KR100286486B1 - 엘라스토머성 마이크로 전기기계 시스템 - Google Patents

엘라스토머성 마이크로 전기기계 시스템 Download PDF

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Abstract

각 마이크로구조상에 마이크로전극(6)을 가지는 다수의 엘라스토머성 마이크로구조(5)로 이루어진 서브스트래이트(4)를 가지는 전기기계 변환기.
전원공급기(11)는 마이크로전극에 연결되어 전기적 전하공급하여 제어하기 위해 인접한 마이크로전극의 쌍 사이에 인력을 유도시켜 제어함으로써, 마이크로전극의 시변 변위를 발생시킨다. 다수의 마이크로전극(14) 또는 1개 또는 그 이상의 매크로전극(32)이 상기 마이크로전극에 지지되고, 전원공급기가 매크로전극에 연결되어 마이크로전극 및 매크로전극 사이에 전기적 전위를 공급하여 마이크로전극 및 매크로전극 사이의 인력을 유도시켜 제어함으로써, 매크로전극에 대한 마이크로전극의 시변 변위를 발생시킨다. 매크로전극은 또한 서브스트래이트의 마이크로구조반대면에 적용될 수 있다.

Description

엘라스토머성 마이크로 전기기계 시스템
최근 마이크로 전기기계 시스템(Micro Electro Mechanical Systems ; MEMS)의 분양에 있어서 급속한 발전이 있었다. MEMS는, 어떤 형태의 전기기계 적 변환이 소정의 기능을 달성하도록 하는 마이크로 시스템이다. 이 경우에 있어서, "micro"는 마이크로미터(micrometer)크기의 부품형태를 뜻한다.
MEMS장치의 구체적 예로서는 마이크로펌프, 마이크로모터, 마이크로광학거울등이 있다. 최근의 MEMS 기술수준에 대한 고찰은 「"Micromachines on the march", IEEE Spectrum, May 1994, pp. 20-31」 에 기술되어 있다. 문헌에 기재된 MEMS장치의 대부분은 정전기의 변환을 이용한다. 대부분의 전기기계 적 변환기와 같이, 정전기적 변환기는 구동부 혹은 센서로 구성되어 있다. 본 발명과 관련이 있는 구동부로서 구성될 때, 정전기적 변환기는 인력을 발생시키는 역전하의 인력을 이용한다. 병렬판의 구성에 대하여, 이 힘 또는 압력 P는 다음의 수식에 의해 간단히 구해질 수 있다.
Figure 1019970707737_B1_M0001
(1)
여기에서 εο는 공기의 유전율(8.85 × 10-12F/M)이고 E는 전기장이다. 병렬 전극의 경우에 있어서, E=V/d이고, 따라서 제2의 관계가 성립될 수 있다.
정전기적 구동력을 이용하는 MEMS장치의 문헌에는 여러 실시예들이 있다. 예를 들면, 「Zengerle, R., et al., 1992, "A Micro membrane Pump with Electrostatic Actuation," IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop」, 「K.J. et al., 1992, "Surface Normal Electrostatic/Pneumatic Actuator," IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop」, 「Bobbio et al., 1993, "Integrated Force Arrays," Proc. of IEEE MEMS 1993 Workshop, PP. 149-154」, 및 「K. Minami et al., 1993, "Fabrication of Distributed Electrostatic Micro Actuator(DEMA)," J. of MEMS, Vol. 2, No. 3, 1993」 이 있다.
변환의 여러 방법중 정전기방법을 선택한 중요한 이유는 다음과 같다.
에너지 농도면에 있어서,
2개의 전극 사이에 주어진 전압에 대하여, 전극 사이의 간격의 감소에 비례하여 전기장은 증가한다. 정전기력은 전기장의 자승에 비례하기 때문에, 전극의 공간이 일차함수로 근접하면 동일한 전압에서의 정전기의 크기는 2차함수로 크진다. 이와 관련하여, 대부분의 가스의 전기장력은 간격의 감소에 비하여 급속히 증가한다. 따라서, MEMS장치에 정전기력을 사용함은 매우 유리하다.
효율면에 있어서,
정전기장치는, 내부고저항손실과 관련되고, 액튜에이터를 베이스로 하는 자기 혹은 형상기억합금에 관련되는 큰 전류농도가 필요하지 않기 때문에, 고효율을 가진다. 정전기장치의 효율은, 상호 전극의 모션이 내부 전극갭의 상당한 부분일때, 매우 뛰어나다.
