KR20010047627A - 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자 - Google Patents

고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자 Download PDF

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KR20010047627A
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Abstract

본 발명에 따른 MEMS 기술을 이용한 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자는 고정부, 지지부, 돌기와 식각홀을 갖는 평판으로 이루어진 구조물과, 구동전극 및 출력전극을 서로 연결구성하여 다양한 논리소자를 구성할 수 있도록 한 것으로, 기존의 전자소자를 이용한 논리소자와는 달리 열 에너지에 의한 전자, 정공쌍 형성에 의한 스위칭 소자의 등가저항 변화가 없기 때문에 동작온도가 높거나 큰 전류가 필요한 응용에서도 오동작이나 동작 특성 변화의 우려가 없는 이점과, 또한, 기계적 스위칭 동작에 의해 논리소자가 동작하기 때문에 스위칭-오프상태에서 누설전류가 없으며, 항복전압이 매우 높은 이점을 가지도록 한 것이다.

Description

고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자{a mechamcal logic element of subminiature for using in high temperature / high carrent}
본 발명은 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자에 관한 것으로서, 특히 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술을 이용하여 제작되는 초소형 기계적 구조물의 기계적 스위칭동작에 의해 인버터(Inverter), NOR, NAND, OR, AND, E-OR 논리연산을 수행할 수 있도록 한 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 nMOS, CMOS와 같은 전자소자로 구현되는 논리소자로는 사용이 불가능한 고온/대전류용 조건에서도 사용이 가능한 초소형 기계적 논리소자에 관한 것이다.
일반적으로 인버터는 입력신호를 반전시켜 출력하는 논리소자로서 현재까지는 대부분 MOSFET를 사용하여 제작되었다. 비선형 저항소자인 MOSFET를 등가저항으로 표시하여 MOS 인버터를 나타내면 도 1과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 도 1은 종래 기술에 따른 MOSFET를 등가저항으로 표시한 MOS 인버터 회로를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하여 MOS 인버터의 동작을 살펴보면, 먼저 출력전압(Vout)의 크기는 MOSFET 등가저항 RI와 부하저항 RL로 구성되는 전압 분배기에 의해 결정된다.
만약, 로우(LOW) 상태의 입력신호(Vin)가 MOSFET의 게이트에 인가되면, MOSFET에서는 채널이 형성되지 않기 때문에 등가저항 RI는 무한대에 가깝게 되어 출력전압 VOUT은 VDD가 된다. 즉, 출력전압 VOUT은 하이(High)가 되는 것이다.
반대로, 하이상태의 입력신호 Vin이 MOSFET의 게이트에 인가되면, MOSFET에는 채널이 형성되면서 등가저항 RI가 매우 작은 값을 갖게 되어 출력전압 Vout은 GND가 된다. 즉, 이때의 출력전압 Vout은 로우가 되는 것이다.
결국, 도 1에 도시된 MOS 인버터는 입력신호의 반대가 출력전압으로 나타나는 것이다. 이를 전달곡선으로 나타내면 도 2와 같다. 즉, 도 2는 도 1에 도시된 MOS 인버터의 입력전압과 출력전압의 관계를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 입력신호가 로우상태에서 하이로 증가하면 출력전압은 하이를 유지하다가 로우상태로 떨어진다. 이러한 인버터를 구성하기 위해서는 입력신호에 따라 등가저항이 변화하는 MOSFET와 같은 전자소자와 부하소자가 필요한데, 도 3에서는 nMOSFET에 입력신호를 인가할 때 연결가능한 다양한 부하형태를 보여 부고 있다. 즉, 도 3은 증가형 nMOSFET, 공핍형 nMOSFET, pMOSFET 및 CMOS를 부하소자로 사용한 종래 기술에 따른 인버터 회로를 나타낸 도면으로서, 도 3에서는 다양한 부하소자들을 사용하고 있지만 기본 동작원리는 도 1에서 설명한 바와 같이 입력신호에 따라 nMOSFET의 등가저항이 변화하는 것을 이용하고 있다.
인버터의 신호변환기능을 토대로 공핍형 nMOSFET를 부하소자로 이용한 NOR와 NAND 논리소자가 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다. 즉, 도 4a는 공핍형 nMOSFET를 부하소자로 사용한 종래 기술에 따른 NOR 게이트 회로를 나타낸 도면이고, 도 4b는 공핍형 nMOSFET를 부하소자로 사용한 종래 기술에 따른 NAND 게이트 회로를 나타낸 도면이다.
