KR100485899B1 - 시소형 알에프 멤스 스위치 - Google Patents

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KR100485899B1 KR10-2003-0034938A KR20030034938A KR100485899B1 KR 100485899 B1 KR100485899 B1 KR 100485899B1 KR 20030034938 A KR20030034938 A KR 20030034938A KR 100485899 B1 KR100485899 B1 KR 100485899B1
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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Abstract

본 발명은 시소형 알에프 멤스 스위치에 관한 것으로, 상부에 앵커(101)가 형성되어 있으며, 양측 상부 각각에 압전 엑츄에이터가 형성된 캔틸레버(102)가 상기 앵커(101)의 상부 양측으로 각각 연장되어 있는 제 1 기판(100)과; 상기 제 1 기판(100) 상부의 양측부에 각각 고정된 한 쌍의 스페이서들(251,252)과; 상기 한 쌍의 스페이서들(251,252)에 부착된 제 2 기판(200)으로 구성하되, 상기 제 2 기판(200)에는 상호 이격된 한 쌍의 비아홀들(201,211)이 형성되고, 상기 비아홀들(201,211)에는 도전성물질(202,212)이 코팅되어 있고, 상기 도전성물질(202,212)과 각각 전기적으로 연결된 스위치 전극들(203,223)이 상기 제 1 기판(100)과 대향하는 제 2 기판(200) 하부에 형성되어 있고, 상기 스위치 전극들(203,223)의 사이 제 2 기판(200) 하부 중앙에는 앵커(220)가 형성되어 있고, 상기 앵커(220)의 하부의 양측부로 시소플레이트(221)가 연장되어 있고, 상기 시소플레이트(221) 양측 상부 각각에는 상기 스위치 전극들(203,223)과 대향하는 스위치 접점들(231,232)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 저전압으로도 큰 힘을 유발시켜 스위치 온 상태를 유지할 수 있으며, 접점의 분리특성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 구조에서는 추가적인 패키징 공정을 수행하지 않아도 되는 효과가 있다

Description

시소형 알에프 멤스 스위치 {Seesaw type RF MEMS switch}
본 발명은 시소형 알에프 멤스 스위치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저전압으로도 큰 힘을 유발시켜 스위치 온 상태를 유지할 수 있으며, 접점의 분리특성을 높일 수 있는 시소형 알에프 멤스 스위치에 관한 것이다.
1970년대부터 마이크로 스위치(Micro-switch)가 개발되었고, 최근에는 저전력 고주파 응용분야에 활용되는 알에프 멤스 스위치(RF MEMS switch)의 연구개발이 활발해지고 있다.
이러한, 멤스 스위치는 고체 상태 반도체 스위치(Solid-state semiconductor switch)에 비해, 수백 ㎛의 길이, 약 100㎛의 폭, 그리고 수 ㎛ 두께의 박막으로 제작할 수 있어 작고 집적화가 용이하다.
그리고, 멤스 스위치는 핀 다이오드(PIN diode)와 FET를 사용하는 고체 상태 반도체 스위치에 비해 기생 캐패시턴스 작기 때문에 오프(OFF) 상태에서의 높은 분리(Isolation) 특성을 보인다.
한편, 반도체 소자의 낮은 분리 특성을 개선하기 위해, 소자의 크기를 줄여 기생 캐패시턴스를 낮추면, 온(ON)-저항은 더욱 증가하게 되고, 그렇게 되면 결과적으로 높은 삽입손실(Insertion loss)을 갖게 된다.
보통, 알에프 멤스 스위치는 구동전력(Power)이 필요치 않은 정전압에 의해 구동되며, 이는 저 저항 상태(Low resistance state)를 유지하기 위해 전류를 지속적으로 흘려주어야 하는 고체 상태 스위치와 다른 중요한 차이점이다.
최근 발표된 멤스 스위치 중 정전력(Electrostatic) 방식은 전력소모가 거의 없고 구조가 간단하며 제조 공정이 간단하여 개발이 집중되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 정전력 방식의 알에프 멤스 스위치의 단면도로서, 기판(10) 상부에 지지된 지지부(11)와 상기 지지부(11)에 연장되어 상기 기판(10)으로부터 부상된 캔틸레버 빔(Cantilever beam)(12)과; 상기 캔틸레버 빔(12)의 상부에 형성된 전극(13)과; 상기 기판(10)의 상부에 형성된 그라운드 전극(14)으로 구성된다.
