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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Schaltereinheit, z.B. eine mikro- oder nanoelektromechanische Schaltereinheit, und ein Verfahren zum Betätigen derselben.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Elektromechanische Schalter mit Abmessungen im Mikrometer- und Nanometerbereich, die auch als mikroelektromechanische (MEM-) und nanoelektromechanische (NEM-) Schalter bezeichnet werden, gelten als attraktive Alternative zu herkömmlichen Festkörperschaltern wie z.B. Transistoren und PIN-Dioden. Dies ist auf eine idealere Schaltkennlinie (geringer Verlust, Linearität, steiles Schalten) bei geringerem Energiebedarf zurückzuführen. Im Gegensatz zu einem Festkörperschalter beinhaltet ein Schaltvorgang, der durch einen elektromechanischen Schalter ausgeführt wird, das mechanische Betätigen oder die mechanische Bewegung zweier Schalterteile relativ zueinander zwischen einer getrennten („offenen“) und einer verbundenen („geschlossenen“) Position, wodurch das Fließen von Elektrizität durch einen elektrischen Stromkreis verhindert oder ermöglicht wird.
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MEM-Schalter zielen beispielsweise auf HF-Anwendungen (HF - Hochfrequenz) ab, wie z.B. bei Phased-Array-Antennen und rekonfigurierbaren Aperturantennen für Telekommunikationssysteme, Schaltnetzen für Satellitenkommunikation und einpoligen N-Umschaltern für drahtlose Anwendungen (portable Einheiten und Basisstationen). In jüngster Zeit wurden NEM-Schalter entwickelt, wobei die Aussicht auf ein idealeres Schaltelement mit geringerem Energiebedarf für Logikanwendungen als Motivation diente. Solche Schalter können Attribute wie nahezu kein Leckstrom, eine sehr steile Vorschwellwertsflanke mit einer mechanischen Verzögerung in der Größenordnung von Nanosekunden und eine elektrische Zeitkonstante in der Größenordnung von Pikosekunden bereitstellen.
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Die Attraktivität der elektromechanischen Schalttechnologie kann jedoch aufgrund einer relativ schlechten Zuverlässigkeit begrenzt sein. Insbesondere kann sich zuverlässiges elektrisches Schalten bei einer großen Anzahl von Schaltzyklen als schwierig erweisen. Das elektromechanische Schalten wurde immerhin für Anwendungen auf den Markt gebracht, bei denen die Anzahl der Schaltereignisse mäßig ist (< 107), z.B. HF-Anwendungen in Radarsystemen, drahtloser Kommunikation und Messausrüstung. Jedoch würde ein großes Spektrum von Anwendungen Schaltzyklen in höheren Größenordnungen erfordern. Beispielsweise können Logikanwendungen 1012 (z.B. Fernelektronik-, Kraftfahrzeug-, Raumfahrtanwendungen) bis 1016 (Prozessor) Zyklen erfordern.
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Infolgedessen konzentriert sich die maßgebliche Forschung auf dieses Thema, wobei es hauptsächlich um die Optimierung von Materialien geht, die für elektrische Kontakte der Schaltereinheiten verwendet werden (z. B. Verwendung von Edelmetallen und leitenden Oxiden), oder um die Entwicklung von Aktoren mit hoher Kraft (z.B. Anwendung von piezoelektrischer Betätigung im Gegensatz zu einfacherer elektrostatischer Betätigung). Auch wenn solche Konzepte zu mancher Verbesserung der Schaltzuverlässigkeit geführt haben, ist es noch weit von den Anforderungen bezüglich z.B. Logikanwendungen und anspruchsvoller HF-Anwendungen entfernt. Außerdem können solche Ansätze komplexere mikromechanische Strukturen und ungewöhnlichere Materialien erfordern, was sich auf die Herstellungskosten solcher Einheiten auswirkt.
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US 7,486,163 B2 beschreibt eine elektromechanische Schalterstruktur mit einer festen Elektrode und einer beweglichen Elektrode. Die bewegliche Elektrode wird durch Anlegen eines Spannungspotenzials zwischen den beiden Elektroden betätigt. Um den Schaltvorgang mit einer geringeren Spannung zu bewirken, wird eine Modulation des Spannungspotenzials vorgeschlagen. Dies geschieht, indem Energie in das mechanische System eingeführt wird, bis genügend davon im System ist, um die Betätigung zu erreichen. Dabei ist beabsichtigt, das mechanische System in einen Resonanzzustand zu versetzen. Dazu wird ein Regelungssystem zum Anpassen der Frequenz der Modulation an die Resonanzfrequenz des mechanischen Systems angewandt, weil sich die Resonanzfrequenz im Verlauf der Betätigung der Schalterstruktur ändert.
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Das oben genannte Konzept bezieht sich auf die Anwendung eines geringeren Spannungspotenzials zur Betätigung des Schalters und nicht auf die Bereitstellung einer verbesserten Schaltzuverlässigkeit. Ferner weist der Schalter aufgrund der Bereitstellung des Regelungssystems eine relative komplexe Konstruktion auf.
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Die
US 6 426 687 B1 betrifft ein Schalter für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) für Hochfrequenz (HF). Der Schalter wird durch unabhängige Verarbeitung und anschließendes Zusammenbonden eines MEMS-Substrats in Ausrichtung mit einem HF-Substrat hergestellt. Der HF-MEMS-Schalter ist so ausgelegt, dass er eine biegsame Membran einkapselt, die eine Schaltelektrode trägt, die mit elektrostatischen Biegepotentialen verwendet wird, um Elektroden des MEMS-Substrats über eine HF-Übertragungsleitungsstruktur des HF-Substrats auf und ab zu bewegen. Die gebondete kombinierte MEMS-Schalterstruktur wird verwendet, um einen gekapselten HF-MEMS-Schalter zu schaffen, der für die direkte Kopplung, Wechselstromkopplung und direkte Modulation von HF-Signalen geeignet ist. Der resultierende MEMS-HF-Schalterbaustein bietet eine zuverlässige, minimal verzerrende HF-Übertragungsleitungsgeometrie, die frei von Verunreinigungen ist und für den Einsatz in Hochgeschwindigkeits-HF-Signalschaltanwendungen geeignet ist, die sich gut für fortgeschrittene HF-Schaltanforderungen in der Kommunikation eignen.
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Die US 2006 / 0 214 746 A1 betrifft einen mechanischen Resonator, der so konstruiert ist, dass er einen Schwingungskörper aufweist, der eine mechanische Resonanzschwingung ausführt, sowie eine Elektrode, die sich in der Nähe des Schwingungskörpers befindet und so geformt ist, dass sie sich an die Oberflächengestalt der Elektrode anpasst, wenn sie während eines Resonanzmodus des Schwingungskörpers verformt wird, wodurch die elektrostatische Kapazitätsänderung pro Maßeinheit der Schwingungsverschiebung vergrößert werden kann. Auf diese Weise kann ein mechanischer Resonator verwirklicht werden, der eine effektive Elektrizität-Maschine oder Maschine-Elektrizität-Wandlung durchführt. Darüber hinaus kann dieser mechanische Resonator zur Verwirklichung eines kleinen, leistungsfähigen Filter- oder Schalterkreises in einer integrierten elektrischen Schaltung hoher Dichte verwendet werden.
