DE4305033A1

DE4305033A1 - Micro-mechanical relay with hybrid drive - has electrostatic drive combined with piezoelectric drive for high force operation and optimum response

Info

Publication number: DE4305033A1
Application number: DE19934305033
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Prof Dr Gevatter; Lothar Prof Dr Ing Kiesewetter; Joachim Dipl Phys Schimkat; Helmut Dr Ing Schlaak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1993-10-28

Abstract

The unit has a base substrate (1), an armature (2) and a cover substrate (3). The base has an electrode (11) with connector tracks (11a,12a) and a base contact. The armature has an etched plate shaped armature element (21), with a surrounding band (22) and electrode (22). The band has a piezoelectric layer (27). At the centre of the armature plate is a contact plate (24) with a centre contact (26). The cover has an electrode (31) with an electrode (32a) having a central contact (32). The three substrates are assembled as a single unit. The piezo layer provides an actuator force for the relay together with the electrostatic force. ADVANTAGE - Better response characteristic with high contact force.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Relais mit einem Basissubstrat, welches eine flächige Basiselektrode und zu mindest ein feststehendes Gegenkontaktstück trägt, und mit mindestens einem flachen Anker, welcher an mindestens einer Seite elastisch mit einem Träger verbunden ist und eine der Basiselektrode gegenüberliegende Ankerelektrode sowie ein dem Gegenkontaktstück gegenüberliegendes Ankerkontaktstück auf weist, derart, daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Ankerelektrode und der Basiselektrode der Anker an die Basis angezogen wird.The invention relates to a micromechanical relay with a Base substrate, which is a flat base electrode and carries at least one fixed counter contact piece, and with at least one flat anchor attached to at least one Side is elastically connected to a carrier and one of the Base electrode opposite anchor electrode and a Mating contact piece opposite armature contact piece points, such that when an electrical voltage is applied between the armature electrode and the base electrode of the armature is attracted to the base.

Ein mikromechanisches Relais mit elektrostatischem Antrieb ist beispielsweise bekannt aus einem Aufsatz von Minoru Sakata: "An Electrostatic Microactuator for Electro-Mechani cal Relay", IEEE Micro Electro Mechanical Systems, February 1989, Seiten 149 bis 151. Dort ist ein aus einem Silizium substrat freigeätzter Anker über zwei Torsionsstege in einer Mittellinie so gelagert, daß jeder seiner beiden Flügel einer unterhalb liegenden Basiselektrode gegenübersteht. Für eine elektrostatische Erregung dieses Relais wird jeweils Spannung zwischen der Ankerelektrode und einer der beiden Basiselek troden angelegt, so daß der Anker wahlweise eine Schwenkbewe gung nach der einen oder anderen Seite ausführt. Aufgrund des Abstandes der Torsionslagerung zur Basis verbleibt auch nach der Schwenkbewegung ein gewisser keilförmiger Luftspalt zwi schen den Elektroden, so daß die elektrostatische Anziehungs kraft verhaltnismäßig gering bleibt. Dies wirkt sich auch in einer relativ geringen Kontaktkraft aus.A micromechanical relay with electrostatic drive is known for example from an essay by Minoru Sakata: "An Electrostatic Microactuator for Electro-Mechani cal relay ", IEEE Micro Electro Mechanical Systems, February 1989, pages 149 to 151. There is one made of silicon Anchor etched free of substrate over two torsion bars in one Center line so that each of its two wings one is located below the base electrode. For one electrostatic excitation of this relay becomes voltage between the armature electrode and one of the two base electrodes tread created so that the anchor either a swivel movement to one side or the other. Because of the The distance between the torsion bearing and the base also remains the pivoting movement a certain wedge-shaped air gap between rule the electrodes so that the electrostatic attraction remains relatively low by force. This also affects a relatively low contact force.

In der DE 32 07 920 C2 ist bereits ein Verfahren zur Herstel lung eines elektrostatischen Relais beschrieben. Dort wird ein Anker aus einer Rahmenplatte aus kristallinem Halbleiter material herausgeätzt; mit der Rahmenplatte wird der Anker auf eine isolierende Unterlage gesetzt, welche auch die Ge genelektrode trägt. Allerdings besteht zwischen dem Anker und der Gegenelektrode ein verhältnismäßig großer Abstand, der auch bei angezogenem Anker erhalten bleibt. Um bei diesem Ab stand zwischen Anker und Gegenelektrode die gewünschten Kon taktkräfte zu erzeugen, sind bei diesem bekannten Relais ver hältnismäßig große Spannungen erforderlich.DE 32 07 920 C2 already contains a method for the production described an electrostatic relay. There will an anchor made of a frame plate made of crystalline semiconductor material etched out; with the frame plate becomes the anchor placed on an insulating base, which also Ge gene electrode carries. However, there is between the anchor and the counter electrode a relatively large distance, the is retained even when the anchor is tightened. To at this Ab stood the desired con between the armature and counter electrode To generate tactical forces are ver in this known relay relatively high voltages required.

Generell hat ein elektrostatischer Antrieb für Relais den Nachteil, daß zu Beginn der Ankerbewegung, also bei großem Abstand zwischen den Elektroden, die Anzugskraft relativ ge ring ist, so daß das Relais nur zögernd anspricht bzw. hohe Ansprechspannungen erfordert. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein derartiges mikromechanisches Relais so weiterzubilden, daß die Ansprechcharakteristik verbessert wird, daß also die Vorteile des elektrostatischen An triebs - eine relativ hohe Kontaktkraft bei angezogenem An ker - erhalten bleiben, zugleich aber die Kräfte zu Beginn des Ansprechens erhöht werden.Generally, an electrostatic drive for relays has the Disadvantage that at the beginning of the anchor movement, that is, with a large one Distance between the electrodes, the tightening force is relatively ge is ring, so that the relay responds only slowly or high Response voltages required. Object of the present invention it is therefore such a micromechanical relay to further develop that the response characteristic improves is that the advantages of electrostatic drives - a relatively high contact force when the on is tightened ker - remain, but at the same time the strength at the beginning of response can be increased.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß der Anker zumindest teilweise mit einer als Biegewandler wirken den Piezoschicht versehen ist, deren Biegekraft bei Erregung die elektrostatische Anzugskraft zwischen der Basiselektrode und der Ankerelektrode unterstützt.According to the invention this goal is achieved in that the Anchor at least partially act as a bending transducer the piezo layer is provided, the bending force when excited the electrostatic attraction between the base electrode and the anchor electrode supports.

Bei dem erfindungsgemäßen Relais ist also der Anker zusätz lich zu dem elektrostatischen Antrieb mit einem Piezoantrieb versehen. Bei diesem so gebildeten Hybridantrieb werden die Eigenschaften zweier Antriebssysteme nutzbringend derart kom biniert, daß die Vorteile des einen Antriebs die Nachteile des jeweils anderen Antriebs aufwiegen: Der Piezoantrieb kann den Anker um ein großes Wegstück bzw. über einen großen Schalthub verschieben, erzeugt aber bei großer Ankerauslen kung, d. h. in der Arbeitsposition, nur eine kleine Kraft. Andererseits erzeugt der elektrostatische Antrieb zwar in der Arbeitsstellung, d. h. bei angezogenem Anker, eine große Kon taktkraft, jedoch ist die elektrostatische Anzugskraft zu Be ginn der Ankerbewegung, also bei großen Elektrodenabständen, nur gering.In the relay according to the invention, the armature is therefore additional Lich to the electrostatic drive with a piezo drive Mistake. With this hybrid drive, the Properties of two drive systems so useful that the advantages of one drive have the disadvantages of the other drive outweigh: The piezo drive can the anchor around a large distance or over a large one Shift switching stroke, but generated with large anchor deflections kung, d. H. in the working position, just a small force. On the other hand, the electrostatic drive produces in Working position, d. H. when the anchor is drawn, a large con tact force, however, the electrostatic attraction force to Be beginning of the armature movement, i.e. with large electrode spacings, only slight.

