KR101442250B1 - 게이팅 전압 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예를 들어 MEMS 스위치(14)와 같은 마이크로-전기 기계적 시스템(MEMS) 디바이스를 정전기식으로 작동하기 위한 게이팅 전압 제어 시스템에 관한 것이다. 디바이스는 제 1 작동 상태(예를 들면, 폐쇄 스위칭 상태) 및 제 2 작동 상태(예를 들면, 개방 스위칭 상태) 중 하나에 대응하는 각각의 작동 상태로 디바이스를 작동하기 위해 갭을 통해 이동 가능한 정전기식 응답성 액츄에이터를 포함할 수 있다. 게이팅 전압 제어 시스템은 게이팅 전압을 인가하도록 디바이스의 게이트 단자(16)에 전기적으로 결합된 구동 회로(10)를 포함할 수 있다. 게이팅 전압 제어 시스템은 게이팅 전압 제어 시퀀스에 따라 게이팅 단자에 인가된 게이팅 전압을 제어하도록 구동 회로에 전기적으로 결합된 제어기(12)를 더 포함할 수 있다. 게이팅 전압 제어 시퀀스는 각각의 작동 상태에 도달하도록 액츄에이터에 의해 횡단될 갭의 부분을 통해 액츄에이터를 가속하는데 충분한 정전기력을 생성하기 위한 전압 레벨로 게이팅 전압을 점진 상승시키기 위한 제 1 간격(T1)을 포함할 수 있다. 게이팅 전압 제어 시퀀스는 가동 액츄에이터 상에 작용하는 정전기력을 감소시키는데 충분한 레벨로 게이팅 전압을 점진 강하시키기 위한 제 2 간격(T2)을 더 포함할 수 있다. 이는 액츄에이터가 제 1 작동 상태를 설정하기 위해 접점에 결합하는 힘의 양을 감소시키거나 또는 제 2 작동 상태에 도달하는 동안 액츄에이터의 오버슈트 위치를 회피하는 것을 허용한다.

마이크로-전기 기계적 시스템 디바이스, 게이팅 전압 제어 시스템, 폐쇄 스위칭 상태, 개방 스위칭 상태, 액츄에이터, 게이트 단자, 구동 회로, 제어기

Description

게이팅 전압 제어 시스템{GATING VOLTAGE CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR ELECTROSTATICALLY ACTUATING A MICRO-ELECTROMECHANICAL DEVICE}

본 발명은 일반적으로 마이크로-전기 기계적 시스템(MEMS) 디바이스를 작동시키기 위한 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 게이팅 전압 제어 시스템 및 MEMS 스위치를 정전기식으로 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.

정전기식 작동에 응답하는 액츄에이터[예를 들면, 외팔보(cantilever beam)]를 포함할 수 있는 마이크로-전기 기계적 시스템(MEMS)에 정전기식 작동을 제공하는 것이 공지되어 있다. 예를 들면, MEMS 스위치에서, 정전기식 작동은 일반적으로 3-단자 디바이스의 게이트 단자와 소스 단자 사이, 또는 4-단자 디바이스에서의 게이트 단자와 게이트 단자 사이의 전압 소스로부터 전압을 인가함으로써 발생한다. 작동 전압은 대략 3 V 내지 대략 >100 V의 범위일 수 있고, 일반적으로 층계 함수(step function)로서, 또는 층계 함수의 실현 가능한 근사(approximation)로서 인가될 수 있다.

예를 들면, 층계 함수 전압이 낮을 때(예를 들면, 0 V), 정상시 개방 스위치(normally open switch)는 개방 유지될 수 있다. 층계 함수 전압이 높아질 때 (예를 들면, 100 V), 스위치는 도전성 스위칭 상태로 폐쇄될 수 있다. 전압 소스를 위한 제어의 구현은 이 유형의 정전기식 작동에 있어서 복잡하지 않은 경향이 있다. 은유적으로 표현하면, 이는 기둥(post)(예를 들면, 스위치 접점)에 도달하도록 가능한 한 고속으로(브레이크 적용 없음) 차량(예를 들면, 외팔보)을 가속하는 것과 유사할 수 있다.

