4 und die dazugehörige Masseleitung 13 sowie das Kontaktelement 5 können z. B. mittels Schattenmasken mit Gold metallisiert und anschließend kann der Bereich des Schaltkontakts 21 ebenfalls mittels Schattenmaske dick metallisiert werden.In 9 Figure 4 is a schematic cross-section of the high frequency switch of the invention in an alternative technology, shown in part using the AIM method. Here is the switch part 14 Made of highly resistive silicon and the lid 9 from a substrate which is at least partially formed of polycrystalline, monocrystalline or amorphous silicon. After creating and patterning a SiO ₂ layer 15 becomes the aluminum layer 18 generated and also structured. After that, the trenches 16 and moving structures 17 elaborated. Subsequently, the undercutting of the aluminum carrier takes place 23 , So that the movable structures are mechanically connected only by these aluminum carrier with the festste hen areas. The RF signal line 4 and the associated ground line 13 as well as the contact element 5 can z. B. metallized by means of shadow masks with gold and then the area of the switch contact 21 also be metallized thick by means of shadow mask.

Wie schon im obigen Ausführungsbeispiel kann der Deckel in einem Nass- oder Trockenätzprozess Vertiefungen 19 erhalten, welche das Bewegen der Struktur ermöglichen. Danach wird die Unterseite mit einer strukturierten Goldmetallisierung 24 versehen. Die Durchbrüche 10 werden von der Oberseite bis zur Perforation geätzt.As in the above embodiment, the lid can recesses in a wet or dry etching process 19 obtained, which enable the moving of the structure. After that, the bottom is covered with a textured gold metallization 24 Mistake. The breakthroughs 10 are etched from the top to the perforation.

Das Schalterteil 14 und der Deckel 9 werden nun in einem eutektischen Fügeprozess verbunden. Dabei wirken die SiO₂-Schicht 15 und die Aluminiumschicht auf dem Schalterteil 14 als Barriere- bzw. Leitschicht. Dies dient der Verhinderung einer durchgehenden eutektischen Schicht und ist nötig, da die Kontaktierung der Hochfrequenzsignalleitung 4 mit den Anschlussflächen 11 bzw. der dazugehörigen Masseleitung 13 mit entsprechenden Anschlussflächen 11 wegen der schlechteren Leitfähigkeit des AuSi-Eutektikums nicht niederohmig genug sein würde.The switch part 14 and the lid 9 are now connected in a eutectic joining process. In this case, the SiO ₂ layer act 15 and the aluminum layer on the switch part 14 as a barrier or conductive layer. This serves to prevent a continuous eutectic layer and is necessary since the contacting of the high-frequency signal line 4 with the connection surfaces 11 or the associated ground line 13 with corresponding connection surfaces 11 because of the poorer conductivity of the AuSi eutectic would not be low enough.

Die oben beschriebene Schalteranordnung kann in der mobilen Kommunikation zur Verbesserung der Flexibilität der Endgeräte eingesetzt werden. Die Verteilung der Übertragungskanäle auf mehrere, teilweise weit auseinander liegende Frequenzbänder erzwingt aufgrund begrenzter Filtersteilheiten und nicht beliebig breitbandig arbeitender Sender und Empfänger Kompromisse beim Entwurf von Antennen, Sender- und Empfängerschaltungen. Der Einsatz kleiner, hochwertiger mikromechanischer Hochfrequenzschalter nach der Erfindung wird in diesem Zusammenhang Verbesserungen hinsichtlich Einfügedämpfung, Isolation und vor allem hinsichtlich der Energieeffizienz bewirken.The The above-described switch arrangement can be used in mobile communication to improve the flexibility of the terminals be used. The distribution of the transmission channels on several, sometimes far apart frequency bands enforces due to limited filter slopes and not arbitrarily broadband working transmitter and receiver design compromises of antennas, transmitter and receiver circuits. The use small, high quality micromechanical high frequency switch after The invention will be improvements in this regard Insertion loss, isolation and above all in terms of effect energy efficiency.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- US 6307452 B1 [0002, 0011]
- US 2002/0153236 A1 [0002]
US 2004/0113727 A [0002]
US 2004/0113727 A1 [0012]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

