HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Hochfrequenzschalter und insbesondere
einen aus einem monolithisch integrierten mikroelektromechanischen
System-(MEMS; engl.: Micro Electro-Mechanical System)-Schalter hergestellten
Hochfrequenzschalter, der einen starren Balken, ein Substrat und eine
oder mehrere elektrische Kontakte aufweist, die mit einem Metallstift
monolithisch ausgebildet sind, der schwenkbar mit einem Substrat
verbunden ist, was eine Schwenkstelle für den Balken definiert, der eine
Wipp-Wackel(-Konfiguration) bildet, die ausgelegt ist, elektrostatisch
betätigt
zwischen einer Position mit geöffnetem
Kontakt und einer Position mit geschlossenem Kontakt zu schwenken,
was die Biegung des Balkens beseitig, wodurch die Schalterlebensdauer
erhöht
wird.The
The present invention relates to a high frequency switch, and more particularly
one of a monolithically integrated microelectromechanical
System (MEMS) microelectromechanical system switches
High frequency switch, which has a rigid beam, a substrate and a
or having multiple electrical contacts with a metal pin
are formed monolithically, which is pivotally connected to a substrate
connected, which defines a pivot point for the bar, the one
Wipp-Wackel (configuration) forms, which is designed electrostatically
actuated
between a position with open
Panning contact and a closed contact position,
which eliminates the bending of the beam, reducing the switch life
elevated
becomes.
2. Beschreibung der bekannten
Technik2. Description of the known
technology
Hochfrequenzschalter
sind auf dem Gebiet allgemein bekannt. Beispiele solcher Schalter
sind im Einzelnen in dem hier durch Bezugnahme aufgenommenen U.S.
Patent Nr. 5,578,976 beschrieben. Solche Hochfrequenzschalter werden
bei verschiedenen Mikrowellen- und Millimeteranwendungen verwendet,
wie zum Beispiel abstimmbaren Vorauswahlvorrichtungen, Frequenzsynthesizern
sowie Automobilanwendungen.RF switch
are well known in the art. Examples of such switches
are more specifically incorporated herein by reference.
Patent No. 5,578,976. Such high frequency switch will be
used in various microwave and millimeter applications,
such as tunable preselection devices, frequency synthesizers
as well as automotive applications.
1 veranschaulicht
einen bekannten Hochfrequenz-Mikroelektromechaniksystem-(MEMS)-Schalter. Wie gezeigt,
ist das im Ganzen mit dem Bezugszeichen 20 angegebene MEMS auf
einem Substrat 22 ausgebildet, wobei an einem Ende ein
Ständer 24 ausgeformt
ist. Ein flexibler freitragender Balken 26 ist an einem
Ende mit dem Ständer 24 verbunden.
Der freitragende Balken 26 ist ausgelegt, um einen elektrischen
Kontakt 28 an einem Ende zu tragen, das ausgerichtet und
ausgelegt ist, um zu einem entsprechenden Kontakt 29 zu
passen, der von dem Substrat 22 getragen wird. Ein Hochfrequenzeingangssignal
ist ausgelegt, mit dem Kontakt 29 verbunden zu werden,
der einen Hochfrequenzeingangsanschluss bildet, während der
Kontakt 28 einen Hochfrequenzausgangsanschluss bildet. 1 illustrates a known high-frequency microelectromechanical system (MEMS) switch. As shown, this is indicated as a whole by the reference numeral 20 specified MEMS on a substrate 22 formed, wherein at one end a stand 24 is formed. A flexible self-supporting beam 26 is at one end with the stand 24 connected. The self-supporting beam 26 is designed to make an electrical contact 28 to wear at one end, which is aligned and adapted to a corresponding contact 29 to match that of the substrate 22 will be carried. A high frequency input signal is designed with the contact 29 to be connected, which forms a high-frequency input terminal, while the contact 28 forms a high frequency output terminal.
Der
Schalter 20 ist ausgelegt, elektrostatisch betätigt zu
werden. Eine Erdungsplatte 32 ist auf dem Substrat 22 ausgelegt,
während
eine Feldplatte 34 auf dem freitragenden Balken 26 ausgebildet
ist. Die Erdungsplatte 32 ist ausgelegt, mit Masse verbunden zu
werden, während
die Feldplatte 34 ausgelegt ist, selektiv mit einer Gleichspannungsspannungsquelle verbunden
zu werden. Im Betrieb ist in einem ausgeschalteten Zustand, in dem
keine Spannung an die Feldplatte 34 angelegt ist, der Kontakt 28 von
dem Kontakt 29 getrennt, was einen offenen Kontaktzustand
definiert, wie im Allgemeinen in 1 gezeigt. Wenn
eine geeignete Gleichspannung an die Platte 34 angelegt
wird, wird der freitragende Balken 34 durch die elektrostatischen
Kräfte
ausgelenkt, was bewirkt, dass der elektrische Kontakt 28 an
dem elektrischen Kontakt 29 angreift, wobei ermöglicht wird, dass
das Hochfrequenzeingangssignal elektrisch mit dem Hochfrequenzausgangsanschluss
verbunden wird. Wenn die Spannung von der Feldplatte 34 entfernt
wird, kehrt der freitragende Balken 20 in seine statische
Position, wie in 1 gezeigt, aufgrund der Rückstellkräfte in dem
freitragenden Balken 26 zurück.The desk 20 is designed to be electrostatically actuated. A grounding plate 32 is on the substrate 22 laid out while a field plate 34 on the self-supporting beam 26 is trained. The grounding plate 32 is designed to be connected to ground while the field plate 34 is designed to be selectively connected to a DC voltage source. In operation is in an off state, in which no voltage to the field plate 34 is created, the contact 28 from the contact 29 separated, which defines an open contact state, as generally in 1 shown. If a suitable DC voltage to the plate 34 is applied, becomes the cantilever beam 34 deflected by the electrostatic forces, which causes the electrical contact 28 on the electrical contact 29 thereby enabling the high frequency input signal to be electrically connected to the high frequency output terminal. When the voltage from the field plate 34 is removed, the cantilever beam returns 20 in its static position, as in 1 shown due to the restoring forces in the cantilevered beam 26 back.
U.S.
Patent Nr. 5,552,924 offenbart ebenfalls eine mikroelektromechanische-(MEM)-Vorrichtung, die
auf einem Substrat ausgebildet ist. Ein Ständer ist auf dem Substrat ausgebildet,
um einen länglichen Balken
abzustützen.
Der längliche
Balken ist mittig abgestützt
und mit elektrischen Kontakten an gegenüberliegenden Enden ausgebildet.
Die Struktur arbeitet elektrostatisch. Insbesondere führt eine
an Feldplatten des länglichen
Balkens angelegte Gleichspannung zu elektrostatischen Kräften, die
eine Torsionsbiegung des Balkens verursachen.U.S.
U.S. Patent No. 5,552,924 also discloses a microelectromechanical (MEM) device which
is formed on a substrate. A stand is formed on the substrate,
around an elongated beam
support.
The elongated one
Beam is supported in the middle
and formed with electrical contacts at opposite ends.
The structure works electrostatically. In particular, leads a
on field plates of the oblong
Balkens applied DC voltage to electrostatic forces, the
cause a torsional bending of the beam.
Unglücklicherweise
benötigen
die oben diskutierten Konfigurationen eine Biegung des freitragenden
Balkens, jedes Mal wenn der Schalter arbeitet. Ein solches Biegen
führt zu
einer reduzierten Zuverlässigkeit
des Schalters sowie zu einer reduzierten Schalterlebensdauer.Unfortunately
need
the configurations discussed above have a cantilevered bend
Every time the switch is working. Such a bending
leads to
a reduced reliability
of the switch as well as a reduced switch life.