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Die US 2004 / 0 061 579 A1 betrifft eine mikroelektromechanische Vorrichtung, die einen Balken aufweist, der so konfiguriert ist, dass er eine Öffnungskraft auf einen geschlossenen Schalter ausübt. Die Öffnungskraft kann im Wesentlichen unabhängig von einer im geschlossenen Schalter gespeicherten Kraft sein. Eine Kombination aus der durch den Balken ausgeübten Kraft und der im geschlossenen Schalter gespeicherten Kraft kann ausreichen, um den Schalter nach Wegfall einer mit der Betätigung des Schalters verbundenen Kraft zu öffnen. Eine weitere mikroelektromechanische Vorrichtung umfasst einen Schalterbalken, der im Abstand über einem Schließ-Gate und einer Kontaktstruktur angeordnet ist. Die Vorrichtung kann auch einen zusätzlichen Balken aufweisen, der so konfiguriert ist, dass er eine Kraft auf den Schalterbalken in einer Richtung weg von der Kontaktstruktur ausübt. Ein Verfahren zum Öffnen eines Schalters umfasst die Verringerung einer Anziehungskraft zwischen einem Schalterbalken und einem Schließ-Gate. Die Verfahren umfasst auch das externe Aufbringen einer mechanischen Kraft auf den Schalterbalken in einer Richtung weg vom Schließ-Gate.
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Die US 2005 / 0 104 085 A1 betrifft nanoelektromechanische Schaltsysteme (NEMSS), die um die mechanische Manipulation von Nanoröhren herum strukturiert sind. Solche NEMSS können z.B. die Funktionalität von automatischen Schaltern, einstellbaren Dioden, Verstärkern, Invertern, variablen Widerständen, Pulspositionsmodulatoren (PPMs) und Transistoren verwirklichen. In einer Ausführungsform ist ein Nanoröhrchen an einem Ende an einem Basiselement verankert. Das Nanoröhrchen ist auch an eine Spannungsquelle gekoppelt. Diese Spannungsquelle erzeugt an der Spitze des frei beweglichen Endes des Nanoröhrchens eine elektrische Ladung, die repräsentativ für die Polarität und Intensität der Spannungsquelle ist. Das frei bewegliche Ende dieses Nanoröhrchens kann elektrisch gesteuert werden, indem eine elektrische Ladung auf eine nahegelegene Schicht eines Ladungselements aufgebracht wird, die entweder die gleiche (abstoßende) oder die entgegengesetzte (anziehende) Polarität des Nanoröhrchens aufweist. Eine Kontaktschicht wird dann in der Nähe des frei beweglichen Endes des Nanoröhrchens platziert, so dass das Nanoröhrchen die Kontaktschicht elektrisch ankoppelt, wenn eine bestimmte elektrische Ladung auf das Nanoröhrchen aufgebracht wird.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine elektromechanische Schaltereinheit einen ersten Schalterteil, einen zweiten Schalterteil und eine Aktoreinheit auf. Die Aktoreinheit ist so ausgebildet, dass sie eine Betätigungskraft bereitstellt, wodurch sie den ersten und den zweiten Schalterteil relativ zueinander betätigt, um von einem getrennten in einen verbundenen Zustand zu wechseln. Die Aktoreinheit ist ferner so ausgebildet, dass sie die Betätigungskraft mit einer Modulation bereitstellt, zumindest wenn sich der erste und der zweite Schalterteil im verbundenen Zustand befinden. Der erste Schalterteil weist eine Balkenstruktur mit einem auf der Balkenstruktur angeordneten Kontaktelement auf, wobei der zweite Schalterteil mindestens ein weiteres auf einem Substrat angeordnetes Kontaktelement aufweist. Die Betätigungskraft wird mit einer vordefinierten Schaltfrequenz intermittierend bereitgestellt und die vordefinierte Schaltfrequenz wird durch ein Taktsignal gesteuert.
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Eine Modulation der Betätigungskraft ermöglicht es, eine elektrische Verbindung, die durch die elektromechanische Schaltereinheit bereitgestellt wird, wenn sich der erste und der zweite Schalterteil im verbundenen Zustand befinden, zu verbessern. Dieser Effekt ermöglicht es ferner, die Betätigungskraft mit einer geringeren (mittleren) Größe zu erzeugen, was außerdem die mechanische Spannung während eines Schaltereignisses verringert. Folglich können die Dauerbeständigkeit und somit die Lebensdauer der elektromechanischen Schaltereinheit verbessert werden. Damit kann die elektromechanische Schaltereinheit Zuverlässigkeitsanforderungen bezüglich z.B. Logikanwendungen und anspruchsvoller HF-Anwendungen erfüllen. Darüber hinaus kann die Bereitstellung einer geringeren Betätigungskraft mit einer einfacheren Konstruktion der Schaltereinheit bzw. der Aktoreinheit verbunden sein.
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Eine Kraftmodulation kann ferner ein Hystereseverhalten, das der elektromechanischen Schaltereinheit eigen sein kann, verringern oder abstimmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Aktoreinheit eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Stromquelle auf. Die Aktoreinheit stellt die Betätigungskraft bereit, indem durch die Stromquelle eine Spannung an die erste und die zweite Elektrode angelegt wird, wodurch eine elektrostatische Anziehung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erzeugt wird. Eine solche elektrostatische Betätigung kann auf einfache und platzsparende Weise realisiert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Stromquelle eine Gleichspannungskomponente und eine Wechselspannungskomponente auf. Durch diese beiden Komponenten kann eine modulierte Spannung und somit eine modulierte elektrostatische Betätigungskraft auf einfache und effiziente Weise bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Aktoreinheit so ausgebildet, dass sie die Modulation der Betätigungskraft mit einer konstanten Frequenz bereitstellt. Dies kann insbesondere durch die oben genannte Wechselspannungskomponente realisiert werden, die eine stetige Modulationsfrequenz bereitstellen kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Aktoreinheit so ausgebildet, dass sie die Modulation der Betätigungskraft auf eine solche Weise bereitstellt, dass die Amplitude der Modulation weniger als ein Zehntel eines mittleren Werts der Betätigungskraft beträgt. Auf diese Weise kann ein zuverlässiger elektrischer Kontakt hergestellt werden, wenn sich der erste und der zweite Schalterteil der elektromechanischen Schaltereinheit im verbundenen Zustand befinden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektromechanische Schaltereinheit eine mikroelektromechanische Schaltereinheit. Eine solche Schaltereinheit kann z.B. bei einer Hochfrequenzanwendung verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektromechanische Schaltereinheit eine nanoelektromechanische Schaltereinheit. Eine solche Schaltereinheit kann z.B. bei einer Logikanwendung verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das weitere Kontaktelement auf einem Träger bzw. einem Substrat angeordnet sein. Die Balkenstruktur kann mit einer Ankerstruktur verbunden sein, die ebenfalls auf dem jeweiligen Träger bzw. Substrat angeordnet ist.
