KR100480776B1 - 마이크로 스위칭 소자 - Google Patents

Abstract

마이크로 스위칭 소자에 관해 개시된다. 개시된 마이크로 스위칭 소자는:

상기 기판의 상방에 위치하는 스테이지의 네모서리로 부터 기판에 평행하게 연장되는 것으로 임의의 y방향에 나란한 방향으로 연장되는 부분을 가지는 다수의 제1스프링과; 상기 스테이지의 중심부를 통과하는 y 방향의 임의의 직선상에서 상기 스테이지의 대향된 양 변에 각각 인접하여 설치되는 2개의 앵커와; 상기 x 방향에 직교하며 기판에 나란한 x 방향으로 연장되며, 그 중간부분이 상기 각 앵커에 의해 지지되며, 그 양단이 해당 앵커에 인접하는 스테이지의 각 변의 양측으로 부터 연장되는 제1스프링들의 선단부에 연결되는 제2스프링을 구비한다. 따라서, 마이크로 스위칭 소자는 구조적으로 열적변형에 대해 매우 강하고, 이와 아울러 그 구조물의 x 축으로의 강성이 종래에 비해 매우 높다.

Description

마이크로 스위칭 소자{Micro switching device}

본 발명은 마이크로 스위칭 소자에 관한 것으로, 상세히는 정전기력을 이용하는 MEMS(Micro Electro-Mechanic System)구조의 마이크로 스위칭 소자에 관한 것이다.

정전기력을 이용하는 MEMS 구조의 종래 마이크로 스위칭 소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(1)의 상방에 구동스테이지(2)가 위치하며, 스테이지(2)는 그 네 모서리로 부터 연장되는 스프링(3) 및 이를 지지하는 앵커(4)에 의해 지지된다.

상기 스테이지(2)는 양측의 구동전극(2a, 2b) 및 이들 사이에 개재되는 접점부(2c)를 구비한다. 상기 구동전극(2a, 2b)의 하부에는 고정전극(5a, 5b)와 위치하고, 상기 상기 접점부(2c)의 하부에는 스위칭을 위한 시그널 라인(6a, 6b)가 위치하며, 상기 접점부(2c)의 하부에서 상기 시그널 라인(6a, 6b)의 내단부가 소정 간격을 두고 배치된다.

상기와 같은 스위칭 소자는 상기 고정전극(5a, 5b)와 구동전극(2a, 2b) 간의 정전기력에 의해 스테이지(2)가 상기 기판(1)의 수직인 Z 방향으로 움직이고, 이때에 상기 스테이지(2)가 기판(1)측으로 이동하였을 때에 상기 접점부(2c)가 상기 양 시그널 라인(6a, 6b)에 공히 접촉되어 양 시그널 라인(6a, 6b)간의 통전을 허용한다.

도 2는 상기와 같은 구조의 종래 스위칭 소자에 있어서, 상기 기판(1)의 상방에 위치하는 스테이지(2), 스테이지(2)의 네 모서리로 부터 연장되는 스프링(3) 및 이를 지지하는 앵커(4)의 평면적 구조를 보인다. 상기 스테이지(2) 및 스프링(3)은 금속에 의해 일체적으로 형성된다.

이상과 같은 종래 스위칭 소자는 결점은 전극간의 정전기력에 의해 상기 스테이지가 동작할때에, 외부로부터 가해지는 열에 의해 상기 스테이지 및 스프링의 열팽창이 발생될 때에 스프링에서 소성변형이 야기되고, 따라서, 스테이지가 기판에 대해 나란한 임의 평면에 존재하기 않고 그리고 설계된 높이에 위치하지 않게 되는 좌굴에 의해 Z 방향으로 비정상적인 큰 변위가 발생된다는 것이다.

이는 금속으로 된 스테이지 및 스프링에 비해 열팽창률이 매우 작은 기판(1)에 앵커(4)가 고정되어 있고, 따라서 기판(1)에 고정된 앵커(4)들 간의 거리는 거의 변하지 않은 반면에 열팽창률이 매우 큰 스프링 및 스테이지는 크게 열팽창하게 됨으로써 야기된다. 스프링과 스테이지의 큰 열팽창은 결국 스테이지와 스프링 간의 연결 부분 및 앵커와 스프링 간의 연결부분에서 큰 응력이 발생되는데, 이 응력은 소성변형을 일으키는 항복응력이상으로 발생되고, 따라서 상기와 같은 부분에서 영구변형이 일어나게 된다.

