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WO2000057445A1 - Substratparallel arbeitendes mikrorelais - Google Patents

Substratparallel arbeitendes mikrorelais Download PDF

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WO2000057445A1
WO2000057445A1 PCT/CH2000/000152 CH0000152W WO0057445A1 WO 2000057445 A1 WO2000057445 A1 WO 2000057445A1 CH 0000152 W CH0000152 W CH 0000152W WO 0057445 A1 WO0057445 A1 WO 0057445A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
substrate
contact piece
microrelay
movable contact
dimensional
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/CH2000/000152
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Struempler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to AT00908889T priority Critical patent/ATE232331T1/de
Priority to EP00908889A priority patent/EP1163692B1/de
Priority to DE50001205T priority patent/DE50001205D1/de
Priority to US09/936,836 priority patent/US6613993B1/en
Publication of WO2000057445A1 publication Critical patent/WO2000057445A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/34—Stationary parts for restricting or subdividing the arc, e.g. barrier plate

Definitions

  • This invention relates to a micro relay for switching an electrical current on and off.
  • microrelays have recently been developed and investigated.
  • Related prior art can be found, for example, in H. F. Schlaak, F. Arndt, J. Schimkat, M. Hanke, Proc. Micro System Technology 96, 1996, pages 463-468.
  • R. Allen "Simplified Process is Used to Make Micromachined FET-like Four-Terminal Microswitches and Microrelays" in Electronic Design, July 8, 1996, page 31.
  • micro-relays are mounted on a substrate and have a movable contact piece on the substrate as well as an elastic suspension of the contact piece and an electrically actuable drive of the contact piece.
  • the drive which can work, for example, electrostatically, electromagnetically or piezoelectrically, the movable contact piece is moved from an open position to a closed position or vice versa, the elastic suspension providing a restoring force.
  • the contact piece for example, have elastic properties or be part of the drive.
  • Microrelays are manufactured using the known methods of semiconductor technology or comparable methods in microtechnology and are therefore particularly suitable for integration with other semiconductor technology devices, in particular integrated circuits or transistors.
  • microrelays have extraordinarily fast response times, especially in comparison to conventional electromagnetic relays, due to the small moving masses.
  • the necessary switching powers are very low, so that considerable power savings can be achieved, in particular when used multiple times in a larger circuit.
  • micro-relays not only take up small construction volumes due to their small design, but also have correspondingly low weights. After all, with suitable encapsulation, they are again extremely insensitive due to the small size and the small moving masses, both mechanically and thermally. The technician is therefore much more flexible when using microrelays than with conventional electromagnetic relays.
  • the invention is based on the technical problem of finding a microrelay which is improved compared to the prior art.
  • the invention solves this problem by means of a micro relay with a substrate, a movable contact piece on the substrate, an elastic suspension of the movable contact piece and an electrically actuable drive of the movable contact piece, characterized in that the movable contact piece is driven by the drive in the suspension in the is essentially movable parallel to the substrate, and by a method for producing a micro-relay of the above type, in which the movable contact piece receives at least a substantial part of its functional structure by means of a two-dimensional structuring method parallel to the substrate.
  • the microrelay according to the invention is thus characterized in that the movable contact piece has a direction of movement parallel to the substrate.
  • the movable contact piece thus moves to a certain extent in a planar manner and not, as in the prior art, more or less perpendicularly to the substrate plane.
  • the entire microrelay can be designed essentially in two dimensions, which fundamentally simplifies the use of typical microtechnological processes, in particular with regard to the necessary lithography, etching or coating steps.
  • a flat structure can also facilitate the possibilities of subsequent encapsulation or protection by a cover or the like.
  • the structure of the microrelay either partially, that is to say the structure of the movable contact piece, of the drive or of the elastic suspension, or of two-dimensionally as far as possible.
  • the function-determining structural elements are selected two-dimensionally in the substrate plane and can accordingly be implemented simply and uniformly in lithography and structuring.
  • silicon is a suitable structural material, also because if it is suitably doped, it can be both practically insulating and electrically conductive, if necessary. This is also possible by means of suitable implantation or diffusion steps in a manner adapted to the microrelay structure.
  • Buried layers can consist of SiO 2 , for example, and also to maximize the contact points with the established semiconductor technology processes.
  • silicon on SiO 2 or another insulator it is possible to use imported SOI (silicon on insulator) structures, in particular if single-crystal silicon is preferred as the building material, SIO MOX wafers.
