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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Miniaturschalter und insbesondere
auf einen kapazitiven MEMS-Schalter, der nützlich ist bei Radar- und anderen
Mikrowellenanwendungen.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Eine
Vielzahl von MEMS (mikroelektromechanischen System)-Schaltern ist
in Verwendung, oder zur Verwendung vorgeschlagen, in Radar- und Kommunikationssystemen,
sowie auch anderen Hochfrequenzschaltkreisen zum Steuern von HF-Signalen.
Diese MEMS-Schalter sind insoweit beliebt, als sie eine relativ
hohe Impedanz im ausgeschalteten Zustand aufweisen können, mit
einer niedrigen Kapazität
im ausgeschalteteten Zustand, und einer relativ niedrigen Impedanz
im eingeschalteten Zustand, mit einer hohen Kapazität im eingeschalteten Zustand,
was zu wünschenswerten
hohen Abschaltfrequenzen sowie einem Betrieb mit großer Bandbreite
führt.
Zusätzlich
haben die MEMS-Schalter eine kleine Standfläche, können bei hohen HF-Spannungen
betrieben werden und sind kompatibel mit herkömmlichen Herstellungstechniken
für integrierte Schaltkreise.
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Solch
ein HF-MEMS-Schalter ist zum Beispiel im Dokument EP-A 0 709 911
offenbart.
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Viele
dieser MEMS-Schalter haben im Allgemeinen elektrostatische Elemente,
wie zum Beispiel gegenüberliegende
Elektroden, welche zueinander hingezogen werden bei Anlegung einer
Gleichstromsteuerungsspannung zum Herabziehen. Eine gegenüberliegende
Elektrode ist festgelegt an der Unterseite einer zweiarmigen beweglichen
Brücke
oberhalb der Herabziehelektrode. Bei Anlegung der Gleichstromsteuerungsspannung
zum Herabziehen wird die Brücke
nach unten gebogen und durch die sich einstellende besonders hohe
kapazitive Kopplung, wird die elektrische Impendanz wesentlich reduziert zwischen
dem ersten und zweiten voneinander beanstandet angebrachten HF-Leiter
auf einem Substratelement, wodurch ermöglicht wird, dass sich ein
Signal zwischen dem ersten und zweiten Leiter ausbreitet.
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In
dem kapazitiven MEMS-Schalter ist eine dielektrische Schicht auf
dem ersten Leiter abgeschieden in einem Bereich, der der Unterseite
der zweiarmigen beweglichen Brücke
gegenüberliegt, wobei
dieser Bereich auf dem Leiter als die Herabziehelektrode wirkt.
Mit dieser Anordnung liegt die volle Spannung zum Herabziehen über der
dielektrischen Schicht an, was zu einem relativ hohen elektrischen Feld über das
Dielektrikum hinweg führt.
Dieses hohe Feld führt
zu einer Ladungsanhäufung
auf der Oberfläche,
wie auch im Volumen des Dielektrikums. Hat das Dielektrikum erst
einmal genügend
Ladung angehäuft,
so wird der Schalter versagen, da die Ladung dafür sorgt, dass der Schalter
geschlossen bleibt, selbst dann, wenn die Spannung zum Herabziehen
entfernt wird.
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Ein
anderes Problem bei herkömmlichen
kapazitiven MEMS-Schaltern tritt auf, wenn dieser Schalter schließt. Das
hohe elektrische Feld über
das Dielektrikum hinweg vergrößert sich
exponentiell, während
sich die Brücke
dem Dielektrikum annähert, bis
sie in Kontakt tritt mit dem Dielektrikum. Das hohe Feld, das erzeugt
wird während
des Schließens
des Schalters, sorgt dafür,
dass Metall von der Brücke
auf dem Dielektrikum abgeschieden wird, wodurch der Wert der Kapazität in der
geschlossenen Position auf nicht akzeptable Werte verschlechtert
wird.
