KR20020075904A - 마이크로릴레이 - Google Patents

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KR20020075904A
KR20020075904A KR1020027009941A KR20027009941A KR20020075904A KR 20020075904 A KR20020075904 A KR 20020075904A KR 1020027009941 A KR1020027009941 A KR 1020027009941A KR 20027009941 A KR20027009941 A KR 20027009941A KR 20020075904 A KR20020075904 A KR 20020075904A
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electrode
switching
actuator
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KR1020027009941A
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아이그너로베르트
미하일리스스벤
플뢰츠플로리안
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인피네온 테크놀로지스 아게
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Abstract

본 발명은 기판(1)상에 회전 가능하게 현수된 스위칭 소자(9)를 포함하는 마이크로릴레이에 관한 것이다. 상기 스위칭 소자는 로커와 같이, 적합하게 장착된 전극(51, 52, 6)에 의한 정전기 인력에 의해 2개의 선택적 스위치 모드로 변위될 수 있다. 스위치는, 로커 상부에서 기판에 고정되며 스위칭 소자의 상부면 상의 금속층(71, 72)에 의해 단락되는 전극(31, 32)에 의해 작동된다.

Description

마이크로릴레이{Microrelay}
정전기 마이크로스위치는 특히 고주파 범위의 용도에 적합하고 다른 반도체 스위치에 비해 댐핑 및 잡음 특성이 훨씬 우월하다. 이러한 방식의 스위치의 중요한 장점은 용량성 충전 전류는 제외하고, 스위칭 콘택의 무전력 제어가 가능하다는 것이다. 100 ㎲ 미만 범위의 짧은 스위칭 시간을 갖는 정전기 스위치는 종래의 방법에 의해서는 매우 큰 스위칭 전압이 허용될 수 있을 때만 구현될 수 있다. 공지된 기술적 실시예에서는 일반적으로 스위칭 속도와 필요한 스위칭 전압 사이의 절충이 이루어져야 하는데, 그 이유는 스위칭 소자의 탄성 현수(suspension)의 강성이 높은 스위칭 속도를 위해 높은 스위칭 전압이 필요하게 하기 때문이다. 특히 이동 전화에 사용하기 위해 통상적으로 최대 3 V 까지의 배터리 전압이 이용된다; 전압 증배기의 사용에 의해 최대 12V의 스위칭 전압이 얻어질 수 있다. 마이크로미케니컬 스위치는 통상적으로 마이크로미케니컬로 제조된 빔으로 형성되며, 상기 빔의 단부에는 스위칭 콘택이 놓이고, 상기 빔은 적합하게 장착된 전극 상에서 전위를 이용한 정전기 인력에 의해 휘어짐으로써, 콘택이 폐쇄된다. 스위칭 시간이20㎲이면, 통상적으로 30 V 이상의 전기 전압이 필요하다. 따라서, 상기 소자는 이동 전화 또는 낮은 전력 범위의 다른 용도에 사용하기에 부적합하다.
독일 특허 DE 41 13 190 C1호에는 정전기로 작동 가능한 마이크로 스위치가 개시된다. 여기서는 로커(rocker)로서 형성된 아마추어부가 베이스 상에 배치된 파워 전극에 대해 간격을 유지하는 아마추어를 갖는다. 상기 아마추어는 서로 마주 놓인 측면에 2개의 스위칭 콘택을 갖는다. 상기 스위칭 콘택은 장치의 작동시에 선택적으로 스위치로 제공된 2쌍의 카운터 전극을 단락시키며, 상기 카운터 전극은 베이스 상에 배치된다.
독일 특허 제 198 23 690 C1호에는 마이크로미케니컬 정전기 릴레이가 개시된다. 여기서는 가요성 스트립 위에서 중간 선회 축선의 영역에 선회 가능하게 현수된 리브형 아마추어가 상기 아마추어 기판 내에 형성된다. 상기 아마추어는 선회축의 양측면에 각각 휴지 상태에서 베이스 기판으로부터 멀리 휘어지는 가요성 아마추어 윙을 형성하고, 상기 윙은 장치의 작동 시에 베이스 전극 상에서 롤링하며 관련 콘택을 폐쇄시킨다.
