KR20010047068A - micro-switch - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마이크로 스위치에 관한 것으로, 특히 정전기력(electrostatic force)을 이용하여 구동하는 고주파용 마이크로 스위치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to microswitches and, more particularly, to high frequency microswitches that are driven using electrostatic forces.
일반적으로 고주파 대역에서 사용되는 많은 전자 시스템들 (electronic systems)은 점차적으로 초소형화, 초경량화, 고성능화가 되어가고 있다.In general, many electronic systems used in the high frequency band are gradually miniaturizing, ultralighting, and high performance.
이러한 전자 시스템에서는 신호(signal)를 제어하기 위하여 FET(Field Effect Transistor)나 핀(Pin) 다이오드와 같은 반도체 스위치들이 사용되고 있는데, 이 반도체 스위치들은 구동될 때에 전력 손실이 크고, 왜곡(distortion)이 있으며, 완전한 온/오프(on/off) 절연이 이루어지지 않는 등의 많은 문제점들이 있었다.In these electronic systems, semiconductor switches such as field effect transistors (PFETs) and pin diodes are used to control signals. These semiconductor switches have high power loss and distortion when driven. There are many problems, such as incomplete on / off isolation.
그러므로, 최근에는 이 반도체 스위치들을 대체하기 위하여 마이크로머시닝(micromachining)이라는 새로운 기술을 사용하여 기계적으로 움직이는 초소형 정전 스위치가 널리 연구되고 있다.Therefore, recently, mechanically moving micro electrostatic switches using a new technique called micromachining has been widely studied to replace these semiconductor switches.
이와 같이, 기계적으로 움직이는 마이크로 정전 스위치들은 고주파 대역에서 군사용과 무선 통신 시스템, 페이즈 쉬프터들(phase shifters), 안테나 튜너들(antenna tuners), 리시버들(receivers), 트랜스미터들(transmitters), 페이즈드 어레이 안테나들(phased array antennas) 등의 분야에 상업적으로 널리 이용되고 있다.As such, mechanically moving micro electrostatic switches are used in military and wireless communications systems, phase shifters, antenna tuners, receivers, transmitters, phased arrays in high frequency bands. It is widely used commercially in the field of phased array antennas and the like.
하지만, 마이크로 정전 스위치가 좋은 특성을 갖기 위해서는 스위치의 온/오프 비율(on/off ratio)이 커야하고, 또한 온 정전용량(on capacitance)이 크면서 오프 정전용량(off capacitance)이 작은 것이 바람직하다.However, in order for the micro electrostatic switch to have good characteristics, it is desirable that the on / off ratio of the switch is large, and that the on capacitance is large and the off capacitance is small. .
따라서, 이러한 좋은 특성을 얻기 위하여 현재 많은 연구가 진행 중이지만, 스위치를 만드는 제조 공정과 사용되는 얇은 박막 재료의 특성에 의해 원하는 특성과 값을 얻는 것이 그리 쉽지 않았다.Thus, although much research is currently being conducted to obtain such good properties, it is not easy to obtain desired properties and values by the manufacturing process of making the switch and the characteristics of the thin film material used.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로 스위치를 보여주는 사시도로서, 도 1에 도시된 바와 같이 마이크로 스위치는 기판상에 형성되는 접지판과, 접지판 사이에 형성되는 전송선과, 이 전송선으로부터 일정 공간을 두고 떨어져 전송선 상부에 형성되는 이동판, 그리고 이동판이 전송선과 접촉되는 영역에 형성되는 절연층으로 구성된다.1 is a perspective view illustrating a micro switch according to the prior art, and as shown in FIG. 1, a micro switch may include a ground plate formed on a substrate, a transmission line formed between the ground plates, and a space away from the transmission line. The moving plate is formed on the transmission line, and the insulating layer is formed in the region in which the moving plate is in contact with the transmission line.
여기서, 이동판은 전송선에 대해 수직한 방향으로 접지판의 금속 포스트(metal post)에 연결되는데, 이동판은 커패시터의 상부전극으로 이용되고, 전송선은 커패시터의 하부전극으로 이용된다.Here, the moving plate is connected to the metal post of the ground plate in a direction perpendicular to the transmission line, the moving plate is used as the upper electrode of the capacitor, the transmission line is used as the lower electrode of the capacitor.
도 2 내지 도 4는 종래 기술에 따른 마이크로 스위치의 동작을 설명하기 위한 구조단면도이다.2 to 4 are structural cross-sectional views for explaining the operation of the micro switch according to the prior art.