비용면에 있어서,
대부분의 다른 변환기, 특히 압전기 및 자기감응기와는 달리, 정전기적 변환기는 기계적 힘을 야기시키는 상반되는 전하를 가지는 전극을 필요로 한다. 일반적으로, 2개의 전극 및 전극에 의해 자극되는 압전물질을 두는 것보다 1개의 전극을 두는 것이 저렴하다.
정전기적 구동 메커니즘은 상술된 특징을 가지지만, 효율이 그렇게 뛰어난 것은 아니고, 자기구동을 사용하는 것이 더 좋을 수 있다. 고정된 전류 및 각각의 전위에 대한 정전기적 힘의 경우에 있어서, 힘이 마이크로 전극 간격에 선형적으로 감소하기 때문에, 자기구동의 잇점은 먼 거리에서 작용하는 힘에 도달하는 능력이다. 또한, 동작이 전압에는 독립되고, 전류의 흐름에 의존되기 때문에, 자기적으로 구동되는 액튜애이터에는 저전압이 사용될 수 있다. 비록 효율에는 크게 관계되지 않지만, 구동 전류가 이동하는 마이크로전극의 저항성의 에너지소모에 의한 열손실에 주의할 필요가 있다.
MEMS의 분야는 2개의 인자(전기기계 적 장치의 소형화의 한계를 극복 및 집적회로의 공정에 사용된 마이크로매칭 장비의 널리 보급된 유용성)로부터 발생해왔다. 마이크로매칭 기술은 지금 매우 발전되어 있으며, 특히 LIGA와 같은 기술, 실리콘 결합등이 있다. 그러나, 상기 마이크로매칭 기술은 단위 영역당 매우 고가이며, 비록 대량생산 규모일 지라도, 마이크로매칭된 표면의 단위 영역당 매우 고가를 가지는 적용으로 제한될 수 있다. 전류 MEMS기술의 또다른 한계는 전극 사이의 상호 동작을 허가하는 수단이 기계적 연결, 벤딩 또는 캔터레벨된 구조에 의해 제공된다는 것이다. 예컨대, 상기 참조문헌으로서 언급된 Bobbio et al.에 기술된 장치에 있어서, 어래이(array)에서 각 "cell"을 정의하는 서포트 포인트 사이의 스페이스는, 상기 물질의 고탄성계수에 비례하기 때문에 폴리마이드/메탈의 두께에 관련하여 합리적인 크기를 가진다. 상기 복잡한 구조장치의 디자인 및 구조에 더하여, 상기 상대적으로 얇은 구조는 부서지기쉽고 따라서, 내구성과 관련된 용도에는 적합하지 않다. 종래의 MEMS기술의 단점은 엘라스토머성 마이크로 전기기계 시스템("EMEMS")의 기술을 이용하여 극복될 수 있다.
본 발명은 엘라스토머성 마이크로구조상에서 탄성적으로 유지되는 다수의 미소전극봉을 구비하는 마이크로 전기기계 변환기에 관한것이다.
도 1A는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 확대 단면도,
도 1B는 도 1A의 구조에서 분류된 전위의 적용에 의해 자극된 상태에서의 마이크로전극의 제1 위치를 나타내는 단면도,
도 1C는 도 1A의 구조에서 분류된 전위의 적용에 의해 자극된 제2의 상태에서의 마이크로전극의 제2 위치를 나타내는 단면도,
도 1D는 도 1A에 각 마이크로전극에 전기적으로 접촉하기 위한 접촉수단을 부가한 구조를 나타내는 단면도,
도 1E는 도 1D의 상면도,
도 2A는 마이크로구조 디자인 원리가 본 발명의 여러 목적을 어떻게 달성할 수 있는가를 나타내는 단면도,
도 2B는 본 발명에 따라 구성된 금속 코팅된 탄성중합 마이크로구조를 나타내는 전자현미경 사진,
도 3은 다수의 가스저장소를 공급하는 마주보는 마이크로구조의 표면의 쌍을 확대한 도면,
도 4는 상부 마이크로구조를 제거하고, 하부 마이크로구조로 가스저장소를 대체하고, 그 위에 엘라스토머성 매크로전극을 대체한 것을 나타내는 도면,
도 5A 및 도 5B는 매크로전극을 가지는 실시예를 설명하는 도면,
도 6은 서브스트래이트의 양면에 제공되는 마이크로전극을 가지는 엘라스토머성 마이크로구조를 설명하는 도면이다.