도 4a에서 제시된 NOR 논리소자의 경우 병렬로 연결된 입력 전자소자에 인가되는 입력신호(A, B)가운데 하나라도 하이상태가 되면, 이 전자소자와 부하소자를 통해 전류가 흐르면서 출력전압 Vout은 로우상태가 된다.
nMOSFET를 이용하여 구성된 도 4b와 같은 NAND 논리소자의 경우에는 여러 개의 스위칭 전자소자와 부하소자가 직렬로 연결되어 있다. 이들 직렬연결된 전자소자들 가운데 하나라도 로우상태가 되면, 즉, 입력전압 A, B중 하나라도 로우신호가 입력되면 전류 통로가 차단되기 때문에 출력전압은 VDD(HIGH) 상태로 바뀌게 되는 것이다. 즉, 모든 입력신호(A, B)가 하이이어야만 출력전압 Vout이 로우상태를 유지하는 것이다.
상술한 세 가지 논리소자 즉, 인버터, NOR, NAND는 기능과 구성이 서로 다르지만 기본적으로 동일한 원리를 토대로 한다. 즉, 입력신호에 의해 전자소자에 형성되는 채널의 유, 무에 따라 변하는 등가저항을 사용한 전압분배를 토대로 동작되는 것이다.
그러나, 동작온도가 높거나 큰 전류가 흐르게 되면, 소자 동작시 발생하는 자체 열 에너지와 주변의 열 에너지에 의해 전자소자의 온도가 상승하게 되고, 이로 인해 논리소자를 구성하는 MOSFET와 같은 전자소자의 채널영역에서 전자, 정공쌍이 자연적으로 형성된다. 이러한 전자, 정공쌍은 입력신호와는 무관하게 전자소자의 등가저항을 낮추게 되기 때문에 전압 분배기능은 제 역할을 못하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 현재 제작되어 판매되는 논리소자의 대부분은 동작온도와 허용전류가 제한되는 형편이다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 본 발명의 목적은 기존의 전자소자를 이용해 제작되는 논리소자의 동작온도와 허용전류 한계를 극복하기 위하여 MEMS 기술을 통해 제작되는 초소형 기계적 구조물을 사용하여 다양한 논리소자(OR, AND, NOR, NAND, E-OR)를 구현하는 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력신호에 따라 조절되는 초소형 기계적 구조물의 기계적 스위칭 작용을 통해 출력단을 VDD또는 GND에 연결하여 논리소자의 기능을 수행하는 것이다. 이러한 원리를 사용하면 기존의 전자소자를 이용한 논리소자와는 달리 전압분배기를 사용하는 것이 아니기 때문에 열 에너지에 의해 형성되는 전자, 정공쌍에 의한 영향이 없어 고온/대전류 환경에서도 논리소자를 사용할 수 있는 것이다.
이러한 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자의 특징은 기판과, 기판과 희생층 두께만큼의 간격 및 일정 면적을 갖고, VDD또는 GND와 연결된 평판과; 상기 평판 하부에 구성되고, 상기 기판의 상부에 형성되어 상기 기판의 희생층을 제거한 후, 희생층이 제거된 기판의 상부에서 외부에 노출되며, 외부 입력신호와 전기적으로 연결되어 외부의 입력신호와 상기 평판으로 입력되는 VDD또는 GND 신호와의 전압차이에 따라 상기 평판을 구동시키는 구동전극과; 상기 구동전극의 정전인력에 의해 구동되는 평판과 전기적으로 접촉되어 입력신호에 따라 그에 상응하는 출력신호를 출력하는 출력전극과; 상기 평판과 연결되어 평판을 상기 기판에 고정시키는 고정부로 구성됨에 있다.
