KR100335046B1

KR100335046B1 - 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치

Info

Publication number: KR100335046B1
Application number: KR1020000028034A
Authority: KR
Inventors: 홍성철; 윤의식; 하두영
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2002-05-03
Also published as: KR20010106937A; US20020000364A1

Abstract

본 발명은 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면 미세가공 기술로 제작된 비틀림 스프링과 레버를 이용한 밀고 당기는 형태의 초고주파 스위치를 제공함으로서, 낮은 전압으로 스위치가 동작할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 접지가 된 기판 상부에 고정된 다수의 고정축과, 상기 각 고정축에 연결되고 회전판을 지지하는 뒤틀림 스프링과, 상기 회전판에 연결된 지레대와, 상기 지레대에 연결된 접촉전극과, 상기 접촉전극과 대향하고 기판위에 간극을 두고 고정되어 있는 전송선과, 상기 회전판과 대향하고 기판위에 고정되어 있는 다수개의 고정전극을 포함하여 구성됨으로써, 낮은 동작전압으로 스위치가 동작할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치{MICROMACHINED MICROWAVE SWITCH WITH PUSH-PULL CONFIGURATION}

본 발명은 푸시-풀 형태의 초고주파 스위치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낮은 전압에서 작동할 수 있도록 표면 미세가공 기술로 제작된 비틀림 스프링과 지레대를 이용한 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에 관한 것이다.

최근 이동 통신 시스템 사용의 급증으로 인하여 이동 통신 단말기의 기술 개발은 다양한 기능과 소형화에 중점을 두고 있는 추세이다.

종래에는 FET나 핀 다이오드 같은 반도체 디바이스가 초고주파 스위치로 작동을 위하여 사용되어 왔다. 그러나 상기 반도체 디바이스는 삽입손실이 높고 고립도가 좋지 않은 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, Larson을 비롯한 여러 사람들이 1990년대 초반에 LSI를 기반으로 미세가공기술에 의하여 만들어진 스위치를 여러 가지로 개발해왔다. 상기 스위치는 기존의 반도체 소자로 이루어진 스위치와 비교하여 삽입손실이 낮고, 고립도가 높아 절연이 우수하며 극도로 높은 선형성을 가지는 특성이 있었다.

그러나 대부분의 미세가공기술에 의하여 만들어진 스위치는 정전 작용에 의해 동작되어지므로 높은 동작 전압이 필요하다는 문제점이 있었다.

상기 스위치들의 동작 전압은 대개 20V 이상이고 그 중 몇 스위치는 최소 8V의 전압이 요구되므로 소형화 되고있는 이동 통신 단말기에 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 상기와 같은 높은 동작 전압을 필요로 하는 예를 들면 하기와 같다.

켄틸레버 형태의 휘는 가동 구조물을 이용한 미소 기전 초고주파 스위치(Proceeding of The 8th Int'l Conf. on Solid- State Sensors and Actuators(1995) J.J.Yao and M.F.Chang, pp.384-387.)에서 동작 전압은 28-50V이고 브릿지 형태의 휘는 가동 구조물을 이용한 미소 기전 초고주파 스위치(IEEE Microwave and Guided Wave Letters, C.Goldsmith 등, pp.269-271)에서 동작 전압은 50V이다.

그런데 동작 전압을 낮추기 위해서는 미세가공기술에 의하여 제조된 스위치의 전송선과 가동 접촉(contact)전극 사이의 거리가 작아야 한다. 그러나 상기와 같이 구성하면 오프 캐패시턴스 (Coff)를 증가시키게 되어 고립도가 나빠진다. 또한 동작 전압을 줄이기 위하여 가동 구조물(movable structure)의 기하학적 크기를 최적화하는 방법이 있지만, 상기 방법은 대부분의 경우 높은 잔류 응력을 발생시키는 문제점이 있다.

또 다른 방법은 밀라노빅(Milanovic) 및 여러 사람들이 개발한 것으로, 상기스위치에 푸시-풀 구성을 결합하여 작동 전압을 줄이는 방법이 있다. 상기 푸시-풀 구성이 결합된 스위치는 진동이나 온/오프 상태에서 가해지는 전위에 의하여 발생하는 물리적 충격에도 강한 면이 있다.

