DE60312665T2

DE60312665T2 - Haltlos elektrostatisch aktiviertes mikroelektromechanisches Schaltsystem

Info

Publication number: DE60312665T2
Application number: DE60312665T
Authority: DE
Inventors: David Yip
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2023-11-25
Also published as: CN1574151A; EP1489639B1; EP1489639A1; DE60312665D1; JP2005011795A; KR20040110064A; US6882256B1; US20050068128A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Schalter und noch genauer auf Schalter, die durch eine mikroelektromechanische System-(MEMS) Technologie implementiert sind.
HINTERGRUND
Mikroelektromechanische System-(MEMS-)Schalter werden verbreitet in RF-Kommunikationssystemen wie beispielsweise Phasenfeldantennen, Phasenschiebern, schaltbaren Abstimmelementen und Radarsensoren genutzt. Im Allgemeinen weisen MEMS-Schalter Merkmale wie einen geringer Einsatzverlust, einen niedrigen Stromverbrauch, niedrige Kosten, kleine Baugröße, Betrieb in großer Bandbreite, lange Lebensdauer und schnelle Schaltgeschwindigkeiten auf, die bei herkömmlichen Feststoffschaltern (beispielsweise FETs oder PIN-Dioden) nicht festgestellt werden. Insbesondere sollte ein Hochqualitäts-MEMS-Schalter idealerweise so viele der nachfolgenden Merkmale wie möglich aufweisen: niedrige Aktivierungsspannung, hohe Schaltgeschwindigkeit, lange Betriebslebensdauer, gute Isolation vom Ausgangssignal während eines AUS-Zustands, niedriger Kontaktwiderstand und hohe Kontaktkraft zwischen den Kontaktelektroden während eines EIN-Zustands, kleine oder keine Haftprobleme am Kontaktbereich für eine leichte Trennung, niedriger Stromverbrauch während des Umschaltens zwischen verschiedenen Zuständen, geringer oder kein Stromverbrauch, um den Schalter in einem bestimmten Zustand zu halten, geringe Kosten, einfache Herstellung und einfache Integration des Schalters mit anderen koplanaren Schaltkreisbauteilen.
MEMS-Schalter können auf der Grundlage der Betätigungsverfahren in verschiedene Hauptkategorien eingeteilt werden, zu denen elektrostatische, elektromagnetische oder elektrothermische Schalter gehören. Herkömmliche MEMS-Schalter, die in eine dieser Kategorien fallen, zeigen einige dieser vorstehend erwähnten Eigenschaften von qualitativ hochwertigen MEMS-Schaltern. Keiner der herkömmlichen Schalter zeigt jedoch alle vorstehend genannten Merkmale.
Die WO 2004/04619, die nach dem Prioritätsdatum der Erfindung veröffentlicht wurde, offenbart eine MEMS-Vorrichtung, die ein physikalisch loses Teil aufweist, das sich frei innerhalb eines Raums bewegt, der durch Wände definiert ist. Dieses Teil wird durch Kondensatorplatten angezogen, wenn eine Spannung an diese Platten angelegt wird, um das Teil zu bewegen.
Zudem haben elektrostatische Schalter den deutlichen Vorteil von Null Energieverbrauch, wenn sie in einem gegebenen Zustand gehalten oder festgestellt werden. Elektrostatische Schalter haben jedoch auch einige Nachteile wie eine geringe Schaltgeschwindigkeit (im Bereich von μ-Sekunden bis Millisekunden), eine vergleichsweise hohe Auslösespannung (10–80 V), Haftprobleme, wenn die Kontaktelektroden beim physischen Kontakt miteinander verschweißt werden, vergleichsweise kurze Lebensdauer (100 Millionen Zyklen für kaltes Schalten) und Instabilitätsprobleme (aufgrund von thermischen und herstellbezogenen Spannungen).
In Übereinstimmung damit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrostatischen MEMS-Schalter zu schaffen, der alle vorstehend erwähnten idealen Schaltmerkmale aufweist und frei von den vorstehend erwähnten Nachteilen ist.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen MEMS-Schalter durch einen einfachen Vorgang herzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrostatischen MEMS-Schalter mit einem Aufbau zu schaffen, der mehrere Pole und mehrere Hübe zulässt.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung damit schafft die vorliegende Erfindung einen mikroelektromechanischen System-(MEMS) Schalter, der ein Substrat und einen spannungsfreien Balken aufweist, der über dem Substrat angeordnet ist. Der spannungsfreie Balken ist zwischen ersten und zweiten Plattformen vorgesehen. Die ersten und zweiten Plattformen sind auf dem Substrat angeordnet und beschränken die Verlagerung des spannungsfreien Balkens in Richtungen, die nicht im Wesentlichen parallel zum Substrat sind. Der MEMS-Schalter umfasst auch einen ersten Satz aus einem oder mehreren Steuerpads, die in einer Nähe einer ersten Längsseite des spannungsfreien Balkens angeordnet sind, um ein Potential auf der ersten Längsseite zu erzeugen, und einen zweiten Satz aus einem oder mehreren Steuerpads, die auf dem Substrat und in der Nähe einer zweiten Längsseite des spannungsfreien Balkens angeordnet sind, um ein zweites Potential auf der zweiten Längsseite zu schaffen. Der spannungsfreie Balken ist in Richtungen im Wesentlichen parallel zu dem Substrat in Übereinstimmung mit einem Relativpotential zwischen dem ersten und zweiten Potential verschiebbar, um einen Signalpfad zu schaffen.
Der MEMS-Schalter kann alternativ so implementiert sein, dass er einen primären spannungsfreien Balken umfasst, der über einem Substrat angeordnet ist, um einen Signalfluss zu steuern, und eine Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken, die strukturell und elektrisch mit dem primären spannungsfreien Balken gekoppelt sind. Jeder aus der Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken ist bevorzugt innerhalb erster, zweiter und dritter Plattformen angeordnet, um die Balkenverlagerung in Richtungen außer der im Wesentlichen zu dem Substrat parallelen zu beschränken. Außerdem ist jeder aus der Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken in den Richtungen im Wesentlichen parallel zu dem Substrat als Antwort auf ein relatives Potential verschiebbar, um in Übereinstimmung damit den primären spannungsfreien Balken zu verschieben.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen identische oder funktionell ähnliche Elemente in den verschiedenen Ansichten bezeichnen und die zusammen mit der nachstehenden genauen Beschreibung einen Teil der Spezifikation bilden und darin eingefügt sind, dienen dazu, verschiedene Ausführungsformen weiter zu veranschaulichen und verschiedene Prinzipien und Vorteile, die alle mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmen, weiter zu veranschaulichen.
1 ist eine isometrische Ansicht eines beispielhaften MEMS-Schalters nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform.
2A ist eine Draufsicht eines beispielhaften MEMS-Schalters von oben ebenfalls nach der ersten bevorzugten Ausführungsform.
2B ist eine Explosionsansicht eines Abschnitts B des spannungsfreien Balkens nach einer Modifikation der ersten bevorzugten Ausführungsform.