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Ferner wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betätigen einer elektromechanischen Schaltereinheit vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird eine Betätigungskraft bereitgestellt, wodurch ein erster Schalterteil und ein zweiter Schalterteil der elektromechanischen Schaltereinheit relativ zueinander betätigt werden, um von einem getrennten in einen verbundenen Zustand zu wechseln. Des Weiteren wird der erste Schalterteil mit einer Balkenstruktur und einem auf der Balkenstruktur angeordneten Kontaktelement bereitgestellt wird, wobei der zweite Schalterteil mit mindestens einem weiteren auf einem Substrat angeordnetes Kontaktelement bereitgestellt wird. Um die Kontaktzuverlässigkeit zu verbessern, wird die Betätigungskraft, zumindest wenn sich der erste und der zweite Schalterteil im verbundenen Zustand befinden, mit einer Modulation beaufschlagt. Dies ermöglicht es ferner, die elektromechanische Schaltereinheit mit einer relativ geringen Betätigungskraft zu betätigen, was hinsichtlich der im verbundenen Zustand der elektromechanischen Schaltereinheit auftretenden mechanischen Spannung günstig ist. Außerdem wird die Betätigungskraft mit einer vordefinierten Schaltfrequenz intermittierend bereitgestellt und die vordefinierte Schaltfrequenz wird durch ein Taktsignal gesteuert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden der erste und der zweite Schalterteil zwischen dem getrennten und dem verbundenen Zustand hin und her geschaltet, indem die Betätigungskraft mit einer vordefinierten Schaltfrequenz intermittierend bereitgestellt wird. Hierbei übersteigt eine Frequenz der Modulation der Betätigungskraft die Schaltfrequenz und ermöglicht dadurch eine zuverlässige elektrische Kontaktierung mit Hilfe der elektromechanischen Schaltereinheit. Die Frequenz der Modulation kann beispielsweise ein Vielfaches der Schaltfrequenz betragen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert, bei denen
- 1 eine schematische Draufsicht eines mikroelektromechanischen Schalters darstellt;
- 2 eine schematische Seitenansicht des Schalters aus 1 darstellt;
- 3 eine schematische Seitenansicht eines nanoelektromechanischen Schalters darstellt;
- 4 ein Diagramm darstellt, das ein Hystereseverhalten veranschaulicht;
- 5 einen Schaltplan eines Umrichters mit zwei nanoelektromechanischen Schaltern darstellt; und
- 6 Messkurven darstellt, die mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops entstanden sind und die Wirkung der Modulation einer Lastkraft auf die elektrische Leitfähigkeit veranschaulichen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden werden Beispiele für elektromechanische Schaltereinheiten und Verfahren zur Betätigung derselben beschrieben. Hier wird die Anwendung einer Kraftmodulation während eines Schaltereignisses betrachtet, wodurch eine verbesserte Kontaktzuverlässigkeit ermöglicht wird. Um diese Wirkung zu demonstrieren, wurden Versuche mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) in einem leitenden Modus durchgeführt, die weiter unten in Verbindung mit 6 beschrieben werden.
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Die Anwendung einer Kraftmodulation ermöglicht insbesondere die Herstellung eines besseren Kontakts bei geringerer Kraft, so dass die mechanische Spannung, die auf die Kontaktelemente bzw. -materialien der Schaltereinheiten wirkt, verringert werden kann. Auf diese Weise können die Dauerbeständigkeit und die Lebensdauer der Kontaktelemente verbessert werden. Darüber hinaus können die Schaltereinheiten und jeweiligen Aktoreinheiten, die für die Ausführung eines Schaltereignisses verwendet werden, mit einer einfachen Konstruktion realisiert werden.
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Hinsichtlich der Herstellung der abgebildeten Einheiten und Strukturen wird darauf hingewiesen, dass gewöhnliche Verfahren, Prozessschritte und Materialien, die aus Halbleiterherstellungstechnologien oder aus der Herstellung mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) bekannt sind, angewandt werden können. Zu diesen Prozessschritten können z.B. Sputtern, Abscheidung, Dotierung, Lithographie, Ätzen und andere Strukturierungsprozesse gehören, die eine Herstellung der Einheiten in miniaturisierter Form ermöglichen.
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1 stellt eine schematische Draufsicht eines mikroelektromechanischen (MEM-) Schalters 100 dar. Eine schematische Seitenansicht des MEM-Schalters 100 ist in 2 abgebildet. Der MEM-Schalter 100 (d.h. eine Vielzahl desselben) kann z.B. bei einer HF-Anwendung verwendet werden. Beispiele sind Radarsysteme, Telekommunikationssysteme, drahtlose Kommunikation und Messausrüstung.
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Der MEM-Schalter 100 weist eine flache oder quaderförmige Balkenstruktur 112 auf, die sich von einer Stützstruktur 115 erstreckt oder mit dieser verbunden ist, wobei die Stützstruktur 115 auf einer Fläche eines Substrats 105 angeordnet ist. Die Stützstruktur 115 fungiert als Anker für die Balkenstruktur 112, die - beginnend vom in 2 dargestellten getrennten oder „offenen“ Zustand des MEM-Schalters 100 - gegen das Substrat 105 bewegt oder gebogen werden kann, wodurch der MEM-Schalter 100 in einen verbundenen oder „geschlossenen“ Zustand (nicht abgebildet) gebracht wird.
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Um eine solche Auslenkungsbewegung der Balkenstruktur 112 auslösen zu können, weist der MEM-Schalter 100 einen elektrostatischen Aktor 130 auf, der auf einfache und platzsparende Weise realisiert werden kann. Der Aktor 130 weist zwei flache Elektroden 131, 132 („Niederzugelektroden“) auf. Dabei ist die Elektrode 132 auf einer oberen Fläche der Balkenstruktur 112 angeordnet. Die andere Elektrode 131 ist auf der Fläche des Substrats 105 in einem Bereich unterhalb der Elektrode 132 angeordnet.
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Der Aktor 130 weist ferner eine Stromquelle 134, 135 (mit einer Gleichspannungsquelle 134 und einer Wechselspannungsquelle 135, wie weiter unten beschrieben), über die eine Spannung zwischen den beiden Elektroden 131, 132 angelegt werden kann, und einen Schalter 137 zur Steuerung des Anlegens der Spannung (vgl. 2) auf. Der Schalter 137 kann z.B. ein Transistor oder eine andere elektromechanische Schaltereinheit sein. Durch Anlegen einer elektrischen Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 131, 132 kann eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen diesen erzeugt werden, so dass die Balkenstruktur 112 in eine Richtung gegen das Substrat 105 gezogen wird (nicht abgebildet). Sobald das Anlegen des Spannungspotenzials an die Elektroden 131, 132 beendet oder unterbrochen wird, liegt keine Anziehungskraft mehr vor, und somit kann die Balkenstruktur 112 in ihren in 2 dargestellten ursprünglichen Zustand zurückkehren.