도 2는 스위치의 접지판과 전송선에 전압이 인가되지 않아 스위치가 오프(off)된 상태이고, 도 3 및 도 4는 스위치의 접지판과 전송선에 전압이 인가되어 스위치가 온(on)된 상태이다.2 is a state in which the switch is turned off because no voltage is applied to the ground plate and the transmission line of the switch, and FIGS. 3 and 4 show that the switch is turned on because the voltage is applied to the ground plate and the transmission line of the switch. to be.
스위치가 오프 상태일 때는 도 2에 도시된 바와 같이 스위치에 정전기력이 인가되지 않아 상부전극인 이동판은 공중에 떠 있는 상태로 있지만, 스위치가 온 상태일 때는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 스위치에 정전기력이 인가되어 이동판이 전송선 위의 절연층쪽으로 당겨져 절연층 위에 접촉된다.When the switch is in the off state, as shown in FIG. 2, since the electrostatic force is not applied to the switch, the moving plate, which is the upper electrode, remains in the air, but when the switch is in the on state, as shown in FIGS. 3 and 4. An electrostatic force is applied to the switch so that the moving plate is pulled toward the insulating layer on the transmission line and in contact with the insulating layer.
스위치가 오프(off)일 때는 커패시터의 정전용량은 아주 작아져서 대부분의 신호가 전송선을 따라 전송되고, 스위치가 온(on)일 때는 커패시터의 정전용량이 아주 커져서 대부분의 신호가 접지판으로 바이패싱(bypassing)된다.When the switch is off, the capacitor's capacitance is so small that most of the signal is transmitted along the transmission line. When the switch is on, the capacitor's capacitance is so large that most signals are bypassed to the ground plane. (bypassing)
따라서, 온/오프 비율이 크거나 온 정전용량이 크면 클수록 좋은 특성의 스위칭이 발생되어 고주파용 스위치에 적합하다.Therefore, the larger the on / off ratio or the larger on-capacitance, the better the characteristic switching occurs, which is suitable for the switch for high frequency.
하지만, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 하부전극인 전송선과 그 위에 형성된 절연층의 표면은 평평하지 않고, 실제로는 그 표면에 굴곡이 있으므로, 상부전극인 이동판이 절연층에 접촉될 때, 이동판이 절연판에 완전히 접촉되지 않게 된다.However, as shown in FIGS. 2 to 4, the surface of the transmission line, which is the lower electrode, and the surface of the insulating layer formed thereon, are not flat, and in fact, there is a curvature on the surface thereof. The moving plate is not completely in contact with the insulating plate.
이것은 마이크로 스위치의 온 정전용량을 작게 하는 원인이 된다.This causes the on capacitance of the micro switch to be reduced.
이러한 현상은 이동판(상부전극), 전송선(하부전극), 절연층의 박막 자체가 평평하지 않는 이유도 있지만, 스위치를 제조 공정 중 다층 공정시에 완전히 제거되지 않은 찌거기나 평탄화(planarization) 문제 때문에 야기되기도 한다.This phenomenon may be due to the fact that the moving plate (upper electrode), the transmission line (lower electrode), and the thin film of the insulating layer are not flat, but due to debris or planarization problem that the switch is not completely removed during the multilayer process during the manufacturing process. It is also caused.
본 발명의 목적은 구동시 전력 손실이 적고, 온/오프 비율이 크며, 온 정전용량이 크고 오프 정전용량이 작은 마이크로 스위치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a micro switch with little power loss during driving, a large on / off ratio, a large on capacitance, and a small off capacitance.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로 스위치를 보여주는 사시도1 is a perspective view showing a micro switch according to the prior art
도 2 내지 도 4는 종래 기술에 따른 마이크로 스위치의 동작을 설명하기 위한 구조단면도2 to 4 is a structural cross-sectional view for explaining the operation of the micro switch according to the prior art
도 5 및 도 6은 본 발명 제 1 실시예에 따른 마이크로 스위치를 보여주는 구조단면도5 and 6 are structural cross-sectional views showing a micro switch according to the first embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명 제 2 실시예에 따른 마이크로 스위치를 보여주는 구조단면도7 is a structural cross-sectional view showing a micro switch according to a second embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명 제 3 실시예에 따른 마이크로 스위치를 보여주는 구조단면도8 is a structural sectional view showing a micro switch according to a third embodiment of the present invention;
본 발명에 따른 마이크로 스위치는 기판과, 기판 위에 형성되고 커패시터의 하부전극으로 이용되는 전송선과, 전송선의 소정영역 위에 형성되는 절연층과, 절연층 위에 형성되는 금속 전극과, 금속 전극에 일정 공간을 두고 금속 전극 상부에 형성되고 커패시터의 상부전극으로 이용되며 외부의 인가 전압에 따라 금속 전극에 접촉되는 이동판으로 구성된다.The micro switch according to the present invention comprises a substrate, a transmission line formed on the substrate and used as a lower electrode of the capacitor, an insulating layer formed on a predetermined region of the transmission line, a metal electrode formed on the insulating layer, and a predetermined space in the metal electrode. It is formed on top of the metal electrode and used as the upper electrode of the capacitor, and consists of a moving plate contacting the metal electrode according to an externally applied voltage.