독일 특허 제 198 20 821호에는 전자기 릴레이가 개시된다. 상기 릴레이는 아마추어 플레이트를 구비한 로킹 아마추어를 갖는다. 상기 아마추어 플레이트는 고정 플레이트에 접속된 2개의 비틀림 스프링에 의해 아마추어 플레이트의 종방향에 대해 횡으로 회전 가능하게 현수된다. 비틀림 스프링 및 로킹 아마추어의 고정을 위해 제공된 고정 플레이트는 아마추어 플레이트의 내부 리세스 내에 배치된다.
독일 특허 42 05 340호에는 마이크로미케니컬 정전기 릴레이가 개시된다.여기서는 프레임 내부의 아마추어 기판이 탄성 지지 스트립 위에 플레이트형 아마추어를 가지므로, 아마추어 상에 제공된 아마추어 전극이 베이스 전극에 평면으로 마주 놓이고, 아마추어는 지지 스트립에 의해 베이스 전극에 대해 평행하게 고정되며, 아마추어 전극과 베이스 전극 사이에 전압의 인가시 전극의 평면에 대해 수직으로 전체 표면이 베이스 전극에 접촉한다.
P.M. Zavracky 등의 간행물: "Micromechanical Switches Fabricated Using Nickel Surface Micromachining", Journal of Microelectromechanical Systems6, 3-9 (1997)에는 마이크로미케니컬 스위치가 개시된다. 상기 스위치에서는 도전성 빔과 기판에 있는 카운터 전극 사이에 전압의 인가에 의해 빔이 정전기력에 의해 기판 쪽으로 휘어지면, 서로 도전 접속될 접속 콘택이 빔에 장착된 스위칭 콘택에 의해 단락된다.
I. Schiele 등의 간행물: "Micromechanical Relay with Electrostatic Actuation", Transducers '97, 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, 페이지 1165 - 1168에는 마이크로릴레이가 개시된다. 여기서는 스위치의 폐쇄를 위해 마찬가지로 휘어질 수 있는 빔이 정전기로 기판 쪽으로 당겨지고, T형 금속 쇼울더가 서로 도전 접속될 접속 콘택의 단락을 위해 빔에 존재한다. 상기 쇼울더는 빔의 나머지에 의해 전기 절연된다.
Seok-Whan Chung 등의 간행물: "Design and Fabrication of Micro Mirror Supported by Electroplated Nickel Posts", Transducers '95, Eurosensors Ⅸ,Proc. of the 8thInternational Conference on Solid-State Sensors and Actuators, and Eurosensors Ⅸ, Stockholm, 페이지 312 - 315에는 비틀림 스프링에 현수된 마이크로거울이 개시된다. 상기 거울은 정전기에 의해 틸팅될 수 있다.
본 발명은 정전기에 의해 작동되고 스위치로서 사용될 수 있으며 마이크로미케니컬 프로세스에 의해 제조될 수 있는 마이크로릴레이에 관한 것이다.
도 1은 마이크로릴레이의 제 1실시예의 횡단면도.
도 2는 도 1에 따른 실시예의 평면도.
도 3은 마이크로릴레이의 제 2 실시예의 횡단면도.
도 4는 도 3에 따른 실시예의 평면도.
본 발명의 목적은 낮은 스위칭 전압과 높은 스위칭 속도를 갖는, 스위치로서 사용 가능한 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1항의 특징을 가진 마이크로릴레이에 의해 달성된다. 실시예는 종속항에 제시된다.
