Die vorliegende Erfindung ist in ihrem Gegenstand verwandt mit der Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/157,935, eingereicht am 31. Mai 2002, und der Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/*** [NGC-Akte 000251-078], welche gemeinsam hiermit eingereicht worden sind, und welche alle auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung überschrieben worden sind.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Miniaturschalter und insbesondere auf einen MEMS-Schalter, der nützlich ist auf dem Gebiet der Radartechnologie und anderer Mikrowellenanwendungen.

Eine Vielzahl von MEMS-(mikroelektromechanische System-)Schalter sind in Verwendung, oder zur Verwendung vorgeschlagen, bei Radar- und Kommunikationssystemen, sowie anderen Hochfrequenzschaltkreisen zum Steuern von HF-Signalen. Diese MEMS-Schalter sind beliebt, da sie eine relativ hohe Impedanz im ausgeschalteten Zustand aufweisen, mit einer niedrigen Kapazität im ausgeschalteten Zustand, und einer relativ hohen Impedanz im eingeschalteten Zustand, mit einer hohen Kapazität im eingeschalteten Zustand, was zu erwünschten hohen Abschaltfrequenzen und einem Betrieb mit großer Bandbreite führt. Zusätzlich haben MEMS-Schalter eine kleine Standfläche, können bei hohen HF-Spannungen betrieben werden und sind kompatibel mit herkömmlichen integrierten Schaltkreisherstellungstechnologien.

Viele dieser MEMS-Schalter haben im Allgemeinen elektrostatische Elemente, wie z.B. gegenüberliegende Elektroden, die bei Anlegung einer Gleichstromsteuerungsspannung zum Herabziehen von Elementen zueinander angezogen werden. Zumindest eine dieser Elektroden, die durch Anlegung eines Gleichstroms herabgezogen werden, befindet sich auf einem Substrat, und eine gegenüberliegende Elektrode ist an der Unterseite einer beweglichen Brücke oberhalb des Substrats festgelegt. Bei Anlegung einer Gleichstromsteuerungsspannung zum Herabziehen wird die Brücke nach unten abgelenkt, und die elektrische Impedanz wird beträchtlich vermindert (entweder durch kapazitive Kopplung oder durch direkten ohmschen Kontakt), zwischen dem ersten und zweiten voneinander beabstandet angebrachten HF-Leiter auf dem Substrat.

US 6 307 452 B1 beschreibt einen mikroelektromechanischen Schalteraufbau, welcher eine Plattformstruktur umfasst, die durch vier Federn oberhalb eines Substrats gestützt ist. Steuerungselektroden sind auf dem Substrat unter der Brücke angebracht, sowie auch zwei Kontaktpfosten, die mit einer Signalleitung verbunden sind. Wenn eine Spannung an die Steuerungselektroden angelegt wird, so wird die Brücke nach unten gezogen, um in Kontakt zu kommen mit den Steuerungselektroden, wodurch ein elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktpfosten der Signalleitung gebildet wird.

In einigen MEMS-Schaltern erzeugt der besondere Brückenaufbau asymmetrische transversale und longitudinale Schwingungsmoden während des Betriebs. Ein Umschalten zwischen Zuständen im eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand bewegt die Brücke und erzeugt Schwingungsmoden, was zu einer unerwünschten Modulation der elektrischen Impedanz führen kann. Diese Impedanzmodulation wird weiter vergrößert mit Brückenaufbauten, die in Querrichtung asymmetrisch sind, was das Auftreten von Verdrillungsmoden bewirken kann.

Zusätzlich kann die Brücke hergestellt werden aus verschiedenen Schichten. Interne Spannungen in den Armen der Brücke können dafür sorgen, dass sich die Brückenarme kräuseln und dadurch versteifen. Dieses Versteifen auf Grund von spannungsinduziertem Kräuseln kann die Anforderung an die Spannung zum Herabziehen um mehr als 100 % erhöhen. Dies ist unerwünscht unter dem Aspekt des Betreibens eines integrierten Schaltkreises.

Bei herkömmlichen MEMS-Schaltern vom kapazitiven Typ ist der Bereich des Leiters unterhalb der Brücke bedeckt mit einer dielektrischen Schicht. Eine wiederholte Anlegung der Gleichstromspannung zum Herabziehen zwischen der Brücke und dem Leiter zum Herabziehen sorgt für einen Ladungsaufbau im Dielektrikum. Dieser Ladungsaufbau im Dielektrikum kann dazu führen, dass die Brücke klemmt und von dem Leiter in einem geschlossenen Zustand angezogen bleibt, und zwar selbst nach Entfernen der Spannung zum Herabziehen.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen MEMS-Schalter bereitzustellen, welcher die unerwünschten asymmetrischen Transversal- und Longitudinalschwingungsmoden im Brückenaufbau reduziert oder eliminiert.

