KR100513715B1 - 마이크로 스위칭 소자 - Google Patents

Abstract

마이크로 스위칭 소자에 관해 개시된다. 개시된 마이크로 스위칭 소자는:

기판의 상면에 소정 간격을 두고 상호 대향하도록 배치되며, 제1방향으로 연장되는 제1, 제2고정콤전극과; 상기 제1, 제2고정콤전극의 각각에 대응하게 나란히 배치되는 제1,제2구동콤전극과; 상기 제1방향에 직교하는 방향으로 연장되어 그 양단이 상기 제1, 제2구동콤전극에 연결되어 있는 것으로 그 중간부분에 적어도 하나의 접점부가 마련된 구동빔과; 상기 구동빔의 접점부에 이동방향에 위치하여 접점부에 의해 스위칭이 일어나는 제1, 제2접촉단자를; 구비함으로써 수평방향의 거동에 의한 스위칭 동작이 이루어 지도록 되어 있다. 따라서, 콤-드라이브의 구동원리를 적용하되 이 구조에서 구동빔에 대한 스프링 기능이 부여됨으로써 스프링에 의한 유연성과 콤-드라이브의 큰 정전기력을 함께 이용할 수 있고, 업/다운(Up/Down) 구동 방식의 종래의 마이크로 스위칭 소자의 결점인 점착 현상을 원천적으로 방지할 수 있다.

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 변형이 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 변형에 따라서, 예를 들어 기판으로부터 스테이지가 비정상적으로 멀어졌거나 한쪽으로 기울어져 있는 경우 스위칭동작이 일어날 수 없게 되며, 반면에 기판측으로 가깝게 내려 앉은 경우 스테이지의 접점부가 상기 양 시그널 라인에 영구 접촉되게 되는 문제가 발생된다.

상기한 종래 마이크로 스위칭 소자는 상기한 바와 같은 비정상적인 영구변형이 일어나지 않는다하여도 스테이지가 기판에 들어 붙는 스틱킹(sticking)현상에 의해 스위칭 소자로서의 기능을 상실할 가능성이 있다. 이러한 스티킹 현상은 수 마이크로미터의 간격을 유지하는 스테이지와 기판 사이에 습기나 제조공정시 발생된 이물질 등에 의해 일어나게 된다.

상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 제1의 목적은 구조적으로 구조물의 비정상적인 변형에 의한 스위칭 동작의 불능화를 효과적으로 억제할 수 있는 마이크로 스위칭 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 응답속도가 빠르고, 그리고 안정적인 스위칭 동작이 가능한 마이크로 스위칭 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 제3의 목적은 확장된 스위칭 기능을 가지는 마이크로 스위칭 소자를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

기판과,

상기 기판의 상면에 소정 간격을 두고 상호 대향하도록 배치되며, 제1방향으로 연장되는 제1, 제2고정콤전극과;

상기 제1, 제2고정콤전극의 각각에 대응하게 나란히 배치되는 제1,제2구동콤전극과;

상기 제1방향에 직교하는 방향으로 연장되어 그 양단이 상기 제1, 제2구동콤전극에 연결되어 있는 것으로 그 중간 부분에 적어도 하나의 접점부가 마련된 구동빔과;

상기 구동빔의 접점부에 이동방향에 위치하여 접점부에 의해 스위칭이 일어나는 제1, 제2접촉단자와;

상기 접촉단자의 각각에 전기적으로 시그널라인들을; 구비하는 마이크로 스위칭 소자가 제공된다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면,

기판과,

상기 기판의 상방에 소정 높이로 소정 간격을 두고 상호 대향 하도록 배치되며, 제1방향으로 연장되는 두 구동콤전극과;

상기 구동콤전극의 각각의 양측에 마련되는 고정콤전극과;

상기 제1방향에 직교하는 방향으로 연장되어 그 양단이 상기 양 구동 콤 전극에 연결되어 있는 것으로 그 중간 부분에 적어도 하나의 접점부가 마련된 구동빔과;

상기 구동빔의 접점부에 이동방향에 위치하여 접점부에 의해 스위칭이 일어나는 제1, 제2접촉단자와;

상기 접촉단자의 각각에 전기적으로 시그널라인들을; 구비하는 마이크로 스위칭 소자가 제공된다.

