KR100378356B1 - MEMS Switch using RF Blocking Resistor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 RF 차단 레지스터를 이용한 MEMS 스위치에 관하여 개시한다. RF 차단 레지스터를 이용한 MEMS 스위치는, 반도체 또는 유전체 기판; 상기 기판 상에 형성되며 개회로를 형성하는 갭을 가지는 신호선; 상기 신호선과 격리되어 위치하는 RF 그라운드; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 신호선을 가운데 두고 양쪽에 위치하는 앵커들; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 신호선과 상기 앵커 사이에 위치하는 구동전극; 상기 구동전극 상에 형성된 제1결합유전체; 상기 앵커들의 상부로부터 대향되게 연장되는 유연한 빔들; 상기 결합유전체 위에서 상기 빔에 의해서 지지되며 상기 구동전극 및 상기 결합유전체와 함께 결합 캐피시턴스 구조를 형성하는 구동판들; 상기 갭 위에서 상기 구동판 사이에 위치하며 상기 신호선과 저항 커플링을 형성하는 콘택트 플레이트; 상기 구동전극과 상기 그라운드의 사이에 RF 차단을 위해 형성된 RF 차단 레지스터; 상기 기판 상에 형성된 패드와 상기 앵커 사이에 RF 차단을 위해 형성된 RF 차단부;를 구비한다. 이에 따르면, 종래의 RF MEMS 스위치에 비해 구조적으로 단순하며, 크기가 작고 공정이 단순해 집적화가 용이한 스위치의 제작이 가능하다.The present invention discloses a MEMS switch using an RF cutoff resistor. MEMS switches using RF blocking resistors include a semiconductor or dielectric substrate; A signal line formed on the substrate and having a gap forming an open circuit; An RF ground positioned isolated from the signal line; Anchors formed on the substrate and positioned at both sides of the signal line; A driving electrode formed on the substrate and positioned between the signal line and the anchor; A first coupling dielectric formed on the driving electrode; Flexible beams extending oppositely from the top of the anchors; Drive plates supported by the beam on the coupling dielectric and forming a coupling capacitance structure together with the driving electrode and the coupling dielectric; A contact plate positioned between the driving plate above the gap and forming a resistance coupling with the signal line; An RF blocking resistor formed between the driving electrode and the ground to block RF; And an RF blocking unit formed between the pad and the anchor formed on the substrate to block the RF. According to this, it is possible to manufacture a switch that is structurally simpler than the conventional RF MEMS switch, the size is small and the process is simple and easy integration.
Description
본 발명은 RF 차단 레지스터를 이용한 MEMS 스위치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신호선과 그라운드는 RF 차단 레지스터를 통해, 전압구동부는 별도의 RF 차단부를 통해 전기적으로 분리되는 MEMS 스위치에 관한 것이다.The present invention relates to a MEMS switch using an RF blocking resistor, and more particularly, to a MEMS switch in which a signal line and ground are electrically separated through an RF blocking resistor, and a voltage driver is electrically separated through a separate RF blocking unit.
MEMS 기술을 이용한 RF 소자 중 현재 가장 널리 사용되고 있는 것은 스위치이다. RF 스위치는 마이크로파나 밀리미터파를 이용하는 무선통신 시스템에서 신호의 선별 전송(signal routing)이나 임피던스 정합 회로(impedance matching networks) 등에서 많이 응용되는 소자이다.The most widely used RF device using MEMS technology is the switch. RF switches are widely used in signal routing and impedance matching networks in a wireless communication system using microwaves or millimeter waves.
기존의 MMIC (Monolithic microwave integrated circuits) 회로에서는 RF 스위치를 구현하기 위해서 주로 GaAs FET 나 혹은 PIN diode 등을 주로 이용하고 있었다. 그러나 이와 같은 소자를 이용하여 스위치를 구현하였을 경우 ON 상태에서 삽입 손실(insertion loss)이 크고, OFF 상태에서의 신호 분리 특성이 나쁜 단점이 있었다.In conventional MMIC (Monolithic microwave integrated circuits) circuits, GaAs FETs or PIN diodes are mainly used to implement RF switches. However, when the switch is implemented using such a device, an insertion loss is large in the ON state and a signal separation characteristic in the OFF state is bad.