본 발명의 목적은, 정전기력에 대하여 소정의 모션을 가지는 엘라스토머성 마이크로구조로 지지되는 마이크로전극에 마이크로 전기기계 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 몰드된 엘라스토머성 필름의 마이크로구조화된 표면을 이용하여 저렴하게 제조될 수 있는 마이크로 전기기계 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, EMEMS에서 상반되는 전하를 가진 마이크로전극 사이의 내부전극 공간의 범위(즉, 가스 및 가스압력에 대하여 파센(Paschen) 최소거리의 2배 이하)를 유용하게 사용하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상반되는 전하를 가진 마이크로전극과 상호 접속하는 고체표면의 길이를 증가시키는 수단을 제공하는 반면, 동시에 상기 마이크로전극을 패트닝하기 위한 수단을 제공하고 플로워 패스(flow path) 영역을 확장하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 마이크로화된 표면을 이용하여 더욱 복합된 구조를 만드는 수단을 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 마이크로전극이 마이크로화된 표면상에 선택적으로 놓여지는 마이크로 전기기계 변환기를 제공하는 것이다.
마이크로전극은 전류를 주입하는 수단에 의해 선택적으로 연결될 수 있으므로 정전기력은 소정의 상반되는 전하를 가진 마이크로전극 사이 또는 마이크로전극 및 가장 근접한 마이크로전극 사이에서 발생될 수 있다.
마이크로구조는, 엘라스토머와 같은 높은 탄성한계를 가지는 저탄성계수물질을 이용하여 구성된다. 적당한 마이크로구조를 가진 마이크로전극의 디자인 및 위치로 구성된 마이크로구조는, 상반되는 전하를 가진 마이크로전극 사이 또는 마이크로전극 및 근접한 마이크로전극 사이에서 정전기력이 소정의 상호동작을 발생시키도록 한다. 이 EMEMS디자인 기술은 종래의 MEMS장치에 보다 개선된 내구성을 제공할 수 있다. 그러나, 가장 큰 장점은 단위 영역당 제조 비용의 감소가 기대된다는 것이다.
저계수, 고탄성, 엘라스토머성 물질로 된 마이크로구조의 제작은 상대적으로 낮은 종횡비를 가지며, 매우 유연한 마이크로구조를 만들 수 있다. 반대로, 종래의 MEMS장치에서 사용된 고계수 실리콘 마이크로구조는 매우 유연하도록 상대적으로 높은 종횡비를 필요로 한다. 저종횡비의 사용은 2개의 키(key)제작기술의 사용을 용이하게 한다. 우선, 마이크로구조는, 얇은 막으로 된 엘라스토머성 물질상에 몰드가 가능한 표면구조의 형태로 디자인될 수 있다. 다음은, 다이야몬드 기계가공과 같은 공지된 마이크로 가공기술을 이용하여, 표면이 엘라스토머성 막으로 처리된 마이크로복제를 이용하기 위해 마이크로 기계가공화될 수 있다. 마이크로구조물을 생산하기 위한 막표면상의 마이크로복제는, 종래의 마이크로 기계가공에 비하여 생산비용을 감소시킨다. 마지막으로, 적당한 구조의 디자인 및 물리적 증착기술을 이용하여, 종래의 MEMS장치를 제작하는데 이용된 고비용의 마스킹(masking) 공정이 필요없이 마이크로전극을 선택적으로 만들수 있다. 상기 생산물들을 결합하는 공지된 기술인 매스(mass) 생산기술을 이용하여 저렴하게 EMEMS장치를 만들수 있다.
도 1A는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 장치의 단면도를 나타낸다. 본 장치는 마이크로구조의 엘라스토머성 릿지(5 ; ridges)에 의해 각각 지지되는 마이크로전극(6)의 선형 어레이(array)로 구성되어 있다. 마이크로구조의 엘라스토머성 릿지(5)는, 엘라스토머성 배양막 또는 쉬트(4 ; sheet)상에 표면모양으로 형성된다.
마이크로 릿지(5)는, 마이크로-프리스매틱 광학막(micro-prismatic optical film)과 같은 마이크로구조의 표면생산물을 생산하는 기술로 알려진 고용적 몰딩 마이크로복제(high volume microreplication) 기술을 이용하여 경제적으로 만들어질 수 있다.
마이크로전극(6)은, 순금속(예컨대, AL, CU, AU), 금속합금강, 금속산화물(예컨대, 인듐막 산화물), 초전도체, 전도 중합체, 형상기억 합금 또는 전도 엘라스토머와 같은 전기적 전도물질중 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
전도물질에 요구되는 부하가 상대적으로 높은 경우에, 마이크로전극으로서 도전 엘라스토머성 물질을 이용하여 마이크로전극의 도전성을 저하할 수 있는 기계적노후화의 위험을 감소시키는 것이 바람직하다.