Beim Hybridantrieb der hier vorgeschlagenen Art sind auf dem Lagerabschnitt oder den Lagerbändern des Ankers jeweils meh rere Schichten vorgesehen, von denen eine ein Piezoelektrikum ist. Dieser Verbund aus Lagerband und piezoelektrischer Schicht krümmt sich bei angelegter Spannung und senkt den An ker in Richtung auf das Basissubstrat ab. Auf dem Weg des An kers von der Ruheposition zur Arbeitsposition wird die von dem Piezobiegewandler ausgeübte Kraft kleiner, während die elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden größer wird und in der Arbeitsposition über die vom Piezoantrieb erzeugte Kraft dominiert. Nach Abschalten der Antriebsspannung wird das Rückfallen des Ankers durch die rücktreibende Federkraft der Ankerfedern verursacht. Möglich wäre auch eine Unterstüt zung der Rückfallbewegung durch einen zweiten elektrostati schen Antrieb unter Verwendung einer Elektrode auf einem ge gebenenfalls vorhandenen, dem Basissubstrat gegenüberliegen den Deckelsubstrat.In the hybrid drive of the type proposed here are on the Bearing section or the bearing bands of the anchor each meh Several layers are provided, one of which is a piezoelectric is. This combination of bearing belt and piezoelectric Layer bends when voltage is applied and lowers the on ker towards the base substrate. On the way of the An kers from the rest position to the working position becomes that of force exerted on the piezo bending transducer is smaller, while the electrostatic force between the electrodes increases and in the working position over that generated by the piezo drive Power dominates. After switching off the drive voltage the armature falls back due to the resilient spring force the anchor springs caused. Support would also be possible relapse movement by a second electrostatic drive using an electrode on a ge any existing, opposite the base substrate the lid substrate.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anker in Plat tenform innerhalb eines rahmenförmigen Ankersubstrats als Träger über mindestens zwei elastische Lagerbänder symme trisch parallel zur Basiselektrode gehalten, so daß er bei Anlegen einer Spannung zwischen der Basiselektrode und der Ankerelektrode sich senkrecht zur Elektrodenebene ganz flächig an die Basiselektrode anlegt, wobei zumindest ein Teil der Lagerbänder mit der Piezoschicht versehen ist.In a preferred embodiment, the anchor is in plat tenform within a frame-shaped armature substrate as Carrier over at least two elastic support straps symme held in parallel with the base electrode so that it is at Applying a voltage between the base electrode and the The armature electrode is completely flat perpendicular to the electrode plane applies to the base electrode, at least a portion of the Bearing tapes is provided with the piezo layer.

Das Ankerkontaktstück bzw. die Ankerkontaktstücke können als Brückenkontaktstücke jeweils mit einem Paar von Basiskon taktstücken zusammenarbeiten. In diesem Fall benötigt der An ker neben der Zuleitung der Ankerelektrode keine eigene Stromzuführung. Es ist aber auch möglich, das Ankerkon taktstück bzw. die Ankerkontaktstücke jeweils mit einer eige nen flexiblen Stromzuführung zu versehen. Diese kann über ei nes der Lagerbänder verlaufen oder aber auf einem eigenen Stromzuführungsband gebildet sein. Lagerbänder und Stromzu führungsbänder werden zweckmäßigerweise durch Schichtabtra gung und Freilegung ebenso wie der Anker aus einem einstücki gen Substrat gebildet. Hierfür kommt Silizium oder ein ver gleichbares Material mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften in Betracht.The armature contact piece or the armature contact pieces can be used as Bridge contact pieces each with a pair of base cones work together. In this case the operator needs ker besides the lead of the armature electrode no own Power supply. But it is also possible to use the anchor cone clock piece or the anchor contact pieces each with its own to provide a flexible power supply. This can be done via ei Nes of the bearing tapes run or on their own Power supply belt may be formed. Bearing belts and power supply guide tapes are expediently by layer abtra Exposure and exposure as well as the one-piece anchor gene formed substrate. For this comes silicon or a ver similar material with similar mechanical properties into consideration.

Generell bildet der Anker mit dem Basissubstrat einen oder auch mehrere Schließerkontakte. Es ist aber auch möglich, ei nen Öffner- bzw. einen Umschaltkontakt zu bilden. Zu diesem Zweck wird auf dem Ankersubstrat dem Basissubstrat gegenüber liegend ein zusätzliches Deckelsubstrat angeordnet, welches mindestens ein Ruhekontaktstück trägt, an welchem jeweils ein Ankerkontaktstück im Ruhezustand unter Vorspannung anliegt.In general, the anchor forms a or with the base substrate also several NO contacts. But it is also possible to to form a normally closed or a changeover contact. To this Purpose is opposed to the base substrate on the armature substrate an additional lid substrate arranged horizontally, which carries at least one normally closed contact piece, one on each The anchor contact piece is in the idle state under pre-tension.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der Anker in Form einer die Ankerelektrode und die Piezoschicht tragen den Zunge einseitig mit einem Ankersubstrat schwenkbar ver bunden. Bei diesem Relais wird mit einem mehr oder weniger keilförmigen Luftspalt zwischen Anker und Basis von Beginn an eine relativ hohe elektrostatische Anzugskraft erzeugt, die jedoch durch Überlagerung mit der piezoelektrischen Kraft noch verbessert wird. Vorzugsweise ist dabei die Basiselek trode auf einem schräg geätzten Abschnitt des Basissubstrats angeordnet, derart, daß die Ankerelektrode mit ihr im Ruhezu stand den erwähnten keilförmigen Luftspalt bildet und sich im Erregungszustand annähernd parallel an sie anlegt. Da hierbei nach dem Anziehen des Ankers zwischen den Elektroden, abgese hen von den notwendigen dünnen Isolierschichten, keinerlei Luftspalt verbleibt, lassen sich verhältnismäßig hohe Kon taktkräfte gewinnen.In another advantageous embodiment, the anchor is in the form of the anchor electrode and the piezo layer the tongue can be swiveled on one side with an anchor substrate bound. This relay comes with a more or less wedge-shaped air gap between anchor and base from the start generates a relatively high electrostatic attraction that however, by superposition with the piezoelectric force is still improved. The base electrode is preferred trode on an obliquely etched section of the base substrate arranged such that the anchor electrode with it at rest stood the aforementioned wedge-shaped air gap and forms in Excitation state applies almost parallel to them. Because here after tightening the anchor between the electrodes of the necessary thin insulating layers, none at all Air gap remains, relatively high Kon gain tactics.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt The invention is based on exemplary embodiments hand of the drawing explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine Anordnung mit Basis-, Anker- und Deckelsubstrat zur Bildung eines Umschaltrelais mit elektrostatischem und piezoelektrischem Antrieb, Fig. 1 shows an arrangement having base, anchor and the cover substrate to form a change-over relay with electrostatic and piezo-electric drive,