2C ist eine Explosionsansicht des Abschnitts B des spannungsfreien Balkens nach einer anderen Modifikation der ersten bevorzugten Ausführungsform.
3 ist eine Seitenansicht des spannungsfreien Balkens und von Plattformen des beispielhaften MEMS-Schalters der 2 entlang der Schnittlinie III-III.
4 ist eine Veranschaulichung der ursprünglichen Ladungsverteilung innerhalb des MEMS-Schalters der 2A, bevor der spannungsfreie Balken gute elektrische Kontakte mit den verlängerten Seitenwänden der Plattformen etabliert.
5 ist eine Veranschaulichung der äquivalenten Schaltung des MEMS-Schalters der 2A, bevor der spannungsfreie Balken gute elektrische Kontakte mit den verlängerten Seitenwänden der Plattformen etabliert.
6 ist eine Veranschaulichung der Ladungsverteilung innerhalb des MEMS-Schalters der 2A, nachdem der spannungsfreie Balken gute elektrische Kontakte mit den verlängerten Seitenwänden der Plattformen etabliert hat.
7 ist eine Veranschaulichung der äquivalenten Schaltung des MEMS-Schalters der 2A, nachdem der spannungsfreie Balken gute elektrische Kontakte mit den verlängerten Seitenwänden der Plattformen etabliert hat.
Die 8A–8C sind Veranschaulichungen von alternativen Implementierungen der Plattformen der MEMS-Schalter in 1.
9 ist eine Veranschaulichung der Aktivierungsspannung über dem Schaltwiderstand, die von dem ankerlosen MEMS-Schalter der 2A ohne Schichtwiderstand zwischen den Kontaktoberflächen, dem ankerlosen MEMS-Schalter der 2A mit Schichtwiderstand zwischen den Kontaktoberflächen und einem verankerten luftüberbrückenden MEMS-Schalter erzielt werden.
Die 10A–10E veranschaulichen einen Herstellvorgang zum Herstellen des in 1 gezeigten MEMS-Schalters.
11 ist eine isometrische Ansicht eines beispielhaften MEMS-Schalters nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
ERLÄUTERUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Figuren, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Teile bezeichnen, zeigen die 1 bis 2A einen beispielhaften MEMS-Schalter 10 nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Mit Bezug auf 1 umfasst der MEMS-Schalter 10 ein Substrat 12 wie beispielsweise GaAs, Quarz oder Lithiumniobat. Das Substrat 12 kann jedoch abhängig von der speziellen Anwendung, die für den MEMS-Schalter 10 beabsichtigt ist, auch transparent sein. Ein Balken 14 (spannungsfreier Balken) ist über dem Substrat 12 angeordnet und zwischen einer ersten Plattform bzw. einem ersten Steg 16 und einer zweiten Plattform 18 vorgesehen. Die ersten und zwei ten Plattformen 16, 18 sind auch auf dem Substrat 12 angeordnet. Der spannungsfreie Balken 14 ist nicht an der ersten Plattform 16 oder der zweiten Plattform 18 verankert. Daher ist der Balken 14 spannungsfrei und wird daher als ein "spannungsfreier Balken" bezeichnet.
Der spannungsfreie Balken 14 wird aus einem hochgradig leitfähigen Material wie beispielsweise Gold oder Wolfram hergestellt und ist in Richtungen im Wesentlichen parallel zum Substrat 12 verschiebbar, wie durch die Pfeile wiedergegeben wird, welche die Balkenbewegung anzeigen. Die ersten und zweiten Plattformen 16, 18 sind dazu da, die Verschiebung des spannungsfreien Balkens in Richtungen zu begrenzen, die nicht im Wesentlichen parallel zum Substrat 12 sind, und um ein Eingangssignal RF IN, wie beispielsweise ein RF-Signal, von einer Eingangsquelle zu empfangen. Der spannungsfreie Balken 14 kann auch Balkenstopper 19 aufweisen, um den Ausschlag des spannungsfreien Balkens 14 zwischen den ersten und zweiten Plattformen 16, 18 zu begrenzen. Die Balkenstopper 19 sind optional und können durch Abschnitte vergrößerter Breite ersetzt werden, wie in 2A gezeigt und später erörtert.
Mit Bezug auf 2A umfasst der MEMS-Schalter 10 auch einen ersten Satz aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Steuerpads P1–P4 (erster Satz von Steuerpads) 20, die benachbart zu einer ersten Längsseite 22 des spannungsfreien Balkens 14 angeordnet sind, und einen zweiten Satz aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Steuerpads P5–P8 (zweiter Satz von Steuerpads) 24, die benachbart zu einer zweiten Längsseite 26 des spannungsfreien Balkens 14 angeordnet sind. Der ersten Satz von Steuerpads 20 und der zweite Satz von Steuerpads 24 liegen einander jeweils gegenüber. Der erste Satz von Steuerpads 20 dient dazu, ein erstes Potential auf der ersten Längsseite 22 des spannungsfreien Balkens 14 zu erzeugen, während der zweite Satz von Steuerpads 24 dazu dient, ein zweites Potential auf der zweiten Längsseite 26 des spannungsfreien Balkens zu erzeugen. Sowohl der erste Satz als auch der zweite Satz von Steuerpads 20, 24 umfassen bevorzugt mindestens zwei Steuerpads, wie in 1 gezeigt. Mehr oder weniger Steuerpads können jedoch enthalten sein. Beispielsweise kann mit Bezug auf 2A jeder der ersten und zweiten Sätze von Steuerpads 20, 24 vier Steuerpads umfassen.
Der MEMS-Schalter 10 umfasst außerdem ein erstes elektrisch leitfähiges Ausgabekontaktpad 28 (das in 2A als RF1 angegeben ist), das auf dem Substrat 12 und benachbart zu der ersten Längsseite 22 des spannungsfreien Balkens 14 angeordnet ist, und ein zweites (oder ein anderes) elektrisch leitfähiges Ausgabekontaktpad 30 (das in 2A als RF2 bezeichnet ist), das auf dem Substrat 12 und benachbart zu der zweiten Längsseite 26 des spannungsfreien Balkens 14 angeordnet ist.
Mit Bezug auf 2A weist der spannungsfreie Balken 14 bevorzugt eine Vielzahl von Abschnitten 31, 32, 34 vergrößerter Breite jeweils zwischen den ersten und zweiten Plattformen 16, 18 und zwischen den ersten und zweiten Ausgabekontaktpads 28, 30 auf. Die Abschnitte 31, 32, 34 vergrößerter Breite verhindern, dass der spannungsfreie Balken 14 elektrisch mit den ersten und zweiten Sätzen von Steuerpads 20, 24 elektrisch gekoppelt wird (oder diese allgemein direkt berührt). Die Abschnitte 31, 32, 34 vergrößerter Breite sind jedoch optional. Alternativ kann eine Berührung zwischen dem spannungsfreien Balken 14 und den ersten und zweiten Sätzen von Steuerpads 20, 24 verhindert werden, indem die Ausgabekontaktpads 28, 30 und die Plattformoberflächen näher an dem spannungsfreien Balken 14 angeordnet sind, wie in 1 gezeigt.