Es ist ein weiteres Ziel, das Problem des Klemmen in einem MEMS-Schalter vom kapazitiven Typ zu eliminieren, welches durch einen Ladungsaufbau im Dielektrikum hervorgerufen wird.

Ein MEMS-Schalter wird bereitgestellt, welcher ein Substratelement umfasst, mit einem ersten und einem zweiten voneinander beabstandet angebrachten HF-Leiter, die auf dem Substrat abgeschieden sind. Ein Brückenelement mit zumindest drei radial angeordneten Armen von gleicher Länge ist mit einer Stützanordnung auf dem Substrat verbunden, wobei ein jeder Arm ein Ende aufweist, welches verbunden ist mit der Stützanordnung und einem zweiten Ende, welches einstückig ausgebildet ist mit einem gemeinsamen mittigen Brückenbereich, der eine Unterseite aufweist. Zumindest einer der Arme ist elektrisch verbunden mit dem zweiten Leiter. Der erste Leiter hat einen Endbereich, der der Unterseite des mittigen Brückenbereichs gegenüberliegt; wobei der Endbereich des ersten Leiters so aufgebaut und angeordnet ist, dass er einen offenen Bereich festlegt. Eine Herabziehelektrode ist in in dem offenen Bereich angeordnet und elektrisch isoliert von dem ersten Leiter. Die Höhe der Herabziehelektrode ist geringer als die des Endbereichs des ersten Leiters. Der mittige Brückenbereich wird zu dem ersten Leiter hingezogen bei Anlegung einer Steuerungsspannung an die Herabziehelektrode, um die elektrische Impedanz zwischen dem ersten und zweiten Leiter zu verändern. Die Impedanz wird zwischen einem hohen Wert (ausgeschalteter Zustand) zu einem niedrigen Wert (eingeschalteter Zustand) relativ zur Impedanz der Leiter geändert, was es einem Signal ermöglicht, sich zwischen dem ersten und zweiten Leiter auszubreiten.

Der weitere Bereich der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird ersichtlich aus der ausführlichen Beschreibung, die im Folgenden gegeben wird. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die ausführliche Beschreibung und spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung offenbaren, nur bereitgestellt werden zu Veranschaulichungszwecken, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche möglich sind.

Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich aus der detaillierten Beschreibung, die im Folgenden gegeben wird und den beigefügten Figuren, welche nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind, und nur zu Veranschaulichungszwecken gegeben werden. Zusätzlich werden sich auf Raumrichtungen beziehende Ausdrücke wie "oben", "unten", "oberhalb", "unterhalb" u.s.w. nur zur Erleichterung der Erklärung gegeben und nicht zum Zwecke einer Beschränkung des Aufbaus oder der Orientierung.

1 ist eine ebene Ansicht eines MEMS-Schalters in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

2 ist eine Ansicht längs der Linie 2-2 der 1.

3 ist eine isometrische Explosionsdarstellung des Schalters der 1.

4 ist eine Teilansicht eines Arms eines MEMS-Schalters nach dem Stand der Technik.

5 ist eine Teilansicht eines der Arme der Brücke im Schalter in 1.

Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ist ersichtlich, dass der verbesserte MEMS-Schalter 10 einen ersten und einen zweiten voneinander beabstandet angebrachten HF-Leiter 12 und 13 umfasst, typischerweise auf einem Substrat 14 (im Allgemeinen über einem Oxid oder einem anderen Isolator) abgeschiedene 50-Ohm-Mikrostreifen zum Tragen und Weiterleiten von Mikrowellensignalen. Typische Substrate umfassen Galliumarsenid, Silizium, Tonerde oder Saphir, um einige Beispiele zu nennen.

Der Schalter 10 umfasst ein Brückenelement 16, welches zumindest drei radialsymmetrisch angebrachte Arme 18a, 18b und 18c von gleicher Länge aufweist. Für eine Ausführungsform mit drei Armen, wie sie veranschaulicht ist, sind die Arme 120° voneinander beabstandet angebracht. Ein jeder Arm umfasst jeweils ein erstes oder distales Ende 20a, 20b und 20c, sowie ein jeweiliges zweites oder proximales Ende 21a, 21b und 21c, wobei diese zweiten Enden einstückig integriert ausgeführt sind mit einem gemeinsamen mittigen Brückenteil 22. Dieser Brückenaufbau reduziert Verdrillungs- und radial asymmetrische Schwingungsmoden.