Fig. 2a bis 2e die verschiedenen Herstellphasen eines Relais nach Fig. 1 anhand einer Schnittdarstellung, FIGS. 2a to 2e, the various production phases of a relay of FIG. 1 with reference to a sectional view,

Fig. 3 und 4 zwei abgewandelte Ankerausführungsformen, FIGS. 3 and 4 show two modified forms Anke version,

Fig. 5 eine schematische Ansteuerschaltung für ein Hybridre lais, Figure 5 relays. A schematic drive circuit for a Hybridre,

Fig. 6 ein schematisiertes Kräftediagramm für ein Hybridre lais, Figure 6 relays. Forces a schematic diagram for a Hybridre,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines Hybridrelais mit einem zungenförmigen, einseitig gelagerten Anker und Fig. 7 shows a further embodiment of a hybrid relay with a tongue-shaped, one-sided armature and

Fig. 8 eine vergrößert dargestellte, nicht maßstäbliche Schnittdarstellung der Schichten im Anker- und Basissubstrat eines Relais gemäß Fig. 7. Fig. 8 is an enlarged illustrated, not to scale, sectional view of the layers in the armature and the base substrate of a relay according to Fig. 7.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Wechslerkontaktsystem mit Hy bridantrieb in perspektivischer Darstellung der Einzelteile. Fig. 1 shows schematically a changeover contact system with hybrid drive in a perspective view of the individual parts.

Es besteht aus einem Basissubstrat 1, einem Ankersubstrat 2 und einem Deckelsubstrat 3. Das Basissubstrat 1 besitzt eine Basiselektrode 11 mit einer Anschlußbahn 11a sowie ein Basis kontaktstück 12 mit einer Anschlußbahn 12a.It consists of a base substrate 1 , an armature substrate 2 and a cover substrate 3 . The base substrate 1 has a base electrode 11 with a connection path 11 a and a base contact piece 12 with a connection path 12 a.

Das Ankersubstrat 2 ist rahmenförmig ausgebildet und besitzt in der Mitte einen freigeätzten plattenförmigen Anker 21, der über Lagerbänder 22 einstückig mit dem Substrat 2 verbunden ist. Die Lagerbänder 22 sind in diesem Fall parallel zu den Seitenwänden des Ankers bzw. des Substrats angeordnet, so daß sie eine möglichst große Länge aufweisen. Der Anker besitzt eine Ankerelektrode 23 in Form einer nicht weiter sichtbaren leitenden Schicht. Außerdem ist mittig im Anker eine Kontakt platte 24 über Haltestege 25 aufgehängt. Die Kontaktplatte 24 besitzt ein nach beiden Seiten überstehendes Wechslerkon taktstück 26. Dieses Kontaktstück 26 ist über eine nicht dar gestellte Leiterbahn mit einem Anschluß zum Lastkreis verbun den. Es wäre aber auch möglich, am Anker eine Kontaktbrücke vorzusehen, die dann mit jeweils zwei Kontaktstücken am Ba sissubstrat bzw. am Deckelsubstrat zusammenarbeiten würde.The armature substrate 2 is designed in the form of a frame and has in the middle a plate-shaped armature 21 which is etched free and which is connected in one piece to the substrate 2 by means of bearing strips 22 . The bearing strips 22 are arranged in this case parallel to the side walls of the armature or the substrate, so that they have the greatest possible length. The armature has an armature electrode 23 in the form of a conductive layer which is not further visible. In addition, a contact plate 24 is suspended in the middle of the anchor via holding webs 25 . The contact plate 24 has a protruding contact piece protruding on both sides 26th This contact piece 26 is connected via a conductor path, not shown, with a connection to the load circuit. But it would also be possible to provide a contact bridge on the armature, which would then cooperate with two contact pieces on the base substrate or on the cover substrate.

Zusätzlich sind auf den Lagerbändern 22 jeweils Piezoschich ten 27 angeordnet, die gemeinsam mit den Lagerbändern 22 als Biegewandler wirken. Bei Anlegen einer entsprechenden Span nung krümmen sich also die aus den Piezoschichten 27 und den Lagerbändern 22 bestehenden Biegewandler in der Weise, daß der Anker 21 in Richtung auf das Basissubstrat 1 abgesenkt wird. Damit wird die elektrostatische Anziehung zwischen der Basiselektrode 11 und der Ankerelektrode 23 unterstützt und ergänzt. In Fig. 1 sind die Anschlüsse für die Ankerelektro de, für das Ankerkontaktstück sowie für die Piezowandler nicht gezeigt. Sie werden in üblicher Weise als Leiterbahnen auf dem Substrat erzeugt.In addition, each on the bearing strips 22 Piezoschich th 27 are arranged, which act together with the bearing strips 22 as a bending transducer. When applying an appropriate clamping voltage, therefore, the group consisting of the piezoelectric layers 27 and the storage line 22 bending transducer that the anchor is lowered toward the base substrate 1 21 curving in such a manner. This supports and supplements the electrostatic attraction between the base electrode 11 and the armature electrode 23 . In Fig. 1, the connections for the Ankerelektro de, for the armature contact piece and for the piezo transducer are not shown. They are produced in the usual way as conductor tracks on the substrate.

Die beiden Substrate 1 und 2 von Fig. 1 könnten für sich be reits ein Relais mit Schließerkontakt bilden. Im vorliegenden Beispiel ist allerdings ein Wechslerkontakt dadurch gebildet, daß zusätzlich ein Deckelsubstrat 3 aufgesetzt wird. Dieses Deckelsubstrat ist im wesentlichen wie das Substrat 1 gestal tet. Es besitzt im Mittelbereich eine Deckelelektrode 31, wo bei diese jedoch für die Funktion des Relais nicht unbedingt erforderlich wäre. Außerdem ist mittig ein Deckelkontaktstück 32 mit einem entsprechenden Anschluß 32a vorgesehen; auch ein Anschluß 31a für die Deckelelektrode ist gezeigt. Rings um die Elektrode ist außerdem eine Nut 33 eingeformt, die die Beweglichkeit der Lagerbänder 22 mit den Piezoschichten 27 gewährleistet. The two substrates 1 and 2 of FIG. 1 could already form a relay with normally open contact. In the present example, however, a changeover contact is formed by additionally placing a cover substrate 3 . This lid substrate is substantially like the substrate 1 gestal tet. It has a lid electrode 31 in the middle area, where this would not be absolutely necessary for the function of the relay. In addition, a cover contact piece 32 is provided in the center with a corresponding connection 32 a; also a connection 31 a for the cover electrode is shown. A groove 33 is also formed around the electrode, which ensures the mobility of the bearing strips 22 with the piezo layers 27 .

