DE4008832C1

DE4008832C1 - Microswitch operated by electrostatic force - has force electrode of resistance material between end contacts

Info

Publication number: DE4008832C1
Application number: DE19904008832
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn De Delfs
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1990-03-20
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1991-07-18
Anticipated expiration: 2010-03-21

Abstract

An electrostatically actuated microswitch has contact strips (2,3) formed on a substrate (1) of insulating material. A movable contact (4) in the form of a flexible strip of electrically conducting material is fixed to one of the atcr contact strips. Located in the space between the contact strips is a force electrode (6) in the form of a resistive surface layer. Coupled between the electrode and one of the contact strips is a control voltage source (12) which, when connected, causes an electrostatic field to be generated to cause contact closure. ADVANTAGE - Also suitable for h.f.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroschalter laut Ober begriff des Hauptanspruches.The invention relates to a microswitch according to Ober concept of the main claim.

Elektrostatisch betätigbare Mikroschalter dieser Art sind bekannt (Dibbern, Micromechanics, Veröffentlichung des Philips-Forschungslaboratoriums, K.E. Petersen, Micromechanical Membrane Switches on Silicon, IBM J.Res.Develop. 23, 4, Juli 79). Obwohl dieses elektro statische Kraftprinzip gerade für extrem kleine Mikro schalter besonders geeignet ist, können die bisher bekannten elektrostatisch betätigbaren Mikroschalter nur bedingt für hohe Frequenzen angewendet werden, da auch bei geöffneter Schaltzunge durch die kapazitive Kopplung zwischen den Endkontakten und der in geringem Abstand davon dazwischen angeordneten Kraftelektrode, die selbst aus einem gut leitenden Material besteht, die Hochfrequenz zwischen den Endkontakten überkoppelt.This type of electrostatically actuated microswitch are known (Dibbern, Micromechanics, publication from the Philips Research Laboratory, K.E. Petersen, Micromechanical Membrane Switches on Silicon, IBM J.Res.Develop. 23, July 4, 79). Although this electro static force principle especially for extremely small micro switch is particularly suitable, so far known electrostatically actuated microswitch can only be used to a limited extent for high frequencies because even when the shift tongue is open due to the capacitive Coupling between the end contacts and that in low Distance therefrom arranged force electrode, which itself is made of a highly conductive material, the radio frequency is coupled over between the end contacts.

Bei einem Mikroschalter dieser Art ist es auch schon bekannt, die das elektrostatische Potential erzeugende Spannungsquelle über hochohmige Widerstände mit der Schaltzunge bzw. der Kraftelektrode zu verbinden (DE-PS 8 60 682).With a microswitch of this type, it is already known, which generates the electrostatic potential Voltage source via high impedance resistors with the Switch tongue or the power electrode to connect (DE-PS 8 60 682).

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen nach dem elek trostatischen Kraftprinzip betätigbaren Mikroschalter zu schaffen, der auch für Hochfrequenz geeignet ist.It is therefore an object of the invention, one after the elek trostic force principle operated microswitch to create that is also suitable for high frequency.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Mikroschalter laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kenn zeichnende Merkmale gelöst.This task is based on a microswitch according to the preamble of the main claim through its drawing features solved.

Durch die Ausbildung der Kraftelektrode als Widerstands schicht mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand von beispielsweise größer als 300 Ohm wird die Kopplung zwischen den im Abstand voneinander angeordneten Endkontakten des Schal ters auch bei geöffneter Schaltzunge stark gedämpft, so daß ein solcher Mikroschalter auch noch zum Schalten von sehr hohen Frequenzen im GHz-Bereich geeignet ist, wofür solche elektrostatisch betätigbare Mikroschalter vom Prinzip her besonders geeignet sind, da sie auch für hohe Frequenzen noch sehr klein gegenüber der Wellen länge nach bekannten mikroelektronischen Herstellungsver fahren herstellbar sind. Da für die Erzeugung der Schalt kraft bei einem elektrostatischen Mikroschalter kein ständiger Strom im Steuerstromkreis aufrechterhalten werden muß, sondern nur die Ladungen zur Schaltzunge bzw. zur Kraftelektrode zugeführt werden müssen, die erforderlich sind, um die gewünschte Potentialdifferenz zwischen diesen Teilen aufrechtzuerhalten, ist diese Ausbildung der Kraftelektrode als Widerstandsschicht nicht weiter störend.By designing the force electrode as a resistor layer with a specific surface resistance of, for example the coupling between the im End contacts of the scarf arranged at a distance from one another strongly damped even when the shift tongue is open, so that such a microswitch also for switching of very high frequencies in the GHz range is suitable, for what such electrostatically actuated microswitches are particularly suitable in principle because they too for high frequencies still very small compared to the waves length according to known microelectronic manufacturing processes driving can be produced. As for the generation of the switching force with an electrostatic microswitch maintain constant current in the control circuit must be, but only the charges to the shift tongue or must be supplied to the force electrode, the are required to achieve the desired potential difference to maintain between these parts is this Formation of the force electrode as a resistance layer no longer disturbing.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die das elektrische Potential zwi schen der Schaltzunge und der Kraftelektrode erzeugende Spannungsquelle über hochohmige Widerstände von bei spielsweise 1 MOhm mit der Schaltzunge bzw. der Kraft elektrode zu verbinden. Damit ist der das elektrostatische Feld erzeugende Steuerstromkreis nahezu ideal elektrisch getrennt von dem eigentlichen Hochfrequenzschaltkreis des Mikroschalters, dessen typische Impedanzen in der Größenordnung von 50 Ohm liegen. Auch diese hochohmigen Widerstände sind nicht weiter störend, da für die Erzeu gung der elektrostatischen Schaltkraft ja kein Dauerstrom fließen muß. Da die Kapazität zwischen der Schaltzunge und der Kraftelektrode nur Bruchteile von pF beträgt, ist die elektrische Zeitkonstante des Mikroschalters immer noch klein gegenüber der mechanischen Reaktionszeit der Schaltzunge, so daß auch diesbezüglich diese Vor widerstände nicht stören. Ferner hat es sich als vorteil haft erwiesen, die Zuleitungen des Steuerstromkreises zu der Schaltzunge bzw. zur Kraftelektrode sehr schmal auszubilden, damit keine parasitäten Lastkapazitäten entstehen, was mit mikroelektronischen Herstellungsver fahren leicht erzielt werden kann.According to a development of the invention, it has proven to be proven advantageous, the electrical potential between the switching tongue and the force electrode generating Voltage source via high-resistance resistors from for example 1 MOhm with the switch tongue or the force to connect electrode. So that's the electrostatic Field generating control circuit almost ideally electrical separate from the actual high frequency circuit of the microswitch, whose typical impedances in the Order of magnitude of 50 ohms. These high impedance too Resistance is not a problem since it is for the producers the electrostatic switching force yes no continuous current must flow. Because the capacity between the shift tongue and the force electrode is only a fraction of pF, is the electrical time constant of the microswitch still small compared to the mechanical response time the shift tongue, so that in this regard also before do not disturb resistances. It also has an advantage proven, the leads of the control circuit very narrow to the switch tongue or to the force electrode train, so no parasitic load capacities arise what with microelectronic manufacturing driving can be achieved easily.

Ein erfindungsgemäßer Mikroschalter ist insbesondere zum Schalten von hohen Frequenzen beispielsweise im GHz-Bereich geeignet.A microswitch according to the invention is in particular for switching high frequencies, for example in GHz range suitable.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is based on a schematic Drawing explained in more detail using an exemplary embodiment.