Es
gibt weiter Probleme, die mit solchen bekannten Hochfrequenzschaltern
verbunden sind, wie zum Beispiel relativ hohe Einfügungsverluste,
die bei bestimmten Anwendungen nicht akzeptabel sind, wie zum Beispiel
Hochfrequenzschaltanwendungen. Insbesondere ist der freitragende
Balken, der in dem U.S. Patent Nr. 5,578,976 offenbart ist, aus
Siliziumdioxid SiO2 hergestellt, wobei eine
zusammengesetzte Siliziummetalllegierung (A1:Ti:Si) für den Balken
in dem Schalter verwendet wird, der in dem U.S. Patent Nr. 5,552,994
offenbart ist. Leider führt
die Verwendung solcher Materialien für den Balken zu einem relativ
hohen Einfügungsverlust
und führt
daher zu einer verringerten Empfindlichkeit des Hochfrequenzschalters.There are further problems associated with such known high frequency switches, such as relatively high insertion losses that are unacceptable in certain applications, such as high frequency switching applications. In particular, the cantilevered beam disclosed in US Pat. No. 5,578,976 is made of silicon dioxide SiO 2 using a composite silicon metal alloy (Al: Ti: Si) for the beam in the switch disclosed in US Pat. 5,552,994 is disclosed. Unfortunately, the use of such materials for the beam results in a relatively high insertion loss and therefore results in reduced sensitivity of the high frequency switch.
Wie
oben erwähnt,
sind solche Hochfrequenzschalter ausgelegt, in einem großen Bereich von
Anwendungen verwendet zu werden, wie zum Beispiel Frequenzsynthesizer
und dergleichen. Herkömmliche
Halbleiterhochfrequenzschalter sind bekanntlich relativ groß und voluminös (d. h.
400 in3 für ein 16 × 16 Array), was die Packungsgrößen für solche
Hochfrequenzschalter verwendende Systeme relativ groß macht.
Mikromaschinell hergestellte Hochfrequenzschalter als solche sind
entwickelt worden, zum Beispiel wie in den U.S. Patenten Nr. 5,578,976
und 5,552,994 offenbart. Solche mikromaschinell hergestellten Hochfrequenzschalter
weisen deutlich verringerte Packungsgrößen auf (d. h. 1 in3). Bekannte Herstellungsverfahren für solche
mikromaschinell hergestellte Hochfrequenzschalter sind jedoch mit
bekannten HBT- und HEMT- oder CMOS-Bearbeitungsverfahren inkompatibel,
was bisher eine Integration der genannten Hochfrequenzschalter mit
solchen HMT- und HBT- oder CMOS-Vorrichtungen verhindert hat.As mentioned above, such high frequency switches are designed to be used in a wide range of applications, such as frequency synthesizers and the like. Conventional high frequency semiconductor switches are known to be relatively large and bulky (ie 400 in 3 for a 16 x 16 array), which is the package size for sol makes high-frequency switch systems relatively large. As such, micromachined RF switches have been developed, for example as disclosed in US Patent Nos. 5,578,976 and 5,552,994. Such micromachined high frequency switches have significantly reduced package sizes (ie, 1 in 3 ). However, known manufacturing methods for such micromachined high-frequency switches are incompatible with known HBT and HEMT or CMOS processing methods, which has hitherto prevented integration of said high-frequency switches with such HMT and HBT or CMOS devices.
EP 0 484 142 A2 offenbart
einen mikromaschinellhergestellten Schalter, der einen sich drehenden
Schalterflügel
umfasst, der zwischen einer geschlossenen Position, in der er für eine Kommunikationsverbindung
zwischen zwei gegenüberliegenden Übertragungsleitungsabschnitten
sorgt, und einer offenen Position drehbar ist, in der eine Übertragung von
Signalen von einer der Übertragungsleitungssegmente
zu der anderen verhindert wird. Der Schalterflügel ist an einer oberen Fläche eines
Substrats befestigt und in einer Ebene parallel zu der oberen Fläche des
Substrats drehbar. Kontaktstellen, die auf dem Substrat ausgebildet
sind, können
mit einer Gleichspannung verbunden werden, um elektrostatische Kräfte zu erzeugen,
die den Flügel
zwischen seinen geschlossenen und offenen Position bewegt. EP 0 484 142 A2 discloses a micromachined switch comprising a rotating switch blade rotatable between a closed position providing a communication connection between two opposing transmission line sections and an open position transferring signals from one of the transmission line segments to the other is prevented. The switch blade is attached to an upper surface of a substrate and rotatable in a plane parallel to the upper surface of the substrate. Contact pads formed on the substrate may be connected to a DC voltage to create electrostatic forces that move the blade between its closed and open positions.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine als MEMS-Vorrichtung
ausgebildeten Hochfrequenzschalter bereitzustellen, der ausgelegt ist,
unter Verwendung von Elektroherstellungsverfahren hergestellt zu
werden und für
eine hohe mechanische Zuverlässigkeit
sorgt.It
is an object of the present invention, as a MEMS device
to provide a trained high frequency switch which is designed
produced using electro-fabrication techniques
be and for
a high mechanical reliability
provides.
Um
die obige Aufgabe zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung
einen Hochfrequenzschalter gemäß Anspruch
1 bereit. Der Hochfrequenzschalter gemäß der vorliegenden Erfindung
ist insbesondere zur Integration mit einem monolithischen integrierten Mikrowellenschaltkreis
(MMIC; engl.: Monolithic Microwave Integrated Circuit) geeignet,
wie zum Beispiel integrierte CMOS-, HBT- und HEMPT-Schaltkreise. Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung bei einem weiteren Aspekt eine
Kombination des Schalters der Erfindung und einem MMIC bereit, wie in
Anspruch 7 spezifiziert. Bei einer solchen Kombination kann der
Hochfrequenzschalter auf der Oberseite des MMIC's ausgebildet sein.Around
To achieve the above object is the present invention
a high frequency switch according to claim
1 ready. The high-frequency switch according to the present invention
is in particular for integration with a monolithic microwave integrated circuit
(MMIC, English: Monolithic Microwave Integrated Circuit) suitable,
such as integrated CMOS, HBT and HEMPT circuits. Accordingly
provides the present invention in another aspect
Combination of the switch of the invention and an MMIC ready, as in
Claim 7 specified. In such a combination, the
High frequency switch may be formed on the top of the MMIC.
Außerdem stellt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen
Schalters (MEMS) gemäß Anspruch
9 bereit.It also puts
The present invention provides a method of making a microelectromechanical
Switch (MEMS) according to claim
9 ready.
Bei
einer Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung einen Hochfrequenzschalter bereit, der
als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet ist, das
in einem Array konfiguriert werden kann, das eine mikroelektromechanische
Schalteranordnung (MEMSA; engl.: Micro Electro-Mechanical Switch
Array) bildet. Das MEMS ist auf einem Substrat ausgebildet. Ein
Stift, der von dem Substrat schwenkbar abgestützt ist, definiert eine Schwenkstelle.
Ein steifer Balken oder Übertragungsleitung
ist im Allgemeinen mittig auf dem Stift angeordnet, was eine Wipp-Wackel-Konfiguration
bildet. Die Verwendung eines starren Balkens beseitigt die Torsions- und
Biegekräfte
des Balkens, die die Zuverlässigkeit reduzieren
können.