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Wie ferner in 1 und 2 angegeben, kann die auf der Balkenstruktur 112 angeordnete obere Elektrode 132 über einen Leiter 113 mit einer auf der Stützstruktur 115 angeordneten Kontaktfläche 114 verbunden sein. Die anderen Komponenten des Aktors 130, d.h. die Stromquelle 134, 135, der Schalter 137 und die jeweiligen Leiter, die diese Komponenten mit den beiden Elektroden 131, 132 verbinden, sind (nur) in Form eines äquivalenten Schaltplans in 2 angegeben.
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Der MEM-Schalter 100 weist ferner eine „überbrückende“ Kontaktanordnung mit zwei getrennten Kontaktelementen 121, 122 und einem weiteren streifenartigen Kontaktelement 111 auf, durch die die zwei getrennten Kontaktelemente 121, 122 miteinander verbunden werden können. Dabei ist das Kontaktelement 111 auf einer unteren Fläche der Balkenstruktur 112 im Bereich eines Endes gegenüber der Stützstruktur 115 angeordnet.
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Die zwei anderen Kontaktelemente 121, 122 des MEM-Schalters 100 sind auf der Fläche des Substrats 105 im Bereich des Kontaktelements 111 angeordnet. Jedes Kontaktelement 121, 122 kann einen im Wesentlichen dreieckigen Teil und einen streifenartigen Teil haben. Dabei sind die Kontaktelemente 121, 122 in einer solchen Weise angeordnet, dass ihre streifenartigen Teile einander gegenüberliegen und die Endabschnitte des anderen Kontaktelements 111 einen Bruchteil jedes der streifenartigen Teile der Kontaktelemente 121, 122 überlappen (vgl. 1). Die Kontaktelemente 121, 122 können mit einer auf dem Substrat 105 angeordneten elektrischen bzw. integrierten Schaltung verbunden oder Bestandteil davon sein (nicht abgebildet).
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In Bezug auf geeignete Materialien für die Komponenten des MEM-Schalters 100 kann die Balkenstruktur 112 z.B. ein dielektrisches oder isolierendes Material wie z.B. Siliciumnitrid aufweisen. Dasselbe gilt für die Ankerstruktur 115. Die leitenden Strukturen 113, 114, die Elektroden 131, 132 und die Kontaktelemente 111, 121, 122 können ein geeignetes leitendes Material aufweisen, z.B. ein metallisches Material. Das Substrat 105 kann z.B. ein Halbleiter- bzw. Siliciumsubstrat beinhalten oder kann alternativ ein anderes Material wie z.B. ein Glasmaterial aufweisen. Ferner kann das Substrat 105 (zumindest) im Bereich der Kontaktelemente 121, 122 ein isolierendes Material oder eine isolierende Schicht aufweisen. Diese Spezifizierung ist nur als Beispiel zu betrachten.
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Was die oben beschriebene elektrostatische Betätigung des MEM-Schalters 100 durch Anlegen einer Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 131, 132 betrifft, die zwischen dem Anker 115 und den Kontaktelementen 111, 121, 122 angeordnet sind, kann die Balkenstruktur 112 in einer solchen Weise ausgelenkt oder gebogen werden, dass das Kontaktelement 111 gegen die beiden Kontaktelemente 121, 122 bewegt wird und diese berührt (nicht abgebildet). Mit anderen Worten: der MEM-Schalter 100 wird von einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand geschaltet. In dieser Position wird über das Kontaktelement 111 eine elektrische Verbindung zwischen den beiden getrennten Kontaktelementen 121, 122 hergestellt, so dass zwischen den beiden Kontaktelementen 121, 122 elektrischer Strom fließen kann.
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Sobald das Anlegen des Spannungspotenzials an die Elektroden 131, 132 aufgehoben oder unterbrochen wird, liegt keine anziehende Betätigungskraft mehr vor. Folglich kehrt die Balkenstruktur 112 in die in 2 abgebildete Position zurück, in der das Kontaktelement 111 von den Kontaktelementen 121, 122 beabstandet ist, wodurch das Fließen von elektrischem Strom zwischen den Kontaktelementen 121, 122 verhindert wird. Mit anderen Worten: der MEM-Schalter 100 wird von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand geschaltet.
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Jedes Schaltereignis ist mit mechanischer Spannung verbunden, die sich insbesondere auf die Kontaktelemente 111, 121, 122 auswirken kann. Dies ist insbesondere bei einer großen Anzahl von Schaltzyklen der Fall. Die mechanische Spannung kann verringert werden, indem die Betätigungskraft, die zum Schließen des MEM-Schalters 100 und Halten des MEM-Schalters 100 im geschlossenen Zustand angewandt wird, verringert wird. Eine bloße Verringerung der Betätigungskraft ergibt jedoch eine Verringerung der Qualität des elektrischen Kontakts. Um dieses Problem zu vermeiden, soll eine modulierte Betätigungskraft erzeugt werden.
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Dazu weist die Aktoreinheit 130 des MEM-Schalters 100 eine Stromquelle mit einer Gleichspannungsquelle 134 und einer Wechselspannungsquelle 135 auf (vgl. 2). Infolgedessen wird eine modulierte Spannung, die aus einer mit Wechselspannung überlagerten Gleichspannung besteht, an die zwei Elektroden 131, 132 angelegt. Auf diese Weise kann eine resultierende Betätigungskraft, die auf die Balkenstruktur 112 einwirkt und eine periodische Modulation aufweist, auf eine einfache und effiziente Weise bereitgestellt werden. Dabei hat die Modulation eine konstante Frequenz.
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Jede Kurvenform kann in Bezug auf die Modulation der Spannung und somit in Bezug auf die Modulation der Betätigungskraft in Betracht gezogen werden, z.B. Sinus, Sägezahn, Rechteck etc. Ferner wird die Wechselspannung vorzugsweise mit einer Amplitude erzeugt, die weniger als ein Zehntel der Gleichspannung beträgt, so dass die Amplitude der Modulation der Betätigungskraft gleichermaßen weniger als ein Zehntel eines Mittelwerts der Betätigungskraft beträgt. Als Beispiel kann die Amplitude der Modulation in der Größenordnung von wenigen Prozent des Mittelwerts der Betätigungskraft liegen.
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Das Beaufschlagen der Betätigungskraft mit einer Modulation ermöglicht es, den elektrischen Kontakt zwischen dem Kontaktelement 111 und den anderen Kontaktelementen 121, 122 im geschlossenen Zustand des MEM-Schalters 100 zu verbessern. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Amplitude der Modulation weniger als ein Zehntel eines Mittelwerts der Betätigungskraft beträgt. Infolgedessen kann nur eine relativ niedrige Gleichspannung durch die Gleichspannungsquelle 134 bereitgestellt werden, wodurch die Betätigungskraft mit einer relativ geringen (mittleren) Größe bereitgestellt wird, was hinsichtlich der auf die Kontaktelemente 111, 121, 122 einwirkenden mechanischen Spannung günstig ist. Folglich können die Dauerbeständigkeit und somit die Lebensdauer des MEM-Schalters 100 verbessert werden. Damit kann der MEM-Schalter 100 Zuverlässigkeitsanforderungen z.B. hinsichtlich anspruchsvoller HF-Anwendungen erfüllen. Weiterhin ist es ebenfalls möglich, den MEM-Schalter 100 und den Aktor 130 mit einer einfach(er)en Konstruktion zu versehen (z.B. schwache Gleichspannungsquelle 134, geringere mechanische Festigkeit der beweglichen Teile etc.).
