EP1335398A1 - Micro-electrical-mechanical switch - Google Patents

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Publication number
EP1335398A1
EP1335398A1 EP20020002963 EP02002963A EP1335398A1 EP 1335398 A1 EP1335398 A1 EP 1335398A1 EP 20020002963 EP20020002963 EP 20020002963 EP 02002963 A EP02002963 A EP 02002963A EP 1335398 A1 EP1335398 A1 EP 1335398A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
electrodes
contact
auxiliary
switching element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20020002963
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Meixner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Original Assignee
Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB filed Critical Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority to EP20020002963 priority Critical patent/EP1335398A1/en
Priority to EP20030710943 priority patent/EP1474817B1/en
Priority to JP2003568677A priority patent/JP4313210B2/en
Priority to KR1020047012336A priority patent/KR100977917B1/en
Priority to DE2003600981 priority patent/DE60300981T2/en
Priority to CNB038036908A priority patent/CN1286134C/en
Priority to AT03710943T priority patent/ATE299291T1/en
Priority to PCT/US2003/003919 priority patent/WO2003069646A1/en
Priority to AU2003215126A priority patent/AU2003215126A1/en
Priority to US10/361,418 priority patent/US6818843B2/en
Publication of EP1335398A1 publication Critical patent/EP1335398A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00Electrostatic relays; Electro-adhesion relays

Definitions

  • the invention relates to a microswitch according to the Preamble of claim 1.
  • a microswitch according to the Preamble of claim 1.
  • Invention a micro switch in micro electromechanical Systems.
  • MEMS microelectromechanical or micromechanical systems
  • RF-MEMS switches for Reconfigurable Integrated Circuits
  • IEEE transaction on Microwave Theory and Techniques vol.46; No11; Nov98, Microswitch for use in the radio part of Cellular phones known.
  • Microelectromechanical components consist of several in the vertical direction, superimposed thin Layers of different lateral structures and Material properties. Depending on the desired function the individual layers, for example of conductive or insulating materials or from materials the particular mechanical properties such as Have spring constant. Let through appropriate processes even more complex three-dimensional structures are created. Simplified, a microswitch can be considered essentially three lateral layers are shown, whereby the middle layer at the end of the manufacturing process is removed again. This creates a microswitch that from a basic element as the bottom layer and one flexible switching element as the top layer. The two layers or the elements of the Microswitches are located at a defined distance opposite, the one in between by the distant one Layer is reached.
  • the basic element is a Silicon substrate, there will be an additional one on it conductive layer as a contact surface to which one Voltage can be applied.
  • the switching element can consist of a metallic material, and thus forms itself the contact area to which a voltage is then applied can.
  • This material of the switching element has one Spring constant on and the switching element is with the Basic element at least partially connected. Will now between the contact surfaces that together form the switch contact, a voltage difference is created due to this caused the flexible electrostatic attraction Switching element deflected in the direction of the basic element and the switch contact closed. To be as high as possible To achieve attraction, they show opposite contact surfaces as large as possible on.
  • a insulation can be placed on the contact surfaces additional oxide layer can be applied. Then can at the same time a DC voltage which is an electrostatic Attraction and an AC voltage as too switching signal are present at the same contact surfaces.
  • the flexible switching element is at least on fixed in one place on its edge. Depending on the type of fixation and the shape of the flexible switching element Microswitch in microelectromechanical systems then usually as a cantilever switch, bridge switch or also called membrane switch.
  • FIGS. 2a and 2b show the basic structure of a the prior art known microswitch in the Version as a bridge switch in the open and closed positions.
  • the flexible switching element S is in two places Fixed on the base element G so that it is in Open position a defined distance from the basic element having.
  • the flexible switching element has the Spring constant of the selected material and the fixation one counteracting the deflection of the switching element S. Restoring force.
  • the basic element has one Contact surface and several separate electrodes. On the Basic element is still applied several layers, that work as brackets for the switching element. The Switching element is guided through these brackets and is in a stroke range, which is determined by the brackets, free movable. Another layer is on top of the basic element opposite side of the brackets additional Counter electrodes applied.
  • the fact that the switching element is movable, i.e. is not firmly connected, stands for No mechanical restoring force opens the switch contact to disposal. Rather, here is a first to open Voltage potential to the counter electrodes and a second Voltage potential applied to the switching element and thus an attractive force between the counter electrodes and the Switching element causes.
  • the present invention is therefore the object to provide a microswitch that corresponds to that from the stand counteracts the known disadvantage of bonding and the simplest possible manufacturing process for the microelectromechanical system guaranteed.
  • the invention is therefore based on the idea of providing a microswitch which consists of a base which is referred to below as the basic element and a movable element which is referred to as the switching element.
  • the switching element has a spring constant and is firmly connected to the base element at least in part of its edge region. As a result, when the movable switching element is deflected, a restoring force is generated which is opposite to the deflection.
  • Both the basic element and the switching element each have at least two electrodes, hereinafter referred to as the electrode and auxiliary electrode.
  • the electrode of the basic element and that of the switching element lie opposite each other at a defined distance.
  • the auxiliary electrode is provided both in the basic element and in the switching element in the lateral direction at the same distance from the respective electrode. Furthermore, both the base element and the switching element each have a contact surface which together form the switching contact of the microswitch.
  • the distance between the electrodes of the base element and the switching element essentially determines the stroke that the movable switching element needs to close the switching contact. If there is a voltage with a first voltage potential at the electrodes and a second voltage potential at the auxiliary electrodes to open the switching contact, the voltage difference that arises in this way causes an electrical field between the base element and the switching element in the lateral direction between the electrode and the auxiliary electrode.
  • these repulsive forces act essentially in the same direction as the restoring force of the switching element, they support the restoring force of the switching element just at the time of opening. This means that just at the beginning of the release or separation of the contact surfaces of the switching contact, the repulsive forces initially act in the direction of the restoring force. Because the electrodes or the auxiliary electrodes with the same voltage potential and thus surface charges with the same sign are very close to one another before the switching contact is opened, the repulsive forces are particularly great at this time due to the small distance. Because the repulsive forces act in the direction of the restoring force, they support the opening of the switching contact and thus counteract permanent sticking of the switching contact.
  • microswitch according to the invention additional mechanical measures, such as the increase in the spring constant known from the prior art, can be dispensed with.
  • additional mechanical measures such as the increase in the spring constant known from the prior art
  • additional complex structures such as the clips and counter electrodes known from the prior art
  • the Basic element G usually produced as a base layer, has a recess in which the contact surface KG as well as the electrode EG and auxiliary electrode HG.
  • the Contact area KG and the two electrodes EG and HG can, as shown in Fig.1b, as additional Layers on the surface of the depression of the basic element G applied or in the, the basic element G forming layer can be integrated.
  • the latter arrangement requires more complex lateral structures, but none additional layers in the vertical direction.
  • the switching element S is then formed that there is a bridge over the recess of the base element G tense and firmly attached to the two edge areas of the bridge the basic element is connected.
  • the Switching element S is the contact surface KS and the Electrode ES and the auxiliary electrode HS.
  • Electrodes ES and HS as shown in Fig. 1b, as additional layer may be applied to the switching element S. or also in the layer forming the switching element S. be integrated.
  • the electrodes EG and ES as well as the Auxiliary electrodes HG and HS can be made using suitable feeders be connected to a voltage source, not shown.
  • the Contact areas KG and KS can be made using suitable inlets be connected to the signal path to be switched, so that in Closed position of the switch contact, that is when the touch both contact surfaces KG and KG, the signal path closed is.
  • a voltage is created due to the Voltage difference between the electrodes EG and ES electrostatic field that creates an attractive force.
  • the Switching element S is thus in the direction of the basic element G, or more precisely in the direction of the electrode EG located in the Depression of the base element G is deflected. This, a deflection generated by the applied voltage acts Resetting force opposed by the material used and determines the type of attachment of the switching element S. is.
  • Electrodes EG, ES, HG, HS are designed so that they are as in Fig. 1a are shown schematically as a strip line.
  • the stripline also point a thickness d that is much smaller than that Longitudinal dimension 1 is.
  • the strip electrodes EG, ES, HG, HS are on the base element G and the switching element S to each other arranged that they are parallel in their length dimension 1 lie to each other. This leads to an accumulation of Charge carriers on the surface area of the electrodes EG, ES, HG, HS, which by the length dimension 1 and the thickness d is determined.
  • Electrodes EG, ES and auxiliary electrodes HG, HS will look like shown schematically in Fig.1d, on the electrodes EG and ES Accumulate positive charges on the surface, which the the respective auxiliary electrode is closest. Corresponding there will be negative charges on the surface of the Auxiliary electrodes HG and HS accumulate that of the respective Electrode is closest. Because these surfaces in the same distance a from each other, the Charge accumulation also in the vertical direction opposite and an orthogonal system of Surface areas with a collection of same load carriers. The caused by it Repulsive forces in the vertical direction support the Restoring force.
  • Electrode EG, ES and the auxiliary electrode HG, HS dielectric material with the dielectric constant ⁇ r.
  • one such arrangement as a lateral structure in a single Realize shift. That means the electrodes EG, ES, HG, HS and the dielectric material essentially form the switching element S.
  • the voltage potential between U1 and U2 switchable so that it is as described input due to the different voltage potentials Attraction of electrodes EG, ES, HG, HS between basic element G and switching element S comes.
  • These attractions can still be increased if the voltage potential is also present another electrode EG, ES, HG, HS is switched, see above that then, for example, on the electrode ES and the Auxiliary electrode HS of the switching element S the first Voltage potential U1 and at the electrode EG and the Auxiliary electrode HG of the base element G the second Voltage potential U1 is present or vice versa.
  • the contact areas KS and KG are only located directly in a section that forms the switch contact across from.
  • the embodiment of the shown here Contact surfaces KS, KG of a microswitch are suitable especially for applications where switching RF signals are, such as in the radio part of portable Terminals. With RF signals, it is advantageous that the Signal paths, here the contact areas, as little as possible overlap to avoid capacitive coupling. moreover can be microswitches according to the present invention use advantageously here, because in such portable devices Power supply is low, so the ones used Components have the lowest possible supply voltages should.
  • FIG. 1c schematically shows a further embodiment a microswitch according to the invention.
  • the contact surfaces KS, KG des Switching element S and the basic element G also between two Pairs of one electrode and auxiliary electrode each be arranged. That is, the basic element G and the Switching element S each have a further electrode EG1 and ES1 and another auxiliary electrode HG1 and HS1. This are again arranged parallel to each other at a distance a.
  • the contact areas KG and KS are located between the first pair of electrode EG, ES and auxiliary electrode HG, HS and the second pair from the further electrode EG1, ES1 and Auxiliary electrode HG1, HS1.
  • the Contact areas KG and KS only in one area, which forms the switch contact.
  • the contact surfaces are a Have a width that does not allow this between one Arrange electrode and auxiliary electrode, that is if for example, the width of the contact area is larger than that Distance a between the electrode and auxiliary electrode is.
  • that is the generation of repulsive forces to Opening the contact is at least always a pair of Electrode and auxiliary electrode necessary.