이 형태의 정전기식 작동(예를 들면, 층계 함수)은 스위치 폐쇄 이벤트 또는 스위치 개방 이벤트 중에 바람직하지 않은 영향을 도입할 수 있다는 것이 또한 공지되어 있다. 예를 들면, 스위치 폐쇄 이벤트에서, 외팔보가 스위치 접점에 접근함에 따라, 게이트와 외팔보 사이의 감소 갭(diminishing gap)이 감소되고 외팔보 상에 작용하는 정전기력(∝ 1/gap²)의 증가를 발생시킨다. 그 결과, 외팔보는 접점에 접근함에 따라 상당히 가속되고, 상당한 힘으로 접점에 충돌할 수 있다(예를 들면, 고속 충돌).

이 고속 충돌은 다수의 결과를 가질 수 있다. 먼저, 초기 고속 충돌 후에, 보(beam) 및/또는 접점은 연속적인 접촉을 설정하도록 작동 전압에 의해 구동되기 전에 되튈 수 있다(예를 들면, 기계적 진동 또는 튀어오름). 이 튀어오름은 보가 최종적으로 정착하기 전에 1회 이상 발생할 수 있다. 고속 충돌(및 부수물) 튀어오름을 해결하기 위한 몇몇 접근법은 일반적으로 예를 들면 보가 강성이 되게 하기 위한 보의 물리적 치수 및/또는 재료의 변경, 스위치가 동작하는 분위기의 변경, 진동 감쇄 구조체의 사용 등과 같은, MEMS 디바이스의 구조적 디자인에 영향을 줄 수 있는 성가시고 고비용의 접근법을 수반한다. 다른 접근법은 인가된 정전기력을 감소시키기 위해 작동 전압의 강도를 낮추는 것을 수반한다(은유적으로 표현하면, 이는 차량을 기둥으로 가능한 한 고속으로 가속하지 않는 것으로서 개념화될 수 있음). 그러나, 이는 스위치 작동 시간을 허용 불가능한 레벨로 증가시키는 경향이 있다. 고속 충돌의 다른 결과는 시간 경과에 따라 스위치 접점을 급속하게 열화시키는 경향이다. 스위치가 정격화되어(rated) 그 수명 동안 수행하는 작동 사이클의 수는 종종 접점의 마모에 의해 제한된다. 예를 들면, 충돌하는 스위치 접점 상의 물리적인 충돌량이 감소될 수 있으면, 튀어오름량이 감소되거나 제거될 수 있고, 상당한 수의 작동 사이클이 스위치의 정격에 추가될 수 있다.

유사하게, 스위치 개방 이벤트 중에, 외팔보는 그 중립(예를 들면, 정상) 개방 위치를 오버슈트(overshoot)하는 경향이 있고, 최종적으로 이러한 중립 위치에 도달할 때까지 진동할 수 있다. 이 발진 운동은 개방 이벤트 중에 가변 스탠드오프 전압(standoff voltage)을 생성할 수 있다. 발진 운동은, MEMS 스위치가 개방되고 공칭 정격 전압 스탠드오프가 도달된 후에도, 중립 위치에 최종적으로 정착하여 전압 스탠드오프에 대한 공칭값에 영구적으로 부합하기 전에, 스위치(예를 들면, 외팔보 위치)를 그 정격화된 스탠드오프 전압 미만으로 1회 이상 순간적으로 저하시키는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 스위치가 그 정격화된 스탠드오프 전압 미만으로 저하될 때의 순간 동안, 이는 전압 스탠드오프가 소스(부하) 전압에 대한 요구된 유전체 분리 미만이 되도록 할 수 있고 바람직하지 않은 아크 발생(전압 파괴) 상태 또는 정전기 흡착에 기인하는 순간적인 재폐쇄를 유도할 수도 있다.

상기 고찰의 관점에서, 향상된 정전기식 제어에 대한 요구가 존재한다. 예를 들면, 스위치의 작동 시간을 실질적으로 감소시키지 않고 MEMS 디바이스(예를 들면, 스위치)의 외팔보의 충돌의 영향을 감소시키기 위해[또는 스위치 개방 이벤트 중에 외팔보의 발진 운동(예를 들면, 오버슈트)을 감소시키기 위해] 게이트 작동 전압을 적절하게 조정(성형)하기 위한 시스템 및/또는 기술을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.

