Entwicklung hochleistungsfähiger ohmscher MEMS-Schalter auf Basis eines neuartigen Aktorkonzeptes

Während sich Halbleiterschalter seit Erfindung des Transistors anwendungsübergreifend zum Standard für das Schalten elektrischer Signale etabliert haben, stellen neue Anwendungskonzepte immer höhere Anforderungen, die sich nicht oder nur eingeschränkt mittels elektronischer Schalter bedienen lassen. Insbesondere im Bereich der Telekommunikationstechnik liegt das Augenmerk daher schon lange auf ohmschen MEMS-Schaltern, welche konzeptbedingt u. a. überragende Sperr- sowie Durchlasseigenschaften ermöglichen. Bedingt durch Defizite, vorwiegend in den Bereichen Zuverlässigkeit, Baugröße sowie Schaltzeit, konnten MEMS-Schalter bis heute jedoch nicht ihr volles Potential ausspielen und sind lediglich in wenigen Nischenanwendungen zu finden.Im Rahmen dieser Dissertation wurden daher neuartige ohmsche MEMS-Schalter entwickelt, welche die vorherrschenden Probleme existierender Schalter in mehrerlei Hinsicht beheben. Die Grundlage bildet ein hocheffizientes Aktorkonzept, das durch einen kombinierten piezoelektrisch-elektrostatischen Antrieb sowie die gezielte Ausnutzung von mechanischen Versteifungseffekten selbst bei starker Miniaturisierung hervorragende Schaltereigenschaften ermöglicht. So verfügen die lediglich 0,05 mm² bis 0,12 mm² großen und vollständig in siliziumbasierter Oberflächenmikromechanik realisierten Schalter je nach Design über sehr geringe Durchgangswiderstände von 0,32 Ohm bis unter 0,12 Ohm. Darüber hinaus zeichnen sie sich im Sperrzustand durch hohe Kontaktabstände von 4 µm bis 9 µm aus und weisen niedrige Schaltzeiten von designabhängig 1,5 µs bis 5,6 µs auf. Ferner zeigen die Schalter selbst unter extremen Bedingungen wie dem lastbehafteten Schalten hoher DC-Signalleistungen eine hohe Zuverlässigkeit im Bereich mehrerer 1e7 bis 1e8 Zyklen. Insgesamt setzen sich die Schaltereigenschaften damit deutlich vom Stand der Technik ab und zeigen eine Gesamtleistungsfähigkeit, wie sie aktuell von keinem anderen MEMS-Schalter erreicht wird.