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Abhängig vom Anwendungsbereich des MEM-Schalters 100 kann das Schalten desselben ausgeführt werden, indem die Betätigungskraft mit einer vordefinierten Schaltfrequenz intermittierend bereitgestellt wird. Die Schaltfrequenz kann beispielsweise von einem Taktsignal abhängig oder gesteuert sein. In diesem Zusammenhang kann die Frequenz der Modulation der Betätigungskraft die Schaltfrequenz übersteigen und dadurch ein zuverlässiges Kontaktverhalten des MEM-Schalters 100 ermöglichen. Die Frequenz der Modulation kann beispielsweise ein Vielfaches der Schaltfrequenz betragen. Zum Beispiel kann bei einer Schaltfrequenz von 100 MHz die Frequenz der Modulation beispielsweise 500 MHz betragen.
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Das Beaufschlagen einer Betätigungskraft mit einer Modulation ist nicht auf MEM-Schalter beschränkt, sondern kann auch bei anderen elektromechanischen Schaltereinheiten angewandt werden. Insbesondere nanoelektromechanische (NEM-) Schaltereinheiten können in Betracht gezogen werden. Ein Beispiel wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
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3 stellt eine schematische Seitenansicht eines NEM-Schalters 200 dar. Der NEM-Schalter 200 (d.h. eine Vielzahl desselben) kann beispielsweise bei einer Logikanwendung, z.B. einem Mikrocontroller, Prozessor etc., verwendet werden. Der NEM-Schalter 200 hat eine Funktionalität, die mit einem Feldeffekttransistor (FET) vergleichbar ist. Dementsprechend werden die jeweiligen Elektroden oder Anschlüsse im Folgenden entsprechend als „Source“ S, „Gate“ G und „Drain“ D bezeichnet, wie es auch in 3 angegeben ist.
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Der NEM-Schalter 200 weist eine Balkenstruktur 212 auf, die im Folgenden auch als vorkragender Balken 212 bezeichnet wird. Der vorkragende Balken 212 ist auf einer Stützstruktur 215 angeordnet und kann mit dieser einstückig ausgebildet sein. Die Stützstruktur 215 ist auf einer Fläche eines Substrats 205 angeordnet und fungiert als Anker für den vorkragenden Balken 212, der - beginnend vom in 3 dargestellten getrennten oder „offenen“ Zustand des NEM-Schalters 200 - gegen das Substrat 205 bewegt oder gebogen werden kann, wodurch der NEM-Schalter 200 in einen verbundenen oder „geschlossenen“ Zustand (nicht abgebildet) gebracht wird.
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Der vorkragende Balken 212 weist ferner eine Spitzenstruktur 211 auf, die sich an einem Endabschnitt des vorkragenden Balkens 212 gegenüber der Stützstruktur 215 befindet. Unterhalb der Spitzenstruktur 211 ist ein Kontaktelement 220, auch als Drain-Anschluss D bezeichnet, auf der Fläche des Substrats 205 angeordnet. Im geschlossenen Zustand des NEM-Schalters 200 berührt die Spitzenstruktur 211 das Kontaktelement 220 und kontaktiert es somit. Dies ermöglicht ein Fließen elektrischen Stroms, im Folgenden auch als Drain-Strom ID bezeichnet, zwischen der Stütze 215, die als Source-Anschluss S wirkt, und dem Kontaktelement 220, das als Drain-Anschluss D wirkt, über den vorkragenden Balken 212, vorausgesetzt, es ist eine entsprechende Potenzialdifferenz zwischen Source S und Drain D vorhanden.
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Um eine Auslenkungsbewegung des vorkragenden Balkens 212 auslösen zu können, ist der NEM-Schalter 200 mit einem elektrostatischen Aktor 230 versehen. Hier wirkt der vorkragende Balken 212 zusätzlich als Elektrode des Aktors 230, wobei der Aktor 230 eine weitere Elektrode 231 aufweist. Die weitere Elektrode 231, die auch als Gate-Anschluss G bezeichnet wird, ist auf der Fläche des Substrats 205 unter dem vorkragenden Balken 212 (oder einem Bruchteil davon) und zwischen dem Anker 215 und dem Kontaktelement 220 angeordnet, wobei ein Spalt („Luftspalt“) zwischen der Elektrode 231 und der Balkenstruktur 212 bereitgestellt ist.
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Weitere Komponenten des Aktors 230 sind (nur) in Form eines äquivalenten Schaltplans in 3 angegeben. In diesem Zusammenhang weist der Aktor 230 eine Stromquelle 234, 235 (mit einer Gleichspannungsquelle 234 und einer Wechselspannungsquelle 235, wie weiter unten beschrieben) auf, über die eine Spannung zwischen den beiden Elektroden 212, 231 angelegt werden kann. Was den vorkragenden Balken 212 betrifft, wird das jeweilige elektrische Potenzial an die Stützstruktur 215 angelegt, die als Source-Anschluss S wirkt, wie in 3 angegeben. Die durch die Stromquelle 234, 235 angelegte Spannung wird im Folgenden auch als Gate-Source-Spannung VGS bezeichnet. Der Aktor 230 weist ferner einen Schalter 237 zum Steuern des Anlegens der Spannung VGS auf. Der Schalter 237 kann z.B. ein Transistor oder eine andere elektromechanische Schaltereinheit sein.
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In Bezug auf geeignete Materialien für die Komponenten des NEM-Schalters 200 weisen der vorkragende Balken 212, die Spitze 211 und die Stützstruktur 215 ein leitendes Material auf, beispielsweise ein dotiertes Halbleitermaterial bzw. dotiertes Silicium. Dasselbe gilt für die Elektrode 231 und das Kontaktelement 220. Das Substrat 205 kann beispielsweise ein Halbleiter- bzw. Siliciumsubstrat sein und weitere (nicht abgebildete) Strukturen, dotierte Bereiche, Schichten etc. aufweisen. Ein Beispiel ist eine isolierende Schicht im Bereich der Elektrode 231. Diese Spezifizierung ist nur als Beispiel zu betrachten.
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Durch Anlegen einer elektrischen Potenzialdifferenz VGS zwischen den beiden Elektroden 212, 231 kann eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen diesen erzeugt werden, so dass der vorkragende Balken 212 in eine Richtung gegen das Substrat 205 gezogen wird (nicht abgebildet). Mit anderen Worten: der NEM-Schalter 200 wird von einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand geschaltet. In diesem Zustand wird eine elektrische Verbindung zwischen der Spitzenstruktur 211 und dem Kontaktelement 220 hergestellt, was das Fließen eines Drain-Stroms ID ermöglicht.
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Sobald das Anlegen des Spannungspotenzials VGS an die Elektroden 212, 231 beendet oder unterbrochen wird, liegt keine Anziehungskraft vor, und somit kann der vorkragende Balken 212 in seinen in 3 abgebildeten ursprünglichen Zustand zurückkehren, in dem die Spitzenstruktur 211 vom Kontaktelement 220 beabstandet ist, und das Fließen eines Drain-Stroms ID wird verhindert. Mit anderen Worten: der NEM-Schalter 200 wird von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand geschaltet.