일반적으로, 일 특징에서, 본 발명은 마이크로-전기 기계적 시스템(MEMS) 스위치를 정전기식으로 작동하기 위한 게이팅 전압 제어 시스템을 제공한다. 스위치는 폐쇄 스위칭 상태 및 개방 스위칭 상태 중 하나에 대응하는 각각의 스위칭 상태로 스위치를 작동하기 위해 갭을 통해 이동 가능한 정전기식 응답성 액츄에이터를 포함할 수 있다. 제어 시스템은 게이팅 전압을 인가하도록 스위치의 게이트 단자에 전기적으로 결합된 구동 회로를 포함한다. 제어 시스템은 게이팅 전압 제어 시퀀스에 따라 게이팅 단자에 인가된 게이팅 전압을 제어하도록 구동 회로에 전기적으로 결합된 제어기를 더 포함할 수 있다. 게이팅 전압 제어 시퀀스는 각각의 스위칭 상태에 도달하도록 액츄에이터에 의해 횡단될 갭의 부분을 통해 액츄에이터를 가속하는데 충분한 정전기력을 생성하기 위한 전압 레벨로 게이팅 전압을 점진 상승시키기 위한 제 1 간격을 포함할 수 있다. 게이팅 전압 제어 시퀀스는 가동 액 츄에이터 상에 작용하는 정전기력을 감소시키는데 충분한 레벨로 게이팅 전압을 점진 강하시키기 위한 제 2 간격을 더 포함할 수 있다. 이는 액츄에이터가 폐쇄 스위칭 상태를 설정하기 위해 스위치 접점에 결합하는 힘의 양을 감소시키거나 또는 개방 스위칭 상태에 도달하는 동안 액츄에이터의 오버슈트 위치를 회피하는 것을 허용한다.

다른 특징에서, 본 발명은 마이크로-전기 기계적 시스템(MEMS) 디바이스를 정전기식으로 작동하기 위한 게이팅 전압 제어 시스템을 제공한다. 디바이스는 제 1 작동 상태 및 제 2 작동 상태 중 하나에 대응하는 각각의 작동 상태로 디바이스를 작동하기 위해 갭을 통해 이동 가능한 정전기식 응답성 액츄에이터를 포함할 수 있다. 게이팅 전압 제어 시스템은 게이팅 전압을 인가하도록 디바이스의 게이트 단자에 전기적으로 결합된 구동 회로를 포함할 수 있다. 게이팅 전압 제어 시스템은 게이팅 전압 제어 시퀀스에 따라 게이팅 단자에 인가된 게이팅 전압을 제어하도록 구동 회로에 전기적으로 결합된 제어기를 더 포함할 수 있다. 게이팅 전압 제어 시퀀스는 각각의 작동 상태에 도달하도록 액츄에이터에 의해 횡단될 갭의 부분을 통해 액츄에이터를 가속하는데 충분한 정전기력을 생성하기 위한 전압 레벨로 게이팅 전압을 점진 상승시키기 위한 제 1 간격을 포함할 수 있다. 게이팅 전압 제어 시퀀스는 가동 액츄에이터 상에 작용하는 정전기력을 감소시키는데 충분한 레벨로 게이팅 전압을 점진 강하시키기 위한 제 2 간격을 더 포함할 수 있다. 이는 액츄에이터가 제 1 작동 상태를 설정하기 위해 접점에 결합하는 힘의 양을 감소시키거나 또는 제 2 작동 상태에 도달하는 동안 액츄에이터의 오버슈트 위치를 회피 하는 것을 허용한다.

본 발명은 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명에서 설명된다.

