KR100837416B1 - 미세 스위치 소자 - Google Patents

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KR100837416B1
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김재흥
송인상
권상욱
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삼성전자주식회사
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Abstract

미세 스위치 소자는 저항력을 갖고 움직일 수 있는 적어도 하나의 가동 단부를 포함하며, 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 스위칭 빔, 접속 상태에 있는 스위칭 빔과 전기적으로 접속하는 전극 프레임, 및 스위칭 빔을 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 스위칭 액츄에이터를 포함한다. 스위칭 빔의 단부가 가동 특성을 가지고 있기 때문에, 스위칭 빔을 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 것이 용이하다.

Description

미세 스위치 소자{MICRO SWITCH DEVICE}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6의 미세 스위치 소자의 사용 예를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
600：미세 스위치 소자 610：스위칭 빔
620：전극 프레임 612：가동 단부
630：저항 프레임 640：축 액츄에이터
650：제1 스위칭 액츄에이터 660：제2 스위칭 액츄에이터
본 발명은 스위치 소자에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 미세 구조의 스위치 소자에 관한 것이다.
미세 구조의 스위치는 멀티 밴드 또는 멀티 모드의 모듈에 사용될 수 있으며, 직류는 물론 약 10GHz 이내의 모든 밴드(band)에선 1dB이내의 저손실 및 약 40dB이상의 높은 격리도 특성을 발휘할 수 있어 다양한 대역에 고루 사용될 수 있다. 또한, 고주파 장치(RF device)에서 스위치 또는 스위칭이 가능한(switchable) 버렉터(varactor)나 인덕터(inductor)의 제작에 적용이 가능하여, 안테나의 기본 소자로 사용될 수도 있다.
일반적으로 저 손실의 미세 구조의 스위치를 구현하기 위해서는 높은 접촉력(contact force)이 필요하다. 하지만, 높은 접촉력을 갖는다는 것은 스위치 작동을 위해서 액츄에이터에 높은 전압의 인가가 요구되어야 한다는 문제점이 있다. 또한, 낮은 전압에 의해서도 액츄에이터가 작동하도록 낮은 스프링 계수의 스위칭 부재를 사용하게 되면, 앞서 언급한 높은 접촉력을 유지할 수 없으며, 접촉에 대한 신뢰성이 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명은 스냅-쓰루(Snap-through) 구조로 전환 과정에서만 전력이 소모 되며, 일단 안정된 상태에서는 큰 접촉력을 유지할 수 있는 미세 스위치 소자를 제공한다.
본 발명은 전화 과정에서 저전력이 소비되며, 전환 이후로 전력 소모를 줄이고 높은 신뢰성의 접촉을 유지하는 미세 스위치 소자를 제공한다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 스위칭 빔(switching beam), 전극 프레임 및 스위칭 액츄에이터(switching actuator)를 포함한다. 스위칭 빔은 전극 프레임에 접촉하여 전기적으로 접속 상태를 형성할 수 있으며, 전극 프레임으로부터 분리되어 분리 상태를 형성할 수 있다. 스위칭 빔은 일반적으로 탄성을 가지고 움직이며, 외력이 없는 한 접속 상태 및 분리 상태를 유지할 수 있다. 본 발명에서는, 스위칭 빔의 일측 또는 양측 단부가 움직일 수 있는 가동 단부로 구성되며, 스위칭 빔의 변형 시 가동 단부가 움직여 스위칭 빔의 변형에 필요한 힘을 감소시킬 수 있다. 따라서 스위칭 빔의 변형에 필요한 임계력(critical force)를 낮출 수 있으며, 스위칭 액츄에이터에 의해서 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다.
이때 가동 단부는 외부의 힘에 대해 저항력을 가지며 움직일 수가 있기 때문에, 스위칭 빔은 접속 상태 또는 분리 상태로 전환된 후 전환된 상태를 유지할 수가 있으며, 큰 접촉 능력(contact force)를 유지할 수가 있다. 이때 저항력은 스위칭 빔의 가동 단부의 이동에 대한 반발력으로 정의될 수 있으며, 다르게는 가동 단부의 이동 거리 제한으로 정의될 수 있다. 이때 저항력의 방향은 축 방향 또는 그 외의 다른 방향에 대해서 형성될 수 있다. 가동 단부는 스위칭 빔의 한쪽 또는 양쪽 모두에 형성될 수 있으며, 가동 단부에는 축 액츄에이터가 장착될 수 있다. 축 액츄에이터는 스위칭 빔이 변형될 때 가동 단부를 이동시킬 수 있으며, 스위칭 액츄에이터와의 적절한 분산을 통해서 저전력으로 스위칭 빔을 전환할 수 있다.