Die drei Substrate 1, 2 und 3 werden aufeinandergefügt, wie anhand von Fig. 2 noch näher gezeigt werden wird. Durch das Fügen der drei Substrate entsteht bereits ein Relais mit dichtem Gehäuse, das einen Umschaltkontakt beinhaltet. In der Ruhestellung wird das Kontaktstück 26 von den elastischen Haltestegen 25 gegen das erhabene Kontaktstück 32 des Deckel substrates 3 gedrückt. Dadurch wird ein Ruhestromkreis ge schlossen.The three substrates 1 , 2 and 3 are joined together, as will be shown in more detail with reference to FIG. 2. By joining the three substrates, a relay with a sealed housing is already created, which contains a changeover contact. In the rest position, the contact piece 26 is pressed by the elastic holding webs 25 against the raised contact piece 32 of the lid substrate 3 . This closes a closed circuit.

Bei Erregung des Relais wird eine Spannung einerseits zwi schen der Basiselektrode 11 und der Ankerelektrode 21, ande rerseits auch an die Piezoschichten 27, angelegt. Dadurch wird der Anker 21 sowohl durch die elektrostatische Anzie hungskraft als auch durch den piezoelektrischen Biegewandler in Richtung auf die Basiselektrode 1 abgesenkt. Der Absenkbe wegung der Ankerplatte 21 ist aufgrund der Durchbiegung der Lagerbänder 22 eine leichte Drehbewegung überlagert, die zu einem Reiben der Kontaktflächen führt. Dadurch werden die Kontaktoberflächen gereinigt.When the relay is energized, a voltage is applied on the one hand between the base electrode 11 and the armature electrode 21 , and on the other hand also to the piezo layers 27 . As a result, the armature 21 is lowered both by the electrostatic attraction force and by the piezoelectric bending transducer in the direction of the base electrode 1 . The Absenkbe movement of the anchor plate 21 is due to the deflection of the bearing strips 22, a slight rotary movement superimposed, which leads to rubbing of the contact surfaces. This cleans the contact surfaces.

Auf dem Weg des Ankers von der Ruheposition zur Arbeitsposi tion wird die vom Piezobimorph ausgeübte Kraft zunehmend kleiner, während die elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden größer wird und in der Arbeitsposition über die vom Piezoantrieb erzeugte Kraft dominiert. Nach Abschalten der Antriebsspannung wird der Anker durch die rücktreibende Federkraft der elastischen Lagerbänder 22 in seine Ruheposi tion zurückgestellt. Im vorliegenden Fall kann das Rückfallen durch einen zweiten elektrostatischen Antrieb unter Verwen dung der Deckelelektrode 31 unterstützt werden. In diesem Fall wird also eine Spannung zwischen dem Anker 21 bzw. der Ankerelektrode 23 und der Deckelelektrode 31 angelegt.On the way of the armature from the rest position to the working position, the force exerted by the piezo bimorph becomes increasingly smaller, while the electrostatic force between the electrodes increases and dominates in the working position via the force generated by the piezo drive. After switching off the drive voltage, the armature is reset by the restoring spring force of the elastic bearing strips 22 in its rest position. In the present case, the relapse can be supported by a second electrostatic drive using the cover electrode 31 . In this case, a voltage is therefore applied between the armature 21 or the armature electrode 23 and the cover electrode 31 .

Im folgenden soll ein mögliches Herstellungsverfahren für das Relais gemäß Fig. 1 anhand der Fig. 2a bis 2e beschrieben werden. Dabei zeigen die Fig. 2a bis 2d jeweils einen Schnitt II-II durch das Ankersubstrat 2 in Fig. 1, während Fig. 2e einen Schnitt durch die gleiche Ebene II-II nach Aufsetzen des Basissubstrats und des Deckelsubstrats zeigt.A possible manufacturing method for the relay according to FIG. 1 will be described below with reference to FIGS. 2a to 2e. In this case 2a 1 Figs. To 2d each show a section II-II through the armature substrate 2 in FIG., While Figure 2e shows. A section through the same plane II-II after fitting of the base substrate and the lid substrate.

In Fig. 2a ist also ein Schnitt durch das Ankersubstrat 2 gezeigt. Es handelt sich dabei um einen Silizium-Wafer von beispielsweise 250 µm Dicke. Die Unterseite des Substrats wird zunächst mit einer Ätzmaske 201 versehen; dies dient als Vorbereitung für die spätere Freilegung des Ankers durch an isotropes Ätzen. Dann werden auf der Oberseite des Substrats 2 die Flächen für die Lagerbänder 22, für den Anker 21, für die Haltestege 25 und die Kontaktplatte 24 mit Bor in sehr hoher Konzentration (< 5×10¹⁹ cm ^-3) dotiert. Diese hoch bordotierte Schicht 202 wird beim nachfolgenden Ätzen, bei spielsweise mit KOH oder Ethylendiamin als Ätzlösung oder beim elektrochemischen Ätzen mit KOH nicht angegriffen. Für den Anker dient diese hochdotierte Schicht gleichzeitig als Elektrode. Im Bereich der späteren Kontaktplatte 24 wird eine (oder mehrere) nicht mit Bor dotierte Stelle 203 vorgesehen. Diese Stelle 203 wird später weggeätzt und bildet dann ein Loch für das Kontaktstück 26 in der Kontaktplatte 24.A section through the armature substrate 2 is therefore shown in FIG. 2a. It is a silicon wafer, for example 250 µm thick. The underside of the substrate is first provided with an etching mask 201 ; this serves as preparation for the later exposure of the anchor by means of isotropic etching. Then the surfaces for the bearing strips 22 , for the armature 21 , for the holding webs 25 and the contact plate 24 are doped with boron in a very high concentration (<5 × 10 ¹⁹ cm ^-3 ) on the upper side of the substrate 2 . This highly boron-doped layer 202 is not attacked during the subsequent etching, for example with KOH or ethylenediamine as the etching solution or during electrochemical etching with KOH. This highly doped layer also serves as an electrode for the anchor. In the area of the subsequent contact plate 24 , one (or more) point 203 not doped with boron is provided. This point 203 is later etched away and then forms a hole for the contact piece 26 in the contact plate 24 .

Die bordotierten Stellen 202 des Substrats werden mit einer SiO₂-Schicht 204 versehen. An den nicht bordotierten Stellen 205 der späteren Kontaktplatte überragt die SiO₂-Schicht die bordotierte Fläche zur Mitte hin und überdeckt damit teil weise die Stelle des späteren Loches 203.The boron-doped sites 202 of the substrate are provided with an SiO ₂ layer 204 . At the non-boron-doped locations 205 of the later contact plate, the SiO ₂ layer projects beyond the boron-doped surface towards the center and thus partially covers the location of the later hole 203 .

Im Bereich der Lagerbänder und im Randbereich der nicht bor dotierten Stelle 203 der späteren Kontaktplatte wird auf der SiO₂-Schicht eine elektrisch leitfähige Schicht 206 abge schieden. Sie dient später im Bereich der Lagerbänder als un tere Elektrode für das Piezoelektrikum, im Bereich der Kon taktplatte als Galvanikstartschicht für den Aufbau des Wechs lerkontaktes.In the area of the bearing strips and in the edge area of the non-boron-doped point 203 of the subsequent contact plate, an electrically conductive layer 206 is deposited on the SiO ₂ layer. It later serves in the area of the bearing belts as a lower electrode for the piezoelectric, in the area of the contact plate as an electroplating start layer for the construction of the changer contact.