본 발명에 따른 마이크로릴레이는 기판 상에 회전 가능하게 현수된 스위칭 소자를 가지며, 상기 스위칭 소자는 로커와 같이, 적합하게 장착된 전극에 의한 정전기 인력에 의해 2개의 선택적 스위칭 상태로 변위될 수 있다. 상기 스위치 기능은 로커 상부에서 기판에 고정된 전극이 스위칭 소자의 상부면 상의 금속층에 의해 단락됨으로써 야기된다.
이하, 본 발명에 따른 마이크로릴레이를 첨부한 도 1 내지 4에 도시된 실시예를 참고로 구체적으로 설명한다.
도 1에는 기판(1) 또는 그 위에 있는 층 또는 층 구조물 상에 횡단면도로 도시된 보조층 또는 희생층(11), 구조층(2), 전기 절연층(20), 및 콘택 전극(31, 32)의 잔류 부분이 도시된다. 상기 콘택 전극(31, 32)은 기판에 대해 고정 장착된다. 도면에는 편의상 그 중심 부분이 생략되고 일부만이 도시된 층(11, 2)의 리세스 내에서 기판(1) 또는 그 위에 있는 층에는 고정부(4)로서 제공된 구조 부품이 배치된다. 상기 구조 부품에는 고유의 스위치 소자(9)가 현수된다. 이것을 가능하게 하기 위해, 이 실시예에서 스위치 소자(9)는 중심에 리세스를 가지며, 상기 리세스 내에 고정부(4)가 배치된다. 스위치 소자(9)와 고정부(4) 사이에는 회전 축선을 따라 정렬된, 비틀림 스프링으로 작용하는 브레이스(8)가 배치된다. 상기 회전 가능한 브레이스(8)는 그것에 현수된 스위치 소자(9)가 브레이스(8)로 형성된 회전 축선을 중심으로 움직여서, 스위치 소자(9)가 로킹(rocking) 운동을 할 수 있게 한다.
스위칭 소자(9)는 바람직하게는 브레이스(8) 및 고정부(4) 또는 적어도 고정부(4)의 상부와 함께 구조층(2)으로 이루어진다. 이 경우, 구조층은 특히 스위칭 소자(9)의 충분한 안정성 및 동시에 복원력을 위해 충분한 브레이스(8)의 탄성을 보장하기 위해 적합한 기계적 특성을 갖는 재료로 이루어진다. 이것을 위해 바람직하게는 실리콘 함유 재료, 특히 폴리실리콘, 모노실리콘(예컨대 하부 벌크 실리콘층, 얇은 절연층 및 얇은 상부 바디-실리콘층으로 이루어진 SOI-기판의 바디 실리콘층; 상기 절연층은 희생층으로 사용될 수 있다) 또는 화합물 반도체 SiGe가 있다.
스위칭 소자(9)에는 콘택 전극(71, 72)이 장착된다. 또한, 스위칭 소자는 그것에 장착된 적어도 하나의 액추에이터 전극(6)을 갖는다. 상기 액추에이터 전극은 스위칭 소자용 폴리실리콘의 사용시 폴리실리콘 내로 도펀트를 주입함으로써 제조될 수 있다. 카운터 전극으로서 액추에이터 전극(51, 52)은 기판(1) 상에(또는 그 위에 있는 층 또는 층 구조물 상에) 다음과 같이 장착된다. 즉, 상기 액추에이터 전극(51, 52) 중 하나에 전위가 교번적으로 인가됨으로써 이로 인해 야기된 정전기 인력에 의해 스위칭 소자의 로킹 운동이 발생될 수 있고, 따라서 하나의 스위칭 위치로부터 다른 스위칭 위치로의 전환이 이루어지도록 장착된다. 스위칭 소자(9)가, 도펀트의 투입에 의해 액추에이터 전극(6)이 형성된 반도체 재료이면, 브레이스(8) 및 고정부(4)의 반도체 재료가 도전적으로 도핑될 수 있기 때문에, 고정부를 통해 기판 쪽으로 스위칭 소자(9)의 액추에이터 전극(6)에 대한 전기 접속이 가능해진다. 그러나, 이 대신에 스위칭 소자에 전기 절연된 액추에이터 전극이 존재할 수도 있다. 상기 전극은 자유 전위(플로팅)에 접속된다. 이 경우, 기판에 고정된 액추에이터 전극(51, 52)에 대한 전기 인력은 전기 전하 유도에 의해 야기된다.