상기 본 발명들의 실시예에 따르면, 상기 구동콤전극은 상기 제1방향으로 연장되는 부분과 제1방향에 직교하는 제2방향으로의 부분을 가지는 "ㄹ" 형의 스프링 형상을 가짐으로써, 상기 고정콤전극과의 정전기력에 의해 인력에 의해 상기 구동빔을 그 길이 방향으로 이동시킴과 아울러 그 자체의 탄성력에 의해 소정형상으로 변형 및 복원된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 구동 빔에는 상기 접점부가 소정 간격을 두고 2개가 마련되며, 각 접점부에는 구동빔의 이동방향에 따라 선택적으로 전기적으로 스위칭이 일어나는 상호 대응하는 제1, 제2접촉단자가 각각 배치된다. 여기에서 양 접점부의 제1접점부가 전기적으로 연결됨으로써 상기 두 접점부에 의해 1:2 셀렉터 스위치로서 작용하게 된다.

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 양측에 제1방향(y)으로 연장되며 제2방향(x)으로 연장되는 빗살형 단위 전극(11a')은 빗살모양의 제1, 제2 고정 콤(comb) 전극(11a, 11b)이 상호 대향 하는 방향으로 소정 간격을 두고 나란히 배치된다. 상기 제1, 제2 고정 콤 전극(11a, 11b)의 각 안쪽에는 각각에 대응하는 빗살 모양의 구동 콤 전극(12a, 12b)이 배치된다. 상기 구동콤전극(12a, 12b)도 역시 빗살형 단위 전극(12a', 12b')을 구비하며, 이들 빗살형 단위 전극(12a', 12b')의 상기 고정콤전극(11a, 11b)의 단위 전극(11a', 11b')과 교호적으로 배치된다.

상기 구동 콤 전극(12a, 12b)의 양단은 기판에 고정된 상태이며 그 나머지 부분은 일반적인 구동콤전극과 같이 기판(10)의 표면으로부터 떠 있는 상태이다.

상기 구동 콤 전극(12a, 12b)의 중간 부분은 구동빔(13)에 의해 연결되어 있다. 구동빔(13)의 중간 부분에는 접촉부(14)가 마련되며, 기판(10) 상에는 상기 접촉부(14)에 의해 전기적 온/오프 스위칭 동작이 일어나는 제1, 제2접촉단자(15a, 15b)가 마련된다. 상기 제1, 제2접촉단자(15a, 15b)는 기판(10) 상에 형성되는 제1, 제2시그널 라인(16a, 16b)에 각각 연결되어 있다.

도 5는 도 4에 도시된 실시예 1의 마이크로 스위칭 소자에는 구동콤전극의 구조가 변형된 제2실시예의 평면도이다.

도 5를 참조하면, 구동콤전극(121)은 제1방향(y)과 제2방향(x)으로 번갈아가며 연장되는 "ㄷ" 형 또는 "ㄹ"형 단위 전극(121a', 121b')을 구비한다. 이에 대응하는 고정 콤 전극(11a, 11b)의 단위 전극(11a', 11b')이 상기 구동콤전극(121) 의 단위 전극(121a', 121b')의 사이로 진입하여 있다. 그나머지 부분에 있어서는 전술한 실시예 1에서 설명된 구조와 사실상 동일하다.

상기와 같은 구조를 가지는 제1실시예와 제2실시예의 마이크로 스위칭 소자는 상기와 같은 콤 전극 구조에 의해 상기 구동빔(13)이 그 길이 방향으로 왕복이동하게 되고 이때에 구동빔(13)의 중간부분에 마련된 접촉부(14)가 상기 제1, 제2접속단자(15a, 15b)에 접촉 또는 분리됨으로써 상기 제1, 제2시그널라인(16a, 16b)간의 전기적 신호의 온/오프가 일어나게 된다. 이러한 온/오프 동작은 제1, 제2 고정콤전극 및 이들 각각에 대응하는 제1, 제2구동콤전극의 선택적인 정전인력의 발생에 의해 나타난다. 도 4 및 도 5에서, 좌측의 제1고정콤전극 및 이에 대응하는 제1구동콤전극에 소정 전위의 전압(일반적으로 DC 3V)이 인가되어 구동빔(13)이 도면에서 좌측으로 이동하는 상태를 보이며, 아직 접촉부(14)가 제1, 제2접촉단자(15a, 15b)에 접촉되지 않은 상태를 보인다.