Mit Bezug zurück zur 2A umfasst jede der ersten und zweiten Plattformen 16, 18 bevorzugt eine vergrößerte Seitenwand 36, um die horizontale Verschiebung des spannungsfreien Balkens 14 in einen bestimmten Bereich zu begrenzen. Sowohl die erste als auch die zweite Plattform 16, 18 weist außerdem bevorzugt eine Balkensperre 38 wie in 3 gezeigt auf. Die Balkensperre 38 ist über der Oberseite der Plattformen 16, 18 angeordnet und dient dazu, eine senkrechte Verlagerung des spannungsfreien Balkens 14 im Wesentlichen zu verhindern. Noch genauer wird die Balkensperre 38 dazu genutzt, nochmals sicherzustellen, dass der spannungsfreie Balken 14 nicht von den ersten und zweiten Plattformen 16, 18 getrennt wird. Die ersten und zweiten Plattformen 16, 18 müssen jedoch die Balkensperre 38 und die vergrößerte Seitenwand 36 nicht unbedingt aufweisen. Beispielsweise können die ersten und zweiten Plattformen 16, 18 mit Bezug auf 8A und 8C nur die vergrößerte Seitenwand 36 aufweisen. Zudem müssen mit Bezug auf 8B die ersten und zweiten Plattformen 16, 18 weder die Balkensperre 38 noch die vergrößerte Seitenwand 36 aufweisen.
Mit Bezug zurück auf 2A werden die Elemente des MEMS-Schalters 10 so positioniert, dass die (durch C1 und C3 angezeigten) Oberflächen der ersten und zweiten Plattformen 16, 18 und die (durch C2 angezeigte) Oberfläche des zweiten Ausgabekontaktpads 30 auf der Linie A1 angeordnet sind, und die (durch C4 und C6 angezeigten) Oberflächen der ersten und zweiten Plattformen 16, 18 und die (durch C5 angezeigte) Oberfläche des ersten Ausgabekontaktpads 28 auf der Linie A2 angeordnet sind. Die ersten und zweiten Sätze von Steuerpads 20, 24 sind ebenfalls in solch einer Weise angeordnet, dass die Breite eines Spalts W2, der zwischen dem spannungsfreien Balken 14 und entweder dem ersten oder dem zweiten Steuerpad 20, 24 angeordnet ist, stets größer als die Breite eines anderen Spalts W1 ist, der zwischen den Abschnitten 31, 32, 34 vergrößerter Breite des spannungsfreien Balkens und entweder den ersten oder zweiten Ausgabekontaktpads 28, 30 definiert ist. Obwohl dies in 2A nicht gezeigt ist, weisen die zugehöriger Spalten, die zwischen den Oberflächen der Plattformen unter der Mittellinie A (welche der Schnittlinie III-III entspricht) und der Oberfläche des ersten Ausgabekontaktpads 28 definiert sind, eine ähnliche Beziehung auf. Zudem muss die Breite des ersten Ausgabekontaktpads 28 nicht gleich der Breite des zweiten Ausgabekontaktpads 30 sein.
Wie nachstehend genauer erläutert wird, veranlasst ein relatives Potential auf der Grundlage eines Unterschieds zwischen den ersten Potential und dem zweiten Potential den spannungsfreien Balken 14 dazu, sich in Querrichtung (im Wesentlichen parallel zum Substrat 12) hin zu entweder dem ersten oder den zweiten Ausgabekontaktpad 28, 30 zu verschieben und damit Kontakt zu haben, wenn das relative Potential größer oder gleich einem Schwellenpotential wie beispielsweise 10 V ist. Das Schwellenpotential wird allgemein durch den Querschnittsbereich des spannungsfreien Balkens 14 und den Abstand zwischen dem spannungsfreien Balken und den ersten und zweiten Ausgabesätzen der Steuerpads 20, 24 bestimmt. Der spannungsfreie Balken 14 wird anschließend elektrisch mit diesem Ausgabekontaktpad gekoppelt und schafft daher einen Signalweg zwischen diesem Ausgabekontaktpad, dem spannungsfreien Balken 14 und den ersten und zweiten Plattformen 16, 18, wenn das relative Potential zwischen den ersten und zweiten Sätzen von Steuerpads 20, 24 erzeugt wird.
Ein Betrieb des MEMS-Schalters 10 der 1 bis 2A wird ausführlicher mit Bezug auf eine beispielhafte Implementierung beschrieben, in welcher der MEMS-Schalter 10 einen RF-Signalpfad bildet. Der spannungsfreie Balken 14 ist äußerst leicht (im Bereich vom nN) und die Adhäsionskraft (hauptsächlich van der Waals-Kraft) zwischen dem spannungsfreien Balken 14 und den ersten und zweiten Plattformen 16, 18 ist klein (unter 1 μN). Daher kann es sein, dass die Kontaktkraft nicht ausreicht, um einen gültigen elektrischen Kontakt einzurichten. In Übereinstimmung damit wird ursprünglich ein großer Widerstand R zwischen dem spannungsfreien Balken 14 und dem Eingangssignal (RF IN in 2A) angenommen, bevor irgendeine Spannung auf die ersten und zweiten Sätze von Steuerpads 20, 24 wirkt.
Wie in 4 gezeigt kann der spannungsfreie Balken 14 in irgendeiner Position innerhalb eines Spalts zwischen einem oberen Steuerpad P6 aus dem zweiten Satz von Steuerpads 24 und einem unteren Steuerpad P2 aus dem ersten Satz von Steuerpads 20 sein, bevor eine Spannung V auf eines der Steuerpads 20, 24 wirkt. Wenn die Spannung V auf das obere Steuerpad P6 wirkt und die Plattformen 16, 18 geerdet sind, ist der spannungsfreie Balken 14 im Ergebnis in einem Zustand eines frei beweglichen Leiters mit einem großen Kontaktwiderstand R zwischen den Plattformen 16, 18 und dem spannungsfreien Balken 14. Wie in 5 gezeigt wird der Ersatzschaltkreis des MEMS-Schalters 10 durch zwei Kondensatoren C1' und C2' wiedergegeben, die in Serie verbunden sind, wenn der spannungsfreie Balken 14 in dem Zustand des frei beweglichen Leiters ist. Positive Ladungen Q sammeln sich an einer Oberfläche S1 des oberen Steuerpads P6 und eine gleiche Anzahl von negativen Ladungen -Q sammeln sich an einer Oberfläche S4 des unteren Steuerpads P2. Weil der spannungsfreie Balken 14 aus einem hochgradig leitfähigen Material hergestellt ist, ist er ein guter Leiter, und daher ist eine Summe der negativen Ladungen, die auf der zweiten Längsseite 26 des spannungsfreien Balkens 14 induziert werden, gleich einer Summe der positiven Ladungen, die auf der ersten Längsseite 22 des spannungsfreien Balkens 14 induziert werden, und die Gesamtladung des spannungsfreien Balkens 14 ist folglich Null.