Gegebenenfalls kann vor dem Abscheiden der elektrisch leitfä higen Schicht 206 eine geeignete, an sich bekannte, Zwischen schicht zur Haftvermittlung und/oder als Diffusionssperr schicht abgeschieden werden (z. B. Gold mit Zwischenschicht Titan-Wolfram).If necessary, a suitable, known, intermediate layer for promoting adhesion and / or as a diffusion barrier layer can be deposited before the deposition of the electrically conductive layer 206 (eg gold with an intermediate layer of titanium-tungsten).

Wie in Fig. 2a weiter gezeigt ist, wird im Bereich der La gerbänder auf der elektrisch leitfähigen Schicht 206 ein pie zoelektrisches Material 207 abgeschieden, z. B. durch Auf sputtern von ZnO oder durch einen Sol-Gel-Prozeß für PZT. Das Piezoelektrikum überragt die darunterliegende Elektrode 206 lateral. Damit wird später ein Kurzschluß der beiden Elektro den für den Piezowandler verhindert.As further shown in Fig. 2a, a pie zoelectric material 207 is deposited in the region of the storage tapes on the electrically conductive layer 206 , for. B. by sputtering on ZnO or by a sol-gel process for PZT. The piezoelectric laterally projects beyond the electrode 206 underneath. This will later prevent a short circuit of the two electrodes for the piezo transducer.

Auf der Oberseite des Piezoelektrikums 207 wird eine weitere elektrische leitfähige Schicht 208 als zweite Elektrode für den Piezowandler abgeschieden (siehe Fig. 2b). Die laterale Ausdehnung dieser zweiten Elektrodenschicht 208 ist geringer als die laterale Ausdehnung des Piezoelektrikums 207. Darüber wird eine Schicht 209 aus ätzbeständigem Material, z. B. SiO₂ abgeschieden.A further electrically conductive layer 208 is deposited on the top of the piezoelectric 207 as a second electrode for the piezo converter (see FIG. 2b). The lateral extent of this second electrode layer 208 is less than the lateral extent of the piezoelectric 207 . A layer 209 of etch-resistant material, e.g. B. SiO ₂ deposited.

Gemäß Fig. 2c wird das Substrat in einer selektiv und an isotrop ätzenden Flüssigkeit. z. B. KOH, von beiden Seiten soweit geätzt, bis der Anker 21, die Lagerbänder 22, die Hal testege 25 und die Kontaktplatte 24 völlig freiliegen. Da der Schnitt II-II durch die Haltestege 25 geführt ist, sind in Fig. 2 Anker und Kontaktplatte als durchgehende Schichten zu sehen. Anschließend wird das Substrat ohne Maske von der Rückseite aus mit SiO₂ beschichtet. Diese SiO₂-Schicht 209 kann beispielsweise durch Sputtern erzeugt werden.Referring to FIG. 2c, the substrate in an etching selectively and isotropic liquid. e.g. B. KOH, etched from both sides until the armature 21 , the bearing strips 22 , the Hal test strips 25 and the contact plate 24 are completely exposed. Since the section II-II is guided through the holding webs 25 , the armature and contact plate can be seen in FIG. 2 as continuous layers. The substrate is then coated with SiO ₂ from the rear without a mask. This SiO ₂ layer 209 can be produced, for example, by sputtering.

Auf den jetzt freiliegenden, metallisierten Flächen der Kon taktplatte 24 wird galvanisch ein Kontaktmaterial 210, z. B. Gold, abgeschieden. Die aufwachsende Galvanik dringt durch die beim Ätzen entstandenen Löcher 203 zur Rückseite des Substrats hindurch und bildet dort ebenso wie auf der Ober seite einen Teil des elektrischen Kontaktstückes 26 (Fig. 2d). On the now exposed, metallized surfaces of the contact plate 24 is galvanically a contact material 210 , z. B. Gold, deposited. The growing electroplating penetrates through the holes 203 formed during the etching to the rear of the substrate and forms a part of the electrical contact piece 26 there as well as on the upper side ( FIG. 2d).

Für die Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Deckelsubstrats wird auf einem Silizium-Wafer anisotrop ein ringförmiger Gra ben zur Erzeugung der Nut 33 geätzt. Die auf der Innenseite des Grabens liegenden konvexen Ecken werden dabei mit an sich bekannter Technik durch Maskenvorhalte vor einem Wegätzen ge schützt.For the production of the lid substrate shown in FIG. 1, an annular gra is etched anisotropically on a silicon wafer to produce the groove 33 . The convex corners lying on the inside of the trench are protected from etching away by mask provisions using technology known per se.

Auf dem Substrat 3 wird eine fotolithografisch strukturierte, elektrisch leitfähige Schicht abgeschieden. Ein Teil dieser Schicht dient als die Deckelelektrode 31 für einen elektro statischen Antrieb, der davon isolierte Teil dient als Lei terbahn 32a zum Kontaktstück 32 sowie als Galvanikstart schicht für dieses Kontaktstück. Da das galvanisch abgeschie dene Kontaktstück die Oberfläche des Deckelsubstrats über ragt, entsteht der Kontaktdruck des Ruhekontaktes. Über der leitfähigen Schicht wird mit Ausnahme des Bereiches, an dem später das Kontaktstück 32 gebildet wird, eine elektrisch isolierende Schicht, z. B. SiO₂, abgeschieden. An dem durch die elektrisch isolierende Schicht nicht abgedeckten Bereich der leitfähigen Schicht wird galvanisch ein Kontaktmaterial, z. B. Gold, abgeschieden. Auf diese Weise wird das Kontakt stück 32 oder es werden bei einer anderen Konfiguration auch mehrere Kontaktstücke, gebildet.A photolithographically structured, electrically conductive layer is deposited on the substrate 3 . Part of this layer serves as the cover electrode 31 for an electrostatic drive, the part isolated therefrom serves as a conductor track 32 a to the contact piece 32 and as a galvanic start layer for this contact piece. Since the galvanically separated contact piece projects beyond the surface of the cover substrate, the contact pressure of the normally closed contact is created. With the exception of the area where the contact piece 32 is later formed, an electrically insulating layer, e.g. B. SiO ₂ deposited. At the area of the conductive layer not covered by the electrically insulating layer, a contact material, e.g. B. Gold, deposited. In this way, the contact piece 32 or several contact pieces are formed in another configuration.

Das Basissubstrat 1 wird in gleicher Weise wie das Deckel substrat 3 gebildet, wobei jedoch das Herausätzen der ring förmigen Grube entfällt. Auf dem Basissubstrat kann auch mit tig ein Podest vorgesehen werden, durch das die Elektroden fläche 11 mitsamt dem Kontaktstück 12 näher an die Ruheposi tion des Ankers herangebracht wird. Dadurch würde der zu überwindende Schalthub verringert. Ein solches Podest könnte man durch anisotropes Ätzen erzeugen.The base substrate 1 is formed in the same way as the cover substrate 3 , but the etching out of the ring-shaped pit is omitted. On the base substrate, a platform can also be provided with tig, through which the electrode surface 11 together with the contact piece 12 is brought closer to the rest position of the armature. This would reduce the switching stroke to be overcome. Such a platform could be created by anisotropic etching.