Der Schalter ist ausgelegt, monolithisch mit beispielsweise aus
HBTs und HEMTs hergestellten MMICs integriert zu werden, indem solche
Schaltkreise von dem Schalter mittels einer geeigneten Polymerschicht,
wie zum Beispiel Polymid, getrennt werden, um den MMIC während des
Herstellungsprozesses des Schalters zu stützen. Um Dämpfungsverluste zu reduzieren,
ist der Balken im Ganzen aus Metall hergestellt, was die Empfindlichkeit
des Schalters verbessert und auch ermöglicht, den Schalter bei Hochfrequenzschaltanwendungen zu
verwenden. Indem der Balken oder Übertragungsleitung insgesamt
aus Metall hergestellt wird, weist der Schalter einen geringen Dämpfungsverlust
als andere Schalter auf, die SiO2 Verbundsiliziummetallbalken
verwenden.In one embodiment, the present invention provides a high frequency switch configured as a microelectromechanical system (MEMS) that can be configured in an array that forms a Micro Electro-Mechanical Switch Array (MEMSA). The MEMS is formed on a substrate. A pin pivotally supported by the substrate defines a pivot point. A rigid beam or transmission line is generally centered on the pin, forming a seesaw-wobble configuration. The use of a rigid beam eliminates the torsional and bending forces of the beam, which can reduce reliability. The switch is designed to be monolithically integrated with MMICs made, for example, of HBTs and HEMTs by disconnecting such circuitry from the switch by means of a suitable polymeric layer, such as polyimide, to support the MMIC during the manufacturing process of the switch. To reduce damping losses, the beam as a whole is made of metal, which improves the sensitivity of the switch and also allows the switch to be used in high frequency switching applications. By making the beam or transmission line entirely of metal, the switch has low loss of attenuation than other switches using SiO 2 compound silicon metal bars.
BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGENDESCRIPTION
THE DRAWINGS
Diese
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden auf einfache
Weise unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen
verständlich,
in denen:These
and other objects of the present invention are made simple
With reference to the following description and accompanying drawings
understandable,
in which:
1 eine
Aufsicht eines bekannten Hochfrequenzschalters ist. 1 is a plan view of a known high-frequency switch.
2 eine
Aufsicht eines Hochfreguenzschalters gemäß der vorliegenden Erfindung
ist. 2 Fig. 10 is a plan view of a high-frequency switch according to the present invention.
3a vergleichbar
mit 2 ist, wobei ferner Feldplatten veranschaulicht
sind. 3a comparable to 2 and field plates are further illustrated.
3b eine
Ansicht des in 2 und 3a veranschaulichten
Hochfrequenzschalters ist. 3b a view of the in 2 and 3a illustrated high-frequency switch is.
4 eine
perspektivische Ansicht ist, die den Hochfrequenzschalter gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt auf einem MMIC veranschaulicht. 4 Fig. 12 is a perspective view illustrating the high-frequency switch manufactured according to the present invention on an MMIC.
5a eine
Aufsicht einer alternativen Ausführungsform
des Hochfrequenzschalters gemäß der vorliegenden
Erfindung ist. 5a Figure 11 is a plan view of an alternative embodiment of the high frequency switch according to the present invention.
5b eine
Ansicht des in 5a veranschaulichten Hochfrequenzschalters
ist. 5b a view of the in 5a illustrated high-frequency switch is.
6 eine
Ansicht der alternativen Ausführungsform
des in 5 gezeigten Hochfrequenzschalters
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist. 6 a view of the alternative embodiment of the in 5 shown high-frequency switch according to the present invention.
7 eine
Ansicht einer anderen alternativen Ausführungsform des in 3 gezeigten Hochfrequenzschalters gemäß der vorliegenden
Erfindung ist. 7 a view of another alternative embodiment of the in 3 shown high-frequency switch according to the present invention.
8 eine
grafische Darstellung der Einfügungs-
und Anpassungsdämpfung
in dB als Funktion der Frequenz in GHz eines beispielhaften Schalters mit
dem Schalter in einer eingeschalteten Position ist. 8th Figure 4 is a graph of insertion and matching loss in dB as a function of frequency in GHz of an exemplary switch with the switch in an on position.
9 eine
grafische Darstellung der Isolation in dB als Funktion der Frequenz
in GHz eines beispielhaften Schalters mit dem Schalter in einer
ausgeschalteten Position ist. 9 is a plot of isolation in dB as a function of frequency in GHz of an exemplary switch with the switch in an off position.
10a und 10b grafische
Darstellungen der Isolation der in 3 bzw.
veranschaulichten Schalter sind. 10a and 10b graphical representations of the isolation of in 3 or illustrated switches.
11 eine
Aufsicht einer beispielhaften Kontaktkonfiguration für den Hochfrequenzschalter gemäß der vorliegenden
Erfindung ist. 11 Fig. 10 is a top view of an exemplary contact configuration for the high frequency switch according to the present invention.
12–15 Zeichnungen sind, die den schrittweisen
Herstellungsprozess für
den Schalter gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulichen. 12 - 15 Drawings illustrating the step-wise manufacturing process for the switch according to the present invention.
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNGDETAILED
DESCRIPTION
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Hochfrequenzschalter, der ausgelegt
ist, durch bekannte Elektroherstellungsverfahren als Mikroelektromechaniksystem-(MEMS)-Schalter
hergestellt zu werden, der in einem Array angeordnet werden kann, um
eine mikroelektromechanische Schalteranordnung (MEMSA) zu erzeugen.
Wie unten detaillierter diskutiert, ist der Schalter ausgelegt,
für eine
erhöhte mechanische
Zuverlässigkeit
sowie für
eine erhöhte Schalterlebensdauer
zu sorgen. Zusätzlich
ist der Schalter ausgelegt, auf einer Polymerschicht oder einem
Substrat ausgebildet zu werden, die bzw. das verwendet werden kann,
um einen monolithischen integrierten Mikrowellenschaltkreis (MMIC)
zu schützen,
um zu ermöglichen,
den Schalter mit diesem zu integrieren.The
The present invention relates to a high frequency switch designed
by known electro manufacturing techniques as a microelectromechanical system (MEMS) switch
to be prepared, which can be arranged in an array to
to produce a microelectromechanical switch assembly (MEMSA).
As discussed in more detail below, the switch is designed to
for one
increased mechanical
reliability
also for
an increased switch life
to care. additionally
the switch is designed on a polymer layer or a
Substrate to be formed, which can be used
a monolithic microwave integrated circuit (MMIC)
to protect,
to enable
to integrate the switch with this.
Eine
Ausführungsform
des Hochfrequenzschalters gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 2, 3a und 3b veranschaulicht
und im Ganzen mit dem Bezugszeichen 50 angegeben. Der Schalter 50 ist
ausgelegt, auf einem Substrat 52 hergestellt zu werden.
Bei Anwendungen, bei denen der Schalter 50 mit einem monolithisch
integrierten Mikrowellenschaltkreis (MMIC) zu integrieren ist, wie zum
Beispiel verteilte HEMT-Verstärker
und HBT-TTL-Steuerschaltkreise, ist das Substrat 52 aus einem
Polymer, wie zum Beispiel Polymid, hergestellt, d. h. BPDA-PDA Dupont
p-phenylen biphenyl tetra carboroximid. Das Polymer ist als Schicht
unmittelbar auf der Oberseite des MMIC's ausgebildet, um den MMIC während des
Herstellungsverfahrens des Hochfrequenzschalters zu schützen. Die
niedrige elektrische Konstante des Polymid (d. h. ∈ = 2) sorgt beispielsweise
für ein
relativ verlustarmes Substrat für
die Hochfrequenzübertragungsleitung.An embodiment of the high frequency switch according to the present invention is shown in FIG 2 . 3a and 3b illustrated and in whole with the reference numeral 50 specified. The desk 50 is designed on a substrate 52 to be manufactured. For applications where the switch 50 integrated with a monolithic microwave integrated circuit (MMIC), such as distributed HEMT amplifiers and HBT TTL control circuits, is the substrate 52 from a polymer such as polymide, ie BPDA-PDA Dupont p-phenylene biphenyl tetracarboxylic imide. The polymer is formed as a layer immediately on top of the MMIC to protect the MMIC during the manufacturing process of the high frequency switch. The low electrical constant of the polymide (ie, ∈ = 2) provides, for example, a relatively low-loss substrate for the high-frequency transmission line.