또한, 본 발명의 다른 특징은 상기 평판은 상기 고정부와 지지부를 통해 기계적으로 연결되고, 상기 지지부는 직선형 빔으로 이루어져 상기 구동전극에서 발생되는 정전인력에 의해 기계적 운동을 하고, 구동전극의 정전인력이 제거되면 기계적 복원력에 의해 상기 평판을 원래의 상태로 복원시키는 것에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 특징으로 상기 고정부는 상기 기판상의 고정시키고자 하는 부분의 희생층을 제거한 후, 구조물층을 증착하여서 상기 평판이 기판에 고정되도록 하고, 상기 구동전극은 상기 평판으로 입력되는 외부 입력신호와 평판으로 입력되는 신호의 전압차이에 따라 발생되는 정전인력에 의해 상기 평판을 출력전극과 접촉되도록 구동하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 특징으로, 상기 평판은 상기 출력전극과 전기적으로 접촉하기 위해서 하부의 일정 영역에 일정 크기의 돌기를 구성하고, 상기 평판하부에 형성된 돌기부분을 제외한 나머지 전 영역에 절연층을 형성하여 출력전극이 평판을 통해 다른 전기적 신호와 연결되는 것을 방지하도록 함에 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 MOSFET를 등가저항으로 표시한 MOS 인버터 회로를 나타낸 도면,
도 2는 도 1에 도시된 MOS 인버터의 입력전압과 출력전압의 관계를 나타낸 전달곡선,
도 3은 저항, 증가형 nMOSFET, 공핍형 nMOSFET, pMOSFET를 부하소자로 사용한 종래 기술에 따른 nMOSFET 인버터 회로와 CMOS를 사용한 종래 기술에 따른 인버터 회로를 나타낸 도면,
도 4a는 공핍형 nMOSFET를 부하소자로 사용한 종래 기술에 따른 NOR 게이트 회로를 나타낸 도면, 도 4b는 공핍형 nMOSFET를 부하소자로 사용한 종래 기술에 따른 NAND 게이트 회로를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자의 구조를 나타낸 도면,
도 6은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자 구조에 대한 단순화된 평면도,
도 7a는 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자를 이용한 인버터의 간략화된 레이아웃을 나타낸 도면, 도 7b는 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자를 이용한 NOR 게이트 회로의 간략화된 레이아웃을 나타낸 도면, 도 7c는 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자를 이용한 NOR 게이트 회로의 간략화된 레이아웃을 나타낸 도면이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 고정부 20 : 구동전극
30 : 지지부 40 : 출력전극
50 : 식각홀 60 : 돌기
70 : 평판
이하, 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자의 구조를 나타낸 도면으로서, 고정부(10), 구동전극(20), 지지부(30), 출력전극(40), 식각홀(50), 돌기(60) 및 평판(70)으로 이루어진다.
고정부(10)는 초소형 기계적 구조물을 기판(미도시)에 고정시키는 역할을 하는 부분으로서, 제작시 고정시키고자 하는 부분의 희생층을 제거한 후, 구조물 층을 증착함으로써, 구조물이 기판에 고정되도록 한다.
구동전극(20)은 입력신호에 따라 초소형 기계적 구조물을 움직일 수 있는 구동력을 발생시키는 부분으로서 본 발명에서는 전력소모가 없고, 열 에너지와 같은 외부 환경의 영향을 받지 않으면서도 간단한 전기, 기계적인 구조에 의해 초소형 구조물의 동작에 필요한 구동력을 얻을 수 있는 정전인력에 의한 구동방식을 채택하였다.
이를 위해 구동전극(20)은 도 5에 제시된 바와 같이 초소형 기계적 구조물에 넓은 면적을 갖는 평판(70)을 포함시키고, 그 아래에 입력신호와 전기적으로 연결되는 구동전극(20)을 설치함으로써, 입력신호의 전압과 초소형 구조물의 전압 차이에 따라 발생되는 정전인력에 의해 초소형 기계적 구조물이 동작되도록 한 것이다. 이때, 평판(70) 아래의 희생층의 제거를 원활하게 하기 위해 다수의 식각홀(50)을 형성한다.
그리고, 출력전극(40)은 입력신호에 의해 동작된 구조물이 접촉되는 부분으로서 초소형 기계적 구조물 아래에 형성되어 둘 사이에 삽입된 절연층(미도시)에서의 창을 통해 기계적 구조물과 접촉되게 하였다.
초소형 기계적 구조물이 움직이게 되면 절연층에 형성된 창을 통해 초소형 기계적 구조물에 형성된 돌기(60)가 출력전극(40)과 접촉하여 전기적 연결이 이루어지도록 한 것이다. 이때 상기 평판(70) 하부에 형성된 돌기(60)부분을 제외한 나머지 전 영역에 절연층을 형성하여 출력전극(40)이 평판(70)을 통해 다른 전기적신호와 연결되는 것을 방지하는 것이다.