그러나 상기 푸시-풀 구성이 결합된 스위치는 가동 접촉전극이 신호선과 분리되어 올라갈 수 있는 최대 높이가 초기 높이의 두 배로 제한되어 고립도를 크게 향상시키지 못한다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,본 발명의 목적은 삽입손실이 작고 고립도가 높은 푸시-풀 형태의 초고주파 스위치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 동작 전압이 낮은 푸시-풀 형태의 초고주파 스위치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀(push-pull) 형태의 미소 기전 초고주파 스위치의 사시도.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 제로 바이어스(zero bias)일 때의 측면도.

도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 온 상태일 때(Vpull이 온 상태일 때)의 측면도.

도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 오프 상태일 때(Vpush이 온 상태일 때)의 측면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 인가된 전압에 따른 회전각의 값을 도시하는 그래프.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 다양한 스프링 너비(Ws)와 스프링 길이(ls)에 따른 스위치의 문턱전압(Vth)의 값을 도시하는 그래프.

도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 다양한 초기 가동 접촉전극의 높이(h0)와 스프링의 두께(ts)에 따른 스위치의 문턱전압의 값을 도시하는 그래프.

도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 다양한 밑쪽 고정 전극길이(lbe)와 위쪽 회전 전극길이(lte)의 비와 상기 위쪽 회전 전극길이 및 너비에 따른 스위치의 문턱전압의 값을 도시하는 그래프.

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서, 온 상태일 때의 RF모델을 나타내는 도면.

도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서, 오프 상태일 때의 RF모델을 나타내는 도면.

도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서, 온 상태일 때의 RF 특성을 나타내는 그래프.

도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서, 오프 상태일 때의 RF 특성을 나타내는 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치의 제조 과정을 나타낸 도면.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 인가 전압에 따른 커패시턴스를 나타내는 그래프.

도 9은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 다양한 윗쪽 회전 전극 길이(lte)에 따른과값을 나타내는 그래프.

도 10는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치의 다이나믹한 응답을 나타내는 도면.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치의 온 상태의 RF 특성을 나타내는 도면.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치의 오프 상태의 RF 특성을 나타내는 도면.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판과 고정전극 및 전송선으로 이루어진 몸체부와 고정축과 비틀림 스프링과 회전판과 회전전극과 지레대 및 가동 접촉전극으로 이루어진 스위치부로 구성된 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에 있어서,

절연기판에 부착되고 다수의 비틀림 스프링 양단 중 각각의 일단과 연결되어상기 다수 비틀림 스프링을 지지고정하는 다수의 고정축과,

상기 다수의 비틀림 스프링 각각의 나머지 일단에 연결되어 지지되고 고정전극들과 대향하는 회전판과,

상기 회전판 상부에 부착되어 있는 회전 전극과,

상기 회전판에 연결되어 가동접촉전극을 지지고정하는 지레대와,

상기 가동접촉전극과 대향하며 상기 기판에 고정되고 사이에 간극이 있는 전송선을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 비틀림 스프링과 고정축은 각각 2개인 것이 바람직하다.

상기 스위치부의 비틀림 스프링과 회전판 및 지레대는 절연체인 것이 바람직하다.

상기 고정전극은 푸시 전극과 풀 전극 2가지로 구성되어 있거나 푸시전극과 풀전극과 휨전극 3가지로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 전송선은 마이크로스트립 라인(microstrip line)이거나 코플레이너 웨이브가이드(coplanar waveguide)인 것이 바람직하다.

상기 전송선은 간극이 있는 것이 바람직하다.

상기 비틀림 스프링은 직선이나 요철 모양인 것이 바람직하다.

또한 기판과 고정전극 및 전송선으로 이루어진 몸체부와 고정축과 비틀림 스프링과 회전판과 회전전극과 지레대 및 가동 접촉전극으로 이루어진 스위치부로 구성된 푸시-풀 형태의 초고주파 스위치에 있어서,

접지된 기판에 부착되어 초고주파 접지에 연결되고 다수 비틀림 스프링의 양단중 각각의 일 단과 연결되어 상기 다수 비틀림 스프링을 지지고정하는 다수 고정축과,

상기 다수 비틀림 스프링 각각의 나머지 일 단에 연결되어 지지되고 고정전극들과 대향하는 회전판과,

상기 회전판 상부에 부착되어 있는 회전 전극과,

상기 가동접촉전극과 대향하는 전송선을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 스위치부의 비틀림 스프링과 회전판 및 지레대는 도체인 것이 바람직하다.

상기 고정전극은 푸시 전극과 풀 전극 2가지로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 전송선에서 그 상부에 유전체를 형성하는 것이 바람직하다.