Wie
am Besten in 4 gezeigt, können Verbindungen zwischen
dem Schalter 50 und dem MMIC 49 koaxial über Löcher 47 vorgesehen
sein, die einen Übergang
von einem Niveau zu einem anderen zulassen, wobei die Hochfrequenzimpedanz erhalten
wird und für
eine hohe Isolation gesorgt wird.How best in 4 shown, connections can be made between the switch 50 and the MMIC 49 coaxial over holes 47 be provided, which allow a transition from one level to another, wherein the high-frequency impedance is obtained and provided for a high isolation.
Ein
bedeutsamer Aspekt der Erfindung betrifft den Umstand, dass der
Balken 54 steif und ausgelegt ist, sich um einen Stift 58 (2)
zu drehen. Der Stift 58 ist relativ zu dem Substrat 52 schwenkbar befestigt,
zum Beispiel unter Verwendung von Metallkrägen 60, wobei eine
Wipp-Wackel-Konfiguration gebildet wird. Indem die Biege- oder Torsionsverformung
des Balkens 54 beseitigt wird, wird daher die Ermüdung des
Balkens reduziert, wobei die Gesamtzuverlässigkeit des Schalters sowie
die Schalterlebensdauer verbessert werden.An important aspect of the invention relates to the fact that the beam 54 Stiff and is designed around a pin 58 ( 2 ) to turn. The pencil 58 is relative to the substrate 52 pivotally attached, for example using metal collars 60 , wherein a seesaw-Wackel configuration is formed. By the bending or torsional deformation of the beam 54 is eliminated, therefore, the fatigue of the beam is reduced, the overall reliability of the switch and the switch life are improved.
Verschiedene
Konfigurationen des Hochfrequenzschalters sind gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei zum Beispiel in 2 ein gezeigter
Umschalter mit einem Pol veranschaulicht ist. Die Prinzipien der
vorliegenden Erfindung sind jedoch auf andere Schalterkonfigurationen
ebenfalls anwendbar. Der einpolige Umschalter 50 ist mit
Metallkontakten 60, 62, zum Beispiel Gold Anmeldungsunterlagen, hergestellt,
die an der Seite des Balkens 50 ausgebildet sind, die dem
Substrat 52 gegenüber
liegt. Diese Kontakte 60 und 62 sind ausgelegt,
um zu entsprechenden Kontakten 64 bzw. 66 zu passen,
die auf dem Substrat 52 ausgebildet sind.Various configurations of the high-frequency switch are according to the present invention, wherein, for example, in 2 a shown switch is illustrated with a pole. However, the principles of the present invention are also applicable to other switch configurations. The single-pole switch 50 is with metal contacts 60 . 62 , for example, gold registration documents, produced at the side of the beam 50 are formed, which are the substrate 52 is opposite. These contacts 60 and 62 are designed to correspond to contacts 64 respectively. 66 to fit on the substrate 52 are formed.
Der
Hochfrequenzschalter 50 ist ausgelegt, unter Verwendung
elektrostatischer Kräfte
betätigt
zu werden. Insbesondere kann ein Paar elektrischer Kontakte 68, 70 auf
dem Substrat 52 ausgebildet sein. Das Herstellen und Unterbrechen
dieser Kontakte 68 und 70 findet unter der Steuerung
elektrostatischer Kräfte
statt, die in Folge von geeigneten Gleichspannungen erzeugt werden,
der an entsprechende Feldplatten 69 und 70 angelegt
werden (3a). Insbesondere bildet die
Kombination der Feldplatten 69 und 71 mit den
Kontakten 68 und 70 parallele Plattenkondensatoren.
Daher führt
das Anlegen eines Gleichspannungspotentials an die Feldplatten 69 und 71 zu
elektrostatischen Anziehungs- und Abstoßungskräften zwischen den Kontakten 68 und 70 und
dem Metallbalken 54. Die Richtung der Drehung des Balkens 54 hängt von
der Polarität
der Gleichspannung ab, die an die Feldplatten 69 und 71 angelegt
wird. Für
den einpoligen Umschalter 50 kann ein Kontakt 72 auf
dem Substrat 52 geformt sein, der wiederum in elektrischem
Kontakt mit dem Stift 58 und dem Balken 54 steht,
die aus elektrisch leitfähigen
Materialien (d. h. Nickel) hergestellt sind. Der Kontakt 72 kann
als Hochfrequenzeingangsanschluss 61 (3a)
verwendet werden, während
die Kontaktbahre 60, 64 und 62, 66 als
Hochfrequenzausgangsanschlüsse 63 bzw. 65 verwendet
werden. Insbesondere, wenn sich der Kontakt 62 in elektrischem
Kontakt mit dem elektrischem Kontakt mit dem elektrischem Kontakt 66 befindet,
wird ein an dem Kontakt 72 angelegtes Hochfrequenzeingangssignal
aus den elektrischen Kontakten 62 und 66 herausgeführt. Alternativ
wird das Hochfrequenzeingangssignal aus den Kontakten 60 und 64 herausgeführt, wenn
sich der Kontakt 60 in elektrischem Kontakt mit dem Kontakt 64 befindet.The high frequency switch 50 is designed to be actuated using electrostatic forces. In particular, a pair of electrical contacts 68 . 70 on the substrate 52 be educated. The making and breaking of these contacts 68 and 70 takes place under the control of electrostatic forces generated as a result of suitable DC voltages applied to corresponding field plates 69 and 70 be created ( 3a ). In particular, the combination of field plates forms 69 and 71 with the contacts 68 and 70 parallel plate capacitors. Therefore, the application of a DC potential to the field plates 69 and 71 to electrostatic attraction and repulsion forces between the contacts 68 and 70 and the metal beam 54 , The direction of rotation of the beam 54 depends on the polarity of the DC voltage applied to the field plates 69 and 71 is created. For the single-pole switch 50 can be a contact 72 on the substrate 52 be shaped, in turn, in electrical contact with the pin 58 and the beam 54 are made of electrically conductive materials (ie nickel). The contact 72 can be used as a high-frequency input connection 61 ( 3a ) are used while the contact stretcher 60 . 64 and 62 . 66 as high-frequency output terminals 63 respectively. 65 be used. Especially if the contact 62 in electrical contact with the electrical contact with the electrical contact 66 is located at the contact 72 applied high-frequency input signal from the electrical contacts 62 and 66 led out. Alternatively, the high frequency input signal becomes out of the contacts 60 and 64 brought out when the contact 60 in electrical contact with the contact 64 located.
Um
die Einfügungsverluste
zu reduzieren, sowie die Empfindlichkeit des Schalters zu verbessern,
kann der Balken 54 insgesamt aus Metall hergestellt sein.
Insbesondere kann der Blaken 54 aus elektroplattiertem
Nickel Ni bei, verglichen mit den meisten Halbleiterprozessen, niedrigen
Temperaturen hergestellt sein. Ein im Ganzen metallischer Balken 54 reduziert
nicht nur Einfügungsverluste
im Verhältnis
zu bekannten SiO2- oder Verbundsiliziummetallbalken,
eine solche Konfiguration verbessert auch den Abfangpunkt dritter
Ordnung, um für
einen erhöhten
dynamischen Bereich zu sorgen.In order to reduce the insertion losses, as well as to improve the sensitivity of the switch, the beam can 54 to be made entirely of metal. In particular, the Blaken 54 made of electroplated nickel Ni at low temperatures compared to most semiconductor processes. A whole metal beam 54 not only reduces insertion loss relative to known SiO 2 or composite silicon metal beams, such a configuration also improves the third order capture point to provide increased dynamic range.