마지막으로 지지부(30)는 구동에 사용되는 평판(70) 구조물과 출력전극(40)에 접촉하는 돌기(60)를 고정부(10)에 기계적으로 연결시켜 주는 동시에 구동전극(20)에서 발생되는 구동력에 의해 기계적 운동을 하는 부분이다. 그리고, 구동력이 제거된 상태에서는 기계적 복원력에 의해 구조물을 원래의 상태로 복원시키는 역할을 수행한다. 이를 위해 본 발명에서는 직선형 빔을 사용하여 초소형 기계적 구조물 동작시 비틀림 운동을 하도록 하였다.
이와 같은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 논리소자의 구조에 대한 평면도(간략화된 레이아웃)은 도 6에 도시되어 있다. 즉, 도 6은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자 구조에 대한 단순화된 평면도이다.
그리고, 도 7a는 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자를 이용한 인버터의 간략화된 레이아웃을 나타낸 도면, 도 7b는 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자를 이용한 NOR 게이트 회로의 간략화된 레이아웃을 나타낸 도면, 도 7c는 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자를 이용한 NOR 게이트 회로의 간략화된 레이아웃을 나타낸 도면이다.
상술한 초소형 기계적 논리소자의 구조물을 사용하여 인버터를 구성하면, 도 7a와 같다. 도 7a에서 입력신호(Input)로서 낮은 전압 즉, 로우신호가 인가되면, 항상 VDD(High)에 연결되어 있는 상부 구조물(100)의 평판(70)부분과 구동전극(20)사이에 전압차이가 존재하기 때문에 정전인력이 발생하고, 이로 인해 상부의 기계적 초소형 논리소자의 구조물(100)이 동작한다.
상부 초소형 논리소자(100)의 동작에 의해 출력전극(40)과 전기적으로 연결되면 출력단(Output)에서는 상부 구조물(100)의 전압 상태인 VDD(HIGH)가 출력된다. 이때, 항상 GND(LOW)에 연결되어 있는 하부 구조물(110)에서는 로우상태의 입력신호와의 전압차이가 없기 때문에 발생되는 정전인력이 없고 따라서 하부 구조물(110)은 아무런 기계적 동작을 하지 않는다. 여기서, 상기한 그리고 하기할 상부 구조물 및 하부 구조물은 도 5에 도시된 바와 같은 고정부(10), 지지부(30), 돌기(60)와 식각홀(50)을 갖는 평판(70)으로 이루어진 것을 의미한다.
그리고 입력단(Input)에 하이 입력신호가 인가되는 경우에는 로우상태인 경우와는 반대로 상부 구조물(100)에서는 평판(70)과 구동전극(20)간의 전압차이가 존재하지 않아 구동력이 발생하지 않기 때문에 기계적 움직임이 없지만, 하부 구조물(110)에서는 평판(70)과 구동전극(20)간의 전압차가 존재하기 때문에 정전인력에 의한 구동력이 발생하고 이로 인해 하부 구조물(110)은 기판 쪽으로 움직이게 되는 것이다.
따라서, 하부 구조물(110)이 출력 전극(40)과 연결되면, 출력단(Output)에는 GND 신호 즉, 로우신호가 출력되는 것이다.
이상에서와 같이 도 7a와 같이 구성된 초소형 기계적 구조물들은 인버터로써 그 기능을 수행하는 것이다.
그리고, 4개의 초소형 기계적 구조물(200, 210, 220, 230)을 사용하여 도 7b와 같이 상부의 두 구조물(200, 210)은 직렬로 연결하고, 하부의 두 구조물(220, 230)은 병렬로 연결하면 2개의 입력신호를 받아들이는 NOR 논리소자로 동작시킬 수 있다. 여기서, NOR 게이트는 두 개의 입력이 모두 로우일 때에만 하이를 출력하고 두개의 입력중 하나라도 하이이거나 두개의 입력이 모두 하이일 경우에는 로우를 출력하는 게이트이다.
즉, 도 7b에 도시된 두 개의 입력단(Input A, B)의 입력 모두가 로우상태인 경우에만 상부의 두 구조물(200, 210)이 동작되어 출력단(Output)이 VDD(HIGH)와 연결되지만 그 외의 경우에는 즉, 입력단에 로우/하이가, 또는 하이/로우 또는 하이/하이신호가 입력될 경우에는 직렬연결된 상부의 두 구조물(200, 210) 가운데 하나만 동작하거나 둘 모두 동작하지 않아 출력단과 VDD사이의 연결이 이루어지지 않는 반면에 서로 병렬로 연결된 하부의 두 구조물(220, 230)은 동작하기 때문에 이를 통해 출력단이 GND(LOW)에 연결되어 로우신호가 출력되는 것이다.
