KR100530010B1

KR100530010B1 - 전자기력과 정전기력을 이용하여 구동하는 토글방식의저전압, 저전력 초고주파 ｓｐｄｔ 마이크로 스위치

Info

Publication number: KR100530010B1
Application number: KR10-2003-0080198A
Authority: KR
Inventors: 조일주; 윤의식
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2005-11-22
Also published as: KR20050046178A; US20050104694A1; JP2005150110A

Abstract

본 발명에 따른 토글방식의 SPDT 마이크로 스위치는, 자장발생수단에 의해서 발생하는 자장을 이용해서 생긴 전자기력으로 구동하고, 정전기력으로 스위칭 상태를 유지하면서, 입력포트가 항상 두개의 출력포트 중의 어느 하나에 연결되도록 하는 것을 특징으로 한다. 정전기력에 비해서 상대적으로 큰 힘인 전자기력을 이용해서 스위칭을 하기 때문에 신뢰성 있는 동작이 가능하고, 기계적으로도 강한 구조를 가질 수 있으며, 높은 전력신호를 다룰 수 있다. 또한, 초기 변위를 크게 할 수 있어서 오프 시에 큰 절연(isolation)값을 얻을 수 있다. 스위칭 순간 후에는 전자기력을 이용하지 않고 두 전극 사이가 가까워진 상태에서의 정전기력을 이용해서 온 상태를 유지하기 때문에, 상대적으로 낮은 전압으로 구동이 가능하고, 스위칭 순간에만 전자기력 발생을 위한 전류를 인가하기 때문에 전력소모가 적다. 토글(toggle) 방식으로 하나의 스위치만으로 SPDT를 구현하고, 또 이러한 스위치가 MEMS 제작기법에 의해 하나의 기판 상에 집적되기 때문에 전체적인 소자의 크기가 매우 작다.

Description

전자기력과 정전기력을 이용하여 구동하는 토글방식의 저전압, 저전력 초고주파 ＳＰＤＴ 마이크로 스위치{Low-voltage and low-power toggle type - SPDT(Single Pole Double Throw) rf MEMS switch actuated by combination of electromagnetic and electrostatic forces}

본 발명은 초고주파용 MEMS 스위치에 관한 것으로서, 특히 하나의 입력과 두개의 출력포트를 가지고 있으며, 입력이 항상 두개의 출력포트 중의 어느 하나에 연결되는 토글방식의 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치에 관한 것이다.

초고주파 대역에서 사용되는 많은 전자 시스템들이 점차적으로 초소형화, 초경량화, 고성능화가 되어가고 있다. 이러한 전자 시스템에 전기적인 신호를 제어하기 위해서 기존에는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET)나 핀 다이오드(pin diode)와 같은 반도체 스위치들이 사용되어져 왔다. 그러나, 이러한 반도체 스위치들은, 대기 상태에서 전력손실이 크고, 완전한 온/오프가 이루어지지 않는 등의 많은 문제점들이 있어 왔다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 최근에는 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하여 기계적으로 동작하는 초소형 초고주파 스위치가 널리 연구되고 있다. 마이크로 스위치에 의할 경우, 작은 삽입손실(insertion loss)과 높은 절연성(isolation) 및 동작특성의 선형성으로 인해서 기존의 반도체 스위치들이 가지는 단점들을 극복할 수 있다.

이러한 마이크로 스위치의 구동은 그 구동방법에 따라 정전기력을 이용한 구동과, 전자기력을 이용한 구동의 두 가지로 크게 나눌 수 있다.

정전기력을 이용한 구동은 두 판 사이에 작용하는 정전기력으로 스위치를 온/오프 하는 방식이다. 이러한 방식의 스위치는 구조 및 제작공정이 간단하다는 장점을 갖지만, 동작 전압이 높고 발생하는 힘이 작아서 신뢰성 있는 구동을 이루기 어렵고 높은 전력의 신호를 다루기 힘들다는 단점이 있다. 일 예로서, 미국의 Robert Y. Loo 등에 허여된 미국특허 제6440767호에 정전인력을 이용한 마이크로 스위치 구조 및 제조 방법에 관한 내용이 있다.