본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따르면, 미세 스위치 소자는 현진동(wire vibration) 형상으로 움직이며 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 스위칭 빔, 스위칭 빔의 양 단부와 각각 연결되는 저항 프레임, 접속 상태에 있는 스위칭 빔과 전기적으로 접속하는 전극 프레임 및 스위칭 빔을 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 스위칭 액츄에이터를 포함한다. 저항 프레임은 일 단부 또는 양 단부가 고정될 수 있으며, 고정된 부분 이외의 영역은 가동 영역으로 정의될 수 있다. 스위칭 빔의 양 단부는 상기 가동 영역에 고정됨으로써, 스위칭 빔이 변형 시 양 단부가 저항력을 갖고 벌어지도록 할 수가 있다.
스위칭 빔은 현진동 형상으로 움직일 수 있다. 현진동 형상이란 양단이 실질적으로 고정된 현(wire) 또는 빔(beam)이 진동하는 형상으로, 다르게는 아치(arch) 형상 또는 웨이브(wave) 형상이라 할 수 있다. 일 예로, 양단만 고정된 경우에는 하나의 아치만 형성할 수 있으며, 양단 사이에 실질적으로 고정된 영역이 있는 경우에는 둘 이상의 아치 또는 웨이브를 형성할 수가 있다. 이때 스위칭 빔에서 양단 사이로 고정된 영역을 변곡점이라 정의할 수 있다.
만약 둘 이상의 아치 또는 웨이브를 갖는 경우, 전극 프레임과 닿는 아치와 스위칭 액츄에이터가 닿는 아치를 달리하는 것이 바람직하다. 스위칭 액츄에이터는 스위칭 빔을 접속 상태로 전환하기 위한 제1 스위칭 액츄에이터 및 스위칭 빔 을 분리 상태로 전환하기 위한 제2 스위칭 액츄에이터를 포함할 수 있다. 이들 제1 및 제2 스위칭 액츄에이터는 서로 마주하는 빗살 전극들을 이용할 수 있으며, 이들 빗살 전극들 간의 척력 또는 인력을 이용하여 스위칭 빔을 밀어서 변형시킬 수가 있다.
상기 미세 스위치 소자는 스위칭 빔의 양 단부에 장착된 축 액츄에이터를 더 포함할 수 있다. 축 액츄에이터는 스위칭 빔이 변형될 때 빔의 양 단부를 바깥쪽으로 이동시킬 수 있으며, 스위칭 액츄에이터와의 적절한 분산을 통해서 저전력으로 스위칭 빔을 전환할 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 상기 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 미세소자(100)는 스위칭 빔(110), 전극 프레임(120) 및 스위칭 액츄에이터(150)를 포함한다. 스위칭 빔(110)은 긴 바(bar) 또는 플레이트(plate) 형상으로 형성될 수 있으며, 양 단은 축 방향으로 따라 이동할 수가 있는 가동 단부(112)이다. 단, 스위칭 빔(110)에는 안쪽을 향하는 저항력(F)이 적용되며, 저항력(F)에 의해서 스위칭 빔(110)은 평상 시 아치 형상으로 굽은 상태를 유지할 수 있다. 참고로 실선으로 표시된 스위칭 빔(110)은 전극 프레임(120)과 접촉하고 있는 접속 상태에 있으며, 점선으로 표시된 스위칭 빔은 분리 상태에 있다.
종래에는 스위칭 빔의 양단이 고정된 상태로 있지만, 본 실시예에서는 스위칭 빔(110)이 좌우로 움직일 수 있기 때문에 스위칭 빔을 접속 상태에서 분리 상태로 전환하기 위한 힘을 줄일 수 있다. 일 예로, 스위칭 빔의 양단이 고정된 경우보다 스위칭 빔이 양단이 좌우로 움직일 수 있는 경우의 전환을 위한 임계력(critical force)이 더 작아질 수 있으며, 스위칭 액츄에이터(150)은 상대적으로 저전압으로 스위칭 빔을 전환시킬 수가 있다.
스위칭 액츄에이터(150)는 스위칭 빔(110)에 인접하게 위치하며, 스위칭 빔(110)에 물리적 또는 전자기적 영향으로 주어 스위칭 빔(110)을 접속 상태(on) 또는 분리 상태(off)로 전환할 수가 있다. 일 예로, 스위칭 액츄에이터(150)는 스위칭 빔(110)을 밀거나 당겨서 작동시킬 수가 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 미세소자(200)는 스위칭 빔(210), 전극 프레임(220) 및 스위칭 액츄에이터(250)를 포함한다. 스위칭 빔(210)은 일단만 축 방향으로 따라 이동할 수가 있으며, 타단은 고정되어 있다. 스위칭 빔(210)에서 움직일 수 있는 가동 단부(212)는 안쪽을 향하는 저항력(F)이 적용되며, 저항력(F)에 의해서 스위칭 빔(210)은 평상 시 아치 형상으로 굽은 상태를 유지할 수 있다. 참고로 실선으로 표시된 스위칭 빔(210)은 전극 프레임(220)과 접촉하고 있는 접속 상태(on)에 있으며, 점선으로 표시된 스위칭 빔은 분리 상태(off)에 있다.
