KR100877223B1 - Ｍｅｍｓ 스위치, 방법 및 무선 통신 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 명세서에는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로전자기계적(MEMS) 스위치가 개시되었다. MEMS 스위치는 기판, 기판 상에 장착된 하부 전극, 하부 전극 상에 장착된 상부 전극, 기판 상에 장착된 액츄에이션 전극 및 액츄에이션 전극에 연결된 저항을 포함한다. 저항은 스위치가 개방될 때마다 액츄에이션 전극에서의 자가-액츄에이션을 방지한다.

Description

ＭＥＭＳ 스위치, 방법 및 무선 통신 시스템{MECHANISM TO PREVENT SELF-ACTUATION IN A MICROELECTROMECHANICAL SWITCH}
본 발명은 전반적으로 마이크로-전자기계적 시스템(MEMS)에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 MEMS 스위치에 관한 것이다.
마이크로-전자기계적 시스템(MEMS) 디바이스는 광범위한 응용의 변화를 가지고 상업 제품에서 일반적이다. MEMS 디바이스 중 하나의 유형은 MEMS 무선 주파수(RF) 스위치이다. 전형적인 MEMS RF 스위치는 RF 스위치 어레이 내에 배열된 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함한다. MEMS RF 스위치의 낮은 전력 특성 및 무선 주파수 범위에서의 동작 능력 때문에 MEMS RF 스위치는 무선 디바이스에 있어서 이상적이다. MEMS RF 스위치는 휴대폰, 무선 컴퓨터 네트워크, 통신 시스템 및 레이더 시스템에서 바람직한 응용을 나타낸다. 무선 디바이스에서, MEMS RF 스위치는 안테나 스위치, 모드 스위치 및 송/수신 스위치로서 사용될 수 있다.
그러나, MEMS RF 스위치에는 종종 문제가 발생한다. MEMS 스위치는 일반적으로 스위치 내부의 액츄에이션(actuation) 전극이 고전압 RF 신호로 인해 "OFF" 상 태에서 작동(자가-액츄에이션)할 수도 있는 문제점을 갖는다. 따라서, 고전압 RF 신호는 스위치 빔을 약화시켜 실패를 야기하기에 충분한 정전기력을 생산한다.
MEMS 스위치는 또한 캐패시턴스 커플링(coupling)으로 인해 액츄에이션 전극/캐패시터를 통한 접지로의 추가적인 삽입 손실(IL; insertion loss)을 겪을 수 있으며, 그에 따라 디바이스의 RF 성능이 (예를 들어, 0.3dB에서 >1dB로) 강하게 저하될 수 있다.
도 1은 무선 통신 시스템의 일 실시예를 도시한 도면,
도 2는 RF MEMS 스위치의 일 실시예를 도시한 도면,
도 3은 전압 강하의 일 실시예를 저항값의 함수로서 도시한 그래프,
도 4는 RF MEMS 스위치의 다른 실시예를 도시한 도면,
도 5는 액츄에이션 전극을 통한 삽입 손실의 일 실시예를 저항값의 함수로서 도시한 그래프,
도 6은 저항으로 인한 RC 시간 지연의 일 실시예를 도시한 그래프,
도 7은 집적된 액츄에이션 저항을 갖는 MEMS 스위치의 일 실시예의 평면도.
본 발명은 하기에 주어진 본 발명의 다양한 실시예의 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 보다 완전하게 이해될 것이다. 그러나, 도면은 본 발명을 특정 실시예로 제한하기 위한 것은 아니며, 설명과 이해를 돕기 위한 것이다.
MEMS 스위치 내의 자가-액츄에이션을 방지하기 위한 메커니즘을 기술한다. 본 명세서에서 참조되는 "일 실시예" 또는 "실시예"는 이 실시예와 관련해 기술된 특정한 특성, 구조체 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서에서 다수 사용된 "일 실시예에서"라는 구절은 모두 동일한 실시예를 의미하는 것은 아니다.
후술된 설명에서, 다수의 세부 사항이 설정되었다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 특정 세부 사항 없이도 실시될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 다른 예에서, 잘 알려진 구조체 및 디바이스가 블록 다이어그램 형태로 도시되었으며, 본 발명을 불명확하게 하지 않도록 자세하게 도시되지는 않았다.