도 3은 상기와 같은 200℃의 열을 가했을 때, 열변형에 따른 스테이지 및 스프링에서의 응력 분포를 보인다. 도 3에서 다른 부분에 비해 밝게 보이는 부분이 응력이 크게 집중된 부분을 나타내고 그 밝기가 응력의 크기를 나타낸다.

이상과 같은 스테이지의 비정상적인 변위에 따라서, 예를 들어 기판으로부터 스테이지가 비정상적으로 멀어졌거나 한쪽으로 기울어져 있는 경우 스위칭동작이 일어날 수 없게 되며, 반면에 기판측으로 가깝게 내려않은 경우 스테이지의 접점부가 상기 양 시그널 라인에 영구 접촉되게 되는 문제가 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 열팽창에 의한 스테이지의 비정상적인 변위를 효과적으로 억제할 수 있는 마이크로 스위칭 소자를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

기판과,

상기 기판의 상방에 위치하는 스테이지와;

상기 스테이지의 하부에 위치하는 고정전극과;

상기 스테이지에 의해 스위칭되는 적어도 2 시그널 라인과;

상기 스테이지의 네모서리로 부터 기판에 평행하게 연장되는 것으로 임의의 y방향에 나란한 방향으로 연장되는 부분을 가지는 다수의 제1스프링과;

상기 스테이지의 중심부를 통과하는 y 방향의 임의의 직선상에서 상기 스테이지의 대향된 양 변에 각각 인접하여 설치되는 2개의 앵커와;

상기 x 방향에 직교하며 기판에 나란한 x 방향으로 연장되며, 그 중간부분이 상기 각 앵커에 의해 지지되며, 그 양단이 해당 앵커에 인접하는 스테이지의 각 변의 양측으로 부터 연장되는 제1스프링들의 선단부에 연결되는 제2스프링을 구비하는 마이크로 스위칭 소자가 제공된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1스프링은 y방향으로 연장되는 부분과 x방향으로 연장되는 부분을 공히 가지는 "ㄷ" 형 또는 "ㄹ" 형으로 형성되며, 다른 실시예에 따르면, 상기 제1스프링은 상기 스테이지의 각 모서리로 부터 상기 y 방향으로 연장되는 부분 만을 가지며, 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1스프링은 상기 스테이지의 각 모서리로 부터 상기 y 방향으로 연장되는 부분 만을 가지되, 상기 각 제2스프링의 양단에 연결되는 제1스프링의 사이에 상기 제1스프링과 나란한 방향으로 연장되며 스테이지의 일측변으로 부터 상기 제2스프링의 중간부분으로 연결되는 적어도 하나의 제3스프링을 구비한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자의 제1실시예를 개략적으로 도시한다. 기판(10)의 상방에 구동스테이지(20)가 위치하며, 스테이지(20)에는 제1스프링(31)이 연결되어 있고, 제1스프링(31)은 그 중간 부분이 앵커(40)에 의해 지지되는 제2스프링(32)에 연결되어 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1스프링(31)은 스테이지(20)의 4 모퉁이로 부터 연장되는 것으로 제1방향으로 연장되는 부분 및 y 방향에 직교하는 x 방향으로 연장되는 부분을 가지는 "ㄷ" 형 또는 "ㄹ" 형이다. 스테이지(2)의 한변에서 동방향으로 연장되는 인접하는 양 제1스프링(31)은 스테이지(20)의 인접하는 변에 나란한 x 방향으로 연장되며 그 중간 부분이 앵커(40)에 의해 지지되는 제2스프링(32)의 양단에 연결된다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 스테이지(20)는 종래의 구조에서와 같이 양측의 구동전극(20a, 20b) 및 이들 사이에 개재되는 접점부(20c)를 구비한다. 상기 구동전극(20a, 20b)의 하부에는 도 4에 도시된 바와 같이, 고정전극(50a, 50b)와 위치하고, 상기 상기 접점부(20c)의 하부에는 스위칭을 위한 시그널 라인(60a, 60b)가 위치하며, 상기 접점부(20c)의 하부에서 상기 시그널 라인(60a, 60b)의 내단부가 소정 간격을 두고 배치된다.