스위칭 소자(9)상에 고유의 스위칭 기능을 위해 제공된 콘택 전극(71, 72)이 배치된다. 상기 콘택 전극(71, 72)은 바람직하게는 스위칭 소자에 존재하는 액추에이터 전극(6)에 대해 전기 절연된다. 이것을 위해, 전기 절연층(21, 22), 예컨대 전기 절연층(20)의 부분이 콘택 전극(71, 72)과 스위칭 소자(9) 사이에 배치될 수 있다. 본 발명에 따른 마이크로릴레이에서 콘택 전극(71, 72)은 로커를 형성하는 스위칭 소자의 상부면 상에 배치된다. 따라서, 도 1에 도시된 스위칭 위치, 즉 스위칭 소자(9)의 좌측 부분이 기판에 있는 액추에이터 전극(51)에 의해 당겨지는 위치에서, 콘택 전극(72)은 기판에 고정된 콘택 전극(32)로 형성된 스위치를 단락시킨다. 이것은 도 2에 도시된 평면도에 나타난다.
도 2에서 기판(1)은 전기 절연층(2)과 스위칭 소자(9) 사이에 배치된다. 이 실시예에서, 고정부(4)는 스위칭 소자의 중간 리세스 내에 배치되고, 상기 스위칭 소자는 비틀림 스프링으로 작용하는 브레이스(8)를 통해 고정부(4)에 연결된다. 그 대신에, 스위칭 소자가 예컨대 통합 플레이트로서 형성될 수 있고, 상기 플레이트에는 행업(hang-up)으로서 제공된 브레이스가 측면으로 외측으로 장착된다. 스위칭 소자(9)의 상부면 상에는, 여기서는 측면이 구조화된 쇼율더 상에는 스위칭 소자(9)상에 장착된 콘택 전극(71, 72)이 배치된다. 이 실시예에서 스위칭 소자(9)의 액추에이터 전극(6)은 폴리실리콘 내의 도펀트 주입물로 형성된다. 상기 주입물은 도 2에 빗금으로 표시된 영역과 브레이스(8) 및 고정부(4)를 포함한다. 콘택 전극(71, 72)을 지지하는 측면 쇼울더에서 도핑이 생략되므로, 폴리실리콘은 여기서 전기 절연되거나 또는 적어도 낮은 전기 전도성만을 갖는다. 그러나, 상기 도핑이 전체 스위칭 소자(9)에 존재할 수도 있다. 콘택 전극(71, 72)의 충분한 전기 절연은 필요한 경우 콘택 전극(71, 72)과 스위칭 소자(9) 사이의 전기 절연층(21, 22)(예컨대, Si3N4와 같은 질화물)에 의해 야기될 수 있다. 도 1에 도시된 횡단면 및 기판에 고정된 액추에이터 전극(51, 52)의 은폐된 윤곽이 도 2에 파선으로 표시된다.
도 2에는 기판에 장착된 콘택 전극(31, 32)의 구조화가 명확히 나타나는데, 상기 콘택 전극(31, 32)은 각각 서로 작은 간격을 두고 배치된 2개의 부분(31a, 31b 또는 32a, 32b)을 갖는다. 상기 부분은 로킹 스위칭 소자의 적합한 위치에서 관련 콘택 전극(71, 72)에 의해 그 상부면에서 단락되도록 배치 및 정렬된다. 따라서, 이 실시예에서 마이크로릴레이의 전환에 의해 2가지 스위칭 기능이 동시에 구현될 수 있다. 즉, 제 1 스위치가 폐쇄되는 동시에 제 2 스위치가 개방된다. 대안으로서, 예컨대 우측의 제 2 콘택 전극(32, 72)이 생략되거나 또는 접속되지 않음으로써, 마이크로릴레이가 하나의 스위칭 기능에 국한될 수 있다. 도 1에 도시된 2중 화살표는 도 1 또는 도 2에 점선으로 도시된 브레이스(8)에 의해 주어지는 회전 축선 간의 대응을 나타낸다. 콘택 전극(31, 32)들은 전기 절연층(20)상에 제공되고 스트립 도체에 의해 접속되거나 구조층(2) 내의 도체 위에 전기 접속부를 가질 수 있다.