도 1은 무선 통신 시스템(100)의 일 실시예의 블록 다이어그램이다. 시스템(100)은 신호를 전송 및 수신하는 안테나(110)를 포함한다. 시스템(100)은 전압 소스 제어기(120), 수신기(130), 전송기(140) 및 안테나(110)에 전기적으로 연결되는 MEMS 스위치(150)도 또한 포함한다.
전압 소스 제어기(120)는 MEMS 스위치(150)에 전기적으로 접속된다. 일 실시예에서, 전압 소스 제어기(120)는 스위치(150)를 선택적으로 작동시키도록 전압을 MEMS 스위치(150) 내의 (도시되지 않은) 액츄에이션 전극에 선택적으로 공급하는 논리를 포함한다. 수신기(130)는 시스템(100)에서 안테나(110)를 통해 수신되는 신호를 프로세싱한다. 전송기(140)는 시스템(100)으로부터 전송될 신호를 생성한다.
동작 동안, 시스템(100)은 무선 신호를 수신 및 전송한다. 이것은 MEMS 스위치(150)를 선택적으로 활성화시키는 전압 소스 제어기(120)에 의해 달성되며, 스위치(150)는 수신된 신호가 안테나(110)로부터 프로세싱을 하는 수신기(130)로 전송될 수 있도록 수신기(130)와 연결되고, 또한 스위치(150)는 전송기(140)에 의해 생성된 전송 신호가 송신용 안테나(110)로 전달될 수 있도록 전송기(140)에도 연결된다.
도 2는 스위치(150)가 "OFF" 상태에 있을 때의 RF MEMS 스위치(150)의 일 실시예를 도시한 도면이다. 스위치(150)는 기판/유전체(205), 기판(205) 위에 층을 이룬 하부 전극(210) 및 하부 전극(210) 상에 장착된 상부 전극(215, 220)을 포함한다. 전극(215, 220)은 스위치(150)로부터 수신 또는 전송되는 고전압 RF 신호("Vs")를 전달한다. 특히, 전극(220)은 콘택트 영역(225)이 폐쇄될 때마다 신호를 전송하는 50Ω의 전송 라인이다.
액츄에이션 전극(230) 또한 포함된다. 액츄에이션 전극(230)은 기판(205) 상에 장착되며, 전기적으로 충전됨에 따라 (또는 작동됨에 따라) 신호가 전극(215)으로부터 전극(220)으로 전달되도록 한다. 스위치(150)가 "OFF" 상태에 있을 때, 고전압 RF 신호는 자신의 전압 Vs을 액츄에이션 전극(230)(예를 들어, 액츄에이션 캐패시터)에 연결된 캐패시터(Ca) 및 콘택트 영역(225)(예를 들어, 콘택트 캐패시터) 내의 캐패시터(Cb)로 직접 인가할 수 있다.
RF 신호는 고주파수에 있지만, 이 신호의 RMS 값은 상부 전극(215)을 아래로 이동시키기에 충분한 DC를 제공하여 액츄에이션 전극(230)에서 자가-액츄에이션을 발생시킬 수 있다. 접촉 영역(225)이 최소화되어 Cb를 감소시킴으로써 고전압일지라도 콘택트 영역에서 충분한 힘이 생산되지 않도록 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 액츄에이션이 "OFF"일 때 저항(Ra)은 액츄에이션 전극(230)과 접지 사이에 연결된다. 저항은 액츄에이션 전극(230)에서의 자가-액츄에이션에 대한 가능성을 제거한다. 일 실시예에서, 저항은 충분히 높은 저항값(예를 들어, 20㏀)을 가짐으로써, 저항에서의 임피던스가 RF 신호에 상응하는 캐패시터 Ca의 임피던스보다 훨씬 크도록 한다. 결과적으로, 캐패시터 Ca 사이에서는 최소의 RF 전압 강하가 발생한다. 주요 전압 강하는 Ra의 높은 임피던스 때문에 Ra로 이동될 것이다. 따라서, 액츄에이션 전극(230)의 양단에 고전압이 거의 인가되지 않거나 또는 전혀 인가되지 않기 때문에, 스위치(150)의 자가-액츄에이션은 발생하지 않거나, 또는 최소한으로 발생할 것이다.
도 3은 2㎓의 RF 신호, 최대 Vs=33.6V에 대해, 캐패시터(Ca, Cb)에서의 전압 강하의 일 실시예를 저항 Ra 값의 함수로서 도시한 그래프이다. 액츄에이션 캐패시터 Ca에 있어서, 캐패시턴스는 피코-패럿(pico-Farads)(㎊=1e-12F)의 범위에 있다. 만약 로드 저항의 오직 50Ω만이 사용된다면 캐패시터 Ca에서 높은 전압 강하(~20V)가 나타날 수 있다. 로드 저항이 20㏀~60㏀일 때 캐패시터 Ca 상의 전압은 크게 감소된다(<<1V).