Gemäß Fig. 2e werden auf das Ankersubstrat 2 von unten das Basissubstrat 1 und von oben das Deckelsubstrat 3 mit an sich bekannter Verbindungstechnik, z. B. durch anodisches Bonden, gefügt. Wie in Fig. 2e zu sehen ist, liegt das Ankerkon taktstück 26 an dem Deckelkontaktstück 32 an, wodurch der An ker leicht nach unten durchgedrückt und die Lagerbänder 22 leicht ausgelenkt werden.According to FIG. 2e, the base substrate 1 and the cover substrate 3 from above are connected to the armature substrate 2 with connection technology known per se, for. B. by anodic bonding. As can be seen in Fig. 2e, the anchor con tact piece 26 rests on the cover contact piece 32 , whereby the ker is pushed down slightly and the bearing strips 22 are easily deflected.

Je nach gewünschter Kontaktfiguration können entweder ein oder mehrere Brückenkontakte vorgesehen werden ,wobei auf den feststehenden Substraten 1 und 3 jeweils Kontaktelemente paarweise angeordnet sind, die durch Kontaktbrücken des An kers ohne eigenen Anschluß überbrückt werden. Besitzt jedoch der Anker ein Kontaktstück mit eigenem Anschluß, so kann die ser Anschluß auf unterschiedliche Weise bewerkstelligt wer den. Beispielsweise kann eine Anschlußleiterbahn als iso lierte elektrische Schicht auf einem Lagerband unterhalb der Piezoelektrode geführt werden. Es ist aber auch möglich, eine Leiterbahn 26a auf einer zusätzlichen Ankerfeder 28 herauszu führen, die dann keinen Piezobimorph trägt. Eine solche Ge staltung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt.Depending on the desired contact configuration, either one or more bridge contacts can be provided, contact elements being arranged in pairs on the fixed substrates 1 and 3 , which are bridged by contact bridges of the core without their own connection. However, if the anchor has a contact piece with its own connection, this connection can be accomplished in different ways. For example, a connecting conductor can be guided as an isolated electrical layer on a bearing strip below the piezo electrode. But it is also possible to lead out a conductor track 26 a on an additional armature spring 28 , which then does not carry a piezobimorph. Such a design is shown schematically in FIG. 3.

In einer anderen Ausgestaltung gemäß Fig. 4 könnte aber auch eine Leiterbahn 26a auf einem der vier Lagerbänder des Ankers angeordnet werden. In diesem Fall wären also drei Lagerbänder 22 jeweils mit einer Piezoschicht 27 versehen, während auf dem vierten Lagerband 29 die Leiterbahn 26a geführt würde.In another embodiment according to FIG. 4, however, a conductor track 26 a could also be arranged on one of the four bearing strips of the armature. In this case, three bearing strips 22 would each be provided with a piezo layer 27 , while the conductor track 26 a would be guided on the fourth bearing strip 29 .

Fig. 5 zeigt eine einfache Schaltung für einen Hybridantrieb gemäß Fig. 2. Dabei liegt eine Basiselektrode 11 parallel zu einer Ankerelektrode 23, welche plattenförmig einander gegen überstehen und bei Anlegung einer Spannung von der Spannungs quelle 40 als elektrostatischer Antrieb dienen. Parallel zu diesem elektrostatischen Antrieb liegt ein Piezowandler 41 mit seinen Elektroden 42 und 43, wobei die Elektrode 43 von der gleichen Schicht wie die Elektrode 23 gebildet sein kann. Über den Schalter 44 können der elektrostatische Antrieb mit den Elektroden 11 und 23 sowie der Piezoantrieb mit den Elek troden 42 und 43 parallel an die Spannungsquelle 40 angelegt werden. Dabei sprechen beide Antriebe gleichzeitig an und überlagern ihre Kräfte zum Schließen des jeweiligen Kontak tes. Fig. 5 shows a simple circuit for a hybrid drive according to FIG. 2. Here, a base electrode 11 is parallel to an armature electrode 23 , which are plate-shaped against each other and serve as an electrostatic drive when a voltage from the voltage source 40 is applied. Parallel to this electrostatic drive is a piezo converter 41 with its electrodes 42 and 43 , the electrode 43 being able to be formed from the same layer as the electrode 23 . Via the switch 44 , the electrostatic drive with the electrodes 11 and 23 and the piezo drive with the electrodes 42 and 43 can be applied in parallel to the voltage source 40 . Both drives respond simultaneously and overlap their forces to close the respective contact.

Die Charakteristik der beiden Antriebe ist schematisch in Fig. 6 gezeigt. Über einer Achse für den Ankerabstand s ist die Kraft F aufgetragen. Im Ruhezustand, wenn der Ankerab stand den Wert a besitzt, ist die mit f1 bezeichnete elektro statische Kraft verhältnismäßig gering; sie steigt mit zuneh mender Annäherung des Ankers an die Basiselektrode an und er reicht einen hohen Wert, wenn der Abstand s gegen 0 geht. Die piezoelektrische Anziehungskraft, mit f2 bezeichnet, ist am größten am Anfang der Ankerbewegung, also bei großem Ankerab stand. Sie wird mit zunehmender Auslenkung des Biegewandlers zur Basiselektrode hin kleiner. Somit kompensiert die pie zoelektrische Kraft f2 bei dem großen Ankerabstand a den ge ringen Wert von f1, während die elektrostatische Kraft f1 nach dem Schließen des Ankers den kleinen Wert der piezoelek trischen Kraft f2 kompensiert. Es entsteht dabei ein Gesamt verlauf der Kräfte f3, der über den gesamten Wegverlauf die entgegenwirkende Federkraft f4 der elastischen Lagerbänder zu überwinden und bei geschlossenem Anker eine große Kontakt kraft zu erzeugen vermag. Der zusätzliche Anstieg der Feder kraft nach dem Schließen des Kontakts (durch Deformation der Haltestege 25) ist in Fig. 6 nicht eigens berücksichtigt.The characteristic of the two drives is shown schematically in FIG. 6. The force F is plotted over an axis for the anchor spacing s. In the idle state, when the Ankerab stood the value a, the electrostatic force designated with f1 is relatively low; it increases with increasing proximity of the armature to the base electrode and it is high if the distance s approaches 0. The piezoelectric attraction, denoted by f2, is greatest at the beginning of the armature movement, i.e. when the armature was large. It becomes smaller with increasing deflection of the bending transducer towards the base electrode. Thus, the piezoelectric force f2 at the large armature distance a compensates for the low value of f1, while the electrostatic force f1 after the armature closes compensates for the small value of the piezoelectric force f2. This creates an overall course of the forces f3, which can overcome the counteracting spring force f4 of the elastic bearing strips over the entire path and can generate a large contact force when the armature is closed. The additional increase in the spring force after the contact closes (due to deformation of the holding webs 25 ) is not specifically taken into account in FIG. 6.