  • SOI silicon on insulator
  • a rod arranged parallel to the substrate can be used, which preferably has a framework structure in order to achieve good stability with low weight. This makes structures that are insensitive to vibrations and shocks and quickly responsive with high resonance frequencies possible.
  • this truss structure can be implemented inexpensively with a two-dimensional structuring of the microrelay.
  • the movable contact piece can have an oblique contact surface, namely obliquely to the direction of movement and at the same time essentially perpendicular to the substrate plane. Due to the oblique arrangement of the contact surface, a relatively large contact surface can be achieved on contact with a corresponding complementary contact surface of a fixed contact piece without excessive physical expansion of the movable contact piece. At the same time, the oblique angle of attack between the direction of movement and the contact surface can also translate the force of the drive, especially if there is a corresponding second contact surface or other system on the side of the movable contact piece opposite the contact surface.
  • the movable or a fixed contact piece is designed so that in the closing movement, for example, by bending a contact If there is a noticeable cross component between the respective contact surfaces, ie a movement component in the surface direction, the contact quality can be improved.
  • An electrostatic version is preferably considered as the drive, because it has the advantage of both low supply powers and low supply voltages compared to electromagnetic or piezoelectric drives.
  • a toothed finger structure is preferred, which can be sensibly implemented in the two-dimensional structuring considered here according to the invention.
  • the elastic suspension is preferably provided by at least one meandering web. The details of these geometric designs are discussed in more detail in the description of the exemplary embodiments.
  • the invention also offers the possibility of installing an arcing chamber structure known from conventional circuit breakers, as shown in more detail in the third exemplary embodiment.
  • the invention relates both to a novel microrelay structure and to a two-dimensional structuring method designed for this purpose. Accordingly, the above explanations regarding the various individual aspects of the invention are to be understood both with regard to the disclosure of corresponding device features and with regard to method features.
  • Figures 1 and 2 the first embodiment in the open or closed state of the microrelay
  • FIGS 5 and 6 the third embodiment in the open or closed state.
  • the exemplary embodiments shown below can be produced using the technology described in the cited publication by C. Marxer et al, it being possible for the contact surfaces to be applied at an oblique angle by correspondingly increased vapor deposition. In principle, electrolytic contact reinforcements are also possible at selected points.
  • Figures 1 and 2 show a first embodiment with a movable contact piece, which has a rod 1 lying in the direction of movement with a truss structure constructed by transverse struts.
  • a truss structure constructed by transverse struts.
  • the movable contact piece can be moved in a double meandering web structure 6 in the horizontal direction in FIG. 1, ie parallel to the substrate.
  • 1 shows an open state of the microrelay, in which two parts of the fixed contact piece 5 are separated from one another
  • FIG. 2 shows the microrelay in the closed state shows in which the movable contact piece connects the two parts of the fixed contact piece 5.
  • the current flow I that is now possible is indicated.
  • the entire movable contact piece By removing a buried SiO 2 layer from the substrate, the entire movable contact piece, including the left side of the drive 7 and the elastic suspension 6 in the figures, is removed. The remaining parts shown, in particular the fixed contact piece 5 and the right side in the figures of the drive 7 are firmly connected to the substrate by the buried SiO 2 layer.
  • the force necessary for the movement is generated by a toothed finger structure designated 7, which is actuated by applying a voltage U in the manner shown in FIGS. 1 and 2.
  • the fingers are shown exaggeratedly far apart in FIG. 1, they can also extend into one another even in the open state.
  • the de-energized state thus corresponds to the open position shown in FIG. 1, whereas when a positive voltage is applied by the electrostatic attraction, the restoring force of the elastic suspension 6 is overcome and the closed position is established.
  • the meandering webs of the elastic suspension 6 and the fingers of the drive 7 are electrically conductive by appropriate doping.
  • the truss structure of the rod 1 is designed to isolate the potential of the drive from the switched route.
  • the contact surfaces 3 and 4 are covered with Au by appropriate oblique vapor deposition; the fixed contact piece 5 can correspond to a relatively solid metallic conductor track.
  • the contact-side tip of the movable contact piece between the two oblique contact surfaces 3 can also be covered with a sufficiently thick metal layer and thus electrically connect the two contact surfaces 3.
  • the illustrated case of a relay that is open in the de-energized state corresponds to the usual design of conventional electromagnetic relays, but is not mandatory. It is also possible, by electrostatic repulsion, or by electrostatic attraction of correspondingly attached fingers, to open a micro relay structure which is basically closed by the elastic suspension 6 by applying voltage.