Abstract

The device has a base element and a switch element with auxiliary electrodes in the lateral direction. A voltage is applied to electrodes and the auxiliary electrodes to open switch contacts so the electrodes and auxiliary electrodes have first and second potentials, resulting in electrode and auxiliary electrode surface areas with positive and negative charge carriers in the lateral direction and equal charge carriers in the orthogonal direction. The device has a base element and a switch element with auxiliary electrodes (EG,ES) in the lateral direction to which a voltage can be applied. The voltage is applied to electrodes (HG,HS) and the auxiliary electrodes to open switch contacts so the electrodes have a first potential (U1) and the auxiliary electrodes a second potential (U2), resulting in surface areas on the electrodes and auxiliary electrodes with positive and negative charge carriers in the lateral direction and with equal charge carriers in the orthogonal direction. AN Independent claim is also included for the following: a portable terminal with an inventive device.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Mikroschalter in Mikroelektromechanischen Systemen.The invention relates to a microswitch according to the Preamble of claim 1. In particular, relates to Invention a micro switch in micro electromechanical Systems.

Als mikroelektromechanische bzw. mikromechanische Systeme (MEMS) werden Bauelemente bezeichnet, die mittels spezieller Verfahren und Prozesse wie beispielsweise das Lithographieverfahren hergestellt werden. Sie erlauben die Realisierung von elektrischen oder auch mechanischen Funktionen auf kleinstem Raum im µm-Bereich. So sind beispielsweise aus: Brown, Elliott R.; RF-MEMS Switches for Reconfigurable Integrated Circuits; IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques; Vol.46; No11; Nov98, Mikroschalter für die Anwendung im Radioteil von Mobilfunktelefonen bekannt.As microelectromechanical or micromechanical systems (MEMS) are components that use special Procedures and processes such as that Lithography processes are produced. You allow that Realization of electrical or mechanical Functions in the smallest space in the µm range. So are for example from: Brown, Elliott R .; RF-MEMS switches for Reconfigurable Integrated Circuits; IEEE transaction on Microwave Theory and Techniques; vol.46; No11; Nov98, Microswitch for use in the radio part of Cellular phones known.

Mikroelektromechanische Bauelemente bestehen aus mehreren, in vertikaler Richtung, übereinanderliegenden dünnen Schichten unterschiedlichster lateraler Strukturen und Materialeigenschaften. Je nach gewünschter Funktion bestehen die einzelnen Schichten beispielsweise aus leitenden oder isolierenden Materialien oder aus Materialien die bestimmte mechanische Eigenschaften wie beispielsweise eine Federkonstante aufweisen. Durch entsprechende Prozesse lassen sich auch komplexere dreidimensionale Strukturen erzeugen. Vereinfacht kann ein Mikroschalter als im wesentlichen aus drei lateralen Schichten aufgebaut dargestellt werden, wobei am Ende des Herstellungsverfahrens die mittlere Schicht wieder entfernt wird. Dadurch entsteht ein Mikroschalter, der aus einem Grundelement als unterste Schicht und einem flexiblen Schaltelement als oberste Schicht besteht. Die beiden Schichten bzw. die dadurch gebildeten Elemente des Mikroschalters liegen sich mit einem definierten Abstand gegenüber, der durch die entfernte dazwischen liegende Schicht erreicht wird. Dieser Abstand entspricht weitgehend dem Hub, den das flexible Schaltelement zu überwinden hat, um einen Schaltkontakt zwischen Grundelement und Schaltelement zu schließen. Ist das Grundelement beispielsweise ein Silizium Substrat, wird sich auf ihm eine zusätzliche leitende Schicht als Kontaktfläche befinden, an die eine Spannung angelegt werden kann. Das Schaltelement kann aus einem metallischen Material bestehen, und bildet damit selbst die Kontaktfläche, an die dann eine Spannung angelegt werden kann. Dieses Material des Schaltelements weist eine Federkonstante auf und das Schaltelement ist mit dem Grundelement zumindest teilweise verbunden. Wird nun zwischen den Kontaktflächen, die zusammen den Schaltkontakt bilden, eine Spannungsdifferenz angelegt, wird aufgrund der dadurch bewirkten elektrostatischen Anziehungskraft das flexible Schaltelement in Richtung des Grundelements ausgelenkt und der Schaltkontakt geschlossen. Um eine möglichst hohe Anziehungskraft zu erreichen, weisen die sich gegenüberliegenden Kontaktflächen möglichst große Abmessungen auf. Auf die Kontaktflächen kann zur Isolation eine zusätzliche Oxydschicht aufgebracht sein. Dann kann gleichzeitig eine Gleichspannung die eine elektrostatische Anziehungskraft bewirkt und eine Wechselspannung als zu schaltendes Signal an den selben Kontaktflächen anliegen. Wie bereits erwähnt ist das flexible Schaltelement zumindest an einer Stelle seines Randes fixiert. Je nach Art der Fixierung und der Form des flexiblen Schaltelements werden die Mikroschalter in Mikroelektromechanischen Systemen dann üblicherweise als Cantileverschalter, Brückenschalter oder auch Mebranschalter bezeichnet. Microelectromechanical components consist of several in the vertical direction, superimposed thin Layers of different lateral structures and Material properties. Depending on the desired function the individual layers, for example of conductive or insulating materials or from materials the particular mechanical properties such as Have spring constant. Let through appropriate processes even more complex three-dimensional structures are created. Simplified, a microswitch can be considered essentially three lateral layers are shown, whereby the middle layer at the end of the manufacturing process is removed again. This creates a microswitch that from a basic element as the bottom layer and one flexible switching element as the top layer. The two layers or the elements of the Microswitches are located at a defined distance opposite, the one in between by the distant one Layer is reached. This distance largely corresponds the stroke that the flexible switching element has to overcome in order to a switching contact between the basic element and switching element close. For example, the basic element is a Silicon substrate, there will be an additional one on it conductive layer as a contact surface to which one Voltage can be applied. The switching element can consist of a metallic material, and thus forms itself the contact area to which a voltage is then applied can. This material of the switching element has one Spring constant on and the switching element is with the Basic element at least partially connected. Will now between the contact surfaces that together form the switch contact, a voltage difference is created due to this caused the flexible electrostatic attraction Switching element deflected in the direction of the basic element and the switch contact closed. To be as high as possible To achieve attraction, they show opposite contact surfaces as large as possible on. A insulation can be placed on the contact surfaces additional oxide layer can be applied. Then can at the same time a DC voltage which is an electrostatic Attraction and an AC voltage as too switching signal are present at the same contact surfaces. How already mentioned, the flexible switching element is at least on fixed in one place on its edge. Depending on the type of fixation and the shape of the flexible switching element Microswitch in microelectromechanical systems then usually as a cantilever switch, bridge switch or also called membrane switch.