Unter einer elektrostatischen Bedingung kann kein Strom fließen oder keine Bewegung von elektrischen Ladungen innerhalb des spannungsfreien Balkens 14 entstehen. In Übereinstimmung damit sind alle elektrischen Felder tangential zu den Längsseiten des spannungsfreien Balkens 14 Null. Es gibt jedoch ein elektrisches Feld E1 zwischen dem oberen Steuerpad B6 und dem spannungsfreien Balken 14 senkrecht zu der Oberfläche S1 des oberen Steuerpads P6 und der zweiten Längsseite 26 des spannungsfreien Balkens 14. Außerdem gibt es ein zweites elektrisches Feld E2 zwischen dem spannungsfreien Balken 14 in dem unteren Steuerpad P2 und senkrecht zu der Oberfläche S4 des Steuerpads P6 und der ersten Längsseite 22 des spannungsfreien Balkens 14. Streueffekte der elektrischen Felder an den Enden der oberen und unteren Steuerpads P2, P6 werden der Einfachheit halber ignoriert. Weil das obere Steuerpad P6 eine Länge L1 aufweist, die größer als eine Länge L2 des anderen Steuerpads P2 ist, wird das elektrische Feld E1 im Ergebnis über einen größeren Bereich als das elektrische Feld E2 gespreizt. Folglich ist das elektrische Feld E2 stärker als das elektrische Feld E1.
Eine erste resultierende elektrostatische Kraft F1, die gleich den gesamten Ladungen Q ist, die mit dem elektrischen Feld E1 multipliziert werden, ist auf der zweiten Längsseite 26 des spannungsfreien Balkens 14 vorhanden. Eine zweite resultierende elektrostatische Kraft F2, die gleich den gesamten Ladungen -Q multipliziert mit dem elektrischen Feld E2 ist, ist auf der ersten Längsseite 22 des spannungsfreien Balkens 14 vorhanden. Die erste resultierende Kraft F1 ist kleiner als die zweite resultierende Kraft F2, weil das erste elektrische Feld E1 kleiner als das zweite elektrische Feld E2 ist. Folglich neigt die erste resultierende Kraft F1 dazu, den spannungsfreien Balken 14 hin zu dem oberen Steuerpad P6 zu ziehen, während die Kraft F2 dazu neigt, den spannungsfreien Balken 14 hin zum unteren Steuerpad P2 zu ziehen. Die Nettokraft (F2 – F1) zieht jedoch den spannungsfreien Balken 14 hin zum unteren Steuerpad P2, was dazu führt, dass der Abschnitt größerer Breite 31 des spannungsfreien Balkens 14 eine Oberfläche C4 der Plattform 16 berührt, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Abschnitt 31 vergrößerter Breite des spannungsfreien Balkens 14 und der Oberfläche C4 der ersten Plattform zu schaffen. Abhängig von der Nettokraft (F2 – F1) verringert der elektrische Kontakt den Widerstand R auf einen sehr kleinen Wert, sodass der spannungsfreie Balken 14 auf dem gleichen Potential wie die erste Plattform 16 ist. in ähnficher Weise ist der spannungsfreie Balken 14, obwohl dies nicht in 6 ge zeigt ist, auch in Kontakt mit einer Oberfläche C5 des ersten Ausgabekontaktpads 28 und mit einer Oberfläche C6 der zweiten Plattform 18.
Obwohl dies in den Figuren nicht gezeigt ist, sammeln sich schließlich negative Ladungen -Q an dem spannungsfreien Balken 14 an, und die elektrostatische Kraft F2 wird Null. Die elektrostatische Kraft F1 zieht den Balken hin zum oberen Steuerpad P6, bis er in Kontakt mit der Oberfläche C1 der ersten Plattform 16 ist, wie in 6 gezeigt. Weil die Trennung zwischen dem spannungsfreien Balken 14 und dem oberen Steuerpad P6 sehr klein ist, steigen die Ladungen an dem oberen Steuerpad P6 und dem spannungsfreien Balken 14 an. Das elektrische Feld E1 und somit die elektrostatische Kraft F1 ist ebenfalls stärker als vor dem ursprünglichen Kontakt. Gleichzeitig ist der spannungsfreie Balken 14 auch in Kontakt mit dem zweite Ausgabekontaktpad 30 und der Oberfläche C3 der zweiten Plattform 18. Die starke elektrostatische Kraft F1 erzeugt gute Kontakte an den oberen Oberflächen C1, C3 der ersten und zweiten Plattformen 16, 18 und dem zweiten Ausgabekontaktpad 30. Ein leitender (oder Signal-)Pfad wird über die ersten und zweiten Plattformen 18 und den spannungsfreien Balken 14 zwischen dem Eingangssignal RF IN und dem zweiten Ausgabekontaktpad 30 eingerichtet.
Mit Bezug auf 7 wird der Ersatzschaltkreis des Signalpfads gezeigt. R1 gibt den Kontaktwiderstandswert an der Oberfläche C2 des zweiten Ausgabekontaktpads 30 an, und R2 und R3 geben jeweils die Kontaktwiderstandswerte an den Oberflächen C1 und C3 der ersten und zweiten Plattformen 16, 18 an.
Die Spannung V kann anschließend auf das untere Steuerpad P2 wirken, um den MEMS-Schalter 10 umzuschalten. Die elektrostatische Kraft zieht im Ergebnis den Balken hin zum unteren Steuerpad P2, bis der spannungsfreie Balken 14 mit den Oberflächen C4, C6 der ersten und zweiten Plattform 16, 18 unter der Oberfläche C5 des ersten Ausgabekontaktpads 28 in Kontakt ist. In ähnlicher Weise wird über die ersten und zweiten Plattformen 16, 18 und den spannungsfreien Balken 14 ein leitender (Signal-)Pfad zwischen dem Eingangssignal und dem ersten Ausgabekontaktpad 28 eingerichtet. In Übereinstimmung damit schaffen die zwei Ausgabepads einen in zwei Positionen umlegbaren Einzelpolschalter (SPDT-, single-pole-double-throw-Schalter).
In dem vorstehenden Beispiel wirkt die Spannung V entweder auf das Steuerpad P2 oder das Steuerpad P6. Die Spannung V könnte jedoch auch auf ein anderes Steuerpad aus dem zweiten Satz von Steuerpads 24 wie das Steuerpad P3 oder ein anderes Steuerpad aus dem ersten Satz von Steuerpads 20 wie das Steuerpad P7 wirken. Die Spannung V könnte auch auf eine Vielzahl oder alle aus dem ersten Satz von Steuerpads 20 oder dem zweiten Satz von Steuerpads 24 wirken. Unabhängig davon hängt die Verschiebung des spannungsfreien Balkens 14 vom relativen Potential oder der elektrostatischen Kraft zwischen einander gegenüberliegenden Steuerpads ab.