그리고, 상기 캔틸레버 빔(12)의 선단에는 접점 전극(16)이 형성되어 있고, 상기 접점 전극(16)과 대향되는 기판(10)의 상부에는 상대 접점 전극(15)이 형성되어 있다.
이렇게 구성된 종래 기술에 따른 알에프 멤스 스위치의 동작원리를 보면 일반 기계식 스위치와 같이 금속접점의 접촉에 의해 도통이 된다.
상기 캔틸레버 빔(12) 상부의 전극(13)과 그라운드 전극(14) 사이에 전압을 인가하면 정전력이 발생하여 상기 캔틸레버 빔(12)은 아래로 휘어져 상기 캔틸레버 빔(12)의 접점 전극(16)과 기판(10)의 상대 접점 전극(15)은 접점이 붙게 되어 온(ON)이 된다.
전압은 제거하면, 캔틸레버 빔(12)의 스프링 힘에 의해 원래 위치로 복원되면서 접점이 떨어져 오프 된다.
이러한 기존의 정전형 알에프 멤스 스위치의 경우에는 두 전극(13,14) 사이의 인력에 의해서 구동하기 때문에, 스프링 복원력이 저하되거나 접점에서의 접합 현상에 의해 스위치 전극(15,16)의 접점이 원활하게 분리되지 않는 단점이 있다.
또한, 복원력을 높이기 위해 캔틸레버의 강도를 높이면 스위치를 온(On)시키기 위한 구동전압이 높아지게 된다.
이러한 원활하지 못한 분리특성은 정전형 멤스 스위치의 신뢰성을 저하시키는 문제점을 야기시킨다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 저전압으로도 큰 힘을 유발시켜 스위치 온 상태를 유지할 수 있으며, 접점의 분리특성을 높일 수 있는 시소형 알에프 멤스 스위치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 상부에 앵커(101)가 형성되어 있으며, 양측 상부 각각에 압전 엑츄에이터가 형성된 캔틸레버(102)가 상기 앵커(101)의 상부 양측으로 각각 연장되어 있는 제 1 기판(100)과;
상기 제 1 기판(100) 상부의 양측부에 각각 고정된 한 쌍의 스페이서들(251,252)과;
상기 한 쌍의 스페이서들(251,252)에 부착된 제 2 기판(200)으로 구성하되, 상기 제 2 기판(200)에는 상호 이격된 한 쌍의 비아홀들(201,211)이 형성되고, 상기 비아홀들(201,211)에는 도전성물질(202,212)이 코팅되어 있고, 상기 도전성물질(202,212)과 각각 전기적으로 연결된 스위치 전극들(203,223)이 상기 제 1 기판(100)과 대향하는 제 2 기판(200) 하부에 형성되어 있고, 상기 스위치 전극들(203,223)의 사이 제 2 기판(200) 하부 중앙에는 앵커(220)가 형성되어 있고, 상기 앵커(220)의 하부의 양측부로 시소플레이트(221)가 연장되어 있고, 상기 시소플레이트(221) 양측 상부 각각에는 상기 스위치 전극들(203,223)과 대향하는 스위치 접점들(231,232)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시소형 알에프 멤스 스위치가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 상호 이격된 한 쌍의 앵커들(101a,101b)이 상부에 형성되어 있으며, 상부 각각에 압전 엑츄에이터가 형성된 캔틸레버(102a,102b)가 상호 대향되는 상기 앵커들(101a,101b)의 양측면에서 연장되어 있는 제 1 기판(100)과;
상기 제 1 기판(100) 상부의 양측부에 각각 고정된 한 쌍의 스페이서들(251,252)과;
상기 한 쌍의 스페이서들(251,252)에 부착된 제 2 기판(200)으로 구성하되, 상기 제 2 기판(200)에는 상호 이격된 한 쌍의 비아홀들(201,211)이 형성되고, 상기 비아홀들(201,211)에는 도전성물질(202,212)이 코팅되어 있고, 상기 도전성물질(202,212)과 각각 전기적으로 연결된 스위치 전극들(203,223)이 상기 제 1 기판(100)과 대향하는 제 2 기판(200) 하부에 형성되어 있고, 상기 스위치 전극들(203,223)의 사이 제 2 기판(200) 하부 중앙에는 앵커(220)가 형성되어 있고, 상기 앵커(220)의 하부의 양측부로 시소플레이트(221)가 연장되어 