Fig. 2a und 2b zeigen den prinzipiellen Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Mikroschalters in der Ausführung als Brückenschalter in Offen- und Schließstellung. Das flexible Schaltelement S ist an zwei Stellen seines Randes auf dem Grundelement G so fixiert, dass es in Offenstellung einen definierten Abstand zu dem Grundelement aufweist. Das flexible Schaltelement weist durch die Federkonstante des gewählten Materials und die Fixierung eine der Auslenkung des Schaltelements S entgegenwirkende Rückstellkraft auf. Auf dem Grundelement G befindet sich eine Kontaktfläche KG die zusammen mit dem Schaltelement S als weitere Kontaktfläche den Schaltkontakt bilden. Wird an die beiden Kontaktflächen eine Spannung angelegt, wird das Schaltelement S aufgrund der dadurch bewirkten elektrostatischen Anziehungskraft gegen die Rückstellkraft in Richtung des Grundelementes G bewegt. Übersteigt die angelegte Spannung einen bestimmten Wert, wird der Schaltkontakt S geschlossen. Wird die Spannung von den Kontaktflächen weggenommen, wird aufgrund der Rückstellkraft das Schaltelement S wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehren und damit der Schaltkontakt geöffnet. Nachteilig bei solchen Schaltern ist, dass es aufgrund von atomaren und molekularen Oberflächenkräften beim Schließen der Kontakte zum Zusammenkleben der Oberflächen des Schaltelements und der Kontaktfläche des Grundelements kommen kann. Wenn die Oberflächenkräfte stärker als die Rückstellkraft sind kann sich der Schaltkontakt nicht mehr öffnen. Um das Zusammenkleben zu vermeiden wird eine, zusätzlich auf den Kontakt aufgebrachte dielektrische Schicht vorgeschlagen. Weiterhin ist denkbar, durch entsprechende Form und Materialwahl des Schaltkontakts dessen Rückstellkraft zu erhöhen. Dies hat zur Folge, dass zum Schließen eine höhere Anzugskraft und damit eine höhere Spannung notwendig ist, um diese größere Rückstellkraft zu überwinden. Gerade aber dann, wenn solche Mikroschalter in MEMS Bauelementen mit geringer Spannungsversorgung integriert werden sollen ist dies nicht wünschenswert und nicht anwendbar. Zudem besteht bei höheren Spannungen und der damit bewirkten höheren Anziehungskraft die Gefahr, dass der Kontakt beim Schließen durch das sogenannte Prellen der Kontaktflächen eher verklebt.2a and 2b show the basic structure of a the prior art known microswitch in the Version as a bridge switch in the open and closed positions. The flexible switching element S is in two places Fixed on the base element G so that it is in Open position a defined distance from the basic element having. The flexible switching element has the Spring constant of the selected material and the fixation one counteracting the deflection of the switching element S. Restoring force. On the base element G there is one Contact surface KG together with the switching element S as form the switch contact. Will be sent to the a voltage is applied to both contact surfaces, that will Switching element S due to this electrostatic attraction against the restoring force in Direction of the basic element G moves. Exceeds that applied voltage a certain value, the Switch contact S closed. Will the tension of the Contact surfaces are removed due to the restoring force the switching element S back to its original shape return and the switch contact is opened. adversely with such switches is that it is due to atomic and molecular surface forces when closing the contacts for gluing the surfaces of the switching element and the Contact surface of the basic element can come. If the Surface forces are stronger than the restoring force the switch contact no longer opens. To do that One will avoid sticking together, additionally on the Contact applied dielectric layer proposed. It is also conceivable, by appropriate shape and Choice of material of the switching contact to its restoring force increase. As a result, a higher one to close Tightening force and therefore a higher tension is necessary to to overcome this greater restoring force. Just then, if such microswitches in MEMS devices with less Power supply should not be integrated desirable and not applicable. There is also a higher one Tensions and the resulting greater attraction the risk that the contact when closing by the so-called bouncing of the contact surfaces rather glued.

Aus US 6,143,997 ist ein Mikroschalter bekannt, der bei geringen Spannungen arbeitet. Das Grundelement weist eine Kontaktfläche sowie mehrere separate Elektroden auf. Auf dem Grundelement sind weiterhin mehrere Schichten aufgebracht, die als Klammern für das Schaltelement funktionieren. Das Schaltelement wird durch diese Klammern geführt und ist in einem Hubbereich, der durch die Klammern bestimmt ist, frei beweglich. Als weitere Schicht sind auf der dem Grundelement gegenüberliegenden Seite der Klammern zusätzliche Gegenelektroden aufgebracht. Dadurch, dass das Schaltelement beweglich ist, also nicht fest verbunden ist, steht zum Öffnen des Schaltkontakts keine mechanische Rückstellkraft zur Verfügung. Vielmehr wird hier zum Öffnen ein erstes Spannungspotential an die Gegenelektroden und ein zweites Spannungspotential an das Schaltelement angelegt und damit eine Anziehungskraft zwischen den Gegenelektroden und dem Schaltelement bewirkt. Zum Schließen des Schaltkontakts wird ein erstes Spannungspotential an die Elektroden des Grundelements und ein zweites Spannungspotential an das Schaltelement angelegt, außerdem kann hier zusätzlich die Gravitationskraft bei geeigneter Lage des Mikroschalters ausgenutzt werden. Dadurch, dass keine mechanische Rückstellkraft vorhanden ist, wirkt zum Öffnen des Schaltkontakts nur die Anziehungskraft, die durch die Spannung an den Gegenelektroden bestimmt ist und bei entsprechender Lage gegen die Gravitationskraft wirkt. Aufgrund der geringeren Kräfte ist die Gefahr des Zusammenkleben der Kontaktflächen weniger groß. Nachteilig ist aber, dass bei solchen Mikroschaltern mit den beschriebenen Strukturen in mikroelektromechanischen Systemen zusätzliche und komplexere Schichtaufbauten notwendig sind, die deren Herstellungsprozess aufwendiger und damit teurer machen.From US 6,143,997 a microswitch is known, which at low voltages works. The basic element has one Contact surface and several separate electrodes. On the Basic element is still applied several layers, that work as brackets for the switching element. The Switching element is guided through these brackets and is in a stroke range, which is determined by the brackets, free movable. Another layer is on top of the basic element opposite side of the brackets additional Counter electrodes applied. The fact that the switching element is movable, i.e. is not firmly connected, stands for No mechanical restoring force opens the switch contact to disposal. Rather, here is a first to open Voltage potential to the counter electrodes and a second Voltage potential applied to the switching element and thus an attractive force between the counter electrodes and the Switching element causes. To close the switching contact a first voltage potential to the electrodes of the Basic element and a second voltage potential to the Switching element created, in addition, the Gravitational force with a suitable position of the microswitch be exploited. Because no mechanical Restoring force is present, acts to open the Switch contact only the attraction that is caused by the Voltage at the counter electrodes is determined and at appropriate position acts against the force of gravity. Due to the lower forces, the danger of The contact surfaces stick together less large. adversely is that with such microswitches with the structures described in microelectromechanical systems additional and more complex layer structures are necessary, which make their manufacturing process more complex and therefore more expensive do.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Mikroschalter anzugeben, der dem aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil der Verklebung entgegenwirkt und einen möglichst einfachen Herstellungsprozess des mikroelektromechanischen Systems gewährleistet.The present invention is therefore the object to provide a microswitch that corresponds to that from the stand counteracts the known disadvantage of bonding and the simplest possible manufacturing process for the microelectromechanical system guaranteed.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Mikroschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by a Microswitch with the features of claim 1.

Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, einen Mikroschalter bereitzustellen, der aus einer Basis die im folgenden als Grundelement bezeichnet wird und einem beweglichen Element das als Schaltelement bezeichnet wird, besteht. Das Schaltelement weist eine Federkonstante auf und ist zumindest mit einem Teil seines Randbereichs mit dem Grundelement fest verbunden. Dadurch wird bei einer Auslenkung des beweglichen Schaltelements eine Rückstellkraft erzeugt, die der Auslenkung entgegengerichtet ist.
Sowohl das Grundelement als auch das Schaltelement weisen jeweils mindestens zwei Elektroden, im folgenden als Elektrode und Hilfselektrode bezeichnet, auf. Dabei liegen sich die Elektrode des Grundelements und die des Schaltelements in einem definierten Abstand gegenüber. Die Hilfselektrode ist sowohl beim Grundelement als auch beim Schaltelement in lateraler Richtung im gleichen Abstand von der jeweiligen Elektrode vorgesehen. Ferner sind sowohl bei dem Grundelement als auch bei dem Schaltelement jeweils eine Kontaktfläche vorgesehen, die zusammen den Schaltkontakt des Mikroschalters bilden. Der Abstand zwischen den Elektroden des Grundelements und des Schaltelements bestimmt im wesentlichen den Hub, den das bewegliche Schaltelement benötigt um den Schaltkontakt zu schließen. Liegt zum Öffnen des Schaltkontakts an den Elektroden eine Spannung mit einem ersten Spannungspotential und an den Hilfselektroden ein zweites Spannungspotential der Spannung, bewirkt die dadurch entstehende Spannungsdifferenz sowohl bei dem Grundelement als auch bei dem Schaltelement in lateraler Richtung ein elektrisches Feld zwischen Elektrode und Hilfselektrode. Entsprechend der Richtung des elektrischen Feldes kommt es an den Oberflächenbereichen der Elektroden und Hilfselektroden die sich jeweils in lateraler Richtung direkt gegenüberliegen zu einer Ansammlung von negativen bzw. positiven Ladungsträgern. In orthogonaler Richtung dazu, also in Richtung des Hubs des Schaltelements liegen sich dann jeweils die Elektroden mit gleichen Ladungsträgern gegenüber. Das heißt, das beispielsweise einer Ansammlung von positiven Ladungsträgern auf dem Oberflächenbereich der Elektrode des Schaltelements eine Ansammlung von positiven Ladungsträgern auf dem Oberflächenbereich der Elektrode des Grundelements gegenübersteht. Entsprechendes gilt für die Ansammlung von negativen Ladungsträgern. Dadurch kommt es zu Abstoßungskräften zwischen den Ansammlungen gleicher Oberflächenladungen auf den Elektroden mit dem gleichen Spannungspotential. Da diese Abstoßungskräfte im wesentlichen in die gleiche Richtung wie die Rückstellkraft des Schaltelements wirken, unterstützen sie gerade zum Zeitpunkt des Öffnens die Rückstellkraft des Schaltelements. Das bedeutet, dass gerade zu Beginn des Lösens bzw. Trennens der Kontaktflächen des Schaltkontakts die erzeugten Abstoßungskräfte initial in Richtung der Rückstellkraft wirken. Dadurch, dass vor dem Öffnen des Schaltkontakts die Elektroden bzw. die Hilfselektroden mit dem gleichem Spannungspotential und damit Oberflächenladungen mit gleichem Vorzeichen sehr nahe beieinander liegen sind zu diesem Zeitpunkt die Abstoßungskräfte infolge des geringen Abstands besonders groß. Dadurch, dass die Abstoßungskräfte in Richtung der Rückstellkraft wirken, unterstützen sie diese beim Öffnen des Schaltkontakts und wirken somit einem dauerhaften Verkleben des Schaltkontakts entgegen. Vorteilhaft ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Mikroschalter auf zusätzliche mechanische Maßnahmen, wie beispielsweise die aus dem Stand der Technik bekannte Erhöhung der Federkonstante verzichtet werden kann. Außerdem kann auf das Aufbringen zusätzlicher aufwendiger Strukturen, wie die aus dem Stand der Technik bekannten Klammern und Gegenelektroden verzichtet werden und damit können zusätzliche, aufwendige Prozessschritte vermieden werden.
The invention is therefore based on the idea of providing a microswitch which consists of a base which is referred to below as the basic element and a movable element which is referred to as the switching element. The switching element has a spring constant and is firmly connected to the base element at least in part of its edge region. As a result, when the movable switching element is deflected, a restoring force is generated which is opposite to the deflection.
Both the basic element and the switching element each have at least two electrodes, hereinafter referred to as the electrode and auxiliary electrode. The electrode of the basic element and that of the switching element lie opposite each other at a defined distance. The auxiliary electrode is provided both in the basic element and in the switching element in the lateral direction at the same distance from the respective electrode. Furthermore, both the base element and the switching element each have a contact surface which together form the switching contact of the microswitch. The distance between the electrodes of the base element and the switching element essentially determines the stroke that the movable switching element needs to close the switching contact. If there is a voltage with a first voltage potential at the electrodes and a second voltage potential at the auxiliary electrodes to open the switching contact, the voltage difference that arises in this way causes an electrical field between the base element and the switching element in the lateral direction between the electrode and the auxiliary electrode. Corresponding to the direction of the electric field, there is an accumulation of negative or positive charge carriers on the surface regions of the electrodes and auxiliary electrodes which are directly opposite each other in the lateral direction. In the orthogonal direction, that is, in the direction of the stroke of the switching element, the electrodes with the same charge carriers lie opposite each other. This means that, for example, an accumulation of positive charge carriers on the surface region of the electrode of the switching element is opposed by an accumulation of positive charge carriers on the surface region of the electrode of the base element. The same applies to the accumulation of negative charge carriers. This results in repulsive forces between the accumulations of the same surface charges on the electrodes with the same voltage potential. Since these repulsive forces act essentially in the same direction as the restoring force of the switching element, they support the restoring force of the switching element just at the time of opening. This means that just at the beginning of the release or separation of the contact surfaces of the switching contact, the repulsive forces initially act in the direction of the restoring force. Because the electrodes or the auxiliary electrodes with the same voltage potential and thus surface charges with the same sign are very close to one another before the switching contact is opened, the repulsive forces are particularly great at this time due to the small distance. Because the repulsive forces act in the direction of the restoring force, they support the opening of the switching contact and thus counteract permanent sticking of the switching contact. It is advantageous that in the microswitch according to the invention, additional mechanical measures, such as the increase in the spring constant known from the prior art, can be dispensed with. In addition, it is possible to dispense with the application of additional complex structures, such as the clips and counter electrodes known from the prior art, and additional, complex process steps can thus be avoided.

Weitere vorteilhafte Ausführungen und bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schalters sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous designs and preferred Developments of the switch according to the invention are the See subclaims.

