Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung zur Ansteuerung einer Antennenanordnung mit einzelnen Antennenelementen mit einer Mehrzahl von in Reihen und Spalten angeordneten Schaltern nach der Gattung des Hauptanspruchs und ein Verfahren zum Betätigen von matrixförmig angeordneten Schaltern.

In der mobilen Kommunikationstechnik entsteht ein wachsender Bedarf an rekonfigurierbaren Antennen, welche hier, beispielsweise durch das Verschalten von kleineren Einzelantennenelementen zu so genannten Patchantennen verschiedener Geometrien realisiert werden können. Dazu ist eine größere Anzahl von getrennt voneinander ansteuerbaren Schaltern notwendig. Die Kosten für solche intelligenten Antennen sollten jedoch die der gegenwärtig verwendeten, nicht steuerbaren Antennen nicht wesentlich übersteigen. Aus diesem Grund ist eine Technologie zur Massenproduktion von rekonfigurierbaren Antennen einschließlich der Schalter in kostengünstiger Weise notwendig.

EP 1 511 119 A1 beschreibt eine rekonfigurierbare Gruppenantenne, die aus einzelnen durch ansteuerbare Schalter verbindbaren Antennenelementen bestehen.

Aus der US 2004/0 183 633 A1 ist ein bistabiler, magnetisch aktuierter Schalter in einer Einzelausführung bekannt, wobei die bistabile Anordnung ermöglicht, dass jeweils beide Schaltzustände ohne kontinuierliche Energiezufuhr stabil erhalten bleiben. Dabei ist eine Mehrzahl von strukturierten Schichten vorgesehen, die mindestens eine strukturierte Schicht mit einem beweglichen Element einschließen. Dabei sind die strukturierten Schichten übereinander angeordnet und jede Schicht ist mit der benachbarten Schicht verbunden. Eine der Schichten weist einen Elektromagneten oder eine Spule auf. Die bekannten Lösungen dienen der Realisierung von einzelnen bzw. wenigen Schaltern auf technisch relevanten Flächen, wie einer Chipfläche, da bei derartigen Konfigurationen der Aufwand für Verschaltung und Adressierung der Spulen mit der Anzahl der Aktuatoren massiv steigt. Geometrisch dichte Arrays können so bislang nicht realisiert werden. Um eine sehr große Anzahl solcher Schalter auf geringer Fläche zu integrieren, ist es nötig, die Aktuierung und Adressierung kompakt und effizient zu gestalten.

Aus der EP 0 856 866 B1 sind in einem regelmäßigen Raster organisierte, magnetisch betätigte Schalter bekannt, die eine schichtweise Anordnung eines beweglichen Kontakts, einer mit Abstand dazu angeordneten Spulenplatte, einer Kontaktplatte mit einem Eisenkern und einer isolierenden Schicht aufweisen. Die bekannte Konfiguration erfordert die Verbindung der auf der Spulenplatte angeordneten Spule mit orthogonal zueinander angeordneten Adressleitungen. Die lokale elektrische Verbindung der sonst voneinander isolierten Leiter erfordert eine Herstellungstechnologie mit einer hohen lateralen Auflösung mit der Möglichkeit, diese Verbindungsstellen zuverlässig zu erzeugen. Weiterhin muss durch Einfügen von Dioden verhindert werden, dass sich Strömpfade über nicht adressierte Spulen ausbilden. Das verhindert wiederum ein Umschalten des Schaltkontakts durch Wechsel der Stromrichtungen und stellt eine weitere Erhöhung des Herstellungsaufwands dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Array mit geometrisch dicht angeordneten, vorzugsweise bistabilen magnetisch aktuierten Schaltern zu realisieren, welches geringe technologische Anforderungen an Adressierung und Verdrahtung stellt und dadurch eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Zudem besteht die Anforderung nach Eignung für die Realisierung von rekonfigurierbaren Antennen für Frequenzen der GSM- und UMTS-Bänder, wobei die Frequenzen in einem Bereich liegen, in dem entsprechend dem Stand der Technik durch Schaltarrays konfigurierbare Antennen wegen der spezifischen Baugröße den Einsatz konventioneller Relais nicht gestatten und eine monolithische Integration in die Antenne ebenso nicht möglich ist. Außerdem ist durch die zu erwartende Anwendung in mobilen Geräten weiterhin eine dafür geeignete Robustheit erforderlich.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs sowie durch die Merkmale des Nebenanspruchs gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Schalterarray mit vorzugsweise bistabilen, magnetisch aktuierten Schaltern. Die zum Schalten notwendige Kraft wird elektromagnetisch erzeugt. Die Haltekraft in den Endzuständen wird durch Federn bzw. Permanentmagnete aufgebracht. Die Anordnung mit zwei getrennten Spulenlagen ermöglicht durch Überlagerung von Magnetkräften eine aus technologischer Sicht deutliche Reduzierung der Ansteuerkomplexität der in einem Raster angeordneten Einzelschalter. Die Möglichkeit der Verwendung preiswerter Herstellungstechnologien erlaubt es, neue Anwendungsfelder zu erschließen.

Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die von Ferritkernspeichern bekannte Verschaltung von Spulen durch Überlagerung des magnetischen Flusses weiter entwickelt wird. Die Feldüberlagerung wird nicht zur Magnetisierung eines Speicherbits verwendet, sondern zur Überlagerung der Kraftwirkung zwischen zwei von Strom durchflossenen Spulen und einem Permanentmagneten genutzt, um einen Wechsel des Schaltzustandes jeweils eines bistabilen, magnetisch aktuierten Schalters zu bewirken. Die Addition der Magnetfelder bzw. die Überlagerung der Kraftwirkung der zwei übereinander liegenden Spulen hat den Vorteil, dass nicht alle Aktuatorspulen lokal mit Adressierungsleitungen verbunden werden müssen, sondern dass jeweils alle Spulen einer Reihe bzw. einer Spalte aus einem durchgehenden, isolierten Leiter, z.B. einem isolierten Draht, hergestellt werden können. Es ist somit möglich, eine von der konventionellen makroskopischen Spulenherstellung abgeleitete Mikrowickeltechnologie einzusetzen und somit Mehrlagenmetallisierungen mit lateral hoher Strukturauflösung zu vermeiden. Die Verwendung kostenintensiver Substratmaterialien wie z.B. hochohmiger Halbleiterwafer oder Nichtleiter, wie Glas, Saphir oder Aluminiumoxidkeramik für die Herstellung von MEMS-Elementen ist weniger durch die vorteilhaften Materialeigenschaften bestimmt, als zur Erfüllen der für mikrotechnologischen Prozesse üblichen hohen Anforderungen an Materialebenheit und Reproduzierbarkeit. Die erfindungsgemäße Verbindung moderner Mikrostrukturierung, wie z.B. Mikroprägen und modifizierten konventionellen Verfahren, wie z.B. Mikrospulenwicklung, stellt einen wesentlichen Entwicklungsschritt für die Realisierung vergleichsweise großflächiger, mechanisch komplexer, rekonfigurierbarer Bauelemente dar. Die Erfindung ermöglicht somit völlig neue Möglichkeiten in vielen Bereichen der Informations- und Kommunikationstechnologie, bei welchen Funktionselemente aus physikalischen Gründen nicht weiter verkleinert werden können. Es wird dabei als wesentlich erachtet, die Bauelementequalität bezüglich Funktionalität und Flexibilität unter der Maßgabe einer marktbestimmenden Kostengrenze deutlich zu verbessern.

Die erfindungsgemäße Schalteranordnung lässt sich aufgrund der zwei geschlossenen Materiallagen, nämlich Trägersubstrat und Aktuatorsubstrat einfach hermetisieren und genügt dadurch den gerätetechnischen Anforderungen mobiler Kommunikationstechnik.

Vorzugsweise ist der bewegliche Kontakt jedes Schalters und gegebenenfalls auch der jedem Schalter zugeordnete Dauermagnet an einer Folienmembran befestigt, wobei aufgrund der als Folienmembran ausgeführten Aufhängung und der geringen Masse der bewegten Teile die erforderliche mechanische Robustheit für mobile Anwendungen gegeben ist.

Vorteilhafterweise können die zwei in unterschiedlichen Ebenen vorgesehenen Spulenlagen des Schalterarrays so ausgebildet sein, dass für jede Reihe bzw. jede Spalte nur eine lang gestreckte schmale Spule vorgesehen ist, die die verschiedenen Spulenkerne einschließt. Es kann jedoch um jeden Spulenkern eine ihm zugeordnete Spule der entsprechenden Reihe und der entsprechenden Spalte angeordnet sein.

Besonders vorteilhaft ist, dass aufgrund des Vorhandenseins der zwei Spulenlagen es möglich ist, jeweils nur eine Spulenlage zu bestromen und die induzierte Spannung in der anderen Spulenlage zu messen, wodurch die Funktionsfähigkeit diagnostiziert werden kann und der aktuelle Schaltzustand detektiert werden kann, da die gemessene Spannung vom Schaltzustand abhängt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Aufsicht auf das erfindungsgemäße Schalterarray, angewendet für ein Array von Antennenelementen, und

2 einen Teilschnitt durch das erfindungsgemäße Schalterarray.