있고, 상기 시소플레이트(221) 양측 상부 각각에는 상기 스위치 전극들(203,223)과 대향하는 스위치 접점들(231,232)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시소형 알에프 멤스 스위치가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 또 다른 양태(樣態)는, 상부에 앵커(101)가 형성되어 있으며, 양측 상부 각각에 스위치 접점(151a,151b)과 압전 엑츄에이터가 형성된 캔틸레버(102)가 상기 앵커(101)의 상부 양측으로 각각 연장되어 있는 제 1 기판(100)과;
상기 제 1 기판(100) 상부의 양측부에 각각 고정된 한 쌍의 스페이서들(251,252)과;
상기 한 쌍의 스페이서들(251,252)에 부착된 제 2 기판(200)으로 구성하되, 상기 제 2 기판(200)에는 상호 이격된 한 쌍의 비아홀들(201,211)이 형성되고, 상기 비아홀들(201,211)에는 도전성물질(202,212)이 코팅되어 있고, 상기 도전성물질(202,212)과 각각 전기적으로 연결된 스위치 전극들(203,223)이 상기 제 1 기판(100)과 대향하는 제 2 기판(200) 하부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시소형 알에프 멤스 스위치가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위치의 단면도로서, 상부에 앵커(101)가 고정되어 있으며, 양측 상부 각각에 압전 엑츄에이터가 형성된 캔틸레버(102)가 상기 앵커(101)의 상부 양측으로 각각 연장되어 있는 제 1 기판(100)과; 상기 제 1 기판(100) 상부의 양측부에 각각 고정된 한 쌍의 스페이서들(251,252)과; 상기 한 쌍의 스페이서들(251,252)에 부착된 제 2 기판(200)으로 구성하되, 상기 제 2 기판(200)에는 상호 이격된 한 쌍의 비아홀(Via hole)들(201,211)이 형성되고, 상기 비아홀들(201,211)에는 도전성물질(202,212)이 코팅되어 있고, 상기 도전성물질(202,212)과 각각 전기적으로 연결된 스위치 전극들(203,223)이 상기 제 1 기판(100)과 대향하는 제 2 기판(200) 하부에 형성되어 있고, 상기 스위치 전극들(203,223)의 사이 제 2 기판(200) 하부 중앙에는 앵커(220)가 형성되어 있고, 상기 앵커(220)의 하부의 양측부로 시소플레이트(221)가 연장되어 있고, 상기 시소플레이트(221) 양측 상부 각각에는 상기 스위치 전극들(203,223)과 대향하는 스위치 접점들(231,232)이 형성되어 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위의 동작을 설명하면, 압전 엑츄에이터들에 전압을 인가하지 않은 상태에서는 두 스위치가 오프(OFF) 상태에 있거나 한 쪽이 온(ON) 되어 있다.
한 쪽 엑츄에이터에 전압을 인가하면, 위쪽으로 휘어져 시소플레이트(221)를 밀어 올리게 된다.
밀어 올려진 시소플레이트(221)의 스위치 접점(232)이 제 2 기판(200)에 형성된 전송선 스위치 전극(223)에 닿으면 온(ON) 된다.
그리고, 오프(OFF)시에는 압전 엑츄에이터에 인가된 전압을 제거하면 압전 엑츄에이터는 원래의 위치로 되돌아온다.
동일한 방법으로, 반대쪽 압전 엑츄에이터를 구동하면 반대쪽 스위치가 온(ON)되면서 시소플레이트의 온(ON) 되어 있던 스위치 접점이 오프(OFF) 된다.
여기서, 압전 엑츄에이터는 압전 박막에 전압을 걸어주면, 압전 엑츄에이터가 형성된 캔틸레버를 휘게 한다.
그리고, 상기 제 1과 2 기판(100,200)은 유리와 같은 절연체를 사용한다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예는 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)을 별도로 형성한 다음, 제 1과 2 기판(100,200)을 스페이서(251,252)로 접착시키면, 제조가 완료된다.