Die Erfindung soll nun anhand der folgenden Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:

  • Fig.1a: Schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Mikroschalter gemäß der Erfindung;
  • Fig.1b: Querschnitt durch den Mikroschalter nach Fig.1a;
  • Fig.1c: Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Mikroschalter gemäß der Erfindung;
  • Fig.1d: Schematische Darstellung der Ladungsverteilung an den Elektroden des Mikroschalters;
  • Fig.2a: bekannter Membranschalter in Offenstellung;
  • Fig.2b: bekannter Membranschalter in Schließstellung.
  • The invention will now be explained in more detail with reference to the following figures.
    It shows:
  • 1a: Schematic representation of a first embodiment of a microswitch according to the invention;
  • Fig.1b: cross section through the microswitch according to Fig.1a;
  • 1c: cross section through a further embodiment of a microswitch according to the invention;
  • Fig.1d: Schematic representation of the charge distribution on the electrodes of the microswitch;
  • Fig.2a: known membrane switch in the open position;
  • Fig.2b: known membrane switch in the closed position.
  • Fig.1a und Fig.1b zeigen schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform eines Mikroschalters gemäß der Erfindung. Das Grundelement G, in der Regel als Basisschicht hergestellt, weist eine Vertiefung auf, in der sich die Kontaktfläche KG sowie die Elektrode EG und Hilfselektrode HG befinden. Die Kontaktfläche KG sowie die beiden Elektroden EG und HG können, so wie in Fig.1b dargestellt, als zusätzliche Schichten auf der Oberfläche der Vertiefung des Grundelements G aufgebracht sein oder aber auch in die, das Grundelement G bildende Schicht integriert sein. Letztere Anordnung erfordert komplexere laterale Strukturen, aber keine zusätzlichen Schichten in vertikaler Richtung. In einer weiteren Schicht ist dann das Schaltelement S so ausgebildet, dass es eine Brücke über die Vertiefung des Grundelements G spannt und an den beiden Randbereichen der Brücke fest mit dem Grundelement verbunden ist. Auf der Unterseite, das heißt auf der dem Grundelement G zugewandten Seite, des Schaltelements S befindet sich die Kontaktfläche KS sowie die Elektrode ES und die Hilfselektrode HS. Auch hier können die Elektroden ES und HS, so wie in Fig. 1b dargestellt, als zusätzliche Schicht auf dem Schaltelement S aufgebracht sein oder auch in die, das Schaltelement S bildende Schicht integriert sein. Die Elektroden EG und ES sowie die Hilfselektroden HG und HS können über geeignete Zuführungen mit einer Spannungsquelle, nicht gezeigt, verbunden sein. Die Kontaktflächen KG und KS können über geeignete Zuführungen mit dem zu schaltenden Signalpfad verbunden sein, so dass in Schließstellung des Schaltkontaktes, das heißt wenn sich die beiden Kontaktflächen KG und KG berühren, der Signalpfad geschlossen ist. Wird nun zwischen den Elektroden EG und ES eine Spannung angelegt, entsteht aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden EG und ES ein elektrostatisches Feld, das eine Anziehungskraft bewirkt. Das Schaltelement S wird damit in Richtung des Grundelements G, oder genauer in Richtung der Elektrode EG die sich in der Vertiefung des Grundelements G befindet, auslenkt. Dieser, durch die angelegte Spannung erzeugten Auslenkung wirkt eine Rückstellkraft entgegen, die durch das verwendete Material und die Art der Befestigung des Schaltelements S bestimmt ist. Ist die Anziehungskraft größer als die Rückstellkraft wird der Schaltkontakt geschlossen. Wird die Spannung von den Kontakten EG und ES weggenommen, wird das Schaltelement S aufgrund der Rückstellkraft wieder in seine ursprüngliche Lage zurückkehren und damit der Schalter, bzw. Der Schaltkontakt, geöffnet. Nun kann es aber, wie eingangs schon beschrieben, beim Schließen des Schaltkontakts aufgrund von Adhäsion oder anderen Oberflächeneigenschaften zum Verkleben der Kontaktflächen KG und KS oder auch anderer Oberflächenteile des Schaltelemets mit dem Grundelement kommen. Die dadurch erzeugte Oberflächenkraft wirkt der Rückstellkraft entgegen und bewirkt, dass sich der Schaltkontakt nicht mehr öffnen lässt. Deshalb wird vorgeschlagen, dass in lateraler Richtung sowohl beim Grundelement G als auch beim Schaltelement S jeweils im Abstand a neben der Elektrode EG,ES eine Hilfselektrode HG,HS vorgesehen ist, und diese Elektroden EG und ES bzw. Hilfselektroden HG und HS so mit der Spannungsquelle beschaltet sind, dass zum Öffnen des Schaltkontakts an den beiden Elektroden EG und ES ein erstes, positives Spannungspotential U1 und an den Hilfselektroden HG und HS ein zweites, negatives Spannungspotential U2 der Spannung anliegt. Aufgrund der unterschiedlichen Spannungspotentiale zwischen Elektrode EG,ES und Hilfselektrode HG,HS kommt es in lateraler Richtung an den Oberflächenbereichen der Elektroden EG,ES,HG,HS zu einer Ansammlung von Oberflächenladungen und zwar an den Flächen, die sich in lateraler Richtung direkt gegenüber liegen. Das bedeutet, dass es im vorliegenden Beispiel auf einem Oberflächenbereich der Elektroden EG,ES zu einer Ansammlung von positiven Ladungsträgern und auf einem Oberflächenbereich der Hilfselektroden HG,HS zu einer Ansammlung von negativen Ladungsträgern kommt. Als Folge davon liegen sich in orthogonaler Richtung, das heisst in vertikaler Richtung der mikroelektromechanischen Schichten, Oberflächenbereiche gegenüber, die eine Ansammlungen von Oberflächenladungen mit gleichem Vorzeichen aufweisen. Dies bewirkt wiederum Abstoßungskräfte zwischen den gleichgerichteten Ladungsträgern und somit zwischen Elektrode ES des Schaltelements S und der Elektrode EG des Grundelements G und entsprechend für die Hilfselektroden HG und HS. Die Abstoßungskräfte sind gerade zum Zeitpunkt des Öffnens des Schaltkontakts S, also gerade dann, wenn sich die Elektroden EG und ES bzw. Hilfselektroden HG und HS am nächsten sind, am größten. Sie wirken in die gleiche Richtung wie die mechanische Rückstellkraft und unterstützen diese beim Öffnen des Schaltkontakts. Idealerweise sind die Elektroden EG,ES,HG,HS so ausgeführt, dass sie wie in Fig. 1a schematisch dargestellt als Streifenleiter ausgebildet sind. Diese weisen eine Breite b und Länge 1 auf, wobei der dadurch bestimmte Oberflächenbereich der Elektroden EG,ES,HG,HS für die aufgrund des elektrischen Feldes bewirkten Anziehungskräfte zum Schließen des Schalters ausreichend groß dimensioniert sein sollte. Die Streifenleiter weisen außerdem eine Dicke d auf, die wesentlich kleiner als die Längsabmessung 1 ist. Die Streifenelektroden EG,ES,HG,HS sind auf dem Grundelement G und dem Schaltelement S so zueinander angeordnet, dass sie in ihrer Längenabmessung 1 parallel zueinander liegen. Dadurch kommt es zu einer Ansammlung von Ladungsträgern an dem Oberflächenbereich der Elektroden EG,ES,HG,HS, der durch die Längenabmessung 1 und die Dicke d bestimmt ist. Das heißt, durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden EG,ES und Hilfselektroden HG,HS werden sich, wie in Fig.1d schematisch dargestellt, auf den Elektroden EG und ES an der Oberfläche positive Ladungen ansammeln, die der jeweiligen Hilfselektrode am nächsten liegt. Entsprechend werden sich negative Ladungen an der Oberfläche der Hilfselektroden HG und HS ansammln, die der jeweiligen Elektrode am nächsten liegt. Dadurch, dass diese Flächen in gleichem Abstand a zueinander liegen, werden sich die Ladungsansammlungen auch in vertikaler Richtung gegenüberliegen und es entsteht ein orthogonales System von Oberflächenbereichen mit jeweils einer Ansammlungen von gleichen Ladungsträgern. Die dadurch bewirkten Abstoßungskräfte in vertikaler Richtung unterstützen die Rückstellkraft. Zweckmäßigerweise befindet sich zwischen der Elektrode EG,ES und der Hilfselektrode HG,HS ein dielektrisches Material mit der Dielektrizitätskonstanten εr. Dadurch wird zwischen der Elektrode und Hilfselektrode ein noch größeres elektrostatisches Feld erzeugt, was zu einer vermehrten Ansammlung von Oberflächenladungen an den Oberflächenbereichen der Elektroden EG,ES,HG,HS führt. Dadurch lassen sich die in vertikale Richtung wirkenden Abstoßungskräfte weiter erhöhen. Idealerweise lässt sich eine solche Anordnung als laterale Struktur in einer einzigen Schicht realisieren. Das bedeutet, dass die Elektroden EG,ES,HG,HS und das dielektrische Material im wesentlichen das Schaltelement S bilden.1a and 1b schematically show the structure of a first one Embodiment of a microswitch according to the invention. The Basic element G, usually produced as a base layer, has a recess in which the contact surface KG as well as the electrode EG and auxiliary electrode HG. The Contact area KG and the two electrodes EG and HG can, as shown in Fig.1b, as additional Layers on the surface of the depression of the basic element G applied or in the, the basic element G forming layer can be integrated. The latter arrangement requires more complex lateral structures, but none additional layers in the vertical direction. In a another layer, the switching element S is then formed that there is a bridge over the recess of the base element G tense and firmly attached to the two edge areas of the bridge the basic element is connected. On the bottom, that is on the side facing the base element G, the Switching element S is the contact surface KS and the Electrode ES and the auxiliary electrode HS. Here, too Electrodes ES and HS, as shown in Fig. 1b, as additional layer may be applied to the switching element S. or also in the layer forming the switching element S. be integrated. The electrodes EG and ES as well as the Auxiliary electrodes HG and HS can be made using suitable feeders be connected to a voltage source, not shown. The Contact areas KG and KS can be made using suitable inlets be connected to the signal path to be switched, so that in Closed position of the switch contact, that is when the touch both contact surfaces KG and KG, the signal path closed is. Will now between the electrodes EG and ES a voltage is created due to the Voltage difference between the electrodes EG and ES electrostatic field that creates an attractive force. The Switching element S is thus in the direction of the basic element G, or more precisely in the direction of the electrode EG located in the Depression of the base element G is deflected. This, a deflection generated by the applied voltage acts Resetting force opposed by the material used and determines the type of attachment of the switching element S. is. If the force of attraction is greater than the restoring force the switch contact is closed. Will the tension of the Removed contacts EG and ES, the switching element S due to the restoring force back to its original Return position and thus the switch, or the Switch contact, opened. Now it can, as already mentioned described when closing the switching contact due to Adhesion or other surface properties for gluing the contact areas KG and KS or others Surface parts of the switching element with the basic element come. The surface force generated by this acts Restoring force and causes the Switch contact can no longer be opened. That is why suggested that in the lateral direction in both Basic element G and the switching element S in each case Distance a next to the electrode EG, ES an auxiliary electrode HG, HS is provided, and these electrodes EG and ES or Auxiliary electrodes HG and HS so with the voltage source are connected that to open the switching contact on the two electrodes EG and ES a first, positive Voltage potential U1 and on the auxiliary electrodes HG and HS a second, negative voltage potential U2 of the voltage is applied. Because of the different voltage potentials between electrode EG, ES and auxiliary electrode HG, HS it comes in lateral direction on the surface areas of the electrodes EG, ES, HG, HS to a collection of surface charges and indeed on the surfaces that are directly in the lateral direction opposite. That means that in the present Example on a surface area of the electrodes EG, ES too an accumulation of positive charge carriers and on one Surface area of the auxiliary electrodes HG, HS to one Accumulation of negative charge carriers comes. As a result of which lie in the orthogonal direction, that is in vertical direction of the microelectromechanical layers, Surface areas opposite, which is a accumulation of Have surface charges with the same sign. This in turn causes repulsive forces between the rectified charge carriers and thus between Electrode ES of the switching element S and the electrode EG of the Basic element G and correspondingly for the auxiliary electrodes HG and HS. The repulsive forces are just at the time of Opening the switch contact S, especially when the Electrodes EG and ES or auxiliary electrodes HG and HS on next are greatest. They work in the same direction like the mechanical restoring force and support it when opening the switch contact. Ideally they are Electrodes EG, ES, HG, HS are designed so that they are as in Fig. 1a are shown schematically as a strip line. These have a width b and a length of 1, whereby the certain surface area of the electrodes EG, ES, HG, HS for caused by the electric field Attractive forces to close the switch sufficiently large should be dimensioned. The stripline also point a thickness d that is much smaller than that Longitudinal dimension 1 is. The strip electrodes EG, ES, HG, HS are on the base element G and the switching element S to each other arranged that they are parallel in their length dimension 1 lie to each other. This leads to an accumulation of Charge carriers on the surface area of the electrodes EG, ES, HG, HS, which by the length dimension 1 and the thickness d is determined. That is, by applying a voltage to the Electrodes EG, ES and auxiliary electrodes HG, HS will look like shown schematically in Fig.1d, on the electrodes EG and ES Accumulate positive charges on the surface, which the the respective auxiliary electrode is closest. Corresponding there will be negative charges on the surface of the Auxiliary electrodes HG and HS accumulate that of the respective Electrode is closest. Because these surfaces in the same distance a from each other, the Charge accumulation also in the vertical direction opposite and an orthogonal system of Surface areas with a collection of same load carriers. The caused by it Repulsive forces in the vertical direction support the Restoring force. Appropriately located between the Electrode EG, ES and the auxiliary electrode HG, HS dielectric material with the dielectric constant εr. This creates a between the electrode and auxiliary electrode generates even greater electrostatic field, resulting in a increased accumulation of surface charges on the Surface areas of the electrodes EG, ES, HG, HS leads. This makes it possible to work in the vertical direction Further increase rejection forces. Ideally, one such arrangement as a lateral structure in a single Realize shift. That means the electrodes EG, ES, HG, HS and the dielectric material essentially form the switching element S.