상기한 동작을 더욱 상세하게 살펴보면, 먼저 도 7b에 도시된 입력단 Input A단에 로우신호가 입력되면, 상부의 구조물(200)의 평판(70)과 구동전극(20)간의 전압차가 발생하기 때문에 정전인력이 발생하게 되어 상부구조물(200)이 동작하여 상부구조물(200)의 평판(70)과 출력전극(40)이 전기적으로 연결되어 출력단에는 상부 구조물(200)의 전압 상태인 VDD(HIGH)가 상부 구조물(200)과 직렬로 연결된 구조물(210)의 고정부(10)로 인가된다.
그리고, 상부구조물(210)의 입력단 Input B에 로우가 인가되는 경우, 상기한 상부구조물(200)의 동작과 동일하게 동작되어 상기 상부구조물(200)의 출력신호(HIGH)가 출력단(Output)으로 출력된다. 이때, 서로 병렬로 연결된 하부구조물(220, 230)은 입력단 A, B 각각에 로우신호가 인가되기 때문에 구동전극(20)과 GND로부터 입력되는 로우전압 즉, 평판(70)과 전압차이가 발생하지 않기 때문에 하부 두 구조물(220, 230)은 작동되지 않게 된다. 따라서, 입력단 A, B에 모두 로우신호가 입력되는 경우에는 출력단(Output)단은 하이신호가 출력되는 것이다.
반대로, 입력단 A, B에 모두 하이신호가 입력되는 경우에는 상부 직렬로 연결된 두 구조물(200, 210) 각각은 평판(70)과 구동전극(20)간의 전압차가 발생되지 않기 때문에 즉, VDD전압과 입력전압간의 전압차가 발생하지 않기 때문에 상부 두 구조물(200, 210)은 동작하지 않게 되고, 하부에 병렬로 연결된 두 구조물(220, 230)각각은 평판(70)과 구동전극(20)간 즉, 입력신호와 GND간의 전압차가 발생되기 때문에 병렬로 연결된 하부 두 구조물(220, 230)은 정전인력에 의해 동작되어 하부 두 구조물(220, 230)은 각각 출력전극(40)과 접촉된다. 따라서, GND(LOW) 신호는 출력전극(40)을 통해 출력단으로 출력된다.
또한, 입력단 A에 하이신호가 그리고 입력단 B에 로우신호가 인가되는 경우, 구조물(200)은 입력전압과 VDD전압 즉, 구동전극(20)과 평판(70)간의 전압차이가 발생되지 않기 때문에 구동되지 않는다. 그리고, 상기 구조물(200)과 직렬로 연결된 구조물(210)은 입력신호가 로우이기 때문이 이 구조물(210) 역시 구동되지 않는다. 왜냐하면, 구조물(200)의 출력전극(40)에는 즉, 구조물(210)의 고정부(10)에는 VDD하이신호가 연결되지 않고 단지 GND(LOW)와 같은 형태로 연결되어 입력단 B의 입력신호와의 전압차이가 발생되지 않게 된다. 따라서, 구조물(200, 210)은 모두 동작되지 않게 되는 것이다.
그리고, 하부 구조물(220)은 입력신호가 하이신호이기 때문에 구동전극(20)으로 입력되는 전압과 GND(LOW)를 통해 입력되는 평판(70)간의 전압차이가 발생하여 정전인력에 의해 구조물(220)이 구동된다. 따라서, 구조물(220)이 출력전극(40)과 전기적으로 연결되어 GND(LOW) 신호가 출력전극(40)을 통해 출력단(Output)으로 출력된다. 이때, 하부 구조물(230)은 입력신호가 로우이기 때문에 GND(LOW) 신호와의 전압차이가 발생되지 않기 때문에 즉, 구동전극(20)과 평판(70)간의 전압차이가 발생되지 않기 때문에 구조물(230)자체가 구동되지 않게 된다. 결국, 두 개의 입력단 A, B에 각각 하이와 로우신호가 입력되는 경우 출력단으로의 출력신호는 로우가 되는 것이다.