Während er vorstehend als ein Schalter für einen RF-Signalweg beschrieben wurde, kann der MEMS-Schalter 10 auch als ein optischer Schalter verwendet werden, um Licht zu blockieren oder durchzulassen, um dadurch einen Lichtsignalpfad zu schaffen. Das Substrat 12 ist für diese bestimmte Anwendung bevorzugt transparent. Noch genauer kann beispielsweise ein Lichtsignal durch den Spalt zwischen dem spannungsfreien Balken 14 und dem ersten Ausgabekontaktpad 28 übertragen werden, wenn der spannungsfreie Balken 14 in Kontakt mit dem zweiten Ausgabekontaktpad 30 ist. Dies entspricht dem EIN-Zustand. Wenn der spannungsfreie Balken 14 in Kontakt mit dem ersten Ausgabekontaktpad 28 ist, verschwindet der ursprüngliche Spalt, und eine völlige Blockierung des Lichtsignals ist möglich. Dies entspricht einem AUS-Zustand.
Der MEMS-Schalter 10 kann auch so modifiziert werden, dass er einen optischen Schalter schafft, um elektromagnetische Strahlung wie ein Licht oder einen Laser in Übereinstimmung mit ersten und zweiten Modifizierungen, die nachstehend erläutert werden, umleitet. In einer ersten Modifizierung des MEMS-Schalters 10 umfasst der spannungsfreie Balken 14 eine lichtreflektierende Schicht 39 auf seiner Oberfläche wie in 2B gezeigt. Der spannungsfreie Balken 14 kann jedoch alternativ die lichtreflektierende Schicht 39 auf seiner Bodenseite oder sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Oberfläche aufweisen. Zudem muss die lichtreflektierende Schicht 39 nicht notwendiger Weise die gesamte Oberfläche des spannungsfreien Balkens 14 abdecken. Stattdessen kann die lichtreflektierende Schicht 39 in verschiedene Sektionen auf der Oberfläche aufgeteilt sein. Wenn das Substrat 12 wie vorstehend erwähnt transparent ist, arbeitet der spannungsfreie Balken 14 im Allgemeinen, um es einem Lichtsignal zu erlauben, durch das Substrat 12 übertragen zu werden, wenn der spannungsfreie Balken mit dem ersten Ausgabekontaktpad 28 oder dem zweiten Ausgabekontaktpad 30 in Kontakt ist. Wenn das Substrat 12 absorbiert, wird das Lichtsignal durch das Substrat absorbiert, wenn der spannungsfreie Balken mit dem ersten Ausgabekontaktpad 28 oder dem zweiten Ausgabekontaktpad 30 in Kontakt ist. Die lichtreflektierende Schicht 39 des spannungsfreien Balkens 14 reflektiert das Lichtsignal, wenn der spannungsfreie Balken 14 mit dem anderen aus dem ersten Ausgabekontaktpad 28 oder dem zweiten Ausgabekontaktpad 30 in Kontakt ist. Dieser Betrieb ist ähnlich dem vorstehend erörterten Schalter zum Blockieren oder Durchlassen von Lichttransmissionen mit der Ausnahme, dass in dieser ersten Modifikation die lichtreflektierende Schicht 39 des spannungsfreien Balkens 14 das Lichtsignal reflektiert, wenn es in dem Aus-Zustand ist, anstelle das Lichtsignal lediglich zu blockieren.
In einer zweiten Modifikation schafft der MEMS-Schalter 10 einen Lichtsignalweg, der in einem Winkel verlagert bzw. gekippt wird. Mit Bezug auf 2C wird der MEMS-Schalter 10 modifiziert, um einen lichtreflektierenden Spiegel 40 auf einer oberen Oberfläche des spannungsfreien Balkens 14 aufzuweisen. Der lichtreflektierende Spiegel 14 kann einseitig oder doppelseitig sein. Der spannungsfreie Balken 14 ist in Übereinstimmung mit dem Relativpotential im Winkel verschiebbar bzw. kippbar, wenn das Relativpotential zwischen nicht einander gegenüber liegenden Steuerpads vorliegt, um ein Lichtsignal in Übereinstimmung mit der Winkelverlagerung des spannungsfreien Balkens zu verschieben. Der spannungsfreie Balken ist weiterhin in der Querrichtung in Übereinstimmung mit dem Relativpotential verschiebbar, wenn das Relativpotential zwischen einander gegenüberliegenden Steuerpads vorliegt, um das Lichtsignal senkrecht zu dem spannungsfreien Balken 14 zu verschieben. Noch genauer kann der spannungsfreie Balken 14 abhängig von der Aktivierungsspannung, die auf die ersten und zweiten Sätze von Steuerpads 20, 24 wirkt, parallel zu der Mittellinie A (welche der in 2A gezeigten Schnittlinie III-III entspricht) verlagert oder um die senkrechte Achse Z (die in 2C gezeigt ist) gedreht werden.
Wenn beispielsweise alle Steuerpads des zweiten Satzes von Steuerpads 24 auf dem gleichen Spannungspotential sind und die Steuerpads des ersten Satzes von Steuerpads 20 auf einem Erdpotential sind, wird der spannungsfreie Balken 14 parallel zur Mittellinie A (welche der Schnittlinie III-III entspricht) verschoben. Das Lichtsignal wird im Ergebnis umgelenkt, wenn es den lichtreflektierenden Spiegel 40 trifft, wenn der spannungsfreie Balken 14 mit einem der Ausgabekontaktpads 28, 30 in Kontakt ist. Keine Umlenkung tritt auf, wenn der spannungsfreie Balken 14 mit dem anderen unter den Ausgabekontaktpads 28, 30 in Kontakt ist. Wenn die Steuerpads P1, P2, P6 und P8 auf demselben Spannungspotential sind, dreht sich der Balken um die senkrechte Achse Z, und das Lichtsignal wird im Ergebnis von dem Licht reflektierenden Spiegel 40 abhängig von der Drehung des spannungsfreien Balkens 14 mit einem unterschiedlichen Winkel reflektiert. In der zweiten Modifizierung umfasst sowohl der erste Satz als auch der zweite Satz von Steuerpads 20, 24 mindestens zwei Steuerpads. Außerdem können mehrere lichtreflektierende Spiegel ähnlich dem lichtreflektierenden Spiegel 40 auf dem spannungsfreien Balken 14 vorhanden sein.
9 zeigt einen Vergleich der Aktivierungsspannung über den Schaltwiderstand, die durch den MEMS-Schalter 10 erreicht wird, mit der Aktivierungsspannung über dem Schaltwiderstand, die durch einen herkömmlichen Ankerbrückenschalter erreicht wird. Beide Schalter weisen ähnliche Layouts aus und werden aus ähnlichen Materialien mit demselben Oberflächenwiderstand hergestellt. Die Kurve für den MEMS-Schalter 10 erhielt man aus Daten, die unter Verwendung von speziell konzipierter elektromechanischer Software simuliert wurden, während die Kurve für die verankerte Luftüberbrückung unter Verwendung tatsächlicher Daten abgeleitet wurde. Wie aus dieser Kurve zu erkennen, ist die Aktivierungsspannung V2, die der Schalter benötigt, um Kontakt zu haben, für den MEMS-Schalter 10 viel niedriger als die Aktivierungsspannung V3 der verankerten Luftüberbrückung. Zudem kann ein viel kleinerer Kontaktwiderstand (aus der dritten Kurve) unter Verwendung des MEMS-Schalters 10 bei einer viel niedrigeren Aktivierungsspannung V1 erzielt werden, wenn der Oberflächenschichtwiderstand ignoriert wird.