본 실시예에서와 같이, 스위칭 빔(210)이 하나의 가동 단부(212)만 가져도 스위칭 빔을 접속 상태에서 분리 상태로 전환하기 위한 힘을 줄일 수 있으며, 스위칭 액츄에이터(250)은 상대적으로 저전압으로 스위칭 빔을 전환시킬 수가 있다.
스위칭 액츄에이터(250)는 스위칭 빔(210)에 인접하게 위치하며, 스위칭 빔(210)에 물리적 또는 전자기적 영향으로 주어 스위칭 빔(210)을 접속 상태(on) 또는 분리 상태(off)로 전환할 수가 있다. 일 예로, 스위칭 액츄에이터(250)는 스위칭 빔(210)을 밀거나 당겨서 작동시킬 수가 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 미세소자(300)는 스위칭 빔(310), 전극 프레임(320) 및 스위칭 액츄에이터(350)를 포함한다. 스위칭 빔(310)의 양 단은 축 방향으로 따라 이동할 수가 있는 가동 단부(312)이며, 스위칭 빔(310)의 변형 시 축 방향으로 이동하여 스위칭 빔(310)의 전환에 필요한 힘을 감소시킬 수가 있다. 또한, 스위칭 빔(310)의 양 단으로는 안쪽을 향하는 저항력(F)이 적용되며, 저항력(F)에 의해서 스위칭 빔(310)은 평상 시 아치 형상으로 굽은 상태를 유지할 수 있다.
특히, 스위칭 빔(310)의 중간은 스토퍼(314)에 의해서 실질적으로 고정되기 때문에, 스위칭 빔(310)은 2개의 아치가 웨이브 형상으로 전환하도록 할 수 있다. 스토퍼(314)에 의해서 실질적으로 고정되는 부분을 변곡점(inflection point)라 할 수 있으며, 마치 현이 진동하듯이 접속 상태(on)와 분리 상태(off)를 전환할 수 있다. 참고로 실선으로 표시된 스위칭 빔(310)은 전극 프레임(320)과 접촉하고 있는 접속 상태에 있으며, 점선으로 표시된 스위칭 빔은 분리 상태에 있다.
전극 프레임(320)과 스위칭 액츄에이터(350)는 서로 다른 위치의 진동 영역에서 스위칭 빔(310)과 접촉할 수 있다. 따라서 스위칭 액츄에이터(350)를 형성하기 위한 공간을 확보할 수 있으며, 변곡점이 없는 경우보다 더 낮은 임계력으로 스위칭 빔(310)의 상태를 전환할 수가 있다. 구체적으로 스위칭 액츄에이터(350)는 스위칭 빔(310)에서 스토퍼(314)를 사이에 두고 전극 프레임(320)과 반대되는 진동 영역에 있으며, 스위칭 빔(310)에 물리적 또는 전자기적 영향으로 주어 스위칭 빔(310)을 접속 상태(on) 또는 분리 상태(off)로 전환할 수가 있다. 일 예로, 스위칭 액츄에이터(350)는 스위칭 빔(310)을 밀거나 당겨서 작동시킬 수가 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 미세소자(400)는 스위칭 빔(410), 스위칭 빔(410)의 양단에 각각 연결된 저항 프레임(430), 전극 프레임(420) 및 제1 스위칭 액츄에이터(450) 및 제2 스위칭 액츄에이터(460)를 포함한다.
스위칭 빔(410)은 긴 바(bar) 또는 플레이트(plate) 형상으로 형성될 수 있으며, 양 단은 축 방향으로 따라 이동할 수가 있는 가동 단부(412)이다. 가동 단부(412)에는 저항 프레임(430)이 각각 수직하게 연결되어 가동 단부(412)를 탄성적으로 지지할 수 있다. 저항 프레임(430) 역시 미세 구조로 형성되며, 저항 프레임(430)의 양단은 기판 등에 고정되고 중앙부는 가동 영역을 형성할 수 있다. 따라 서 스위칭 빔(410)이 전환됨에 따라 가동 단부(412)가 바깥쪽으로 이동할 수 있고, 저항 프레임(430)은 가동 단부(412)의 이동을 가능하게 하는 동시에 가동 단부(412)의 이동 변위에 비례하는 저항력을 제공할 수 있다. 이때 스위칭 빔(410)에는 안쪽을 향하는 저항력(F)이 적용되며, 저항력(F)에 의해서 스위칭 빔(410)은 평상 시 아치 형상으로 굽은 상태를 유지할 수 있다. 참고로 실선으로 표시된 스위칭 빔(410)은 전극 프레임(420)과 접촉하고 있는 접속 상태에 있으며, 점선으로 표시된 스위칭 빔은 분리 상태에 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 스위칭 빔의 양단이 고정된 경우보다 스위칭 빔이 양단이 좌우로 움직일 수 있는 경우, 스위칭 빔을 전환하기 위한 임계력(critical force)이 더 작아질 수 있으며, 스위칭 액츄에이터(450)은 상대적으로 저전압으로 스위칭 빔을 전환시킬 수가 있다.