  • FIGS. 3 and 4 show a second exemplary embodiment, only the details which differ from the first exemplary embodiment being explained.
  • the truss structure 2 of the movable contact piece carries at the contact-side end of the contact piece rod 1 a beam 8 which runs essentially transversely to the direction of the rod and has reinforced metal structures 9 located at both ends thereof, which are connected by a metallic bridge 10.
  • Analog contact surfaces 11 lie opposite each of the contact surfaces 9 on two parts of the fixed contact piece 5. In the closed position shown in FIG. 4, this structure has the advantage that a slight movement component between the contact surfaces 9 and 11 transversely due to a slight bending of the bar 8 results in the closing direction of the microrelay. Experience has shown that this improves the quality of the contact.
  • the third exemplary embodiment in FIGS. 5 and 6 shows a variant with an arcing chamber structure 12 constructed from vertical Si webs which are electrically insulated on the substrate by the buried SiO 2 layer.
  • the contact piece from the closed position shown in FIG. 6 to the open position shown in FIG. 5 can have an arc due to the rounded shape of the fixed contact piece 5 at the point designated by 13 and the rounded shape of the contact-side end 14 of the movable contact piece along the as Structure 13 acting rail are driven into the quenching chamber 12.
  • This is due to a curved shape of the arc 12 driven.
  • a curved shape of the arc is important due to the suitable shape at 13 and 14.
  • the third exemplary embodiment differs from the first and second in that the movable contact piece cannot connect approximately two separate parts of the fixed contact piece 5, but rather forms part of the current path to be switched. This is shown in FIGS. 5 and 6 by the reinforced lines in the area of the current path, i. H. in the area of the fixed contact piece 5, the arcing chamber 12, the movable contact piece, d. H. of the rod 1, which is made conductive here, the lower meandering suspension structure 6 in FIGS. 5 and 6 and the conductive connection between the left end of the structure in FIGS. 5 and 6 and the arcing chamber 12.

Landscapes

  • Micromachines (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)
  • Contacts (AREA)
  • Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)
  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein neues Mikrorelais zum Schalten elektrischer Ströme, bei dem sich ein bewegbares Kontaktstück 1 substratparallel bewegt.

Description

Substratparallel arbeitendes Mikrorelais
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Mikrorelais zum Ein- und Ausschalten eines elektrischen Stromes.
Konventionelle Relais, beispielsweise elektromagnetische Schütze, sind elektro- magnetisch betätigte Schalter mit einem beweglichen Kontaktstück, das durch die Wechselwirkung eines Elektromagneten mit einem beweglichen Teil seines Kerns betätigt wird. Anstatt einer detaillierten Darstellung dieses Standes der Technik wird als Beispiel verwiesen auf „New Electromagnetic Contactor with Wide Control Voltage Range" von P. Stephansson, H. Vefling, G. Johansson, CI. Henrion in ABB Review 1 /1997, Seite 29 ff.
Als Alternative zu solchen konventionellen Relais sind in jüngster Zeit sogenannte Mikrorelais entwickelt und untersucht worden. Diesbezüglicher Stand der Technik findet sich beispielsweise in H. F. Schlaak, F. Arndt, J. Schimkat, M. Hanke, Proc. Micro System Technology 96, 1996, Seiten 463-468. Es wird weiterhin verwiesen auf R. Allen: "Simplified Process is Used to Make Micromachined FET-like Four- Terminal Microswitches and Microrelays" in Electronic Design, 8 July, 1996, Seite 31.
Im allgemeinen sind Mikrorelais auf einem Substrat angebracht und weisen ein bewegbares Kontaktstück auf dem Substrat sowie eine elastische Aufhängung des Kontaktstückes und einen elektrisch betätigbaren Antrieb des Kontaktstückes auf. Mit dem Antrieb, der beispielsweise elektrostatisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch arbeiten kann, wird das bewegbare Kontaktstück von einer Öff- nungsposition in eine Schließposition oder umgekehrt bewegt, wobei die elastische Aufhängung für eine Rückstellkraft sorgt. Dabei können die einzelnen Teile auch kombiniert sein, das Kontaktstück beispielsweise elastische Eigenschaften haben oder Teil des Antriebs sein.