그리고, 전송선 양측 또는 일측의 기판 위에는 이동판을 고정시키는 접지판이 형성되고, 접지판과 전송선 사이의 기판 위에는 금속선이 형성될 수도 있다.In addition, a ground plate may be formed on both sides of the transmission line or one side of the substrate, and a metal line may be formed on the substrate between the ground plate and the transmission line.
여기서, 금속선 위에는 절연층이 형성된다.Here, an insulating layer is formed on the metal wire.
이와 같이 구성되는 본 발명은 전압 인가시, 이동판이 커패시터의 절연체 위에 형성된 금속 전극에 일부만 접촉되어도 100% 스위칭되므로, 전력 손실이 적고, 온/오프 비율이 크며, 온 정전용량이 크고 오프 정전용량이 작아 고주파용으로 적합하다.When the voltage is applied, the present invention is configured to switch 100% even when only a part of the moving plate contacts the metal electrode formed on the insulator of the capacitor, so that the power loss is small, the on / off ratio is large, the on capacitance is large and the off capacitance is high. It is small and suitable for high frequency.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention having the features as described above are as follows.
도 5 및 도 6은 본 발명 제 1 실시예에 따른 마이크로 스위치를 보여주는 구조단면도로서, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 마이크로 스위치는 종래와 구조가 거의 흡사하다.5 and 6 are structural cross-sectional views showing a micro switch according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 5 and 6, the micro switch of the present invention has a structure substantially similar to that of the conventional art.
즉, 기판상에 형성되는 접지판과, 접지판 사이에 형성되는 전송선과, 이 전송선으로부터 일정 공간을 두고 전송선 상부에 형성되는 이동판과, 이동판이 전송선과 접촉되는 영역인 전송선 위에 형성되는 절연층과, 그리고 절연층 위에 형성되는 금속 전극으로 구성된다.That is, a ground plate formed on the substrate, a transmission line formed between the ground plate, a moving plate formed on the transmission line with a predetermined space from the transmission line, and an insulating layer formed on the transmission line which is a region where the moving plate is in contact with the transmission line. And a metal electrode formed on the insulating layer.
여기서, 이동판은 전송선에 대해 수직한 방향으로 접지판의 금속 포스트에 연결되는데, 이동판은 커패시터의 상부전극으로 이용되고, 전송선은 커패시터의 하부전극으로 이용된다.Here, the moving plate is connected to the metal post of the ground plate in a direction perpendicular to the transmission line, the moving plate is used as the upper electrode of the capacitor, the transmission line is used as the lower electrode of the capacitor.
본 발명의 스위치는 종래 기술의 스위치와는 달리 절연체 위에 금속 전극을 형성함으로써, 스위치가 오프된 상태에서 미리 커패시터를 형성하는 것이다.Unlike the switch of the prior art, the switch of the present invention forms a metal electrode on an insulator, thereby forming a capacitor in advance in a switched off state.
그 동작을 살펴보면 다음과 같다.The operation is as follows.
도 5는 스위치의 접지판과 전송선에 전압이 인가되지 않아 스위치가 오프(off)된 상태이고, 도 6은 스위치의 접지판과 전송선에 전압이 인가되어 스위치가 온(on)된 상태이다.5 is a state in which the switch is turned off because no voltage is applied to the ground plate and the transmission line of the switch, and FIG. 6 is a state in which the switch is turned on because voltage is applied to the ground plate and the transmission line of the switch.
스위치가 오프 상태일 때는 도 5에 도시된 바와 같이 스위치에 정전기력이 인가되지 않아 상부전극인 이동판은 공중에 떠 있는 상태로 있지만, 스위치가 온 상태일 때는 도 6에 도시된 바와 같이 스위치에 정전기력이 인가되어 이동판이 전송선 위의 금속 전극 쪽으로 당겨져 금속 전극 위에 접촉된다.When the switch is in the off state, as shown in FIG. 5, the electrostatic force is not applied to the switch, so that the upper plate moving plate remains in the air, but when the switch is in the on state, as shown in FIG. 6, the electrostatic force is applied to the switch. This is applied so that the moving plate is pulled toward the metal electrode on the transmission line and in contact with the metal electrode.