제1 스위칭 액츄에이터(450) 및 제2 스위칭 액츄에이터(460)는 스위칭 빔(410)의 상하로 인접하게 위치하며, 각각 밀어서 스위칭 빔(410)의 상태를 전환할 수 있다. 단, 제1 스위칭 액츄에이터(450)는 분리 상태에 있는 스위칭 빔(410)를 밀어서 접속 상태로 전환할 수 있으며, 제2 스위칭 액츄에이터(460)는 접속 상태에 있는 스위칭 빔(410)을 밀어서 분리 상태로 전환할 수가 있다. 제1 및 제2 스위칭 액츄에이터(450, 460)는 스위칭 빔(410)을 중심으로 서로 대칭을 이루며 동일한 구조를 가질 수 있다.
제1 스위칭 액츄에이터(450)는 스위칭 빔(410)을 밀기 위한 작동 프레임(452), 작동 프레임(452)과 연동하는 제2 종동 빗살 전극(456) 및 제2 종동 빗살 전극(456)에 인접하게 제공되어 제2 종동 빗살 전극(456)에 움직이게 하는 제2 구동 빗살 전극(458)을 포함한다. 작동 프레임(452)은 Ｔ-자 형상으로 형성되며, 작동 프레임(452)의 중심 몸체를 이용하여 스위칭 빔(410)을 밀수 있다. 작동 프레임(452)의 다른 두 단부(454)는 미세 구조를 지지하는 기판에 고정될 수 있으며, 작동 프레임(452)이 임시로 이동한 후 제자리로 복귀하도록 할 수 있다. 제2 종동 빗살 전극(456)과 제2 구동 빗살 전극(458)의 이빨들(teeth)은 서로 교대로 배치되어 있다. 일반적으로 제2 종동 빗살 전극(456)에 일정한 전압이 인가된 상태를 유지하며, 제2 구동 빗살 전극(458)은 자기에게 인가되는 전하에 따라 제2 종동 빗살 전극(456)에 대해 인력 또는 척력을 발생시킬 수 있다. 작동 프레임(452) 및 제2 종동 빗살 전극(456)의 대부분은 미세 구조를 위한 기판 상에서 부유된 구조를 가지며, 스위칭 빔(410)을 향해 움직일 수 있다.
제2 스위칭 액츄에이터(460) 역시 제1 스위칭 액츄에이터(450)와 실질적으로 동일한 구조를 가지며, 작동 프레임, 제2 종동 빗살 전극 및 제2 구동 빗살 전극을 포함할 수 있다. 제1 및 제 2 스위칭 액츄에이터(450, 460)는 스위칭 빔(410)이 상하로 인접하게 위치하며, 스위칭 빔(410)에 물리적 영향으로 주어 스위칭 빔(410)을 접속 상태(on) 또는 분리 상태(off)로 전환할 수가 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 미세소자(500)는 스위칭 빔(510), 스위칭 빔(510)의 양단에 각각 연결된 저항 프레임(530), 축 액츄에이터(540), 전극 프레임(520) 및 제 1 스위칭 액츄에이터(550) 및 제2 스위칭 액츄에이터(560)를 포함한다.
스위칭 빔(510)은 긴 바(bar) 또는 플레이트(plate) 형상으로 형성될 수 있으며, 양 단은 축 방향으로 따라 이동할 수가 있는 가동 단부(512)이다. 가동 단부(512)에는 저항 프레임(530)이 각각 수직하게 연결되어 가동 단부(512)를 탄성적으로 지지할 수 있다.
저항 프레임(530) 역시 미세 구조로 형성되며, 저항 프레임(530)의 양단은 기판 등에 고정되고 중앙부는 가동 영역을 형성할 수 있다. 따라서 스위칭 빔(510)이 전환됨에 따라 가동 단부(512)가 바깥쪽으로 이동할 수 있고, 저항 프레임(530)은 가동 단부(512)의 이동을 가능하게 하는 동시에 가동 단부(512)의 이동 변위에 비례하는 저항력을 제공할 수 있다.