상기 구동콤전극(12a, 12b, 121a, 121b)는 그 양단이 기판(10)에 고정된 상태에 있으므로 그 들의 중간부분의 변형이 그 양측의 가자장리 부분에 비해 크게 나타나게 되는 스프링의 역할을 하게 된다. 도 6a 는 도 4에 도시된 구동 콤 전극(12)의 변형상태를 보이며, 도 6b는 도 5에 도시된 구동콤전극(12)의 변형상태를 보인다. 도 6a 및 도 6b에서, 금(Au)으로 된 구동 콤 전극(12, 121)의 길이가 500마이크로 미터일때에 10마이크로 뉴튼의 힘이 가해졌을 때, 도 6a 도시된 구동 콤 전극(12)의 변위는 0.9 마이크로 미터, 도 6b에 도시된 구동 콤 전극(121)은 2.4 마이크로미터의 변위를 보였다. 이러한 스프링은 결과적으로 구동빔(13)의 접촉부(14)와 제1, 제2접속단자(15a, 15b)간의 충격을 완화함과 동시에 구동빔(13)의 정상(normal) 위치로의 신속한 복원이 가능하게 한다. 바람직하기로는 도 5에 도시된 실시예 2의 "ㄹ" 형의 구동콤전극을 적용하는 것이 위와 같은 스프링 역활의 관점에서 유리하다. 즉 실시예 2는 같은 힘을 주었을때 변위가 크므로 상대적으로 낮은 구동 전압특성을 가진다.

전술한 실시예 1 및 2의 스위칭 소자는 단순 온/오프용이며, 이하에서는 선택적 스위치가 가능한 즉 전기적 셀렉터 스위치로서 동작하는 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자로서 제 5와 함께 설명된 제2실시예의 구조가 응용된 실시예 3이설명되며, 앞의 실시예에서 설명된 부분은 더 이상 설명되지 않는다.

도 7을 참조하면, 양측의 제1구동콤전극(121a)과 제2구동콤전극(121b)에 그 양단이 고정된 구동빔(13)의 중간 부분에 제1, 제2접촉부(14a, 14b)가 소정 간격으로 형성되어 있다. 그리고 제1, 제2접촉부(14a, 14b)의 각 바깥쪽에는 이에 의해서 스위칭되는 접속단자(151a, 151b)(152a, 152b)가 위치한다. 제1, 제2접촉부(14a, 14b)에 대응하는 각 조의 접속단자(151a, 151b)(152a, 152b)는 구동빔(13)의 이동방향에 따라 선택적으로 스위칭된다. 도 7에서는 구동빔(13)이 중립의 위치, 즉 정상 오프 상태(normal off)에 위치해 있어서, 각조의 접속단자(151a, 151b)(152a, 152b)가 모두 전기적으로 오프인 상태를 도시한다. 이와 같은 상태에서, 도 7에 도시된 바와 같이 좌측의 제1고정 콤 전극(11a)과 제1구동콤전극(121a)에 소정 전위의 직류 전압이 인가되면 이들 간의 정전인력에 의해 상기 구동빔(13)이 좌측으로 이동하고 따라서, 도면에서 좌측방향에 있는 접속단(151a, 151b)가 전기적으로 접속된다. 그리고 반대로 도면에서 우측에 위치하는 제1고정 콤 전극(11b)과 제1구동콤전극(121b)에 소정 전위의 직류 전압이 인가되면 이들 간의 정전인력에 의해 상기 구동빔(13)이 우측으로 이동하고 따라서, 도면에서 우측방향에 있는 접속단(152a, 152b)가 전기적으로 접속된다. 도 7에 도시된 바와 같이 구동 빔(13) 아래쪽의 접속단자(151b, 152b)가 하나의 공통 시그널라인(161b)에 의해 전기적으로 접속되어 있는 상태이다. 따라서 상기 구동빔(13)의 위치에 따라서, 상기 공통시그널라인(161b)은 그 반대쪽의 개별 시그널라인(161a, 161c)과 선택적으로 접속된다. 즉, 본 실시예 3의 마이크로 스위칭 소자는 1:2의 전기적 선택 스위치(selecter switch)로서 동작한다. 한편, 상기 공통 시그널(161b)가 적용되지 않고, 각 접속단자(151b, 152b)에 개별적인 시그널라인이 적용되는 경우는 셀렉터 스위치로서 동작하지 않고, 독립된 두개의 전기적 경로를 선택적으로 온/오프 시켜주는 스위치로서만 동작하게 된다.

위의 실시예 1, 2, 3에서는 하나의 고정 콤 전극에 대해 하나의 구동콤전극이 적용된 구조가 설명되었다. 이하에서는 하나의 구동콤전극에 대해 두개의 고정콤전극이 적용된 구조를 가지는 것으로서 도 7과 함께 설명된 실시예 3의 구조가 응용된 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자의 제4실시예가 설명되며, 앞의 실시예들에서 설명된 부분은 더 이상 설명되지 않는다.