Bei
den in 2, 3a und 3b veranschaulichten
Schalterkonfigurationen bildet der Stift 58 einen Hochfrequenzeingangsanschluss.
In 5a und 5b ist
eine alternative Konfiguration gezeigt, bei der der im Ganzen mit
dem Bezugszeichen 70 angegebene Hochfrequenzschalter ein
Substrat 52, einen Balken 54 und einen Stift 76 aufweist. Bei
dieser Ausführungsform
sind die elektrischen Kontakte 78 und 80 an jedem
Ende des Substrats 72 ausgebildet und ausgelegt, zu entsprechenden
Kontakten 82 beziehungsweise 84 zu passen, die
an gegenüberliegenden
Enden des Balkens 74 gebildet sind. Bei der letzteren Konfiguration
bildet der Kontakt 80, der an einem Ende des Substrats 76 geformt ist,
einen Hochfrequenzeingangsanschluss, während ein Kontakt 77,
der mit dem Balken 74 elektrisch gekoppelt ist, einen Hochfrequenzausgangsanschluss bildet.At the in 2 . 3a and 3b illustrated switch configurations forms the pin 58 a high frequency input terminal. In 5a and 5b an alternative configuration is shown in which the whole with the reference numeral 70 specified high-frequency switch a substrate 52 a beam 54 and a pen 76 having. In this embodiment, the electrical contacts 78 and 80 at each end of the substrate 72 designed and designed to correspond to contacts 82 respectively 84 to fit on opposite ends of the beam 74 are formed. In the latter configuration forms the contact 80 which is at one end of the substrate 76 is shaped, a high-frequency input terminal, while a contact 77 that with the beam 74 is electrically coupled, forms a high-frequency output terminal.
Es
werden elektrostatische Kräfte
verwendet, um den Balken 74, wie oben diskutiert, zu drehen.
Insbesondere bildet der Kontakt 78 einen Ausschaltausgangsanschluss
und ist mit Masse verbunden. Ein Paar von Kontakten 86 und 88,
die auf dem Substrat 72 gebildet sind, arbeiten mit einem
Paar von Feldplatten 87 und 89 zusammen, die,
wie oben diskutiert, parallele Plattenkondensatoren bilden. Insbesondere
wird der Balken 74 geerdet, um das elektrostatische Potential
des Balkens 74 auf Null zu bringen, wenn der Balken 74 im Gegenuhrzeigersinn schwenkt.
Ansonsten könnten
nicht bekannte elektrostatische Kräfte, die von den Schalterplatten
ausgeübt
werden, bewirken, dass das Schalterverhalten unregelmäßig wird.
Alternativ wird der Balken 74 von Masse getrennt und wird
der Hochfrequenzeingangsanschluss unmittelbar mit dem Balken 74 verbunden, wenn
der Schalter 70 im Uhrzeigersinn schwenkt, wobei in diesem
Fall der Kontakt 84 einen Ausgangskontakt bildet.Electrostatic forces are applied to the beam 74 as discussed above, to rotate. In particular, the contact forms 78 a turn-off output terminal and is connected to ground. A pair of contacts 86 and 88 that on the substrate 72 are formed, work with a pair of field plates 87 and 89 which, as discussed above, form parallel plate capacitors. In particular, the bar is 74 grounded to the electrostatic potential of the beam 74 to zero when the bar 74 pivots counterclockwise. Otherwise, unknown electrostatic forces exerted by the switch plates could cause the switch behavior to become irregular. Alternatively, the bar 74 disconnected from ground, and the radio frequency input port is immediately connected to the bar 74 connected when the switch 70 pivots clockwise, in which case the contact 84 forms an output contact.
Der
Betrieb der Schalter 50 und 70 hängt von den
elektrostatischen Kräften
zwischen den Balken 54 und 74 und den Feldplatten
ab. Die Kraft zwischen den Feldplatten und dem Balken ist eine Funktion
der Ladung Q und des elektrischen Feldes E. Eine Feldplatte wird
auf dem gleichen Potential wie der Balken gehalten und daher ist
die Kraft Null. Die andere Feldplatte ist mit einem Potentialunterschied
relativ zu dem Balken 74 mit einer Ladung versehen, die durch
Gleichung 1 gegeben ist: wobei W die Breite des Balken
ist, l die Länge
des Balkens ist, t die Kontakttrennung ist und V die Spannung ist.
Die elektrostatische Kraft ist durch Gleichung 2 angegeben: E = V/t. (2) The operation of the switches 50 and 70 depends on the electrostatic forces between the bars 54 and 74 and the field plates. The force between the field plates and the beam is a function of the charge Q and the electric field E. A field plate is held at the same potential as the beam and therefore the force is zero. The other field plate is with a potential difference relative to the beam 74 provided with a charge given by Equation 1: where W is the width of the bar, l is the length of the bar, t is the contact separation, and V is the voltage. The electrostatic force is given by Equation 2: E = V / t. (2)
Weil
die elektrostatische Kraft das Produkt der Ladung Q und des elektrostatischen
Feldes e ist, ist die Kraft durch Gleichung 3 gegeben.Because
the electrostatic force is the product of the charge Q and the electrostatic
Field e is, the force is given by Equation 3.
Indem
die Struktur ausbalanciert wird, stehen einer elektrostatischen
Kraft keine statisch oder durch Beschleunigung eingebrachte Gegenkräfte entgegen.
Wenn eine Spannung an einer Platte angelegt wird, neigt sich daher
die Struktur in diejenige Richtung, die den Kontakt schließt, der
am Nächsten zu
der aktiven Platte liegt, und den Kontakt an dem anderen Ende öffnet. Die
Zeitdauer, die benötigt
wird, um den Schalter von einer Position zu der anderen zu bewegen,
wird von der elektrostatischen Kraft, der Masse des Balkens und
des zu überwindenden
Abstands bestimmt. Nimmt man an, dass die Bewegung des Balkens linear
ist und die elektrostatischen Kräfte konstant
sind, ermöglicht
eine solche Analyse, auch wenn sich der Balken um einen Schwenkbereich dreht,
der nur etwa 0,006 Radian beträgt,
und die elektrostatische Kraft um einen Faktor von 2 zwischen der
Startbewegung und eines vollständigen Schließens bei
konstanter Spannung variiert, die Schaltverzögerung zu begrenzen, indem
einfach ermöglicht
wird, die Schaltverzögerung
zu berechnen, also die schwächste
elektrostatische Kraft über
den gesamten Zeitraum angelegt wird und die Anstiegszeit der Schaltspannung
addiert wird. Die tatsächliche
Schaltdauer kann kleiner sein.By balancing the structure, an electrostatic force is prevented from counteracting static or acceleration forces. Therefore, when a voltage is applied to a plate, the structure inclines in the direction that closes the contact closest to the active plate and opens the contact at the other end. The amount of time it takes to move the switch from one position to the other is determined by the electrostatic force, the mass of the beam, and the distance to be negotiated. Assuming that the movement of the beam is linear and the electrostatic forces are constant, such analysis allows, even if the beam rotates about a pivoting range which is only about 0.006 radians, and the electrostatic force by a factor of 2 between the starting movement and a complete closing at constant voltage varies to limit the switching delay by simply allowing to calculate the switching delay, so the weakest electrostatic force is applied over the entire period and the rise time of the switching voltage is added. The actual switching duration can be smaller.