또한, 입력단 A에 로우신호가 그리고 입력단 B에 하이신호가 각각 입력되는 경우에는, 구조물(200)은 구동전극(20)으로 입력되는 전압과 평판(70)에 연결된 VDD간의 전압차이가 발생되기 때문에 정전인력에 의해 구조물(200)이 구동되어 출력전극(40)과 전기적으로 접촉된다. 따라서, VDD전압(HIGH)이 출력전극(40)을 통해 구조물(210)의 평판(70)으로 인가된다.
그리고, 상기 구조물(200)과 직렬로 연결된 구조물(210)은 구동전극(20)으로 입력되는 입력신호가 하이이기 때문에 구조물(210)의 평판(70)과 구동전극(20)간의 전압차가 발생되지 않아 구조물(210)은 동작하지 않게 된다. 여기서, 구조물(210)의 평판(70)은 구조물(200)의 출력전극(40)과 연결되어 있기 때문이 VDD(HIGH) 신호가 입력된다. 따라서, 서로 직렬로 연결된 구조물(200, 210)의 출력단에는 어떠한 신호도 출력되지 않는다.
그리고, 하부 구조물(220)은 구동전극(20)으로 입력되는 입력신호가 로우신호이기 때문에 GND(LOW)를 통해 입력되는 평판(70)간의 전압차이가 발생되지 않아 구조물(220)은 구동되지 않는다.
그러나, 구조물(230)은 구동전극(20)으로 입력되는 신호가 하이이고 평판(70)으로 입력되는 신호가 GND(LOW)이기 때문에 구동전극(20)과 평판(70)간의 전압차이가 발생된다.
구조물(230)의 구동전극(20)과 평판(70)간의 전압차이가 발생되기 때문에 구조물(230)이 구동되어 출력전극(40)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 구조물(230)의 출력전극(40)을 통해 출력단(Output)으로는 GND(LOW) 신호가 출력되는 것이다.
만약 도 7b와 같이 입력단이 2개가 아닌 3개 이상의 입력단이 존재하는 경우에도 마찬가지로 상기한 동작원리를 이용하여 NOR 논리소자를 구현할 수 있는 것은 통상의 지식을 가진자라면 누구나 알 수 있는 사실이다.
이하, 도 5와 같은 본 발명의 구조물을 이용한 도 7c의 NAND 논리소자의 동작원리에 대하여 설명해 보기로 하자. 즉, 도 7c는 2 입력 NAND 논리소자 기능을 수행하기 위해 도 5와 같은 초소형 기계적 구조물을 연결한 경우이다.
먼저, 도 7b와 같은 NOR 논리소자와는 반대로 상부의 두 구조물(300, 310)은 서로 병렬로 연결하고, 하부의 두 구조물(320, 330)은 직렬로 연결하였다.
두 입력단 A, B의 입력이 모두 하이인 경우 하부의 두 구조물(320, 330)이 모두 동작되어 출력단은 GND(LOW)에 연결된다. 그러나, 두 입력단중 적어도 하나라도 로우인 경우에는 직렬 연결된 하부 구조물(320, 330)들을 통한 전기적 연결은 이루어지지 않지만 병렬 연결된 상부 두 구조물(300, 310)들이 동작하게 되기 때문에 이를 통해 출력단은 VDD(HIGH)에 연결되는 것이다.
이하, 도 7c에 도시된 NAND 논리소자에 대한 상세 동작에 대하여 설명해 보기로 하자.
먼저, 입력단 A, B 모두에 하이신호가 입력되는 경우, 상부의 두 구조물(300, 310) 각각의 평판(70)과 구동전극(20)간의 전압차이가 발생되지 않아 상부 두 구조물(300, 310)은 동작하지 않는다.
그러나, 하부 구조물(330)은 평판(70)과 구동전극(20)간의 전압차이가 발생되어 즉, GND와 입력 하이신호의 전압차이에 의해 정전인력이 발생되어 하부 구조물(330)이 출력전극(40)과 전기적으로 접촉한다. 따라서, 출력전극(40)으로 하부구조물(320)의 평판(70)으로 GND(LOW)가 출력된다.
그리고, 하부구조물(320)은 하부 구조물(330)에서 출력되는 GND(LOW) 신호와 입력신호간의 전압차이가 발생되어 정전인력에 의해 구조물(320)은 출력전극(40)과 전기적으로 접촉되게 된다. 따라서, 출력전극(40)을 통해 출력단(Output)단으로 GND(LOW) 신호가 출력된다.