상기 비틀림 스프링은 직선이나 요철 모양이 바람직하다.

이하 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀(push-pull) 형태의 미소 기전 초고주파 스위치의 사시도로서, 접지층(60) 상부에 밀착된 기판(55)에 부착되고 다수의 비틀림 스프링(15) 각각의 일 단을 지지고정하는 다수의 고정축(10)과, 상기 다수의 비틀림 스프링(15) 각각의 나머지 단에 연결되어 지지되고 고정전극인 푸시 전극(45)및 풀 전극(50)과 대향하는 절연체로 구성된 회전판(20)과, 상기 회전판(20) 상부에 부착되어 있는 회전 전극(25)과, 상기 회전판(20)에 연결되어 가동접촉전극(35)을 지지고정하는 지레대(30)와, 상기 가동접촉전극(35)과 대향하고 사이에 간극이 있는 전송선(40)을 포함하여 구성된다. 상기 도 1의 스위치는 마이크로스트립 전송선(40)이 사용되었으며, 초기에 전송선(40)은 가동 접촉전극(35)과 분리되어 있고 스위치는 오프 상태이다. 가동 접촉전극(35)이 정전 기전력에 의하여 밑으로 당겨지면 상기 전송선(40)과 접촉하게 되므로 온 상태가 되고 신호가 전송되고 스위치의 고립도(절연)정도는 오프시 가동 접촉전극(35)과 전송선(40) 사이의 커패시턴스(Coff)에 의하여 결정된다. 커패시턴스 값의 크기는 두 개의 전극 사이의 거리에 역비례하므로, 가동 접촉전극(35)이 정전 기전력에 의해 높게 들려지면 절연정도는 더 커지게 된다. 그러므로 푸시-풀 형태의 스위치가 필요하며, 낮은 스위치 동작 전압으로 스위치를 구동하기 위하여 비틀림 스프링(15)과 지레대(30)를 사용하여 스위치를 구성하는 것이 필요하다. 상기 가동 접촉전극(35)은 물리적으로 지레대(30)에 달려있고 회전판에서 연장된 절연체(20)에 의하여 전기적으로 지레대(30)와 절연되어 있다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 제로 바이어스(zero bias)일 때의 측면도로서, 기판에 부착된 고정 전극인 푸시전극(45)과 풀 전극(50) 및 전송선(40)이 회전 전극(25) 및 가동 접촉전극(35)과 평행인 상태를 유지하는 모양을 도시하고 있다. 도 2a에서 lte는 기판(55) 상부에 고정되어 있는 고정전극들(45,50) 중 하나의 고정전극(50)과 대향하는 회전전극(25) 부분의 길이이고는 지레대(30)의 길이를 나타낸다. hc는 가동 접촉전극(35)과 전송선(40) 사이의 거리를 나타내며 상기 hc는 하기와 같은 수학식1로 표시된다.

여기서는 가동 접촉전극(35)과 전송선(40) 사이의 초기 거리를 나타내며, 상기 수학식을 살펴보면 고립도(절연)과 관계있는 hc는의 길이가 증가할수록 증가함을 알 수 있다. 따라서 높은 고립도를 유지하면서 동작 전압을 낮추기 위하여를 낮출 수 있다. 왜냐하면 작은를 가지고도의 길이를 조정하여 hc를 조절할 수 있기 때문이다.

도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 온 상태일 때(이 온 상태일 때)의 측면도로서, 전압이 풀 전극(50)에 인가되었을 때, 상기 가동 접촉전극(35)은 밑쪽으로 이동하여 상기 전송선(40)과 접촉하므로 신호가 전송되며, 이때 스위치는 온 상태라고 한다.

도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 오프 상태일 때(가 온 상태일 때)의 측면도로서, 상기 풀 전극(50)에 인가된 전압이 제거되고 푸시 전극(45)에 전압이 인가되어 가동 접촉전극(35)이 위로 올라간 모양을 도시하며, 이때 스위치는 오프 상태라고 한다. 상기 오프 상태에서 가동 접촉전극(35)과 전송선(40) 사이의 거리(hc)는 지레대(30) 길이에 비례하여 더욱 높아진다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 인가된 전압에 따른 회전각의 값을 도시하는 그래프로서, 문턱전압은 3.5V임을 나타낸다. 도 2c를 참조하면 오프 전압()은 문턱전압이라고 할 수 있는데, 그 이유는 상기 회전 전극(25)과 푸시 전극(45)이 직접적으로 접촉하기 때문이다. 또한 온 전압()인 경우 도 2b를 참조하면 회전 전극(25)이 풀 전극(50)에 접촉하기 전에 상기 가동 접촉전극(35)이 전송선(40)과 접촉되기 때문에 상기 온 전압은 문턱전압보다 낮게 된다. 따라서 회전각은 오프 전압일 때가 온 전압일 때보다 크다는 것을 알 수 있으며 상기 스위치의 동작 전압은 문턱전압보다 낮으면서 문턱전압에 가깝게 된다.