그리고, 압전 엑츄에이터는 하부전극/PZT 박막/상부전극으로 형성된다.
또한, 시소 플레이트는 전술된 바와 같이, 캔틸레버 형태나 또는 앵커에 형성된 힌지 형태로 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위치 단면도로서, 여기서는 도 2의 스위치와 달리, 제 1 기판(100)에 형성된 앵커가 상호 이격된 한 쌍의 앵커들(101a,101b)이며, 상부 각각에 압전 엑츄에이터가 형성된 캔틸레버(102)가 상기 앵커들(101a,101b) 각각의 상부에서 상기 제 2 기판(200)의 앵커(220)가 형성되어 있는 방향으로 연장되어 있다.
이러한 시소형 알에프 멤스 스위치는 압전 엑츄에이터의 최대 변위가 일어나는 끝 단면을 시소의 중앙쪽으로 방향을 바꾼 것으로 압전엑츄에이터의 작은 변위에도 시소가 구동될 수 있는 구조이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 멤스 시소형 알에프 스위치 단면도로서, 도 4에서는 제 2 기판(200)의 스위치 전극들(203,223)과 앵커(220)의 사이의 제 2 기판(200) 하부에는 정전형 전극들(241a,241b)이 각각 형성되어 있고, 상기 시소플레이트(221)에 있는 각각의 스위치 접접들(231,232)과 상기 앵커(220) 사이의 시소플레이트 상부에는 상기 정전형 전극들(241a,241b)에 대향되는 상대전극들(111a,111b)이 형성되어 있다.
도 4의 시소형 알에프 멤스 스위치는 전술된 바와 같이, 정전력 전극을 추가한 구조로서, 정전력은 두 전극이 가까울수록 커지기 때문에 도 4의 시소형 알에프 멤스 스위치는 접점의 압력을 증가시키고 온(ON) 상태를 유지하는데 매우 유리한 구조이다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위치 단면도로서, 도 2의 시소형 알에프 멤스 스위치와 비교하면, 제 2 기판(200)에 형성된 앵커, 시소플레이트와 스위치 접점들이 본 발명의 제 2 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위치에서는 형성되어 있지 않다.
즉, 본 발명의 제 4 실시예에서는 시소 구조를 제거하여, 구조를 단순화하였고, 앵커에 연장된 캔틸레버(102) 양측 상부에 스위치 접점(151a,151b)을 형성하여, 캔틸레버(102)에 형성된 엑츄에이터의 구동으로 상기 스위치 접점(151a,151b)은 제 2 기판(200)의 스위치 전극(203,223)에 접촉된다.
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위치 단면도로서, 도 5의 구조에서, 전술된 도 4와 동일하게 정전형 전극들(241a,241b)과 상대 전극들(111a,111b)을 추가로 형성한 것이다.
따라서, 본 발명은 저전압으로 캔틸레버에 형성된 압전 엑츄에이터를 동작시켜, 스위치를 온 또는 오프시킬 수 있는 장점이 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 저전압으로도 큰 힘을 유발시켜 스위치 온 상태를 유지할 수 있으며, 접점의 분리특성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 구조에서는 추가적인 패키징 공정을 수행하지 않아도 되는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 정전력 방식의 알에프 멤스 TM위치의 단면도
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위치의 단면도
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위치 단면도
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위치 단면도
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위치 단면도
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 시소형 알에프 멤스 스위치 단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200 : 기판 101,101a,101b,220 : 앵커
102 : 캔틸레버 111a,111b : 상대전극
151a,151b,231,232 : 스위치 접점 201,211 : 비아홀
202,212 : 도전성물질 203,223 : 스위치 전극
241a,241b : 정전형 전극 251,252 : 스페이서

Claims (6)

  1. 상부에 앵커(101)가 형성되어 있으며, 양측 상부 각각에 압전 엑츄에이터가 형성된 캔틸레버(102)가 상기 앵커(101)의 상부 양측으로 각각 연장되어 있는 제 1 기판(100)과;
    상기 제 1 기판(100) 상부의 양측부에 각각 고정된 한 쌍의 스페이서들(251,252)과;