도 1A의 장치의 중요한 목적은, 마이크로구조의 쉬트(4)의 평면에 대체로 병렬방향으로 시간 t의 함수로서 소정의 주파수 f로 마이크로전극(6)의 고주파적 움직이게 하는 것이다. 상기 모션(motion)은 경계층 제어와 같은 다수의 유동역학 적용에 유리할 수 있다. 여기에서, 실질적인 방법으로 대규모의 흐름에 영향을 주는 유동표면 상호작용의 미소규모면을 제어하는 것이 바람직하다. 예컨대, 이 효과는, 경계층에서 유체혼합의 레벨을 증가시키고 따라서 그 운동량변화를 증가시킨다. 어떤 전기적 구동조건하에서, 격렬한 혼합의 레벨을 감소시키고 항공기와 같은 공기역학적 몸체로서 표면마찰을 감소시키는데 상기 효과가 이용될 수 있다. 유체흐름의 상호작용을 대한 마이크로기계적 장치의 사용은, 「Ho, Chih-Ming, "Interaction Between Fluid Dynamics And New Technology"」 에 상세히 기술되어 있다.
마이크로전극의 고주파적 모션이 이루어지기 위한 수단은 도 1B 및 1C를 참조하여 설명된다. 4개의 전기적구동 전위함수 a, b, c 또는 d 중 하나가 각 마이크로전극(6)에 응용된다. 여기에서
a = +V b = +Vsin(2πft)
c = +V d = +Vsin(2πft)
상기 함수들은 도 1B에 나타낸 것과 같은 방법을 반복하여 인접한 마이크로전극으로 돌리는데 적용된다. 이 구동전위의 시퀀스에 의해 발생된 정전기력은, 다음의 방법으로 마이크로구조의 엘라스토머성 릿지(5)에 의해 지지되는 마이크로전극(6)의 변형을 통해 모션을 야기시킨다.
시간 t=0에서, 마이크로전극(6)은 도 1A에 나타낸 변형되지 않은 상태이다. t=3/(4f)에서, 마이크로전극(6)은 도 1C에 나타낸 바와 같이 반대방향으로 최대변형이 일어난다. 이 모션의 형태는 주파수 f로 반복되고, 따라서 원하는 동작이 이루어진다. 적용된 전기적 전위는 인접한 마이크로전극(6)의 쌍 사이의 인력을 제어하여 마이크로전극의 시변환 변위를 야기시킨다.
가급적이면, 각 마이크로전극(6)은 0.01mm2보다 작은 단면적을 가지고, 변위는 이러한 단면적의 평방근의 1퍼센트를 초과하도록 한다.
도 1D 및 1E에 나타낸 바와 같이, 엣지 커넥팅 스트립(10 ; edge connecting strip)은 마이크로전극(6)을 전원공급기(11)에 전기적으로 연결하는데 이용될 수 있다. 커넥팅 스트립(10)은, 전도된 "U"자 형태의 전기적 콘택트(9)를 분리하고 지탱하는 다수의 돌출된 마이크로구조의 릿지(8)로 구성되어 있다. 릿지(8)는 마이크로구조의 엘라스토머성 릿지(5) 사이에 기하학적으로 동시에 삽입되어 구성된다. 릿지(5, 8)의 인터리빙(interleaving) 사이의 틈은 상대적으로 쉽게 삽입되도록 하는 구조이지만, 콘택트(9) 및 인접한 각 마이크로전극(6)의 표면 사이에 양호한 전기적 접속을 제공한다. 각 전도된 "U"자 형태의 전기적 콘택트(9)는 전원공급기(11)로부터 적합한 구동신호(즉, a, b, c 또는 d)를 전달하는 전기적 도전패스(conductive path)의 일부를 형성한다. 이것은, 포토리소그라피(photolithography)와 같은 집적회로 제작기술을 이용하여 스트립(10)에 연결하는 마이크로패턴된 와이어구조를 적용하여 이루어진다. 마이크로전극(6) 및 콘택트(9)는 정교하게 접속되어 있기때문에, 언급된 바와 같이 그들 사이에 삽입함에 앞서 표면에 적용된 젤(gel)과 같은 도전점성물질로 인해 양호한 전기적접속이 가능하다. 각 릿지(8)의 대부분을 형성하고 인접한 도전패스(conduction path)를 전기적으로 분리하는데에는, 폴리미드(polyimide)와 같은 고전기장력 유전물질이 이용된다.