In Fig. 7 ist schematisch (ohne Berücksichtigung der wahren Größenverhältnisse) eine weitere Ausführungsform eines mikro mechanischen Hybridrelais dargestellt, wobei die tatsächli chen Größenverhältnisse zugunsten der Anschaulichkeit ver nachlässigt werden. Dabei ist ein Basissubstrat 51 vorgese hen, welches beispielsweise aus Silizium, vorzugsweise jedoch auch aus Pyrex-Glas, bestehen kann. Auf diesem Basissubstrat 51 ist ein Ankersubstrat 52 angeordnet und befestigt, das vorzugsweise aus Silizium bestehen kann. In diesem Anker substrat 52 ist ein zungenförmiger Anker 53 als freigeätzter Oberflächenbereich ausgebildet. Das Basissubstrat 51 und das Ankersubstrat 52 sind mit freigeätzten Bereichen an ihren Rändern so verbunden, daß der Anker 53 in einem geschlossenen Kontaktraum 54 liegt.In Fig. 7, another embodiment of a micro-mechanical hybrid relay is shown schematically (without taking into account the true size relationships), the actual size relationships being neglected in favor of clarity. In this case, a base substrate 51 is provided which, for example, can consist of silicon, but preferably also of Pyrex glass. An armature substrate 52 , which can preferably consist of silicon, is arranged and fastened on this base substrate 51 . In this anchor substrate 52 , a tongue-shaped anchor 53 is formed as a surface area etched free. The base substrate 51 and the armature substrate 52 are connected to etched areas at their edges in such a way that the armature 53 lies in a closed contact space 54 .

Der Anker besitzt an seinem freien Ende ein Ankerkontaktstück 55, das mit einem feststehenden Gegenkontaktelement 56 des Basissubstrats zusammenwirkt. Weiterhin ist auf dem Anker an seinem der Basis zugewandten Oberflächenbereich eine Anker elektrode 57 in Form einer Metallschicht angeordnet, die ih rerseits einer Basiselektrode 58 des Basissubstrats gegen übersteht. Diese beiden Elektroden 57 und 58 bilden einen elektrostatischen Antrieb für das Relais. Die Basiselektrode 58 ist dabei auf einem abgeschrägten Abschnitt 59 des Basis substrats angeordnet, so daß die Ankerelektrode 57 im angezo genen Zustand des Ankers - wie in Fig. 7 dargestellt - durchgehend parallel auf der Basiselektrode 58 aufliegt.At its free end, the armature has an armature contact piece 55 , which cooperates with a fixed mating contact element 56 of the base substrate. Furthermore, an armature electrode 57 in the form of a metal layer is arranged on the armature on its surface area facing the base, which in turn protrudes from a base electrode 58 of the base substrate. These two electrodes 57 and 58 form an electrostatic drive for the relay. The base electrode 58 is arranged on a bevelled portion 59 of the base substrate, so that the armature electrode 57 in the tightened state of the armature - as shown in FIG. 7 - rests continuously on the base electrode 58 in parallel.

Zusätzlich besitzt der Anker 53 einen piezoelektrischen An trieb in Form einer Piezoschicht 60, welche als Biegewandler arbeitet und vor allem zu Beginn der Ankerbewegung die not wendige Anzugskraft für den Anker aufbringt.In addition, the armature 53 has a piezoelectric drive in the form of a piezo layer 60 , which works as a bending transducer and, above all at the beginning of the armature movement, applies the necessary tightening force for the armature.

Obwohl in Fig. 7 nur andeutungsweise mit 64 dargestellt, müssen natürlich elektrische Zuleitungen zu den Kontakt stücken 55 und 56 sowie zu den Elektroden 57 und 59 und zu den nicht weiter dargestellten Elektroden des piezoelektri schen Wandlers 60 vorgesehen werden. Diese Zuleitungen werden in üblicher Schichttechnik aufgebracht, wobei natürlich ein zelne Leiterbahnen in einer Ebene nebeneinander liegen kön nen. So kann die Zuleitung zu dem beweglichen Kontaktstück 55 mit der Elektrode 57 in einer Ebene liegen und innerhalb die ser Ebene von dieser durch entsprechende Zwischenräume ge trennt sein, wie dies ähnlich in Fig. 1 gezeigt ist. Das Zungenende des Ankers 53 kann auch durch Längsschlitze bei spielsweise in drei gegeneinander bewegbare Enden aufgeteilt werden. Auf diese Weise könnte das mit dem Kontaktstück 55 versehene Zungenende sich zur Erhöhung der Kontaktkraft ela stisch durchbiegen, während die seitlichen Zungenenden mit der auf ihnen liegenden Elektrodenschicht flach auf der Ba siselektrode 58 aufliegen. Nur der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß die Isolierung von Schichten unterschiedlichen Potentials durch geeignete Isolationsschichten sichergestellt wird, obwohl diese Schichten nicht eigens dargestellt sind.Although only hinted at 64 in Fig. 7, of course, electrical leads to the contact pieces 55 and 56 and to the electrodes 57 and 59 and to the electrodes of the piezoelectric transducer 60 not shown are provided. These feed lines are applied in the usual layering technique, whereby, of course, an individual conductor tracks can lie side by side in one plane. Thus, the supply line to the movable contact piece 55 with the electrode 57 can lie in one plane and within this plane can be separated from it by corresponding gaps, as is similarly shown in FIG. 1. The tongue end of the armature 53 can also be divided into three ends that can be moved relative to one another by longitudinal slots. In this way, provided with the contact piece 55 tongue end might be to increase the contact force ela bend cally, while the lateral tongue ends with the lying on them flat on the electrode layer Ba siselektrode rest 58th For the sake of completeness, it should be mentioned that the insulation of layers of different potential is ensured by suitable insulation layers, although these layers are not shown specifically.

In Fig. 8 sind die das Relais bildenden zwei Teile vor dem Zusammenbau in etwas vergrößerter Darstellung noch einmal ge zeigt, um die Schichten etwas deutlicher hervorzuheben. Es sei jedoch betont, daß in dieser schematischen Darstellung die geometrischen Verhältnisse nicht maßstäblich den tatsäch lichen Längen und Dicken der einzelnen Schichten entsprechen. Bei der Herstellung wird aus dem Ankersubstrat 52 die den An ker 53 bildende Zunge durch selektives Ätzen freigelegt. Diese Zunge besteht also aus Silizium wie das Substrat selbst, ist jedoch durch Dotierung ätzresistent gemacht. Dar auf wird eine SiO₂-Schicht als Isolationsschicht erzeugt und auf diese wiederum wird eine Metallschicht aufgebracht, wel che beispielsweise aus Aluminium besteht und einerseits die Ankerelektrode 57, andererseits aber auch die Zuleitung für das Kontaktstück 55 und die innere Elektrode 61 für die da nach aufzubringende piezoelektrische Schicht 60 bildet. So weit die metallischen Flächen oder Leitungen gegeneinander isoliert werden müssen, erfolgt dies durch entsprechende Längsunterbrechungen. Nach der piezoelektrischen Schicht 60 wird deren äußere Elektrode 62 ebenfalls als Metallschicht aufgebracht. Am freien Ende der Zunge bzw. des Ankers 53 wird das Kontaktstück 55 galvanisch aufgebracht. Außerdem kann das vordere Ende der Zunge durch zwei Schlitze in eine Schaltfe der und zwei seitlich liegende elektrostatische Ankerelemente unterteilt sein.In Fig. 8, the two parts forming the relay are shown again before assembly in a somewhat enlarged view to highlight the layers a little more clearly. However, it should be emphasized that in this schematic representation the geometric relationships do not correspond to the actual lengths and thicknesses of the individual layers. During manufacture, the armature substrate 52 exposes the tongue forming the ker 53 by selective etching. This tongue is made of silicon like the substrate itself, but is made resistant to etching by doping. An SiO ₂ layer is produced thereon as an insulation layer and, in turn, a metal layer is applied thereon, which consists, for example, of aluminum and, on the one hand, the anchor electrode 57 , but on the other hand also the supply line for the contact piece 55 and the inner electrode 61 for there Piezoelectric layer 60 to be applied forms. As far as the metallic surfaces or lines have to be insulated from each other, this is done by appropriate longitudinal interruptions. After the piezoelectric layer 60 , its outer electrode 62 is also applied as a metal layer. At the free end of the tongue or the armature 53 , the contact piece 55 is applied galvanically. In addition, the front end of the tongue can be divided by two slots in a Schaltfe and two laterally located electrostatic anchor elements.