Mikrorelais werden durch die bekannten Verfahren der Halbleitertechnologie oder vergleichbare Verfahren der Mikrotechnik hergestellt und eignen sich insoweit besonders zur Integration mit anderen halbleitertechnologischen Einrichtungen, insbesondere integrierten Schaltungen oder Transistoren.
Daneben haben Mikrorelais insbesondere im Vergleich zu konventionellen elek- tromagnetischen Relais aufgrund der kleinen bewegten Massen außerordentlich schnelle Ansprechzeiten. Gleichzeitig sind die notwendigen Schaltleistungen sehr gering, so daß sich insbesondere bei mehrfacher Verwendung in einer größeren Schaltung erhebliche Leistungseinsparungen erzielen lassen.
Bei vielen Anwendungen ist es außerdem von erheblichem Interesse, daß moderne Mikrorelais aufgrund ihrer kleinen Bauweise nicht nur geringe Bauvolumina in Anspruch nehmen sondern auch entsprechend niedrige Gewichte aufweisen. Schließlich sind sie bei geeigneter Kapselung wiederum aufgrund der kleinen Baugröße und der kleinen bewegten Massen außerordentlich unempfindlich so- wohl in mechanischer als auch in thermischer Hinsicht. Der Techniker ist also bei der Anwendung von Mikrorelais sehr viel flexibler als bei konventionellen elektromagnetischen Relais.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Mikrorelais zu finden.
Dieses Problem löst die Erfindung durch ein Mikrorelais mit einem Substrat, einem bewegbaren Kontaktstück auf dem Substrat, einer elastischen Aufhängung des bewegbaren Kontaktstücks und einem elektrisch betätigbaren Antrieb des beweg- baren Kontaktstücks, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Kontaktstück durch den Antrieb in der Aufhängung im wesentlichen substratparallel bewegbar ist, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais der oben stehenden Art, bei dem das bewegbare Kontaktstück durch ein substratparalleles zweidi- mensionales Strukturierungsverfahren zumindest einen wesentlichen Teil seiner funktionalen Struktur erhält.
Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Mikrorelais zeichnet sich also dadurch aus, daß das bewegbare Kontaktstück eine substratparallele Bewegungsrichtung hat. Das bewegbare Kontaktstück bewegt sich also gewissermaßen planar und nicht, wie im Stand der Technik, mehr oder weniger senkrecht zur Substratebene. Hierdurch ergeben sich verschiedene Möglichkeiten für technische Verbesserungen. Zum einen kann das gesamte Mikrorelais im wesentlichen zweidimensional ausgeführt werden, was die Anwendung typischer mikrotechnologischer Verfahren, insbesondere im Hinblick auf notwendige Lithographie-, Ätz- oder Beschichtungs- schritte grundsätzlich vereinfacht. Zum zweiten läßt sich vermeiden, daß Teile des Mikrorelais in der Richtung senkrecht zur Substratebene in größerem Umfang von dem Mikrorelais abstehen und somit nachfolgende Lithographieschritte, beispielsweise im Zusammenhang mit benachbarten mikroelektronischen Schaltungen, behindern. Schließlich kann ein flacher Aufbau auch die Möglichkeiten einer späteren Verkapselung oder eines Schutzes durch eine Abdeckung oder dgl. erleichtern.
Es ist vor allem bevorzugt, die Struktur des Mikrorelais entweder teilweise, d. h. die Struktur des bewegbaren Kontaktstücks, des Antriebes oder der elastischen Aufhängung, oder insgesamt soweit wie möglich zweidimensional auszuführen. Dies bedeutet, daß bei der Auslegung der Geometrie die funktionsbestimmenden Strukturelemente zweidimensional in der Substratebene gewählt werden und dementsprechend einfach und einheitlich in Lithographie und Strukturierung umgesetzt werden können. Dabei ist es günstig, mit vergrabenen Schichten unter der die solchermaßen zweidimensional aufgebauten Teile bildenden Schicht zu arbeiten, wobei die vergrabenen Schichten an den geeigneten Stellen entfernt werden können, um be- stimmte Teile vom Substrat zu lösen und damit beispielsweise elastisch oder bewegbar zu gestalten.
Im Hinblick auf die Parallelität der Technologie zu mikroelektronischen Verfahren bietet sich als Strukturmaterial Silizium an, auch weil es bei geeigneter Dotierung je nach Notwendigkeit sowohl praktisch isolierend als auch elektrisch leitfähig ausgeführt sein kann. Dies ist durch geeignete Implantations- oder Diffusionsschritte auch in an die Mikrorelaisstruktur angepaßter Weise möglich.