마이크로전극(6) 사이에서 발생될 수 있는 최대 정전기력은 인접한 전극간의 전기적 브레이크다운(breakdown)에 의해 제한된다.
전기적 브레이크다운의 제1모드는 마이크로전극(6) 및/또는 평면전극 사이의 엘라스토머성 표면을 교차하는 표면방전이다. 탄화(carbonization)와 같은 메카니즘은 그 밖의 다른 비도전 표면에 교차하는 표면방전을 발생시킨다. 대부분의 경우에 있어서, 단위 패스길이당 전압증가에 따라 표면방전의 가능성이 증가한다. 따라서, 가능한 패스길이를 길게 하는 것이 바람직하다. 이것은, 엘라스토머성 릿지(5)의 상부의 마이크로전극 사이의 홈에 따르는 긴 패스길이"S"에 의해 실시예의 구조에서 이루어진다(도 2A를 참조).
전기적 브레이크다운의 제2모드는 내부전극갭의 가스의 애벌런치(avalanche) 브레이크다운이다.
가스의 애벌런치 브레이크다운은, 전압이 소정의 가스에 대한 파센커버치(Paschen curve values)의 전압을 초과할때 발생한다. 파센커버는, 「Kuffel, E. et al, "The Sparking Voltage-Paschen's Law"」문헌을 참조하여 결정될 수 있다. 파센의 법칙에 의하면, 애벌런치 브레이크다운없이 도달되는 최대전압 V는 가스압력 p 및 갭공간 d의 곱에 관한 함수이다(즉, V=f(pd)). 따라서, 가스상태의 브레이크다운을 방지하기 위해 내부전극갭(3)을 가능한 작게 만드는 것이 바람직하다. 그렇지만, 이것은 내부전극갭(3)에서의 감소가 마이크로전극(6)의 최대변이를 감소시킨다는 사실에 반하여 평가되어야 한다. 어떤 종류의 가스(특히, 설프헥사플로라이드(sulphurhexafluoride)와 같은 음전기의 가스)는 공기중에서 보다 더 높은 저항을 애벌런치 브레이크다운에 나타내고, 증가하는 유전체력의 유용한 수단을 제공할 수 있다. 브레이크다운의 제3모드는 전계방출(field emission)이다. 전계방출은, 다수의 브레이크다운 메카니즘을 유도하는 표면의 전위장벽을 통과하는 전자의 터널(tunnelling)이다. 이론적으로는, 전위장벽이 너무 크기때문에 계수 3000MV/m의 장에 도달하기까지는 실질적인 튜넬링이 되지 않는다. 그렇지만, 실질적으로는, 30MV/m 보다 낮은 크기의 2배의 계수이상에서 미소한 전기장을 발생시키기 시작한다. 연마된 표면의 거친 표면에 존재하는 다수의 미세돌출부(microprotrusions)때문에 기인하는 결점이 나타난다. 이러한 미세돌출부는 크기의 자승에 의해 부분적인 전기장을 증가시킬수 있고, 전계방출 브레이크다운을 유도할 수 있다. 그러므로, 전계방출을 방지하기 위해서는, 표면을 균일하게 처리하는 수단을 사용해야 한다. 갭을 교차하여 적용된 전체전압에 영향을 주는 내부전극공간은 전기장의 크기에 더하여 역할을 할수 있다. 내부전극갭은 실제보다 작게 만들어져야 한다.
약한 연결인 브레이크다운 메커니즘은 패스길이, 내부전극갭, 유전가스종류, 전극표면등과 같은 다수의 인자에 의존한다. 예컨대, 만약 고진공상태에서 상기 기술된 장치를 동작시킨다면, 가스상태의 브레이크다운 메커니즘은 실질적으로 제거되고, 표면방전 및 전계방출만이 존재한다. 가스 및 가스압력에 대하여 파센최소거리의 2배보다 작은 내부전극공간을 만드는 것이 바람직하다. 이것은 일반적으로 실질적인 정전기력이 가스상태의 브레이크다운 또는 고동작전압에 대한 요구없이 얻어질 수 있게 한다.
지금부터 마이크로전극(6)을 릿지(5)의 상부에 선택적으로 만드는 방법을 설명하고자 한다. 상기 기술된 바와 같이, 릿지(5)의 임의의 부분상에 마이크로전극(6)을 선택적으로 만드는 것이 바람직하고, 그 방법은 대량생산의 규모에 저렴하다.