저항 프레임(530)의 바깥쪽으로 스위칭 빔(510)의 양단에 축 액츄에이터(540)가 각각 장착된다. 이전 실시예의 스위칭 액츄에이터(450, 460)와 마찬가지로, 축 액츄에이터(540)는 저항 프레임(530)과 연동하는 제1 종동 빗살 전극(546) 및 제1 종동 빗살 전극(546)에 인접하게 제공되어 제1 종동 빗살 전극(546)에 움직이게 하는 제1 구동 빗살 전극(548)을 포함한다. 제1 구동 빗살 전극(548)은 미세 구조를 지지하는 기판에 고정되며, 제1 종동 빗살 전극(546)은 상기 기판으로부터 거의 부유하는 구조를 가진다. 제1 종동 빗살 전극(546)과 제1 구동 빗살 전극(548)의 이빨들(teeth)은 서로 교대로 배치되어 있다. 일반적으로 제1 종동 빗살 전극(546)에 일정한 전압이 인가된 상태를 유지하며, 이를 위해 스위칭 빔(510) 또는 저항 프레임(530)를 경유하여 제1 종동 빗살 전극(546)이 외부와 전기적으로 연 결될 수가 있다. 제1 구동 빗살 전극(548)에 인가되는 전하에 따라 제1 종동 빗살 전극(546)은 제1 구동 빗살 전극(548)으로부터 인력 또는 척력의 영향을 받을 수 있다.
스위칭 빔(510)이 접속 상태(on) 및 분리 상태(off) 간에 전환할 때, 축 액츄에이터(540)는 가동 단부(512)를 바깥쪽으로 잡아 당겨 제1 또는 제2 스위칭 액츄에이터(550, 560)에 부가되는 하중을 줄일 수 있다. 설계에 따라서는, 스위칭 액츄에이터(550, 560) 및 축 액츄에이터(540)로 가해지는 전압 또는 전하량을 조절하여, 최적의 조합을 찾아낼 수 있으며, 최소의 전력으로 스위칭 빔(510)을 전환하는 것이 가능하다. 참고로 실선으로 표시된 스위칭 빔(510)은 전극 프레임(520)과 접촉하고 있는 접속 상태에 있으며, 점선으로 표시된 스위칭 빔은 분리 상태에 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 스위칭 빔의 양단이 고정된 경우보다 스위칭 빔이 양단이 좌우로 움직일 수 있는 경우, 스위칭 빔을 전환하기 위한 임계력(critical force)이 더 작아질 수 있으며, 스위칭 액츄에이터(550)은 상대적으로 저전압으로 스위칭 빔을 전환시킬 수가 있다.
제1 스위칭 액츄에이터(550) 및 제2 스위칭 액츄에이터(560)는 스위칭 빔(510)의 상하로 인접하게 위치한다. 제1 스위칭 액츄에이터(550)는 분리 상태에 있는 스위칭 빔(510)를 밀어서 접속 상태로 전환할 수 있으며, 제2 스위칭 액츄에이터(560)는 접속 상태에 있는 스위칭 빔(510)을 밀어서 분리 상태로 전환할 수가 있다. 제1 및 제2 스위칭 액츄에이터(550, 560)는 스위칭 빔(510)을 중심으로 서로 대칭을 이루며 동일한 구조를 가질 수 있다.
제1 스위칭 액츄에이터(550) 및 제2 스위칭 액츄에이터(560)는 스위칭 빔(510)을 밀기 위한 작동 프레임(552), 작동 프레임(552)과 연동하는 제2 종동 빗살 전극(556) 및 제2 종동 빗살 전극(556)에 인접하게 제공되어 제2 종동 빗살 전극(556)에 움직이게 하는 제2 구동 빗살 전극(558)을 포함한다.
작동 프레임(552)은 Ｔ-자 형상으로 형성되며, 작동 프레임(552)의 두 단부(554)가 미세 구조를 지지하는 기판에 고정되어 임시로 이동한 후 제자리로 복귀하도록 할 수 있다. 제2 종동 빗살 전극(556)과 제2 구동 빗살 전극(558)의 이빨들(teeth)은 서로 교대로 배치되어 있으며, 제2 구동 빗살 전극(558)에 인가되는 전하에 따라 제2 종동 빗살 전극(556)에 대한 인력 또는 척력을 발생시킬 수 있다.