Die Basis wird aus einem Basissubstrat 51 ebenfalls durch Ät zen aus Silizium oder aus Pyrex-Glas hergestellt. In einem ersten Ätzschritt wird anisotrop oder isotrop eine Wanne 54a hergestellt, deren Boden parallel zur Waferoberfläche ist. In einem zweiten Ätzschritt wird dann in den Wannenboden mit ei ner an sich bekannten Technik eine keilförmige Ausnehmung zur Erzeugung der Schräge 59 geätzt, die in einem flachen Winkel gegen die Oberfläche des Substrats geneigt ist. Die Neigung ist in der Zeichnung übertrieben dargestellt. Bei einem prak tischen Beispiel liegt der Winkel in der Größenordnung von 3°. Auf die geätzte Oberflächenform wird dann eine Metall schicht zur Bildung der Basiselektrode 58 und der erforderli chen Zuleitungen erzeugt. Das Kontaktstück 56 wird galvanisch erzeugt. Außerdem wird eine Isolationsschicht 63, beispiels weise aus SiO₂, in herkömmlicher Weise aufgebracht. In einer möglichen Abwandlung kann auch die piezoelektrische Schicht 60 über die gesamte Länge der Zunge erstreckt werden. In die sem Falle würde sie als Isolationsschicht zwischen den Elek troden 57 und 58 wirken, so daß die zusätzliche Isolations schicht 63 entbehrlich wäre.The base is also produced from a base substrate 51 by etching from silicon or from Pyrex glass. In a first etching step, a trough 54 a is produced anisotropically or isotropically, the bottom of which is parallel to the wafer surface. In a second etching step, a wedge-shaped recess for generating the bevel 59 is then etched into the trough base using a technique known per se, which is inclined at a flat angle against the surface of the substrate. The inclination is exaggerated in the drawing. In a practical example, the angle is on the order of 3 °. A metal layer is then formed on the etched surface shape to form the base electrode 58 and the required leads. The contact piece 56 is generated galvanically. In addition, an insulation layer 63 , for example made of SiO ₂ , is applied in a conventional manner. In a possible modification, the piezoelectric layer 60 can also extend over the entire length of the tongue. In this case, it would act as an insulation layer between the electrodes 57 and 58 , so that the additional insulation layer 63 would be unnecessary.

Die beiden Substrate 51 und 52 werden in bekannter Weise, beispielsweise durch anodisches Bonden, zusammengefügt. Dabei werden auch die entsprechenden Zuleitungen zu den Metall schichten vorgesehen, ohne daß dies in der Figur näher darge stellt zu werden braucht.The two substrates 51 and 52 are joined together in a known manner, for example by anodic bonding. The corresponding supply lines to the metal layers are also provided without this needing to be shown in the figure Darge.

Die elektrische Beschaltung des Relais von Fig. 7 und 8 kann beispielsweise analog zu Fig. 5 erfolgen.The electrical wiring of the relay of FIGS. 7 and 8 can be done analogously to FIG. 5, for example.

Claims

1. micromechanical relay with at least one base substrate ( 1 ; 51 ), which carries a flat base electrode ( 11 ; 58 ) and at least one stationary counter-contact piece ( 12 ; 56 ),
with at least one flat armature ( 21 ; 53 ) which is elastically connected to a support ( 2 ; 52 ) on at least one side and one of the base electrodes ( 11 ; 58 ) opposite to the armature electrode ( 23 ; 57 ) and one of the mating contact piece ( 12 ; 56 ) opposite armature contact piece ( 24 , 26 ; 55 ), such that when an electrical voltage is applied between the armature electrode ( 23 ; 57 ) and the base electrode ( 11 ; 58 ), the armature is attracted to the base substrate because of characterized in that the armature ( 21 ; 53 ) is at least partially provided with a piezoelectric layer ( 27 ; 60 ) acting as a bending transducer, the bending force of which, when excited, supports the electrostatic attractive force between the base electrode and the ceramic electrode.

2. Relay according to claim 1, characterized in that the armature ( 21 ) is held in plate form within a frame-shaped core substrate ( 2 ) as a carrier via at least two elastic bearing strips ( 22 ) symmetrically parallel to the base electrode ( 11 ) and when a voltage is applied Between the base electrode ( 11 ) and the armature electrode ( 23 ), the whole surface of the base electrode is perpendicular to the electrode plane, at least part of the bearing strips ( 22 ) being provided with the piezo layer ( 27 ).

3. Relay according to claim 1 or 2, characterized in that the armature contact piece ( 24 , 26 ; 55 ) has a flexible Stromzufüh tion ( 26 a).

4. Relay according to claim 2 or 3, characterized in that the armature ( 21 ) with its bearing tapes ( 22 ) by layer removal and exposure from a one-piece substrate ( 2 ), preferably made of silicon, is formed.

5. Relay according to one of claims 2 to 4, characterized in that on the armature substrate ( 2 ) the base substrate ( 1 ) opposite a cover substrate ( 3 ) is arranged, wel ches a normally closed contact piece ( 32 ) on which the armature contact piece ( 26 ) is at rest under mechanical pretension.

6. Relay according to claim 5, characterized in that the cover substrate has an additional cover electrode, wel che with the armature electrode ( 23 ) forms an additional electrostatic drive for armature reset.

7. Relay according to one of claims 2 to 6, characterized in that the bearing tapes ( 22 ) are arranged parallel to the sides of the armature ( 21 ) between this and the frame-shaped armature substrate ( 2 ) and in each case at one end with the armature substrate ( 2 ) and are connected at the other end to the anchor ( 21 ).

8. Relay according to claim 1, characterized in that the armature ( 53 ) in the form of an armature electrode ( 57 ) and the piezo layer ( 60 ) carrying tongue on one side with an armature substrate ( 52 ) is pivotally connected.

9. Relay according to claim 8, characterized in that the base electrode ( 58 ) is arranged on an obliquely etched section of the base substrate ( 51 ) such that the armature electrode ( 57 ) forms a wedge-shaped air gap with it in the idle state and is in the excited state almost parallels them.

10. Relay according to claim 8 or 9, characterized in that the armature ( 53 ) from a three-sided exposed, un-etched surface layer of a semiconductor material, in particular silicon, existing armature substrate ( 52 ) is gebil det and that the silicon or pyrex glass formed base substrate ( 51 ) is connected to the surface of the armature substrate ( 52 ).