본 발명에 따르면, 스위치의 작동 시간을 실질적으로 감소시키지 않고 MEMS 디바이스(예를 들면, 스위치)의 외팔보의 충돌의 영향을 감소시키기 위해[또는 스위치 개방 이벤트 중에 외팔보의 발진 운동(예를 들면, 오버슈트)을 감소시키기 위해] 게이트 작동 전압을 적절하게 조정(성형)하는 것이 가능한 게이팅 전압 제어 시스템이 제공된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로-전기 기계적 시스템(MEMS) 스위치에 기초하는 스위칭 어레이에 대해서와 같은, 게이팅 전압 제어를 제공하도록(예를 들면, 소정의 스위칭 상태에 부합하도록) 사용될 수 있는 바와 같은 구조적 및/또는 작동적 관계가 본 명세서에 설명된다. 현재, MEMS는 일반적으로 예를 들면 기계적 요소, 전기 기계적 요소, 센서, 액츄에이터 및 전자 기기와 같은 다수의 기능적인 개별 요소를 마이크로-제조 기술을 통해 공통 기판 상에 집적화할 수 있는 미크론-스케일 구조체를 칭한다. 그러나, 현재 MEMS 디바이스에 이용 가능한 다수의 기술 및 구조체는 불과 수년 내에는 예를 들면 100 nm 이하의 크기일 수 있는 구조체와 같은 나노기술-기반 디바이스를 거쳐 이용 가능해질 것이다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 설명된 예시적인 실시예가 MEMS-기반 디바이스에 관해 설명할지라도, 본 발명의 발명적인 특징은 광범위하게 해석되어야 하고 미크론-크기의 디바이스에 한정되는 것은 아니라는 것을 언급한다.

이하의 상세한 설명에서, 다수의 특정 상세가 본 발명의 다양한 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 당업자는 본 발명의 실시예가 이들 특정 상세 없이 실시될 수 있고, 본 발명이 서술된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 다양한 대안 실시예로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 다른 경우에, 공지의 방법, 절차 및 구성 요소는 상세히 설명되지 않는다.

더욱이, 다양한 동작이 본 발명의 실시예의 이해를 보조하는 방식으로 수행된 다수의 개별 단계로서 설명될 것이다. 그러나, 설명의 순서는 이들 동작이 반드시 제시된 순서대로 수행되어야 한다는 것 뿐만 아니라 이들이 심지어는 순서 의존성이 있다는 것을 암시하는 것으로서 해석되어서는 안된다. 더욱이, "일 실시예에서"라는 구문의 반복적인 사용은 그런 경우도 있을 수 있지만, 반드시 동일한 실시예를 칭하는 것은 아니다. 마지막으로, 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등은 달리 지시되지 않으면 동의어인 것으로 의도된다.

본 발명의 발명자들은 스위치와 같은 마이크로-전기 기계적 시스템(MEMS) 디바이스에서 가동 액츄에이터(예를 들면, 외팔보형 액츄에이터)를 정전기식으로 작동하기 위한 게이팅 전압을 선택적으로 조정하기 위한 시스템 및/또는 기술을 혁신적으로 인식하였다. 예를 들면, 스위치 폐쇄 이벤트 중에, 본 발명의 특징에 따른 게이팅 전압의 조정은 스위치 접점 상에 완충 효과를 제공할 수 있게 한다. 역으로, 스위치 개방 이벤트 중에, 본 발명의 특징에 따른 게이팅 전압의 조정은 외팔보의 발진 운동(예를 들면, 오버슈트 위치)을 감소시킬 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 특징에 다른 MEMS 스위치(14)의 정전기식 작동을 수행하도록 구성된 제어기(12)에 응답하는 게이트 구동기(10)를 구비할 수 있는 것과 같은 게이팅 전압 제어 시스템의 개략도이다. 정전기식 작동은 예를 들면 3-단자 디바이스의 게이트 단자(16)와 소스 단자(18)(예를 들면, 외팔보) 사이 또는 4-단자 디바이스에서의 게이트 단자와 게이트 접지 사이에 게이트 구동기(10)에 의해 인가된 적합하게 구성된 게이팅 전압을 인가함으로써 수행될 수 있다. 도 1은 개방 3-단자 스위치 상태를 도시하고 있다. 일단 가동 보가 폐쇄 상태로 작동되면, 적어도 외팔보(18)의 세그먼트는 MEMS 스위치의 단자(20)(예를 들면, 스위치 접점)에 물리적으로 접촉할 수 있다.