위의 구조에서 스테이지(20), 제1스프링(31), 제2스프링(32)은 금속에 의해 일체적으로 형성된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 스위칭 소자는 종래 스위칭 소자와 같이 상기 고정전극(50a, 50b)와 구동전극(20a, 20b) 간의 정전기력에 의해 스테이지(20)가 상기 기판(10)의 수직인 Z 방향으로 움직이고, 이때에 상기 스테이지(20)가 기판(10)측으로 정전기력에 의한 인력에 의해 이동하였을 때에 상기 접점부(20c)가 상기 양 시그널 라인(60a, 60b)에 공히 접촉되어 양 시그널 라인(60a, 60b)간의 통전을 허용한다.

일반적으로 상기 스테이지(20)의 동작전압, 즉 스위칭에 필요한 스위칭 작동전압(V)을 아래의 식 1로 정의된다.

위의 수학식 1에서 g 는 고정전극과 스테이지(구동전극0간의 거리를 의미하며, A는 구동전극과 고정전극의 교차부 면적, Ks 는 스테이지 및 스프링의 z 방향의 강성을 나타낸다. 그러므로 같은 g, A, Ks 를 적용하게 되면 앵커의 개수가 달라지더라도 작동전압(V)는 변하지 않는다. 반면에 스프링을 y 방향의 제1스프링과 x 방향의 제2스프링의 구조를 가지기 때문에 y 방향으로의 구조물의 전체 길이가 짧아 지게 된다.

도 6은 상기와 같은 구조의 본 발명에 따른 스위칭 소자에 있어서, 200℃로 가열된 스테이지(20), 제1스프링(31) 및 제2스프링(32)의 열적변형에 따른 구조물의 변형 및 응력 분포를 보인다. 도 6에서 밝게 도시된 부분에서와 같이, 큰 응력이 앵커와 제2스프링(32)의 연결부분에서 나타난다. 시뮬레이션에 의하면 상기 연결부분에서의 응력은 상기 제2스프링의 항복응력이하의 값을 나타내었다. 즉, 이는 비록 열적인 변형에 의해 제2스프링(32)에 집중적인 응력이 발생되어도 이 응력이 제2스프링(32)이 소성변형을 일으킬수 있는 정도의 크기를 가지지 않고, 따라서 제2스프링(32)은 다시 탄성복원을 할 수 있게 되어 정상적인 변위를 가지게 된다는 것을 의미한다. 즉, 종래의 기술에서 설명된 종래 마이크로 스위칭 소자에 비해 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자가 열변형에 강한 특성을 가진다.

또한, 도 3을 통해 설명된 종래의 마이크로 스위칭 소자는 4개의 앵커 간의 거리는 거의 변하지 않는 스테이지 및 스프링을 포함하는 구조물이 팽창하기 때문에 스프링 전체와 판구조물 일부에까지 변형이 발생하는 것을 볼 수 있고, 특히 응력이 항복응력 이상의 값을 가진다. 그러나, 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자는 앵커와의 제2스프링간의 연결부위에서만 약간의 변형과 응력이 발생하는데, 이는 스테이지 및 스프링을 포함하는 구조물이 제2방향으로 아무리 많이 팽창하더라도 본 발명의 마이크로 스위칭 소자의 경우 그 구조물에 아무런 구속이 작용하지 않기 때문이다.

도 7 및 도 8은 제2방향의 하중에 대한 구조물 변형을 나타낸 것으로서 도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 종래 마이크로 스위칭 소자를 나타내며, 도 8은 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자를 나타낸다. 도 7과 도 8에 비교도시된 바와 같이, 제2방향으로 같은 하중을 부여했을 때 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자의 경우는 전체적으로 변형이 작은 반면 종래의 마이크로 스위칭 소자는 그 변형량이 상대적으로 크다. 이는 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자가 종래의 마이크로 스위칭 소자에 비해 제2방향으로의 강성이 크다는 것을 의미한다.

도 9a 내지 도 11b는 상기와 같은 본 발명의 기술적 개념을 토대로 한 스테이지 및 스프링에 한 구조물의 다양한 변형례를 보인다.

도 9a 내지 도 9c에 도시된 구조물은 스테이지(21)가 단순한 사각형상이며, 이로 부터 연장되는 제1스프링(31a)은 y 방향의 성분을 가진다. 여기에서 도 9b에 도시된 구조물은 제1스프링(31a)에 나란한 제3스프링(33)이 양 제1스프링(31a, 31a)의 사이에 위치하는 구조를 보인다. 여기에서 상기 스테이지(21)는 형상에 있어서 차이가 있을 뿐 전술한 바와 같은 요소, 즉 구동전극, 접점부에 대응하는 부분을 가진다.