이러한 방법중 하나는, 엘라스토머성 마이크로구조와 결합하여 물리적 증착된 원자의 지향성을 이용하여 마이크로섀도잉 효과(microshadowing effect)를 발생시키는 것이다. 마이크로섀도잉 기술은 다른 기술(예컨대, 「Bobbio et al. in "Integrated Force Arrays"」에 기술된 장치)에 사용되어져 왔다.
도 2A를 참조하여, 마이크로섀도잉은, 릿지(5)의 각도 α의 방향으로 금속원자를 방출하여 원하는 섀도잉을 만든다. 도 2A에 나타낸 바와 같이, 각도 α는 45°이다. 이것은 상대적으로 긴 표면 브레이크다운 패스길이를 제공하고, 반면에 릿지(5)의 상부모서리 부근에 전기장의 변화를 발생시킨다. 작은 각도는 릿지(5)의 상부에 더 작은 영역의 금속층을 만들지만, 이러한 작은 영역의 엣지(edge)는 전기적 브레이크다운의 원인이 될수 있는 고전기장을 생산할 수 있다.
도 2B는 상기 기술된 실시예에 따라 구성된 장치의 마이크로구조 표면을 비스듬한 각도로 촬영한 전자현미경의 사진이다. 이 사진에 나타난 바에 따라, 밝은 영역(32)는 탄탈륨(tantalum)금속코딩을 나타내고, 어두운 영역(33)은 실리콘 엘라스토머를 나타낸다.
어떤 경우에 있어서는, 서로 직면하고 상호접촉하는 2개의 마이크로구조 표면을 이용하는 것이 바람직하다. 이런한 실시예의 예가 도 3에 나타내어져 있다. 도 3의 하부는 도 1A를 참조하여 상기 기술된 제1의 마이크로전극(6)에 의해 덮어진 다수의 엘라스토머성 릿지(5)를 가진 엘라스토머성 마이크로구조의 기판(4 ; substrate)을 그린 것이다. 도 3의 상부는 제2의 다수의 마이크로전극(14)가 부착되어 대응하는 다수의 마이크로전극(6)과 마주보는 제2의 엘라스토머성 마이크로구조의 서브스트래이트(12)를 나타낸 것이다. 도 3의 크기는 왜곡된 것이고, 실제로 상부 엘라스토머성 마이크로구조의 서브스트래이트(12)의 두께는 하부 엘라스토머성 마이크로구조의 서브스트래이트(4)의 두께 보다 매우 크다.
엘라스토머성 릿지(16)는 상부 마이크로구조의 서브스트래이트(12)로부터 일정한 간격으로 하부 마이크로구조의 서브스트래이트(4)로 돌출하여 접촉하고, 이렇게 하여 마이크로전극(6, 14) 사이의 갭공간(18)을 형성한다. 2개의 마이크로구조의 서브스트래이트에 의해 둘러싸인 공간(20)에는 공기와 같은 가스가 채워져 있다. 2개의 마이크로구조 사이의 각 접속부(22)는 점성의 접착제로 부착되어 있다. 마이크로전극(14)은 전압공급원의 한 단자에 연결되어 있고, 마이크로전극(6)은 다른 단자에 연결되어 있다. 상부 마이크로구조의 서브스트래이트(12)는 일정한 간격의 공간을 가지므로 다수의 가스저장소(24)를 제공한다.
도 3의 실시예의 동작은 다음과 같다. 마이크로전극(6, 14) 2개의 세트 사이에 전위차가 주어지면 그들 사이에 인력이 발생한다. 이러한 인력은 엘라스토머성 릿지(16)을 변형시키고, 마이크로전극 2개의 세트가 서로 상대적으로 움직이게한다. 마이크로전극의 모션에 따라, 공간(20)에 있는 가스는 상부 및 하부 마이크로구조 사이에서 압축된다. 가스압력은 가스저장소(24)에서 보다 마이크로전극(6, 14) 사이에서 더 크게 나타난다. 따라서, 가스는 가스저장소(24)의 외부에서 내부로 힘을 가하게 된다. 그러므로, 전체 가스압력은 가스저장소(24)가 제공되지 않은 것보다 더 작다. 가스저장소(24)는 공간(20)의 가스에 의해 발생하는 마이크로전극의 모션에 따른 임피던스를 감소시킨다. 이렇게 하여, 사실상 제작하기가 어려운 고종횡비의 하부 마이크로구조를 제작할 필요가 없게 된다.