도 3에는 대안적 실시예의 횡단면도가 도시된다. 여기서는 기판의 액추에이터 전극(53, 54)이 여기에 도시된 구조층(20)상에 그리고 이 실시예에서는 그 위에 존재하는 전기 절연층(23, 24)상에 장착되고, 기판(1) 반대편에 놓인 스위칭 소자(9)의 측면 상에 배치되며, 여기서는 특히 스위칭 소자(9)가 브리지 형태로 횡단한다.
도 4에 도시된 평면도에서, 액추에이터(53, 54)의 2개의 평면 부분이 스위칭 소자(9) 위에 도시된다. 상기 액추에이터 전극의 형태는 원칙적으로 임의이다. 도시된 바람직한 실시예는 양호한 기계적 안정성을 갖는다. 기판에 장착된 모든 전극, 액추에이터 전극(53, 54) 및 콘택 전극(31, 32)이 공동으로 구조화되면, 제조가 간단해진다; 모든 전극의 상부 부분이 기판 위에 동일한 높이로 배치된다.
또 다른 실시예에로서 기판에 장착된 액추에이터 전극은 스위칭 소자 아래 및 스위칭 소자 위에 배치된다. 이것은 얻어질 수 있는 더 큰 토크로 인해 스위칭력을 향상시킨다.
본 발명에 따른 마이크로릴레이에서는 로커형 스위칭 소자가 액추에이터로서 존재하며, 그 상부면 상에는 콘택 전극이 장착되고, 상기 콘택 전극에 의해 스위치가 폐쇄되는 것이 중요하다. 2개의 스위칭 방향에 대해 하나의 고유의 액추에이터 전극(51, 52)가 존재하기 때문에, 전환 과정의 속도가 브레이스(8)로 형성된 비틀림 스프링의 복원력과 무관하게 세팅될 수 있다. 따라서, 상기 마이크로릴레이로 형성된 스위치는 접속시 및 차단시 제어되지 않은 상태로 되지 않으므로, 훨씬 신속히 정지된 최종 상태로 된다. 스위칭 속도를 제한하는 것은 단지 로커의 관성 모멘트에 의해 주어지는 관성 및 인가된 전압에 의해 제한된 액추에이터 힘이다; 스프링에 의해 야기되는 복원력은 중요하지 않다. 액추에이터 전극에 의해 정전기적으로 제공되는 액추에이터 힘은 인가되는 전압에 2차 함수적으로 의존하고 그렇지 않으면 장치의 구조에 의해서만 결정된다. 관성 모멘트는 구조 외에 스위칭 소자(9)의 재료의 밀도에 의존한다. 따라서, 가동 부분이 낮은 밀도의 재료, 특히 폴리실리콘으로 제조되는 것이 바람직하다. 전극에 대해서만 금속 코팅(예컨대 갈바닉 석출된 금속 또는 스퍼터링된 금속층)이 제공될 수 있다. 상부로(즉, 기판으로부터 멀리) 폐쇄되는 콘택을 가진 본 발명에 따른 마이크로릴레이는 이동된 질량(관성 모멘트)의 현저한 감소 및 그에 따라 낮은 스위칭 전압이 변동되지 않을 때 스위칭 속도의 증가를 가능하게 하는데, 그 이유는 스위치를 형성하는 콘택 전극의 무거운 부분이 기판에 대해 정지된 채로 있기 때문이다. 본 발명에 따른 실시예에서 스위치의 특성 및 스위칭력의 행사는 종래의 스위치에 비해 현저히 향상된다.