Die Fig. zeigt teilweise im Schnitt und teilweise in perspektivischer Darstellung einen nach dem elektrosta tischen Kraftprinzip betätigbaren Mikroschalter. Auf einem Substrat 1 aus Isoliermaterial sind in bekannter Mikroelektronik-Technik im Abstand voneinander zwei End kontakte 2 und 3 ausgebildet, die mit einem nicht näher dargestellten zu schaltenden Hochfrequenzkreis verbunden sind. Auf dem einen Endkontakt 2 ist mit ihrem einen Ende eine Schaltzunge 4 befestigt, die aus einem elastisch auslenkbaren Material von guter elektrischer Leitfähigkeit besteht. Das freie Ende 5 dieser Schaltzunge 4 ragt über den gegenüberliegenden Endkontakt 3 und besitzt in der in der Fig. dargestellten ausgelenkten Stellung einen Abstand von diesem Endkontakt 3. In dem Raum zwischen den beiden Endkontakten 2 und 3 ist eine Kraftelektrode 6 angeordnet, deren Ränder 7 und 8 einen Abstand von den Stirnkanten 9 und 10 der Endkontakte 2 und 3 besitzen. Diese Kraftelektrode 6 ist als Widerstandsschicht mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand beispielsweise größer als 300 Ohm ausgebildet. Sie ist wiederum in bekannter Mikroelek tronik-Technik auf der Oberseite des Substrates 1 aufge bracht. Diese Kraftelektrode 6 steht über eine schmale Zuleitung 11, die wiederum in Mikroelektronik-Technik auf der Substratoberseite ausgebildet ist, mit einer schematisch angedeuteten Spannungsquelle 12 in Verbindung, die über eine weitere ebenfalls sehr schmale Zuleitung 13 mit dem Endkontakt 2 galvanisch verbunden ist, auf welchem die Schaltzunge 4 einseitig befestigt ist. Wenn die Schaltzunge 4 mechanisch in ihre Offenstellung vor gespannt ist, wie dies beispielsweise in der Figur dar gestellt ist, kann der Schalter dadurch geschlossen wer den, daß durch die Spannungsquelle 12 zwischen Schaltzunge 4 und gegenüberliegender Kraftelektrode 6 ein elektro statisches Potential angelegt wird, durch welches die Schaltzunge 4 in Richtung Kraftelektrode 6 nach unten ausgelenkt wird, bis ihr freies Ende 5 mit dem Endkontakt 3 galvanisch Kontakt macht. Durch Abschalten des Steuer potentials kann der Schalter wieder geöffnet werden. The Fig. Shows partly in section and partly in perspective a microswitch operated by the electrostatic force principle. On a substrate 1 made of insulating material two end contacts 2 and 3 are formed in a known microelectronic technology at a distance from each other, which are connected to a high-frequency circuit to be switched, not shown. On one end contact 2 , one end of a switching tongue 4 is fastened, which consists of an elastically deflectable material of good electrical conductivity. The free end 5 of this switching tongue 4 projects over the opposite end contact 3 and has a distance from this end contact 3 in the deflected position shown in the figure . A force electrode 6 is arranged in the space between the two end contacts 2 and 3 , the edges 7 and 8 of which are at a distance from the end edges 9 and 10 of the end contacts 2 and 3 . This force electrode 6 is designed as a resistance layer with a specific surface resistance, for example greater than 300 ohms. It is again brought up in known microelectronic technology on the top of the substrate 1 . This force electrode 6 is connected via a narrow supply line 11 , which in turn is formed in microelectronic technology on the upper side of the substrate, to a schematically indicated voltage source 12 , which is galvanically connected to the end contact 2 via a further, likewise very narrow supply line 13 , on which the shift tongue 4 is fixed on one side. If the switch tongue 4 is mechanically tensioned in its open position before, as shown for example in the figure, the switch can be closed by who that an electrostatic potential is applied by the voltage source 12 between the switch tongue 4 and the opposing force electrode 6 which the switching tongue 4 is deflected downwards in the direction of the force electrode 6 until its free end 5 makes electrical contact with the end contact 3 . The switch can be opened again by switching off the control potential.

Zur Entkopplung zwischen Steuerspannungsquelle 12 und dem eigentlichen Hochfrequenz-Schalterkreis 2, 3, 4 sind in die Zuleitungen 11, 13 vorzugsweise hochohmige Vor widerstände angeordnet. Diese hochohmigen Vorwiderstände von beispielsweise je 1 MOhm werden vorzugsweise dadurch realisiert, daß die Zuleitungen 11 und 13 in bekannter Mikroelektronik-Technik aus einem Material von entsprechend hohem spezifischen Oberflächenwiderstand auf dem Substrat 1 ausgebildet werden. Sie sind zur Vermeidung von parasitären Lastkapazitäten außerdem relativ schmal ausgebildet, die Bahnbreite der Zuleitungen 11 und 13 ist vorzugsweise sehr klein gewählt gegenüber der Bahnbreite der Endkontakte 2, 3 und der daran anschließenden Hochfrequenzzuleitungen.For decoupling between control voltage source 12 and the actual high-frequency switching circuit 2 , 3 , 4 , high-impedance resistors are preferably arranged in the feed lines 11 , 13 . These high-impedance series resistors of, for example, 1 MOhm each are preferably implemented in that the feed lines 11 and 13 are formed on the substrate 1 in known microelectronic technology from a material with a correspondingly high specific surface resistance. To avoid parasitic load capacitances, they are also designed to be relatively narrow; the path width of the feed lines 11 and 13 is preferably chosen to be very small compared to the path width of the end contacts 2 , 3 and the high-frequency feed lines adjoining them.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel besitzt die Kontaktzunge 4 beispielsweise eine Breite von nur 0,1 mm und eine Länge von 0,2 mm. Die Dicke der Endkon takte 2, 3 und der daran anschließenden Hochfrequenz-Zu leitungen ist nur 4 µm. Mit einer Spannungsquelle 12 von 100 Volt kann damit bei geschlossener Schaltzunge eine Kraft von 1,6×10^-4 Newton erreicht werden. Ein solcher Schalter besitzt also nicht nur sehr kleine mechanische Abmessungen und ist damit besonders gut für hohe Frequenzen geeignet, sondern es können auch auf einfache Weise die erforderlichen Schaltkräfte erzeugt werden.In a practical exemplary embodiment, the contact tongue 4 has, for example, a width of only 0.1 mm and a length of 0.2 mm. The thickness of the end contacts 2 , 3 and the subsequent high-frequency feed lines is only 4 µm. With a voltage source 12 of 100 volts, a force of 1.6 × 10 ^-4 Newton can be achieved with the switching tongue closed. Such a switch not only has very small mechanical dimensions and is therefore particularly well suited for high frequencies, but the required switching forces can also be generated in a simple manner.