    Zum Schließen des Schaltkontakts muss an wenigstens einer der Elektroden das Spannungspotential zwischen U1 und U2 umschaltbar sein, damit es wie Eingangs beschrieben aufgrund der unterschiedlichen Spannungspotentiale zu einer Anziehung der Elektroden EG,ES,HG,HS zwischen Grundelement G und Schaltelement S kommt. Diese Anziehungskräfte können noch erhöht werden, wenn zusätzlich das Spannungspotential an einer weiteren Elektrode EG,ES,HG,HS umgeschaltet wird, so dass dann beispielsweise an der Elektrode ES und der Hilfselektrode HS des Schaltelements S das erste Spannungspotential U1 und an der Elektrode EG und der Hilfselektrode HG des Grundelements G das zweite Spannungspotential U1 anliegt oder umgekehrt.To close the switch contact at least one of the electrodes the voltage potential between U1 and U2 switchable so that it is as described input due to the different voltage potentials Attraction of electrodes EG, ES, HG, HS between basic element G and switching element S comes. These attractions can still be increased if the voltage potential is also present another electrode EG, ES, HG, HS is switched, see above that then, for example, on the electrode ES and the Auxiliary electrode HS of the switching element S the first Voltage potential U1 and at the electrode EG and the Auxiliary electrode HG of the base element G the second Voltage potential U1 is present or vice versa.