도 2는 MEMS 스위치의 본 발명의 특징에 따른 정전기식으로 작동되도록 구성될 수 있는 바와 같은 게이팅 전압(즉, 수직축)의 파형의 일 예시적인 실시예의 플롯이다. 예시적인 안내 원리의 설명을 위해, 플롯은 시간축(즉, 수평축)을 따라 간격(예를 들면, 4개)의 시퀀스로 세분될 수 있다. 도 2에 도식적으로 묘사된 바와 같은 이러한 예시적인 간격은, 실용적인 구현에서 이러한 간격 중 임의의 하나가 소정의 적용의 요구에 의존하여 더 높거나 더 낮은 정도로 강조(또는 덜 강조)될 수 있기 때문에 본 발명의 특징을 엄밀하게 분류하는 것으로 의도되는 것은 아니라는 것이 이해될 수 있을 것이다.

간격 T1: 이 초기 간격에서, 게이팅 전압은 급속한 속도의 상승 전압을 제공하도록 선택될 수 있다. 이는 가속을 얻고 갭을 가로지르도록(문자 g로 나타냄) 외팔보에 충분한 에너지를 부여하는 것을 허용한다. 일 예시적인 실시예에서, 게 이팅 전압의 크기[전압(V1)으로 나타냄]는 이러한 크기가 갭 전압 파괴를 회피하기 위한 값 내로 유지되면 충분히 높게 선택될 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 간격(T1)의 주기는 외팔보 상에 작용하는 스프링력을 극복하기 위해 충분한 운동량(momentum)이 제공되는 것을 보장하도록 수백 나노초 정도일 수 있다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 게이팅 전압의 크기(V1)는 게이트에서의 갭 및 외팔보의 크기(예를 들면, 질량) 및 강성에 기초하여 선택될 수 있다. 이 방식으로, 보의 크기에 비례하여 외팔보 운동을 부여할 수 있다.

간격 T2: 이 예시적인 간격에서, 게이팅 전압은 외팔보가 타성 운동(COAST)하는 것을 허용하도록 충분히 고속인 속도로 점진 강하(ramp down)되도록 선택될 수 있다. 이 속도는 분석적으로 추정될 수 있고(또는 실험적으로 유도됨), 이어서 제어기(12) 내에 프로그래밍될 수 있다. 외팔보 동역학(예를 들면, 운동)과 게이트 작동 사이의 적합한 관계를 시간 영역(time domain)에서 설정하면, 시간의 함수로서의 갭 내의 외팔보의 위치가 추정될 수 있다.

간격 T3: 게이팅 전압의 점진 강하는 미리 결정된 전압[전압(V2)으로 나타냄]에 도달할 때 종료될 수 있다. 전압(V2)의 값은 단지 드레인의 약간 상부에 외팔보의 팁을 유지하도록 선택될 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 이 유지 전압(V2)은, 본질적으로 MEMS 스위칭 어레이의 모든 외팔보가 실질적으로 균일하게 이완되고 단지 드레인 접점의 약간 상부의 갭에서 그 각각의 위치를 안정화하는 능력을 갖도록 간격(T3)의 주기에 인가될 수 있다. 유지 전압(V2)을 인가하기 위한 시간 주기는 MEMS 스위칭 어레이의 외팔보의 평균 이완 시간에 따라 수 나노초의 정도일 수 있다. 마찬가지로, 유지 전압(V2)의 값 및 유지 전압(V2)을 인가하기 위한 시간 기간과 같은 파라미터가 분석적으로 추정되어(또는 실험적으로 유도됨) 제어기(12) 내에 프로그래밍될 수 있다.

간격 T4: 일단 본질적으로 모든 외팔보 위치가 실질적으로 안정화된 상태에 있으면, 예를 들면 단지 스위치 접점의 약간 상부에 위치되면, 게이팅 전압은 드레인 단자와의 접촉을 설정하기 위한 전압값(V3으로 나타냄)으로 점진 상승(ramp up)될 수 있다. 폐쇄 전압(V3)의 크기는 소정량의 접촉 압력에 기초하여 선택될 수 있다.

모든 외팔보가 제어된 속도 및 힘을 제공하도록 구성된 게이팅 전압에 응답하여 갭을 가로지를 수 있기 때문에, 튀어오름량이 제거되거나 또는 상당히 감소될 수 있는 것으로 고려된다. 더욱이, 폐쇄 전압(V3)에 대해 적절한 값을 선택함으로써, 접촉 압력은 비교적 낮은 접촉 저항 체제를 위해 적합될 수 있다.