이러한 단점을 개선하기 위하여 기계적 스위치에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔으며 특히, 최근 이동 통신 단말기 시장의 폭발적인 증가에 따라 MEMS 스위치가 더욱 요구되고 있다.In order to remedy these shortcomings, researches on mechanical switches have been actively conducted, and in particular, MEMS switches are increasingly required due to the explosion of the mobile communication terminal market.
미국 특허공보 제 5,619,061 호에 개시된 종래의 RF MEMS 스위치는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극(1)에 의해 멤브레인(2)가 구동되어 시그널 라인(3)에 닿으면, 멤브레인(2)을 통해 RF 신호가 전달되어 나간다. 이 때 RF 신호를 차단하기 위해 RF 초우크 인덕터(choke inductor: 미도시)를 사용하고 있다.The conventional RF MEMS switch disclosed in U.S. Patent No. 5,619,061, as shown in FIG. RF signal is delivered. In this case, an RF choke inductor (not shown) is used to block the RF signal.
그러나, RF 초우크 인덕터는 큰 싸이즈 때문에 스위치의 크기를 크게하고 집적화를 어렵게 하는 문제점이 있었다.However, the RF choke inductor has a problem of increasing the size of the switch and making it difficult to integrate due to the large size.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 큰 싸이즈의 RF 초우크 인덕터를 사용하는 대신에 RF 차단 레지스터를 이용한 MEMS 스위치를 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention was created to improve the above problems, and an object of the present invention is to provide a MEMS switch using an RF blocking resistor instead of using a large sized RF choke inductor.
도 1은 종래의 RF MEMS 스위치의 개략 평면도,1 is a schematic plan view of a conventional RF MEMS switch,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 스위치의 개략 평면도,2 is a schematic plan view of a MEMS switch according to an embodiment of the present invention;
도 3은 도 2의 3-3' 선을 따라 절개한 부분의 단면도,3 is a cross-sectional view of the cut portion along the line 3-3 'of FIG.
도 4는 도 2의 4-4' 선을 따라 절개한 부분의 단면도,4 is a cross-sectional view of the cut portion along the line 4-4 'of FIG.
도 5는 도 3의 5-5' 선을 따라 절개한 부분의 단면도,5 is a cross-sectional view of a portion cut along the line 5-5 ′ of FIG. 3;
도 6은 본 발명의 일 실시예의 변형예를 나타내는 단면도,6 is a cross-sectional view showing a modification of one embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 스위치의 간략 평면도.7 is a simplified plan view of a MEMS switch in accordance with another embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10: 기판 12: 신호선(signal line)10: substrate 12: signal line
13: 갭(gap) 14: RF 그라운드(ground)13: gap 14: RF ground
16: 구동전극 18: 제1결합유전체16: driving electrode 18: first bonding dielectric
20: 앵커 22: 제1빔20: anchor 22: first beam
24: 구동판 26: 제2빔24: drive plate 26: second beam
28: 콘택트 플레이트 40: RF 차단 레지스터28: contact plate 40: RF blocking resistor
42: RF 차단부 44: 패드42: RF block 44: pad
46: 전압구동부 50: 비아홀46: voltage driver 50: via hole
52: 메탈 60: 인버터52: metal 60: inverter
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 RF 차단 레지스터를 이용한 MEMS 스위치는, 반도체 또는 유전체 기판; 상기 기판 상에 형성되며 개회로를 형성하는 갭을 가지는 신호선; 상기 신호선과 격리되어 위치하는 RF 그라운드; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 신호선을 가운데 두고 양쪽에 위치하는 앵커들; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 신호선과 상기 앵커 사이에 위치하는 구동전극; 상기 구동전극 상에 형성된 제1결합유전체; 상기 앵커들의 상부로부터 대향되게 연장되는 유연한 빔들; 상기 결합유전체 위에서 상기 빔에 의해서 지지되며 상기 구동전극 및 상기 결합유전체와 함께 결합 캐피시턴스 구조를 형성하는 구동판들; 상기 갭 위에서 상기 구동판들 사이에 위치하며 상기 신호선과 저항 커플링을 형성하는 콘택트 플레이트; 상기 구동전극과 상기 그라운드의 사이에 RF 차단을 위해 형성된 RF 차단 레지스터; 상기 기판 상에 형성된 패드와 상기 앵커 사이에 RF 차단을 위해 형성된 RF 차단부;를 구비한다.MEMS switch using the RF blocking resistor of the present invention to achieve the above object, a semiconductor or dielectric substrate; A signal line formed on the substrate and having a gap forming an open circuit; An RF ground positioned isolated from the signal line; Anchors formed on the substrate and positioned at both sides of the signal line; A driving electrode formed on the substrate and positioned between the signal line and the anchor; A first coupling dielectric formed on the driving electrode; Flexible beams extending oppositely from the top of the anchors; Drive plates supported by the beam on the coupling dielectric and forming a coupling capacitance structure together with the driving electrode and the coupling dielectric; A contact plate positioned between the driving plates above the gap and forming a resistance coupling with the signal line; An RF blocking resistor formed between the driving electrode and the ground to block RF; And an RF blocking unit formed between the pad and the anchor formed on the substrate to block the RF.