    Wie in Fig.1a dargestellt, können die Kontaktflächen KS,KG des Schaltelements S und des Grundelements G zwischen den Elektroden EG,ES bzw. Hilfselektroden HG,HS angeordnet sein. Dabei liegen sich die Kontaktfläche KS und KG aber nur in einem Teilbereich, der den Schaltkontakt bildet, direkt gegenüber. Die hier gezeigte Ausführungsform der Kontaktflächen KS,KG eines Mikroschalters eignet sich besonders für Anwendungen bei denen RF-Signale zu schalten sind, wie beispielsweise im Radioteil von tragbaren Endgeräten. Bei RF-Signalen ist es vorteilhaft, dass sich die Signalpfade, hier die Kontaktflächen, möglichst wenig überlappen um kapazitive Kopplungen zu vermeiden. Zudem lassen sich Mikroschalter gemäß der vorliegenden Erfindung gerade hier vorteilhafterweise einsetzen, da in solchen tragbaren Endgeräten die zur Verfügung stehende Spannungsversorgung gering ist, also die verwendeten Komponenten möglicht geringe Versorgungsspannungen aufweisen sollten. As shown in Fig.1a, the contact surfaces KS, KG of the switching element S and the base element G between the electrodes EG, ES and auxiliary electrodes HG, HS arranged his. The contact areas KS and KG are only located directly in a section that forms the switch contact across from. The embodiment of the shown here Contact surfaces KS, KG of a microswitch are suitable especially for applications where switching RF signals are, such as in the radio part of portable Terminals. With RF signals, it is advantageous that the Signal paths, here the contact areas, as little as possible overlap to avoid capacitive coupling. moreover can be microswitches according to the present invention use advantageously here, because in such portable devices Power supply is low, so the ones used Components have the lowest possible supply voltages should.

    Fig.1c zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines Mikroschalters gemäß der Erfindung. Wie aus Fig.1c ersichtlich, können die Kontaktflächen KS,KG des Schaltelements S und des Grundelements G auch zwischen zwei Paaren von jeweils einer Elektrode und Hilfselektrode angeordnet sein. Das heisst, das Grundelement G sowie das Schaltelement S weisen jeweils eine weitere Elektrode EG1 und ES1 sowie eine weitere Hilfselektrode HG1 und HS1 auf. Diese sind wiederum im Abstand a zueinander parallel angeordnet. Die Kontaktflächen KG und KS befinden sich hier zwischen dem ersten Paar aus Elektrode EG,ES und Hilfselektrode HG,HS und dem zweiten Paar aus der weiteren Elektrode EG1,ES1 und Hilfselektrode HG1,HS1. Auch hier liegen sich die Kontaktflächen KG und KS nur in einem Teilbereich gegenüber, der den Schaltkontakt bildet. Solch eine Anordnung ist besonders dann vorzuziehen, wenn die Kontaktflächen eine Breite aufweisen, die es nicht erlaubt diese zwischen einer Elektrode und Hilfselektrode anzuordnen, das heißt wenn beispielsweise die Breite der Kontaktfläche größer als der Abstand a zwischen Elektrode und Hilfselektrode ist. Um die gleiche Wirkung wie im ersten Ausführungsbeispiel zu erzielen, das heißt die Generierung von Abstoßungskräften zum Öffnen des Kontakts, ist zumindest immer ein Paar von Elektrode und Hilfselektrode notwendig.1c schematically shows a further embodiment a microswitch according to the invention. As from Fig.1c can be seen, the contact surfaces KS, KG des Switching element S and the basic element G also between two Pairs of one electrode and auxiliary electrode each be arranged. That is, the basic element G and the Switching element S each have a further electrode EG1 and ES1 and another auxiliary electrode HG1 and HS1. This are again arranged parallel to each other at a distance a. The contact areas KG and KS are located between the first pair of electrode EG, ES and auxiliary electrode HG, HS and the second pair from the further electrode EG1, ES1 and Auxiliary electrode HG1, HS1. Here too are the Contact areas KG and KS only in one area, which forms the switch contact. Such an arrangement is especially preferable if the contact surfaces are a Have a width that does not allow this between one Arrange electrode and auxiliary electrode, that is if for example, the width of the contact area is larger than that Distance a between the electrode and auxiliary electrode is. To the same effect as in the first embodiment achieve, that is the generation of repulsive forces to Opening the contact is at least always a pair of Electrode and auxiliary electrode necessary.

    Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die beschriebenen Ausführungsformen. Vielmehr ist sie unabhängig von der Art und Form der Aufhängung des Schaltelements. Das bedeutet, dass beispielsweise bei Cantilever- oder Membran-Schaltern das erfindungsgemäße Konzept entsprechend anwendbar ist. Gleiches gilt für die Ausgestaltung der Kontaktflächen. So ist beispielsweise denkbar, dass zwei Kontaktflächen auf dem Grundelement vorgesehen sind, die durch eine Kontaktfläche des Schaltelements überbrückt werden. Gleiches gilt für die Form der Elektroden, Hilfselektroden oder Kontaktflächen. So ist vorstellbar, dass diese beispielsweise meanderförmig oder spiralförmig ausgebildet sind. Wesentlich bei allen Ausführungsformen ist, dass entsprechend dem erfindungsgemäßen Konzept der Anordnung und Ausgestaltung und Beschaltung der Elektroden und Hilfselektroden beim Öffnen des Schaltkontakts durch die Generierung von Abstoßungskräften eine Unterstützung der Rückstellkraft bewirkt wird, um die Gefahr des Verklebens zu verringern.The present invention is not limited to that described embodiments. Rather, it is independent on the type and shape of the suspension of the switching element. The means that for example with cantilever or membrane switches the concept of the invention applicable accordingly is. The same applies to the design of the contact areas. For example, it is conceivable that two contact surfaces the basic element are provided by a Contact surface of the switching element are bridged. The same applies to the shape of the electrodes, auxiliary electrodes or Contact surfaces. So it is conceivable that, for example are meandering or spiral. Essential in all embodiments, that is according to the inventive concept of arrangement and design and Wiring of the electrodes and auxiliary electrodes when opening of the switching contact by generating Repulsive forces support the restoring force is caused to reduce the risk of sticking.

    Die in den Figuren 1a-d gezeigten Mikroschalter sind sehr abstrakt gehalten um nur das wesentliche der Erfindung zu zeigen. Je nach Anwendungszweck oder benutzter Technologie wird der Fachmann dabei verschiedenste Ausführungsformen unterschiedlichster Strukturen erhalten, ohne dabei vom Grundprinzip der Erfindung abzuweichen.The microswitches shown in Figures 1a-d are kept very abstract around only the essence of the invention to show. Depending on the application or the technology used the person skilled in the art will find a wide variety of embodiments received a wide variety of structures without Deviate the basic principle of the invention.

    Claims (10)