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Jedes Schaltereignis ist mit mechanischer Spannung verbunden, die sich insbesondere auf die Spitzenstruktur 211 und das Kontaktelement 220 auswirken kann. Dies ist insbesondere bei einer großen Anzahl von Schaltzyklen der Fall. Um dieses Problem zu vermeiden, soll wiederum eine modulierte Betätigungskraft erzeugt werden.
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Dazu weist die Aktoreinheit 230 des NEM-Schalters 200 eine Stromquelle mit einer Gleichspannungsquelle 234 und einer Wechselspannungsquelle 235 auf. Infolgedessen wird eine modulierte Spannung VGS an die beiden Elektroden 212, 231 angelegt, wodurch sich eine Betätigungskraft ergibt, die eine periodische Modulation mit einer konstanten Frequenz aufweist. Jede Kurvenform kann in Bezug auf die Modulation in Betracht gezogen werden, z.B. Sinus, Sägezahn, Rechteck etc. Darüber hinaus wird die Modulation bevorzugt in einer solchen Weise bereitgestellt, dass die Amplitude der Modulation weniger als Zehntel eines Mittelwerts der Betätigungskraft beträgt. Als Beispiel kann die Amplitude der Modulation in der Größenordnung von wenigen Prozent des Mittelwerts der Betätigungskraft liegen.
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Das Beaufschlagen der Betätigungskraft mit einer Modulation ermöglicht im geschlossenen Zustand des NEM-Schalters 200 eine Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen der Spitzenstruktur 211 und dem Kontaktelement 220. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Amplitude der Modulation weniger als Zehntel eines Mittelwerts der Betätigungskraft beträgt. Folglich kann nur eine relativ niedrige Gleichspannung durch die Gleichspannungsquelle 234 bereitgestellt werden, wodurch die Betätigungskraft mit einer relativ geringen (mittleren) Größe bereitgestellt wird, was hinsichtlich der auf die Spitzenstruktur 211 und das Kontaktelement 220 einwirkenden mechanischen Spannung günstig ist. Auf diese Weise können die Dauerbeständigkeit und somit die Lebensdauer des NEM-Schalters 200 verbessert werden, so dass der NEM-Schalter 200 z.B. bei einer (anspruchsvollen) Logikanwendung verwendet werden kann. Ferner ist es ebenfalls möglich, den NEM-Schalter 200 und den Aktor 230 mit einer einfach(er)en Konstruktion zu versehen (z.B. schwache Gleichspannungsquelle 234, geringere mechanische Festigkeit der beweglichen Teile etc.).
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Abhängig von der Anwendung des NEM-Schalters 200 kann das Schalten desselben ausgeführt werden, indem die Betätigungskraft mit einer vordefinierten Schaltfrequenz intermittierend bereitgestellt wird. Die Schaltfrequenz kann beispielsweise von einem Taktsignal abhängig oder gesteuert sein. In diesem Zusammenhang kann die Frequenz der Modulation der Betätigungskraft die Schaltfrequenz übersteigen und dadurch ein zuverlässiges Kontaktverhalten des NEM-Schalters 200 ermöglichen. Die Frequenz der Modulation kann beispielsweise ein Vielfaches der Schaltfrequenz betragen. Zum Beispiel kann bei einer Schaltfrequenz von 100 MHz die Frequenz der Modulation beispielsweise 500 MHz betragen.
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Die Bereitstellung eines verbesserten elektrischen Kontakts mit Hilfe einer modulierten Betätigungskraft kann auch in Bezug auf ein Hystereseverhalten günstig sein, das einem elektromechanischen Schalter eigen ist. In diesem Zusammenhang zeigt 4 eine schematische Kennlinie eine Drain-Stroms ID, der von einer Gate-Source-Spannung VGS abhängt, und veranschaulicht ein solches Hystereseverhalten beim Betätigen eines NEM-Schalters 200. Es wird darauf hingewiesen, dass ein ähnliches Verhalten auch auftreten kann, wenn der in 1 und 2 abgebildete MEM-Schalter 100 betätigt wird.
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Wie in 4 gezeigt, steigt die Spannung VGS ausgehend von einer Spannung VGS von null (d.h. offener Zustand des NEM-Schalters 200) stetig an, wobei kein Strom ID fließt („null Aus-Strom“). Das Schließen des NEM-Schalters 200 und somit ein steiler Anstieg des Stroms ID auf eine bestimmte Größe („Schwingen von null auf Vorschwellwert“) erfolgt bei einer Spannung VGS2 („Anzugsspannung“). Der Strom ID (d.h. die Größe des Stroms ID) bleibt gleich, wenn die Spannung VGS weiter erhöht wird. Mit anderen Worten: eine weitere Erhöhung der Spannung VGS kann die Anziehungskraft erhöhen, nicht aber den Strom ID. Wenn die Spannung VGS sinkt, erfolgt anschließend das Öffnen des NEM-Schalters 200 und somit ein Abfall des Stroms ID nicht bei der Spannung VGS2, sondern bei einer geringeren Spannung VGS1 („Abfallspannung“).
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Die oben beschriebene Modulation der Spannung VGS und somit der Betätigungskraft kann eine Verringerung eines solchen Hystereseverhaltens verursachen. Insbesondere kann eine Verringerung der Spannung VGS2 erreicht werden.
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Das Hystereseverhalten kann auch hinsichtlich einer Anwendung eines NEM-Schalters 200 in Form einer Speicherzelle verwendet werden. Hier stellen die beiden Schaltzustände des NEM-Schalters 200 (offen/geschlossen) Speicherzustände dar. Zur Betätigung kann eine Basisspannung VGS mit einer Größe zwischen VGS1 und VGS2 an den NEM-Schalter 200 angelegt werden. Die Programmierung des NEM-Schalters 200 kann durchgeführt werden, indem temporär die Spannung VGS so erhöht wird, dass sie die Spannung VGS2 übersteigt, und dann zur Basisspannung zwischen VGS1 und VGS2 zurückgekehrt wird. Auf diese Weise wird der NEM-Schalter 200 in den geschlossenen Zustand geschaltet, der „abgelesen“ werden kann, indem ein Drain-Strom ID erkannt wird, der von null verschieden ist. Das Löschen dieses Speicherzustands kann durchgeführt werden, indem temporär die Spannung VGS so gesenkt wird, dass sie kleiner als VGS1 ist, und dann zur Basisspannung zwischen VGS1 und VGS2 zurückgekehrt wird. Folglich wird der NEM-Schalter 200 zurück in den offenen Zustand geschaltet, der wieder „abgelesen“ werden kann, indem erkannt wird, dass der Drain-Strom ID null ist. In Bezug auf einen solchen Speicherbetrieb kann die Hysterese auch durch Anwendung einer geeigneten Modulation der Spannung VGS und somit der Betätigungskraft abgestimmt werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass ein NEM-Schalter 200 auch auf eine solche Weise konstruiert sein kann, dass die Spannung VGS1 negativ und die Spannung VGS2 positiv ist. Auf diese Weise kann die oben genannte Basisspannung mit einer Größe zwischen VGS1 und VGS2 null sein. In diesem Zusammenhang kann die Abstimmung des Hystereseverhaltens durch eine modulierte Betätigungskraft ebenfalls realisiert werden.