상기 동작 전압을 구하는 방법을 상술하면 하기와 같다. 본 발명에서 스위칭은 정전 토오크에 의하여 실행되므로, 동작 전압은 수학식2와 같이 정전토오크(Te)와 회전각() 사이의 작용관계로 나타낼 수 있다.

상기 수학식 2에서 V는 인가된 전압이고는 회전전극의 너비이며,는 기판에 고정된 전극(푸시/풀 전극)의 길이를 나타낸다. 상기식에서는-인 값을 나타낸다. 또한는 상기 회전전극과 접촉되고 절연물질로 이루어진 회전판의 두께이며,는 절연물질의 유전상수를 나타낸다. 평형상태에서 정전 토오크()는 복원 토오크(Tr)과 같으며 상기 복원 토오크는 하기 수학식3과 같이 표현된다.

상기에서는 비틀림 스프링의 길이이며 G는 시어(shear)계수이다. J는 상기 스프링의 관성 극 모멘트로서 하기 수학식4와 같이 표현된다.

여기서와는 비틀림 스프링 각각의 너비와 두께를 나타낸다. 상기 식들을 통해와 인가된 전압사이의 관계를 구할 수 있다.

상기 식들의 관계를 종합하면 하기 수학식5와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식5에서 동작 전압V가 작을 때 상기식의 해를 구할 수 있지만, 상기 동작 전압V가 문턱 전압보다 높을 때 상기 수학식5의 해는 존재할 수 없다. 이는 회전전극(25)이 문턱전압에서 순간적으로 내려가서 고정전극 중 푸시전극(45)(push electrode)과 접촉함을 의미한다.

상기 미세가공기술로 제조되는 초고주파 스위치를 디자인하기 위하여 스위칭 전압과 RF 특성이 우선적으로 고려되어야 하고, 낮은 동작 전압을 성취하기 위하여 동작 부분의 기하학적 수치들은 최적화되어야 한다. 또한 RF 특성을 좋게하기 위하여 가동 접촉부분(35)은 정밀하게 디자인되어야 한다.

상기 여러 가지 기하학적 수치값에 대한 문턱전압의 변화를 하기에서 살펴보자.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 다양한 스프링 너비()와 스프링 길이()에 따른 스위치의 문턱전압()의 값을 도시하는 그래프로서, 상기 도면을 참조하면 문턱전압은 스프링 길이()보다 스프링 너비()에 더 의존한다는 것을 나타낸다.

도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 다양한 초기 접촉전극(35)의 높이()와 스프링의 두께()에 따른 스위치의 문턱전압의 값을 도시하는 그래프로서, 상기 도면을 참조하면 회전 전극(25)과 고정전극들(45,50) 사이의 간격()이 낮은 동작 전압을 얻는데 있어 비틀림 스프링 두께()보다 더 많은 영향을 미친다는 것을 보여준다. 만약 푸시-풀 구성을 사용하지 않는다면, 오프 상태에서 접촉전극(35)과 전송선(40) 사이의 최고 거리()는 초기 높이()와 같게된다. 상기와 같은 경우,는 적당하게 RF 절연을 위하여 충분히 높아야 하며, 이때는 2마이크로 미터이고는 4마이크로미터일 때 문턱전압은 ~ 30V이다. 푸시-풀 구성은 같은 고립(절연)정도를 유지하면서도가 반이 줄어들 수 있게 허용하고 임계전압을 푸시-풀 형태가 없는 스위치의 약 1/3정도인 10V까지 줄일 수 있으며, 또한 상기 회전 작용을 하는 회전판(20)과 지레대(30)를 결합하므로서, 상기 푸시-풀 구성이 있는 스위치와 같은 정도의 고립도를 유지하면서를 더 줄일 수 있다. 상기에서가 2와 길이가 같고가 1마이크로미터일 때, 임계전압은 지레대(30)가 없는 푸시-풀 스위치경우에 비해 약 1/3정도인 3.5V로 낮춰진다.