가스저장소(24)에 순환하는 가스는 여러 환경에서 바람직하지 않은 비스커스댐핑(viscous damping)을 야기시킨다. 비스커스댐핑을 최소화하기 위해, 가스저장소(24)에 순환하는 유체이동의 속도를 최소화시켜야 한다. 이것은, 예컨대 움직이는데 필요한 유체의 용량이 작도록 가스저장소(24)의 크기를 작게 하거나, 유체흐름의 평균속도를 감소시키기 위해 단면적을 증가시킴에 의해 이루어진다. 도 2A를 다시 참조하면, 추가된 영역"r"의 단면적은 표면 브레이크다운 패스길이를 증가시키고, 마이크로전극(6)의 마이크로섀도잉을 할 수 있게 하고, 유체흐름의 평균속도를 감소시키는데 이용된다.
도 4는 도 3의 상부 마이크로구조를 제거한 다른 방법의 장치를 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 밀리미터단위의 두께를 가지는 평평한 구조의 1개 혹은 그 이상의 매크로전극(32)은, 서브스트래이트(4)로부터 상향으로 돌출된 엘라스토머성 릿지(16)상의 마이크로전극(16)에 의해 지지된다. 가스저장소(24)는 서브스트래이트(4) 및 엘라스토머성 릿지(5)의 일부를 제거한 곳에 만들어진다. 작동에 있어서는, 마이크로전극(6) 및 매크로전극(32) 사이에 발생되는 전위차는 그들 사이에 인력을 발생시킨다. 이러한 인력은 엘라스토머성 릿지(16)를 변형시켜 마이크로전극 및 매크로전극이 각각 상대적으로 움직이게 한다. 이러한 모션동안, 공간(20)에 있는 가스는 매크로전극 및 서브스트래이트(4) 사이에서 압축된다. 도 5A 및 도 5B는 1개 혹은 그 이상의 매크로전극(30)이 서브스트래이트(4)의 바닥에 부착되어 있는 또 다른 실시예를 나타낸 것이다. 동작에 있어서는, 마이크로전극(6) 및 매크로전극(30) 사이의 전위차는 그들 사이에 인력을 발생시킨다. 이러한 인력은 엘라스토머성 릿지(5)를 변형시켜 도 5B에 나타낸 바와 같이 마이크로전극(6)이 매크로전극(30)에 상대적으로 움직이게 한다.
도 6은 마이크로전극(6, 6')이 서브스트래이트(4)의 양면에 부착되는 또 다른 실시예를 나타낸 것이다. 서브스트래이트(4)에 대칭적인 구조를 가지는 상부 및 하부 구조는 도 1A-1D에 따라 상기 기술된 것과 같은 기능을 각각 가진다. 이러한 더블사이드구조는 예컨대, 종래의 막을 통한 열전달을 개선하는데 유용할 수 있다.
최근 마이크로 전기기계 시스템(Micro Electro Mechanical Systems ; MEMS)의 분야에 있어서 급속한 발전이 있었다. MEMS는, 어떤 형태의 전기기계 적 변환이 소정의 기능을 달성하도록 하는 마이크로 시스템이다.
MEMS장치의 구체적 예로서는 마이크로펌프, 마이크로모터, 마이크로광학거울등이 있다. MEMS장치의 대부분은 정전기의 변환을 이용한다. 대부분의 전기기계 변환기와 같이, 정전기적 변환기는 구동부 혹은 센서로 구성되어 있다. 본 발명과 관련이 있는 구동부로서 구성될 때, 정전기적 변환기는 인력을 발생시키는 역전하의 인력을 이용한다.
정전기적 구동 메커니즘은, 효율이 그렇게 뛰어난 것이 아니기 때문에, 자기구동을 사용하는 것이 더 좋을 수 있다. 고정된 전류 및 각각의 전위에 대한 정전기적 힘의 경우에 있어서, 힘이 마이크로전극 간격에 선형적으로 감소하기 때문에, 자기구동의 잇점은 먼 거리에서 작용하는 힘에 도달하는 능력이다. 또한, 동작이 전압에는 독립되고, 전류의 흐름에 의존되기 때문에, 자기적으로 구동되는 액튜애이터에는 저전압이 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 일측 면상에 다수의 제1의 엘라스토머성 미세구조(5)가 형성된 제1기판(4)과, 상기 다수의 제1의 미세구조의 각각에 형성된 제1마이크로전극(6), 상기 마이크로전극으로의 전기 전위의 제어된 인가를 위해 상기 마이크로 전극에 전기적으로 연결된 전원공급수단(11), 다수의 제2의 엘라스토머성 미세구조(16)가 형성되고, 이 다수의 제2의 엘라스토머성 미세구조(16)가 상기 제1기판과 기계적으로 접촉하는 상태로 상기 제1기판과 인접하여 마주보고 있는 제2기판(12) 및, 상기 제2기판상에 형성된 다수의 제2마이크로전극(14)을 구비하고, 상기 전원공급수단은, 상기다수의 제2마이크로전극으로의 상기 전기 전위의 제어된 인가를 위해 상기 다수의 제2마이크로 전극에 전기적으로 더 연결되어, 상기 다수의 제1 및 제2의 미세구조 사이에 교대로 인력을 유도시켜 상기 제1 및 제2마이크로전극의 제어된 시변(time-varying) 변위를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기기계 변환기.