Vergrabene Schichten können beispielsweise aus SiO2 bestehen, und zwar ebenfalls um die Berührungspunkte mit den etablierten halbleitertechnologischen Verfahren zu maximieren.
Bei Verwendung von Silizium auf SiO2 oder einem anderen Isolator kann dabei auf eingeführte SOI (Silicon on lnsulator)-Strukturen zurückgegriffen werden, ins- besondere, wenn einkristallines Silizium als Baumaterial bevorzugt ist, auf Sl- MOX-Wafer.
Günstige Strukturierungsverfahren für zweidimensionale Strukturen des Mikrorelais sind allgemein lonenätzverfahren und insbesondere RIE-Verfahren. Mit lo- nenätzverfahren lassen sich bei geeigneter Prozeßführung in verschiedenen Materialien nahezu vertikale Flanken in für diese Anwendung völlig ausreichenden Tiefen herstellen. Diese Verfahren sind außerdem auch bei größeren zu prozessierenden Flächen gleichmäßig und eignen sich gut für eine automatisierte Massenfertigung. Neben anderen etablierten lonenätzverfahren zeichnet sich das RIE-Verfahren durch eine große Auswahl bekannter Prozesse für verschiedenste Materialien bei gleichzeitig vertretbarem apparativem Aufwand und relativ hohen Ätzraten aus. Hierzu wird als technologisches Beispiel verwiesen auf „Vertical Mirrors Fabricated by Deep Reactive Ion Etching for Fiber-Optic Switching Applications" von C. Marxer et al, Journal of Microelectromechanical Systems, Band 6, Nr. 3, Septem- ber 1997, Seiten 277-285. Dort sind mikrooptische Schalter für faseroptische Anwendungen beschrieben, die durch einen RIE-Prozeß in Silizium auf vergrabenen SiO2-Schichten mit 75 μm hohen vertikalen Wänden strukturiert wurden. Die Offenbarung dieses Dokuments ist hier durch Inbezugnahme inbegriffen.
Zum Verbinden einer Kontaktfläche eines Kontaktstücks mit dem Antrieb kann ein substratparallel angeordneter Stab verwendet werden, der vorzugsweise eine Fachwerkstruktur aufweist, um bei geringem Gewicht eine gute Stabilität zu erzielen. Dadurch sind vibrations- und stoßunempfindliche und schnell ansprechende Strukturen mit hohen Resonanzfrequenzen möglich. Diese Fachwerkstruktur läßt sich im Hinblick auf den bei dieser Erfindung bevorzugten zweidimensionalen Aufbau mit einer zweidimensionalen Strukturierung des Mikrorelais günstig realisieren.
Weiterhin kann das bewegbare Kontaktstück eine schräge Kontaktfläche aufwei- sen, und zwar schräg zur Bewegungsrichtung und gleichzeitig im wesentlichen senkrecht zur Substratebene verlaufend. Durch die schräge Anordnung der Kontaktfläche kann bei Berührung mit einer entsprechenden komplementären Kontaktfläche eines feststehenden Kontaktstücks ohne zu große körperliche Ausdehnung des bewegbaren Kontaktstücks eine relativ große Kontaktfläche erzielt wer- den. Gleichzeitig kann durch den schrägen Anstellwinkel zwischen der Bewegungsrichtung und der Kontaktfläche auch eine Übersetzung der Kraft des Antriebs erzielt werden, vor allem wenn es auf der der Kontaktfläche entgegengesetzten Seite des bewegbaren Kontaktstückes eine entsprechende zweite Kontaktfläche oder anderweitige Anlage gibt.
Wenn das bewegbare oder ein feststehendes Kontaktstück so ausgelegt ist, daß sich in der Schließbewegung beispielsweise durch eine Verbiegung eines Kon- taktstückes eine spürbare Querkomponente zwischen jeweiligen Kontaktflächen, d. h. eine Bewegungskomponente in Flächenrichtung, ergibt, kann die Kontaktqualität verbessert werden.
Als Antrieb kommt bevorzugt eine elektrostatische Ausführung in Betracht, weil sie gegenüber elektromagnetischen oder piezoelektrischen Antrieben den Vorteil sowohl geringer Versorgungsleistungen als auch niedriger Versorgungsspannungen aufweist. Um den grundsätzlichen Nachteil elektrostatischer Antriebe, nämlich die relativ niedrigen Antriebskräfte, auszugleichen, ist eine verzahnt angeordnete Fin- gerstruktur bevorzugt, die sich gerade bei der hier erfindungsgemäß in Betracht stehenden zweidimensionalen Strukturierung sinnvoll realisieren läßt.