상기 전압 게이팅 제어는 개방 루프 제어를 포함하고, 동작시에 비교적 고속 작동 시간을 유지하고 튀어오름 없이 일관적으로 적절한 접촉 압력을 설정하면서 MEMS 스위칭 어레이를 형성하는 복수의 외팔보에 대한 폐쇄 시간의 변동을 감소시킬 수 있는 것으로 고려된다. 본 발명의 특징을 구체화하는 전압 게이팅 제어는 폐쇄 루프 제어를 수행하도록 적용될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 적합한 센서(예를 들면, 캐패시턴스-기반 센서, 터널링 전류-기반 센서 등)가 외팔보 운동(예를 들면, 위치, 속도)을 모니터링하기 위해 사용될 수 있고, 이 정보는 이에 따라 게이팅 신호를 조정하도록 제어기에 공급될 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, T1+T2+T3+T4와 같은 간격의 시퀀스에 대한 총 작동 시간은 5 마이크로초 정도일 수 있는 것으로 예측된다.

도 3은 MEMS 스위치의 본 발명의 특징에 따른 정전기식으로 작동되도록 구성될 수 있는 바와 같은 시간의 함수로서 플롯팅된 게이팅 전압(20)의 파형의 다른 예시적인 실시예의 플롯이다. 도 3은 또한 시간의 함수로서 플롯팅된 외팔보 위치(22)의 플롯을 더 도시하고 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 예시적인 간격(T1)에서, 게이팅 전압은 전압 레벨(V1)로의 급속한 속도의 상승 전압을 제공하도록 선택될 수 있다. 이는 가속을 얻도록 외팔보에 충분한 에너지를 부여하는 것을 허용한다. 스위치 접점과의 충돌의 발생 이전의 소정의 미리 결정된 시간에, 게이팅 전압은 외팔보가 본질적으로 비가속 방식(예를 들면, 타성 운동)으로 스위칭 접점에 계속 접근함에 따라 예시적인 간격(T2) 중에 점진 강하(예를 들면, 턴오프)된다. 예시적인 간격(T3)에서, 외팔보에 의한 초기 접촉이 이루어진 후에(또는 이러한 접촉이 이루어지기 직전에), 게이팅 전압은 이러한 초기 접촉을 유지하도록(또는 설정하도록) 구성된 유지 전압(V2)에 도달하도록 재인가될 수 있다. 이 게이팅 전압 제어는, 정전기력의 가속 효과가 감소될 수 있고(예를 들면, T2 간격 중에 게이트 전압을 턴오프 함으로써) 스위치 접점이 보 상에 작용하는 관성력에 의해 주로 구동되는 비교적 유연한 초기 접촉을 형성하는 것을 허용할 수 있기 때문에, 외팔보 및 스위치 접점의 고속 충돌을 유사하게 회피할 수 있는 것으로 예측된다. 게이팅 전압은 이어서 강한 접촉을 형성하도록 재인가될 수 있고, 보의 스프링력 하에서 접점이 재개방되는 것을 방지할 수 있다. 동작시에, 이 기술은 유 사하게 접점이 충돌시에 튀어오르는 것을 방지할 수 있다.

당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 외팔보 상에 작용하는 가속력은 정전기력 및 스프링력의 벡터합이다. 스프링력은 휴지 위치에서 0이기 때문에, 초기 힘은 전적으로 게이트 전압에 기인한다. 그러나, 정전기력은 게이트-대-소스 전압(V^2)의 함수이고 게이트와 소스 사이의 갭 거리(d^2)의 역함수이다. 따라서, 보가 게이트에 근접하여 이동할 때, 정전기력은 제곱 법칙 관계에 기초하여 증가하지만, 스프링력은 선형적으로 증가한다. 따라서, 정전기 에너지는 스프링 뿐만 아니라 보의 동역학 에너지에 입력된다. 전술된 바와 같이, 몇몇 지점에서는 전압이 감소되고 이는 정지 접점(드레인)과의 접촉 직전에 거의 정지하는 보 운동과 같이 스프링이 보의 동역학 에너지의 대부분을 흡수할 수 있게 한다. 보와 드레인이 접촉함에 따라, 인가된 전압은 탄성 튀어오름력을 극복하도록 충분히 고속이고 충분히 낮은 저항으로 접점을 함께 유지하도록 충분히 높은 속도로 증가될 수 있다. 개방시에, 인가된 전압은 보가 정지 위치에 접근함에 따라 고속으로, 스프링 내에 저장되어 있는 에너지에 실질적으로 동일한 보의 동역학 에너지를 흡수할 필요가 있다. 이는 일반적으로 발진 시스템에 임계적 진동 감쇄를 제공하는 것으로 공지되어 있고, 일 예시적인 실시예에서는 대략 10% 오버슈트를 허용하는 진동 감쇄가 과도적으로 감소된 갭 없이 스탠드오프 전압의 비교적 고속의 회복을 제공할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예가 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 이러한 실시예는 단지 예로서만 제공된 것이 주목된다. 다수의 변형, 변경 및 대체가 본 명 세의 본 발명의 특징으로부터 일탈하지 않고 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범주에 의해서만 한정되는 것으로 의도된다.

도 1은 MEMS 디바이스의 본 발명의 특징에 따른 정전기식 작동을 수행하도록 구성될 수 있는 바와 같은 게이팅 전압 제어 시스템의 개략도.

도 2는 MEMS 디바이스의 본 발명의 특징에 따른 정전기식으로 작동하도록 구성될 수 있는 바와 같은 게이팅 전압의 파형의 일 예시적인 실시예의 플롯.

도 3은 본 발명의 특징에 따른 게이팅 전압의 파형의 다른 예시적인 실시예의 플롯.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 게이트 구동기 12: 제어기

14: MEMS 스위치 16: 게이트 단자

18: 소스 단자 20: 게이팅 전압

22: 외팔보 위치 T1: 초기 시간 간격

T2: 시간 간격 T3: 시간 간격

T4: 시간 간격 V1: 게이팅 전압

V2: 유지 전압 V3: 폐쇄 전압

Claims (10)

1. 마이크로-전기 기계적 시스템 스위치를 정전기식으로 작동시키기 위한 게이팅 전압 제어 시스템으로서,

   상기 스위치는, 폐쇄 스위칭 상태(a closed switching condition)와 개방 스위칭 상태(an open switching condition) 중 하나에 대응하는 각각의 스위칭 상태로 스위치를 작동시키기 위해 갭을 통해 이동 가능한 정전기식 응답성 액츄에이터(an electrostatically responsive actuator)를 포함하고,

   상기 게이팅 전압 제어 시스템은,

   상기 스위치의 게이트 단자에 전기적으로 결합되어 게이팅 전압을 인가하는 구동 회로와,

   상기 구동 회로에 전기적으로 결합되어 게이팅 전압 제어 시퀀스에 따라 상기 게이트 단자에 인가된 상기 게이팅 전압을 제어하는 제어기를 포함하되,

   상기 게이팅 전압 제어 시퀀스는, 각각의 스위칭 상태에 도달하도록 상기 액츄에이터에 의해 횡단될 갭의 일부를 통해 상기 액츄에이터를 가속시키기에 충분한 정전기력을 생성하기 위한 전압 레벨로 상기 게이팅 전압을 점진 상승시키기(ramping up) 위한 제 1 간격을 포함하고, 상기 게이팅 전압 제어 시퀀스는, 이동 가능한 상기 액츄에이터 상에 작용하는 정전기력을 감소시키기에 충분한 레벨로 상기 게이팅 전압을 점진 강하시키기(ramping down) 위한 제 2 간격을 더 포함하고, 이에 의해 개방 스위칭 상태로부터 폐쇄 스위칭 상태를 설정하기 위해 상기 액츄에이터가 스위치 접점에 결합하는 힘의 양을 감소시키거나 또는 폐쇄 스위칭 상태로부터 개방 스위칭 상태에 도달하는 동안 상기 액츄에이터의 오버슈트 위치를 회피하는

   게이팅 전압 제어 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 게이팅 전압 제어 시퀀스는, 상기 액츄에이터가 폐쇄 스위칭 상태를 설정하기 위해 상기 스위치 접점에 결합할 때 상기 액츄에이터와 상기 스위치 접점 사이에 소정량의 기계적 압력을 유지시키기에 충분한 정전기력을 생성하기 위한 전압 레벨로 상기 게이팅 전압을 점진 상승시키기 위한 제 3 간격을 더 포함하는

   게이팅 전압 제어 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 액츄에이터는 외팔보(a cantilever beam)인

   게이팅 전압 제어 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 마이크로-전기 기계적 시스템 스위치는 마이크로-전기 기계적 시스템 스위치의 어레이를 포함하는

   게이팅 전압 제어 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 2 간격 동안에 도달된 상기 게이팅 전압은, 스위칭 어레이의 각각의 외팔보가 복수의 대응 스위치 접점에 결합하기 전에 갭 내에서 서로에 대한 각각의 위치를 안정화하는 것을 가능하게 할 정도로 충분히 긴 시간 동안 인가되는

   게이팅 전압 제어 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어기는 개방 루프 제어기로서 구성되는

   게이팅 전압 제어 시스템.
7. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어기는 상기 외팔보가 상기 스위치를 작동시키기 위해 갭을 통해 각각의 스위칭 상태로 이동할 때 외팔보 운동을 모니터링하도록 결합되고, 상기 제어기는 적어도 상기 모니터링된 외팔보 운동에 기초하여 폐쇄 루프 게이팅 전압 제어 시퀀스를 수행하도록 구성되는

   게이팅 전압 제어 시스템.
8. 마이크로-전기 기계적 시스템 디바이스를 정전기식으로 작동시키기 위한 게이팅 전압 제어 시스템으로서,

   상기 디바이스는, 제 1 작동 상태와 제 2 작동 상태 중 하나에 대응하는 각각의 작동 상태로 상기 디바이스를 작동시키기 위해 갭을 통해 이동 가능한 정전기 응답성 액츄에이터를 포함하고,

   상기 게이팅 전압 제어 시스템은,

   상기 디바이스의 게이트 단자에 전기적으로 결합되어 게이팅 전압을 인가하는 구동 회로와,

   상기 구동 회로에 전기적으로 결합되어 게이팅 전압 제어 시퀀스에 따라 상기 게이트 단자에 인가된 상기 게이팅 전압을 제어하는 제어기를 포함하되,

   상기 게이팅 전압 제어 시퀀스는, 각각의 작동 상태에 도달하도록 상기 액츄에이터에 의해 횡단될 갭의 부분을 통해 상기 액츄에이터를 가속시키기에 충분한 정전기력을 생성하기 위한 전압 레벨로 상기 게이팅 전압을 점진 상승시키기 위한 제 1 간격을 포함하고, 상기 게이팅 전압 제어 시퀀스는, 이동 가능한 상기 액츄에이터 상에 작용하는 정전기력을 감소시키기에 충분한 레벨로 상기 게이팅 전압을 점진 강하시키기 위한 제 2 간격을 더 포함하고, 이에 의해 상기 제 2 작동 상태로부터 상기 제 1 작동 상태를 설정하기 위해 상기 액츄에이터가 접점에 결합하는 힘의 양을 감소시키거나 또는 상기 제 1 작동 상태로부터 상기 제 2 작동 상태에 도달하는 동안 상기 액츄에이터의 오버슈트 위치를 회피하는

   게이팅 전압 제어 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 게이팅 전압 제어 시퀀스는 상기 액츄에이터가 제 1 작동 상태를 설정하기 위해 상기 접점에 결합할 때 상기 액츄에이터와 상기 접점 사이에 소정량의 기계적 압력을 유지시키기에 충분한 정전기력을 생성하기 위한 전압 레벨로 상기 게이팅 전압을 점진 상승시키기 위한 제 3 간격을 더 포함하는

   게이팅 전압 제어 시스템.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 마이크로-전기 기계적 시스템 디바이스는 마이크로-전기 기계적 시스템 스위치를 포함하고, 상기 액츄에이터는 외팔보를 포함하고, 상기 제 1 작동 상태는 폐쇄 스위칭 상태를 포함하고, 상기 제 2 작동 상태는 개방 스위칭 상태를 포함하는

    게이팅 전압 제어 시스템.

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