상기 신호선상에 제2결합유전체가 더 형성되어 상기 콘택트 플레이트와 함께 캐패시티브 커플링을 형성할 수도 있다.A second coupling dielectric may be further formed on the signal line to form a capacitive coupling together with the contact plate.
상기 신호선은 1개의 입력 신호선과 하나 이상의 출력 신호선을 구비할 수도 있다.The signal line may include one input signal line and one or more output signal lines.
상기 RF 차단부는 상기 RF 차단 레지스터 또는 RF 차단 인턱터인 것이 바람직하다.Preferably, the RF blocking unit is the RF blocking resistor or the RF blocking inductor.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 RF 차단 레지스터를 이용한 MEMS 스위치에 따른 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment according to the MEMS switch using the RF blocking register of the present invention in detail.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 RF 차단 레지스터를 이용한 MEMS 스위치의 개략 평면도를 나타낸 것이고, 도 3 내지 도 5는 도 2의 4-4', 5-5' 및 6-6' 선을 따라 절개한 부분의 단면도이며, 도 6은 변형예를 나타내는 단면도이다.FIG. 2 is a schematic plan view of a MEMS switch using an RF cutoff resistor according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3 to 5 illustrate lines 4-4 ', 5-5', and 6-6 'of FIG. It is sectional drawing of the part cut along, and FIG. 6 is sectional drawing which shows a modification.
도면을 참조하면, 반도체 또는 유전체 기판(10) 상에는 하나의 신호선(12)과 그 양측에 제1, 제2 RF 그라운드(14a,14b)가 소정의 간격을 두고 나란히 형성되어 있다. 상기 신호선(12)은 그 사이에 소정 폭의 갭(13)을 두고 일직선상에 배치되는 두 개 부분(12a,12b)으로 분리되어 있다. 상기 신호선(12) 및 RF 그라운드(14a,14b)들의 중앙 부분을 가로지르는 임의의 직선상에 앵커(20a,20b)가 형성되어 있다. 상기 앵커(20a,20b)와 신호선(12) 사이의 갭(13) 사이에는 구동전극(16)이 형성되어 있으며, 구동전극(16) 상에는 제1결합유전체(18)가 형성되어 있다. 상기 제1결합유전체(18) 상방에는 구동판(24)이 위치하며, 상기 신호선(12)의 제1부분(12a)과 제2부분(12b)의 마주보는 내단부의 상방에는 콘택트 플레이트(28)가 위치한다. 상기 구동판(24)의 일측은 상기 앵커(20a,20b)의 상부로부터 연장된 제1빔(22)에 의해 지지되며, 구동판(24)과 콘택트 플레이트(28) 양단은 제2빔(26)에 의해 지지되어 현수되어 있다. 상기 빔들(22,26)과 구동판(24) 및 콘택트 플레이트(28)는 전기적으로 연결되며 경우에 따라서 일체적으로 형성될 수 있다. 제1앵커(20a)와 패드(30) 사이에는 RF 차단부(42)가 형성되어 있으며, 상기 구동전극(16)과 각 제1,제2그라운드(14a,14b)들의 사이에는 RF 차단 레지스터(40)가 형성되어 있다. 상기 실시예에서는 콘택트 플레이트(28)가 제2빔(26)에 의해 지지된 예를 기술하였지만, 콘택트 플레이트(28)는 구동판들(24)로부터 연장되어 일체로 형성될 수도 있다.Referring to the drawings, one signal line 12 and first and second RF grounds 14a and 14b are formed side by side at predetermined intervals on the semiconductor or dielectric substrate 10. The signal line 12 is separated into two parts 12a and 12b arranged in a straight line with a gap 13 having a predetermined width therebetween. Anchors 20a and 20b are formed on an arbitrary straight line across the central portion of the signal line 12 and the RF grounds 14a and 14b. A driving electrode 16 is formed between the anchors 20a and 20b and the gap 13 between the signal line 12, and a first coupling dielectric 18 is formed on the driving electrode 16. A driving plate 24 is positioned above the first coupling dielectric 