Entsprechend den 1 und 2 weist die erfindungsgemäße Schalteranordnung ein als erster Träger bezeichnetes Trägersubstrat 4 und ein in der Zeichnung darüber liegendes als zweiter Träger bezeichnetes Aktuatorsubstrat 3 auf, wobei beide Substrate im Ausführungsbeispiel aus einem für die Verwendung der Hochfrequenztechnik geeigneten Material bestehen, wie Liquid Crystal Polymere, Polyamid, Kapton und dergleichen. Auf dem Trägersubstrat 4 ist entsprechend 1 ein Feld von einzelnen Antennenelementen 14 reihen- und spaltenweise mit Abstand zueinander aufgebracht. Jedes Antennenelement ist reihenweise und spaltenweise über Schalter 20 mit dem jeweils benachbarten Antennenelement 14 verbunden, so dass die Schalter 20 ebenfalls ein Matrixfeld bilden.

Wie aus 2 zu erkennen ist, sind in dem Trägersubstrat 4 Mulden 5 vorgesehen, die beispielsweise durch Abformen strukturiert sind und in denen durch Abscheidung geeigneter Materialschichten Kontaktflächen als Festkontakte 6 vorgesehen sind. Diese Kontaktflächen sind mit den Einzelantennenelementen 14 verbunden.

Eine Folienmembran 7 ist auf das Trägersubstrat 4 bzw. auf die Antennenelementenschicht aufgebracht, wobei gegenüber liegend zu den Festkontakten 6 auf der Folienmembran 7 Kontaktelemente 8 strukturiert sind. Die Folienmembran 7 wird so mit dem Trägersubstrat 4 befestigt, dass eine Vorspannung auf die Kontaktelemente 8 ausgeübt wird, derart, dass sie auf die Festkontakte 6 gedrückt werden. Im Bereich der Mulde 5 ist die Folienmembran 7 frei beweglich. Mit Hilfe der Vorspannung wird die funktionswichtige Membransteifigkeit erreicht. Auf der Oberseite der Folienmembran 7, d.h., auf der Seite, die entgegengesetzt zu den Kontaktelementen 8 liegt, ist die Folienmembran beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren mit strukturiertem, magnetisiertem hartmagnetischem Material im Bereich der Schalter 20 belegt, derart, dass jedem Schalter 20 ein Dauermagnet 9 zugeordnet ist. Wie in 2 zu erkennen ist, ist die Folienmembran 7 für einen Schalter 20 im geschlossenen Zustand 10 bereits ausgelenkt, wobei aufgrund der Vorspannung die nötige Kontaktkraft erzeugt wird.

Auf das Aktuatorsubstrat 3 sind gegenüberliegend zu den auf die Folienmembran 7 aufgebrachten Dauermagneten 9 ebenfalls strukturierte Elemente eines magnetischen Materials als Spulenkerne 11 aufgebracht. Um die Spulenkerne 11 herum trägt das Aktuatorsubstrat 3, das ebenfalls durch Abformung strukturiert sein kann, zwei getrennte Lagen jeweils spaltenweise in Serie geschaltete Spulen 1 und reihenweise in Serien geschaltete Spulen 2, die jeweils in unterschiedlichen Ebenen übereinander liegen. Die Spulen 1, 2 und die Spulenkerne 11 sind insgesamt in ein isolierendes Material 15 eingebettet, das als Isolierschicht mit dem Aktuatorsubstrat verbunden ist und auch zum mechanischen Fixieren der Spulen dient.

Wie im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 zu erkennen ist, sind jedem Kern zwei übereinander liegende Spulen 1, 2 zugeordnet. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann für jede Reihe bzw. jede Spalte anstelle der einzelnen Spulen eine lange Spule gebildet werden, die dann alle Spulenkerne 11 der jeweiligen Reihe bzw. Spalte umschließt. Grundsätzlich können die Spulen jeder Spalte bzw. jeder Reihe beider Ausführungsformen aus einem durchgehenden Draht gewickelt sein und es ist lokal am Schalter kein Wechsel zwischen den Ebenen bzw. keine Kontaktierung nötig.

Für die Ansteuerung der Spulen, d.h. für ihre Bestromung, sind für jede Reihe Anschlüsse 16 und für jede Spalte Anschlüsse 17 vorgesehen.