한편, 전자기력을 이용한 구동은 미국의 마이크로랩(microlab)에서 제안한 방법이 있다. 외부 자석을 이용해서 자기장을 발생시키는 동시에 코일에 전류를 흘려서 생성되는 반대자장의 유무에 따라서 자성체로 이루어진 캔틸레버를 당기는 방식으로 스위치를 온/오프 하는 방식이다. 이러한 구동방법에 따른 마이크로 스위치는, 코일에 전류를 흘려서 강한 자장을 형성해야 하기 때문에 전력소모가 정전기력을 이용한 구동방식에 비해서 많고, 코일의 크기로 인해서 사이즈가 크다는 단점 등을 갖는다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 구동시에는 전자기력을 이용하고 구동후에는 정전기력으로 그 상태를 유지하도록 함으로써, 두가지 구동의 장점을 다 가지는 토글방식의 SPDT 마이크로 스위치를 제공하는 데 있다.

삭제

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 토글방식의 SPDT 마이크로 스위치는: 소정의 공간에 자장을 형성시키기 위한 자장발생수단; 상기 자장형성공간에 위치하는 캔틸레버; 전류가 흐를 때 상기 자장과의 상호작용에 의하여 상기 캔틸레버를 구동시키는 전자기력이 발생되도록 상기 캔틸레버에 설치되는 구동도선; 상기 캔틸레버가 시소 운동을 하도록 상기 캔틸레버의 가운데 부분을 지지하는 토션바; 상기 토션바를 지지하는 포스트; 상기 포스트와 상기 구동도선을 연결하는 전류인가도선; 전압이 가해질때 상기 구동도선과의 사이에 정전기력을 발생시키도록 상기 구동도선에 마주보도록 상기 구동도선의 양쪽 아랫 부분에 각각 설치되는 정전기력 금속판; 상기 캔틸레버 양단 밑면에 각각 설치되는 접속용 금속판; 및 상기 캔틸레버의 시소운동에 따라 상기 접속용 금속판과 전기적 접속을 이룸으로써 하나의 입력도선의 신호를 두개의 출력도선 중 어느 하나의 출력도선으로 통과시키는 입출력도선; 을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 캔틸레버는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연체로 이루어지는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 자장발생수단을 제외한 모든 구성요소가 기판 상에 집적형성될 수 있다. 이 때, 상기 기판으로서 실리콘 기판 또는 유리 기판을 사용할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형을 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 토글방식의 SPDT 마이크로 스위치를 설명하기 위한 도면들이다. 여기서, 도 1은 기본 개념도이며, 도 2는 구체적인 일예의 사시도이고, 도 3은 도 2의 평면도이다. 도 2에서는 도시의 명확화를 위해 자장형성을 위한 영구자석(101, 102)의 도시를 생략하였다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, SPDT 마이크로 스위치는 자장이 형성된 공간에서 동작한다. 자장을 형성시키기 위한 자장발생수단으로서 SPDT 마이크로 스위치의 양쪽에는 서로 다른 극성을 가지는 영구자석(101, 102)이 설치된다. 화살표는 자기장의 방향을 나타낸다.

스위치의 구조체로 사용되는 캔틸레버(210)는 기판(200)에서 띄어진 상태로 자장형성공간에 설치되며, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연체로 이루어진다. 캔틸레버(210)의 가운데 부분에는 캔틸레버(210)가 전자기력에 의해서 시소(seesaw)운동을 하도록 토션바(206, 207)가 설치된다.

캔틸레버(210) 윗면에는 구동도선(211)이 집적된다. 구동도선(211)에 전류가 흐르면 영구자석(101, 102)에 의해 발생하는 자장과의 상호작용에 의해 캔틸레버(210)를 시소(seesaw)운동시키는 전자기력이 발생된다.

토션바(206, 207)는 포스트(204, 205)에 의해 지지된다. 포스트(204, 205)는 전류인가도선(208, 209)에 의해 구동도선(211)과 전기적으로 연결된다. 구동전류는 포스트(204, 205)를 통해서 외부로부터 가해진다.