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Zusätzlich wurden
Arbeiten geleistet bei der Entwicklung von Metall-Metall MEMS-Schaltern,
wo die bewegliche Metallbrücke
direkt mit der unteren Metallplatte in Kontakt tritt. Diese Art
von Schalter ist nützlich,
da sie über
große
Bandbreiten arbeitet, jedoch nutzen sich die Metallkontakte nach
ungefähr einer
Million Schaltzyklen ab. Der Vorteil des kapazitiven Schalters ist,
dass die Gegenwart der dielektrischen Schicht die Abnutzung der
Schaltkontakte vermeidet, und eine Betriebsdauer von ungefähr zehn Milliarden
Schaltzyklen gezeigt hat.
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Die
vorliegende Erfindung schafft diese unerwünschten Lade- und Metallabscheidungsprobleme in
einem kapazitiven MEMS-Schalter ab.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
kapazitiver MEMS-Schalter wird beschrieben und umfasst ein Substratelement
mit einer Leiteranordnung, die auf dem Substrat abgeschieden ist.
Die Leiteranordnung umfasst einen ersten und zweiten HF-Leiter und
hat eine dielektrische Schicht, die abgeschieden ist auf einem Teil
der Leiteranordnung. Ein Brückenelement
ist über
einem Bereich der Leiteranordnung positioniert und hat einen mittigen Bereich
mit einem ersten und zweiten Arm, die sich von dem mittigen Bereich
wegerstrecken und gestützt
werden durch ein erstes bzw. zweites Stützelement. Die Leiteranordnung
legt einen offenen Bereich fest, sowie eine Herabziehelektrode mit
einer Höhe,
die geringer ist, als die der Leiteranordnung, und welche angeordnet
ist innerhalb dieses offenen Bereichs, und welche im Wesentlichen
umgeben ist durch die Leiteranordnung. Während des Betriebs wird der
mittige Bereich des Brückenelements
zu der Leiteranordnung hingezogen nach Anlegen einer Steuerungsspannung
an die Herabziehelektrode, um eine relativ niedrige Impedanz darzustellen,
und es einem Signal zu erlauben, sich zwischen dem ersten und zweiten
HF-Leiter auszubreiten. Die hier beschriebene Erfindung entfernt
jeglichen Gleichspannungsanteil von dem im Schalter verwendeten
Dielektrikum. Die Spannung zum Herabziehen liegt an zwischen dem
oberen Metall und der Herabziehelektrode, mit Luft dazwischen. Dies
eliminiert die Aufladung des Dielektrikums, die bei kapazitiven MEMS-Schaltern
zu Problemen führt,
und eliminiert auch die Abscheidung von Material auf der dielektrischen
Oberfläche,
was die untere Kapazität
verschlechtert.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verständlich anhand der im Nachfolgenden
bereitgestellten ausführlichen
Beschreibung und der beigefügten
Zeichnungen, welche nicht notwendigerweise maßstäblich sind, und welche nur
zu Veranschaulichungszwecken beigefügt sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
ebene Ansicht eines kapazitiven MEMS-Schalters in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Ansicht längs
der Linie 2-2 der 1;
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3 eine
Explosionsdarstellung des in 1 gezeigten
Schalters;
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4 eine
Explosionsdarstellung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 3 ist gezeigt,
wie der verbesserte kapazitive MEMS-Schalter 10 eine Leiteranordnung
umfasst, die aus einem ersten und zweiten voneinander beabstandeteten
HF-Leiter 12 und 13 besteht, typischerweise 50
Ohm Mikrostreifen, die abgeschieden sind auf einem Substrat 14,
wie z. B. Galliumarsenit, Silizium, Tonerde oder Saphir.
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Der
Schalter 10 umfasst ein metallisches Brückenelement 16 mit
zwei flexiblen Armen 19 und 20, die sich von einem
vergrößerten mittigen
Bereich 21 wegerstrecken. Die äußeren Enden der Arme sind verbunden
mit jeweiligen Stützelementen 24 und 25, von
denen zumindest eines, 24, verbunden ist mit einem Leiter 13,
und metallisch ist, um so eine elektrisch durchgängige Verbindung zu schaffen.