Die elastische Aufhängung ist vorzugsweise durch zumindest einen mäanderför- mig ausgebildeten Steg gegeben. Auf die Einzelheiten dieser geometrischen Gestaltungen wird bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele näher eingegangen.
Schließlich ergibt sich mit der Erfindung auch die Möglichkeit, eine von konventionellen Leistungsschutzschaltern her bekannte Löschkammerstruktur einzubauen, wie im dritten Ausführungsbeispiel näher dargestellt.
Wie ausgeführt, bezieht sich die Erfindung sowohl auf eine neuartige Mikrorelais- struktur als auch auf ein hierzu ausgelegtes zweidimensionales Strukturierungs- verfahren. Dementsprechend sind die obenstehenden Ausführungen zu den ver- schiedenen Einzelaspekten der Erfindung sowohl im Hinblick auf die Offenbarung entsprechender Vorrichtungsmerkmale als auch im Hinblick auf Verfahrensmerkmale zu verstehen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden mit Hilfe der folgenden drei Ausfüh- rungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die dabei offenbarten Einzelmerkmale können auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
Die Figuren 1 und 2 das erste Ausführungsbeispiel im geöffneten bzw. geschlossenen Zustand des Mikrorelais;
die Figuren 3 und 4 das zweite Ausführungsbeispiel im geöffneten bzw. geschlossenen Zustand; und
die Figuren 5 und 6 das dritte Ausführungsbeispiel im geöffneten bzw. geschlos- senen Zustand.
Die im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispiele können mit der in der zitierten Veröffentlichung von C. Marxer et al dargestellten Technologie hergestellt werden, wobei die Kontaktflächen durch entsprechend verstärkte Aufdampfungen unter schrägem Winkel aufgebracht werden können. Es sind im Prinzip auch elektrolytische Kontaktverstärkungen an ausgewählten Stellen möglich.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem bewegbaren Kontaktstück, das einen in Bewegungsrichtung liegenden Stab 1 mit einem durch querverlaufende Verstrebungen aufgebauten Fachwerkaufbau aufweist. An der in der Figur rechten Seite des Stabes 1 liegen zwei schräg zu der in den Figuren der Horizontalen entsprechenden Bewegungsrichtung und senkrecht zu der der Zeichenebene entsprechenden Substratebene verlaufende Kontaktflächen 3 des bewegbaren Kontaktstückes und zwei komplementäre Kontaktflächen 4 eines fest- stehenden Kontaktstücks 5.
Das bewegbare Kontaktstück ist aufgrund einer elastischen Aufhängung in einer doppelten mäanderförmigen Stegstruktur 6 in in Figur 1 horizontaler Richtung, d. h. substratparallel, bewegbar. Dabei zeigt Figur 1 einen geöffneten Zustand des Mikrorelais, bei dem zwei Teile des feststehenden Kontaktstücks 5 voneinander getrennt sind, wohingegen Figur 2 das Mikrorelais im geschlossenen Zustand zeigt, in dem das bewegbare Kontaktstück die beiden Teile des feststehenden Kontaktstücks 5 verbindet. Der nun mögliche Stromfluß I ist angedeutet.
Durch Entfernen einer vergrabenen SiO2-Schicht vom Substrat gelöst ist dabei das gesamte bewegbare Kontaktstück einschließlich der in den Figuren linken Seite des Antriebs 7 und der elastischen Aufhängung 6. Die übrigen dargestellten Teile, insbesondere das feststehende Kontaktstück 5 und die in den Figuren rechte Seite des Antriebs 7 sind durch die vergrabene SiO2-Schicht fest mit dem Substrat verbunden.
Die für die Bewegung notwendige Kraft wird erzeugt durch eine mit 7 bezeichnete verzahnte Fingerstruktur, die durch Anlegen einer Spannung U in der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Weise betätigt wird. Die Finger sind in Figur 1 übertrieben weit auseinander gezogen dargestellt, sie können auch im offenen Zustand noch ineinander hineinreichen. Der spannungslose Zustand entspricht also der in Figur 1 dargestellten offenen Position, wohingegen bei Anlegen einer positiven Spannung durch die elektrostatische Anziehung die Rückstellkraft der elastischen Aufhängung 6 überwunden und die geschlossene Position hergestellt wird.