구동도선(211)이 여러번 감겨지는 모양을 할 때에는 안쪽 끝단과 전류인가도선(208, 209)을 서로 연결시키기 위한 브릿지(bridge) 도선(212)이 필요하다. 브릿지 도선(212)은 캔틸레버(210)에서 일정한 간격을 두고 떠 있게 설치된다.

캔틸레버(210)의 양쪽 아랫부분에 위치하는 기판(200) 상에는 정전기력 금속판(216, 217)이 설치된다. 정전기력 금속판(216, 217)에 전압이 인가되면 이와 마주보는 구동도선(211)과의 사이에 정전기력이 발생된다.

캔틸레버(210) 양단 밑면에는 접속용 금속판(213)이 각각 설치된다. 기판(200) 상에는 고주파 신호 등이 입력되는 하나의 입력도선(202)과 두개의 출력도선(214, 215)이 집적되는데, 접속용 금속판(213) 아랫부분에 위치하는 부분에서 이들이 서로 끊어지도록 설치된다. 캔틸레버(210)가 시소운동을 할 때 접속용 금속판(213)에 의해서 입력도선(202)이 두개의 출력도선(214, 215) 중의 어느 하나와 연결된다.

영구자석(101, 102)을 제외한 모든 구성요소가 MEMS 제작기법으로 기판(200) 상에 집적형성되므로 소자의 크기가 매우 작다. 기판(200)은 실리콘 또는 유리 등과 같은 절연체이어야 한다. 참조번호 203은 신호손실을 줄여주는 역할을 하는 그라운드 도선(203)이다.

본 발명에 따른 SPDT 마이크로 스위치의 구동방법을 설명하면 다음과 같다.

구동도선(211)에 전류가 흐르지 않는 초기 상태에는 입력도선(202)과 출력도선(214, 215)이 모두 끊어진 오프(off)상태가 된다. 포스트(204, 205) 및 전류인가도선(208, 209)을 통해 외부로부터 구동도선(211)에 전류가 인가되고 도 1과 같은 방향으로 자장이 인가되면, 구동도선(211) 중에서 자장의 방향과 수직으로 놓여 있는 도선이 전자기력을 받게 된다.

전자기력에 의해서 캔틸레버(210)가 토션바(206, 207)를 축으로 해서 회전하여 어느 한쪽 끝이 아래로 움직이면, 접속용 금속판(213)에 의해 입력도선(202)이 제1출력도선(214) 및 제2출력도선(215) 중의 어느 하나와 연결된다. 구동도선(211)에 흐르는 전류의 방향을 반대로 하면 캔틸레버(210)의 회전 방향이 반대로 되어 다른 한쪽이 아래로 움직이게 된다.

도 4는 캔틸레버(210)가 반시계방향으로 회전하여 입력도선(202)이 제1출력도선(214)과 연결되어 제1스위치가 온(on)되는 경우를 도시한 것이다. 캔틸레버(210)가 회전해서 입력도선(202)이 제1출력도선(214)과 연결된 후에는, 제1출력도선(214) 측에 위치하는 정전기력 금속판(216)에 전압을 인가하고 구동도선(211)을 그라운드로 연결한다. 그러면, 구동도선(211)에 전류가 흐르지 않더라도 정전기력 금속판(216)과 구동도선(211) 사이에 발생하는 정전기력에 의해 캔틸레버(210)가 아래쪽으로 계속 당겨져서 제1스위치가 온(on) 상태를 유지한다.

구동도선(211)에 의한 전자기력에 의해 일단 캔틸레버(210)가 회전하여 정전기력 금속판(216)과 구동도선(211) 사이의 거리가 좁아지게 되면, 이 둘 사이에 작용하는 정전기력이 커져서 구동도선(211)에 전류가 흐르지 않더라도 제1스위치가 온(on) 상태를 계속 유지하게 된다. 따라서, 온(on) 상태를 유지하는 데에 필요한 동작전압이 작고, 전력은 소비되지 않는다.