제2 스위칭 액츄에이터(560) 역시 제1 스위칭 액츄에이터(550)와 실질적으로 동일한 구조를 가지며, 작동 프레임, 제2 종동 빗살 전극 및 제2 구동 빗살 전극을 포함할 수 있다. 제1 및 제 2 스위칭 액츄에이터(550, 560)는 스위칭 빔(510)이 상하로 인접하게 위치하며, 스위칭 빔(510)에 물리적 영향으로 주어 스위칭 빔(510)을 접속 상태(on) 또는 분리 상태(off)로 전환할 수가 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세소자를 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 도 6의 미세 스위치 소자의 사용 예를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 미세소자(600)는 스위칭 빔(610), 스위칭 빔(610)의 양단에 각각 연결된 저항 프레임(630), 축 액츄에이터(640), 전극 프레임(620) 및 제1 스위칭 액츄에이터(650) 및 제2 스위칭 액츄에이터(660)를 포함한다.
스위칭 빔(610)은 긴 바(bar) 또는 플레이트(plate) 형상으로 형성된다. 스위칭 빔(610)의 양 단은 축 방향으로 따라 이동할 수가 있는 가동 단부(612)로서, 가동 단부(612)에는 저항 프레임(630)이 각각 거의 수직하게 연결되어 가동 단부(612)를 탄성적으로 지지할 수 있다.
특히, 스위칭 빔(610)의 중간은 스토퍼(614)에 의해서 실질적으로 고정되기 때문에, 스위칭 빔(610)은 2개의 아치가 웨이브 형상으로 전환하도록 할 수 있다. 스토퍼(614)에 의해서 실질적으로 고정되는 부분을 변곡점(inflection point)(615)라 할 수 있으며, 마치 현이 진동하듯이 접속 상태(on)와 분리 상태(off)를 전환할 수 있다. 참고로 점선으로 표시된 스위칭 빔은 전극 프레임(620)과 접촉하고 있는 접속 상태(on)에 있으며, 실선으로 표시된 스위칭 빔(610)은 분리 상태(off)에 있다.
가동 단부(612)가 연결되는 저항 프레임(630) 역시 미세 구조로 형성되며, 저항 프레임(630)의 양 단부는 기판 등에 고정되고 중앙부는 기판으로부터 이격된 부유 구조를 가져 가동 부분(movable portion)을 형성할 수 있다. 따라서 스위칭 빔(610)이 전환됨에 따라 가동 단부(612)가 바깥쪽으로 이동할 수 있고, 저항 프레임(630)은 가동 단부(612)의 이동을 가능하게 하는 동시에 가동 단부(612)의 이동 변위에 비례하는 저항력을 제공할 수 있다.
저항 프레임(630)의 바깥쪽으로 스위칭 빔(610)의 양단에 축 액츄에이터(640)가 각각 장착된다. 축 액츄에이터(640)는 저항 프레임(630)과 연동하는 제1 종동 빗살 전극(646) 및 제1 종동 빗살 전극(646)에 인접하게 제공되어 제1 종동 빗살 전극(646)에 움직이게 하는 제1 구동 빗살 전극(648)을 포함한다. 제1 구동 빗살 전극(648)은 미세 구조를 지지하는 기판에 고정되며, 제1 종동 빗살 전극(646)은 상기 기판으로부터 거의 부유하는 구조를 가진다. 제1 종동 빗살 전극(646)과 제1 구동 빗살 전극(648)의 이빨들(teeth)은 서로 교대로 배치되어 있다. 일반적으로 제1 종동 빗살 전극(646)에 일정한 전압이 인가된 상태를 유지하며, 이를 위해 스위칭 빔(610) 또는 저항 프레임(630)를 경유하여 제1 종동 빗살 전극(646)이 외부와 전기적으로 연결될 수가 있다. 제1 구동 빗살 전극(648)에 인가되는 전하에 따라 제1 종동 빗살 전극(646)은 제1 구동 빗살 전극(648)으로부터 인력의 영향을 받을 수 있으며, 축 액츄에이터(640)는 스위칭 빔(610)의 전환 시에 작동하여 스위칭 빔(610)이 더욱 쉽게 전환되도록 할 수 있다.
설계에 따라서는, 스위칭 액츄에이터(650, 660) 및 축 액츄에이터(640)로 가해지는 전압 또는 전하량을 조절하여, 스위칭 액츄에이터(650, 660)가 작동할 때 축 액츄에이터(640)도 임시로(temporarily) 작동하게 할 수가 있다. 스위칭 액츄에이터(650, 660) 및 축 액츄에이터(640) 간의 최적의 조합을 찾아낼 수 있으며, 최소의 전력으로 스위칭 빔(610)을 전환하는 것이 가능하다.
전극 프레임(620)과 스위칭 액츄에이터(650)는 서로 다른 아치(arch)의 스위칭 빔(610)과 접촉할 수 있다. 따라서 스위칭 액츄에이터(650, 660)를 형성하기 위한 공간을 확보할 수 있으며, 변곡점이 없는 경우보다 더 낮은 임계력으로 스위칭 빔(610)의 상태를 전환할 수가 있다. 구체적으로 스위칭 액츄에이터(650)는 스위칭 빔(610)에서 스토퍼(614)를 사이에 두고 전극 프레임(620)과 반대되는 아치 영역에 있으며, 스위칭 빔(610)에 물리적인 영향으로 주어 스위칭 빔(610)을 접속 상태(on) 또는 분리 상태(off)로 전환할 수가 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 스위칭 빔의 양단이 고정된 경우보다 스위칭 빔이 양단이 좌우로 움직일 수 있는 경우, 스위칭 빔을 전환하기 위한 임계력(critical force)이 더 작아질 수 있으며, 스위칭 액츄에이터(650)은 상대적으로 저전압으로 스위칭 빔을 전환시킬 수가 있다.
제1 스위칭 액츄에이터(650) 및 제2 스위칭 액츄에이터(660)는 스위칭 빔(610)의 상하로 인접하게 위치한다. 제1 스위칭 액츄에이터(650)는 접속 상태에 있는 스위칭 빔(610)를 밀어서 분리 상태로 전환할 수 있으며, 제2 스위칭 액츄에이터(660)는 분리 상태에 있는 스위칭 빔(610)을 밀어서 접속 상태로 전환할 수가 있다. 제1 및 제2 스위칭 액츄에이터(650, 660)는 스위칭 빔(610)을 중심으로 서로 대칭을 이루며 동일한 구조를 가질 수 있다.
제1 스위칭 액츄에이터(650) 및 제2 스위칭 액츄에이터(660)는 스위칭 빔(610)을 밀기 위한 작동 프레임(652), 작동 프레임(652)과 연동하는 제2 종동 빗살 전극(656) 및 제2 종동 빗살 전극(656)에 인접하게 제공되어 제2 종동 빗살 전극(656)에 움직이게 하는 제2 구동 빗살 전극(658)을 포함한다.
작동 프레임(652)은 Ｔ-자 형상으로 형성되며, 작동 프레임(652)의 두 단부(654)가 미세 구조를 지지하는 기판에 고정되어 임시로 이동한 후 제자리로 복귀하도록 할 수 있다. 제2 종동 빗살 전극(656)과 제2 구동 빗살 전극(658)의 이빨들(teeth)은 서로 교대로 배치되어 있으며, 제2 구동 빗살 전극(658)에 인가되는 전하에 따라 제2 종동 빗살 전극(656)에 대한 인력 또는 척력을 발생시킬 수 있다.
제2 스위칭 액츄에이터(660) 역시 제1 스위칭 액츄에이터(650)와 실질적으로 동일한 구조를 가지며, 작동 프레임, 제2 종동 빗살 전극 및 제2 구동 빗살 전극을 포함할 수 있다. 제1 및 제 2 스위칭 액츄에이터(650, 660)는 스위칭 빔(610)이 상하로 인접하게 위치하며, 스위칭 빔(610)에 물리적 영향으로 주어 스위칭 빔(610)을 접속 상태(on) 또는 분리 상태(off)로 전환할 수가 있다.
도 7를 참조하면, 도 6의 미세 스위치 소자(600)가 멀티 밴드의 스위치 모듈에도 사용될 수 있음을 알 수 있다. 4개 혹은 5개 이상의 미세 스위치 소자(600)를 이용할 수 있으며, 전극 프레임(620)은 둘레를 따라 배열하여 다양한 조합이 나오도록 할 수가 있다.
본 발명의 미세 스위치 소자는 스냅-쓰루(snap-through) 구조를 이용한 것으로서, 외력이 없는 상태에서는 안정된 접속 및 분리 상태를 유지할 수 있으며, 유지(stand-by)를 위한 전력이 필요하지 않다.
또한, 스위칭 빔의 전환 시 스위칭 빔의 일 단부 또는 양 단부를 가동 단부로 설계함으로써 스위칭 빔이 더 작은 힘으로 전환되도록 할 수 있으며, 전환에 필요한 전력 등을 최소로 할 수 있다.
또한, 스위칭 빔의 단부에 축 액츄에이터를 장착하여 스위칭 빔의 가동 단부를 제어할 수 있으며, 축 액츄에이터가 스위칭 빔을 전환하기 위한 스위칭 액츄에이터와 연동하게 함으로써 최적의 전력을 조절할 수가 있다.