Die
Schaltverzögerung
für die
in 11 veranschaulichte beispielhafte Konfiguration
ist durch Gleichung 4 gegeben: √2mxF wobei m = dlwa. (4)wobei X der
Abstand ist, um den sich der Balken bewegen muss (d. h. drei Mikron),
d die Dichte des Balkens ist (d. h. 8,9 kg/m3),
l die Länge
des Balkens ist (d. h. 900 Mikron), w die Breite des Balkens ist
(d. h. 150 Mikron), a die Dicke des Balkens ist (d. h. 8 Mikron).The switching delay for the in 11 Illustrated exemplary configuration is given by Equation 4: √ 2mxF where m = dlwa. (4) where X is the distance the beam must move (ie, three microns), d is the beam's density (ie, 8.9 kg / m 3 ), l is the length of the beam (ie, 900 microns), w Width of the beam is (ie 150 microns), a is the thickness of the beam (ie 8 microns).
Diese
beispielhaften Werten führen
zu einer Masse des Balkens von 9,6 × 10–9 kg.
Wählt man
t mit 4,5 Mikron und l mit 200 Mikron bei V von 10 Volt, wird eine
elektrostatische Kraft zwischen dem Balken und der Platte von 1,3 × 10–6 Newton
erzeugt, was eine Schaltdauer von weniger als 200 Mikrosekunden
ergibt.These exemplary values result in a mass of the beam of 9.6 × 10 -9 kg. Selecting t at 4.5 microns and l at 200 microns at V of 10 volts creates an electrostatic force between the beam and plate of 1.3 x 10 -6 Newton, giving a switching time of less than 200 microseconds.
In
Fällen,
wo höhere
Schaltgeschwindigkeiten erforderlich sind, kann die elektrostatische
Kraft um etwa das 10-fache erhöht
werden, indem die an die Platten angelegte Spannung von 10 auf 35
Volt erhöht
wird. Es ist auch vorgesehen, bei der mechanischen Auslegung die
Masse um den Faktor 3 zu reduzieren, indem nicht aktive Bereiche
des Balkens beseitigt werden. Die Nickeldicke des Balken kann auch
reduziert werden, um die Schaltgeschwindigkeit zu optimieren. Es
ist auch vorgesehen, dass der vertikale Abstand um den Faktor 2
reduziert werden könnte,
wodurch die elektrostatische Kraft um den Faktor 4 erhöht wird,
wobei dadurch der überwundene
Abstand um den Faktor 2 verringert wird, was eine Schaltdauer von
etwa 2 Mikrosekunden ergibt.In
cases
where higher
Switching speeds are required, the electrostatic
Force increased by about 10 times
by applying the voltage applied to the plates from 10 to 35
Volts increased
becomes. It is also envisaged in the mechanical design of the
Reduce mass by a factor of 3 by removing non-active areas
of the bar. The nickel thickness of the beam can also
be reduced to optimize the switching speed. It
is also provided that the vertical distance by a factor of 2
could be reduced
whereby the electrostatic force is increased by a factor of 4,
whereby thereby the overcome
Distance is reduced by a factor of 2, resulting in a switching time of
about 2 microseconds.
Die
Frequenzantwort des Schalters (d. h. Hochfrequenzbetriebsfrequenz)
ist eine Funktion der physikalischen Abmessungen des Schalters.
Je kleiner die Größe des Schalters
ist, desto höher
ist im Allgemeinen die Frequenz, bei der der Schalter aufgrund der
zugeordneten Parasitäten
betrieben werden kann. Der Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ausgelegt, minimale Abmessungen von etwa 10 × 50 Mikron aufzuweisen; etwa
10 mal kleiner als bekannte Hochfrequenzschalter mit einer Hochfrequenzbetriebsfrequenz
von etwa 40 GHz.The
Frequency response of the switch (i.e., high frequency operating frequency)
is a function of the physical dimensions of the switch.
The smaller the size of the switch
is, the higher
is generally the frequency at which the switch due to the
associated parasites
can be operated. The switch according to the present invention
is designed to have minimum dimensions of about 10 x 50 microns; approximately
10 times smaller than known high frequency switches with a high frequency operating frequency
of about 40 GHz.
Für einen
Schalter, zum Beispiel wie in 2, 3a und 3b veranschaulicht,
sind in 8 und 9 die Einfügungsdämpfung,
die Anpassungsdämpfung
und die Isolation bis 10 GHz veran schaulicht. Diese Figuren zeigen,
dass der Schalter 50 bei etwa 2 GHz relativ geringe Einfügungsdämpfung und
eine relativ hohe Anpassungsdämpfung
und eine Isolation von etwa 45 dB hat. Um die Isolation zu verbessern,
können
zwei Schalter in Reihe angeschlossen werden, um für eine Isolation
von bis zu 90 dB zu sorgen.For a switch, for example as in 2 . 3a and 3b illustrates are in 8th and 9 the insertion loss, the matching loss, and the isolation up to 10 GHz illustrates. These figures show that the switch 50 at about 2 GHz has relatively low insertion loss and relatively high matching loss and isolation of about 45 dB. To improve isolation, two switches can be connected in series to provide isolation of up to 90 dB.
Die
Isolierung der zwei Schalter 50 und 70 ist in 10a bzw. 10b verglichen.
Weil der Schalter 70 als Kurzschlussschalter konfiguriert
ist, wobei ein Ende des Balkens verwendet wird, um den Eingang der
Ausgangsübertragungsleitung
kurz zu schließen,
indem der Spaltabstand ausgelegt und für eine angemessene Breite der Übertragungsleitungen gesorgt
wird, kann der Schalter 70, wie in 10b gezeigt,
für eine
Isolation von 50 dB bei 2 GHz sorgen, während zwei Schalter in Reihe
für eine
Isolation von bis zu 100 dB sorgen können.The isolation of the two switches 50 and 70 is in 10a respectively. 10b compared. Because the switch 70 is configured as a shorting switch, with one end of the beam being used to short the input of the output transmission line, by designing the gap distance and providing an adequate width of the transmission lines, the switch can 70 , as in 10b Isolation of 50 dB at 2 GHz, while two switches in series can provide isolation of up to 100 dB.
Alternative
Konfigurationen der Schalter 50 und 70 sind in 6 und 7 veranschaulicht.
Bei der in 6 veranschaulichten Ausführungsform wird
ein Schalter 51 verwendet, um eine Durchgangsübertragungsleitung
anzuschließen,
wohingegen ein Schalter 53 in 7 verwendet
wird, um zwei parallele, von einander beabstandete Übertragungsleitungen
zu verbinden.Alternative configurations of the switches 50 and 70 are in 6 and 7 illustrated. At the in 6 illustrated embodiment, a switch 51 used to connect a passage transmission line, whereas a switch 53 in 7 is used to connect two parallel, spaced-apart transmission lines.
Der
Schalter 51 weist zwei Schaltzustände auf; offen und geschlossen.
In einem offenen Zustand sind die zwei Übertragungsleitungen getrennt, während in
einem geschlossenen Zustand die zwei Übertragungsleitungen verbunden
sind.The desk 51 has two switching states; open and closed. In an open state, the two transmission lines are disconnected, while in a closed state, the two transmission lines are connected.
Der
Schalter 53 weist drei Schaltzustände auf; alle offen, einer
geschlossen, oder beide geschlossen. Bei dieser Ausführungsform
ist der Balken, der die zwei Übertragungsleitungen
verbindet, in der Lage, sich in einer linearen vertikalen Richtung
zu bewegen sowie um den Stift zu schwenken, um eine oder beide der Übertragungsleitungen
mit dem an den Balken gekoppelten Hochfrequenzsignal zu verbinden
oder von diesem zu trennen.The desk 53 has three switching states; all open, one closed, or both closed. In this embodiment, the beam connecting the two transmission lines is capable of moving in a linear vertical direction as well as pivoting about the pin to connect one or both of the transmission lines to or from the high frequency signal coupled to the beam to separate.