입력도선(202)을 제2출력도선(215)에 연결시켜 제2스위치를 온(on) 시키고자 할 때에는 정전기력 금속판(216)에 인가된 전압을 제거하고, 구동도선(211)에 흐르는 전류의 방향을 반대로 하면 된다. 그러면, 캔틸레버(210)가 시계방향으로 회전하여 입력도선(202)이 제2출력도선(215) 쪽에 연결된다.

캔틸레버(210)가 반시계방향에서 시계방향으로 회전을 바꾸는 데에는 전자기력이 관여하기 때문에 회전의 힘이 크다. 따라서, 높은 전력의 신호를 다룰 수 있다.

본 발명에 의하면, 스위칭 순간에는 전자기력을 이용하고, 스위칭 후의 상태는 정전기력을 이용한다. 정전기력에 비해서 상대적으로 큰 힘인 전자기력을 이용해서 스위칭을 하기 때문에 신뢰성 있는 동작이 가능하고, 기계적으로도 강한 구조를 가질 수 있으며, 높은 전력신호를 다룰 수 있다. 또한, 초기 변위를 크게 할 수 있어서 오프 시에 큰 절연(isolation)값을 얻을 수 있다.

전자기력 구동의 경우에는 힘은 크지만 전류를 계속 인가해 주어야 하기 때문에 전력소모가 크다는 단점이 있다. 그러나, 본 발명에 의하면, 스위칭 순간 후에는 전자기력을 이용하지 않고 두 전극 사이가 가까워진 상태에서의 정전기력을 이용해서 온 상태를 유지하기 때문에, 상대적으로 낮은 전압으로 구동이 가능하고, 스위칭 순간에만 전자기력 발생을 위한 전류를 인가하기 때문에 전력소모가 적다.

본 발명에 의하면, 토글(toggle) 방식으로 하나의 스위치만으로 SPDT를 구현하고, 또 이러한 스위치가 MEMS 제작기법에 의해 하나의 기판 상에 집적되기 때문에 전체적인 소자의 크기가 매우 작다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 토글방식의 SPDT 마이크로 스위치를 설명하기 위한 도면들이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

101, 102: 영구자석 200: 기판

202: 입력도선 203: 그라운드 도선

204, 205: 포스트 206, 207: 토션바

208, 209: 전류인가도선 210: 캔틸레버

211: 구동도선 212: 브릿지 도선

213: 접속용 금속판 214: 제1출력도선

215: 제2출력도선 216, 217: 정전기력 금속판

Claims

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소정의 공간에 자장을 형성시키기 위한 자장발생수단;

상기 자장형성공간에 위치하는 캔틸레버;

전류가 흐를 때 상기 자장과의 상호작용에 의하여 상기 캔틸레버를 구동시키는 전자기력이 발생되도록 상기 캔틸레버에 설치되는 구동도선;

상기 캔틸레버가 시소 운동을 하도록 상기 캔틸레버의 가운데 부분을 지지하는 토션바;

상기 토션바를 지지하는 포스트;

상기 포스트와 상기 구동도선을 연결하는 전류인가도선;

전압이 가해질때 상기 구동도선과의 사이에 정전기력을 발생시키도록 상기 구동도선에 마주보도록 상기 구동도선의 양쪽 아랫 부분에 각각 설치되는 정전기력 금속판;

상기 캔틸레버 양단 밑면에 각각 설치되는 접속용 금속판; 및

상기 캔틸레버의 시소 운동에 따라 상기 접속용 금속판과 전기적 접속을 이룸으로써 하나의 입력도선의 신호를 두개의 출력도선 중 어느 하나의 출력도선으로 통과시키는 입출력도선; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 토글방식의 SPDT 마이크로 스위치.
제3항에 있어서, 상기 캔틸레버는 절연체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 토글방식의 SPDT 마이크로 스위치.
제4항에 있어서, 상기 절연체가 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 토글방식의 SPDT 마이크로 스위치.
제3항에 있어서, 상기 자장발생수단을 제외한 모든 구성요소가 기판 상에 집적형성되는 것을 특징으로 하는 토글방식의 SPDT 마이크로 스위치.
제6항에 있어서, 상기 기판이 실리콘 또는 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 토글방식의 SPDT 마이크로 스위치.