    Mikroschalter bestehend aus einem Grundelement (G) mit einer Kontaktfläche (KG) und einer Elektrode (EG), und einem Schaltelement (S) mit einer Kontaktfläche (KS) und einer Elektrode (ES), die der Elektrode (EG) des Grundelements (G) in einem Abstand (g) gegenüberliegt, wobei das Schaltelement (S) eine Federkonstante aufweist und zumindest mit einem Teil seines Randbereichs mit dem Grundelement (G) fest verbunden ist, und wobei die Kontaktflächen (KG,KS) einen Schaltkontakt bilden und der Schaltkontakt mittels einer an den Elektroden (EG,ES) anliegenden Spannung gegen eine, durch die Federkonstante bewirkte, Rückstellkraft schließbar ist dadurch gekennzeichnet, dass das Grundelement (G) und das Schaltelement (S) in lateraler Richtung, im Abstand (a) von der Elektrode (EG,ES) eine Hilfselektrode (HG,HS) aufweisen, an die eine Spannung anlegbar ist, und zum Öffnen des Schaltkontakts an den Elektroden (EG,ES) und Hilfselektroden (HG,HS) die Spannung anlegbar ist, so dass die Elektroden (EG,ES) ein erstes Spannungspotential (U1) und die Hilfselektroden (HG,HS) ein zweites Spannungspotential (U2) aufweisen, die eine Ansammlung von positiven bzw. negativen Ladungsträgern an Oberflächenbereichen der Elektroden (EG,ES) und Hilfselektroden (HG,HS) derart bewirken, dass sich in lateraler Richtung Oberflächenbereiche mit positiven und negativen Ladungsträgern und in orthogonaler Richtung dazu Oberflächenbereiche mit gleichen Ladungsträgern gegenüberliegen. Microswitch consisting of a base element (G) with a contact surface (KG) and an electrode (EG), and a switching element (S) with a contact surface (KS) and an electrode (ES) which lies opposite the electrode (EG) of the basic element (G) at a distance (g), wherein the switching element (S) has a spring constant and is firmly connected to the base element (G) at least in part of its edge region, and wherein the contact surfaces (KG, KS) form a switching contact and the switching contact can be closed by means of a voltage applied to the electrodes (EG, ES) against a restoring force caused by the spring constant characterized in that the base element (G) and the switching element (S) in the lateral direction, at a distance (a) from the electrode (EG, ES), have an auxiliary electrode (HG, HS) to which a voltage can be applied, and to open the switching contact on the electrodes (EG, ES) and auxiliary electrodes (HG, HS) the voltage can be applied so that the electrodes (EG, ES) a first voltage potential (U1) and the auxiliary electrodes (HG, HS) a second voltage potential (U2), which cause an accumulation of positive or negative charge carriers on surface areas of the electrodes (EG, ES) and auxiliary electrodes (HG, HS) in such a way that surface areas with positive and negative charge carriers are located in the lateral direction and surface areas in the orthogonal direction with the same load carriers. Mikroschalter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zum Schließen des Schaltkontaktes eine der Elektroden (EG,ES) oder Hilfselektroden (HG,HS) zwischen dem ersten (U1) und dem zweiten (U2) Spannungspotential umschaltbar ist.
    Microswitch according to claim 1,
    characterized in that
    to close the switching contact one of the electrodes (EG, ES) or auxiliary electrodes (HG, HS) can be switched between the first (U1) and the second (U2) voltage potential.
    Mikroschalter nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zum Schließen des Schaltkontaktes eine weitere der Elektroden (EG,ES) oder Hilfselektroden (HG,HS) zwischen dem ersten (U1) und zweiten (U2) Spannungspotential umschaltbar ist, so dass an der Elektrode (ES) und Hilfselektrode (HS) des Schaltelements (S) das erste Spannungspotential (U1) und an der Elektrode (EG) und Hilfselektrode (HG) des Grundelements (G) das zweite Spannungspotential (U2) anliegt.
    Microswitch according to claim 2,
    characterized in that
    to close the switching contact, another of the electrodes (EG, ES) or auxiliary electrodes (HG, HS) can be switched between the first (U1) and second (U2) voltage potential, so that on the electrode (ES) and auxiliary electrode (HS) of the switching element (S) the first voltage potential (U1) and the second voltage potential (U2) is applied to the electrode (EG) and auxiliary electrode (HG) of the basic element (G).
    Mikroschalter nach Anspruch 1-3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Elektroden (EG,ES) und Hilfselektroden (HG,HS) jeweils einen Oberflächenbereich aufweisen, der bestimmt ist durch deren Dicke (d) und Länge (1), wobei die Länge (1) größer als die Dicke (d) ist, und wobei jeweils bei dem Grundelement (G) und dem Schaltelement (S) die Elektrode (EG,ES) und die entsprechende Hilfselektrode (HG,HS) mit diesem Oberflächenbereich parallel zueinander angeordnet sind.
    Microswitch according to claims 1-3,
    characterized in that
    the electrodes (EG, ES) and auxiliary electrodes (HG, HS) each have a surface area which is determined by their thickness (d) and length (1), the length (1) being greater than the thickness (d), and wherein the base element (G) and the switching element (S) each have the electrode (EG, ES) and the corresponding auxiliary electrode (HG, HS) with this surface area arranged parallel to one another.
    Mikroschalter nach Anspruch 1-4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bei dem Grundelement (G) und/oder dem Schaltelement (S) zwischen der Elektrode (EG,ES) und dem der Hilfselektrode (HG,HS) ein dielektrisches Material angeordnet ist.
    Microswitch according to claims 1-4,
    characterized in that
    in the base element (G) and / or the switching element (S) a dielectric material is arranged between the electrode (EG, ES) and that of the auxiliary electrode (HG, HS).
    Mikroschalter nach Anspruch 1-5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kontaktfläche (KG,KS) zwischen der Elektrode (EG,ES) und der Hilfselektrode (HG,HS) angeordnet ist, wobei sich die Kontaktflächen (KG,KS) nur in einem Teilbereich gegenüberliegen, der den Schaltkontakt bildet.
    Microswitch according to claims 1-5,
    characterized in that
    the contact area (KG, KS) is arranged between the electrode (EG, ES) and the auxiliary electrode (HG, HS), the contact areas (KG, KS) only lying opposite one another in a partial area which forms the switching contact.
    Mikroschalter nach Anspruch 1-5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kontaktfläche (KG,KS) ein Teil der Elektrode (EG,ES) oder Hilfselektrode (HG,HS) ist.
    Microswitch according to claims 1-5,
    characterized in that
    the contact surface (KG, KS) is part of the electrode (EG, ES) or auxiliary electrode (HG, HS).
    Mikroschalter nach Anspruch 1-5,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Grundelement (G) und das Schaltelement (S) jeweils, eine weitere Elektrode (EG1,ES1) und eine weitere Hilfselektrode (HG1,HS1) aufweisen, die wiederum im Abstand (a) zueinander parallel angeordnet sind, und wobei die Kontaktfläche (KG,KS) zwischen dem ersten Paar aus Elektrode (EG,ES) und Hilfselektrode (HG,HS) und dem zweiten Paar aus der weiteren Elektrode (EG1,ES1) und Hilfselektrode (HG1,HS1) angeordnet ist, wobei sich die Kontaktflächen (KG,KS) nur in einem Teilbereich gegenüberliegen, der den Schaltkontakt bildet.
    Microswitch according to claims 1-5,
    characterized in that the base element (G) and the switching element (S) each have a further electrode (EG1, ES1) and a further auxiliary electrode (HG1, HS1), which in turn are arranged parallel to one another at a distance (a), and the contact surface (KG , KS) is arranged between the first pair of electrode (EG, ES) and auxiliary electrode (HG, HS) and the second pair of the further electrode (EG1, ES1) and auxiliary electrode (HG1, HS1), the contact surfaces (KG , KS) are only opposite in a partial area that forms the switch contact.
    Tragbares Endgerät mit einem Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1-8.Portable terminal with a microswitch according to one of the Claims 1-8. Tragbares Endgerät nach Anspruch 9,
    wobei das tragbare Endgerät ein Mobiltelefon ist.
    Portable terminal according to claim 9,
    wherein the portable terminal is a cell phone.
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    Cited By (1)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    DE102013203379B4 (en) * 2012-02-29 2020-09-17 Infineon Technologies Ag ADJUSTABLE MEMS DEVICE

    Citations (3)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    US5677823A (en) * 1993-05-06 1997-10-14 Cavendish Kinetics Ltd. Bi-stable memory element
    US6127744A (en) * 1998-11-23 2000-10-03 Raytheon Company Method and apparatus for an improved micro-electrical mechanical switch
    US6143997A (en) * 1999-06-04 2000-11-07 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Low actuation voltage microelectromechanical device and method of manufacture

    Family Cites Families (2)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    US6069540A (en) * 1999-04-23 2000-05-30 Trw Inc. Micro-electro system (MEMS) switch
    US6543286B2 (en) * 2001-01-26 2003-04-08 Movaz Networks, Inc. High frequency pulse width modulation driver, particularly useful for electrostatically actuated MEMS array

    Patent Citations (3)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    US5677823A (en) * 1993-05-06 1997-10-14 Cavendish Kinetics Ltd. Bi-stable memory element
    US6127744A (en) * 1998-11-23 2000-10-03 Raytheon Company Method and apparatus for an improved micro-electrical mechanical switch
    US6143997A (en) * 1999-06-04 2000-11-07 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Low actuation voltage microelectromechanical device and method of manufacture

    Cited By (1)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    DE102013203379B4 (en) * 2012-02-29 2020-09-17 Infineon Technologies Ag ADJUSTABLE MEMS DEVICE

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