Die Kraftentfaltung zwischen der Schaltzunge 4 und der Kraftelektrode 6 kann zusätzlich noch dadurch verbessert werden, daß der Raum zwischen diesen Teilen teilweise mit einem Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitäts konstante ausgefüllt wird. Dieses Dielektrikum muß natür lich im Raum zwischen den Stirnenden 9 und 10 der End kontakte so angebracht sein, daß hierdurch nicht die Auslenkbewegung der Schaltzunge 4 behindert wird. Ein solches in der Figur nicht dargestelltes Dielektrikum kann außerdem sicherstellen, daß bei zu starker Kraftein wirkung auf die Schaltzunge 4 kein Kurzschluß zwischen Schaltzunge 4 und Kraftelektrode 6 auftritt.The power delivery between the switch tongue 4 and the force electrode 6 can additionally be improved in that the space between these parts is partially filled with a dielectric with a high dielectric constant. This dielectric must of course be mounted in the space between the front ends 9 and 10 of the end contacts so that the deflection movement of the switching tongue 4 is not hindered thereby. Such a dielectric, not shown in the figure, can also ensure that if the force applied to the switching tongue 4 is too strong, there is no short circuit between the switching tongue 4 and the force electrode 6 .

Claims

1. After the electrostatic force principle actuated microswitch with a to the fixed one end contact (2) and with its free end (5) opposite to the other end contact (3) elastically deflectable switching tongue (4) and having a distance between the two end contacts (2 , 3 ) with respect to this switching tongue ( 4 ) arranged force electrode ( 6 ), characterized in that the force electrode ( 6 ) is formed by a resistance material.

2. Microswitch according to claim 1, characterized ge indicates that the specific Surface resistance of the resistance material larger is selected as 300 ohms.

3. Microswitch according to claim 1 or 2, characterized in that the electrostatic potential between the switch tongue ( 4 ) and the opposite force electrode ( 6 ) generating voltage source ( 12 ) via high-resistance resistors ( 14 , 15 ) with the switch tongue ( 4 ) or the force electrode ( 6 ) is connected.

4. Microswitch according to claim 3, characterized in that the electrical leads ( 11 , 13 ) from the voltage source ( 12 ) to the switch tongue ( 4 ) and to the force electrode ( 6 ) as narrow strip lines on the top of a substrate ( 1 ) Insulating material is formed, on which the end contacts ( 2 , 3 ) and the intermediate force electrode ( 6 ) are also formed.

5. Microswitch according to claim 4, characterized in that the width of the strip lines ( 11 , 13 ) with respect to the leads to the end contacts ( 2 , 3 ) are narrow.

6. Microswitch according to one of claims 3, 4 or 5, characterized in that the high-impedance resistors between the voltage source ( 12 ) and switching tongue ( 4 ) or force electrode ( 6 ) by producing the narrow strip lines ( 11 , 13 ) from a resistive material accordingly high surface resistivity are formed.

7. microswitch according to one or more of the preceding claims, characterized in that the space between the switching tongue ( 4 ) and the force electrode ( 6 ) is filled with a dielectric of high dielectric constant.