이러한 결과는 적절한 액츄에이션 저항 Ra가 고전압 RF 신호로부터의 자가-액츄에이션을 효과적으로 제거할 수 있다는 것을 증명한다. 높은 RF 전압은 콘택트 영역 캐패시터 Cb에서도 예상된다. 그러나, 전술된 바와 같이, 이 예시에서의 자가-액츄에이션은 오버랩되는 영역을 감소시켜 힘을 낮춤으로써 극복될 수 있다.
도 4는 스위치(150)가 "ON" 상태일 때의 RF MEMS 스위치(150)의 일 실시예를 도시한 도면이다. RF 신호와 DC 접지 사이의 높은 임피던스는 신호 연결/손실을 최소화한다. 저항 없이, RF 신호는 콘택트를 통과해 완전히 전송될 것이다. 그러나, RF 신호는 고주파수에서의 낮은 임피던스 때문에 액츄에이션 전극 Ca'를 통해 쉽게 접지로 전송될 수도 있다. 이러한 캐패시터 연결은 부분적인 RF 신호 손실을 발생시키고 RF 삽입 손실(예를 들어, 콘택트를 통한 보다 적은 신호의 전송)을 더 추가함으로써 디바이스 RF 성능을 열화시킨다. 액츄에이션 전극을 통한 이러한 삽입 손실의 양은 폐쇄된 스위치(또는 병렬 접속된 스위치)의 총 캐패시턴스에 의존한다. 손실은 다수의 스위치가 병렬로 사용될 때 수 dB까지 발생할 수 있으며, 높은 Ca'를 나타낸다(총 Ca'>1pF).
도 5는 액츄에이션 전극(230)을 통한 삽입 손실의 일 실시예를 저항값 Ra의 함수로서 도시한 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 액츄에이션 저항이 낮을 때(예를 들어, <100Ω) 삽입 손실은 매우 높다. Ca'가 높을수록 보다 많은 삽입 손실이 예상된다. 이러한 삽입 손실은 저항이 20㏀ 이상의 범위에 있을 때 크게 감소된다(<0.02dB). 따라서, 액츄에이션 전극(230)에 충분히 높은 저항이 추가되면, 삽입 손실이 최소화된다.
도 6은 저항 Ra에 대한 RC 시간 지연의 일 실시예를 도시한 그래프이다. 일반적으로, MEMS 스위치의 기계적 응답(예를 들어, 스위칭 속도)은 10㎲의 범위 내에 있다. 따라서, 저항으로부터의 액츄에이션 신호 시간 지연은 물리적 스위칭 속도(예를 들어, 0.5㎲)보다 훨씬 작을 것이다. 6㎊의 총 액츄에이션 캐패시턴스 Ca' 를 가질 때, 액츄에이션 저항은 빠른 액츄에이션에 대해 70㏀ 이하가 될 것이다. 그러나, 자가-액츄에이션 및 동작 삽입 손실을 최소화하도록, 액츄에이션 저항의 저항값은 20㏀ 이상이 될 것이다. 따라서, 최적의 액츄에이션 저항은 20㏀-70㏀의 범위 내에 있다.
도 7은 집적된 액츄에이션 저항를 갖는 MEMS 스위치(150)의 일 실시예의 평면도이다. 일 실시예에 따르면, 액츄에이션 저항(750)은 폴리실리콘 구동 전극을 사용함으로써 전극(230)과 집적된다. 이러한 실시예에서, 구동 전극은 높은 도펀트를 갖는 폴리실리콘으로 구성되어 액츄에이션 전하 분포에 있어서 우수한 전도성을 획득한다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 동일한 폴리실리콘 층의 임의의 영역은 낮은 주입 도스(implant dose)로 도핑되어 충분한 저항을 획득할 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 집적 방법이 구현될 수 있다. 예를 들어, 고전도성의 폴리실리콘 전극이 임의의 금속으로 대체될 수 있으며, 폴리 저항은 임의의 다른 저항으로 대체될 수도 있다.