한편, 입력단 A에는 하이가 입력되고, 입력단 B에는 로우신호가 입력되는 경우, 하부구조물(330)은 구동전극(20)으로 입력되는 전압과 평판(70)으로 입력되는 GND(LOW) 전압과의 전압차이가 발생되어 정전인력에 의해 하부구조물(33)은 구동되어 출력전극(40)과 전기적으로 접촉되어 GND(LOW) 신호가 하부구조물(320)의 평판(70)으로 입력된다. 이때, 하부구조물(320)은 평판(70)으로 입력되는 전압이 로우이고 구동전극(20)으로 입력되는 전압이 로우 즉, 입력단 B로 입력되는 신호가 로우이기 때문에 전압차이가 발생되지 않는다. 따라서, 하부구조물(320)에는 정전인력이 발생되지 않아 구동되지 않게 된다.
또한, 서로 병렬로 연결된 두 개의 상부구조물(300, 310)중 좌측의 상부구조물(300)은 입력단 A 즉, 구동전극(20)으로 입력되는 전압이 하이이고, 평판(70)으로 입력되는 전압이 VDD(HIGH)이기 때문에 구동전극(20)과 평판(70)간의 전압차이가 발생되지 않아 상부구조물(300)은 구동되지 않게 된다.
그러나, 상부구조물(310)은 구동전극(20)으로 입력되는 전압 즉, 입력단 B로 입력되는 전압이 로우이고, 평판(70)으로 입력되는 전압이 VDD(HIGH)이기 때문에 구조물(310)의 구동전극(20)과 평판(70)간의 전압차이가 발생되게 된다. 따라서, 전압차이에 의한 정전인력 발생으로 구조물(310)이 구동되어 출력전극(40)과 전기적으로 접촉되는 것이다. 따라서, 출력전극(40) 즉, 출력단(Output)으로 VDD(HIGH) 신호가 출력된다. 결국, 입력단 A에는 하이신호가, 입력단 B에는 로우신호가 입력될 경우 출력신호는 하이가 된다.
또한, 입력단 A에는 로우신호가 입력되고, 입력단 B에는 하이신호가 입력되는 경우에 대하여 살펴보기로 하자.
먼저, 하부구조물(330)은 입력단 A인 구동전극(20)으로 입력되는 전압과 평판(70)으로 입력되는 GND(LOW) 전압과의 전압차이가 발생되지 않기 때문에 구동되지 않아 구조물(330)의 출력전극(40)을 통해 구조물(320)의 평판(70)으로는 어떠한 신호도 출력되지 않게 된다. 따라서, 구조물(320)은 구동되지 않게 되는 것이다.
그리고, 서로 병렬로 연결된 두 개의 상부구조물(300, 310)중 우측의 상부구조물(310)은 입력단 B 즉, 구동전극(20)으로 입력되는 전압이 하이이고, 평판(70)으로 입력되는 전압이 VDD(HIGH)이기 때문에 구동전극(20)과 평판(70)간의 전압차이가 발생되지 않아 상부구조물(310)은 구동되지 않게 된다.
그러나, 상부구조물(300)은 구동전극(20)으로 입력되는 전압 즉, 입력단 A로 입력되는 전압이 로우이고, 평판(70)으로 입력되는 전압이 VDD(HIGH)이기 때문에 구조물(300)의 구동전극(20)과 평판(70)간의 전압차이가 발생된다. 따라서, 전압차이에 의한 정전인력 발생으로 구조물(300)이 구동되어 출력전극(40)과 전기적으로 접촉되는 것이다. 따라서, 출력전극(40) 즉, 출력단(Output)으로 VDD(HIGH) 신호가 출력된다. 결국, 입력단 A에는 로우신호가, 입력단 B에는 하이신호가 입력될 경우 역시 출력신호는 하이가 된다.
마지막으로, 입력단 A, B 모두에 로우신호가 입력될 경우에 대하여 설명해 보자.
먼저, 서로 병렬로 연결된 두 개의 하부구조물(330, 320)모두는 구동되지 않게 된다. 즉, 하부구조물(330)은 입력단 A인 구동전극(20)으로 입력되는 전압과 평판(70)으로 입력되는 GND(LOW) 전압과의 전압차이가 발생되지 않기 때문에 구동되지 않아 구조물(330)의 출력전극(40)을 통해 구조물(320)의 평판(70)으로는 어떠한 신호도 출력되지 않는다. 따라서, 구조물(320)은 구동되지 않게 되는 것이다.