    상기 한 쌍의 스페이서들(251,252)에 부착된 제 2 기판(200)으로 구성하되, 상기 제 2 기판(200)에는 상호 이격된 한 쌍의 비아홀들(201,211)이 형성되고, 상기 비아홀들(201,211)에는 도전성물질(202,212)이 코팅되어 있고, 상기 도전성물질(202,212)과 각각 전기적으로 연결된 스위치 전극들(203,223)이 상기 제 1 기판(100)과 대향하는 제 2 기판(200) 하부에 형성되어 있고, 상기 스위치 전극들(203,223)의 사이 제 2 기판(200) 하부 중앙에는 앵커(220)가 형성되어 있고, 상기 앵커(220)의 하부의 양측부로 시소플레이트(221)가 연장되어 있고, 상기 시소플레이트(221) 양측 상부 각각에는 상기 스위치 전극들(203,223)과 대향하는 스위치 접점들(231,232)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시소형 알에프 멤스 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 엑츄에이터는 하부전극/PZT 박막/상부전극으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시소형 알에프 멤스 스위치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 기판(200)의 스위치 전극들(203,223)과 앵커(220)의 사이의 제 2 기판(200) 하부에는 정전형 전극들(241a,241b)이 각각 더 형성되어 있고,
    상기 시소플레이트(221)에 있는 각각의 스위치 접접들(231,232)과 상기 앵커(220) 사이의 시소플레이트 상부에는 상기 정전형 전극들(241a,241b)에 대향되는 상대전극들(111a,111b)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시소형 알에프 멤스 스위치.
  4. 상호 이격된 한 쌍의 앵커들(101a,101b)이 상부에 형성되어 있으며, 상부 각각에 압전 엑츄에이터가 형성된 캔틸레버(102a,102b)가 상호 대향되는 상기 앵커들(101a,101b)의 양측면에서 연장되어 있는 제 1 기판(100)과;
    상기 제 1 기판(100) 상부의 양측부에 각각 고정된 한 쌍의 스페이서들(251,252)과;
    상기 한 쌍의 스페이서들(251,252)에 부착된 제 2 기판(200)으로 구성하되, 상기 제 2 기판(200)에는 상호 이격된 한 쌍의 비아홀들(201,211)이 형성되고, 상기 비아홀들(201,211)에는 도전성물질(202,212)이 코팅되어 있고, 상기 도전성물질(202,212)과 각각 전기적으로 연결된 스위치 전극들(203,223)이 상기 제 1 기판(100)과 대향하는 제 2 기판(200) 하부에 형성되어 있고, 상기 스위치 전극들(203,223)의 사이 제 2 기판(200) 하부 중앙에는 앵커(220)가 형성되어 있고, 상기 앵커(220)의 하부의 양측부로 시소플레이트(221)가 연장되어 있고, 상기 시소플레이트(221) 양측 상부 각각에는 상기 스위치 전극들(203,223)과 대향하는 스위치 접점들(231,232)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시소형 알에프 멤스 스위치.
  5. 상부에 앵커(101)가 형성되어 있으며, 양측 상부 각각에 스위치 접점(151a,151b)과 압전 엑츄에이터가 형성된 캔틸레버(102)가 상기 앵커(101)의 상부 양측으로 각각 연장되어 있는 제 1 기판(100)과;
    상기 제 1 기판(100) 상부의 양측부에 각각 고정된 한 쌍의 스페이서들(251,252)과;
    상기 한 쌍의 스페이서들(251,252)에 부착된 제 2 기판(200)으로 구성하되, 상기 제 2 기판(200)에는 상호 이격된 한 쌍의 비아홀들(201,211)이 형성되고, 상기 비아홀들(201,211)에는 도전성물질(202,212)이 코팅되어 있고, 상기 도전성물질(202,212)과 각각 전기적으로 연결된 스위치 전극들(203,223)이 상기 제 1 기판(100)과 대향하는 제 2 기판(200) 하부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시소형 알에프 멤스 스위치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 기판(200)의 스위치 전극들(203,223)과 앵커(220)의 사이의 제 2 기판(200) 하부에는 정전형 전극들(241a,241b)이 각각 더 형성되어 있고,
    상기 시소플레이트(221)에 있는 각각의 스위치 접접들(231,232)과 상기 앵커(220) 사이의 시소플레이트 상부에는 상기 정전형 전극들(241a,241b)에 대향되는 상대전극들(111a,111b)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시소형 알에프 멤스 스위치
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