18, and a contact plate 28 is disposed above an inner end portion of the signal line 12 that faces the first portion 12a and the second portion 12b. ) Is located. One side of the driving plate 24 is supported by the first beam 22 extending from the upper portions of the anchors 20a and 20b, and both ends of the driving plate 24 and the contact plate 28 are second beams 26. It is supported by and suspended. The beams 22 and 26 and the driving plate 24 and the contact plate 28 are electrically connected and may be integrally formed in some cases. An RF blocking unit 42 is formed between the first anchor 20a and the pad 30, and an RF blocking resistor (B) between the driving electrode 16 and each of the first and second grounds 14a and 14b. 40) is formed. In the above embodiment, the example in which the contact plate 28 is supported by the second beam 26 is described, but the contact plate 28 may be formed integrally by extending from the driving plates 24.
상기 실시예의 작용을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.The operation of the above embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
먼저, 구동전극(16), 제1결합유전체(18) 및 구동판(24)은 캐패시티브 구조를 형성하여 전압구동원(46)으로부터 풀다운(pull down) 직류 전압이 패드(44)를 통해 구동판(24)에 인가되면, 구동판(24)과 구동전극(16)간의 정전기력에 의해 제1빔(22)이 아래로 휘어져 구동판(24)이 구동전극(16)측으로 이동한다. 이러한 양쪽 구동판(24)의 하강으로 콘택트 플레이트(28)도 하강하여 신호선(12)측으로 이동하며 콘택트 플레이트(28)와 신호선(12)간에는 임피던스 변화가 일어난다. 즉, 콘택트 플레이트가 정상적인 위치에 있을 때는 임피던스가 높고 반대로 콘택트 플레이트(28)가 정전기력에 의해 신호선(12)측으로 이동하면 임피던스가 낮아지게 된다.First, the driving electrode 16, the first coupling dielectric 18, and the driving plate 24 form a capacitive structure so that a pull down DC voltage from the voltage driving source 46 is driven through the pad 44. When applied to the plate 24, the first beam 22 is bent downward by the electrostatic force between the drive plate 24 and the drive electrode 16, and the drive plate 24 moves to the drive electrode 16 side. As the two driving plates 24 descend, the contact plate 28 also descends and moves toward the signal line 12, and an impedance change occurs between the contact plate 28 and the signal line 12. That is, when the contact plate is in the normal position, the impedance is high, and conversely, when the contact plate 28 moves toward the signal line 12 by the electrostatic force, the impedance is lowered.
이러한 임피던스의 변화는 상기 신호선(12)의 제1부분(12a)과 제2부분(12b)간의 RF 신호에 대한 임피던스의 변화를 발생시킨다. 상기 RF 그라운드(14a,14b)는 상기 신호선(12)과 함께 상기 신호선(12)을 통한 RF 신호의 도파로를 제공한다.This change in impedance causes a change in impedance for the RF signal between the first portion 12a and the second portion 12b of the signal line 12. The RF grounds 14a and 14b together with the signal line 12 provide a waveguide of the RF signal through the signal line 12.