Wie am besten aus 3 ersichtlich, ist ein jedes der ersten Enden 20a, 20b und 20c der Arme 18a, 18b und 18c mit einer metallischen oder nichtmetallischen Stützanordnung 26 verbunden, die oberhalb des Substrats 14 (im Allgemeinen oberhalb eines Oxids oder einem anderen Isolator) angebracht ist. Die Stützanordnung 26 erstreckt sich z.B. in einer im Wesentlichen "C"-förmigen Orientierung von einem Ende 20c zu einem Ende 20b, um so die Brücke 16 über dem Substrat 14 zu stützen, wobei das gemeinsame mittige Brückenteil 22 über einem Ende 30 des ersten Leiters 12 angebracht ist. Die Stützanordnung 26 umfasst eine Öffnung 32 für einen später zu beschreibenden Zweck.

Leitende Brückensegmente können hinzugefügt werden, wobei der Arm 18c über das Segment 34 mit dem Arm 18a elektrisch verbunden ist, und der Arm 18b über das Segment 35 mit dem Arm 18a elektrisch verbunden ist. Falls die Stützanordnung 26 aus einem nicht leitenden Material besteht, so wird ein leitendes Segment 36 hinzugefügt, um die elektrische Verbindung mit dem zweiten Leiter 13 zu vervollständigen. Es sei angemerkt, dass die Länge des zusätzlichen Stromführungspfads durch das Segment 34 oder 35 relativ klein ist im Vergleich zur Wellenlänge des zu schaltenden Mikrowellensignals.

Obwohl eine im Wesentlichen C-förmige Stützanordnung beispielhaft veranschaulicht ist, sind andere Anordnungen möglich. Zum Beispiel können sich Stützsegmente linear erstrecken zwischen den distalen Enden der Arme, anstatt sich zu biegen. Weiterhin könnte die Stützanordnung aus individuellen Stützpfosten entstehen, und zwar jeweils einem unter einem jeden der distalen Enden der Brückenarme. Im letztgenannten Fall könnte auf die Segmente 34 und 35 verzichtet werden.

Die 4 veranschaulicht ein Segment eines Brückenarms 40, wie er typisch ist für den Stand der Technik. Die Brückenherstellung und/oder ein Mehrschichtaufbau führen zu Spannungen im Metallarm 40 und können dafür sorgen, dass der Arm sich kräuselt, wie durch den Kräuselradius R veranschaulicht, und somit zu einer Versteifung in einem nicht hinnehmbaren Ausmaß führen. Ein Kontrollieren der internen Spannungen ist schwierig, und die Versteifung auf Grund von spannungsindiziertem Kräuseln kann die Spannung, die zum Herabziehen bei Ein-/Ausschaltoperationen benötigt wird, wesentlich vergrößern. Es kann gezeigt werden, dass das Ausmaß der Armversteifung direkt zusammenhängt mit dem Trägheitsmoment des Armes und dass das Kräuseln dieses Trägheitsmoment vergrößert.

Die vorliegende Erfindung reduziert wesentlich die Effekte der Versteifung des Armes (und somit der Brücke) auf Grund von Spannungen, und zu diesem Zwecke wird zusätzlich auf die 5 Bezug genommen, welche einen Querschnitt eines Teils des Arms 18a zeigt, der beispielhaft ist für alle drei Arme.

Der Arm 18a umfasst einen länglichen Schlitz 42a, welcher längs einer Achse A liegt und sich im Wesentlichen von der Stütze 26 des gemeinsamen mittigen Brückenbereichs 22 erstreckt. Tritt ein Kräuseln des Arms auf, so reduziert die Bereitstellung des Schlitzes 42a wesentlich den Effekt des durch das Kräuseln hervorgerufenen Versteifens, was zu verminderten Anforderungen an die Spannung zum Herabziehen führt.

Ein Kräuseln kann jedoch nicht auftreten, wo der Arm zunächst auf die Stütze 26 trifft und mit dieser verbunden ist, wie durch die gestrichelte Linie 44a gezeigt. Da es keine Versteifung auf Grund eines Kräuselns gibt, ist der Arm 18a dementsprechend schwacher an dieser Position und kann potenziellerweise seine Elastizitätsgrenzen während der Herstellung und/oder des fortgesetzten Betriebs des Schalters überschreiten. Um eine potenzielle dauerhafte Verformung des Arms an diesem Verbindungspunkt 44a zu vermeiden, werden einzelne Versteifungselemente 48a und 49a bereitgestellt, von denen ein jedes den Verbindungspunkt 44a auf einer jeden Seite der Achse A überspannt, wodurch Schwachpunkte eliminiert werden.

Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ist zu sehen, dass der Endbereich 30 des ersten Leiters 12 aufgebaut und angeordnet ist, um einen offenen Bereich 46 festzulegen. Innerhalb des offenen Bereichs 56 ist eine Elektrode 58 zum Herunterziehen angebracht von einer Höhe, die geringer ist als die des Endbereichs 30, und elektrisch vom Leiter 12 isoliert ist. Ein Kontaktpolster 60, an welches die Spannung zum Herabziehen angelegt wird, ist mit der Elektrode 58 zum Herabziehen über einen Dünnfilmwiderstand 62 verbunden, der durch die Öffnung 32 in der Stütze 26 verläuft und durch eine Öffnung 64 im Endbereich 30. Der Widerstand 62 soll dazu dienen, im Wesentlichen ein Aufladen der Mikrowellensignale zu eliminieren und sollte einen relativ hohen Impedanzwert aufweisen im Vergleich zu der Impedanz des Leiters mit 50 Ohm. Falls gewünscht, kann der Schalter so hergestellt werden, dass der Widerstand 62 unter der Stütze 26 sowie dem Endbereich 30 hindurchtunnelt, wodurch die Öffnungen 32 und 64 eliminiert werden.

Falls es sich bei dem Schalter 10 um einen MEMS-Schalter vom kapazitiven Typ handelt, wird eine dielektrische Schicht 66 über dem Endbereich 30 abgeschieden, aber nicht über dem offenen Bereich 56. Wird eine Spannung zum Herabziehen angelegt, um die Elektrode 58 herunterzuziehen, so gibt es eine elektrostatische Anziehung mit der unteren Fläche 70 des gemeinsamen mittigen Brückenbereichs 62, welche es herunterzieht, um es in Kontakt zu bringen mit der dielektrischen Schicht 66, die als mechanischer Anschlag dient. Wird ein Kontakt bereitgestellt, so wird eine kapazitive elektrishe Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Leiter 12 und 13 hergestellt.

Ist der Schalter vom ohmschen Typ, so ist keine dielektrische Schicht vorhanden, und der gemeinsame mittige Brückenbereich 22 sorgt für einen direkten ohmschen Kontakt mit dem Ende 30, um eine ohmsche elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Leiter 12 und 13 fertigzustellen.

Mit einem MEMS-Schalter vom kapazitiven Typ, wie er beispielhaft in den 1 bis 3 gezeigt ist, wird keine Spannung zum Herabziehen direkt an das Ende 30 des ersten Leiters 12 angelegt, und dementsprechend liegt das Feld zum Herunterziehen nur zwischen dem gemeinsamen mittigen Brückenbereich 22 und der Elektrode 58 zum Herunterziehen an. Somit kann sich keine elektrische Ladung aufbauen, da es kein Dielektrikum gibt, welches abgeschieden ist über der Elektrode 58 zum Herunterziehen, oder an der Unterseite der gemeinsamen Fläche der Brücke 16 liegt. Somit wird die Brücke 16 nicht in einem abgelenkten Zustand verbleiben nach der Entfernung der Spannung zum Herunterziehen.

Obwohl das Ende 30 des ersten Leiters 12 als sechseckförmig veranschaulicht ist, kann jegliches Design gewählt werden, bei dem das Ende des Leiters die Elektrode zum Herunterziehen umfasst, inklusive einer vollständigen oder im Wesentlichen vollständigen Umhüllung. Weiterhin kann, um sicherzustellen, dass der gemeinsame mittige Brückenbereich 22 einen gleichförmigen Kontakt mit dem Ende 30 einnimmt und keine Ablenkung erfährt, ein Versteifungselement 72 an der Oberseite des gemeinsamen mittigen Brückenbereichs 22 angelegt werden.

Typische MEMS-Schalter werden im Allgemeinen hergestellt unter Verwendung herkömmlicher wohlbekannter Herstellungstechniken für integrierte Schaltkreise. Whrend des Herstellungsprozesses für den Schalter werden bestimmte Lösungsmittel verwendet, um unerwünschtes Material zu entfernen. Oberflächenspannungseffekte, wie sie sich als Ergebnis der Lösungsmittel einstellen, können die Arme 18a, 18b und 18c zum Substrat hin zwängen um ein Maß, bei dem die elastische Belastungsgrenze der Arme überschritten werden kann, wodurch eine permanente Verformung verursacht wird. Um diese Möglichkeit auszuschließen, wird der Schalter 10 so hergestellt, dass er Stoßdämpfungselemente 74 umfasst, die unterhalb der jeweiligen Arme 18a, 18b und 18c angebracht sind, um die Abwärtsbewegung der Arme während des Herstellungsprozesses zu beschränken.

Die vorstehende ausführliche Beschreibung erläutert nur die Prinzipien der Erfindung. Es ist ersichtlich, dass die Fachleute in der Lage sein werden, unterschiedliche Anordnungen zu ersinnen, welche, obwohl nicht ausdrücklich hierin beschrieben oder gezeigt, den Schutzbereich der Ansprüche verkörpern.