도 10a 내지 도 10c에 도시된 구조물은 스테이지(22, 22', 22")가 전술한 실시예에서 설명된 구조와 외형적으로 동일하거나 유사한 구조를 가지며, 이로 부터 연장되는 제1스프링(31a)은 y 방향의 성분만을 가진다. 여기에서 도 10b에 도시된 구조물은 제1스프링(31a)에 나란한 제3스프링(33)이 양 제1스프링(31a, 31a)의 사이에 위치하는 구조를 보인다.

그리고, 도 11a 및 도 11b에 도시된 구조물은 스테이지(21)가 단순사각형상이며, 이로 부터 연장되는 제1스프링(34)는 x 방향의 성분(34b)과 y 방향의 성분(34a)을 가진다. 여기에서 도 11b에 도시된 구조물은 상기 양 제1스프링(34)의 사이에 x방향으로 연장되는 두개의 제3스프링(33)이 소정 간격을 두고 배치되는 구조를 가진다.

상기와 같은 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자는 구조적으로 열적변형에 대해 매우 강하고, 이와 아울러 그 구조물의 강성이 종래에 비해 매우 높다. 따라서, 본 발명의 마이크로 스위칭 소자는 종래의 마이크로 스위칭 소자에 비해 열변형 및 외부 하중에 따른 변형이 매우 작게 나타난다.

이러한 본 발명의 마이크로 스위칭 소자는 종래의 마이크로 스위칭 소자에 비해 신뢰성이 매우 높다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래 마이크로 스위칭 소자의 개략적 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 종래 마이크로 스위칭 소자에서, 스테이지와 스프링에 의한 구조물의 평면 구조를 보인다.

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 종래 마이크로 스위칭 소자의 열변형에 따른 구조물의 변형 및 이에 따른 응력 분포를 보인 시뮬레이션 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자의 제1실시예의 개략적 사시도이다.

도 5는 도 4에 도시된 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자에서 스테이지와 스프링에 의한 구조물의 평면구조를 보인다.

도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자의 열변형에 따른 구조물의 변형 및 이에 따른 응력 분포를 보인 시뮬레이션 도면이다.

도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 종래 마이크로 스위칭 소자에서 x방향으로의 하중이 가해졌을 때의 구조물의 변형 상태를 보이다.

도 8은 도 4 및 도 5에 도시된 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자에서 x방향으로의 하중이 가해졌을 때의 구조물의 변형 상태를 보인다.

도 9a 내지 도 11b는 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자의 다양한 변형례를 보이는 것으로서, 앵커에 의해 지지되는 스테이지 및 이에 연결되는 스프링들에 의한 구조물을 도시한다.

Claims (5)

1. 기판과,

   상기 기판의 상방에 위치하는 스테이지와;

   상기 스테이지의 하부에 위치하는 고정전극과;

   상기 스테이지에 의해 스위칭되는 적어도 2 시그널 라인과;

   상기 스테이지의 네모서리로 부터 기판에 평행하게 연장되는 것으로 임의의 y방향에 나란한 방향으로 연장되는 부분을 가지는 다수의 제1스프링과;

   상기 스테이지의 중심부를 통과하는 y 방향의 임의의 직선상에서 상기 스테이지의 대향된 양 변에 각각 인접하여 설치되는 2개의 앵커와;

   상기 x 방향에 직교하며 기판에 나란한 x 방향으로 연장되며, 그 중간부분이 상기 각 앵커에 의해 지지되며, 그 양단이 해당 앵커에 인접하는 스테이지의 각 변의 양측으로 부터 연장되는 제1스프링들의 선단부에 연결되는 제2스프링을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1스프링은 y방향으로 연장되는 부분과 x방향으로 연장되는 부분을 공히 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1스프링은 상기 스테이지의 각 모서리로 부터 상기 y 방향으로 연장되는 부분 만을 가지 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1스프링은 상기 스테이지의 각 모서리로 부터 상기 y 방향으로 연장되는 부분 만을 가지되, 상기 각 제2스프링의 연결되는 양 제1스프링의 사이에 상기 y 방향으로 연장되며 스테이지의 일측변으로 부터 상기 제2스프링의 중간부분으로 연결되는 적어도 하나의 제3스프링을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 각 제2스프링의 연결되는 양 제1스프링의 사이에 y 방향으로 연장되며 스테이지의 일측변으로 부터 상기 제2스프링의 중간부분으로 연결되는 적어도 하나의 제3스프링을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.