본 발명의 미세 스위치 소자는 기존의 멀티 밴드 스위치에도 사용될 수 있으며, 그 사용 예를 제약 없이 다양하게 할 수 있다는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 저항력을 갖고 움직일 수 있는 적어도 하나의 가동 단부를 포함하며, 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 스위칭 빔;
    접속 상태에 있는 상기 스위칭 빔과 전기적으로 접속하는 전극 프레임; 및
    상기 스위칭 빔을 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 스위칭 액츄에이터;
    을 구비하는 미세 스위치 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 빔의 일 단부가 상기 가동 단부인 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 빔의 양 단부가 상기 가동 단부인 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 빔의 상기 가동 단부에 인접하게 저항 프레임이 제공되며, 상기 가동 단부는 상기 저항 프레임의 가동 영역에 연결되는 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저항 프레임에는 축 액츄에이터가 연결되며, 상기 축 액츄에이터는 상기 스위칭 빔의 전환 시에 작동하는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 액츄에이터는 상기 스위칭 빔을 접속 상태로 전환하기 위한 제1 스위칭 액츄에이터 및 상기 스위칭 빔을 분리 상태로 전환하기 위한 제2 스위칭 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 빔은 고정된 적어도 하나의 변곡점(inflection point)를 포함하며, 상기 변곡점을 통과하는 웨이브 형상으로 전환되는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스위칭 빔은 적어도 2개의 웨이브 영역을 포함하며, 상기 전극 프레임 및 상기 스위칭 액츄에이터는 웨이브 형상의 상기 스위칭 빔 중 각각 다른 상기 웨이브 영역과 상호 작용을 하는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  9. 현진동(wire vibration) 형상으로 움직이며 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 스위칭 빔;
    상기 스위칭 빔의 양 단부와 각각 연결되는 저항 프레임;
    접속 상태에 있는 상기 스위칭 빔과 전기적으로 접속하는 전극 프레임; 및
    상기 스위칭 빔을 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 스위칭 액츄에이터;
    을 구비하는 미세 스위치 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 저항 프레임에는 상기 스위칭 빔에 대향하여 축 액츄에이터가 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 축 액츄에이터는 상기 저항 프레임과 연동하는 제1 종동 빗살 전극 및 상기 제1 종동 빗살 전극에 부분적으로 겹치도록 인접하게 제공되어 상기 제1 종동 빗살 전극을 움직이게 하는 제1 구동 빗살 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 스위칭 액츄에이터는 상기 스위칭 빔을 접속 상태로 전환하기 위한 제1 스위칭 액츄에이터 및 상기 스위칭 빔을 분리 상태로 전환하기 위한 제2 스위칭 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    각각의 상기 제1 및 제2 스위칭 액츄에이터는 상기 스위칭 빔을 밀기 위한 작동 프레임, 상기 작동 프레임과 연동하는 제2 종동 빗살 전극 및 상기 제2 종동 빗살 전극에 부분적으로 겹치도록 인접하게 제공되어 상기 제2 종동 빗살 전극을 움직이게 하는 제2 구동 빗살 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스위칭 빔은 적어도 하나의 변곡점(inflection point)를 포함하며, 상기 전극 프레임 및 상기 스위칭 액츄에이터는 서로 다른 현진동 영역과 상호 작용을 하는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  15. 적어도 하나의 변곡점을 갖는 현진동(wire vibration) 형상으로 움직이며 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 스위칭 빔;
    상기 스위칭 빔의 양 단부와 각각 연결되는 저항 프레임;
    상기 스위칭 빔에 대향하여 상기 저항 프레임에 각각 연결되는 축 액츄에이터; 및
    접속 상태에 있는 상기 스위칭 빔과 전기적으로 접속하는 전극 프레임; 및
    상기 전극 프레임과 다른 위치에서 상기 스위칭 빔을 접속 상태 및 분리 상태로 전환하는 스위칭 액츄에이터;
    을 구비하는 미세 스위치 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 축 액츄에이터는 상기 저항 프레임과 연동하는 제1 종동 빗살 전극 및 상기 제1 종동 빗살 전극에 부분적으로 겹치도록 인접하게 제공되어 상기 제1 종동 빗살 전극을 움직이게 하는 제1 구동 빗살 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 스위칭 액츄에이터는 상기 스위칭 빔을 접속 상태로 전환하기 위한 제1 스위칭 액츄에이터 및 상기 스위칭 빔을 분리 상태로 전환하기 위한 제2 스위칭 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
  18. 제17항에 있어서,
    각각의 상기 제1 및 제2 스위칭 액츄에이터는 상기 스위칭 빔을 밀기 위한 작동 프레임, 상기 작동 프레임과 연동하는 제2 종동 빗살 전극 및 상기 제2 종동 빗살 전극에 부분적으로 겹치도록 인접하게 제공되어 상기 제2 종동 빗살 전극을 움직이게 하는 제2 구동 빗살 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 스위치 소자.
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