  2. 일측 면상에 다수의 제1의 엘라스토머성 미세구조(5)가 형성된 제1기판(4)과, 상기 다수의 제1의 미세구조의 각각에 형성된 제1마이크로 전극(6), 상기 마이크로전극으로의 전기 전위의 제어된 인가를 위해 상기 마이크로전극에 전기적으로 연결된 전원공급수단(11), 다수의 제2의 엘라스토머성 미세구조(16)가 형성되고, 이 다수의 제2의 엘라스토머성 미세구조(16)가 상기 제1기판과 기계적으로 접촉하는 상태로 상기 제1기판과 인접하여 마주보고 있는 제2기판(12) 및, 상기 다수의 제2의 엘라스토머성 미세구조에 의해 상기 마이크로전극상에 지지되는 1개 이상의 매크로전극(32)을 구비하고, 상기 전원공급수단은, 상기 1개 이상의 마이크로전극으로의 전기 전위의 제어된 인가를 위해 상기 1개 이상의 매크로 전극에 전기적으로 더 연결되어, 상기 마이크로전극과 상기 1개 이상의 매크로 전극 사이에 교대로 인력을 유도시켜 상기 1개 이상의 매크로 전극에 대하여 상기 마이크로 전극의 제어된 시변 변위를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기기계 변환기.
  3. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 마이크로전극의 상기 변위중에, 상기 마이크로전극 사이로부터 그 저장소의 안팎으로의 가스흐름을 위해, 상기 제1 또는 제2기판내에 다수의 가스저장소(24)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 기계 변환기.
  4. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 전기 전위는 상기 마이크로전극의 인접한 쌍 사이에 교대로 인력을 유도시켜 상기 마이크로전극의 제어된 시변 변위를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기기계 변환기.
  5. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 다수의 제1미세구조가 1,000개 이상인 것을 특징으로 하는 전기기계 변환기.
  6. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 제1 및 제2기판이 엘라스토머성 시트재 이고, 상기 미세구조는 상기 시트재의 표면형상대로 형성되어 있는 것을 특징으로하는 전기기계 변환기.
  7. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 제1마이크로전극의 인접한 쌍은 가스가 채워진 갭(3)에 의해 분리되고, 상기 가스는 소정의 가스압력에서 파센최소 거리 "d"에 의해 특징지워지며, 상기 갭의 폭은 상기 파센최소거리 "d"의 2배 보다 작은 것을 특징으로 하는 전기기계 변환기.
  8. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 제1마이크로전극은 전기적으로 전도성의 엘라스토머로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기기계 변환기.
  9. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 미세구조는, 상기 미세구조상에 전기적으로 전도성의 물질의 방향성 퇴적을 위해 기하학적으로 구성되어 상기 미세 구조상에 표면퇴적물의 소정의 마이크로패턴으로서 상기 마이크로전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기기계 변환기.
  10. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 미세구조의 상기 다수의 제1미세 구조의 각 인접한 쌍 사이에 홈(recess)을 더 구비하고, 상기 홈의 각각은 상기 인접한 미세구조상의 상기 제1마이크로전극 사이에 표면패스길이를 규정하며, 상기 표면패스길이는 실질적으로 상기 인접한 미세구조상의 상기 제1마이크로전극간의 소정의 직접 패스거리를 초과하는 것을 특징으로 하는 전기기계 변환기.
  11. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 각 마이크로전극이 0.01㎟ 이하의 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 전기기계 변환기.
  12. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 마이크로전극이 0.01㎟ 이하의 단면적을 갖고, 상기 변위가 상기 단면적의 평방근의 1퍼센트를 넘는 것을 특징으로 하는 전기기계 변환기.
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