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Wie
am Besten aus 3 ersichtlich, hat der erste
Leiter 12 ein Ende 28 mit einem offenen Bereich 30,
welcher durch die Zweige 32 und 33 festgelegt
ist. Eine dielektrische Schicht 36 ist abgeschieden am
Ende 28, um einen kapazitiven MEMS-Schalter festzulegen.
Auf dem Substrat angebracht innerhalb des offenen Bereichs 30 und
im Wesentlichen umgeben durch die Zweige 32 und 33 ist
eine Herabziehelektrode 38 mit einer Höhe, die geringer ist als die
der Zweige 32 und 33, wie am Besten aus 2 ersichtlich.
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Die
Herabziehelektrode 38 ist durch einen Dünnfilmvorwiderstand 40 mit
einer Kontaktfläche 42 verbunden,
an welche ein von der Quelle 44 Spannungssignal zum Herabziehen
angelegt wird. Die tatsächliche
Herabziehelektrode 38 kann auch hergestellt sein aus demselben
Widerstandsmaterial wie der Vorwiderstand 40. Nach Anlegen
dieser Spannung zum Herabziehen an die Kontaktfläche 42, wird die Brücke 16 heruntergebogen
durch die elektrostatische Anziehung zwischen der Herabziehelektrode und
der Unterseite 46 der Brücke. D. h., dass die Brücke 16 von
einer normalerweise ausgeschalteten Position, wie durch das gestrichelte
Element in 2 veranschaulicht, in die in
der Zeichnung dargestellte einge schaltete Position übergeht.
Um der Brücke 16 im
Kontaktbereich Steifigkeit zu verleihen, kann ein Versteifungselement 50 abgeschieden
werden auf der Oberseite des mittigen Bereichs 21. Dies
stellt einen guten Kontakt sicher und vermeidet auch ein Durchbiegen
der Brücke 16,
was zu einem Kurzschluss mit der Herabziehelektrode 38 führen würde.
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Im
Allgemeinen ist es in einem MEMS-Schalte wünschenswert, eine extrem hohe
Impedanz zu haben in einem offenen oder augeschalteten Zustand,
um eine Signalausbreitung zwischen Leitern wesentlich zu vermindern
oder zu verhindern, und in einem geschlossenen oder eingeschalteten
Zustand eine extrem niedrige Impedanz zu haben, um eine Signalausbreitung
zu ermöglichen.
Für einen
kapazitiven MEMS-Schalter wird das Verhältnis zwischen der Impedanz
im ausgeschalteten Zustand zur Impedanz im eingeschalteten Zustand
im Wesentlichen bestimmt durch die Kapazität des Schalters in diesen Zuständen. Mit
der vorliegenden Erfindung kann die Kapazitätskontaktgeometrie optimiert
werden für
das höchstmögliche Kapazitätsverhältnis. Da
es kein elektrisches Feld durch die dielektrische Schicht 36 hindurch
gibt, dient das Dielektrikum nur als ein mechanischer Anschlag für den mittigen
Bereich 21 der Brücke 16,
wenn die Spannung zum Herabziehen angelegt wird um den Schalter
zu schließen.
Dies ermöglicht
es der dielektrischen Schicht viel dünner zu sein, als die dielektrische
Schicht der herkömmlichen kapazitiven
MEMS-Schalter, welche die Spannung zum Herabziehen aushalten müssen. Schalteraufbauten
gemäß der vorliegenden
Erfindung können Kapazitätsverhältnisse
(im eingeschalteten zum ausgeschalteten Zustand) in der Größenordnung
von 100 zu 1 oder größer, aufweisen.