역으로 풀다운 전압이 제거되면, 유연한 빔(22)의 복원력에 의해 구동판(24) 및 콘택트 플레이트(28)는 원래의 위치로 올라가며, 제1결합 유전체(18)와 구동판(24) 사이에 공기 갭(air gap)이 형성되어 스위치는 높은 임피던스 상태가 된다.Conversely, when the pull-down voltage is removed, the driving plate 24 and the contact plate 28 are raised to their original positions by the restoring force of the flexible beam 22, and between the first coupling dielectric 18 and the driving plate 24 An air gap is formed so that the switch is in a high impedance state.
상기 구조의 신호선(12)과 콘택트 플레이트(28)는 레지스티브 결합을 이루지만, 추가로 신호선상에 제2결합유전체(미도시)를 형성하여 커패시티브 결합을 형성할 수도 있다.Although the signal line 12 and the contact plate 28 of the above structure form a resistive bond, a second coupling dielectric (not shown) may be further formed on the signal line to form a capacitive bond.
상기 RF 차단 레지스터(40)는 NiCr, Ta, Ti 등의 저항성 박막으로 구성되며, 상기 RF 차단부(42)는 상기 RF 차단 레지스터 또는 RF 차단 인턱터이다.The RF blocking resistor 40 is formed of a resistive thin film such as NiCr, Ta, Ti, and the like, and the RF blocking unit 42 is the RF blocking resistor or the RF blocking inductor.
상기 실시예에서는 RF 그라운드(14)가 기판(10)상에 형성된 것을 예시하였으나, 도 6에 도시한 바와 같이 RF그라운드(14)가 기판(10)하부에 형성되어 기판(10)을 관통하는 비아홀(50)을 채운 메탈(52)과 구동전극(16)사이가 RF 차단 레지스터(40)로 연결될 수도 있는 등 다양하게 변형된 형태로 위치할 수 있다.In the above embodiment, the RF ground 14 is formed on the substrate 10. However, as shown in FIG. 6, the RF ground 14 is formed under the substrate 10 to form a via hole penetrating the substrate 10. The metal 52 filled with the 50 and the driving electrode 16 may be positioned in various modified forms, such as being connected to the RF blocking resistor 40.
상기 실시예는 SPST(Single Pole Single Throw)를 나타낸 것으로 하나의 입력 신호선과 하나의 출력선으로 구성되나, 본 발명의 다른 실시예인 도 7에서처럼SPDT 로 두 개의 출력 신호선을 가지며, 인버터(60)에 의해 선택적으로 출력부가 택일적으로 전압이 인가되어 SPST와 같은 작용을 한다. 또한 도면으로는 나타내지 않았지만 여러개의 출력선을 갖는 SPMT(Single Pole Multi Throw)로 확장될 수도 있다.The embodiment shows a single pole single throw (SPST), which is composed of one input signal line and one output line, but has two output signal lines with SPDT as shown in FIG. 7, which is another embodiment of the present invention. Optionally, the output part is alternatively applied with voltage to act like a SPST. Although not shown in the drawings, it may be extended to a single pole multi throw (SPMT) having multiple output lines.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, RF 차단을 위해 크기가 큰 RF 초우크 인덕터 대신 차단 레지스터를 사용하기 때문에 스위치의 사이즈가 작아지고 공정이 단순해 진다. 그리고 결합 캐패시터인 결합 유전체에서 직류 차단이 가능하도록 이동판에 직류구동전압을 인가하므로, 구조적으로 별도의 직류 차단 캐패시터가 불필요하다. 따라서 본 발명에 따르면, 종래의 RF MEMS 스위치에 비해 구조적으로 단순하며, 크기가 작고 공정이 단순해 집적화가 용이한 스위치의 제작이 가능하다.As described above, according to the present invention, since the blocking resistor is used instead of the large RF choke inductor for the RF blocking, the size of the switch is reduced and the process is simplified. In addition, since a DC driving voltage is applied to the moving plate to allow DC blocking in the coupling dielectric, which is a coupling capacitor, structurally, a separate DC blocking capacitor is unnecessary. Therefore, according to the present invention, it is possible to manufacture a switch that is structurally simpler than the conventional RF MEMS switch, the size is small and the process is simple and easy to integrate.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments with reference to the drawings, this is merely exemplary, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined only by the appended claims.
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