도 8을 참조하면, 구동빔(13)의 양측에서 지지하는 제1, 제2구동 콤 전극(121a, 121b) 각각의 양측에 고정 콤 전극(11a, 11c), (11b, 11d)가 마련되어 있다. 이러한 구조는 하나의 구동콤전극(11a, 11b)에 대해 양쪽 방향으로의 구동력을 제공하여 구동빔의 이동력을 2배로 키우기 위한 구조이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 양측 구동콤전극(121a, 121b)과 각 좌측에 위치하는 고정콤전극(11a, 11d)에 소정 전위의 DC 전압을 인가하며, 이들 간의 정전인력에 의해 서로 끌어 당기게 되고, 따라서 구동빔(13)은 도면에서 좌측으로 이동하게 되고, 그 반대의 경우는 구동빔(13)이 도면에서 우측으로 이동하게 된다. 이러한 구조는 구동빔(13)의 양측에서 구동빔(13)에 대한 이동력을 제공한다. 따라서, 전술한 실시예들에 비해 그 동작속도가 매우 빠르고, 또한 안정적인 스위칭 동작이 이루어진다. 이러한 구조에 따르면, 정전기력이 작동 전압의 제곱에 비례하므로 전술한 실시예 1 내지 3에 비해 구동 전압을 배로 낮출수 있다. 이와 같이, 도 8과 함께 설명된 실시예 4에서, 하나의 구동 콤 전극에 대해 두개의 고정콤 전극이 적용되는 구조는 전술한 실시예 1 내지 3에도 적용 가능하다.

상기와 같은 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자는 정전기력을 이용하는 스위칭 구동부를 소위 콤-드라이브(comb-drive)를 응용하여, 종래의 미로형태의 스프링을 콤-드라이브에 혼합함으로써 스위칭 동작이 기판에 나란한 방향으로 이루어 지게 되어 있다. 따라서, 본 발명의 마이크로 스위칭 소자는 콤-드라이브의 구동원리를 적용하되 이 구조에서 구동빔에 대한 스프링 기능이 부여됨으로써 스프링에 의한 유연성과 콤-드라이브의 큰 정전기력을 함께 이용할 수 있다. 또한, 종래의 마이크로 스위칭 소자는 기판에 대해 수직인 방향으로 업/다운(Up/Down) 구동 방식인 반면에 본 발명은 기판의 평면방향으로 움직이는 수평 거동형으로서 소위 스티킹 현상을 원천적으로 방지할 수 있다.

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 평면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자의 제2실시예의 개략적 평면도이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자에 적용된 구동콤전극의 유형별 변형상태를 보인는 발췌도이다.

도 7은 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자의 제3실시예의 개략적 평면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 마이크로 스위칭 소자의 제4실시예의 개략적 평면도이다.

Claims (6)

1. 기판과,

   상기 기판의 상면에 소정 간격을 두고 상호 대향 하도록 배치되며, 제1방향으로 연장되는 제1, 제2고정콤전극과;

   상기 제1, 제2고정콤전극의 각각에 대응하게 나란히 배치되는 제1, 제2구동콤전극과;

   상기 제1방향에 직교하는 방향으로 연장되어 그 양단이 상기 제1, 제2구동콤전극에 연결되어 있는 것으로 그 중간 부분에 적어도 하나의 접점부가 마련된 구동빔과;

   상기 구동빔의 접점부에 이동방향에 위치하여 접점부에 의해 스위칭이 일어나는 제1, 제2접촉단자와;

   상기 접촉단자의 각각에 전기적으로 시그널라인들을; 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동콤전극은 상기 제1방향으로 연장되는 부분과 제1방향에 직교하는 제2방향으로의 부분을 가지는 "ㄹ" 형의 스프링 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 구동 빔에는 상기 접점부가 소정 간격을 두고 2개가 마련되며, 각 접점부에 인접하여 구동빔의 이동방향에 따라 선택적으로 전기적으로 스위칭이 일어나는 한 조의 접촉단자가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.
4. 기판과,

   상기 기판의 상방에 소정 높이로 소정 간격을 두고 상호 대향 하도록 배치되며, 제1방향으로 연장되는 두 구동콤전극과;

   상기 구동콤전극의 각각의 양측에 마련되는 고정콤전극과;

   상기 제1방향에 직교하는 방향으로 연장되어 그 양단이 상기 양 구동 콤 전극에 연결되어 있는 것으로 그 중간 부분에 적어도 하나의 접점부가 마련된 구동빔과;

   상기 구동빔의 접점부에 이동방향에 위치하여 접점부에 의해 스위칭이 일어나는 제1, 제2접촉단자와;

   상기 접촉단자의 각각에 전기적으로 시그널라인들을; 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 구동콤전극은 상기 제1방향으로 연장되는 부분과 제1방향에 직교하는 제2방향으로의 부분을 가지는 "ㄹ" 형의 스프링 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 구동 빔에는 상기 접점부가 소정 간격을 두고 2개가 마련되며, 각 접점부에 인접하여 구동빔의 이동방향에 따라 선택적으로 전기적으로 스위칭이 일어나는 한 조의 접촉단자가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위칭 소자.