Claims (10)

  1. - 기판(1)상에 움직일 수 있게 장착되며, 로커로 형성된 스위칭 소자(9),
    - 상기 기판(1)상에 장착되며, 분리된 전기 접속부를 구비한 2개의 부분(31a, 31b)를 포함하는 콘택 전극(31),
    - 상기 스위칭 소자(9)에 장착된 콘택 전극(71),
    - 상기 기판(1)상에 장착된 2개의 액추에이터 전극(51) 및
    - 상기 스위칭 소자(9)에 장착된 액추에이터 전극(6)을 포함하고,
    - 상기 기판(1)상에 장착된 액추에이터 전극(51, 52)이 스위칭 소자(9)에 장착된 액추에이터 전극(6)에 대해, 상기 액추에이터 전극(51, 52)에 전위의 선택적 인가에 의해 2개의 선택적 스위칭 위치 중 다른 하나의 위치로의 스위칭 소자(9)의 로킹 운동이 야기될 수 있도록 배치되는, 정전기 작동 마이크로릴레이에 있어서,
    상기 기판(1)상에 장착된 콘택 전극은, 스위칭 위치 중 하나에서 스위칭 소자(9)에 장착된 콘택 전극(71)이 두개의 부분(31a, 31b)을 단락시키도록 기판 반대편에 놓인 스위칭 소자(9)의 측면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로릴레이.
  2. 제 1항에 있어서,
    - 상기 스위칭 소자(9)에는 2개의 콘택 전극(71, 72)이 장착되고,
    - 상기 기판(1)상에 2개의 콘택 전극(31, 32)이 장착되고, 상기 콘택 전극은분리된 전기 접속부를 구비한 2개의 부분(31a, 31b; 32a, 32b)을 포함하고, 스위칭 소자(9)의 각각의 스위칭 위치에서 그것에 장착된 콘택 전극(71, 72) 중 하나가 기판에 장착된 콘택 전극(31; 32) 중 하나의 2개의 부분(31a, 31b; 32a, 32b)을 단락시키도록, 상기 콘택 전극(31, 32)이 기판 반대편에 놓인 스위칭 소자(9)의 측면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로릴레이.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    - 상기 스위칭 소자(9)가 폴리실리콘, 모노실리콘 또는 SiGe이고,
    - 그것에 장착된 콘택 전극(71, 72)이 금속인 것을 특징으로 하는 마이크로릴레이.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 스위칭 소자(9)에 장착된 액추에이터 전극(6)이 도펀트의 주입에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로릴레이.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자(9)와 그것에 장착된 콘택 전극(71, 72) 사이에는 전기 절연층(21, 22)이 있는 것을 특징으로 하는 마이크로릴레이.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자(9)가 기판(1)상에 고정된 고정부(4)에 브레이스(8)에 의해 현수되고, 상기 브레이스(8)는 회전 축선을 따라 정렬되며 비틀림 스프링을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로릴레이.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에 장착된 액추에이터 전극(51, 52)이 기판(1)과 스위칭 소자(9) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로릴레이.
  8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에 장착된 액추에이터 전극(53, 54)이 기판(1) 반대편에 놓인 스위칭 소자(9)의 측면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로릴레이.
  9. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에 장착된 적어도 하나의 액추에이터 전극(51, 52)이 기판(1)과 스위칭 소자(9) 사이에 배치되고, 기판에 장착된 적어도 하나의 액추에이터 전극(53, 54)이 기판(1) 반대편에 놓인 스위칭 소자(9)의 측면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로릴레이.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 기판(1) 반대편에 놓인 스위칭 소자(9)의 측면 상에 배치된 액추에이터전극(53, 54)이 스위칭 소자를 브리지 형태로 횡단하는 것을 특징으로 하는 마이크로릴레이.
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