12–15 veranschaulichen schrittweise Einzelheiten,
um ein MEMS gemäß der vorliegenden Erfindung
herzustellen. Wie oben erwähnt,
kann das MEMS gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem monolithischen integrierten Mikrowellenschaltkreis (MMIC) 53 integriert
und auf einem Polymersubstrat 52 unmittelbar darauf ausgebildet
werden. Alternativ kann das MEMS als Stand-Alone-Vorrichtung hergestellt
werden. 12 - 15 Illustrate step-by-step details to produce a MEMS according to the present invention. As mentioned above, the MEMS according to the present invention may be implemented with a monolithic microwave integrated circuit (MMIC). 53 integrated and on a polymer substrate 52 be trained immediately afterwards. Alternatively, the MEMS can be manufactured as a stand-alone device.
Bezugnehmend
auf 12a ist eine Schicht Leitermaterial 100 auf
der Substratschicht 52 ausgebildet. Das Leitermaterial
kann abgeschieden werden, indem zum Beispiel 300 Å Chrom
(Cr) und 2000 Å Gold
(Au) unmittelbar auf dem Substrat 52 durch Dampfabscheidung
aufgebracht werden. Die Leitermetallschicht 100 wird mittels
herkömmlicher
Photoli thographieverfahren maskiert und gemustert, um verschiedene
Konfigurationen von Kontakten und Feldplatten herzustellen. Eine
beispielhafte Konfiguration von Kontakten, die die Kontakte 100 und 103, einen
Schwenkkontakt 105 und ein Paar von Feldplatten 107 und 109 aufweist,
ist in 12c gezeigt. Wie gezeigt, sind
die Kontakte 100 und 105 sowie die Feldplatten 107 und 109 elektrisch
mit einer Mehrzahl von Eingangs/Ausgangsanschlüssen 111, 113, 115 und 117 gekoppelt
(12b). Der Kontakt 103 ist unmittelbar
mit dem Kontakt 105 verbunden. Andere Konfigurationen sind
möglich.Referring to 12a is a layer of conductor material 100 on the substrate layer 52 out forms. The conductor material can be deposited by, for example, 300 Å chromium (Cr) and 2000 Å gold (Au) directly on the substrate 52 be deposited by vapor deposition. The conductor metal layer 100 is masked and patterned by conventional photolithography techniques to produce various configurations of contacts and field plates. An exemplary configuration of contacts that the contacts 100 and 103 , a swivel contact 105 and a pair of field plates 107 and 109 is in 12c shown. As shown, the contacts are 100 and 105 as well as the field plates 107 and 109 electrically with a plurality of input / output terminals 111 . 113 . 115 and 117 coupled ( 12b ). The contact 103 is immediate with the contact 105 connected. Other configurations are possible.
Der
Photoresist wird durch Schleuderbeschichtung auf die Leitermetallschicht 100 aufgebracht
und mittels der Maske freigelegt, um die Kontakte, Leiter und Feldplatten,
beispielsweise wie in 3b und 5b veranschaulicht,
zu definieren. Sobald das Leitermuster durch die Photolithographietechnik
definiert ist, wird die Leitermetallschicht 100 beispielsweise
mittels Nassätzen
geätzt,
um die Leiter, Kontakte und Feldplatten zu bilden.The photoresist is spin coated onto the conductor metal layer 100 applied and exposed by means of the mask to the contacts, conductors and field plates, for example as in 3b and 5b illustrates to define. Once the conductor pattern is defined by the photolithography technique, the conductor metal layer becomes 100 etched by wet etching, for example, to form the conductors, contacts and field plates.
Wie
oben diskutiert, wird das MEMS in einer Wipp-Wackel-Konfiguration
hergestellt, die einen Metallbalken, eine Schwenkstelle und einen
oder mehrere Stifte aufweist, die mit Krägen an dem Substrat drehbar
gesichert sind. Die Schwenkstelle sowie die Krägen erfordern die Verwendung
einer Anzahl von Abstandshaltern. Hierfür wird eine Schicht Kupfer
(Cu) 102 zum Beispiel 1,2–1,5 μm auf der Oberseite der Leiter
beispielsweise durch Dampfabscheidung, wie in 12c gezeigt, gebildet. Die Kupferschicht 102 (in 12c als Kupfer 1 angegeben) wird verwendet, um
den Abstandshalter für
die Schwenkstelle sowie den Kragen zu bilden, wie unten detaillierter
diskutiert. Insbesondere wird, wie in 12d veranschaulicht,
eine Photoresistschicht 104 durch Schleuderbeschichtung
auf die Kupferschicht 102 aufgebracht. Die Kontakte, die
Schwenkstelle sowie die Kragenbereiche werden durch herkömmliche
Photolithographieverfahren definiert. Nachdem die Kontakte, der
Kragen und die Schwenkstelle definiert sind, wird die Kupferschicht 102 beispielsweise
mittels herkömmlichen
Nassätzens,
wie in 12e gezeigt, geätzt. Zusätzlich wird auch
die Photoresistschicht 104 entfernt.As discussed above, the MEMS is fabricated in a seesaw-jig configuration having a metal beam, a pivot point, and one or more pins rotatably secured with collars to the substrate. The pivot point and the collars require the use of a number of spacers. For this purpose, a layer of copper (Cu) 102 for example, 1.2-1.5 microns on top of the conductors, for example by vapor deposition, as in 12c shown, formed. The copper layer 102 (in 12c indicated as copper 1) is used to form the pivot spacer as well as the collar, as discussed in greater detail below. In particular, as in 12d illustrates a photoresist layer 104 by spin coating on the copper layer 102 applied. The contacts, the pivot and the collar areas are defined by conventional photolithography techniques. After the contacts, the collar and the pivot point are defined, the copper layer becomes 102 for example, by means of conventional wet etching, as in 12e shown, etched. In addition, the photoresist layer also becomes 104 away.
Ein
zweiter Abstandshalter wird, wie in 13a veranschaulicht,
hergestellt. Insbesondere wird eine zweite Schicht Kupfer (Kupfer
2) 112 zum Beispiel 1,2 μm
auf der Oberseite der Struktur, die in 12e veranschaulicht
ist, beispielsweise durch Dampfabscheidung hergestellt. Sobald die
zweite Schicht an Kupfer 112 abgeschieden ist, werden,
wie in 13b und 13c veranschaulicht,
die Schwenkstelle und eine Kragenbasis definiert. Insbesondere wird
eine Photoresistschicht 114 durch Schleuderbeschichtung
auf die Kupferschicht 112 aufgebracht und durch herkömmliche
Photolithographieverfahren freigelegt, um die Schwenkstelle und die
Kragenbasis, wie in 13b veranschaulicht, zu definieren.
Wie in 13c veran schaulicht, wird danach
die Kupfer II Schicht 112 geätzt, um die Schwenkstelle und
die Kragenbasis zu definieren.A second spacer will, as in 13a illustrated, prepared. In particular, a second layer of copper (copper 2) 112 for example 1.2 μm on the top of the structure, which in 12e is exemplified, for example, produced by vapor deposition. Once the second layer of copper 112 is deposited, as in 13b and 13c illustrates the pivot point and defines a collar base. In particular, a photoresist layer is formed 114 by spin coating on the copper layer 112 applied and exposed by conventional photolithography techniques to the pivot point and the collar base, as in 13b illustrates to define. As in 13c veran illustrates, then the copper II layer 112 etched to define the pivot point and collar base.
Bezugnehmend
auf 13d werden zwei obere Kontakte,
wie in 13d und 13e veranschaulicht,
hergestellt. Insbesondere wird eine Photoresistschicht, beispielsweise
aus Chlorbenzinphotoresist 116, durch Schleuderbeschichtung
auf die Struktur aufgebracht, wie in 13d veranschaulicht.