전술된 설명을 접한 당업자는 본 발명의 다양한 대안 및 변경이 가능하다는 것을 명백히 알 것이며, 도시 및 기술된 임의의 특정 실시예는 단지 설명을 위한 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아님을 이해할 것이다. 따라서, 참고를 위한 다양한 실시예의 세부 사항은 특허청구범위의 범주를 제한하는 것은 아니며, 본 발명은 오직 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (18)

  1. 마이크로전자기계적(MEMS-microelectromechanical) 스위치에 있어서,
    기판과,
    상기 기판 상에 장착된 하부 전극과,
    상기 하부 전극 상에 장착된 상부 전극과,
    상기 기판 상에 장착된 액츄에이션 전극(actuation electrode)과,
    상기 액츄에이션 전극에 연결되어, 상기 액츄에이션 전극에서의 자가-액츄에이션(self-actuation)을 방지하고, 상기 스위치가 폐쇄될 때마다 상기 액츄에이션 전극을 통한 삽입 손실을 방지하는 저항을 포함하는
    MEMS 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액츄에이션 전극에 연결된 캐패시터를 더 포함하되,
    상기 저항의 임피던스는 상기 캐패시터의 임피던스보다 큰
    MEMS 스위치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저항의 임피던스는 20㏀ 내지 70㏀ 사이의 범위를 갖는
    MEMS 스위치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항은 폴리실리콘 구동 전극을 통해 상기 액츄에이션 전극과 집적되는
    MEMS 스위치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구동 전극은 보다 높은 도펀트의 폴리실리콘으로 구성되어 액츄에이션 전하 분포에 있어서 충분한 전도성을 획득하는
    MEMS 스위치.
  7. 무선 통신 시스템에 있어서,
    고전압 RF 신호를 수신하는 수신기와,
    상기 고전압 RF 신호를 전송하는 송신기와,
    상기 수신기 및 상기 송신기에 연결된 MEMS 스위치를 포함하되,
    상기 MEMS 스위치는
    액츄에이션 전극과,
    상기 스위치가 개방될 때마다 상기 액츄에이션 전극에서 상기 고전압 RF 신호로 인한 자가-액츄에이션을 방지하고 상기 스위치가 폐쇄될 때마다 상기 액츄에이션 전극을 통한 삽입 손실을 방지하는, 상기 액츄에이션 전극에 연결된 저항을 구비하는
    무선 통신 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 MEMS 스위치는 상기 액츄에이션 전극에 연결된 캐패시터를 더 포함하되,
    상기 저항의 임피던스는 상기 캐패시터의 임피던스보다 큰
    무선 통신 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 MEMS 스위치에 연결된 전압 소스 제어기를 더 포함하는
    무선 통신 시스템.
  11. MEMS 스위치의 기판 상에 액츄에이션 전극을 장착하는 단계와,
    상기 액츄에이션 전극을 폴리실리콘 구동 전극과 집적시킴으로써, 상기 액츄에이션 전극에 연결되어 상기 액츄에이션 전극에서의 자가-액츄에이션을 방지하고 스위치가 폐쇄될 때마다 상기 액츄에이션 전극을 통한 삽입 손실을 방지하는 저항을 형성하는 단계를 포함하는
    방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판 상에 하부 전극을 장착하는 단계와,
    상기 하부 전극 상에 상부 전극을 장착하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  13. 무선 통신 시스템에 있어서,
    고전압 RF 신호를 수신하는 수신기와,
    고전압 RF 신호를 송신하는 전송기와,
    상기 수신기 및 상기 전송기에 연결된 MEMS 스위치를 포함하되,
    상기 MEMS 스위치는,
    액츄에이션 전극과,
    상기 스위치가 개방될 때마다 상기 액츄에이션 전극에서의 상기 고전압 RF 신호로 인한 자가-액츄에이션을 방지하고 상기 스위치가 폐쇄될 때마다 상기 액츄에이션 전극을 통한 삽입 손실을 방지하는, 상기 액츄에이션 전극에 연결된 저항과,
    상기 MEMS 스위치에 연결된 안테나를 구비하는
    무선 통신 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 MEMS 스위치는 상기 액츄에이션 전극에 연결된 캐패시터를 더 포함하는
    무선 통신 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 저항의 임피던스는 상기 캐패시터의 임피던스보다 더 큰
    무선 통신 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 저항의 임피던스는 20㏀ 내지 70㏀ 사이의 범위를 갖는
    무선 통신 시스템.
  17. 삭제
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 MEMS 스위치에 연결된 전압 소스 제어기를 더 포함하는
    무선 통신 시스템.
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