Mit Bezug auf die 10A bis 10E wird ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung des MEMS-Schalters 10 erörtert. Wie in 10A gezeigt wird zunächst ein Metall 42 in einer ersten Stufe auf dem Substrat 12 unter Verwendung einer (nicht gezeigten) ersten Maske abgeschieden. Wie in 10B gezeigt wird Kontakt- und Elektrodenmetall 44 auf dem Metall 42 der ersten Stufe unter Verwendung einer (nicht gezeigten) zweiten Maske abgeschieden. Wie in 10C gezeigt werden eine erste Opferschicht 46 und das leitfähige Material 48 zum Bilden des spannungsfreien Balkens 14 unter Verwendung einer dritten Maske abgeschieden. Wie in 10D gezeigt werden eine zweite Opferschicht 50 und Material für die Sperre 52 unter Verwendung (nicht gezeigter) vierter und fünfter Masken abgeschieden. Weiterhin werden die ersten und zweiten Opferschichten 46, 50 entfernt, wie in 10E gezeigt, um den MEMS-Schalter zu erzeugen. Die Herstellung des MEMS-Schalters 10 ist bezüglich der Komplexität im Wesentlichen gleich einem industriellen IC-Herstellvorgang. Zudem ermöglicht die Flexibilität der Substratauswahl, dass der MEMS-Schalter 10 vergleichsweise leicht in den Rest des ICs integriert werden kann. Der Herstellvorgang umfasst außerdem weniger Herstellschritte als die Anzahl, die benötigt wird, um den senkrecht beweglichen MEMS-Schalter herzustellen.
Mit Bezug auf 11 wird ein MEMS-Schalter 10' nach einer zweiten Ausführungsform erörtert, bei dem ähnliche Teile wie jene des MEMS-Schalters 10 der ersten Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen aufweisen. Der MEMS-Schalter 10' umfasst einen primären spannungsfreien Balken 54, der oberhalb eines Substrats 12' angeordnet ist, um den Signalfluss zu steuern. Der primäre spannungsfreie Balken 54 ist in Richtungen im Wesentlichen parallel zu dem Substrat 12' verschiebbar, um selektiv einen elektrischen Kontakt mit ersten und zweiten Ausgabekontaktpads 28' herzustellen und zu unterbrechen, die auf dem Substrat 12' angeordnet sind. Der primäre spannungsfreie Balken 54 weist bevorzugt einen Rahmenaufbau auf. Der MEMS-Schalter 10' umfasst außerdem eine Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken 14', die strukturell und elektrisch mit dem primären spannungsfreien Balken 54 gekoppelt sind. Jeder aus der Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken 14 ist innerhalb von ersten, zweiten und dritten Plattformen 16', 18', 19' angeordnet, um eine Verschiebung jedes aus der Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken 14' in Richtungen außer der im Wesentlichen parallel zu dem Substrat 12' zu beschränken, und ist zwischen ersten und zweiten Sätzen von Steuerpads 20', 24' auf dem Substrat 12' angeordnet. Die ersten und zweiten Sätze von Steuerpads 20', 24', dienen dazu, das relative Potential zu schaffen. Die zweiten und dritten Plattformen 16', 18', 19', sind (was für 19' zum Zweck der vereinfachten Darstellung nicht gezeigt ist) elektrisch miteinander verbunden, um den gesamten Schaltkontaktwiderstand zu verringern.
Jeder aus der Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken 14' ist empfindlich für ein relatives Potential, um mit den Seitenwänden von ersten, zweiten und dritten Plattformen 16', 18', 19', die auf dem Substrat 12' angeordnet sind, in Übereinstimmung mit dem relativen Potential einen elektrischen Kontakt herzustellen und zu unterbrechen. Die dritten Plattformen 19' und die ersten und zweiten Plattformen 16', 18' verhindern jeweils, dass einer der sekundären spannungsfreien Balken 14' die jeweiligen Steuerpads 20', 24' kontaktieren. Noch genauer verhindern die (nicht gezeigten) Abschnitte vergrößerter Breite, dass die sekundären spannungsfreien Balken 14' die jeweiligen Steuerpads berühren, wenn jeder aus der Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken 14' identisch mit dem spannungsfreien Balken 14 der ersten Ausführungsform ist.
Außerdem können sowohl die ersten und zweiten Ausgabekontaktpads 28', 30' als auch der primäre spannungsfreie Balken 54 eliminiert werden, indem man eine Vielzahl der in 1 gezeigten Schalter in Serie montiert. In einer solchen Anordnung weist jeder spannungsfreie Balken 14 wie in 1 gezeigt Ausgabekontaktpads 28, 30 auf. Im Allgemeinen schafft die vorstehend gezeigte Ausführungsform eines Schalters mit mehreren Balken ein Schaltfeld von m × n individuellen Schaltern, die elektrisch miteinander parallel oder in Serie verbindbar sind. Die spannungsfreien Balken 14 aller Schalter 10 in derselben Reihe können als ein einziger spannungsfreier Balken ähnlich dem sekundären spannungsfreien Balken 14' im Schalter 10' in 11 kombiniert werden. Ein mehrfach umlegbarer Mehrpol-(multiple pole multiple throw) MEMS-Schalter kann unter Verwendung einer Kombination von zwei oder mehr MEMS-Schaltern (10 oder 10') aufgebaut werden.
Im Betrieb kann einer aus der Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken 14' ein Eingabesignal wie ein RF-Signal über seine ersten, zweiten und dritten Plattformen 16', 18', 19' ähnlich der Weise empfangen; in welcher der spannungsfreie Balken 14 ein Eingangssignal über eine Plattform 16, 18 empfängt, wie vorstehend mit Bezug auf 2A erörtert wurde. Weil alle aus der Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken 14' elektrisch mit dem primären spannungsfreien Balken 54 gekoppelt sind, wird das Signal von dem sekundären spannungsfreien Balken 14' an den primären spannungsfreien Balken 54 übertragen. Eine Spannung wirkt beispielsweise über den zweiten Satz von Steuerpads 24' von jedem der sekundären spannungsfreien Balken 14', um diese hin zu den Seitenwänden der ersten, zweiten und dritten Plattformen 16', 18', 19' zu verschieben. Weil die Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken 14' strukturell und elektrisch mit dem primären spannungsfreien Balken 54 gekoppelt sind, verschiebt die Verschiebung der Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken 14' entsprechend den primären spannungsfreien Balken 54, bis er den zweiten Ausgabekontaktpad 28' und die Seitenwände der ersten, zweiten und dritten Plattformen 16', 18', 19' gleichzeitig kontaktiert.