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5 stellt einen äquivalenten Schaltplan eines Umrichters dar und veranschaulicht ein weiteres Beispiel für die Anwendung von NEM-Schaltern. Der Umrichter weist zwei NEM-Schalter 201, 202 auf, wobei jeder der Schalter 201, 202 eine ähnliche Konstruktion besitzt wie der NEM-Schalter 200 aus 3. Die jeweiligen Anschlüsse S, G, D der Schalter 201, 202 sind in 5 ebenfalls angegeben.
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Der Umrichter kann beispielsweise eine C-NEM-Einheit sein, d.h. ein komplementärer nanoelektromechanischer Umrichter. Dabei kann beispielsweise der Schalter 201 ein p-Relais sein, das eine p-leitende Stütze 215, einen p-leitenden Balken 212 und eine p-leitende Spitze 211 aufweist. Der andere Schalter 202 kann ein n-Relais sein, das eine n-leitende Stütze 215, einen n-leitenden Balken 212 und eine n-leitende Spitze 211 aufweist.
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Die zwei Schalter 201, 202 sind an den Drain-Anschlüssen D miteinander verbunden. Die Drain-Anschlüsse D sind ferner mit einem Ausgangsanschluss verbunden, durch den ein Ausgangssignal oder eine Spannung Vaus ausgegeben wird. Eine mit einem Erdpotenzial 241 verbundene Lastkapazität 240 ist ebenfalls mit den Drain-Anschlüssen D der Schalter 201, 202 verbunden. Die Lastkapazität 240 kann eine Kombination parasitärer Umrichterkapazitäten und einer externen Lastkapazität darstellen, die beim Schalten des Umrichters geladen werden.
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Darüber hinaus wird eine Versorgungsspannung VDD an den Source-Anschluss S des Schalters 201 und das Erdpotential 241 an den Source-Anschluss S des Schalters 202 angelegt. Ein Eingangsanschluss, über den ein Eingangssignal oder eine Spannung Vein an den Umrichter angelegt werden kann, wird an die Gate-Anschlüsse G der Schalter 201, 202 angeschlossen.
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Über den abgebildeten Umrichter kann entweder die Spannung VDD oder das Erdpotenzial 241 als Eingangssignal Vein angelegt werden. Folglich werden die umgerichteten Signale Erde 241 oder VDD als Ausgangssignal Vaus ausgegeben. Was den Eingang von VDD betrifft, bleibt im Einzelnen der Schalter 201 offen (weil Gate G und Source S des Schalters 201 dasselbe Potenzial haben) und der Schalter 202 wird geschlossen (weil Gate G und Source S des Schalters 202 ein unterschiedliches Potenzial haben), so dass das an Source S des Schalters 202 angelegte Erdpotential 241 auf den Ausgangsanschluss „übertragen“ wird. Umgekehrt wird, was den Eingang des Erdpotentials 241 betrifft, der Schalter 201 geschlossen (weil Gate G und Source S des Schalters 201 ein unterschiedliches Potenzial haben) und der Schalter 202 bleibt offen (weil Gate G und Source S des Schalters 202 dasselbe Potenzial haben), so dass die an Source S des Schalters 201 angelegte Spannung VDD auf den Ausgangsanschluss „übertragen“ wird.
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Was die Umrichterschaltung von 5 betrifft, kann die Bereitstellung einer modulierten Betätigungskraft für die Schalter 201, 202 in Betracht gezogen werden, um die oben genannten Vorteile, insbesondere ein zuverlässigeres Kontaktverhalten, zu erreichen. Um dies zu erreichen, kann die Versorgungsspannung VDD eine Gleichspannung sein, die von einer kleinen Wechselspannungskomponente überlagert wird. Hinsichtlich weiterer Details wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Um die vorteilhaften Wirkungen einer Kraftmodulation auf die Kontaktqualität zu demonstrieren, wurden auf einem AFM-Mikroskop-Aufbau im leitenden Modus Versuche durchgeführt. Dabei kann die jeweilige AFM-Spitzen/Proben-Grenzfläche nanoskalige Kontakte simulieren, wie sie bei NEM-Schaltern vorkommen.
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Das verwendete AFM-Mikroskop wies einen Silicium-Hebelarm mit einer Platin-Silicid-Spitze auf. Eine Proben- oder Bodenelektrode, die unter dem Hebelarm angeordnet war, wurde von der Spitze kontaktiert. Zur Aufrechterhaltung einer konstanten Gleichspannungslastkraft während der Versuche wurden ein xyz-Scanner und ein Aufbau zur optischen Aufnahme der Durchbiegung verwendet. Zwischen dem Hebelarm und der Bodenelektrode wurde eine Gleichspannung angelegt. Ein Piezostellelement unterhalb der Basis des Hebelarms diente dazu, den Hebelarm mit einer Kraft zu beaufschlagen und damit eine Gleichspannungskraftmodulation bereitzustellen.
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Die Versuche zeigten, dass sich die Qualität des elektrischen Kontakts mit zunehmender Gleichspannungslastkraft verbessert, was durch eine Erhöhung des Stroms, der durch die Probe fließt, nachgewiesen wurde. Ferner wurde mit zunehmender Gleichspannungskraftmodulation eine stetige Verbesserung der Kontaktqualität beobachtet. Sogar bei geringen Lastkräften führte eine relativ kleine sinusförmige Kraftmodulation zu einer signifikant verbesserten Leitung. Experimentelle und Simulationsuntersuchungen zeigten, dass die Wechselspannungskraftmodulation nur einen Bruchteil der Gleichspannungslastkraft betrug. Darüber hinaus ließ sich eine gleichzeitige Verringerung der Seitenkräfte und damit der Reibung und des Verschleißes erkennen.
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Zur Veranschaulichung zeigt 6 gemessene Kurven 250, 251 eines Stroms I in µA in Abhängigkeit von einer Lastkraft F in nN, die bei diesen Versuchen erhalten wurden. Die Kurve 250 wurde mit Kraftmodulation gemessen, und die Kurve 251 wurde ohne Kraftmodulation gemessen. Wie aus einem Vergleich der Kurven 250, 251 geschlossen werden kann, verbessert die Kraftmodulation die Größe des Stroms I und somit die Kontaktqualität. Dies ist insbesondere bei geringen Lastkräften der Fall.
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Die in Verbindung mit den Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen sind Beispiele. Darüber hinaus können weitere Ausführungsformen, die weitere Modifikationen aufweisen, realisiert werden. Beispielsweise sind die genannten Spezifikationen bezüglich möglicher Materialien, Frequenzen etc. nur als Beispiele zu betrachten, die durch andere Spezifikationen ersetzt werden können. Ferner können elektromechanische Schaltereinheiten mit einer anderen Konstruktion oder Geometrie im Vergleich zu den abgebildeten Schaltereinheiten 100, 200 realisiert werden. Solche Schaltereinheiten können ferner verschiedene oder andere Strukturen bzw. Schichten aufweisen.