Durch entsprechende Dotierungen sind die mäanderförmigen Stege der elastischen Aufhängung 6 und die Finger des Antriebs 7 elektrisch leitend. Im Gegensatz dazu ist der Fachwerkaufbau des Stabes 1 isolierend ausgeführt, um den Antrieb gegenüber der geschalteten Strecke im Potential zu trennen. Die Kontaktflächen 3 und 4 sind durch entsprechende Schrägbedampfungen mit Au belegt; das feststehende Kontaktstück 5 kann dabei einer relativ massiv ausgeführten metallischen Leiterbahn entsprechen. Um den Ohmschen Widerstand in der geschlossenen Position zu verringern, kann auch die kontaktseitige Spitze des bewegbaren Kontaktstücks zwischen den beiden schrägen Kontaktflächen 3 mit einer ausreichend dicken Metallschicht belegt sein und somit die beiden Kontaktflä- chen 3 elektrisch verbinden. Der dargestellte Fall eines im spannungsfreien Zustand offenen Relais entspricht der üblichen Ausführung konventioneller elektromagnetischer Relais, ist jedoch nicht zwingend. Es kann auch durch elektrostatische Abstoßung, oder durch elektrostatische Anziehung von entsprechend gegensinnig angebrachten Fingern, eine durch die elastische Aufhängung 6 grundsätzlich geschlossene Mikrore- laisstruktur durch Spannungsbeaufschlagung geöffnet werden.
Die Figuren 3 und 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei nur die von dem ersten Ausführungsbeispiel abweichenden Einzelheiten erläutert werden.
Und zwar trägt die Fachwerkstruktur 2 des bewegbaren Kontaktstücks an dem kontaktseitigen Ende des Kontaktstückstabes 1 einen im wesentlichen quer zur Richtung des Stabes verlaufenden Balken 8 mit an seinen beiden Enden befindlichen verstärkten Metallstrukturen 9, die durch eine metallische Brücke 10 verbun- den sind. Jeweils gegenüberliegend den Kontaktflächen 9 liegen analoge Kontaktflächen 11 an zwei Teilen des feststehenden Kontaktstückes 5. In der in Figur 4 dargestellten geschlossenen Position hat diese Struktur den Vorteil, daß sich durch eine leichte Verbiegung des Balkens 8 eine kleine Bewegungskomponente zwischen den Kontaktflächen 9 und 11 quer zur Schließrichtung des Mikrorelais ergibt. Dadurch kann die Qualität des Kontaktes erfahrungsgemäß verbessert werden.
Das dritte Ausführungsbeispiel in den Figuren 5 und 6 zeigt eine Variante mit einer aus vertikalen Si-Stegen, die durch die vergrabene SiO2-Schicht elektrisch isoliert auf dem Substrat stehen, aufgebauten Löschkammerstruktur 12. Beim Öffnen des Mikrorelais, also bei einer Bewegung des bewegbaren Kontaktstücks von der in Figur 6 dargestellten geschlossenen Position in die in Figur 5 dargestellte geöffnete Position kann dementsprechend ein Lichtbogen durch die gerundete Form des feststehenden Kontaktstückes 5 an der mit 13 bezeichneten Stelle und durch die gerundete Form des kontaktseitigen Endes 14 des bewegbaren Kontaktstücks entlang der als Laufschiene wirkenden Struktur 13 in die Löschkammer 12 getrieben werden. Hierbei ist eine gebogene Form des Lichtbogens aufgrund 12 getrieben werden. Hierbei ist eine gebogene Form des Lichtbogens aufgrund der geeigneten Formgebung bei 13 und 14 von Bedeutung.
Im übrigen unterscheidet sich das dritte Ausführungsbeispiel von dem ersten und zweiten dadurch, daß das bewegbare Kontaktstück nicht etwa zwei getrennte Teile des feststehenden Kontaktstücks 5 verbinden kann, sondern selbst ein Teil des zu schaltenden Strompfades bildet. Dies ist in den Figuren 5 und 6 durch die verstärkte Linienführung im Bereich des Strompfades dargestellt, d. h. im Bereich des feststehenden Kontaktstückes 5, der Löschkammer 12, des bewegbaren Kontaktstücks, d. h. des Stabes 1 , der hier leitend ausgeführt ist, der in den Figuren 5 und 6 unteren mäanderförmigen Aufhängungsstruktur 6 und der leitenden Verbindung zwischen dem in den Figuren 5 und 6 linken Ende der Struktur und der Löschkammer 12.