Im nichtbestromten Zustand der Spulen 1, 2 können die Schalter zwei Zustände haben, wie sie in 2 dargestellt sind, nämlich der geschlossene Zustand 10des Schalters 20 und der geöffnete Zustand 12. Der stabile Haltezustand bei geöffnetem Schalter 20 wird durch den jeweiligen Spulenkern 11 in Zusammenhang mit dem Dauermagneten 9 erzielt. In diesem Fall ist die zwischen dem Dauermagneten 9 und dem Spulenkern 11 erzeugte Haltekraft größer als die Rückstellkraft oder Federkraft der Folienmembran 7. Der geschlossene Zustand 10 des Schalters 20, links in der 2, ist ebenfalls stabil, da die Magnetkraft zwischen Spulenkern 11 und Dauermagnet 9 durch den größeren Spaltabschnitt nicht mehr ausreicht, um die Folienmembran 7 nach oben zu ziehen.

Wenn ein Schalter von dem einen Schaltzustand 10 in den anderen Schaltzustand 12 gebracht werden soll, werden über die jeweiligen Anschlüsse 16 und 17, die als Adressleitungen bezeichnet werden können, die Spulen 1 der jeweiligen Spalte und die Spulen 2 der jeweiligen Reihe gleichsinnig bestromt, wodurch durch jede Spule der jeweiligen Spalte und der jeweiligen Reihe ein Magnetfeld erzeugt wird. Es wird aber nur eine Addition der jeweiligen zwei Spulen 1, 2 des im Kreuzungspunkt 13 liegenden Schalters erreicht. Nur in diesem Kreuzungspunkt 13 führen zwei übereinander liegende Spulen 1, 2 Strom. Die Ansteuerung bzw. die Bestromung geschieht in der jeweiligen Reihe bzw. Spalte gleichsinnig, wobei jeweils abhängig von dem vorhergehenden Schaltzustand die gleichsinnige Bestromung in positiver oder negativer Stromrichtung stattfindet. Somit können alle Schalter sequentiell oder auch gruppenweise im Zustand verändert werden. Aufgrund der Addition der Magnetfelder bzw. der Magnetkraft ist es möglich die magnetische Haltekraft bzw. die Rückstellkraft der Folienmembran in den Endzuständen zu überwinden und somit den Schalter in den jeweils anderen Zustand zu überführen. Bei den nicht im Kreuzungspunkt 13 liegenden Schaltern 20 reicht die von den jeweiligen Spulen einer Ebene erzeugte Magnetkraft nicht aus, um den Schaltzustand zu ändern.

Das Trägersubstrat 4, gegebenenfalls auch das Aktuatorsubstrat 3 kann die Funktion eines Chipgehäuses oder einer Außenwand eines Gerätes haben. Ein derartiges Chipgehäuse lässt sich aufgrund der zwei geschlossenen Materiallagen einfach hermetisieren. Im Fall einer Anwendung des Schalterarrays zur Rekonfiguration von Patchantennen erfolgt die Abstrahlung vorzugsweise durch das Trägersubstrat 4.

Im Folgenden wird ein genaueres Beispiel der Anordnung nach 1 und 2 beschrieben. Das Trägersubstrat besteht aus Liquid Crystal Polymer und wird durch Heißprägen strukturiert. Die Einzelantennenelemente 14 und die Kontaktbereiche als Festkontakte 6 werden mittels Sputtertechnik und Lithographie definiert und nachfolgend galvanisch verstärkt. Die Folienmembran 7 eine Mylarfolie, welche auf der dem Trägersubstrat 4 zugewandeten Seite galvanotechnisch gefertigte Kontaktelemente 8 und auf der anderen Seite mittels Siebdruck aufgebrachte und anschließend magnetisierte NdFeB Permanentmagnete 9 trägt. Die Folienmembran 7 wird gespannt und mittels eines Haftmittels mit dem Trägersubstrat 4 verbunden. Die Bearbeitung des Aktuatorsubstrats 3 beginnt mit dem Aufdrucken und Aushärten der Spulenkerne 11 aus MnZn-Ferrit. Die spalten- und reihenweise organisierten Spulen 1, 2 werden durch Wickeln eines dünnen Kupferlackdrahtes hergestellt. Der aus der Ebene stehende Spulenkern dient dabei jeweils als Wickeldorn. Das Wickeln der einzelnen Spulen 1, 2 wird sequentiell, übereinander beginnend, wahlweise mit der Zeile oder Spalte durchgeführt. Schließlich wird die Isolierschicht 15 aufgebracht.