도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 다양한 밑쪽 고정 전극(45,50)길이()와 위쪽 회전 전극(25)길이()에 따른 스위치의 문턱전압의 값을 도시하는 그래프로서, 도 4c를 참조하면 위쪽 회전 전극(25)길이()와 그 너비()가 증가할수록 문턱전압이 감소함을 알 수 있다. 또한/의 비율이 약 0.4보다 클 때 문턱전압은 큰 폭으로 감소되지 않음을 보여준다. 상기에서 스위치 각 부분의 치수가 스위치 동작에 많은 영향을 준다는 사실을 알 수 있듯이 상기 치수는 중요한 요인이며, 상기 본 발명에 의하여 제조된 스위치의 치수들은 하기 표 1에서 볼 수 있다.

파라미터	수치값 [㎛]
스프링 너비()	20
스프링 길이()	300
위쪽 회전 전극 너비()	100에서 400
위쪽 회전 전극 길이()	100에서 400
밑쪽 고정 전극 길이()	0.8lte
지레대 너비()	50
지레대 길이()	lte에서 3lte

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 미소 기전 푸시-풀 형태의 초고주파 스위치에서, 온 상태일 때의 RF모델을 나타내는 도면으로서, Cp는 상기 가동 접촉전극(35)과 위쪽 회전 전극(25) 사이에서 발생한 기생 커패시턴스를 나타낸다.

도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 초고주파 스위치에서, 오프 상태일 때의 RF모델을 나타내는 도면으로서, 도 5b를 참조하면 수직으로 결합된 커패시턴스(Cv)와 마이크로스트립 전송선 갭(MGap)에 의하여 발생된 커패시턴스가 병렬로 연결되어 있는 형태로 모델화되어 나타난다.

도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서, 온 상태일 때의 RF 특성값들을 나타내는 그래프로서, 4GHz에서 다양한 온-저항(Ron)과 기생 커패시턴스에서 계산된 삽입 손실을 나타낸다. Ron이 5오옴보다 클 때, 상기 Ron은 삽입 손실에서 유력한 인자가 되고 Ron이 5오옴보다 낮은 경우 상기 삽입손실은 주로 기생 커패시턴스에 의하여 결정된다.

도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서, 오프 상태일 때의 RF 특성값들을 나타내는 그래프로서, 4GHz에서 다양한 Cv와 상기 전송선(40) 갭(s)에서의 계산된 고립도(절연)을 나타낸다. Cv가 50fF보다 클 때 절연값은 Cv에 의하여 결정되고, Cv가 50fF보다 작을 때 상기 전송선(40) 갭(s)이 고립도(절연)에 영향을 주기 시작한다.

상술한 바와 같은 특성을 지닌 상기 가동 접촉부분(35)은 우수한 RF동작을 하기 위하여 주의깊게 디자인되어야 한다. 그리고 상기 접촉부분(35)이 증가할수록 Ron은 감소하고 Coff는 증가하며 상기 디자인된 접촉부분(35)은 90 × 90 마이크로미터 자승의 크기이다.

또한 상기 스위치 디자인에서 중요하게 다뤄야 할 것은 응력 조절에 관한 것이다. 상기 스위치의 전반적 구조가 잡아늘이는 힘인 텐실(tensile)응력(아래로 굽히는)을 가지면 절연성이 떨어진다. 또한 상기 스위치의 전반적 구조가 컴플레시브(compressive)응력(위로 굽히는)을 가지면 가동 접촉전극(35)과 전송선(40)간에 접촉은 풀(pull) 동작에서 생길 수 없다. Au로 도금된 판은 시어(shear) 계수가 작고 응력이 적당하기 때문에 주요 구성 레이어(layer)로 쓰인다. 상기 움직일 수 있는 전체 구조는 다층의 SiNx(200nm)으로 디자인되어 있고, 그 위에 Ti/Au(20/50nm)를 증착하고, 또한 Au(1.1마이크로미터)를 도금하므로써 응력을 보상한 구조로 디자인되어 있다. 컴플레시브(압축) 응력을 가진 SiNx는 적당한 텐실응력 경사를 가진 전기도금된 Au를 보상하기 위하여 삽입된다. 또한 상기 컴플레시브(압축) 응력을 가진 SiNx는 DC바이어스와 상기 가동 접촉전극(35) 사이의 절연층(20)으로 작용하고 상기 컴플레시브(압축) 응력을 가진 SiNx는 위쪽 회전 전극과 밑쪽 고정 전극사이에 단락이 되는 것을 방지한다. 상기에서 움직일 수 있는 구조의 총 두께는 1.4마이크로미터이다.