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Beispielsweise ist es möglich, bei dem MEM-Schalter 100 von 1 und 2 einfach eine flache Elektrode an der sich bis zur Ankerstruktur 115 erstreckenden Balkenstruktur 112 statt einer leitenden Struktur an der Balkenstruktur 112 mit der Elektrode 132, dem Leiter 113 und dem Kontaktbereich 114 bereitzustellen. Eine weitere potenzielle Modifikation besteht im Bereitstellen einer Balkenstruktur mit einer Konstruktion, die von der in 2 abgebildeten quaderförmigen Balkenstruktur 112 abweicht.
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Ferner ist es beispielsweise möglich, den MEM-Schalter 100 auf eine solche Weise zu modifizieren, dass ein elektrischer Strom - vergleichbar mit dem NEM-Schalter 200 aus 3 - im geschlossenen Zustand des Schalters über die Balkenstruktur 112 fließt. Dazu kann beispielsweise eine entsprechende leitende Struktur, die z.B. ein metallisches Material aufweist, auf der Balkenstruktur 112 angeordnet werden. Ferner kann anstelle der beiden Kontaktelemente 121, 122 nur ein Kontaktelement, das auf dem Substrat 105 angeordnet ist und von der oben genannten leitenden Struktur zu kontaktieren ist, bei einem solchen modifizierten MEM-Schalter bereitgestellt werden.
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Im Hinblick auf eine mögliche Modifikation des NEM-Schalters 200 von 3 ist es beispielsweise möglich, die Spitzenstruktur 211 wegzulassen, sofern eine elektrische Verbindung zwischen dem vorkragenden Balken 212 und der Elektrode 231 im geschlossenen Zustand des Schalters vermieden wird.
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Darüber hinaus ist es möglich, eine Modulation einer Betätigungskraft zu realisieren, die sich von der Überlagerung einer Gleichspannung mit einer Wechselspannung unterscheidet. Beispielsweise kann eine (Grund-)Betätigungskraft bereitgestellt werden, indem eine Gleichspannung an zwei Elektroden angelegt wird, wobei die Modulation der jeweiligen elektrostatischen Anziehungskraft durch eine weitere Komponente, z.B. eine piezoelektrische Komponente, bereitgestellt wird. Was beispielsweise den MEM-Schalter 100 von 1 und 2 betrifft, könnte ein entsprechendes piezoelektrisches Element an der Balkenstruktur 112 angeordnet werden.
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Anstatt des Ausführens einer Betätigung aufgrund einer elektrostatischen Anziehung zwischen zwei Elektroden können andere Betätigungsfunktionen genutzt werden. Ein Beispiel ist eine elektromagnetische Anziehung zwischen z.B. zwei Elektromagneten oder zwischen einem Dauermagneten und einem Elektromagneten. Dabei ist es möglich, eine modulierte Betätigungskraft nur auf der Basis der elektromagnetischen Anziehung bereitzustellen (z.B. Ansteuern eines Elektromagneten mit einer von einer Wechselspannung überlagerten Gleichspannung) oder eine elektromagnetische (Grund-)Anziehung mit einer weiteren Komponente, z.B. einer piezoelektrischen Komponente, zu kombinieren.
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Ferner wird bei den oben beschriebenen Schaltern 100, 200 die Betätigungskraft, die zum Betätigen des jeweiligen Schalters 100, 200 zum Wechseln vom einem getrennten in einen verbundenen Zustand angewandt wird, durchgehend mit einer Modulation beaufschlagt, d.h. sowohl im geschlossenen Zustand als auch in einem Zustand davor. Es ist jedoch alternativ dazu möglich, nur eine temporäre Modulation der Betätigungskraft bereitzustellen. Insbesondere kann eine Modulation nur angewandt werden, wenn sich der Schalter im Wesentlichen im geschlossenen Zustand befindet. Im Hinblick auf beispielsweise eine elektrostatische Betätigung kann dies beispielsweise realisiert werden, indem zunächst eine Gleichspannung an zwei Elektroden angelegt und anschließend zur Gleichspannung eine Wechselspannung hinzugefügt oder aufgeschaltet wird. Dabei kann z.B. eine vorbestimmte Verzögerungszeit angewandt werden, die zur Schaltkennlinie des jeweiligen Schalters passt.
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Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass zahlreiche Systeme mit einer Vielzahl oder einer Anordnung elektromechanischer Schaltereinheiten realisiert werden können, wobei die Schaltereinheiten mit einer Betätigungskraft gemäß den oben beschriebenen Ansätzen und Konzepten betätigt werden, wodurch eine verbesserte Kontaktzuverlässigkeit bei geringerer Kraft ermöglicht wird. Zu solchen Systemen können HF-Anwendungen gehören, wie z.B. bei Phased-Array-Antennen und rekonfigurierbaren Aperturantennen für Telekommunikationssysteme, Radarsystemen, Messausrüstung, Schaltnetzen für Satellitenkommunikation und einpoligen N-Umschaltern für drahtlose Anwendungen (portable Einheiten und Basisstationen). Ein weiteres Beispiel sind Logikanwendungen wie z.B. Fernelektronik-, Kraftfahrzeug- und Raumfahrtanwendungen.
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Obwohl hier bestimmte Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, ist für Fachleute ersichtlich, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Realisierungen die dargestellten und beschriebenen besonderen Ausführungsformen ersetzen können, ohne dass vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen würde. Diese Anmeldung soll sämtliche Adaptionen oder Variationen der hier erörterten besonderen Ausführungsformen abdecken. Deshalb soll diese Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente eingeschränkt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- MEM-Schalter
- 105
- Substrat
- 111
- Kontaktelement
- 112
- Balkenstruktur
- 113
- Leiter
- 114
- Kontaktbereich
- 115
- Stützstruktur
- 121, 122
- Kontaktelement
- 130
- Aktor
- 131, 132
- Elektrode
- 134
- Gleichspannungsquelle
- 135
- Wechselspannungsquelle
- 137
- Schalter
- 200
- NEM-Schalter
- 201
- P-Relais
- 202
- N-Relais
- 205
- Substrat
- 211
- Spitzenstruktur
- 212
- vorkragender Balken
- 215
- Stützstruktur
- 220
- Kontaktelement
- 230
- Aktor
- 231
- Elektrode
- 234
- Gleichspannungsquelle
- 235
- Wechselspannungsquelle
- 237
- Schalter
- 240
- Lastkapazität
- 241
- Erde
- 250
- gemessene Kurve (mit Kraftmodulation)
- 251
- gemessene Kurve (ohne Kraftmodulation)
- D
- Drain
- I
- Strom
- ID
- Drain-Strom
- F
- Lastkraft
- G
- Gate
- S
- Source
- VDD
- Versorgungsspannung
- VGS, VGS1, VGS2
- Gate-Source-Spannung
- Vein
- Eingangsspannung
- Vaus
- Ausgangsspannung