M. Tang, et al. "A single-pole double-throw (SPDT) circuit using lateral metal-contact micromachined switches", from Sensors and Actuators A, Vol. 121, 2005, pages 187-196 [0002]
- T. Seki et al. "Development of a large-force low-loss metal-contact RF MEMS switch", Sensors and Actuators A, Vol. 132, 2006, pages 683-688 [0012]

Claims

A micromechanical switch device for switching an interrupted RF signal line provided on a substrate with a switch part and a cover closing the switch part, wherein the switch part has at least one ohmic switch contact for bridging and disconnecting the RF signal line and an electrostatic drive having at least one fixed and one movable electrode for actuating the switching contact, characterized in that between electrostatic drive ( 6 ) and switching contact ( 5 ) is connected a device for mechanical power amplification.

Switching device according to claim 1, characterized in that the mechanical force amplifying device comprises a lever arrangement ( 1 ) having a predetermined transmission ratio, which via spring joints ( 2 ) is suspended.

Switching device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the mechanical force amplifying device comprises at least one elastic element with progressive action ( 7 ) having.

Switching device according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the Vorrich device for mechanical Power transmission has a coupling.

Switching device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrostatic drive ( 6 ) as a comb drive with a plurality of comb-like fixed electrodes ( 28 . 31 . 32 ) and a plurality of comb-shaped movable electrodes ( 29 . 33 ), which mesh with each other, is formed.

Switching device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrostatic drive is designed unidirectionally for closing the switching contact and the spring joints ( 2 ) with regard to their restoring force for opening the switch contact ( 5 ) are designed.

Switching device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrostatic drive bidirectionally with at least two electrode systems ( 31 . 33 ; 32 . 33 ), wherein an electrode system for closing and the other electrode system is designed for opening the switching contact.

Switching device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a first and a second electrostatic drive ( 6-1 . 6-2 ) are provided, wherein the first drive ( 6-1 ) operates on the principle of the variation of the electrode spacing and for generating the force for closing the switch contact ( 5 ) and the second drive ( 6-2 ) operates on the principle of the variation of the electrode overlap and for generating the force for opening the switch contact ( 5 ) serves.

Switching device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the switch part ( 14 ) is produced by means of micromechanical volume technology and the electrostatic drive ( 6 ) has a lateral actuation.

Switching device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the drive ( 6 ), the lever arrangement ( 1 ), the spring joints ( 2 ) and optionally the elastic element ( 7 ) and the coupling ( 8th ) are structured from a high-resistance silicon substrate.

Switching device according to claim 10, characterized in that the moving parts of the drive, the lever arrangement and the spring joints via anchors ( 3 ) with the substrate ( 27 ) are connected.

Switching device according to claim 10, characterized in that the armatures of the lever arrangement via metallization layers ( 23 ) are connected to fixed areas.

Switching device according to one of claims 1 to 12, characterized in that for the galvanic isolation of the RF signal line ( 4 ) between drive ( 6 ) and switching contact ( 5 ) an insulating region ( 20 ) is provided from electrically non-conductive, high-resistance or semi-conductive material.

Switching device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the drive ( 6 ), the mechanical force amplification device ( 1 ) with switching contact ( 5 ) and the RF signal line ( 4 ) within a bond framework ( 12 ) of the switch part ( 14 ), which are provided with a lid ( 9 ) verbun that is.

Switching device according to claim 14, characterized in that the lid ( 9 ) Breakthroughs ( 10 ) for access to electrical connection surfaces ( 11 ), wherein the lid ( 9 ) at the connection surfaces ( 11 ) is sealed.

Switching device according to claim 14 or claim 15, characterized in that the lid ( 9 ), Bonding frame ( 12 ) and substrate ( 27 ) completed cavity ( 25 ) is under vacuum.

Switching device according to one of claims 14 to 16, characterized in that the closed cavity ( 25 ) is filled with an inert or reducing gas.

Switching device according to one of claims 1 to 17, characterized in that the switching contact ( 5 ) is flexible.