도 7는 본 발명에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치의 제조 과정을 나타낸 도면으로서, 도 7을 참조하면 기판(55)으로 반절연 물질인 GaAs가 사용되고, 또한 높은 저항을 가진 Si, alumina, 수정같은 것들이 다른 절연 또는 반절연 기판으로 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 스위치 제조 공정을 도 7에 도시된 순서에 따라 하기에 명시하면, 도 7a를 참조하면 도 1에 도시된 A-A'라인을 따라 상기 전송선(40)과 상기 밑쪽 고정(푸시/ 풀) 전극들(45,50)은 Ti/Au 시드(seed) 메탈의 상부에 Au를 도금하므로써 형성되고 상기 시드 메탈을 제거한다. 그리고 도 7b를 참조하면 A-A'라인을 따라 AZ5214 포토레지스트가 새크리피셜(Sacrificial) 층으로 뽑아내어지고 B-B'라인을 따라 고정축이 생길 자리의 윤곽이 뚜렷해지게 된다. 상기 포토리지스트는 다음 여러 공정들을 거치는 동안 상기 공정들을 견딜 수 있도록 섭씨 150도에서 다뤄진다. A-A'라인상에 형성된 상기 가동 접촉부분(35)은 Au/Ti(0.5/0.05마이크로미터) 증착과 습식 에칭에 의하여 형성된다. 그리고나서 도 7c를 참조하면 Au는 높은 전도성과 산화되지 않는 특성 때문에 선택되고, Ti는 Au와 SiNx를 접착시키기 위하여 삽입되고 도 7c에서 묘사되었던 움직일 수 있는 구조 전체가 형성된다. 도 7d를 참조하면 상기 포토레지스터를 제거하고 상기 그라운드(접지)(60)층인 Au층을 상기 움직일 수 있는 구조 뒤쪽에 도금하는 것을 끝으로 제조 공정 단계를 마치고 상기 구조는 릴리스된다. 상기 릴리스 공정에서 들러붙는 문제를 해결하기 위하여 O2 플라즈마 건식 에칭 방법을 실행한다. 그리고 상기 도면에서 가동 접촉전극(35)은 전송선 위 1마이크로미터 되는 곳에 떨어져 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 인가 전압에 따른 커패시턴스를 나타내는 그래프로서, 도 8을 참조하면 본 발명에 따라 제조된 상기 스위치의 위쪽 회전 전극(25)과 밑쪽 고정 전극들(45,50)사이의 커패시턴스-전압 측정치를 보여주며, 4V에서 커패시턴스가 급격하게 변화되는 것을 알 수 있다.

도 9은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에서 다양한 윗쪽 회전 전극(25) 길이()에 따른과값을 나타내는 그래프로서, 여러 가지에 대하여 상기 스위치의과값을 보여준다. 상기 도면에서은 3~14V이고는 5~16V로값이값보다 낮음을 알 수 있는데, 상기와 같이 낮은 작동 전압들은 상기 위쪽 회전 전극(25)과 밑쪽 고정 전극들(45,50)사이의 초기 갭(GAP)이 1마이크로미터로 작기 때문이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치의 다이나믹한 응답을 나타내는 도면으로서, 100Hz에서 상기 스위치의 다이나믹한 응답을 도시하였다. 푸시-풀이 없는 스위치 구성에서는 클로저(closure)시간과 릴리스(release)시간이 각각 0.5ms와 0.1ms이였으나 푸시-풀 구성 스위치에서는 클로저(closure)시간과 릴리스(release)시간 모두 0.6ms이다. 도 10에서 제어 신호는 풀 전극과 회전 전극 사이에 가해지는 신호이고, 그 때 전송선 입력에 DC 전류를 흘렸을 때, 전송선 출력에서 나오는 신호가 전송 신호이다. 즉, 제어신호가 "하이" 일 때는 온 상태가 되어 DC 전류가 전송되고, 제어신호가 "로우"일 때는 오프 상태가 되어 DC 전류가 전송되지 않는 것을 보여준다. 실제로는 전송 신호가 초고주파 신호이지만, 다이나믹 응답 특성을 보기 위해 DC 전류를 전송 신호로 한 것이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치의 온 상태 특징을 나타내는 도면으로서, 도 11을 참조하면 Ron과 Cp는 10오옴과 0.6pF로 각각 나타난다. 상기 삽입손실은 2데시벨보다 낮으며 4GHz에서 삽입손실을 0.1데시벨만큼 낮게 하기 위하여 Ron은 1오옴보다 작아야하고 Cp는 50fF보다 작아야한다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치의 오프 상태 특징을 나타내는 도면으로서, 도 12를 참조하면 바이어스되어 있지 않은 때, 고립도(isolation)는 17데시벨보다 크게 측정되고 푸시 동작때 고립도는 28데시벨 보다 크므로 약 10데시벨만큼 고립도가 향상된다. Cv는 제로 바이어스에서 60fF로 측정되고 푸시 동작에 의하여 상당히 감소되어 6fF까지 감소된다. 전체 Coff는 제로 바이어스에서 70fF로 계산되어지고 푸시 동작에 의하여 15fF까지 감소한다. 상기 전송선(40) 갭(s)는 20마이크로미터인데, 상기 갭이 커질수록 고립도는 더 커진다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구의 범위와 특허청구의 범위의 균등한 것에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 전송상태에서 삽입 손실이 작고, 비전송 상태에서 고립도가 높은 장점이 있다.