그러나, 서로 병렬로 연결된 상부구조물(300, 310) 모두는 입력단 A, B 즉, 구조물(300, 310) 각각의 구동전극(20)으로 입력되는 전압이 로우이고, 각각의 평판(70)으로 입력되는 전압이 VDD(HIGH)이기 때문에 각 구조물(300, 310)의 구동전극(20)과 평판(70)간의 전압차이가 발생된다. 따라서, 전압차이에 의한 정전인력 발생으로 구조물(300, 310)이 모두 구동되어 출력전극(40)과 전기적으로 접촉되는 것이다. 따라서, 출력전극(40) 즉, 출력단(Output)으로 VDD(HIGH) 신호가 출력된다. 결국, 입력단 A, B 모두에 로우신호가 입력될 경우 역시 출력신호는 하이가 되는 것이다.
상기에서는 도 5에 도시된 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자를 이용하여 인버터, NAND, NOR 논리소자의 구현에 대하여만 예를 들어 설명하였지만, 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자의 다른 연결 구성에 따라 OR, AND, E-OR 논리연산도 수행할 수 있는 논리소자 역시 구현할 수 있다는 것은 통상의 지식을 가진자라면 누구나 알 수 있는 사실이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자는 고정부, 지지부, 돌기와 식각홀을 갖는 평판으로 이루어진 구조물과, 구동전극 및 출력전극을 서로 연결 구성하여 다양한 논리소자를 구성할 수 있도록 한 것이다.
따라서, 이와 같이 MEMS 기술로 제작되는 초소형 기계 구조물로 논리소자를 구성하게 되면, 기존의 전자소자를 이용한 논리소자와는 달리 열 에너지에 의한 전자, 정공쌍 형성에 의한 스위칭 소자의 등가저항 변화가 없기 때문에 동작온도가 높거나 큰 전류가 필요한 응용에서도 오동작이나 동작 특성 변화의 우려가 없는 이점이있다.
또한, 기계적 스위칭 동작에 의해 논리소자가 동작하기 때문에 스위칭-오프상태에서 누설전류가 없으며, 항복전압이 매우 높은 이점을 가지는 것이다.

Claims (8)

  1. 기판과,
    상기 기판과 희생층 두께 만큼의 간격과 일정 면적을 갖고, VDD또는 GND와 연결된 평판과;
    상기 평판 하부에 구성되고, 상기 기판의 상부에 형성되어 상기 기판의 희생층을 제거한 후, 희생층이 제거된 상부의 기판상에 형성되며, 외부 입력신호와 전기적으로 연결되어 외부의 입력신호와 상기 평판으로 입력되는 VDD또는 GND 신호와의 전압차이에 따라 상기 평판을 구동시키는 구동전극과;
    상기 구동전극의 정전인력에 의해 구동되는 평판과 전기적으로 접촉되어 입력신호에 따라 그에 상응하는 출력신호를 출력하는 출력전극과;
    상기 평판과 연결되어 평판을 상기 기판에 고정시키는 고정부로 구성되는 것을 특징으로 하는 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평판은 상기 고정부와 지지부를 통해 기계적으로 연결어지는 것을 특징으로 하는 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 지지부는 직선형 빔으로 이루어져 상기 구동전극에서 발생되는 정전인력에 의해 기계적 운동을 하고, 구동전극의 정전인력이 제거되면 기계적 복원력에 의해 상기 평판을 원래의 상태로 복원시키는 것을 특징으로 하는 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정부는 상기 기판상의 고정시키고자 하는 부분의 희생층을 제거한 후, 구조물층을 증착하여서 상기 평판이 기판에 고정되도록 하는 것을 특징으로 하는 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 구동전극은 상기 평판으로 입력되는 외부 입력신호와 평판으로 입력되는 신호의 전압차이에 따라 발생되는 정전인력에 의해 상기 평판을 출력전극과 접촉되도록 구동하는 것을 특징으로 하는 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 평판은 상기 출력전극과 전기적으로 접촉하기 위해서 하부의 일정영역에 일정 크기의 돌기를 구성하는 것을 특징으로 하는 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 평판은 기판상의 희생층 제거를 원활히 하기 위한 다수의 식각홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 고온/대전류용 초소형 기계적 논리소자.
  8. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 평판하부에 형성된 돌기부분을 제외한 나머지 전 영역에 절연층을 형성하여 출력전극이 평판을 통해 다른 전기적신호와 연결되는 것을 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 고온/대 전류용 초소형 기계적 논리소자
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