여기서, 하부전극인 전송선과 그 위에 형성된 절연층 및 금속 전극의 표면은 평평하지 않고 굴곡이 있지만, 상부전극인 이동판이 절연층 위에 형성된 금속 전극에 접촉하게 되므로, 스위치는 100% 온 상태가 된다.Here, although the transmission line, which is the lower electrode, and the surfaces of the insulating layer and the metal electrode formed thereon are not flat and curved, the moving plate, which is the upper electrode, comes into contact with the metal electrode formed on the insulating layer, so that the switch is turned on 100%.
즉, 본 발명의 스위치는 상부전극인 이동판이 절연체 위에 형성된 금속 전극의 일부분에만 접촉되어도 100% 스위칭되기 때문에 스위치의 온 정전용량(on capacitance)이 클 뿐만 아니라 스위치의 온/오프 비율이 크다.That is, the switch of the present invention is 100% switched even if the moving plate, which is the upper electrode, contacts only a part of the metal electrode formed on the insulator, so that the on capacitance of the switch is large and the on / off ratio of the switch is large.
도 7은 본 발명 제 2 실시예에 따른 마이크로 스위치를 보여주는 구조단면도로서, 본 발명 제 2 실시예의 구조는 칸틸레버 타입(cantilever type)의 스위치로서, 그 구동 원리는 본 발명 제 1 실시예인 브리지 타입(bridge type)의 스위치와 동일하다.7 is a structural cross-sectional view showing a micro switch according to a second embodiment of the present invention. The structure of the second embodiment of the present invention is a cantilever type switch, the driving principle of which is a bridge type according to the first embodiment of the present invention. Same as the (bridge type) switch.
도 7에 도시된 바와 같이, 칸틸레버 타입의 스위치는 전송선 일측의 기판 위에 접지판이 형성되고, 그 접지판의 금속 포스트에 이동판의 한쪽면이 고정된다.As shown in FIG. 7, a cantilever type switch has a ground plate formed on a substrate on one side of a transmission line, and one side of the moving plate is fixed to a metal post of the ground plate.
접지판과 전송선에 전압이 인가되면, 이동판은 금속 전극의 일부에 접촉되는데, 제 1 실시예와 같이 일부의 접촉만으로도 100% 스위칭되는 장점이 있다.When a voltage is applied to the ground plate and the transmission line, the moving plate is in contact with a part of the metal electrode, and as in the first embodiment, there is an advantage that 100% is switched only by a part of the contact.
도 8은 본 발명 제 3 실시예에 따른 마이크로 스위치를 보여주는 구조단면도로서, 이 구조는 도 8에 도시된 바와 같이 전송선과 접지판 사이의 기판 위에 금속선을 형성하고, 그 금속선 위에 절연층이 형성된 구조이다.FIG. 8 is a structural cross-sectional view showing a micro switch according to a third embodiment of the present invention, which is a structure in which a metal line is formed on a substrate between a transmission line and a ground plate as shown in FIG. 8 and an insulating layer is formed on the metal line. to be.
이 구조는 제 1 , 제 2 실시예처럼 전송선과 접지판에 전압을 인가하지 않고 금속선과 접지판에 전압을 인가함으로써, 스위칭을 하게 된다.This structure is switched by applying a voltage to the metal line and the ground plate without applying a voltage to the transmission line and the ground plate as in the first and second embodiments.
그 구동 원리는 제 1, 제 2 실시예와 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.Since the driving principle is the same as in the first and second embodiments, the description will be omitted.
이와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 스위치는 절연체 위에 금속 전극을 형성하여 이동판이 금속 전극의 일부에만 접촉된다 하더라도 100% 스위칭되는 장점이 있어 고주파 대역의 시스템들에 널리 이용될 것이다.As such, the micro-switch according to the present invention has a merit that the metal plate is formed on the insulator so that the movable plate is switched 100% even if only a part of the metal electrode is in contact with the metal plate.
본 발명에 따른 마이크로 스위치에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.The micro switch according to the present invention has the following effects.
본 발명은 절연체 위에 금속 전극을 형성하여 이동판이 금속 전극의 일부에만 접촉되어도 완전히 스위칭되므로, 구동시 전력 손실이 적고, 온/오프 비율이 크며, 온 정전용량이 크고 오프 정전용량이 작다.The present invention forms a metal electrode on the insulator so that the movable plate is completely switched even when only a part of the metal electrode is in contact, so that there is little power loss during driving, a large on / off ratio, a large on capacitance, and a small off capacitance.
그러므로, 스위치의 특성이 좋아 고주파 대역의 시스템 등에 매우 적합하다.Therefore, the characteristics of the switch are good, which is very suitable for high frequency band systems and the like.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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N231 | Notification of change of applicant | ||
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |