Tastschalter in Bulk-Mikromechanik

Abstract

Diese Arbeit beinhaltet die Entwicklung eines elektrischen Tastschalters in Silizium-Mikromechanik für Signallasten, d.h. Spannungen bis 12 V und Ströme bis 10 mA. Dieser Schalter soll herkömmliche feinwerktechnisch gefertigte Taster zu geringeren Produktionskosten ersetzen. Zur Realisierung eines kostenminimierten mikrotechnischen Elements wurden zunächst Untersuchungen hinsichtlich der minimalen physischen Dimensionen durchgeführt und erforderliche Kontaktöffnungsweite sowie Membranabmessungen bestimmt. Als geeignetes Schichtsystem für die Kontaktmetallisierung wurde AuCo0,5 auf TiW-Haftschicht und SiO2 als Diffusionssperre gefunden. Die Dicke der Metallisierung sollte wegen Kontaktabbrand und Feinwanderung zur Erzielung ausreichender Lebensdauer und Stabilität des Schaltpunkts um 1 μm betragen. Ein Prozess zur dichten vertikalen metallischen Durchkontaktierung von Glaswafern wurde entwickelt sowie ein schreibendes Verfahren zum thermisch wenig belastenden Verbinden von metallisierten Glas- und Siliziumscheiben mittels Laserschweißen. Das Ergebnis der Entwicklung sind zwei Versionen eines Membranschalters in Silizium-Glas-Technik mit einem Kontaktwiderstand um 1 Ω, Lebensdauer im Millionenbereich und Herstellungskosten unter denen eines vergleichbaren konventionellen Schaltelements.

We are reporting here on the development of a micro machined push-button switch for signal loads, i.e. voltages up to 12 V and currents up to 10 mA. This switch is to replace conventional devices in precision mechanics technology at lower production cost. Realisation of the micro switch at minimized cost required investigating and determining the minimum possible physical dimensions of key structures like the necessary contact opening distance and size of the switch membrane. As a suitable system for the contact metallisation, we found AuCo0.5 on a TiW adhesive layer and SiO2 as a diffusion barrier against silicon. Due to contact erosion and material transfer, the metallisation thickness should lie at about 1 μm in order to achieve long lifetime together with sufficient stability of the switching point. We have developed a process for tight electrical feedthroughs through glass wafers with metallic vias and also a writing laser-welding method to bond together metallised glass and silicon wafers at low thermal strain. The result of the development have been two versions of a membrane switch in glass-silicon technology with a contact resistance about 1 Ω, lifetime in the million range, and production cost below those of a comparable conventional switching device.