또한 본 발명은 낮은 전압에서 동작할 수 있는 장점이 있다.

Claims

기판과 고정전극 및 전송선으로 이루어진 몸체부와 고정축과 비틀림 스프링과 회전판과 회전전극과 지레대 및 가동 접촉전극으로 이루어진 스위치부로 구성된 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치에 있어서,

절연기판에 부착되고 다수 비틀림 스프링의 양 단중 각각의 일 단과 연결되어 상기 다수 비틀림 스프링을 지지고정하는 다수 고정축과,

상기 다수 비틀림 스프링 각각의 나머지 일 단에 연결되어 지지되고 고정전극들과 대향하는 회전판과,

상기 회전판 상부에 부착되어 있는 회전 전극과,

상기 회전판에 연결되어 가동접촉전극을 지지고정하는 지레대와,

상기 가동접촉전극과 대향하는 전송선을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제1항에 있어서, 상기 스위치부의 비틀림 스프링과 회전판 및 지렛대는 절연체인 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제1항에 있어서, 상기 고정전극들은 푸시 전극과 풀 전극인 푸시-풀 형태의미소 기전 초고주파 스위치.
제1항에 있어서, 상기 지레대 일부를 대향하고 절연기판에 고정된 휨전극이 있는 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제1항에 있어서, 상기 전송선 사이에 간극이 있는 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제1항에 있어서, 상기 전송선은 마이크로스트립 라인인 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제1항에 있어서, 상기 전송선은 코플레이너 웨이브가이드인 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제1항에 있어서, 상기 비틀림 스프링은 직선 모양인 미소 기전 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제1항에 있어서, 상기 비틀림 스프링은 요철 모양인 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
기판과 고정전극 및 전송선으로 이루어진 몸체부와 고정축과 비틀림 스프링과 회전판과 회전전극과 지레대 및 가동 접촉전극으로 이루어진 스위치부로 구성된 푸시-풀 형태의 초고주파 스위치에 있어서,

접지된 기판에 부착되어 초고주파 접지에 연결되고 다수 비틀림 스프링의 양 단중 각각의 일 단과 연결되어 상기 다수 비틀림 스프링을 지지고정하는 다수 고정축과,

상기 다수 비틀림 스프링 각각의 나머지 일 단에 연결되어 지지되고 고정전극들과 대향하는 회전판과,

상기 회전판 상부에 부착되어 있는 회전 전극과,

상기 회전판에 연결되어 가동접촉전극을 지지고정하는 지레대와,

상기 가동접촉전극과 대향하는 전송선을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제10항에 있어서, 상기 스위치부의 비틀림 스프링과 회전판 및 지렛대는 도체인 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제10항에 있어서, 상기 전송선 상부 가동 접촉전극과 대향하는 면에 유전체가 형성된 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제10항에 있어서, 상기 전송선은 마이크로스트립 라인인 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.
제10항에 있어서, 상기 전송선은 코플레이너 웨이브가이드인 푸시-풀 형태의 미소 기전 초고주파 스위치.