So wird ein Signalpfad zwischen den sekundären spannungsfreien Balken 14', dem primären spannungsfreien Balken 54 und dem Ausgabekontaktpad 28' geschaffen. Weil der primäre spannungsfreie Balken 54 durch kombinierte Verlagerung der zweiten spannungsfreien Balken 14' verschoben wird, sammelt der erste spannungsfreie Balken 54 eine größere Kontaktkraft für dieselbe Aktivierungsspannung und seitliche Verlagerung wie in dem MEMS-Schalter 10. Außerdem benötigt man eine geringere Aktivierungsspannung, um den MEMS-Schalter 10' für die gleiche Kontaktkraft und seitliche Verschiebung wie den MEMS-Schalter 10' zu aktivieren. Außerdem kann eine größere seitliche Verschiebung für den MEMS-Schalter 10' bei derselben Kontaktkraft und Aktivierungsspannung wie bei dem MEMS-Schalter 10 erreicht werden. Im Allgemeinen erlaubt der MEMS-Schalter 10', wie später erörtert, eine größere Konzeptionsflexibilität.
Insgesamt umfasst der MEMS-Schalter 10 einen ankerlosen spannungsfreien Balken. 14, der frei in Querrichtungen verschiebbar ist. Dieser ankerlose spannungsfreie Balken 14 erzielt mehrere Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen verankerten Balkenaufbauten.
Insbesondere gibt es im Wesentlichen keine Spannungen im spannungsfreien Balken 14 während des Betriebs und der Herstellung, weil er sich frei bewegt. Weiterhin gibt es im Wesentlichen keine Metallermüdung und eventuelle plastische Verformung auf Grund wiederholter Biegung wie in verankerten Schaltaufbauten. Die verringerte Metallermüdung, plastische Verformung, Betriebsspannung und Herstellspannung erge ben einen Schaltaufbau, der verlässlicher und länger haltbar als die herkömmlichen verankerten Schalter ist.
Der MEMS-Schalter 10 weist keinen Stromverbrauch während des Schaltens und Haltens des spannungsfreien Balkens 14 in bestimmten Positionen sowie eine niedrige Aktivierungsspannung auf, weil die elektrostatische Kraft nur benötigt wird, um die vernachlässigbaren Adhäsionskräfte an zwei Enden des spannungsfreien Balkens 14 und den Luftwiderstand beim Bewegen des spannungsfreien Balkens 14 zu überwinden.
Eine große Kontaktkraft hält den spannungsfreien Balken 14 in bestimmten Positionen, weil der Hauptteil der elektrostatischen Kraft für den Kontakt anstatt zum Biegen oder Ablenken eines Aufbaus mit festen Ankern verwendet wird. Die große Kontaktkraft stellt auch große Kontaktbereiche sicher und verringert damit die Kontaktwiderstände. Als ein Ergebnis von kleinen Kontaktwiderständen kann ein großer Strom durch den Kontakt gehen, ohne die Kontaktbereiche zu stark aufzuheizen und sie dadurch zu zerstören.
Zudem kann der MEMS-Schalter 10 eine Schaltzeit in der Größenordnung von Sub-μ-Sekunden erreichen, weil die Gravitationskraft auf dem spannungsfreien Balken (nN) im Vergleich mit der elektrostatischen Kraft (zehn bis mehrere hundert μN) vernachlässigbar ist.
Der MEMS-Schalter 10 erlaubt außerdem eine größere Konzeptionsflexibilität. Noch genauer kann ein großer Bereich von Materialien und Balkenformen für den Balken mit unterschiedlicher Oberflächenhärte und Balkenfestigkeit verwendet werden, um das optimale Design für verschiedene Anwendungen zu erzielen. Herkömmliche verankerte Balkenstrukturen sind aufgrund der Biegeanforderungen auf bestimmte Materialien und Balkenformen beschränkt. Zudem kann eine geeignete Auswahl von Balkenmaterial und Oberflächenhärte Haftprobleme während des Kontakts minimieren. Die einander entgegengesetzten Spannungen stellen Trennkräfte bereit, um den Kontakt im Falle eines Haftens zu trennen.
Der MEMS-Schalter 10 benötigt keinen Balken mit einer verlängerten Geometrie, um eine Biegeflexibilität zu schaffen. Daher ist ein sehr kompakter Schalter möglich und die Schalterlayoutkonzeption ist flexibler, um die RF-Fähigkeit zu optimieren und die Isolierung zu verbessern, wenn der MEMS-Schalter 10 im AUS-Zustand ist.
Der MEMS-Schalter 10' bietet weitere einzigartige Vorteile. Die Schalterkontaktkraft kann erhöht werden, indem die Feldgröße des Schalters 10' bei der gleichen Größe der seitlichen Verschiebung und Aktivierungsspannung erhöht wird, um einen niedrigen Kontaktwiderstand und eine Verwendung für hohen Strom zu erzielen. Die seitliche Verlagerung des Balkens kann erhöht werden, indem die Feldgröße des Schalters 10' bei gleichem Betrag der Kontaktkraft und Aktivierungsspannung erhöht wird, um eine stärkere Trennung von Ein- und Ausgang und somit eine stärkere RF-Signalisolierung zwischen der Ein- und Ausgabe zu erreichen. Die Aktivierungsspannung des Schalters kann auch durch Erhöhen der Feldgröße des Schalters 10' bei der gleichen Größe der Kontaktkraft und der seitlichen Verschiebung verringert werden, um dadurch breitere Möglichkeiten zum Einfügen in kommerzielle Anwendungen anzubieten. Der Schalter 10' weist eine noch höhere Flexibilität der Konstruktion bei der Optimierung des Kontaktmaterials für einen größeren Bereich von Kontaktkräften auf. Die Vielzahl von sekundären spannungsfreien Balken 14' des Schalters 10' schaffen eine akkumulierte Kraft, die als ein Selbstreparaturmechanismus dient, um Haftprobleme zwischen einem oder mehreren der sekundären spannungsfreien Balken 14' und einem Kontaktplatz an den ersten, zweiten und/oder dritten Plattformen 16', 18', 19' zu eliminieren.
Während die vorstehende Beschreibung eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft, sollte anerkannt werden, dass die Erfindung modifiziert, verändert oder variiert werden kann, ohne vom Gegenstand und der wahren Bedeutung der nachstehenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Ein mikroelektromechanisches Schaltsystem (10), das Folgendes aufweist: ein Substrat (12); einen spannungsfreien Balken (14; 54), der über dem Substrat angeordnet und zwischen einem ersten (16) und einem zweiten (18) Podest vorgesehen ist, wobei die ersten und zweiten Podeste (16, 18) auf dem Substrat angeordnet sind, um die Verschiebung des spannungsfreien Balkens in Richtungen zu begrenzen, die nicht im Wesentlichen parallel zu dem Substrat sind; und ein Satz aus einem oder mehreren Steuerpads (20, P1–P4), der in der Nähe einer ersten Längsseite des Balkens angeordnet ist, um ein Potential auf der ersten Längsseite des spannungsfreien Balkens zu erzeugen, wobei der spannungsfreie Balken abhängig von dem Potential zum Bereitstellen eines Signalpfads in Richtungen verschiebbar ist, die im Wesentlichen parallel zu dem Substrat sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Podeste (16, 18) weiterhin dazu da sind, ein Eingangssignal aufzunehmen.