Claims

Ansprüche:
1. Mikrorelais mit
einem Substrat,
einem bewegbaren Kontaktstück (1) auf dem Substrat,
einer elastischen Aufhängung (6) des bewegbaren Kontaktstücks (1 ) und
einem elektrisch betätigbaren Antrieb (7) des bewegbaren Kontaktstücks (1 ).
dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Kontaktstück (1 ) durch den Antrieb (7) in der Aufhängung (6) im wesentlichen substratparallel bewegbar ist.
2. Mikrorelais nach Anspruch 1 , bei dem das bewegbare Kontaktstück (1 ) zumindest einen wesentlichen Teil seiner funktionalen Struktur in Form einer zweidimensionalen Struktur in einer substratparallelen Ebene aufweist.
3. Mikrorelais nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die elastische Aufhängung (6) zumindest einen wesentlichen Teil ihrer funktionalen Struktur in Form einer zweidimensionalen Struktur in einer substratparallelen Ebene aufweist.
4. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Antrieb (7) zumindest einen wesentlichen Teil seiner funktionalen Struktur in Form einer zweidimensionalen Struktur in einer substratparallelen Ebene aufweist.
5. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 2 bis 4 mit einer zwischen der zweidimensionalen Struktur (1 , 6, 7) und dem Substrat angeordneten vergrabenen Schicht, die unter bewegbaren Strukturteilen entfernt ist.
6. Mikrorelais nach einem der Ansprüche 2 bis 4, auch in Verbindung mit Anspruch 5, bei dem die zweidimensionale Struktur (1 , 6, 7) im wesentlichen aus Si besteht.
7. Mikrorelais nach Anspruch 5, auch in Verbindung mit Anspruch 6, bei dem die vergrabene Schicht im wesentlichen aus SiO2 besteht.
8. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das bewegbare Kontaktstück einen substratparallel angeordneten Stab (1 ) aufweist, der eine Kontaktfläche (3, 9, 14) mit dem Antrieb (7) verbindet.
9. Mikrorelais nach Anspruch 8, bei dem der Stab (1 ) eine Fachwerkstruktur (2) aufweist.
10. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das beweg- bare Kontaktstück (1 ) eine schräg zur Bewegungsrichtung und senkrecht zum Substrat verlaufende Kontaktfläche (3) aufweist.
11. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem sich bei einer das Mikrorelais schließenden Bewegung des bewegbaren Kontaktstük- kes (1 ) eine Querbewegungskomponente zwischen Kontaktflächen (9, 1 1 ) des bewegbaren Kontaktstückes (1 ) und eines feststehenden Kontaktstük- kes (5) ergibt.
12. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Antrieb eine elektrostatisch wirkende verzahnte Fingerstruktur (7) aufweist.
13. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die elastische Aufhängung einen mäanderförmigen Steg (6) aufweist.
14. Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Löschkam- merstruktur (12).
15. Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais nach einem der vorstehenden Ansprüche bei dem das bewegbare Kontaktstück (1 ) durch ein substratparalleles zweidimensionales Strukturierungsverfahren zumindest einen wesentlichen Teil seiner funktionalen Struktur erhält.
16. Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1- 14, bei dem der Antrieb (7) durch ein substratparalleles zweidimensionales Strukturierungsverfahren zumindest einen wesentlichen Teil seiner funktio- nalen Struktur erhält.
17. Verfahren zur Herstellung eines Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1- 14, bei dem die elastische Aufhängung (6) durch ein substratparalleles zweidimensionales Strukturierungsverfahren zumindest einen wesentlichen Teil ihrer funktionalen Struktur erhält.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem das zweidimensionale Strukturierungsverfahren ein lonenätzverfahren ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das lonenätzverfahren ein RIE- Verfahren ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem eine zwischen der zweidimensionalen Struktur (1 , 6, 7) und dem Substrat angeordnete ver- grabene Schicht teilweise entfernt wird, um Strukturteile vom Substrat zu lösen.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei dem die zweidimensionalen Strukturen (1 , 6, 7) im wesentlichen aus Si bestehen.
22. Verfahren nach Anspruch 20, auch in Verbindung mit Anspruch 21 , bei dem die vergrabene Schicht im wesentlichen aus SiO2 besteht.
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