Die Photoresistschicht 116 wird durch herkömmliche
Photolithografieverfahren maskiert und freigelegt, um ein Paar oberer
Goldkontakte 118 und 120 zu definieren, wie in 13e veranschaulicht. Insbesondere wird 5.000 Å von beispielsweise
Gold (Au) sobald die Kontaktbereiche, wie in 13d gezeigt,
definiert sind, auf die Struktur durch Dampfabscheidung aufgebracht,
um die Goldkontakte 118 und 120 zu bilden.Referring to 13d be two upper contacts, as in 13d and 13e illustrated, prepared. In particular, a photoresist layer, for example of chlorobenzene photoresist, is formed 116 , applied to the structure by spin coating, as in 13d illustrated. The photoresist layer 116 is masked by conventional photolithography techniques and exposed to a pair of upper gold contacts 118 and 120 to define how in 13e illustrated. In particular, 5,000 Å of, for example, gold (Au) becomes as soon as the contact areas as in 13d Shown are defined on the structure deposited by vapor deposition to the gold contacts 118 and 120 to build.
Nachdem
die Goldkontakte 118 und 120 hergestellt sind,
wird, wie in 13f und 13g veranschaulicht,
eine Lösungskupferschicht
ausgebildet. Insbesondere wird eine Photoresistschicht 122 durch Sprühbeschichtung
auf die in 13e veranschaulichte Struktur
aufgebracht und mittels herkömmlicher
Photolithographieverfahren freigelegt, um eine Lösungskupferschicht 124 zu
definieren. Die Lösungskupferschicht 124 wird
beispielsweise durch Dampfabscheidung von 2.000–5.000 Å Kupfer auf der in 13f veranschaulichten Struktur und Abheben des
Photoresists abgeschieden. Das Lösungskupfer
wird später
in dem Prozess entfernt, um zu ermöglichen, dass sich die Stifte
und die Schwenkstelle, die darauf ausgebildet sind, drehen.After the gold contacts 118 and 120 are made, as in 13f and 13g illustrates a solution copper layer formed. In particular, a photoresist layer is formed 122 by spray coating on the in 13e structure exposed and exposed by conventional photolithography techniques to form a solution copper layer 124 define. The solution copper layer 124 For example, by vapor deposition of 2,000-5,000 Å copper on the in 13f illustrated structure and lifting of the photoresist deposited. The solution copper is later removed in the process to allow the pins and the pivot point formed thereon to rotate.
Der
Balken und die Platten sind mittels einer Schicht Photoresist (nicht
gezeigt) gebildet, der durch Sprühbeschichtung
auf die Struktur aufgebracht und mittels herkömmlicher Photolithographieverfahren
gemustert wird, um den Balken und die Feldplatten zu definieren.
Der Balken und die Platten werden dann hergestellt, indem die Struktur
zum Beispiel mit 4 μm
Nickel (Ni) plattiert wird, wobei eine erste Nickelschicht (Nickel
I) 128 hergestellt wird (14a).
Zusätzlich
wird die oben genannte Photoresistschicht entfernt.The beam and plates are formed by a layer of photoresist (not shown) which is spray coated onto the structure and patterned by conventional photolithography techniques to define the beam and field plates. The beam and plates are then made by, for example, cladding the structure with 4 μm nickel (Ni) using a first nickel layer (nickel I). 128 will be produced ( 14a ). In addition, the above photoresist layer is removed.
Eine
Querschnittsansicht des Schalters nach dem Auftragen der ersten
Nickelschicht 128 ist in 14a veranschaulicht.
Wie in 14a veranschaulicht, sind die
oberen Kontakte 118 und 120 an der Unterseite
der Nickelschicht 128 angeordnet, die den Balken bildet.
Der Einfachheit halber ist 14a mit
entfernten Kupferschichten 102 und 112 gezeigt, um
den Abstand zwischen den Kontakten 118 und 120,
die an der Unterseite des Balkens ausgebildet sind, und dem Leiter
zu veranschaulichen, der auf dem Substrat 52 ausgebildet
ist.A cross-sectional view of the switch after the application of the first nickel layer 128 is in 14a illustrated. As in 14a Illustrated are the upper contacts 118 and 120 at the bottom of the nickel layer 128 arranged, the forms the beam. For simplicity's sake 14a with removed copper layers 102 and 112 shown the distance between the contacts 118 and 120 which are formed at the bottom of the beam, and illustrate the conductor standing on the substrate 52 is trained.
14b ist ein Querschnitt eines Teils des Kragens.
Wie in 15b gezeigt, sind ein Paar Stifte 127 und 129 benachbart
zu der Schwenkstelle definiert. Die Stifte 127 und 129 sind
an der Oberseite der Kupferschicht 10 2 ausgebildet. 14b is a cross section of a part of the collar. As in 15b shown are a pair of pens 127 and 129 defined adjacent to the pivot point. The pencils 127 and 129 are at the top of the copper layer 10 2 educated.
Zwei
Krägen 131, 133 (15b) sind auf der Oberseite der Stifte 127, 129 durch
Plattieren von Kupferschichten (Kupfer III und Kupfer IV) 130 und 132 über den
Stiften 127 und 129 (14c und 14d) ausgebildet. Die Krägen 131, 133 können durch
herkömmliche
Photolithographieverfahren gemustert werden. Die erste Schicht kann
hergestellt werden, indem 5.000 mm Kupfer Cu plattiert werden, während die
zweite Schicht hergestellt werden kann, indem 2–3 μm Kupfer Cu von der Struktur
plattiert werden.Two collars 131 . 133 ( 15b ) are on top of the pins 127 . 129 by plating copper layers (copper III and copper IV) 130 and 132 over the pins 127 and 129 ( 14c and 14d ) educated. The collars 131 . 133 can be patterned by conventional photolithography techniques. The first layer can be made by plating 5,000 mm of copper Cu, while the second layer can be made by plating 2-3 μm of copper Cu from the structure.
Wie
in 15a–c
gezeigt, wird eine zweite Schicht Nickel (Nickel II) 134 auf
der Oberseite der Struktur ausgebildet, was den Balken verstärkt und die
Krägen 131, 133 bildet,
wie in 15a veranschaulicht, um relativ
zu dem Substrat 52 die Stifte 127, 129 drehbar
abzustützen
und zu halten. Nachdem die Krägen 131, 133 über den
Stiften 127 und 129 hergestellt sind, wird das
Kupfer weggeätzt,
um die in 15b und 15c veranschaulichte
Struktur zu erhalten. Sobald das Kupfer weggeätzt ist, können sich die Stifte 127 und 129,
wie in 15d gezeigt, frei drehen. 15c veranschaulicht die Schwenkstelle, nachdem
das Kupfer weggeätzt
ist.As in 15a -C is shown, a second layer of nickel (nickel II) 134 formed on top of the structure, which reinforces the beams and the collars 131 . 133 forms, as in 15a illustrated relative to the substrate 52 the pencils 127 . 129 rotatably support and hold. After the collars 131 . 133 over the pins 127 and 129 are made, the copper is etched away to the in 15b and 15c to obtain the illustrated structure. Once the copper is etched away, the pins can become 127 and 129 , as in 15d shown, rotate freely. 15c illustrates the pivot point after the copper is etched away.
Offensichtlich
sind angesichts der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen
der vorliegenden Erfindung möglich.
Daher ist es verständlich,
dass, im Umfang der beigefügten
Ansprüche,
die Erfindung anders als oben im Speziellen beschrieben, ausgeführt werden
kann.Obviously
are in the light of the above teachings many modifications and variations
of the present invention possible.
Therefore, it is understandable
that, to the extent of the attached
Claims,
the invention is practiced otherwise than as specifically described above
can.