Das mikroelektromechanische Schaltsystem (10) nach Anspruch 1, das weiterhin ein Ausgangskontaktpad (28, 30) aufweist, das auf dem Substrat und in der Nähe der ersten Längsseite (22) des spannungsfreien Balkens angeordnet ist, wobei das Ausgangskontaktpad (28, 30) dazu dient, elektrisch mit dem spannungsfreien Balken (14; 54) gekoppelt zu werden, um dadurch den Signalpfad zwischen dem Ausgangskontaktpad, dem spannungsfreien Balken und den ersten und zweiten Podesten zu schaffen, wenn das Potential durch das eine oder die mehreren Kontaktpads erzeugt ist.
Das mikroelektromechanische Schaltsystem (10) nach Anspruch 2, das weiterhin Folgendes aufweist: einen anderen Satz aus einem oder mehreren Steuerpads (P5–P8), der auf dem Substrat (12) und in der Nähe einer zweiten Längsseite (26) des spannungsfreien Balkens (14) angeordnet ist, um ein anderes Potential auf der zweiten Längsseite des spannungsfreien Balkens zu erzeugen; und ein anderes Ausgangskontaktpad (30), das auf dem Substrat und in der Nähe der zweiten Längsseite des spannungsfreien Balkens angeordnet ist.
Das mikroelektromechanische Schaltsystem (10) nach Anspruch 3, wobei: der Satz aus einem oder mehreren Steuerpads (20) und der andere Satz aus einem oder mehreren Steuerpads (24) weiterhin dazu da sind, ein relatives Potential zwischen den ersten (22) und zweiten (26) Längsseiten 10 des spannungsfreien Balkens zu schaffen, das auf einem Unterschied zwischen dem Potential und dem anderen Potential beruht; und wobei der spannungsfreie Balken (14; 54) entweder hin zu dem einen Ausgangskontaktpad verschoben wird und damit Kontakt hält oder hin zu dem anderen Ausgangskontaktpad verschoben wird und damit Kontakt hält, wenn das relative Potential größer als ein oder gleich einem Schwellenwertpotential ist.
Das mikroelektromechanische Schaltsystem (10) nach Anspruch 4, wobei: das Substrat transparent ist; und der spannungsfreie Balken weiterhin dazu dient, zuzulassen, dass ein Lichtsignal durch das Substrat geleitet wird, wenn der spannungsfreie Balken mit einem ersten aus dem Ausgangskontaktpad und dem anderen Ausgangskontaktpad in Kontakt ist und dazu dient, das Lichtsignal zu blockieren, wenn der spannungsfreie Balken mit einem zweiten aus dem Ausgangskontaktpad und dem anderen Ausgangskontaktpad in Kontakt ist.
Das mikroelektromechanische Schaltsystem (10) nach Anspruch 4, wobei der spannungsfreie Balken eine Lichtreflektionsschicht (39) auf einer oberen Oberfläche desselben aufweist, um ein Lichtsignal zu reflektieren, wenn der spannungsfreie Balken mit einem ersten aus dem Ausgangskontaktpad und dem anderen Ausgangskontaktpad in Kontakt ist, und um zuzulassen, dass das Lightsignal absorbiert wird, wenn der spannungsfreie Balken mit einem zweiten aus dem Ausgangskontaktpad und dem anderen Ausgangskontaktpad in Kontakt ist.
Das mikroelektromechanische Schaltsystem (10) nach Anspruch 4, wobei: der spannungsfreie Balken einen lichtreflektierenden Spiegel (40) umfasst; sowohl der Satz aus einem oder mehreren Steuerpads als auch der andere Satz aus einem oder mehreren Steuerpads mindestens zwei Steuerpads aufweist, wobei die mindestens zwei Steuerpads aus dem Satz aus einem oder mehreren Steuerpads jeweils den mindestens zwei Steuerpads aus dem anderen Satz aus einem oder mehreren Steuerpads gegenüber liegen; wobei der spannungsfreie Balken in Übereinstimmung mit dem relativen Potential im Winkel verlagerbar ist, wenn das relative Potential zwischen nicht-gegenüberliegenden Steuerpads vorliegt, um ein Lichtsignal in Übereinstimmung mit der Winkelverlagerung des spannungsfreien Balkens zu verschieben; und wobei der spannungsfreie Balken weiterhin in der Querrichtung in Übereinstimmung mit dem relativen Potential verschiebbar ist, wenn das relative Potential zwischen gegenüberliegenden Steuerpads vorliegt, um das Lichtsignal senkrecht zu dem spannungsfreien Balken zu verschieben.
Das mikroelektromechanische Schaltsystem (10) nach Anspruch 2, wobei der spannungsfreie Balken Abschnitte (31, 32, 34) vergrößerter Breite innerhalb der ersten und zweiten Podeste und gegenüber dem Ausgangskontaktpad aufweist, die jeweils dazu dienen, zu verhindern, dass der spannungsfreie Balken im Wesentlichen elektrisch mit dem Satz aus einem oder mehreren Steuerpads und dem anderen Satz aus einem oder mehreren Steuerpads verbunden wird.
Das mikroelektromechanische Schaltsystem (10) nach Anspruch 1, wobei sowohl das erste als auch das zweite Podest (16, 18) eine erweiterte Seitenwand (36) aufweist, um eine horizontale Verschiebung des spannungsfreien Balkens zu beschränken.
Das mikroelektromechanische Schaltsystem (10) nach Anspruch 9, wobei jedes aus den ersten und zweiten Podesten (16, 18) weiterhin einen Balkenfänger (38) aufweist, um eine senkrechte Verlagerung des Balkens im Wesentlichen zu verhindern.
Das mikroelektromechanische Schaltsystem (10) nach Anspruch 1, das weiterhin Folgendes aufweist: Mindestens einen zusätzlichen spannungsfreien Balken (54), der im Wesentlichen zu dem spannungsfreien Balken (14) identisch ist; und einen primären spannungsfreien Balken, der strukturell und elektrisch mit dem Spannungsfreien Balken und dem mindestens einen zusätzlichen spannungsfreien Balken gekoppelt ist; wobei der primäre spannungsfreie Balken in den Richtungen im Wesentlichen parallel zu dem Substrat verlagerbar ist, um den Signalpfad als ein Ergebnis der Verlagerung des mindestens einen zusätzlichen spannungsfreien Balkens und des spannungsfreien Balkens bereitzustellen.