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Zusätzlich kann
die dielektrische Schicht relativ dünn ausgeführt sein und ausgewählt sein
aus einer Klasse von Materialien, die ausgewählt wird wegen ihrer Härte, ihrer
hydrophoben Oberfläche oder
anderen gewünschten
Eigenschaften, und unabhängig
sein von einer Durchbruchspannung. Es ist nicht länger notwendig.
Materialien zu verwenden, wie z. B. Siliziumnitrid, welches gegenwärtig verwendet
wird wegen seiner hohen Durchbruchspannungseigenschaften und weil
es eine dielektrische Konstante von 6,4 aufweist. Andere Materialien
mit dielektrischen Konstanten von ungefähr 180 können verwendet werden, was
zu einer dreißigfachen
Verbesserung im Kapazitätsverhältnis führt.
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4 veranschaulicht
eine Ausführungsform
der Erfindung, wobei der Schalter 60 eine Leiteranordnung
umfasst, die aus zwei gegenüberliegenden
Leitern 62 und 63 besteht, die auf dem Substrat 64 abgeschieden
sind. Der Leiter 62 umfasst ein Ende mit zwei Zweigen 68 und 69,
die bedeckt sind durch eine dielektrische Schicht 70. Auf ähnliche Weise
umfasst der Leiter 63 ein Ende mit zwei Zweigen 72 und 73,
die durch eine dielektrische Schicht 74 bedeckt sind.
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Die
Zweige 68, 69 und 72, 73 an
den Enden der beiden Leiter 62 und 63 legen einen
geöffneten Bereich 80 fest
in welchem die Herabziehelektrode 82 positioniert ist.
Ein Dünnfilmwiderstand 64 verbindet
die Herabziehelektrode 82 mit der Kontaktfläche 86,
an welche die Spannung zum Herabziehen angelegt wird.
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Der
Schalter 60 umfasst auch ein Brückenelement 90, welches
zwei flexible Arme 92 und 93 aufweist, die sich
von einem vergrößerten mittigen
Bereich 94 eines metallischen Materials wegerstrecken. Die äußeren Enden
der Arme sind verbunden mit jeweiligen Stützelementen 95 und 96,
so dass ein vergrößter mittiger
Bereich 94 positioniert ist über den vier Zweigen 68, 69 und 72, 73 der
Leiter. Beim Anlegen der Spannung zum Herabziehen an die Kontaktfläche 86,
tritt der mittige Bereich 94 der Brücke 90 in Kontakt
mit den dielektrischen Schichten 70, 74, um die
Schaltkapazität
wesentlich zu vergrößern, wodurch
die Schaltimpedanz verringert wird, so dass eine Signalausbreitung
zwischen den Leitern 62 und 63 erlaubt wird. Das
Versteifungselement 98 kann hinzugfügt werden, um ein mögliches
Durchbiegen des mittigen Bereichs 94 der Brücke 90 zu
verhindern.
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Mit
der in 4 gezeigten Anordnung zeigt der Schalter einen
geringeren Verlust, da das Mikrowellensignal nicht durch einen Arm
der Brücke
laufen muss. Ein metallischer Brückenarm
ist induktiv, und bei Mikrowellenfrequenzen kann der Arm eine relativ hohe
Impedanz darstellen. In dem in 4 gezeigten Schalter 60 läuft das
Mikrowellensignal von einem Leiter zum anderen, nur durch den mittigen
Bereich 94 der Brücke 90 und
nicht durch einen der Arme der Brücke.
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Der
in 4 gezeigte Schalter 60 hat ein Viertel
der Kapazität
im ausgeschalteten Zustand und hat somit eine um 12 dB höhere Isolierung.
Aufgrund der Möglichkeit,
die dielektrischen Schichten in den hier beschriebenen Schaltern
auszudünnen, können die
Schalter ein Kapazitätsverhältnis von
100 zu 1 aufweisen, oder mehr, mit einer extrem kleinen Kapazität im ausgeschalteten
Zustand, z. B. unter 0,015 pF (Picofarad), was eine Verwendung bis
zu ungefähr
40 GHz (Gigahertz) ermöglicht.